Atemfrequenz

Synonyme und Abkürzungen: Atemrate, RR (Respiratory Rate)

Als Atemfrequenz bezeichnet man die Zahl der Atemzüge pro Zeiteinheit (meist pro Minute). Sie hat Auswirkungen auf Herzfrequenz, Blutdruck und Sauerstoffsättigung. Die Atemfrequenz ist, wie alle Vitalparameter, von individuellen Schwankungen und äußeren Einflüssen abhängig. Sie ist eine wichtige Messgröße für die Beurteilung des Gesundheitszustands.

Überblick

EinheitAtemzüge pro Minute (min-1)
NormalwerteNeugeborene ca. 30-50
Säuglinge ca. 20-40
Kleinkinder ca. 20-30
Kinder ca. 18-24
Erwachsene ca. 12-16
MessmethodenManuell
Spirometrie
Kapnometrie
EKG/Impedanzpneumographie
Photoplethysmographie (PPG)

Definition: Was ist die Atemfrequenz?

Als Atemfrequenz oder Atemrate wird die Anzahl an Atemzügen pro Zeiteinheit (meist eine Minute) bezeichnet.1

Atemfrequenz, Atemzugvolumen & Atemzeitvolumen

Sowohl die Atemfrequenz als auch das Atemzugvolumen sind vom Alter und der Körpergröße abhängig. Das Atemzugvolumen beschreibt die Menge an inhalierter Luft pro Atemzug. Sie beträgt im Durchschnitt bei einem Erwachsenen etwa 500 bis 1000 ml. Für die Berechnung des Atemzugvolumens gilt als Faustregel: Körpergewicht in kg × 10 bis 15. Das Produkt aus Atemfrequenz und Atemvolumen wird als Atemzeitvolumen bezeichnet und gibt die Höhe des pro Minute stattfindenden Luftwechsels an. Dieser beträgt bei einem gesunden Erwachsenen etwa 7 bis 14 l, kann allerdings bei starker körperlicher Belastung bis auf 80 l und bei extremer Belastung bis auf 120 l steigen.2

Atemfrequenz: Normalwerte & Abweichungen

Abhängig von verschiedenen individuellen Einflussfaktoren atmet ein gesunder Erwachsener in Ruhe etwa 12 bis 16 mal pro Minute. Wie viele Atemzüge pro Minute stattfinden unterscheidet sich u.a. je nach Alter. Bei Neugeborenen bis ins Kindesalter variieren die Atemfrequenzen zwischen den Altersgruppen teilweise erheblich:

  • Früh­geborenes: ca. 50–60 Atemzüge pro Minute
  • Neu­ge­borenes (reif geboren): 30–50 Atemzüge pro Minute
  • Säug­ling: 20–40 Atemzüge pro Minute
  • Kleinkind: 20–30 Atemzüge pro Minute
  • Kind (ab 6 Jah­re): 18–24 Atemzüge pro Minute
  • Er­wachse­ne: 12–16 Atemzüge pro Minute3

Ab dem 30. Lebensjahr bleiben die Normalwerte der Atemfrequenz weitestgehend konstant.4

Erhöhte Atemfrequenz

Eine erhöhte Atemfrequenz kann durch verschiedene Ursachen entstehen, die sowohl harmloser als auch krankhafter Natur sein können (mehr dazu siehe “Was beeinflusst die Atemfrequenz?”).

Tachypnoe

Ab einer Atemfrequenz von etwa 20 pro Minute spricht man von einer Tachypnoe. Sie tritt bei erhöhtem Sauerstoffbedarf auf. Die Atemtiefe kann bei erhöhter Atemfrequenz vermindert, gleich oder gesteigert sein. Ursachen einer Tachypnoe können körperliche Belastung (bspw. Sport), verschiedene Erkrankungen oder Stress sein.5 6

Hyperventilation

Bei einer Hyperventilation wird durch zu schnelles und/oder tiefes Atmen zu viel Kohlenstoffdioxid abgeatmet: Der CO2-Partialdruck sinkt und gleichzeitig steigt der pH-Wert des Blutes. Daraus können sich Symptome wie Tachypnoe, Muskelkrämpfe (“Pfötchenstellung” durch Verkrampfung der Unterarm- und Handmuskulatur), Missempfindungen, Schwindel und Angstgefühle bilden. Ursachen der Hyperventilation können durch Angst, Stress oder übermäßige körperliche Anstrengung entstehen sowie durch verschiedene Erkrankungen.7 8

Verringerte Atemfrequenz

Eine verringerte Atemfrequenz kann verschiedene Ursachen haben. Hierbei kommen sowohl physiologische als auch krankhafte Faktoren in Frage (mehr dazu siehe “Was beeinflusst die Atemfrequenz?”).

