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Leistungsbegrenzung durch Störungen der Atemmechanik

  • Martin Beil
Part of the Verhandlungen der Gesellschaft für Lungen- und Atmungsforschung book series (VGLA)

Zusammenfassung

Für die Leistungsbegrenzung bei Störungen der Atemtechnik sind der Limitierungsmechanismus des exspiratorischen Flows, der endobronchiale Strömungswiderstand und/oder die statische Lungen-/Thoraxwandcharakteristik von Bedeutung. Die Adaptation dieser Parameter an die Bedingungen der Belastungsventilation wurde bei 11 Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung im Vergleich zu 6 Normalpersonen untersucht.
  1. 1.

    In Ruhe hatten 7 Patienten (B-Gruppe) bei Spontanatmung und langsamer Atmung der Vitalkapazität (VC) eine hohe endobronchiale Resistance mit ausgeprägter inverser Abhängigkeit vom aktuellen Lungenvolumen, eine stark erniedrigte VC und eine leichte oder fehlende Verminderung der Lungenelastizität. 4 Patienten (E-Gruppe) zeigten bei Spontanatmung keine oder nur eine leicht erhöhte endobronchiale Resistance, bei langsamer Atmung der VC eine weniger ausgeprägte Abhängigkeit der Resistance vom aktuellen Lungenvolumen, eine leicht erniedrigte VC und eine stark verminderte Lungenelastizität.

     
  2. 2.

    Im Isovolume-Pressure-Flow-Diagramm hatten alle Patienten (B-Gruppe<E-Gruppe) bei zunehmender Forcierung der Ausatmung eine deutliche Erniedrigung der kritischen dynamischen Pleuradrucke (Pmax) und damit eine vorzeitige Limitierung des maximalen exspiratorischen Flows (Vmax) durch erhöhte Atemwegskompressibilität.

     
  3. 3.

    Unter einer 200-Watt-Belastung wurde bei keiner Normalperson im Bereich des ventilierten Lungenvolumens während der Exspiration Pmax oder Vmax erreicht. Unter einer 50- oder 100-Watt-Belastung überschritten alle 7 B- und 2 E-Patienten Pmax. Der exspiratorische Vmax wurde bei allen 7 B- und bei 3- E-Patienten erreicht.

     
  4. 4.

    Der exspiratorische Bronchialwiderstand stieg, vorwiegend zu Lasten eines überschießenden Druckaufbau, nach erfolgter Flow Limitierung unter Belastung im Mittel bei der B-Gruppe deutlich stärker an als bei der E-Gruppe.

     
  5. 5.

    Im Sinne einer Teilkompensation der jeweils volumenabhängigen vorzeitigen Flow Limitierung und endobronchialen Resistanceerhöhung resultierte unter Belastung bei den Patienten (B-Gruppe< E-Gruppe) eine Verschiebung des endexspiratorischen Volumenniveaus zur Inspiration. Dieser Kompensationsmechanismus wird durch die Größe der VC und/oder die statische Retraktion der Lunge und des Thorax begrenzt.

     
  6. 6.

    Die atemmechanische Adaptation an eine Belastung erfordert eine kleinere Atemleistung, wenn Pmax höher, die VC größer, die Lungen/Thoraxelastizität niedriger und/oder die endobronchiale Obstruktion geringer ausfällt als bei umgekehrter Konstellation.

     

Altered Mechanics of Breathing Responsible for Exercise Limitation

Abstract

Altered mechanics of breathing can limit exercise by: The expiratory flow limitation mechanism, the intrinsic airway resistance and/or the static behaviour of the lung and the chest wall. The adaptation of these parameters to exercise was studied in 11 patients with chronic obstructive lung disease and in 6 normal persons for control.
  1. 1.

    At rest, 7 patients (B-group) showed a high intrinsic resistance during spontaneous breathing and during a slow vital-capacity (VC) maneuver with a pronounced inverse dependence from the actual lung volume, a low VC, and a normal or a little reduced lung elasticity. 4 patients (E-group) had during spontaneous breathing none or only a little increase of the intrinsic resistance and during a slow VC maneuver a less pronounced dependence of this resistance from the lung volume, a only little reduction of VC, and a marked decrease of the lung elasticity.

     
  2. 2.

    All patients (B-group < E-group) had a marked decrease of the critical dynamic pleura-pressures (Pmax) in the isovolume-pressure-flowdiagram and therefore a premature limitation of the maximal expiratory flow (Vmax) by an increase of airway compressibility.

     
  3. 3.

