心肺运动试验在心力衰竭患者中的应用及进展

罗新林，徐 验

（中国医学科学院阜外医院深圳医院心内科，广东深圳 518000）

提要：心肺运动试验是目前广泛应用的一种无创检查方法，可通过对运动状态下外呼吸与内呼吸的异常，来评估肺、心血管、骨骼肌的一种无创方法，是目前评估运动耐量的“金标准”，在心力衰竭领域得到了可靠的科学证据支持，现综述心肺运动试验在心力衰竭患者中的应用及进展。

心力衰竭（心衰）是各种心脏疾病的终末期阶段，患病率和病死率均高。心肺运动试验（cardiopulmonary exer⁃cise testing，CPET）是指通过对运动状态下外呼吸（肺与血液氧气、二氧化碳交换）与内呼吸（毛细血管与周围肌肉组织进行氧气与二氧化碳交换）的异常，来评估肺、心血管、骨骼肌的一种无创方法，从而量化心肺储备功能和运动耐量，是目前评估运动耐量的“金标准”。心衰患者存在运动能力下降和通气受损，随着对CPET 的认知和实践的逐渐深入，目前CPET 在心衰的诊断及鉴别诊断、危险分层、治疗效果及预后并指导优化治疗方案以及心衰相关研究领域中的价值越来越大，本文就CPET 在心衰的应用及研究进展做一综述。

1 心肺运动试验应用于心力衰竭的发展史

在20世纪70 年代，CPET开始用于评估慢性心衰患者［1］；80 年代初，Weber 等［2］提出在慢性心衰患者中使用峰值摄氧量（Peak VO2）进行危险分层；1991 年Mancini 等［3］指出在晚期心衰患者应用峰值摄氧量可将1 年心血管死亡风险分层。在2000 年前CPET 应用于心衰患者中仅关注单一参数，但近20 年随着CPET 衍生变量在病理生理学、临床预后的进展，目前其与运动有创血流动力学和负荷超声心动图相结合，促进精准治疗。

2 心肺运动试验对心力衰竭严重程度及预后的评估

通过CPET 的气体交换分析，可获得对参与运动的各个器官的异常生理反应，使临床医生能够仔细鉴别呼吸困难和疲劳的原因，确定治疗的目标［4-5］。CPET 提供了3 个呼吸气体交换指标：摄氧量（VO2）、二氧化碳排出量（VCO2）和通气量（VE）。峰值摄氧量降低和CPET 其他的主要变量包括氧脉搏（VO2/HR）降低、无氧阈（anaerobic threshold，AT）降低和二氧化碳通气当量（ventilatory equiva⁃lent for CO2，VE/VCO2）斜率升高、运动振荡通气（exercise oscillatory ventilation，EOV）等是射血分数降低心衰（HFrEF）患者发生不良事件的强预测因子，结合运动时的血流动力学和心电图数据，以及运动后心率恢复和运动试验终止的主观原因，可为心衰患者提供预后判断，以及需要晚期心衰治疗（如左心室辅助装置或心衰移植等）的有力预测因子。其中射血分数降低心衰患者的CPET 数据判读意义等同于射血分数保留心衰（HFpEF）患者。

2.1 摄氧量

2.1.1 峰值摄氧量 CPET 受试者在测量期间竭尽全力，循环和呼吸系统发挥最大作用时所能摄取的氧量即峰值摄氧量，峰值摄氧量=最大心率×最大每搏输出量×外周组织摄氧量，是反映心肺运动功能最客观的指标。Weber 等使用峰值摄氧量对射血分数降低心衰患者进行里程碑式的心功能分级（见表1）。Weber 心功能由A 级到D 级，无心脏移植和左心室辅助装置植入的3 年生存率分别为97%、93%、83%和64%［6］。Mancini 等［7］指出慢性心衰患者中1年生存率：峰值摄氧量＜10 mL·kg-1min-1仅30%；峰值摄氧量＜14 mL·kg-1min-1为47%，显著低于心脏移植后的70%；而峰值摄氧量＞14 mL·kg-1min-1可高达94%，提示这组患者可以安全地推迟心脏移植。因此，2016 年国际心肺移植协会指南中，峰值摄氧量成为心脏移植患者唯一量化的标准［8］。hf-ACTION 研究提示峰值摄氧量、预测峰值摄氧量百分比和运动持续时间对于射血分数降低心衰患者病死率的预测能力最强［9］。值得注意的是，当低峰值摄氧量（≤10 mL·kg-1min-1）时，只有达到峰值呼吸交换率（RER）≥1.15 的慢性心衰患者才有真正不良后果［10］。峰值摄氧量也是射血分数保留心衰患者病死率的重要预测因素［11-12］。

