Werkcollege 1 Long mechanica, ventilatie (& dyspneu)
Zelfstudie bij WC1
De doelstelling van deze zelfstudie is het verkrijgen van meer begrip over ventilatie: het transport van lucht van en
naar de longen.
In deze zelfstudie besteden we vooral aandacht aan de mechanica (statisch en dynamisch) die komt kijken bij
ventilatie, zoals de veranderingen van druk en volume.
Deze ZS bestaat uit de volgende onderdelen:
- Onderwerp 1: partiële drukken
- Onderwerp 2: druk en volume van een gas
- Onderwerp 3: compliantie, elasticiteit en drukken in de long
- Vraag 1a t/m 1k van het werkcollege, die dus ook voorafgaand aan het werkcollege gemaakt moeten
worden.
Onderwerp 1. Partiële drukken
Om inzicht krijgen in de gasuitwisseling tussen alveoli en bloed is het belangrijk om eerst te begrijpen hoe een gas zich
in de lucht gedraagt en via welke wetten dit kan worden beschreven.
In het hoorcollege is al ingegaan op de samenstelling van de lucht en de partiële druk van een gas.
Achtergrondinformatie
De wet van Dalton stelt dat de som van alle partiële drukken van de gassen in een mengsel gelijk is aan de totale druk
van het gasmengsel.
Partiële druk van een gas = Patm x % gas in de atmosfeer. Patm = druk in atmosfeer.
In vochtige lucht zorgt waterdamp ervoor dat de bijdrage van de andere gassen in het mengsel ‘verdund’ wordt.
Partiële druk van een gas in vochtige lucht =
(Patm – PH2O) x % gas
De druk in de atmosfeer is 760 mmHg en het zuurstofpercentage 21%, bij 0% luchtvochtigheid. De partiële druk van
waterdamp in ingeademde lucht is 47 mm Hg wanneer de ingeademde lucht volledig bevochtigd is (luchtvochtigheid
100%).
a) Wat is de partiële druk van zuurstof (in mm Hg) in de ingeademde lucht bij 100% luchtvochtigheid? De totale
druk blijft 1 atmosfeer.
760-47 x 0,21 = 149,73
Onderwerp 2. Druk en volume van een gas; de ideale gaswet en Boyle’s law
De stroming van lucht in de luchtwegen lijkt in veel aspecten op de stroming van bloed in het circulatoire systeem. Zo
geldt dat Flow (𝑉̇) ∝ ΔP/R. Het belangrijkste verschil is dat lucht, in tegenstelling tot bloed, bestaat uit een
samendrukbaar mengsel van verschillende gassen.
In het respiratoire systeem zorgt verandering van het volume van de thorax (borstkas) voor het ontstaan van een
drukgradiënt. Deze drukgradiënt zorgt dat lucht gaat stromen tijdens inspiratie en expiratie.
a) Hoe zijn onder normale omstandigheden de druk en het volume van een gas aan elkaar gerelateerd? Noteer de
ideale gaswet.
Px V = n x R x T
1
,In een homeotherm dier kunnen we de vereenvoudigde wet van Boyle gebruiken om aan te geven hoe druk en volume
van lucht in de longen samenhangen, als we veronderstellen dat de hoeveelheid gas in de longen constant is
(vergelijkbaar met het vergroten of verkleinen van je borstkas met dichtgehouden neus en mond).
b) Noteer Boyle’s law voor een gas of een mengsel van gassen.
P1 x V1 = P2 x V2
c) Hoe verandert dus de druk als alleen het volume van een gas toeneemt?
` neemt af
d) Waardoor kan lucht zich vervolgens van de atmosfeer naar de longen verplaatsen? Welke invloed heeft de
weerstand van de luchtwegen op de luchtstroom?
De druk in de longen neemt af door het uizetten van de longen (volume vergroten). Hierdoor daalt de P in de
longen onder de Patmosfeer. Luchht wil van een hoge naar een lage druk
e) Welke factoren beïnvloeden de luchtwegweerstand? Denk aan de wet van Poiseuille (denk ook alvast na over de
overeenkomsten met weerstand in bloedvaten).
