Ventilatoire Beperking van de Inspanning1
Dyspnoe bij inspanning is één van de belangrijkste klachten van patiënten met een longziekte. Het inspanningsonderzoek kan dan ook een belangrijke rol spelen zowel bij het inschatten van de ernst van de ziekte als bij de evaluatie van behandeling en follow-up van de ziekte. In het algemeen gaat het bij inspanningsonderzoek om de vraag [1] welke inspanning de patiënt kan leveren en [2] door welk mechanisme de inspanning beperkt wordt. In dit onderdeel zullen we ingaan op de vraag op welke manier een stoornis in de ventilatie de inspanning kan beperken en hoe dit kan worden afgeleid uit de metingen tijdens het onderzoek.
Ventilatie tijdens normale inspanning Gezonde mensen hebben een aanzienlijke ventilatoire overcapaciteit. Dat wordt direct duidelijk uit de verandering van de belangrijkste ademhalingsparameters tijdens inspanning, zeker wanneer deze worden vergeleken met parameters van de circulatie. Het ademminuutvolume in rust bedraagt ongeveer 5-12 l/min en kan bij de meeste volwassenen toenemen tot 100-120 l/min (een tienvoudige toename). Daarentegen kan de cardiac output toenemen van 4-6 l/min tot 20-25 l/min (slechts een vijfvoudige toename). Als het gaat om O2 en CO2 transport is het dan ook niet verrassend dat de circulatie tijdens inspanning normaal gesproken de beperkende factor is. De beperking van de cardiac output komt in eerste instantie tot stand door het bereiken van een maximaal slagvolume van het hart en in tweede instantie (de uiteindelijke beperkende factor) door het bereiken van de maximale hartfrequentie, afhankelijk van de leeftijd. Het ventilatoire vermogen wordt onder normale omstandigheden niet geheel aangesproken, en bij maximale inspanning is er nog een aanzienlijke ventilatoire reserve over. Vrijwel altijd neemt de ventilatie eerst toe door een toename van het teugvolume en meestal pas na het passeren van de anaërobe drempel ook door een toename van de ademfrequentie. Dat leidt tot een verhoogde ademarbeid. In het algemeen geeft dat geen dyspnoe: dyspnoe is een sensatie die meestal pas ontstaat wanneer bewust of onbewust een discrepantie wordt opgemerkt tussen ademarbeid en opgewekte
1
Cursus Ergometrie Mei 2012, J.G. van den Aardweg, Medisch Centrum Alkmaar,
[email protected]
luchtstroom. ‘Onbelemmerd’ diep ademen tijdens hardlopen geeft meestal geen dyspnoe, wel wanneer de ademhaling wordt belemmerd door bijvoorbeeld bronchusobstructie. Tijdens onbelemmerde ademhaling wordt ademarbeid vooral gebruikt voor inspiratie, de expiratie is voornamelijk passief door het terugveren van long en borstwand naar het rustvolume (de functionele residuale capaciteit of FRC). Met ‘borstwand’ wordt hier de gehele begrenzing van de thoraxholte bedoeld: in deze zin is de buik dus het onderste deel van de borstwand. Op FRC-niveau is de naar binnen gerichte elastische kracht van het longweefsel precies gelijk aan de naar buiten gerichte elastische kracht van de borstwand (doordat de ribben iets naar binnen worden getrokken en de buik iets omhoog wordt ‘gezogen’, althans in zittende of staande positie). Op FRC-niveau is dus geen ademspierarbeid nodig om de toestand te handhaven. In dit evenwicht is er een geringe onderdruk in de pleuraholte. Tijdens inademing is ademarbeid nodig voor het uitrekken van de long (als een elastische ballon). Bij relatief lage teugvolumes (bijvoorbeeld < 1 liter) helpt de thoraxwand mee met de inspiratie: de ribbenkast en de buik veren terug naar hun rustpositie, die meestal groter is dan het FRC (het rustvolume van de thoraxwand is meestal 4 l, het FRC 2,5 l). Bij diepere inspiratie gaat de borstwand tegenwerken: het kost energie om het volume van de borstwand verder te vergroten. In de grafiek van longvolume vs. pleuradruk is de ademarbeid het oppervlak tussen de compliantielijnen van long en borstwand (zie dia 4 in de hand-outs). Duidelijk is dat de ademarbeid sterk gaat toenemen wanneer ingeademd wordt tot vlak bij de totale longcapaciteit (TLC). Dit is elastische ademarbeid; daarnaast is enige arbeid nodig voor het overwinnen van de weerstand van de luchtwegen, wat sterk toeneemt bij obstructieve longziekten. Bij een normale rustademhaling duurt de actieve inspiratie ongeveer even lang als de passieve expiratie (dia 5). De totale expiratieduur is