氦氧混合气在呼吸系统疾病中的应用

游海平(综述)，张小霓，翁钦永(审校)

(1.福建医科大学附属第一医院麻醉科，福州 350005； 2.福建医科大学附属协和医院重症医学科，福州 350001)

1868年Janssen发现了氦气(Helium)，1903年美国学者证实Heium大量存在于大气中[1]。氦气和氧气混合后制成的氦氧混合气(Heliox)始用于人体深水潜水作业，以防止肺减压病的发生。之后人们发现，吸入Heliox可显著降低呼吸道阻力和呼吸功、增加二氧化碳排出以及改善气体交换[2]。这引起医学工作者的重视，并促使Heliox的应用转向治疗呼吸系统疾病的领域。该文就Heliox在呼吸系统疾病中应用的研究进展予以综述。

1 氦气的理化性质

氦气是一种化学性能稳定，临界温度最低，最难液化，常温下呈现气态的惰性气体。也是最轻的稀有气体，且在所有元素中熔点和沸点最低[3]。与氧气(1.43 g/m3)和氮气(1.25 g/m3)相比，氦气具有较低的密度(0.179 g/m3)，其绝对黏度是201.8 mp(氧气：211.4 mp；普通空气：188.5 mp)。在相同条件下，氦气的流速是空气的2.68倍[4]。由于气流大小取决于混合气中每种气体成分的密度和黏度，氦气的物理特性可以降低呼吸道阻力，提高通过肺的气流。此外，氦气具有较高的导热性，当机体完全被包绕在氦气中就可能发生热丢失，从而降低新陈代谢，所以在充满氦气的环境中，机体的能量消耗更低[5]。人们在对大鼠的实验中发现，延长呼吸75%的氦气可诱导低体温[6]。然而，人类至今尚未发现短期呼吸氦气发生体温降低的相关报道。

2 Heliox治疗呼吸系统疾病的相关机制

2.1呼吸力学方面的作用机制 呼吸道阻力大小不仅取决于呼吸道口径，还与气体的运动状态(包括层流或湍流)、气流速度、气体密度及黏滞度有关。当其他因素不变时，低密度和(或)高黏滞度的气体产生的阻力更小。Heliox恰好兼具低密度性和高黏滞性，正符合雷诺公式：R=ρ·D·Vel/μ的原理，能够改善气流运动状态，提高气体流速，降低呼吸道阻力和呼吸功[7-8]。呼吸道阻塞性肺疾病患者吸入Heliox后呼吸困难症状明显缓解，正是通过上述物理特性改善呼吸力学才得以实现。

2.2生化作用机制 人们发现氦气还存在某些生化特性，此发现打破了以往只把氦气作为一种惰性气体的旧识。Oei等[9]研究发现，Heliox预处理对心肌和脑缺血/再灌注损伤具有保护作用，并且对肺、免疫系统、血管也产生作用，提示氦气具有生化特性，能产生特定的生物作用。Lee等[10]的实验提示，当呼吸Heliox时，肺平均动脉压、右心房压和肺动脉阻力均呈现显著统计学意义的降低，且Heliox通气可以降低内源性呼气末正压和残气量，使心脏指数增加>20%。在急性肺损伤的新生动物模型上，Heliox组与氮氧组比，通气参数得到改善，这与肺泡增多，氧需求减少和炎症范围缩小有关[11]，认为这是氦气对肺的生化作用和通过物理特性改善呼吸力学参数引起的效果。李志平等[12-13]在探讨慢性阻塞性肺疾病吸入Heliox后肺功能改善的机制中发现，吸入Heliox后用力肺活量显著增加。呼吸高浓度Heliox还可大幅增加补呼气容积，这证明肺的弹性发生了变化，而单靠其物理特性无法解释此现象。这种肺弹性的改变可能是高浓度Heliox改善某些呼吸道疾病患者缺氧症状的重要机制之一[14]，而肺弹性的改变可能与Heliox某些未知的生物作用有关[15]。虽然氦气对软组织具有生化作用已是不争的事实，但是其作用机制仍是未解之谜。

3 Heliox在呼吸系统疾病中的应用研究

Heliox通气作为治疗各种原因引起的呼吸道阻塞性疾病(上下呼吸道梗阻、哮喘及慢性阻塞性肺疾病)的替代方法已有70多年的历史[16]。近年来发现，Heliox对急性支气管炎、急性肺损伤、呼吸衰竭及婴幼儿肺部疾病治疗和雾化治疗有明显效果，且具有降低气管插管率，缩短住院时间等优势[17]。

3.1治疗哮喘 哮喘是一种以可逆性气流受限为特征的呼吸道慢性炎症性疾病，临床主要表现为呼吸道阻塞导致的低氧血症和二氧化碳蓄积。多项研究发现，无论是自主呼吸还是机械通气，吸入Heliox均能明显缓解急性哮喘患者的呼吸困难症状，这与Heliox降低呼吸道阻力和呼吸功耗、改善气体交换等作用有关[18-19]。由于急性哮喘发作异常凶险，特别是哮喘持续状态，常危及生命，临床上可以直接通过吸入Heliox，迅速降低呼吸道阻力、加快气体流速、降低呼吸功能、改善气体交换，从而缓解哮喘状态，因此Heliox可方便地用于哮喘的院前和急症救治。

