的临床使用helium-oxygen混合物(氦氧混合气)患者的哮喘或喉和气管阻塞被Barach[1934年第一次描述了 1]。从那时起,感兴趣的临床使用氦氧混合气下降,部分原因是支气管扩张剂的发现,部分原因是许多地方的自然氦在第二次世界大战期间( 2]。氦氧混合气在1980年代末再次汹涌澎湃的热情,与此同时增加哮喘死亡率( 3]。目前,使用氦氧混合气一直提倡的条件,如上呼吸道阻塞,臀部,急性哮喘,和postextubation喘鸣 4]。氦氧混合气已经慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者的管理假设这个气体混合物,由于其低密度,能够减少肺阻力。因此值得简要修改氦氧混合气的物理性质及其对呼吸系统的动态影响。

氦是较轻的元素后,氢和它正面的惰性气体系列元素周期表,原子序数的2和4 g摩尔的原子量⁻¹。由于其低熔点和沸点,在环境温度和压力下气体存在。氦气比空气相当密度较低,稍微粘稠:干燥,在37°C和1 atm,它的密度是0.157公斤米⁻³及其粘度204 μP(相比之下,在同一条件下空气密度和粘度是1.134公斤米⁻³和190年 μP,职责)。氦在水中的溶解度系数相比非常低氮、氧和二氧化碳(在37°C 0.0014, 0.014, 0.03和1 g / L,职责)。

因为它的溶解度低,氦通过alveolar-capillary膜非常缓慢,尽管其扩散率大于氧气,二氧化碳,甚至氮气。氦的单一轨道是完全由两个电子,所以氦不形成化合物。其被认为是惰性的代谢,出现无色,无臭、无味的气体。不像氙,它没有麻醉的属性。作为治疗气体,氦是用来代替氮气作为载气氧气。氦氧混合气中氧气的比例(表示从现在开始作为下标)应至少20%防止缺氧,和不超过40%,因为超过该值时,氦氧混合气不可能产生任何相关临床效果( 5]。helium-oxygen混合物的密度可以获得氧气和氦的加权平均密度( 6]。在37°C和760毫米汞柱,20%,30%,40%₂他的密度为0.377、0.488和0.600公斤米⁻³,分别。相比之下,氦氧混合气混合物的粘度不能得到的加权平均数氧气和氦粘度,因为气体混合物的粘度高于个人的平均粘度气体。利用半经验的公式Wilke [ 7),在37°C和760毫米汞柱,粘度的20%,30%,40%₂在225年他的结果,226年和226年 μ分别P。

从技术的观点,值得注意的是,由于不同粘度的空气和氦氧混合气,Fleish类型流量计应与每个校准气体混合物。在20°C,粘度之间的比例的水蒸气饱和氦氧混合气₂₁和空气~ 1.15,因此,如果流量计没有调整之前使用氦氧混合气₂₁、流将被高估了~ 15%。此外,一个相当大的错误可以介绍如果流量计校准使用干燥的氦氧混合气₂₁没有以前的加湿,因为干燥的混合物的粘度大于水的饱和混合物。在这种情况下,呼气流量将被低估8% ~ 8]。

考虑一个管直径 D 流体的密度 ρ 和粘度 η 稳定流动。政权内部的流管(层流、过渡或湍流)取决于一个无量纲的量称为雷诺数(Re),这是惯性比粘性力 (1) 再保险 = ρ D v η = 4 π ρ V ˙ η D , 在哪里 v 是速度和 V ˙ 是流。表明,流动是层流如果小于~ 2300,公然湍流如果超过~ 4000,和过渡,如果再保险~ 2300 ~ 4000之间。生成给定流所需的压差如果紊流流态比如果是层流,因为在前条件(a)附近的边界层厚度和剪切墙增加,和(b)流体元素经验加速转化成热量。使用韦贝尔[提供的导电航空公司的描述 9)计算每一代再保险在给定流,它可以预测,在休息,过渡或湍流局限于气管,因为只有在这个位置大于2300。在运动中增加通风时,增加每一代和湍流远侧地延伸在中央航空公司。

预测气管支气管的树中的流态的基础上雷诺数实际上高估了层流礼物的数量,因为建立泊肃叶流不是立即每一代气道的入口处。假设一个平面的入口处气流速度剖面气道,可以找到一个完全建立了层流只有从入口处一定长度后( l e )由 (2) l e = k 2 ρ D v η D = k 2 再保险 D , 在哪里 k 2 是一个常数根据再保险。不到2300,大于50, k 2 ~ 0.03;再保险小于50的比例 l e / D 是恒定的,~ 1.5。作为 l e 所以计算的解剖长度大于大型航空公司,部分气管支气管的树流湍流或过渡应该远远大于估计只能通过重新计算。

