Anatomie en fysiologie van de ademhaling

Transcriptie

1 5 Anatomie en fysiologie van de ademhaling Samenvatting Met de ademhaling wordt zuurstof opgenomen en getransporteerd naar de weefsels, waar het gebruikt wordt bij de verbranding van voedingsstoffen. Hierbij wordt energie vrijgemaakt en ontstaat kooldioxide dat vervolgens naar de longen getransporteerd wordt om daar te worden uitgescheiden. Daarnaast speelt de ademhaling een belangrijke rol bij het in stand houden van het zuur-base-evenwicht, de verdediging tegen vreemde stoffen en microorganismen, de vochthuishouding en de spraak. Hoewel de longen vaak als symbool voor de ademhaling worden gebruikt, zijn hierbij veel meer organen, structuren en processen betrokken. Denk hierbij aan het centraal zenuwstelsel, luchtwegen, thoraxwand en processen als diffusie, ventilatie, circulatie en stofwisseling. De kwaliteit, de onderlinge samenwerking en afstemming van al deze organen, structuren en processen zijn bepalend voor de uiteindelijke kwaliteit van de ademhaling..1 Regulatie van de ademhaling Verlengde merg 7.1. Pons Hersenschors Centrale chemoreceptoren Perifere chemoreceptoren Overige receptoren 9. Luchtwegen 9..1 Bovenste luchtwegen 9.. Onderste luchtwegen 11 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV 017 H. ter Haar, Mechanische beademing op de intensive care, DOI / _

2 .3 Thorax Benige thorax Diafragma Overige ademspieren Pleuraholte Longen Balans tussen thoraxwand en longen Pleuradruk.3.8 Mediastinum 3.4 Longcirculatie Pulmonale circulatie 4.4. Bronchiale circulatie Lymfecirculatie 6.5 Zuurstof en kooldioxide Alveolaire zuurstofdruk 7.5. Ventilatie Ventilatie-perfusieverhouding Dode ruimte ventilatie Diffusie Zuurstoftransport via het bloed Kooldioxidetransport via het bloed Bohr- en Haldane-effecten 35 Literatuur 36

3 .1 Regulatie van de ademhaling 7.1 Regulatie van de ademhaling De regulatie van de ademhaling is als onwillekeurig en automatisch proces verankerd in het ademcentrum, gelegen in het verlengde merg en de pons, onderdelen van de hersenstam. Diverse receptoren voorzien het ademcentrum van informatie om de ademhaling aan te kunnen passen aan veranderende omstandigheden..1.1 Verlengde merg De reticulaire formatie in het verlengde merg (medulla oblongata) bevat twee groepen respiratoir actieve neuronen: een groep aan de dorsale zijde, de dorsale respiratoire groep (DRG), en een groep aan de ventrale zijde, de ventrale respiratoire groep (VRG) (. fig..1). De neuronen van de DRG vormen het inspiratoire ademcentrum, de neuronen van het VRG vormen het expiratoire ademcentrum. De sensorische input van het inspiratoire ademcentrum komt van diverse receptoren in het lichaam, zoals chemoreceptoren, mechanoreceptoren, temperatuursensoren et cetera, maar ook uit de hersenschors (cortex). Aan de hand van deze input zal het ademcentrum zich ritmisch ontladen in een bepaalde frequentie, de ademfrequentie. De motorische output van het inspiratoire ademcentrum verloopt via de nervus phrenicus naar het diafragma en via motorische voorhoorncellen uit het ruggenmerg naar tussenribspieren, buikspieren en hulpademhalingsspieren. Expiratie is in rust een passief proces waarbij de neuronen van het expiratoire ademcentrum inactief zijn. Tijdens inspanning wordt het expiratoire centrum actief en zal de expiratie actief ondersteund worden door contractie van buikspieren en tussenribspieren..1. Pons Respiratoir actieve neuronengroepen (. fig..1) in de pons vormen het pneumotactisch centrum en het apneuïstisch centrum. Het pneumotactisch centrum beperkt de grootte van het teugvolume en is als zodanig betrokken bij het beëindigen van de inspiratie. Het apneuïstisch centrum houdt de inspiratie in stand door stimulering van het inspiratoire ademcentrum in de medulla oblongata en lijkt hiermee een antagonist te zijn van het pneumotactisch centrum. Pneumotactisch centrum en apneuïstisch centrum zijn niet onmisbaar voor de ademhaling, hoewel veranderingen van de ademhaling optreden bij beschadiging..1.3 Hersenschors Ofschoon ademhaling normaliter een onwillekeurig en automatisch proces is, kan het sterk beïnvloed worden door de hersenschors, hetzij maar tijdelijk en binnen bepaalde grenzen. De ademhaling kan bijvoorbeeld tot enkele minuten volledig onderdrukt worden door de adem in te houden totdat het Paco te hoog en de chemische drive te groot wordt waarna het ademcentrum het weer onwillekeurig overneemt. Tijdens praten, zingen of het bespelen van een blaasinstrument zal automatische aanpassing plaatsvinden van DRG en VRG door hogere hersenfuncties vanuit de hersenschors.

4 8 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling pons vierde ventrikel DRG n. iv VRG n. x medulla oblongata ruggenmerg. Figuur.1 Ligging van de dorsale en ventrale respiratoire neuronengroepen in de medulla oblongata, van dorsaal en in dwarsdoorsnede gezien.1.4 Centrale chemoreceptoren Centrale chemoreceptoren op de bodem van de vierde hersenventrikel vervullen een hoofdrol bij het stimuleren van het ademcentrum, ze nemen 75 % van de chemische ademdrive voor hun rekening. Deze centrale chemoreceptoren zijn zeer gevoelig voor veranderingen in de zuurgraad (ph) van de liquor cerebrospinalis en indirect dus voor veranderingen van de Paco. Elke afwijking in de ph van de liquor zal leiden tot een aanpassing van de ademhaling. Een toename van de Paco zal leiden tot een daling van de liquor-ph en vervolgens tot stimulering van het ademcentrum. De gevoeligheid van dit regelmechanisme is zo groot dat stimulatie van het ademcentrum al optreedt terwijl het Paco nog niet eens verhoogd is..1.5 Perifere chemoreceptoren Perifere chemoreceptoren in carotiden en aortaboog, verantwoordelijk voor 5 % van de chemische ademdrive, zijn gevoelig voor Pao, Paco en ph. Voor de perifere chemoreceptoren is de Pao het meest belangrijk, Paco en ph worden vooral door de centrale chemoreceptoren bewaakt. Via de negende en tiende hersenzenuw staan de perifere chemoreceptoren in verbinding met het inspiratoire ademcentrum. Hoewel de perifere chemoreceptoren dus vooral reageren op de Pao, is de gevoeligheid van dit regelmechanisme niet erg groot. Stimulatie van het ademcentrum treedt namelijk pas op bij een Pao < 8 kpa, een relatief lage waarde.

