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1、-心肺运动试验在心内科的临床应用-第 12 页心肺运动试验心肺运动试验（Cardiopulmonary exercise testing）是通过监测机体在运动状态下的摄氧量（VO2）、二氧化碳排出量（VCO2）、心率(HR)、分钟通气量(VE)等来评价心肺等脏器对运动的反应。由于运动需要肺、心脏和肌肉等脏器密切协调的工作始能完成，因此，心肺运动试验是唯一将心与肺偶连，在运动中同时对他们的储备功能进行评价的科学工具(见图示)。它具有无创、定量和敏感的特点，在很多方面具有重要的应用价值。一、预测健康人在特殊环境下的风险目前，健康体检均是在静态下做的各项检查，它不能预测在特殊环境下的意外风险，如运动
2、和高原。心肺运动试验是观察机体在剧烈运动下的心肺反应和细胞有氧代谢的能力，因此，它是在实验室里观察运动状态下的风险信号。高原空气中的氧分压降低，对人体的影响类似运动，理论上说，心肺运动试验可评估机体承受高原的能力。二、预测发生高血压的风险观察人体在运动时血压的变化可预测日后患高血压病的风险。日本学者Miyai等1研究了726例血压正常、无心脏病史的健康人在运动时血压的反应，并随访平均4.7年，结果发现，运动时血压反应过度的人在3.6-6.9年内发生高血压的风险是反应正常人的3-4倍。三、诊断冠心病心肺运动试验作为一个无创检查，从心电和心功能二个方面来判断运动状态下的心肌是否缺血。研究显示，1、
3、2、3支冠状动脉病变时，该试验诊断冠心病的敏感性分别为50%、72%、80%，特异性分别为54%、58%、62%。四、诊断心功能不全心肺运动试验目前在国外已公认为是早期发现心功能不全的“金标准”。 根据根据最大摄氧量（VO2 max）可将心功能定量分为4级，A级20ml/min/kg，无或轻度心功能不全；B级=16-20ml/min/kg，轻度中度心功能不全；C级=10-15ml/min/kg，中度重度心功能不全；D级20ml/min/kg，心肺并发症的风险很小，当VO2max20ml/min/kg，无或轻度心功能不全；B级=16-20ml/min/kg，轻度中度F；C级=10-15ml/mi
4、n/kg,中度重度心功能不全；D级10-15ml/min/kg，重度心功能不全。与传统的纽约心功能分级标准相关性不好，提示定量分级的重要性。 我们研究了37例慢性心衰患者的运动反应与预后的关系，平均随访1.4年，结果表明A组（VO2max10ml/min/Kg，AT10ml/min/Kg，AT8ml/min/Kg）病人无一例死亡，因心衰再住院9例（9人次）,再住院率为32.1%，显著低于A组。提示当VO2max10ml/min/Kg，AT8ml/min/Kg时预后差，死亡率及再住院率高。国外资料显示，冠心病伴心脏扩大的患者如运动能力5METS或运动最大血收缩压10ml/min/Kg，则手术或药
5、物治疗对生存率的影响无显著差异。冠脉搭桥术后，如运动能力超过9METS，患者预后好，而运动诱发的ECG的ST段改变并不能判断患者的预后。行心脏移植前，该实验已成为评价患者的常规检查，VO2max低于14ml/kg/min的患者死亡率高，需立即进行移植。 尽管肺功能检查是定量化的，但它不具备评价肺脏的贮备功能，有资料显示：FEV1与VO2 max有很好的相关性，但有个体差异。间质性肺病患者的FVC、FEV1和肺总量与VO2 max相关性也不好。此外，肺功能检查的结果在一定程度上受患者的配合好坏有很大关系，在进行劳动力鉴定时 有一定的局限性。运动试验可以排除病人不配合因素的干扰。 在临床上，心肺功