Weerstand = (8xηx l) / (pi x r4)
Dus lengte van luchtweg, en straal (meeste invloed)
Onderwerp 3 Compliantie C, elasticiteit E en drukken in de long
Het is nu duidelijk dat lucht de longen in- of uitstroomt als de alveolaire druk afwijkt van de atmosferische druk, maar
dat is niet het hele verhaal. Aan het eind van de inademing zijn de longen veel groter dan aan het eind van de
uitademing. Dit betekent dat het elastische longweefsel veel meer op spanning staat dan aan het eind van de expiratie.
Er moet dus tijdens inspiratie aan de longen worden “getrokken” om enerzijds een onderdruk in de alveoli te krijgen
t.o.v. de buitenwereld, en anderzijds (maar wel tegelijkertijd) om de elastic recoil van de longen te overbruggen. Een
Nederlands woord voor elastic recoil is terugveerkracht of retractiekracht. Elastic recoil is o.a. te danken aan de
elasticiteit (E) van het longweefsel. Hoe hoger de elasticiteit van het longweefsel, des te meer kracht is nodig om het
uit te rekken (hoge elastic recoil). In de fysiologie wordt vaak de reciproke van elasticiteit (1/E) gebruikt, ofwel de
compliantie (C). Een Nederlands woord voor compliantie is rekbaarheid, soepelheid of vervormbaarheid.
Compliantie (C) = ΔV/ΔP
Wanneer de compliantie van de longen is afgenomen (stugge long), door bijv. fibrosering, zal er harder aan moeten
worden getrokken om eenzelfde teugvolume (ΔV) te halen (= restrictieve aandoening).
a) Waarom hebben te vroeg geboren baby’s met het infant respiratory distress syndrome moeite met het
ontplooien van hun longen en vervolgens moeite met het open houden van de longen aan het eind van iedere
expiratie?
Surfactant
De kracht die nodig is voor inspiratie wordt geleverd door de ademhalingsspieren (diafragma en de externe
intercostaalspieren). Wanneer die spieren de thorax proberen te vergroten worden de longen meegezogen door een
negatieve druk tussen de pleura, de zogeheten intrapleurale druk (Pip). Deze Pip levert de druk (kracht) die nodig is
om de longen te vervormen (toename in volume) tegen de elasticiteit en stugheid van het weefsel in. Daarnaast levert
deze Pip de druk
(kracht) die nodig is om instroom (of uitstroom) van lucht door de luchtwegweerstand op gang te brengen (zie
onderwerp 2). Pip kan dus worden beschouwd als een optelsom van 2 drukken (krachten), die ieder een bepaalde
functie vervullen en Palv en Ptp worden genoemd (zie ook de hoorcolleges en de kennisclip).
2
,Pip = Palv + Ptp
b) Waar staat Ptp voor en wat is het? Is Ptp gerelateerd aan de compliantie van de longen, de luchtwegweerstand
of beide?
c) Waar staat Palv voor? Is Palv gerelateerd aan de compliantie van de longen, de luchtwegweerstand of beide?
d) Waar staat Pip voor? Is Pip gerelateerd aan de compliantie van de longen, de luchtwegweerstand of beide?
Een deel van de WC opdrachten maakt u alvast voordat het WC begint. Zij staan daarom zowel in deze zelfstudie als
in het WC bestand. Zie voor meer informatie over de inhoud van het WC het bestand ‘Werkcollege 1 Long Mechanica
2021-2022’
Doel en beschrijving
De bedoeling van dit werkcollege is inzicht te geven in de volgende aspecten: o de relatie tussen alveolaire druk (Palv),
luchtwegweerstand en luchtstroom;
o de relatie tussen de translongdruk (Ptp (transpulmonary)), compliantie van de longen en het longvolume; o de
relatie tussen Palv, Ptp en de intrapleurale druk Pip;
o het verschil tussen elastische en niet-elastische arbeid en hoe beide tot uiting komen in de P-V lus;
o de verschillen tussen obstructieve en restrictieve luchtweg-/longaandoeningen; o de invloed van het autonome
zenuwstelsel op de luchtwegen.
Voorbereiding / zelfstudie
Bestudeer HC1, HC2, HC3 en hoofdstuk 45 in Cunningham. Let op, Cunningham gebruikt de afkorting Ppl voor Pip en
PL voor Ptp.
Er is ook een kennisclip gemaakt die u voorafgaand aan werkcollege 1 (WC1) dient te bekijken. Deze kennisclip vormt
de brug tussen de hoorcolleges en het werkcollege.
