26.10 : Druckverhältnisse im Brustraum

Atmen, auch Lungenventilation genannt, ist der Prozess der Luftbewegung in die Lunge hinein und aus ihr heraus. Die wichtigsten Mechanismen, die die Lungenventilation antreiben, sind der atmosphärische Druck (P_atm), der intrapulmonale (P_pul) oder intraalveoläre Druck (P_alv) in den Alveolen und der intrapleurale Druck (P_ip) in der Pleurahöhle.

Atemmechanismen

Sowohl der intraalveoläre als auch der intrapleurale Druck hängen von bestimmten Lungeneigenschaften ab. Die Fähigkeit zu atmen – Luft beim Einatmen in die Lunge ein- und beim Ausatmen austreten zu lassen – hängt vom Luftdruck in der Lunge im Verhältnis zum atmosphärischen Druck ab.

Druckdynamik

Einatmen (Inspiration) und Ausatmen (Expiration) hängen von den Druckunterschieden zwischen der Atmosphäre und der Lunge ab. In einem Gas entsteht der Druck durch die Bewegung eingeschlossener Gasmoleküle. Aufgrund des reduzierten Volumens übt beispielsweise dieselbe Menge an Gasmolekülen in einem Ein-Liter-Behälter mehr Druck aus als in einem Zwei-Liter-Behälter. Diese Beziehung zwischen Volumen und Druck in einem Gas bei konstanter Temperatur wird durch das Boylesche Gesetz beschrieben, das besagt, dass Druck und Volumen umgekehrt proportional sind (P = k/V); eine Volumenzunahme führt zu einer Druckabnahme und umgekehrt.

Drei Arten von Druck - atmosphärischer, intraalveolärer und intrapleuraler Druck - bestimmen die pulmonale Ventilation. Der atmosphärische Druck ist die Kraft, die von den Luftgasen ausgeübt wird, die eine bestimmte Oberfläche umgeben. Er kann als atmosphärische Einheit (atm) oder in Millimeter Quecksilbersäule (mmHg) ausgedrückt werden, wobei 1 atm 760 mmHg entspricht, dem atmosphärischen Druck auf Meereshöhe. Andere Druckwerte, wie z. B. der atmosphärische Druck, werden in der Regel bei der Atmung erörtert.

Der intraalveoläre Druck (intrapulmonaler Druck) bezeichnet den Luftdruck in den Alveolen, der während verschiedener Atemphasen schwankt. Da die Alveolen über die Atemwege mit der Atmosphäre verbunden sind, gleicht sich der intrapulmonale Druck ständig dem atmosphärischen Druck an.

Der intrapleurale Druck ist der Luftdruck im Pleuraraum zwischen der viszeralen und der parietalen Pleura. Er schwankt während verschiedener Atemphasen und bleibt aufgrund spezifischer Lungeneigenschaften im Vergleich zum intraalveolären Druck immer negativ. Der intrapleurale Druck bleibt während des gesamten Atemzyklus bei etwa –4 mmHg. Er wird durch die nach innen gerichtete Rückfederung der elastischen Lungenfasern und den nach außen gerichteten Zug der Brustwand aufrechterhalten. Das Gleichgewicht zwischen diesen entgegengesetzten Kräften bestimmt den intrapleuralen Druck von –4 mmHg im Verhältnis zum intraalveolären Druck. Der transpulmonale Druck, die Differenz zwischen intrapleuralem und intraalveolärem Druck, bestimmt die Lungengröße.

Faktoren, die die Ventilation beeinflussen

Abgesehen von Druckunterschieden hängt die Atmung von der Kontraktion und Entspannung des Zwerchfells und der Brustmuskelfasern ab. Die Bewegungen des Zwerchfells und der Interkostalmuskeln verursachen in erster Linie Druckänderungen, die für das Ein- und Ausatmen verantwortlich sind.

Auch andere Lungeneigenschaften beeinflussen die Atmung. Widerstand ist eine Kraft, die eine Bewegung verlangsamt, in diesem Fall den Fluss von Gasen. Die Größe der Atemwege ist der Hauptfaktor, der den Widerstand beeinflusst. Ein kleinerer Schlauchdurchmesser zwingt die Luft durch einen kleineren Raum, was zu mehr Kollisionen der Luftmoleküle mit den Wänden der Atemwege führt. Die Formel F=ΔP/R beschreibt die Beziehung zwischen Druckänderungen und Atemwegswiderstand.

Die Oberflächenspannung in den Alveolen, die durch das in der Alveolenauskleidung vorhandene Wasser verursacht wird, neigt dazu, die Ausdehnung der Alveolen einzuschränken. Das von den Typ-II-Pneumozyten ausgeschiedene Lungensurfactant vermischt sich mit Wasser, verringert diese Oberflächenspannung und verhindert den Kollaps der Alveolen während der Ausatmung. 

Die Compliance der Brustwand, also die Fähigkeit der Brustwand, sich unter Druck auszudehnen, beeinflusst die zum Atmen erforderliche Anstrengung. Der Brustraum muss sich ausdehnen, damit das Einatmen erfolgen kann, was die Lungenkapazität direkt beeinflusst. Wenn die Brustwand nicht nachgiebig ist (sich nicht ausdehnen kann), wird die fetale Entwicklung des Brustkorbs und der Lungen erschwert.