Max 试验验证症状限制心肺运动试验为最大极限运动进一步临床研究*

张 也，孙兴国,△，刘 方，郝 璐,5，宋 雅,，台文琦，葛万刚，李 浩，石 超，徐 凡，王继楠,，张艳芳,， 周晴晴,，陈 荣,3，邹昱馨,4,5，马铭欣,3，夏 蕊,3，黄 燕,3，谢友红

（1. 国家心血管病中心 中国医学科学院阜外医院，北京协和医学院心血管疾病国家重点实验室，心血管疾病国家临床医学研究中心，北京 100037；2.重庆医科大学附属康复医院，重庆 400050；3.辽宁省大连儿童医院，大连 116000；4.聊城市立医院儿童医院，山东 聊城 252000；5. 河南省人民医院，郑州 450003）

心肺运动试验（cardiopulmonary exercise testing ，CPET）是一种客观、定量、精准的人体整体功能学检测方法[1-8]，把人看做一个整体[1-3]，全面综合精确地评估运动负荷过程中人体心肺代谢一体化联合调控反应，在临床医学领域具有极其重要的价值和应用前景[4-7]。CPET 也被称为症状限制的最大极限心肺运动试验，对心肺运动试验规范化操作[8,9]和对“最大极限运动”准确的评估尤为重要，但对于最大极限运动定义及CPET 中呼吸交换率（respiratory exchange ratio，RER）、血压及心率达到何值作为停止运动的标准目前尚无统一[10-12]。临床工作中既要准确的评估患者的真实状态，又需避免病人处于危险之中，所以我们在进行CPET 检查时，一定强调的是“个体化的症状限制”的最大极限运动[13]，为了客观定量精准的验证患者在CPET 测试的数据是准确的评估数据，对于运动中血压心率及RER 严重不升而被质疑非极限运动的CPET来说，设计一种个体化的验证受试者CPET 数据是否为准确极限运动的方法，首先在受试者完成CPET 后，再次给予受试者自身峰值功率130%的个体化的的恒定功率，使得受试者再次运动至不能坚持，即Max 测试[14]。比较第二次测试的最大数据与峰值数据，探讨验证受试者CPET 峰值数据是否极限运动，不断总结完善操作方法，对临床CPET 最大极限运动数据的准确性给予进一步验证，同时探讨CPET 终止标准。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2017 年6 月至2019 年1 月在中国医学科学院阜外医院完成CPET 后再次施加130%自身峰值功率完成Max 试验的216 例受试者为研究对象。其中41例正常健康受试者，175 例患有心血管疾病。本研究所有受试者均签署本项检查知情同意书。

纳入标准：正常组为阜外医院体检结果未见异常的正常健康人。患者组选择其CPET 检查时峰值RER＜1.10 或整个运动过程中心率和血压严重不升。

排除标准：病情严重非稳定期患者（高危不稳定心绞痛；未控制的严重心力衰竭；有症状的严重主动脉瓣狭窄；严重的心律失常急性肺栓塞或肺梗死，急性主动脉夹层等）。

1.2 一般资料收集

记录研究对象的一般临床资料，包括年龄、性别、疾病、身高、体重等信息，并计算体质量系数（body mass index，BMI）。

1.3 CPET 和Max 方案实施

所有受试者签署知情同意书后，首先完成坐位静态肺功能检查，然后在功率自行车上进行症状限制性踏车运动，同时记录12 导联心电图、血氧饱和度、无创血压、各项肺通气指标[10]，完成症状限制性CPET，恢复期结束后，再给予自身峰值功率130%的恒定功率，鼓励病人尽自己最大可能运动至不能坚持状态，验证受试者峰值数据达到最大极限状态。平均其Max 测试恒定功率运动过程中产生的30 s 的平均数据最大值，用Max 值表示。CPET 数据按照Habor-UCLA 医学中心数据解读原则解读，用10 s 平均数据制作孙氏新九图[15]。CPET 峰值数据用Peak 值表示。运动结束后询问受试者停止运动的原因，并记录其Borg 评分表的评分数。