峰值摄氧量还受其他非心脏因素的影响，常见有：（1）超重或肥胖，峰值摄氧量＜19 mL·kg-1min-1在预测肥胖［体质量指数（BMI）＞30 kg/m2］射血分数降低心衰患者的无移植存活率优于峰值摄氧量＜14 mL·kg-1min-1［13］。但肥胖悖论只在晚期收缩期心衰患者中观察到［14］；（2）性别，男性的血红蛋白浓度更高，肌肉质量和每搏排血量更大，因此男性的峰值摄氧量比同龄女性高10%到20%［15］；（3）β受体阻断药，β受体阻断药可提高心衰患者峰值摄氧量，对耐受β受体阻断药治疗的射血分数降低心衰患者，指南推荐使用较低的峰值摄氧量（＜12 mL·kg-1min-1）来指导是否需要心脏移植［16］；（4）年龄，随着年龄的增加，最大心率、每搏排血量、骨骼肌血流量和骨骼肌摄氧能力降低，峰值摄氧量在30岁后平均每10年下降10%。峰值摄氧量的降低和VE/VCO2斜率的增加均与年龄有关［17］。

表1 慢性心衰患者心功能Weber 分级（mL·kg-1min-1）

2.1.2 无氧阈 AT 又称为通气阈值，定义为在运动过程中可获得的不会发生乳酸酸中毒即人体还未发生无氧代谢的最高摄氧量。AT 值越高，有氧工作能力越强。AT 通常是间接从摄氧量、二氧化碳排出量和通气量数据中获得，也可以直接测量血乳酸浓度得出。在健康受试者中，VT 通常出现在峰值摄氧量的40%到60%之间，可在慢性心衰患者次极量运动时提供有价值的信息（见表1）。

2.2 二氧化碳通气当量

VE/VCO2是心衰患者不良事件的有力预测因子［18］。VE/VCO2=863/（［1-VD/VT］×PaCO2）［19］，其中VD 为生理死腔，VT 为潮气量，PaCO2为动脉二氧化碳分压。肺水肿时通气增加导致动脉二氧化碳分压降低，而右心功能不全引起肺低灌注导致通气与血流失调加重、死腔升高，导致VE/VCO2斜率升高。VE/VCO2斜率可识别高风险心衰患者（见表2）。在射血分数保留心衰患者中，VD/VT 升高是导致VE/VCO2斜率升高的主要原因［20］，VE/VCO2斜率能够预测射血分数保留心衰患者预后［21］。VE/VCO2斜率预测值的百分比增强了VE/VCO2对严重心衰患者的预测能力，可以提高对高危心衰患者的识别能力［22］。

表2 VE/VCO2斜率分级

2.3 运动振荡通气

运动中呼吸呈缓慢、显著、一致（而非随机）的周期性波动，当超过60%的运动持续时间，且与休息时的通气值相比变化大于15%，称为EOV。EOV 反映了通气不稳定，与循环延迟、外周化学感受器敏感性增强、肺淤血等有关。动脉二氧化碳分压和动脉氧气分压的周期性变化是EOV 的标志，还可见于氧脉搏、摄氧量、二氧化碳排出量、VE/VCO2斜率、呼吸交换率等变量。EOV 是心衰的严重程度和不良预后的标志［23-24］，而EOV 的周长与患者心脏储备相关［25］。

