Khí Helium Trong Ngành Y Tế: Vai Trò Và Các Ứng Dụng Quan Trọng

Khí helium trong ngành y tế đảm nhiệm nhiều vai trò khác nhau, từ làm lạnh nam châm siêu dẫn của máy MRI đến tham gia hỗn hợp Heliox hỗ trợ hô hấp, đo thể tích phổi và tạo plasma trong một số thiết bị phẫu thuật. Mỗi ứng dụng lại yêu cầu dạng helium, độ tinh khiết và hệ thống cung cấp riêng. Tomoe Vietnam sẽ cùng bạn tìm hiểu nguyên lý, phạm vi sử dụng và những yêu cầu an toàn quan trọng của loại khí đặc biệt này.

Vì sao helium được ứng dụng trong ngành y tế?

Helium, ký hiệu He, thuộc nhóm khí hiếm trong bảng tuần hoàn. Ở điều kiện thông thường, helium không màu, không mùi, không cháy và có tính trơ hóa học cao. Bên cạnh đó, các đặc tính vật lý đặc biệt giúp helium phù hợp với nhiều thiết bị và phương pháp kỹ thuật trong y tế.

Một trong những đặc điểm nổi bật nhất là nhiệt độ sôi rất thấp, khoảng 4,2 K, tương đương gần -269°C. Nhờ đó, helium lỏng có thể duy trì môi trường nhiệt độ cực thấp cần thiết cho các nam châm siêu dẫn được sử dụng trong nhiều hệ thống MRI.

Helium cũng có mật độ thấp hơn đáng kể so với nitrogen. Khi phối trộn với oxygen thành Heliox, đặc tính này làm thay đổi động lực học dòng khí, đặc biệt trong những đường thở bị thu hẹp.

Ngoài ra, helium là khí trơ và ít hòa tan trong mô, máu nên có thể được sử dụng làm khí đánh dấu trong một số kỹ thuật đo thể tích phổi.

Chính sự kết hợp giữa đặc tính cryogenic, tính trơ và mật độ thấp khiến helium có phạm vi ứng dụng khá khác biệt so với những khí y tế quen thuộc như oxygen.

Các ứng dụng chính của khí helium trong ngành y tế

Helium không đảm nhận cùng một chức năng trong mọi ứng dụng. Ở MRI, helium chủ yếu là môi chất làm lạnh; trong Heliox, nó thay đổi tính chất dòng khí; còn trong đo chức năng phổi, helium đóng vai trò khí đánh dấu.

Helium lỏng trong máy chụp cộng hưởng từ MRI

MRI là ứng dụng nổi bật nhất của helium trong ngành y tế hiện đại.

Nhiều hệ thống cộng hưởng từ sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh và ổn định. Cuộn dây của nam châm thường được chế tạo từ vật liệu siêu dẫn như hợp kim niobium-titanium.

Ở nhiệt độ thông thường, vật liệu vẫn có điện trở. Để đạt trạng thái siêu dẫn, cuộn dây phải được làm lạnh xuống nhiệt độ cực thấp.

Theo GE HealthCare, dây niobium-titanium trong hệ thống MRI được làm lạnh bằng helium lỏng xuống khoảng 4,2 K. Ở mức nhiệt này, điện trở của dây giảm gần về không, cho phép dòng điện được duy trì trong cuộn dây và tạo ra từ trường mạnh, ổn định cần thiết cho quá trình chụp MRI.

Có thể hình dung chuỗi hoạt động theo cách đơn giản:

Helium lỏng → làm lạnh cuộn dây siêu dẫn → duy trì trạng thái siêu dẫn → tạo từ trường mạnh → phục vụ quá trình tạo ảnh MRI.

Điểm cần phân biệt là helium trong trường hợp này không được đưa vào cơ thể bệnh nhân. Khí nằm trong hệ thống cryogenic của nam châm và đóng vai trò hỗ trợ hoạt động của thiết bị.

Do đó, khi nói “helium được sử dụng trong MRI”, không nên hiểu helium là chất tương phản hay tác nhân trực tiếp tạo ra tín hiệu hình ảnh.

Hỗn hợp Heliox hỗ trợ hô hấp

Heliox là tên gọi của hỗn hợp gồm helium và oxygen. Một cấu hình thương mại được DailyMed ghi nhận gồm 20% oxygen và phần còn lại là helium; sản phẩm được phân loại là hỗn hợp khí y tế kê đơn và chỉ sử dụng dưới sự giám sát của người hành nghề có chuyên môn.

Lợi ích kỹ thuật của Heliox đến chủ yếu từ mật độ thấp của helium.

