儿童青少年游泳运动员初入2366米高原肺动脉收缩压及心脏功能变化的超声心动图研究

宋小波 王斌 高扬 房昶 闫会萍 白云飞 陆一帆

1 华中师范大学(武汉430079)

2 北京体育大学 3 国家体育总局运动医学研究所

高原训练在游泳项目中得到了广泛应用， 越来越多的低年龄段青少年游泳运动员采用高原训练的手段来提高竞技能力。 高原低氧引起心血管系统的一系列适应性反应中， 低氧性肺血管收缩反应是最重要的一种类型[1-3]。低氧条件下，心血管系统过度反应将会引起一些疾病，高原肺水肿（High-altitude pulmonary edema，HAPE）等严重的高原反应将会对生命构成威胁[4，5]。已有大量证据表明低氧环境下肺动脉压的升高在成年人HAPE发生过程中起着关键作用[1-3]。 研究表明，采用右心导管的侵入性检查手段测量成年人肺毛细血管压（Pulmonary capillary pressure，PCP），PCP＞19mmHg是发生HAPE的临界点[4]。 采用多普勒超声估测成年人肺动脉收缩压 （Pulmonary artery systolic pressure，PASP），PASP＞55mmHg时将会引起严重HAPE[1，3]。 对于儿童青少年人群急性高原暴露心血管系统适应性反应的研究则相对较少[6]。Kriemler等[7]研究发现高原低氧引起肺动脉压力升高在儿童的发生率高于在其父辈的发生率，而低氧性肺动脉压力升高将进一步引起HAPE的发生并引起右心室压力负荷异常。 本研究以33名儿童青少年游泳运动员为研究对象， 研究初入2366米高原低氧暴露儿童青少年游泳运动员呼吸和循环系统的适应性变化特点，结合分析ET-1和NO的变化，研究高原低氧肺动脉压力变化对儿童青少年运动员心脏功能的影响。 以期为儿童青少年游泳运动员海拔2366米高原训练的医务监督工作提供理论支持。

1 对象和方法

1.1 实验对象

本研究以33名儿童青少年（18男，15女）游泳运动员为实验对象。受试者均为平原人，其中最低年龄9岁，最高年龄16岁，平均12.25 ± 0.36岁。长期在山西省体育中心训练（位于太原市，海拔800米），实验之前所有人均未去过高原或接受任何形式的低氧训练。 受试者基本情况见表1。

1.2 测试方案

本研究整体实验过程包括高原前测试阶段、 高原测试阶段2个阶段。 其中高原前测试在山西省体育中心进行，海拔800米。 高原测试阶段在青海多巴基地进行，海拔2366米。 每日晨起安静状态下监测运动员心率（Heart rate，HR）、脉搏血氧饱和度（Saturation of pulse oximetry，SpO2）以及血压。 分别于高原前以及进入高原12小时采用彩色多普勒超声心动图估测肺动脉压并测量心脏功能参数。 彩超检查日晨起， 于肘正中静脉取血，测试血清内皮素（Endothelin-1，ET-1）和一氧化氮（Nitrogen oxide，NO）。 测量运动员身高、 体重， 计算BMI。 于进入高原12 小时进行急性高山病（Acute mountain sickness，AMS）评估并进行HAPE早期症状问诊。

1.3 彩色多普勒超声测试

采用GE LOGIQ I便携式多普勒超声仪， 安静状态下左侧卧位，取胸骨旁左室长轴图和心尖四腔面，进行M型、二维及多普勒超声心动图检查，测量主肺动脉内径（Pulmonary artery，PA）、每搏输出量（Stroke volume，SV）、心输出量（Cardiac output，CO）等心脏结构和功能参数，计算左心室Tei指数和右心室Tei指数。 选取右心室流入道、胸骨旁短轴和心尖四腔切面，测量右心室形态指标，计算右心室Tei指数。 彩色多普勒显示最大三尖瓣返流速度， 调整探头角度和连续多普勒取样线使之与射流方向保持一致，测量三尖瓣最大返流速度，并根据简化伯努利方程计算△p，并进一步估测PASP。

