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Int. Z. angew. Physiol. einschl. Arbeitsphysiol. 25, 46--59 (1968)
Die arteriellen Blutgase bei Verminderung der Sauerstoffkonzentration
in der Inspirationsluft w~rend kSrperlicher Arbeit
E. DOLL, J. Kv, vL, A. BRECHTEL und H. l~EINDELL*
Medizinische Universit~tsklinik Freiburg im Breisgau
Eingegangen am 10. Oktober 1967
I m Hinb l i ck auf die 01ympischen Sommerspie le 1968, die im 2250 m hoeh gelegenen Mexico Ci ty ausge t ragen werden, is t die F rage nach der Beeinflussung der a r te r ie l len Blu tgase durch eine Verminderung der Sauers~offkonzentra t ion in der Insp i r a t ions lu f t e rneut ak tue l l geworden. Dies gi l t insbesondere ffir Ver~nderungen wiihrend schwerer kSrper l icher Arbei t , wie sie be im Hoehle i s tungsspor t gegeben ist , da sport l iche Aus- dauer -Sp i tzen le i s tungen von e inem op t ima len Sauers tof fangebot des Blu- tes abh~ngig sind.
Untersuchungsgut and Untersuchungsgang Untersucht wurden 28 Normalpersonen im Alter yon 20--30 Jahren. Die ergo-
metrische Belastungspriifung wurde, w~hrend der Proband zun~chst Zimmerluft atmete, ira Liegen mit dem Fahrradergometer der Firma Elema-Schoenander, Stock- holm, durchgeffihrt. Mit 100 W beginnend, wurde bis zur jeweiligen Leistungsgrenze belastet. Jede Belastungsstufe wurde 6 min lang eingehalten und die steady state- Bedingungen nach M~LLEROWICZ [14] festgelegt.
Die Blutentnahme erfolgte durcheine Coumand-Verweilkanfile (Lokalanaesthesie mit 2~ I~ovocainl5sung) mittels einer heparinisierten und mit Paraffin ab- gedichteten Ganzglasspritze aus der A. brachialis zuni~chst in Ruhe, dann in der 6. rain der Leistungsstufen 100 und 200 W sowie in der 3. und 30. min nach Arbeits- ende.
Bei 20 Probanden (Gruppe A) wurde derselbe Untersuchungsgang w~hrend Atmung eines 15,9 Vol~ Sauerstoff in Stickstoff enthaltenden Hypoxiegemisches durchgeffihrt, yon weiteren 8 Probanden (Gruppe B) wurde ein Hypoxiegemisch geatmet, welches 12,7 Vol~ Sauerstoff in Stickstoff enthielt. Dabei entsprach der Sauerstoffgehalt des ersten Gases einer I-IShe von 2500 m (Mexico City 2250 m ft. M.), der des zweiten einer I-I5he yon 4250 mii . M.
Das Inspirationsgas war mittels ~ehrfach-Scholander-Analysen auf 0,03 Vol~ O 2 genau analysiert worden. Aus Druckflaschen wurde es nach Anfeuchtung in einen Douglassack geleitet, aus welchem die Versuchsperson fiber ein Ventilmundstiick atmete. Die Exspirationsluft wurde nicht gesammelt. An dieses System waren die Versuchspersonen bereits 30 rain vor Entnahme des Ruheblutes angeschlossen.
* Mit Unterstfitzung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Arterie]le Blutgase bei Verminderung dor S~uerstoffkonzentr~ion 47
Methoden
Der arterielle Sauerstoffdruck im unaerob entnommenen Blur wurde mit der Mikroplatinelektrode yon GLEIC~A~Z~ u. L(i~B~RS [8] sofort nach der Blut- entnahme gemessen.
Auch die Bestimmung des arteriellen CO~-Druckes erfolgte sofort nach der Blut- entn~hme mit der Mikro-Pco~-Elektrode yon GLEIOttZVIA~r U. L~BBERS [9]. Vei'- wendet wurde die MeBanordnung der Firmu L. Esehweiler, Kiel.
Die Messung des pI-I-Wertes im arterie]len Vollblut erfolgte mit der Capillar- glaselektrode der Radiometermikroausriistung AME 1.
Die arterielle Sauerstoffs~ttigung wurde mit ttilfe der Standard-0.rDissozia~ions- kurve aus PO2~ unter Berficksich~igung des aktuellen pH-Wertes gewormen; die Umreehnung des aktue]len 02-Druckes auf pH 7,4 erfolgte naeh DIL~ u. Mitarb. [3].
Statistik
Berechnet wurden die Mittelwerte (2) und die Standardabweichungen (S). Der Vergleich zweier Mittelwerte und der Wert fiir die Signifikanzw~hrscheinlichkeit (p) ihres Unterschiedes erfolgte n~ch dem t-Test.
