呼气阻力训练和CPAP呼吸模式对健康志愿者血流动力学参数影响

曲斌斌　刘凤娟　陈霞　许亚慧　孙荣丽　徐德祥

[摘要]目的 探讨呼气阻力训练和经面罩持续气道正压通气（CPAP）两种呼吸模式对健康志愿者血流动力学参数的影响及其差别，以指导慢性阻塞性肺疾病（COPD）病人选择合适的呼吸训练方法，减少肺康复训练对血流动力学参数的不良影响。方法 选择30名健康志愿者，每名志愿者先后接受相同数值（0、0.98、1.47 kPa）的定量阻力呼气和CPAP干预，使用无创血流动力学监测系统（NICaS CS）同步测量不同呼吸模式下的血流动力学指标。血流动力学监测的指标包括心率、每搏输出量（SV）、每搏输出量指数（SI）、心排血量（CO）、心脏指数（CI）、心脏动力指数（CPI）、全身外周阻抗（TPR）、全身外周阻抗指数（TPRI）。分别观察相同呼吸模式下不同设置值以及相同设置值下两种呼吸模式对血流动力学参数的影响。结果 应用呼气阻力训练，当设置值由0逐渐增加到1.47 kPa时，心率增快，但差异无统计学意义（P>0.05）;SV、SI、CO、CI和CPI下降，TPR及TPRI升高，差异均有统计学意义（t=-2.61～6.51，P<0.05）。应用CPAP，当设置值由0逐渐增加到1.47 kPa时，心率减慢，差异有统计学意义（t=6.07，P<0.05）;CO、CI、CPI下降，TPR及TPRI升高，差异均有统计学意义（t=-3.79～3.35，P<0.05）;而SV和SI的变化无统计学意义（P>0.05）。设置值同为1.47 kPa时，呼气阻力训练心率增快，CPAP心率减慢，两者差异有统计学意义（t=8.11，P<0.05）;CPAP的SV和SI高于呼气阻力训练，差异有统计学意义（t=-4.36、-4.08，P<0.05）;两种呼吸模式的CO、CI、CPI、TPR及TPRI比较差异均无统计學意义（P>0.05）。结论 气道压力变化影响健康志愿者的血流动力学参数。1.47 kPa的CPAP与阻力呼气模式相比，CPAP减慢心率，增加SV;阻力呼气模式加快心率，降低SV。COPD病人在进行肺康复治疗时，选择CPAP模式代替呼气阻力训练，有可能减少气道正压对血流动力学参数的不良影响;连续血流动力学监测有助于优化通气模式与参数。

[关键词] 肺疾病，慢性阻塞性;呼吸疗法;呼气;连续气道正压通气;血流动力学

[中图分类号] R563.9;R332.3[文献标志码] A[文章编号] 2096-5532（2020）04-0422-05

doi：10.11712/jms.2096-5532.2020.56.062

[网络出版] http：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1517.R.20200407.0933.006.html;2020-04-07 14：59

EFFECT OF EXHALATION RESISTANCE TRAINING VERSUS CONTINUOUS POSITIVE AIRWAY PRESSURE VENTILATION ON THE HEMODYNAMIC PARAMETERS OF HEALTHY VOLUNTEERS

QU Binbin， LIU Fengjuan， CHEN Xia， XU Yahui， SUN Rongli， XU Dexiang

（Department of Respiratory Medicine， Affiliated Central Hospital of Qingdao University， Qingdao 266042， China）

