心肺運動試驗在心血管疾病中的應用價值

李彥瑋，王曦

（重慶醫科大學附屬第一醫院，重慶）

0 引言

心肺運動試驗（cardiopulmonary exercise testing，CPET）是一種監測在靜息下、運動時以及恢復期每次呼吸的攝氧量( VO2 ) 、二氧化碳排出量 ( VCO2) 、心電圖、血壓以及心率等指標的變化，結合患者運動前后的臨床癥狀，客觀、無創地評估心肺儲備功能及運動耐力的檢測方法。CPET 是目前唯一能夠一次測定整體多系統功能狀態的臨床檢測技術[1]，在心臟病及呼吸系統疾病診斷、疾病危險分層及預后、心臟康復指導、圍手術期評估、治療療效評價等方面有著廣闊的應用前景。

1 CPET 的主要測定指標及生理學意義

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

VO2max 是在遞增運動試驗中，受試者在運動最后階段，竭盡全力，呼吸及循環系統達到極限時每分鐘所能攝取的氧含量。此時功率遞增，VO2 不再增加而出現一個平臺，這時候的VO2叫VO2max。但并非所有人能盡最大努力達到此平臺，故臨床上常用peakVO2 來替代VO2max。臨床上采用VO2max 的實測值與預測值的百分比來表示，一般正常值應大于預測值的86%[2]。peakVO2，特別是預測的百分比，是客觀評價心臟病患者功能受限的黃金標準[3]，也是常用的預后標志。

1.2 無氧閾（anaerobic threshold，AT）

人體在增量運動過程的起始，能量消耗由有氧代謝供應，當無氧代謝參與供能，即動脈血中乳酸開始生成時，此轉折點稱為無氧閾。AT 正常值大于peakVO2 的40%以上[2]。AT 反映肌肉線粒體利用氧的能力，不受患者主觀因素的影響，通常用于制定個體運動處方中運動的強度，結合VO2max 可識別疾病的嚴重程度，預測最大心排出量，評估心功能損害程度。但是在運動耐受嚴重降低的患者，如嚴重的晚期心力衰竭患者中，往往無法測得具體的AT，提示預后不良，臨床中需要重視[4]。

1.3 氧脈搏（oxygen pulse）

氧脈搏是VO2 與心率的比值，反映心臟每一搏動的氧輸送量，代表心臟每次射血的供氧能力， 相當于心臟每搏量（Stroke Volume ，SV）與動脈-混合靜脈血氧含量差 （ C（ a-v）O2）的乘積。在增量運動中，在運動的初始和中間階段，SV 對心輸出量的作用占主導地位，因此，氧脈搏-功率的坐標圖具有典型的雙曲線特征，即低功率運動時氧脈搏快速增加，功率逐漸增加，氧脈搏增加緩慢接近一漸近值。冠心病患者在增量運動中誘發出心肌缺血時，氧脈搏-功率及VO2-功率曲線可以變得低平甚至下降[5]。

1.4 攝氧量與功率斜率（oxygen uptake related to work rate ΔVO2/ΔWR）

ΔVO2/ΔWR 是每增加單位功率所需增加的VO2，表示VO2增加與功率增加的關系，是CPET 定量運動強度的指標，正常的 ΔVO2/ΔWR 是8.5～11mL·min-1·w-1[6]。循環系統疾病的大部分患者ΔVO2/ΔWR 降低[7]。

1.5 二氧化碳通氣當量（ventilatory equivalent for CO2，EQCO2，VE/VCO2）

VE/VCO2 是指體內排出1L 二氧化碳所需要的通氣量（VE）。CPET 中常用VE/VCO2 斜率來表示運動時的通氣反應，其斜率與通氣效率成負相關，其值一般＜30，隨著年齡的增加，VE/VCO2 斜率呈遞增趨勢[8]。慢性心力衰竭患者的VE/VCO2 斜率是升高的，隨著疾病嚴重程度的增加，其值逐漸升高[9-10]。

1.6 震蕩呼吸模式（exercise oscillatory ventilation，EOV)

