1、心肺运动试验Cardiopulmonary exercise testing (CPET),张灵叶,概述,心肺运动试验（cardiopulmonary exercise testing，CPET）是指在特定的运动负荷下，通过收集受试者呼出的气体并加以分析，监测机体在运动状态下的各项指标，并同步心电导联监测心电变化，综合评价心肺等器官系统的整体功能和储备能力1，与常规肺功能和一般心脏负荷试验不同。,历史,经典的道格拉斯气袋法(Dagalas bag)：早期由于没有流量传感器和气体分析器，所以气体代谢测试采用多个测试气袋，受试者的呼出气体经过三通单向阀全部收集到道格拉斯气袋中，每隔一定时间(30秒
2、或1分钟)更换一个气袋，这样整个测试过程就需要几十个气袋。测试完成后，使用化学分析方法分析气袋中的氧和二氧化碳的成分和数量，整个过程缓慢而且非常繁琐。,历史,混合气袋法(Mixing-bag)：由于经典的格拉斯气袋法不能做到测试数据的实时(On-line)分析，于是有人就提出呼出气的动态混合概念，即混合气袋法(Mixing-bag)，借助于当时的苹果II计算机、电子气体浓度分析器和流速传感器，在测试的同时得到了气体代谢的数据。这是气体代谢测试技术的一次大的飞跃。混合气袋法比较符合道格拉斯气袋法，缺点是动态性能差，反映迟钝。适合于稳态功率负荷的试验，但该测试方法不能满足短时间快速精确的测量。,历
3、史,每口气法(Breath by Breath)：随着气体浓度分析器分析速度的不断提高，科学家通过提高采样速度减少混合室的大小，获得了和传统混合气袋法一致的测试结果，于是就出现了每口气测试法(Breath by Breath)，即分析每一口呼出气的气体成分和通气量，这样大大改善了混合气袋分析的动态性能，克服了传统混合气袋法反应迟钝，测试样本少的缺点，成为测试技术上的又一次大飞跃。,概述,CPET始于20世纪50年代。1973年Wasserman2等初步介绍了呼吸系统参数的“每次呼吸法”测定方法。1975年Wasserman3进一步提出，所有的运动均需要心肺协调和周围循环与肺循环的协调来完成气体
4、交换作用。近20余年来，随着科学技术的迅猛发展及流行病学研究的深入，CPET能无创、定量、敏感地评测呼吸系统、循环系统及肌肉摄氧能力之间的关系，并且全面综合地评价全身运动耐力，进而更加广泛深入地应用于指导康复治疗，评定康复治疗效果等。,概述,目前，对于心肺运动试验在临床上的应用价值已研究多年，它可以反映人体的气体代谢能力、最大运动能力，揭示心肺病理和病理生理，指导心肺康复和出院后治疗。但是在外科术前预后，及其它系统（如，中风后患者、肿瘤患者等）的具体评定方法、运动训练方案等，仍需要进一步深入研究。,测试系统,随着电子计算机和电子传感器技术的发展，运动负荷、心电图和气体代谢变化的测量有机结合产生
5、了CPET（运动负荷气体交换法）。CPET包括运动气体代谢分析和运动心电负荷试验两部分。,测试系统,气体代谢测试通过采集气体样本，使用一口气法、每次呼吸法、运动过程中内呼吸法、动态流量环等多种分析法，获得每口气中摄氧量、二氧化碳排出量等参数，评测运动过程中心脏、肺脏及肌肉的功能及协调能力；心电负荷试验通过监测安静和运动状态下的心电反应，为心脏功能及其病理研究提供重要参考依据。,评估指标摄氧量 (oxygen uptake，VO2),最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）和峰值摄氧量（peak oxygen uptake，Peak VO2）是机体有氧代谢能力的两项