    During exercise (200 watts) the normal persons did not reach Pmax and Vmax of the ventilated lung volume. During exercise (50 or 100 watts) 7 B-patients and 2 E-patients exceeded Pmax and 7 B-patients and 3 E-patients reached Vmax.

     
  4. 4.

    During exercise the B-group presented an increased mean expiratory airway resistance by means of the high ineffective pressures developed after flow limitation had occured. This was not so marked in the E-group.

     
  5. 5.

    During exercise the end-expiratory lung volume increased (B-group < E-group) as partial compensation of both of the lung volume related premature flow limitation and increased intrinsic resistance. This mechanism of compensation is limited by the amount of the VC and/or the static forces of the lung and chest wall.

     
  6. 6.

    The adaptation to exercise requires a less respiratory power, when Pmax is higher, VC is larger, the lung and chest wall elasticity is lower and/or the intrinsic obstruction is smaller, than when the inverse is the case.

     

Key words

Mechanics of breathing Exercise limitation Flow limitation Chronic obstructive lung disease 

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Literatur

  1. Agostini, E., Fenn, W. O.: Velocity of muscle shorting as a limiting factor in respiratory air flow. J. appl. Physiol. 15, 349 (1960)Google Scholar
  2. Asmussen, E.: Muscular exercise. In: Handbook of Physiology, Section 3, Respiration, Vol. II. 939 (1964)Google Scholar
  3. Beil, M., Ulmer, W. T.: Funktionsanalytische Befundmuster bei chronisch obstruktiver Atemwegserkrankung und ihre Bedeutung für die klinische Kurzzeitprognose. Pneumonologie 153, 119 (1976)PubMedCrossRefGoogle Scholar
  4. Bouhuys, A., Jonson, B.: Alveolar pressure, air flow rate and lung inflation in man. J. appl. Physiol. 22, 1086 (1967)PubMedGoogle Scholar
  5. Bouhuys, A.: Breathing. Physiology environment and lung disease, p. 156, 160, 162. New York - London: Grune and Stratton 1974Google Scholar
  6. Briscoe, W.A., DuBois, A. B.: The relationship between airway resistance, airway conductance and lung volume in subjects of different age and body size. J. clin. Invest. 37, 1279 (1958)PubMedCentralPubMedCrossRefGoogle Scholar
  7. Burrows, B., Niden, A. H., Fletcher, C. M., Jones, N. L.: Clinical types of chronic obstructive lung disease in London and in Chicago. Amer. Rev. resp. Dis. 90, 14 (1964)Google Scholar
  8. Campbell, E.J.M., Agostini, E., Davis, J. N.: The respiratory muscles: Mechanism and neural control, p. 69 London: Lloyd-Luke 1970Google Scholar
  9. Cherniak, R. M., Hodson, A.: Compliance of the chest wall in chronic bronchitis and emphysma. J. appl. Physiol. 18, 707 (1963)Google Scholar
  10. Cotes, J. E.: Lung function, p. 276 Oxford: Blackwell Scientific Publ. 1968Google Scholar
  11. DuBois, A.B.: Significance of measurement of airway resistance. Int. Symposium on Body Plethysmograph, Nijmegen 1968 Progr. Resp. Res. 4, 109 (1969)Google Scholar
  12. Duffel, G. M., Marcus, J. H., Ingram, R. H.: Limitation of expiratory flow in chronic obstructive pulmonary disease. Relation of clinical characteristics, pathophysiological type, and mechanisms. Ann. Intern. Med. 72, 365 (1970)CrossRefGoogle Scholar
  13. Filley, G. F., Beckwitt, H. J., Reeves, J. T., Mitchell, R. S.: Chronic obstructive bronchopulmonary disease. II. Oxygen transport in two clinical types. Amer. J. Med. 44, 26 (1968)PubMedCrossRefGoogle Scholar
  14. Fry, D. L.: Theoretical considerations of the bronchial pressure-flow-volume relationships with particular reference to the maximum expiratory flow volume curve. Phys. Med. Biol. 3 174 (1958)PubMedCrossRefGoogle Scholar
  15. Fry, D. L., Hyatt, R. E.: Pulmonary mechanics. A unified analysis of the relationship between pressure, volume, and gasflow in the lungs of normal and diseased human subjects. Amer. J. Med. 29, 672 (1960)PubMedCrossRefGoogle Scholar
