Na een marathon kun je het beste op adem komen door diep in- en uitademen. Hijgen is minder effectief. Maar als je baby’s aan beademingsapparatuur legt, zijn grote slokken toegediende lucht funest.
Delen
Zij moeten juist hijgen. Ir. Frans de Jongh, verbonden aan de faculteit Lucht- en Ruimtevaart, maakte een computermodel en onderzocht de stroming in longen. Hij hoopt hierop 25 april te promoveren.
Bij grote inspanning, een potje hardlopen bijvoorbeeld, heeft een volgroeid mens meer zuurstof nodig. Hij gaat hijgen om die hoeveelheid te halen. Baby’s doen niet aan hardlopen, maar spannen zich wel in. Zij hebben zoveel energie nodig, dat zij vijf keer zo snel naar lucht moeten happen als volwassenen. In extreme gevallen, wanneer hun longen zich nog niet volledig ontwikkeld hebben, levert de ademhaling minder energie op dan zij nodig hebben. Deze baby’s, couveusekindjes, komen om door uitputting. Om dat te voorkomen moet men ze aan beademingsapparatuur leggen.
Dit was één van de concrete problemen waarvoor De Jongh een oplossing zocht. De vraag kwam van het Academisch Medisch Centrum in Amsterdam, die in de universitaire wereld op zoek ging naar een oplossing voor het optimale tempo voor kunstmatige beademing. Deen kwam terecht bij de L&R-vakgroep theoretische aerodynamica.
Trompet
,,Een long is opgebouwd als een fractal”, vertelt De Jongh. ,,Dat zijn structuren die zichzelf op elke lengteschaal herhalen. Als je inzoomt, zie je steeds weer dezelfde vorm terug, zoals bij bomen, wolken, kustlijnen en longen dus. Het computermodel dat ik gebruik begint met één buis, die zich daarna grofweg 23 keer splitst, eindigend in miljoenen bolletjes waar de zuurstof door het bloed wordt opgenomen, de longblaasjes.”
Door de opeenvolging van splitsingen, die bovendien steeds dichter bij elkaar zitten, stijgt de doorsnede van de long exponentieel. ,,Men vergelijkt het verloop van de longinhoud wel eens met een trompet, maar eigenlijk lijkt het meer op een omgekeerde punaise: onderin krijg je een geweldige toename, tot een oppervlakte zo groot als een tennisveld”, aldus De Jongh. Daardoor verloopt de snelheid van de stroming door de long ook sterk. Zoals een rivier vol stroomversnellingen zit bij smalle passages, zo stroomt het gas boven, waar de doorsnede klein is, snel door de long. Hoe dieper het vervolgens komt, hoe langzamer het gaat, omdat het zich over steeds meer buisjes kan verspreiden.
Die snelheid bepaalt de soort stroming. ,,In de luchtpijp is de stroming soms nog turbulent, vooral als je je inspant. Daarna wordt hij laminair, mooi strak zeg maar. Ten slotte, in de onderste regionen, waar de snelheid heel klein is, krijg je diffusie. Daardoor bereikt de zuurstof uiteindelijk de longblaasjes.”
De stroming veroorzaakt weerstand, die overwonnen moet worden door een drukval: je creëert een onderdruk in je longen, die tegenwicht biedt aan de weerstand. Een tweede belangrijke factor die de benodigde onderdruk bepaalt, is de elasticiteit van de longen. Bij kleine kinderen is die een stuk lager dan bij volwassenen; te vroeg geboren baby’s (prematuren) hebben soms zelfs longen die zo stijf zijn, dat ze omkomen van uitputting.
,,Dat komt doordat premature baby’s nog geen oppervlaktespanning-verlagende stoffen in hun longen hebben”, aldus De Jongh. ,,Zonder die stoffen worden de longblaasjes, die zijn bedekt met een dun waterlaagje, door de hoge onderlinge aantrekkingskracht van de watermoleculen dichtgetrokken. Om een idee van die kracht te geven: daardoor kun je een scheermesje op water laten drijven. Pas als je er zeep of vet bij doet, zinkt het mesje. Zo’n soort stof zit normaal gesproken ook in de longen, maar ontbreekt bij prematuren. De stof kan wel kunstmatig worden aangevuld, maar dat is erg duur. Je hebt dan bijvoorbeeld gemalen varkenslongen nodig, die op een speciale manier moeten worden bereid.” Om de blaasjes toch open te krijgen, zonder dat de couveusekindjes zich teveel moeten inspannen (met uitputting tot gevolg), worden zij aan beademingsapparatuur gelegd.
Blindheid
De Jongh ging de afgelopen jaren elke maandag naar het AMC, om daar de metingen te verrichten. ,,Ik stond daar midden tussen de couveuses. Een iets andere wereld dan hier. Maar dan zie je ook in levende lijve waar je het over hebt. Zo’n vroeg geboren baby weegt achthonderd gram, in plaats van drie kilo – moet je je voorstellen, je hebt als het ware een pak melk in je hand.”