meestal wat langer doordat men even op FRC-niveau blijft hangen. Door deze eind-expiratoire pauze is de inspiratietijd gedeeld door de totale ademduur (TI/TTOT) normaal gesproken ~40%. Wanneer de ademfrequentie toeneemt tijdens inspanning wordt eerst deze eind-expiratoire pauze opgebruikt (en vervolgens wordt de in- en expiratoire flow verder opgehoogd om de frequentie verder te laten toenemen). Tijdens maximale inspanning is het spirogram dus een soort zaagtand met een TI/TTOT-ratio van ongeveer 50%. Alleen bij expiratoire obstructie kan de expiratie zodanig verlengen dat de TI/TTOT-ratio tijdens maximale inspanning onder de 45% blijft. De expiratietijd TE blijft dan dus langer dan de inspiratietijd TI (verlengd expirium). Zie dia 6. Vaak – maar niet altijd – duidt dit op het bestaan van expiratoire flowlimitatie.
Expiratoire flowlimitatie Dit is het grootste probleem van patiënten met een obstructieve longziekte tijdens inspanning. Expiratoire flowlimitatie is een situatie waarbij de luchtstroom door de luchtwegen is begrensd – bij een toename van het drukverschil tussen alveoli en mond neemt de luchtstroom niet verder toe. Bij gezonde personen ontstaat dit alleen tijdens geforceerde expiratie (het inspannings-onafhankelijke deel van de flow-volumecurve, zie dia 8). Normaal gesproken ontstaat er geen expiratoire flowlimitatie tijdens inspanning (ook niet bij atleten). Wanneer de flow-volumecurve tijdens inspanning de maximale flow-volumecurve raakt, is dat een aanwijzing voor flowlimitatie (zie dia 7). Om dit goed te kunnen interpreteren, is het wel noodzakelijk dat de flow-volumecurve tijdens inspanning op de juiste wijze op de volume-as wordt geplaatst. Hierbij kan gebruikt worden van de aanname dat het TLC tijdens inspanning min of meer constant blijft. Door de patiënt tijdens inspanning in te laten ademen tot TLCniveau, kan hieruit de locatie van de flow-volumecurve op de volume-as worden bepaald. Wat is de oorzaak van expiratoire flowlimitatie? Het probleem ontstaat door een bijnacollaps van de grotere intrathoracale luchtwegen (meestal de segmentsbronchi). Deze bijnacollaps ontstaat doordat de positieve intrathoracale druk tijdens uitademing niet alleen op de alveoli, maar ook op de intrathoracale luchtwegen wordt uitgeoefend. Daarbij daalt de intraluminale druk in de luchtwegen in de richting van alveoli naar mond door de weerstand in de meer perifeer gelegen luchtwegen. De intraluminale druk wordt verder verlaagd doordat de stromende lucht op zich al een onderdruk creëert (als een ‘kielzog’). Het leidt ertoe dat in de luchtwegen een punt ontstaat waar de intraluminale druk gelijk is aan de extraluminale intrathoracale druk (equal pressure point). Stroomafwaarts hiervan is de intraluminale druk lager dan de extraluminale, wat leidt tot een bijna-collaps op plaatsen waar de wand van de luchtwegen relatief flexibel is (en dat is op het niveau van de segmentsbronchi). Hoe leidt dit nu tot flowlimitatie? In het geval van flowlimitatie is er blijkbaar geen totale collaps van de luchtwegen, anders zou de flow niet gelimiteerd maar onderbroken zijn. Kennelijk wordt de stroom begrensd wanneer de diameter van de luchtwegen op een bepaald punt bijna geheel collaberen. Op zich zou de luchtstroom eindeloos kunnen toenemen wanneer de luchtwegen zich vernauwen, zolang de stroomsnelheid maar kan blijven toenemen. Dan geldt: de stroomsnelheid op een bepaald punt is de stroomsterkte (flow) gedeeld door het oppervlak van het lumen (dia 9). De stroomsnelheid (v in dia 9) is echter beperkt: deze kan niet groter worden dan de geluidssnelheid (het doorbreken van de geluidsbarrière zou teveel energie kosten). Met ‘geluidssnelheid’ wordt hier bedoeld de
voortplantingssnelheid van een drukgolf door het inwendige van de luchtwegen (c in dia 9 en 10). Dit is langzamer dan de geluidssnelheid in lucht, doordat de voortplanting van golven wordt afgeremd door het meetrillen van de wand (het is in feite een ‘holle snaar’: hoe zwaarder de snaar, hoe langzamer de drukgolf – vergelijkbaar met de lagere tonen van een zwaardere gitaarsnaar). Zie dia 10. In de luchtwegen wordt c geschat op 10 tot 50 m/s. Vermenigvuldigd met het oppervlak van de luchtwegen op het punt van maximale collaps (enkele mm2), levert dit een maximale flow op in de orde van 0,1 tot 1,0 L/s.