Ergebnisse
1. Arterieller Sauerstoffdruck ( Po~) Wghrend Atmung von Zimmerlus verhielten sich Gruppe A und
Gruppe B insofern nicht ganz gleich, als bei den Personen der Gruppe A der ar~erielle Sauerstoffdruek, ausgehend yon einem mit~leren l~uhewert yon 89,9 Torr, auf 86,4 Torr bei 100 W und auf 85,9 Torr bei 200 W absank, w/thrend bei den Probanden der Gruppe B, ausgehend yon einem Ruhem~ttclwert yon 87,0 Torr, ein geringer Anstieg fiber 88,9 Torr bei 100 W auf 89,3 Torr bei 200 W erfolg~e. Diese geringen Ver/~nderungen waren jedoeh nieht signifikant. 3 rain naeh Bel~stung stieg der ~rterielle Sauerstoffdruek in jedem Fall steil an, nach 30 rain waren die Ausgangs- werte wieder erreieht (Abb. 1 u. 2, T~belle).
W~hrend Atmung des 15,9 Vol% O~ enthaltenden Hypoxiegemisches fiel der ar~erielle Sauerstoffdruck w~hrend Belas~ung yon einem mittleren Ruhewert yon 69,6 auf 61,2 Torr bei 100 W und auf 58,7 Torr bei 200 W signifikant ab. 3 rain nach Belastung bestand gegenfiber dem Ruhewert eine deutliehe Erh5hung des arteriellen Sauerstoffdruckes, nach 30 rain war der Ruhewert wieder erreicht (Abb. 1, Tabelle).
Ws Inspiration eines Hypoxiegemisches yon 12,7 Vol% O 2 be- trug der mittlere Ruhewert des arteriellen Sauerstoffdruckes nut noch 47,1 Torr. W~hrend Belastung mit 100 W erfolgte ein Abfall auf 40,7 Torr, und am Ende der 200 W-Belastung ergab sich ein Mittelwer~ yon 43,0 Torr. Ein signifikanter Anstieg des arteriellen Sauerstoffdruekes 3 min naeh beendeter Belastung wurde aueh unter diesen Bedingungen beob- achtet. In der 30. rain nach Bel~stung war der Ausgangswer~ jedoch wie- der erreieht (Abb. 2, Tabelle).
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Arterielle Blutgase bei Verminderung der Sauerstoffkonzentration 49
2. Arterielle Sauersto#sSttigung (So~) Ws Inspiration yon Umgebungsluft betrug bei beiden Unter-
suehungsgruppen der mittlere Ruhewert 96,2%; ws Belastung
PO2a (Torr) 110 -~--
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Ruhe Betastung Erholung (=~) Abb. 1. Gruppe A. Sauerstoffdruck (Po,), Sauerstoffs~ttigung (So~), pH und Kohlen- s~iuredruck (Pco~) im artcriellen Blu~ w~hrend Atmung yon Norm~lluft und eines
15,9 Vol% 03 in N 2 enthaltenden Hypoxiegemisches
wurde ein geringer Riickgang der arteriellen Sauerstoffs&ttigung auf 95,5% bzw. 95,8% bei 100 W und 94,5% bzw. 94,7% bei 200 W beob- aehtet. I m Gegensabz zum arteriellen Sauerstoffdruek land sieh in der 3. rain nach Belastung kein fiber den Ruhemittelwert hinausgehender Anstieg der arteriellen Sauerstoffs&ttigung (Abb. 1 u. 2, Tabelle).
Die Inspirat ion des 15,9 Vol% 02 en~.haltenden Hypoxiegemisches senk~e den mittleren Ruhewert auf 92,8%; w&hrend einer Belas~ung mit 100 W land sich ein Rfickgang der arteriellen Sauerstoffs&ttigung auf 89,7%, bei 200 W auf 84,8%. 3 rain nach Belastung war der Ruheaus- gangswert mit 92,6% wieder erreicht, er wurde jedoeh nieh~ fibersehrit- ten (Abb. 1, Tabelle).
Int. Z. angew. Physiol., Bd. ~5
50 E. DOLL, J. KEu% A. BRECHTEL und H. I~EINDELL:
Bei Atmung des tieferen t{ypoxiegemisches (12,7 Vol% 02) fand sich, ausgehend yon einem mittleren Ruhewert yon 80,7%, w&hrend eiaer Be- lastung mit 100 W eine Reduktion der arteriellen Sauerstoffsittigung auf
PO2a 11o T (Torr) I00 "-~
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7250 1 7200--u-
PCO2a /.J.
(Torr) 40&23836I
34
a r t e r i e t [ -- Norma[tuft (20,9 %) - --o-- -Hypoxie (12,? %)
~=,==-=,--~ @
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I 1'2 Ruhe Betastung Erhotung (~nl
Abb. 2. Gruppe B: S~uerstoffdruck (Po~), S~uerstoffsittigung (SO=), pH und Kohlen- siuredruck (Pco=) im arteriellen B]ut w~hrend Atmung yon Normalluft und eines
12,7 Vol~ 02 in N2 enthaltenden ttypoxiegemisches
76,0%, bei 200 W auf 73,0%. Im Gegensatz zum arteriellen Sauerstoff- druck war also in diesem Fall bei weiterer Belastung ein weiterer Abfall der Sauerstoffs&ttigung eingetreten (Abb. 2, Tabelle).
