心肺运动试验在心肺血管疾病评估中的价值

陈子奇 张焕基 吴奋生 伍贵富

524023 湛江，广东医科大学研究生院(陈子奇)；518033 深圳，中山大学附属第八医院(深圳福田)心脏中心(张焕基、吴奋生、伍贵富)

心肺运动试验(cardiopulmonary exercise testing，CPET)起源于20世纪50年代，最初用于评估肺部疾病患者的运动功能，曾被误称为肺脏运动试验。它可记录患者从静息到运动至极限状态再逐渐恢复的数据，包括心率、血压、心电分析等传统信息，并提供以氧气代谢为核心的重要数据，如峰值摄氧量(peak VO2)和二氧化碳通气当量(minute ventilation/carbon dioxide production，VE/VCO2)斜率等参数，通过丰富而全面的监测指标，详细描述患者在运动状态下的生理状况。

1 CPET的主要测定指标及生理学意义

1.1 峰值运动水平摄氧量

峰值运动水平摄氧量指人体在极量运动时最大程度摄取氧的毫升数，常被作为人体供氧能力极限水平的估计值[1]。一旦达到该水平，即使增加运动负荷，peak VO2也不再增加，摄氧曲线表现出明显的平台样改变。若临床出现无法耐受的症状使最大运动受限，在测定peak VO2时将很难获得清晰的平台期。因此，它是使用最广泛的反映心肺功能的指标，但同时也受运动肌群数量的影响。由于peak VO2受个体差异影响，peak VO2占预计值的百分比(ppMVO2)可能有更大的临床意义。

1.2 无氧阈

在运动负荷递增的情况下，组织对O2的需求超过了循环所能提供的O2，机体由有氧代谢向无氧代谢过度，但尚未发生乳酸性酸中毒时的最高VO2称为无氧阈，它可以反映机体耐受负荷的潜能，通常由亚极量运动测得，很少受主观和客观因素的影响，能敏感地表现组织氧供需平衡，较准确地评价运动时无氧代谢能力和心肺功能[2]。

1.3 VE/VCO2斜率

VE/VCO2斜率代表排除1 L CO2所需的通气量，其反映通气效率，升高提示肺灌注减少、无效腔增加。疾病越严重，VE/VCO2斜率往往越高，尤其是与肺动脉平均压和肺血管阻力有很强的相关性[3]，并常见于各种原因所致的心功能受损。它在疾病预后评估中的地位也越来越高。

1.4 氧脉搏

氧脉搏为每搏量与动静脉氧含量差的乘积，以氧耗量和心率的比值来表示，通常认为它可以反映每搏量的大小。CPET过程中，氧脉搏以线性的方式增加，达到高强度运动时将会出现平台期，若平台期提早出现常提示每搏量受损引起的心源性运动受限，尤以冠心病最常见[4]。O2摄取不足或肺氧合能力降低等情况也可导致氧脉搏降低[4]。

1.5 摄氧效率斜率

摄氧效率斜率最初由Baba等于1996年提出，采取对数曲线拟合的方法，通过建立回归方程VO2=a×lg VE+b，反映VO2(y轴)和VE的对数(x轴)之间的关系，其中a为摄氧效率斜率。因其变异系数较小，稳定性较高，在预测心血管风险方面可能优于其他传统CPET测定指标[5]。

2 心力衰竭评估

2.1 评估心力衰竭患者预后

目前用于评估心力衰竭严重程度和预后的指标主要为NYHA心功能分级、6 min步行距离、左心室射血分数和N末端B型利钠肽原等。

对于射血分数降低的心力衰竭(heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)，CPET指标主要表现为peak VO2明显降低，VE/VCO2斜率升高，摄氧效率斜率降低[6]。1982年，Webber等[7]首次根据peak VO2建立A～D的心力衰竭严重程度分级系统。此后，各类心力衰竭指南和专家共识均将peak VO2作为心力衰竭患者风险评级的一部分。此外，CPET指标如摄氧效率斜率、运动通气功率、最大摄氧量与功率的变化关系(ΔVO2/ΔWR)[4， 8]等也被证实是心力衰竭患者预后的强有力的独立预测因子。但仅通过观察单个指标来评估心力衰竭预后会导致必要信息的丢失，而且特异性较差，因此更多CPET指标被逐步纳入心力衰竭预后评估系统的建立中，其预测能力明显强于单个CPET指标[9]。最近，一项名为MECKI(Metabolic Exercise test data combined with Cardiac and Kidney Indexes)的针对HFrEF患者建立的多中心数据评分系统，以CPET指标(包括peak VO2、VE/VCO2斜率等)为中心，与超声心动图和实验室结果相结合，预测患者心血管死亡及行紧急心脏移植的风险[10]，因其简单、可靠、易于计算且个性化的特点，成为目前预测HFrEF预后的最佳评分系统。

