Atmung und Atemmuskulatur


Fakten zur Atmung & Muskulatur

    • Die Exspiration (Ausatmung) geschieht normalerweise passiv. Erst bei hoher Belastung wird diese durch die Hilfsmuskulatur unterstützt
    • Die inspiratorische Muskulatur spielt eine vitale Rolle bei der Effizienz der Atmung, im Ruhezustand und unter Belastung
    • Die Stärke der Atemmuskulatur nimmt mit dem Alter ab (men 25+, women 35+). Personen mit guter Fitness nehmen dies jedoch erst mit ca. 45 Jahren wahr
    • Eine geschwächte inspiratorische Muskulatur geht meist einher mit Kurzatmigkeit, speziell bei älteren Personen
    • Im Ruhezustand benötigen wir nur ca. 8-12 Liter Luft pro Minute
    • Unter hoher körperlicher Belastung steigt der Verbrauch bis zu 150 Liter pro Minute an. Bei männlichen Elite Athleten bis zu 240 Liter pro Minute

Die inspiratorische Muskulatur und deren Beitrag zur Atmung

Das Zwerchfell (Hauptmuskel) und die Brustkorbmuskulatur (Hilfsmuskeln) agieren zusammen, ähnlich einem Blasebalg und pumpen Luft ein und aus der Lunge.  Beim Einatmen zieht sich die Muskulatur zusammen und vergrössert damit die Brusthöhle. Dies bewirkt einen Druckabfall und folglich fliesst Luft in die Lungen.

Das Ausatmen geschieht passiv, indem sich die inspiratorische Muskulatur entspannt und der Brustkorb sich wieder (analog einer gespannten Feder) zusammenzieht. Dies wiederum bewirkt einen Druckanstieg und Luft fliesst folglich aus den Lungen. Unter sportlicher Belastung wird die Ausatmung durch die Bauchmuskulatur unterstützt. Somit ist klar, dass die inspiratorische Muskulatur den grössten Anteil an Atemarbeit verrichtet. Regelmässig durchgeführte Literatur Recherchen des Herstellers im Bereich inspiratorischer Atemmuskelermüdung (inspiratory muscle fatigue) zeigten bin anhin keine Fälle von exspiratorischer Atemmuskelermüdung (exercise-induced expiratory muscle fatigue). Folglich besteht auch keine Notwendigkeit, etwas anderes als die inspiratorische Muskulatur zu trainieren. Im Ruhezustand benötigen wir ca. 12 Liter Luft pro Minute. Bei hoher körperlicher Belastung steigt das Minutenvolumen auf über 150 Liter an, bei Elite Athleten sogar bis auf 240 Liter.


    • The diaphragm and chest wall muscles act together like a bellows to pump air in and out of the chest. To breathe in these muscles contract to expand the chest cavity, causing a pressure drop into which the air flows.To breathe out, you simply relax these ‚inspiratory‘ muscles and the chest springs back forcing the air out of your lungs. During exercise the exhalation is assisted by contraction of the abdominal muscles. Thus, the inspiratory muscles undertake most of the work of breathing. In contrast to our frequent observations of inspiratory muscle fatigue, our research has never identified exercise-induced expiratory muscle fatigue. For this reason we’ve found it unnecessary to train anything other than the inspiratory muscles. At rest you breathe around 12 litres of air per minute, but during heavy exercise this can rise to over 150 litres per minute, and in elite athletes, this can be as high as 220 litres.

Training der Atemmuskulatur

Vorteile von nur inspiratorischen Muskel Training vs. in- und exspiratorischen Training

Zugegeben, es ist logisch anzunehmen, dass wenn inspiratorisches Muskeltraining nützlich ist, ein zusätzliches exspiratorisches Training noch einen additiven Effekt ergeben sollte. Leider konnte dies in Forschungsarbeiten nicht bestätigt werden. In einer wissenschaftlichen Studie mit Ruderer verglich man eine Gruppe mit nur inspiratorischen Training mit einer Gruppe mit nur exspiratorischen Training. Nach 4 Wochen trainierten beide Gruppen die Kombination mit in- und exspiratorischen Training.   (Griffiths & McConnell, 2007).