In het bestand “zelfstudie WC1” is een aantal taken en oefeningen te vinden. Ook opdracht 1 a t/m k van het WC
dienen vooraf gemaakt te zijn. Om het WC goed uit te voeren in de daarvoor gestelde tijd van bijna 2 uur is het
noodzakelijk dat deze opdrachten vooraf zijn uitgevoerd. Bij aanvang van het werkcollege wordt kort aandacht
geschonken aan de zelfstudie.
Tijdens het werkcollege gaat de student aan de slag met de opdrachten 1 l t/m n en opdracht 2.
De opdrachten
1. Ventilatie en drukken
De ventilatie (het adem-minuut-volume AMV) is de belangrijkste parameter bij functioneel ademhalingsonderzoek. De
ventilatie is het volume dat per keer in- of uitgeademd wordt maal de ademfrequentie.
Taken en Opdrachten
a) De stroming van lucht in de luchtwegen lijkt in veel aspecten op de stroming van bloed in het circulatiesysteem.
Wat zijn de overeenkomsten?
- Stroming komt door drukverschillen: van hoge naar lage druk
- Weerstand
- Pompen: hart vs spieren (diafragma en intercostaalspieren)
3
, b) Hieronder staan gebeurtenissen tijdens inspiratie. Zet ze in de juiste volgorde, beginnend met de start van een
inspiratie.
1. De druk in de alveoli gaat toenemen.
2. De pleurale membranen volgen deze beweging, het elastische longweefsel werkt dit tegen. Hierdoor
wordt de intrapleurale druk (Pip) negatiever.
3. Het longvolume neemt toe, de druk in de alveoli (Palv) daalt tot onder de atmosferische druk.
4. Contractie van diafragma en m. intercostalis externus.
5. Volume van de thorax neemt toe.
6. Lucht gaat stromen van de atmosfeer naar de alveoli.
7. De luchtstroom stopt wanneer de druk in de longen dezelfde is als de druk in de atmosfeer.
4-5-2-3-6-1-7
c) Welke spieren zijn betrokken bij een actieve expiratie?
➢ Buikspieren en interne intercostaalspieren
Op de volgende pagina ziet u de weergave van de verandering in volume en drukken tijdens een ademhalingscyclus
(Figuur 1). Het betreft een normale, rustige ademhaling.
In deze weergave is uitgegaan van een constante luchtwegweerstand en compliantie tijdens de ademhalingscyclus.
d) Wanneer is de Palv gelijk aan de druk in de atmosfeer (Patm)? Welke waarde heeft deze dan?
➢ Bij het begin en einde van de inademing?? P= 760 mmHG
In de literatuur wordt Patm vaak op 0 gesteld en heeft de Palv een waarde die het verschil weergeeft tussen Patm en Palv.
e) Wanneer is Palv maximaal (meest negatief en meest positief)? Waardoor wordt dit veroorzaakt?
➢ Meest negatief: midden van inspiratie als thorax is vergoot, maar lucht nog niet is aangezogen
➢ Meest positief: midden van expiratie als thorax is verkleind, maar lucht nog in de longen zit
➔ Bekijk plaatje van filmpje
f) Waarom is Pip steeds negatief (dus sub-atmosferisch)?
➢ De thoraxsspieren trekken continue naar buiten, terwijl de recoil van de longen naar binnen trekken
g) Waarom is Pip niet overal gelijk aan Ptp?
➢ Ptp = Palv. – Pip. Palv is niet altijd gelijk aan 0
h) Zoals hierboven aangegeven is bij de figuur uitgegaan van een constante luchtwegweerstand.
Waarom is de weerstand tijdens de ademhaling niet constant?
➢ Luchtwegen worden groter of kleiner
➢ R = 8xlxe / pi x r4
➢ De straal van de bronchiën verandert waardoor de weerstand ook
verandert
Figuur 1. Verandering van druk, volume en flow tijdens een ademhalingscyclus.
Bovenin staat de verandering van volume, daaronder de veranderingen in
intrapleurale druk Pip (doorgetrokken lijn) en translongdruk Ptp (stippellijn).
Vervolgens wordt de weergave van de flow en de verandering in de alveolaire
druk Palv getoond.
4
