心肺运动试验在心血管疾病中的应用价值

李彦玮，王曦

（重庆医科大学附属第一医院，重庆）

0 引言

心肺运动试验（cardiopulmonary exercise testing，CPET）是一种监测在静息下、运动时以及恢复期每次呼吸的摄氧量( VO2 ) 、二氧化碳排出量 ( VCO2) 、心电图、血压以及心率等指标的变化，结合患者运动前后的临床症状，客观、无创地评估心肺储备功能及运动耐力的检测方法。CPET 是目前唯一能够一次测定整体多系统功能状态的临床检测技术[1]，在心脏病及呼吸系统疾病诊断、疾病危险分层及预后、心脏康复指导、围手术期评估、治疗疗效评价等方面有着广阔的应用前景。

1 CPET 的主要测定指标及生理学意义

1.1 VO2max 和 峰 值 摄 氧 量（ peak oxygen uptake，peakVO2）

VO2max 是在递增运动试验中，受试者在运动最后阶段，竭尽全力，呼吸及循环系统达到极限时每分钟所能摄取的氧含量。此时功率递增，VO2 不再增加而出现一个平台，这时候的VO2叫VO2max。但并非所有人能尽最大努力达到此平台，故临床上常用peakVO2 来替代VO2max。临床上采用VO2max 的实测值与预测值的百分比来表示，一般正常值应大于预测值的86%[2]。peakVO2，特别是预测的百分比，是客观评价心脏病患者功能受限的黄金标准[3]，也是常用的预后标志。

1.2 无氧阈（anaerobic threshold，AT）

人体在增量运动过程的起始，能量消耗由有氧代谢供应，当无氧代谢参与供能，即动脉血中乳酸开始生成时，此转折点称为无氧阈。AT 正常值大于peakVO2 的40%以上[2]。AT 反映肌肉线粒体利用氧的能力，不受患者主观因素的影响，通常用于制定个体运动处方中运动的强度，结合VO2max 可识别疾病的严重程度，预测最大心排出量，评估心功能损害程度。但是在运动耐受严重降低的患者，如严重的晚期心力衰竭患者中，往往无法测得具体的AT，提示预后不良，临床中需要重视[4]。

1.3 氧脉搏（oxygen pulse）

氧脉搏是VO2 与心率的比值，反映心脏每一搏动的氧输送量，代表心脏每次射血的供氧能力， 相当于心脏每搏量（Stroke Volume ，SV）与动脉-混合静脉血氧含量差 （ C（ a-v）O2）的乘积。在增量运动中，在运动的初始和中间阶段，SV 对心输出量的作用占主导地位，因此，氧脉搏-功率的坐标图具有典型的双曲线特征，即低功率运动时氧脉搏快速增加，功率逐渐增加，氧脉搏增加缓慢接近一渐近值。冠心病患者在增量运动中诱发出心肌缺血时，氧脉搏-功率及VO2-功率曲线可以变得低平甚至下降[5]。

1.4 摄氧量与功率斜率（oxygen uptake related to work rate ΔVO2/ΔWR）

ΔVO2/ΔWR 是每增加单位功率所需增加的VO2，表示VO2增加与功率增加的关系，是CPET 定量运动强度的指标，正常的 ΔVO2/ΔWR 是8.5～11mL·min-1·w-1[6]。循环系统疾病的大部分患者ΔVO2/ΔWR 降低[7]。

1.5 二氧化碳通气当量（ventilatory equivalent for CO2，EQCO2，VE/VCO2）

VE/VCO2 是指体内排出1L 二氧化碳所需要的通气量（VE）。CPET 中常用VE/VCO2 斜率来表示运动时的通气反应，其斜率与通气效率成负相关，其值一般＜30，随着年龄的增加，VE/VCO2 斜率呈递增趋势[8]。慢性心力衰竭患者的VE/VCO2 斜率是升高的，随着疾病严重程度的增加，其值逐渐升高[9-10]。

1.6 震荡呼吸模式（exercise oscillatory ventilation，EOV)