1.4 受试者完成整套CPET 测试，Max 测试相关指标分析

相关研究表明，人体的自身功能状态在一定时期是相对恒定的，范围在10%以内[16]。计算分析数值：差值=Max 值-Peak 值；差值百分比=（Max 值-Peak值）/Max 值 × 100%。结果评测：（1）若心率和摄氧量任一指标的差值百分比≤-10%（表明Max 值低于Peak 值）则定义Max 试验操作失败，否则为成功；（2）若心率和摄氧量的差值百分比均在-10%～10%,则Max 试验操作成功，证明CPET 数据为极限运动，Peak 值较为准确的评估病人状态；（3）若心率和摄氧量差值任一指标差值百分比≥10%时，则Max 试验操作成功证明CPET 结果为非极限运动，受试者存在未尽力的情况。若条件允许可重新进行CPET 测试，测试超过无氧阈后技术员加强鼓励；若条件不允许，可用Max 最大摄氧量代替结果Peak 摄氧量，用于临床诊疗评估，尤其对于心脏移植，手术风险评估等患者保证所得峰值摄氧量的准确性更好的为临床服务。（注：Max试验给予是130%自身峰值速率的恒定运动，此运动方案下所得摄氧量若受试者尽力且操作无问题的情况下理论上应约等于CPET 递增方案时峰值摄氧量或略高于峰值）。

1.5 研究分阶段进行

1.5.1 研究初步报告60 例受试者

2017 年6 月至2017 年12 月在中国医学科学院阜外医院完成症状限制性最大极限CPET 后再次施加130%自身峰值功率完成Max 试验的60 例受试者为研究对象。其中20 例体检健康者为正常组，40 例心脏疾病患者为病例组。先进行20 例正常组探索实施操作方法，总结一定方法后应用临床40 例患者。

1.5.2 进一步扩大病例及临床研究阶段156 例受试者

2018 年1 月至2018 年10 月（技术员操作相对成熟期间）强化阶段。其中21 例体检健康者为正常组，101 例心脏疾病患者为病例组。

2018 年10 月至2018 年12 月（实验室操作员更换）换新操作员阶段。34 例心脏疾病患者为病例组。

1.6 统计学处理

2 结果

2.1 受试者CPET 特点比较

正常组与病例组整体功能状态评估结果比较如下表1 所示：病例组峰值摄氧量（L/min、ml/（min·kg）、%pred）、无氧阈（L/min、ml/（min·kg）、%pred）、峰值氧脉搏（ml/beats、%pred）、Peak RER、峰值收缩压（mmHg）、峰值运动负荷（W/min）、峰值心率（bpm）、摄氧有效性峰值平台（OUEP）（比值、%pred）低于正常组，差异有统计学意义（P均＜0.05）。二氧化碳通气有效性平均90 s 最低值（Lowest V.e/V.CO2）（比值、%pred）、二氧化碳通气效率斜率（V.e/V.CO2Slope）（比值、%pred）高于正常组，差异有统计学意义（P均＜0.05）。

表1. 病人和正常人CPET 核心指标

2.2 216 例峰值RER 分布情况

病人组Peak RER （0.77～1.42，1.03±0.1）明显低于正常组（1.12～1.53，1.27±0.11）,差异有统计学意义（P＜0.01，t=-8.372）。病例组共175 例患者，其中100 例（57.1%）Peak RER＜1.05，155 例（88.6%）Peak RER＜1.15，20 例（5.0%）Peak RER ≥1.15。

正常组共41 例正常人，其中0 例（0.0%）Peak RER＜1.05，5 例（12.2%）Peak RER＜1.15，36 例（87.8%）Peak RER ≥1.15。其具体分布如图1 表示。

