Technologische aspekten van beademing
Citation for published version (APA):
Graafmans, J. A. M. (1986). Technologische aspekten van beademing. (BMGT; Vol. 86.019). Technische Hogeschool Eindhoven.
Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1986
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at:
openaccess@tue.nl
providing details and we will investigate your claim.
BEADEMING
Rapportnummer: BMGT/86.019 Samenstelling
en redaktie Ir. J.A.M. Graafmans
Type-werk en lay-out M. Lutters-Claassen Distributie Projektburo BMGT TH Eindhoven Postbus 513 5600 MB EINDHOVEN Prijs fl. 20,-- (exclusief verzendkosten>
INHOUD
Voorwoord
Prof.Dr.lr. J.D. Janssen
Beademing: begrippen en werkingsmechanismen Prof.Dr. A. Versprille
Verdeling van ventilatie, diffusie, doorstroming en chemische reaktie, beschreven met dimensieloze groepen Prof.Dr. B.F. Visser
Gasuitwisselingsmodellen: begripsvorming en technische mogelijkheden
Dr. A. Zwart
Elastische eigenschappen van long en thorax tijdens beademing
Dr. J.M. Bogaard
Cardiac output bepaling in gemoduleerde stroomsterkten Ir. X.H. Wesseling en Ing. J.R.C. Jansen
A computer model of the "BArN" anesthesia breathing circuit
Prof.Dr.lr. J.E.W. Beneken, et al
BLZ. 1 3 17 25 39 53 65
Voorwoord
Prof.Dr.lr. J.D. Janssen
Voorzitter van de beleidskommissie voor Biomedische en
Gezondheidstechnologie (BMGT) van de Technische Hogeschool Eindhoven. Dank aan u die in grote getale naar dit symposium bent gekomen. Het is duidelijk dat de voorbereiders van dit symposium een goede afweging hebben gemaakt m.b.t. het onderwerp van dit symposium en met de sprekers die in hun lezingen de technologische aspekten van beademing hebben toegelicht.
De keuze voor dit onderwerp is voortgekomen uit een aantal Medical Technolo-gy Assessment verkenningen waarin gekonkludeerd werd dat nieuwe onderzoek-ontwikkelingen in de eerstelijns gezondheidszorg en rond de problematiek van ademhaling, beademing en luchtwegaandoeningen meer aandacht moeten krijgen. Dit symposium beperkt zich tot de technologische aspekten van beademing, mede vanwege de funktie van Prof. Versprille die als fysioloog zijn stempel gedrukt heeft op een aantal medisch-technische onderzoekontwikkelingen op deze TH.
Voor zover nog niet bekend bij u zlJn hier enige aspekten m.b.t. de biomedische en gezondheidstechnologie aan de THE toegelicht.
Ongetwijfeld is het meest in het oog springend dat de biomedische technologie in Eindhoven sterk verankerd is in de gewone technische afdelingen: elektrotechniek, natuurkunde, scheikunde, werktuigbouwkunde, bedrijfskunde, bouwkunde, wiskunde en informatica. De biomedische
technologie is herkenbaar in die technische discipline maar er niet los van te denken.
De taak van het buro BMGT is het stimuleren en kobrdineren van nieuwe onder-zoek- en onderwijsaktiviteiten, soms in de afdelingen maar nog vaker tussen de verschillende disciplines, daar samenwerking vaak wenselijk is maar daarmee nog niet van zelfsprekend.
Via het werk van de beleidskommissie en het daarbij behorend buro BMGT ZlJn in het verleden 3 hoogleraarsposten ontstaan aan deze hogeschool, achtereen-vol gens in de fysiologie, funktionele anatomie en fysiologische chemie. Het BMGT-onderzoek is geprofileerd in drie aandachtsgebieden waarvan er twee als omvangrijke programma's zijn opgenomen in de voorwaardelijke
jaar waarin jaarlijks circa 50 ingenieurs afstuderen en in bet 10-jarige bestaan van de BMGT aan de THE zo'n 50 promotie-onderzoeken zijn afgerond. T.b.v. bet BMGT-onderwijs worden een dertigtal mediscb-tecbniscbe vakken aangeboden die in nauwe relatie staan met bet onderzoek. Vaar het voorheen beel goed mogelijk was om binnen elke studiericbting een of meerdere afstu-deervarianten te kiezen met een mediscb aksent is mede door de verkorting van de studieduur tot 4 jaar de noodzaak gevoeld tot het instellen van een vrije studiericbting BMGT. Hiervan zullen een aantal varianten binnen de verscbillende studiericbtingen worden uitgewerkt afgestemd op de onderzoek-Hjnen die in de verscbillende afdeHngen bestaan. De variant
Werktuigbouwkunde zal in september 1985 van start gaan. Natuurlijk blijft binnen die afdelingen waar nog geen variant van deze vrije studierichting bestaat, onverkort de mogelijkbeid aanwezig voor afstudeerprojekten binnen bet daar lopende BMGT-onderzoek.
Tijdens dit symposium bent u gekonfronteerd met een klein stukje uit dit bele biomediscbe gebeuren, m.n. dat stuk waar de boogleraar fysiologie vooral zijn stempel op beeft gedrukt: de tecbnologische aspekten van beademing. De taakverdeling en concentratie gedurende dit symposium is in handen van de beide voorzitters, Prof. Hilvering van de Erasmus Universiteit Rotterdam, boofd van de afdeling longziekten en Prof. Poulis van de
Tecbnische Hogeschool Eindhoven, afdeling Tecbniscbe Natuurkunde, vakgroep Analyse van Fysiscbe Meetmetboden.
Prof.Dr. A. Versprille, EU Rotterdam/TH Eindhoven Beademing: begrippen en werkingsmechanismen.
Bespreking van beademingsprobleaen in een gemeleerd gezelschap van medici en technici noodzaakt allereerst een begripsvorming over ademhaling. Dit kan aan de hand van een eenvoudig model, waarbij niet uitvoerig hoeft te worden ingegaan op longstruktuur e.d.
Figuur 1 A en B, toont 2 schema's van de ademhaling. FRC is de functionele residuaal capaciteit, d.w.z. het restvolume van de lucht in de longen na een normale uitademing.
Wanneer men normaal heeft uitgeademd z~Jn de ademhalingsspieren ontspannen
en oefenen geen kracht meer uit op het ademhalingssysteem. Op dat moment
zijn de krachten die op het ademhalingssysteem inwerken van twee~rlei
oorsprong:
1. de retractiekrachten van de thorax (borst- en buikwand,
Pc);
2. de retractie kracht van de longen (P t).
Deze krachten zijn tegengesteld gericht en even groot, zodat het hele systeem in evenwicht is. De retractiekracht van de longen is opgebouwd uit twee componenten n.l. de trekkracht van de elastische vezels van het
longweefsel en de oppervlaktespanning van het vloeistoflaagje dat in de longblaasjes (alveoli) aanwezig is. Deze krachten worden in drukeenheden uitgedrukt. De druk die dan heerst tussen long en thoraxwand is gelijk aan
Pt of
Pc
en is negatief (onderdruk) t.o.v. de buitenluchtdruk, die bijademstilstand ook in de longen heerst.
Bij inademing (inspiratie) neemt de retractiekracht van de longen toe en de retractiekracht van de thorax af. Deze laatste gaat zelfs positief op het ademhalingssysteem werken bij diepere inademing (Fig. 1 B). Voor de
inademing is daardoor een spierkracht (PM) nodig, die gelijk is aan de som van retractiekrachten in longweefsel en thoraxwand. De druk tussen longen en borstwand is de buitenluchtdruk verminderd met Pt. Barometerschommelingen
worden ge~limineerd door de buitenluchtdruk op nul te stellen waardoor de
druk tussen longen en borstwand -P
L wordt. De waarde van deze druk is gelijk
aan het verschil van de spierdruk en de retractiedruk van de borstwand: Pt =
PM + Pc' waarbij Pc een negatief teken krijgt als deze buitenwaarts, d.w.z.
SPONTANE ADEMHALING
A
BEADEMINGB
FRC niveau PA=PT""O Pth ;;-PL: .. p
C Pth=..PL ;; +Pc-
PM PT ;; PL+Pc Pth : PT - PL .. +P C IntufflatieLonllvoll,lme komt Overeen met de diepe inspiratie
c
F1g.
-1:Schematlsche voorstelling-vande retracEleltrachtenin-rongenen
borstwand tijdens spontaan ademen en beademing.
PAldruk in de
longen qemeten in de trachea ala Pt; P
th
: druk in de borstkas buiten
de longen; P
L
: retractiekracht van de loogeo; Pc: retractiekracbt
van de borstwand; PM: druk door spiercontractie. Ontleend aan
Airways, aug. 1984 (8).
In het model van de gaswisselinq kan men de werkelijkheid reduceren tot een uiterst simpel gedachtenmodel. Van belang voor de gaswisseling zijn de ventilatie, d.w.z. de verversinq van het gas in de longen met buitenlucht, en de perfusie, d.w.z. de doorstroming van de longen met bloed. Het
zuurstofarme bloed komt uit het lichaam in de rechter helft van het hart en wordt van daaruit in de longcirculatie geperst. Na de passage van het bloed door de longen komt het in de linker hartshelft om voorzien van zuurstof door het lichaam gepompt te worden.