6、重要指标。VO2max是指在最大努力运动时摄取的最高氧量，Peak VO2指运动过程中出现摄氧量的最高值，正常人两者数值接近。由于最大运动平台极难出现，通常采用Peak VO2表示最大有氧能力。一般来说，Peak VO2占预计值百分比84%提示Peak VO2下降。,评估指标代谢当量 (metabolic equivalent，METs),METs是运动生理学和康复医学领域中最常用来表达各种活动时的相对能量代谢水平的指标，1MET相当于正常成人安静坐位状态下的VO2（平均为3.5ml/kgmin）。,评估指标代谢当量 (metabolic equivalent，METs),判断体力活动能力和预
7、后。将运动试验所能达到的最高VO2折算为METs或采用间接判断方式确定METs，用以判断体力活动水平和预后以及是否手术治疗的选择参考。,判断体力活动能力和预后,5METs 65岁以下的患者预后不良5METs 日常生活受限，相当于急性心肌梗塞恢复期的功能储备10METs 正常健康水平，药物治疗预后与其它手术或介入治疗效果相当13METs 即使运动试验异常，预后仍然良好18METs 有氧运动员水平22METs 高水平运动员,表示运动强度，制定运动处方,运动强度靶心率问题：运动时测定困难；心血管活性药物广泛使用，心率反应难以直接反映运动情况代谢当量表示运动强度/控制能量摄取与消耗比例，例如糖尿病和肥
8、胖症的康复，采用代谢当量是最佳选择。,METs和热卡的关系,热卡是指能量消耗的绝对值，代谢当量是能量消耗水平的相对值，两者之间有明确的线性关系：热卡METs3.5kg200,METs应用,确定每周能耗总量（运动总量）以及运动训练次数或天数。将每周总量分解为每天总量。确定运动强度，查表选择适当的活动方式。将METs总量分解到各项活动中，形成运动处方。,患者男性，肥胖症，100公斤，计划减肥500克/周，每克脂肪热价9千卡，需要额外消耗4500千卡。计划每周锻炼5天。4500千卡5天=900千卡/天。900千卡=520METs确定采用步行作为主要锻炼方式，每天2次。查表知步行4公里/时=3METs
9、，6.5公里/时=5.6METs步行4公里/时作为准备活动：315=45METs步行6.5公里/时作为基本训练：5.630=168METs步行4公里/时作为准备活动：320=60METs273METs/次2次 = 546METs,区分残疾程度,最大METs5作为残疾标准。,指导日常生活活动与职业活动,确定患者的安全运动强度之后，查表选择合适的活动。职业活动(每天8小时)的平均能量消耗水平不应该超过患者峰值代谢当量的40%，峰值强度不可超过峰值代谢当量的70%80%。,指导日常生活活动与职业活动,7METs：可参加重体力劳动，METs 2.83.2，峰值METs 5.66.45METs：可参加中
10、度体力劳动，METs2.0，峰值METs4.034METs：可参加轻体力劳动，METs1.21.6，峰值METs 2.43.223METs：休息时无不适，可参加坐位工作，不能跑、跪、爬，站立或走动时间不能超过10%工作时间。,常用METs值,生活活动修面 1.0 步行1.6公里/时 1.5-2.0自己进食 1.4 步行2.4公里/时 2.0-2.5床上用便盆 4.0 散步4.0公里/时 3.0坐厕 3.6 步行5.0公里/时 3.4穿衣 2.0 步行6.5公里/时 5.6站立 1.0 步行8.0公里/时 6.7坐床边 2.0 骑车(中速) 5.7,常用METs值,自我护理坐位自己吃饭 1.5
11、备饭 3.0上下床 1.65 铺床 3.9穿脱衣 2.5-3.5 扫地 4.5站立热水淋浴 3.5 擦地(跪姿) 5.3挂衣 2.4 擦窗 3.4园艺工作 5.6 拖地 7.7劈木 6.7,常用METs值,职业活动 秘书(坐) 1.6 焊接工 3.4机器组装 3.4 轻的木工活 4.5砖瓦工 3.4 油漆 4.5挖坑 7.8 开车 2.8,娱乐活动的代谢当量,交谊舞(慢) 2.9 排球(非竞赛性) 2.9交谊舞(快) 5.5 羽毛球 5.5有氧舞蹈 6.0 游泳(慢) 4.5跳绳 12.0 游泳(快) 7.0 网球 6.0 乒乓球 4.5,娱乐活动的代谢当量,织毛线 1.5-2.0 桌球 2.
