Auteur(s): C. Riezebos, F. Krijgsman, A. Lagerberg Titel: De effektiviteit van borst- en buikademhaling Jaargang: 7 Jaartal: 1989 Nummer: 4 Oorspronkelijke paginanummers: 202-215 Deze online uitgave mag, onder duidelijke bronvermelding, vrij gebruikt worden voor (para-) medische, informatieve en educatieve doeleinden en ander niet-commercieel gebruik. Zonder kosten te downloaden van: www.versus.nl
De effektiviteit van borst- en buikademhaling Chris Riezebos Frank Krijgsman Aad Lagerberg In deze rubriek wordt problematiek uit de dagelijkse praktijk aangedragen. Om het theoretisch kader rond deze problemen te verbreden en waar mogelijk te verdiepen doen wij een beroep op U. Aan het slot van de presentatie van het probleem worden U enkele vragen voorgelegd. Wij nodigen U uit Uw antwoorden dienaangaande aan ons mee te delen via het bijgevoegde antwoordformulier. Natuurlijk staat het U vrij, aanvullend kommentaar te leveren op het antwoordformulier. Het is niet noodzakelijk alle vragen te beantwoorden, ook gedeeltelijk ingevulde formulieren zijn van harte welkom. De verzamelde antwoorden worden in een volgende aflevering van deze rubriek gepubliceerd. Inleiding Bij de behandeling van ademhalingsproblematiek wordt binnen de fysiotherapie over het algemeen meer aandacht besteed aan de stimulatie van de diafragmale ademhaling dan aan het verbeteren van de ribheffing. Een reden hiervoor is niet eenvoudig te geven. Kennelijk wordt er impliciet van uit gegaan dat de diafragmale ademhaling "beter" voor de patiënt is dan de borstademhaling. Hierna zal aan de hand van een aantal modellen van de thorax de invloed van de daling van het diafragma en het heffen van de ribben op de hoeveelheid verplaatste lucht worden beschouwd. In de volgende aflevering van deze rubriek zal worden ingegaan op het belang van deze mechanismen bij de patiënt met astma. Modelmatige analyse van de ademhaling Aan het op de nederlandse opleidingen voor fysiotherapie veel gebruikte boek "Fysiologie van de mens" van Bernards en Bouwman (2) ontlenen we het volgende citaat: "Wanneer men zich de borstkas voorstelt als een cilinder met een diameter van 25 cm en het diafragma als een zich hierin verplaatsende zuiger, dan geeft een verplaatsing van 1 cm reeds een verandering van de cilinderinhoud van (π R 2 h) = 3.14 12.5 2 1 = 491 ml. Dit is praktisch het normale ademvolume in rust." Het voorbeeld suggereert dat er sprake is van een uiterst effektief mechanisme, hetgeen overigens ongetwijfeld juist is. In het aangehaalde voorbeeld wordt echter géén vergelijking gemaakt tussen het vergroten van de hoogte en het vergroten van de diameter van de cilinder: beide leiden immers tot een toename van het volume. Bij de mens wordt het vergroten van de hoogte van de cilinder gerealiseerd door het verplaatsen van het diafragma. De toename van de diameter wordt, zoals we later zullen zien, bewerkstelligd door het heffen van de ribben. De formule voor de inhoud van een cilinder is als volgt: V = π R 2 H waarin: V = volume π = 3.14 R = straal H = hoogte Deze formule laat zien dat de straal in het kwadraat "aantelt", terwijl de hoogte slechts lineair in de formule voorkomt. Om enig inzicht te krijgen in de verhouding waarin verandering van beide parameters (straal en hoogte) van de thorax bijdragen aan het vergroten van het volume zullen hierna een aantal modellen worden besproken.
