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Anästhesie (Subject) / Allgemeines - Physik (Lesson)

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• 022 In der Anästhesie häufig benutzte Systeme der arteriellen Druckmessung bestehen aus einem flüssigkeitsgefüllten Schlauchsystem, das an einen elektromechanischen Druckwandler angeschlossen ist. Für diese Systeme gilt: a) Die Resonanzfrequenz ist die Eigenfrequenz, mit der das System oszilliert, wenn es von außen nicht angeregt wird b) Das Ausmaß der Dämpfung ist indirekt proportional der Zeit, in der das System Gleichgewichtsbedingungen erreicht c) Je näher die Resonanzfrequenz des Systems an der Frequenz des Messsignals liegt, desto genauer ist die Messung d) Je länger die Schlauchverbindung, desto größer die Resonanzfrequenz e) Luftblasen im Schlauchsystem vermindern die Resonanzfrequenz und erhöhen die Dämpfung a) Richtig. Die Resonanzfrequenz ist die eine Determinante, mit derman ein Schlauch-/Druckwandler-Messsystem beschreiben kann.b) Richtig. Die Dämpfung ist die zweite Determinante, mit der man einSchlauch-Druckwandler-Messsystem beschreiben kann.c) Falsch. Je näher die Resonanzfrequenz an der Frequenz des Messsignalsliegt, desto ungenauer wird die Messung, da es zu einer Überhöhungder Schwingungsamplitude kommt. Daraus resultiert einefalsch-hohe Messung des systolischen Blutdrucks. Die Frequenz derarteriellen Blutdruckschwankungen liegt in Ruhe bei 60/min, d. h.bei 1 Hz. Weil Schwingungen 2. und 3. Ordnung durch Reflexion undOberschwingungen auftreten ist das resultierende Frequenzspektrumetwa 10fach höher als die Frequenz der Grundschwingung. DasMesssignal (Blutdruckschwankung) hat demnach eine Frequenz vonrund 10 Hz, und das Messsystem sollte eine Resonanzfrequenz >10 Hzhaben.d) Falsch. Je länger und weicher ein Schlauchsystem ist, desto geringerist seine Resonanzfrequenz.e) Richtig. Luftblasen erhöhen die Compliance des Systems (weicher)und vermindern damit die Resonanzfrequenz. Zum anderen erhöhtsich die Reibung (Luft ist kompressibel) und damit die Dämpfung.Hierbei gilt: Je mehr Masse dazwischengeschaltet wird, d. h. je dickerder Schlauch ist (mehr Flüssigkeit mehr Masse), desto größer wird dieDämpfung. Im klinischen Alltag kann man die Resonanzeigenschaften einer gegebenenMessanordnung leicht überprüfen. Man betätigt die Spülvorrichtungder arteriellen Kanüle für einige Sekunden und zeichnet den Kurvenverlaufnach Beendigung der Spülung mit. Es treten dann Schwingungen auf,die innerhalb von maximal 2 Perioden abgeklungen sein sollten. Schwingtdas System länger, ist die Eigenfrequenz zu nah an der Messsignalfrequenz.Aus der Anzahl der Schwingungen pro Sekunde lässt sich dann dieResonanzfrequenz bestimmen und aus der Abnahme der Schwingungsamplitudeder aufeinanderfolgenden Schwingungen die Dämpfung.