De gaswisseling is een functie die continu moet worden verzorgd omdat in het lichaam nauwelijks een reserve aan zuurstof aanwezig is en omdat zonder gaswisseling op korte termijn koolzuurvergiftiging zal optreden. Bij een ernstige storing in de gaswisseling zal dan ook vaak een beademingsarts .oeten ingrijpen om de continufteit van de gaswisselingsfunctie voor de patient te garanderen.
De redenen voor beademing ZlJn in twee groepen in te delen. In de eerate plaats is dit het handhaven van de ventilatie en in de tweede plaats het bevorderen van een betere ontplooiing van de longen ter handhaving van de overdrachtsfunktie van gas van longen naar bloed en omgekeerd.
De ventilatie kan door twee oorzaken verminderd zijn. De eerste oorzaak is het wegvallen van de spierfunktie door verlamming, bijv. bij poliomyelitis.
De verminderde ventilatie leidt tot daling van het O2 gehalte en stijging
van het CO2 gehalte van de longenlucht en daarmee tot een onvoldoende
gasuitwisseling met het bloed, en dus met de weefsels.
Naast de storing van de spierfunktie kan ook de te grote stugheid van het longweefse1 aan1eiding geven tot slechte venti1atie. Een grote stugheid van
de long komt overeen met een grote transpu1monale druk
CPL)'
Redenen om eenpatient te beademen bestaan dus in die ziekteprocessen waarbij de patient, hetzij door een onvoldoende spierfunktie, hetzij door een te grote stugheid van het longweefsel ze1fs bij norma1e spierfunktie niet meer in staat is de longen voldoende te ventileren.
Verstoring van de overdracht van zuurstof uit de longenlucht naar het bloed kan door allerlei oorzaken ontstaan. Een van de ernstigste oorzaken heeft onlangs de aandacht gekregen bij de chemische catastrofe in Bopal waar
patienten, door het zeer schadelijk gas dat daar ontsnapte, longoedeem kregen. Longoedeem is het uittreden van vocht uit de capillairen tussen de capillaire wand en de wand van de longblaasjes en in de longblaasjes. De
longblaasjes klappen dicht, waardoor er ter plaatse geen ventilatie meer mogelijk is. Geen ventilatie betekent geen zuurstotoverdracht en dus een sterke mate van hypoxaemie. Hypoxaemie is een toestand van verminderd zuuls.tofgehalte in het bloed. Hypoxie wordt ook vaak gebruikt al5
aanduiding, lIlaar deze term geeft een verminderd zuurstofgehalte aan zander nadere plaatsaanduiding.
Figuur tc geeft in schemavora de situatie 88n w8arbii een ventilator wordt
gebruikt voor de longverversing. In een dergeliik geval worden bij een patient de ademhalingsspieren verlud om -tegen ade.en- van de patient te voorkomen. Een beademingscircuit dat tijdens anesthesie woldt gebruikt., kriigt uitvoerige aandacht in de bijdrage van Prof. Beneken. Rij beademing wordt de lucht in de longeD geblazen. Op het moment dat deze insuftlatie
be~indigd is en er geen stroming van lucht meer plaatsvindt is de alveolaire
druk PAg.elijk &an de tracheadruk PT en gelijk aan de som van PL en Pc
(drukken welke ontstaan door de respektievelijke bijdragen van de passieve krachten van longen en thorax). Dit heeft tot consequentie dat de druk
tussen lonqen en thoraxwand (de intrathoracale druk) niet meer gelijk. is aan
-PL maar aan PA- PLen aan Pc' Doordat tiidens de insufflatie Pc olldraait
en positief, d.w.z. expiratoir, op het systeea gaat werken Lp.v. negatief,
d.w.z. inspiratoir, wordt de intrathoracale dIUk (Pth) positief. Als Pth
positief wordt, wordt ook PA-P
L positief. Aangezien PA-PL,,"PCzal bij stugCje longen, waarbij dus P
L groot is, de waarde van PAin gelijke IIlate zijn
toegenomen, terwijl Pth niet veranderd is doordat deze onder
beademingsomstandigheden gelijk is aan PC' De intrathoracale druk is dus niet afhankelijk van de longstugheid, maar wordt op een gegeven longvolume niveau bepaald door de daarbij behorende waarde van de thorax
retractiekracht.
De druk tussen longen en thoraxwand (Pth) bestaat ook in de overige
structuren in de thorax buiten de longen. Nadere beschouwinq van de schema's leert dan, dat we in de normale ademhalingssituatie een negatieve druk
rondom het hart hebben, hetgeen bevorderend werkt op de bloedtoevoer. Doordat in de beademingssituatie aeestal een positieve druk rond het bart heerst, die re.-end werkt op de bloedtoevoer naar het hart zal beademing een negatief effekt bebben op de circulatie. nit zal nog verder besproken
•
Q
paWanneer de drukverandering in de trachea tijdens het beademen van de patient wordt gerelateerd aan de opgelegde volumeverandering en men drukt de
volumeverandering uit t.o.v. de drukverandering dan geeft dit quotient een waarde voor de totale long + thorax-compliantie. Het meten van de totale compliantie komt uitvoeriger aan de orde in de bijdrage van Dr. Bogaard. Over het transport van lucht en de diffusie m.a.w. de overdrachtsfunctie van gas tussen buitenlucht en bloed handelt de bijdrage van Prof. Visser.
Aan de hand van metingen bij proefdieren (biggen) kunnen we de invloed van de druk in de longen op de circulatie illustreren (Figuur 2). Deze figuur toont drie signalen: de stroomsterkte in de longslagader
(~
pa), gemeten met een electromagnetische stroomopnemer; het stroomsterktesignaal van de lucht,die door de pomp de longen wordt ingeblazen, (positieve deflectie), waarna de lucht spontaan wordt ge!xpireerd (negatieve deflectie); de
drukverandering in de longen, gemeten in de trachea (P T)·
1\ T
IC'~":I";
,"'.,~'
I:,,ii,'[II =--:,:.''''';;"",+"",:';;:j-1L;"'l':;+m"'"':,l"""t;r"'"l:""""".;-""'\""I,I~---'
,'I'.! " I ' '" I: \' \I!'; :ii, ;;,.: ',!',,'" !I, ' , . ,I:':;I , ! '
Integreren van het signaal van de luchtstroomsterkte levert het beademing5volume. Dit kan overigens ook met de beademingspomp worden
ingesteld. uit dit beademingsvolume en het signaal van de drukverandering in de longenlucht CPT) kan dan de totale compliantie worden afgeleid.
Tijdens elke beademingscyclus is een periodieke daling en stijging van de bloedstroomsterkte in de arterie pulmonalis, en daarmee van het slaqvolume van het rechter ventrikel, waar te nemen. Een daling van de stroomsterkte treedt oP tijdens de insufflatie als de druk in de longen omhoog gaat. De oorzaak is de toenemende intrathoracale druk t.g.v. de thorax verruiming en het minder negatief dan weI positief worden van de Pc (fig. 1C). Tijdens de expiratie als de druk wegvalt in de longen door de volume vermindering herstelt de bloedstroom via een ·overshoot- tot de eind-expiratoire plateau
waarde, die 2 tot 4 hartslagen duurt. Oeze wij~e van beademen wordt
Intermitterende Positieve Otuk (Pressure) Beademing (Ventilation) qenoemd (IPPV). Soms brengt men een extra druk aan tijdens de uitademing door de uitademingslucht via een klep te laten uitstromen, d.w.z. men laat de lucht wegstromen als deze een bepaalde druk te boven gaat. Dan beadeat men met een positief eind-expiratoire druk (PEEP), die ook continue positieve druk
beadeaing (CPPV) genoemd wordt. Door de PEEP worden de longen meer
ontplooid, vooral ook tijdens de insufflatie fase. Het gevolg is echter dat er over de gehele beademingscyclus een hogere intrathoracale druk bestaat dan tijdens beademing zonder PEEP, waardoor CPPV meer negatief op de
bloedtoevoer uit het veneuze stelsel naar het rechter hartgedeelte werkt dan IPPV.
Figuur 3A laat een model zien waarin de 10ngen in een aantal parallel ge-legen ko.partimenten geventi1eerd worden. Het door de kompartimenten stro-mende bloed wordt gelijkmatig van zuurstof voorzien. vergelijkt men hiermee
het model van patienten met het acute ademnoodsyndroom of ARDS (= Adult
Respiratory Distress Syndrome) dan ziet men daarin naast normaal ontplooide longcompartimenten ook compattimenten die bijna of helemaal gesloten zijn
(fig. 3B) en andere die nog slechts gedee1telijk open ~ijn. ARDS wordt
gekenmerkt door een verhoogde capillaire per.eabiliteit, waardoor eiwitrijk vocht uittreedt, hetgeen een geheel of gedeeltelijk atsluiten van
comparti.enten tot gevolg heeft (1, 2, 3).
In deze situatie za1 hypoxaemie, zuurstofarmoede in het bloed, ontstaan. De patient klaagt over ademnood en heeft een hogere ademhalingsfrequentie
Fig. 3: Modelvoorstelling van parallel staande longgebieden en bijbehorende circulatiecircuits in normale longen (A) en longen met oedeem bij een patient met ARDS (8).
