慢性阻塞性肺疾病患者最大运动状态下的心肺反应

徐秋芬 王浩彦 肖瑶

1首都医科大学附属北京友谊医院呼吸科（北京 100050） 2首都医科大学附属北京安贞医院呼吸科

慢性阻塞性肺疾病（COPD）的主要特点是不可逆和进行性发展的气流受限、肺功能受损，表现为活动性呼吸困难、运动能力及生活质量下降。研究表明，运动能力下降的速度要高于肺功能下降的速度，提示COPD患者运动能力下降是多因素的［1］。国内虽有关于COPD运动研究的报道，但缺少同步进行肺内气体交换的研究。因此，本研究采用无创的方法观察COPD患者在最大运动状态下心肺反应，同步采用有创的方法观察患者在运动中肺内气体交换的改变，探讨COPD运动能力下降的发病机制。

1 对象和方法

1.1 对象

设立COPD组和正常对照组。COPD组为稳定期患者34例，男性，诊断符合中华医学会呼吸病学分会制定的“慢性阻塞性疾病的诊治规范（草案）”［2］，其中Ⅰ级8例，Ⅱ级15例，Ⅲ级10例，Ⅳ级1例。无明确的冠心病、高血压及神经肌肉病病史，静态和动态心电图无心肌缺血性改变。正常对照组为健康志愿者24名，男性，无慢性心肺疾病、贫血、神经肌肉病等疾病史，无吸烟史，无职业粉尘接触史，静态和动态心电图正常，静态肺功能及血气正常。所有受试者运动前均告知运动试验目的及风险，并签署知情同意书。

1.2 心肺运动功能实验

实验前对肺功能及心肺运动测试系统进行气体和流量定标，记录当日的室温、湿度，并输入检测系统。

受试者坐在功率自行车（Ergoline）上，接好面罩、呼出气采集管、心电图、袖带血压、红外血氧饱和度监测仪后，休息3分钟，空踏2分钟，然后进行每分钟递增功率5～20瓦的运动。采用症状自限性运动方案，运动至受试者最大耐受量［4］。运动过程中，受试者的呼出气通过一根呼出气采集管连接至分析仪（Vmax 229，SensorMedics，美国），连续测定摄氧量（VO2）和二氧化碳排出量（VCO2），并实时监测心电图和经皮血氧饱和度，每隔2～3分钟测定一次血压，以保证运动安全。判断受试者是否达到最大运动量主要根据［5］：（1）症状自限，即经最大努力也不能维持功率自行车在50转/分以上；（2）达到最大预计心率（220－年龄）的80%以上。

1.3 指标测定

运动前测定基础肺功能，包括用力肺活量（FVC）、1秒用力呼出量（FEV1）、残气（RV）和肺总量（TLC）、一氧化碳肺弥散量（Dlco）。Dlco测定采用单次呼吸法。

运动实验中，测试最大功率（WRmax）和最大摄氧量（VO2max），计算呼吸储备（RR）、心率储备（HRR）和氧脉搏（O2pulse）：RR=40×FEV1－VE，其中 VE 为运动高峰时的分钟通气量；HRR=（220－年龄）－运动高峰时的心率；O2pulse＝VO2/HR。采用 Borg评分［6］分别对呼吸困难（rBorg）和下肢疲劳（legBorg）进行评分。

运动前及最大运动状态下抽取桡动脉血进行血气分析。运动高峰时COPD组26例取得动脉血标本，对照组15例取得动脉血标本，分别比较两组运动前后血气指标。通过以下公式［3］计算肺泡氧分压（PAO2）和肺泡动脉氧分压差（P（A-a）O2）：PAO2=PIO2－（PaCO2/R）［1－FIO2（1－R）］，P（A-a）O2=PAO2－PaO2；其中 PIO2为吸入气氧分压，FIO2为吸入气氧浓度，PaCO2为动脉血二氧化碳分压，R是呼吸商=VCO2/VO2。

1.4 统计学分析

本组资料均为计量资料，分别对两组资料进行正态性检验，将符合正态分布的资料以均值±标准差表示。两组比较采用独立样本t检验。两组运动前后的自身比较采用配对t检验。最大摄氧量（VO2max）的影响因素分析采用多元线性回归。取P<0.05作为差异有无显著性的检验标准。

2 结果

2.1 一般临床资料

两组对象生理参数见表1：COPD组共34名，均处于稳定期，年龄 60.85±7.46岁，身高 168.79±6.12厘米，体重72.30±10.80公斤。正常对照组24名，年龄56.13±11.06岁，身高 165.60±9.51厘米，体重 68.48±11.57公斤。两组年龄、身高和体重均无显著性差异，具有可比性。