Arterielle Blutgase bei Verminderung der Sauerstoffkonzentration 51
3. ArterieUer Kohlens~iuredruclc ( Pco2a) W~hrend Atmung yon Zimmerluft betrug der mittlere Ruhewert der
Gruppe A 38,1 Tort, der Gruppe B 39,7 Torr. Ws Belastung erfolgte kein signifikanter Abfall des CO2-Druckes, erst 3 min nach Belastung land sich ein R/iekgang auf 34,2 Torr bzw. 34,7 Torr (Abb. 1 u. 2, Tabelle).
W~hrend Atmung eines 15,9 Vol~oigen Hypoxiegemisehes betr/~gt der Ruhewert im Mittel 37,1 Torr; 3 rain und 30 rain nach Belastung lag der Mittelwert mit 33,6 Torr bzw. 34,6 Torr verh~ltnismiil~ig tief. Die Unter- suehung wi~hrend Inhalation eines 12,7%igen Hypoxiegemisches ergab gegenfiber den bei denselben Versuehspersonen wiihrend Luftatmung ge- wonnenen Ergebnissen keine signifikanten Untersehiede (Abb. 1 u. 2, Tabelle).
4. Arterielles pH Wi~hrend Luftatmung und K6rperruhe betr/~gt der pH-Mittelwert
7,429. Naeh sechsminiitiger Belastung mit 100 W erfo]gte ein geringer l~fiekgang auf 7,391 in Gruppe A und auf 7,396 in Gruppe B; am Ende der Belastung mit 200 W betrugen die entsprechenden Mi~telwerte 7,319 bzw. 7,336. Die tiefsten Werte wurden mit 7,292 bzw. 7,306 3 rain nach Ende der Belastung gefunden. 30 rain naeh Belastung war der Ausgangs- weft mit 7,417 bzw. 7,418 anniihernd wieder erreieht (Abb. 1 u. 2, Tabelle).
Unter Hypoxiebedingungen trat w/~hrend Belastung ein etwas st~rke- rer Abfall des arteriellen pH-Wertes ein, wobei die tiefsten Werte 3 min naeh Be]astung gemessen wurden. So fiel pHa w~hrend Atmung des 15,9 Vol% O~ enthaltenden Hypoxiegemisches yon einem mittleren Ruhe- weft yon 7,439 fiber 7,409 in der 6. min der 100 W-Belastung auf 7,308 am Ende der Belastung mit 200 W ab, um in der 3. min nach Belastung 7,274 zu erreichen. Die entsprechenden Werte w~hrend Inspiration des 12,7 Vo]% 03 enthaltenden tIypoxiegemisches betrugen 7,440 in Ruhe, 7,414 bei 100 W, 7,313 bei 200 W und 7,248 3 rain nach Belastungsende (Abb. 1 u. 2, Tabelle).
Diskussion
Die ausreiehende Versorgung der Organe mit Sauerstoff, und insbeson- dere des schwer arbeitenden Skeletmuskels, ist ~bhi~ngig yon deren Durch- blu~ung und Capillarisierung, yore Hb-Gehalt des Blutes, yon den Dff- fusionsverh/~ltnissen und insbesondere yore S~ttigungsgrad des arteriellen Blutes. Von S~AINSBY [19] wurde im Tierversueh gezeigt, dal~ ein arte- rieller Sauerstoffdruck yon weniger ~]s 40 Torr ffir die O2-Versorgung des arbeitenden Skeletmuskels kritisch wird, da~ also neben aeroben auch anaerobe Stoffweehselvorg/~nge fiir die Energiegewinnung herangezogen werden. In diesem Fall besteht bei einem pH-Wert yon 7,4 eine arterielle Sauerstoffsiittigung des Blutes yon 74,5%; bei einem Hb-Gehalt yon 16,0 g% und einer O~-Kapazit~t yon 21,4 Vol% w~re die 02-Transport-
4*
52 E. DOLL, J. KEUL, A. BI%EOttTEL ulld H. REINDELL:
kapazit~t des arteriellen Blutes gegenfiber Normalbedingungen um 5,46 ml 02 pro 100 ml Blur reduziert.
Schon frfihere Untersuchungen [2, 5, 15, 20, 21] zeigten, d~B selbst bei sehwerer kSrperlicher Arbeit in Meeresh5he bzw. in niedriger I-IShe der arterielle Sauerstoffdruek nicht signifikant abfgllt, wie dies such in vorliegenden Untersnehungen erneut gefunden wurde. Dagegen ergibt sieh aus Sauerstoffdruek und gleichzeitig gemessenem pH mit Hilfe der 02-Dissoziationskurve ein geringer Abfall der ~rteriellen Sauerstoffs~tti- gung w~hrend sehwerer Belastung um 0,6 S~ttigungsprozente, womit die Untersuchungen von DOLL u. Mitarb. [4], die durch Messungen naeh VAN SLYKE unter denselben Bedingungen gewonnen worden waren, be- st~tigt werden. Dieser Riiekg~ng der arteriellen Sanerstoffs~ttigung w~h- rend Belastung ist w~hrend Luftatmung in niedrigen HShen Folge eines belastungsbedingten pH-Abfalles, durch den die O~-Dissoziationskurve naeh reehts verschoben wh'd. Ffir die 0~-Versorgung der arbeitenden Muskulatur ist die geringe Sgttigungsabnahme nicht yon Bedeutung, da w~hrend Belastung durch eine kontinuierliche ErhShung des Hb-Gehalts eine Zunahme der 02-K~pazit~t ~uftritt, die naeh Untersuchungen yon DOLL U. Mitarb. [4] bei maximsler Belastung 2,55 =h 1,1 Vol% ausm~cht.
