Åndedrættets arbejde og dets komponenter

Dette kapitel er mest relevant for afsnit F3(ii) fra CICM Primary Syllabus 2017, som forventer, at eksaminanderne skal kunne “beskrive åndedrættets arbejde og dets komponenter”. Dette har ikke optrådt i de skriftlige opgaver, men emnets betydning er så stor, at vi kan være ret sikre på, at det en dag vil indgå i en SAQ eller viva.

Sammenfattende:

Om de peer-reviewede ressourcer til dette emne, Cabello & Mancebo (2006) er sandsynligvis den bedste korte oversigt, og den er gratis tilgængelig fra ResearchGate. Man kan muligvis lære dette emne udenad på baggrund af det, man har publiceret, og bestå en SAQ i den primære eksamen. Banner et al (1994) er også god, faktisk bedre, men desværre ikke gratis. Man ville gå fra denne artikel med en detaljeret forståelse af dette emne. Derudover er en gammel artikel af R.M. Peters (1969) også frit tilgængelig, og den er sandsynligvis stadig relevant, for så vidt som det videnskabelige samfund ikke for nylig har ændret deres definitioner af “arbejde” eller “åndedræt”.

Definitioner af arbejde og åndedrætskraft

Arbejde er produktet af kraft og forskydning, målt i joule, hvor 1J er forbruget af en joule gennem en forskydning på en meter. Ligningen for arbejde er i sin mest grundlæggende form:

Arbejde = Kraft × Afstand

Men i åndedrætsfysiologiens klumpede biologiske verden er vi ikke vant til at beskrive åndedrætsfunktionen i form af kraft eller afstand

Men vi er ikke vant til at beskrive åndedrætsfunktionen i form af kraft eller afstand. Heldigvis kan vi nemt konvertere disse parametre til tryk og volumen. Den bedste afledning til dette kan findes i første del, som kræver minimale ændringer:

Arbejde = Kraft = Kraft × Afstand

Hvor

Kraft = Tryk × Areal

Derfor

Tryk = Kraft / Areal

Derfor

Arbejde = Tryk × Areal × Afstand

Men

Aareal × Afstand = Volumen

Så

Arbejde = Tryk × Volumen

Tada.

I en normal person er åndedrætsarbejdet i hvile ca. 0,35 J/L, og åndedrætsevnen er ca. 2,4 J/min. Disse tal stammer fra et arbejde udført af Mancebo et al (1995), som koblede nogle raske frivillige til noget flow- og trykmålingsudstyr og derefter målte det tryk og volumen, som de genererede under normal rolig vejrtrækning. Ifølge nogle gamle data fra Liljestrand (1913) og nogle moderne undersøgelser af Zakynthinos & Roussos (1991) har denne form for rolig stille vejrtrækning en iltpris på omkring 0,25-.5 ml O2 pr. 1000 ml ventilation, eller noget i retning af 1-2% af det samlede basale metaboliske iltforbrug. Dette tyder på, at effektiviteten af normal tidal vejrtrækning er ret høj. Det menes at skyldes, at en stor del af den energi, der bruges til normal tidevandsåndedræt, er arbejde udført mod elastiske elementer i åndedrætssystemet, dvs. at kinetisk energi lagres i strækvæv ved inspiration og returneres ved udånding.

Campbell-diagrammet over åndedrætsarbejdet

Dette diagram er til forveksling kun et af Campbell-diagrammerne, idet det andet er et diagram, der beskriver rotordynamikken. Cambell-diagrammet, som der henvises til i forbindelse med åndedrætsfysiologi, blev udviklet af Edward J. M Campbell, som udgav en bog i 1958, hvori han beskrev dette forhold. Denne bog er naturligvis udgået, og der synes ikke at være nogen lovlig eller ulovlig måde at anskaffe den på inden for en hobbybloggers budget, hvilket er lige så godt, for at dømme ud fra anmeldelserne var den overordentlig svær at læse. Den bedste forklaring på dette diagram stammer faktisk fra Banner et al (1994). For at forstå det er man nødt til at udpakke de forskellige komponenter i åndedrætsarbejdet og derefter kombinere dem i ét forhold. At dømme ud fra teksten er denne gruppe af diagrammer tilbudt som en skematisk fremstilling af virkelige tryk- og volumenrelationer, og selv om den måske indeholder realistisk udseende tal, er den ikke baseret på specifikke eksperimentelle data.