Trong đường thở bình thường, dòng khí có thể ở trạng thái tương đối ổn định. Khi đường thở bị thu hẹp, vận tốc khí tăng và dòng chảy dễ trở nên rối hơn, làm tăng sức cản.

Thay một phần nitrogen trong khí hít vào bằng helium làm giảm mật độ hỗn hợp. Nhờ đó, Heliox có thể giúp dòng khí đi qua một số đoạn đường thở bị hẹp với mức độ nhiễu loạn thấp hơn và giảm công hô hấp trong những tình huống phù hợp.

Heliox từng được nghiên cứu trong các tình trạng như:

• Tắc nghẽn đường thở trên.

• Hen phế quản.

• Một số đợt tắc nghẽn đường thở dưới.

• Croup hoặc các tình trạng hô hấp ở trẻ em.

• Một số trường hợp cần hỗ trợ thông khí chuyên biệt.

Tuy nhiên, Heliox không phải liệu pháp tiêu chuẩn áp dụng cho mọi bệnh nhân hen, COPD hoặc khó thở. Các nghiên cứu cho thấy lợi ích có thể xuất hiện ở một số nhóm bệnh nhân, nhưng bằng chứng về các đầu ra như giảm đặt nội khí quản, giảm thời gian nằm viện hay tử vong chưa đủ nhất quán.

Do đó, Heliox phải được xem là một công cụ hỗ trợ được lựa chọn theo tình trạng lâm sàng, không phải loại khí có thể tự ý sử dụng.

Helium trong đo chức năng phổi

Một ứng dụng ít được biết đến hơn là phương pháp helium dilution để xác định thể tích phổi.

Nguyên lý của phương pháp dựa trên việc người được kiểm tra hít thở trong một hệ thống kín có thể tích đã biết và chứa nồng độ helium xác định.

Khi kết nối với hệ thống:

1. Helium trong thiết bị bắt đầu trộn với lượng khí có sẵn trong phổi.

2. Nồng độ helium trong hệ thống giảm dần.

3. Sau một khoảng thời gian, helium đạt trạng thái cân bằng giữa phổi và hệ thống.

4. Từ thay đổi nồng độ helium, thiết bị có thể tính Functional Residual Capacity – FRC, tức dung tích cặn chức năng.

Theo tiêu chuẩn kỹ thuật cập nhật năm 2023 của European Respiratory Society và American Thoracic Society, helium phù hợp với phương pháp này vì trơ và ít hòa tan, do đó chỉ một lượng không đáng kể đi qua màng phế nang vào mô và máu.

Phương pháp helium dilution cũng có giới hạn. Ở người có bệnh phổi tắc nghẽn, khí tracer có thể không đi vào đầy đủ những vùng khí bị giữ lại. Do đó, phép đo có khả năng đánh giá thấp FRC trong một số trường hợp.

Helium trong thiết bị phẫu thuật plasma

Một số thiết bị electrosurgical sử dụng helium kết hợp với năng lượng tần số vô tuyến để tạo helium plasma.

Theo FDA, hệ thống Renuvion/J-Plasma sử dụng năng lượng RF và helium để tạo plasma. Tùy handpiece và chỉ định được phê duyệt, plasma có thể được sử dụng cho các mục đích như cắt, đông mô hoặc ablation mô mềm.

Trong ứng dụng này, helium không phải “khí chữa bệnh”. Nó là thành phần tham gia vào quá trình tạo plasma của thiết bị.

Đây cũng là ví dụ cho thấy không nên mở rộng phạm vi sử dụng một thiết bị chỉ dựa trên cơ chế kỹ thuật. FDA từng cảnh báo về việc sử dụng hệ Renuvion/J-Plasma ngoài những chỉ định đã được đánh giá và sau đó cập nhật các chỉ định cụ thể cho từng handpiece.

Vì vậy, các hệ thống helium plasma cần được sử dụng đúng thiết bị, hướng dẫn và phạm vi chuyên môn tương ứng.

Helium trong MRI hoạt động như thế nào?

Vai trò của helium trong MRI có thể hiểu rõ hơn khi nhìn vào cấu tạo nam châm siêu dẫn.

Một hệ thống MRI thông thường gồm nam châm chính, hệ thống gradient, hệ thống RF và các bộ phận xử lý tín hiệu. Trong đó, nam châm chính tạo ra từ trường nền mạnh để định hướng các proton hydrogen trong cơ thể.