由于氦氧混合气的运动粘度₂₁~ 4倍的空气、替换和氦氧混合气的空气吗₂₁造成4次减少在每一代气道,可能导致湍流过渡层流在某个位置。此外,通过减少 l e 的扩展,氦氧混合气可以进一步减少气管支气管的树的一部分涉及湍流。

氦氧混合气的能力保持气流层流不是唯一原因对呼吸力学的有利影响。实际上,氦氧混合气能够降低气道阻力,即使流态依然动荡不安。

流的独立政权之间的关系流( V ˙ )和进口和出口之间的压力差的圆管( Δ P )是由 (3) V ˙ = π 1 8 Δ P l D 5 ρ f , 在哪里 f 是摩擦系数( 6]。之间的关系 f 和再保险在穆迪图图形表示。

为全面建立了层流流动, f = 64年 / 再保险 。在这种情况下( 3)成为知名的泊肃叶方程如下 (4) V ˙ = π 128年 l η Δ P D 4 。

在该地区的层流和湍流之间的过渡, f 取决于壁粗糙度和再保险。完全建立湍流,如果粗糙管的墙壁, f 雷诺数无关,仅依靠墙壁粗糙度;如果墙壁光滑, f 是成正比^1/4。

作为 ρ 出现在分母( 3), f 成正比 ρ - - - - - - 1 只有当层流,更换空气与氦氧混合气应该减少必要的压力差来产生一个给定的流,即使流态仍然是公开的动荡。因此,如果流过渡或公开的湍流,密度依赖程度总是存在一些变量,根据流态和航空公司的特点。如果纯粹的层流气流,没有好处的氦氧混合气应该预期;相反,应该增加气道阻力,因为氦氧混合气相对于空气的粘度增加。

减少肺泡之间的压力差和旁边的嘴应该是为了产生一个给定流和开发,因此,呼吸的代谢消耗,氦氧混合气可能是能够增加可用的最大通风一个主题。这种效果是非常理想的慢性阻塞性肺病主题,通风可以约束的物理性能。相比之下,大多数正常人不使用可用的最大流动甚至在高峰锻炼( 10]。

最大的density-dependence只有在满足特定的条件下会发生流动。在迫使到期,胸廓内的航空公司发生的动态压缩,和流动成为effort-independent当肺体积小于80%的能力至关重要。在这个音域,呼气流量限制。

流量限制可能源于两种机制:(a)航空公司的合规和对流加速气体之间的耦合(波速理论) 11),或(b)航空公司合规和粘性压力损失之间的耦合 12]。(a),最大流动气体密度的平方根成反比,波速理论指出,最大流量( V ˙ 马克斯 )在一个兼容的管是在当地的流体的速度等于一个小扰动的传播速度行墙上的管,根据以下方程: (5) V ˙ 马克斯 = 一个 一个 ρ d P tm d 一个 , 在哪里 一个 ( d P tm / d 一个 ) 管的弹性模量和吗 一个 横截面。

相反,以防(b)最大流动密度独立,随着粘性压力损失是完全取决于粘度和几何特征的航空公司,只要流态仍然是层流。

正常话题硬到期时,只要肺容积保持上三分之二的肺活量,瓶颈,也就是说,航空公司的一部分,动态压缩实际上呼气流量的限制,在中央航空公司的横截面积很小,和侧压降主要是由于对流加速。在这个音量范围,流量限制是由于波速机制,如果空气被氦氧混合气,最大流动增加。降低三分之一的肺活量,瓶颈移动上游周边的航空公司,在横截面积大,流动是层流,粘性机制占主导地位。在这种情况下,最大流动成为密度独立。

在疾病的发展,慢性阻塞性肺病患者经验最大呼气流量的逐步减少,可能会变得如此之低,流动限制存在即使在休息的时候。相信这种疾病首先出现在外围航空公司,增加阻力的主要网站在许多慢性阻塞性肺病患者( 13- - - - - - 15]。符合这一假设,当空气取代了氦氧混合气₂₁最大呼气流量的增加风险投资的50% ( V ˙ 马克斯,50%的风险投资 )通常是在吸烟者比不吸烟者低 16]。然而,与预期的相反,在慢性阻塞性肺病患者减少density-dependence不是一个规则。在density-dependence 22 COPD患者的样本,定义为增加 V ˙ 马克斯,50%的风险投资 大于20%时,空气是氦氧混合气所取代₂₁出现在11日患者( 17]。在这项研究中,患者减少density-dependence不同于那些正常density-dependence因为肺活量小,大的残余体积比肺活量,更高的阻力,降低静态肺反冲肺活量。这些结果表明,不同的模式COPD气道病变存在的人口。即使疾病外围地开始,中央航空公司可以用变量的影响程度,所以他们的力学性能改变的方式在一些病人最大过期瓶颈移动外围航空公司,和其他一些仍然在中央航空公司。