3.2治疗慢性阻塞性肺部疾病 慢性阻塞性肺部疾病是慢性呼吸道阻塞性疾病的统称，主要包括不可逆性呼吸道阻塞的慢性支气管炎和肺气肿两种疾病。其主要病理特点是肺通气和(或)换气功能障碍，临床表现为呼吸困难，呼吸做功增加及运动耐受降低等。Marciniuk等[20]对16例稳定期慢性阻塞性肺疾病患者行6 min步行测试发现，通过面罩或鼻导管吸入Heliox(30% 氦气,70% 氧气)比吸入100%氧气的患者步行距离更远。Colebourn等[21]研究发现，Heliox通气能降低慢性阻塞性肺疾病患者的内源性呼气末正压，从而使克服内源性呼气末正压所致的做功减少。以上研究说明慢性阻塞性肺疾病患者吸入Heliox可以改善呼吸困难，降低呼吸功，增加运动耐受，从而改善病情，提高生活质量。但不能根本解决呼吸道阻塞问题。

3.3治疗急性支气管炎 急性支气管炎属于呼吸系统常见病和多发病，主要表现为呼吸急促，呼吸功耗增加和呼吸肌疲劳，严重者出现呼吸困难，而呼吸肌疲劳又反过来加重呼吸困难。吸入Heliox可阻断这种恶性循环，缓解病情。在一项针对婴儿急性细支气管炎的随机对照研究中，Liet 等[22]发现Heliox组比空气或氧气组在第一个小时治疗后平均临床呼吸评分显著降低(均数-1.15,95%CI-1.98～-0.33，P=0.006,每组69例)。Martinón-Torres等[23]对38例急性支气管炎的婴儿进行对照性研究得出了类似结果。由此可见，Heliox能改善急性支气管炎患者的呼吸困难和临床评分。但这些仅限于临床观察，其机制有待进一步研究。

3.4治疗呼吸衰竭 对于各种原因导致的呼吸衰竭,传统的鼻导管给氧并不能明显改善病情，而常需行机械通气治疗。有报道称，Heliox通气治疗急性呼吸衰竭不仅可以减轻病情，同时还可以降低气管插管率，提高生存率[24-25]。此外，对气管插管的患者而言，Heliox通气也能显著降低呼吸道阻力，加速气体流动，增加氧输送及排出二氧化碳，从而改善气体交换和低氧血症。由于婴幼儿对气管插管和面罩给氧耐受力差，加之呼吸道口径相对狭小，易被痰液等分泌物阻塞。针对婴幼儿呼吸衰竭的治疗，临床上有报道，单纯从鼻导管吸入Heliox是可行且有效的方法之一[26]。目前传统机械通气治疗仍是治疗急性呼吸衰竭的主流，而Heliox通气作为呼吸衰竭的一种辅助治疗手段，或许是未来临床值得推广的新元素。

3.5治疗急性肺损伤 急性肺损伤是在严重感染、休克、创伤及烧伤等非心源性疾病过程中，肺毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞损伤造成弥漫性肺间质及肺泡水肿导致的急性低氧性呼吸功能不全或衰竭。Heliox用于急性肺损伤，目前仅在动物实验阶段。研究发现，急性肺损伤幼猪吸入Heliox后潮气量增加，二氧化碳排出增多，气体交换最终得到改善[27]。Nawab等[11]研究也证实Heliox机械通气不仅能提高气体交换效率，降低机体对氧的需求，而且还能减轻急性肺损伤幼猪肺部炎症。其机制可能与Heliox的物理特性有关，此外某种生化机制也可能参与了抗炎等作用。

3.6在雾化吸入治疗中的应用 在雾化吸入治疗方面，Heliox除了可以作为氧的载体外，还可以作为支气管扩张药等雾化剂的载体。通过改变气体流量，Heliox有助于把更多的气雾剂颗粒输送到远端的支气管树中[28]。一项随机对照研究证明，雾化吸入支气管扩张剂治疗急性哮喘，Heliox组更显著地增加呼吸流速[29]。这可能是由于氦气的低密度和高黏滞性，改变呼吸道的阻力和顺应性，从而提高气体流速，使气雾剂更快地达到相应部位发挥疗效。有关这方面的应用还需要大样本的循证医学研究加以证实。

3.7治疗婴幼儿肺部疾病 Heliox对婴幼儿肺部疾病同样有较好的疗效。Szczapa等[30]的研究显示，Heliox机械通气不会影响婴儿的生命体征并保持临床状况的稳定性；氦氧机械通气期间，婴儿的潮气量，每分钟通气和呼气峰流速值显著增加；在不降低肺泡动脉氧分压差和氧合指数的情况下Heliox机械通气可以允许更低的氧浓度，同时显著增加氧合指数比值。在对51例行鼻塞式持续呼吸道正压通气的新生儿随机对照研究中发现Heliox通气(氦气 80%和氧气20%)与空气通气相比可显著降低机械通气的比例(14.8% vs 45.8%)[31]。由于婴幼儿呼吸道口径相对狭小，且肺的顺应性较成人差，加上婴幼儿对缺氧耐受能力较差，一旦患有呼吸系统疾病，往往来势较为凶险，需争分夺秒改善缺氧状况。Heliox可以通过加快气体流速，增加氧气输送和二氧化碳排出，降低氧需求，从而迅速改善缺氧症状，这是值得进一步探索的研究方向。

4 问题与展望

迄今为止，人们对Heliox的研究多局限于物理特性及呼吸力学方面，且研究样本较小；Heliox的制备、贮存及运输均需要特殊设备和技术，成本较高。这些因素都限制了其在临床上的广泛应用。但是，综述诸多研究成果已为Heliox的深入研究展现出曙光，有关Heilox的其他作用和机制最终也将公之于众，加上其使用成本的不断降低，相信Heliox成为治疗呼吸系统疾病的常规手段之一已为期不远。

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