△p=4v2，其中v为三尖瓣最大返流速度；

PASP=RAP+△p，其中RAP为右房压；

Tei指数=(ICT+IRT)／ET， 其中ICT为心室等容收缩时间，IRT为等容舒张时间，ET为心室射血时间。

1.4 血清ET-1和NO测试

高原前以及进入高原12小时彩超检查日， 所有受试者晨起空腹，肘正中静脉取血5 ml，离心15分钟提取血清（3000转/分，室温），分装并于-80℃冰箱保存待测。血清ET-1和血清NO均采用ELISA法进行测试。 试剂盒由加拿大ELIXIR公司提供。 测试过程严格按照说明书进行操作。

1.5 AMS和HAPE评估

AMS评估采用路易斯湖诊断标准 （Lake Louise Scoring System），该诊断标准将头痛、胃肠道症状(食欲不振、恶心、呕吐)、疲劳、头晕及失眠五种症状分为无、轻、中、重，各自对应0～3分，进行自我评价并相加得出综合评分。基于AMS-LLS诊断标准，在近期内快速从低海拔地区进入高原地区，个体出现头痛症状，伴有至少下列一项症状，即胃肠道症状（食欲不振、恶心、呕吐）、疲劳、 头晕及失眠， 如AMS-LLS 总分≥3 分诊断AMS，≥5 分诊断为重度AMS[5，28]。 HAPE主要通过临床问诊其早期主要症状的方法进行评估，HAPE的早期症状主要包括：咳嗽、呼吸急促以及活动受限等。

1.6 统计学分析

所有实验数据由SPSS 统计软件 （SPSS19.0 for Windows）处理，计量资料采用均数±标准差（M±SD）表示。 高原同高原前各参数之间的比较采用配对t检验，显著水平为P＜0.05。 连续变量的相关分析采用Pearson相关分析。

2 研究结果

2.1 一般情况

高原低氧暴露12小时后， 所有受试对象均未出现典型的HAPE临床症状。 33名运动员中有2人出现轻度AMS （平均值：3.1 ± 0.4； 范围：2～5）。 收缩压（Systolic blood pressure，SBP）和舒张压（Diastolic blood pressure，DBP）与高原前相比未发生显著变化。 SpO2与高原前相比显著下降（P＜0.05），而安静心率（Heart rate，HR）显著升高（P＜0.05）。 见表1。

表1 受试者基本情况

2.2 多普勒心脏超声检查结果

高原低氧暴露12小时后， 运动员SV与高原前相比显著下降（P＜0.05），CO显著升高（P＜0.05）。运动员PASP以及PA均显著高于高原前水平（P＜0.05），PASP与年龄之间存在负相关关系（r= -0.26，P=0.008），其最大值达到29 mmHg。 运动员左心室Tei指数以及右心室Tei指数均未发生显著变化。 见表2、图1。

表2 高原及高原前多普勒超声检查结果比较

图1 高原低氧12小时后PASP与年龄之间的相关

2.3 血液指标检查结果

高原低氧暴露12小时后， 儿童青少年游泳运动员血清ET-1水平与高原前相比显著升高（P＜0.05），而血清NO水平显著下降（P＜0.05）。见表3。Pearson相关分析发现，初入高原运动员血清ET-1与PASP表现出一定的正相关关系 （r= 0.3，P=0.035）。 见图2。 而血清NO与PASP表现出一定的负相关关系 （r= -0.306，P=0.042）。见图3。

表3 高原及高原前血液指标测试结果比较

图2 高原低氧12小时后PASP与ET-1的相关

图3 高原低氧12小时PASP与NO的相关

3 分析与讨论

3.1 低氧暴露对儿童青少年游泳运动员PASP的影响

低海拔时健康个体PASP 的正常范围在18 ～25 mmHg，安静状态下PASP＞30 mmHg可以诊断为肺动脉高压。 本研究结果显示， 高原前所有运动员PASP均在正常范围内。高原低氧暴露12小时后，运动员肺动脉压显著升高， 部分运动员PASP＞25 mmHg， 最高值为29 mmHg。 Mc Quillan等[8]认为，在较低海拔时，健康个体PASP相对较低（右心室和右心房压力梯度＜24 mmHg），且PASP与年龄呈正相关。 本研究结果显示，在高原低氧暴露12小时后，运动员PASP显著升高，且PASP与年龄呈负相关关系，年龄越低PASP升高越显著。 可见，随着年龄的增长低氧性肺血管收缩反应的程度逐渐下降。 Frenkel等[9]等研究发现，随着年龄的增长健康个体低氧环境下系列适应性反应的程度下降， 其原因在于随着年龄的增长HIF-1α的DNA结合活性下降。 成年人或者老年人急性高山病、 高原肺水肿等急性高山反应的发病率低于青少年，Lhuissier等[10]认为其原因可能在于随着年龄的增长健康个体安静和运动状态循环系统的低氧应答反应程度下降。Scherrer等[11]研究发现，与青少年相比，儿童肺血管内皮一氧化氮（Nitric oxide，NO）合成能力较低。 肺血管内皮NO合成释放能力在一定程度上决定了儿童游泳运动员低氧暴露肺动脉压力增高的程度。

