Atemmechanik – Grundlagen der Atemphysiologie
Die Atemmechanik beschreibt die physikalischen und muskulären Vorgänge, die das Ein- und Ausatmen ermöglichen. Sie ist die Grundlage der Lungenbelüftung.
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Die Atemmechanik beschreibt die physikalischen und muskulären Vorgänge, die das Ein- und Ausatmen ermöglichen. Sie ist die Grundlage der Lungenbelüftung.
Was ist Atemmechanik?
Die Atemmechanik bezeichnet die Gesamtheit der physikalischen und muskulären Prozesse, die das Einatmen (Inspiration) und das Ausatmen (Exspiration) ermöglichen. Sie bildet die physiologische Grundlage der äußeren Atmung und ist entscheidend für eine ausreichende Versorgung des Körpers mit Sauerstoff sowie für die Abgabe von Kohlendioxid.
Grundprinzip der Atemmechanik
Die Atemmechanik beruht auf dem physikalischen Prinzip, dass Luft von einem Gebiet höheren Drucks in ein Gebiet niedrigeren Drucks strömt. Durch aktive Muskelarbeit wird das Volumen des Brustkorbs verändert, was Druckunterschiede zwischen der Außenluft und den Lungenbläschen (Alveolen) erzeugt. Diese Druckunterschiede treiben den Luftstrom an.
Inspiration (Einatmung)
Die Einatmung ist ein aktiver Vorgang. Das wichtigste Atemmuskel ist das Zwerchfell (Diaphragma), ein kuppelförmiger Muskel, der den Brust- vom Bauchraum trennt. Bei der Kontraktion des Zwerchfells flacht es sich ab und vergrößert das Thoraxvolumen nach unten. Gleichzeitig heben die äußeren Zwischenrippenmuskeln (Musculi intercostales externi) den Brustkorb an und erweitern ihn nach vorne und seitlich.
- Das Lungenvolumen nimmt zu.
- Der Druck in den Alveolen fällt unter den atmosphärischen Luftdruck.
- Luft strömt über Nase oder Mund, durch die Luftröhre und die Bronchien in die Lungen.
Bei verstärkter Atmung (z. B. bei körperlicher Anstrengung) werden zusätzlich Atemhilfsmuskeln aktiviert, darunter der Musculus sternocleidomastoideus und die Scaleni-Muskeln.
Exspiration (Ausatmung)
Die ruhige Ausatmung ist ein überwiegend passiver Vorgang. Sie wird durch die elastische Rückstellkraft der Lunge und des Brustkorbs angetrieben, die nach der Dehnung in ihre Ausgangslage zurückstreben.
- Das Zwerchfell und die Zwischenrippenmuskeln erschlaffen.
- Das Thoraxvolumen nimmt ab.
- Der alveoläre Druck steigt über den atmosphärischen Druck.
- Luft wird aus den Lungen herausgepresst.
Bei forcierter Ausatmung (z. B. beim Husten oder beim Sport) kommen die inneren Zwischenrippenmuskeln und die Bauchmuskulatur als aktive Ausatemmuskeln hinzu.
Druckverhältnisse und Compliance
Für das Verständnis der Atemmechanik sind zwei Druckgrößen zentral:
- Alveolärer Druck (Palv): Der Druck innerhalb der Lungenbläschen. Er schwankt rhythmisch um den atmosphärischen Druck (0 mmHg als Referenz).
- Pleuraler Druck (Ppl): Der Druck im Pleuraspalt (dem Raum zwischen Lungenoberfläche und Brustwand). Er ist stets leicht negativ, was die Lunge in einer gewissen Dehnung hält und ein Kollabieren verhindert.
Die Compliance beschreibt die Dehnbarkeit von Lunge und Brustkorb. Eine hohe Compliance bedeutet, dass sich die Lunge leicht dehnen lässt. Bei Erkrankungen wie Lungenfibrose ist die Compliance vermindert, bei Lungenemphysem erhöht.
Atemwiderstände
Neben der Compliance spielt auch der Atemwegswiderstand (Resistance) eine wichtige Rolle. Er beschreibt den Widerstand, den die Atemwege dem Luftstrom entgegensetzen. Ein erhöhter Widerstand, wie er bei Asthma bronchiale oder COPD vorkommt, erschwert die Atmung erheblich, besonders die Ausatmung.
Klinische Bedeutung
Störungen der Atemmechanik können zu einer eingeschränkten Lungenfunktion führen. Dazu zählen:
- Restriktive Ventilationsstörungen: Einschränkung der Lungenausdehnung (z. B. bei Lungenfibrose, Pleuraerguss).
- Obstruktive Ventilationsstörungen: Verengung der Atemwege (z. B. bei Asthma, COPD).
- Pneumothorax: Eindringen von Luft in den Pleuraspalt, wodurch der negative Druck verloren geht und die Lunge kollabiert.
Die Beurteilung der Atemmechanik ist zentraler Bestandteil der Lungenfunktionsdiagnostik (Spirometrie, Ganzkörperplethysmographie).
Quellen
- Schmidt, R. F., Lang, F., Heckmann, M. (Hrsg.): Physiologie des Menschen. 31. Auflage. Springer Medizin Verlag, Heidelberg, 2010.
- West, J. B.: Respiratory Physiology - The Essentials. 9th Edition. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia, 2012.
- World Health Organization (WHO): Chronic respiratory diseases. Verfügbar unter: https://www.who.int/health-topics/chronic-respiratory-diseases
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