目前尚無通用定義，常被定義為靜息狀態時震蕩模式持續存在，運動狀態時≥60%出現震蕩模式，且震蕩幅度≥靜息時平均值的 15%。推薦使用 10s 平均 VE 數據進行繪圖 ，反映心力衰竭患者疾病嚴重程度和預后，在任何情況下，EOV 的出現都提示運動中異常的通氣反應[11]。

1.7 攝氧效率斜率（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進行了廣泛的評估。OUES 是由VO2(y 軸)和VE(x 軸)的對數變換之間的關系得到的，VE 的對數變換使得與VO2 有高度的相關性，與峰值VO2 不同，OUES 不需要受試者達到最大運動，如果從75%、90% 或100% 的運動時間中得出的OUES 值，差異小于2%，因此OUES 不受主觀因素的影響[13]。與非心衰患者相比，心衰患者的OUES 值明顯降低[14]。

1.8 運動通氣功率(exercise ventilatory power，EVP)

Forman 等人[15]提出了一種新的通氣指數，稱為運動通氣功率(EVP)，其定義為峰值收縮壓與VE/VCO2 斜率之比，≤/＞3.5 mm Hg 作為預測心衰患者預后的閾值，高于此閾值的受試者預后較好。

1.9 循環功率（Circulatory Power，CP）

2001 年S. G. Williams 等人[16]提出心功率（cardiac power）的概念，心功率是心輸出量和平均動脈血壓的乘積，用來描述心臟產生的血流和周圍灌注壓力之間的關系。同時表現出低峰值VO2和低心功率的心力衰竭患者的預后更差，相比峰值VO2，峰值心功率為更好的預后指標。峰值心輸出功率峰值＜1·96 瓦，提示患者預后更差。但心功率因其有創侵入性，故在臨床應用受到一定限制。2002 年Cohen-Solal 等人提出循環功率的概念，用峰值VO2代替心輸出量，用收縮壓代替平均動脈血壓，即CP 等于峰值VO2和收縮壓的乘積，是一種非侵襲性的評估手段，在CPET 中，峰值CP 是HFrEF 中不良預后的最佳預測因子[17]。

2 CPET 在心血管疾病中的應用

2.1 CPET 在心力衰竭中的應用

2.1.1 心功能評定

NYHA 心功能分級需要醫患雙方共同評估癥狀，具有很強的主觀性，很多時候不能客觀地反映患者的心功能情況。1982 年Weber KT 等[18]首次以峰值VO2/kg 將心功能分為4 級，即A 級＞20 mL/( kg·min) ； B 級： 16 ～ 20 mL/( kg·min) ； C 級： 10 ～ 15.9 mL/( kg·min) ； D 級＜10 mL/( kg·min) 。因peakVO2 影響因素較多，相比CPET 其他指標，VE /VCO2 與心衰更具關聯性， Arena 等[19]通過VE /VCO2 將心力衰竭分為4 級： 即Ⅰ級≤29.9； Ⅱ級： 30 .0 ～ 35.9 ； Ⅲ級：36.0～44.9； Ⅳ級≥45.0 。可見CPET 通過定量數據，客觀地將心功能分類，是心衰患者心功能分級的金標準。

2.1.2 預后評估

對于射血分數降低的心力衰竭( heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)，peakVO2 明顯降低，VE/VCO2 斜率升高[20]。Corrà U[21]等聯合peakVO2 和 VE/VCO2 對 HFrEF 患者預后進行評估， peakVO2 ≤10 mL/( kg·min) 或 VE/VCO2 斜 率≥35，都具有顯著的心血管不良事件。Van Laethem C 等[14]對45 例晚期心力衰竭患者(A 組) 和35 例心功能正常的缺血性心臟病患者(B 組) 進行了CPET，結果顯示A 組的OUES 值明顯降低(P＜0.02)，且OUES 與peakVO2 顯 著 相 關(r=0.781，P＜.01)。Guazzi M 等人[22]發現，選擇性肺血管擴張劑-西地那非能夠降低6 個月時87%心衰患者的EOV，1 年時93%患者的EOV。因此，EOV 似乎是一種重要的CPET 測量方法，可提供關鍵的預后信息，并可能對心衰患者的治療干預有反應。