• 023 Für ein zur Messung des arteriellen Drucks benutztes Schlauch-Druckwandler-Messsystem gilt: a) Die Resonanzfrequenz ist am höchsten, wenn der Schlauch möglichst steif ist und ein großes Lumen aufweist b) Kritische Dämpfung ist dann gegeben, wenn nach einer plötzlichen Druckänderung keine Schwingung auftritt c) Die Vergrößerung der Dämpfung vermindert den Messwert des mittleren arteriellen Drucks d) Typische klinische Schlauch-/Druckwandler-Messsysteme haben eine Dämpfung von 0,2–0,3 e) Eine Verminderung der Dämpfung führt zu einer Vergrößerung des systolischen Druckwerts. a) Falsch. Die Resonanzfrequenz ist am höchsten, wenn der benutzteSchlauch möglichst steifwandig und mit einem möglichst geringenLumen versehen ist. Dies vermindert die Masse der bewegten Flüssigkeitssäule.b) Richtig. Tritt eine kritische Dämpfung auf, wird die Kurvenform zuflach, d. h. die Amplitude wird zu klein. Für eine möglichst genaueMessung des Kurvenverlaufs des arteriellen Drucks soll eine Dämpfungresultieren, die die Amplitude nicht verändert. Dies ist theoretischbei einem Wert von rund 60% der kritischen Dämpfung gegebenund entspricht ungefähr einer Dämpfung von 0,5.c) Falsch. Eine Vergrößerung der Dämpfung vermindert die Amplitudeder arteriellen Druckschwankung (systolische und diastolische Werte),nicht aber den mittleren arteriellen Druck.d) Richtig. Dies sind empirisch ermittelte Dämpfungswerte.e) Richtig. Siehe Antwort c.Eine Verminderung der Dämpfung führt zu einer Vergrößerung der Blutdruckamplitude.
• 024 Hinsichtlich der physikalischen Größe Druck gilt: a) Die SI-Einheit ist Pascal (Pa) und bedeutet 1N/m2 b) Der Atmosphärendruck auf Seehöhe beträgt 101,3kPa c) Der Druck, der von einer Quecksilbersäule mit einer Höhe von 1 cm ausgeübt wird, entspricht dem Druck, den eine Wassersäule von 13,6 cm Höhe ausübt d) Der Druck, der von einer 1 mm hohen Quecksilbersäule ausgeübt wird, wird Torr genannt e) Ein Sphygmomanometer misst den intrapleuralen Druck a) Richtig. Gebräuchlicher ist die Einheit kPa = 1000 Pa.b) Richtig. Der Druck, der auf Seehöhe auf 1 m2 lastet, beträgt101300 N = 10130 kg = 10,13 t/m2 = 1,013 kg/cm2.Dieser Druck heißt auch 1 atm = bar. Es gilt:760 Torr = 760 mmHg = 1,013 bar = 1013 mbar = 101,3 kPa.c) Richtig. Quecksilber hat eine Dichte, die 13,6-mal größer als die vonWasser ist. Die Dichte hat die Einheit kg/m3.d) Richtig. Zu Ehren des italienischen Forschers Evangelista Torricelli(1608–1647).e) Falsch. Ein Sphygmomanometer ist ein Gerät zur Blutdruckmessung,im einfachsten Fall also ein Quecksilbermanometer.
• 025 Für die Strömung von Flüssigkeiten durch eine Röhre gilt: a) Laminarer Fluss tritt nur dann auf, wenn die Röhrenwände parallel verlaufen, glatt sind und keine Verzweigungen auftreten b) Bei laminarer Strömung ist der Fluss proportional dem Druckgradienten entlang der Röhre c) Bei laminarer Strömung ist der Fluss direkt proportional dem Quadrat des Radius der Röhre d) Bei laminarer Strömung ist der Fluss umgekehrt proportional der Viskosität der Flüssigkeit e) Bei Erreichen einer Reynolds-Zahl von >2100 tritt eine turbulente Strömung auf a) Richtig. Dies sind die Voraussetzungen, unter denen das Gesetz vonHagen-Poiseuille gilt. Das Gesetz beschreibt laminare Strömungendurch parallelwandige glatte Röhren.b) Richtig. Dies ist die erste Kernaussage.c) Falsch. Richtig heißt es, dass der Fluss proportional dem Radius inder 4. Potenz ist. Deshalb heißt dieses Gesetz auch im angloamerikanischenSprachraum »R to the fourth law«, das Gesetz vom Radius inder 4. Potenz.d) Richtig. Dies ist die 3. Kernaussage. Je visköser eine Flüssigkeit, destogeringer der Fluss (Hagen-Poiseuille-Gesetz).e) Richtig. Jede laminare Strömung geht mit Erreichen der Reynolds-Zahl in eine turbulente Strömung über. Die Reynolds-Zahl Re istgleich Dichte mal Geschwindigkeit mal Länge geteilt durch Viskosität,sie ist dimensionslos. Wenn eine laminare Strömung die Reynolds-Zahl erreicht hat, gilt das Hagen-Poiseuille-Gesetz nicht mehr.