3.2 ET-1和NO在高原低氧肺动脉收缩压变化过程中的作用

Scherrer等[3]认为内皮素（Endothelin，ET）和肺血管内皮NO在肺血管低氧适应性反应过程中发挥重要作用。低氧可引起肺循环血流动力学改变，管腔剪切力增加而内皮受损。 缺氧也可直接损伤血管内皮细胞，造成内皮形态和结构发生改变， 继而功能紊乱而ET-1产生增加[12]。NO作为一种血管舒张因子，可引起内皮依赖性血管舒张，具有抑制血管收缩和内皮细胞增殖的作用。本研究结果显示， 高原低氧暴露12小时后儿童青少年游泳运动员血清ET-1显著升高而血清NO显著下降。相关性分析显示，高原低氧暴露12小时后运动员血清ET-1与PASP之间存在正相关关系，而血清NO与PASP之间存在负相关关系。说明高原低氧暴露，儿童青少年游泳运动员PASP的升高与ET-1释放增加以及NO合成释放减少有关。 Zhou等[13]研究同样证实，海拔3700米高原低氧暴露后，同常氧对照组相比，健康青年男性血清ET-1浓度显著升高，血清NO浓度显著下降。 ET-1是已知最有效的缩血管活性因子之一， 肺组织是其发挥功能和进行代谢的主要场所[14]。 低氧环境下，肺血管内皮受损，ET-1基因表达上调使血中ET-1浓度增加。 ET-1结合于肺血管平滑肌内皮素受体，促使Ca2+通道开放，细胞内Ca2+浓度升高而引起肺血管收缩，肺动脉压力升高[15]。而给予内皮素受体拮抗剂， 能有效降低低氧条件下的肺动脉压力[16]。

3.3 低氧暴露对儿童青少年游泳运动员心脏功能的影响

快速暴露于常压低氧或者低压低氧环境，安静CO将显著增加。 Naeije等[17]采用控制吸入气氧分压（Fraction of inspiration O2，FiO2） 降低动脉血氧分压的方式来研究低氧暴露对健康个体心脏功能的影响，发现FiO2=0.12时， 安静CO增加22%， 其中安静心率增加18%而SV未发生明显变化。 Boos等[18]研究发现，虽然高原环境下中等强度的运动会引起PASP以及运动后高敏感性心肌肌钙蛋白T （High sensitivity cTnT，HS-cTnT）浓度的升高，但SV、左心室充盈压、右心室充盈压维持稳定，而CO显著增加。 Thomson等[19]同样发现低氧环境下，安静心率、CO升高而循环外周血管阻力下降。 本研究结果显示， 初入高原青少年游泳运动员安静心率显著高于高原前水平， 而SV基本维持稳定， 两组运动员CO均显著高于高原前水平， 组间比较不具有显著差异。 初入高原，CO增加的原因主要在于安静心率的增加[20]。 高原低氧暴露，动脉血氧含量下降将刺激外周化学感受器引起心率加快。 高原低氧适应的早期，CO增加在维持组织器官氧供应方面发挥至关重要的作用[21]，可以有效降低PaO2下降对运动员生理功能构成的不利影响。