6、能不全可以同时存在一个患者身上，如慢性肺心病合并冠心病，二者均可引起呼吸困难，如何找出主要原因常常有一定的困难，运动试验可以帮助鉴别何者是主要原因。Patrick等人分别研究了心衰和慢阻肺的运动反应，发现呼吸储备和运动中的呼吸形式可以帮助鉴别心源性或肺原性呼吸困难。三、运动试验方法常用的运动工具有功率自行车。自行车功量计是用电磁阻力调节蹬踏负荷，其控制电路可以根据蹬踏速度自动调节电磁阻力大小，蹬踏速度快时阻力减少，速度减慢时阻力增加，因此在一定的蹬踏速度范围内可以得到恒定做功量，患者可采取坐位或卧位进行运动，对测定的参数影响较小，如心电图、气体分析等，当需做动脉保留导管采集血标本时，常选用此种
7、运动工具。患者也比较安全，当运动中出现血压低等情况时可迅速调整体位。运动程序主要有2种递增功率运动和恒功率运动。递增功率运动常是每隔1分钟或几分钟增加一次等量的负荷，至到受试者不能耐受而终止运动。平板是通过调节运动的速度（以里/小时或公里/小时为单位）和平板的坡度（以为单位）来调节负荷量。自行车功量计的运动负荷可以直接调节和显示（以瓦为单位）。具体的运动方案很多（表3-2），目前常用的运动方案是症状自限性的方法，即每分钟递增功率525瓦，至到患者不能保持自行车转数50转/分，结束运动，整个运动时间控制在812分钟完成。我们肺功能室采用的是在0瓦进行热身运动2分钟后开始增加负荷，起始负荷20瓦，
8、每分钟增加515瓦，至到不能耐受。递增功率运动的目的是测定患者的最大运动能力，即所能达到的最大VO2及研究患者在极量运动时的通气量、心率、心电图和血氧饱和度的改变，以便判断患者是否存在运动受限以及运动受限的原因是什么。在这种情况下，患者并不能达到一个稳定状态。严格的说，VO2 max是指运动到一定负荷量后，尽管负荷还在增加，但VO2不再增加，出现平台，提示机体的摄氧能力已达到极限。正常情况下，肺的储备功能较心脏大，运动极限的原因是心脏的收缩能力和心率达到了极限。但在实际测定中，大部分人（包括正常人和患者）在出现VO2平台前，就因疲劳或其它原因而终止运动。恒功率运动常是在某一功率下运动，如在50
9、或75VO2 max的功率下运动58分钟，以便达到稳定状态。这种运动方案可以用来评价某一治疗（手术或药物）措施对运动能力的改善作用。四、 心肺运动试验的常用指标及其意义：1 最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2 max）VO2 max反映了机体利用的最大上限。在逐渐递增的CEPT中，当运动到一定时刻，VO2出现一个平台，这时即使再增加功率，VO2也不增加，我们称这时的VO2为VO2 max。实际上多数人在VO2出现平台前就已经因为疲劳或其它原因而终止了运动。VO2反映了机体气体运输系统（包括肺、心血管、血红蛋白）及肌肉细胞有氧代谢是否正常，任何一个环节的功能障碍如心脏
10、病、肺病或贫血等，均能使氧流或氧利用障碍，引起VO2 max下降。正常应大于正常预计值的84。代谢当量（Metabolic equivalent，MET）是以安静状态下每公斤体重每分钟的VO2的倍数表示之，1MET为每分钟每公斤体重3.5ml的VO2。我们测定了94例正常成人（心肺血管病杂志,1997，16：196199），其中男性48例，年龄为2173岁（平均45岁），女性46例，年龄2370岁（平均48岁）。结果显示，VO2max与年龄（AGE）和体表面积（BSA）有关，预计方程为：女性VO2max（l/min）0.9178BSA-0.008AGE0.1762；男性VO2max（l/min
11、）=0.6606BSA-0.0189AGE1.510。根据预计方程可以算出每个受试者的正常预计VO2max，将实测值与预计值比较，就可得出运动耐量是否减低的结论。但是必须指出，VO2 max的变异比较大，因为影响VO2 max的因素很多，除了年龄（随着年龄的增长而降低）、性别（男性大于女性）、身体大小（与体重成正比）这些因素外，还有如运动方式（平板脚踏功率车上肢功率车）、工作性质、是否经常参与锻炼等均会影响VO2 max，2 心排血量（CO） 根据FICK原理，采用重复呼吸法可无创间接推算CO。FICK原理是：到达右心的氧加上由肺进入血的一定等于左心送出的氧。用二氧化碳代替氧可表达为：Q=VC