表1 两组对象生理参数及基础肺功能参数比较

2.2 心肺运动试验结果

受试者均运动到各自的最大耐受量。COPD组19人最大心率达到预计最大心率的80%以上，9人达到70%以上。对照组23人最大心率均达到预计最大心率的80%以上。两组受试者运动心电图均无明显缺血改变。

表2显示：COPD组最大心率与对照组相比无显著性差异（P=0.299）。COPD组最大功率和VO2max均显著低于对照组，P值分别为0.012和0.042。COPD组RR显著低于对照组（P=0.004）。两组O2脉搏和HRR均无显著性差异。COPD组呼吸困难评分（rBorg）显著高于对照组（P=0.034），下肢疲劳评分（legBorg）两组比较差异无统计学意义。

表2 两组运动高峰时心肺功能参数比较

多元回归分析显示：COPD组运动高峰的VO2max与 FEV1%呈显著正相关（图 1），相关系数 r=0.572，P<0.001，回归方程 VO2max=9.27+0.067×FEV1%。

2.3 血气分析结果

表3显示：正常对照组运动后 PaO2、P（A-a）O2较运动前略有上升，但无明显差异（P<0.05）；运动后 PaCO2较运动前显著下降（P=0.012）。COPD组运动后P（A-a）O2显著高于运动前（P<0.001）；运动后 PaCO2显著高于运动前（P=0.006）；运动后 PaO2低于运动前，但差异无统计学意义（P=0.057）。

COPD组运动高峰时P（A-a）O2显著高于对照组（P<0.001），PaCO2显著高于对照组（P=0.015），PaO2显著低于对照组（P<0.001）。

表3 两组运动前和运动高峰时血气参数比较

3 讨论

有氧代谢是提供肌肉运动所需ATP的主要途径。肺和心脏是影响氧气进入肌肉细胞参与有氧代谢的主要器官，心肺储备功能直接决定肌肉是否得到足够的氧气以合成运动所需要的能量。

运动能力降低是COPD患者最常见的主诉之一，既往研究认为阻塞性通气功能障碍是引起COPD患者运动能力下降的主要因素［7］。但大量研究发现，引起COPD患者运动能力下降的原因很多，包括肺、心脏、肌肉等因素［8-10］。近年来研究发现，COPD不仅引起肺功能损害，还易引起心血管疾病［10］。因此，心肺功能在COPD运动能力降低的发病机制中所起的作用需要深入研究。本实验结果显示，与对照组比较，COPD患者在运动高峰时的VO2max明显降低，RR明显减小，rBorg评分明显增加，P（A-a）O2明显升高，但O2pulse、HRR无显著性差异，运动心电图也无明显异常。这提示COPD患者运动时，肺反应异常，而心脏反应相对正常。

本研究还显示，COPD患者VO2max降低与FEV1占预计值%相关，相关系数为0.572，这与Murarin等的研究结果相近［12］，提示COPD患者最大运动能力降低的主要原因是气流受限，由此造成肺动态性过度充气（Dynamic hyperinflation）［8］。本研究显示，COPD 患者运动时呼吸困难感较对照组明显增加，Borg评分明显高于对照组，表明这种呼吸困难感除气道阻塞的原因外，还与呼吸肌疲劳有关，尤其是吸气肌疲劳，而疲劳肌肉需要更大的中枢吸气驱动才能使肌肉产生相同的力量，这可能造成恶性循环，虽有较高的呼吸驱动，但COPD患者由于气流受限和小气道陷闭，使得潮气量不能相应增加，就表现为RR下降和PaCO2升高，这是COPD运动受限的原因之一［13］。

COPD患者的呼吸功能受损还表现在气体交换方面，最大运动状态下P（A-a）O2明显上升，提示运动加重了COPD患者肺内通气与血流的不匹配，也不排除运动时肺内的动静脉分流增加。但因缺少更多的证据，尚需要进一步研究。

O2脉搏是反映心功能的一个重要参数［4］。心脏的主要功能是运输O2，主要依赖于每搏输出量（SV）和心率（HR），当SV下降时，HR代偿增加，使每分心输出量相对正常，结果表现为O2脉搏下降。因此，O2脉搏反映了心脏在运动中的反应。本研究结果显示，COPD组运动高峰时的O2脉搏无明显降低，提示本组COPD患者运动的心脏功能反应是正常的。此外，运动心电图也无缺血等异常改变，HRR在两组间也无显著差异，由于本研究对象主要以轻中度COPD为主，因此，结果提示心脏功能可能不是轻中度COPD患者运动受限的原因之一。

综上分析，我们认为COPD患者运动时肺的反应异常是运动能力降低的主要原因。

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