對于射血分數保留性心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)，Takamasa Sato 等[23]對1190 例HFpEF的患者研究發現，peakVO2 是心臟不良事件的唯一預測因子，peakVO2 和EOV 是心源性死亡和全因死亡的預測因子。Nadruz W Jr 等[24]在973 名HFpEF 的 患 者 中，發 現peakVO2 和VE/VCO2 斜率對 HFpEF 預后均具有獨立的預測價值，與HFrEF 的患者相比，HFpEF 的患者 peakVO2 和VE/VCO2 斜率與不良預后之間的相關性更大，這些發現支持使用CPET 作為HFpEF 患者預后分層的有力工具。S.H.C. Klaassen 等[25]研究了88 例HFpEF 患者，Cox 回歸分析顯示，VE/VCO2 斜率的增加與死亡率的增加是獨立相關的。Nedeljkovic I，Banovic M 等[26]對87 例存在勞力性呼吸困難 、正常的靜息左室收縮和舒張功能的高血壓患者進行CPET和運動多普勒超聲心動圖測試，以峰值E/e’ 將其分為HFpEF組（E/e’＞15）和非HFpEF 組（E/e’＜15），和非HFpEF 組相比，HFpEF 組峰值VO2 、AT、氧脈搏較低，峰值E/e’、VE /VCO2 斜率較高，CPET 和運動多普勒超聲心動圖聯合使用可以極大的提高HFpEF 的患者診斷率。

對于射血分數中間范圍心力衰竭（heart failure with midrange ejection fraction，HFmrEF），Takamasa Sato 等[23]對1190 例心力衰竭的患者研究發現，在HFmrEF 中，心臟不良事件的預測因子為peakVO2 和OUES，而心臟死亡和全因死亡的預測因子為peakVO2，但目前 CPET 對HFmrEF 研究較少，需要更多的循證醫學證據支持。

2.2 CPET 在冠心病的運用

2.2.1 診斷與篩查

在心肌缺血后的一系列事件中，運動時左心室功能異常先于ST 段壓低和心絞痛發作，因此評估冠心病患者CPET 變量可以檢測出心肌缺血誘發的左心室功能障礙。隨著負荷增加，用力運動時心肌逐漸出現缺氧導致心臟機械功能障礙，超過缺血閾值導致SV 下降，機體為了維持運動骨骼肌的外周灌注，反饋上調交感神經活性，引起心率增快，這種代償反應可以ΔVO2/ΔWR 斜率的變化作為量化的指標。Chaudhry S 等[27]證明，在有臨床癥狀的非阻塞性或阻塞性冠狀動脈疾病患者中，ΔVO2/ΔWR 斜率可作為心功能受損的指標。Bussotti M 等[28]對運動過程中出現明顯ST改變的患者進行冠狀動脈造影和CPET，研究發現冠狀動脈明顯異常的患者無氧閾下或缺血閾值下的peakVO2 明顯降低，無氧閾下或缺血閾值下的ΔVO2/ΔWR 斜率平坦。Mazaheri R 等[29]對31 例可疑冠心病患者研究發現，峰值VE/VCO2 具有識別運動心肌缺血的預測能力，其診斷閾值為35，冠心病患者峰值VE/VCO2往往更高。Belardinelli R 等[30]對202 例冠心病患者進行研究，發現氧脈搏和ΔVO2/ΔWR 斜率可識別運動誘發的心肌缺血，平板運動試驗診斷運動誘發的心肌缺血的敏感性為46%，特異性為66%，而CPET 診斷運動誘發的心肌缺血的敏感性為87%，特異性為74%，提高了診斷心肌缺血的準確性。

