Alle 4 Sekunden atmet der Mensch in Ruhelage Sauerstoff aus der Umgebungsluft ein. Natürlich muss die eingeatmete Luft wieder ausgeatmet werden. Dafür zuständig ist das menschliche Herz-Kreislauf-System (HKS). Dieser Begriff wurde 1628 erstmals vom englischen Arzt und Anatomen William Harvey eingeführt. Damals konnte eine Verbindung zwischen Arterien und Venen nicht nachgewiesen werden, was das grundlegende Verständnis dieses Systems erschwerte. Die Hauptaufgabe des HKS ist die Versorgung des Organismus mit Sauerstoff, der Transport von Kohlendioxid, Nähr- und Wirkstoffen mit dem Blut als Transportmittel und dem Herzen als Pumpe (Dickhuth, 2000, S. 13).

In diesem Abschnitt werden die sportmedizinischen Fachbegriffe genannt und erläutert, diese bilden die Grundlage für das weiterführende Verständnis der Spiroergometrie.

Jede Zelle im menschlichen Körper benötigt Sauerstoff. Dieser gelangt durch Inspiration der Umgebungsluft über die Atemwege in die Blutbahnen. Topografisch wird zwischen oberen und unteren Atemwegen differenziert. Zu den oberen Atemwegen zählen die Nasenhöhlen mit ihren Nebenhöhlen, sowie der Rachen. Diese übernehmen mehrere Funktionen (Appell et al., 2001, S. 327):

• Erwärmung und Befeuchtung der eingeatmeten Luft
• Schmutzpartikel erkennen und abstoßen
• Kontrolle auf riechbare Schadstoffe

Die Grenze zwischen oberen und unteren Atemwegen wird unterhalb des Kehlkopfs durch den Beginn der Luftröhre markiert. Zu den unteren Atemwegen zählen der Kehlkopf, die Luftröhre (Trachea) und die Bronchien mit ihren ganzen Abzweigungen. Der Kehlkopf ist ein Verschlussapparat, der die Luftröhre von der Speiseröhre trennt. Bei der Luftröhre handelt es sich um ein elastisches Rohr, welches durch 16-20 hufeisenförmige hyaline Knorpelspangen verstärkt wird. Die Innenausstattung der Trachea bildet eine spezielle Schleimhaut (Appell et al., 2001, S. 327f.).

Die Lunge ist ein 2-paariges Organ und besteht aus einen linken und einem rechten Lungenflügel, welche prinzipiell gleich aufgebaut sind. Der linke Lungenflügel besitzt mit einem fassbaren Volumen von 1400 ml zwei Lungenlappen. Im rechten Lungenflügel sind drei Lungenlappen zu verzeichnen. Das fassbare Volumen ist rechts mit 1500 ml etwas größer, da sich in der linken Thoraxhälfte das Herz befindet (Appell et al., 2001, S. 326).

Die ersten Abzweigungen der Atemwege werden Bronchien genannt, weitere Abzweigungen bezeichnet man als Bronchiolen. Der Durchmesser der Bronchiolen ist geringer als 1 Millimeter. Sie verzweigen sich weiter in die respiratorischen Bronchiolen, wo die inspirierten Luftgase in die Blutbahn gelangen. Dieser Prozess wird äußere Atmung verstanden und findet in den Alveolen (auch: Lungenbläschen) statt, von denen es ca. 300 Mio. gibt. Alveolen sind mit kleinen Blutadern überzogen, in denen Sauerstoff aufgenommen und Kohlendioxid abgegeben wird. Der Sauerstofftransport zu den einzelnen Organen erfolgt über die roten Blutkörperchen. Dies wird als innere Atmung bezeichnet und meint den Gasaustausch zwischen dem Sauerstoffträger im Blut und den Körperzellen.

Um den Gasaustausch an der Alveolenmembran hinreichend zu verstehen, ist es notwendig sich mit der Luftzusammensetzung auseinanderzusetzen (Dickhuth, 2000, S. 52).

Die Ausatmungsluft ist eine Mischung aus Alveolarluft, die am Gasaustausch in der Lunge beteiligt ist, und der Totraumluft. Von den ca. 500 ml der Ausatmungsluft kommen ca. 350 ml aus den Alveolen und ca. 150 ml aus dem Totraum. Der Totraum ist jender Teil der Lunge, in dem kein Gasaustausch stattfindet. Es wird zwischen anatomischem und funktionellem Totraum unterschieden. Der anatomische Totraum ist der Abschnitt vom Mund bis zu den Bronchiolen, in dem die Atemluft gereinigt, erwärmt und angefeuchtet wird. Als funktionellen Totraum bezeichnet man die Summe aus dem anatomischen Totraum und den alveolären Regionen der Lunge, die nicht mehr in der Lage sind, am Gasaustausch teilzunehmen. Bei gesunden Personen entspricht der anatomische dem funktionellen Totraum.

Durch die Elastizität des Lungengewebes herrscht in der Pleuralhöhle ein für die Atmung unerlässlicher Unterdruck, der je nach Ein-/Ausatmung zw. -3 und -9 mmHg schwankt. Nur durch die sich daraus ergebende Atemmechanik kann die Versorgung des Organismus mit Sauerstoff bzw. die Abgabe von Kohlendioxid erfolgen (Appell et al., 2001, S. 327). Den Motor der Atmung bilden die Atemmuskeln, z.B. das Zwerchfell (s. Abb. 1).