5 . Luchtwegen Overige receptoren Naast de chemoreceptoren kent het lichaam tal van andere receptoren die het ademcentrum informatie verschaffen. Rekreceptoren in het gladde spierweefsel van de luchtwegen worden gestimuleerd door uitzetting van longen en luchtwegen en veroorzaken een afname van de ademfrequentie, de zogenoemde Hering-Breuer-reflex. Bewegingsreceptoren in spieren en gewrichten detecteren bewegingen en activeren het ademcentrum bij lichamelijke inspanning. Irritatiereceptoren in het luchtwegepitheel zijn gevoelig voor ingeademde schadelijke stoffen. Prikkeling van deze receptoren leidt tot hoesten, bronchoconstrictie en een toename van de ademfrequentie. Overvulling van pulmonale capillairen en zwelling van het alveolaire interstitium geven prikkeling van juxtacapillaire receptoren (J receptoren) in de alveolaire wand, hetgeen zal leiden tot snel oppervlakkig ademen (rapid shallow breathing) en dyspnoe. Temperatuurreceptoren in de hypothalamus en viscerale receptoren in het maag-darmkanaal beïnvloeden het ademcentrum door aanpassing van ademdiepte en ademfrequentie.. Luchtwegen Via de luchtwegen bereikt verse lucht de longen en wordt afgewerkte lucht uitgeademd. Onderscheid wordt gemaakt in bovenste en onderste luchtwegen...1 Bovenste luchtwegen De bovenste luchtwegen bestaan uit neus, neusholte, mondholte, keelholte en het strottenhoofd tot en met de stembanden (. fig..). z Neus- en mondholte De neusholte is door het neustussenschot (septum) in twee helften verdeeld. Het eerste deel van de neusholte is bedekt met huid en bevat korte neusharen, daarna is de neusholte bedekt met slijmvlies. De epitheelcellen van het slijmvlies bevatten zowel trilharen die het slijm in de richting van de buitenwereld verplaatsen als slijmproducerende slijmbekercellen. Het reukslijmvlies bevindt zich boven in de neusholte. In rust zal de ademhaling vooral via de neus plaatsvinden, bij inspanning of verkoudheid ook via de mond. Via de mond kan meer lucht verplaatst worden dan via de neus, echter de capaciteit van temperatuur- en vochtregulatie en van verdediging tegen schadelijke stoffen en micro-organismen is beduidend minder. z Keelholte Neusholte en mondholte gaan over in de keelholte (farynx) die, behalve uit het zachte gehemelte, uit stevige wanden bestaat. Zachte gehemelte en huig bewegen tijdens het slikken naar boven en achteren, waardoor de neusholte van de keelholte afgesloten wordt. Hiermee wordt voorkomen dat voedsel in de neusholte terechtkomt. In de keelholte kruisen ademweg en voedselweg elkaar.

6 10 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling septum nasi sinus os opening van de sphenoidalis sphenoidalis buis van Eustachius sella turcica sinus frontalis os nasale neuskraakbeen uitwendige neusopening adenoïd os occipitale maxilla atlas dens van de draaier uvula tonsil derde halswervel mandibula os hyoideum epidurale ruimte farynx epiglottis dura mater stembanden zegel van cricoïd cartilago thyroidea cartilago cricoidea (cricoïd) coniotomie tracheotomie superior glandula thyreoidea sternum corpus vertebrae oesofagus tracheotomie inferior trachea. Figuur. Doorsnede hoofd en hals met de bovenste luchtwegen en trachea. De drie pijlen geven mogelijke plaatsen aan voor een tracheotomie z Strottenhoofd Via het strottenhoofd (larynx) (. fig..3 en.4) komt de ingeademde lucht in de l uchtpijp terecht. Het strotklepje (epiglottis), dat zich achter de tong en aan de ingang van het strotten hoofd bevindt en normaliter omhoog staat, zal tijdens het slikken automatisch kantelen en het strottenhoofd afsluiten. Tijdens het slikken wordt de ademhaling automatisch kortdurend onderbroken. Met deze automatismen wordt voorkomen dat voedsel in de luchtpijp belandt. Het strottenhoofd bevat twee stembanden (plicae vocales) die samen de stemspleet (glottis) vormen. Normaliter staat de stemspleet open, meer bij inademing dan bij uitade ming. Bij praten en zingen wordt de stemspleet nauwer en tijdens slikken is hij gesloten. Het sluiten van de stemspleet en de daarbij behorende intrathoracale drukverhoging spelen ook een belangrijke rol bij stoelgang en bevalling. Het strottenhoofd bestaat uit kraakbeen, liga menten en spieren. De spieren van het strottenhoofd zijn betrokken bij openen en sluiten van de stemspleet, praten, slikken, hoesten en niezen. Keelholte en strottenhoofd bevatten geen trilhaarepitheel, het slijm wordt met hoesten omhoog gewerkt.

7 . Luchtwegen 11 epiglottis os hyoideum cartilago thyroidea cartilago cricoidea kraakbeenring van de trachea. Figuur.3 Vooraanzicht strottenhoofd.. Onderste luchtwegen De luchtwegen onder de stembanden worden tot de onderste luchtwegen gerekend. z Trachea Aan de onderzijde van het strottenhoofd, bij het cricoïd kraakbeen, begint de trachea ofwel de luchtpijp. De trachea is tien tot twaalf cm lang waarvan de eerste helft buiten de thoraxholte ligt en tot de bovenste luchtwegen behoort. Ongeveer vijftien à twintig hoefijzervormige kraakbeenringen houden de trachea open. De achterste tracheawand bestaat uit gladde spieren. Door contractie en relaxatie beïnvloeden deze spieren de luchtwegweerstand en dode ruimte en spelen hiermee een rol bij het hoesten. Het tracheaslijmvlies bevat epitheelcellen met en zonder trilharen. z Bronchiën en bronchioli De trachea vertakt zich in een linker en rechter hoofdbronchus. De hoek tussen trachea en rechter hoofdbronchus is kleiner dan de hoek tussen trachea en linker hoofdbronchus (. fig..4). Hierdoor zullen vreemde voorwerpen en aspiraat vaker in de rechter long belanden dan in de linker. De rechter hoofdbronchus vertakt zich vervolgens in drie bronchiën, de linker hoofdbronchus in twee bronchiën. De bronchiën vertakken zich vervolgens verder in segmentale- en intrasegmentale bronchiën en daarna in een waaier van zich vertakkende bronchioli. In totaal kunnen 3 generaties vertakkingen worden onderscheiden (. fig..5). De hoofdbronchiën en de bronchiën bevatten, evenals de trachea, kraakbeen dat geleidelijk overgaat van de hoefijzervorm in onregelmatige plaatvormige stukjes. De bronchioli bevatten geen kraakbeen maar gladde spieren die voor vernauwing (bronchoconstrictie) of verwijding (bronchodilatatie) kunnen zorgen. De wanden van de bronchioli worden steeds