(tachypneu). Op het r~ntgenbeeldzijn diffuse vlekken van infiltraties - het oedeem - zichtbaar. Ook na verhoging van de inspiratoire zuurstoffraktie,
die normaal 0,2 bedraagt, tot 0,5 blijft de zuurstofspanning in het bloed,
die normaal ca. 12 kPa bedraagt, laag.
Het beademen van deze patienten is een vereiste, maar wordt vaak bemoeilijkt doordat de longen stugger zijn geworden, longdelen dichtgeklapt djn
(= atelectase) en airtrapping is opgetreden, d.w.z. dat longdelen niet
geventileerd worden doordat op een hoger niveau afsluitingen zitten. Bij deze patienten treden stoornissen in de normale verhouding tussen de
longventilatie en de longperfusie (= de doorstroming met bloed) op. Normaal
is deze over de gehele long circa 1, d. w. z. dat er ongeveer evemreel
luchtverversing in liters per tijd als bloeddoorstroaing plaats vindt. In
gebieden met sterk verminderde ventilatie is de f/~ 1aag en wordt het
passerende bloed onvoldoende van zuurstof voorzien. In de gebieden met een
~=O gaat het veneuze bloed onveranderd verder: men spreekt van rechts-links
shunt.
In nog normale longgebieden is er grote kans op toeneming van de ~/~.
Enerzijds is dit een gevolg van een vergrote ventilatie ter compensatie van onderventilatie in andere gebieden, en anderzijds van een verlllinderde
doorbloeding t.g.v. de CPPV. Een grotere ~/~ dan normaal betekent in het
betreffende gebied een over- of hyperventilatie. Aangezien hyperventilatie niet bijdraagt tot extra opneming van zuurstof, het arteriele b10ed is namelijk bij normale ventilatie al zo goed als volledig verzadigd met zuurstof, betekent een dergelijk ventilatie in feite een verspilling van beademingslucht: men spreekt van toegenomen dode ruimte ventilatie.
Hierover zal de bijdrage van Zwart meer gedetailleerde informatie geven. Met betrekking tot de koolzuuruitwas ligt deze probleaatiek anders. Doordat in de buitenlucht nauwelijks koolzuur voorkomt zal extra ventilatie leiden tot extra uitwas van koolzuur uit het bloed naar de longenlucht. Hyperventilatie in het ene gebied kan dan ook een tekort aan koolzuuruitwas in een Ander gebied door hypoventilatie cOlllpenseren. Deze patienten kunnen dan ook
gekenmerkt zijn door een hypoxaemie bij een normaal koolzuurgehalte van het bloed.
In principe bestaan et. driEi therapievormen bij AIlDS. Medicamenteuze therapie is een therapie die gericht is op effekten na een Iangere termijn en waataee men dus in de situatie van acute ademnood niet direkt kan help.en. Een tweede
therapievorm is het toedienen van zuurstof. Oit kan soms enig effekt hebben, maar in de meeste gevallen onvoldoende doordat het 02 in de niet
geventileerde compartimenten het bloed niet kan bereiken, en het hemoglobine al voor bijna 100\ verzadigd is met zuurstof in de goed geventileerde
gebieden. De bijmenging van zuurstofarm met zuurstofrijk bloed, heet veneuze bijmenging of rechts-links shunt en veroorzaakt een hypoxaemie. In
compartimenten, die nog niet geheel zijn afgesloten door de oedeemvoraing, en de ventilatie ten opzichte van de doorbloeding bijvoorbeeld met een faktor 3 is gereduceerd, kan zuurstof therapie nog weI enig succes hebben door de zuurstoffraktie van 0,2 naar ongeveer 0,6 te verhogen. Door de aanwezigheid van oedeem zal echter zeer waarschijnlijk de diffusie beperkt
worden waardoor zuurstof therapie eveneens een verminderd effekt kan opleveren dan gewenst. Er is nog weinig bekend over de diffusie onder
omstandigheden van AROS. Doordat gebieden meestal totaal zijn verstoken van ventilatie levert zuurstof therapie in het algemeen onvoldoende compensatie. De derde therapievorm is daarom gericht op het zo goed mogelijk openen van de compartimenten, zodat de zuurstofoverdracht in zoveel mogelijk
compartimenten kan plaatsvinden bij een zo laag mogelijke zuurstoffractie in de beademingslucht. Een extra reden voor deze beademing is dat langdurig
hoge zuurstofconcentraties giftig werken op het longweefsel. De veronderstelling is geopperd dat 02 nog extra toxisch werkt bij ziek
longweefsel zoals bij deze patienten. Om het openen van de kompartimenten te
bewerkstelligen is kontinue positieve drukbeademing (CPPV
=
continuouspositive pressure ventilation) nodig, dit is IPPV
+
PEEP. Door CPPV wordende atelectase en airtrapping minder, de longen gaan beter open en de
ventilatie/perfusie (doorstromings)-verhouding (~/d) in deze gebieden
verbetert, waardoor de rechts-links shunt afneemt en het zuurstof gehalte van het arteriele bloed toeneeat.
Figuur 5 laat dit effekt zien in dierexperimenten, zoals die op ons
laboratorium in Rotterdam door Schreuder werden uitgevoerd. eij de start van het experiment is de eindexpiratoire druk gelijk 0 en deze loopt vervolgens continu in de tijd (over 22,S minuten) op tot 15 em. waterkolom. Oe
zuurstoffraktie van de gebruikte beademingslucht is 0,4. Het experiment laat bij de start een lage arteriele zuurstofspanning van het bloed zien.
Naarmate de PEEP hoger wordt, wordt de zuurstofspanning en de daarmee in relatie staande zuurstofverzadiging van het bloed hoger.
minuutvolume bij beademing. De curve is het resultaat van metinqen aan 47 proefdieren, en ontleend aan J.J. Schreuder et a1., 1982. Bij deze experimenten werd ook de bloedstroomsterkte gemeten die door het linker ventrikel wordt geleverd. Aangezien de longdoorbloeding hierllee in serie staat is dit ook de bloedstroomsterkte in de longen. Deze metingen werden verricht met de thermodilutie methode. Deze komt uitvoeriger aan de orde in samenhang met andere methoden in de bijdrage van Wesseling en Jansen.
Het niet-lineaire karakter in de relatie tussen de daling van de
bloedstroomsterkte en de stijging van PEEP is zelfs nog waarnee-baar in de
gemiddelde curve over de 41 experimenten (fig. 4 ) waarmee aangetoond is dat
dit een heel karakteristiek effekt betreft.
De effekten van beadeaing zijn dus twee&r1ei, enerzijds gunstiq voor de gasoverdracht, anderzijds ongunstig voor het bloedtransport. Het
zuurstofaanbod aan de weefsels, met name de vitale organen, hart, hersenen, lever en nieren wordt bepaald door het product van stroomsterkte en
zuurstofconcentratie in het bloed. Men streett naar de gunstigste waarde van de PEEP, d.w.z. die PEEP-waarde waarbij het product en daaraee bet
zuurstofaanbod aan de weefsels aaximaal is. Bij patienten en proefdieren met gezonde longen is deze PEEP-waarde nul, omdat beademinC} nooit bevorderend werkt in de normale situatie. Bij patienten met zieke longen hoeft overigens de ·optimale- PEEP, waarbij dus het zuurstofaanbod aan aIle weefsels tezamen
maximaal is, niet pers~ een optimum te zijn voor de verschillende vitale
160
,....
Cl I E120 E '-' No
llJ ao a. 15 13 3 5 7 9 11 PEEP (em H20)Fig. 5: Het effect van PEEP op de arteri~le zuurstofspanning (Pa0
2) bij 11 proefdieren. Deze curve is ontleend aan nog niet gepubliceerd
onderzoek van J.J. Schreuder aan biggen waarbijhet longoedeem was
veroorzaakt d.m.v. intraveneuze injecties met alloxaan en oliezuur. het bloed naar hersenen, nieren, hart of lever onder dit soort
beademingsomstandigheden om hierover een expliciete uitspraak te kunnen doen.
Een tweetal onderzoeken (Suter et al '75, Murray et a1 '84) hebben zich gericht op de vaststelling van de beste PEEP-waarde. Suter et al hebben het totale zuurstoftransport bij patienten gemeten. Zij definieerden een optimale PEEP-waarde, die voor elke patient anders lag, bij maximaal zuurstoftransport. Ook zij vonden een systematische toename van de zuurstofspanning met toenemende PEEP en een afname van de rechts-links shunt. Zij vonden tevens een optimum in de totale compliantie bij de PEEP-waarde van het optimale zuurstof transport. Daarom pleitten zij ervoor om die compliantie te gebruiken als instellingsmaat voor de gunstigste PEEP. Murray et al hebben dierexperimenten verricht op een soortgelijke wijze als Schreuder en vonden dat de compliantie afnam bij toenemende PEEP. Hun
experimenten lieten zien dat het zuurstoftransport niet maximaal is bij maximale compliantie. Zij vonden een maximaal 02-transport bij een minimaal
verschil tussen de arteri~le koolzuurspanning en de
koolzuurspanning in de uitademingslucht (end tidal). Daarom adviseerden deze onderzoekers dit verschil als indicator van de instelling van de PEEP te
gebruiken.
