MFP ademhalingsstelsel - Fysiologie

1 Intro

• lucht
  • droog
    • 21% O2
    • 78% N2
    • 0% H2O
    • ~0% CO2
  • vochtig
    • 19.65% O2
    • 73% N2
    • 6% H2O
    • ~0% CO2
• ideale gaswet: $P_Z = X_Z \cdot P_{tot}$
  • $P_Z$ partieeldruk van gas Z
  • $X_Z$ molaire fractie van Z
  • voorbeeld (droge lucht): $P_\ce{O2} = 21\% \cdot \pu{760 mmHg} \approx \pu{159 mmHg}$
  • waterdamp is geen ideaal gas
• Dalton: $P_{tot} = \sum_i P_i$
• Henry: $(\ce{O2})_{dis} = s \cdot PO_2$
  • $s$: oplosbaarheid
  • dus we kunnen ook in vloeistof met $PO_2$ blijven rekenen
  • $P_a\ce{O2} \approx \pu{100 mmHg}$
  • $P_v\ce{O2} \approx \pu{40 mmHg}$
  • $P_a\ce{CO2} \approx \pu{40 mmHg}$
  • $P_v\ce{CO2} \approx \pu{45 mmHg}$
• pH bloed
  • a: 7.4 (licht basisch)
  • v: iets lagger (CO2 = koolZUURgas)
• transport
  • diffusie (gratis)
    • werkwoord: "diffunderen"
  • convectie (kost energie)
    • ventilatie = transport via lucht
    • perfusie = transport via bloed
      • werkwoord: "perfunderen"
• longvolumes
  • 
  • TLC = 6l
    • IC = 3l
      • IRV = 2.5l
      • TV = 0.5l
    • FRC = 3l (long in rust)
      • ERV = 1.5l
      • RV = 1.5l
  • VC
  • FEV_1
  • minimaal volume (2x250ml)
    • < RV
    • na inklappen bij uit lichaam halen
• afkortingen
  • IRV: inspiratoir reserve volume
  • ERV: expiratoir reserve volume
  • TV: teugvolume
  • RV: restvolume
  • TLC: totale longcapaciteit
  • VC: vitale capaciteit
  • IC: inspiratoire capaciteit
  • FRC: Functioneel residuele capaciteit

2 (H27) Mechanica van ventillatie - statisch

• inspiratie
  • actief: diafragma + hulpademhalingsspieren
• expiratie
  • passief (elasticiteit long)
  • kan ook actief
• druk-volume relatie
  • x-as: $P_{IP} < 0$ (cm H2O)
  • y-as: $V (l)$
  • non-lineair
  • hysteresis
  • FRC en TV aanduiden
• compliantie $C = \frac{\Delta V}{\Delta P}$
  • groot/soepel vs laag/stijf
  • steilere grafiek = soepeler
• drukken
  • intrapleurale druk $P_{IP}$
    • gemiddeld $\pu{-5 cm \ce{H2O}}$
      • luchtdrukken: cm H2O
      • bloeddrukken: mm Hg
      • $\pu{1 mmHg = 1.36 cm \ce{H2O}}$
      • thorax wil uitzetten
      • longen willen inklappen = "collaberen"
      • regionale verschillen
        • door houding
        • door zwaartekracht (cf. zak water)
        • bovenaan meer negatief
        • onderaan minder negatief
    • kan positief worden (o.a. bij Valsalva manoeuvre)
  • alveolaire druk $P_A$
    • statisch: $P_A = 0$
    • dynamisch: $P_A \neq 0$
      • $P_A < 0$: inademen
      • $P_A > 0$: uitademen
  • transmurale druk $P_{TM} = P_{binnen} - P_{buiten}$
    • transpulmonale druk $P_{TP} = P_A - P_{IP}$
    • $\iff P_{IP} = P_A - P_{TP}$
• waarom valt long plat?
  • (morfologische aspecten)
  • oppervlaktespanning $T$
    • cf. zeepbel die vanzelf leeg loopt
    • oorzaak: intermoleculaire krachten
      • niet in balans aan oppervlak
      • actie: water wil dieper duiken
      • reactie: oppervlaktespanning
    • Laplace: $P = \frac{2T}{r}$
      • $P$: druk
      • $T$: surface tension
      • $r$: radius
    • te sterk
      • kleine alveolen -> kleine $r$ -> hoge $P$ -> lopen leeg in grotere alveolen
    • oplossing: surfactants
      • amfipathisch
      • productie: lamellaire lichamen in type II pneumocyten
      • reduceert oppervlaktespanning
      • verhoogt compliantie
• atelectasis ~= (gedeeltelijke) klaplong

