Eur Respir Rev：心肺运动试验的现代临床价值

摘要

长期以来我们将心肺运动试验（cardiopulmonary exercise testing, CPET）作为心脏疾病的一项诊断工具。近年来，有证据表明CPET在以下方面也具有一定价值：1）区分运动的正常和异常反应；2）确定最大摄氧量和残疾程度；3）明确导致呼吸困难和运动受限的因素；4） 区分运动不耐受的原因：通气（呼吸力学和肺部气体交换）、心血管、代谢和外周肌肉；5）识别通气（呼吸力学和肺部气体交换）、心血管和代谢系统异常，以及外周肌肉和心理疾病；6）筛查并存的缺血性心脏病、外周血管病和动脉低氧血症；7）协助制定个体化运动训练；8）生成预后信息；9）客观评估治疗干预的影响。

因此，CPET是患者临床评估的重要组成部分。本文属于“心肺疾病的通气效率及其临床预后价值”专题系列，主要针对临床医生、生理学家和研究人员，旨在鼓励他们熟悉CPET，以帮助和指导相关特定患者的临床决策。

介绍

长期以来我们将心肺运动试验（CPET）作为心脏疾病的一项诊断工具。近年来，CPET已被公认为可用于明确导致不明原因呼吸困难的机制，以及呼吸系统疾病随访的一种有价值的工具。

然而，如今当被问及“CPET的临床价值是什么？”时，绝大多数临床医生会这样回答：“……确定峰值摄氧量和残疾程度”。这是一个很好的答案，但是不完整（图1）。

运动不耐受，即受试者无法满足某一特定体力活动（无论是强加的还是选择的）的能量需求，是许多心肺疾病的主要特征。虽然运动不耐症具有明确的任务具体化特征，不过CPET通常涉及大肌肉群（下肢）运动，直至耐受极限，通常是用功率自行车，在受试者耐受范围内以负荷快速增加(或递增)的形式进行，为高强度恒定功率试验提供了很好的辅助，特别是在评估干预性变化时。值得注意的是，选择恰当的测试似乎非常重要，因为不同的形式（功率自行车，运动平板）以及负荷增加量都会影响CPET结果：负荷增加过快时机体难以产生肌肉力量来维持高功率，负荷试验时间过长则难以维持运动的动力，因此负荷增加过快或过慢的测试都会使得峰值VO₂较低。虽然如此，峰值摄氧量（运动峰值时的VO₂）通常与功率增加无关。相反，功率增加的速度越快，VO₂反应动力学的影响使得峰值功率越大；因此，它不是VO_2peak的可靠替代指标。

运动不耐受可能由通气水平（通气力学和肺气体交换水平）、心脏-循环水平和肌肉/代谢水平的限制或疾病引起，这些运动受限的特定水平/位点，单独或联合，可能对CPET期间VO_2peak产生明显的影响（图2）。

大多数心肺疾病和周围肌肉疾病表现为体能和运动耐力下降（从而降低VO₂），这可能影响日常生活，尤其适用于患有呼吸系统疾病的患者，这些疾病经常在体力活动期间出现症状，如呼吸困难、腿部疲劳和疼痛。呼吸困难是心肺疾病中最常见、致残和活动不便的症状，可能会减少心肺疾病患者的体力活动。

呼吸困难通常是由体力活动或劳累引起的（“劳累性呼吸困难”），因此，在运动过程中采用可靠的方法来理解和探索其机制非常重要；由于全面的医学评估和适当的补充测试（如静息肺功能、动脉血气、酸碱状态、血红蛋白、胸片、静息心电图，超声心动图）可能无法预测运动反应和相关症状，CPET提供了一个很好的识别导致劳累性呼吸困难（原因不明或与体力活动不相称）和运动受限因素的工具。

CPET为临床医生提供了从通气、气体交换、循环和肌肉/代谢指标到症状评分的一系列客观和主观信息。应注意如何分析和解读这些指标和得分。解读需要将CPET结果与其他临床和实验室结果相结合。此外，患者口述的信息，包括停止运动的原因和CPET期间可能出现的其他感觉（例如，紧张或头晕、视力模糊、眩晕、焦虑、手指刺痛、胃胀、手指或手臂僵硬、口周紧绷、手脚冰冷、胸闷、呼吸用力感增加、呼吸加快或加深、吸气不足或深呼吸困难）可用于评估运动受限和劳累性呼吸困难的潜在机制。