Gevolgen van expiratoire flowlimitatie tijdens inspanning Expiratoire flowlimitatie (EFL) veroorzaakt 2 problemen, die aan elkaar gerelateerd zijn: [1] intrinsieke positieve eind-expiratoire druk (intrinsic PEEP) en [2] hyperinflatie. Normaal gesproken daalt de positieve intra-alveolaire druk tijdens passieve expiratie tot nul (d.w.z. gelijk aan de buitenluchtdruk). In geval van EFL is de luchtstroom dermate gering dat de long nog niet geheel is ‘leeggelopen’ tijdens expiratie, waardoor er een nog een positieve alveolaire druk blijft bestaan aan het einde van de uitademing (de intrinsic PEEP). Om vervolgens in te ademen, zullen de inademingsspieren eerste de alveolaire druk moeten laten dalen tot nul, waarna alveolaire druk negatief wordt en de lucht pas naar binnen gaat stromen. Dit leidt tot een korte fase waarin de expiratoire stroom wordt afgeremd: de inademingsspieren zijn al begonnen met contractie maar de luchtstroom is nog naar buiten gericht (dia 12). Vanzelfsprekend kost dit extra ademarbeid. Ten tweede leidt EFL tot een ventielwerking: bij toename van de ventilatie kan de inspiratoire flow wel maar de expiratoire flow niet toenemen, waardoor de patiënt zichzelf opblaast (hyperinflatie). Dit gaat ook gepaard met extra ademarbeid, doordat de compliantie van zowel long als borstwand lager is bij hogere longvolumes (dia 4). Tijdens normale inspanning neemt het teugvolume aanvankelijk toe door zowel dieper in als uit te ademen (dia 7, linker panel). Dit is energetisch gunstig: het is een slingering om een evenwichtstoestand (het FRC). Bij EFL is diepere expiratie niet mogelijk: de flowvolumecurve schuift op richting TLC (dia 7, middelste panel). Dat is energetisch ongunstig: de ‘slinger’ is voortdurend uit de evenwichtstoestand. Voor hetzelfde teugvolume is veel meer energie nodig (zie dia 17, vergelijk deze met dia 4). Wanneer het longvolume het TLC begint te naderen wordt de ventilatie steeds zwaarder: de inspanning loopt vast op een ventilatoire beperking met lage ademreserve. Hyperinflatie wordt bij COPD waarschijnlijk voornamelijk veroorzaakt door EFL (en in mindere mate door verhoogde longcompliantie bij emfyseem). Een aanwijzing voor EFL
tijdens inspanning is het raken van de flow-volumecurve aan de maximale flow-volumecurve; een bewijs wordt pas geleverd wanneer de flow niet blijkt toe te nemen als het drukverschil tussen alveoli en mond wordt vergroot. Dit kan worden gerealiseerd door kortdurende onderdruk aan te brengen bij de mond (negative expiratory pressure, NEP). Wanneer de expiratoire flow tijdens een teug met NEP gelijk is aan de expiratoire flow van een vergelijkbare ademteug zonder NEP, is dat een bewijs voor het bestaan van EFL (dia 13, rechter plaatje). In het linker plaatje van dia 13 bestaat duidelijk geen EFL: de flow neemt toe door het drukverschil tussen mond en alveoli te vergroten met NEP. Veel patiënten met ernstig COPD vertonen al EFL in rust, in minder ernstige gevallen ontstaat het probleem pas tijdens inspanning. Dia 15 laat nog eens zien wat er met het teugvolume gebeurt tijdens normale inspanning; dia 16 laat zien wat er gebeurt als EFL (aangetoond met NEP) al bestaat in rust (links), of ontstaat op 1/3 van de maximale belasting (midden), of pas ontstaat op 2/3 van de maximale belasting (rechts). Duidelijk is dat hoe eerder EFL ontstaat, hoe sterker de hyperinflatie en hoe groter de kans op ventilatoire beperking van de inspanning. In dat geval is het teugvolume tijdens maximale inspanning meestal klein: het is relatief zwaar om diep in en uit te ademen op een hoog teugvolume. Patiënten met een lage inspiratoire capaciteit (IC) als uiting van hyperinflatie in rust, blijken dan ook een kleiner teugvolume te bereiken tijdens maximale inspanning (dia 18).
