心肺運動試驗及其臨床應用

作者：張兆國（北京四季青醫院）

1973年，Wasserman首次報導了心肺運動試驗患者在運動時呼吸氣體變化的參數和心臟適應性調節反應。此後，心肺運動試驗（Cardiopulmonary exercise testing，CPET）綜合應用呼吸氣體監測技術、電子計算機和活動平板或踏車技術，實時檢測在不同負荷條件下，人體氧耗量和二氧化碳排出量的動態變化，從而客觀、定量地評價心肺儲備功能、運動耐力等，為醫師診斷和評估相關疾病和健康狀況提供相應臨床資料。

心肺運動試驗是在運動狀態下綜合評價受試者器官系統整體功能的檢測方法，是一種相對無創性、客觀性評價心肺儲備功能和運動耐力的檢測方法，是世界各國的體質研究和健康體能評價系統中重要內容之一。

1975年，Jones論述CPET在呼吸道疾病中的應用。1982年Weber報導慢性心衰患者，並應用CPET測定數百例。現在CPET廣泛應用於臨床治療。

一．心肺運動試驗

（一）心肺運動試驗方法

心肺運動試驗（Cardiopulmonary Exercise Test，CPET）利用人體外呼吸與內呼吸耦聯原理，通過運動激發受試者增加氧氣吸入和二氧化碳排出，同時應用含有O₂₂₂₂呼出量等氣體代謝測試技術，精確測定運動狀態下外呼吸與內呼吸的氣體代謝異常。由於心肺運動試驗儀的氣體分析器、流量檢測表易於偏移，每次試驗前須對氣流、流量、O₂₂分析器進行定標，減少誤讀性和系統性誤差。許多CPET分析系統可自動校正環境溫度、大氣壓力、空氣濕度等影響吸入氧濃度的因素，正確調整吸入的O₂濃度。因此，CPET系統必須具備準確的呼吸氣體分析模塊、運動單元（踏車及運動平板）和軟體自動分析系統，可自動處理、分析、綜合比較和輸出數據，為了規範CPET的操作，還必須建立標準化定標系統和操作質量控制流程。

操作時要注意患者運動風險初步評估，在患者檢查前要做好準備，推薦在飯後2-3小時檢查，室內溫度20℃～25℃、濕度40～60％。急救設備準備齊全，以備運動中惡性心律失常發生的急救。根據病人的不同，選擇踏車及運動平板為運動模式，由於踏車的安全與方便性，通常在臨床選用踏車方式的比例高。

踏車運動試驗採用分級遞增運動方案（Ramp方案）。運動平板採用的有Bruce方案和Naughton方案。測定VO₂、VCO、呼吸次數、潮氣量，同時監測心電、血氧飽和度和血壓的變化。心肺運動試驗（Cardiopulmonary Exercise Test，CPET）通過運動激發受試者增加氧氣吸入和二氧化碳排出，增加肺通氣（吸進O₂₂₂₂₂₂₂₂交換（內呼吸）四個血液和氣體交換過程（圖1）。

圖1 耦聯外呼吸與內呼吸的氣體機制

人體運動時的生理學反應表現在外呼吸與內呼吸的耦聯過程。人體對氧攝取量的增加是通過心輸出量和肺通氣量的增加來實現的。心輸出量增加是通過每搏搏出量增加和心率增加共同完成的。

人體最大運動時心搏出量可達到靜息狀態下心搏出量的5～7倍。運動早期心搏出量的增加主要是表現在每搏搏出量的增加，每搏搏出量的增加可使心搏出量增加到靜息狀態下的2倍；運動後期的心搏出量增加主要由心率的增加實現的，心率上昇平行於運動強度（氧耗量），心率增加帶動的心搏出量增加可達到靜息狀態下的2.5～3.5倍。

每分通氣量的增加由每次潮氣量和呼吸次數增加所決定，運動早期通氣量的增加由潮氣量決定，後期的通氣量隨著運動強度增加，由呼吸次數增加決定通氣量的增加，最大運動時通氣量可達到靜息狀態下的15倍。靜息時通氣量約0.5L左右，最大運動強度時可達到3L左右，靜息時呼吸次數約為10多次/分，最大運動時的呼吸次數可達到40～50次/分。可見，呼吸系統的儲備能力大於循環系統，最終運動中止的原因往往不是呼吸系統，而是循環系統。

（三）常用指標

有氧運動強度參考的指標較多，不同狀態的受試者可擇情選用。AT值方法的優點在於測定受試者從有氧代謝到無氧代謝的轉折點，運動負荷比最大負荷低得多，無乳酸持續升高從而不會發生代謝性酸中毒，不易發生通氣功能亢進和氣短；血液中兒茶酚胺增加量少，對運動中產生的心律失常影響小，適時準確測定AT值適用中、重程度心臟病的運動療法，以AT值為標準的有氧運動是安全有效的。

