第1章心肺运动试验的概述
　　运动对个体的健康和生存是至关重要的，是生活中必不可少的元素。因此，评估个体在运动过程中的机体表现和受限情况是非常重要的。心肺运动试验（cardiopulmonary exercise test，CPET）是一种可以同时观察受试者心血管系统、呼吸系统和骨骼肌肉系统对运动应激反应情况的临床试验。在运动时呼吸系统将氧气从空气中转移到肺循环的血液中，心血管系统通过动脉将含氧血液从肺部运送到肌肉的外周循环毛细血管中，骨骼肌线粒体利用来自外周循环的氧进行有氧代谢而产生能量以促进运动，当有氧代谢产生的能量不足以继续支持运动时，机体开始无氧代谢，有氧代谢和无氧代谢产生的二氧化碳通过静脉循环从骨骼肌反向转运回心脏，随后经过肺循环到达肺部毛细血管，进入肺泡，通过呼气过程排出体外。这一过程对解释和分析CPET生成的数据至关重要。上述系统出现异常时，均可直接或间接影响CPET的数据，包括通气量、摄氧量、二氧化碳的产生及其衍生的参数等。在CPET中，除监测气体交换外，也实时监测受试者的动态心电图、血压和血氧饱和度等指标变化。这些心血管系统相关指标的变化与运动中能量需要急剧增加相关，且与气体交换的监测是相关联的，如通过测量在特定功率负荷下每次心脏搏动中的摄氧量，反映运动中的每搏输出量变化的信息（图1-1）。
　　CPET将生理与机体功能相结合，能很好地解释患者的症状和运动能力。但将CPET参数与生理学联系并理解存在一定难度。例如，射血分数的概念是可以被立刻理解的，但推断影响摄氧量的因素需要更多的思考。运动过程中的摄氧量和二氧化碳的产生取决于通气功能、通气效率、肺泡毛细血管膜扩散、肺血流灌注、心排血量、血红蛋白浓度、线粒体密度和功能、肌肉表现等一些与运动表现有关的因素。综合多种因素使CPET成为最全面的医学评估技术之一，为找到解决问题的综合方法提供了机会。目前CPET充分应用于各种人群，无论是男性还是女性、儿童还是老年人、运动员还是体弱者、单一主诉者还是多种疾病者均可进行CPET。
　　一、心肺运动试验的临床应用
　　CPET中发现的一些问题和参数变化不仅仅反映患者的运动表现和最大运动摄氧量，还被广泛应用于临床诊断、功能能力评估、预后分层、运动处方制订、治疗效果评估、运动耐受性降低的原因诊断、运动病理生理学评估和健康管理。CPET主要的临床用途包括以下方面。
　　（1）对不明原因呼吸困难和运动不耐受的原因进行系统的鉴别诊断。
　　（2）客观、全面地评价心脏病患者的功能状态，应用于心脏病严重程度分级、心脏移植适应证选择、心脏病预后评估等。
　　（3）对于呼吸系统疾病的患者，CPET与肺功能相配合可以为诊断、治疗及评估预后提供非常有用的检测手段。
　　（4）术前风险评估：CPET提供了患者术前运动能力的客观评估指标，并确定了运动受限的原因，可以帮助临床医师判断患者是否适合手术治疗。对于一些年龄较大，手术操作复杂程度较高的患者，CPET中的一些参数还可以帮助医师判定术后的监护级别。
　　（5）CPET可以指导心肺疾病患者运动处方的制订，提供适合的运动强度信息，以避免不适当的应激。
　　（6）动态观察药物、手术、器械和介入治疗的临床疗效，如气体交换参数的测定可以用于评估心脏传导阻滞患者起搏器置入术后的状态。
　　（7）劳动力鉴定。
　　（8）健康监督。
　　（9）运动医学、航天医学等方面。
　　有大量文献支持CPET可应用于特定患者，包括慢性心力衰竭、肥厚型心肌病、原因不明的劳力性呼吸困难、疑诊或确诊的肺动脉高压或继发性肺动脉高压、确诊的慢性阻塞性肺疾病或间质性肺病、疑诊心肌缺血患者，还可评估围术期和术后风险及远期预后等。
　　二、总结