Dit standpunt is echter gebaseerd op experimenten met proefdieren die met oliezuur ziek gemaakt zijn, en dat is zeker niet vergelijkbaar met een
dit 500rt experimenten ligt natuurlijk in het gegeven dat het niet mogelijk is om bij patienten zoveel meetgegevens te verzamelen. Het is zeker nuttig om hier verder onderzoek naar te verrichten. Voorlopig is hierover in de
literatuur nog niets verschenen. DISKUSSIE
Waarom is in deze voordracht niet uitvoeriger ingegaan op de frequentie en fase van de beademing in relatie tot de hartcyclus, omdat hiervan toch ook meewerkende en tegenwerkende effekten vallen te verwachten?
Deze voordracht is beperkt tot wat tegenwoordiq conventionele ventilatie wordt genoemd. In de experimenten was de cyclusduur van de ventilatie 6
seconden waarin de proefdieren dan circa 18 hartslagen hebben, die
niet
infase lopen met die ventilatiecyclus. Gelet op het grote frequentievetschil tussen ventilatie en hartslag, moet men om een indruk van de dynamische verschijnselen te krijgen, over een groot aantal ventilatiecycli meten en dan uitmiddelen. Een uitwijding over de dynamische aspekten is echter in het
korte tijdsbestek van deze voordracht niet goed mogelijk. Overigens krijqen
de dynamische aspekten op dit moment in ons onderzoek veel aandacht. Bij de
high-frequency ventilation, beademing met frequenties tot aan 50 Hz toe is
het probleem met de interferentie met de hartfrequentie en de daarbij optre-dende dynamische verschijnselen weI aan de orde. Bij de conventionele venti-latie, zoals hier besproken, nauwelijks.
REFERENTIES
1. Newman, J.H.: ARDS New Insights and Unsolved Problems.
Intensive Care Med. 9: pp 303-306 (1983)
2. Rinaldo, J.E., Roberts. R.M.: Adult Respiratory Distress Syndrome.
New Eng. J. Med. 306: pp 900-909 (1982)
3. Lloyd, J.E., Newman, J.H., Brigham, K.L.: Permeability Pulmonary Edema. Diagnosis and Management.
4. Jansen, J.R.C., Schreuder, J.J., Bogaard, J.M., Rooyen, W. van,
Versprille, A.: The thermodilution technique for the measurement of cardiac output during artificial ventilation.
J. Appl. Physiol. 51: pp 584-591 (1981)
5. Schreuder, J.J., Jansen, J.R.C., Bogaard, J.M., Versprille, A.: Hemodynamic effects of PEEP applied as a ramp.
J. Appl. Physiol. 53: pp 1239-1241 (1982)
6. Suter, P.M., Fairley, M.B., Isenberg, M.D.: Optimum end-expiratory pressure in patients with acute pulmonary failure.
New Eng. J. Med. 292: pp 284-289 (1915)
1. Murray, I.P., Modell, J.B., Callagher, T.J., Banner, M.J.: Titration of PEEP by the arterial minus end-tidal carbondioxide gradient.
Chest 85: pp 100-104 (1984)
8. Versprille, A.: Gastransport tijdens beademing. Airways 3: pp 33-31 (1984)
EENHEOEN
tijd
s
hvh stof
mol
volume
~pa
] •
druk
Prof.Dr. B.F. Visser, RL Maastricht
Verdeling van ventilatie, diffusie, doorstroming en chemische reaktie, be-schreven met dimensieloze groepen.
In deze bijdrage zullen de grootheden aan de orde komen, die een rol spelen bij het transportproces van zuurstof van de buitenlucht naar het bloed. De gebruikte eenheden zijn die uit een eenhedenstelsel, zoals dat in de longfy-siologie gebruikelijk is. Voor beschrijving van veel fenomenen in de
longfysiologie heeft men slechts 4 eenheden nodig. Twee hiervan zijn
grondeenheden, de seconde (s) voor de tijd en de mol voor de hoeveelheid stof. De andere twee zijn niet-coherent: voor volume wordt altijd liter (L) in plaats van m3 en voor de druk kPa in plaats van pascal (Pa) gebruikt. Op zich is dat geen probleem, omdat het produkt van de twee niet-coherente eenheden L e kPa toch weer
gelijk is aan m3 e Pa
=
Nem=
J (joule) hetgeen weer een coherente eenheid is. Deze bijdrage beperkt zich tot de'-- --' grootheden:
- alveolaire ventilatie (t),
- diffusiecapaciteit van de longen (D, niet te verwarren met diffusieco!f-ficit!!nt) ,
- longcapillaire doorstroming (6), - chemisch reactievermogen (U),
GROOTHEDEN
EENHEID
.
V
Ven tilatie
Lis
D
Diffusie capaciteif
(molls)/kPa
.
Q
Perfusie
Lis
q
G·
I
lO]-[Q]
---
I
~. ~. ".:'--',tit
~.~.-,- _::-:::~out
molls
...
Q]
f-kPa
q
Lis
In
- { ] ] - c-<- ...•..•._IT].
.-..
V
' . - ---heeft weer dezelfde dimensie als de diffusie. In het schema wordt de relatie aangegeven tussen de verschillende grootheden , die L - - - 'beschouwd kunnen
en de invloed van de verde ling van deze glootheden ten opzichte van elkaar (en ten opzichte van andere grootheden) op de gaswisseling.
Oe ventilatie wordt uitgedrukt in liters per seconde. De diffusiecapaciteit is een stofstroom gedeeld door het drijvend drukverschil voor deze stof-stroom; de eenheid is dus molls gedeeld door kPa. Hier wordt dus gewerktmet het drukverschil voor diffusie in plaats van het concentratieverschil , omdat men te maken heeft met fase-overgangen. De evenwichtsconditie is niet, dat de zuurstofconcentratie in de alveolaire lucht gelijk is aan de
ztlurstofconcentratie in het bloed maar dat de parti~le zuurstofdrukken aan elkaar gelijkzijn. Vandaar de noodzaak over te stappen op andere dimensies en eenheden. De doorstroming wordteveneens in Lis aangegeven - volgens ISO 31 moet dit dus aanqegeven worden metq 1.p. v.
6.
De qroatheid voor dechemische reactie
diffusieproces treedt een
vertakking op. De longen worden doorstroomd met bloed, waarin
opgeloste gassen kunnen zitten. Hetga.s in kwestie kan reageren met bet bemoglobine van bet bloed. Lachgas neemt
bijvoorbeeld Ioutec\, koolmonoxyde route U en zuurstof neemt beide routes.
SE RIES
SAME 01 MENSION
in
PARALLEL
SAME DIMENSION
CONDUCTANCES
ADDITIVE
RESISTANCES In
ADDI TIVE
worden als processen. Bet ventilatieploces van het linkse blokje brengt de zuurstof vanuit de buitenlucht naar de alveoli. Ret diffusieproces geeftde
passage van de zuurstof door het membraan aan.Na het
Een andere benadering is het beschouwen van de venti1atie a1s een weerstand met daarachter in serie geschake1d de diffusieweerstand. De waarden van deze seriegeschakelde weerstanden kunnen worden opgeteld, mits de dimensies
ge1ijk zijn. Bij een para11e1schakeling van weerstanden geldt hetzelfde maar dan voor de conductanties (de reciproke van de weerstand) .
. {)1
G
2 In de long ziet men beide,zowel achter e1kaar
geschakelde processen a1s naast elkaar geschakelde compartimenten. De overdracht is maximaa1
G3
G4
effici@!nt, a1s de verhoudingMAXIMUM
EFFICIENCY
van de conductanties in deif
G1 /G2
=
G3 /G4
verschillende compartimentengelijk is. nit is analoog aan de brug van Wheatstone in het geval dat deze stroom1oos is. Wanneer aan deze voorwaarde niet is vo1daan, spreekt men van verdelingsstoornissen.
Deze inefficiente distributie is hiernaast nogmaa1s weergegeven.
De stroom vertakt zich in verschillende proporties afhankelijk van de
ge1eidbaarheid van de achterliggende compartimenten. Wanneer een
oorspronke1ijk grote geleidbaarheid
I NEFFI CIENT
DISTRIBUTION
verder op in het circuit gevolgd wordtdoor een kleine of omgekeerd dan is het
L . - ---J
duidelijk, dat de verschillende mogelijkheden van gas transport en
gasoverdracht niet optimaal worden benut. Dit is een abstractere weergave van de venti1atie/doorstromingsverhouding dan in de eerste voordracht is geschetst. Bij deze wijze van voorstellen moeten aIle grootheden de dimensie van geleidbaarheid krijgen, die de diffusiecapaciteit en de reactie al
hebben. De ventilatie en de doorstroming moeten hiertoe aangepast worden. nit is mogelijk door een verdelingsfactor te introduceren. Voor de
ventilatie/doorstromingsverhouding geeft dit geen probleem, daar zowel venti1atie als doorstroming volumestroomsterktes zijn. De
Door het
vermenigvuldigen van de
doorstroming met de oplosbaarheid van gas in bloed krijgt men echter ook hier weer een geleidbaarheid.