3 Mechanica van ventillatie - dynamisch

• $\Delta P = R(flow, neuro, humoraal, V) \cdot \dot V$ (Ohm)
• 4 factoren die R bepalen
  1. soort flow
     • laminair (Re < 2000)
       • $\dot V \sim \Delta P$ (Ohm): efficient
     • transitioneel
     • turbulent
       • wet van Ohm geldt niet
       • $\dot V \sim \sqrt{\Delta P}$: inefficient
  2. autonoom zenuwstelsel
     • sympatisch: NE (beta2 receptor): bronchodilatatie
       • mild effect
     • parasympatisch: ACh (M3): bronchoconstrictie
  3. humorale factoren
     • epinephrine (beta2): bronchodilatatie
       • cf. epi pen
     • histamine: bronchoconstrictie
       • cf. allergische reactie
  4. effect van longvolume $V$
     • $R \sim \frac{1}{V}$
     • mechanische tethering
• soorten longziekten
  • obstructief: R verhoogd
    • vreemd voorwerp
    • asthma
    • COPD
  • restrictief: V verlaagd
    • FRC, TLC, VC
    • daling compliantie
• ventilatie cyclus
  • lichaam stuurt $P_{IP}$ aan
    • wordt verdeeld over $P_A$ en $P_{TP}$
      • $P_A$ veroorzaakt flow $\dot V$
      • $P_{TP}$ veroorzaakt verandering in $V$
  • 
  • 
    • $V_T$ = ? (= TV)
• effect van flow $\dot V$ op $P_{TM}$
  • oplossing: pursed lips
    • extra weerstand buiten thorax
  • 

4 (H29) Gastransport

O2

• gemiddeld verbruik: 250 ml/min
• twee manieren
  • opgelost in bloed
    • Henry: $[\ce{O2}]_{dis}$
      • $= s \cdot P_\ce{O2}$
      • $= \frac{\pu{0.003 ml \ce{O2}}}{\pu{dl bloed \cdot mmHg}} \cdot \pu{100 mmHg}$
      • $= \pu{0.3 ml \ce{O2} // dl bloed}$ (kennen!)
    • $CO = \pu{5l//min} = \pu{50 dl//min}$
    • $[\ce{O2}]_{dis} \cdot CO$
      • $= \pu{0.3 ml \ce{O2} // dl bloed} \cdot \pu{50 dl//min} = \pu{15 ml \ce{O2}//min}$
  • gebonden aan Hb
    • RBC leeft 120 dagen
    • tetrameer
      • 2x alpha
      • 2x beta
      • heemgroep per monomeer
      • dus Hb kan 4xO2 binden
    • soorten
      • o.b.v. O2 binding
        • oxyhemoglobine
        • deoxyhemoglobine
      • HbF: fetal
      • HbA: adult
        • $HbA_{1c}$
          • suiker -> LT glycemie monitoring
      • HbS: Sikkel cell
        • evolutionair voordeel tegen malaria
      • metHb ($\ce{Fe^3+}$ i.p.v. $\ce{Fe^2+}$)
        • kan geen $\ce{O2}$ binden
        • "putwatersyndroom"
    • capaciteit: $\pu{1.35 ml \ce{O2}//g Hb}$
    • Hb inhoud: $\pu{15 g Hb//dl bloed}$
    • $\pu{1.35 ml \ce{O2}//g Hb} \cdot \pu{15 g Hb//dl bloed}= 20.3 \pu{ml \ce{O2} // dl bloed}$
    • SO2 = Sat (%)
      • normaal: 97% - 100%
      • hypoxia: < 90%
      • meting: pulse oximetrie
      • SaO2 (100%) vs SvO2 (75%)
  • ContentO2
    • = opgelost + gebonden
    • = $s \cdot PO2$ + O2 capacity of Hb $\cdot$ Hb content of blood $\cdot$ Sat
    • = $0.003 \cdot 100 + \pu{1.35 ml \ce{O2}//g Hb} \cdot \pu{15 g Hb//dl bloed} \cdot$ Sat
      • arterieel
        • $PO2 = \pu{100 mmHg}$
        • SaO2 = 98%
        • -> $\pu{20 ml \ce{O2} // dl bloed}$
      • veneus
        • $PO2 = \pu{40 mmHg}$
        • SvO2 = 75%
        • -> $\pu{15 ml \ce{O2} // dl bloed}$
  • CO = HR x SV
  • oxygen delivery DO2 = CO x ContentO2
    • $= \pu{50 dl//min} \cdot \pu{20 ml//dl}$
    • $= \pu{1000 ml//min}$
  • oxygen consumption (verbruik)
    • verschil in content
      • $\pu{20 ml \ce{O2} // dl bloed} - \pu{15 ml \ce{O2} // dl bloed}$
      • $= \pu{5 ml \ce{O2} // dl bloed}$
    • $VO2 = \pu{50 dl//min} \cdot \pu{5 ml \ce{O2} // dl bloed}$
      • $= \pu{250 ml//min}$
  • oxygen extraction ratio
    • $O2ER = \frac{VO2}{DO2} \approx 0.25$
  • Sat hangt af van PO2 (= Hb dissociatiecurve)
    • 
    • sigmoidaal verloop
  • andere factoren die O2 affiniteit van Hb (~=Sat) VERLAGEN (right shift)
    • doel
      • opname in long bevorderen
      • afgifte in weefsels bevorderen
    • warmer (cf. koude lucht in longen)
      • 
    • zuurder (cf. verzuurde spieren) en/of meer CO2 (meer nood aan O2)
      • mnemonic: CO2 (= koolzuurgas) en zuurtegraad (tegengestelde van pH) hebben zelfde effect
      • 
    • meer 2,3-diphosphoglycerate (DPG)
      • gevormd bij glycolyse in RBC bij lage PO2
      • 