Im Gegensatz zu dem in niedrigen HShen beobaehteten Verhalten des arteriellen Sauerstoffdruckes f~llt dieser unter den Bedingungen des rela- tiven steady state [14] schon w~hrend einer Belastung mit 100 W, und noeh deutlieher mit 200 W ab, wenn ein tlypoxiegemisch geatmet wird, dessen Sauerstoffdruek etwa demjenigen einer HShe yon 2500 m ent- spricht. Entsprechende Ergebnisse wurden auch yon SCEE~]~El~ [17] ffir eine HShe yon 2750 m ft. M. mitgeteilt. Von DOLL u. Mit~rb. [7] direkt in Mexico City (2250 m ft. M.) durehgeffihrte Untersuchungen bei Hoch- leistungssportlern, allerdings unter vita maxima-Bedingungen, ergaben, wie Abb. 3 zeigt, d ~ bei Arbeit bis zur ErschSpfung sehon in dieser HShe ein noch tieferer arterieller 02-Druckabf&ll naehweisb&r ist. Bei weiterer Reduktion des 02-Gehalts in der Inspirationsluft (12,7 Vol% 0~ ~-- 4250 m ft. M.) fielder arterielle S~uerstoffdruek bei welter reduzier- tern Ruheausgangswert noch welter ab. Dabei wurde w~hrend Belastung der naeh STAn~S~Y [19] 40 Torr betragende kritisehe arterielle Sauerstoff- druck yon allen Probanden entweder ~nns erreieht oder unter- sehritten. Auch die unter diesen Bedingungen gemessenen metabolischen Ver~nderungen lassen den Sehlul~ zu, dal~ die O~-Versorgung des Muskel- gewebes nicht mehr ausreichend gew~hr]eistet ist [13].
Durch die Verminderung des O~-Gehalts der Inspirationsluft wird be- felts unter Ruhebedingungen die arterielle Sauerstoffs~ttigung und d~mit die O~-Transportk&pazit~t des Blutes yon der ~rteriellen Seite her redu- ziert. Ffir eine HShe yon 2500 m errechnet sich bei einem hochangesetzten Hb-Gehalt des Blntes yon 16 g% und einer gemessenen S~uerstoffsgtti~
Arterielle Blutgase bei Verminderung der S~uerstoffkonzentration 53
gung yon 92,8% eine l~eduktion des Ssuerstoffgehalts des arteriellen Blutes um 0,6--0,8 Vol%, fiir die HShe entsprechend einem Sauerstoff- geh~lt der Inspirationsluft yon 12,7 Vol% (4250 m) und einer ar~eriellen Sauerstoffss yon 80,7% sog~r eine Reduktion um 3,3 Vol%. Bei
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~ l , , , , l ~ , , , I , , , , I . . . . I , , , , , , , I , , , , l 15.9. 20.9. 25.9. 30.9. 5.10. 10.10. 15.10. 20.10.1966
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60 i maxima[e Belastung
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15.9. 20.9. 25.9. 30.9. 5.10. 10.10. I5.10. 20.10.1966 !
Freiburg Mexico City - - 1
Abb. 3. Ssuerstoffs~ttigung (Sot) und Ssuerstoffdruck (Po~) im arterie]len B]ut an verschiedenen Untersuchungstagen in Freiburg (260 m ft. M.) und in Mexico City (2250 m ii. M.) bei 14 deutschen Hochleistungssportlern [7]. Die Blutentnahmen erfolgten unter l~uhebedingungen, w~hrend bis zur ErschSpfung gesteigerter Be- lastung (Fahrrsdergometer, im Sitzen) und in der 3. min nach Belsstungsende. Die
Untersuchungsd~ten sind aus der AbbiIdung zu ersehen
einem mehr als 2 Wochen dauernden H6henaufenthalt wird diese Ver- minderung des Sauerstoffgehalts im arteriellen Blur durch eine Zunahme des gb-Geha.lts des Blutes teilweise ausgeglichen, ffir eine H6he yon 2250 m sogar fiberkompensiert [7].
