Physiologie der Atemmechanik

Unsere Lunge ist das vermittelnde Organ zwischen der uns umgebenden Atmosphäre und dem inneren Milieu unseres Organismus. Unsere Körperzellen benötigen Sauerstoff zur Verbrennung von Kohlenhydraten und produzieren ihrerseits das für den Körper schädliche Gas Kohlendioxid. In der Atmosphäre ist Sauerstoff zu etwa 20% vorhanden, ausreichend für die Bedürfnisse der Zellen. Kohlendioxid ist mit weit weniger als 1% in nur sehr geringer Konzentration vertreten.
Durch die spontane Atmung erweitert sich unser Brustkorb. der Druck in der Lunge fällt ab und Frischgas strömt aus der Atmosphäre über die Atemwege in die Lunge. Das Blut transportiert den Sauerstoff zu den Körperzellen, nimmt dort Kohlendioxid auf und bringt es zur Lunge zurück. Zur Ausatmung erschlaffen die Atemmuskeln, der Brustkorb verkleinert sich und lässt die nun sauerstoffarme und kohlendioxidreiche Ausatemluft wiederum über die Atemwege in die Atmosphäre entweichen.
Damit die natürliche, spontane Atmung vonstatten gehen kann, muss eine Druckdifferenz zwischen Lunge und Atmosphäre durch Volumenänderung des Brustkorbes entstehen. Diese ist das Ergebnis muskulärer Anstrengung. Bei der Einatmung verbrauchen wir Energie für die Muskelkontraktion, die Ausatmung gestaltet sich passiv. Die für die Atmung notwendige muskuläre Energie muss so bemessen sein, dass sie die Strömungswiderstände der Atemwege sowie die Gewebe- und Flüssigkeitswiderstände des Lungengewebes zu überwinden vermag.
Der Strömungswiderstand der Atemwege (auch Resistance genannt) ist ein linearer Widerstand. Er wird beschrieben durch das Verhältnis der notwendigen Druckdifferenz um ein Volumen mit einer bestimmten Geschwindigkeit über das röhrenartige System der Atemwege zu transportieren. Die Dehnbarkeit der Lunge (Compliance) ist eine nichtlineare Grösse. Sie beschreibt, welchen Druck ein definiertes Volumen in der Lunge hervorruft.

Wenn spontane Atmung nicht mehr möglich ist, kann die Beatmungsmaschine die Funktion des natürlichen Atemapparats übernehmen. Da die Atemmuskeln den Gaswechsel in der Lunge nicht mehr ausreichend gewähren, baut das Beatmungsgerät zur Inspiration einen Überdruck auf. Zur Exspiration wird der Druck abgesenkt, allerdings nie auf negative Werte. Aufgrund dieser Funktionsweise werden derartige Geräte auch als Überdruckbeatmungsgeräte bezeichnet.