吸气肌训练在呼吸系统疾病康复中的研究进展

余雪莹 曾丹 李三 黄进 张韶泽 朱黎明

肺康复(pulmonary rehabilitation,PR)是基于患者全面评估的为患者量身定制的个体化综合干预措施,包括但不局限于运动训练、患者教育和行为改变,旨在改善慢性呼吸道疾病患者的身心状况,促进其长期坚持健康行为[1]。包括运动训练、呼吸肌训练、健康宣传教育、营养支持干预、社会心理支持干预、氧疗及无创通气等。

吸气肌训练(inspiratory muscle training,IMT)是呼吸肌训练中最重要的部分,经过训练不仅可以直接提高患者呼吸肌肌力,还可以通过增加呼吸肌的力量和活动度来提高患者运动能力,改善呼吸困难症状,提高生活质量[2]。呼吸系统疾病患者呼吸功能、呼吸肌力量及膈肌活动度均可出现下降,出现呼吸困难、活动受限,同时, 呼吸肌无力与肺炎发生风险增加相关联[3]。因此,通过吸气肌训练改善呼吸肌力量对于呼吸系统疾病患者的康复具有重要作用。本文总结近年来吸气肌训练在呼吸系统疾病中的应用研究,以促进吸气肌训练的实施和发展,使其更广泛和规范地应用于临床。

一、吸气肌训练概述

吸气肌包括膈肌和肋间外肌等与呼吸运动有关的肌肉,许多疾病会导致吸气肌肌力的减退,其机制可能为全身炎症、氧化应激、过度通气、慢性缺氧和营养不良等[4],IMT是指通过在吸气过程中施加阻力来进行针对性地加强吸气肌的训练方式。有研究表明IMT使吸气肌产生适应性的结构改变,表现为Ⅰ型肌肉纤维比例增加38%,Ⅱ型肌肉纤维大小增加21%,Ⅱ型纤维转化为Ⅰ型纤维,导致Ⅰ型纤维比例增加,Ⅰ型纤维的外周血管网比Ⅱ型纤维丰富,可以提高供氧效率,从而使吸气肌肌力和耐力增加[5]。另外,IMT后吸气肌能力的改善会减少运动过程中呼吸肌的血流量和氧气需求,从而减少呼吸肌与周围肌肉在有限氧气供应上的竞争,这可能是其治疗的另一种机制[6]。

膈肌为最主要的吸气肌,康复训练和评估也主要针对膈肌,膈肌肌力可间接通过最大吸气压(maximal inspiratory pressure, MIP/PImax)、最大吸鼻鼻腔压、最大跨膈压及电刺激和磁刺激诱发神经电位变化监测[7],临床上主要使用MIP进行康复效果评估。目前有三种类型的设备可用于IMT:阈值设备、阻力负载设备和自主等碳酸高通气呼吸设备[8],临床上常用的阈值负荷吸气肌训练仪器使用方便,可以居家使用,大大提高患者肺康复的依从性[9]。

二、吸气肌训练在呼吸系统疾病康复中的应用进展

1. 吸气肌训练在慢性阻塞性肺疾病康复中的应用

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD) 以持续性气流受限和呼吸道症状为主要特征,患者常因肺气肿下压膈肌,导致膈肌低平,长期处于机械不利位置,进而导致膈肌萎缩和损伤,出现膈肌功能障碍,而膈肌活动度下降导致慢性缺氧加剧,膈肌运动能力进一步减退,从而引起呼吸困难,甚至出现呼吸衰竭[10]。COPD患者添加IMT计划会改变患者运动期间的浅快呼吸模式,使其变得更深更慢,患者在不增加呼吸困难量感的情况下实现更高的运动通气,改善患者呼吸困难症状及运动耐力[11]。IMT不论是单独应用于慢阻肺还是联合其他肺康复手段均能显示益处,但不同研究中因纳入慢阻肺患者的严重程度及康复处方不同,联合训练对患者的影响及益处可能存在差异。

一些研究认为,IMT联合其他肺康复训练患者受益有限,对运动耐力、生活质量改善影响不显著。Beaumont等对150名重度或极重度COPD患者进行研究,实验组在标准化呼吸康复计划(有氧运动、阻力训练、心理及营养干预等)基础上加入IMT,对比无IMT组,经过4周训练后,虽然IMT组最大吸气压提高更明显[IMT组的PImax变化(+14.8cmH2O)大于对照组(+9.9cmH2O),P=0.04],但两组之间呼吸困难、生活质量和 6MWD 的改善差异不明显[12]。一篇Meta分析纳入59项随机对照试验,其中22项调查肺康复有无联合IMT,另外37项对比单独IMT与无IMT,结果表明不论是单独IMT还是PR联合IMT,患者吸气肌肌力都会提高,并改善了呼吸肌耐力时间,而单独进行IMT的慢阻肺患者生活质量和六分钟步行距离(six minutes walk distance,6MWD)的改善比进行联合训练的患者观察到的差异更明显[13]。