2.4 摄氧效率斜率

摄氧效率斜率（oxygenuptake efficiency slope，OUES）即整个递增负荷运动期间摄氧量和通气量之间的对数拟合曲线，其纵坐标是摄氧量，横坐标是lg VE，是一种评价心肺功能储备功能的指标［26］。OUES 是CPET 次极量参数，具有高重复性和显著性预后，OUES 值越高，心肺功能越好，是心衰生存率的预测指标。有研究显示OUES 可评估不能进行最大运动试验的终末期心衰患者的预后［27］。OUES 是区分慢性阻塞性肺疾病（COPD）和射血分数降低心衰的最强变量［28］。

3 心肺运动试验联合其他检查

侵入性CPET 和CPET 成像的引入扩展了病理生理学和临床信息，提供了全身和肺血流动力学的新见解，以及心脏、瓣膜形态和功能数据的直接知识。

3.1 侵入性心肺运动试验（iCPET）

CPET 结合使用桡动脉和肺动脉导管的血流动力学监测，能够更好地描述运动受限的血流动力学原因，自20 世纪80 年代初在实验室开始使用。由于心排血量和外周氧弥散功能受损是心脏异常功能反映的主要决定因素，测量运动时的肺血流动力学，尤其是肺动脉压（PAP）和肺动脉楔压（PAWP），相较于静息时具有更多的预后价值［29］，可独立预测射血分数保留心衰［30］和射血分数降低心衰［31］的预后。在射血分数降低心衰患者中，峰值每搏做功指数（平均动脉压与每搏做功量的乘积）是1 年生存率的最有力预测因子［32］。

3.2 心肺运动试验成像

除了侵入性CPET，CPET 还可以与无创心脏成像相结合，测量心腔容积和几何形状、瓣膜状态以及收缩和舒张功能，包括左心房功能的评估，将运动生理学与非侵入性心功能记录相结合［33］。在晚期射血分数降低心衰中，可通过CPET 成像评估运动诱发右心室收缩储备［34］。CPET成像在射血分数降低心衰、射血分数保留心衰、二尖瓣关闭不全、肥厚型心肌病等心脏疾病中得到应用。

3.3 其 他

CPET 与受运动快速调节的循环代谢物和microRNA的评估结合，可能提供对运动时急性应激的分子特征，补充CPET 并提供对心衰和其他心血管疾病早期形式的见解［35-36］。

4 心肺运动试验对心力衰竭治疗的评估

目前CPET 可用于评估各种药物干预对心衰心肺功能的改善［37］。改善心衰的药物中，血管紧张素转换酶抑制剂或血管紧张素Ⅱ受体拮抗可显著改善峰值摄氧量［38］。近期上市的心衰药物沙库巴曲缬沙坦能有效降低心血管病死率和心衰住院率，有研究显示其能显著降低心衰患者症状，但对1 年后峰值摄氧量无明显影响［39］，还有新近个案报道显示其升高峰值摄氧量、降低VE/VCO2斜率，从而改善慢性心衰患者的运动耐力［40］。亦有报道伊伐布雷定可改善峰值摄氧量［41］。β受体阻断药显著提高心衰的生存率，有研究显示，选择性β1 受体拮抗剂奈必洛尔对峰值摄氧量没有显示出积极的影响［42］。

CPET 可很好地预测心脏移植患者的预后。有关左心室辅助装置的研究显示其可以改善心衰患者的心排血量和血流动力学。使用CPET 评估运动能力，显示左心室辅助装置植入后VE/VCO2斜率和峰值摄氧量明显改善［43］。

CPET 是目前广泛应用的一种方法学，在心衰领域得到了可靠的科学证据支持，然而在临床和研究领域的全部潜力仍然没有得到充分利用。目前使用CPET 变量来指导心衰继发性病理生理结果的诊断，以及预测未来心衰发生的可能，甚至可以扩展用于评估心衰风险的医疗设备。因此，为了进一步促进CPET 在临床和研究中的应用，我们需要做出更大的努力。