,,Met die beademingsapparatuur is de vraag hoe je ervoor zorgt dat je voldoende zuurstof toedient, zonder dat er iets beschadigt. Pure zuurstof kan leiden tot te grote groei van de bloedvaten in de ogen, wat blindheid kan veroorzaken. Bovendien is uitademing van kooldioxide net zo belangrijk, en die verbeter je niet op die manier. Dus moet je andere grootheden variëren: het teugvolume en de ademhalingsfrequentie, die samen de hoeveelheid ingeademde lucht per minuut bepalen.”
Het teugvolume is de ‘slok’ lucht die je binnenkrijgt. Hoe groter die slok, hoe effectiever de ademhaling. Na inspanning adem je dan ook zo diep mogelijk in en uit, zodat zoveel mogelijk lucht ververst wordt. ,,Als dat volume echter te groot wordt, kan het het longweefsel beschadigen, waarvan de patiënt de rest van zijn leven last heeft. Het is alsof je een ballon kapotblaast. De oplossing ligt daarom in het verhogen van de ademhalingsfrequentie. Die is wel minder effectief, want bij elke cyclus wordt ook de lucht in het dode volume, de keel en de luchtpijp, ververst, terwijl die helemaal niets bijdraagt aan de ademhaling.”
Als je de beademingsfrequentie dus te hoog maakt, bereikt de zuurstof de longen niet meer. Aan de andere kant mag het teugvolume niet te groot worden, omdat dat de longen beschadigt. De Jongh ging op zoek naar het compromis, de optimale beademingsfrequentie, voor volwassenen, gezondebaby’s en couveusekindjes.
De Jongh: ,,Voor baby’s blijkt hoogfrequente beademing wel succesvol. Die hebben namelijk zulke kleine longen, dat de zuurstof door diffusie toch nog vanuit de luchtpijp de longblaasjes bereikt.”
De Jongh vond zijn onderzoeksomgeving verfrissend. Hij werd meteen geconfronteerd met de praktische consequenties. ,,De vragen die daar gesteld worden zijn toch heel anders dan de antwoorden die hier gegeven worden. In de eerste jaren kwam ik met leuke berekeningen en dan kreeg ik daar te horen: ja leuk, maar wat moet ik nou instellen op mijn apparatuur? Je moet in heel eenvoudige taal kunnnen uitleggen waarom iets geldt en waarom de resultaten zo zijn.” (M.P.)
Na een marathon kun je het beste op adem komen door diep in- en uitademen. Hijgen is minder effectief. Maar als je baby’s aan beademingsapparatuur legt, zijn grote slokken toegediende lucht funest. Zij moeten juist hijgen. Ir. Frans de Jongh, verbonden aan de faculteit Lucht- en Ruimtevaart, maakte een computermodel en onderzocht de stroming in longen. Hij hoopt hierop 25 april te promoveren.
Bij grote inspanning, een potje hardlopen bijvoorbeeld, heeft een volgroeid mens meer zuurstof nodig. Hij gaat hijgen om die hoeveelheid te halen. Baby’s doen niet aan hardlopen, maar spannen zich wel in. Zij hebben zoveel energie nodig, dat zij vijf keer zo snel naar lucht moeten happen als volwassenen. In extreme gevallen, wanneer hun longen zich nog niet volledig ontwikkeld hebben, levert de ademhaling minder energie op dan zij nodig hebben. Deze baby’s, couveusekindjes, komen om door uitputting. Om dat te voorkomen moet men ze aan beademingsapparatuur leggen.
Dit was één van de concrete problemen waarvoor De Jongh een oplossing zocht. De vraag kwam van het Academisch Medisch Centrum in Amsterdam, die in de universitaire wereld op zoek ging naar een oplossing voor het optimale tempo voor kunstmatige beademing. Deen kwam terecht bij de L&R-vakgroep theoretische aerodynamica.
Trompet
,,Een long is opgebouwd als een fractal”, vertelt De Jongh. ,,Dat zijn structuren die zichzelf op elke lengteschaal herhalen. Als je inzoomt, zie je steeds weer dezelfde vorm terug, zoals bij bomen, wolken, kustlijnen en longen dus. Het computermodel dat ik gebruik begint met één buis, die zich daarna grofweg 23 keer splitst, eindigend in miljoenen bolletjes waar de zuurstof door het bloed wordt opgenomen, de longblaasjes.”
Door de opeenvolging van splitsingen, die bovendien steeds dichter bij elkaar zitten, stijgt de doorsnede van de long exponentieel. ,,Men vergelijkt het verloop van de longinhoud wel eens met een trompet, maar eigenlijk lijkt het meer op een omgekeerde punaise: onderin krijg je een geweldige toename, tot een oppervlakte zo groot als een tennisveld”, aldus De Jongh. Daardoor verloopt de snelheid van de stroming door de long ook sterk. Zoals een rivier vol stroomversnellingen zit bij smalle passages, zo stroomt het gas boven, waar de doorsnede klein is, snel door de long. Hoe dieper het vervolgens komt, hoe langzamer het gaat, omdat het zich over steeds meer buisjes kan verspreiden.
