解读心肺运动试验的指标

来源：运动科学论坛/王乐民

一、心血管疾病康复概述心脏康复（cardiac rehabilitation）起源于20世纪50年代对急性心肌梗死患者处置原则的质疑，心肌梗死患者长期卧床导致全身功能废退，而运动康复可以纠正机体的废退状态。心脏康复已经被认为是心血管疾病患者能够得到持续治疗的关键[1]。心脏康复的内容包括医学评估、运动疗法、饮食疗法、心理疗法、控制危险因素、患者健康教育和生活指导[2]。因此，心脏康复不能单纯从字面上理解为仅为心脏自身的康复，而可以理解为心血管疾病的综合性康复。据荟萃分析以运动为基础的心脏康复不仅可降低冠状动脉粥样硬化性心脏病患者心源性死亡率，还可以降低疾病的总死亡率[3]。心脏康复的短期目标：控制心脏症状、改善心脏功能状态、限制由心脏疾病产生的心理和生理不利影响、促进心理和职业回归。长期目标：改变冠状动脉疾病的自然发展过程，降低发病率和病死率，减低猝死和再梗死风险，稳定和逆转动脉粥样硬化[1]。因此，心血管疾病康复具有疾病的二级预防作用，改善心血管疾病的预后作用，提高生活质量和功能状态，降低病死率和再次住院率，减少心肌梗死的复发[1]。运动疗法是心血管疾病康复方案的核心部分，但仅仅运动疗法并不能充分降低冠状动脉硬化的危险因素，尚需要运动处方，饮食处方，患者教育和生活指导方案的综合实施[2]。综合性心脏康复方案的实施，进一步降低心血管疾病的危险因素，使心脏康复实现倍增效果，综合多要素内容的心血管疾病康复也称为心血管疾病的综合性康复。要实现心血管疾病康复的最大效果，指导患者自身改变生活习惯，保持出院后有足够的运动量，合理饮食和用药。因此，开展综合性心血管疾病康复需要综合性医疗团队，综合性医疗团队由临床心血管医师、康复师、护士、技师、营养师和心理治疗师组成。二、心脏康复的疾病种类（一）急性心肌梗死和PCI术后（二）稳定性冠状动脉粥样硬化性心脏病（三）冠状动脉搭桥或心脏瓣膜置换术后（四）大血管疾病：1.主动脉瘤；2.夹层动脉瘤；3.大血管病术后（五）慢性稳定性心力衰竭（六）心脏移植术后（七）周围动脉血管病（八）糖尿病三、心脏康复需要的运动生理学基础知识运动疗法是综合性心血管疾病康复的核心，开具个体化运动处方是基于患者心肺储备功能的测定结果，心肺运动试验（Cardiopulmonary Exercise Test，CPX）是客观量化评估心肺储备功能的方法，也是开具运动处方的理论基础。CPX是运动生理学和气体代谢指标关系的组合。机体运动时的生理学反应表现在机体组织的氧耗量增加，机体对氧摄取量的增加是通过心搏出量和肺通气量的增加来实现的。心搏出量增加是通过每搏搏出量增加和心率增加共同完成的，机体最大运动时心搏出量可达到静息状态下的心搏出量的5～6倍。运动早期心搏出量的增加主要是表现在每搏搏出量的增加，每搏搏出量的增加可使心搏出量增加到静息状态下的2倍，后期的心搏出量增加主要由心率的增加实现的，心率数上升平行于运动强度（氧耗量），心率增加带动的心搏出量增加可达到静息状态下的2.5～3.5倍。运动时每搏搏出量增加和心率增加，心搏出量最大可达到静息状态下的5～7倍。每分通气量的增加由每次潮气量和呼吸次数增加所决定，运动早期通气量的增加由潮气量决定，后期的运动强度增加，由呼吸次数增加决定通气量的增加，其发生机制与心搏出量增加机制相似，最大运动时通气量可达到静息状态下的15倍。静息时通气量约0.5L左右，最大运动强度时可达到3L左右，静息时呼吸次数约为10多次/分，最大运动时的呼吸次数可达到40～50次/分。呼吸系统与循环系统的储备能力不同，呼吸系统的储备能力大于循环系统，因此，最终运动中止的原因往往不是呼吸系统，而是循环系统（图1）。

图1  呼吸循环系统对递增性运动负荷的应答心搏出量的变动受到自律神经的调节，低负荷运动时副交感神经被阻滞，而高负荷运动时，当运动强度超过无氧代谢阈值时（Anaerobicthreshold，AT），转变为交感神经功能亢进（图2）。