I betragtning af at arbejde er tryk ganget med volumen, burde man kunne præsentere det som arealet på et plot af tryk vs. volumen. Et sådant plot kan defineres for det arbejde, der kræves for at puste det elastiske lungevæv op fra FRC op til et hypotetisk normalt tidalvolumen :

Der skal selvfølgelig også udføres arbejde for at deformere brystvæggen. I dette tilfælde ønsker brystvæggen at springe ud og optage et større volumen end FFRC, og derfor udføres der faktisk arbejde for at reducere brystvægsvolumenet ned til FRC:

Så hvis vi lægger disse grafer sammen, kan vi se, at de overlapper hinanden. Den mest betydningsfulde konsekvens heraf er, at noget af det arbejde, der udføres for at puste lungen op, udføres af brystvæggen, dvs. brystkassens elastiske tilbageslag tjener til at puste lungen op uden muskelhjælp:

Dette, den lille blå trekant her, er derfor det eneste arbejde, der udføres for at puste lungerne op; dette område er meget mindre, end det var på den første graf, fordi brystkassen udfører det meste af arbejdet.

Der skal her tages hensyn til yderligere faktorer ud over vævenes elastiske egenskaber. Der arbejdes også for at besejre luftvejsmodstanden og for at overvinde modstanden fra eventuelt forstyrrende udstyr til intensiv pleje (f.eks. en endotracheal tube og et respiratorkredsløb). Diagrammet kan udvides til at omfatte disse elementer:

Det tilføjede linseformede område dækker det arbejde, der udføres for at overvinde den inspiratoriske og ekspiratoriske luftstrømsmodstand. Ved udåndingen skal der ikke udføres noget ekstra arbejde, fordi lungernes elastiske tilbageslag returnerer noget oplagret energi. Ved inspiration skal der udføres noget ekstra arbejde for at overvinde luftvejernes modstand samt modstanden fra eventuelle kunstige luftveje.

Nu står vi tilbage med et diagram, der beskriver komponenterne i åndedrætsarbejdet:

• Elastisk arbejde
  • Arbejde udført for at overvinde lungens elastiske tilbageslag
  • Arbejde udført for at overvinde brystkassens elastiske tilbageslag (som trækkes fra det arbejde, der udføres for at overvinde den elastiske tilbageslag af lungen)
• Resistivt arbejde
  • Arbejde udført for at overvinde vævsmodstand
    • Brystvægsmodstand
    • Lungemodstand
• Arbejde udført for at overvinde luftvejsmodstand, hvilket omfatter:
  • Airway resistance
  • Resistance of airway devices and circuits

Dertil kommer yderligere komponenter til det resistive arbejde, som alle er komponenter af respiratorisk modstand og omfatter inertance og det arbejde, der udføres for at komprimere det intrathorakale gasvolumen, men da bidraget fra disse elementer er latterligt lille, kan man sandsynligvis roligt udelade dem fra sit SAQ-svar. De optræder i hvert fald ikke i nogen af kollegiets kommentarer til spørgsmålene om modstand.

Ved hjælp af disse grafer kan man måske repræsentere forskellige former for mekaniske lungeproblemer. Realistisk set ville dette altid kun være begrænset til repræsentationer af scenarier, hvor der er øget luftvejsmodstand eller nedsat lungecompliance. Disse er også præsenteret af Banner et al (1994), og deres modificerede versioner tilbydes nedenfor.

Den følgende graf viser et mønster med øget luftvejsmodstand, som det man f.eks. kan se hos en astmapatient. Bemærk det øgede bidrag fra luftvejsmodstanden, herunder det ekstra arbejde, der udføres for at overvinde ekspiratorisk luftstrømsmodstand:

Den følgende graf demonstrerer åndedrætsarbejde i forbindelse med nedsat lungecompliance.

For at opnå det samme tidalvolumen skal der udføres et langt større arbejde for at overvinde lungernes øgede elastiske tilbageslag, mens brystvæggenes bidrag forbliver det samme. Derudover kan man bemærke, at FRC er nedsat. Dette skyldes det øgede elastiske rekyltryk fra lungerne; FRC-volumenet ender med at blive lavere, fordi det er der, brystvæggen rekyl og lungernes elastiske rekyl finder deres nye ligevægt.

Sidst skal vi se, hvad der sker, hvis brystvæggen bliver mere modstandsdygtig:

Denne gang udføres det øgede arbejde for at øge brystvolumen igen brystvægsvævets modstand, fx en cirkumferentiel forbrænding. Igen reduceres FRC, fordi ligevægten mellem brystvæggen og lungernes elastiske tryk opstår ved et lavere volumen.