Hoewel er in de inspanningsfysiologie steeds werd verondersteld dat andere factoren dan de ademhaling de inspanningscapaciteit beperken wordt er in recente literatuur veronderstelt dat het ademhalingssysteem bij erg goed getrainde atleten de inspanning wel kan beperken. We zetten de bijzondere capaciteiten en ook alle mogelijke beperkende factoren van het ademhalingssysteem op een rij. We doen dit op basis van het artikel van Dempsey: Is the Healthy Respiratory System Built Just Right, Overbuilt or Underbuilt to Meet the Demands Imposed by Exercise?
(Dempsey et al.)
Het ademhalingssysteem is bijzonder flexibel en heeft een enorme capaciteit. Bij jonge en minder goed getrainde atleten zonder symptomen zal de ademhaling de inspanning niet beperken. Dit is anders bij bijzonder goed getrainde atleten of bij atleten met symptomen.
Ventilatie (VE):
Het ademhalingssysteem is er op gericht om zowel de zuurstof als de koolstofconcentratie in het bloed onder alle omstandigheden constant te houden. Tijdens inspanningen gaan we meer lucht ventileren. Enerzijds omdat we meer zuurstof nodig hebben, anderzijds omdat we meer CO2 moeten uitblazen.
Ademmechanica:
Als inspanningen zwaarder worden dan moeten de longen meer lucht ventileren en dit in overeenstemming met de energie behoefte en CO2 productie. Om meer lucht per minuut te ventileren neemt de diepte van de ademhaling of het teugvolume (TV) toe en zullen de longen sneller in- en uitademen of zal de ademfrequentie (Bfr) toenemen. Het teugvolume kan enkel toenemen als er dieper wordt uitgeademd of het eind expiratoir longvolume (EELV) afneemt. De afname van het EELV en toename van het TV is zeer belangrijk ifv ademefficiëntie. Als het EELV niet voldoende afneemt en het TV niet voldoende toeneemt zal de ademfrequentie sneller toenemen en zal een efficiënte ademmechanica in het gedrang komen. Een te snelle toename van de ademfrequentie kan een belangrijke negatieve impact hebben op de inspanningscapacteit en eventueel op de ontwikkeling van lichamelijke of mentale symptomen.
Ademhalingsspieren:
Het middenrif en de andere ademhalingsspieren zijn perfect aangepast aan hun taak tijdens zware inspanningen. De ademhalingsspieren blijken niet snel vermoeid tijdens zware inspanningen. Tijdens zware inspanningen zullen andere spieren van de nek en de borstkas samenwerken met het middenrif en de inspanning samen dragen. Tijdens inspanningen zullen uitademspieren ervoor zorgen dat de longen diep genoeg uitblazen en het EELV afneemt. Hierdoor worden de inademspieren langer waardoor deze spieren meer kracht kunnen zetten.
Pulmonale doorbloeding:
Er lopen veel bledvaatjes rond de longblaasjes. Zowel de bloedvaatjes en de longblaasjes hebben een zeer fijne wand. Dit is belangrijk omdat zuurstof door de wand, van de longblaasjes naar de bloedbaan moet getransporteerd worden en koolzuur moet door de wand van de bloedvaatjes naar de longblaasjes kunnen. Deze bloedvaatjes zijn ook erg elastisch waardoor het bloedvolume tijdens inspanning gemakkelijk kan toenemen. Tijdens maximale inspanning zal er 3x meer bloed langs de alveolen stromen ten opzichte van de hoeveelheid bloed in rust.
Gasuitwisseling:
Als de inspanning toeneemt moet er meer zuurstof naar de bloedbaan getransporteerd worden en meer koolzuur van de bloedbaan naar de alveolen. De longen zullen dus meer lucht moeten ventileren om de zuurstof druk ter hoogte van de alveolen te verhogen. Soms lijdt deze inspanningsgebonden hyperventilatie tot een verzuring van het bloed waardoor de rode bloedcellen minder met zuurstof gaan verbinden (Bohr effect).
Mogelijke beperkingen van het ademhalingssysteem bij zeer goed getrainde atleten:
Bij getrainde atleten is er een nood om een overmatig volume aan lucht te ventileren. Dit overmatig ventileren zorgt voor hogere drukken in de borstkas en de buik waardoor een aantal beperkende fenomenen ontstaan:
Hyperinflatie:
Als we te veel lucht proberen in en uit te ademen dan kan op een bepaald moment de verhouding tussen teugvolume en ademfrequentie verstoord geraken. Hierdoor gaan we te snel beginnen ademen en is er te weinig tijd om voldoende lucht uit te blazen. Het EELV zal dus stijgen. Dit zorgt ervoor dat de longen een extra volume aan lucht gaan vasthouden en de longen en de borstkas op een hogere stand moeten werken (LOV). Deze hogere stand of hyperinflatie is erg nadelig voor de werking van de ademhalingsspieren. De ademhalingsspieren gaan vanuit een ongunstige positie moeten werken. Hierdoor gaan de ademhalingsspieren snel vermoeid geraken en daardoor extra bloed en zuurstof gebruiken waardoor de arm- en beenspieren minder zuurstof en bloed ter beschikking zullen hebben. Dit fenomeen noemt men ook de respiratoire metabole reflex.
