特发性脊柱侧凸心肺运动试验的研究进展

范起萌，周 璇，杜 青,2

1.上海交通大学医学院附属新华医院康复医学科(中国上海 200092)；2.上海交通大学医学院附属新华医院崇明分院康复医学科(中国上海 202150)

脊柱侧凸是指脊柱在冠状面上横向弯曲，是一种脊柱的三维畸形[1]。其中，特发性脊柱侧凸，即病因不明的脊柱侧凸，是最常见的脊柱侧凸类型，患病率为2%～3%[2-3]。研究结果[4-5]表明，特发性脊柱侧凸可引起胸腔结构扭曲、脊柱偏移缩短和椎体旋转等病理改变，影响心血管和呼吸系统的功能。1981年，Chong等[6]首次将心肺运动试验(cardiopulmonary exercise test, CPET)引入青少年特发性脊柱侧凸患者，指出脊柱侧凸Cobb角小于30°的患者会出现心肺运动耐力降低。有研究[7-10]发现，无明显症状的轻度至中度特发性脊柱侧凸患者存在运动能力下降和异常的通气模式改变，随着病情的进展，胸部畸形引起的心肺功能损害限制患者的运动能力，严重的先天性脊柱侧凸患者甚至会发生肺心病[11-14]。

近年来，CPET在临床已得到广泛应用。CPET可以在强化运动中测量代谢功能、心血管和通气对运动反应的参数，以明确呼吸困难和运动不耐受的原因，评估疾病的严重程度、康复治疗情况和术前状况[15-16]，而有关特发性脊柱侧凸患者心肺运动功能的研究较少。本文主要阐述特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力降低的特征、原因，不同干预方式对特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力的影响，以及CPET在特发性脊柱侧凸患者中的应用特点和局限性。

1 特发性脊柱侧凸患者的心肺运动耐力特征

对于特发性脊柱侧凸患者CPET的相关研究发现，即使是轻度和中度的特发性脊柱侧凸患者也存在心肺运动耐力的降低，心肺运动耐力水平与脊柱侧凸严重程度相关，在运动过程中患者代谢功能及心血管和通气参数发生特征性的变化。

1.1 轻中度特发性脊柱侧凸

轻中度特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力降低主要表现为运动期间氧摄取效率和呼吸效率低下，呼吸频率增加，运动持续时间缩短，凹侧肋间肌和膈肌的肌电活动明显减少[7-10]。但是也有研究[17]认为，特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力与同龄人对比无显著差异，目前的研究仍然存在争议。Barrios等[8]纳入了37例Cobb角在20°～45°的特发性脊柱侧凸患者，研究发现脊柱侧凸组最大摄氧量较健康对照组下降23%，在CPET期间女性脊柱侧凸组氧通气当量高于健康对照组，提示脊柱侧凸患者氧的摄取效率降低，通过增加呼吸频率提高通气量。Bas等[18]研究纳入97例女性主胸弯的轻中度特发性脊柱侧凸患者，研究结果显示，Cobb角在25°以上的患者存在最大摄氧量降低。但Mahaudens等[17]研究认为，轻中度青少年特发性脊柱侧凸患者在跑步机行走时的耗氧量与同龄人无差异；与正常对照组相比，青少年特发性脊柱侧凸患者存在肩部、骨盆和髋部的运动限制，要多消耗30%的体力来确保平时的运动能力，导致能量消耗的增加和肌肉效率的降低。因此，需要进一步研究来验证这些结论。

1.2 重度特发性脊柱侧凸

重度特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力降低主要表现为运动期间通气量增加、心率储备降低，患者达到最大运动量时呼吸肌和下肢肌力降低，严重者可有血氧饱和度和潮气量的显著下降[11,12,14]。Lorente等[14]指出，Cobb角大于45°患者与Cobb角小于45°的患者对比，最大摄氧量显著降低；严重胸椎侧凸畸形的患者，尤其是脊柱侧凸角度大于100°，CPET的参数如最大运动功率、心率储备、血氧饱和度和潮气量均显著降低。然而，Shen等[4]的研究指出，心肺运动耐力似乎与胸部Cobb角的大小无关，胸部Cobb角60°以上的女性特发性脊柱侧凸患者在CPET期间血氧饱和度较低；胸部Cobb角在50°以上的女性特发性脊柱侧凸患者CPET期间呼吸频率和每分钟通气量较高，呼吸储备较低，表明在CPET期间胸部Cobb角较大可能对通气和气体交换产生有害影响。侧凸畸形的严重程度与运动期间脊柱侧凸患者的通气功能限制成正比[19]。