Die Forscher fanden bei nur exspiratorischen Training keinen leistungssteigernden Effekt. Bei der anschliessenden Kombination von inspiratorischen und exspiratorischen Muskeltraining beeinflusste das Training die Gruppe, die zuvor nur inspiratorisches Training absolvierte negativ.

In einer anderen Studie liess man Schwimmer 12 Wochen lang gleichzeitig ein inspiratorisch / exspiratorisches Training absolvieren. Diese Training zeigte im Vergleich zum normalen Schwimmtraining keinen positiven Effekt. (Wells et al., 2005).

Diese Studien zeigen, dass inspiratorisches Training deutlich besser wirkt und die Kombination aus inspiratorischen und exspiratorischen Training weniger effektiv ist. Deshalb muss man sich fragen, warum man  bewährte Methoden mit etwas Zusätzlichem gefährdet, was ineffektiv ist und gleichzeitig noch mehr kostet?

Fig. 1 Kräfte und Volumen beim Ein- und Ausatmen

rote Schlinge = atmen im Ruhezustand (at rest)

orange Schlinge = atmen unter hoher Belastung

work-of-breathing

Diese Grafik zeigt die Veränderung der Atemmuskelkraft (y-Achse) und der daraus resultierender Veränderung des Lungenvolumens (x-Achse). Unterhalb der gestrichelten Linie (im grünen Bereich) entsprechen die rote und orange Fläche der inspiratorischen Muskelkraft. Oberhalb der gestrichelten Linie (im blauen Bereich) entspricht die orange Fläche der exspiratorischen Muskelkraft.

      • Im Ruhezustand (rote Fläche) ist alle Atemmuskelkraft nur inspiratorisch
      • Unter hoher Belastung ist die inspiratorische Muskelkraft viel grösser als die exspiratorische Muskelkraft (analog der Spitze eines Eisbergs)

    • Benefits of inspiratory only vs. inspiratory & expiratory muscle training

      It’s logical to think that if training your inspiratory muscles is good, then training your expiratory muscles too must be even better. Unfortunately, research has shown this not to be the case. In a carefully conducted study on rowers, the independent and combined effects of inspiratory and expiratory muscle training were compared (Griffiths & McConnell, 2007). These authors found no effect of expiratory muscle training upon performance whatsoever. In addition, when inspiratory and expiratory muscle training were combined (inhale/exhale training), the addition of the expiratory training impaired the effects of inspiratory training. In addition, a study of inhale/exhale training in swimmers found no change in swim performance after this type of training (Wells et al., 2005). These studies indicate that, far from being better than inspiratory training, inhale/exhale training is LESS effective than inspiratory training. So why jeopardise the proven benefits of inspiratory training by adding something that is ineffective, and more expensive?

      Fig. 1 Work of Breathing

      Work of breathing The figure shows the changes in breathing muscle contraction force and the resulting changes in lung volume at rest (red loop) and exercise (orange loop). The area below the dashed line represents the amount on inspiratory muscle work and the area above, the amount of expiratory muscle work.

    • At rest, all breathing muscle work is inspiratory.
    • During exercise it is also clear that inspiratory muscle work is much higher than expiratory muscle work (as represented by the area on the green loop compared with the area of the blue loop).

Ursachen der inspiratorischen Muskelschwäche

Eine inspiratorische Muskelschwäche kann durch eine Vielzahl von Ursachen entstehen. Möglich sind Krankheiten. Einen grossen Einfluss haben aber oft mangelnde Bewegung. Die englische Redensart „use it or lose it“ gilt auch für die inspiratorische Muskulatur wie für die Beinmuskulatur. Wenn man beim Treppenlaufen ausser Atem gerät, dann nimmt man einfach den Lift. Die Konsequenz daraus  ist, dass die inspiratorische Muskulatur zu wenig trainiert wird.

 Je schwächer die Muskulatur wird, desto rascher gerät man bei physischen Aktivitäten ausser Atem und man vermeidet Anstrengungen wie Treppenlaufen umso mehr. Der Teufelskreis beginnt! Hinzu kommt der orale Gebrauch von Kortikosteroide zur Entzündungshemmung bei Asthma und anderen Lungenkrankheiten. Cortisonpräparate in Tablettenform verursachen eine Schwächung der inspiratorischen Muskulatur. Diese Schwächung kann die Lungenfunktion und ein Atemmuskel Training negativ beeinflussen. Bemerkung: Inhalative Steroide verursachen keine inspirative Muskelschwäche.