Bradypnoe

Fällt die Atemfrequenz in Ruhe unter zehn Atemzüge pro Minute spricht man von einer Bradypnoe.9 Eine nicht krankhafte Form der Bradypnoe tritt im Schlaf und bei tiefer Entspannung auf. Pathologische Ursachen einer verlangsamten Atmung können u.a. Schädi­gungen des zentralen Nervensystems (bspw. Schädel­hirn­trauma), Stoffwechsel bedingte Erkrankungen (bspw. Schilddrüsenunterfunktion) oder Medikamente (bspw. Opia­te, Benzo­diazepine) sein.10

Hypoventilation

Bei einer Hypoventilation liegt eine unzureichende Belüftung der Lunge vor, indem eine zu geringe Abatmung von Kohlenstoffdioxid stattfindet.11 Hierbei sinkt der Sauerstoffpartialdruck während gleichzeitig der arterielle CO2-Partialdruck ansteigt. Ursachen können in einer gestörten Belüftung der Lunge liegen, bspw. hervorgerufen durch Rippenbrüche oder neuromuskuläre Erkrankungen. Auch eine Störung der Atmungssteuerung kann ursächlich für eine Hypoventilation sein. Dies geschieht bspw. beim zentralen Schlafapnoesyndrom oder bei starker Fettleibigkeit (Obesi­tas-Hypoventilati­ons­syndrom).12 In Folge einer Hypoventilation kann es zu einem erhöhten Kohlendioxidgehalt im Blut (Hyperkapnie), Sauerstoffmangel (Hypoxämie) sowie zu einer Übersäuerung des Blutes (respiratorische Azidose) kommen.13

Dyspnoe

Bei einer Dyspnoe liegt das subjektive Empfinden einer Atemnot oder einer erschwerten Atmung vor. Betroffene haben das Gefühl nicht mehr genügend Luft zu bekommen. Die Dyspnoe lässt sich in verschiedene Kategorien einteilen, die in Zusammenhang mit körperlicher Belastung (belastungs- vs. belastungsunabhängig), mit der Körperlage (lage- vs. lageunabhängig) oder der Art des Beginns der Dyspnoe (plötzlich vs. langsam) stehen. Als Ursachen kommen viele verschiedene krankhafte, physiologische als auch psychische Faktoren in Frage, u.a.:

  • Lungenerkrankungen (bspw. Asthma bronchiale, COPD, Lungenembolie, Lungenentzündung)
  • Herzerkrankungen (bspw. Herzinsuffizienz, Herzinfarkt)
  • Erkrankungen des Skeletts (bspw. Rippenbruch)
  • Erkrankungen der Muskeln und Nerven (bspw. ALS)
  • Psychische Faktoren (bspw. Depression, Angststörung)
  • Weitere Ursachen, wie Adipositas14 15

Orthopnoe

Wenn der Betroffene aufgrund seiner Atemnot eine aufrechte Haltung einnehmen muss, um besser atmen zu können, spricht man von einer Orthopnoe. Dies kommt bspw. bei einem akuten Asthmaanfall oder bei Herzinsuffizienzpatienten vor.16 17

Exkurs: Atmung & Atemregulation

Bei der Atmung wird zwischen äußerer und innerer Atmung unterschieden. Sie ist ein überlebenswichtiger Prozess, bei der unsere Lunge Sauerstoff (O2) in das Blut bringt und Kohlenstoffdioxid (CO2) abtransportiert (äußere Atmung). Es findet auf diese Weise ein stetiger Gasaustausch statt. Je nach Eintrittsort der eingeatmeten Luft kann dabei zwischen Mund- und Nasenatmung unterschieden werden.18 Mit der inneren Atmung ist die Zellatmung (aerobe Energiegewinnung beim Menschen) gemeint.19