2 特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力降低的原因

目前，关于特发性脊柱侧凸患者运动耐力下降的原因包括通气限制、肌肉功能障碍和心血管功能失调3个方面[4,8,12,20]。Barrios等[8]研究表明，由于脊柱侧凸椎体扭转、正常胸椎后凸角度减小和胸廓畸形限制脊柱的运动，导致呼吸活动受限与肺泡通气不足。患者在测试期间氧通气当量增高，而氧的摄取效率降低，身体必须通过增加潮气量来增加通气能力；当潮气量达到最大值时，患者通过加快呼吸频率增加通气量，通气量更接近最大通气量，而呼吸储备减少。随着运动强度的增加，身体接近无氧阈值时，乳酸开始积聚，刺激交感神经反应，导致血管收缩和身体疲劳，因此，通气功能受限是特发性脊柱侧凸患者运动耐力受损的主要原因[8,21]。随着脊柱侧凸严重程度的增加，心血管系统相关的参数(如氧脉搏、心率储备和收缩压)出现显著降低，甚至出现心力衰竭，此时心血管功能失调可能是心肺运动耐力的主要原因[4,8]。Ramírez等[9]认为，肌肉功能障碍是特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力降低的主要原因。特发性脊柱侧凸组患者与健康对照组相比最大通气量降低，但患者的最大通气量接近预计值的63%，且达到最大心率的90%，患者的通气功能限制和心血管功能失调不会造成运动终止，所有患者均因腿部疲劳终止运动。Martínez-Llorens等[12]报道，特发性脊柱侧凸患者存在明显的心肺运动受限，在运动高峰期的通气储备相对较高，血氧饱和度未见变化，而最大摄氧量与呼吸肌和周围肌肉力量呈正相关。多元回归分析表明，下肢肌肉功能障碍是运动不耐受的主要原因。Mohammadi等[10]研究结果显示，呼吸运动受限导致肺泡换气不足。呼吸肌力量的降低可能是脊柱侧凸患者心肺运动耐力降低的主要因素[22]。

总之，究竟何种因素在特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力降低中起主要作用，目前尚无具体研究进行深入探讨，特发性脊柱侧凸患者运动过程中临床表现的差异，可能与疾病的不同阶段或者测试方式的不同有关[4,9,12]。

3 不同干预方式对特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力的影响

特发性脊柱侧凸的干预方式主要包括支具治疗、运动疗法和手术治疗[3]。不同的干预方式可能对特发性脊柱侧凸患者的心肺运动耐力产生不同的影响，支具的佩戴可能暂时性使患者心肺运动耐力降低，脊柱融合术对患者心肺运动耐力的影响较小，而运动可以提高特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力水平。

3.1 支具治疗

支具治疗是特发性脊柱侧凸患者较常用的治疗手段。一项为期13周的纵向研究[22]评估了佩戴支具对中度青少年特发性脊柱侧凸患者最大心肺运动功能的影响。支具治疗12周后，女性患者在进行CPET时摄氧量下降10%～20%；治疗结束去除支具后，所有变量都趋向于正常。但也有研究[15,23]测试佩戴支具患者的心肺运动耐力和肺功能，发现最大摄氧量和肺功能降低，但对比对照组无统计学意义。Pajak等[24]研究结果显示，佩戴支具的特发性脊柱侧凸患者运动期间的最大运动功率显著降低。长时间佩戴支具会引起腰背肌萎缩伴肌力下降、腰背部疼痛、胸廓畸形加重、心肺功能下降等并发症，影响患者的生活质量[25]。因此，支具佩戴期间可影响特发性脊柱侧凸患者的心肺运动耐力，但是对患者的长期影响较小。支具佩戴时间的长短对患者心肺功能的影响仍有待进一步研究[3]。

3.2 手术治疗

脊柱后路融合术对特发性脊柱侧凸患者心肺功能的影响一直是手术考虑的风险因素, 但手术矫正不能显著提高脊柱侧凸患者的心肺运动耐力。Ramírez等[9]研究发现，手术矫正后青少年特发性脊柱侧凸患者的心肺运动耐力没有明显改善；而Sperandio等[26]认为，不是手术治疗而是肺功能和呼吸效率的降低导致青少年特发性脊柱侧凸患者的最大摄氧量降低。Jeans等[27]的研究发现，特发性脊柱侧凸患者的最大摄氧量在融合手术前后均在正常范围内，但是术后呼吸频率稍有增加，总体最大运动功率稍有减少，但仍可适应胸部畸形的限制；活动水平是影响融合手术后患者心肺运动耐力的因素，而不是脊柱侧凸畸形的严重程度。