W&hrend maximaler Belastung ist die Abnahme des arteriellen Sauer- stoffdruckes bzw. der Sauerstoffs&ttigung (Abb. 1 u. 2) jedoch mit einer Abnahme des Sauerstoffgehalts im arteriellen Blur verbunden, die in
54 E. DOLL, J. K~, A. BREOHTEL und H. REINDELL:
einer HShe yon 2500 m gegenfiber 260 m (Freiburg) etwa 2 Vol%, in einer ttShe yon 4250 m sogar 4,6 Vol% ausmacht. Dies bedeutet, dab w/~hrend maximaler Belastung mit einem angenommenen I-Ierzzeitvolu- men yon 30 1/min [16] in 2500 m HShe im arteriellen Blur etwa 600 ml 02/rain weniger transportiert werden kSnnen als z. B. in der ttShenlage yon Freiburg (260 m fi. M.). Da der sinnvollen 02-AusschSpfung des venSsen Blutes mit dem kritisehen venSsen Sauerstoffgehalt Grenzen gesetzt sind, kann ein fehlender Sauerstoffgehalt des arteriellen Blutes nieht endlos dutch eine vermehrte ven6se Sauerstoffentnahme ausgegli- ehen werden. Um so bedeutsamer ffir den 02-Transport ist die gegen des- sen Begrenzung gerichtete Zunahme des Hb-Gehalts und damit der 02- Kapazits ws kSrperlicher Belastung. Die hierans resulticrende Zu- nahme der O~-Kapazit~t des Blutes yon 2,55 =k 1,1 Vol% [4] ermSglieht, entsprechend der jeweils bestehenden Sauerstoffs~ttigung, in MeereshShe eine Zunahme des Sauerstoffgehalts im arteriellen Blur yon 2 Vol%, bei einer ttShe yon 2500 m eine Zunahme yon 1,7 Vol% und bei einer ttShe yon 4250 m eine Zunahme yon 1,5 Vol%. Dadureh wird die O~-Transport- kapazit~t des ar~eriellen Blutes w/~hrend Belastung betr/~ehtlieh ver- bessert.
Die Ursaehe des unter Itypoxiebedingungen ws Belastung auf- tretenden Abfalls des arteriellen Sauerstoffdruckes ist in erster Linie in einer Einschr/~nkung der O~-Diffusion zwisehen Alveolarluft und Lungen- capillarblut zu suehen, liierauf weist schon der Umstand hin, dub eine O~-Druckreduktion im arteriellen Blur eingetreten ist, obwohl der arte- rielle bzw. der alveol~re C02-Druck w~hrend Belastung abnahm und da- mit der alveols O~-Partialdruck zunahm. Die durch die Lunge diffun- dierende Sauerstoffmenge ist von der 02-Partialdruckdifferenz zwisehen Alveolarluft und ven5sem Lungeneapillarblut abh~ngig. Daher muB jede Reduktion der Alveolarspannung, wie sie mit Zunahme der HShe ffir alle Gaspartialdrueke der Luft, bei Atmung eines Hypoxiegemisches ffir den P&rtialdruck des Sauerstoffes allein gegeben ist, die 02-Diffusion fiber die Alveolar-Capillarmembran beeintr~ehtigen. Ww sT [23, 24] berechnete ffir die HShenlage yon Mexico City und bei einer O~-Kapazit~t des Blutes yon 20 Vol% (14,98% lib), dub bei einem Athleten mit einer maximalen 02-Diffusionskapazit~t yon 60 ml/min/mm lig bereits bei einer Arbeit entsprechend einer Sauerstoffaufnahme yon 3 l/rain allein durch die ein- geschrs O~-Diffusion in der Lunge eine Cyanose auftreten mfiBte; bei einer maximalen O~-Diffusionskapazits yon 80 ml/min/mm Hg (nor- maler Maximalwert) w~re dies bei einer Arbeit entsprechend 4 1 Sauer- stoffaufnahme der Full. Ffir grSBere H6hen gilt dies in vermehrtem Mal]e.
Vergleicht man Untersuehungsergebnisse yon WEST u. Mitarb. [23], VOGEL U. Mitarb. [22] sowie yon B A ~ c ~ O u. Mitarb. [1], die w~hrend Belastung in mittleren und grol]en liShen die arterielle Sauerstoffs~tti-
Arterielle Blutgase bei Verminderung der Sauerstoffkonzentration 55
gung mal3en, so zeigt sieh, dab die arterielle 8auerstoffsgttigung bei gleicher Belastung um so starker absinkt, je h6her der Untersuehungsort liege, und dab dieser Abfall bei gleichbleibender ItShe mit dem Ausmal3 der Belastung zunimmt. Dies wird dutch vorliegende Ergebnisse in Ver- bindtmg mit unseren in Mexico City bei Hoehleistungssportlern dureh- geffihrten Untersuehungen erneut best~tigt.