8 1 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling os hyoideum ligamenten larynx hoefijzervormige kraakbeenstukken cartilago thyroidea bekerkraakbeentjes (cartilagines arytenoideae) zegel van cricoïd slijmkliertjes trachea bifurcatie van de trachea rechter hoofdbronchus twee kwabbronchi drie kwabbronchi. Figuur.4 Achteraanzicht strottenhoofd, trachea en hoofdbronchiën dunner en vanaf de respiratoire bronchioli is al enige gasuitwisseling mogelijk. Tot de 16 e generatie spreken we van de conductieve zone, vanaf de 16 e generatie spreken we van de respiratoire zone. z Convectie en diffusie Naarmate de bronchiaalboom zich vertakt zal het totale oppervlak, het stroombed, toenemen. De volumestroom ofwel de flow (L/min of ml/sec) is echter aan het begin en aan het eind van de bronchiaalboom constant. Dit houdt in dat de lucht zich langzamer zal verplaatsen naarmate het stroombed toeneemt; met andere woorden, hoe groter het stroombed hoe lager de stroomsnelheid (cm/sec). In de conductieve zone verplaatst de lucht zich met relatief hoge snelheid door middel van convectie (stroming), in de respiratoire zone staat de lucht vrijwel stil en verplaatsen de luchtmoleculen zich door diffusie. z Luchtwegweerstand Met het toenemen van het stroombed neemt ook de luchtwegweerstand af. De luchtwegweerstand is het hoogst in de bovenste luchtwegen tot de 5 e generatie en het laagst in de onderste luchtwegen vanaf de 10 e generatie. Bij geïntubeerde patiënten vormt de endotracheale tube de

9 . Luchtwegen 13 zone luchtweg generatie aantal diameter (mm) totale doorsnede (cm ) trachea geleidingszone bronchi bronchioli terminale bronchioli , overgangs- en respiratoire zone bronchioli respiratorii alveolaire buisjes ,5 390 alveoli 3. Figuur.5 Vertakkingen onderste luchtwegen met aantallen en afmetingen hoogste weerstand. Tijdens een astma-aanval zal de hoogste weerstand zich ter hoogte van de vernauwde bronchioli bevinden. Bronchodilatatie zal daarentegen optreden bij lichamelijke inspanning door activatie van het sympatische zenuwstelsel. z Afweersysteem De luchtwegen hebben een uitgekiend afweersysteem om verontreinigingen, virussen, bacteriën en organische stoffen zoals antigenen te elimineren. Behalve reflexen als niezen, hoesten, bronchoconstrictie, aanpassing van het adempatroon en verhoogde slijmproductie, hebben de luchtwegen een mucociliair klaringssysteem bestaande uit trilhaarepitheel, slijmbekercellen, mestcellen, Claracellen, plasmacellen, dendritische cellen, macrofagen en submuceuze klieren. De slijmbekercellen produceren een dubbele slijmlaag: de onderste waterig, de bovenste een viskeuze gel. De gellaag is ondoorgankelijk voor water en voorkomt zo uitdroging van het epitheel. Ingeademde schadelijke stoffen worden in de gellaag gevangen en door het trilhaarepitheel door middel van gesynchroniseerde zweepslagbewegingen in de richting van

10 14 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling de proximale luchtwegen getransporteerd. In het slijm gevangen verontreinigingen, toxinen, organische stoffen en micro-organismen kunnen ook ter plekke geneutraliseerd worden met behulp van Claracellen, plasmacellen, dendritische cellen en macrofagen. Ten slotte voorkomt het slijm hechting van micro-organismen aan het epitheel. Het mucociliair systeem presteert optimaal bij een temperatuur van 37 C en een absolute vochtigheid van 44 mg/ml ofwel een relatieve vochtigheid van 100 %..3 Thorax De benige thorax en de ademhalingsspieren zijn als onderdeel van de thoraxwand betrokken bij de ademhaling. De thoraxholte is de ruimte die begrensd wordt door de thoraxwand en bevat de linker en rechter long (pulmo sinister en pulmo dexter) met daartussen het mediastinum. De longvliezen (pleurae) verbinden longen en thoraxwand..3.1 Benige thorax De benige thorax beschermt de organen in de thoraxholte en speelt een rol bij het open houden van de longen en het maken van adembewegingen. De benige thorax bestaat uit twaalf paar ribben (costes), twaalf thoracale wervels (vertebrae), het borstbeen (sternum), twee sleutelbeenderen (claviculae) en twee schouderbladen (scapulae). We onderscheiden zeven paar ware ribben, deze zijn verbonden met het sternum, en vijf paar valse ribben, deze staan via de ware ribben met het sternum in verbinding of staan er los van. Van de valse ribben staan twee paar los van het sternum, de zogenoemde zwevende ribben. Het sternum is van boven naar beneden opgebouwd uit het manubrium, het corpus en het processus xiphoïdeus. Aan het manubrium is het eerste paar ribben bevestigd, de overige zes paar ware ribben zijn verbonden met het corpus. De ribben zijn aan de rugzijde met de thoracale wervels verbonden door middel van costovertebrale gewrichtjes die bewegingen van de ribben ten opzichte van de wervels mogelijk maken. Het kraakbeen tussen ribben en sternum verleent het geheel elasticiteit en ruimte voor beweging. De sleutelbeenderen zijn met gewrichtjes verbonden met het manubrium. Door dit alles is de benige thorax stevig genoeg om bescherming te bieden en flexibel genoeg om adembewegingen mogelijk te maken. Tijdens de inspiratie zet de thorax uit in voor-achterwaartse en zijwaartse richting (. fig..6)..3. Diafragma Het diafragma is de belangrijkste ademspier en vormt de afscheiding tussen thorax en abdomen. Het is een koepelvormige spier met een centrale peesplaat voorzien van openingen voor oesophagus, aorta en vena cava. In ruststand (tijdens expiratie) staat het diafragma hoog en heeft het een uitgesproken koepelvorm. Bij de start van een inspiratie trekt het diafragma samen, zal platter worden en in de richting van het abdomen bewegen (. fig..7). Hiermee worden de onderste longkwabben naar achter, onder en opzij getrokken. Bij een normale inspiratie neemt het diafragma 70 % van de totale ademspierkracht voor zijn rekening.