目前尚无通用定义，常被定义为静息状态时震荡模式持续存在，运动状态时≥60%出现震荡模式，且震荡幅度≥静息时平均值的 15%。推荐使用 10s 平均 VE 数据进行绘图 ，反映心力衰竭患者疾病严重程度和预后，在任何情况下，EOV 的出现都提示运动中异常的通气反应[11]。

1.7 摄氧效率斜率（oxygen uptake efficiency slope，OUES）

1996 年Baba 等人[12]首次提出了吸氧效率斜率(OUES)，并在心力衰竭患者中进行了广泛的评估。OUES 是由VO2(y 轴)和VE(x 轴)的对数变换之间的关系得到的，VE 的对数变换使得与VO2 有高度的相关性，与峰值VO2 不同，OUES 不需要受试者达到最大运动，如果从75%、90% 或100% 的运动时间中得出的OUES 值，差异小于2%，因此OUES 不受主观因素的影响[13]。与非心衰患者相比，心衰患者的OUES 值明显降低[14]。

1.8 运动通气功率(exercise ventilatory power，EVP)

Forman 等人[15]提出了一种新的通气指数，称为运动通气功率(EVP)，其定义为峰值收缩压与VE/VCO2 斜率之比，≤/＞3.5 mm Hg 作为预测心衰患者预后的阈值，高于此阈值的受试者预后较好。

1.9 循环功率（Circulatory Power，CP）

2001 年S. G. Williams 等人[16]提出心功率（cardiac power）的概念，心功率是心输出量和平均动脉血压的乘积，用来描述心脏产生的血流和周围灌注压力之间的关系。同时表现出低峰值VO2和低心功率的心力衰竭患者的预后更差，相比峰值VO2，峰值心功率为更好的预后指标。峰值心输出功率峰值＜1·96 瓦，提示患者预后更差。但心功率因其有创侵入性，故在临床应用受到一定限制。2002 年Cohen-Solal 等人提出循环功率的概念，用峰值VO2代替心输出量，用收缩压代替平均动脉血压，即CP 等于峰值VO2和收缩压的乘积，是一种非侵袭性的评估手段，在CPET 中，峰值CP 是HFrEF 中不良预后的最佳预测因子[17]。

2 CPET 在心血管疾病中的应用

2.1 CPET 在心力衰竭中的应用

2.1.1 心功能评定

NYHA 心功能分级需要医患双方共同评估症状，具有很强的主观性，很多时候不能客观地反映患者的心功能情况。1982 年Weber KT 等[18]首次以峰值VO2/kg 将心功能分为4 级，即A 级＞20 mL/( kg·min) ； B 级： 16 ～ 20 mL/( kg·min) ； C 级： 10 ～ 15.9 mL/( kg·min) ； D 级＜10 mL/( kg·min) 。因peakVO2 影响因素较多，相比CPET 其他指标，VE /VCO2 与心衰更具关联性， Arena 等[19]通过VE /VCO2 将心力衰竭分为4 级： 即Ⅰ级≤29.9； Ⅱ级： 30 .0 ～ 35.9 ； Ⅲ级：36.0～44.9； Ⅳ级≥45.0 。可见CPET 通过定量数据，客观地将心功能分类，是心衰患者心功能分级的金标准。

2.1.2 预后评估

对于射血分数降低的心力衰竭( heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)，peakVO2 明显降低，VE/VCO2 斜率升高[20]。Corrà U[21]等联合peakVO2 和 VE/VCO2 对 HFrEF 患者预后进行评估， peakVO2 ≤10 mL/( kg·min) 或 VE/VCO2 斜 率≥35，都具有显著的心血管不良事件。Van Laethem C 等[14]对45 例晚期心力衰竭患者(A 组) 和35 例心功能正常的缺血性心脏病患者(B 组) 进行了CPET，结果显示A 组的OUES 值明显降低(P＜0.02)，且OUES 与peakVO2 显 著 相 关(r=0.781，P＜.01)。Guazzi M 等人[22]发现，选择性肺血管扩张剂-西地那非能够降低6 个月时87%心衰患者的EOV，1 年时93%患者的EOV。因此，EOV 似乎是一种重要的CPET 测量方法，可提供关键的预后信息，并可能对心衰患者的治疗干预有反应。