[ABSTRACT]Objective To investigate the effect of exhalation resistance training versus continuous positive airway pressure （CPAP） ventilation on the hemodynamic parameters of healthy volunteers， and to guide the selection of appropriate breathing training method for patients with chronic obstructive pulmonary disease （COPD） and reduce the adverse effect of pulmonary rehabilitation training on hemodynamic parameters.Methods A total of 30 healthy volunteers were selected， and each volunteer received quantitative exhalation resistance training and CPAP ventilation at different pressures （0， 0.98， and 1.47 kPa）. The non-invasive cardiac system-cardiac surveyor （NICaS CS） was used for simultaneous measurement of hemodynamic parameters in diffe-rent ventilation modes. Hemodynamic monitoring included the parameters of heart rate， stroke volume （SV）， stroke index （SI）， cardiac output （CO）， cardiac index （CI）， cardiac power index （CPI）， total peripheral resistance （TPR）， and total peripheral resistance index （TPRI）， which were used to observe the effect of different settings of the same ventilation mode and the two ventilation modes with the same setting on hemodynamic parameters. Results When quantitative exhalation resistance training was applied， heart rate increased rapidly when the setting value gradually increased from 0 to 1.47 kPa （P>0.05）， while there were significant reductions in SV， SI， CO， CI， and CPI and significant increases in TPR and TPRI （t=-2.61 to 6.51，P<0.05）. When CPAP was applied， heart rate significantly decreased when the setting value gradually increased from 0 to 1.47 kPa （t=-6.07，P<0.05）， and there were significant reductions in CO， CI， and CPI and significant increases in TPR and TPRI （t=-3.79 to 3.35，P<0.05）， while there were no significant changes in SV and SI （P>0.05）. When the setting value was 1.47 kPa， there was a significant increase heart rate in quantitative exhalation resistance training and a significant reduction in heart rate in CPAP ventilation， with a significant difference between them （t=8.11，P<0.05）; SV and SI during CPAP ventilation were significantly higher than those during exhalation resistance training （t=-4.36，-4.08;P<0.05）; there were no significant differences in CO， CI， CPI， TPR， and TPRI between the two ventilation modes （P>0.05）.Conclusion The change in airway pressure affects the hemodynamic parameters of healthy volunteers. At the setting value of 1.47 kPa， CPAP can reduce heart rate and increase SV compared with exhalation resistance training， while exhalation resistance training can increase heart rate and reduce SV. During the pulmonary rehabilitation training for COPD patients， CPAP， instead of quantitative exhalation resistance training， may reduce the adverse effect of positive airway pressure on hemodynamic parameters. Continuous hemodynamic monitoring may help to optimize ventilation modes and parameters.

[KEY WORDS] pulmonary disease， chronic obstructive; respiratory therapy; exhalation; continuous positive airway pressure; hemodynamics

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种以持续气流受限，尤其是小气道阻力增加为特征的疾病，病情呈缓慢进行性发展，严重影响病人的劳动能力和生活质量[1-2]。COPD病人由于肺气肿、肺容量增加等因素导致膈肌下移、收缩效率减弱，往往要动员辅助呼吸肌参与呼吸过程，增加了耗氧量，容易诱发呼吸肌疲劳甚至呼吸衰竭[3-4]。因此，减轻气道阻塞和呼吸肌疲劳是COPD病人肺康复治疗中的重要环节。肺康复治疗主要目标为增强呼吸肌的力量和耐力，改善肺功能障碍。而定量阻力呼气和持续气道正压通气（CPAP）均能增加病人呼吸运动时的呼气阻力，增强呼吸肌的力量，可用于COPD病人肺康复的治疗[5]，帮助病人缓解症状，提高运动耐力[6]。然而，定量阻力呼气和CPAP产生呼气阻力的方式却存在明显差异，这种差异极有可能影响到COPD病人的心排血量（CO）与组织灌注，进而影响病人的器官功能与康复效果，因此有必要深入探讨不同呼吸模式对血流动力学参数的影响。因COPD病人影响血流动力学参数的因素太多，很难在COPD病人中研究不同呼吸模式对血流动力学参数影响的机制，因此可首先在健康志愿者中探索不同呼吸模式对血流动力学参数的影响。本研究对健康志愿者先后予以定量阻力呼气和CPAP的方式产生呼气阻力，两种通气模式的干预顺序随机产生，设置的数值与暴露时间相同，应用全身电阻抗的方法监测病人血流动力学参数的变化，并探讨可能的机制，进而为COPD病人制订个体化的肺康复方案提供依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

招募30名健康志愿者作为研究对象，男女各15名，年龄（26.27±4.48）岁，体质量指数（BMI）为（22.76±3.28）kg/m2，血压（15.27±1.64）/（9.41±1.25）kPa。纳入标准：年龄在20～39岁之间，试验前1周有稳定的睡眠及稳定规律的日常工作与活动，近3个月内无轮班工作。排除标准：BMI超过30 kg/m2，急性或（和）慢性心肺疾病，每天吸烟超过10支，慢性乙醇中毒，孕妇或哺乳期女性，有任何形式的睡眠呼吸障碍。试验程序按照《赫尔辛基宣言》（2000年）执行。本研究获得了当地人類研究伦理委员会的批准，所有参与研究者均知情同意。

