HC29&30: Longmechanica

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de mechanica van de longen toegelicht en wordt uitgelegd van welke fysische factoren de longen afhankelijk zijn
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Anatomie van ventilatie en perfusie

De mechanica van de ademhaling is ten dienste van de alveolaire gaswisseling. In de alveoli vindt perfusie en ventilatie plaats:

• Perfusie: doorbloeding
• Ventilatie: luchtdoorstroming
  • Alveolaire ventilatie: VA
  • Dode ruimte ventilatie: VD
    • Anatomische dode ruimte: het gedeelte van de luchtwegen waar geen gaswisseling plaatsvindt
    • Fysiologische dode ruimte: alveoli die wel worden geventileerd maar niet worden doorbloed (worden vaak pas doorbloed bij inspanning)
  • Totale ventilatie VT= VA+ VD
    • Een deel van de ingeademde lucht blijft in de dode ruimte, het restant gaat naar de alveoli

Dankzij perfusie en ventilatie komt O₂ uit de lucht in het bloed en komt CO₂ uit het bloed in de lucht.

Mechanica

De long en de thoraxwand hebben een aantal mechanische eigenschappen die de alveolaire ventilatie bepalen:

• Elasticiteit
• Weerstand
• Drukken
• Surfactans

Door deze eigenschappen is de long het beste te vergelijken met een ballon: als een ballon opgeblazen wordt, rekt hij mee. Het streefvolume van een ballon is als hij niet onopgeblazen is. Net als een ballon, is het streefvolume van een long heel klein. 

Twee longen zijn in een soort "trommel" opgehangen. Deze kan van volume veranderen, waarbij de long volgt. Bij de inademing wordt lucht naar binnen gezogen, bij de uitademing wordt lucht naar buiten geduwd. Dit wordt tot stand gebracht door spieren, die de trommel groter en kleiner kunnen maken. De drukken veranderen op pleuraal niveau: als de druk negatief is, ontstaat er een sterke negatieve druk in de thorax → de long trekt mee en inademing wordt mogelijk. 

Elasticiteit

Elasticiteit is het vermogen om terug te keren naar de rusttoestand. Het omgekeerde is de compliantie, het vermogen om mee te geven met een opgelegde kracht. De long is van de trachea tot aan de pleura één groot elastisch netwerk, vol elastische vezels. Bij een rustige inademing wordt alleen het diafragma gebruikt, de uitademing is passief omdat de longen dankzij hun elasticiteit vanzelf terugveren.

Organen met elasticiteit hebben een streefvolume. Elasticiteit is gericht richting het streefvolume. Dit gebeurt bij een klaplong: de vacuümzegel tussen de long- en thoraxwand wordt verbroken, waardoor de long- en thoraxwand los van elkaar raken. Bij een klaplong zet de thoraxwand aan de zijde van de klaplong uit:

• Het streefvolume van de long is klein
• Het streefvolume van de thorax is groot

Op deze manier houden long en thorax elkaar in evenwicht.

De compliantiecurve

De elastische eigenschappen van de long en thoraxwand worden weergegeven in de compliantiecurve:

• Y-as: TLC (total lung capacity)
• X-as: de druk
• Druk van de thoraxwand: wil bij een klein volume de long groter maken → is negatief
• Druk van de long: wil bij een klein volume kleiner worden → is positief
• Systeemcurve: de twee drukken bij elkaar opgeteld → de druk van het hele systeem
• Het punt waarop de druk gelijk is aan 0 is het rustpunt
  • Bij de thoraxwand is dit bij een groot volume
  • Bij de longwand is dit bij een minimaal volume
  • Bij de systeemcurve is dit bij ongeveer de helft van het volume
    • Dit is het FRC (functioneel residual capacity): het volume dat in de long achterblijft na een rustige uitademing
    • Hier is de kracht die nodig is om in en uit te ademen even groot → de horizontale afstand tot beide curves is gelijk

De druk wordt dus tegen de vulling van de long in procenten van de TLC uitgezet.

De compliantiecurve is niet lineair: een inademing van 70% naar 90% TLC kost meer arbeid dan van 50% naar 70% TLC → hoe hoger het volume, hoe meer arbeid het kost:

• Bij inademing heft de thoraxwand al automatisch een beetje mee → een rustige ademhaling kost heel weinig energie
• Als het volume groter wordt, wordt de compliantiecurve minder stijl → de elastinevezels komen steeds meer op rek te staan
  • De arbeid die dit kost is zichtbaar in de systeemcurve: de oppervlakte van de curve tot de lijn waarbij de druk 0 is
    • De oppervlakte van de longcurve + thoraxcurve
      • De lijn van de thoraxcurve begint met een negatieve druk → arbeid
    • Een extreme inademing kost energie → de curve loopt aan de positieve kant
• Weerstand kan aangegeven worden met een boogje: de oppervlakte wordt iets groter, er is iets meer energie nodig

Adipositas en longfibrose:

Een probleem met ademarbeid veroorzaakt kortademigheid. Dit kan op twee manieren:

• De compliantie van de longwand neemt af: longfibrose
  • De compliantie van de long neemt af door littekenweefsel (bindweefsel)
  • Het kost meer moeite om de longen op te blazen
  • Op een thoraxfoto is meer wit weefsel zichtbaar
  • Bij inademing is het openspringen van groepjes weefsel hoorbaar ("tok-tok-tok")
  • De compliantiecurve van de long wordt vlakker en schuift naar rechts → de systeemcurve wordt vlakker → er is meer arbeid nodig om hetzelfde volume te bereiken → het oppervlak wordt groter
  • Het FRC punt wordt minder
• De compliantie van de thoraxwand neemt af: FRC adipositas
  • Gebeurt bij overgewicht, extra gewicht op de longen of een vergroeiing van de ruggengraat
  • De compliantiecurve van de thorax verplaatst naar rechts en wordt vlakker → de systeemcurve verplaatst naar rechts en wordt vlakker → het oppervlak wordt groter
  • Het FRC punt wordt minder

Weerstand

Doordat de lucht door de bronchiën moet bewegen is er ook weerstand:

• R = 8nl/pr⁴
• De middelgrote bronchi van een gezonde long hebben de grootste weerstand
• Individuele bronchiolen zijn klein maar hebben een groot stroomgebied: ze zijn parallel geschakeld, waardoor de totale weerstand niet heel groot is

Luchtwegobstructie:

Een luchtwegobstructie zorgt voor een nauwere doorgang met meer weerstand door:

• Samentrekken van de spieren in de wand
• Wandveranderingen

Hierbij spelen vooral de kleine luchtwegen een rol. Twee bekende vormen van kortademigheid zijn:

• Astma: obstructie is reversibel/periodiek → er zijn veel momenten waarbij astmapatiënten geen klachten hebben
• COPD: de obstructie is altijd aanwezig

Kenmerken van beide aandoeningen zijn een piepende ademhaling. Door de grotere weerstand is er meer arbeid nodig om te ademen, lucht kan moeilijker in de kleine vaten komen. Hierdoor ontstaat kortademigheid. De weerstand is hier vooral in de kleinere luchtwegen toegenomen.

Druk

Er zijn verschillende drukken aanwezig in de longen:

• Alveolaire druk: druk aanwezig in de alveoli
  • Is altijd hoger dan de intrapleurale druk → diffusie kan plaatsvinden
  • Is tijdens inademen negatief: lucht kan vanuit de atmosfeer naar binnen komen
  • Wordt bij uitademen positief
• Intrapleurale druk: drukverschil tussen de pariëtale en viscerale pleura
  • Is bij een rustige ademhaling altijd negatief → de thoraxwand en de longen trekken een andere kant op
    • Bij een krachtige uitademing wordt de druk wel positief
  • Bij inademing is de druk altijd lager dan bij uitademing
• Transmurale druk van het systeem: drukverschil tussen de atmosfeer en alveoli
• Transmurale druk over de thoraxwand: drukverschil tussen de atmosferische druk en pleuraholte
• Intra-extraälveolaire transmurale druk/transpulmonale druk: drukverschil tussen alveoli en de pleuraholte

Ballon-experiment:

Als twee gelijkwaardige ballonnen met elkaar verbonden en afgesloten van de luchtaanvoer worden, wordt de grootste blaas iets groter en de kleinste blaas iets kleiner → het kost meer moeite om de kleine blaas te vergroten dan de grote blaas:

• P = 2T/r
  • P = de druk
  • T = de wandspanning
  • r = de radius

Bij een ongeveer gelijke wandspanning is de druk in de grote blaas lager: lucht stroomt van hoge naar lage druk → de kleinste blaas wordt kleiner, de grote blaas wordt groter.

Surfactans

Surfactans is een stof die de oppervlaktespanning verlaagt: 

• Wordt geproduceerd door type 2 pneumocyten (alveolaire cellen)
  • Komen rond week 24-30 van de zwangerschap pas tot ontwikkeling
• Stabiliseert de collaps, de compliantie en de droogte van de alveoli
  • De alveoli willen het liefste naar binnen inklappen → er is altijd een vector (wandspanning) naar binnen gericht → wordt vergroot door het aanwezige vocht afkomstig uit de capillairen
    • Water zit als een "vel" op het oppervlak, wat de spanning vergroot
  • Hysterese: het tegengaan van de collaps tijdens expiratie is nog krachtiger dan het faciliteren van volumetoename tijdens inspiratie → de surfactans-curve tijdens in- en uitademing verloopt niet hetzelfde

Surfactans maakt de long dus soepeler door de oppervlaktespanning te verlagen.

Regionale compliantieverschillen

In de luchtwegen zijn er regionaal verschillen in de compliantie:

• Door gewicht van de long: alveoli bovenin hebben een negatievere druk → kunnen verder open
  • Door het extra gewicht van de long op de pleuraholte wordt de druk beneden minder negatief: bovenin wordt eraan getrokken
• Door de zwaartekracht: apicaal (bovenin) is de intrapleurale druk lager dan basaal (onderin) → het volume van de alveoli is boven hoger dan beneden
  • Beneden zijn de alveoli klein, maar door hun stijlere compliantiecurve kunnen ze sneller uitrekken → apicale alveoli ventileren ondanks hun grootte minder goed dan basale alveoli

De alveoli bovenin staan dus wijd open, maar ventileren slechter.