图2 运动过程中自律神经的调节四、CPX原理与方法CPX是运动与气体代谢测试技术的结合，是基于内呼吸与外呼吸耦联原理，通过肺通气（吸进O2，呼出CO2）、肺与血液O2和CO2交换（外呼吸）、O2和CO2通过血液转运、毛细血管与周围肌肉组织进行O2和CO2交换（内呼吸）四个过程完成。CPX可精确测定运动状态下外呼吸与内呼吸的异常，而这些异常在机体静息状态下不易被发现。CPX含有O2和CO2快速反应传感器，检测静息、运动、恢复状态下每次呼吸的氧耗量和CO2呼出量。但由于气体分析器、流量表易于偏移，故每次试验前须对气流、流量、O2和CO2分析器进行定标，否则会出现误读性错误。现今，几乎所有的生产厂家都有简便可行的微处理器控制的定标系统。除此之外，周围环境还影响吸入的O2浓度，比如，温度、大气压力、空气湿度。许多CPX系统可自动校正这些外围因素，然后正确调整吸入的O2浓度。CPX须具备一个独特的软件，可处理、分析、输出数据。此外，为了规范CPX的操作，建立系统维护和质量控制系统显得尤为重要。临床常选用踏车及运动平板为运动模式,踏车的峰值氧耗量（peak oxygen uptake,peakVO2）平均低于运动平板的peakVO2的10％～20％[4]。基于踏车的安全与方便性,实际通常在临床选用踏车方式的比例高。踏车运动试验采用分级递增运动方案（Ramp方案）。运动平板采用的有Bruce方案和Naughton方案。测定VO2、VCO2、呼吸次数、潮气量，同时监测心电和血压的变化。检查前的准备，推荐在饭后2-3小时检查，室内温度20℃～25℃、湿度40～60％。急救条件齐备，以备运动中恶性心律失常发生的急救（有偶发恶性事件）。五、CPX的重要参数

图3 分级递增运动负荷状态下气体代谢变化模拟图（一）氧耗量VO2:反映机体运动负荷的指标，作为运动能力指标之一被广泛应用。氧耗量＝每搏搏出量*心率*动静脉氧差＝心搏出量*动静脉氧差。（二）代谢当量:Metabolicequivalents，METS，METs是心脏康复中重要的指标，可用于各种活动定量及运动强度判断，1MET=3.5ml·kg-1·min-1。（三）τon：运动开始时VO2反应的时间常数。（四）二氧化通气当量斜率（VE/VCO2slope）VE/VCO2是通气量（VE）与二氧化碳排出量（VCO2）的比值，通气量是生理死腔与肺胞通气量之和，VE/VCO2常根据运动中所有数据由线性回归计算得出，以斜率VE/VCO2slope表示，表明肺换气效率。（五）无氧代谢阈值（Anaerobicthreshold,AT）运动负荷增加到一定程度后，组织对氧的需求超过循环所能提供的氧供量，组织必须通过无氧代谢提供更多的氧，有氧代谢与无氧代谢的临界点称为AT，也称为乳酸代谢域值，正常值大于40％peakVO2，一般在50％～65％peakVO2，其值大小受长期有氧训练等个体因素的影响[5]。相对peakVO2而言，AT更能反映肌肉线粒体利用氧的能力。由于AT所代表的是亚极量运动负荷，不受患者主观因素影响，因此把AT和peakVO2结合在一起判断患者的运动耐力。AT用于制定个体化运动处方中运动强度的推荐，AT通常由Vslope方法判定[6]。（六）最大氧耗量（Maximaloxygenuptake,VO2max）、峰值氧耗量（Peakoxygenuptake，PeakVO2）VO2max是指人体在极量运动时最大氧耗能力，它也代表人体供氧能力的极限水平，当运动负荷增加，VO2不再增加而形成平台水平。实际测试中，有的受试者不能维持功率继续增加而达到最大的运动状态，没有平台出现，这种情况被称为peakVO2，通常以peakVO2代替VO2max。（七）VO2变化与功率变化比值（⊿VO2/⊿WR）即每增加1W功率运动负荷，所增加氧耗量的指标，表明末梢运动肌肉氧的运送能力，运动肌肉氧的利用状态-1。（八）呼气代偿点（RespiratoryCompensationPoint,RCP）运动强度超过AT后，机体酸性物质增加，通气功能亢进始点。（九）PETCO2：呼气终末期二氧化碳分压，反映运动中肺脏有效血容量。（十）氧脉搏（OxygenPulse）氧脉搏由VO2除以同时间的心率，是一次心脏搏动摄入肺血液的氧量，等于每搏搏出量与动脉-混合静脉血氧含量差[C(a-v)O2]的乘积，单位：ml/beat。（十一）τoff：运动后恢复期VO2反应的时间常数。（十二）运动心率运动时的心率变化，通常VO2每增加3.5ml·min-1·kg-1心率增加10次/分[5]。心脏病患者的心率受服用β受体阻滞剂因素的影响，因此最大心率不是运动负荷的终极目标，当心率达到85％最大预测心率时可考虑停止运动试验。（十三）运动血压收缩压一般随运动量增加而升高，舒张压增加不明显，VO2每增加3.5ml·min-1·kg-1,血压增加10mmHg[5]，若血压随运动负荷增加反而下降，往往提示有严重的心功能障碍。六、CPX的临床应用经CPX测得的AT、peakVO2、峰值心率、Borgscale自感劳累分级评分，为制定各类心血管疾病运动处方的依据。