图1. 216 例研究对象完成症状限制性最大极限运动受试者峰值RER 分布情况

2.3 运动持续时间及运动转速

所有（健康和病人）Max 试验成功例恒定负荷功率运动持续时间为（48±13，22～77 ） s，而失败者持续时间为（27±12，8～35 ）s，差异显著（P＜0.05,t=3.326）。成功例转速范围多在60～90 r/min。

2.4 摄氧量差值、心率差值百分比绝对值＞10%原因分析

在初步研究阶段：先行的20 例健康受试者探索Max 试验成功16 例（80%），其中证明CPET 为极限运动12 例（75%）和非极限运动4 例（25%）；失败4 例（20%）。而后对40 例病人临床使用Max 试验成功37 例（92.5%），其中证明CPET 为极限运动34 例（91.9%）和非极限运动3 例（8.1%）；失败3 例（7.5%）。该阶段总试验成功率为88.3%。失败原因为鼓励不足[13]。

中间阶段：122 例受试者中，Max 试验成功116例（95.1%），其中证明CPET 为极限运动111 例,为非极限运动5 例；失败6 例（4.9%）。

后期换操作员阶段：34 例受试者中，Max 试验成功29 例（85.3%），其中证明CPET 为极限运动25 例,为非极限运动4 例；失败5 例（14.7%）。

所有正常组与病例组均安全无任何事件完成CPET 和Max 试验。216 例受试者中，Max 试验成功198 例（91.7%），其中证明CPET 为极限运动182 例,为非极限运动16 例；失败18 例（8.3%）（表2）。

表2. 摄氧量差值、心率差值百分比绝对值＞10%原因分析

3 讨论

本研究结果显示，以心血管疾病为主体的病例组患者峰值摄氧量、无氧阈、峰值氧脉搏、峰值收缩压、峰值运动负荷、峰值心率和OUEP[16-19]均低于正常组，说明患者得到整体功能状态普遍受限。峰值摄氧量、峰值氧脉搏和峰值心率是可以反映循环、呼吸配合的代谢指标。无氧阈是指在递增负荷运动过程中，反映人体内的代谢供能方式由有氧代谢为主开始向无氧代谢过渡的拐点，是反映机体运氧能力的指标。病例组由于疾病影响，无论是呼吸、循环及骨骼肌任一器官系统受限，均影响了其呼吸循环代谢一体的整体功能状态，所以在临床诊断评估患者时需注意树立整体的观念，以人为本全面评估。

在不同学科CPET 指南[20-30]里也分别提到峰值RER 的定为1.05、1.10、1.20 等数值时作为极限运动或尽力程度的指征，但尚无统一结论。Chase 等[31,32]研究心力衰竭患者的峰值摄氧量预后评估中也提到了RER 达到1.10 表明最大努力的提法。美国心脏协会（AHA）指出峰值RER 是评价受试者是否尽力的最为精准可靠的指标，将RER ≥1.10 作为受试者尽力运动的指标，但同时指出不能将其作为终止试验的标准[26]。美国胸科协会（ATS）指出RER＞1.15 被认为受试者是近似于极限运动或者是极限运动[25]。病例组其峰值RER（0.77～1.42，1.03±0.1）明显低于正常组（1.12～1.53，1.27±0.11）,差异有统计学意义（P＜0.01,t=-9.372）。本研究中病例组多为心力衰竭或肺循环等有严重疾病活动受限的患者，我们发现很大一部分患者即使主观上非常配合的尽力运动，其峰值RER也很难达到1.15 或是1.10，病例组共175 例患者，其中100 例（57.1%）Peak RER＜1.05，155 例（88.6%）Peak RER＜1.15,有一部分的患者其峰值RER 也大于1.15，虽然其Peak RER 相对较高，但CPET 功率递增至最大状态的整个过程中血压、心率严重不升，心血管反应严重受限，无法准确判断患者是否到达极限运动，不能确定其评估测定核心指标的准确性。所以决不能以峰值RER、峰值心率和峰值血压特定数据作为停止运动的标准，一方面容易造成运动试验的危险，另一方面因过早停止而使临床测量数据不准确。