Anatomische Grafik der an der äußeren Atmung beteiligten Organe und Körperteile

Abb. 1: An der äußeren Atmung beteiligte Organe und Körperteile

Äußere Atmung

Ziel der äußeren Atmung bzw. Lungenatmung ist die Versorgung der Körperzellen mit Sauerstoff und die Abgabe von Kohlenstoffdioxid. Die äußere Atmung besteht aus Einatmung (Inspiration, aktiv) und Ausatmung (Exspiration, passiv), die sich in vier Schritte unterteilen lässt:20

  1. Der Brustkorb (Thorax) hebt sich bzw. das Zwerchfell (Diaphragma) zieht sich zusammen.
  2. Die eingeatmete Luft strömt dadurch in die Lunge ein.
  3. Die Atemmuskulatur entspannt sich wieder.
  4. Die Lunge folgt ihrem Bestreben zu kollabieren (soweit es der Brustkorb zulässt) und Luft strömt aus ihr heraus.

Im Detail passiert dabei Folgendes: Über Mund, Nase und Rachen strömt die eingeatmete, sauerstoffreiche Luft in die Luftröhre. Währenddessen wird sie angewärmt, angefeuchtet und gereinigt. Danach strömt die Luft weiter in die Bronchien, Bronchiolen und schließlich in die Lungenbläschen (Alveolen), die von einem Netz sehr dünner Blutgefäße (Kapillaren) umgeben ist. Hier findet der Gasaustausch ü­ber die alveo­lo­kapillä­re Membran mittels Diffusions statt. In den Lungenbläschen herrscht ein höherer Sauerstoff-Partialdruck und ein niedrigerer Kohlendioxid-Partialdruck als im Blut. Durch dieses Druckgefälle wird der Sauerstoff (O2) ins Blut des Lungenkreislaufs aufgenommen (Bindung an Hämoglobin) und gleichzeitig diffundiert Kohlenstoffdioxid aus dem Blut in die Lungenbläschen. Über die Blutzirkulation wird das sauerstoffbeladene Hämoglobin in das Gewebe und die Zellen transportiert. Das dort durch Stoffwechselvorgänge entstandene Kohlendioxid (CO2) gelangt wiederum über das Blut zurück zur Lunge und wird dann an die Umwelt abgeatmet.21 22 23 24 25

Grafische Darstellung der Abgabe von CO2 und Aufnahmen von O2 durch den Gasaustausch von Blut und Luft im Lungenbläschen.

Abb. 2: Gasaustausch zwischen Lunge und Blutkreislauf

Kurz erklärt: O2- und CO2-Partialdruck

Mit Partialdruck ist der jeweilige Teildruck der einzelnen Gase innerhalb eines Gasgemischs gemeint. So setzt sich bspw. die Luft in unserer Atmosphäre aus den verschiedenen Gasen Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie Wasserdampf (H2O) zusammen. Jedes dieser Gase ist zu einem gewissen Anteil in dem Gasgemisch “Luft” vorhanden und hat einen individuellen Druck. In der Summe ergeben die einzelnen Partialdrücke der Gase und des Wasserdampfes den Gesamtdruck des Gasgemischs.

Auch im Blut liegen unterschiedliche Partialdrücke der vorhandenen Gase vor. Bei der Atmung sind insbesondere die jeweils unterschiedlichen O2- und CO2-Partialdrücke innerhalb der Alveolen und Arterien relevant. Die Differenz der O2- und CO2-Partialdrücke sorgt dafür, dass der Gasaustausch zwischen Lunge und Blut per Diffusion stattfinden kann, da sich die Gasteilchen jeweils zum Druckgefälle hinbewegen und einen Druckausgleich anstreben.26 27

Innere Atmung (Zellatmung)