Lis
mol/(L.kPa)
mol/L
kPa
mol/(L. kPa)
1
mol/(s,kPa)
P
S=C/p
.
DIsQ
c
D
.
Q
D/Q
molls
kPa
C
oncen fra fie
par fie'l e druk
oplosbaarheid
geleidbaarheid
Gj
sfofstroom
druk
[Q]~
Doordat de oplosbaarheid --- - zowel in de '--- ---Jdimensieloos gemaakte diffusie/doorstromingsverhouding als in de
diffusiecapaciteit aanwezig is, zal het groter of kleiner worden van de oplosbaarheid van een gas in bloed dus niet van invloed zijn op de meting van de doorstroming van de longen. Het meten van het
hartminuutvolume zou dus evengoed kunnen gebeuren met behulp van een inert gas, zoals helium, als met
lachgas, dat goed oplosbaar
' - - --.J
is. De tijd waarin zich evenwicht zal instellen is derhalve aIleen nog afhankelijk van secondaire faktoren zoals het moleculair gewicht van het gas. De reden dat men goed oplosbare gas sen kiest voor deze meting is, dan grotere concentratieverschillen in de alveolaire lucht ontstaan en dus niet dat het evenwicht dan beter of slechter bereikt zou worden.
aij deze wijze van presenteren kan men bijvoorbeeld bij de diffusie van koolmonoxide de geleidbaarheden gewoon bij elkaar optellen om de totale geleidbaarheid van bloed voor koolmonoxide te berekenen.
wi! men iets weten over de ventilatie/diffusie-verhouding, wat ook weer een distributiefactor is, wanneer de ventilatie en diffusie van de verschillende longdelen ten opzichte van elkaar verstoord zijn, dan is het raadzamer te
.
.
-
C·V
p·D
C·Q
-stofstroom
p·U
---~ rekenen met stofstromen in plaats van geleidbaarheden . Dit houdt in, dat aIle grootheden vermenigvuldigd dienen te worden met de
parti~le druk. Hiervoor moet het begrip "concentratie in de gasfase" worden
ge1ntroduceerd. De tabel hieronder toont de wijze van
' - - - J
beschrijving van de concentratie van gas in bloed. Fysiologen gaan hierbij uit van de situatie waarbij, V liter gas, dat in het bloed zat opgelost,
concentratie
gas In
bloed
gas
n
mol
V
bloed
V
L
V
n
mol
V
c
[ =
-V
L
V
8,9
mmol/L
=
,.,
20
L STPD
L
1
hier wordt uitgehaald en op standaard druk en temperatuur wordt gebracht (= V L STPD) en waar tevens de waterdamp uit verwijderd is. Dat volume wordt gerelateerd aan het volume bloed (in liters) waar het uitkomt en dit wordt gedefinieerd als de concentratie (C) met de dimensie 1 waarbij de waarde dan vaak in \ wordt aangegeven. Gebruikelijk is bijvoorbeeld bij fysiologen om te zeggen dat bloed, dat de longen verlaat, bij volledige verzadiging en normaal hemoglobinegehalte 20\ zuurstof bevat. Een correctere weergave is de volgende. De hemoglobineconcentratie in het normale bloed is ongeveer 9 mmol per liter. Een hemoglobine (monomeer) bindt een zuurstof, dus de
concentratie zuurstof is eveneens ongeveer 9 mmol per liter. Bij het begrip concentratie van gas in gas wordt dit verwarrender. Het begrip concentratie
concentra tie
gas
In
gas
component
n
mol
V
L
systeem
V
L
V
L
n
mol
F=
V
1
c=
-V
L
V
c=
C(P, T)
F=
constant
worden ingevoerd. Men zou zelfs kunnen
- RT.
n
p.V
p
ideaul gas (mengsel)
is gedefinieerd als de hoeveelheid stof in een bepaald volume. Hier betekent dit dus de hoeveelheid van een component in het systeemvolume. In de
fysiologie worden deze volumes op elkaar gedeeld en de uitkomst wordt de fractionele concentratie (F) genoemd. Men stelt dat deze fractionele concentratie een constante is en onafhankelijk van temperatuur en druk, waardoor deze gemakkelijk te gebruiken zou zijn in de longfysiologie. De fractionele concentratie is echter weI druk- en temperatuurafhankelijk. In benadering kan men echter stell en met een ideaal gas of gasmengsel te maken te hebben omdat de drukken, ook bij beademing, relatief laag zijn. Dus kan
de toestandsvergelijking voor ideale gas sen worden toegepast en kunnen partit!le drukken in concentraties worden omgerekend en kan hiermee het begrip oplosbaarheid van gas in gas
- RT.nIV
=
RT. c
s
=
clp
=
1
I RT
alles worden uitgedrukt in weerstanden voor het transportproces. De
equivalente weerstand voor de ventilatie wordt IT/f. De weerstand voor de diffusie door het membraan is 1 gedeeld door 0.. De weerstand voor de niet reagerende inerte gassen is 1 gedeeld door het produkt van oplosbaarheid s en perfusie
6.
De weerstand voor de reactie was 1/U. In de fysiologie wordt U meestal uitgedrukt als produkt van 9, een soort reactiesnelheid en Ve, het volume van het bloed in de capillairen. Door een eenvoudige dimensie-analyseRT
1
1
-
r---V
Dm
s.Q
.
weerstand
1
e.
Vc
I
ontstaat aldus een formule die indertijd op zeer ingewikkelde wijze is afgeleid door Roughton
&
Forster. Wanneer men nu deventilatie/doorstro-mingsverhouding als verdelingsfaktor
~ ~ beschouwt dan blijkt
t/6
het produkt Rr.s te bevatten. Het produkt Rr.s is departitie-Met deze presentatie wordt duidelijk, wat de oorzaak van misverstanden kan zijn voor het transportproces - als een
dimensieloze grootheid gepresenteerd kan worden en dus als verdelingsfaktor kan worden gebruikt.
C
l
cg
partition coefficient
OSTWALD
solubility coefficient
coeffici~nt, die op zich weer dimensieloos is, zodat de , - - - ,
ventilatie/doorstromingsverhouding - ook wanneer men alles uitdrukt als weerstanden
tussen technologen en fysiologen. De oorzaak hiervoor kan liggen in het gebruik in de fysiologie van andere nomenclatuur en presentatie van
symbolen, eenheden en afkortingen dan die zoals vastgelegd in internationale voorschriften en afspraken. Hiermee is hopelijk een bijdrage geleverd aan een beter wederzijds begrip tussen fysiologen en technologen, hoewel technologen deze wijze van presenteren wellicht triviaal en medici nog te complex vinden.
DISKUSSIE
1. Wanneer we de figuren met betrekking tot geleidbaarheid en stofstroom bekijken dan zijn daarin blokken gepresenteerd die verbonden zijn met lijnen. In de technologie betekent dit dat in de blokken een bepaalde operatie of handeling wordt verricht, terwijl de verbindingslijnen de procesvoortgang aangeven. Hoe moet dit ge1nterpreteerd worden in deze blokschema's?
Deze blokschema's moeten gezien worden alsgekoppelde processen, waarbij de processen in dezelfde dimensies zijn weergegeven. De processen kunnen serie of parallel geschakeld zijn wat aangegeven wordt door de verbin-dingslijnen. De verbindingsIijnen zelf representeren de koppeling van de processen in de vorm van een signaal of een stofstroom. Dit laatste is afhankelijk van de wijze waarop de processen zijn omschreven. Zo is bij-voorbeeld de moleculaire stroom van de zuurstof behandeld waarbij het totale blokschema niets anders voorstelt dan de continulteitsvergelij-king.
2. Ontstaat er geen verwarring door de s a1s grondeenheid voor de seconde te gebruiken en de s a1s symbool voor de oplosbaarheid?
nit is voorgeschreven doox de TC12 (Technische Commissie van de Interna-tionale Organisatie voor Standaardisatie). Grondeenheden dienen teworden aangegeven met rechte letters en grootheden met cursieve letters. Conse-quent gebruik hiervan zou veel verwarring kunnen opheffen.
3. Bestaat er een verklaring voor het verschillend gebruik van symboliek tussen levenswetenschappenen de technische wetenschappen, daar in de middelbare schoolopleiding toch reeds lang S.I.-eenheden zijn
gefntroduceerd?
Enerzijds bestaat ex het probleem dat onderwijs een zekere vertra9ing in zich heeft.Met aIleen kennis van de eenheden uit het 51 is het moeilijk om oorspronkelijke wetenschappelijke publikaties van minder recente datum te bestuderen. Anderzijds lopen de universiteiten ver achter voor wat
betreft de internationale verdragen m.b.t. standaardisatie, die ook door Nederland zijn ondertekend.
De vertraagde invoering van het 5.1. 1S echter het meest opvallend in de
Dr. A. Zwart, Erasmus Universiteit Rotterdam CIVO-TNO
Gasuitwisselingsmodellen: begripsvorming en technische mogelijkheden.
