Atemwegswiderstand und -dynamik

Der Atemwegswiderstand ist der Widerstand, den die leitenden Atemwege dem Luftstrom entgegensetzen, definiert als die treibende Druckdifferenz geteilt durch den erzeugten Fluss. Die Dynamik der Atemwege – wie sich ihr Kaliber mit Lungenvolumen, Flussrate und transmuralem Druck ändert – bestimmt, wo der größte Widerstand liegt und warum der Fluss während einer forcierten Ausatmung begrenzt wird.

Definition

Der Atemwegswiderstand ist das Verhältnis der treibenden Druckdifferenz zwischen den Alveolen und der Atemwegsöffnung zum erzeugten Luftstrom; er spiegelt den Reibungs- und geometrischen Widerstand der Gasbewegung durch die leitenden Atemwege wider und hängt stark vom Atemwegsradius ab.

Scope

Dieses Thema behandelt die Definition und Determinanten des Atemwegswiderstands, die Verteilung des Widerstands entlang des Bronchialbaums, die Abhängigkeit des Atemwegskalibers vom Lungenvolumen und die dynamische Kompression, die den exspiratorischen Fluss begrenzt. Es handelt sich um eine Referenzdarstellung der Atemwegsmechanik und enthält keine klinischen Managementhinweise.

Core questions

• Wie wird der Atemwegswiderstand in Bezug auf treibenden Druck und Fluss definiert?
• Warum hat der Atemwegsradius einen so großen Einfluss auf den Widerstand?
• Wo entlang des Bronchialbaums befindet sich der größte Atemwegswiderstand?
• Wie erzeugt die dynamische Atemwegskompression eine exspiratorische Flussbegrenzung?

Key concepts

• Atemwegswiderstand
• Laminare und turbulente Strömung
• Radiusabhängigkeit
• Verteilung des Widerstands
• Lungenvolumenabhängigkeit des Kalibers
• Dynamische Atemwegskompression
• Gleichdruckpunkt

Key theories

Radiusabhängigkeit des Widerstands

Bei laminarer Strömung variiert der Widerstand umgekehrt proportional zu einer hohen Potenz des Atemwegsradius, sodass kleine Kaliberänderungen – durch glattmuskulären Tonus, Sekrete oder Wandverdickung – große Widerstandsänderungen hervorrufen; der Widerstand nimmt auch ab, wenn das Lungenvolumen steigt und die Atemwege geöffnet werden.

Dynamische Kompression und der Gleichdruckpunkt

Während der forcierten Ausatmung kann der Pleuradruck den Druck innerhalb der Atemwege an einem Punkt stromabwärts der Alveolen übersteigen; jenseits dieses Gleichdruckpunktes wird der Atemweg komprimiert, sodass der maximale Fluss durch den Lungenrecoil und den Widerstand des stromaufwärts gelegenen Segments und nicht durch die exspiratorische Anstrengung bestimmt wird.

Mechanisms

Der Luftstrom durch die Atemwege wird durch einen Widerstand behindert, der bei laminarer Strömung sehr stark vom Atemwegsradius abhängt, sodass das Kaliber der Atemwege die dominierende Determinante des Widerstands ist. Obwohl einzelne kleine Atemwege eng sind, sind sie so zahlreich und ihr kombinierter Querschnitt so groß, dass der größte messbare Widerstand in der normalen Lunge in den mittelgroßen Bronchien und nicht in den kleinsten Atemwegen liegt. Das Atemwegskaliber nimmt mit der Lungeninflation zu, da das umgebende Parenchym eine radiale Traktion ausübt, die die Atemwege offen hält, sodass der Widerstand bei höheren Lungenvolumina abnimmt. Während einer forcierten Ausatmung komprimiert der Anstieg des Pleuradrucks, der die Luft austreibt, auch die Atemwege; stromabwärts des Punktes, an dem Atemwegs- und Pleuradruck gleich werden, verengt sich der Atemweg dynamisch, und von dort wird der maximale Fluss durch die elastische Rückstellkraft der Lunge und den Widerstand stromaufwärts bestimmt – die Grundlage der exspiratorischen Flussbegrenzung.

Clinical relevance

Ein erhöhter Atemwegswiderstand, bedingt durch Bronchokonstriktion, Schleimhautschwellung, Sekretionen oder den Verlust der parenchymalen Traktion, die die Atemwege offen hält, ist das mechanische Kennzeichen obstruktiver Ventilationsmuster und erhöht die resistive Atemarbeit. Die dynamische Kompression erklärt, warum forcierte exspiratorische Messungen die Atemwegsfunktion widerspiegeln. Dieser Eintrag beschreibt Physiologie und Messung und ist keine Grundlage für individuelle Diagnosen oder Behandlungen.

Evidence & guidelines

Methoden zur Messung des Atemwegswiderstands und verwandter Flüsse wurden in klassischen plethysmographischen und forcierten Oszillationsstudien etabliert und werden in standardisierten Lungenfunktionsrahmen angewendet; die Interpretation von Widerstands- und Flussmessungen ist in internationalen Lungenfunktionserklärungen dargelegt.

History

Die direkte Messung des Atemwegswiderstands wurde in den 1950er Jahren durch die von DuBois und Kollegen eingeführten Ganzkörperplethysmographie- und forcierte Oszillationstechniken möglich. In den 1960er Jahren erklärten Mead, Macklem und Mitarbeiter die exspiratorische Flussbegrenzung durch dynamische Atemwegskompression und verknüpften Atemwegswiderstand, Lungenrecoil und maximalen Fluss zu einer kohärenten Darstellung der Atemwegsdynamik.

Key figures

• Arthur B. DuBois
• Jere Mead
• Peter Macklem

Seminal works

• dubois-1956
• mead-1967

Frequently asked questions

Warum führt eine geringe Änderung des Atemwegsdurchmessers zu einer großen Widerstandsänderung?

Bei laminarer Strömung variiert der Widerstand umgekehrt proportional zu einer hohen Potenz des Atemwegsradius, sodass selbst eine geringe Verengung – durch Kontraktion der glatten Muskulatur, Schwellung oder Sekrete – den Widerstand des Luftstroms stark erhöht.

Wo in der Lunge befindet sich der größte Atemwegswiderstand?

In der normalen Lunge befindet sich der größte messbare Widerstand in den mittelgroßen Bronchien. Die kleinsten Atemwege sind einzeln eng, aber so zahlreich, mit einer so großen kombinierten Querschnittsfläche, dass sie zusammen relativ wenig Widerstand beitragen.