Das simple Trainingsprinzip lautet: USE IT or LOSE IT!

Durch das Training der inspiratorischen Muskulatur erreicht man folgendes:
      • Die Widerstandsfähigkeit bezüglich einer Atemmuskel-Ermüdung wird erhöht
      • Die Leistungsfähigkeit der Atemmuskulatur nimmt zu
    • Increase in resistance to fatigue
    • Improved efficiency therefore less oxygen is required by the lungs and can be used by working muscles

 


    • Weakness of the inspiratory muscles can result from a number of causes, including disease, but a potent influence upon their condition is the amount of exercise they receive. The phrase ‚use it or lose it‘ applies equally well to the inspiratory muscles as it does to your leg muscles. If you get out of breath on the stairs, then you’ll take the lift, with the consequence that your inspiratory muscles get less exercise.As they become weaker, the level of physical activity that brings on the breathlessness gets lower, so you avoid the stairs even more…it’s a vicious cycle of breathlessness, lack of exercise and inspiratory muscle weakness. In addition, the use of oral steroid medication (not inhaled steroids) to control lung inflammation in conditions such as asthma and emphysema has been shown to cause weakness of the inspiratory muscles. This weakness can impair lung function and can be counteracted by inspiratory muscle training. N.B. inhaled steroids do not cause inspiratory muscle weakness.Simple Exercise Principle: USE IT or LOSE IT!By training the inspiratory muscles the following will be achieved: 
        • Increase in resistance to fatigue
        • Improved efficiency therefore less oxygen is required by the lungs and can be used by working muscles

      Result = INCREASED performance

Atemlosigkeit bei trainierten und nicht trainierten Personen

Atemlosigkeit geht oft einher  bei Lungen- und Herzerkrankungen. Aber wie wir alle wissen, tritt diese auch bei normalen sportlichen Tätigkeiten auf. Vor kurzer Zeit erschienene Forschungsarbeiten zeigten, dass eine Stärkung der inspiratorischen Muskulatur einen direkten Einfluss darauf hat, wie kraftvoll wir atmen können und wie wir Atemlosigkeit beim Training wahrnehmen.

Wenn die Muskulatur geschwächt oder ermüdet ist (die Stärke der inspiratorische Muskulatur kann sich bis zu 20% reduzieren), dann erbringen wir auch mit zusätzlichen Aufwand nicht mehr die volle Leistung und geraten in Atemlosigkeit.

Stellen Sie sich zum Vergleich eine schwere Langhantel (mit Scheiben) vor. Das Heben bei der 12. Wiederholung dürfte Ihnen einiges schwerer vorkommen, als bei der 2. Wiederholung. Die selbe Wahrnehmung machen Sie auch bei einer geschwächten oder ermüdeten inspiratorischen Muskulatur. Das Atmen wird sehr anstrengend.


    • Breathlessness is a common feature of lung and heart disease, but as we know all too well, it’s also a feature of normal exercise. Recent research has shown that the strength of the inspiratory muscles has a direct influence on how hard we can breathe and how breathless we feel whilst doing it.If the muscles are weakened or fatigued (inspiratory muscles can fatigue by as much as 20%) then we can’t breathe as hard and breathing requires greater effort; we experience the effort as breathlessness.A useful analogy is to think about how much heavier a barbell feels on the 12th repetition than it did on the first. In the same way, if the inspiratory muscles are weakened or fatigued, breathing feels harder.

Wie beeinflusst Training unsere Atmung?

Berg- oder Treppensteigen empfinden wir als anstrengend und ab einer gewissen Intensität überschreiten die meisten von uns die sogenannte Laktatschwelle (lactat threshold). Die Atmung gerät  aus der  „Komfortzone“ und steigt nun plötzlich stark an. Der damit verbundene starke Anstieg der inspiratorischen Atemmuskulatur Tätigkeit wird dann als Atemlosigkeit wahrgenommen.

