心肺运动试验在医学领域的临床应用

宁 亮，孙兴国

人，临床医学服务的对象，是一个不可分割的有机整体。在还原论主导下，现代西医学是以系统、器官和细胞基因甚至分子等为主线建立各自的理论体系及相应的精细分支学科。由此带来了医疗进步和知识剧增，但同时分科过细过窄使得服务于整体人的医生可能只了解人体的某个或某些局部，造成片面机械的“头痛医头，脚痛医脚”，而在一定程度上偏离了医学从整体上“治病救人，救死扶伤”和“减少疾病，提高健康水平”疾病防治的根本职责[1-3]。

心肺运动试验(cardiopulmonary exercise testing，CPET)[4-6]不同于一般的单纯观察传统心血管指标、心电图和血压改变的心脏运动试验，也不同于静态肺功能或者运动肺功能，是首先在静息状态下测定人体的全套肺功能之后，在不同负荷下连续动态监测记录进出气流、氧气和二氧化碳，实时检测机体氧耗量和二氧化碳排出量、全导联心电图、袖带无创血压、脉搏氧饱和度甚至动静脉和肺动脉置管直接测压及抽取血液样本(血气分析和各种化学成分)的动态变化。从静息状态收集数据(≥3 min)后，先做无功率负荷热身运动(≥3 min)，再根据性别、年龄、功能状态等选择10～50 W/min的功率递增速率进行症状限制性最大负荷运动至运动受限，并随后继续记录≥5 min的恢复情况。CPET就是该个体的呼吸、血液循环和代谢系统在神经体液调节下，在消化吸收、泌尿排泄、皮肤等配合维持之下联合完成的一个氧气代谢为核心的整体生理学的主要信息，只要耐心细致地正确判读就可以使呼吸系统、血液循环系统、代谢系统及神经体液调控和消化吸收、泌尿排泄等为主的人体功能状态得到一个整体、客观、定量的科学评估，从而达到区分健康、亚健康和疾病诊疗的目的[5]。从临床医学角度讲，CPET主要应用范围包括整体运动耐受和不耐受的评价，心血管疾病、呼吸系统疾病和代谢等疾病的诊疗及一些特殊的临床应用，如术前风险评估、运动康复、运动处方等[7]。现结合本实验室近年工作的经验，对CPET的研究进展和临床应用进行综合性评述。

1 CPET的生理基础及整体整合生理学医学新理论体系简介

作为功能有机整体，人的呼吸、循环等系统基本功能是维持细胞代谢平衡，单独给心或肺增加负荷是不可能的。机体活动时要求各生理系统之间相互配合，使各系统协调一致而发挥作用，因此运动时各系统均处于应激状态，以满足机体肌肉运动时需氧量及二氧化碳生成的增加，从而达到动态平衡。CPET强调运动时心肺功能的相互作用和气体交换作用，强调外呼吸和细胞呼吸耦联[8]，对外呼吸与细胞呼吸不同水平的功能状况进行分析评价，从而用运动外呼吸状态来反映体内各器官系统的功能状况。CPET是综合心肺及其调控，特别强调心肺代谢功能客观定量的一体化联合整体功能测定。从CPET的应用生理学和医学现代化角度出发，我们根据需要建立生理学病理生理学医学的整体整合理论，以指导CPET的正确运用和解读[3-5]。

整体整合生理学医学新理论体系的精髓和核心[3-5]：只有以氧气需-供平衡为纲的呼吸、血液循环、神经、代谢等系统联合一体化调控体系为理论基础，才能正确理解、判读和应用这几种改变代谢状态的临床功能性检测方法(如心肺运动、运动康复和睡眠试验)。CPET的完成需要呼吸、循环、神经体液、代谢等系统联合一体化调控与配合才能实现。以运动过程中氧气、二氧化碳和能量物质因需而增加供应到细胞线粒体内，氧化能量物质来产生和供应能量的过程而言，人体氧气代谢至少需要呼吸系统、循环系统和代谢系统的相互配合，并在神经体液等的调控之下才能完成内、外呼吸之间的偶联[8]；而同时能量物质局部浓度的调控和内环境的相对稳定又需要其他生理学系统的参与。所以心肺运动、运动康复、睡眠等反映多系统整体功能的临床技术和方法，用传统的生理学系统中的任何一个或者两个系统的生理学来理解和解读都是片面的、局限的甚至是错误的。

