重症心力衰竭患者运动病理生理学特征的临床研究*

陈 荣，孙兴国 ， 张 也 ， 邹昱馨,3， 冯云红,4 ， 马铭欣，夏 蕊，王 冬,4，黄 燕,5，李 浩 ，杨 戈,6

（1.中国医学科学院阜外医院 国家心血管病中心 北京协和医学院心血管疾病国家重点实验室 国家心血管疾病临床医学研究中心，北京 100037；2. 辽宁省大连市妇女儿童医疗中心（集团）， 大连 116000；3. 山东省聊城市立医院儿童医院， 聊城 252000； 4. 江苏省如皋市人民医院心功能科，如皋 226500； 5.中国科学院大学医学院,北京 100049； 6.河南省南阳人民医院，南阳 473000）

随着老年人口增多及社会生活压力加大，心力衰竭的发病人数不断增加，心力衰竭为各种心脏疾病的严重和终末阶段，发病率高，是当今最重要的心血管病之一[1]，严重影响老年人的晚年生活质量。目前心血管病死亡占城乡居民总死亡原因的首位，农村占 44.60 %，城市占42. 51 %，心血管病负担日渐加重，已成为重大的公共卫生问题[2]。目前常以心肺运动试验（cardiopulmonary exercise testing, CPET）作为人体心肺代谢等系统整体功能客观定量评价的唯一手段[3-5]，也是准确反映受试者的最大运动能力，客观定量评价心脏储备功能和运动耐力[6,7]，是评定心力衰竭患者心脏功能的金标准。循环系统的受限表现出人体整体功能的降低，心肺运动试验作为一个评价人体整体功能的检查在心功能评价中有不可替代的作用[8]。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究为回顾性研究，根据2016 年5 月,欧洲心脏病学会及美国心脏病学会/美国心脏协会/美国心力衰竭协会发布的《急慢性心力衰竭诊断和治疗指南》及《中国心力衰竭诊断和治疗指南2014》[1],于2016年10 月至2017 年10 月在中国医学科学院阜外医院就诊的按照纽约功能分级II-IV 级的心力衰竭患者共83 例，在检查前全部签署知情同意书后完成功率递增的症状限制极限运动CPET。

1.2 静态肺功能及CPET 规范化操作

按照Harbor-UCLA 和阜外医院严格质控，每天分别通过系统自身气流、氧气和二氧化碳分别定标以及使用代谢模拟器整体系统定标[9-11]。受试者在医生监护下，使用意大利COSMED 公司PFT Ergo Omnia 1.6.2系统按照标准肺功能操作方法坐位进行肺功能测试：（1）用慢肺活量法测肺活量；（2）用力肺活量法测用力肺活量；（3）用一口气法测定 DLCO[12]。测完静态肺功能后，连接咬口器（非面罩）按照 Harbor-UCLA 医学中心标准化CPET 操作方式对呼吸、循环、代谢的各种无创指标全程监测记录[11,13]：包括静息3 min，热身3 min，然后以10～30 W/min 递增负荷功率直至症状限制最大极限运动，随之恢复5 min 以上。

1.3 CPET 和肺功能核心指标，数据分析

肺功能核心指标：一秒用力呼气容积（FEV1）、一秒率（FEV1/FVC）、用力肺活量（VC）和肺一氧化碳弥散量（DLCO），单位以百分预计值来表示。

1.4 CPET 期间各指标在不同功能状态时的变化

分别取静息、热身、无氧阈、峰值运动及恢复2 min 时的收缩压、舒张压和心率，分钟通气量、潮气量和呼吸频率，摄氧量、氧脉搏和血氧饱和度分别代表人体整体的呼吸、循环和代谢测定指标。

1.5 统计学处理

2 结果

2.1 受试者一般情况

2.1.1 心力衰竭组

上述符合AHA/ACC 及中国心力衰竭诊断标准患者83 例为心力衰竭组，男63 例，女20 例，男∶女=3∶1；年龄（47.2±13.9，14～74）岁；身高（169.2±8.2，150～193）cm,体重（66.1±13.7，40～94）kg。

心力衰竭病人原发疾病诊断相当复杂：83 例患者中仅诊断1 种疾病的8 例，2 种9 例，3 种18 例，4种22 例，5 种11 例，6 种7 例，7 种7 例，8 种1 例。

