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Spirometrie und Atemvolumen

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Klassenstufe Oberthemen Unterthemen Anforderung Durchführung Vorbereitung

Biologie G-Kurs Bau des menschlichen

Körpers Atmung • • 15 Minuten

Aufgabenstellung Die Schüler ermitteln das Atemvolumen mit Hilfe eines Spirometers und protokollieren die Atemfrequenz in Ruhe und nach körperlicher Arbeit. Dabei wird die Anpassung des Körpers an unterschiedliche Belastungen dargestellt und die Schüler können den Unterschied zwischen Brust- und Zwerchfellatmung beobachten. Es bietet sich in diesem Zusammenhang an, Bau und Funktion der Atmungsorgane und den Gasaustausch im Lungenbläschen, sowie das Prinzip der Oberflächenvergrößerung zu behandeln. Auch ein Vergleich der Zusammensetzung der Einatmungsluft mit der Ausatmungsluft bzgl. des Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidgehaltes ist möglich.

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Einleitung Was ist Atmung? Das Ein- und Ausatme ist so natürlich wie alles, was wir tun. Unser Atemsystem übernimmt die komplexe Aufgabe, Gase im Luftsauerstoff gegen Kohlendioxid auszutauschen - mit dem Kreislaufsystem. Die Lungen sind schwammige Organe, die mit unzähligen kleinen Säcken gefüllt sind, die Alveolen genannt werden und von Netzwerken kleinster Blutgefäße, den Kapillaren, umgeben sind. Die Alveolen und Kapillaren tauschen Gasmoleküle aus, während sich das Blut in den Kapillaren in der Nähe der Alveolen bewegt. Lungenfunktionsmessung & Spirometrie Ein Spirometer wird häufig im Rahmen des Lungenfunktionstests eingesetzt. Das Spirometer misst die Luftmenge, die sich während der Atmung bewegt. Während der Spirometrie atmet der Patient durch ein Mundstück, wobei seine Nase mit einer Klammer verschlossen ist. Das Spirometer erfasst dabei den Luftstrom und die Luftmenge, die der Patient ein- und ausatmet und zeigt die Messwerte auf einem Monitor an. Während der eigentlichen Messungen gibt der Arzt Anweisungen, etwa möglichst - stark und schnell auszuatmen - tief und lange auszuatmen - tief und lange einzuatmen Anschließend wertet der Arzt die Ergebnisse aus. In manchen Fällen verabreicht er ein Bronchien erweiterndes Mittel und lässt den Test wiederholen. Verbessern sich dadurch die Messwerte der Spirometrie, so ist das ein Hinweis auf eine obstruktive Lungenerkrankung. Bei der Ergo-Spirometrie wird die Lungenfunktion während körperlicher Belastung gemessen. Dazu sitzt der Patient zum Beispiel auf einem Fahrrad-Ergometer. Gleichzeitig trägt er eine Atemmaske, durch die seine Atemluft analysiert wird. Die Ergo-Spirometrie wird vor allem zur Leistungsdiagnostik bei Sportlern eingesetzt, aber auch zur Diagnostik von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Lungenkrankheiten.



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Der Lungenfunktionstest kann wichtige Messungen des über die Zeit ausgetauschten Volumens aufzeichnen. Signifikant ist, dass das erzwungene Exspirationsvolumen in 1 Sekunde (FEV1.0) einen Hinweis darauf gibt, wie gut eine Person bei maximaler Anstrengung atmen kann. Bei Menschen mit obstruktiven Lungenerkrankungen wie Asthma, chronischer Bronchitis und Emphysem wird dieses Volumen tendenziell reduziert. Bei Menschen mit restriktiven Lungenerkrankungen wie Lungenfibrose ist sie tendenziell erhöht. Der Prozentsatz des erzwungenen Exspirationsvolumens (FEV1,0%) beträgt bei einem gesunden Patienten typischerweise 75% bis 85%. Lungenfunktionsmessung & Tidalvolumen Die Lungenfunktionsprüfung misst auch das Tidalvolumen (TV). Das Tidalvolumen (VT) entspricht dem Luftvolumen pro Atemzug, dem Atemzugvolumen (AZV), und ist das eingestellte Volumen, das pro Atemhub appliziert werden soll. Das Tidalvolumen der selbstständigen Spontanatmung beträgt beim Erwachsenen etwa 0,5 l. Bei der volumengesteuerten Beatmung (VCV) kann dieser Wert genau auf den Patienten eingestellt werden, man kann sich hierbei an die Faustformel von 7–8 ml pro Kilogramm idealem Körpergewicht halten. Dieser Parameter ist der wichtigste Parameter bei volumenabhängiger Beatmung.