11 .3 Thorax 15 a c b d. Figuur.6 Standen van de benige thorax bij diepe inspiratie (a, b) en diepe expiratie (c, d) trachea linkerlong pleura parietalis pleura visceralis a b diafragma. Figuur.7 Stand diafragma; a bij expiratie, b bij inspiratie

12 16 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling De middenrifzenuw (nervus phrenicus) verzorgt de zenuwvoorziening van het diafragma. De n. phrenicus ontspringt uit het ruggenmerg ter hoogte van de 3 e, 4 e en 5 e halswervels (C3 C5) en daalt via het mediastinum af naar het diafragma. Dwarslaesies onder het niveau C5 beïnvloeden de functie van het diafragma niet, bij dwarslaesies boven C3 functioneert het diafragma niet meer. Bij dwarslaesies ter hoogte van C3 C5 zal bij elke individuele patiënt moeten blijken wat er van de diafragmafunctie en ademcapaciteit is overgebleven. Elke diafragmahelft heeft zijn eigen zenuwvoorziening, een hemiparese van het diafragma is dus mogelijk..3.3 Overige ademspieren Behalve het diafragma ondersteunen de uitwendige tussenribspieren (intercostaalspieren) de inspiratie. Ze heffen de ribben zodat de thorax zowel voor-achterwaarts als zijwaarts vergroot wordt. De zenuwvoorziening van de tussenribspieren vindt plaats vanuit T1 T11. Als hulpademhalingsspieren voor de inspiratie fungeren de m. scalenus en m. sternocleidomastoideus. Deze spieren bieden vanuit het nek-halsgebied ondersteuning bij het heffen van de ribben. De zenuwvoorziening van m. scalenus vindt plaats vanuit C4 C6, die van m. sternocleidomastoideus door de elfde hersenzenuw. Als hulpademhalingsspieren kunnen verder fungeren de kleine en grote borstspier (m. pectoralis minor en major) met zenuwvoorziening vanuit C5 T1 en spieren uit de schoudergordel, zoals de voorste getande spier (m. serratus anterior) met zenuwvoorziening vanuit C5 C7. De expiratie is in rust een passief gebeuren maar kan bij inspanning actief worden ondersteund door contractie van de inwendige tussenribspieren, buikspieren en zelfs bekkenbodemspieren. De expiratiespieren zijn erg krachtig en kunnen zelfs meer druk genereren dan de inspiratiespieren..3.4 Pleuraholte De plaats waar bronchiën, arteriën en zenuwen de longen binnenkomen en venen en lymfevaten de longen verlaten heet de longhilus. De hilus is ook het omslagpunt voor het vlies dat zowel de buitenkant van de longen als de binnenzijde van de thoraxwand en het diafragma bekleedt. Dit vlies wordt aan de longzijde de pleura visceralis genoemd en aan de zijde van de thoraxwand de pleura parietalis. Tussen pleura visceralis en pleura parietalis bevindt zich de pleuraholte gevuld met een dun laagje pleuravocht. Dit vochtlaagje, afkomstig uit pulmonale en systemische capillairen, stelt de pleurae in staat langs elkaar te schuiven zonder dat ze losraken, te vergelijken met een druppel water tussen twee glasplaten. De pleurae bevatten talrijke bloedvaten, lymfevaten en zenuwcellen. Lymfevaten draineren het overschot aan pleuravocht, maar bij bijvoorbeeld decompensatio cordis en ontstekingsprocessen kan er zo veel pleuravocht ontstaan dat de afvoer tekortschiet en pleuravocht zich ophoopt.

13 .3 Thorax 17 RBK LBK RMK ROK LOK. Figuur.8 Longkwabben. RBK rechter bovenkwab; RMK rechter middenkwab; ROK rechter onderkwab; LBK linker bovenkwab; LOK linker onderkwab.3.5 Longen De longen worden begrensd door thoraxwand, diafragma en het mediastinum. De rechter long is groter dan de linker en bestaat uit drie kwabben of lobben, de linker long uit twee (. fig..8). De longkwabben worden gescheiden door fissura. De rechter long heeft twee fissura, de fissura major of fissura obliqua, die de scheiding vormt tussen onderkwab en de twee andere kwabben, en de fissura minor of fissura horizontales, die de scheiding vormt tussen bovenkwab en middenkwab. De linker long heeft alleen een fissura major of fissura obliqua, die de scheiding vormt tussen onderkwab en bovenkwab. Behalve twee kwabben heeft de linker long een lingula, een evolutionair overblijfsel van een middenkwab. Elke kwab is onderverdeeld in tien bronchopulmonale segmenten die van lucht voorzien worden door de bijbehorende bronchiën. z Longweefsel De longen bestaan uit luchtwegen en longweefsel (longparenchym). De luchtwegen eindigen in acini, trosvormige eenheden bestaande uit respiratoire bronchioli, longtrechtertjes (ook wel longzakjes of alveolaire zakjes genoemd), alveolaire kanaaltjes en poriën van Kohn. Elk longtrechtertje bevat tien tot twaalf alveoli, de kleinste eenheden betrokken bij de gaswisseling (. fig..9). De longen bevatten 150 tot 400 miljoen alveoli met een diameter van μm tijdens expiratie en μm tijdens inspiratie. Luchtmoleculen verplaatsen zich hier via alveolaire kanaaltjes en poriën van Kohn, die in directe verbinding staan met de alveoli. De alveoli lijken meer op schuim dan op de vaak genoemde druiventros omdat ze gezamenlijke wanden hebben en de wanden eerder veelhoekig dan rond zijn. z Alveolair epitheel Op dit alveolaire niveau komen lucht en bloed zeer dicht bij elkaar, slechts gescheiden door het alveolocapillaire membraan. Dit 0,5 1 μm dikke membraan bestaat uit alveolaire epitheelcellen, de interstitiële ruimte en het capillaire endotheel en heeft een totale oppervlakte

14 18 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling takjes van arteria pulmonalis takjes van vena pulmonalis kubisch epitheel alveoli. Figuur.9 Twee longtrechtertjes met alveoli; links een longtrechtertje omgeven door capillairen, rechts een overlangs doorgesneden longtrechtertje van ongeveer 70 m. De alveolaire epitheelcellen kunnen in twee types verdeeld worden. Type 1-pneumocyten vormen 90 % van het alveolaire oppervlak en zijn door hun geringe dikte uitermate geschikt voor de diffusie van zuurstof en kooldioxide. Type 1-pneumocyten zijn gevoelig voor hoge zuurstofconcentraties, bacteriën en cytostatica zoals bleomycine en cyclofosfamide. Type -pneumocyten vormen de rest van het alveolaire oppervlak; ze kunnen differentiëren naar type 1-pneumocyten in geval van beschadiging, spelen een rol bij het droog houden van de alveoli en produceren surfactant. z Surfactant Surfactant, bestaande uit onder meer fosfolipiden en eiwitten, verlaagt de oppervlaktespanning van het vloeistoflaagje aan de binnenzijde van de alveoli. Deze oppervlaktespanning levert een belangrijke bijdrage aan de totale elastische retractiekracht van de long, samen met de elastische en collagene vezels in het longparenchym. Zonder surfactant zullen oppervlaktespanning en longelasticiteit sterk verhoogd zijn en is veel meer druk nodig om de alveoli open te houden. De eiwitten in het surfactant zijn ook betrokken bij de afweer tegen bacteriën en virussen. z Alveoli en de wet van Laplace De wet van Laplace beschrijft de wandspanning van een bol of cilinder. Voor een bol geldt volgens Laplace ( ) de volgende formule: P = (T)/r