1.2 试验方法

每名志愿者均先后接受定量阻力呼气和CPAP干预，前者采用智能呼吸耐力训练仪（XEEK赛客医疗器械有限公司），后者采用Flexo系列双水平呼吸治疗仪（Bi-Level CPAP）。定量阻力呼气的阻力和CPAP的压力均为0、0.98、1.47 kPa，每个压力参数的持续时间为5 min。使用无创血流动力学监测系统（NICaS CS，以色列NIMedical），采用电阻抗法同步测量不同呼吸模式下的血流动力学指标。血流动力学监测的指标包括心率、每搏输出量（SV）、每搏输出量指数（SI）、CO、心脏指数（CI）、心脏动力指数（CPI）、全身外周阻抗（TPR）以及全身外周阻抗指数（TPRI）等。分别观察相同呼吸模式下不同设置值对血流动力学参数的影响，以及相同设置值下两种呼吸模式对血流动力学参数的影响。

1.3 统计学分析

采用SPSS 24软件进行数据的统计分析。所得数据以[AKx-D]±s表示，组间比较采用配对t检验。

2 结果

2.1 呼气阻力训练对血流动力学参数的影响

应用呼气阻力训练，当设置值由0逐渐增加到1.47 kPa时，心率增快，但差异无统计学意义（P>0.05）;SV、SI、CO、CI和CPI下降，TPR及TPRI升高，差异均有统计学意义（t=-2.61～6.51，P<0.05）。见表1。

2.2 CPAP对血流动力学参数的影响

应用CPAP，当设置值由0逐渐增到1.47 kPa时，心率减慢，差异有显著意义（t=6.07，P<0.05）;CO、CI、CPI下降，TPR及TPRI升高，差异均有显著性（t=-3.79～3.35，P<0.05）;而SV和SI的变化差异无显著性（P>0.05）。见表2。

2.3 两种呼吸模式对血流动力学参数影响的比较

设置值同为1.47 kPa时，呼气阻力训练心率增快，CPAP心率减慢，两者差异有统计学意义（t=8.11，P<0.05）;CPAP的SV和SI高于呼气阻力训练，差异具有统计学意义（t=-4.36、-4.08，P<0.05）;两种呼吸模式的CO、CI、CPI、TPR及TPRI比较差异均无统计学意义（P>0.05）。见表3。

3 讨论

COPD的肺康复方案主要是以运动疗法为主的综合方案，呼吸训练在运动疗法中占有举足轻重的地位[7-8]。

定量阻力呼气和CPAP均在呼气相产生气道正压，增加了呼气时呼吸肌的阻力，从而起到锻炼呼吸肌功能的作用[9-12]。理论上气道正压会传导至胸腔影响肺循环阻力、心脏与大血管的跨壁压以及肺泡功能残气量等[13-16]，引起通气血流重分布，进而对血流动力学参数与气血交换产生影响，最终导致组织灌注的变化，这种变化再通过多种途径影响病人多器官的功能以及预后[17]。然而同为气道正压，由定量阻力呼气和CPAP导致的血流动力学参数变化又不尽相同，这种差异极有可能影响COPD病人的组织灌注，最终影响COPD病人的器官功能与康复效果。

本文研究结果显示，应用呼气阻力训练，当设置值由0逐渐增加到1.47 kPa时，出现心率增快，SV、SI、CO、CI和CPI下降，TPR及TPRI升高。志愿者在定量阻力呼气的背景下进行呼吸运动时，胸腔内压力与气道内压力均出现连续的动态变化，设置的呼气阻力只是气道口鼻端的最大阻力，而真实的气道压受人体胸腔内压、自主呼吸气流与呼气阻力设置值等多重影响。当志愿者刚开始发动呼气时，胸腔内压与气道内压力均小于呼气阻力的设置值，气道内无气流出现;随着呼气运动的进行，胸腔内压不断升高并传导至气道使气道内压升高，当气道内压大于阻力呼气的设置值时产生气流;随着呼气运动的继续进行，胸腔内压逐渐下降，导致气道正压小于阻力呼气的设置值，气道内的气流停止。因此在定量阻力呼气模式下，气道正压伴随胸腔内压的变化出现实时波动，且气道正压值小于定量阻力呼气的设置值。阻力呼气模式下气道正压的出现理论上可以引起肺泡内压力升高，但该压力只存在于呼气时相内，此时胸腔内压的升高抵消了肺泡内压升高对肺泡的扩张作用，因此阻力呼气模式对肺泡体积的影响较小。