Material & Methoden Für jeden Schüler oder jede Gruppe werden folgende Materialien benötigt: - Datenerfassungssystem - Spirometer - Spirometer-Mundstück (1 pro Schüler)

Sicherheit Schüler mit bekannten Atemwegsproblemen sollten nicht an dieser Aktivität teilenehmen. Das erzwungene Atmen kann bei Ihnen zu Atembeschwerden führen. Mundstücke sollten nicht unter Einzelpersonen geteilt, sondern nach Gebrauch entsorgt werden. Es gibt keine Methode, das Mundstück zu sterilisieren oder die Membran im Gerät zu reinigen.



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Die Membran im Spirometer enthält Speichel, Bakterien und andere ausgeatmete Partikel. Dies führt zu gesundheitlichen Problemen sowie zu Datenunregelmäßigkeiten nach mehreren Anwendungen – deshalb werden die Mundstücke nach der Messung derselben Person gewechselt.

Durchführung

Starten Sie ein neues Experiment auf dem Datenerfassungssystem und schließen Sie das Spirometer an das System an. Verbinden Sie das Mundstück mit dem Griff, indem Sie den kleinen Stift am Mundstück und die Ausrichtkerbe am Griff beachten. Stellen Sie das Datenerfassungssystem so ein, dass das Lungenvolumen basierend auf einem angenommenen Restwert für die funktionale Lungenkapazität von 2,5 Liter gegen die gemessene Durchflussrate des Sensors dargestellt wird. Passen Sie die Skalierung der Darstellung so an, dass alle Daten gezeigt werden. Treffen Sie eine Vorhersage, wie sich das gemessene Lungenvolumen durch den Prozess der normalen Atmung, der tiefen Atmung und der wieder normalen Atmung ändert.

Starten Sie die Datenaufzeichnung. Hinweis: Warten Sie, bis die rote Anzeige am Sensor nicht mehr blinkt und die grüne Bereitschaftsanzeige leuchtet, bevor Sie das Mundstück und den Griff bewegen. Die Person, die gemessen wird, sollte bequem sitzen oder stehen und sich die Datenaufzeichnung während des Versuchs nicht sehen.



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Warum sollte die zu messende Person die Daten nicht so betrachten, wie sie erfasst werden?

Stellen Sie sicher, dass der gesamte Atem durch das Mundstück fließt: Legen Sie das konische Ende des Mundstücks zwischen die Vorderzähne, wobei die Lippen eine Dichtung um das Mundstück bilden. Halten Sie die Nase während des gesamten Vorgangs geschlossen und atmen Sie während der Messungen nur durch den Mund. Nachdem die grüne Bereitschaftsanzeige am Spirometer leuchtet, atmen Sie in der folgenden Reihenfolge:

• Nehmen Sie zunächst vier normale, ruhige Atemzüge

• Tief einatmen, dann sofort ausatmen und mit maximaler Anstrengung tief ausatmen

• Nehmen Sie zwei normale, ruhige Atemzüge

• Stoppen Sie die Datenaufzeichnung und speichern Sie Ihr Experiment Hinweis: Die Person, die die Atemzüge im Auge behält, sollte laut zählen, um die Atmung zu leiten: "4 normale Atemzüge: gezählt wird 1 ... 2 .. 3 ... 4 .... tief einatmen... tief ausatmen, maximale Anstrengung ... und 2 normale Atemzüge: gezählt wird 1 … 2 ….” Was erwarten Sie?



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Dokumentation Tragen Sie Ihre Daten in einen Graphen ein. Stellen Sie dabei das Lungenvolumen über die Zeit dar. Beschriften Sie den Gesamtgraphen (x-Achse, y-Achse und Einheiten). Markieren Sie das Tidalvolumen (TV), das erzwungene Ausatmungsvolumen in 1 Sekunde (FEV1.0) und die Vitalkapazität (VC). Verwenden Sie das Diagramm als Referenz für diese Messungen.



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Entnehmen Sie Ihren Daten die Zeit in Sekunden, die das Tidalvolumen (TV), das erzwungene Ausatmungsvolumen in 1 Sekunde (FEV1.0) und die Vitalkapazität (VC) einnimmt. Tragen Sie diese Daten in Tabelle 1 ein. Berechnen Sie dann den Prozentsatz des erzwungenen Ausatmungsvolumens wie folgt:

FEV1.0% = FEV1.0 ÷ VC x 100

Tragen Sie die Werte ebenfalls in Tabelle 1 ein.