　　虽然CPET在许多方面都有重要的作用，但目前在我国临床工作中其并未被广泛应用。一部分是因为临床医务工作者对CPET认识不足，另一部分原因是具有解读CPET能力的专业人员很少。本书从临床应用角度介绍了CPET的指标解析、报告解读流程、在疾病中的应用等方面内容，希望能帮助临床医务工作者更好地理解和应用CPET。
　　（吴健）
　　第2章心肺运动试验指标解析
　　第一节.摄氧量
　　一、最大摄氧量和峰值摄氧量
　　摄氧量（oxygen uptake，VO2）是指机体单位时间内利用氧的能力，一般用每分钟摄入氧的毫升数或每千克体重每分钟摄入氧的毫升数表示，单位为ml/min或L/min，并由菲克定律定义，即摄氧量等于心排血量×动脉静脉血氧含量差，即CO×C（a-v）O2。在健康或锻炼等情况下，机体利用氧的能力是有上限的，这是由最大心排血量、动脉血氧含量、心排血量分配到参与运动肌肉群的比例及肌肉摄氧能力所决定的。但是，当机体没有足够能力清除有氧代谢和碳酸氢盐缓冲乳酸产生的CO2时，通气能力就成为决定VO2上限的重要因素。
　　最大有氧运动能力也称为最大摄氧量（maximum oxygen uptake，VO2max），最初的定义是在恒定功率运动过程中，随着运动强度继续增加，VO2增加量不足150ml/min时的VO2。但此定义取决于运动时的方案，因此具有一定的缺陷，大多数患者在达到VO2max时，很难再持续运动达到上述150ml/min的标准。在递增运动试验中，VO2max定义为测试者在运动后期循环系统和呼吸系统发挥到最大作用时，VO2不能随着运动功率上升而上升并出现平台，相邻两次VO2的差值（1分钟内）＜150ml/min，为了消除体重的影响也可用千克体重摄氧量表示，即相邻两次VO2差值＜2ml/（kg min）。
　　但一部分患者不能持续运动达到上限，VO2未出现平台，此时最高的VO2称为峰值VO2（peak oxygen uptake，peakVO2）。在功率递增试验中，在达到peakVO2之后，许多人很难坚持更长的运动时间以达到VO2平台，此时受试者因精疲力竭所产生的peakVO2就非常接近VO2max（图2-1）。30岁以后，由于最大心率、每搏输出量、流向骨骼肌的血流量和骨骼肌潜在的有氧代谢能力随着年龄增长而降低，peakVO2平均每10年下降10%。此外，男性的peakVO2比同龄女性高10%～20%，这是因为男性的血红蛋白浓度更高，肌肉质量和每搏输出量更大。peakVO2与运动方案也有关，参与运动的肌群越多，其数值越大，故平板运动一般比踏车运动所测值高10%～11%。因此，考虑到年龄、性别、体格、运动方式等因素对peakVO2的影响，建议采用Wasserman和Hansen等提出的公式计算peakVO2（表2-1）。
　　根据年龄和性别的不同，所有能阻碍氧气从空气到线粒体的运输及其在运动中的利用情况均会导致peakVO2相对于预测值出现一定程度的降低，如慢性心力衰竭、慢性阻塞性肺疾病、肌萎缩侧索硬化、线粒体肌病等，在长时间卧床休息时也是如此。当受试者在功率递增试验中出现双下肢疼痛、胸痛、呼吸困难或乏力等症状而被迫停止运动时，也无法达到VO2平台，其peakVO2称为症状限制性VO2（limitedVO2），此种情况下peakVO2通常降低。一般情况下认为受试者的VO2max低于其预测值的84%是peakVO2下降。peakVO2是非常重要的检测参数，可以确立受试者的最大有氧代谢功能是否在正常生理反应的范围内。无论是否达到预计的peakVO2，其他检测参数均可用于分析运动受限的原因。
　　二、摄氧量与功率的关系
　　VO2增加反映了运动做功时肌肉内细胞对氧的利用情况。摄氧量与功率的关系描述了受试者体外做功时人体内的摄氧情况，提供了从外呼吸到内呼吸的重要信息。
