Ademhalingsfrequentie 2: anatomie en fysiologie van de ademhaling

Introductie

Om het proces van ademhaling te begrijpen is het belangrijk om bekend te zijn met de anatomie van de thorax en de fysiologie van het ademhalingsstelsel. De ademhaling bestaat uit twee essentiële onderdelen:

• Ventilatie: het proces van het fysiek verplaatsen van lucht in en uit de longen;
• Gasuitwisseling: het proces van het in het lichaam brengen van zuurstof (O2) en het uit het lichaam brengen van kooldioxide (CO2).

Anatomie en fysiologie

De longen bevinden zich binnen de ribbenkast, omsloten door twee borstvliesmembranen (Fig 1). Aan de basis van de borstkas, die hem scheidt van de buikholte, ligt het diafragma. Dit is de hoofdspier van de inspiratie, en wordt door de nervus phrenicus geïnnerveerd.

De longen bestaan uit grote en kleine luchtwegen – de trachea is de grootste en eerste van 23 generaties luchtwegen. De luchtwegen van elke generatie komen voort uit de vorige door een systeem van onregelmatige dichotome vertakkingen (Davies and Moore, 2010). De kleinere luchtwegen (respiratoire bronchiolen) bevatten alveoli in hun wanden. Alveoli zijn de plaats van gasuitwisseling en hun aanwezigheid neemt toe naarmate de luchtwegen kleiner worden. Hierdoor neemt de totale oppervlakte van de long exponentieel toe, waardoor maximale gelegenheid voor gasuitwisseling ontstaat.

Centrale en perifere chemo-receptoren die gevoelig zijn voor hypoxie (lage O2-niveaus) en hypercapnie (verhoogde CO2) regelen de drang om te ademen (Davies en Moore, 2010).

Ventilatie

Lucht verplaatst zich op natuurlijke wijze van een gebied met hoge druk naar een gebied met lage druk. Tijdens de normale ademhaling gebeurt de inademing door het samentrekken en afplatten van het middenrif en het samentrekken van de externe tussenribspieren, waardoor de ribbenkast omhoog komt en naar buiten beweegt. Hierdoor neemt de omvang van de borstholte toe. Door deze veranderingen beweegt de pariëtale pleurale laag van de longen mee met de ribbenkast en het diafragma, waardoor een negatieve druk ontstaat. De viscerale pleurale laag die aan het oppervlak van de longen vastzit, volgt en de longen zetten uit, waardoor lucht wordt aangezogen.

Uitademing in rust is een grotendeels passief proces; inspiratiespieren ontspannen en er is elastische terugslag van de longen waardoor een toestand van drukevenwicht ontstaat voordat de cyclus opnieuw begint (Bourke en Burns, 2015). Deze beweging van de borstkaswand wordt waargenomen wanneer de ademhalingsfrequentie (RR) wordt gemeten. Veranderingen in RR treden op als reactie op inspanning, emoties en tijdens de slaap; die veranderingen in RR die verband houden met inspanning en angst kunnen groter zijn dan 25 slagen per minuut, maar zullen meestal terugkeren naar normaal in een rustende, kalme toestand.

Gasuitwisseling

Het proces van ventilatie brengt lucht naar de alveoli waar gasuitwisseling plaatsvindt door een eenvoudig proces van diffusie. Een gas verplaatst zich van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie. De partiële druk van O2 in de atmosfeer is hoger dan die in het lichaam en de bloedstroom bevat een hogere partiële druk van CO2 dan de atmosfeer. Voor een doeltreffende gasuitwisseling moet de in de longen ingeademde lucht naar het alveolaire membraan stromen, waar de wanden van de capillairen dun zijn en er een groot oppervlak is.

Wat is een basislijn RR?

Wanneer ventilatie en gasuitwisseling plaatsvinden, is het normale bereik van de zuurstofverzadiging van het bloed (SpO2) 94-98% (O’Driscoll et al, 2017) en dit kan in rust worden gehandhaafd met een RR van 12-20 ademhalingen per minuut.