对于射血分数保留性心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)，Takamasa Sato 等[23]对1190 例HFpEF的患者研究发现，peakVO2 是心脏不良事件的唯一预测因子，peakVO2 和EOV 是心源性死亡和全因死亡的预测因子。Nadruz W Jr 等[24]在973 名HFpEF 的 患 者 中，发 现peakVO2 和VE/VCO2 斜率对 HFpEF 预后均具有独立的预测价值，与HFrEF 的患者相比，HFpEF 的患者 peakVO2 和VE/VCO2 斜率与不良预后之间的相关性更大，这些发现支持使用CPET 作为HFpEF 患者预后分层的有力工具。S.H.C. Klaassen 等[25]研究了88 例HFpEF 患者，Cox 回归分析显示，VE/VCO2 斜率的增加与死亡率的增加是独立相关的。Nedeljkovic I，Banovic M 等[26]对87 例存在劳力性呼吸困难 、正常的静息左室收缩和舒张功能的高血压患者进行CPET和运动多普勒超声心动图测试，以峰值E/e’ 将其分为HFpEF组（E/e’＞15）和非HFpEF 组（E/e’＜15），和非HFpEF 组相比，HFpEF 组峰值VO2 、AT、氧脉搏较低，峰值E/e’、VE /VCO2 斜率较高，CPET 和运动多普勒超声心动图联合使用可以极大的提高HFpEF 的患者诊断率。

对于射血分数中间范围心力衰竭（heart failure with midrange ejection fraction，HFmrEF），Takamasa Sato 等[23]对1190 例心力衰竭的患者研究发现，在HFmrEF 中，心脏不良事件的预测因子为peakVO2 和OUES，而心脏死亡和全因死亡的预测因子为peakVO2，但目前 CPET 对HFmrEF 研究较少，需要更多的循证医学证据支持。

2.2 CPET 在冠心病的运用

2.2.1 诊断与筛查

在心肌缺血后的一系列事件中，运动时左心室功能异常先于ST 段压低和心绞痛发作，因此评估冠心病患者CPET 变量可以检测出心肌缺血诱发的左心室功能障碍。随着负荷增加，用力运动时心肌逐渐出现缺氧导致心脏机械功能障碍，超过缺血阈值导致SV 下降，机体为了维持运动骨骼肌的外周灌注，反馈上调交感神经活性，引起心率增快，这种代偿反应可以ΔVO2/ΔWR 斜率的变化作为量化的指标。Chaudhry S 等[27]证明，在有临床症状的非阻塞性或阻塞性冠状动脉疾病患者中，ΔVO2/ΔWR 斜率可作为心功能受损的指标。Bussotti M 等[28]对运动过程中出现明显ST改变的患者进行冠状动脉造影和CPET，研究发现冠状动脉明显异常的患者无氧阈下或缺血阈值下的peakVO2 明显降低，无氧阈下或缺血阈值下的ΔVO2/ΔWR 斜率平坦。Mazaheri R 等[29]对31 例可疑冠心病患者研究发现，峰值VE/VCO2 具有识别运动心肌缺血的预测能力，其诊断阈值为35，冠心病患者峰值VE/VCO2往往更高。Belardinelli R 等[30]对202 例冠心病患者进行研究，发现氧脉搏和ΔVO2/ΔWR 斜率可识别运动诱发的心肌缺血，平板运动试验诊断运动诱发的心肌缺血的敏感性为46%，特异性为66%，而CPET 诊断运动诱发的心肌缺血的敏感性为87%，特异性为74%，提高了诊断心肌缺血的准确性。