Nieht die gesamte Reduktion der arteriellen Sauerstoffs/~ttigung w/~h- rend Belastung ist yore Abfall des Sauerstoffdruekes abh/ingig. W/~hrend Atmung des 15,9%igen Hypoxiegemisehes fiel die arterielle Sauerstoff- s/tttigung um 8% ab, wovon 5,2% allein dutch den pI-I-Riiekgang ver- ursaeht waren. W/~hrend Inspiration des 12,7~ Sauerstoff enthaltenden Atemgemisehes waren w~hrend maximaler Belastung 6,50/0 des insgesamt beobaehteten Sgttigungsabfalls yon 7,7% dutch die pH-Abnahme be- ding%
Die pH-Werte zeigen bei der Einatmung eines 15,9%igen 02-Mangel- gemisehes gegenfiber der Einatmung yon Zimmerlufg, wobei Ver/~nde- rungen auf~reten, wie sie bereits friiher unter denselben Versuehsbedin- gungen besehrieben warden [6], keinen wesentliehen Untersehied. Das Laeta~, das im wesentliehen die Ver/~ndertmg des pI-I-Wer~es bestimmt [12], zeigt ebenfalls bei der Einatmung eines 15,9~/oigen Hypoxiegemi. sehes unter diesen gewihlten Bedingungen keine wesentliehen Unter- sehiede. Bei der Einatmung eines 12,7~ Hypoxiegemisehes finden sieh jedoeh im maximalen Arbeitsbereieh und vor allen Dingen naeh Be- lastung deutlieh niedrigere pH-Werte im arteriellen Blur. Entspreehend wurden aueh in diesem Arbeitsbereieh deutlieh hShere Laetatwerte ge- funden [13]. Die fehlende pI-I-Abnahme und der fehlende Laetatanstieg bei einer Einatmung eines 15,9% Sauerstoff enthaltenden Hypoxie- gemisehes - - entspreehend 2500 m/i . M. - - gegeniiber Luftatmung be- deutet jedoeh nieht, dag der erniedrigte Sauerstoffgehalt der Inspirations- luft nieht zu einer Reduzierung der k6rperliehen Leistungsfghigkeit ffihren kann. Unter vita maxima-Bedingungen konnten sowohl in der Unter- druekkammer als aueh in Mexico City selbst [7] - - wobei/ihnliehe 02- DruekverhNtnisse in der Lunge vorliegen - - deutlieh niedrigere pH-Wer~e sowohl im maximalen Arbeitsbereieh als aueh in der Erholungsphase und aueh deutlieh hShere Laetatwerte naehgewiesen werden (Abb. 4).
W~hrend zahlreiehe Untersuehungen des alveol~ren Kohlensgure- druekes in grN3eren H6hen durehgeffihrt worden sind, gibt es nut wenige Beriehte fiber direkte Messungen des arteriellen C02-Druekes unter tIypoxiebedingungen bzw. in gr6Beren I-I6hen bei Mensehen, die im Tief- land leben. SEV~rXOHA~S U. Mitarb. [18] beobaehteten bei vier M~nnern, die 1 Woehe in 3800 m H6he lebten, einen Mittelwert yon 29,2 Tort, und HogsToN u. R ~ u [ll] sahen im Unterdruekversueh bei einem einer tt6he yon 4500 m entspreehenden Druek 28,0 Torr.
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Eigene im Jahr 1966 in Mexico City (2250 m ii.M.) bei 28 Hoch. leistungssportlern mehrfach durchgeftihrte Untersuchungen [7] haben weder uater l%uhebedingungen noeh unter erschSpfender Belastung signi. fikante Unterschiede zwischen den Mel~daten erbracht, die in Freiburg
Pco2. (Tqrr) 50.
40
Ruhe
maximaLe Belastung
30 3' ErhoLung
15.9. 20.9. 25.9. 30.9. 5.10. 10.10. 15.10. 20.18,1966 pH
7,450- .e... - I ~ ' ' ' ' ' � 9 ~ Ruhe �9 ,
7,4oo
7,350
, maximaLe 7,300- = - Betastung
7,250 - m~......~ ~ _ ~ . . . . ~ 3 ~ Erh'otung
7,2oo -
~ 1 , , , , I . . . . I , , , l . . . . I , . . . . I , . ~ A ~ , , , I 15.9. 20.9. 25.9. 30.9. 5.10. 10.10. 15.10. 20.10.1966
tF re iburg l . M e x i c o C i t y - - 1
Abb. 4. Kohlens~uredruck (PCO~) und pH im arteriellen Blu~. Untersuchungen bei 14 deutschen Hochleistungssportlern. Siche Legende zu Abb. 3
(260 m ii.M.) unter Luftatmung, in Freiburg in der auf 2250 m gefahre- hen Unterdruckkammer und in Mexico City selbst gewonnen worden waren. Dabei betrug der mittlere Pco2a-Ruhewert in Freiburg 39,2 Torr, in dcr Unterdruckkammer 38,6 Torr, am Tag nach der Ankunft in Mexico City 40,4 Tort und nach zwciw5chiger Akklimatisation 39,2 Torr (Abb. 4). Auch in vorliegendcn Untersuchungen war PCO2a in Ruhe trotz Simu- lation einer H5he yon 2500 m uad 4250 m gegentiber Luftatmung nicht vermindert, was darauf hinweist, dal} keine Hyperventilation aufgetreten w&r.
Arterielle Blutgase bei Verminderung der Sauerstoffkonzentration 57
Zusammenfassung Bei 28 gesunden M/innern im Alter zwisehen 20 und 30 Jahren wurden
unter tIypoxiebedingungen w/ihrend k6rperlicher Belastung Sauerstoff- druek, Sauerstoffs~ttigung, ptI und Kohlens/iuredruck im arterie]len Blur untersucht.