Bei tiefer und mittlerer Intensität nehmen wir unsere Atmung kaum wahr. Steigt jedoch die Intensität, dann empfinden wir das schon bald als anstrengend und die Atmung steigt dann plötzlich exponentiell an. Während der meisten Zeit unseren alltäglichen Aktivitäten arbeitet unsere Atmung  in der angenehmen „Komfortzone“. Erst wenn wir uns oberhalb der Laktatschwelle bewegen (dem Berg- und Treppensteigen-Territorium) bekommt unsere Atemmuskulatur den nötigen Anreiz für eine positive Veränderung. Das Training oberhalb der Laktatschwelle ist jedoch kurz und heftig!

Mit anderen Worten, unsere Atemmuskulatur lässt sich nicht so einfach mit üblichen Trainingsprinzipien wie Trainingszeit, Repetitionen, Intensität  adaptieren und verbessern. Vergleichbar wäre ein Bizeps Training ohne Hanteln oder Gewicht?

Andererseits kann man auch nicht sagen, dass ein Aerobic-Training keinen Benefit auf die inspiratorischen Muskulatur hat. Ein solches Training ist jedoch nicht ausreichend, um das ganze Potential dieser vitalen Muskelgruppe auszuschöpfen. Das Ergebnis unter normalen Bedingungen ist, dass die Atemmuskulatur nie so trainiert wird, dass sie schweren Belastungen gewachsen ist.


    • When we climb hills or stairs, we are suddenly exposed to high intensity exercise that, for most of us, is above our lactate threshold. At these intensities our breathing moves out of its ‚comfort zone‘ and increases steeply. This sudden increase in inspiratory muscle work is perceived as breathlessness.At low and moderate intensities, breathing is very modest, but as the intensity becomes more strenuous breathing increases steeply becoming almost exponential. During the majority of your everyday activities, your breathing operates well within its ‚comfort zone‘. Only when you venture above the lactate threshold (hill and stair climbing territory) is breathing stimulated sufficiently for the breathing muscles to be challenged. Exercise above the lactate threshold is usually short and sharp.In other words, your breathing is not exposed to a suitable training stimulus for a sufficient duration or with sufficient frequency for the breathing muscles to experience a full training adaptation. Even if you could sustain the high intensity exercise, it’s doubtful whether this type of unloaded breathing would provide an adequate training overload to elicit maximal training benefits; it’s akin to a bicep curl without the dumbbell.This is not to say that aerobic activity doesn’t provide any training benefit to your inspiratory muscles; it does, it’s just not sufficient to elicit the full potential of this vital group of muscles. The result is that under normal conditions, the breathing muscles never really get trained to cope with ‚heavy breathing‘ and for this reason it will always present an uncomfortable challenge.

Unterschiede bei der Atmung bei Männer und Frauen

Bedingt durch den feineren Körperbau der Frauen sind auch deren Lungen in der Regel kleiner als bei Männer. Frauen haben engere Atemwege, was das Ein- und Ausatmen in die Lunge unter Belastung anstrengender macht. Im Ruhezustand atmen wir ca. 8-10 Liter Luft pro Minute, unter anstrengender Belastung steigt der Verbrauch bei Frauen auf bis zu 120 Liter pro Minute an.

Dies im Vergleich zu Elite Athleten, die bis zu 240 Liter Luft pro Minute bewegen. Bei Frauen konnte man bis jetzt nicht solch hohe Werte beobachten. Forschungsarbeiten zeigten, dass bei vielen Frauen bei hohen Anstrengungen ein Absinken des Sauerstoffs im Blut zu beobachten war und demzufolge eine Atemlosigkeit vermehrt auftrat.

    • Even when the smaller physical size of women is taken into account, their lungs are still smaller than men’s. Women also have narrower airways (breathing tubes), which means it’s harder to move air in and out of the lungs. At rest we breathe around 8-10 litres of air per minute, but during strenuous exercise a woman can raise this to around 120 litres per minute.Compare this to an elite male athlete who can breathe as much as 240 litres per minute! Because women are unable to ‚heavy breathe‘ as well as men in response to strenuous exercise, research has shown that many women may experience a drop in the amount of oxygen in their blood and a corresponding increase in their breathlessness.

Lunge_Exspiration-300x263

Diagram from Wikimedia Commons – Author: LadyofHats – Permission: PD by its author.

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Diagram from Wikimedia Commons – Author: LadyofHats – Permission: PD by its author.

Das Zwerchfell (engl. diaphragm) erbringt 60-80% der Arbeit beim Einatmen. (Donald A. Neumann 2010)