  16. Grimby, G. E., Stiksa, J.: Flow-volume curves and breathing patterns during exercise in patients with obstructive lung disease. Scand. J. clin. Lab. Invest. 25, 303 (1970)PubMedCrossRefGoogle Scholar
  17. Grimby, G., Elgefors, B., Oxhöj, H.: Ventilatory levels and chest wall mechanics during exercise in obstructive lung disease. Scand. J. Resp. Dis. 54, 45 (1973)Google Scholar
  18. Guz, A., Noble, M. I. M., Eisele, J. H., Trenchard, D.: Experimental results of vagal block in cardiopulmonary disease. In: Porter, R., Breathing, Hering-Breuer Centenary Symposium, Churchill, London: A.J. Churchill 1970Google Scholar
  19. Howell, J. B. L., Campbell, E.J.M.: Breathlessness. Oxford: Blackwell Scientific Publ. 1966Google Scholar
  20. Hüttemann, V., Schüren, K. P.: Chronisch obstruktive Lungenerkrankungen: Klinische Erscheinungsformen und ihre Korrelation zur gestörten Atmungsfunktion. Klin. Wschr. 50, 944 (1972)PubMedCrossRefGoogle Scholar
  21. Hüttemann, V., Huckauf, H.: Analyse elliptischer Druck/Fluß-und Druck/ Volumen-Diagramme der Atemwege: Die kompressiv wirksame obstruktive Ventilationsstörung. Klin. Wschr. 49, 205 (1971)PubMedCrossRefGoogle Scholar
  22. Hyatt, R. E., Flath, R. E.: Relationship of air flow to pressure during maximal respiratory effort in man. J. appl. Physiol. 21, 477 (1966)PubMedGoogle Scholar
  23. Islam, M. S., Ulmer, W. T.: Diagnostic value of “closing volume” in comparison to “airway resistance/lung volume plot”. Respiration 31, 449 (1974)PubMedCrossRefGoogle Scholar
  24. Jones, I. G., Fraser, R. B., Nadel, J.A.: Prediction of maximum expiratory flow rate from area-transmural pressure curve of compressed airway. J. appl. Physiol. 38, 1002 (1975)PubMedGoogle Scholar
  25. Jonson, B.: Pulmonary mechanics as a factor limiting the capacity for work in disease. Scand. J. resp. Dis. Suppl. 77, 94 (1971)Google Scholar
  26. Krumholz, R.A., Albright, C.D.: The compliance of the chest wall and thorax in emphysema. Amer. Rev. resp. Dis. 97, 827 (1968)PubMedGoogle Scholar
  27. Leaver, D.G., Pride, N. B.: Flow-volume curves and expiratory pressures during exercise in patients with chronic airway obstruction. Scand. J. resp. Dis. Suppl. 77, 23 (1971)Google Scholar
  28. Macklem, P. T., Wilson, N.J.: Measurement of intrabronchial pressure in man. J. appl. Physiol. 20, 653 (1965)PubMedGoogle Scholar
  29. Macklem, P. T., Mead, J.: Resistance of central and peripheral airways measured by a retrograde catheter, J. appl. Physiol. 22, 395 (1967)PubMedGoogle Scholar
  30. Macklem, P. T., Fraser, R. G., Brown, W. G.: Bronchial pressure measurements in emphysema and bronchitis. J. clin. Invest. 44, 897 (1965)PubMedCentralPubMedCrossRefGoogle Scholar
  31. Marcus, J. H., McLean, R. L., Duffell, G. M., Ingram, R. H.: Exercise performance in relation to the pathophysiologic type of chronic obstructive pulmonary disease. Amer. J. Med. 49, 14 (1970)PubMedCrossRefGoogle Scholar
  32. Matthys, H., Orth, U., Overrath, G., Konietzko, N.: Verhalten von Druck, Fluß, Volumen und verwandter Größen bei forcierter Atmung. Pneumonologie 147, 250 (1972)CrossRefGoogle Scholar
  33. Matthys, H., Overrath, G.: Dynamics of gas and work breathing in obstructive lung disease. Bull. Physio-path. Resp. 7, 457 (1971)Google Scholar
  34. Matthys, H.: Lungenfunktionsdiagnostik mittels Ganzkörperplethysmographie. S. 93. Stuttgart - New York: F. K. Schattauer Verlag 1972Google Scholar
  35. Mead, J.: Control of respiratory frequency. J. appl. Physiol. 15, 325 (1960)Google Scholar
  36. Mead, J., Whittenberger, J. L. Physical properties of human lungs measured during spontaneous respiration. J. appl. Physiol. 5, 779 (1953)Google Scholar
