Werk van ademhaling en zijn componenten

Dit hoofdstuk is het meest relevant voor Sectie F3(ii) uit de CICM Primary Syllabus van 2017, waarin van de examenkandidaten wordt verwacht dat ze in staat zijn “het werk van ademhaling en zijn componenten te beschrijven”. Dit is niet in de schriftelijke examens voorgekomen, maar het belang van dit onderwerp is zo groot dat we er vrij zeker van kunnen zijn dat het op een dag een SAQ of viva zal halen.

In het kort:

Van de collegiaal getoetste bronnen voor dit onderwerp, Cabello & Mancebo (2006) is waarschijnlijk het beste beknopte overzicht, en is gratis verkrijgbaar bij ResearchGate. Men kan dit onderwerp misschien uit het hoofd leren op basis van wat zij gepubliceerd hebben, en een SAQ halen in het primaire examen. Banner et al. (1994) is ook goed, in feite beter, maar helaas niet gratis. Men zou dit artikel kunnen verlaten met een gedetailleerd begrip van dit onderwerp. Daarnaast is een oud artikel van R.M. Peters (1969) ook vrij verkrijgbaar, en waarschijnlijk nog steeds relevant, voor zover de wetenschappelijke gemeenschap niet onlangs haar definities van “arbeid” of “ademhaling” heeft veranderd.

Definities van arbeid en ademhalingsvermogen

Werk is het product van kracht en verplaatsing, gemeten in joule, waarbij 1J de uitgave is van één joule door een verplaatsing van één meter. De meest eenvoudige vergelijking voor arbeid is:

Werk = Kracht × Afstand

Maar in de plakkerige biologische wereld van de ademhalingsfysiologie zijn we er niet aan gewend om de ademhalingsfunctie te beschrijven in termen van kracht of afstand. Gelukkig kunnen we deze parameters gemakkelijk omzetten in druk en volume. De beste afleiding hiervoor is te vinden in deel één, een afleiding die minimale wijzigingen vereist:

Werk = Kracht × Afstand

Waar

Kracht = Druk × Gebied

Omdat

Druk = Kracht / Gebied

Daarom

Werk = Druk × Oppervlakte × Afstand

Maar

Area × Afstand = Volume

Dus

Werk = Druk × Volume

Tada.

Bij een normaal persoon is in rust de ademarbeid ongeveer 0,35 J/L, en het ademvermogen ongeveer 2,4 J/min. Deze cijfers zijn afkomstig van een onderzoek van Mancebo e.a. (1995), die een aantal gezonde vrijwilligers hebben aangesloten op een meetinstrument voor debiet en druk, en vervolgens de druk en het volume hebben gemeten die zij tijdens een normale rustige ademhaling hebben opgewekt. Volgens enkele oude gegevens van Liljestrand (1913) en enkele moderne overzichten van Zakynthinos & Roussos (1991) heeft dit soort rustige ademhaling een zuurstofkost van ongeveer 0,25-,5 ml O2 per 1000 ml ventilatie, of iets van 1-2% van het totale basale metabolische zuurstofverbruik. Dit wijst erop dat de efficiëntie van een normale ademhalingscyclus vrij hoog is. Men denkt dat dit komt doordat een groot deel van de energie die wordt gebruikt voor normale ademhalingscyclus bestaat uit arbeid die wordt verricht tegen elastische elementen van het ademhalingssysteem, d.w.z. dat kinetische energie wordt opgeslagen in uitrekkende weefsels bij inademing, en wordt teruggegeven bij uitademing.

Het Campbell-diagram van de ademhalingsarbeid

Dit diagram is verwarrend genoeg slechts een van de Campbell-diagrammen, het andere is een diagram dat de rotordynamica beschrijft. Het Cambell diagram waarnaar verwezen wordt met betrekking tot de ademhalingsfysiologie werd ontwikkeld door Edward J. M. Campbell, die in 1958 een boek publiceerde waarin hij deze relatie beschreef. Dat boek is natuurlijk uitverkocht en er schijnt geen legale of illegale manier te zijn om het binnen het budget van een hobbyistische blogger te krijgen, wat maar goed is ook, want te oordelen naar de recensies was het buitengewoon moeilijk te lezen. De beste verklaring voor dit diagram komt eigenlijk van Banner et al (1994). Om het te begrijpen moet men de verschillende componenten van het werk van de ademhaling uitpakken, en ze vervolgens combineren tot één relatie. Te oordelen naar de tekst wordt deze groep grafieken aangeboden als een schematische voorstelling van echte druk- en volumeverhoudingen, en hoewel ze misschien realistisch ogende getallen bevatten, zijn ze niet gebaseerd op specifieke experimentele gegevens.