CPX测得的peakVO2、VO2AT、峰值负荷等结果判断心力衰竭患者的运动耐力。peakVO2、VO2AT、VE/VCO2slope可判断心力衰竭的严重程度及预后，CPX的前后对照，可判断临床的治疗效果。根据peakVO2评估是否需要心脏移植，peakVO2<10ml·min-1·kg-1作为心脏移植的指证[7]。CPX有助于判断肺动脉高压的严重程度及预后，CPX对心肌缺血及心律失常亦有良好的诊断价值。对心脏起搏器功能也具有良好评估价值。CPX还有助鉴别难以解释的呼吸困难，骨骼肌纤维和线粒体肌病，可鉴定残障能力。（一）CPX报告原则1.描述采用的运动试验模式及方案；2.总结运动过程中的临床和生理反应（如：运动时限、症状、停止运动的原因），以及患者用力程度，是否达到极量运动。3.避免直接用阳性或阴性等词汇来报告结果，而是给出最终印象或特定建议，最终报告须明确正常和非正常反应，以示结果的重要性。譬如：对心力衰竭患者，若peakVO2<10ml·min-1·kg-1，VE／VCO2slope>40，提示有严重的功能障碍及严重预后不良。对难以解释的呼吸困难患者，报告须指明是心源性还是肺源性等可能性[4]。（二）CPX报告须包含的指标[4]表1  CPX报告指标指标心率（HR）:次/分静息心率(次/分)峰值心率（次/分）峰值心率达到最大预测心率的百分数（％ of predicted HR）心肌缺血或心绞痛阈值心率（At ischemic or angina threshold ）1分钟心率恢复（At 1 minute of recovery）血压（mm Hg)静息血压（mm Hg)峰值血压（mm Hg)运动试验方案运动时限(分钟)峰值运动负荷 (Watts,W )停止运动原因Peak VO2 (L/min)Peak VO2 达到最大预测VO2的百分数Peak VO2 (min.kg-1.min-1)代谢当量（ Metabolic equivalents ，METs ）AT (min.kg-1.min-1)AT 达到peak VO2的百分数最大运动每分通气量(L/min)最大运动呼吸频率 (次/分)VE/VCO2  slope呼吸储备 (％)氧脉搏(ml/beat)氧饱和度 (％)△VO2/△WR （ml·min-1·W-1）七、制定运动处方的参考指标运动处方具有四要素：运动种类、运动强度、运动时间和运动频率，其中运动强度是制定运动处方的重要内容，直接关系到患者运动的安全性和效果。有氧运动强度参考指标及方法：（一）心率法1.传统心率最大预测心率(HRmax=220-年龄)的百分数，采用50％～70％不等的最大预测心率[8]。2.储备心率（HRR=最大运动心率-静息心率）[9]。（二）峰值氧耗量相关方法1.peakVO2以peakVO2的百分数，采用40％-80％不等的peakVO2。2.储备VO2（储备VO2=peakVO2-静息VO2）[9]。（三）AT通常决定AT值有三种测试方法：VE/VO2；VCO2/VO2；Vslope法，AT通常由Vslope方法判定[6]。（四）Borgscale自感劳累分级评分（表2）表2  Borg scale自感劳累分级表10  级  表20 级  表级  别      疲 劳 感 觉级 别         疲 劳 感 觉0没有60.5非常轻7非常轻1很轻82轻9很轻3中度104稍微累11轻5累12613稍微累7很累14815累9非常累1610最累17很累1819非常累20Borgscale自感劳累分级表，表达了受试者感觉的耐受能力，常受到主观因素的影响。有氧运动强度参考的指标较多，不同状态的受试者可择情选用。AT值方法的优点在于测定受试者从有氧代谢到无氧代谢的转折点，运动负荷比最大负荷低得多，无乳酸持续升高从而不会发生代谢性酸中毒，不易发生通气功能亢进和气短；血液中儿茶酚胺增加量少，对运动中产生的心律失常影响小，适时准确测定AT值适用中、重程度心脏病的运动疗法，以AT值为标准的有氧运动是安全有效的[10]。参考文献：[1] Braverman DL. Cardiac rehabilitation: a contemporary review. Am J Phys Med Rehabil. 2011;90(7):599–611.