CPET的基本原理

应用负荷递增运动试验对患者的运动受限进行研究；在此之前，重要的是验证数据资料在技术方面的可靠性，以及是否达到运动耐受极限（图3）。

运动能力下降可能来源于单一因素，大多数情况下是多种因素，如肌肉骨骼、通气、心血管、气体交换或其他异常引起的，或仅仅是由于状态不佳（如宿醉）或肥胖的综合作用，将这些异常现象与可能导致运动成绩下降“假象”的次优化运动区分开来非常重要。VO_2max的定义并不简单，久坐或患病人群通常很难达到VO_2max。尽管如此，VO_2max可定义为VO₂达到一个值，超过该值，尽管功率进一步增加，但VO₂不会进一步（或轻微）增加；这一定义要求“平台效应”，在久坐或患病人群中并不常见，即使临床医生也不能很好地解释或理解这一现象。这就是为什么最好提及VO_2peak而不是VO_2max的原因；“VO₂平台”的简单定义是考虑尽管功率增加5–10%，VO₂增加<2.0 mL·kg⁻¹·min⁻¹，或最后运动阶段，VO₂增加<150 mL·min⁻¹。

重要的是，应该铭记，没有定义最大努力程度的黄金标准。

描述最大努力程度的标准如下：

·VO₂达到平台。

·峰值运动时分钟通气量（VE _peak）超过直接测量或估算最大自主通气量（MVV）的80–85%。用来估算MVV的方法很多，包括1s用力呼气量（FEV₁）×35、FEV₁×40或疾病或种族特异性公式。大多数实验室采用公式FEV₁×40来估算MVV，因此这个公式应该比较恰当。

·最近，通过运动期间出现显著的呼气流量受限（expiratory flow limitation，EFL；见下文）和/或吸气量（inspiratory capacity, IC）下降>140 mL（表明动态肺过度充气）提出了通气受限的证据。

·所有年龄段人群峰值运动时的呼吸交换率>1.05表明达到最大试验水平。

·患者心率（HR）达到或高于计算的HRmax。

·VO_2peak超过VO_2peak预计值。

·在恢复即刻，最大血乳酸水平⩾8 mmol·L⁻¹和/或pH值下降⩾0.04。

呼吸困难或腿部不适在Borg量表（评分8−10）或视觉模拟评分表（8−10 cm），甚至在类似的自感劳累量表上的得分较高，通常被认为是最大用力程度的主观指标。

探索解释运动不耐受的因素：

关键指标及其解读

图3提供了一个报告流程，用于定义最大试验，并开始描述那些存在异常运动反应的受试者运动受限的原因。传统的定义运动不耐受和损伤程度分级的标准是用体重将VO_2peak标准化。<40%预计值表明存在严重损伤。

两个指标用于明确运动不耐受：1）VO_2peak，可与正常值进行比较，但其缺点是依赖于受试者的主动性以及生理能力；2）无氧阈（AT），定义为乳酸生成超过乳酸消除的截点，也就是说，如果不依赖无氧功能，超过这一截点的运动将无法持续。AT的优点是与受试者努力程度无关，但不幸的是AT的准确获取依赖于特定的识别模式和操作者的经验。

运动中的心血管受限是复杂的，可能由某些相关指标来定义（图3），如可能典型的有VO_2peak降低、VO2轨迹斜率降低或后期平台（即VO₂/W降低，⩽8），氧脉搏（VO₂/HR比值），无氧阈过早出现（<预计VO_2peak的40%）或氧脉搏出现平台（运动早期或晚期）或异常的HR/VO₂斜率（>50）。

肺血管对运动的限制不容易定义，除上述异常外，还可能依赖于VE与二氧化碳输出量（VCO₂）斜率升高和AT时VE/VCO₂比值的证据。肺血管疾病的其他典型特征是AT时潮气末二氧化碳分压（PETCO₂）水平较低，是生理死腔（死腔容积（VD）/潮气容积（VT）），与基线相比保持稳定或升高或不下降，动脉二氧化碳分压与PETCO₂之差在运动期间没有变为负值，有时肺泡氧分压与动脉氧分压之差（P_A–aO2）在运动时变大（图3）。相关的血红蛋白水平降低会增强氧气流量受限。缺血性心脏病或心肌病可在CPET期间出现心电图或血压反应异常。

肺部气体交换对运动的限制也不是直接的，可能依赖于二氧化碳交换效率低下的证据，这可能表现为高VD/VT，以及通常表现为运动中VE/VCO₂值较高（图3），或（单独或联合）由动脉氧分压（P_aO2）降低或，不太直接的，通过脉搏血氧饱和度降低来体现的氧气交换不足，还包括VO_2peak降低。