通过分析，得到以下原因导致测试失败：（1）患者疾病导致的失败。病例组受试组编号P71、P91、P113、P118 和P127，心率差值、摄氧量差值百分比 分 别 为-12.9% 与4.7%、-0.3% 与-33.8%、0.0%与-29.8%、-7.4% 与-26.6%、2.1% 与-28.7%，Max试验失败，Max 试验不能证明CPET 峰值数据是否为极限运动。分析患者出现此结果的原因为：此5 例患者患者均诊断心衰，其心肺运动试验9 图［33-35］的多个指标（分钟通气量、摄氧量、二氧化碳排出量、呼吸频率和潮气量等指标）呈现典型的波浪式呼吸，符合严重左心衰竭的病理生理表现。波浪式呼吸是部分心力衰竭患者呈现的异常呼吸形式[36-40]，心力衰竭患者的波浪式呼吸最早由Cheney 和Stokes 分别在一百多年前报道［36,37］。这种波浪式呼吸病理生理状态，一般不易逆转，如果选择的时间不恰当，容易造成患者峰值状态时，摄氧量处于波浪式呼吸的下降阶段，使得患者的摄氧量不容易上升或者不上升，从而得到的Max 摄氧量相对较低，测试无法起到证明CPET 的作用。如何避免心力衰竭患者波浪式呼吸的影响？施加Max 试验的功率的时间是否不用卡定5 min 的时间，选在波浪的上升阶段还是波浪的下降阶段，或者是如何根据个体化呼吸波浪的时间宽度选定，这些问题需要我们进一步扩大此类患者数量做进一步研究，来找到其中的规律。（2）转速的问题。病例组受试者（编号P165）摄氧量差值、心率差值百分比分别为-11.3%、-13.2%，Max 试验失败，Max 试验不能证明CPET 峰值数据是否为极限运动。该患者诊断为冠心病，高脂血症，2 型糖尿病。分析患者出现此结果的原因:该患者在开始Max 试验后的10 s 内，蹬车转速平均127 r/min；且总蹬车时间不足25 s。患者本来属于心血管疾病患者，蹬车的速度过快后很快的停止，所以导致克服阻力的时间过短。应保证患者蹬车的速度在60～90 r/min，以患者蹬车最舒服的转速进行Max试验。提示对于操作者不要一味地要求患者尽可能快蹬，作好导演和鼓励者的角色，使患者在转速在60 r/min 以上，90 r/min 以下保证患者用最适合自己的转速进行，同时操作者在旁鼓励，不要一直用“加快，加快”的词语，使得患者速度过快而导致试验失败。（3）患者坚持的时间。病例组受试组编号P151、P166、P170 和P171，心率差值、摄氧量差值百分比分别为-0.5%与-32.3%，-10.6%与-22.4%，-0.8%与-27.9%和-2.0%与-38.6%。Max 试验失败，Max试验不能证明CPET 峰值数据是否为极限运动。分析患者出现此结果的原因为：Max 试验操作鼓励程度不够，受试者Max 试验坚持时间均少于35 s。由于Max试验的功率相对较高，如果不给予受试者足够的鼓励，会非常容易产生疲劳感，以至转速减慢很难维持，导致Max 的摄氧量未明显上升而失败。属于前期试验阶段的鼓励不足，该失败的几例多为实验室技术操作员更换，对技术方法不熟练，由结果3.2.2 可得，应保证Max 试验有效的运动尽可能维持50 s 以上。（4）对技术员操作方法的培训。P151、P166、P170 和P171, P143、P146、P147、P148，CPET 峰值摄氧量和峰值心率与Max 最大摄氧量和最大心率的差值百分比较大属于新的技术员对该方法应用不熟练。对于结果2.4 不同阶段失败率分析我们可以看出，前期初步试验阶段初步摸索方法后的操作失败率为88.3%，总结一定技术方法后，扩大病例应用临床病人，技术员操作熟练后在116 例受试者中成功率达到95.1%，且如果去除患者疾病特殊呼吸模式的影响，成功率可达到99.2%，可验证CPET 峰值数据的准确性。当实验室技术员工作原因更换时，虽然在操作时，交待新技术员一定的操作要领，但该方法成功率仍仅到达85.3%，可见对于技术员的培训尤为重要。（5）Max 测试的试验成功，但验证CPET 峰值数据为非极限运动数据。Max 试验数据高于CPET 峰值数据10%，Max 测试的试验是成功的，证明CPET 为非极限运动，CPET 测试时患者并未尽力。病例组编号P143、P146、P147 和P148 摄氧量差值、心率差值百分比绝对值至少有一项＞10%，此结果验证CPET 峰值数据为非极限运动数据，在CPET 过程还有空间可以继续坚持。说明受试者Max 试验前的CPET 测试并未尽力，该CPET 的峰值数据是不准确的。临床指导如果受试者条件允许可以重新做一次CPET，如果受试者条件不允许，即计算Max 试验摄氧量最大值代表CPET 峰值摄氧量，这样使得临床评估报告的结果更为准确，对于部分整体功能状态很差的患者来说，准确的数值评估对于其病情诊断、预后预测等具有极为重要的意义。