• 026 Für den Gasfluss durch Rotametereinrichtungen mit variabler Öffnung gilt: a) Der Fluss in dieser Röhre ist meist turbulent b) Es entsteht für jeden gegebenen Fluss ein Gleichgewicht zwischen aufwärtstreibender Kraft und dem Gewicht des Schwimmers c) Je geringer der Fluss, desto größer wird die Abhängigkeit der Kalibrierung von der Dichte des durchströmenden Gases d) Mit Erhöhung des Gasflusses nimmt die Abhängigkeit der Kalibrierung von der Viskosität des Gases zu e) Ein Rotameter, das für Cyclopropan kalibriert ist, zeigt für die Messung des Gasflusses von CO2 bei einem Flussbereich von 1000 ml/min einen Fehler von rund 18% und bei einem Flussbereich von 100 ml/ min einen Fehler von 100% an (Cyclopropan hat die gleiche Dichte, aber nur 60% der Viskosität von CO2). a) Richtig. Der Fluss in einer Röhre mit variablem Querschnitt, wie er inRotameterblöcken zu finden ist, ist meist turbulent. Diese Geometriebedingt ein viel schnelleres Erreichen des Übergangspunktes zur turbulentenStrömung.b) Richtig. Dies ist die Grundlage der Kalibrierung der Rotameterblöcke.c) Falsch. Je niedriger der Gasfluss ist, desto größer ist die Abhängigkeitvon der Viskosität. Der Gasfluss ist aber auch von der Dichte abhängig.d) Falsch. Je höher der Gasfluss ist, desto größer ist die Abhängigkeit vonder Dichte.e) Richtig. Dies ist die Veranschaulichung des oben Gesagten. Da beiniedrigem Flussbereich die Viskosität eine große Rolle spielt und diein diesem Beispiel genannten Gase eine unterschiedliche Viskositätaufweisen, zeigt der Rotameter anstelle von 100 ml/min 200 ml/min an, da ein deutlicher Viskositätsunterschied zwischen den Gasenbesteht. Im hohen Flussbereich kommt hingegen mehr die Abhängigkeitvon der Dichte zum Tragen (gleiche Dichte der Gase), sodassdas Rotameter einen geringeren Messfehler anzeigt, nämlich anstatt1000 ml/min »nur« 1180 ml/min.
• 027 Hinsichtlich der Oberflächenspannung gilt: a) Der pulmonale Surfactant-Faktor vermindert die Oberlächenspannung der Alveole b) Mit der Abnahme des Alveolenradius sinkt die Oberflächenspannung c) Die Oberflächenspannung bedingt einen intraalveolären Druck d) Die Oberflächenspannung ist für rund ⅔ der elastischen Rückstellkräfte der Lunge verantwortlich e) Je kleiner der Alveolenradius wird, desto stärker wirkt der Surfactant a) Richtig. Der Surfactant vermindert die Oberflächenspannung derAlveole (alveolären Flüssigkeit) um den Faktor 10.b) Falsch. Mit der Abnahme des Alveolenradius steigt die Oberflächenspannung.Nach dem Gesetz von Laplace ist die Oberflächenspannungumgekehrt proportional zum Radius.c) Richtig. Das Gesetz von Laplace beschreibt den Druck in einer Flüssigkeitsblasep = 2 σs/r, wobei σs die Oberflächenspannung bedeutet.d) Richtig. Rund ⅓ der elastischen Rückstellkräfte ist den elastischenFasern zuzuschreiben. Der intrapleurale Druck, der notwendig ist, umden Lungenkollaps zu verhindern, beträgt –4 mmHg. Bei einem Fehlendes Surfactant ist hierzu ein intrapleuraler Druck von –30 mmHgnotwendig.e) Richtig. Durch Verkleinerung des Alveolenradius wird die Oberflächenspannunggrößer. Je mehr sich die Alveole verkleinert, umsomehr wird der Surfactant konzentriert. Der Surfactant vermindert dieOberlächenspannung also umso mehr, je kleiner der Alveolenradiuswird, und stabilisiert so die Alveole.