Die in­ne­re At­mung bzw. Zellatmung beschreibt die sau­erstof­fab­hän­gi­gen Stoffwechsel­prozesse innerhalb der Körperzellen (aerobe Energiegewinnung). Für ihre Energieversorgung nehmen unsere Zellen Traubenzucker (Glucose) auf, das im Zellplasma und in den Mitochondrien vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut wird. Ziel ist es u.a. mit Hilfe von Sauerstoff Ener­gie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) bereitzustellen. Dieses ist für sämtliche Stoffwechselvorgänge in unserem Körper notwendig. Zur Zellatmung zählen die Glykolyse, der Citratzyklus und die Atmungskette.28

Atemregulation: Steuerung & Anpassung

Die Regulation und Steuerung unserer Atmung findet im Atemzentrum statt. Dieses befindet sich in der Medulla oblongata, ein wichtiges Regulations- und Reflexzentrum, das in der Fortsetzung des Rückenmarks im Gehirnbereich liegt. Die Atmung wird im Atemzentrum automatisch gesteuert, kann aber als einzige automatische Grundfunktion unseres Körpers willentlich beeinflusst werden (bspw. beim Sprechen, Singen und z.B. Luftanhalten).

In der Medulla oblongata befinden sich mehrere Neuronengruppen. Durch ein komplexes Zusammenspiel dieser Atemneuronen findet unsere rhythmische Aktivität aus Ein- und Ausatmen statt. Die Neuronen fördern und hemmen sich dabei gegenseitig (Wechselspiel zwischen inspiratorischen und exspiratorischen Neuronen). Auf diese Weise wird ein grundlegender Atemrhythmus ermöglicht, der von höheren Hirnzentren und anderen Körperbereichen an veränderte Bedürfnisse und Gegebenheiten angepasst werden kann. Dies geschieht bspw. beim Sport: Um den erhöhten Sauerstoffbedarf decken zu können, muss der Körper schneller atmen. Über spezielle Mechanorezeptoren in den Gelenken und Muskeln werden entsprechende Signale an das Atemzentrum in der Medulla oblongata übermittelt.

Im Detail wird die unwillkürliche Atemregulation vor allem über den Kohlenstoffdioxid-Gehalt, den pH-Wert sowie den Sauerstoffgehalt des Blutes beeinflusst. Die wichtigste Rolle spielt dabei allerdings der Kohlendioxidgehalt. Wird von den verschiedenen Rezeptoren im Körper eine hohe Menge an Kohlendioxid (CO2) im Blut gemessen, erhöht das Atemzentrum die Atemfrequenz, sodass das überschüssige CO2 in den Lungenbläschen an die Atemluft abgeben werden kann. Ist die CO2-Konzentration dagegen zu niedrig, wird die Atemfrequenz verringert.

Der Sauerstoffgehalt im Blut hat dagegen einen geringeren Einfluss auf die automatische Atemregulation. Anpassungsreaktionen des Körpers finden erst statt, wenn der Sauerstoffgehalt drastisch absinkt.

Neben den genannten Atemneuronen wirken bei der unwillkürlichen Atemregulation verschiedene Sensoren und Rezeptoren sowie Einflüsse aus höheren Arealen des Zentralnervensystems (Emotionen oder Reflexe, bspw. Husten, Niesen, Gähnen und Schlucken) eine Rolle. Zu den Sensoren und Rezeptoren, die Atemreize wahrnehmen und an das Atemzentrum weiterleiten, gehören Chemosensoren (u.a. in Aorta, Hirnstamm), Mechanosensoren (Lunge, Atemmuskeln), Sensoren für die Tiefensensibilität des Bewegungssystems, Thermosensoren (Haut) sowie Hormon-Rezeptoren.29 30 31 32 33

Dank der Fähigkeit unsere Atemmuskulatur willkürlich ansteuern zu können, lässt sich die Atmung bewusst verändern. Dies kann man sich bspw. für bestimmte Atemtechniken im Sport oder beim Entspannen zunutze machen. Allerdings ist diese Kontrolle bei stärkeren Schwankungen der Konzentrationen von Kohlendioxid, Sauerstoff oder einer Änderung des Blut-pH-Wertes eingeschränkt.34

Was beeinflusst die Atemfrequenz?

Viele verschiedene Faktoren können die Atemfrequenz beeinflussen. Neben krankhaften Ursachen, spielen auch physiologische und psychische Einflüsse sowie veränderte Umweltbedingungen eine Rolle.