操作方法小结：本研究选取的216 例受试者，鼓励不足在Max 试验失败的原因中占比最大，可较好的应用于临床实践。对于当前国内其他试验室来说如果想实行这种方法安全有效地验证CPET 评估结果的准确性，规范化的质量控制[2]和严格地操作标准尤为重要。对于操作者来说首先Max 试验开始前充分交待CPET 是一个极限运动，运动过程中尤其无氧阈状态以后一定要尽可能加强鼓励，当运动至峰值状态发现其CPET Peak RER＜1.10 或者整个运动过程中心率、血压严重不升甚至无反应时，在CPET 恢复期5 min 后，准备进行Max 试验，首先让患者空蹬至转速60 r/min以上，保持最适合自己的蹬车速度可在60～90 r/min，然后施加130%自身峰值恒定功率运动，拍手打着节拍，口喊加油鼓励患者，关注血压和心电图的情况，在保证安全的情况下尽最大可能鼓励受试者，直到蹬不动，或转速不能维持40 r/min，此过程尽量鼓励患者，使患者Max 试验的持续时间尽可能保证在50 s 以上，以保证Max 试验的成功验证。停止运动后评价Brog 主观疲劳程度量表评分及停止运动的原因。随后结合分析摄氧量差值、心率差值百分比综合分析患者CPET 结果是否为准确的极限运动结果，并给予不同的临床评估结论。Max 试验不以特定的血压、心率和RER 等指标为终止运动的标准或者作为其最大极限运动的证明，不用主观劳累程度，是以受试者自身的功能状态为标准实行的个体化客观定量的评估方法来验证CPET 峰值数据是否真实准确地反映最大极限运动状态的结果。

本研究的局限性：（1）Max 测验是在CPET 整个过程结束后再次施加的恒定功率运动，受试者会有一定的疲劳感；（2）本次初步研究纳入样本量较小，接下来有待进一步扩充样本量进行研究，不断完善Max 测验的操作及分析方法。

综上所述：CPET 应该是个体化的症状限制的极限运动，而不是定义RER、心率或血压达到某值作为判断是否为最大极限运动的指标。Max 试验操作方法在保证安全的前提下，从个体化客观定量精准的角度得出明确的证据，保证我们得到的CPET 峰值数据可用来准确评估患者整体功能状态，对疾病诊断和预后预测，寻找可靠的危险分层指标等具有重要的意义。