左室功能不全所致的慢性心力衰竭患者心肺運動試驗聲明實施和解釋建議(1)

劉杰,李壽霖編譯,胡大一審校

心肺運動試驗(CPET)是能向醫生提供重要信息、評估包括肺、心血管、造血、神經心理和骨骼肌系統在內的運動整合反應的無創性試驗方法。測定運動中的呼出氣體可以最好地估計功能容量,對受損的嚴重程度分級,客觀評估干預效果,客觀追蹤疾病進展,以及鑒別運動容量減低的心、肺原因。為了在日常臨床實踐中更好地使用這一方法,闡明概念、對CPET標準化是必要的。由歐洲心臟病學會心臟康復和運動生理工作組發起、意大利心臟康復預防特別工作組起草的左室功能不全所致的慢性心力衰竭(CHF)患者心肺運動試驗總結聲明于2007年公布。

近年來,下列因素促進了CPET的應用:①運動生理學的發展以及認識到了運動整合反應在臨床評估中的重要性;②已經證明CPET數據是評估和處理CHF患者的重要而可靠的測量指標,而靜息的肺功能和心功能檢查不能可靠地預測運動能力和功能容量;③運動耐量指標比靜息的測量指標能更好地預測總的健康狀態和預后;④CPET對運動受限和心肺功能提供了可重復性的指標,是危險分層和選擇恰當治療方法的有用試驗方法;⑤具有強大數據采集、處理和個體監測能力的自動運動系統的技術發展。

委員會通力合作,基于當前的科學知識和技術進步,制定了關于CPET在左室功能不全的CHF患者中應用的綜合、實用、及時、概念統一性的文件,包括了對CPET的解釋、實施標準化和臨床應用等推薦建議。建議以現有的最好證據、當前流行的科學知識和專家意見為基礎,以發現那些有爭議的、不能達成共識的領域,并提出可能的解決途徑。

面向的讀者包括CPET操作者、根據CPET結果進行臨床決策制定者和開具運動處方者,而對致力于CPET領域信息擴充并用于臨床評估的臨床讀者將特別有用。

文件分三部分:①適宜CHF的CPET參數解釋;②在CHF中如何實施CPET;③CPET在CHF中的解釋和未來應用。

第一部分 適宜CHF的心肺運動試驗參數定義

CPET能為機體對運動的反應提供全面的評估,包括了肺、心血管、造血、神經心理和骨骼肌系統。這些信息是通過研究個別器官系統所不能獲得的。無創、動態的生理學觀察對極量和次極量運動反應進行評估,能向醫生提供臨床決策的相關信息。由于靜息心肺功能檢查不能可靠預測運動能力和功能容量,并且,運動耐量指標比靜息參數能更好的預測總的健康狀態和預后,CPET在處理CHF中的應用逐漸增加。本聲明基于當代科學知識和技術進步,就CPET在心力衰竭中的臨床應用和解釋提供建議:重點強調CPET的臨床適應證、標準化問題和解釋策略。

本聲明由歐洲心臟病學會心臟康復和運動生理工作組發起,目的是針對左室功能不全所致的CHF患者應用CPET的話題,產生綜合性的、概念統一性文件。

CPET是充分確立的適用于多個臨床情況的診斷試驗方法。不同心肺疾病患者的運動反應存在顯著的重疊。對于CHF患者來說,其適應證、實施和解釋均具有特殊性。

該文件共有8個部分:①CPET的定義;②CPET在CHF中的適應證;③安全性;④儀器設備;⑤運動方案;⑥實施方式;⑦數據報告和⑧解釋。

CPET的定義

CPET為機體對運動的整合反應提供全面的評估,可以對肺、心血管、造血、神經心理和骨骼肌系統進行綜合評價。這種無創、動態的生理評估允許對極量和次極量運動反應進行評價。一般在癥狀限制性的最大運動耐量試驗中,除了監測心電信號、血壓和血氧飽和度之外,還包括呼吸氣體交換、攝氧量(VO2)、二氧化碳排出量(VCO2)和分鐘通氣量(VE)的測定。穩態條件下經口測定的VO2和VCO2相當于機體總的O2消耗量和CO2生成量。