3.3 运动

特发性脊柱侧凸患者通过运动可以提高心肺运动耐力。对轻度青少年特发性脊柱侧凸的女性患者进行强化的运动测试，发现6周有氧运动后患者的最大摄氧量增加17%，提示青少年特发性脊柱侧凸患者尽早进行有氧运动可对心肺功能产生积极影响[18]。另一项研究结果[26]表明，青少年特发性脊柱侧凸患者在行走过程中运动能力的降低与肺功能下降和呼吸模式受损相关，建议患者进行以步行为基础的有氧训练。在佩戴支具期间进行适度的体育锻炼，可以抵消胸腔运动限制造成的呼吸、心血管和肌肉效率低下，尤其是女性患者[22]。可以通过有氧运动训练来提高青少年特发性脊柱侧凸患者手术前后的心肺运动耐力，建议患者在专业人员指导下进行规律的有氧运动[8,13]。但目前对脊柱侧凸患者心肺耐力进行运动干预的研究较少，且干预的时间和剂量仍未明确。

4 特发性脊柱侧凸患者CPET的应用特点和设备选择

目前，特发性脊柱侧凸患者进行CPET还没有规范的指导方针，各个研究中涉及的终止试验的标准也不尽相同。特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力测试的设备需要根据患者的能力水平和测试的目标进行选择，还需注意儿童和青少年特发性脊柱侧凸患者评估的特殊性。

4.1 CPET的应用特点

特发性脊柱侧凸患者进行CPET期间，由于儿童在测试结束时很难达到摄氧量平台期来确定最大努力程度，最大摄氧量的获得可能更多的取决于儿童的配合程度和临床医师的测试经验[16,28]。最大摄氧量被认为是患者尽到最大努力的重要指标，可以通过患者极量运动直接测定，也可以进行次极量运动测定，根据心率等指标间接推测最大摄氧量。特发性脊柱侧凸患者达到最大摄氧量可以结合客观和主观的终止标准进行综合判断，对于客观的终止标准并不统一，目前的研究多根据美国胸科协会及美国胸科医师协会制定CPET的指南选择测试方案。客观标准包括血氧饱和度小于90%、达到最大心率、呼吸交换比大于1.00、心电图出现缺血型ST段压低和心率储备小于15次/min，主观标准包括患者体力不支无法维持运动速度、显著气促、胸闷或心前区疼痛、面部潮红、骑自行车不稳，以及明显不愿意继续进行测试[8,13,29]。早发性特发性脊柱侧凸的患者可进行次极量递增负荷试验，利用心率与摄氧量之间的线性关系预测最大摄氧量，但需要达到最大心率的(85±5)%[30]。

4.2 CPET的设备选择

目前，心肺运动耐力试验主要集中在青少年特发性脊柱侧凸患者，设备的选择包括运动平板和功率自行车，研究多应用功率自行车进行测试。该测试不易受患者生理功能的限制(如异常的行走模式、踝关节和膝关节疼痛等)，心电图和血压测量不易受到干扰，且功率自行车对比运动平板相对廉价且安全[9,11,29]。但是，Millet等[31]发现，踏车试验达到的最大摄氧量比运动平板低7%～15%，运动平板涉及普遍熟悉的运动技能，能最大限度地动员脊柱侧凸患者大肌群参与运动，潜在地增加了机体对氧气需求，从而使摄氧量达到较高的水平[31-32]，但运动平板对儿童来说安全性相对较低、体积大、便携性有限，对患者的耐受程度和配合度要求高。运动强度需要达到极量运动或根据次极量运动预测患者的最大摄氧量，增加了试验实施的难度[33]。因此，对于特发性脊柱侧凸患者心肺运动耐力的测试，需要考虑患者的运动水平和研究的目的进行合适的选择。

5 小结

由于脊柱侧凸患者青少年时期进展风险高，随着脊柱畸形的进展可能对患者的心肺运动功能产生不可逆的影响，因此需要科学评估患者心肺运动耐力水平。CPET有助于早期发现脊柱侧凸患者心肺运动耐力降低的特征和原因，从而有针对性地进行康复治疗，以便在脊柱侧凸进展之前减轻对患者健康的影响，防止病情进一步恶化。鉴于运动在儿童和青少年成长中的重要性，建议患者不应回避运动，而应鼓励患者在专业人员指导下提升心肺运动耐力。目前，关于脊柱侧凸心肺运动耐力长期随访研究较少，未来需要进行更大样本量的研究和更长时间的随访了解患者心肺运动耐力的变化。