Atemarbeit

Die Atemarbeit ist die Energie, die die Atemmuskulatur aufwendet, um Luft gegen die elastischen und resistiven Lasten des Atmungssystems in die Lunge hinein und aus ihr heraus zu bewegen. Mechanisch ist sie das Integral des Drucks über das bewegte Volumen; physiologisch spiegelt sie sich im Sauerstoffverbrauch der Atemmuskulatur zur Aufrechterhaltung der Ventilation wider.

Definition

Die Atemarbeit ist die mechanische Arbeit, die von der Atemmuskulatur am Atmungssystem während der Ventilation verrichtet wird, berechnet als das Integral des angewendeten Drucks bezüglich der Volumenänderung und aufgeteilt in die Arbeit, die zur Überwindung des elastischen Rückstoßes erforderlich ist, und die Arbeit, die zur Überwindung des Widerstands gegen den Luftstrom und die Gewebedeformation benötigt wird.

Scope

Dieses Thema behandelt, wie Atemarbeit definiert und gemessen wird, ihre Unterteilung in elastische und resistive (und innerhalb der resistiven in Atemwegs- und Gewebekomponenten), die Optimierung des Atemmusters zur Minimierung der Arbeit und die Sauerstoffkosten der Atmung. Es ist eine Referenzdarstellung einer mechanischen und energetischen Größe und bietet keine klinischen Managementhinweise.

Core questions

• Wie wird die Atemarbeit als Fläche unter einer Druck-Volumen-Schleife berechnet?
• Wie wird die Gesamtarbeit in elastische und resistive Komponenten aufgeteilt?
• Warum wählt der Körper eine Atemfrequenz, die die Gesamtarbeit minimiert?
• Was sind die Sauerstoffkosten der Atmung, und wann werden sie signifikant?

Key concepts

• Druck-Volumen-Arbeitsschleife
• Elastische Arbeit
• Resistive Arbeit
• Sauerstoffkosten der Atmung
• Optimale Atemfrequenz
• Energetik der Atemmuskulatur

Key theories

Minimum-Arbeits-Optimierung des Atemmusters

Für eine erforderliche alveoläre Ventilation erhöhen langsame, tiefe Atemzüge die elastische Arbeit, während schnelle, flache Atemzüge die resistive Arbeit erhöhen; die Atemsteuerung neigt dazu, sich auf eine Frequenz und ein Atemzugvolumen einzustellen, die die Summe, die gesamte mechanische Atemarbeit, minimieren.

Mechanisms

Mechanische Arbeit entspricht dem Produkt aus Druck und dem Volumen, das er bewegt; bei der Atmung wird sie durch Integration des transpulmonalen oder transrespiratorischen Drucks über das inspirierte Volumen ermittelt, was der Fläche entspricht, die von der Druck-Volumen-Schleife eines Atemzugs umschlossen wird. Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen: elastische Arbeit, die beim Dehnen von Lunge und Brustwand gespeichert und größtenteils als Rückstoß während der Exspiration zurückgewonnen wird, und resistive Arbeit, die als Wärme beim Transport von Luft durch die Atemwege und bei der Verformung von Gewebe dissipiert wird. Da die elastische Arbeit mit größeren Atemzugvolumina ansteigt, während die resistive Arbeit mit schnelleren Flussraten zunimmt, gibt es für jede erforderliche Ventilation eine Atemfrequenz, bei der die Gesamtarbeit am geringsten ist, und die Ruheatmung neigt dazu, sich dieser anzunähern. Die von der Atemmuskulatur bereitgestellte Energie spiegelt sich in ihrem Sauerstoffverbrauch wider – den Sauerstoffkosten der Atmung –, der in Ruhe gering ist, aber bei hohen elastischen oder resistiven Lasten stark ansteigen kann.

Clinical relevance

Eine erhöhte Atemarbeit – aufgrund steifer Lungen, verengter Atemwege oder eines hohen ventilatorischen Bedarfs – erhöht die metabolischen Kosten der Atmung und kann zur Ermüdung der Atemmuskulatur beitragen; die Reduzierung dieser Belastung ist Teil der physiologischen Begründung für die assistierte Beatmung. Das Konzept untermauert auch die Besorgnis, dass die mechanische Beatmung selbst schädigende Drücke und Volumina verursachen kann. Dieser Eintrag beschreibt die Physiologie und ist keine Grundlage für individuelle Diagnosen oder Behandlungen.

Evidence & guidelines

Die mechanische Aufteilung der Atemarbeit und die Optimierung des Atemmusters leiten sich aus klassischen physiologischen Studien ab und werden in Standardlehrbüchern zusammengefasst; die klinische Bedeutung mechanischer Belastungen der Lunge, einschließlich iatrogener Schäden, wird in der Intensivmedizin-Literatur behandelt.

History

Die Energetik der Atmung wurde Mitte des 20. Jahrhunderts quantifiziert, als Otis, Fenn und Rahn die mechanische Atemarbeit analysierten und zeigten, dass das Atemmuster dazu neigt, diese zu minimieren, während DuBois und andere Methoden zur Messung der zugrunde liegenden Widerstände und Compliances entwickelten. Die spätere Erkenntnis, dass übermäßige mechanische Belastung die Lunge schädigen kann, erweiterte die Relevanz dieser Mechanik für die Intensivmedizin.

Key figures

• Arthur B. DuBois
• Arthur Otis
• Wallace Fenn
• Hermann Rahn

Seminal works

• dubois-1956
• otis-1954

Frequently asked questions

Was sind die beiden Hauptkomponenten der Atemarbeit?

Elastische Arbeit, die zum Dehnen von Lunge und Brustwand verrichtet und größtenteils als Rückstoß während der Exspiration zurückgewonnen wird, und resistive Arbeit, die als Wärme beim Transport von Luft durch die Atemwege und bei der Verformung von Gewebe dissipiert wird.

Warum gibt es eine optimale Atemfrequenz?

Für eine gegebene erforderliche Ventilation erhöht langsames und tiefes Atmen die elastische Arbeit, während schnelles und flaches Atmen die resistive Arbeit erhöht; eine mittlere Frequenz minimiert die Summe, sodass die Ruheatmung dazu neigt, sich diesem Muster der geringsten Arbeit anzunähern.