人体组织器官大都有很大的功能储备，轻度或早期的功能障碍和调节异常在静息状态下不易被一般检查所发现。而目前临床常规使用的心、肺、代谢等检测技术基本上是静态检测方法，因此功能异常检出率有限。当机体逐渐运动剧烈时，各组织器官的血液将重新分布，血流主要分布于运动肌群以保证其运动时血液供应和能量代谢的需要，同时运动可使气体运输加速、气体交换加快和骨骼肌的利用氧能力增强，因此运动负荷试验可以从运动终止原因、运动过程反映出的模式特征以及连续监测的心电图、血压等众多指标中检测出静息时所不能发现的器官功能状态[5]。

2 CPET的主要测定指标及其生理学意义和临床价值

CPET的检测指标丰富且全面，可分别对机体在运动耐力、心脏功能、肺通气、气体交换功能等方面的功能状况进行评价。本文对于心电图、血压、肺功能等传统测定不再讨论，现择其特异性的测定指标简述如下。

2.1 最大氧耗量 Hill于1923年提出此概念，它是指人体在进行有大肌肉群参加的负荷运动过程中，当氧运输系统各个环节的储备都已被动员而达到最高水平时，即人体单位时间内所能摄取的最大氧量。目前已成为反映心肺功能的主要指标，体现了人体最大有氧代谢和心肺储备能力，可用于评价有氧运动能力。通常情况下机体代谢需氧与供氧平衡，从循环角度讲，氧耗量=心输出量×动静脉血氧含量差；从呼吸角度讲，氧耗量=每分通气量×吸入气与呼出气氧浓度之差。所以氧耗量本身就是心肺代谢等系统的整体功能指标。

最大氧耗量的单位以L/min或ml·kg-1·min-1表示。最大氧耗量随年龄、性别、身高、体质量以及日常活动水平的不同而有较大的个体差异，所以采用最大氧耗量的实测值与预计值的百分比(%pred)来表示，可以使临床意义增大[9-10]。最大耗氧量也与运动方案有关，参与运动肌群数量越多的运动形式其数值越大，故平板运动一般比踏车运动所测值高10%～11%。

2.2 无氧阈 是指运动中有氧代谢尚不需要无氧代谢补充供能时，即尚未发生乳酸过量产生(无氧代谢)时的最高氧耗量。临床上常用3种方法来确定：一是血乳酸法，运动中持续监测受试者桡动脉血的血气，出现乳酸显著升高时即是，但由于是有创性检查，使其在临床应用中受到一定限制；二是V斜率法，其测定原理是当出现无氧代谢乳酸过量产生时，相对于氧耗量而言二氧化碳排出量增加加速，在两者关系曲线上当线性部分的斜率>45°角时的拐点处即是，临床应用较多；三是通气当量法，氧当量开始增加而二氧化碳当量未相应增加时即是。无氧阈预计值的计算和预计值的百分比使得临床意义有所增加[9-10]。

无氧阈更敏感地反映组织氧需供平衡，且少受患者努力程度、功率增长速率及代谢底物的影响，所以不仅能用于运动耐力下降的诊断与鉴别诊断，还可用于评价治疗前后的心肺功能、运动耐力以及康复训练的效果评价。理论上讲，人体可较长时间耐受无氧阈以下负荷的运动而无不良影响，这是建立康复训练运动处方的主要参照依据。