外周肌肉对运动的限制（肌肉病和/或去适应）可能很难发现，一些指标可能有助于定义这一现象：VO_2peak降低，VO₂轨迹斜率降低或出现晚期平台（即VO₂/功率降低，⩽8），AT过早出现，<40%预计VO_2peak，峰值运动时或即刻恢复阶段血乳酸水平异常；例如，在代谢性肌病（如McArdle病）中，血清乳酸水平可能无法升高，AT不出现，而血清乳酸水平与功率或VO₂的对应关系相对较高，可能意味着去适应的存在。受运动肌肉异常限制的患者在运动结束时，下肢不适的Borg评分可能大于呼吸困难评分。

CPET期间还可以监测到运动中的通气受限（图3）。除了大家所熟知的呼吸储备（即峰值VE与MVV的比较）外，还可以了解运动通气受限的其他指标：相对于静息或动态IC下降，动态VT扩张的受限，用于评估关键性的吸气储备的下降（图3）。最近，有人提出在峰值运动时出现关键的EFL>25%时会出现通气受限，还有运动机械通气受限的其他指标，如吸气末肺容积>90%肺总量的单一指标，或与峰值运动时VT/IC>70%的复合指标（图3）。

CPET指标的图形化和表格化展示

CPET指标的图形化展示非常重要；负荷递增CPET中的VO_2peak有明确的正常值；通气阈是具有独立于受试者努力程度的优势的运动耐力指标。此外，整体运动反应（静息到峰值运动，再到恢复，数据反映的是10–20秒的时间间隔平均数据，而不是逐次呼吸的数据，这样将“干扰”最小化），而不仅仅是峰值运动数值应该得到展现；应该强调的是，30秒的平均时间间隔可能过长，可能低估指标峰值或高估AT值。该数据展示对于区分正常和异常的运动反应非常重要：可以识别特定病理生理情况下的CPET通气和气体交换反应模式；可以明确运动是否受到心血管、肌肉代谢，气体交换或通气限制（或上述情况的组合）；可在试验中增加其他操作以阐明病理生理学机制，例如测定IC以评估动态过度充气；某些评估需要动脉采血，以便可靠地预测VD/VT是否正常。最后，需要注意的是，使用恰当的CPET指标正常参考值也是至关重要的。

不言而喻，每个指标与其相应的参考值相比，反应是否恰当，对于区分运动反应是否正常，探索劳力性呼吸困难和运动受限的机制非常重要。“区分异于正常反应（年龄、性别和活动相匹配），与特定生理系统功能损害的特征相匹配的程度或模式”是CPET解读的基础。

CPET的进一步临床应用

CPET广泛用于客观评估治疗性干预措施的影响，如氧疗、支气管扩张剂、血管扩张剂、运动训练和其他以运动不耐受和呼吸困难为特征的各种慢性心肺疾病，如COPD、间质性肺病（interstitial lung disease，ILD）、囊性纤维化（cystic fibrosis，CF），慢性心力衰竭（chronic heart failure, CHF）和肺动脉高压（pulmonary hypertension，PH）。在COPD患者中，CPET越来越多地用于评估药物和非药物干预措施的效果，这些干预措施旨在减少劳力性呼吸困难和提高运动能力。诸如支气管扩张剂和康复方案等干预措施可以通过减少动态肺过度通气来改善肺力学机制和/或减少运动通气需求，改善呼吸模式，或提高骨骼肌有氧运动能力。近几十年来，许多研究探索了几种补充剂（包括合成代谢和生长激素以及营养补充剂）的应用，作为非药物干预的一部分，强调其作为辅助物的作用，以增强慢性呼吸系统疾病患者运动训练的积极作用。然而，在决定应用这些疗法之前，还需进一步的长时程研究。

所有这些干预相关的改善都对FEV₁或其他定义心肺疾病严重程度的风险分层的静息心肺功能测定没有显著的影响。

已证明CPET有助于筛查并存的缺血性心脏病、外周血管疾病和动脉低氧血症，并有助于制定个体化运动训练方案（图4）。这是该领域的一个主要内容，因为CPET可以：

1.明确运动禁忌。在老年康复人群中，共病是常见的，心脏病尤为普遍。运动心电图评估，同时增加气体交换测定提供了保证运动方案安全性的重要信息。通常存在，且在静息时不能预测的情况包括心肌缺血，心律失常和异常血压。