气道正压对血流动力学参数影响可能的机制：①气道正压升高时，总肺循环阻力升高，进而导致左心房回流减少[18]，SV、CO、CI下降;②气道正压升高时，胸腔内压升高，心脏收缩期跨室壁压增加[19]，导致心脏后负荷下降，SV、CO、CI升高;③由阻力呼气引起的气道压力动态周期变化，可以引起交感神经兴奋性增加[20]，一方面增加心肌收缩力[21]，引起CO升高;另一方面通过收缩微循环动脉端平滑肌，引起体循环阻力上升，导致TPR及TPRI升高。而最终的组织灌注变化取决于上述变化的综合效果。本研究观察到，对志愿者进行定量阻力呼气的最终效果是心率增快、SV和CO下降，说明志愿者的心脏做功增加而组织灌注量反而下降，这种情形显然不利于已经存在心脏基础病变的COPD病人。

本研究结果还显示，应用CPAP，当压力由0逐渐增加到1.47 kPa时，心率减慢，CO、CI、CPI下降，TPR及TPRI升高，而SV和SI无显著变化。理论上讲，CPAP时志愿者的气道口鼻侧压强维持恒定的升高状态，志愿者在呼气相需要更大的胸内压对抗气道内压才能产生气流，起到锻炼呼吸肌的作用。单纯从呼气相气道正压的角度看，定量阻力呼气应该与CPAP具有相似的生理学效果，但是在试验中二者却出现了不同的血流动力学参数变化。当设置值小于1.47 kPa时，两种呼吸模式均未出现对血流动力学参数的明显影响;当设置值为1.47 kPa时，阻力呼气模式下心率增快并SV降低，而CPAP模式下心率下降同时CO增加。而二者真正的不同是，定量阻力呼气模式下，病人胸腔内压始终处于动态波动之中;而CPAP模式下，无论人体的自主呼吸气流与胸腔内压如何，机械通气均能通过不断调整送气流量在呼气相产生恒定的气道正压与恒定的呼气阻力，且两者具有相同的数值。同时，定量阻力呼气对各个呼吸时相的肺泡体积影响很小，对肺循环的影响仅存在于呼气相，导致呼气相左心房回流减少;而CPAP可以增加呼气末的肺泡体积，增加功能残气量，进而影响各个呼吸时相的肺循环阻力，吸气相肺循环阻力降低，呼气相肺循环阻力升高，综合效应对于左心回流量的影响较小。可见在CPAP模式下，志愿者心率下降的原因是肺牽张反射，SV升高是由肺循环阻力、左心房回流量、心肌收缩力及外周血管阻力等因素综合决定的[22]，但最终效果是CPAP模式起到了降低心脏做功与增加SV的作用，使心脏储备功能增加。对于合并基础心脏疾病的COPD病人来说，在进行呼气训练时，CPAP模式有望减少对血流动力学参数的不良影响。

在肺康复临床实践中，医师更多关注的是呼气阻力训练对呼吸肌肌力的锻炼，而容易忽视呼气阻力的不同设置方法对组织灌注的影响。肌肉组织锻炼的获益与组织灌注量有密切关系，是运动处方参考的重要指标[23]。合理的运动处方应该使目标肌群实现有氧训练，即处方运动量小于达到无氧阈值的运动量[24]。针对COPD病人，经常遇到使用呼气阻力训练与CPAP的情况，从两者对CO和心脏做功影响的角度看，0.98～1.47 kPa的高CPAP有助于降低心率、增加CO，有利于在阻抗训练中增加呼吸肌群的灌注，提高无氧阈值，增强康复效果，而相同数值的定量阻力呼气，增加心脏做功，减少组织灌注，有可能对器官功能产生不良影响。本文研究结果为COPD病人进行肺康复方案的设计提供了血流动力学依据。

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（本文编辑 马伟平）

[收稿日期]2019-08-05; [修订日期]2020-02-29

[基金项目]山东省科技发展计劃项目（2014WS0017）

[第一作者]曲斌斌（1984-），男，硕士，主治医师。

[通信作者]徐德祥（1977-），男，硕士，副主任医师。E-mail：dexiangxu2008@126.com。