Abedi 等在对中及重度COPD患者进行8周IMT联合有氧运动后,得到了不同的结论,对于改善患者的生活质量方面,IMT联合运动训练比常规方案、单独IMT、单独有氧运动更有效[14],一项双盲、多中心随机对照试验中,将219例伴有吸气肌无力(吸气压小于PImax的60%)的COPD患者分为2组,虽然这里2组都进行了12周的IMT和中高强度的耐力训练,但因为盲法,对照组相当于安慰剂效应,训练强度一直维持在基线PImax的10%,干预组的训练强度最初设定为患者PImax的50%作为初始负荷,然后不断地增加阈值负荷强度,12周PImax在(84±4)%,训练结束后实验组吸气肌肌力和运动耐力均显著改善,PImax提高了42%,骑行耐力时间增加了75秒[15]。Tounsi等对32名中重度COPD患者的研究,实验组IMT强度是以PImax的50%为基础,每两周增加10%。耐力训练计划以每周3天进行30分钟跑步机锻炼,速度为6分钟步行试验(six minutes walk test,6MWT)期间达到的平均速度的60%至80%。8周后发现实验组不止吸气肌力量显著提高(增加37%),还可额外增强COPD患者平衡功能,其机制可能是训练后吸气肌肌力增加直接增强对姿势稳定性的控制能力,也可能是间接通过提高腹内压来促进对躯干的姿势控制[16]。根据上述研究分析,结果的差异可能与纳入的慢阻肺患者病情的严重程度及训练周期有一定的关系,对于中及重度COPD患者IMT联合运动训练的效果大于单独进行IMT。

目前研究表明在其他肺康复训练基础上添加IMT会对COPD患者呼吸困难感知能力及运动能力产生更明显的作用,可以更有效地减轻呼吸困难症状,提高患者吸气肌肌力和耐力,建议COPD患者在疾病早期就开始接受IMT[17],未来仍需要扩大样本数量来研究添加IMT作为治疗方式更多的潜在益处,最适训练周期、强度及方式。

2. 吸气肌训练在支气管哮喘康复中的应用

支气管哮喘是一种以慢性气道炎症和气道高反应性为特征的异质性疾病,以反复咳嗽、喘息、气促、胸闷为主要症状。肺过度通气是哮喘的常见特征,这是由于呼气流量受限,小气道过早关闭,肺顺应性降低以及在末期吸气肌肉活动增加所致[18]。IMT有助于降低哮喘患者静息和活动性呼吸困难、减少用药、降低哮喘的严重程度,成为了哮喘的有效治疗方法之一,不论是以哪一种仪器或方法进行IMT,只要吸气肌承受的压力足够大,IMT的益处就能显现[19],而且不论是对于儿童还是成人,IMT都是可行的。

研究发现,IMT可以改善哮喘患者运动过程中呼吸困难症状及耐力,接受6周压力阈值IMT(以70%最大摄氧量[(maximal oxygen consumption,VO2max)至力竭]的轻度至中度哮喘患者运动期间发生过度通气的程度减低,减少了呼吸做功和通气耗氧量,改善患者运动耐力,减少呼吸困难症状[20]。在另一项单盲试验中,Lage等将38名稳定期哮喘患者随机分为2组,实验组进行IMT8周,每周训练5天,每天6组30次呼吸,阻力设置最小负荷为PImax的50%,对照组只进行健康宣教,研究发现8周后,实验组哮喘患者吸气肌力量和耐力显著提高,耐力测试的持续时间、总功和平均功率方面均较对照组明显提高,表明吸气肌长时间抵抗阻力维持呼吸的能力更好,每次吸气时,能获得更高的吸气量,提高呼吸效率[21]。