15 .3 Thorax 19 R > r P R < P r P = (T) / r R r. Figuur.10 Y-stuk met twee ongelijke alveoli; bol r zal zich legen in bol R tenzij T met r verandert Waarbij P de druk, T de wandspanning en r de straal van de bol is. De druk in een kleine bol is dus groter dan de druk in een grote bol (van hetzelfde materiaal). Hoewel wandspanning iets anders is dan oppervlaktespanning wandspanning is een eigenschap van de wand zelf en oppervlaktespanning is een eigenschap van het vloeistoflaagje aan de binnenkant van de wand wordt de wet van Laplace vaak toegepast op alveoli. Hierbij wordt dan meestal gebruikgemaakt van een afbeelding met een Y-stuk en twee ongelijke alveoli (. fig..10). In een kleine alveolus moet volgens de wet van Laplace een hogere druk heersen dan in een grote alveolus, met als gevolg dat de kleine alveolus zich zal legen in de naastgelegen grote alveolus. Dat dit in werkelijkheid niet gebeurt zou komen doordat kleine alveoli een grotere concentratie surfactant bevatten waardoor de oppervlaktespanning lager is. Echter, het is maar zeer de vraag of de wet van Laplace toepasbaar is op alveoli en als dit al zo is dan spelen ook andere factoren een rol in deze alveolaire dynamiek [1]. Alveoli zijn eigenlijk niet bolvormig maar veelhoekig en, belangrijker nog, kunnen niet los gezien worden van elkaar. Ze delen elkaars wanden en houden elkaar dus open zoals in een matrix. Het is dan ook de trekkracht uit de omringende weefselmatrix die voorkomt dat alveoli van verschillend formaat zich zullen legen in elkaar. Uiteraard kunnen delen van de long collaberen en atelectatisch worden, maar een individuele alveolus zal zich niet legen in een naastgelegen alveolus. In zoverre is de wet van Laplace dus niet toepasbaar op alveoli. Dit neemt uiteraard niet weg dat surfactant wel degelijk de oppervlaktespanning verlaagt en hiermee een belangrijke rol speelt in het open houden van alveoli. z Interstitiële ruimte De interstitiële ruimte, het interstitium, is de ruimte tussen alveolair epitheel en capillair endotheel en is te beschouwen als een flexibel raamwerk dat zich in de gehele long bevindt en zowel structurele componenten als diverse cellen bevat. Structurele componenten van de interstitiële ruimte zijn bijvoorbeeld collageenvezels en elastinevezels. Interstitiële cellen zijn onder andere collageenvormende fibroblasten, elastinevormende myofibroblasten, gladde spiercellen en cellen van het immuunsysteem. Het interstitium kan lokaal afwezig zijn waardoor epitheel en endotheel elkaar raken, dit bevordert de gaswisseling enorm. Het laatste celtype is de alveolaire macrofaag; deze bevindt zich in de alveolaire ruimte en heeft een functie bij de afweer.

16 0 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling z Longvolumina Het longvolume waarbij long- en thoraxkrachten met elkaar in evenwicht zijn heet de functionele residu capaciteit (FRC), en bedraagt bij een gezonde volwassen man circa.400 ml. Bij een inspiratie vergroten ademspieren de kracht van de naar buiten gerichte thoraxveer en zullen het gehele systeem thoraxwand en longen naar buiten trekken waarbij het diafragma tegelijkertijd naar beneden beweegt. Bij een normale inspiratie wordt een volume van 400 tot 600 ml verplaatst, het ademvolume of teugvolume. Het maximale teugvolume, de inspiratoire capaciteit, bedraagt circa ml. Ontspanning van de inspiratiespieren, zoals bij een normale passieve expiratie, brengt het geheel weer in evenwicht tot de functionele residu capaciteit. Bij een actieve expiratie wordt de thoraxveer juist naar binnen gericht waardoor de long kleiner wordt. Maximale expiratie leidt tot een minimaal longvolume van circa 1.00 ml, het restvolume. Zie voor een beschrijving van de verschillende longvolumina. fig..11 en. tab Ademvolume (AV): de hoeveelheid lucht die in rust per ademhaling wordt in- of uitgeademd. Ook wel teugvolume of tidal volume genoemd. 4 Inspiratoire reservevolume (IR): de hoeveelheid lucht die na een normale inademing extra ingeademd kan worden. 4 Expiratoire reservevolume (ER): de hoeveelheid lucht die na een normale uitademing extra uitgeademd kan worden. 4 Vitale capaciteit (VC): de hoeveelheid lucht die na een maximale uitademing maximaal kan worden ingeademd of na een maximale inademing maximaal kan worden uitgeademd. De vitale capaciteit is opgebouwd uit het ademvolume, de inspiratoire reserve en de expiratoire reserve. De vitale capaciteit hangt onder andere af van geslacht, leeftijd, lengte en training. De vitale capaciteit geeft informatie over de beweeglijkheid van de thorax en de elasticiteit van het longweefsel. 4 Residuaal volume of restvolume (R): de hoeveelheid lucht die in de longen achterblijft na een maximale uitademing. 4 Functionele residu capaciteit (FRC): de hoeveelheid lucht die na een normale uitademing nog in de longen aanwezig is; deze is opgebouwd uit het residuaal volume plus de expiratoire reserve. 4 Totale capaciteit (TC): de totale longinhoud. z Functionele residu capaciteit De functionele residu capaciteit is te beschouwen als buffervolume dat bij elke inspiratie voor een deel ververst wordt. Bij een intacte functionele residu capaciteit spreken we van een open long waarbij alle longdelen bij de gaswisseling betrokken zijn. Bij een atelectase is de functionele residu capaciteit afgenomen en de long niet meer volledig open waardoor gaswisseling en longmechanica verstoord raken. Voor het open houden van de long is een intacte thoraxwand belangrijk evenals het al genoemde surfactant dat de oppervlaktespanning van alveoli, en dus de elastische retractiekracht van de long, verlaagt. Ook het aanwezige stikstof (N ) speelt een rol bij het open houden van de long door zijn lage diffusiecoëfficiënt, één keer zo laag als die van zuurstof. Hierdoor heeft stikstof meer dan zuurstof de neiging in de alveoli te blijven en deze open te houden, iets wat bij hoge zuurstofconcentraties minder gebeurt. Ten slotte speelt de lichaamshouding een rol: in zittende of halfzittende houding is de functionele residu capaciteit groter dan in liggende houding. Bij mechanische beademing is de positief eind-expiratoire druk

17 .3 Thorax ml IR VC 500 ml TC AV 100 ml ER FRC 100 ml R R. Figuur.11 Longvolumes: TC totale capaciteit, VC vitale capaciteit, R residuaal volume, IR inspiratoire reserve, AV ademvolume of teugvolume, ER expiratoire reserve, FRC functionele residu capaciteit. Tabel.1 Longcapaciteit bij de gezonde, rechtopstaande mens vrouw 0 30 zwangere vrouw (à terme) man 0 30 man IR ml.050 ml ml.100 ml AV 500 ml 600 ml 500 ml 500 ml ER 800 ml 700 ml 1.00 ml ml VC 3.00 ml ml ml ml R ml 800 ml 1.00 ml.400 ml FRC ml ml.400 ml ml TC 4.00 ml ml ml ml (PEEP) belangrijk voor het open houden van de long en kan wel gezien worden als een pneumatische alveolaire stent. Zodra één of meerdere van deze factoren tekortschieten neemt de kans op longcollaps en atelectasevorming toe..3.6 Balans tussen thoraxwand en longen Longen en thoraxwand zijn via de pleurae met elkaar verbonden: als de thoraxwand beweegt bewegen de longen mee. In het longweefsel bestaat een naar binnen gerichte elastische kracht veroorzaakt door elastische en collagene vezels in het longweefsel en door de oppervlaktespanning van het vloeistoflaagje in de alveoli. Deze kracht trekt de thoraxwand uit zijn natuurlijke stand naar binnen, waardoor binnen de thoraxwand ook elastische krachten worden opgebouwd, deze zijn naar buiten gericht. Mechanisch gezien is er dus sprake van twee tegenovergestelde krachten, een longveer en een thoraxveer (. fig..1).