而对于射血分数保留性心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)，有研究显示CPET对HFpEF的风险识别甚至较HFrEF更具特异性[11]。对于隐匿性HFpEF，静息超声心动图往往难以发现异常，Nedeljkovic等[12]通过CPET结合运动负荷超声观察此类患者，发现运动负荷超声显示E/e’>15，提示左室舒张末压升高，而CPET指标中除peak VO2和无氧阈降低外，VE/VCO2斜率显著升高，认为VE/VCO2斜率是HFpEF的独立预测因子。Shafiq等[13]通过对HFpEF患者平均5.2年的随访发现，ppMVO2每提高10%，死亡率降低30%。通过CPET对HFpEF患者进行早期识别和预后评估，有利于尽早开展疾病随访和健康教育，帮助制定治疗方案，在一定程度上可提高患者长期生存率。

2.2 通过评估预后指导治疗方案的选择

对于终末期心力衰竭患者，CPET一直对评估心脏移植的手术时机具有较高的临床价值，Mancini等[14]对114例终末期心力衰竭的患者进行随访，发现peak VO2<14 ml·kg-1·min-1的患者预后极差(1年和2年生存率分别为47%和32%)，需尽快行心脏移植手术；peak VO2>14 ml·kg-1·min-1的患者与心脏移植术后患者的生存率相当，可暂缓手术。根据2016年国际心肺移植协会标准，peak VO2<14 ml·kg-1·min-1、ppMVO2<50%或VE/VCO2斜率>35，已作为心脏移植的手术指征，对于能耐受β受体阻滞剂的患者，手术指征可放宽至peak VO2<12 ml·kg-1·min-1[15]。Levy等[16]证实，结合peak VO2的多变量评分系统能有效地对左室辅助装置植入术后患者进行预后评估，为手术时机提供可靠的参考依据。此外，有研究显示peak VO2与某些气体交换指标能够较好地反映药物干预作用，包括β受体阻滞剂、ACEI等，CPET与药物的相关性研究在某种程度上对用药方案具有指导意义[6， 17]。除了药物及手术治疗以外，运动锻炼在心力衰竭稳定期治疗中也必不可少，其中运动强度为运动处方的核心，关系到运动的安全性和治疗效果，相关指南指出，根据无氧阈对应的心率和功率制定运动强度，是制定运动处方的原则之一[4]。

3 冠心病评估

冠心病患者的心室功能降低常常先于临床表现(如心绞痛、心电图ST-T改变或超声心动图异常等)出现，而当出现明显症状时，疾病往往已很严重。与静息心电图、冠状动脉CT造影等传统方式相比，CPET提供了一种评估运动性心肌缺血及微小血管病变的独特方法。在运动负荷逐级递增下，心搏量和心率会同时增加以维持心排血量。在正常情况下，氧脉搏会显著增加，摄氧量也会随着功率的增加呈线性增加，斜率约为10 ml·min-1·W-1；而在狭窄血管分布的区域，ATP再生需氧量超过可摄取氧流量，引发心肌氧供需失衡，即使是微小冠状动脉的血流储备受损，都可导致心肌灌注减少，形成可逆的左室功能障碍。因此，冠心病患者行CPET过程中，当运动功率超过诱发心肌缺血的阈值时，每搏量会减少，心率将急剧上升以维持心排。在CPET中，健康人心率与摄氧量会呈线性增加至正常峰值，而冠心病患者表现为心率增加速度相对摄氧量更快，peak VO2、ΔVO2/ΔWR和氧脉搏将提前出现平台期，甚至降低，患者的运动耐力、通气效率和摄氧效率均下降[18]。有研究指出，CPET指标的变化出现在同步心电图ST段异常之前，并显示出比传统负荷心电图更好的预测性和精确性[19]。负荷心电图对心肌缺血的检出多在临床症状发生之后，且缺乏特异性，有一定的假阳性率和假阴性率，尤其是服用β受体阻滞剂后可能导致负荷心电图漏诊率升高。在冠心病早期，静息状态下心功能相对正常，此时患者血管造影多达不到诊断标准(狭窄程度低于50%～70%)，而CPET在运动下诱发心肌氧供需失衡，同时量化心肌微循环缺血时的运动功率阈值，在冠心病的诊断筛查和评估预后方面将有重要价值。