12、3打牌 1.5-2.0 弹钢琴 2.5缝纫(坐) 1.6 长笛 2.0写作(坐) 2.0 击鼓 3.8手风琴 2.3 小提琴 2.6,评估指标通气当量,二氧化碳通气当量是指呼出1升二氧化碳时，所需要的通气量（ventilation，VE），即VE与二氧化碳排出量（carbon dioxide output，VCO2）比值，简写为VE/VCO2。通常VE/VCO2斜率更具有临床意义，且不受运动模式和测试方案影响4，VE/VCO2斜率30被认为是正常范围。氧通气当量是指排出1升氧气时所需要的VE，简写为VE/VO2,评估指标无氧阈 (anaerobic threshold，AT),AT是指体内无氧
13、代谢比值突然显著升高的临界点。未达AT前，VE的增加与摄氧量、二氧化碳排出量及运动量相关；而达无氧阈后，VE/VCO2比VE/VO2更相关，故当VE/VO2急剧升高时，而VE/VCO2没有立即升高，以此时间点来测定AT，是目前认为的最敏感方法。,评估指标氧脉搏 (oxygen pulse),也是重要参数之一，不是直接测量获得，而是通过VO2除以同步测定之而来心率（heart rate，HR），即VO2/HR。VO2/HR指心脏每搏动一次周围组织所能摄取的氧量或进入肺-血液中的氧量，反映心脏每次搏动输出的血量所摄取的氧量，常以ml/次表示。氧脉搏越高说明心肺功能越好，效率越高。,评估指标呼吸交换
14、率 (respiratory exchange rate，RER),RER是指肺内VCO2与VO2之比值(VCO2/VO2)。峰值RER1.10通常表示受检者尽到努力，但不是终止指征1。,评估指标摄氧量与功率（oxygen uptake related to work rate）,临床应用心血管系统,心血管系统的主要功能是气体交换，向工作肌群供给氧气和其他能源，并将代谢产生的二氧化碳清除。大部分心血管障碍患者的CPET参数主要表现为PeakVO2和AT明显降低，VO2与功率（work rate，WR）的比值（VO2/WR）降至正常值（10ml/min/W）以下。CPET为心衰患者和成人先心病（
15、adult congenital heart disease，ACHD）患者提供了强有力的预测信息。,临床应用呼吸系统,CPET应用于呼吸系统疾病诊断及预后的优越性在于，通过运动诱发患者的病理性改变，分析得出参数，如Peak VO2、VE/VCO2、血氧饱和度（blood oxygen saturation，SPO2），协助做出更客观准确的判断。此外，CPET可以很好地预测COPD患者和肺动脉高压患者死亡率。,临床应用其他系统,CPET对于协助诊断线粒体性肌病也有其特异性。患者在静息时的数据与健康人相似，但达到峰值运动时，线粒体性肌病患者的运动能力及VO2显著偏低，虽然心输出量差异不大，全身动
16、静脉氧差却显著偏低。此外，最具特征性的指标为心输出量改变和VO2改变之间的斜率显著增加，约为健康人3倍。,临床应用其他系统,心因性障碍（psychogenic disorders）患者的CPET参数显示，有正常或者接近正常的运动耐力，在静息或者预测试时出现与代谢反应水平不相符的规律且浅快的呼吸频率(breathing frequency，BF)。肥胖症患者的VO2、HR和VE增加，每公斤摄氧量（VO2/kg）却显著下降。,心肺运动试验与心脏康复,心脏康复是指综合采用主动积极的医疗、心理、教育、行为及社会活动进行训练与再训练，帮助患者缓解症状，改善心血管功能。心脏康复涵盖冠心病、高血压、慢性心衰
17、、冠状动脉分流术(coronary artery bypass grafting，CABG)后和冠状动脉腔内成型术(percutaneous transluminal coronary Angioplasty，PTCA)后等。其中，康复领域面临的最主要疾病是冠心病5。,心肺运动试验与心脏康复,CPET可通过测定人体在静息、运动及运动结束后恢复期VO2、VCO2、VE及HR、血压、心电图以及METs等相关指标，掌握患者运动时出现症状，全面客观地把握患者的运动反应、心肺功能储备和功能受损程度，是实施心脏康复、制定有氧运动处方的客观综合依据11。,心肺运动试验与心脏康复,研究表明，康复运动训练可促进