18 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling veermodel ruststand thoraxwand pleurale druk (subatmosferisch) 5 cmh O thoraxveer longveer pleurale spleet thoraxwand long pleura parietalis pleura pulmonalis. Figuur.1 Veermodel van de ruststand van de thorax. De pleurale druk bedraagt gemiddeld 5 cmh O De elastische krachten van longen en thoraxwand zien we in. fig..13, waar de individuele volume-drukcurves afzonderlijk en gecombineerd zijn afgebeeld..3.7 Pleuradruk De druk in de pleuraholte, de pleuradruk, wordt beïnvloed door de elastische krachten van longen en thoraxwand. Omdat de pleura parietalis met de thoraxwand is verbonden en de pleura visceralis met de longen, wordt aan beide pleurae dus tegenovergesteld getrokken. Bij spontane ademhaling zal dit resulteren in een negatieve pleuradruk van gemiddeld 5 cmh O. In staande en zittende positie speelt het hoogteverschil van de longen een rol en zal de pleuradruk aan de longtoppen lager, dus meer negatief zijn dan aan de longbasis. Aan de longtoppen zal de pleuradruk in staande en zittende positie ongeveer 10 cmh O bedragen, aan de longbasis cmh O.

19 .3 Thorax 3 % VC TLC thorax longen + thorax ruststand thoraxwand ademrustniveau longen FRC 0 1 RV longcollaps naar buiten gericht (cmh O) naar binnen gericht. Figuur.13 Volume-drukcurves voor longen en thorax afzonderlijk en gecombineerd. De positieve drukwaarden zijn naar binnen gerichte krachten, de negatieve drukwaarden naar buiten gerichte krachten. Bij longcollaps (1) is de naar binnen gerichte kracht in de long nul, er is alleen een naar buiten gerichte thoraxkracht waardoor de thorax in inspiratiestand zal staan. Maximaal actieve uitademing tot het restvolume () leidt tot een naar buiten gerichte kracht van longen + thorax. Bij de functionele residu capaciteit (3) zijn de naar binnen en de naar buiten gerichte krachten met elkaar in evenwicht. Bij toenemend krachtige inspiratie (4) en maximale inspiratie (5) zijn er nog uitsluitend naar binnen gerichte krachten in longen en thoraxwand aanwezig. De maximale uitrekking van de longen wordt uiteindelijk bepaald door collagene vezels in het longparenchym. VC vitale capaciteit; TLC totale longcapaciteit; FRC functionele residu capaciteit; RV residuaal volume Bij mechanische beademing wordt de pleuradruk behalve door de gebruikte beademingsdruk (Paw) ook bepaald door de verhouding tussen thoraxwandelasticiteit (Ecw) en de totale elasticiteit van longen en thoraxwand (Etot): Ppleura = Paw (Ecw/ Etot) Hieruit is op te maken dat de pleuradruk bij een stugge long lager zal zijn dan bij een soepele long, bij dezelfde beademingsdruk en thoraxwandelasticiteit. De combinatie die zal leiden tot de hoogste pleuradruk is die van lage longelasticiteit en hoge thoraxwandelasticiteit een soepele long en een stugge thoraxwand dus. De druk in de buik oefent via het diafragma invloed uit op de thoraxwandelasticiteit: hoe hoger de buikdruk, hoe hoger de thoraxwandelasticiteit, hoe hoger de pleuradruk []. Van de patiënten op de intensive care heeft gemiddeld 3 % een verhoogde buikdruk door ascites, darmoedeem of ileus [3]..3.8 Mediastinum Het mediastinum is het gebied tussen de twee longen. In het mediastinum bevinden zich het hart, de trachea, hoofdbronchiën, oesophagus, grote bloedvaten, ductus thoracicus, thymus en zenuwen zoals de nervus vagus en de nervus phrenicus.

20 4 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling Het hart is omgeven door het hartzakje (pericard), bestaande uit twee lagen, waarvan de buitenste fibreuze laag verbonden is met het diafragma, het sternum en de grote vaten. De binnenste laag, het viscerale pericard, is vergroeid met het hart. Tussen viscerale en pariëtale pericard bevindt zich de pericardiale ruimte, een met pericardvocht gevulde ruimte die soepele beweging van het hart binnen het pericard mogelijk moet maken..4 Longcirculatie De longen kennen twee bloedvoorzieningen, de pulmonale circulatie, ook wel de kleine circulatie genoemd, en de bronchiale circulatie, als onderdeel van de grote circulatie. De pulmonale circulatie staat in dienst van de zuurstofopname en kooldioxideafgifte voor het lichaam, de bronchiale circulatie is er voor de zuurstofvoorziening van de luchtwegen, pleurae, bloedvaten, zenuwen, lymfeklieren, oesophagus en bindweefselstructuren in de long zelf. De bronchiale circulatie speelt ook een rol bij de bevochtiging en verwarming van de ingeademde lucht, de vochtbalans van de luchtwegen en de opname van ingeademde stoffen..4.1 Pulmonale circulatie Veneus bloed met lage zuurstofconcentratie en hoge kooldioxideconcentratie komt via rechter atrium en tricuspidaalklep in de rechter ventrikel, het begin van de pulmonale circulatie. De rechter ventrikel pompt het bloed in de arteria pulmonalis waarbij de pulmonaalklep het terugstromen van bloed voorkomt. De rechter ventrikel is met zijn dunne wand niet geschikt om druk op te bouwen, het is vooral een volumekamer. De is de pompbeweging van linker ventrikel en septum samen die de vrije wand van de rechter ventrikel tegen het septum trekt waardoor bloed uit de rechter ventrikel in de arteria pulmonalis wordt gepompt (. fig..14). Adembewegingen hebben invloed op de pulmonale circulatie omdat ze intrathoracale drukveranderingen veroorzaken. Normale, dat wil zeggen niet-mechanische, ademhaling versterkt hiermee de pulmonale circulatie. z Capillaire longvaatbed De arteria pulmonalis splitst zich in een linker en rechter tak en via een sterk vertakkend systeem van dunwandige, korte en wijde arteriën en arteriolen komt het bloed in de longcapillairen. Deze capillairen omsluiten de alveoli als een dun laagje bloed waarmee een groot diffusieoppervlak verkregen wordt. De inhoud van het capillaire longvaatbed is in rust ongeveer 70 ml hetgeen ongeveer overeenkomt met het normale slagvolume van het hart bij een volwassene. In rust, bij een hartfrequentie van 60 slagen/minuut, is de bloed-luchtcontacttijd 1 seconde, ruim voldoende voor volledige gaswisseling van zuurstof en kooldioxide. Zuurstof heeft minimaal 0,3 seconde bloed-luchtcontacttijd nodig, kooldioxide 0,1 seconde. Bij inspanning kan de inhoud van het capillaire longvaatbed tot wel 00 ml toenemen door rekrutering van minder goed doorbloede longdelen zoals de longtoppen. Normaliter zal de bloed-luchtcontacttijd, zelfs bij een hoge hartfrequentie en verdubbeling van het slagvolume, voldoende zijn voor een adequate gaswisseling. Stel, de hartfrequentie is 150 slagen/ minuut en het slagvolume is 10 ml; per seconde stroomt dan (150 10)/60 = 300 ml bloed door het capillaire longvaatbed. Bij een capillaire longvaatbedinhoud van 00 ml is de bloed-luchtcontacttijd 0,67 seconde, ruim voldoende voor gezonde longen.