2.确定是否需要补充氧气。运动期间补充氧气可提高运动耐力，预防低氧血症。静息时无法预计预防低氧血症所需的氧气剂量（鼻导管升流量）。如果运动以踏车的形式而不是运动平板的形式进行，则发生运动氧去饱和的可能性较小。如果运动训练方案包含步行，运动平板运动测试可能更有助于评估是否需要补充氧气。

3.提供运动处方。与低强度运动训练相比，高强度运动训练提供了更佳的生理训练获益。负荷递增CPET可以提供以测定的目标功率或目标心率为参考的初始运动强度。

4.评估运动耐量的改善。恒定功率运动试验可以提供运动耐量改善的敏感指标。然而，必要的先决条件是，应制定个体化功率，使干预前运动持续时间在3~6分钟。这通常可以通过在先前的递增运动试验中分配一个约为峰值功率70–80%的功率来获得，尽管可能需要调整，以获得所需范围内的运动持续时间（图4）。

此外，已证明CPET指标对于心肺疾病（如COPD、CF、ILD、CHF和PH）患者的手术风险、生存率、临床恶化时间和恶化情况的预后评估具有价值。表1总结了被认为是心血管和肺部疾病患者预后最佳预测因子的最有价值的CPET衍生指标。

尽管在这篇文章和本系列文章中概括了相关的进展，但我们承认CPET在很大程度上仍未被认识，因此，在呼吸医学中没有得到详尽的应用。部分问题可能在于1）最近才强调的CPET流程和方案缺乏标准化；2）要求（有时是专业）对运动生理适应的综合机制有很好的了解，以便正确解读CPET数据；3）缺乏对CPET设备的获得途径；4）提议将CPET作为一种诊断工具。过去这些因素限制了CPET的应用和推广，但遗憾的是，CPET的应用和推广未来可能仍然受到上述因素的限制。

CPET的临床应用前景

有一点是明确的：很多待评估患者其实已有初步诊断，这种情况下，CPET很少对肺或心脏疾病患者的诊断产生影响。对于诸如此类患者，CPET可以应用于以下几个方面：1）提供运动耐量的客观评估；2）提供运动受限关键线索；3）阐明导致劳力性呼吸困难（原因不明或不匹配）的潜在机制；4）产生预后指标；5）识别疾病进展的模式和对所选干预措施的反应。重要的是，应将CPET作为先前全面医学评估（包括病史、体检和必要时适当的补充检查，如静息肺功能和心功能、动脉血气、酸碱状态、血红蛋白、胸片等）的重要辅助手段。已证明上述指标与CPET衍生的生理指标能提供关于功能状态和临床结局的有价值信息，如对治疗干预的反应和预后，而静息时的功能评估（如静息心功能或肺功能测试）几乎不能解决这些问题。

本文面向临床医生，生理学家和研究人员，旨在鼓励他们熟悉CPET，以帮助和指导特定患者的临床决策。但这需要无论是身体上还是精神上的大量精力，尤其是在这个时代，我们每个人都没有足够的时间来专注于临床生理学，没有足够的时间来教授、学习和解读如何以连贯的方式获得和解读CPET结果；因为作为现代的临床医生和生理学家，我们都是忙于繁杂的日常工作和其他更重要的事情。这样的真正后果是什么呢？唉，只有少数的肺科医生和临床生理学家了解并能很好地处理CPET，而CPET只有在专门的中心才能应用。如何处理这一令人失望的局面？我们敦促招募和纳入充满激情和奉献精神的年青一代肺科医生和临床生理学家。

结论

已证明CPET有助于1）区分运动的正常和异常反应；2）确定VO_2peak和残疾水平；3）明确导致呼吸困难和运动受限的因素；4）区分运动不耐受的原因：通气（呼吸力学和肺气体交换）、心血管、代谢以及外周肌肉原因；5）识别通气（呼吸力学和肺气体交换）、心血管、代谢系统，以及外周肌肉和心理障碍；6）筛查并存的缺血性心脏病、外周血管疾病和动脉低氧血症；7）帮助制定个体化运动方案；8）产生预后信息；9）客观评估治疗干预的效果。

因此，CPET是对包括患者预后和临床干预反应在内的临床评估的重要组成部分。

参考文献：略

本文由北京大学第三医院心内科宋燕新翻译整理

原文：Laveneziana P, Paolo MD, Palange P. The clinical value of cardiopulmonary exercise testing in the modern era. Eur Respir Rev. 2021 Jan 06; Vol. 30 (159). Date of Electronic Publication: 2021 Jan 06 (Print Publication: 2021).