  37. Mead, J., Turner, J. M., Macklem, P. T., Little, J. B.: Significance of the relationship between lung recoil and maximum expiratory flow, J. appl. Physiol. 22, 95 (1967)PubMedGoogle Scholar
  38. Nolte, D.: Mechanik der Trachea und Bronchien, In: Atemmechanik, Verhandlungen der Gesellschaft für Lungen-und Atmungsforschung, Bochum 1966, S. 197. Berlin - Heidelberg - New York: Springer-Verlag 1967Google Scholar
  39. Olafs son, S., Hyatt, R. E.: Ventilatory mechanics and expiratory flow limitation during exercise in normal subjects. J. clin. Invest. 48, 564 (1969)CrossRefGoogle Scholar
  40. Otis, A. B. The work of breathing. Physiol. Rev. 34, 449 (1954)PubMedGoogle Scholar
  41. Otis, A.B.: The work of breathing. In: Handbook of Physiology, Section 3, Respiration 1, 463 (1964)Google Scholar
  42. Oullet, Y., Poh, S. C., Becklake, M. R.: Circulatory factors limiting maximal aerobic exercise capacity. J. appl. Physiol. 27, 874 (1969)Google Scholar
  43. Potter, W. A., Olâfsson, S., Hyatt, R. E.: Ventilatory mechanics and expiratory flow limitation during exercise in patients with obstructive lung disease. J. clin. Invest. 50, 910. (1971)PubMedCentralPubMedCrossRefGoogle Scholar
  44. Pride, N. B., Permutt, S., Riley, R. L., Bromberger-Barnea, B.: Determinants of maximal expiratory flow from the lungs. J. appl. Physiol. 23, 646 (1967)Google Scholar
  45. Riley, R. L.: Pulmonary functions in relation to exercise. In: Science and Medicine of Exercise and Sports. New York: Harper and Row 1960Google Scholar
  46. Rohrer, F.: Der Strömungswiderstand in den menschlichen Atemwegen und der Einfluß der unregelmäßigen Verzweigung des Bronchialsystems auf den Atmungsablauf in verschiedenen Lungenbezirken. Pflüger’ s Arch. 162, 225 (1915)CrossRefGoogle Scholar
  47. Takishima, T., Grimby, G., Graham, W., Knudson, R., Macklem, P. T., Mead, J.: Flow-volume curves during quiet breathing, maximum voluntary ventilation, and forced vital capacities in patients with obstructive lung disease. Scand. J. resp. Dis. 48 384 (1967)Google Scholar
  48. Ulmer, W. T., Reif, E., Weller, W.: Die obstruktiven Atemwegserkrankungen, S. 7. Stuttgart: G. Thieme 1966Google Scholar
  49. Ulmer, W. T., Reichel, G.: Die Atemregulation bei chronisch obstruktiven Ventilationsstörungen. Med. thorac. 24, 338 (1967)Google Scholar
  50. Ulmer, W. T.: Diskussionsbemerkung. In: Bronchitis III, Proceedings of the third international symposium on bronchitis. Groningen 1969, S. 313. Assen: Royal Vangorcum 1970Google Scholar
  51. Ulmer, W. T., Islam, M. S., Chung, C. K.: Relation between the output of the centers and the ventilation. In: Symposium “Acid-Base Homeostasis of Brain Extracellular Fluid”. Berlin-Heidelberg-New York: Springer Verlag (im Druck) 1976Google Scholar
  52. Vastag, E., Islam, M. S., Ulmer, W. T.: Der Zusammenhang zwischen dem aktuellen Lungenvolumen und dem Strömungswiderstand in den Atemwegen bei gesunden Versuchspersonen und bei Patienten mit chronisch obstruktiver Atemwegserkrankung. Pneumonologie 147, 29 (1972)Google Scholar
  53. Widdicombe, J. G., Nadel, J.A.: Airway volume, airway resistance, and work and force of breathing: Theory. J. appl. Physiol. 18, 863 (1963)Google Scholar
  54. Widdicombe, J.G.: Breathing and breathlessness in lung disease. Sci. Basis Med. Ann. Revs., p. 148 (1971)Google Scholar
  55. Yamashiro, S. M., Daubenspeck, J. A., Lauritzen, T. N., Grodins, F. S.: Total work rate of breathing optimization in CO2 inhalation and exercise. J. appl. Physiol. 38, 702 (1975)PubMedGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1976

Authors and Affiliations

  • Martin Beil
    • 1
    • 2
  1. 1.Institut für Lungenfunktionsforschung, BochumVerbindung mit der Westfälischen Wilhelms-UniversitätMünsterDeutschland
  2. 2.SilikoseforschungsinstitutBochumDeutschland

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