Volume-vergroting door diafragma-daling In eerste instantie stellen we, in navolging van het door Bernards en Bouman gehanteerde model, de thorax voor als een cirkelcilinder. Dit model wordt weergegeven in figuur 1. Figuur 1. De thorax wordt voorgesteld als een cilinder. straal (Rl) = 12.5 cm hoogte (H) = 44.0 cm. (De hoogte is gekozen op basis van metingen aan een skeletpreparaat). Laten we nu eens veronderstellen dat het vergroten van het volume van de thorax uitsluitend zou worden bewerkstelligd door een daling van het diafragma. In het cilinder-model wordt deze daling van het diafragma voorgesteld door het verlengen van de cilinder. In figuur 2 wordt de situatie weergegeven bij een daling van het diafragma van 1 cm. De volumevergroting blijkt, zoals reeds gezegd, 491 ml te bedragen. Figuur 2. Modelmatige weergave van de volumetoename door een daling van het diafragma. Het volume wordt berekend 2 met: V = π R H waarin: V = volume, π = 3.14, R = straal, H = hoogte. Het oorspronkelijke volume van de thorax was: V = π 12.5 2 44 = 21598. 4ml Het nieuwe volume na daling van het diafragma wordt: V = π 12.5 2 (44 + 1) = 22089. 3ml Er is dus een absolute toename van het volume van: 22089.3-21598.4 = (afgerond) 491 ml. We zien hier overigens dat het totale volume van de thorax zo rond de 22 liter ligt. Het maximaal voor de lucht beschikbare volume is uiteraard veel kleiner. Dit komt doordat het longweefsel zelf, het hart
en andere strukturen in de thorax een groot deel van de beschikbare ruimte innemen. Tevens heeft de thorax ter hoogte van de eerste rib een veel kleinere diameter dan ter hoogte van de onderste ribbenboog. In werkelijkheid bedraagt het voor lucht beschikbare volume dan ook gemiddeld ongeveer 5 tot 6 liter (2). Voor het vergelijken van de invloed van de genoemde parameters op de absolute vergroting van het volume is dit echter niet van belang. Volume-vergroting door rib-heffing Vervolgens veronderstellen we dat het vergroten van het volume van de thorax uitsluitend tot stand zou komen door rib-heffing. In het cilinder-model wordt dit voorgesteld door het vergroten van de straal. Voor een identieke volume-vergroting (491 ml) als bereikt door een diafragma-daling van 1 cm blijkt een toename van de straal met 1 mm noodzakelijk te zijn (figuur 3). Figuur 3. Modelmatige weergave van de volumevergroting van de thorax door het vergroten van de straal van de cilinder. De straal wordt berekend met: V R = π H waarin: R = straal V = volume π = 3.14 H = hoogte Invulling van de waarden geeft: 22089.3 R = = 12. 6cm 3.14 44 Om een gelijke volumevergroting van de thorax te verkrijgen als door een daling van het diafragma van 1 cm hoeft de straal slechts 12.6-12.5 = 1 mm toe te nemen (zie figuur 1 voor uitgangswaarden). (In deze figuur is de straalvergroting sterk overdreven weergegeven ). Het uit dit voorbeeld konkluderen dat de borstademhaling "dus 10 keer effektiever is dan de buikademhaling" (1 mm ten opzichte van 1 cm) is voor de hand liggend, doch onjuist. Immers we dienen ons hierbij te realiseren hoe de straalvergroting van de thorax in werkelijkheid tot stand komt. Dit gebeurt, zoals algemeen bekend, door het heffen van de ribben. Alhoewel in werkelijkheid de vergroting van de straal in het frontale en saggitale vlak niet gelijk is en verschilt per ribniveau, samenhangend met de oriëntatie van de gewrichts assen (1), zullen we dit hier verder verwaarlozen.
Een gewijzigd model van de thorax, waarin de heffing van de ribben kan worden gesimuleerd wordt gegeven in figuur 4. Figuur 4. De thorax voorgesteld als een dubbel afgeknotte cirkelcilinder. L = straal van de "ribring" (sternum-rib-wervel-rib-sternum). R = straal van de cilinder. H = hoogte Er is hier sprake van een dubbel-afgeknotte cirkelcilinder. Het volume hiervan moet berekend worden met dezelfde formule als hierboven is gegeven voor de niet-afgeknotte cilinder. Hierbij moet met name gelet worden op het gegeven dat de straal van de ring gevormd door: wervelkolom - linkerrib - sternum - rechterrib - wervelkolom, nu niet meer gelijk is aan de straal van de cilinder zelf. In de figuur worden beide aangeduid met resp. L en R. Voor het berekenen van het volume is slechts de straal R van belang. De straal R wordt bij een gegeven straal L bepaald door de hoekstand die de ribben maken met de horizontaal (figuur 4). Indien we weer een daling van het diafragma van 1 cm simuleren door de hoogte H met 1 cm te laten toenemen, dan vinden we, gezien de gelijkgehouden waarden, uiteraard dezelfde