• 028 Hinsichtlich des Dampfdrucks gilt: a) Der Dampfdruck einer Flüssigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu b) Der gesättigte Dampfdruck ist unabhängig vom Umgebungsdruck c) Der Siedepunkt ist unabhängig vom Umgebungsdruck d) Liegt der Umgebungsdruck höher als der gesättigte Dampfdruck, liegt eine Flüssigkeit vor e) Liegt der Umgebungsdruck niedriger als der gesättigte Dampfdruck, liegt ein Gas vor a) Richtig. Eine Flüssigkeit, die in einem geschlossenen Behälter aufbewahrtwird, übt einen Dampfdruck auf den Deckel aus, indem Flüssigkeitsmoleküleständig aus der Flüssigkeit austreten und in den gasförmigenZustand wechseln und umgekehrt. Im Gleichgewicht dieserPhasenübergänge spricht man vom gesättigten Dampfdruck. Dieserist temperaturabhängig. Mit steigender Temperatur steigt auch derDampfdruck.b) Richtig. Der gesättigte Dampfdruck ist eine spezifische Eigenschaftder jeweiligen Substanz und damit eine Materialeigenschaft. Er istvom Umgebungsdruck unabhängig und damit eine charakteristischeGröße.c) Falsch. Der Siedepunkt ist die Temperatur, bei der der Phasenübergangvon flüssig nach gasförmig stattfindet. Dieser ist vom Umgebungsdruckabhängig. Am Siedepunkt ist der Dampfdruck gleich demUmgebungsdruck.d) Richtig. Solange der Umgebungsdruck höher liegt als der Dampfdruck,liegt eine Flüssigkeit vor.e) Richtig. Ist der Umgebungsdruck niedriger als der Dampfdruck einerFlüssigkeit, liegt ein Gas vor.
• 029 Für die Pulsoximetrie gilt: a) Sie arbeitet mit 2 Wellenlängen zur Absorptionsmessung von Hämoglobin, nämlich mit 660 nm und mit 940 nm b) Am isobestischen Punkt haben reduziertes und oxigeniertes Hämoglobin die gleichen Extinktionskoeffizienten c) Bei Anwesenheit von CO-Hämoglobin werden falsch-hohe Werte gemessen d) Met-Hämoglobin hat keinen Einfluss auf die Messung e) Bei i. v.-Gabe von Methylenblau kann die SaO2 kurzfristig auf <85% abfallen a) Richtig. Rotes und infrarotes Licht werden bei der Pulsoximetrie zurBestimmung der O2-Sättigung angewandt. Dadurch lässt sich dasVerhältnis von oxigeniertem zu totalem Hämoglobin aufgrund unterschiedlicherAbsorptionsmaxima von oxigeniertem und desoxigeniertemHämoglobin ermitteln. Ein technischer Trick ermöglicht dieBestimmung der O2-Sättigung des arteriellen Blutes: Die pulsationsbedingteAbsorptions- und Reflexionsänderung wird herausgefiltertund in Beziehung mit der Hintergrundreflexion gesetzt. Daher derName Pulsoximetrie. Ansonsten wäre der ermittelte Wert ein Mittelaus venöser, kapillärer und arterieller Blut-O2-Sättigung.b) Richtig. Der isobestische Punkt ist die Wellenlänge, an der 2 Substanzenden gleichen Extinktionskoeffizienten haben. Dies ist für oxigeniertesund nichtoxigeniertes Hämoglobin bei 805 nm gegeben. Andiesem isobestischen Punkt kann man mit nur einer Wellenlänge dieSumme der Absorption beider Substanzen erfassen. Theoretisch mussman eine charakteristische Wellenlänge für jede zu analysierende Substanzeinsetzen, wie dies auch zur