Messungen Werte

Tidalvolumen (TV) Volumen von einem Atemzug

Erzwungenes Ausatmungsvolumen in einer Sekunde (FEV1.0)

Vitalkapazität (VC): maximales (bewegliches) Luftvolumen in den Lungen (ohne Restvolumen)

Erzwungenes Ausatmungsvolumen in Prozent (FEV1.0 %)



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Auswertung und Fragen Möglicherweise bemerken Sie eine leichte Veränderung des Lungenvolumens, das für jeden der ersten vier Atemzüge gemessen wird. Warum ist das so?

Warum waren die beiden normalen Atemzüge nach der maximalen Ein- und Ausatmung niedriger als die ersten vier normalen Atemzüge?

Wie ist das Tidalvolumen bei Frauen im Vergleich zum Tidalvolumen bei Männern?



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Wie hoch ist der Prozentsatz des erzwungenen Exspirationsvolumens bei Frauen im Vergleich zum Prozentsatz bei Männern?

Vergleichen Sie die Ergebnisse der Versuche mit Ihren Vorhersagen – worin unterschieden Sie sich?

Wie würde sich das Tidalvolumen bei einem Menschen mit einer Atemwegserkrankung wie Asthma verändern?



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Multiple-Choice-Fragen Was passiert während der Ausatmung? A. Sowohl die Zwerchfell- als auch die Rippenmuskulatur ziehen sich zusammen B. Sowohl das Zwerchfell als auch die Rippenmuskulatur entspannen sich C. Die Rippenmuskulatur zieht sich zusammen / der Luftdruck in den Alveolen wird niedriger als der Atmosphärendruck D. Das Volumen der Brusthöhle nimmt zu Wie nennt man die maximale Luftmenge, die eine Person nachmaximalem Einatmen wieder ausatmen kann? A. Vitalkapazität B. Tidalvolumen C. Restkapazität D. Lüftungsvolumen Welcher Prozess tauscht Kohlendioxid und Sauerstoffgas in den Alveolen und Lungenkapillaren gegeneinander aus? A. Osmose B. Diffusion C. Phagozytose D. Endozytose



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Lückentext (verwenden Sie zum Füllen die unten genannten Schlüsselbegriffe)

Wenn Sie einatmen, bewegt sich die Luft sequentiell durch Ihre Nase oder Ihren Mund zum

________________, ________________, ________________, ________________ und

________________. Innerhalb der Bronchiolen befinden sich kleine Säcke, die

________________ genannt werden und von Netzwerken kleinster Blutgefäße,

________________ genannt, umgeben sind. An dieser Stelle findet der Gasaustausch in der

Lunge statt.

Ein _____________ wird oft als Teil des _________________verwendet. Das Spirometer misst

die Luftmenge, die sich während der Atmung bewegt. Eine der bedeutendsten Messungen ist

_______________________ (FEV 1.0 ), die einen Hinweis darauf gibt, wie gut eine Person bei

maximaler Anstrengung atmen kann. Eine weitere nützliche Messung aus dem

Lungenfunktionstest ist das ________________. Dies ist das Volumen eines Atemzuges oder die

Menge an Luft, die bei ruhiger Atmung (Atmung ohne Anstrengung) in die oder aus der Lunge

bewegt wird. Das Verhältnis von FEV1.0/VC (Vitalkapazität), auch als ___________________,

(FEV1.0%) bezeichnet, kann helfen, Abweichungen in der Atemfunktion zu erkennen. Die primäre

Anomalie, die durch Spirometrie erkannt wird, ist die Atemwegsobstruktion, die zu einem FEV1.0

/VC-Verhältnis von weniger als 70 bis 80% führt.

Schlüsselbegriffe Alveolen / Arterien / Atrien / Bronchien / Bronchiolen / Kapillaren / Kehlkopf / Rachen / Luftröhre / Adern / Ventrikel erzwungenes Exspirationsvolumen in 1 Sekunde / Prozentsatz des erzwungenen Exspirationsvolumens in Prozent / Lungenfunktionsprüfung / Restvolumen / Spirometer / Tidalvolumen / Vitalkapazität



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Literaturverzeichnis: https://www.apotheken-umschau.de/diagnose/spirometrie https://de.wikipedia.org/wiki/Beatmung

Bilder: https://www.fotolia.com



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