2.3 二氧化碳和氧气通气有效性(VE/VCO2和VE/VO2)或者当量(EQCO2和EQO2) 表示每排出1 L二氧化碳所需要的通气量，反映的是肺通气/血流匹配状况。此指标在运动中逐渐降低达到最低值，之后再逐渐增高，主要以最低值和斜率表示。与单纯使用实际测定值比较，其预计值的计算和实测值占预计值百分比使得临床意义增加不少[11-12]。弥散性肺疾病、限制性肺疾病、阻塞性肺疾病、肺血管疾病、心力衰竭及心内右向左分流患者通气血流比通常失调，一般其值越高代表基本疾病严重程度越重。但是当重度阻塞性肺疾病等患者呼出气气流严重受限时，上述指标的临床意义明显受限。

2.4 摄氧有效性峰值平台(OUEP) 表示的是运动中每升肺通气循环系统所能摄取氧气(ml)的最高平台值，反映的是肺血流/通气匹配状况。运动时从静息水平逐渐增高在无氧阈之前达到最高平台值，之后再逐渐降低。与单纯使用实际测定值比较，其预计值的计算和实测值占预计值百分比使得临床意义增加不少[13-14]。在无明显通气限制情况下，它是判断血液循环有效性的最佳指标，用于预测心血管病患者的存活、死亡价值优于其他心血管病传统测定指标和心肺运动指标。

2.5 呼吸储备和心率储备 呼吸储备一般用静态肺功能最大通气量与运动中最大分钟通气量的差值来表示。健康人的呼吸储备值至少>11 L/min，或为最大通气量的10%～40%。呼吸储备反映极量运动时的呼吸储备能力，呼吸储备降低是肺通气受限患者的特征性表现，如限制性或阻塞性肺疾病等常导致呼吸储备降低；而心血管或其他疾病限制运动时呼吸储备可升高。

心率储备是用预计最大心率与运动中达到最大心率的差值来表示。健康人心率储备值<15%pred。但临床上广泛应用的β-受体阻滞剂等影响心率的药物对它的临床意义具有影响。

2.6 氧脉搏 氧耗量与心率的比值即氧脉搏，是指每搏的氧耗量，等于每搏量与动脉-混合静脉血氧含量差的乘积。贫血、碳氧血红蛋白升高、严重低氧血症、肺血氧合能力降低及右向左分流均可导致动脉氧含量下降，氧脉搏也随之下降。心功能减退所致每搏量降低也可致氧脉搏下降。运动中随着功率的增加，动脉-混合静脉血氧含量差逐渐增加，因而氧脉搏也逐渐增加。氧脉搏受多种因素的影响，临床上对其解读时应该注意β-受体阻滞剂等影响心率的药物对它的影响。

3 CPET的临床应用

3.1 对不明原因呼吸困难和运动耐力下降疾病系统的鉴别诊断 活动时呼吸困难、心悸、气短、疲劳是心功能不全和肺功能不全的共同症状，包括心肌缺血、心力衰竭、慢性阻塞性肺疾病、间质性肺炎等，少部分为肺栓塞、肌病甚至为心理因素等，在运动状态下大部分都可以表现出一定的特点，通过CPET所获得的指标进行相应的分析，可以为诊断提供线索或者明确诊断。美国胸腔科学会/美国胸科医师协会(ATS/ACCP)发表的CPET应用陈述[7]中提出：通过CPET检测指标来分析诊断不同的疾病，其中认为最大氧耗量可以反映疾病的轻重程度，心率储备反映心脏的储备情况，通气储备反映呼吸的储备情况，故分析这些数据能基本明确疾病诊断的方向。

引起运动耐力下降的原因很多，从外呼吸到内呼吸各个环节存在异常均会导致运动耐力下降，其病理生理机制常使临床医师感到困扰。CPET中各个环节所致的运动耐力下降，其气体交换反应不同，从而有助于临床医师根据其气体交换模式来判断一个临床诊断的正确性。所以，当一些常规的检查结果不能很好地解释患者的运动耐力下降时，可以给患者做CPET检查，为临床诊断及鉴别诊断提供重要线索。根据心肺代谢耦联，将运动耐受下降的原因大致分为3类，分别是肺通气换气功能障碍、循环功能障碍和组织摄氧或利用氧障碍，利用CPET的最大耗氧量、无氧阈、二氧化碳和氧气通气有效性、OUEP、氧脉搏、呼吸储备、心率储备等指标分析可以鉴别它们[5]。