Quantifizierung der anderen Hb-Komponenten angewandt wird.c) Richtig. CO-Hämoglobin wird wie O2-Hämoglobin gemessen. EineVergiftung mit CO ist demnach mit der Pulsoximetrie nicht zu erfassen.d) Falsch. Mit Zunahme der Met-Hämoglobinbildung fällt die mittelsPulsoximetrie gemessene SaO2.e) Richtig. Verschiedene parenteral applizierbare Farbstoffe könnendie Sättigungsmessung stören, obwohl keine wirkliche Änderung derO2-Sättigung stattgefunden hat. Bekanntestes Beispiel ist das Methylen-Blau, das wie auch Indozyanin-Grün und weniger Indigo-Carminzu einem falschen Abfall der mittels Pulsoximetrie gemessenen SaO2führt.
• 030 Für Gase gelten folgende physikalischen Beziehungen: a) Wird ein Gas mit einem Druck p1, der doppelt so hoch ist wie der Ausgangsdruck p0, komprimiert, halbiert sich das Volumen des Gases b) Nimmt die Temperatur eines Gases um den Faktor 2 zu, vergrößert sich das Volumen um den Faktor 3 c) Nimmt die Temperatur eines Gases um den Faktor 4 zu, verdoppelt sich der Druck d) Bei einem Apnoetaucher wird das totale Lungenvolumen (V0), gemessen auf Meereshöhe, in einer Meerestiefe (V1) von 20 m auf die Hälfte reduziert, d. h. V1 = V0/2 e) Der relative prozentuale Gasanteil eines Gasgemisches ändert sich nicht in Abhängigkeit vom Umgebungsdruck a) Richtig. Es besteht eine direkt proportionale Beziehung zwischen demDruck eines Gases und dem Volumen. Dies ist das Gesetz nach Boyle-Mariotte und besagt, dass bei gleicher Temperatur das Produkt ausDruck und Volumen konstant ist: p×V = konstant.b) Falsch. Auch hier besteht eine direkt proportionale Beziehung, d. h.je größer die Temperatur eines Gases, desto größer wird das Volumenbei konstantem Druck. Dies ist das Gesetz von Guy-Lussac: V/T =konstant.c) Falsch. Nimmt die Temperatur eines Gases um einen Faktor zu, sovergrößert sich der Druck um den gleichen Faktor. Diese 3 Gesetzesind im universalen Gasgesetz verknüpft: V×P = M×R×T. Hierbeibedeuten M die Gasmenge in mol und R die allgemeine Gaskonstante.d) Falsch. Der Umgebungsdruck nimmt pro 10 m Wassertiefe um 1 barzu, d. h. in 20 m Wassertiefe ist der Druck doppelt so hoch wie in 10 mWassertiefe, in 30 m Wassertiefe 3-mal so hoch usw. Der Absolutdruckbeträgt aber in 20 m Wassertiefe nicht 2 bar, sondern 3 bar und zwarbedingt durch den Wasserdruck 2 bar plus 1 bar bedingt durch denLuftdruck an der Wasseroberfläche. Richtig wäre demnach die FormelV1 = V0/3, für 30 m V1 = V0/4 usw. Ein Apnoetaucher in 90 m Wassertiefehat also rechnerisch nur noch 1/10 seines Lungenvolumens!e) Richtig. Das Gesetz nach Dalton besagt, dass die Summe der prozentualenGasanteile bei sich ändernden Umgebungsdrücken gleichbleibt. Dies bedeutet, dass Sauerstoff 21% des Volumenanteils der Luftausmacht, sowohl in Meereshöhe als auch auf dem Mount Everest/Großglockner. Dies bedeutet aber auch, dass bei fallendem Umgebungsdruckdie einzelnen Partialdrücke prozentual abnehmen. DieSumme der Partialdrücke ist gleich dem Umgebungsdruck.