Respiratoire metabole reflex
Ademhalingsspieren:
We kunnen de uitademhalingsspieren niet zomaar harder laten werken omdat de soepele luchtwegen dan dicht geduwd worden. Als we te hard uitblazen en de luchtwegen toeduwen dan zal er minder lucht naar buiten kunnen stromen, stijgt het EELV en ontstaat eveneens hyperinflatie. Daarnaast zien we dat de inspiratoire spieren tijdens een maximale inspanning slechts 5 tot 10% van hun maximale kracht inzetten.
Verminderde vulling van het hart:
De hoge nood tot ventilatie bij goed getrainde atleten zorgt voor een hogere druk in de buik en in de borstkas. Deze hogere druk heeft een invloed op de mate waarin het hart zich kan voorvullen met bloed. Door de verminderde voorvulling zal het hart ook minder bloed kunnen pompen.
Vernauwing van de luchtwegen (EIB):
Inspanning gebonden vernauwing van de luchtwegen zien we vooral onmiddellijk na een intense volgehouden inspanning. Het komt bij goed getrainde atleten erg vaak voor maar het effect van EIB op sportprestaties in nog niet duidelijk.
Bij goed getrainde atleten zien we vaak dat de kleinere luchtwegen extra vernauwen tijdens of onmiddellijk na zware inspanningen. Door het intens gebruiken van de longen kan er kleine schade ontstaan op de luchtwegen waardoor de gevoeligheid van de luchtwegen verhoogd. Deze verhoogde gevoeligheid zorgt ervoor dat de luchtwegen sneller geprikkeld worden en gaan vernauwen (als reactie op bepaalde prikkels). Een andere mogelijke oorzaak van de vernauwing is een verlies van vocht en dus het uitdrogen van de luchtwegen door de intense ventilatie.
Sluitende beweging van de stembanden (EILO):
De luchtweg ter hoogte van de stembanden vormt de flessenhals van de longen. Door de vorm van deze luchtweg veroorzaakt ze meer weerstand voor de naar binnenstromende lucht. In ideale omstandigheden is er een verhoogde activiteit van de spieren die de stembanden openen. Door de versmalling van de luchtweg ter hoogte van de stembanden gaat de lucht hier sneller stromen waardoor de stembanden soms naar binnen gezogen worden (wet van Bernoulli). Dit is 1 van de oorzaken van inspanningsgebonden sluiten van de stembanden (EILO). EILO is geassocieerd met de ontwikkeling van kortademigheid en stridor, een verhoogde ademarbeid en een verhoogde respiratoire drive. De zone van de stembanden lijkt voornamelijk problemen te geven (beperkt) als de ademfrequentie oploopt.
Inspanning gebonden afname van de gasuitwisseling tussen longblaasjes en bloedvaatjes (EIAH):
EIAH draagt in belangrijke mate bij bij het ontstaan van vermoeidheid in de armen en de benen en kan tot 15% bijdragen in het verlies van VO2max.
Bij 30 tot 70% van de goed getrainde uithoudingssporters zien we dat de zuurstofconcentratie tijdens zware inspanningen daalt. We zien een daling van de saturatie van hemoglobine van 4 tot 12% en van de zuurstofdruk in de arteriën van 10 tot 30 mmHg. Bij deze atleten zien we een groot verschil in zuurstofconcentratie tussen de longblaasjes en de bloedvaatjes en zien we een beperkte hyperventilatie respons. Factoren die bijdragen tot deze daling van de zuurstof is de verhouding tussen ventilatie van de alveolen ten opzichte van de doorbloeding van de bloedvaatjes ter hoogte van de longblaasjes. Een goede ventilatie van de longblaasjes en een goede doorbloeding van de bloedvaatjes zijn voorwaarden om voldoende zuurstof in de bloedbaan te krijgen. Studies tonen aan dat deze afname van zuurstofconcentratie in het bloed een impact heeft op vermoeidheid van de spieren en op de inspanningscapaciteit.
Capaciteit van de ademhalingsspieren:
We zien dat goed getrainde atleten ook sterkere ademhalingsspieren hebben die minder snel vermoeid worden. Het middenrif begint vermoeidheid te ervaren als de inspanning boven de 80% van de maximale inspanningscapaciteit ligt of als er hyperinflatie ontstaat. Als de ademhalingsspieren vermoeid geraken zullen de ademhalingsspieren bloed en zuurstof stelen van de arm en beenspieren via de respiratoire metabole reflex. Hierdoor zal de inspanningscapaciteit van de arm- en beenspieren afnemen.
Verschil tussen mannen en vrouwen:
Dempsey gaat ervan uit dat vrouwen veel vaker en sneller dan mannen beperkt worden door hun ademhalingssysteem. De longvolumes van vrouwen zijn algemeen kleiner ten opzichte van de longvolumes van mannen. Maar ook de grote en middelgrote luchtwegen zijn in verhouding smaller en de capaciteit om gas uit te wisselen blijkt ook lager te zijn bij vrouwen. We zien bij vrouwen ook sneller een beperking in de snelheid van de luchtstroom en een snellere beperking van de hyperventilatie respons. Vrouwen blijken ook meer ademarbeid te moeten leveren ten opzichte van mannen waardoor de longen mee zuurstof verbruiken en er sneller kortademigheid ervaren wordt. Inspanningsgebonden afname van de zuurstofconcentratie (EIAH) komt ook vaker voor bij vrouwen en ook bij een veel lagere zuurstofopnamecapaciteit.