Atemfrequenz im Schlaf

Während des Schlafs verändert sich unsere Atmung grundlegend und somit auch die Atemfrequenz, sodass ein gesunder Erwachsener im Durchschnitt 12 bis 16 mal pro Minute atmet (Ruheatmung). Während des Wachzustands wird die Atmung hauptsächlich durch äußere Einflüsse gesteuert. Im Schlaf hingegen wird die Atmung im Wesentlichen abhängig vom Stoffwechsel geregelt, indem überwiegend spezielle “Schrittmacher” im inneren des Körpers (bspw. Barorezeptoren) tätig sind.
Da Atemminutenvolumen und Atemfrequenz im Schlaf verringert sind, nimmt das arterielle Kohlendioxid zu und der arterielle Sauerstoffpartialdruck ab. Gleichzeitig erhöht sich der Atemwegswiderstand der oberen Atemwege und der natürliche Schutzreflex der Lunge (Schutz vor Überdehnung der Lunge beim Einatmen35) verringert sich.

Die Atemfrequenz und Atemtiefe variieren je nach Schlafphase. So liegt während des REM-Schlafs eine erhöhte Variabilität von Atemfrequenz und Atemtiefe vor.36 37 38

Neben den nicht-krankhaften Veränderungen unserer Atmung während des Schlafs gibt es mehrere schlafbezogene Atmungsstörungen. Diese können verschiedene Ursachen haben:

  • Die Verengung der oberen Atemwege durch Erschlaffung der Muskulatur (Obstruktive Schlafapnoe).
  • Die zentrale Schlafapnoe (ZSA), welche auf einer Störung des Atemzentrums beruht.
  • Das Hypoventilationssyndrom bspw. aufgrund von starkem Übergewicht, Muskelerkrankungen, schweren chronischen Lungenerkrankungen oder schweren Verkrümmungen der Wirbelsäule.39

Atemfrequenz bei Frauen und Männern

Die Atemfrequenz von Frauen und Männern unterscheidet sich in der Regel aufgrund anatomischer Faktoren. Frauen haben eine durchschnittliche Atemfrequenz von 14 bis 18 und Männer von 12 bis 16.

Die Unterschiede kommen zum einen durch das Volumen des Oberkörpers (Thoraxvolumen) zustande: So weist der weibliche Thorax ein durchschnittliches Volumen von 4 Litern, der männliche von durchschnittlich 5 Litern auf. Zum anderen gibt es zwischen den Geschlechtern einen Unterschied im Atemtypus. Während bei Frauen im Ruhezustand die Brustatmung vorherrschend ist, ist es bei Männern die Bauchatmung. Des Weiteren sind die Atemwege bei Frauen kleiner ausgeprägt als bei Männern (Nasenhöhle, Luftröhre, Bronchien). Auch die Lunge weist im Durchschnitt ein unterschiedlich großes Volumen auf: Bei Frauen beträgt dieses ca. 4,5 bis 5 Liter (Anteil ca. 1,6 % am Gesamtkörpergewicht) und bei Männern ca. 6,5 bis 7 Liter (Anteil ca. 1,8 % am Gesamtkörpergewicht).40 41 42

Atemfrequenz bei Babys und Kindern

Da Säuglinge einen höheren Grundumsatz und infolgedessen einen höheren Sauerstoffverbrauch in Ruhe haben, atmen sie wesentlich schneller als ältere Kinder und Erwachsene. Außerdem ist die Atemfrequenz aufgrund verschiedener anatomischer Unterschiede im Vergleich zum Erwachsenen erhöht.43

Atemfrequenz beim Sport

Beim Sport benötigen unsere Muskeln mehr Sauerstoff und Energie. Um dies zu gewährleisten, erhöht sich die Atemfrequenz. Während wir in Ruhe ca. 12 bis 16 mal pro Minute atmen, kann die Atemfrequenz bei körperlicher Belastung auf 40 bis 50 ansteigen.44 Im Ruhezustand werden ca. zwei Prozent des aufgenommenen Sauerstoffs für die Kontraktionsarbeit der Atemmuskeln benötigt. Während des Sports kann sich dieser Wert verzehnfachen.45

