Weerstand van het respiratoire systeem

Weerstand wordt gemeten in cmH2O/L/s en omvat de energie die verloren gaat als wrijving door de flow. Flow is een functie van de drukgradiënt en de weerstand. In de luchtwegen zijn er verschillende types van flow waarbij weerstand een belangrijke rol speelt.

Types van flow

Stroming kan laminair of turbulent zijn. In laminaire omstandigheden is de stroming evenredig met de driving pressure, terwijl in turbulente omstandigheden de stroom evenredig is met de vierkantswortel van de driving pressure.

Reynoldsgetal

Het type flow kan voorspeld worden met het Reynoldsgetal.

• D: diameter
• p: gasdichtheid
• v: snelheid
• n: gas viscositeit

Een Reynoldsgestal van:

• <2000 is overwegend laminaire flow
• 2000 – 4000 is ‘overgangs’-flow, laminair veranderd in turbulent
• > 4000 is overwegend turbulente flow

Laminaire flow

• De laminaire flow is evenredig met de driving pressure
  • Ervan uitgaande dat de luchtweg recht is en onvertakt
  • De relatie tussen de drukgradiënt en de stroomsnelheid is lineair en kan worden weergegeven door de vergelijking van Ohm ∆P = stroomsnelheid × weerstand
• De weerstand kan worden beschreven met de vergelijking van Hagen-Poiseuille:

• waarbij:
  • R: weerstand
  • η: viscositeit
  • l: lengte
  • r: radius

Determinanten van de luchtwegweerstand

• Hierboven staan dus de determinanten die de weerstand beïnvloeden, waarbij de radius de factor is die het meest beïnvloed kan worden in vivo:
  • De lengte is namelijk een gefixeerde constante
  • De viscositeit is afhankelijk van het gasmengsel
  • De radius is afhankelijk van:
    • Extraluminale factoren
      • Compressie: bloeding, tumor, dynamische hyperinflatie, atelectatische compressie
      • Longvolume: De luchtwegradius neemt toe wanneer het longvolume groter wordt als gevolg van tractie op de luchtwegen (totdat er dynamische hyperinflatie optreedt, waarna de luchtwegen weer worden samengedrukt)
    • Luminale constrictie: bronchospasme, bronchoconstrictie
    • Intraluminale obstructie: sputumplug, aspiratie
• Gas kan het uiteinde van de buis bereiken ook als het stroomvolume kleiner is dan het volume van de buis
  • Dit komt omdat gas dat in contact komt met de wand in wezen onbeweeglijk is, althans in theorie. Het gas langs de wand blijft dus in de buis cq. de luchtwegen
  • Dus alveolaire ventilatie kan plaatsvinden ook als het teugvolume kleiner is dan het volume van de anatomische dode ruimte, zoals bij ‘high frequency oscillatory ventilation’.

Turbulente flow

Hoge stroomsnelheden en vertakkingen van de luchtwegen verstoren de laminaire stroming en maken de flow turbulent.

• Met name in de bovenste luchtwegen waar de stroomsnelheid hoog is en er regelmatig vertakkingen en veranderingen in de diameter zijn
• Deze flow is evenredig met de vierkantswortel van de driving pressure. Met andere woorden, naarmate de drukgradiënt toeneemt, neemt de flow minder toe (d.w.z. de relatie is niet lineair).
• De weerstand is hoger dan bij laminaire flow en neemt toe in verhouding tot de flowsnelheid en kan niet worden beschreven met de traditionele Hagen-Poiseuille-vergelijking

De weerstand bij turbulente flow kan verminderd worden door de flow minder turbulent te maken door het Reynoldsgetal te beïnvloeden. De gasdichtheid is de belangrijkste bepalende factor voor het al dan niet turbulent zijn van de stroming (zie de formule van het Reynoldsgetal).

Helium (bijvoorbeeld Heliox, een mengsel van helium en zuurstof) kan de gasdichtheid verlagen, zo vergroot helium de kans dat laminaire stroming optreedt in vernauwde (bovenste) luchtwegen, en dit vermindert de weerstand en bevorderd de flow in. Dit effect is groter in bovenste luchtwegproblematiek dan in onderste luchtwegproblematiek.

Overgangsflow

Overgangsflow vindt plaats bij takken en hoeken in de luchtwegen, zoals in de meeste bronchiën.

Weerstand en mechanische beademing

De luchtwegweerstand tijdens mechanische positieve druk beademing is te meten in de drukcurve bij volume gecontroleerde beademing door middel van ‘inspiratory pause’. Tevens is het ‘break point’ tijdens de eerste fase van de inspiratie een punt dat de bijdrage van de luchtwegweerstand differentieert van de longcompliantie.