3.2 在心血管疾病中的应用 与纽约心脏协会(NYHA)分级、血流动力学指标、左心室射血分数、血清标志物等相比，CPET可以更客观、全面地评价心脏病患者的功能状态，从而在心脏病严重程度分级、心脏移植适应证选择、心脏病预后等方面都有很大的应用价值。Weber等[15]基于最大氧耗量和Janicki等[16]基于无氧阈分别建立了A～D的心脏病严重程度生理学功能分级系统。CPET指标较主要依靠患者的主观症状来进行心脏病严重程度分级的NYHA分级系统更加客观[17-18]。1993年Bethesda心脏移植研讨会就已将最大耗氧量<10 ml·kg-1·min-1作为心脏移植的主要适应证之一[19]。CPET也广泛应用于心力衰竭患者的预后评估，国际上大量的前瞻性研究显示，即使心力衰竭患者的静息射血分数很低，但如果患者的症状稳定且有相对高的最大耗氧量则预后较好。由于最大耗氧量受到患者不尽力或检测人员过早终止的影响可能会被低估，所以近年来次极量运动参数如无氧阈、氧气和二氧化碳通气有效性等更多地被应用于心力衰竭患者的预后评估中[12，14，20]。气体交换测定还是心输出量、每搏输出量、心指数、每搏指数等Fick金标准测定计算时必备的数据[21-22]。

3.3 在呼吸疾病中的应用 慢性阻塞性肺疾病的严重程度评价多采用常规肺功能指标，但是这些指标仅反映静息状态下的通气或换气状况，远不能反映患者在日常生活中的运动受限和劳力性呼吸困难情况，而且慢性阻塞性肺疾病本身就是一种全身性、多系统的疾病，所以也需要一种可以全面评估全身状况的检测方法[23]。美国医学会目前在评价慢性阻塞性肺疾病患者的肺损伤严重程度中添加了每千克体质量最大氧耗量作为补充，并将其划分为>25、22～25、18～21、15～17、<15 ml·kg-1·min-1由轻至重来评价疾病的严重程度，强调如<15 ml·kg-1·min-1则为重度心肺功能障碍。CPET也可用于慢性阻塞性肺疾病患者的预后评估，特别是最大氧耗量、无氧阈等指标是预测慢性阻塞性肺疾病患者早期死亡最有意义的指标。对于肺血管病、肺栓塞等疾病，CPET与肺功能相互配合可以为诊断、治疗及评估预后提供非常有用的检测手段[9-10，20，24]。

3.4 指导心肺疾病的康复 目前运动康复训练已经成为很多慢性疾病在稳定期的重要治疗手段，如慢性阻塞性肺疾病、间质性肺病、冠心病、慢性心力衰竭、肺动脉高压、糖尿病等，它可提高患者的运动耐量，减轻呼吸困难症状，提高生活质量。在我国，康复医学也日益被临床医师所重视，已经从单纯的功能锻炼向实现更好的身体功能方向发展。CPET在运动康复中的作用是任何检查都替代不了的，其具体作用是：运动风险评估、制定运动处方、评价运动康复效果等[5-6]。以往多以运动时最大心率为标准来制定运动方案，但心率常会受到一些药物的影响，因此以心率变化为标准的运动处方存在许多弊端和不足。目前比较理想的标准是运动到无氧阈水平，通过持续、有效的锻炼以达到改善心肺功能的目的。CPET可准确测定患者的无氧阈，并准确区分不同疾病患者的运动受限原因，进而提供个体化的运动处方。

3.5 药物、手术、器械和介入治疗疗效评估 CPET可应用于各种治疗的临床疗效评价，由于其无创的特点，可以反复测量，其结果客观、可靠，可动态、长期观察药物、手术、器械和介入治疗的临床疗效。在冠心病患者施行介入治疗前、后分别进行CPET，结果CPET指标显著提高，表明冠心病介入治疗是一种有效方法[25]。经皮球囊左房室瓣成形术是治疗左房室瓣狭窄既经济又安全的手术方法，其治疗效果可用CPET进行评价并得到证实。CPET用于评价先天性心脏病手术的效果、β-受体阻滞剂等药物治疗心血管病的效果敏感而有效。近年CPET还被用于心力衰竭患者双室起搏器、再同步及心内除颤患者选择及其临床治疗效果的客观定量评估[17]。