2.2.2 冠脈病變嚴重程度及預后評估

Dejana Popovic 等[31]在活動平板試驗（treadmill ，TM）和臥位踏車試驗（recumbent ergometry ，RE）上進行的心肺運動測試對預測冠心病嚴重程度和預后的準確性，研究發現，利用TMCPET 獲得的VE/VCO2slope 可用于準確區分冠心病三支血管病變和1-2 支血管病變，VE/VCO2slope 識別三支血管病變最佳閾值為＜/ ≥32，敏感性和特異性的88.9% 和72.0%，與RE 相比，TM-CPET 可誘導更高的代謝需求，使心肌缺血的出現更加明顯，可能成為更好的冠心病定量方法。Popovic D 等[32]前瞻性地研究了40 例經冠脈造影確診的冠心病患者，依據冠脈病變數目分為1-2 支血管病變與3 支血管病變兩組，ROC 曲線分析結果顯示ΔVCO2 恢復期/峰值顯示了最佳的預測能力，ΔVO2 恢復/峰值對心臟事件的復合終點有較高的預測價值。當ΔVCO2 恢復/峰 值≥-0.76L/min 是三支血管病變的最佳閾值，其敏感性和特異性分別為87.5%和70.4%，當ΔVO2 恢復/峰值≥-12.71mL·kg-1·min-1是冠心病患者心臟事件的最佳閾值，其敏感性和特異性分別為91.3%和80.0%。周占林等[33]對68 例不同冠脈狹窄嚴重程度的患者研究發現：冠狀動脈狹窄程度＞50%可能與峰值 VO2、VCO2 、AT、峰值 O2-pulse 有一定的相關性， 冠狀動脈狹窄程度＞70%可能與無氧閾時的 VE/VCO2、Peak HR、Peak VD/VT(Est)有一定的相關性。Khan H 等[34]對2089 名年齡在42-61 歲的、居住在社區的男性志愿者進行長達19.1 年的隨訪，發現峰值VO2 與首次非致死性心肌梗死和隨后發生心力衰竭風險之間存在顯著的、負相關的、獨立的相關性。一項單中心前瞻性研究[35]共納入12169名冠心病患者，中位隨訪時間為7.9 年，研究發現峰值VO2 是預測心源性和全因死亡的有力指標，以峰值VO2＜15mL/( kg·min)作為基線值，多元因素分析表明，峰值VO2 在15-22mL/( kg·min)和＞22mL/( kg·min)，心源性死亡分別減少38%和61%，全因死亡率分別減少34% 和52%。峰值VO2 是一個對治療有反應的變量，與VO2 峰值降低的患者相比，兩次檢查之間VO2 峰值升高的患者有更低的不良健康和臨床結果的風險[36]。

2.3 CPET 在心臟康復中的應用

運動康復是治療心血管疾病的基石。運動作為一種治療方式，可以改善患者運動能力、改善血脂狀況、降低血壓、改善胰島素抵抗、減少炎癥、減少BMI、改善抑郁癥、焦慮、提高生活質量、減少住院費用、降低死亡率。各指南中將康復訓練作為I 類和IIa類推薦[37-38]。CPET 為心臟康復提供運動能力評估、運動處方制定、康復效果及預后評價。任何心臟康復活動，均以保證患者安全為前提，臨床上常以AT 指導安全運動強度的評定[39]。最近的一項大型薈萃分析顯示，以運動為基礎的心臟康復可以降低心血管死亡率、住院率( 以及相關的醫療費用)，提高生活質量[40]。與每周運動少于150 分鐘和每周運動多于150 分鐘的患者相比，經常進行至少150 分鐘/ 周的適度體育鍛煉的患者的左心室舒張功能明顯更好，VO2 峰值更高[41]。運動訓練可能是治療微血管性心絞痛的相關策略，最近的一項研究表明，在冠脈造影正常的勞力性心絞痛患者中，運動訓練使平均VO2 峰值增加12%，可顯著減少可逆缺血心肌灌注缺陷，提高生活質量[42]。一項個體參與者數據（IPD）的系統評價[43]共納入13 個臨床試驗的3990 名心力衰竭患者（97% 為HFrEF），結果顯示，與不運動組相比，基于運動的心臟康復組在生活質量和運動能力方面明顯改善。

3 小結

心肺運動試驗通過測定相關指標，客觀、定量、系統地評估心肺儲備功能和運動耐力，對心肺血管疾病的篩查及診斷、預后評估、運動康復指導等方面具有獨特的應用價值，并在臨床實踐中得到證實，心肺運動試驗將在心肺血管領域有更廣闊的運用前景。