CO2

• niet afhankelijk van Hb
  • concept "affiniteit" is niet van toepassing
• transport: drie belangrijkste manieren
  • bicarbonaat: $\ce{HCO3-}$ (90%)
  • opgelost (5%)
    • veel beter oplosbaar dan O2
  • carboaminozuren (5%)
• dissociatiecurve (CO2 content i.f.v. PCO2)
  • 
  • arterieel: 40 mmHg -> 48 ml/dl
  • veneus: 46 mmHg -> 52 ml/dl
    • cf. O2: 20 -> 15 ml/dl
      • cf. RQ (-5 -> +4)
  • ~lineair i.p.v. sigmoidaal
  • steiler
  • y-as: CO2 content i.p.v. Sat
  • Haldane effect
    • left shift als PO2 (~= Sat) zakt
      • in weefsels (lagere PO2 door verbruik) meer CO2 opname
      • in longen (hogere PO2) meer CO2 afgifte

5 (H30) Gasuitwisseling: diffusie

• diffusie
  • passief
  • veel oppervlakte nodig
• wet van Fick
  • != principe? van Fick
  • $\dot V_{net} = D_L (P_1 - P_2)$
    • $D_L$: diffusie capaciteit
• ...

6 (H31) Perfusie

• Ohm: $\Delta P = R \cdot Q$
• twee circulaties
  • CO = Q = 5l/min
    • gaat door beide circuits
  • systeemcirculatie
    • $MAP \approx \frac{1}{3}$ systolic BP + $\frac{2}{3}$ diastolic BP = $\pu{95 mmHg}$
    • $CVP = \pu{2 mmHG}$
    • $\Delta P = \pu{93 mmHg}$
    • hoge system vascular resistance (SVR)
  • longcirculatie
    • MPAP = $P_{PA} = \pu{15 mmHg}$
    • MLAP = $P_{PV} = \pu{8 mmHg}$
    • $\Delta P = \pu{7 mmHg}$
    • hoge compliantie
    • lage pulmonary vascular resistance (PVR)
      • factoren
        • ventilatie: (statisch) longvolume ($P_A = 0$)
          • hoger $V$
            • via hogere $|P_{IP}|$
            • grotere longblaasjes
          • (niet te verwarrend met effect van longvolume op luchtweerstand door mechanische tethering)
          • alveolaire vaten: crushed by groter volume
          • extra-alveolaire vaten: opengetrokken bij groter volume
          • 
            • x-as: RV -> TLC
            • minimaal bij FRC
        • perfusie: MPAP
          • collapsed vs open vs open+conducting
          • recruitment
          • distentie (= dilatatie?)
          • 
• regionale verschillen
  • o.b.v. houding + zwaartekracht
  • in perfusie
    • vier zones van West
      • $P_{PA}$ vs $P_{PV}$ vs $P_A = 0$
        • PA: pulmonaal arterieel
        • PV: pulmonaal veneus
        • delta = 10
      • zone 1: $P_A > P_{PA} > P_{PV}$
      • zone 2: $P_{PA} > P_A > P_{PV}$
        • meer recruitment in basis (negatieve $P_{TM}$)
      • zone 3: $P_{PA} > P_{PV} > P_A$
        • distentie
      • zone 4: $P_{PA} > P_{PV} > P_A$
        • minder negatieve $P_{IP}$
        • dus hogere R extra-alveolair
          • vallen dicht
      • 
  • in ventilatie
    • cf. regionale verschillen in $P_{IP}$ uit les 2
    • druk-volume relatie
      • lager geleden alveolen hebben hogere compliantie
    • 
  • conclusie: beide best onderaan de long

