De longen bestaan uit twee kegelvormige sponsachtige organen die longblaasjes bevatten en lucht vasthouden voor gasuitwisseling. De primaire taak van de longen is het uitwisselen van de gassen zuurstof (O2) en koolstofdioxide (CO2). Zuurstof uit de buitenlucht wordt ingeademd en via de longen afgegeven aan het bloed. Koolstofdioxide wordt uit het bloed verwijderd en uitgeademd. Het principe van deze gasuitwisseling is diffusie van een hoge naar een lage concentratie.
De luchtwegen zijn opgebouwd uit een reeks vertakte buizen die smaller, korter en talrijker worden naarmate ze dieper in de longen doordringen. De trachea (luchtpijp) verdeelt zich in de rechter en linker hoofdbronchus die zich op hun beurt weer vertakken in lobaire en vervolgens segmentale bronchiën. Via de terminale bronchiolen komen we ten slotte uit bij de alveolaire kanalen die volledig zijn bekleed met longblaasjes waarin de gasuitwisseling plaatsvindt.
Tijdens het inademen neemt het volume van de borstholte toe en wordt lucht de long in gezogen. De volumetoename wordt deels veroorzaakt door contractie van het diafragma en deels door de werking van de intercostale spieren. Daardoor ontstaat er een onderdruk in de borstkas en zal er lucht naar binnen stromen. Door het grote aantal vertakkingen in de luchtwegen neemt de stroomsnelheid van de geïnspireerde lucht enorm af waardoor diffusie van gassen zal plaatsvinden. Het inademen is een actief proces. Uitademen is een vrijwel passieve gebeurtenis. Door de elasticiteit van de longen gaat alles weer vanzelf naar de uitgangsstand terug. De ademhalingsspieren ontspannen zich passief. Bij diepe uitademing zoals tijdens het sporten helpt het diafragma om geforceerd uit te ademen. In rust adem je ongeveer twaalf keer per minuut een teug van een halve liter. Per minuut is dat zes liter maar dit kan tijdens inspanning oplopen tot meer dan honderd liter per minuut.
Zuurstofarm bloed komt uit de rechterhartkamer via de longslagaderside longen binnen. Zuurstofrijk bloed verlaat de longen langs de longader naar de linkerboezem, en wordt via de linkerhartkamer het lichaam ingepompt. Ingeademde lucht stroomt door de luchtpijp en komt via bronchiën en bronchiolen aan in de longblaasjes die elk een diameter van 0,2 mm hebben en waarvan er zich naar schatting driehonderd miljoen in de longen bevinden. De oppervlakte van de longen kan tot 50 m2 bedragen. Het maximale longvolume is vijf tot zeven liter. Het restvolume is zo’n drie liter.
Ademhaling
Het uitwisselen van zuurstof (O2) en koolzuur (CO2) is van vitaal belang voor het vrijmaken van energie in de lichaamscellen. Ademaling is het proces waarbij uitwisseling van gassen tussen bloed en nabijgelegen cellen plaatsvindt.
De mechanica van de ademhaling
Inspiratie is zoals hiervoor beschreven het gevolg van de samentrekking van het middenrif en de intercostale spieren. De ribbenkast zwaait naar boven en naar buiten. De vergrote holte waarin de longen zijn ondergebracht, ondergaat een drukverlaging (-3 mm Hg) ten opzichte van de druk buiten het lichaam. Omdat de longen passief zijn (geen spierweefsel), zetten ze uit door de luchtdruk van buiten.
Expiratie is het gevolg van de ontspanning van het middenrif en de intercostale spieren. De ribbenkast beweegt naar binnen en naar beneden. Door de elasticiteit van de longen ontstaat er een hogere druk dan de atmosferische druk (+ 3 mm Hg) zodat de lucht uit de longen wordt verdreven.
Parameters van ademhaling
Teugvolume
Het gasvolume dat tijdens elke ademhalingscyclus wordt ingeademd of uitgeademd is ongeveer een halve liter.
Long-compliantie (de pulmonale volumeverandering per eenheid drukverandering).
In wezen is longcompliantie het vermogen van de longblaasjes en het longweefsel om uit te zetten bij inspiratie. In klinische termen wordt het gedefinieerd als de volumetoename in de longen per eenheid toename van de longdruk. Hoewel het duidelijk geen volledige beschrijving is van de druk-volume-eigenschappen van de long, is het in de praktijk niettemin nuttig als maat voor de relatieve stijfheid van de long. Hoe stijver de long, hoe minder compliantie.
Longcompliantie varieert met de grootte van de longen; een kind heeft kleinere longen dan een volwassene. Bovendien is de volume-drukcurve niet lineair, waardoor de compliantie niet constant blijft. Gelukkig is de relatie over het teugvolumebereik waarin gewoonlijk dynamische compliantiemetingen worden uitgevoerd, ongeveer lineair en wordt een constante compliantie verondersteld.
Luchtwegweerstand
Luchtwegweerstand heeft betrekking op het gemak waarmee lucht door de buisvormige ademhalingsstructuren stroomt. Hogere weerstand treedt op in vertakkingen zoals bronchiolen en longblaasjes die niet goed worden geventileerd. Het is te vergelijken met de elektrische weerstand (Wet van Ohm, R=V/I). Voor de bepaling van de luchtwegweerstand zijn dus de druk- en luchtstroommetingen in de alveoli nodig.