诊断疾病的种类及治疗：诊断有心肌病47 例（扩张型心肌病34 例，肥厚型心肌病7 例，限制型心肌病6 例），心律失常48 例（房颤28 例，房扑4 例，房颤合并房扑3 例），二尖瓣病变28 例（二尖瓣关闭不全26 例、二尖瓣狭窄2 例），三尖瓣关闭不全22 例，肺高压23 例，冠心病9 例，高血压15 例，起搏器术后14 例，高血脂10 例。

心功能纽约心脏病协会（NYHA）分级情况：83例心力衰竭患者心功能分级（NYHA），心功能II 级15 例，心功能III 级45 例，心功能IV 级23 例。

目前根据中国心力衰竭指南（2014）及相应疾病的中国指南进行心力衰竭及各种原发和继发的疾病的治疗，患者病情稳定。

2.1.2 正常对照组

从本院选取无任何心肺等重要脏器诊断疾病的工作人员11 例。男6 例，女5 例；年龄（33.45±11.13，23～55）岁；身高（169.82±8.77，157～188）cm,体重（65.45±10.79，47～87）kg。

2.2 心力衰竭患者CPET 核心指标

表1. CPET 核心指标不同表示方式及测定值

2.3 心力衰竭患者肺功能核心指标

心力衰竭患者肺功能核心指标VC、FEV1、FEV1/VC、DLCO 百分预计值均显著低于正常对照，除外FEV1/VC（P=0.429），其余指标两组间差异有统计学意义（P＜0.01，表2）。

表2. 心力衰竭患者与正常人肺功能核心指标

2.4 CPET 期间连续测定指标在不同功能状态时的变化

心力衰竭患者心肺运动不同功能状态从系统生理学角度代表着循环（心率、收缩压和舒张压）、呼吸（分钟通气量、潮气量和呼吸频率）、代谢（摄氧量、氧脉搏和血氧饱和度）的指标与正常对照组比较，如图1 所示。收缩压、心率、分钟通气量、潮气量、呼吸频率、摄氧量和氧脉搏在静息、热身、AT、峰值运动、恢复2 min 出现先缓后陡的上升趋势，并在恢复期快速下降，心力衰竭组上升趋势均低于正常组，下降缓慢；舒张压和血氧饱和度则呈现几乎平直趋势。

心力衰竭组收缩压的五个功能状态均显著低于正常对照组（P＜0.05）,舒张压无统计学差异，心率在无氧阈、峰值和恢复2 min 均显著低于正常对照组（P＜0.01），在静息、热身差异无统计学意义。分钟通气量、潮气量和呼吸频率在静息、热身显著高于正常对照组（P＜0.05），在峰值显著低于正常对照组（P＜0.05），无氧阈时差异均无统计学差异；潮气量在恢复期显著高于正常对照组（P＜0.05），分钟通气量、呼吸频率在恢复2 min 差异无统计学意义。摄氧量在无氧阈、峰值和恢复2 min 显著低于正常对照组（P＜0.01），在静息、热身差异无统计学意义；氧脉搏在无氧阈、峰值显著低于正常对照组（P＜0.01），在静息、热身、恢复2 min 差异无统计学意义；脉搏氧饱和在五个功能状态均显著低于正常对照组（P＜0.01，图1）。

图1. CPET 期间连续测定指标在不同功能状态时的变化

3 讨论

随人口老龄化及城镇化进程的加速，中国心血管病呈明显上升趋势，且心力衰竭发病率高、预后差，年病死率高达40 %[25]。2016 年5 月,欧洲心脏病学会及美国心脏病学会/美国心脏协会/美国心力衰竭协会相继发布了《急慢性心力衰竭诊断和治疗指南》[2]。心力衰竭是由于任何心脏结构或功能异常导致心室充盈或射血能力受损、呼吸困难、乏力(活动耐力受限)和液体储留(肺淤血和外周水肿)等[1]。