Với nam châm siêu dẫn, dòng điện lớn chạy qua các cuộn dây. Nếu dây có điện trở đáng kể, năng lượng sẽ bị chuyển thành nhiệt và việc duy trì dòng điện rất tốn năng lượng.

Khi dây niobium-titanium được làm lạnh xuống khoảng 4,2 K bằng helium lỏng, điện trở trở nên gần như bằng không. Dòng điện có thể duy trì trong cuộn dây siêu dẫn và tạo ra từ trường mạnh trong thời gian dài.

Helium vì vậy chủ yếu thực hiện nhiệm vụ quản lý nhiệt của hệ nam châm, chứ không trực tiếp tạo ảnh.

Nếu nam châm mất trạng thái siêu dẫn, một tình huống gọi là quench có thể xảy ra. Năng lượng trong cuộn dây chuyển thành nhiệt, làm helium lỏng hóa hơi nhanh. Các hệ thống truyền thống vì vậy cần thiết kế quản lý khí helium thoát ra an toàn.

Công nghệ MRI thế hệ mới đang thay đổi đáng kể bài toán này.

Vì sao các hệ thống MRI mới đang giảm lượng helium?

Helium có giá trị cao và nguồn cung không vô hạn. Các máy MRI truyền thống cũng yêu cầu lượng cryogen đáng kể, tạo thêm yêu cầu về vận hành, bảo trì và hạ tầng.

Vì vậy, các hãng thiết bị đang phát triển nam châm kín với lượng helium nhỏ hơn rất nhiều.

Philips cho biết nam châm BlueSeal sử dụng khoảng 7 lít helium, so với khoảng 1.500 lít ở cấu hình MRI truyền thống được hãng dùng làm mốc so sánh. Helium được giữ trong hệ nam châm kín để hạn chế thất thoát.

Siemens Healthineers hiện công bố MAGNETOM Flow sử dụng công nghệ DryCool với chỉ 0,7 lít helium lỏng và thiết kế nam châm kín, không cần bổ sung helium trong suốt vòng đời vận hành thông thường của thiết bị.

GE HealthCare cũng đã đưa công nghệ Freelium vào hệ MRI 1.5T thế hệ mới. Theo hãng, thiết kế sử dụng lượng helium dưới 1% so với nam châm truyền thống, helium được giữ kín và không cần refill trong điều kiện vận hành bình thường.

Điều này cho thấy xu hướng của MRI không phải loại bỏ ngay hoàn toàn vai trò vật lý của helium, mà là giảm mạnh lượng helium và giữ nó trong hệ kín.

Vì vậy, thuật ngữ thương mại như “helium-free MRI” cần được hiểu đúng. Trong một số sản phẩm, nam châm vẫn chứa một lượng helium nhỏ nhưng không cần hệ thống bổ sung helium thường xuyên như thế hệ truyền thống.

Heliox hoạt động như thế nào trong đường hô hấp?

Để hiểu Heliox, cần nhìn vào đặc tính dòng khí.

Không khí bình thường chứa phần lớn nitrogen. Helium có mật độ thấp hơn nitrogen đáng kể nên khi helium thay thế một phần nitrogen, mật độ tổng thể của hỗn hợp hít vào giảm.

Trong các đường thở bị hẹp, dòng khí mật độ thấp có thể giảm xu hướng hình thành dòng chảy rối. Kết quả là sức cản đường thở và công cần thiết để di chuyển khí có thể giảm trong một số điều kiện.

Một yếu tố quan trọng là tỷ lệ helium càng cao thì đặc tính mật độ thấp càng rõ, nhưng bệnh nhân vẫn phải được cung cấp lượng oxygen phù hợp với tình trạng thực tế. Vì vậy, tỷ lệ hỗn hợp không thể lựa chọn tùy ý.

Thiết bị như flow meter, ventilator hoặc nebulizer cũng phải tương thích với Heliox. Đặc tính vật lý khác không khí có thể ảnh hưởng tới cách một số thiết bị đo hoặc cung cấp lưu lượng hoạt động.

Heliox vì thế thuộc phạm vi sử dụng chuyên môn, cần được kiểm soát cả về thành phần khí lẫn thiết bị.

Helium y tế có giống helium công nghiệp không?

Về nguyên tố hóa học, cả hai đều là helium. Tuy nhiên, cùng công thức He không có nghĩa hai nguồn khí có thể thay thế trực tiếp cho nhau.

Sự khác biệt nằm ở specification và hệ thống quản lý chất lượng, gồm:

• Độ tinh khiết.

• Giới hạn tạp chất.

• Quy trình sản xuất và nạp khí.

• Chai hoặc hệ thống chứa.