Longelasticiteit
Longelasticiteit is het vermogen van de elastische longweefsels om tijdens de uitademing terug te keren naar hun rusttoestand. Een gezonde long, evenals een goede inspiratie, is voor dit proces van cruciaal belang. Het grootste deel van de lucht die het ademhalingssysteem binnenkomt, bereikt daadwerkelijk de longblaasjes. Het deel van het luchtvolume dat niet beschikbaar is voor gasuitwisseling met het bloed bevindt zich in de luchtpijpen en wordt ook wel ‘dode lucht’ genoemd. Deze dode ruimte vult ongeveer 150 ml aan lucht die niet bijdraagt aan de gasuitwisseling.
Longventilatoren voor patiënten
Patiënten die onvoldoende kunnen ademhalen of die een narcose moeten ondergaan worden aangesloten op een beademingsapparaat: de longventilator. Deze wordt gekoppeld aan de luchtweg van de patiënt. Het apparaat is ontwikkeld om de ventilatie van de patiënt automatisch te vervangen of te verbeteren.
Aankoppeling van de patiënt kan via een masker of endotracheale tube.
De meeste ventilatoren gebruiken positieve druk tijdens het inademen om de longen op te blazen met verschillende gassen of mengsels van gassen (lucht, zuurstof, kooldioxide, helium). Uitademing is meestal passief, hoewel onder bepaalde omstandigheden ook tijdens de uitademingsfase druk kan worden uitgeoefend om de arteriële zuurstofspanning te verbeteren. Slechts in zeldzame gevallen wordt tijdens de expiratie negatieve luchtwegdruk gebruikt.
Geassisteerde modus
Inspiratie wordt getriggerd door de patiënt. Een druksensor reageert op de lichte negatieve druk die optreedt telkens wanneer de patiënt probeert in te ademen en triggert zijn apparaat om te beginnen met het opblazen van de longen. Zo helpt de ventilator de patiënt te inspireren wanneer hij wil ademen en zodoende bij de hoeveelheid inspanning die nodig is om het beademingsapparaat te activeren. Deze modus wordt gebruikt voor patiënten die zelf proberen te ademen maar niet in staat zijn om zonder hulp voldoende lucht in te ademen, of voor wie de ademhaling te veel inspanning vereist.
Geassisteerde-/gecontroleerde modus
Het beademingsapparaat wordt normaal geactiveerd wanneer de patiënt probeert te ademen (zoals in de geassisteerd modus). Echter, als de patiënt niet binnen een vooraf bepaalde tijd ademt, activeert een timer automatisch het beademingsapparaat om de longen op te blazen. Zo controleert de patiënt zijn eigen ademhaling zolang hij kan, maar als hij dat niet doet, zal de apparatuur het van hem overnemen. Deze modus wordt ook gebruikt om de patiënt van de beademing af te laten gaan en hem te ontwennen. Als de patiënt probeert te ademen tijdens gecontroleerde beademing, zal het apparaat de poging waarnemen en onmiddellijk in de ondersteuningsmodus gaan ongeacht in welk deel van de controlefase het zich bevond.
Ventilatoren voor klinisch gebruik kunnen in twee hoofdgroepen worden ingedeeld:
- Drukgestuurd
- Volumegestuurd
Drukgestuurd, positieve druk, controller of type assistent/controller
Dit apparaat wordt pneumatisch aangedreven door een gasbron en heeft geen elektrische stroom nodig. De apparatuur in deze categorie kan een elektrisch aangedreven compressor bevatten, of wordt gebruikt met een afzonderlijke compressor om ventilatie met omgevingslucht te starten. Timing voor werking in de controller-modus wordt bereikt door een kamer te vullen met een gas en dit te laten wegvloeien via een instelbare naaldklep. Ventilatoren met drukcyclus kunnen vrij klein zijn, maar tegelijkertijd kunnen ze alle benodigde apparatuur bevatten om de stroom van gas, gemengde lucht en zuurstof te regelen, de inspanningen van de patiënt te inspireren en te voelen, de inspiratie te beëindigen wanneer de gewenste druk is bereikt, aanpassing mogelijk te maken van de gevoeligheid van het activeringsmechanisme en om het gewenste drukniveau, en zelfs negatieve druk te genereren.
Volumegestuurde ventilatoren
Deze ventilatoren gebruiken een zuiger of balg om voor elke ademhaling een nauwkeurig gecontroleerd volume af te geven. Op de intensive care, waar patiënten longafwijkingen hebben en berekende volumes (afgeleid van bloedgasanalyse) en gasconcentraties nodig hebben, heeft dit type beademingsapparaat de voorkeur. Het is veel groter dan de pneumatisch bediende ventilator en elektrisch bediend om een grotere mate van controle over de ventilatie te bieden dan de drukcyclus systemen. De meeste apparaten met volumecycli hebben instelbare druklimieten en alarmen voor de veiligheid. Hun voorziening voor het aanpassen van druklimieten en zowel in- als uitademingstijden kan ook worden gebruikt in combinatie met de volume-instelling om de therapeutische longfunctie te waarborgen als de patiënt dit nodig heeft.
Andere beschikbare functies zijn onder meer een luchtbevochtiger en optionele mogelijkheden voor onderdruk en positieve einduitademingsdruk (PEEP).