哮喘患者进行IMT还可以控制炎症进展,减少急性发作。一项随机对照临床试验募集了64名4至16岁的儿童和青少年,分为3组,其中两组进行正压通气治疗,另一组用阻力负载设备进行呼吸肌训练,测定呼出气一氧化氮分数(FeNO)来表明肺部炎症程度,虽然此研究的目的在于研究持续气道正压通气(CPAP)对于控制哮喘炎症的作用,但呼吸肌训练组在控制哮喘发作上同样有效,训练后呼吸肌训练组在一定程度上减少了炎症[22]。一项Meta分析选取了10篇成人哮喘研究,也发现IMT可减少哮喘的急性症状发作次数,减少扩张支气管急救药物的使用,亚组分析显示,IMT以负荷>50%PImax和持续训练时间>6 周对运动能力改善有益,可以增加呼吸肌耐力,减少劳力性呼吸困难,整个过程对患者没有产生不良影响[23]。因此,可以进行更长时间的随访来观察IMT对于控制哮喘炎症进展的持续有效性。

目前,吸气肌训练对哮喘的研究仍然有限,IMT在哮喘康复治疗的研究大多局限于轻中度患者,对于重度哮喘患者,IMT的有效性仍然未知,未来仍需要更详细的训练方案和结局指标来阐明吸气肌训练在改善重症哮喘临床结局中的作用。

3. 吸气肌训练在睡眠呼吸暂停低通气综合征康复中的应用

睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome, OSAHS) 是一种临床常见病,患者通常存在睡眠低通气、睡眠结构紊乱、打鼾、易疲劳、白天嗜睡、注意力不集中等症状,影响患者日常生活,与未患OSAHS的同年龄、性别的人相比,OSAHS患者普遍存在吸气肌肌力下降[24]。而且OSAHS被认为是导致心血管疾病发生的危险因素,增加心血管疾病发病率和死亡率[25]。

IMT不仅改善患者吸气肌肌力及睡眠质量,对降低心血管并发症风险也有一定的益处。研究表明,经过12周吸气肌训练,OSAHS患者无论使用CPAP治疗与否,吸气肌肌力都显著增加,同时发现IMT组在排除CPAP治疗的影响下,明显降低了呼吸暂停低通气指数(AHI),改善夜间睡眠质量,从而改善白天嗜睡症状[26]。Ferreira等比较OSAHS患者在吸气肌训练前10分钟、训练后10分钟、训练后1小时的心率变异性,实验组以70%PImax阻力负荷进行训练,与无阻力负荷的对照组相比,实验组心率更稳定,表明IMT对患者耐受性良好,临床上安全可行[27]。2016年的一项随机单盲试验对成年OSAHS患者进行了每日训练强度为75%PImax的吸气肌训练6周,对照组使用15%PI max的阻力,研究发现实验组不仅睡眠质量改善及唤醒次数减少,而且出现高血压水平下降[28],此研究对于不愿或无法耐受CPAP的OSAHS合并高血压患者的辅助治疗提供了指导。2020年Ramos-Barrera等使用同样的方式进一步验证了IMT可提高患者吸气肌肌力和降低高血压,每天仅以高强度吸气肌训练5分钟,6周即可有效,提高了患者对康复训练的依从性和耐受性[29]。在一项比较口咽训练和IMT的临床试验发现:进行12周训练之后,IMT组患者颈围和腰围减少,疲劳程度、打鼾严重程度下降,生活质量提高[30]。IMT对OSAHS患者影响的Meta分析也证实IMT对OSAHS是有效的[31]。

IMT作为一种非侵入性治疗,时间成本低,便于临床和家庭推广使用,改善患者吸气肌力量、睡眠质量和AHI的短期效果存在,但长期受益数据有限,未来研究可通过对OSAHS的长期影响来评估IMT治疗的临床和成本效益。

4. 吸气肌训练在新型冠状病毒肺炎康复中的应用

新型冠状病毒肺炎(Coronavirus Disease 2019,COVID-19)大流行以来,大部分重症危重症患者存在明显肺间质纤维化,可以出现持续的肺功能损害[32]。在COVID-19感染后 3 个月出现并持续至少 2 个月不能用其他疾病解释的称为“长新冠”,运动受限和疲劳是COVID-19患者最常报告的两种长期后遗症[33, 34],严重影响患者生活质量及社会参与能力。IMT可提高患者吸气肌肌力,改善呼吸困难、生活质量及运动能力,促进COVID-19患者感染后的恢复。

Del等设计了一项随机双盲试验,对88 名平均年龄在 46岁的“长新冠”患者进行远程康复监督,实验组使用阈值压力装置一组进行8周吸气肌训练,另一组进行8周呼气肌训练,同时研究了呼气肌训练的疗效,对照组使用无阻力装置,结果显示:进行有阻力呼吸肌训练的两组在吸气肌力量和耐力方面都有很大的提高,而且压力负荷更高训练获益更大,研究还发现IMT组患者1分钟坐立试验增加了8次(Cohen’s d=1.1),下肢肌力显著增加[35]。Mcnarry等招募了281名急性感染后1年左右、年龄均在60岁以下的新冠康复患者,IMT组以大于PImax80%的负荷每周进行3次训练,连续8周,对照组进行常规宣教,实验结束发现IMT组患者呼吸困难症状减轻、睡眠和心理问题改善、运动能力提高[36]。