Nogmaals: de ademreserve Om een lage ademreserve aan te tonen is een schatting nodig van de maximale ventilatie die de patiënt kan leveren. Klassiek is de maximale vrijwillige ventilatie (MVV), waarbij de patiënt gevraagd wordt maximaal diep te ademen met een frequentie van 30/min. Velen doen dit echter op een hoog longvolume (dia 19), het komt dan neer op een hyperinflatiemanoeuvre die in niets lijkt op het adempatroon tijdens maximale inspanning door een gezonde proefpersoon (dia 7). Mogelijk om deze reden maakt het voor de interpretatie meestal niet veel uit wanneer de maximale ventilatie wordt geschat met een nog simpeler maat, zoals 40 × FEV1. Niet iedere ventilatoire inspanningsbeperking gaat gepaard met een lage ademreserve. Met name bij cardiale patiënten blijft het longvolume nogal eens ‘hangen’ op een laag niveau (dia 20). De flow loopt dan vast op de maximale flow (er ontstaat EFL), maar op de één of andere manier bestaat er een onvermogen om op te schuiven naar een hoger longvolume (waarmee de EFL weer teniet gedaan zou kunnen worden). Mogelijk is dit een gevolg van lage longcompliantie, waardoor de ademarbeid onevenredig toeneemt bij hogere
longvolumes. Iets vergelijkbaars wordt nogal eens gezien bij obesitas, waar de lage compliantie van de thoraxwand (inclusief buik) het diepere inademen hindert. Daarnaast kan de timing van in- en expiratie een rol spelen. In ieder geval leidt dit tot een vorm van ventilatoire beperking met een hoge ademreserve. Zonder flow-volumecurves tijdens inspanning (of nog beter: oesophagusdrukmeting) is dit niet altijd makkelijk op te sporen.
Interpretatie Een ventilatoire beperking van de inspanning kan worden vastgesteld op basis van directe (ventilatoire) gegevens, eventueel ondersteund door indirecte gegevens, zoals een hoge hartfrequentiereserve of een oplopende arteriële PCO2. Wanneer we ons beperken tot metingen van de ventilatie, kunnen we het bovenstaande samenvatten in de volgende vuistregels voor de interpretatie van het inspanningsonderzoek (dia 21): •
Lage ademreserve (o.b.v. MVV of 40 × FEV1) < 25%: - Ventilatoire beperking; - Echter: Bij hoge ademreserve is ventilatoire beperking ook mogelijk (expiratoire flowlimitatie zonder hyperinflatie, o.a. bij obesitas of hartfalen)
•
Hoge VT/VC-ratio (> 55%): - Kan passen bij belemmerde ademmechanica (o.a. restrictie); - Echter bij zowel COPD als restrictie vaak lage VT/VC-ratio bij ernstige ziekte
•
Hoge ademfrequentie bij relatief lage VT: - Past bij zowel COPD als restrictie
•
Lage TI/TTOT-ratio (< 45%): - Past bij expiratoire obstructie (hoeft geen EFL te zijn)
•
Flow-volumecurve en inspiratoir reservevolume: - Laag IRV is een teken van ventilatoire beperking; - Expiratoire curve raakt maximale curve en heeft een ‘afgezaagde’ vorm: kan passen bij EFL, echter geen bewijs! - Soms blijft het longvolume laag en IRV hoog, met een flow die maximaal wordt voor dit volume (expiratoire flowlimitatie zonder hyperinflatie: past bij belemmerde ademmechanica bij adipositas of hartfalen).