在健康人体静止,呼气末卷对应于放松呼吸系统的体积。在COPD患者中,肺恶性通货膨胀,增加功能性残余能力高于预计的正常价值,往往是礼物,因为减少了肺反冲,如肺气肿、和/或由于动态的恶性通货膨胀。后者发生在过期的时间不足以让呼吸系统缩小其体积松弛下到期前,可能是因为呼吸系统的时间常数增加(增加气道阻力)或呼吸率太高了。在COPD患者中,动态恶性通货膨胀主要是由于潮汐呼气流动限制的存在,也就是说,不能增加呼气流量进一步增加transpulmonary压力在潮汐呼吸。变化的动态评估的恶性通货膨胀通常是由测量相反的吸气量的变化( 18]。动态的恶性通货膨胀和伴随的内在吸气呼气末正压通气增加工作,损害吸气肌肉功能,影响血液动力学( 19]。所有这些因素,加上动态航空压缩,可能导致呼吸困难( 20., 21]。

目前,动态恶性通货膨胀可以减少支气管扩张剂( 22),或者在血氧过低的患者,通过氧政府减少通风。氦氧混合气,减少气道阻力和增加最大呼气流量,可以提供进一步缓解COPD患者。

不幸的是,在慢性阻塞性肺病病人休息,气道阻力在氦氧混合气₂₁呼吸可以减少( 23),大幅或保持不变( 24]。相比之下,氦氧混合气₂₁一直定期发现降低气道阻力在健康受试者在休息 25, 26),符合这个概念,在一个正常的呼吸系统,中央航空公司的阻力,在气流过渡或动荡,占总数的很大一部分气道阻力( 27]。

取得了相互矛盾的结果也对氦氧混合气的影响₂₁管理动态静止COPD患者的恶性通货膨胀。葡萄等。 23氦氧混合气的]报道没有影响₂₁在动态恶性通货膨胀;相反,一个重要的呼气末肺容积被Swidwa等人在15例( 28]。应该注意的是,有些病人出院后,研究了支气管炎发作或冠状动脉疾病,和大多数被迫卷在一秒钟(FEV到期₁支气管扩张剂反应)大于20%,慢性阻塞性肺病患者的一个不同寻常的发现。后来,缺乏氦氧混合气的效果₂₁动态恶性通货膨胀在慢性阻塞性肺病患者静止一再报道( 29日- - - - - - 34]。最近,一项研究由Chiappa et al。 35)记录平均增加17%的吸气量静止空气被氦氧混合气所取代₂₁。12 COPD患者有明显的density-dependence最大呼气流量,如氦氧混合气₂₁最大呼气流量增加了31%,强迫呼气流量之间25和75%的用力肺活量46%。

氦氧混合气的影响₂₁潮汐呼气流动限制和动态评估了恶性通货膨胀Pecchiari等人相比,支气管扩张剂的22个稳定的慢性阻塞性肺病患者在休息( 29日]。所有的病人都flow-limited氦氧混合气₂₁没有减少动态恶性通货膨胀,独立的姿态。在9日的13个病人flow-limited坐的姿势,和在所有18例流在仰卧位有限,潮汐呼气 V ˙ - - - - - - V 循环空气和氦氧混合气₂₁在本质上是重叠的,这表明瓶颈是位于周边航空公司。4 flow-limited患者坐姿,氦氧混合气₂₁实际上废除了流动限制,指着一个中央本地化的瓶颈。在这些患者中,流动限制实际上涉及的最后分数潮汐卷( V T ),所以没有增加吸气量的检测在氦氧混合气₂₁呼吸。所有flow-limited病人仍然flow-limited舒喘灵政府后,然而动态恶性通货膨胀下降所记录的吸气量的增加,符合之前的报道( 22]。作为通风支气管扩张剂后没有改变,吸气量的增加完全是由于较高的最大呼气流量 V T 的范围内。在非flow-limited病人休息,没有氦氧混合气₂₁和舒喘灵吸气量增加引起的,因为在这些患者中很少或没有动态恶性通货膨胀存在静止( 36]。