De begripsvorming omtrent gasuitwisselingsmodellen hangt sterk samen met de technische meetmogelijkheden en de rekentechnieken die men tot beschikking heeft. Met de huidige technische mogelijkheden is men in staat om de
venti-latie en gasuitwisseling analytisch te volgen. Figuur 1 geeft een
voorbeeld van een ademhalingsperiode waarin het volumesignaal tijdens uitademing is weergegeven alsmede een steady state variabele (C0
2), die niet echt steady te noemen is maar gedurende welomschreven perioden een weerkerend karakter heeft. Het
analyseren van de stapresponsies hierop is een typisch uit de
technologie afgeleide methode (He). Met een Centronix massa spectrometer, waarvan nu overigens verbeterde versies bestaan, is het verloop van de concentratieverandering tijdens uitademing geregistreerd. De
meetresulaten zijn gedigitaliseerd en na enige rekentechnische bewerkingen kunnen de resultaten grafisch worden voorgesteld en worden aldus
toegankelijk voor een beoordeling (Figuur 2 en 3). In figuur 3 is
horizontaal de parameter uitgezet die samenhangt met de ventilatiekarak-teristieken en vertikaal de concen-tratie in de uitademingslucht.
Belangrijke vooruitgang op het gebied van de gasuitwisselingsmodelvorming is geboekt sinds 1891. Daarvoor was
iVEoPEo
j=1 J J :: F1(O)- PEn "" . tl I I I II I I I I I I~I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I II II I IfI:..Fig. 1: Systeem responsie op een
stapvormige verandering in de Helium concentratie.
Hoogste curve: CO
2, quasi "steady state" uitwas uit het bloed.
Middelste curve: stap responsie in He. Laagste curve: uitgeademde lucht-stroom. FRC: funktioneel residuaal volume als berekend uit He-uitwas
_R= 6PeoZ ..POZ -p=~4PHe 4PsF6 ... p=...-..PSF6 • P=..PeOZ 4PC::°2 - v
PI 0142
l
<·--
p/
/'
" I / : 4 / S ! 6 o~~~---!c~IL.-....!!IZ!.!!6~O.L.i..----!I!.:llC!.IL..:.'----.1IJ!!8! I P R11 '
x (} )(....
x ° 0 0 0 0 0 0 ° 0 0 0 x X X x 010 20 30 40 50 ---.. tlme-(sec) 6 ,'a 20 30 40 50 - - +t-Ime Isecl PE/Poq '.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 070 X 050 X 040 030 X X X 020 v v X V A A A )( OlD )( 0.07 005 004 003 002 DO'FIg. 2 (lbiks-): Semi loqaritmische qrafiek van de uitwas van He' (M en SF6 (V)
PE'/Peq: verloop van de eindexpiratoire concentratie,
P
E
IPeq: verloop van de gemiddeide expiratoire concentratie, CirkeIs: quasi "steady state" CO2 concentraties.
Fig. 3 (rechts): Verandering van het concentratie verloop van He, SF6 en CO2 in opeen volgende ademteugen na een stap in He en SF6 concentratie en de gasuitwisselingsfaktor R.
Horizontaal: uitgeademde fraktie van het teuqvolume (absolute waarde van het teugvolume is aangegeven rechts onder in ieder diagram). Vertikaal: P = genormeerd concentratie verloop. R =
gasuitwisselingsfaktor. Het verloop van de contour van het expirogram van He en SF6 t.o.v. CO
2 is indicatief voor asynchrone uitademing van longgebieden met verschillen in specifieke ventilatie
(~/V). Ret verloop van R is indicatief voor de asynchrone uitademing van longgebieden met verschillende ventilatie-perfusie verhoudingen
(~/~)
.
door Zuntz (1882) het begrip dade ruimte al weI gedefinieerd maar op grond van de weefseltypering van de Iuchtwegen. Daarmee was dus slechts een morfologische omschrijving van dode ruimte gegeven en nog allerminst een functionele.
P,
)1
T
I
jP,
Fig. 4: Schematische voorstelling van de gasuitwisseling in de long. Bohr
(1891) beschouwde aIleen de lucht-fase
De eerste functionele omschrijving van de dode ruimte is opgesteld door Bohr (1891). Hij veronderstelde een dode ruimte in de long aanwezig naast de alveolaire, gasuitwisselende, ruimte (figuur 4). Aan de uitgang kan men een
uitgeademd volume en een uitgeademde partiaaldruk of fractie meten,
terwijl ook het ingeademde luchtvolume met bijbehorende
partiaaldruk en de alveolaire druk bekend zijn. Bohr stelde in feite een massabalans op op basis van de
hypothese dat de ge~xpireerde lucht afkomstig is van twee gebieden van de
1891 VEPE ; vOP1+ VAPA
long, te weten de alveolaire ruimte en de dode ruimte. Het gas dat van de dode ruimte afkomstig is heeft geen gasuitwisseling gehad en heeft dus dezelfde samenstelling als de
oorspronkelijk ingeademde lucht. Het gedeelte dat uit de alveolaire ruimte komt heeft dan een cancentratie of partiaalspanning (P
A) zoals die in de alveoli heerst. De moeilijkheid in dit model schuilt in het meten van deze P
Awaar Bohr zelf ook geen methode voor heeft aangegeven. Haldane (1905) is de eerste die deze partiaaldruk mat, waarbij hij gebruik maakte van een body-plethysmograaf. De gashouder behoort nog altijd bij de standaarduitrusting voar de flowmeting van de ventilatie. De belangrijkste verbetering die Haldane introduceerde was echter een sampling tube met mondstukje voor het samplen van eindexpiratoir
gas. Een citaat illustreert zijn fraaie werkwijze: "Just as a normal
inspiration ended, he then expired quickly and very deeply through the mouth piece and instantly closed it with his tongue". Door naar keuze de toe- en afvoer kraantjes te openen en te sluiten is het aldus mogelijk de laatste uitgeademde lucht, als eindexpiratoir sample in de sampling tube op te vangen, waarna in aIle rust het eindexpiratoir mengsel geanalyseerd kan worden. Daarmee kan in deze formule van Bohr de alveolaire spanning
vervangen worden door de eindexpiratoire spanning en kon op grond van ZlJn hypothese de verdeling van de longen in alveolaire en dode ruimte berekend
worden. De op deze wijze bepaalde ruimte heet nog steeds de Bohr dode
ruimte, hoewel Haldane deze bepaling het eerste uitvoerde. Haldane gebruikte bij latere experimenten niet meer de body plethysmograaf maar een mobiele opstelling met een grote verzamelzak waar hij het eindexpiratoire mengsel in opving. Het resultaat hiervan was een meting van sterk in omvang wisselende dode ruimte. Dit opende de diskussie in die tijd over de wijze van
gastransport: aktief of alleen maar passief door diffusie?
Krogh (1914) gebruikte in eerste instantie de meetopstellingzoals Haldane die ontwikkelde, omdat hiermee de "anatomisch" dode ruimte omschreven kon
worden, maar het bleek dat wanneer een patient zich inspande de dode ruimte 9roter werd. Krogh stelde dat de eindexpiratoire waarde niet de correcte
alveolaire waarde weergaf en om dit aan te tonen verbeterde hij de meetopstelling van Haldane. Door gedurende de expiratie op een aantal verschillende momenten luchtmonsters te nemen, en daarna met een trage analysetechniek zorgvuldig de samenstelling te bepalen, kon hij het verloop van de verschillende concentraties tijdens de uitademing meten. Hij
constateerde een verloop van de alveolaire concentratie van CO2 en 02
afhankelijk van het uitgeademde volume. Een verklaring geeft Krogh niet voor dit verloop van de alveolaire spanning maar wel aanwijzingen in de richting van diffusiestoornissen in de longen, inhomogeniteiten in de luchtwegen etc. Met de introductie van zuurstofelectroden (Enghoff 1938) is ineens veel minder bloedsample nodig om de gasconcentraties in het bloed te kunnen bepalen. Gesteld werd dat een veel betere weergave van de alveolaire
spanning werd gegeven door de arterH!le spanning van het bloeddie daarmee in evenwicht moet zijn. Deze voorstelling is echter niet helemaal correct. Figuur 5 laat zien dat een gedeelte van het bloed zonder uitwisseling langs de longen kan stromen zodat er sprake is van een gemiddelde arterH!le
spanning, die samengesteld is door een mengsel van het gedeelte van het bloed dat wei aan de gasuitwisseling heeft deelgenomen en waarvan de
spanning dus wei in evenwicht is met dealveolaire spanning en een gedeelte van het bloed dat zonder meer niet aan de gasuitwisseling heeft deelgenomen. Toch heet de op dezewijze bepaalde dode ruimte tot op heden de
fysiologische dode ruimte. Het voordeel van deze voorstelling is echter dat men de gasuitwisseling hiermee al5 een systeem met twee inputs en twee outputs kunt beschrijven. Een beperking is nog altijd dat de long als een compartiment wordt gezien. Na deze vooruitgang zijn er nog slechts twee
ment. VA
I
-
QAI
,oj
I
~I
I"