• 031 Für die hyperbare Sauerstofftherapie (HBOT) gilt: a) Sie beruht auf dem Prinzip der Erhöhung des O2-Angebots b) Die häufigsten Nebenwirkungen betreffen Barotraumen c) Sie ist indiziert für die akute Dekompressionskrankheit des Tauchers d) Sie ist indiziert für die Therapie der Kohlenmonoxidvergiftung e) Sie kann die O2-Versorgung des Organismus selbst bei Hb-Werten unter 1 mg/dl aufrechterhalten a) Richtig. Das O2-Angebot wird durch eine Erhöhung der physikalischenLösung des Sauerstoffs im Blut erhöht. Hierbei gilt das Gesetznach Henry, nachdem die gelöste Gasmenge in einer Flüssigkeit mitdem Gasdruck des ungelösten Gases in einer direkt proportionalenBeziehung steht. Für die physikalische Lösung von Blut bei 37 °C und760 mmHg Umgebungsdruck wird pro mmHg pO2 0,024 ml Sauerstoffin 1 ml Blut gelöst.b) Richtig. Durch den Druckwechsel von 1 bar nach 2–6 bar wird dieLuft in allen Hohlräumen komprimiert. Steht die Luft dabei nicht inKontakt zur Umgebung, kann es zu Zerreißungen der entsprechendenMembranen kommen. Typisches Beispiel ist der Trommelfellriss beigestörter Funktion der Tuba Eustachii. Es kann aber auch zu Barotraumender Nasennebenhöhlen oder der Lunge kommen.c) Richtig. Bei der sog. Caisson-Krankheit werden aufgrund eineszu schnellen Druckverlustes (zu schnelles Aufsteigen aus der Tiefe)Stickstoffblasen im Blut gebildet, die eine Stickstoffembolie bedingen.Durch Rekompression wird der Blasendurchmesser verkleinert unddurch die Zufuhr von hyperbarem Sauerstoff der Stickstoff zusätzlichausgewaschen.d) Richtig. Die Halbwertszeit für CO-Hb hängt entscheidend von demPartialdruck des Sauerstoffs ab. Unter Raumluft hat CO-Hb eine Halbwertszeitvon 320 min, unter 100% Sauerstoff bei normobaren Bedingungeneine Halbwertszeit von 80 min und unter 3 bar unter 100%Sauerstoff eine Halbwertszeit von 23 min. Die HBOT eliminiert alsoschneller das CO-Hb.e) Richtig. Unter Ruhebedingungen beträgt der O2-Verbrauch einesMenschen rund 250 ml/min. Eine einfache Rechnung zeigt, dass unterHBOT allein der physikalisch gelöste Sauerstoff diesen Verbrauch29decken kann und damit theoretisch kein Hämoglobin vorhanden seinmuss. Bei einem Umgebungsdruck von 2,5 bar (in einer Wassertiefevon 15 m) entspricht der O2-Partialdruck 1900 mmHg bei Atmung vonreinem Sauerstoff. Im Blut entsteht unter idealen Bedingungen nachder Alveolargasgleichung dabei ein pO2 von 1813 mmHg (abzüglichWasserdampf- und Kohlendioxidpartialdruck). Die Menge des physikalischgelösten Sauerstoffs pro ml Blut ergibt sich nach der Formel0,024/760×pO2 = 0,057 ml Sauerstoff pro ml Blut. Dies entspricht beieinem HZV von 5 l/min einem O2-Angebot von 285 ml/min und istsomit ausreichend, den Bedarf an Sauerstoff unter Ruhebedingungenzu decken.

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