重症及危重症需要使用机械通气的新型冠状病毒肺炎患者,超过7天很容易出现吸气肌无力,IMT不仅可以增加患者的膈肌力量,加速机械通气的患者脱机[37],而且可以促进脱机后患者的功能恢复,一项研究选取2020年3月至11月在ICU进行机械通气后脱机的COVID-19患者,平均年龄(48.05± 8.85)岁,在进行2周IMT后,患者的肺活量 (FVC)、第一秒用力呼气量(FEV1)、呼吸困难情况、生活质量均得到改善[38]。

上述IMT在新型冠状病毒肺炎的研究中,受试者年龄均在60岁以下,对于年龄更大的老年患者,IMT的疗效需要更多的数据支持,是否给患者带来长期临床效益也有待进一步的研究证实。

5. 吸气肌训练在支气管扩张康复中的应用

支气管扩张(bronchiectasis,BC)是由于气道炎症、感染和粘膜纤毛清除功能障碍引起支气管扩张的慢性呼吸系统疾病,IMT可以改善BC患者的痰液清除能力和呼吸肌无力情况[39],在不增加患者呼吸困难及疲劳基础上改善患者呼吸功能、运动耐力,Zalp等研究高强度IMT(H-IMT)和低强度IMT(L-IMT)对BC患者的影响,H-IMT其阈值负荷的MIP的目标工作量至少为70%,8周训练后H-IMT的呼吸肌耐力提高了207s(139%),而对照组的呼吸肌耐力提高了38s(22%),H-IMT作为高强度间歇运动,增加运动耐力,不会增加呼吸困难和疲劳[40]。另一项研究中支气管扩张患者以PImax 80%阻力进行8周IMT,观察患者训练后的生理及心理变化,参与者对于参加IMT的过程表达了积极反馈,他们认为在训练过程中,除了主观感受到身体状况改善之外,还可以直接实时看到客观数据,可以提高自己的训练依从性,研究结果也表明IMT后吸气肌肌力及耐力、自我调节及感知能力、自主性均得到显著提高[41]。

6. 吸气肌训练在间质性肺疾病康复中的应用

间质性肺病(interstitial lung disease,ILD)是一组弥漫性肺实质疾病,随着疾病的进展,呼吸困难和呼吸肌功能障碍加剧会导致日常生活活动能力、健康相关生活质量受损、运动能力下降。两项Meta分析的结果均支持IMT用于ILD患者,将其加入肺康复计划中对改善患者呼吸困难、运动能力、生活质量更有益[42, 43]。Zaki等将51名ILD患者随机分为两组,对照组进行有氧训练联合上下肢阻力训练,实验组在对照组基础上添加IMT,发现实验组提高吸气肌肌力的程度更明显(P<0.001),6MWD增加了24.14%,圣乔治呼吸问卷(SGRQ)的活动部分和总分评分有更大的变化,改善呼吸困难并提高了生活质量[44]。

特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是间质性疾病中一种不明病因的特发性间质性肺炎,研究发现IMT应用在晚期肺纤维化患者后呼吸困难症状减轻,能比康复前更好地进行日常活动[45]。目前间质性肺疾病吸气肌训练研究仍较少,研究使用的样本量也较小,能否控制患者纤维化进程,有待证明。

三、小结与展望

吸气肌训练作为一种非药物治疗手段,提高患者呼吸肌力量和运动能力、改善呼吸困难症状、提高生活质量的同时,减轻患者经济负担,目前吸气肌训练在临床上的应用不仅仅限于呼吸系统疾病,也包括心力衰竭[46]、高血压[47]、脑卒中[48]、脊髓损伤[49]等其他系统疾病,只要存在气道廓清障碍、呼吸肌力量下降、运动耐量减低等继发呼吸功能障碍时,均可从吸气肌训练中获益,在临床上安全可行,不论在哪种疾病中,吸气肌训练方案在负荷、频率和持续时间上可能有很大差异,尚缺乏临床共识,未来的临床研究需要更大样本量的多中心研究,以及更长时间的随访,评估吸气肌训练单独应用或者联合应用的获益,以期造福更多吸气肌功能受损的患者。