21 .4 Longcirculatie 5 aorta vena cava superior truncus pulmonalis rechter arteria pulmonalis linker arteria pulmonalis linkeratrium rechteratrium uitmonding sinus coronarius linker venae pulmonales peeskoordje vena cava inferior linker ventrikel rechter ventrikel septum. Figuur.14 Het hart met aan- en afvoerende bloedvaten; ventrale zijde, overlangse doorsnede z Longvaatweerstand Door de korte wijde arteriën en arteriolen en door het grote oppervlak van het longvaatbed is de vaatweerstand van de pulmonale circulatie normaliter tienmaal zo laag als die van de systemische, grote, circulatie. Aangezien door pulmonale en systemische circulatie evenveel bloed stroomt, is de bloeddruk in de pulmonale circulatie veel lager (wet van Ohm; U = I x R, waarbij U de bloeddruk is, I de bloedflow en R de vaatweerstand). De systolische druk in de arteria pulmonalis is ±5 mmhg, de diastolische druk ±10 mmhg. De druk in de longcapillairen is ±10 mmhg, lager dan de colloïd-osmotische druk, waardoor alveoli en interstitium droog gehouden worden. Als de capillaire druk hoger wordt dan de colloïd-osmotische druk kan interstitieel en alveolair oedeem ontstaan.

22 6 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling z Longvenen Het van zuurstof voorziene en van kooldioxide ontdane bloed verlaat de longcapillairen om via een veneus netwerk uit te komen in de longvenen (pulmonaalvenen). De longvenen twee per long, namelijk de vena pulmonalis inferior en superior monden uit in het linker atrium waar de pulmonale circulatie eindigt..4. Bronchiale circulatie De bronchiale circulatie begint bij bronchiale arteriën, gewoonlijk één voor de rechter long en twee voor de linker long, die ontspringen uit de thoracale aorta of uit de intercostaal arteriën. De bronchiale arteriën vertakken mee met de bronchiaalboom en eindigen ter hoogte van de bronchioli respiratorii. Na luchtwegen, pleurae en bindweefsel van zuurstofrijk bloed te hebben voorzien, volgt dit bloed twee routes terug naar het linker atrium, via de bronchiaalvenen of via de pulmonaalvenen. z Fysiologische rechts-linksshunt Het bloed dat met de bronchiaalvenen in het linker atrium aankomt is volledig veneus, het bloed dat via de pulmonaalvenen aankomt is arterieel, want het is in de alveolaire capillairen voorzien van zuurstof en ontdaan van kooldioxide. De veneuze bijmenging vanuit de bronchiaalvenen bedraagt ongeveer 0,5 % van het hartminuutvolume, dit wordt een fysiologische rechts-linksshunt genoemd. Een andere fysiologische rechts-linksshunt wordt veroorzaakt door veneuze bijmenging vanuit de Thebesiaanse venen die veneus bloed uit het myocard in het hart uitstorten. Deze shunt is groter dan die van de bronchiaalvenen zodat de totale fysiologische rechts-linksshunt uitkomt op 5 % van het hartminuutvolume..4.3 Lymfecirculatie Behalve bloedvaten zijn longen en pleurae ruim voorzien van lymfevaten en lymfeklieren. Het lymfatisch systeem volgt het verloop van de longvenen en voorkomt de ophoping van vocht in interstitium en alveoli. Lymfeweefsel ter hoogte van de bronchusbifurcatie, de carina, speelt een belangrijke rol bij de immuunrespons tegen respiratoire virale infecties..5 Zuurstof en kooldioxide De ademhaling bestaat uit een aantal processen met als doel het leveren van voldoende zuurstof aan de cellen in het lichaam en het verwijderen van het geproduceerde kooldioxide. Zuurstof is nodig voor de verbranding van glucose (C 6 H 1 O 6 ) waarbij energie vrijkomt in de vorm van adenosine trifosfaat (ATP). Hoewel lichaamscellen ook vetten en eiwitten kunnen verbranden heeft verbranding van glucose de voorkeur. Zolang voldoende zuurstof wordt aangeboden aan de cellen is er sprake van aërobe verbranding van glucose; wordt er onvoldoende zuurstof aangeboden dan zal anaërobe verbranding optreden. Anaërobe verbranding is minder efficiënt, levert minder energie op en gaat gepaard met de vorming van melkzuur (lactaat). Bij de verbranding van glucose komen kooldioxide en water vrij. Het kooldioxide wordt via het veneuze bloed naar de longen getransporteerd en vervolgens uitgeademd.