Os~
1905 VEP~.
VOP I +VAPEee
1
PI1938 VEP~ VOP I+ VAPa PAl V
o 1949 VEP~ VOP I+VAPA OPa
0lv
+QAPAFig. 5: Opeenvolgende beschrijvingen van de dode ruimte gebruik makend van de Bohr beschrijving
1905: Haldane. P Eee
=
eind expira-toire concentratie 1938: Enghoff. P=
partiaalspanning a in arterieel bloed 1949: Rahn; Riley en Cournaud.PA= partiaalspanning in het "ideale" alveolaire
comparti-ontwikkelingen van het
eencompartimentmodel vermeldenswaard. De eerste is het ideaal alveolaire concept (Rahn 1949, Riley and Cournaud
1949). Uitgaande van een ideaal een-compartimentsysteem en een ideaal alveolaire spanning en de beschrijving van het hele input-outputsysteem met twee gassen kan men gaan schatten wat de dode ruimte in de longen en de shunt in de bloedbaan is. Bet laatste concept in een- compartimentmodellen is gebaseerd op de door Krogh reeds aangetoonde slope in het laatst
uitgeademde gas (Figuur 6). Gesteld wordt dat dit een tijdsafhankelijke
verandering is die niets met dode ruimte te maken heeft. Door extra-polatie van de concentratie die het gas had op het moment dat het de dode ruimte passeerde en de resultaten hiervan te vergelijken met de gemeten concentratie in de uitademingslucht kan men uit het verschil een schatting
L..- ...J maken van een dode ruimte en een
alveolaire ruimte. Bet aldus verkregen resultaat heet de Fowler (1948) dode ruimte, vaak foutief aangegeven als anatomische dode ruimte, omdat deze net zo min morfologisch bepaald is als welke andere dode ruimte ook.
Ontwikkeling van meercompartimentmodellen is op dat moment niet mogelijk omdat via de metingen van de fysiologische gassen, O
2 en CO2 aIleen een-comparimentmodellen beschreven kunnen worden. Bet bleek dat bij verandering van de ventilatie en/of de doorbloeding ook de geschatte parameters, zoals dode ruimte of shunt, veranderden.
Door de ontwikkeling van een snelle stikstof analysator tijdens de 2e wereldoorlog wordt het mogelijk multiple breath analyse uit te voeren.
Fig. 6: Fowler dode ruimte. Bij bepaling van V D wordt gecorrigeerd voor de helling van het concen-tratie verloop in de late fase van de uitademing.
P IEee I I I I I I I I VA
[
-
QA ) r-
I
Py1
Oslp
a -~-----Hierbij wordt de long beschouwd als een aantal parallel geplaatste ideale mengvaten met verschillen in specifieke ventilatie (~/V). Door integratie problemen en tijdverschuiving tussen concentratie en volume signaal worden in 1e instantie aIleen eindexpiratoire waarden bewerkt. In de gebruikte beschrijvingen wordt de ventilatie echter ook
' - - - ....J als een constante stroom
exponenten te gaan omdat het nagenoeg onmogelijk is om meer dan drie
exponenten onafhankelijk te bepalen. Het is volstrekt nutteloos om 50 tot
100 exponenten of zelfs continue verdelingen van exponenten te bepalen.
In de figuur, die de gemeten waardes aangeeft, kan men de traagste
----+ tijd
-roncen,ro
liebeschouwd, wat op zich niet juist is. De resulaten van de metingen in de gasfase, uitgaande van dit multicompartimentmodel, kunnen logaritmisch tegen
de tijd worden uitgezet. Door deze logaritmische weergave (figuur 7) wordt het mogelijk curve-fitting toe te passen met exponenten (Fowler, 1952). Het is zinvol om tot circa 3
Fig. 7: Semi-logaritmisch verloop van de eindexpiratoire concentratie na een stap in de N
2 concentratie. Dikke lijn: aktueel concentratie verloop. Rechte lijnen: de drie componenten waarmede het aktueele verloop beschreven kan worden.
-
~----1
Perfusie Ventilatiecomponent herkennen die nadert aan een asymptoot. Deze waarde kan van de meetwaarde worden afgetrokken, zodat een nieuwe traagste component
ontstaat. Door deze operatie twee maaluit te voeren wordt de
meetwaardecurve benaderd door drie rechte lijnen. Deze drie lijnen worden
~
~ als representatief voor de specifieke ventilaties van de longen beschouwd,
~ aan de hand waarvan bijvoorbeeld de
---
inhomogeniteit van de longen kan worden beschreven. Dit is echter aIleen mogelijk wanneer de curve mooi glad is. Er zijn echter een groot aantal variabelen zoals tijdsaf-hankelijke verandering in de hoeveelheid ventilatie of de specifieke ventilatie na eenstapsprong die de vorm van de curve bepalen (Figuur 2). Bet gebruik van isotopen maakte het mogelijk om de ventilatie en de perfusie te fitten (West 1960) (Figuur 8). Door radio-aktief materiaal via de ventilatie in te brengen is de exponent-achtige verandering van de concentratie weer zichtbaar te maken en kunnen de specifieke ventilaties van de long beschreven worden. Door via de perfusie radio-aktief materiaal, dat
gemakkelijk door de membraan passeert, toe te dienen, kan men de verdeling van de perfusie over de verschillende longgebieden waarnemen. Door deze resultaten te koppelen krijgt men inzicht in de ventilatie/perfusie inhomogeniteiten, zowel in de normale als in pathologische gevallen. Fig. 8: Schematische voorstelling
meetopstelling bij bepaling van ~/V en Q/V met isotopen. Gammacounters worden op verschillende plaatsen op
borst en rug geplaatst. Bet verloop van de radio-aktiviteit na een stap-vormige toediening wordt weer met exponenten beschreven (fig. 7).
De introduktie van de computer in de jaren zestig is oorzaak van het ont-staan van steeds ingewikkeldere modellen (Figuur 9), waarbij het scheidend vermogen van de modellen weI eens uit het oog werd verloren. Een belangrijke toepassing is echter om naast het bekijken van CO
Fig. 9: De gasuitwisseling van de long beschreven als parallel geplaatste "ideale" mengvaten.
vreemde gassen te meten. Het voordeel van die gassen is dat ze niet chemisch
aktiet zijn met het bloe~, zodat men
aIleen met oplosbaarheidsco~ffici~nten
krijgt te maken. eij deze techniek worden een aantal gaS Sen via een infuus aan het lichaam toegediend, waaruit vervolgens de
ventilatie/pefusie verhoudingen bepaald kunnen worden. Deze ventilatie/Berfusie verhoudingen worden uitgezet tegen de
gewichtsverhoudingen waa!mee ze bijdragen zodat verdelingen Van de
ventilatie (~) en perfusie (~) gemaakt
kunnen worden (figuur 10). Wagner
( 197 4) verdeel t de longen in 5Q
compartimenten, ondanks het feit dat hij maar 6 gassen tot zijn bescnikking
~---~heeft en dus slechts 6 Parameters
onafhankelijk van elkaar kan schatten. Dit impliceert dat men de situatie
net zo goed kan weergeven met blokjes met daarin aangegeven de
ventilatie/perfusie verhoudingen. De beschrijving van een verdeling met zeer veel compartimenten is derhalve niet te onderscheiden van die op basis van drie compartimentmodellen.
Een model dat aan dit soort parallel-compartimentmodellen voldoet, moet, wanneer men de gegevens van de perfusie horizontaal en van de ventilatie vertikaal uitzet , een mooie glooiende curve tot resultaat hebben (Zwart 1982). De mate van kromming van deze curve is een duidelijke aanwijzing voor
de mate waarin de fitting tussen perfusie en ventilatie mis is. ~p deze
wijze verkrijgt men een heel eenvoudige grafische voorstelling van een
ingewikkeld systeem. Wanneer men nu echt gaat meten blijkt dat er geen mooie gladde curves ontstaan (figuur 11). Dit wordt veraorzaakt dOQt.dat de
diffusie-invloeden niet in het model ingebouwd zijn. Deze diffu~ie 5peelt
Fig. 10: Weergave van ventilatie en perfusie distributies en semi continue distributies
,50
i~/~E
Q-IQ ,50r~/VE
Q./Q J J ,DO ,DO -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 - l o gVo/O·
- l o gV-/Q
(/~E
J J J J ,15 ,15 Q'IQ ,10 J ,10 ,05 ,05 ,00 ,DO -2-
-2ventilatie, maar wordt niet meegenomen omdat de
ventilatie in het model als een continue stroom wordt beschreven.