• Nhãn nhận dạng.

• Khả năng truy xuất.

• Tiêu chuẩn chất lượng.

• Mục đích sử dụng được xác định.

Điều này đặc biệt quan trọng với khí được đưa trực tiếp vào đường hô hấp.

DailyMed hiện ghi nhận Heliox 20/80 là medical gas mixture, thuộc nhóm prescription drug và chỉ được sử dụng bởi hoặc dưới sự giám sát của người hành nghề được cấp phép, có kinh nghiệm với loại khí này.

Do đó, không được lấy helium công nghiệp, helium dùng bơm bóng hoặc một bình He không có specification y tế để tự ý cho người bệnh hít.

Ngược lại, helium sử dụng cho hệ thống MRI là môi chất kỹ thuật nằm trong thiết bị, nên specification và chuỗi cung ứng cũng khác với Heliox dùng trực tiếp cho bệnh nhân.

Bảng tổng hợp ứng dụng của helium trong ngành y tế

Nhìn từ bảng trên có thể thấy “helium y tế” không phải một ứng dụng duy nhất. Mỗi hệ thống sử dụng tính chất khác nhau của nguyên tố He và có yêu cầu kỹ thuật riêng.

Yêu cầu an toàn khi sử dụng helium trong môi trường y tế

Mặc dù helium trơ và không cháy, nó vẫn có thể gây nguy hiểm nếu sử dụng không đúng cách.

• Nguy cơ thiếu oxy: helium có thể chiếm chỗ oxygen trong không khí. Nếu lượng lớn khí rò rỉ trong không gian kín, nồng độ O₂ có thể giảm xuống mức nguy hiểm.
• Nguy cơ từ helium lỏng: ở nhiệt độ gần -269°C, helium lỏng có thể gây bỏng lạnh nghiêm trọng khi tiếp xúc với mô.
• Nguy cơ áp suất cao: helium khí thường được lưu trữ trong chai hoặc hệ thống chịu áp. Bình, van và regulator phải phù hợp với áp suất làm việc.
• Nguy cơ khi tự hít: không được hít helium từ bình công nghiệp hoặc bình bơm bóng. Việc hít khí làm giảm lượng oxygen vào phổi; đặc biệt, khí cao áp có thể gây chấn thương nghiêm trọng.
• An toàn MRI: khu vực nam châm MRI cần quy trình vận hành riêng, đặc biệt đối với sự cố quench và hệ thống cryogenic.
• An toàn Heliox: thành phần hỗn hợp, lưu lượng, thiết bị và tình trạng bệnh nhân phải được nhân viên chuyên môn kiểm soát.

Như vậy, tính “không độc về mặt hóa học” của helium không đồng nghĩa với việc khí hoàn toàn không có rủi ro.

Khí helium trong y tế tại Tomoe Vietnam

Tomoe Vietnam hiện hoạt động trong lĩnh vực khí công nghiệp, khí đặc biệt và các hệ thống cung cấp khí. Nội dung chuyên môn trên website Tomoe cũng đề cập helium trong các ứng dụng như thiết bị cộng hưởng từ MRI, nghiên cứu khoa học và y tế.

Tùy nhu cầu sử dụng, helium có thể yêu cầu độ tinh khiết, áp suất, loại bình và hệ thống điều áp khác nhau. Đối với những ứng dụng phục vụ thiết bị, nghiên cứu hoặc quy trình kỹ thuật, doanh nghiệp cần đối chiếu specification của chính thiết bị trước khi lựa chọn nguồn khí.

Riêng các ứng dụng đưa khí trực tiếp vào người bệnh như Heliox cần được phân biệt hoàn toàn với helium công nghiệp. Chỉ sản phẩm đáp ứng yêu cầu của khí y tế, đúng thành phần và mục đích sử dụng mới được xem xét trong môi trường điều trị dưới sự giám sát chuyên môn.

Kết luận

Khí helium trong ngành y tế có nhiều vai trò quan trọng, từ làm lạnh nam châm siêu dẫn của MRI, hỗ trợ đặc tính dòng khí trong Heliox đến làm khí tracer khi đo thể tích phổi và tạo plasma trong một số thiết bị phẫu thuật. Tuy nhiên, mỗi ứng dụng yêu cầu specification và hệ thống sử dụng khác nhau, đặc biệt khí dùng trực tiếp cho bệnh nhân không thể thay thế bằng helium công nghiệp. Với các nhu cầu helium phục vụ thiết bị, nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật, Tomoe Vietnam có thể tư vấn giải pháp khí phù hợp theo yêu cầu thực tế.