3.6 术前麻醉手术风险评估和术后患者管理 目前，手术仍是一些疾病的最佳治疗手段，但围术期的并发症增加了患者的手术风险，特别是对于一些胸腹部的大手术和高龄患者的手术，所以术前准确全面的风险评估就显得尤为重要。传统的术前评估包括动脉血气分析、常规肺功能、弥散功能、放射性核素扫描等，但并不能完全确定所有高危患者，最重要的是这些检查可能会漏掉有明显心血管疾病的患者。另一方面，一些高龄或肺功能差的患者，根据传统术前评估方法认为是禁忌手术，CPET则可能从中筛选出可以耐受手术者。对拟行标准肺切除术的肺癌患者进行手术风险分级，最大氧耗量为15～20 ml·kg-1·min-1的患者一般能耐受手术，病死率和心肺并发症发生率较低；10～15 ml·kg-1·min-1的患者围术期心肺并发症增多；而<10 ml·kg-1·min-1的患者术后死亡和心肺并发症风险非常高，建议对这类肺癌患者进行非标准手术或采取非手术治疗方法。然而由于未考虑到年龄、身高等因素的影响，临床应用时应该注意。

近年来，一些其他CPET指标如VE/VCO2、OUEP、氧脉搏等也被认为是预测术后风险的良好指标，但预测手术风险的最佳指标和可耐受手术的最低临界值等还需要进一步的深入研究和探索。Older等[26]经过对大型腹部手术的老年患者的CPET进行回顾性分析，证明无氧阈值对确定术后心血管系统并发症发病率至关重要，无氧阈<11 ml·kg-1·min-1的患者(占总体30%)术后心血管并发症的病死率为18%；而无氧阈>11 ml·kg-1·min-1的患者术后心血管并发症的病死率仅为0.8%；尤其是心电图显示有明显心肌缺血征象合并无氧阈<11 ml·kg-1·min-1者，其病死率高达42%。Hightower等[27]初步应用小样本食管癌开胸手术患者研究围术期心血管事件危险性，发现CPET的某些指标优于美国麻醉学家协会功能分级等现有的方法和指标，而成为较佳的危险评估指标。

3.7 劳动能力丧失的客观定量评估 临床上的多数功能检查都是针对患者的静息状态，特别是当患者的症状或主观运动能力与静息功能检测结果有差异时，就只有依赖CPET对其运动能力进行评估。目前，CPET是公认的评估运动耐力的金标准，是劳动能力丧失的客观定量评估的最有价值的功能检查[5]。

3.8 确认正常人群功能状态正常与异常，健康及亚健康管理，实现“零级预防”以及运动员管理[5]目前，医学对健康的认识已经不仅局限于血生化指标、影像学检查等无异常，对亚健康的评估和及时干预逐渐受到重视。人体亚健康应排除器质性病变，疲乏无力、食欲不振等临床表现多与心肺功能状态下降有关，常规实验室检查难以发现其异常，而CPET是整体上客观评估机体功能状态的重要工具。CPET不仅可以评估亚健康人群的心肺功能，还能发现潜在的病理生理改变，是亚健康和健康预防评估的重要工具。此外，CPET还可以用于运动员分级、训练评估与管理等，而且通过CPET可以协助诊断运动性哮喘，并为运动性哮喘患者提供最佳的运动处方。

4 小结

CPET作为一种客观、定量、无创、可同时检测心肺代谢等多系统的整体功能状态的方法，正被越来越广泛地应用于临床医学的诊断、评价、治疗、预后估计及慢性病预防和健康管理中。同时，CPET的临床应用和正确解读需要广大临床医师具备人体整体整合生理学医学新理论。

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