各种因素导致的心脏损伤均可能引起心力衰竭。心力衰竭病因复杂，并发症较多，本次研究除心力衰竭外的主要诊断有心肌病（包括扩张型心肌病、肥厚型心肌病及限制型心肌病），约占1/2，心律失常约1/2,瓣膜病1/2 等。与其他人的研究有所不同，在香港，高血压、冠心病、瓣膜病、肺源性心脏病所占比例分别为37%、31%、15%、27%[26]。有研究表明[27]冠心病和高血压病为住院心力衰竭患者的主要病因；也有研究[28]显示心力衰竭患者中高血压占54. 6%、冠心病占49. 4 %，居发病因素的前两位。我国和欧美国家均以冠心病和/或高血压为主[29,30]。考虑本研究主要合并诊断并非高血压和冠心病而是心肌病、心律失常，是因为我院为国内一流的心血管病专科医院，以诊治各种复杂、疑难和重症心血管疾病为主，特别是心脏移植的患者较多，故进行CPET 的主体并非一般心血管病住院患者，而心脏移植患者中心肌病患者居多；同时考虑冠心病和高血压的患者常常利用影像学等技术手段进行诊疗，做CPET 进行功能评估的比较少。故纳入患者合并诊断与其他人的研究结果有所偏差。

心力衰竭是由于存在左心功能受限，故在运动期间，随着运动功率的递增，血流量及氧气表现出明显的上升不足，导致三磷酸腺苷（ATP）产生速率增加不足，同时氢离子（H+）和乳酸（Lact-）上升，CO2生成相对过量，pH 值下降，均使肌肉收缩无力、活动受限，表现出易疲劳和呼吸困难。当左心功能下降时，通气血流比例失调，pH 值进一步下降，生理无效腔（VD/VT）上升，导致通气需求增加，也表现出呼吸困难，最终造成运动受限，如图2 所示。

图2. 左心功能衰竭患者CPET 运动期间的病理生理机制

肺功能核心指标除FEV1/VC 外，心力衰竭组VC、FEV1、DLCO 均显著低于正常对照组（P＜0.01）。VC 出现边界性降低，考虑由于心力衰竭患者心脏扩大，在胸腔容积不变的情况下，肺容量相对减少，同时FEV1也相对下降，故FEV1/VC 未见明显改变。心力衰竭患者DLCO 中度下降考虑[20,21]：（1）心输出量降低，血流速率减慢，使得单位时间内通过肺的血液总量降低，可携带走的一氧化碳相对较少；（2）肺弥散膜弥散速率降低：左心衰导致肺淤血、肺水肿，肺泡与间质间弥散膜厚度/距离增加，肺弥散膜弥散速率（DM）降低；（3）肺毛细血管内静水压增加：左心受限，血瘀于肺部，肺毛细血管静水压升高，限制气体由外向毛细血管内的弥散，一氧化碳与血红蛋白结合的反应速率（θCO）有所降低。上述三种效应均会导致DLCO 下降。

CPET 期间连续测定的九个指标在不同功能状态时的变化不同。收缩压作为一个代表着心脏每搏量的指标，心力衰竭患者在五个功能状态下其收缩压均显著低于正常对照组（P＜0.05）；舒张压无明显差异；心率在运动的无氧阈、峰值和恢复2 min 时显著低于正常对照组，考虑在运动功率递增时通过心率升高代偿心输出量，心力衰竭患者由于心脏功能下降或药物的影响出现降低。心力衰竭患者在静息和热身时分钟通气量、潮气量、呼吸频率显著高于正常对照组（P＜0.05）,考虑由于循环功能受累，心输出量下降，为了满足机体基本需要，增加血氧，故通过提高通气量代偿所致；但是在峰值运动时，心力衰竭组各指标均显著低于正常对照组（P＜0.05），考虑心力衰竭患者整体功能的下降。摄氧量作为一个代谢指标，在静息和热身状态下可以满足机体的基本需求，故与正常对照组无差异，但随着功率的递增，通过增加心率已经无法代偿机体的需求，故出现摄氧量、氧脉搏在无氧阈和峰值时显著下降（P＜0.05）。血氧饱和度在五个功能状态均显著低于正常对照组（P＜0.05），由于循环受限，随着运动功率的递增，呼吸系统代偿已无法满足机体对氧气的需求，动脉血氧下降，外周循环出现乏氧甚至缺氧，导致氧饱和度的下降。