　　一般心肺运动试验采用踏车功率计时，以斜坡式负荷递增方案（RAMP）或每分钟等阶梯式上升时，摄氧量与功率的关系（ΔVO2/ΔWR）曲线也随之上升。Hansen等报道在正常人群中，ΔVO2/ΔWR斜率的变化范围为（10.2±1.0）ml/（min W）。Wasserman等测定的正常范围是（9.9±0.7）ml/（min W）。《中国心脏康复与二级预防指南（2018版）》认为ΔVO2/ΔWR斜率正常范围为8.4～11.0ml/（min W）。对于肥胖者，因其对外做功时需要更多的VO2，ΔVO2/ΔWR曲线较正常体重者向上移动，但还是平行，也就是说，肥胖者ΔVO2/ΔWR斜率正常范围与正常体重者相同。
　　如果受试者肌肉群不能获取进行运动所需要的氧，ΔVO2/ΔWR斜率将表现为较正常者降低且轨迹低平。ΔVO2/ΔWR斜率降低反映送氧能力减退，常见于循环系统疾病患者。因循环系统负责外呼吸与内呼吸偶联，当循环系统疾病患者的肌肉摄氧能力出现异常，或心脏无法适当地增加肌肉所需氧以保证其需要时，将在功率递增运动中出现特异性气体交换异常，可表现为ΔVO2/ΔWR斜率降低。心血管系统疾病患者在低功率水平运动时，VO2随功率增加可正常增加，但在到达运动后期时，即接近最高VO2水平时，VO2随功率增加而增加的速率减慢，ΔVO2/ΔWR斜率降低呈非线性递增或斜率曲线变低平。对于外周动脉阻塞性疾病，其血管狭窄限制了血流增加和氧输送，ΔVO2/ΔWR斜率呈低平线性增加。
　　三、代谢当量
　　代谢当量（metabolic equivalent，MET）是在静息状态下，年龄40岁、体重70kg男性的平均VO2数值派生出来的，即1MET为3.5ml/（min kg）。代谢当量可通过心肺运动试验直接测得，是预测病死率强有力的因子。最大代谢当量女性＜5MET，男性＜7MET时视为异常。运动量＜7MET的患者发生严重左心室缺血的风险是＞10MET者的18倍。对于冠心病患者，如运动耐量达13MET，无论其运动试验结果是否阳性，预后均好；如运动耐量低于5MET，则其死亡率较高。代谢当量也是心脏康复中重要的指标，用于各种活动定量及运动强度判断。
　　四、摄氧量与心率的关系
　　在心肺运动试验中，健康受试者心率（heart rate，HR）随着VO2增加而增快，并呈线性关系，且通过数据点拟合的曲线将指向VO2和HR的预测值的交点（图2-2A）。在运动员（图2-2B）或服用β受体阻滞剂的患者中可见心率增快减少，HR-VO2曲线斜率下降。对于心血管疾病患者，HR-VO2曲线更陡地上升而偏离了较低功率时的直线位置（图2-2C），这意味着在一定的运动水平下心排血量的增加受到影响，不能满足机体对氧的需求，只能通过心率增快进行代偿，这种情况常见于心力衰竭。虽然HR-VO2曲线的弯曲上升不是在所有的心脏病患者中都能见到，但此观测法仍是一项有价值的诊断法，它提示随功率增加左心室功能明显减退。
　　第二节无氧阈
　　无氧阈（anaerobic threshold，AT）的概念最初是由Wasserman等于1964年提出的，运动强度高于无氧阈强度时，体内能量贡献逐渐与代谢性酸中毒有关，进而出现呼吸代偿。AT也被称作第一通气阈（.rst ventilatory threshold，VT1）。
　　随着运动生理学研究的不断深入，AT被定义为人体在递增负荷运动中，VO2达到某一点时，仅依靠有氧代谢供能已无法满足机体的能量需求，而逐渐依赖无氧酵解作为主要供能方式，此时的摄氧量即为AT（图2-3）。然而，这个临界点在不同人群中出现的时机各有差异，取决于多种因素，如个体的年龄和身体功能等。在未经运动训练的人群中，其AT通常出现在50%～60%peakVO2；而在受过运动训练的人群中，可达到更高的运动强度，如65%～80%peakVO2。
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