下面討論呼吸氣體交換參數的臨床意義和重要性。

氧攝取量(VO2)

運動期間工作輸出、VO2、心率(HR)和心輸出量(CO)之間近似線性關系。VO2取決于細胞O2消耗和O2的運輸速率。可通過血流量和組織對O2的利用計算VO2。

SV表示心搏量,C(A-V)O2diff為動靜脈O2差。

一些因素可影響VO2:①血液的攜氧能力(取決于可用的血紅蛋白(Hb),Hb-O2飽和/分離曲線隨溫度、CO2和pH移動);②心功能(HR、SV);③外周血流的區域分布和局部分配;④組織對O2的利用(毛細血管密度、線粒體密度和功能、充分的灌注和組織彌散)。在正常人中這些影響VO2的因素也同樣影響CHF患者的運動反應。

VO2-功率(WR)關系(VO2/WR)

正常情況下,VO2隨外部做功(功率輸出)的增加而呈線性增加。外部功率以瓦(W)為單位的精確測定可以測定這一關系。自行車測力計可以測定外部做功。VO2對外部功率的斜率反映了化學能向機械做功的代謝轉化以及肌肉骨骼系統的機械能力。VO2相對于外部功率的變化率決定斜率,正常人在自行車測力計上進行遞增運動試驗的斜率大約為10～11 ml/min/W,不受性別、年齡和身高的影響。

有氧代謝能力應該直接測定,因為從靜息指標、功率或次極量運動方案中得來的估計值受生理機制和方法學不精確性的限制而不可靠。反過來,在正常個體和CHF患者中直接測定是可靠和可重復性的。正常或的主要決定因素是遺傳因素和運動肌群的量。和也依賴性別、年齡和體重,并受訓練的影響。或的下降是運動能力下降的總體“指示劑”。運動受限的潛在具體原因可通過觀察其他變量的反應形式加以確定。

CO2生成量()

在短時運動期間,糖原主要為肌肉利用以提供能量,O2耗量與CO2生成之間的關系幾乎是等分子的。因此,進行性運動期間,在較低的功率范圍內,的增加幾乎與的增加一樣多,平均與的關系略微小于1.0。

當組織中乳酸(H+)增加時,反應向右側驅動,產生多于有氧代謝時生成的CO2。過多的CO2也可來自因過度通氣(表現為動脈低碳酸血癥)造成的機體CO2的儲存減少。由于運動期間VE與成比例密切耦聯,分析 VE與的關系是有用的。精確測定CO2的生成也很重要,因為它是計算一些衍生變量的基礎,包括(1)呼吸交換比率,(2)生理死腔與潮氣量的比值和(3)肺泡通氣量。

穩態條件下RQ=1.0表示為碳水化合物代謝,RQ＜1.0表示為碳水化合物與脂肪(RQ≈0.7)或與蛋白質(RQ≈0.8)的混合代謝。在真正的穩態下,血液和氣體運輸系統與組織代謝保持同步,因此RER可用作代謝事件(RQ)的粗略指標。但在無氧閾值以上,RER＞1.0也可由乳酸來源的CO2或過度通氣所造成,因為CO2的組織溶解度是 O2的20倍以上,并且HCO3-和蛋白質是組織運輸CO2的顯著形式,而O2運輸的惟一顯著形式是與血紅蛋白結合。

這一指標為CPET期間所實施的運動水平提供了指示:在RER未達到1.1以上時,通常認為試驗是次極量的。若患者在達到此值前停止運動,應該考慮心臟以外的其他限制因素。這一信息可對CHF提供重要的預后價值:在極量CPET試驗(峰值運動時RQ＞1.1)期間發生運動耐量受損(反映于＜10 ml/min/kg與高死亡率相關。

無氧閾值(AT)