Tei指数是指心室等容收缩期时间（ICT）和等容舒张期时间（IRT）之和与心室射血时间（ET）的比值，可以反映心室的整体收缩和舒张功能。 无论ICT延长、ET缩短，还是IRT延长、ET缩短，均可以引起Tei指数的升高。Tei指数可以有效反映左心室的整体收缩和舒张功能，且不受年龄、心率、心室几何形态以及心室收缩压和舒张压的影响[22]。 常规心脏功能评估指标射血分数反映心室的收缩功能，射血分数正常的情况下，有可能存在心室舒张功能异常。 而Tei指数作为一种能够有效评估心室舒张功能的指标已广泛应用于临床医学。 本研究发现，高原低氧暴露儿童青少年游泳运动员左心室Tei指数并没有发生显著性变化。说明2366米高原低氧暴露并不会影响运动员的整体收缩和舒张功能。 Naeije等[23]认为心脏功能的低氧效应更多体现在右心室功能的改变，因为低氧引起肺血管收缩，肺动脉高压而肺循环阻力增加， 将会加重右心室后负荷而影响右心室功能。Ghofrani等[24]研究发现，采用西地那非抑制低氧引起的血管收缩反应， 能够有效提高低氧环境下健康个体的运动能力， 认为西地那非抑制低氧环境下肺血管的收缩反应，降低右心室后负荷进而使心输出量增加，心血管系统氧转运能力是引起运动能力提高的主要原因。由于右心室解剖结构的特殊性， 采用常规测试指标很难对其功能进行评估。 研究表明，根据右心室等容舒张时间、 右心室等容收缩时间以及射血时间计算右心室Tei指数，能够准确反映右心室整体收缩和舒张功能[25,26]。本研究采用多普勒超声评估高原训练运动员右心功能的变化，发现高原训练过程中两组运动员的右心室Tei指数均未发生显著性变化。因此认为，2366米高原低氧暴露引起肺动脉压力的变化， 并未对右心室整体收缩和舒张功能构成影响。高原低氧情况下，机体维持右心室功能正常的机制主要包括以下几个方面：首先，高原低氧引起交感神经兴奋性增强，其对心肌兴奋性传导、心肌收缩力以及心率的正性调节作用使得右心室功能维持稳定[27]。 其次，低氧性肺动脉压力增加右心室后负荷可以通过等长自身调节机制增加右心室心肌收缩力而维持功能稳定。Allemann等[28]研究海拔3450米高原低氧暴露对儿童青少年右心功能的影响， 发现收缩期右心室室壁峰值应力是其应变率变化的独立预测因子。最后， 收缩期右心室功能及其应变率同样依赖于右心室前负荷， 右心室前负荷的变化可以通过Frankstarling 机制调节右心室收缩力的变化。

3.4 低氧暴露儿童青少年游泳运动员HAPE的发生情况

虽然低氧暴露可以引起儿童青少年游泳运动员PASP的升高，且其升高程度类似于成年运动员[1,3,4]，但是所有受试者均未出现显著的HAPE以及急性右心衰竭临床表现，说明初入海拔2366米高原，低氧暴露并不会对健康儿童青少年运动员的身体机能构成严重影响。 本研究儿童青少年游泳运动员高原低氧暴露12小时后，肺动脉压显著升高而未出现显著的HAPE相关症状， 除与2366米的海拔高度低氧暴露12小时后引起的肺动脉压升高幅度相对较低有关外， 儿童青少年游泳运动员肺泡以及肺间质渗出液的清除能力同样发挥重要作用。 已有研究表明，低氧暴露引起肺动脉压力的显著升高主要发生在急进高原数小时之后[7]，而本研究发现进入高原， 低氧暴露2～4小时、12～16小时、24小时儿童青少年游泳运动员肺动脉压力变化并不显著。Sartori等[29]研究发现海拔4556米高原低氧暴露可引起青少年肺动脉压显著升高，但并未引起严重的HAPE，本研究结果与其一致。对于成年人，严重的肺动脉高压并非引起HAPE的充分条件，肺泡以及肺间质渗出液的清除能力同样在HAPE的发生发展过程中发挥重要作用[30]，而高原低氧环境下青少年运动员呼吸道经上皮的水盐转运机制并未受到破坏[30]，因此高原低氧暴露引起其肺动脉压的显著升高并不会引起肺泡及肺间质液体渗出而形成HAPE。

4 总结

本研究对年龄在9～16岁的儿童青少年游泳运动员初入高原低氧暴露肺动脉压力以及心脏功能的适应性变化进行研究。结果显示，健康的儿童青少年游泳运动员进入海拔2366米高原12小时后，PASP显著升高且与运动员年龄呈负相关关系。 升高的PASP并未对运动员心脏功能尤其是右心室整体收缩和舒张功能构成影响。 运动员SV下降，但心率升高，引起CO升高来维持高原环境下机体组织器官的氧供应。 除部分运动员出现轻度AMS表现外，所有运动员均未出现HAPE的相关临床症状。以上结果表明，对于这一年龄段的儿童青少年游泳运动员，首次进入海拔2366米高原，虽然会出现一定程度的急性高原反应， 并不会对心肺系统以及机体健康构成严重影响。

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