[2]BaladyGJ, WilliamsMA, AdesPA, etal. Corecomponents of cardiacre habilitation/secondary prevention programs:2007 update. Ascientific statement from the American Heart Association Exercise,Cardiac Rehabilitation,and Prevention Committee,the Councilon Clinical Cardiology; the Councilson Cardiovascular Nursing,Epidemiology and Prevention, and Nutrition,Physical Activity,and Metabolism;and the American Association of Cardiovascular and Pulmonary Rehabilitation.Circulation,2007,115:2675-2682.[3]Jolliffe JA, Rees K, Taylor RS, etal. Exercise-based rehabilitation for coronary heart disease(Cochranereview). Cochrane Library,2000;4.[4]Balady GJ, ArenaR,S ietsema K,etal.Clinician’s guide to cardiopulmonary exercise testing in adults-A scientific statement from the American Heart Association.Circulation,2010,122:191-225.[5]Guazzi M,Adams V,Conraads V, etal.Clinical recommendations for cardio pulmonary exercise testing data assessment in specific patient populations.Circulation,2012,126:2261–2274.[6]Beaver WL,Wasserman K,Whipp BJ. A new method for detecting an aerobic thres hold by gas exchange.J Appl Physiol,1986,60:2020-2027.[7]Hunt SA, Abraham WT, Chin MH, etal. Focused update incorporated into the ACC/AHA 2005 Guidelines for the Diagnosisand Management of Heart Failurein Adults: Are port of the American College of Cardiology Foundation/American Heart Association task force on practice guidelines.Jam Coll Cardiol,2009,53(15):e1-e90.[8]Fletcher GF, Balady GJ, Amsterdam EA, etal. Exercise standards for testing and training-astatement forhealthcare professionals from the American Heart Association. Circulation, 2001,10:1694-1740.[9]American College of Sports Medicine. ACSM’s Guidelines for Exercise Testing and Prescription.Philadelphia,Pa: Lippincott Williams&Wilkins,2010:286–299.[10]Tanisho K, Hirakawa K. Training Effectson Endurance Capacity in Maximal Intermittent Exercise: Comparison Between Continuous and Interval Training. J Strength Cond Res, 2009, 23(8):2405-10.36.