Regelmäßiger Ausdauersport hat positiven Folgen auf unsere Atmung: Die Gasaustauschfläche in der Lunge vergrößert sich. Dadurch werden die Atmungsabläufe optimiert und insgesamt die Lungenfunktion verbessert. So verringert sich u.a. die Atemfrequenz und das Atemvolumen erhöht sich.46 47

Einfluss der Körperhaltung auf die Atmung

Welche Körperhaltung wir einnehmen, kann ebenfalls einen Einfluss auf unsere Atmung haben. So ist das Lungenvolumen im Liegen geringer als im Sitzen. Der Grund liegt in der veränderten Position des Zwerchfells: Im Liegen wird dieses durch die Bauchorgane nach oben gedrängt. Zudem befindet sich im Liegen mehr Blut in den Gefäßen des Brustkorbs, was ebenfalls die Ausdehnung der Lunge einschränkt. Daneben übernimmt das Zwerchfell den Großteil der Einatmung während des Liegens, sodass sich vor allem der Bauch hebt (Bauchatmung). In aufrechter Position weitet sich bei der Einatmung eher der Brustkorb (Brustatmung).48

Atmung und Psyche

Unsere Atmung kann zum einen durch unsere Psyche beeinflusst werden. Zum anderen können sich Einschränkungen oder Veränderungen unserer Atmung wiederum Ängste und Stress auslösen. So werden, wenn wir Angst haben, bestimmte Signale von der im Gehirn liegenden Amygdala an unser Atemzentrum geleitet, woraufhin der Atem flacher und schneller wird. Dadurch entstehende Atemveränderungen bis hin zur (gefühlten) Atemnot können wiederum starke Angstgefühle erzeugen bzw. verstärken. Die dadurch weiterhin oder noch stärker schnelle und abgeflachte Atmung verstärkt das Symptom der Luftnot wiederum – ein Teufelskreis entsteht. Durch bewusstes tiefes und langsames Ein- und Ausatmen kann diesem Mechanismus allerdings entgegengesteuert werden. Durch langsames Atmen können Angstgefühle somit bis zu einem gewissen Grad wieder verringert werden.49

Einfluss von Krankheiten auf die Atemfrequenz

Verschiedene Erkrankungen können einen Einfluss auf die Atemfrequenz ausüben und sie entweder verlangsamen oder erhöhen.

Eine stark erhöhte, schnelle Atmung (Tachypnoe) kann bspw. durch Fieber oder aufgrund von verschiedenen Herz- und Lungenerkrankungen verursacht werden.50

Eine stark verlangsamte Atmung (Bradypnoe) kann u.a. durch Schädi­gungen des zentralen Nervensystems (bspw. Schädel­hirn­trauma), Stoffwechsel bedingte Erkrankungen (bspw. Schilddrüsenunterfunktion) oder Medikamente (bspw. Opia­te, Benzo­diazepine) verursacht werden.51

Liegt ein subjektives Empfinden einer erschwerten Atmung vor (Dyspnoe), können u.a. folgende Erkrankungen ursächlich sein:

  • Lungenerkrankungen (bspw. Asthma bronchiale, COPD, Lungenembolie, Lungenentzündung)
  • Herzerkrankungen (bspw. Herzinsuffizienz, Herzinfarkt)
  • Erkrankungen des Skeletts (bspw. Rippenbruch)
  • Erkrankungen der Muskeln und Nerven (bspw. ALS)52 53

Was sagt die Atemfrequenz über die Gesundheit aus?

Die Atemfrequenz ist neben weiteren Vitalparametern, wie Pulsfrequenz und Sauerstoffsättigung, ein wichtiger Indikator zur Beurteilung der Gesundheit. So können Abweichungen der normalen Atemfrequenz nach oben oder nach unten auf verschiedene Erkrankungen hinweisen.54