4 肺动脉高压评估

肺动脉高压是由各种原因引起的肺血管床结构和(或)功能改变，即使是在规律药物治疗下其1年死亡率仍高达15%，因此及早诊断和治疗极为关键[20]。肺动脉高压患者行CPET时，可表现为peak VO2、最大运动功率、氧脉搏和无氧阈呈中至重度降低，VE/VCO2斜率显著升高，通气/灌注比例失调和生理无效腔增加是引起各项指标异常的基础[21]。机制包括：(1)机体运动时，为排出生成增多的CO2，分钟通气量增加，肺动脉高压患者因肺循环阻力升高，肺血流灌注降低，导致生理无效腔增加。由于无氧阈提早出现，无氧运动引起乳酸增多，为保持酸碱平衡分钟通气量进一步增加，VE/VCO2斜率异常升高；(2)呼气末二氧化碳分压(PETCO2)与CO2的肺泡分压(PACO2)密切相关，二者均随通气量的增加而下降(过度换气)；(3)CO与peak VO2相关，肺动脉压力升高增加右心后负荷，严重者右室张力增加影响左室充盈压，左心排量减少，使peak VO2呈不同程度降低。Held等[22]对42例慢性血栓栓塞性肺动脉高压患者进行超声检查，有13例患者超声检查呈阴性，而其中12例经CPET检查确诊。对于临界性肺动脉高压(静息mPAP 21～24 mmHg)的患者，由于通气效率降低，CPET能通过运动诱发肺动脉压反应性升高。在不明原因的呼吸困难患者中，无氧阈时VE/VCO2≥60且PETCO2≤20 mmHg强烈提示存在肺动脉高压，因此CPET有助于对肺动脉高压的筛查和诊断[23]。Zhao等[24]通过CPET发现3种类型肺动脉高压之间的心肺功能存在显著差异，先心病型肺动脉高压的始动机制在于体-肺分流导致肺血流量增加，经一系列神经内分泌调节和肺血管重构后，最终引起右向左分流，在运动中其特殊表现为PETCO2急剧下降，PETO2、VE/VCO2和气体交换率(RER)急剧升高。自身免疫性肺动脉高压由于血管弥漫病变，对运动反应性差，且氧弥散障碍，外周肌肉灌注不足，运动耐力和预后明显较先心病型肺动脉高压差。Shi等[25]研究发现，慢性血栓栓塞性肺动脉高压的摄氧效率平台和无氧阈时的摄氧效率较特发性肺动脉高压组明显下降，考虑可能与慢性肺血管阻塞引起无效腔增加和右心后负荷增多有关。在评估肺动脉高压预后方面，多变量分析显示，ppMVO2、肺血管阻力和运动心率增加是其独立预测因素。低peak VO2、高肺血管阻力和低△HR提示预后不佳[ 26]。因此，CPET对于肺动脉高压的早期诊断、预后评估及各种分型的鉴别具有重要意义。

5 运动反应性高血压和低血压评估

运动反应性高血压通常被定义为男性峰值运动收缩压≥210 mmHg，女性≥190 mmHg，在CPET中表现为收缩压增加≥20 mmHg/3.5 ml VO2。其机制主要为运动中交感神经张力过高，主动脉扩张性降低，内皮和舒张功能障碍等[27]。这些人群中有1/3将在5年内发展成原发性高血压。运动诱发舒张压升高，也是即将发生高血压的一个早期表现。2016年，欧洲心血管预防和康复学会/联合美国心脏学会发布的CPET用于特定患者人群的科学声明指出，静息血压正常，但运动中血压异常升高的人群未来发生高血压的风险明显增加[8]。Schultz等[28]统计分析发现，在中等强度运动时收缩压每增加10 mmHg，心血管事件发生和死亡率也会增加4%。此外，在3～5个代谢当量运动负荷下较能反映日常活动中的血压，对评估高血压药物的治疗效果有一定作用。另一方面，运动诱发的血压下降强烈预示交感控制血压的异常或心脏疾病发生，Barlow等[29]的临床荟萃分析显示，任何运动形式或强度下诱发的低血压是致命性心血管事件和全因死亡率的独立预测因子，尤其是运动收缩压下降10 mmHg以上者未来患心血管疾病风险明显升高。

6 小结

目前，CPET的开展和研究在国内尚处于起步阶段，可能与临床医生对CPET安全性的担忧，和操作复杂、普及程度低有关。作为一种能整体、客观、定量评价患者心肺整体功能的工具，CPET对疾病的诊断、预后评估、后续治疗和干预措施等具有独特优势。随着人们对其认识程度的增加，相信在临床上将会有更广泛的应用。

利益冲突：无