23 .5 Zuurstof en kooldioxide 7 Opname, transport en afgifte van zuurstof en kooldioxide verlopen via een keten van stappen en processen. Zoals elke keten is ook deze zo sterk als de zwakste schakel; is er een probleem met een bepaalde stap of proces dan kan het zuurstofaanbod (Do ) aan de cellen te laag worden en/of wordt de uitscheiding van kooldioxide belemmerd. Het lichaam heeft geen zuurstofvoorraad: de beschikbare zuurstof voor de cellen zit in de arteriën en is binnen enkele minuten opgebruikt als de toevoer stagneert. Onder bepaalde omstandigheden, bijvoorbeeld voor endotracheale intubatie, kan door middel van pre-oxygenatie de arteriële zuurstofvoorraad kortdurend verhoogd worden om tijdens de intubatie het risico op hypoxemie te verkleinen. Bij adequate circulatie en ventilatie wordt evenveel kooldioxide uitgeademd als er bij de verbranding geproduceerd wordt. Bij falen van circulatie en/of ventilatie zal kooldioxide zich ophopen in de weefsels, met name de spieren vormen een grote buffercapaciteit [4]..5.1 Alveolaire zuurstofdruk Kamerlucht (buitenlucht) bestaat voor circa 1 % uit zuurstof, 78 % stikstof en de resterende 1 % uit kooldioxide, edelgassen en waterdamp. De eerste factor die belangrijk is voor de hoeveelheid zuurstof in het bloed is de partiële alveolaire zuurstofdruk (Pao ). Deze wordt bepaald door de zuurstoffractie (Fio ), de luchtdruk (Pb), de partiële alveolaire kooldioxidedruk (Paco ), de waterdampspanning (Ph o) en het Respiratoir Quotiënt (RQ). Pao = Fio (Pb Ph o) Paco / RQ Met kamerlucht (Fio 0,1) op zeeniveau (luchtdruk 1 atmosfeer = 101,3 kpa), een Ph o van 6,3 kpa bij 37 C en een RQ van 0,85 volgt hieruit: Pao = 0,1 (101,3 6,3) Paco /0,85. Aangezien bij gezonde longen de Paco gelijk is aan de Paco (de partiële arteriële kooldioxidedruk) kunnen we stellen dat: Pao = 0,1(101,3 6,3) Paco /0,85 Een afname van de Pao kan optreden in een zuurstofarme ruimte, bij verblijf op grote hoogte en bij hypoventilatie. Een toename van de Pao zien we onder andere bij gebruik van een hogere Fio en bij een hogere luchtdruk, denk in het laatste geval aan hyperbare zuurstoftherapie. De alveolaire-arteriële (A-a) zuurstofgradiënt is het verschil tussen Pao en Pao en is een maat voor de kwaliteit van de alveolo-capillaire membraan. De normale A-a-gradiënt voor een gezonde niet-rokende jongvolwassene is ±1 kpa. Deze ontstaat door veneuze bijmenging vanuit de bronchiale circulatie en Thebesiaanse venen. Met het toenemen van de leeftijd neemt de A-a-gradiënt toe met ±0,13 kpa per tien jaar. Een abnormaal hoge A-a-gradiënt zien we bijvoorbeeld bij diffusiestoornissen en ventilatie-perfusiestoornissen. Hypoventilatie bij gezonde longen zal leiden tot hypoxemie met een normale A-a-gradiënt..5. Ventilatie Onder ventilatie verstaan we de verplaatsing van lucht met de ademhaling. Met een inspiratie wordt zuurstofrijke en kooldioxidearme lucht naar de longen getransporteerd, met een expiratie wordt zuurstofarme en kooldioxiderijke lucht afgevoerd. Bij gezonde volwassenen in rust

24 8 Hoofdstuk Anatomie en fysiologie van de ademhaling bedraagt de ademfrequentie 10 à 15 ah/min en het teugvolume ml afhankelijk van lichaamsgrootte en conditie. Het ademminuutvolume (AMV = ademfrequentie teugvolume) is een maat voor de ventilatie. z Ventilatiebehoefte In rust en bij lichte inspanning worden ventilatie en ademminuutvolume bepaald door stofwisseling, Pco -setpoint van het ademcentrum en de dode ruimte. Neemt de stofwisseling toe, bijvoorbeeld bij koorts of lichte inspanning, dan wordt meer kooldioxide geproduceerd en zal het ademminuutvolume toenemen om te voorkomen dat het Paco gaat afwijken van het Pco -setpoint, dit wordt de hypercapnische ventilatoire respons genoemd. De gevoeligheid van dit regelmechanisme is zo hoog dat stimulatie van het ademcentrum al optreedt terwijl de Paco nog niet eens verhoogd is (. fig..15). Ook hypoxemie kan leiden tot verhoging van het ademminuutvolume, de hypoxemische ventilatoire respons, via stimulatie van perifere chemoreceptoren in de carotiden. De gevoeligheid van dit regelmechanisme is niet erg groot, stimulatie van het ademcentrum treedt namelijk pas op bij een Pao < 8 kpa (. fig..16). Bij verdere toename van de lichamelijke inspanning is er steeds minder relatie tussen Paco en Pao enerzijds en het ademminuutvolume anderzijds. Andere stimuli bepalen dan vooral het ademminuutvolume, zoals signalen uit contraherende spieren en signalen uit het temperatuurscentrum in de hypothalamus. Tijdens de slaap neemt de ventilatie af door een aantal factoren: de stofwisseling staat op een lager pitje, er wordt dus minder kooldioxide geproduceerd, maar ook neemt de gevoeligheid van het ademcentrum af voor een hoge Paco of een lage Pao. z Hypoventilatie en hyperventilatie Een normaal Paco (35 48 mmhg of 4,7 6,4 kpa) betekent dat het ademminuutvolume adequaat is voor het geproduceerde kooldioxide. Hypoventilatie een te laag ademminuutvolume in verhouding tot het geproduceerde kooldioxide leidt tot hypercapnie (Paco > 48 mmhg of 6,4 kpa). Hyperventilatie, een te hoog ademminuutvolume in verhouding tot het geproduceerde kooldioxide, leidt tot hypocapnie (Paco < 35 mmhg of 4,7 kpa). Bij normale fysiologie is het lichaam, zelfs bij grote inspanning, altijd in staat om het geproduceerde kooldioxide adequaat te verwerken en zo hypercapnie te voorkomen..5.3 Ventilatie-perfusieverhouding De ventilatie-perfusieverhouding ( V/ Q) geeft de verhouding weer tussen ademminuutvolume en hartminuutvolume (HMV). Bij een gemiddelde volwassene in rust is het ademminuutvolume 4 L/min en het hartminuutvolume 5 L/min, resulterend in een globale ventilatie-perfusieverhouding van 4/5 ofwel 0,8. In liggende positie is de ventilatie/perfusieverhouding ongeveer 0,8 voor de gehele long, in zittende en staande positie zien we de ventilatie/perfusieverhouding veranderen van longbasis naar longtoppen. In zittende en staande positie is er meer ventilatie in de longbasis dan in de longtoppen omdat de alveoli in de longbasis kleiner zijn en dus meer in volume kunnen toenemen dan de grotere alveoli in de longtoppen. In zittende en staande positie is de perfusie in de longbasis veel groter dan in

25 .5 Zuurstof en kooldioxide 9 30 hypercapnische ventilatoire respons ventilatie (L/min) PaCO (kpa). Figuur.15 Normale ventilatoire respons op hypercapnie; tussen haakjes de normale range voor het Paco 30 hypoxemische ventilatoire respons ventilatie (L/min) PaO (kpa). Figuur.16 Normale ventilatoire respons op hypoxemie; tussen haakjes de normale range voor het Pao de longtoppen, met name door effecten van de zwaartekracht op de circulatie in de longen (. fig..17). Een normale ventilatie-perfusieverhouding is een voorwaarde voor een goede gaswisseling..5.4 Dode ruimte ventilatie De dode ruimte is dat deel van de ingeademde lucht dat niet in contact komt met het pulmonale capillaire bloed en daarom niet deelneemt aan de gaswisseling verkwiste ventilatie dus. Er bestaan twee soorten dode ruimte, de anatomische en de alveolaire dode ruimte en samen vormen ze de totale ofwel fysiologische dode ruimte.