12、O2/（CaCO2-CvCO2）。其中Q=CO，VCO2是二氧化碳排出量，可直接测定，CvCO2是混合静脉血的二氧化碳浓度，通过受试者与装有O2和CO2混合气体的气袋进行重复呼吸，使气袋、肺泡和毛细血管的CO2达到平衡，此时的CO2浓度就等于混合静脉血的 CO2浓度，以此来计算Q，故称为间接FICK方法。许多作者及我们的研究结果表明（基础医学与临床, 1996，16：4548），该方法能正确地测定正常人、心脏病、慢性阻塞性肺病、肺间质疾病及严重疾病患者在静态或运动状态下心排血量。3 无氧阈（AT） AT定义为机体在逐渐递增的运动当中，当VO2达到某一点，这时有氧代谢已不能满足运动肌肉的能量需求
13、，于是动用无氧代谢以补充有氧代谢提供的能量不足。由于AT对氧流入组织比较敏感并且相对不受患者是否努力的影响，所以它不仅用于运动受限的诊断与鉴别诊断，还可以用于治疗前后的功能评价及锻炼的效果与运动耐力的评价。为此许多作者做了大量的研究，最早观察到血乳酸、疲劳及呼吸气体交换三者之间的关系是1920年Hill和Lupton研究，后来Wasseerman又进一步进行了研究发展并定义为无氧阈。 AT假说认为：当运动负荷达到一定水平时，运动肌肉对氧的需求超过供给。氧供需之间的不平衡使细胞质中的无氧酵解增加，伴随着丙酮酸变为乳酸。乳酸主要被细胞内的HCO3-中和。中和反应产生的CO2使机体CO2产生量增多。
14、中和反应的酸碱平衡紊乱产生预计的代谢气体变化。近10年来人们都试图用无创方法发现AT，主要有以下几种方法：V-slope方法：由于乳酸被HCO3-中和产生CO2，使VCO2突然增加与VO2不成比例。BEAVER等采用计算机进行回归分析10名正常人的VCO2VO2关系曲线，结果显示，VCO2突然增高这一点能正确确定乳酸和HCO3-的阈值。SUE对正常人和COPD的试验也得出相同的结论。PATESSIO的试验结果表明，该方法过高的估计了阈值，但当受试者在运动2分钟后才发生乳酸性酸中毒时，VCO2就能比较近似地反映血中HCO3-的下降点。而BELMAN则认为，VS方法不能正确估计代谢性酸中毒的发生时
15、间。通气当量方法（VEM）：即VE/ VO2增高但不伴VE/ VCO2增高。由于酸中毒刺激呼吸化学感受器，使呼吸驱动进一步加强，通气明显增加，故VE/ VO2增高，同时，通气增加使CO2排出增加，故VE/ VCO2不增高。一些作者认为VEM与乳酸阈值相关，而另一些作者则持否定态度。呼气末氧方法：呼气末氧分压增高，但二氧化碳分压不降低。成人AT的正常范围是4154的预计VO2max，久坐的中年男性的最低AT是最大VO2的40，这一数值常被很多作者作为正常值的最低限。4 氧脉搏（O2 Pulse）O2 Pulse不是直接测量的参数，而是由VO2/HR计算出的。心脏在输送O2 的过程中靠2个机制完成
16、每搏输出量（SV）心率（HR），一般认为运动早期心脏主要是通过SV的增加使VO2 增加，在运动的后期主要靠HR的增加使VO2 达到最大。如果心功能不全，SV不能随着运动而相应增加，心脏只有通过HR的增加来满足肌细胞对氧的需求，HR增大，O2 Pulse就减小，因此，O2 Pulse减小，反应了心脏的贮备功能下降。5 呼吸参数 呼吸参数包括：每分钟通气量（Ve）、潮气量（Vt）、呼吸储备（BR）、死腔/潮量（Vd/ Vt）、潮气量/吸气肺总量（Vt /IC），吸气时间/呼吸时间（Ti/Ttot）肺泡气动脉氧分压差（P（A-a）O2）、动脉呼气末二氧化碳分压差（P（a -ET）CO2）、氧通气当量
17、（Ve / VO2）、二氧化碳通气当量（Ve / VCO2）和经皮血氧饱和度（SpO2）。在负荷递增的运动中，Ve相应地增加。运动初期Ve的增加主要靠Vt的增加,当Vt达到VC的50%后，Ve的增加主要靠f继续增加。当运动达到极限时，Vt也只达到肺活量的50%，可见正常人具有很大的通气量储备功能。运动时Ve的增加除了同氧需求增大有关外，更重要的是因为CO2产生量增加，增加Ve的目的是维持体内正常的PaCO2和PH值。在AT前，Ve随运动负荷的增加成线性增加，在AT后，由于无氧代谢参与能量合成，二氧化碳生成量相对耗氧量高，二氧化碳对呼吸中枢的刺激增加，使得Ve曲线上出现拐点。正常男性在VO2=1