18、缺血心肌侧支循环的建立,增强心脏功能，提高冠状动脉储备功能和患者运动能力。因此，心脏康复已成为冠心病患者的常规治疗手段之一6。而指导运动训练最重要的是制定合适的个性化的运动处方。,心肺运动试验与心脏康复,运动处方包括四个要素：运动方式、频率、持续时间和运动强度、注意事项7，其中核心为运动强度，一般用VO2绝对值或相对值（%VO2max）来表示，也有国家采用METs表示。运动方式通常为有氧运动，如快步走、慢跑、游泳等，采取哪种运动形式最为合适，取决于康复治疗患者机体状况、治疗目的、环境条件、运动习惯等，可从这些方面进行考虑8。运动强度可以根据CPET测出的最大运动HR、Peak VO2和AT来决
19、定，制定个体化定量有氧运动处方，靶心率接近AT（60%70% Peak VO2）9。,心肺运动试验与心脏康复,有氧运动通常采用中等强度（46METs），剧烈运动是指绝对强度6METs 10。一般而言，运动中HR比出现运动诱发症状时的HR低10次/min7。在确定安全水平后，持续时间可视患者改善情况变化，当达到相应运动水平的HR下降时，强度亦可适当增加。,心肺运动试验与心脏康复,根据美国纽约心脏病协会（New York Heart Association，NYHA）的心功能分级标准，无法客观评价一些患者的预后,尤其对NYHA心功能-级的患者有时会过高或过低评估了患者的心功能状态，而心肺运动试验则
20、能客观的评价心功能,并且能估计患者的预后11。,心肺运动试验与心脏康复,心脏康复是冠心病患者的常规治疗手段之一。CPET可以无创检测冠心病患者的心肺功能,AT、VO2max与O2 pulse max值越低，累及的冠状动脉越多，左室功能越差。CPET根据心脏负荷试验中获得的心脏电活动和血流动力学参数，可以更精确、全面地判断冠状动脉病变的程度和预后，制定合理运动处方和安全日常生活活动能力范围，评价康复运动效果6。,心肺运动试验与心脏康复,经过一段时间的康复训练后，胆固醇水平有所降低，自感劳累分级（rating of perceived exertion，RPE）等指标均有改善，有氧运动能力增强。R
21、PE是一种简便易控制估计运动强度的方法，通常用“稍累”（大约相当于60% VO2max）到“累”（80% VO2max）进行分级，大多数健康成人的推荐运动强度在稍累到累之间（60%70% VO2max）8。,心肺运动试验与心脏康复,Peak VO2可以预测心衰患者的预后，峰值RER可以确定患者是否尽最大努力。Bowen12证实了上述观点，运动达95%Peak VO2预测值也是可以被慢性心衰患者很好地耐受。,心肺运动试验与心脏康复,此外，通气功能中的VE/VCO2斜率可以在达到VO2max之前获得，因此受患者努力程度影响较小，比Peak VO2更有预测价值，在计算运动强度方面更科学。最常用的临界
22、值是VE/VCO2斜率34，随着VE/VCO2斜率从正常值增加到40，死亡风险也逐渐增加,当心衰患者的VE/VCO2斜率45并且Peak VO210ml/kg/min，死亡率为8.2%13。,心肺运动试验与心脏康复,根据心肺运动试验参数（Peak VO2及心率储备（heart rate reserve，HRR）等），也可以评估ACHD患者5年存活率14。在非紫绀型ACHD患者中，VE/VCO2斜率38的死亡风险增加10倍15。此外，峰值循环能力（Peak VO2乘以平均动脉血压）可以预测各种ACHD患者的死亡率16。同时，CPET可以客观评价外科手术及医疗介入前后这些患者的运动耐力改变。,心肺
23、运动试验与肺康复,肺康复是以循证医学为基础，对有症状、日常活动受限的慢性呼吸系统疾病患者进行多学科的综合性干预措施，目的是通过稳定或扭转疾病所致的全身改变，减少症状，优化功能状态，提高参与程度，减少医疗费用17。,心肺运动试验与肺康复,心肺耐力训练是肺康复中必要组成部分。通常采用运动处方形式进行，其中运动强度是决定肺康复效果的关键因素，也是肺康复研究的热点，而通过心肺运动试验获得的VO2是反映运动强度的最直接指标。,心肺运动试验与肺康复,与传统的6分钟步行试验相比，CPET的优点在于可以在制定运动方案之前提供很多有价值的数据（运动耐力高低、Peak VO2、VE等），评估出患者运动水平，从而给