Arterieller Sauerstoffdruck und arterielle Sauerstoffs~ttigung erreichen wghrend Belastung um so tiefere Werte, je mehr die Belastung und der I-Iypoxiegrad der Inspirationsluft zunehmen. Aueh Kompensations- mechanismen, wie Zunahme des tIb-Gehalts w/~hrend Belastung odor bei l~ngerem HShenaufenthalt, k6nnen mit zunehmender Hypoxie bzw. ItShe eine geduktion des Sauerstoffaufnahmeverm6gens dos arteriellen Blutes nicht vermeiden, die schon in einer HShe yon fiber 2000 meine dentliche Einschr/~nkung der k6rperlichen Leistungsf/ihigkeit mit sich bringt. In einer H6he yon 4250 m bzw. bei Einatmung eines 02-Mangelgemisches, das 12,7 Vol% Sauerstoff enth~lt, wird wghrend Belastung der Bereich des kritischen arteriellen Sauerstoffdruckes erreicht, d. h. die Sauerstoff- versorgnng des schwer arbeitenden Skeletmuskels wird unter diesen Be- dingungen kritisch.
Die Ursache des 02-Druckabfalles w~hrend Belastung ist unter Hypoxiebedingungen eine mangelhafte Sauerstoffdiffusion in der Lunge. Diese Reduktion des O2-Druckes ist nieht die alleinige Ursache der S/itti- gungsabnahme; hierf/ir spielt die belastungsbedingte ptI-Verminderung eine wesentliche Rolle.
Die ptI-Abnahme w/~hrend maximaler kSrperlicher Belastung war wghrend Luftatmung und w/~hrend Inspiration eines 15,9 %igen Hypoxie- gemisehes (2500 m /i. M.) gleich groB. Dagegen erfolgte bei maximaler Belastung eine st/irkere pH-Verminderung, wenn eiu Hypoxiegemisch yon 12,7% 02 in N 2 (4250 m ft. M.) geatmet wurde.
Summary 28 healthy man of age 20 to 30 were examined under hypoxal con-
ditions during physical work. Oxygen pressure, oxygen saturation, pH, and carbon dioxide pressure of the arterial blood were analysed.
The values for arterial oxygen pressure and arterial oxygen saturation decrease accordingly as the work load and degree of hypoxy of the air breathed are increased. Compensation mechanisms such as increased Hb-content during work or after lengthy periods at high altitude are unavoidably coupled with a reduction of the oxygen up-take of the arterial blood. At an altitude of 2000 m, this already results in a distinct limitation of physical capacity. At an altitude of 4250 m or in low-oxygen mixture of 12.7 %, the area of critical arterial oxygen pressure is reached;
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i.e. t he oxygen supp ly to the working muscles reaches the cr i t ical level under these condi t ions.
The decrease in oxygen pressure dur ing work under h y p o x a l condi t ions is caused b y insufficient oxygen diffusion in the lungs. The decrease in oxygen sa tu ra t i on is no t caused b y this a lone; here p H reduc t ion dur ing stress also p l ays an essent ia l role.
The p H decrease dur ing m a x i m a l phys ica l work was equa l ly g rea t in no rma l a i r and in a low-oxygen mix tu r e of 15.9~/o, cor responding to 2500 m above sea level. However , in a low-oxygen mix tu r e of 1 2 . 7 ~ corresponding to 4250 m above sea level, the p H level decreased more sha rp ly dur ing m a x i m a l work.
Literatur 1. BA~cg~Ro, N., F. SIME, D. F ~ o z A , J. CRVZ, R. GAMBOA, and E. ~L~TIco-
~ A : Pulmonary pressure, cardiac output, and arterial oxygen saturation during exercise at high altitudes and at sea level. Circulation 23, 249 (1966).
2. B~wrLS, H., R. B~R, H. P. KoEPe~rN, J. W ~ N r R u. I. WILT: Messung der alveol~r-arferiellen Sauerstoffdruckdifferenz mit verschiedenen Methoden am Menschen bei Ruhe und Arbeit. Pfliigers Arch. ges. Physiol. 261, 133 (1955).
3. D~LL, D. B., A. GRAYBIEL, A. HVaTXDO u. A. TAqvrS~: Z. Altersforsch. 2, 20 (1940).
4. DOLL, E., K. K6Nm u. H. R]~N])ELL: Das Verhalten der arteriellen Sauerstoff- spannung und anderer arterieller blutgasanalytischer Daten in Ruhe und w~hrend k6rperlicher Belastung. Pflfigers Arch. ges. Physiol. 271, 283 (1960).
5. - - K. KR6P]~LI~ U. H. I~Er~)ELL: ~ber die Sauerstoffdiffnsion in der Lunge des gesunden Menschen. Die O~-Diffusionskapazit~t und andere blutgas- analytische Daten. Z. ges. exp. Med. 187, 27 (1963).