18、.5L/min，Ve =3.55.4L/min，女性在VO2=1L/min时，Ve =274.4L/min。运动到达极限时的Ve与运动前的每分钟最大通气量（MVV）比较可得出呼吸储备，即BR=MVV- Ve max，正常BR应大于15L/ min。或者用Vemax/MVV表示，正常人的Vemax/MVV范围较大，但不超过7075，这一数值常被众多人作为正常值范围。COPD患者的BR缩小。当定义运动时正常的VT和f时存在着同样的困难，观察通气的反应形式比仅仅依靠正常值范围更具有价值。 P（A-a）O2和P（a -ET）CO2反映了VA /Q是否平衡，正常人在整个运动中P（A-a）O2应35mmH
19、g，P（a -ET）15bpm，呼吸储备明显增大，AT没有出现，没有出现运动受限的其它现象，如SpO2降低、血压超过230/130mmHg或收缩压降低、心电图出现缺血改变。如满足这4个条件，基本可以考虑系配合不好有关。 运动受限的诊断并不是最终诊断，它提示肺心血管血液肌肉系统这环节中的一个或几个系统有病变，一些诊断指南可帮助我们诊断。要正确判断运动受限的原因，需结合有关的病史和检查，排除无关的因素。附表表3-1 运动平板和功率自行车的比较特征 平板 自行车较高的最大VO2和O2 pulse + 相似的最大HR和VE + +对运动的熟悉 + +运动功率的定量 +ECG、气流、血压的干扰小 +容易
20、取动脉血 +安全（骨骼肌受伤机会小） +卧位 +节省空间 +噪音小 +费用低 +可手提 +美国经验多 +欧洲经验多 +表3-2运动方案活动 速度坡度 运动 评价平板运动（MPH）（Grade） 时间Bruce 负荷增加顺序 3min 每档增加负荷量大；对 1.7/10 体弱者运动负荷可改从 2.5/12 1.7/0或1.7/5开始 3.4/14 4.2/16 5.0/18 5.5/20 6.0/22Balke 3.3-3.4/0为起始负荷， 1min 每档增幅小；体弱者可 以后每档坡度增加2.5% 把速度改为3MPH，每 直到不能耐受 档时间改为2分钟，或 坡度改为每档增加1%Jones 按下
21、列顺序增加负荷 1min 每档负荷增幅小，起始 1.0/0 负荷也低 2.0/0 此后每档坡度增加2.5% 2-3.5/2.5 直至不能耐受自行车 负荷（每档） 运动 评价功量计 时间Astrand 50瓦（300kpm） 4min 每档负荷大、时间长； 直至不能耐受 女性受试者负荷可改 为33瓦（200kpm）Jones 16瓦（100kpm） 1min 体弱者每档负荷可以 直至不能耐受 减少，如用50kpm 表4-1 不同年龄组的VO2 max（mlkg-1min-1）和MET年龄 男性 女性20-29 43（22） 36（21） 12METs 10METs30-39 42（22） 34（
22、21） 12METs 10METs40-49 40（22） 32（21） 11METs 9METs50-59 36（22） 29（22） 10METs 8METs60-69 33（22） 27（22） 9METs 8METs70-79 29（22） 27（22） 8METs 8METs表5-1、常见疾病的心肺运动试验的反应 HF COPD ILD PVDVO2¬max 减低 减低 减低 减低AT 减低 正常，减低 或不能确定 正常，偶减低 减低HR储备 不定，通常为0 轻度COPD增大 增大 0或减低O¬¬2Pulse 减低 正常或减低 正常或减低 减低呼吸储备 正常 0或减低 减低 正常EqCO2(atAT) 增加 增加 增加 增加VD/VT 增加 增加 增加 增加PaO2 正常 不定 减低 减低P(A-a)O2 通常正常 不定，通常增大 增大 增大HF心力衰竭，COPD慢性阻塞性肺病，ILD间质性肺病，PVD肺血管疾病，