7 (H31) Ventilatie/perfusie verhoudingen

• $X_A$: alveolaire X
• $X_a$: arteriele X
• dode ruimte
  • freq = 12 ventilaties per minuut
  • $\dot V_T = \dot V_D + \dot V_A$
    • $\dot V_T$: totale ventilatie (500 ml)
      • cf. teugvolume (TV)
    • $\dot V_D$: dead space ventilatie (150 ml)
    • $\dot V_A$: alveolaire ventilatie (350 ml)
• twee belangrijke formules
  • alveolaire ventilatie vergelijking
    • assumptie: geen CO2 in ingeademde lucht
    • $\dot V_A = \frac{\dot V_\ce{CO2}}{P_{a\ce{CO2}}} \cdot K$
      • $\iff P_{a\ce{CO2}} = \frac{\dot V_\ce{CO2}}{\dot V_A} \cdot K$
        • zie blauwe curve
      • $\dot V_A$: alveolaire ventilatie
      • $\dot V_\ce{CO2}$: uitgeademde CO2
      • $P_{a\ce{CO2}}$: arteriele CO2
      • $K$: constante
  • alveolaire gas vergelijking
    • $P_{A_\ce{O2}} = P_{I_\ce{O2}} - \frac{P_{A_\ce{CO2}}}{RQ}$
      • $P_{A_\ce{O2}}$: alveolaire $P_\ce{O2}$ = 100 mmHg
      • $P_{A_\ce{CO2}}$: alveolaire $P_\ce{CO2}$
      • $P_{a_\ce{CO2}}$: arteriele $P_\ce{CO2}$
      • $P_{I_\ce{O2}}$: inspiratoire $P_\ce{O2}$ = 150 mmHg
      • $RQ = \dfrac{\dot V_{CO_2}}{\dot V_{O_2}} \approx 0.8$: respiratoir quotient
        • we ademenen minder CO2 uit dan O2 in (want O2 wordt nog op andere plaatsen in lichaam gebruikt)
      • $P_{A_\ce{CO2}} \approx P_{a_\ce{CO2}}$
        • laatste kan je meten in bloedstaal
      • metafoor: lavabo water niveau
        • kraan open/dicht
        • afvoer open/dicht
  • 
• ventilatie-perfusie verhouding
  • beide beter (hoger) naar onder toe
    • ventilatie: verhoogde compliantie door minder negatieve $P_{IP}$
    • perfusie: zones van West
    • maar niet even snel -> mismatch
  • PCO2 lang heel stabiel tussen 40-46 mmHg
  • 
  • dead space
    • dode ruimte = geen perfusie (definitie)
    • lichaam auto-corrigeert door bronchoconstrictie + minder surfectant
      • verschrompeld longdeel
    • 
  • shunt
    • lichaam auto-corrigeert door vasoconstrictie
    • 
• zuurstof transport cascade
  • 
  • shunts
    • bronchiaal
      • 
    • cardiaal

8 (H32) Controle van ventilatie

• diaphragma
  • n. phrenicus (C3-C5)
• Central Pattern Generator (CPG)
  • "klok": regelt ademritme
  • fuzzy concept
  • in hersenstam
    • medulla oblongata
    • pons (minder belangrijk)
  • opgebouwd uit Respiratory Related Neurons (RRN)
    • dorsal respiratory group (DRG)
      • inspiratoire neuronen
    • ventral respiratory group (VRG)
      • inspiratoire neuronen
      • expiratoire neuronen
• chemische controle
  • via chemoreceptoren
  • functie
    • tonisch aansturing CPG
    • negatieve feedbackloop
  • twee locaties
    • perifeer
      • sinus caroticus
        • (via n. glossopharyngeus (IX))
      • arcus aortae
        • (via n. vagus sinistra (X))
        • minder belangrijk
      • sensoren: meer ventilatie als ...
        • PO2 daalt
        • PCO2 stijgt
        • pH daalt
          • zuur ~ CO2 ("koolzuurgas")
          • "acidose"
    • centraal
      • in hersenstam
      • achter BBB
        • trager effect
      • meten enkel verlaging PCO2 (via pH)
        • effect: meer ventilatie
        • niet: PO2
• interactie
  • 
• terminologie
  • hypoxie: te weinig O2
  • hypercapnie: te veel CO2
  • eupnea
  • apnea
  • dyspnea
    • heel breed begrip
    • gevoel
  • sigh = zucht
  • Cheyne-stokes ademhaling
    • neurologische schade
  • gasping
    • bij sterven
  • 

9 Toepassingen