Störungen im Körper, die eine Hypoxämie (Sauerstoffmangel im Blut) oder Hyperkapnie (erhöhter CO2-Gehalt im Blut) verursachen, können durch die Messung der Atemfrequenz erkannt werden. Eine veränderte Atemfrequenz ist zudem ein häufiges Merkmal vor einer ernsthaften Verschlechterung des Gesundheitszustandes und einem darauf folgenden Herzstillstand.55 Gerade bei Krankheiten, die die Lunge oder den Stoffwechsel betreffen, kann die Atemfrequenz als ein Instrument zur Einschätzung des Schweregrades dienen.56 Das gilt bspw. für Erkrankungen wie Asthma bronchiale, Herzinsuffizienz, Lungenembolie, und Sepsis (“Blutvergiftung”).57

In einer 2014 erschienenen Studie konnte festgestellt werden, dass es bei Patienten mit Lungenentzündung (Pneumonie) einen Zusammenhang zwischen der Höhe der Atemfrequenz und der Sterblichkeit zu geben scheint. Dabei stellten die Forscher fest: Je höher die Atemfrequenz bei einer stationären Aufnahme im Krankenhaus ist, desto höher ist die Sterblichkeit.58

Laut einer 2020 erschienenen Studie kann die nächtliche Atemfrequenz eine Vorhersage darüber liefern, ob implantierbare Defibrillatoren (ICD) eine vorbeugende Wirkung haben. So wird bei bestimmten Erkrankungen der Herzmuskulatur (Kardiomyopathie) in der Praxis häufig versucht, gefährliche Arrhythmien mit Hilfe solcher ICD zu verhindern. Jedoch stellten die Forscher fest, dass Patienten mit einer vergleichsweise hohen nächtlichen Atemfrequenz (≥ 18 Atemzüge/Min) keinen Überlebensvorteil durch einen ICD hatten.59

Atemgrenzwert

Der Atemgrenzwert ist die maximale Atemfrequenz eines Menschen. Dieser kann zur Beurteilung der Atemmuskulatur und eventuell vorliegender Atemstörungen herangezogen werden. Gemessen wird der Atemgrenzwert mithilfe eines Spirometers, in dem der Patient / die Patientin für ca. zehn Sekunden in der ihm/ihr möglichen Maximalgeschwindigkeit atmet.60

Atemfrequenz messen

Wie wird die Atemfrequenz gemessen?

Die Atemfrequenz kann entweder manuell (bei sich selbst oder jemand anderen) oder mittels verschiedener Geräte und physiologischer Prinzipien gemessen werden.

Manuell: Atemzüge pro Minute zählen

Um die Atemfrequenz bei sich selbst oder einem anderen zu bestimmen, sind folgende Schritte angezeigt:

  1. Vor der Messung eine Uhr mit Sekundenanzeige sichtbar gut sichtbar platzieren.
  2. Zunächst ca. fünf Minuten zur Ruhe kommen (bspw. ruhig auf einem Stuhl sitzen oder im Bett liegen).
  3. Eine flache Hand dort auflegen, wo die Atmung am besten spürbar ist (bspw. Bauch oder Brust). Wenn die Atemfrequenz bei jemand anderem gemessen wird, kann auch das Heben und Senken des Brustkorbs oder Bauches beobachtet werden.
  4. Über eine Minute die Atemzüge zählen. Hieraus erhält man die Atemzüge pro Minute.61

Obwohl diese Art der Messung der Atemfrequenz je nach Anwender sehr ungenau ausfallen kann, wird sie heute dennoch häufig im klinischen Alltag angewendet.62

Spirometrie

Zur Messung der Atemfrequenz kann die Spirometrie (“kleine Lungenfunktion”, spirare (lat.): atmen) eingesetzt werden. Hauptfunktion dieser Untersuchungsmethode ist die Erfassung des Funktionszustandes der Lunge, indem das Lungen- bzw. Atemvolumen gemessen wird.
Während der Untersuchung atmet der Patient / die Patientin über ein Mundstück in den sogenannten “Spirometer”. Die Nase wird mit einer Nasenklemme verschlossen. Das Spirometer misst das Luftvolumen der ein- und ausgeatmeten Luft sowie die Geschwindigkeit der Ausatemluft. Die Luftmengen, die bei diesen Atemzügen bewegt werden, werden grafisch abgebildet und können so beurteilt werden.63 64 Zwar ist diese Methode sehr genau und es können mit ihr mehrere Atemparameter gleichzeitig gemessen werden, jedoch beeinflusst sie die natürlich Atmung des Patienten und ist für eine kontinuierliche Messung der Atemfrequenz ungeeignet.65