Gezien het feit dat arbeid druk vermenigvuldigd met volume is, zou men in staat moeten zijn om het te presenteren als de oppervlakte op een plot van druk versus volume. Een dergelijke plot kan worden gedefinieerd voor de arbeid die nodig is om het elastische longweefsel van FRC op te blazen tot een hypothetisch normaal ademteugvolume:

Natuurlijk moet er ook arbeid worden verricht om de borstkaswand te vervormen. In dit geval wil de borstkaswand uitzetten en een groter volume innemen dan de FFRC, en wordt er dus arbeid verricht om het borstkaswandvolume terug te brengen tot de FRC:

Als we deze grafieken naast elkaar leggen, zien we dat ze elkaar overlappen. De belangrijkste implicatie hiervan is dat een deel van de arbeid die wordt verricht om de long op te blazen, wordt verricht door de borstkaswand, d.w.z. dat de elastische terugslag van de ribbenkast dient om de long op te blazen zonder enige spierhulp:

Dit, het kleine blauwe driehoekje hier, is dus de enige arbeid die wordt verricht om de longen op te blazen; dit gebied is veel kleiner dan het in de eerste grafiek was, omdat de ribbenkast het meeste werk verricht.

Extra factoren moeten hier in aanmerking worden genomen, naast de elastische eigenschappen van de weefsels. Er wordt ook gewerkt om de weerstand van de luchtwegen te overwinnen, en om de weerstand te overwinnen van alle kritische zorgapparatuur die in de weg zit (b.v. een endotracheale buis en een beademingscircuit). Het diagram kan worden uitgebreid met de volgende elementen:

Het toegevoegde lensvormige gebied omvat de werkzaamheden die worden verricht om de inspiratoire en expiratoire luchtstroomweerstand te overwinnen. Bij uitademing hoeft geen extra arbeid te worden verricht omdat de elastische terugslag van de longen wat opgeslagen energie teruggeeft. Bij inademing moet enige extra arbeid worden verricht om de weerstand van de luchtwegen te overwinnen, alsmede de weerstand van eventueel toegevoegde kunstmatige luchtwegen.

Nu hebben we een schema dat de componenten van de ademhalingsarbeid beschrijft:

• Elastische arbeid
  • Werkzaamheden om de elastische terugslag van de long te overwinnen
  • Werkzaamheden om de elastische terugslag van de borstkas te overwinnen (die wordt afgetrokken van de arbeid die wordt verricht om de elastische terugslag van de long te overwinnen)
  • Werkzaamheden om de elastische terugslag van de borstkas te overwinnen (die wordt afgetrokken van de arbeid die wordt verricht om de elastische terugslag van de long)
• Resistieve arbeid
  • Werkzaamheden verricht om weefselweerstand te overwinnen
    • Borstwandweerstand
    • Longweerstand
  • Werkzaamheden verricht om luchtwegweerstand te overwinnen, die omvat:
    • Luchtwegweerstand
    • Weerstand van luchtwegtoestellen en -circuits

  Extra componenten van de weerstand zijn allemaal componenten van de ademhalingsweerstand, en omvatten inertie en de arbeid die wordt verricht om het intrathoracale gasvolume samen te persen, maar omdat de bijdrage van deze elementen lachwekkend klein is, kan men ze waarschijnlijk veilig uit hun SAQ-antwoord weglaten. Ze komen in ieder geval niet voor in het commentaar van het college op de vragen over weerstand.

  Met behulp van deze grafieken kan men wellicht verschillende vormen van mechanische longproblemen voorstellen. Realistisch gezien zou dit slechts beperkt blijven tot voorstellingen van scenario’s waarbij er sprake is van verhoogde luchtwegweerstand of verminderde longcompliance. Deze zijn ook gepresenteerd door Banner et al. (1994), en hun aangepaste versies worden hieronder aangeboden.

  De volgende grafiek toont een patroon van verhoogde luchtwegweerstand, zoals men die zou kunnen zien bij een astmatische patiënt. Let op de verhoogde bijdrage van de luchtwegweerstand, inclusief de extra arbeid die wordt verricht om de expiratoire luchtstroomweerstand te overwinnen:

  

  De volgende grafiek toont de arbeid van de ademhaling bij een verminderde compliance van de longen.

  

  Om hetzelfde teugvolume te bereiken, moet een veel grotere hoeveelheid werk worden verricht om de toegenomen elastische terugslag van de longen te overwinnen, terwijl de bijdrage van de borstkaswand gelijk blijft. Bovendien kan men opmerken dat de FRC is afgenomen. Dit vanwege de toegenomen elastische terugslag van de longen; het FRC-volume wordt uiteindelijk lager omdat daar de borstwandterugslag en de longelastische terugslag hun nieuwe evenwicht vinden.

  Laten we tenslotte eens kijken wat er gebeurt als de borstkaswand meer weerstand ondervindt:

  

  Dit keer wordt de verhoogde arbeid verricht om het borstkasvolume weer te vergroten door de weerstand van borstwandweefsels, b.v. een omtrekverbranding. Opnieuw wordt de FRC kleiner omdat het evenwicht van de elastische druk van de borstwand en de longen optreedt bij een lager volume.