Fig 2 toont de oxyhaemoglobine-disassociatiecurve. Deze illustreert hoe fysiologische factoren kunnen leiden tot een verandering in RR als gevolg van een verandering in SpO2. Als bijvoorbeeld op hoogte de beschikbare atmosferische O2 (PO2) afneemt, zal de SpO2 dalen, waardoor de RR toeneemt. Bij ziekte waarbij de temperatuur of de pH-waarde van het bloed verandert, waardoor de disassociatiecurve van oxyhemoglobine naar rechts of naar links verschuift, zal de RR worden beïnvloed doordat het lichaam de homo-eostase probeert te herstellen.

Effect van slechte gezondheid op basislijn RR

Het is belangrijk om de vraag te stellen of RR als onderdeel van het National Early Warning System (NEWS) (Royal College of Physicians, 2017) nuttiger is bij patiënten die geen bekende ademhalingsaandoening hebben, waarbij een score van 0 (12-20 ademhalingen per minuut) een echte basislijn is.

In longaandoeningen waarbij de gasuitwisseling en/of ventilatie in rust is verstoord, zullen de hypoxische en hypercapnische aandrijvingen de RR verhogen om de SpO2 op peil te houden. Slechte gasuitwisseling, zoals bij longfibrose of longemfyseem (veroorzaakt door respectievelijk verdikking van de alveolaire wand en vernietiging van het longweefsel), leidt tot een hogere RR in rust. Het is daarom belangrijk de ‘normale’ uitgangswaarde van de patiënt in aanmerking te nemen.

Gemeenschappelijke obstructieve longaandoeningen zoals chronisch obstructieve longziekte of astma worden gekenmerkt door een verhoogde weerstand tegen de luchtstroom omdat de kleine luchtwegen vernauwd zijn, waardoor de zuurstoftoevoer naar de aveoli vermindert. Tijdens acute exacerbaties is deze weerstand verhoogd, wat leidt tot een verhoging van de RR. Toediening van bronchusverwijders ontspant de gladde spieren in de wand van de luchtwegen, waardoor de weerstand vermindert en de RR weer normaal wordt.

Neuromusculaire aandoeningen van de longen leiden vaak tot hypoventilatie omdat de mechanismen die nodig zijn voor normale ventilatie niet goed functioneren. In dit geval kan een lage RR (bradypnoe) leiden tot ademstilstand.

Tijdens operaties en postoperatief herstel moet de RR nauwlettend in de gaten worden gehouden omdat anesthetica, die meestal opioïden bevatten, de ademhaling kunnen onderdrukken en de RR kunnen verlagen (Koo en Eikermann, 2011). Ze werken in op de centrale chemoreceptoren, waardoor de drang om te ademen wordt onderdrukt.

Het is belangrijk te onthouden dat pulsoximetrie de zuurstofsaturatie meet, terwijl RR de ventilatie meet. In een vroeg stadium van verslechtering kan de SpO2 van de patiënt in het normale bereik lijken te liggen, maar de RR zal toenemen als reactie op een ontoereikende gasuitwisseling. Verandering in RR is vaak het eerste teken van verslechtering (zie deel 1).

De toekomst

RR is een vroege indicatie van verslechtering van de toestand van de patiënt, en vroege identificatie van verandering zorgt ervoor dat patiënten zinvolle klinische interventies krijgen. Om RR nuttig te laten zijn als een vroeg waarschuwingssignaal bij patiënten met een bekende ademhalingsaandoening, moeten we weten wat normaal is voor die patiënt.

Zoals later in de reeks zal worden besproken, zijn er technologieën die de RR van een patiënt in rust objectief kunnen meten en we moeten overwegen of deze routinematig in de praktijk moeten worden gebruikt, zoals bij het meten van SpO2 of bloeddruk.