Kapnometrie

Mit einer Kapnometrie wird der Gehalt an Kohlenstoffdioxid in der Ausatemluft eines Patienten gemessen. Häufig kommt sie in der Anästhesie oder bei der Überwachung von beatmeten Patienten zum Einsatz. Die Kapnometrie kann auch zur Messung der Atemfrequenz herangezogen werden. Diese Form der Messung weist eine hohe Genauigkeit auf und eignet sich auch zur kontinuierlichen Messung der Atemfrequenz. Allerdings ist die Anwendung für den Patienten unkomfortabel und es werden spezielle Geräte zur Auswertung der aufgezeichneten Daten benötigt.66

EKG / Impedanzpneumographie

Bei einem EKG (Elektrokardiogramm) wird die elektrische Aktivität des Herzens mithilfe von auf der Haut angebrachten Elektroden gemessen. Mit den EKG-Elektroden lässt sich zudem die Atemfrequenz bestimmen. Dies erfolgt über die sogenannte Impedanzpneumographie. Während wir ein- und ausatmen nimmt das Volumen des Brustkorbs (Thorax) zu und ab. Während der Volumenzunahme erhöht sich der Wechselstromwiderstand (Impedanz) des Brustkorbs, bei der Volumenabnahme verringert er sich. Mithilfe von zwei auf dem Brustkorb angebrachten Elektroden lassen sich diese Impendanzänderungen messen. Die so erfassten Schwankungen werden als Impedanzpneumogramm (“Atemkurve”) auf einem Monitor dargestellt. Hieraus lässt sich die Atemfrequenz ermitteln. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass das Signal sehr anfällig für Bewegungsartefakte ist. So beeinflusst jede Bewegung des Körpers die Thoraximpedanz.67 68

Drehraten -und Beschleunigungssensoren

Eine weitere Methode die Atemfrequenz zu messen basiert auf der Erfassung von Bewegungen und Volumenänderungen, die beim Atmen im Brustkorb oder dem Bauch von außen erfassbar sind. Bspw. kann mit einem Brustgurt, der mit einem 3-Achsen-Gyroskop sowie Beschleunigungssensoren ausgestattet ist, die durch die Atembewegungen verursachten Winkeländerungen erfasst und daraus die Atemfrequenz ermittelt werden.69

Photoplethysmographie (PPG-Sensor)

Mit der Photoplethysmographie (PPG) lässt sich die Pulsfrequenz sowie die Sauerstoffsättigung (SpO2) ermitteln. Auch die Atemfrequenz kann aus dem erfassten PPG-Signal und mithilfe von Algorithmen extrahiert werden. Der PPG-Sensor verfügt entweder über eine grüne LED oder zwei LEDs, eine rote und eine infrarote. Dieses Licht wird abwechselnd in das Gewebe (bspw. Haut am Handgelenk oder im Gehörgang) eingestrahlt. Eine Photodiode empfängt das Licht, das vom Gewebe reflektiert oder nicht absorbiert wurde und wandelt diese Information in elektrischen Strom um. Der Strom wird durch einen Transimpedanzverstärker (TIA) in eine elektrische Spannung umgewandelt, welche wiederum digitalisiert werden kann. Indem die Atmung die Schwankungen des venösen Rückflusses, des Schlagvolumens und des arteriellen Blutdrucks beeinflusst, lässt sich aus den gemessenen PPG-Kurven mittels Frequenzanalyse die Atemfrequenz ableiten. 70 71 72

Wie misst cosinuss° Vitalparameter?

Die hier aufgeführten Informationen sind kein Ersatz für die professionelle Beratung oder Behandlung durch ausgebildete Ärzte/Ärztinnen und dürfen nicht für eigenständige Diagnosen oder Behandlungen verwendet werden.

Autor- & Quellenangaben

Über den Autor

Dr.-Ing. Johannes Kreuzer ist Mitgründer und Geschäftsführer von cosinuss°. Er studierte Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Medizinelektronik an der TUM (Technische Universität München, Deutschland).

Quellen / References

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