Ventilatoire beperking van de inspanning?
Ventilatoire Inspanningsbeperking Joost van den Aardweg Medisch Centrum Alkmaar
Cursus Ergometrie Mei 2012 Werkgroep Longfunctie NVALT
Circulatie: – Hartfrequentie – SV – Cardiac output Ventilatie: – Ademfrequentie – VT – V’E
Rust
Maximale waarde
60-80 0.06-0.08 4-6
150-200 min−1 0.14-0.15 L 20-25 L/min
12-16 0.3-0.5 5-12
30-45 min−1 1.5-2.5 L 100-120 L/min
Adempatroon tijdens inspanning
VT neemt toe
Na anaërobe drempel:
–
Wat is de oorzaak van de inspanningsbeperking?
Hoe is te zien of een belemmering van de ventilatie een rol speelt bij de beperking van de inspanningstolerantie? 2
Ademarbeid (inspiratie)
3
–
Welke inspanning kan patiënt leveren?
1
Ventilatoire overcapaciteit
TI/TTOT ratio stijgt van ~40% naar 50% Frequentie neemt toe 5
Elastisch
Elastisch + Weerstand 4
In- en expiratietijd
Normaal
COPD
6
1
Flow-volumecurve tijdens inspanning
Inspannings-onafhankelijk deel van de flow-volumecurve
Flowlimitatie Flowlimitatie
Johnson, Chest 1999; 116: 488
7
Expiratoire flowlimitatie
Maximale snelheid (v) = voortplantingssnelheid drukgolf (c)
8
Collapsible tube
9
Consequenties van expiratoire flowlimitatie
c = voortplantingssnelheid drukgolf
10
Afremming van de expiratie bij EFL Afremming
De flow is onafhankelijk van drukverschil alveolus-mond (PA – Pm)
Aan het einde van de expiratie is er nog steeds overdruk in de alveoli (PA > Pm): PEEPi
Aan het eind van de expiratie moet eerst de PEEPi worden overwonnen zodat PA = Pm, dan pas inspiratoire flow
In
Uit
PEEPi
Diep uitademen lukt niet: patiënt kan VT alleen verhogen door dieper in te ademen
11
12
2
Aantonen van EFL: Negative Expiratory Pressure
Tantucci, Eur Respir J 1998; 12: 799
Gevolg van EFL: dynamische hyperinflatie
13
14
Wanneer EFL ontstaat tijdens inspanning: dynamische hyperinflatie
Longvolumes tijdens inspanning (normaal)
15
Koulouris, J Appl Physiol 1997; 82: 723
16
Lagere IC in rust → lagere VT tijdens inspanning
Ademarbeid tijdens hyperinflatie door expiratoire flowlimitatie
17
Diaz, Eur Respir J 2001; 17: 1120
18
3
MVV-manoeuvre versus maximale ventilatie tijdens inspanning
Expiratoire flowlimitatie zonder hyperinflatie: hoge ademreserve!
Johnson, Chest 1999; 116: 488
19
20
Differentiaaldiagnostisch
Lage ademreserve (obv. MVV of 40 × FEV1) < 25%
Ventilatoire beperking Echter ook bij hoge ademreserve is ventilatoire beperking mogelijk (expiratoire flowlimitatie zonder hyperinflatie)
Hoge VT/VC-ratio (> 55%)
Kan passen bij belemmerde ademmechanica (oa. restrictie) Echter bij zowel COPD als restrictie vaak lage VT /VC ratio bij ernstige ziekte
Hoge ademfrequentie bij relatief lage VT
Lage TI/ TTOT -ratio (<45%)
Flow-volumecurve en inspiratoir reservevolume
Past bij zowel COPD als restrictie
Past bij expiratoire obstructie (hoeft geen EFL te zijn)
Laag IRV is een teken van ventilatoire beperking Expiratoire curve raakt maximale curve en heeft “afgezaagde” vorm: kan passen bij EFL, echter geen bewijs! Soms blijft het longvolume laag en IRV hoog, met een flow die maximaal wordt voor dit volume (expiratoire flowlimitatie zonder hyperinflatie: bij belemmerde ademmechanica door adipositas of hartfalen)
21
4