慢性阻塞性肺病患者在日常活动中是有限的,因为运动不耐受由于呼吸困难和/或腿部疲劳。随着疾病的恶化,体育活动逐渐减少,导致进一步退化和恶化的生活质量。康复可能中断这种恶性循环。有效、康复应该执行在一个足够高的运动,和氦氧混合气被认为是一种很有前途的非药理工具来提高运动耐量的慢性阻塞性肺病患者在康复计划。

许多不同的实验方法被用来评估氦氧混合气的影响₂₁COPD患者呼吸锻炼,即(一)增量工作效率测试循环测力计( 37- - - - - - 40在跑步机上]或[ 41, 42),(b)常数工作效率测试周期测力计( 30.- - - - - - 35, 37, 43, 44)和(c)耐力穿梭行走测试( 45]。

在慢性阻塞性肺病患者循环提高工作率,氦氧混合气₂₁只增加最大工作效率在一项研究( 39]6 [ 37- - - - - - 42),和通风在高峰锻炼三个研究[ 38- - - - - - 40]的[ 37- - - - - - 41]。在高峰锻炼,呼吸困难 39, 40)和腿部不适的感觉( 39没有受到氦氧混合气₂₁。

慢性阻塞性肺病患者骑疲惫恒定负载时,氦氧混合气₂₁提高运动耐量五( 30., 31日, 33- - - - - - 35]的六项研究[ 30., 31日, 33- - - - - - 36]。在isotime,通风通常不受氦氧混合气₂₁( 30.- - - - - - 33, 43),相对于空气,只增加了两项研究[ 35, 44只有一个[]和减少 34]。相比之下,在高峰锻炼,通风氦氧混合气期间增加₂₁呼吸( 30., 31日, 34, 35在两项研究中除了比 33, 37]。呼吸困难的感觉一直下降了氦氧混合气₂₁在isotime 30.- - - - - - 35, 43, 44腿部不适),而减少( 33- - - - - - 35, 43, 44)或不变( 30., 31日]。在isotime,氦氧混合气₂₁这能够减少运动性动态恶性通货膨胀在五个研究[ 30., 31日, 33, 34, 43)的八( 30.- - - - - - 35, 43, 44]。这八个试验,Vogiatzis et al。 44)没有观察到任何动态的恶性通货膨胀。在慢性阻塞性肺病病人研究Chiappa et al。 35),氦氧混合气₂₁显著增加吸气量静止空气2.17中(从1.85 L L氦氧混合气₂₁)。isotime和锻炼吸气量减少峰值相对于其它价值更在氦氧混合气₂₁呼吸(−−0.22和0.25 L, resp)比在空气呼吸(−−0.10和0.13 L,职责)。

heliox-induced变化之间的负相关的呼吸困难和吸气量isotime发现了Palange et al。 30.如预期,根据严格的关系动态的恶性通货膨胀和呼吸困难。伊夫斯等人发现,动态的减少与氦氧混合气恶性通货膨胀₂₁最大呼气流量的增加和减少总功的呼吸,解释方差增加耐力时间的99% ( 31日]。类似的结果关于动态恶性通货膨胀之间的关系和运动耐量已经通过其他研究[ 34, 35]。

氦氧混合气₂₁呼吸显著增加耐力飞船步行距离( 45),在相同的程度上比氮28%的氧气。在相同的研究中,氦氧混合气₂₈提供进一步提高相对于氦氧混合气₂₁或仅在氮氧的28%。氦氧过多的添加剂影响运动公差后来证实了伊夫斯等。 31日]。在另一个研究 46),氦氧混合气_30.提高了6分钟步行距离超过100%的氧气。一项研究,培训氦氧混合气₄₀空气与培训是有前途的 47氦氧混合气),表明训练₄₀提高运动耐量和生活质量比训练。后的一项研究中,然而,没有证实这些结果( 48]。