圖2 心肺運動試驗時VO2的反應方式及指標

最大攝氧量（VO₂₂₂₂max是最重要的測定參數，因為它確定患者生理反應是否在正常的最大有氧代謝功能範圍內。但很少有人能達到這個標準，而且不是很安全。峰值攝氧量（peak VO₂₂₂₂是推測患者運動已盡最大努力時測得的攝氧量。而當患者達到Peak VO₂後，很多人已難以耐受再長一點時間以達到平台。因此，遞增功率試驗達到精疲力竭時的產生的Peak VO₂₂₂₂₂max 敏感，且相對於用力與否無關，代表著循環系統運輸氧的能力。在康復醫學中，AT點的氧耗經常被用作康復訓練的運動強度，是保證患者在心肺系統適應度內進行有氧安全運動的金標準。呼吸交換率（respiratory exchange ratio, VCO₂/VO_2：RER） VCO₂₂的比值叫做氣體交換率或呼吸交換率（RER），呼吸交換率可經呼吸的氣體交換測定。CPET中的RER可解釋患者運動時的水準：RER超過1.1後結束試驗的患者，通常認為是亞極量的運動試驗；如果患者在1.1之前停止試驗，表明限制試驗的因素不是心臟原因。RER也可為心力衰竭患者提供重要的預後信息：在達到極量心肺運動試驗時（峰值運動時R>1.1），VO₂peak<10ml?kg-1?min-1，反映了該患者運動耐力的明顯降低，而且伴有較高的死亡率。氧脈博（VO由VO₂除以同步測得的心率，氧脈的大小即與每搏輸出量和動靜脈氧差值有關，氧脈可以反映周圍組織提取氧和每一次心跳期間肺血流接納的氧量，也反映了每搏輸氧能力。

代謝當量值（METS）

1METS相當於3.5/kg.min的攝氧量，它是反映心功能和運動強度的指標，常用於心功能的分級和處方中運動強度的選擇。

心率儲備（HRR）和呼吸儲備（BR）

HRR是顯示最大運動試驗終期心率進步增加的潛能，而BR是說明最大運動時通氣反應和最大呼吸能力的關係。我們常把HRR作為判斷是否真正用力的指標之一，若結合BR以及其他指標，還可以診斷是否因為心血管疾患而終止運動。

二氧化通氣當量斜率（VE/VCO₂₂₂₂₂slope表示，表明肺換氣效率。

運動血壓

收縮壓一般隨運動量增加而升高，舒張壓增加不明顯，VO₂每增加3.5ml·min-1·kg-1,血壓增加10mmHg，若血壓隨運動負荷增加反而下降，往往提示有嚴重的心功能障礙。

運動心電圖

運動時心電圖動態改變，包括心率、心律失常和ST段改變。心率是制定分級運動目標的重要指標之一，常用最大預測心率=220﹣年齡（歲）來制定分級運動試驗，運動中和運動恢復期心律失常的監測有助於心血管疾病的危險分層；ST段的水準和下斜型的壓低（≥0.1mv持續80ms）以及ST段的抬高均提示運動誘發心肌缺血的出現，有助於運動訓練的危險控制和危險分層。

二、臨床應用

由於心肺運動試驗需要肺、心臟和肌肉等臟器密切協調的工作始能完成，因此，心肺運動試驗是唯一將心與肺偶連，在運動中同時對他們的儲備功能進行評價的科學工具。它具有無創、定量、客觀和敏感的特點，在很多方面具有重要的應用價值。

1、預測健康人在特殊環境下的風險

健康體檢均是在靜態下做的各項檢查，它不能預測在特殊環境下的意外風險，如運動和高原。心肺運動試驗是觀察人體在劇烈運動下的心肺反應和細胞有氧代謝的能力，因此，它是在實驗室裡觀察運動狀態下的風險信號。高原空氣中的氧分壓降低，對人體的影響類似運動，理論上說，心肺運動試驗可評估人體承受高原的能力。

2、預測發生高血壓的風險

觀察人體在運動時血壓的變化可預測日後患高血壓病的風險。日本學者研究了726例血壓正常、無心臟病史的健康人在運動時血壓的反應，並隨訪平均4.7年，結果發現，運動時血壓反應過度的人在3.6-6.9年內發生高血壓的風險是反應正常人的3-4倍。

3、輔助診斷冠心病

心肺運動試驗作為一個無創檢查，從心電和心功能二個方面來判斷運動狀態下的心肌是否缺血。研究顯示，1、2、3支冠狀動脈病變時，該試驗診斷冠心病的敏感性分別為50％、72％、80％，特異性分別為54％、58％、62％。

4、量化評估心功能不全

心肺運動試驗是早期發現心功能不全的「金標準」。根據最大攝氧量（VO₂max）可將心功能定量分為4級，A級>20ml/min/kg，無或輕度心功能不全；B級=16-20ml/min/kg，輕度－中度心功能不全；C級=10-15ml/min/kg，中度－重度心功能不全；D級<10-15ml/min/kg，重度心功能不全。

5、評估心臟及非心臟手術風險

心肺運動試驗可用於評估非心臟手術風險及心臟手術或移植的手術時機。國外研究證明，當VO₂₂max<15ml/min/kg，手術後常常出現併發症。

6、指導制定運動處方

運動康復是很多慢性疾病在穩定期的重要治療內容之一，如冠心病、糖尿病、慢性阻塞性肺疾病等，它可提高運動耐量，減輕呼吸困難癥狀，提高生活質量。心肺運動試驗在運動康復中的作用是任何檢查都替代不了的。具體作用是：運動風險評估、制定運動處方、評價運動康復效果。

7、個性化運動方法設計

運動的生理效應與運動強度成正比，但過高的運動強度又蘊藏著意外風險。不同的人、不同的疾病、不同的患者運動風險也不同，心肺運動試驗可幫助確定個體化的運動方法設計，以達到最佳運動強度和最低的運動風險。

8、運動員體能測試

心肺運動試驗是觀察人體在劇烈運動下的心肺反應和細胞有氧代謝的能力，因此，它是在實驗室裡觀察運動狀態下的心肺功能儲備和風險信號。理論上說，心肺運動試驗可評估人體承受最大的運動能力。

9、其他

AHA指南強調，對於不能解釋的慢性呼吸困難患者診斷和評估，可以首選心肺運動試驗，分析氣體代謝異常結合心血管數據可以提示肺動脈高壓的可能性，從而結合臨床推測慢性肺疾病或支氣管等疾病導致的慢性肺動脈高壓。