24、出运动的安全有效范围，使训练强度得到优化调整，制定的方案更为合理，更有针对性。,心肺运动试验与肺康复,CPET包括功率自行车和平板运动试验, 在肺康复中常用的是功率自行车, 它能全面客观地评价运动能力和运动时的反应性, 确定运动强度和运动受限原因, 并能准确反映运动时各个系统的病理生理机制。,心肺运动试验与肺康复,肺康复治疗在慢性肺疾病治疗中的效果和科学性已经被证实，可改善患者呼吸困难的症状，提高运动耐力及生存质量，改善患者心理障碍及社会适应能力。根据CPET获得的VO2max、最大功率(Wmax) 和最大心率(HRmax)等数据，可以制定出运动处方。运动处方常取中高强度，即50%80% VO
25、2max（或Wmax、HRmax）。按照方案训练一段时间后，再次CPET测试，可以对康复疗效及运动耐力改善程度客观评价，进一步优化训练方案。,心肺运动试验与肺康复,另外，处于肺部疾病稳定期的患者，进行康复训练（如下肢功率踏车训练），根据每个患者的CPET结果制订针对性运动方案，并对训练过程进行实时监测。视个人情况可适当增加运动强度，使肺康复运动训练效果更好。此种规范化和量化的肺康复运动训练方法，安全有效地提高了患者的运动耐力、运动中的通气功能和心功能。,心肺运动试验与肺康复,CPET已经越来越多地应用于判断肺部疾病的预后。测试过程中通气受限患者的峰值每分通气量占每分最大通气量（maximum
26、ventilatory Volume，MVV）比值(Peak VE/MVV)通常增高（85%），导致呼吸储备（breathing reserve，BR）降低（30%），Peak VO2降低，峰值心率(peak HR)降低，AT可能正常，VO2/WR比值和O2/HR比值与达到的运动水平一致。患者往往由于呼吸功能障碍终止运动，未达到心血管最大应激反应，导致HRR增高。,心肺运动试验与肺康复,肺换气功能异常（间质性肺病、肺血管疾病等）者表现为肺通气/灌注比（ventilation/perfusion，V/Q）失常，高V/Q比值导致呼吸中死腔量（physiological dead space/tid
27、al volume ratio，VD/VT）和动脉-潮气末二氧化碳分压差增加；低V/Q比值导致动脉血氧不足，表现为达到峰值运动水平时，肺泡-动脉血氧分压差增加（30mmHg），伴随SPO2降低（88%），肺泡氧分压降低（55mmHg）。,心肺运动试验与肺康复,测试过程中因症状限制而终止运动时，Peak VO2被认为是更准确和可重复性的运动耐量方法，同时也是更强有力的预测因子。例如慢性阻塞性肺病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD)患者，通过CPET试验测得的运动耐力可以很好地预测COPD患者死亡风险 。Hiraga18等人显示出相似的结果，Pe
28、ak VO210ml/min/kg患者的死亡风险为62%。,心肺运动试验与肺康复,使用特殊的测试方案，CPET还可以为肺动脉高压患者提供安全、可靠、可重复的评估和预后。这些患者通常有显著下降的通气效能和静息及运动时更低的SPO2，静息时、AT时和Peak VO2时的潮气末二氧化碳分压（end tidal carbon dioxide partial pressure，PETCO2）值与Peak VO2预计值的百分比成比例的下降，并且平均肺动脉高压增高，VD/VT增高，而AT低于预计值。,心肺运动试验与肺康复,CPET可以对肺囊性纤维化患者的病情进行预测，Pouliou E等19发现最大运动后的
29、VO2快速恢复到日常水平的时间是对病情程度很好的预测指标；而Nixon PA20等则通过患者的有氧运动最高水平来评估预后，当VO2 Peak在高于82预计值范围时，患者八年内的存活率可达83%；当VO2 Peak在5981预计值范围时，八年内存活率可达28%51%；当V02 Peak在低于58%预计值范围时，八年内存活率则低于28。,心肺运动试验与肺康复,这也为何时进行肺移植提供了依据和参考。另外，CPET对于有血管侵及的肺癌患者行全肺切除术(特别是行左全肺切除术)，预测患者术后的呼吸衰竭、为全肺切除术的适应证评估提供依据，均具有重要意义。,总结,心肺运动试验的应用：1.评估受试者最大运动负荷和劳力性呼吸困难2.评估心脏病及呼吸系统疾病3.康复医学4.外科围手术期评估5.健康监督，劳动力鉴定6.运动医学、航空医学等。,谢 谢！,