即使部分对比结果可以与实验方法的差异 49, 50),大多数的差异可能取决于COPD患者的异质性。潜在的混杂因素是最终的潮汐呼气流动限制( 18),已调查,使用负呼气压力技术( 51),只有在一个实例( 32]。本研究评估,在26个稳定的慢性阻塞性肺病患者,潮汐呼气流动限制,吸气量、呼吸模式,在空气和氦氧混合气呼吸困难的感觉₂₁呼吸静止和运动中1/3和2/3的最大工作效率。静止在空中,患者flow-limited仍flow-limited在运动。相比之下,4和7的病人没有flow-limited静止成为flow-limited 1/3和2/3的最大工作效率,分别。动态非flow-limited患者恶性通货膨胀没有只在流动限制的存在和发展。在休息,没有呼吸模式之间的差异被发现flow-limited和非flow-limited病人,而在运动潮气量增加了更多的非flow-limited病人。氦氧混合气₂₁没有废除流动限制,没有对呼吸系统的影响模式,减少动态的flow-limited只有25%患者的恶性通货膨胀。之间的正相关关系被发现增加呼气肺体积的空气,减少动态氦氧混合气引起的恶性通货膨胀₂₁。这一发现表明,氦氧混合气₂₁反应者是那些病人在运动中提高他们的操作肺容量足够,瓶颈从外围更多中央航空公司的最大流量是由波速确定的机制,是密度制约的。

呼吸困难的感觉由氦氧混合气松了一口气₂₁flow-limited和非flow-limited病人,不管存在或缺乏动态的恶性通货膨胀。在这一点上,应该强调呼吸困难不一定相关动态恶性通货膨胀,事实上,在正常受试者,呼吸困难与氦氧混合气也许不会改变₂₁即使动态恶性通货膨胀下降( 26),在慢性阻塞性肺病患者,呼吸困难可以减少动态恶性通货膨胀(即使没有 32, 44]。减少呼吸困难由D ' angelo记录等。 32]因此可以减少吸入的相关工作,这取决于湍流的航空公司,可以量50% - -60% ( 6, 52]。

因为呼吸系统的复杂行为特别是呼气流动限制的存在和困难直接评估相关变量在人类主题,呼吸系统的数学模型已经被开发并用于解释实验研究的结果。最近,呼吸系统的非线性动态数学模型,包括波速和粘性机制确定流动限制,是由Barbini说et al。 53的基础上),韦贝尔气管支气管的树的对称的形态学描述( 9)和力学特性的气道代兰伯特报道( 54]。这个模型被用来模拟响应氦氧混合气的呼吸系统₂₁在不同的阻塞性条件的存在,所有导致潮汐呼气流动限制( 52]:(A)中度到显著增加折叠的外围航空公司(即。,航空公司超出了第七代);(B)显著增加周边的崩散性与适度参与中央航空公司的第四到第七代(形式);(C)显著增加中央和周边航空崩散性;(D)显著增加折叠中央航空公司外围的适度参与。氦氧混合气的影响₂₁被评估的吸气断续器阻力 ( R int ) 内在的呼气末正压通气(PEEPi)、动态恶性通货膨胀和呼气流动限制。

氦氧混合气₂₁政府减少了 R int 在所有情况下除外情况下,粘性压力损失完全是由于层流。的减少 R int B, C, D是相当大的,在案例B达22%和27%,以防C和D .因此氦氧混合气₂₁应该减少呼吸的吸气工作,会计,至少在一定程度上,减少呼吸困难的感觉一直在慢性阻塞性肺病患者特别是在运动( 29日]。

在任何情况下都不氦氧混合气₂₁废除呼气流动限制。

与氦氧混合气PEEPi和动态恶性通货膨胀下降₂₁只有非常情况下(~ 1 ~ 7%、职责),在流量有限的粘性机制。案例B均获得相似的结果,即使粘滞在波速度的相对贡献机制变得相关到期的最后一部分。C, PEEPi和动态恶性通货膨胀的下降是温和(22和23%,分别地。)因为贡献由于外周阻力的总电阻上游段仍有所上升。PEEPi和动态恶性通货膨胀的下降显著(41 41%,resp)以防D,流量限制是由外围的波速机制和抵抗航空公司仅略有增加。

注意案例A、B和C可以被视为三个后续阶段的慢性阻塞性肺疾病,最初涉及周边航空公司,然后扩散到整个气管支气管的树。相反,例D可能代表严重哮喘有轻微的参与周边航空或轻度慢性阻塞性肺疾病影响主要是中央航空公司。

氦氧混合气的政府,这是昂贵和繁琐,稳定慢性阻塞性肺病患者在休息中度到重度疾病不是必要的,因为没有益处的呼吸模式或动态恶性通货膨胀已经观察到在大多数发表的试验。相比之下,氦氧混合气与非药理工具可以有效提高康复计划的有效性,政府以来慢性阻塞性肺病患者通常提高运动耐量,至少在恒定的工作效率,从而可以有助于提高体能训练的水平。冲突目前已经取得的结果表明,这还需要进一步的研究以确定慢性阻塞性肺病患者可能能够受益于这种康复计划。