2.2.2 冠脉病变严重程度及预后评估

Dejana Popovic 等[31]在活动平板试验（treadmill ，TM）和卧位踏车试验（recumbent ergometry ，RE）上进行的心肺运动测试对预测冠心病严重程度和预后的准确性，研究发现，利用TMCPET 获得的VE/VCO2slope 可用于准确区分冠心病三支血管病变和1-2 支血管病变，VE/VCO2slope 识别三支血管病变最佳阈值为＜/ ≥32，敏感性和特异性的88.9% 和72.0%，与RE 相比，TM-CPET 可诱导更高的代谢需求，使心肌缺血的出现更加明显，可能成为更好的冠心病定量方法。Popovic D 等[32]前瞻性地研究了40 例经冠脉造影确诊的冠心病患者，依据冠脉病变数目分为1-2 支血管病变与3 支血管病变两组，ROC 曲线分析结果显示ΔVCO2 恢复期/峰值显示了最佳的预测能力，ΔVO2 恢复/峰值对心脏事件的复合终点有较高的预测价值。当ΔVCO2 恢复/峰 值≥-0.76L/min 是三支血管病变的最佳阈值，其敏感性和特异性分别为87.5%和70.4%，当ΔVO2 恢复/峰值≥-12.71mL·kg-1·min-1是冠心病患者心脏事件的最佳阈值，其敏感性和特异性分别为91.3%和80.0%。周占林等[33]对68 例不同冠脉狭窄严重程度的患者研究发现：冠状动脉狭窄程度＞50%可能与峰值 VO2、VCO2 、AT、峰值 O2-pulse 有一定的相关性， 冠状动脉狭窄程度＞70%可能与无氧阈时的 VE/VCO2、Peak HR、Peak VD/VT(Est)有一定的相关性。Khan H 等[34]对2089 名年龄在42-61 岁的、居住在社区的男性志愿者进行长达19.1 年的随访，发现峰值VO2 与首次非致死性心肌梗死和随后发生心力衰竭风险之间存在显著的、负相关的、独立的相关性。一项单中心前瞻性研究[35]共纳入12169名冠心病患者，中位随访时间为7.9 年，研究发现峰值VO2 是预测心源性和全因死亡的有力指标，以峰值VO2＜15mL/( kg·min)作为基线值，多元因素分析表明，峰值VO2 在15-22mL/( kg·min)和＞22mL/( kg·min)，心源性死亡分别减少38%和61%，全因死亡率分别减少34% 和52%。峰值VO2 是一个对治疗有反应的变量，与VO2 峰值降低的患者相比，两次检查之间VO2 峰值升高的患者有更低的不良健康和临床结果的风险[36]。

2.3 CPET 在心脏康复中的应用

运动康复是治疗心血管疾病的基石。运动作为一种治疗方式，可以改善患者运动能力、改善血脂状况、降低血压、改善胰岛素抵抗、减少炎症、减少BMI、改善抑郁症、焦虑、提高生活质量、减少住院费用、降低死亡率。各指南中将康复训练作为I 类和IIa类推荐[37-38]。CPET 为心脏康复提供运动能力评估、运动处方制定、康复效果及预后评价。任何心脏康复活动，均以保证患者安全为前提，临床上常以AT 指导安全运动强度的评定[39]。最近的一项大型荟萃分析显示，以运动为基础的心脏康复可以降低心血管死亡率、住院率( 以及相关的医疗费用)，提高生活质量[40]。与每周运动少于150 分钟和每周运动多于150 分钟的患者相比，经常进行至少150 分钟/ 周的适度体育锻炼的患者的左心室舒张功能明显更好，VO2 峰值更高[41]。运动训练可能是治疗微血管性心绞痛的相关策略，最近的一项研究表明，在冠脉造影正常的劳力性心绞痛患者中，运动训练使平均VO2 峰值增加12%，可显著减少可逆缺血心肌灌注缺陷，提高生活质量[42]。一项个体参与者数据（IPD）的系统评价[43]共纳入13 个临床试验的3990 名心力衰竭患者（97% 为HFrEF），结果显示，与不运动组相比，基于运动的心脏康复组在生活质量和运动能力方面明显改善。

3 小结

心肺运动试验通过测定相关指标，客观、定量、系统地评估心肺储备功能和运动耐力，对心肺血管疾病的筛查及诊断、预后评估、运动康复指导等方面具有独特的应用价值，并在临床实践中得到证实，心肺运动试验将在心肺血管领域有更广阔的运用前景。