Inspiratory pause

Bij volume gecontroleerde beademing wordt de druk gegenereerd door een constante flow, de longcompliantie, de luchtwegweerstand en het teugvolume. Door de inspiratie te beëindigen en de adem in te houden, wordt de bijdrage van de weerstand geëlimineerd en blijft alleen de druk over die afhankelijk is van de longcompliantie en het teugvolume. Zie de bovenstaande schematische weergave van de drukcurve bij een volume gestuurde ademteug.

• Het verschil tussen peak pressure en plateau pressure is toe te schrijven aan de luchtwegweerstand.
  • Het is de druk die nodig is geweest om de luchtwegweerstand te overbruggen bij een bepaalde flow (de eenheid is: cmH2O/L/s).
• De meest nauwkeurige manier om dit te meten is bij een verslapte patiënt. De meeste ventilatoren kunnen dit automatisch.
• Onderstaande formule kan ook worden gebruikt:

Echter beïnvloeden meerdere factoren deze daling van peakdruk naar plateaudruk:

• De vroege daling van de druk zou volledig te wijten zijn aan de luchtwegweerstand.
• De langzamere, meer geleidelijke afname die later gezien kan worden is een combinatie van weefselontspanning en gasdistributie (evenwicht) tussen longeenheden met verschillende tijdconstanten (het pendelluft effect genoemd).
  • Te zien bij ziektes met een heterogeen longbeeld.
  • Bij een normaal respiratoir systeem wordt waarschijnlijk weinig pendelluft waargenomen
  • Dit is wel de reden waarom de aanbevolen duur van een inspiratoire pauze ongeveer 2 seconden is.

Break point

Het ‘breakpoint’ is het punt waarop de luchtwegweerstandsdruk is overwonnen en de longen beginnen te vullen met lucht.

• Het breekpunt wordt bepaald door de luchtwegweerstandsdruk. Dus hoe hoger de flow of hoe hoger de luchtwegweerdstand, hoe hoger het breekpunt.
• Het breekpunt is meestal een subtiele verandering van de kromming, waarbij de gradiënt van de drukcurve verandert.
  • In de bovenstaande schematische weergave van de drukcurve bij een volume gestuurde ademteug heb ik dit breekpunt duidelijk weergegeven.

Interpretatie ventilator curves

Tijdens mechanische beademing verklappen de beademingscurves veel over de mate van luchtwegweerstand en kunnen in een acute respiratoire situatie als diagnosticum fungeren waarmee de differentiaal diagnose dan gezocht kan worden in de determinanten van luchtwegweerstand.

Volume gestuurd / Volume control

Tijdens de inspiratie bij een volume gestuurde modus waarin de flow en volume wordt gecontroleerd door de ventilator, leidt de toename van de weerstand (R) tot een toename van het verschil tussen de alveolaire druk (de donkerrood gestippelde lijn in de drukcurve; waarbij dit eind-inspiratoir overeenkomt met de plateaudruk) en de luchtweg druk (rode lijn). Dit verschil heb ik aangegeven met de lichtrode pijlen.

In de expiratie vermindert de toename in R de maximale expiratoire flow (dronker groene pijlen) en verhoogt het de tijd die het ademhalingssysteem nodig heeft om volledig uit te ademen (licht groene pijl) ^​1​. Dit heeft te maken met de relatie van weerstand en de tijdconstante van het respiratoire systeem.

Druk gestuurd / Pressure Control

Bij een druk gestuurde modus waarbij de inspiratie druk gecontroleerd is zal de toename in R leiden tot een afname van de inspiratoire en expiratoire flow (zie de groene flowcurve).

• De tijd die nodig is om de inspiratie en expiratie te voltooien neemt toe.
  • Daardoor kan de inspiratie en expiratie vroegtijdig worden afgekapt (lichtgroene pijlen) ^​1​.
  • Een groter teugvolume (eventueel gecombineerd met een betere recruitment en minder V/Q-mismatch of shunt) kan dan worden bereikt door de inspiratietijd te verhogen.

Auto-PEEP

• Als de expiratoire flow bij de start van de volgende ademhaling niet nul bereikt ontstaat er airtrapping, leidend tot auto-PEEP of intrinsic PEEP genoemd.
  • Dit leidt ook tot een toename van dode ruimte ventilatie daar er geen volledige uitademing van CO2 plaatsvind.
  • Volledige CO2-uitademing vindt plaats tijdens het alveolaire gedeelte van het capnogram (oftwel de plateaufase van de etCO2-curve).
    • De gele pijl laat zien dat deze plateaufase niet bereikt kan worden bij een hoge weerstand.
  • In het geval van airtrappig is de longdeflatie onvolledig en begint de plateaudruk elke ademcyclus te stijgen omdat het volume van de eindinspiratie in de volgende cyclus toeneemt.
  • Auto-PEEP kan gemeten worden door een expiratory hold uit te voeren.

Referenties

1. 1.

   Correger E, Murias G, Chacon E, et al. Interpretation of ventilator curves in patients with acute respiratory failure. Medicina Intensiva (English Edition). May 2012:294-306. doi:10.1016/j.medine.2012.06.001