6. - - g. K~VL, Cwa. I~A~WALD U. H. REI~D~LL: Das Verhalten yon Sauerstoff- druck, Kohlens~uredruck, pH, Standardbicarbonat und base excess im arteriellen Blur bei verschiedenen Belastungsformen. Int. Z. angew. Physiol. 22, 327 (1966).
7. - - - - A. B~Ee~T~L, R. LI~o~-LAso~ u. H. R~IND~LL: Der Einflufl kSrper- licher Arbeit auf die arteriellen B]utgase in Freiburg und !Ylexico City. Sportarzt un4 Sportmedizin, 317 (1967).
8. GLE~CmV~A~, U., u. D.W. LffBB~]aS: Die iKessung des Sauerstoffdruckes in Gasen und Fliissigkeiten mit der Pt-Elektrode unter besonderer Beriick- siehtigung der Messung im Blur. Pfliigers Arch. ges. Physiol. 271, 43 (1960).
9. - - - - Vergleiehende Untersuchungen des Kohlens~uredruckes mit der Mikro- ptt-Methode (AsT~v~) und der stabilisierten Ganzglas-Pco~-Elektrode in Normo- und ttyperthermie. Pflfigers Arch. ges. Physiol. 273, 190 (1961).
10. H O L ~ , A., and I-I. L ~ D ~ O L ~ : Oxygen and carbon dioxide tensions of arterial blood during heavy and exhaustive exercise. Acta physiol, scand. 44, 203 (1958).
11. HOVSTON, C. S., and R. L. RILEY: Respiratory and circulatory changes during acclimatization to high altitude. Amer. J. Physiol. 149, 565 (1947).
12. K~VL, J., D. K~PPL]~ u. E. DOLL: Beziehung zwischen Standardbikarbonat, pH-Wert trod Lactat- und Pyrnvatkonzentrationen im Blur w~hrend und nach kSrperlicher Arbeit. Dtsch. med. Wschr. 92, 66 (1967).
Arterielle ]3lutgase bei Verminderung der Sauerstoffkonzentration 59
13. - - E. DoLL u. H. EEIND:ELL: Der Einflul3 der Sauerstoffmangelatmung auf die arteriellen Substratspiegel bei kSrperlicher Arbeit. Int. Z. angew. Physiol. (ira Drnek).
14. 1VI:ELLEROWICZ, H. : Ergometrie. Grundri~ der medizinischen Leistungsmessung ffir Innere Medizin, Arbeitsmedizin, Sportmedizin, Versorgungsmedizin und Versieherungsmedizin. Mfinchen-]3erlin: Urban & Schwarzenberg 1962.
15. MITCH:ELL, J .H. , ]3. J. SPROV~E, and G.B. CHAPMAN: The physiological meaning of the maximal oxygen intake test. J. elin. Invest. 87, 538 (1958).
16. R:EIND:ELL, ~-I., H. KL:EPZIG, i . ST:EIM, H. t~OSKAMM U. E. SCHILDG:E: Herz- Kreislaufkrankheiten und Sport. Miinchen: Barth 1960.
17. SCH:E~RER, M. : Altersabhs des a]veolo-arteriellen P 0 ~.- Gradienten wi~h- rend Schwerarbeit in akut~r, leichter Hypoxie, entsprechend 2750 m fi. ~ . Schweiz. Z. Sportmed. 14, 61 (1966).
18. SEV:ERINGtt3LUS, J. W., R. A. MITCH:ELL, ]3. W. I:{~ICttARDSON, and M. M. SINGER: Respiratory control at high altitude suggesting active transport regulation of CSF pit. J. appl. Physiol. 18, 1155 (1963).
19. STAINS~Y, W.N.: Some critical oxygen tensions and their physiological significance. In: International symposium on the cardiovascular and res- piratory effects of hypoxia. ]3asel-New York: Karger 1966.
20. TH:Ews, G. : Die Grnndlagen der Sauerstoffversorgung der Gewebe, insbesondere des Myocards. ]3eitr. Silikose-Forsch. 6, 511 (1965).
21. ULCER, W.T., u. G. R:EICHEL: Untersuehungen fiber die Altersabhangigkeit der alveolaren und arteriellen Sauerstoff- nnd Kohlens~uredrucke. Klin. Wschr. 41, 1 (1963).
22. VOG:EL, J. H. K., W.F. WEAVER, R.L. Ros:E, S. G. ]3LOUNT jr., and R. F. G~OVER: Pulmonary hypertension on exertion in normal man living at 10500 feet (Leadsville, Colorado). ivied, thorac. 19, 461 (1962).
23. W:EST, J. ]3., ~ . ]3, GILL, S. LAHmI, J. S. MILLEDGE, L. G. ~. E. PUG]~, and M. P. W~a~D: Arterial oxygen saturation during exercise at high altitude. J. appl. Physiol. 17, 617 (1962).
24. - - Exercise limitations at increased altitudes. Schweiz. Z. Sportmed. 14, 149 (1966).
Dozent Dr. reed. E. DOLL Medizinische Universit~tsklinik 7800 Freiburg ttugstetter Stral]e 55