Laat ons nu terugkeren naar de meting van aktuele
concentraties in een spontaan ademende patient. Figuur 1 toont een meting met daarin de ventilatie, CO
2 en Helium. In deze figuur kan men zich nog een aantal andere gas sen
voorstellen die niet in bloed oplossen (bijv. SF6). Het CO
2-signaal wordt hierbij gebruikt als
referentie- of controle-signaal. Wanneer men nu tracht de curve van de "exponentit':He uitwas" met exponentii!le curve-fitting te benaderen dan zal dat niets opleveren door de verstoring die in de curve aanwezig is (Figuur
2). Deze verstoring is heel typerend en wordt veroorzaakt door de
verandering van aIle parameters wanneer de ventilatie verandert. Om nu tach de meetresulaten te kunnen bestuderen is een andere grafische techniek bedacht. In figuur 3 wordt de CO
2-curve gestippeld aangegeven en de twee getrokken lijnen respresenteren de inerte gassen He en SF6. De CO2-curves zijn mooi stabiel op het laatste stukje na, terwijl de He-curves verschuiven t.o.v. de CO
2-curves gedurende de opeenvolgende ademhalingscycli. Dit
betekent dat een andere verhouding van de concentraties van respektievelijk He en CO
2 t.g.v. het uitwasproces ontstaat. Een dergelijke verandering is typerend voor de ventilatie-inhomogeniteit en een aanwijzing voor het verschillend geventileerd zijn van delen van de long. Op deze wijze is oak een uitspraak te doen over de ventilatie/perfusie-inhomogeniteit. 02 en CO2 reageren met het bloed maar hebben geen constante verdelingsco~ffci~ntof solubility. Veranderingen in de verhouding van 02-opname en cO
2-afgifte zijn (onder) en biok diagrammen (boven). De
resul-terende verhoudingen van de partiaal spanningen in de ademlucht en het bloed zijn voor beide soorten verdeling exact gelijk.
E 1
I
T
VOIVE
E=
PE- PI
Pv- PI
VAlVE
R=
Po -PI
Pv-PI
- R
1
Fig. 11: Uitwas data (excretie : E en retentie : R) van steady state uitwas van inerte gassen uitgezet in het E-R diagram. De meetpunten liggen niet op een strikt concave curve doch wijken af bij hoge retentie waarden (interaktie met weefsel in geleidende luchtwegen).
Gestippelde lijn door oorsprong en meetpunt levert dode ruimte volgens Enghoff als afsnijding van de as R
=
1. Getrokken lijn door twee meetpunten beschrijft het "ideale" alveolaire model metafsnijding op as E : 0 gelijk aan venous admixture en afsnijding op as R : 1, ideaal alveolaire fractie en dode ruimte fraktie.
afhankelijk van de koppeling tussen ventilatie en perfusie. Resulteert de verhouding tussen 02-opname en Co
2-afgifte niet in een horizontale maar in een verlopende lijn dan is er zeker sprake van
ventilatie/perfusie-inhomogeniteit. Op basis van een volledig non-invasieve meting is dus ook hierover een uitspraak te doen.
De huidige diskussie is dus of men deze metingen moet interpreteren met be-hulp van parameterschattingen of grafische technieken, respektievelijk kwan-titatieve of kwalitatieve resulaten moet nastreven. De grafische technieken genieten de voorkeur omdat daarmee medici, ongeacht de vaak ingewikkelde modellen die aan hun diagnostiek ten grondslag liggen, de mogelijkheid gebo-den krijgen criteria aan te geven waarbinnen een gebruikt model valide
DISKUSSIE
1. Gesteld werd de afweging tussen parameterschattingen en grafische metho-den. In de natuurkunde is een trend waarneembaar om parameterschattingen
te doen zonder grafische verantwoording achteraf.
Voor de natuurkunde behoeft dat geen probleem te zijn. Modellen die wor-den ontwikkeld voor de beschrijving van een natuurkundig fenomeen zijn in het algemeen voldoende inzichtelijk. Voor fysiologische processen gaat dat echter niet op. Een medicus zal een modelmatige voorstelling geven van de fysiologsiche processen met ook nog de beperkte kennis die hij daarover heeft. De fysicus zal dit model daarna in mathematische be-schrijvingen trachten om te zetten. Dit mathematisch model is te complex voor de medicus om te kunnen overzien of het model nog in overeenstemming blijft met zijn dagelijkse klinische waarnemingen.
Het voordeel van de grafische methode is dat daarbij de eigenschappen waaraan het model moet voldoen en waaraan de metingen moeten voldoen heel goed zijn aan te geven. Tevens geeft de grafische methode een goede indi-catie of bij afwijkingen een herformulering van het model of een verbete-ring van bijvoorbeeld de meetnauwkeurigheid wenselijk is.
2. Als medicus is men vertrouwd met het begrip vitale capaciteit. Wanneer deze een liter te laag is welke kwantitatieve interpretaties zijn dan mogelijk m.b.v. de genoemde grafische methode? Bij welke ziektebeelden wordt de grafische methode geschikt geacht?
De grafische technieken zijn niet kwantificeerbaar. Echter zonder kwanti-ficatie zijn al heel duidelijk groepen van patienten aan te geven die heel karakteristiek afwijkend gedrag vertonen. Heisteeg (Dijkzigt) onder-zocht een grote groep ad random gekozen patienten waarvan een gedeelte CARA-patient was (chronisch aspecifieke respiratoire aandoeningen). De hele CARA-groep werd daarbij gedefinieerd niet aIleen omdat ze op het meetmoment obstructieve stoornissen hadden maar voor een gedeelte ook op basis van niet symptomatische stoornissen. 85\ had klachten gehad in het verleden op grond van drie specifieke kenmerken: de ventilatie-inhomoge-niteit, de ventilatie/perfusie-inhomogeniteit en een karakteristiek pa-troon dat het gevolg is van de door Heisteeg gebruikte meetmethode. Bij
het gebruikte meetsysteem is de inwastijd 1 1/2 en de uitwastijd 1 1/2 minuut. Dit is te kort om bij CARA-patienten een evenwichtstoestand te
cre~ren. Het ontbreken van evenwicht is grafisch weer goed herkenbaar. In principe heeft men hiermee dus een soort patroonherkenning.
REFERENTIES
1. Zuntz, N. Physiologie der Blutgase und der respiratorischen Gaswechsels. In: Hermann, L. Handbuch der Physiologie. Vol. 4, Leipzig: Vogel
(1882)
2. Bohr, C. Ueber die Lungenatmung.
Skand. Arch. Physiol. 2: pp 236-268 (1891)
3. Haldane, J.S. and J.G. Priestley. The regulation of the lung ventilation. J. Physiol. 32: pp 225-266 (1905)
4. Krogh, A. and J. Lindhard. On the average composition of the alveolar air and its variation during the respiratory cycle.
J. Physiol. 47: pp 431-445 (1914)
5. Enghoff, H. Volumen inefficax. Bemerkungen zur Frage des sch!dlichen Raumes.
Upsala Lakaref. Forh. 44: pp 191-218 (1938)
6. Rahn, H. A concept of mean alveolar air and the ventilation-blood flow relationships during pulmonary gas exchange
Am. J. Physiol. 158: pp 21-30 (1949)
7. Riley, R.L. and A. Cournaud. "Ideal" alveolar air and the analysis of ventilation-perfusion relationships in the lungs
J. Appl. Physiol. 1: pp 825-847 (1949)
8. Fowler, i.S. Lung function studies II. The respiratory dead space Am. J. Physiol. 154: pp 405-416 (1948)
9. Fowler, W.5., E.R. Cornish and 5.5. Kety. Lung function studies VIII. Analysis of alveolar ventilation by pulmonary N
2 clearance curves J. Clin. Invest. 31: pp 40-50 (1952)
10.West, J.B. and C.T. Dollery. Distribution of blood flow and ventilation perfusion ratio in the lung measured with radioactive CO
2 J. Appl. Physiol. 15: pp 405-410 (1960)
11.Wagner, P.O., H.A. Saltzman and J.B. West. Measurement of continuous distributions of ventilation-perfusion ratios: theory
J. Appl. Physiol. 36: pp 588-599 (1974)
12.Zwart, A. and S.C.H. Luijendijk. Excretion-retention diagram to evaluate gas exchange properties of vertebrate respiratory systems
Am. J. Physiol. 243 (Regulatory Integrative Compo Physiol. 12): PP R329-R338 (1982)
Dr. J.M. Bogaard, Erasmus Universiteit Rotterdam
Elastische eigenschappen van long en thorax tijdens beademing.
De long is een elastisch orgaan dat zich altijd in een opgerekte vorm in het lichaam bevindt. Voor inademing moet energie worden verricht. Wanneer niet voldoende energie verricht kan worden bij bijvoorbeeld een stugge long of door het slecht funktioneren van de krachtbron, dan is beademing nodig om de patient in leven te houden. Bij beademing spelen de elastische eigenschappen van longen en thorax een belangrijke rol.
Aan de orde zullen komen de faktoren die de volume/druk relatie van de long bepalen en de variabelen die het mechanisch gedrag van de long beschrijven. De conditionering van de meetvariabelen, de metingen in quasi-statische en dynamische situaties en de toetsing van de meetgegevens aan modellen van het longmechanisch gedrag zijn van be lang binnen het thema "technologische
aspekten van beademing".
-1
o
2 3Figuur 1 toont een curve van de elastische trekkracht van de long zoals deze in-vivo is verkregen bij een patient. De elastische trekkracht is hierin uitgezet als funktie van het longvolume. Het longmechanisch gedrag wordt door een aantal variabelen bepaald. De long bestaat uit een Fig. 1: Volume-drukcurve van een normale long. TtC-Totale longcapaciteit;
FRC-Funktionele residuale capaciteit, volume aan het eind van een normale expiratie; RV-Residuaal volume, volume na maximaal verre expiratie; Pel-Elastische trekkracht in het longweefsel. Bij volumes onder het FRC-niveau wordt door afsluiting van kleine luchtwegen geen zuiver elastische gedrag bepaald.