Abb. 1: Atemmechanik des Zwerchfells

In Abb. 1 stellt die dicke Linie unterhalb des Brustkorbes das Zwerchfell dar. Links im Bild (Inspiration) ziehen die Muskelfasern sich zusammen, was zu einer Abflachung des Zwerchfells führt. Bei Anstrengung oder tiefer Atmung werden gleichzeitig auch die Zwischenrippenmuskeln aktiv. Diese verlaufen zwischen den Rippen und können den Brustkorb vergrößern bzw. verkleinern. Bei einer Vergrößerung des Brustkorbes entsteht in den Lungenflügeln ein Unterdruck, da die Lunge der inneren Ausdehnung folgt. Die Ausatmung erfolgt passiv durch die elastischen Rückstellkräfte von Lunge und Brustkorb.

Für die Leistung der Atmung ist nicht das transportierte Gasvolumen entscheidend, sondern die transportierte Gasmenge. Gase sind im Gegensatz zu Flüssigkeiten sehr stark komprimierbar. Gase haben unterschiedliche Volumina bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken. Außerdem hängt der Druck, sowie das Gasvolumen zusätzlich von der Menge an Wasserdampf ab. Es macht nur Sinn Gasvolumina untereinander zu vergleichen, wenn Standardbedingungen für die Temperatur, Druck und Wassersättigung vorgegeben werden. Eine nähere Ausführung der folgenden Standardbedingungen finden Sie im MMB6 Tutorial (Teil 2):

• STPD: Standard Temperature Pressure Dry
• BTPS: Body Temperature Pressure Saturated

Die Anzahl der Atemzüge und das Atemzugvolumen hängen vom Alter, von der Größe, vom Gewicht, und vom Geschlecht des Probanden/Patienten ab. Bei einem jungen, ca. 70 kg schweren Mann in Ruhe beträgt die Anzahl der Atemzüge zw. 12-16/min und das Atemzugvolumen zw. 500-700 ml (Dickhuth, 2000, S. 13). Unter Belastung nimmt die Atemfrequenz und das Atemzugvolumen zu.

Abb. 2: Schematische Darstellung mehrerer Ein-/Ausatmungszüge (mod. nach Appell et al., 2001, S. 334)

Als Vitalkapazität (s. Abb. 2) wird die maximalen bewegbaren Luftmenge in der Lunge bezeichnet, das nach tiefst möglicher Inspiration maximal ausgeatmet werden kann. Das inspiratorischer/exspiratorische Reservevolumen ist der Bereich, der über die normalen Atemzugvolumina hinausgeht. Auch nach maximaler Ausatmung verleibt ein Residualvolumen von ca. 1,5 l in den Lungenflügeln, welches spirometrisch nicht messbar ist.

<spoiler|Wie könnte die Formel für das totale Lungenvolumen lauten?> Totales Lungenvolumen = Residualvolumen + exspiratorisches Reservevolumen + Atemzugvolumen + inspiratorisches Reservevolumen = ca. 6 l (beim Normalverbraucher) </spoiler>

Atemfunktionsgrößen können entweder gemessen oder errechnet werden. Aus der Anzahl der Atemzüge und dem Atemzugvolumen errechnet sich das Atemminutenvolumen. Geht man davon aus, dass der durchschnittliche Sportstudent in Ruhe eine Atemfrequenz von 15/min und ein Atemzugvolumen von 0,5 l hat, so beträgt das Atemminutenvolumen 7,5 l/min.
Der respiratorische Quotient (RQ) gibt das Verhältnis an von ausgeatmeten Kohlendioxidvolumen und eingeatmeten Sauerstoffvolumen. Als Verhältniszahl ist der RQ dimensionslos.

$RQ = \frac{\dot{V}CO_2}{\dot{V}O_2}$

Im Folgenden sind die bekanntesten Atemfunktionsgrößen aufgelistet (Grimmer, 2012, S. 8). Für nähere Informationen zu den einzelnen Parametern wird empfohlen, sich das MMB6 Tutorial (Teil 3 + 4) anzuschauen.

Messabare Größen:

• Atemminutenvolumen (VE)
• Sauerstoffaufnahme (VO2)
• Kohlendioxidabgabe (VCO2)
• Atemfrequenz (AF)

Errechnete Größen:

• Respiratorischer Quotient (RQ)
• Atemäquivalent für O2 (AÄO2)
• Atemäquivalent für CO2 (AÄCO2)
• Atemzugvolumen (AZV)

Appell, H.-J., Graf, C., Platen, P., Predel, H.-G. & Rost, R. (2001). Internistische und neurologisch-psychiatrische Krankheitsbilder. In R. Rost (Hrsg.), Lehrbuch der Sportmedizin (S. 325-333). Köln: Dt. Ärzte-Verlag.

Dickhuth, H.-H. (2000). Einführung in die Sport- und Leistungsmedizin. Schorndorf: Hofmann.

Grimmer, M. (2012). Spiroergometrie – Laktatleistungsdiagnostik. Präsentationsfolien im Rahmen des PS Messwertaufnahme und -verarbeitung SS 2012. Darmstadt: Institut für Sportwissenschaft.

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