Die snelheid bepaalt de soort stroming. ,,In de luchtpijp is de stroming soms nog turbulent, vooral als je je inspant. Daarna wordt hij laminair, mooi strak zeg maar. Ten slotte, in de onderste regionen, waar de snelheid heel klein is, krijg je diffusie. Daardoor bereikt de zuurstof uiteindelijk de longblaasjes.”
De stroming veroorzaakt weerstand, die overwonnen moet worden door een drukval: je creëert een onderdruk in je longen, die tegenwicht biedt aan de weerstand. Een tweede belangrijke factor die de benodigde onderdruk bepaalt, is de elasticiteit van de longen. Bij kleine kinderen is die een stuk lager dan bij volwassenen; te vroeg geboren baby’s (prematuren) hebben soms zelfs longen die zo stijf zijn, dat ze omkomen van uitputting.
,,Dat komt doordat premature baby’s nog geen oppervlaktespanning-verlagende stoffen in hun longen hebben”, aldus De Jongh. ,,Zonder die stoffen worden de longblaasjes, die zijn bedekt met een dun waterlaagje, door de hoge onderlinge aantrekkingskracht van de watermoleculen dichtgetrokken. Om een idee van die kracht te geven: daardoor kun je een scheermesje op water laten drijven. Pas als je er zeep of vet bij doet, zinkt het mesje. Zo’n soort stof zit normaal gesproken ook in de longen, maar ontbreekt bij prematuren. De stof kan wel kunstmatig worden aangevuld, maar dat is erg duur. Je hebt dan bijvoorbeeld gemalen varkenslongen nodig, die op een speciale manier moeten worden bereid.” Om de blaasjes toch open te krijgen, zonder dat de couveusekindjes zich teveel moeten inspannen (met uitputting tot gevolg), worden zij aan beademingsapparatuur gelegd.
Blindheid
De Jongh ging de afgelopen jaren elke maandag naar het AMC, om daar de metingen te verrichten. ,,Ik stond daar midden tussen de couveuses. Een iets andere wereld dan hier. Maar dan zie je ook in levende lijve waar je het over hebt. Zo’n vroeg geboren baby weegt achthonderd gram, in plaats van drie kilo – moet je je voorstellen, je hebt als het ware een pak melk in je hand.”
,,Met die beademingsapparatuur is de vraag hoe je ervoor zorgt dat je voldoende zuurstof toedient, zonder dat er iets beschadigt. Pure zuurstof kan leiden tot te grote groei van de bloedvaten in de ogen, wat blindheid kan veroorzaken. Bovendien is uitademing van kooldioxide net zo belangrijk, en die verbeter je niet op die manier. Dus moet je andere grootheden variëren: het teugvolume en de ademhalingsfrequentie, die samen de hoeveelheid ingeademde lucht per minuut bepalen.”
Het teugvolume is de ‘slok’ lucht die je binnenkrijgt. Hoe groter die slok, hoe effectiever de ademhaling. Na inspanning adem je dan ook zo diep mogelijk in en uit, zodat zoveel mogelijk lucht ververst wordt. ,,Als dat volume echter te groot wordt, kan het het longweefsel beschadigen, waarvan de patiënt de rest van zijn leven last heeft. Het is alsof je een ballon kapotblaast. De oplossing ligt daarom in het verhogen van de ademhalingsfrequentie. Die is wel minder effectief, want bij elke cyclus wordt ook de lucht in het dode volume, de keel en de luchtpijp, ververst, terwijl die helemaal niets bijdraagt aan de ademhaling.”
Als je de beademingsfrequentie dus te hoog maakt, bereikt de zuurstof de longen niet meer. Aan de andere kant mag het teugvolume niet te groot worden, omdat dat de longen beschadigt. De Jongh ging op zoek naar het compromis, de optimale beademingsfrequentie, voor volwassenen, gezondebaby’s en couveusekindjes.
De Jongh: ,,Voor baby’s blijkt hoogfrequente beademing wel succesvol. Die hebben namelijk zulke kleine longen, dat de zuurstof door diffusie toch nog vanuit de luchtpijp de longblaasjes bereikt.”
De Jongh vond zijn onderzoeksomgeving verfrissend. Hij werd meteen geconfronteerd met de praktische consequenties. ,,De vragen die daar gesteld worden zijn toch heel anders dan de antwoorden die hier gegeven worden. In de eerste jaren kwam ik met leuke berekeningen en dan kreeg ik daar te horen: ja leuk, maar wat moet ik nou instellen op mijn apparatuur? Je moet in heel eenvoudige taal kunnnen uitleggen waarom iets geldt en waarom de resultaten zo zijn.” (M.P.)
Comments are closed.