uitkomst als hierboven al beschreven: 21598.4 ml in de ruststand en 22089.3 ml na daling van het diafragma, dus een volumetoename van 491 ml. De vraag is nu: hoeveel rotatie moeten de ribben ondergaan om een zodanige straalvergroting van de thorax te bereiken dat de volume toename gelijk is aan die bij de daling van het diafragma? Hierboven is al gevonden dat de noodzakelijke lengte van de straal van het gebruikte model dan 12.6 cm zou moeten bedragen. De vraag kan dan ook anders gesteld worden: hoeveel rotatie moeten de ribben ondergaan om een toename van R van 0.1 cm te bewerkstelligen? De situatie wordt weergegeven in figuur 5. Figuur 5. De relatie tussen de straal van de "ribring" L en de straal van de cilinder R (zie figuur 4). R L = cosα (α is de hoek die de ribben maken met de horizontaal. De hier aangenomen waarde van 20 is het gemiddelde van metingen aan proefpersonen. De nauwkeurigheid van de door ons gebruikte ribhoek is voor de analyse niet wezenlijk van belang). Hierin zien we dat de straal van de "ribring" (L) gelijk is aan: de straal van de thorax (R) gedeeld door de cosinus van de hoek (α) welke de ribben maken met de horizontaal. Bij de in de uitgangspositie gekozen straal R van 12.5 cm en een hoek van de ribben met de horizontaal van 20 bedraagt de straal van de ribring" L: L = 12.5 13. 3cm 0 cos20 = Indien we nu veronderstellen dat de ribben tijdens de inspiratie niet van vorm veranderen (wat in werkelijkheid overigens wel het geval is) dan is de cosinus van de hoek (α) om een straal (R) van 12.6 cm te verkrijgen: R 12.6 cos α = = = 0.950310451 L 13.3 (De cosinus is berekend met behulp van de niet afgeronde getallen resp.: R = 12.64124074 en L = 13.30222216). Hoek α is dan gelijk aan: arccos 0.950310451 = 18.1.
Hieruit blijkt dat om een gelijke volumetoename te verkrijgen als bij een daling van het diafragma van 1 cm de ribben over ongeveer 20-18.1 = 1.9 geroteerd moeten worden naar inspiratie. Diskussie Op dit moment worden wij voor de volgende merkwaardige vraag gesteld: "Wat is effektiever voor wat betreft de ademhaling: het laten dalen van het diafragma met 1 cm of het heffen van de ribben over 1.9?" (zie figuur 6 voor een visualisatie van beide parameters). Figuur 6. Grafische voorstelling van een hoek van 1.9 0 en een lengte van 1 cm welke bij respectievelijk borst- en buikademhaling nodig zijn voor eenzelfde volumeverandering. Het probleem hierbij is dat we niet kunnen uitmaken hoeveel energie de beide handelingen een individu zouden kosten. Alhoewel de ribheffing een beweging tegen de zwaartekracht in is en het dalen van het diafragma met de zwaartekracht mee gaat is hier geen sprake van een mogelijkheid tot vergelijken. Immers, het diafragma ondervindt een onbekende tegenkracht in de vorm van de weerstand die de buikorganen tegen vervorming leveren in samenhang met de spanning van de buikwand. Ook de elastische vervorming van het met het diafragma verbonden hart levert een tegenkracht van onbekende grootte. Over de verhouding in grootte tussen de zwaartekracht en de laatst genoemde, onbekende, krachten bestaat geen inzicht, dus evenmin in de benodigde energie voor beide handelingen. Het lijkt er gezien het bovenstaande op dat de vraag: "wat is effektiever, borst- of buikademhaling" het vergelijken inhoudt van de bekende knollen met citroenen. De hierboven geschetste problemen kunnen met behulp van Uw opmerkingen belangrijk worden verduidelijkt. Indien U mee wilt werken aan deze rubriek verzoeken wij U vriendelijk het hieronder staande antwoordenformulier voor: 31 oktober aan ons toe te zenden. In een volgende aflevering van dit tijdschrift zullen de gebundelde resultaten worden gepubliceerd. Wij danken U bij voorbaat voor Uw medewerking. VRAGENLIJST: 01. Diafragmale ademhaling is "beter" dan thoracale ademhaling. a. De volgende argumenten ondersteunen deze stelling volgens U:... b. De volgende argumenten weerspreken deze stelling volgens U:... 02. Welke suggesties heeft U om de gebruikte cilindermodellen te verbeteren of te vervangen. Ook indien U niet alle vragen heeft beantwoord, wordt U van harte uitgenodigd Uw antwoorden in te sturen aan: VERSUS antwoordnummer 84317 2508 WB Den Haag (Een postzegel plakken is dus niet nodig). Wilt U uw antwoorden toelichten? Graag!
LITERATUUR 1. Backelandt R. Ribbewegingen tijdens de ademhaling. Haags Tijdschrift voor fysiotherapie. 4e jaargang 1986, nr. 1, p. 10-36. 2. Bernards J., Bouman L. Fysiologie van de mens. Academische paperbacks Oosthoeks Uitgeversmij. (Utrecht), 1974.