AT也稱作乳酸閾值、氣體交換閾值或通氣閾值,是VE的增加與VO2和做功的增加不成比例的點。它表示遞增運動期間肌肉組織轉向無氧代謝作為額外能量來源的理論點:乳酸開始堆積,由血清中碳酸氫鹽系統緩沖,導致CO2的生成增加,產生反射性過度通氣。根據方程(3),它被認為是運動期間動脈乳酸升高速率增加所致代謝性酸中毒發生的估計指標。

在AT以下水平做功滿足了大部分的日常活動。大多數的重大心血管疾病患者AT下降。訓練提高AT,可顯著增加個體進行持續次極量活動的能力,提高生活質量。

描述這一轉變點的命名學差異反映了關于在AT點肌肉和血液乳酸增加的潛在生理機制存在爭議。盡管有關AT的傳統觀點受到支持,但其他學者對這一觀點持有質疑。如果不同的肌群在不同的時間達到無氧代謝,轉變點將是平滑的,可能很難精確確定一個截然分界的點,即AT。

機制

人們對AT的起因存在爭議:當運動強度增加時,氧運輸與氧化能力之間的失衡以及所調動的肌纖維類型可能均促成乳酸的增加。對于后一種機制,在氧化酶與糖酵解酶的平衡中,即“有氧”與“無氧”代謝的平衡中,肌纖維的類型有所不同。在低強度運動中,所調動的是以氧化代謝為主的纖維,但隨運動強度的增加,主要依賴糖酵解途徑的纖維被激活,從而增加乳酸的生成。

因此,AT這一術語應該在描述的意義上使用。不同乳酸來源的相對貢獻也可隨疾病的不同而不同。例如在心力衰竭中,不僅有氧運輸能力的降低,也存在肌纖維組成和代謝的變化,以至于隨運動強度的增加,的上升速率開始下降而乳酸的上升速率過早增加。

不管機制如何,隨運動強度增加而血中乳酸的增加具有重要的生理后果。首先,乳酸的堆積降低血液和間質液的pH值,最終將會損害細胞的功能。第二,pH的降低以及與之相關的其他事件使機體試圖通過降低動脈CO2分壓()來緩沖酸增加,從而可能刺激通氣。第三,pH的降低使氧離曲線右移,增加O2向肌肉的運輸(即所謂的波爾效應(Bohr effect))。當O2飽和度下降時,工作肌毛細血管床末端的PO2的確保持不變。因乳酸堆積影響細胞功能,運動期間乳酸升高的幅度及其相對于變化而升高的形式,在運動試驗中可能是有用的指標。再者,乳酸堆積發生越早,長期持久的越低。

臨床應用

AT界定了幾乎完全由有氧代謝完成的運動強度的上限。AT以下的做功功率可基本上無限的持續,而在AT以上功率的進行性增加將導致運動耐量的進行性降低。不愛活動的正常個體,其A T出現于預計值的50%～60%。正常值范圍可延伸至35%～80%。AT的測定具有年齡、運動方式和方案特異性。

AT測定作為心肺適能的指標,有助于制訂運動處方、監測訓練效果。當未達到AT時(如在一些嚴重慢阻肺患者),或AT不能經通氣反應測定時(如存在振蕩形式),使用峰功率、和心率的百分比作為參照,仍可制訂運動處方。

測定

現有幾種方法測定AT,包括有創(乳酸和標準碳酸氫鹽)和無創法(通氣當量法[、潮氣末呼出氧壓(PE)、潮氣末呼出CO2壓(PE)]、V-斜率法和改良 V-斜率法)。

有創方法盡管具有科學和生理學的重要性,但很少用于臨床實踐。在臨床上,隨著運動強度的增大,通過觀察和VE相對于的變化形式,可以無創性地測定乳酸酸中毒。

改良 V-斜率法:由于評估的復雜性,開始的V-斜率法已被簡化的方法所取代。改良V-斜率法則是確定斜率的變化點,在無過度通氣的情況下測定的增加快于的增加時的。

當使用這些方法檢測AT時,應該注意有創和無創方法測定的AT具有很好的相關性,但不一定是肯定的生理性聯系,運動時不尋常的呼吸形式(如振蕩呼吸)可對AT的測定產生不利影響。

CHF患者典型的AT下降與運動耐量的下降有關。由于AT測定了可持續的O2攝取,是心肺運動能力的客觀參數,可從次極量運動試驗中得出,因此對它的計算不僅可提供輔助信息,而且是對的補充。因此它不受患者努力不足或檢查者過早終止試驗等因素的影響。作為常規,低于預計值40%的A T值視為異常。最近的資料建議閾值＜11 ml/min/kg作為預后不良的指標。

然而,在綜合征晚期的大多數患者,如NYHA心功能Ⅲ、Ⅳ級,常常不能發現明確的A T值,這主要發生于振蕩呼吸時。AT不受患者主觀努力的影響。低時檢測到正常的AT值提示為次極量運動。因測定問題,AT從來不能取代作為CHF患者的功能容量或預后指標。在大多數日常活動甚至靜息時,患者的代謝接近甚至超過AT。

通氣

運動期間通氣(VE)增加是運動肌代謝需求增加時穩態控制動脈血氣和酸堿平衡狀態的主要途徑之一。盡管VE與氣體交換(代謝需要)耦聯的機制尚不完全清楚,但運動中通氣反應的一些指標可評估通氣反應的正常或不足。

運動期間最常評估的通氣指標包括總的分鐘通氣量(VE)的變化和呼吸形式(潮氣量VT和呼吸頻率 f),同時也評估通氣儲備。不經常評價的指標是通氣時間(吸氣時間TI和總時間)和潮氣量相對于特定肺容量(如VT/VC)的變化。

最近,吸氣容量(IC)的變化和運動中通氣受限的更全面評估指標也得以應用。因為通氣是呼吸力學最優化與氣體交換的維持之間的平衡,許多通氣指標均表示這些聯合的要素,如通氣效率(VE/或 VE/)。

運動中VE的增加與潮氣量(VT)和頻率(f)的增加均有關。健康個體低水平運動時通氣的增加主要來自VT的增加。隨著運動的進行,直到峰值運動的70%～80%,VT和 f均增加,之后 f占主導。VT通常在肺活量(VC)的50%～60%保持平臺,但有相當大的變異。

在CHF患者,即便在靜息狀態下也觀察到通氣形式的變化。呼吸計量研究顯示用力VC和總肺容量的減小,而用力呼氣肺活量相對保持正常。這種總的呼吸限制形式歸因于間質水腫造成的肺實質僵硬度增加和隨后的纖維化,可能也源于心臟增大的壓迫作用。值得注意的是,總肺容量的減小與肺毛細血管楔壓有關,這種異常在藥物治療或心臟移植后具有部分的可逆性,表明這種異常可能歸因于液體的失衡,而不是永久性的變化如纖維化。

在充血狀態下,CHF導致肺毛細血管楔壓異常增加,促成間質水腫提前形成或加重,從而導致運動期間肺順應性異常、動態地減低。這些異常導致運動期間的呼吸形式以低潮氣量和高呼吸頻率為特征。

再者,不要忘記心臟增大對肺的直接壓迫作用,因為已經觀察到心臟移植后2/3以上的肺活量改善可歸因于心臟的減小。盡管存在限制性的呼吸改變,通氣能力似乎并未限制CHF患者的運動能力,因為運動期間通氣的增加大約是正常對照個體的2倍。

通氣能力可通過第一秒用力呼氣量(FEV1)乘以假定的最高呼吸頻率(通常為35%～40)來估算,給出了理論上可以獲得的分鐘通氣量,稱為最大自愿通氣(MVV)。為了評估通氣能力是否限制運動時的氣體交換,將MVV與峰值運動時測定的實際最大分鐘通氣量相關聯(peakVE/MVV)。對于正常個體,此比值約為0.6～0.8,但對于阻塞性或限制性肺病患者或訓練有素的運動員,當肺容量減小或循環和肌肉氣體交換能力增加時,此值可增大。但在主觀努力不足的患者中評價VE/M VV關系時應該小心。CHF患者的VE/M VV低于正常人;這可能源于肌肉和循環氣體交換能力的降低。

肺彌散能力

氣體彌散遵循Fick定律:

VG為氣體彌散率,k為常數(溫度依賴性),A為膜面積,d為膜厚度,α為氣體溶解度,M為氣體分子量,⊿p為氣體跨膜壓差。因此,肺泡彌散率與肺泡面積、O2和CO2的溶解度以及O2和CO2的平均肺泡-毛細血管壓力差成正比,與肺泡-毛細血管膜厚度成反比。因CO2的溶解度高,其穿過肺泡-毛細血管膜的速度比O2快約23倍。因此,肺的任何彌散受限都將主要影響O2而非CO2的彌散。可以預計,在理論上影響CO2彌散的任何肺彌散受限都必然已經導致危及生命的O2彌散障礙。除了肺泡-毛細血管膜的大小和特征外,O2的彌散還依賴毛細血管的O2含量(即O2攝取對O2分壓變化的比率)。這取決于毛細血管血容量、血紅蛋白濃度和O2與血紅蛋白反應的速率。因此,在血紅蛋白濃度正常的前提下,肺的彌散能力(DL)有兩個決定因子:肺泡-毛細血管膜阻力的通透性(DM)和毛細血管血容量(Qc)。因此,肺彌散的總阻力可以描述為:

CHF患者的肺彌散能力(DL)下降,并與心力衰竭的嚴重程度相關。主要的促成因素是DM的降低,而毛細血管血容量是可變的。DM的降低源于間質水腫和纖維化,這兩者均是可逆的。使用血管緊張素轉換酶抑制劑(ACEI)和抗醛固酮藥物可改善彌散能力,與VE/和VD/VT的改善相平行。

然而有證據表明即便在心臟移植的數年后DM仍保持低下。CHF患者的這種彌散能力降低是否真正導致運動受限和運動中的通氣反應增強,這一問題一直未得到解決。DM與密切相關,但一方面已經顯示由于間質水腫的形成,DM在運動期間可能降低,另一方面DM可能增加,但增加的程度很有限并伴隨著VC的增加,致使DL保持不變。

然而,彌散能力似乎并未限制肺泡氧耗量,即動脈低氧血癥并非CHF的典型發現。因此,彌散能力(或DM)和運動容量指標之間的相關性可能未揭示一種因果關系,而是反映了一種常見的決定因子,即運動時的血流動力學反應不良,伴有左室充盈壓的升高和肺毛細血管楔壓的持續增加。

肺灌注

肺循環以低血管張力為特征,并且在血流增加時肺血管阻力進一步降低。因而肺動脈壓力較低,當心輸出量增加時僅輕度增高。除了這種整體的血流動力學特征外,肺內局部的血流分布受毛細血管前阻力小血管的緊密調節。局部血流分布的主要調節因子是低氧性血管收縮(Euler-Liljestrand機制);肺泡氧分壓的降低導致血管張力增高和相關肺腔的血流減少。這樣就形成了肺通氣與灌注的匹配,減少肺內分流和死腔通氣。許多血管擴張劑(一氧化氮、前列環素)和血管收縮劑(血栓素、內皮素-1)參與調節過程。

CHF左室充盈壓的升高導致肺靜脈高壓。肺動脈壓因肺血管阻力的增加而進一步升高。對瓣膜置換術前后二尖瓣狹窄患者的血流動力學研究顯示肺靜脈壓正常后肺血管阻力迅速下降,這表明肺血管張力的增加是對肺靜脈壓升高的直接反應。血管張力的增加來自基礎的血管舒張活動的受損和血管收縮刺激的增高。已經顯示心力衰竭患者肺血管內皮細胞NO的釋放減少和繼發性肺動脈高壓,但可被乙酰膽堿所刺激。前列環素的合成減少而血栓素的合成增加。心力衰竭中內皮素-1的水平升高,伴有肺ET-B受體的下調,產生肺血管收縮。

這些機制不僅導致總的肺血管阻力增加,而且導致肺局部血流分布受損(來自熒光顯像研究證據)。這導致盡管通氣分布正常但灌注不規則。CHF患者運動期間不能充分減少這種匹配不良,可導致運動容量減低。

(未完,待續)