楚新梅张福春
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心肺运动试验（cardiopulmonaryexercisetesting，CPET）CPET指伴有代谢测定的运动试验。是在一定功率负荷下综合心与肺测出摄氧量及二氧化碳排出量等代谢指标、通气指标及心电图变化。
气体交换将外呼吸与细胞呼吸联系起来，利用检测外呼吸来量化细胞呼吸的状态和时间经过，所以它反映细胞呼吸功能的变化，反映人体的最大有氧代谢能力和心肺储备能力，特别强调心肺联合功能测定。
作为一种无创伤、客观、定量、连续、可重复多次的临床检测方法，CPET主要应用范围包括运动耐受和不耐受的评价，心血管疾病(如心力衰竭、冠心病、心脏康复、移植等)和呼吸系统疾病(如慢性阻塞性肺疾病、间质性肺疾病、肺血管疾病、囊肿性纤维化、运动诱发的支气管痉挛和呼吸病康复等)患者的评估，以及一些特殊临床应用，如术前风险评估、运动康复和运动处方。
一、CPET的主要测定指标及其生理学意义
CPET观察指标可分为三大类：（一）反映运动耐量以及心功能的指标：VO2max、VO2max/kg、AT、MET、VO2/HRmax、HRRmax以及ΔVO2/ΔW等；（二）反映通气功能的指标：BR、VEmax、VTmax、RRmax、VT/IC以及F/V环等；（三）反映气体交换的指标：PaO2、P(A-a)O2、PaCO2、PETCO2、P(a-ET)CO2、VE/VO2、VE/VCO2、以及VD/VT等。
1.最大摄氧量（VO2max）和峰值摄氧量（peakoxygenuptake，peakVO2）
VO2max是指人体在极量运动时最大耗氧能力，代表人体供氧能力的极限水平，即当功率增加，VO2不增加形成的平台。实际测试中，有的受试者不能维持功率继续增加而达到最大运动状态，没有平台出现，这种情况被称为峰值摄氧量（peakVO2），通常以peakVO2代替VO2max。正常人运动时peakVO2随年龄、性别、体质量、活动水平及运动类型的不同而变化。凡是影响血液系统中氧携带能力(血红蛋白、氧分压等)、心功能循环状态(心率、每搏输出量等)、组织摄氧能力(线粒体密度及功能、组织血液灌注等)的因素均可导致VO2max下降，低于预测值的84％时定义为VO2max降低。
2.无氧阈值（anaerobicthreshold：AT）
无氧阈是在负荷递增的运动过程中，肌体内的供能方式由有氧代谢向无氧代谢过渡的临界点，即尚未发生乳酸性酸中毒时的最高VO2，正常值40％VO2max，一般是50％～60％VO2max。影响因素基本同VO2max。相对VO2max而言，AT更能反映肌肉线粒体利用氧的能力。由于AT所代表的是亚极量运动负荷，不受患者主观因素影响，因此把AT和peakVO2结合在一起判断心力衰竭患者的运动耐力，科学而且合理。无氧阈是指运动中有氧代谢尚不需要无氧代谢补充供能时，即尚未发生乳酸过量产生(无氧代谢)时的最高氧耗量。
临床上常用3种方法来确定：
1）V-slope法,其测定原理是当出现无氧代谢乳酸过量产生时，相对于氧耗量而言二氧化碳排出量增加加速，在两者关系曲线上当线性部分的斜率45°角时的拐点处即是，临床应用较多；
2）通气当量法：氧当量开始增加而二氧化碳当量未相应增加时即是。因此AT是反映心肺功能、运动耐力和机体利用氧能力的一个良好指标。
3.最大运动通气量（VEmax）
指人体运动到极量时的每分钟最大通气量。休息状态下VE为5-8L／min，而运动时可增加20-30倍，VEmax可达到-L／min，是机体代谢需求增加的表现。肺部疾病患者由于通气灌注比例失调等原因，同等运动强度下，通气需求增大，可造成VEmax升高。
4.呼吸储备（BR）
反映机体最大运动时的呼吸储备能力，即通气需求与通气能力之间的关系。一般用最大通气量MVV-VEmax表示（其中MVV是指运动前静息状态下每分钟最大通气量），正常值为（38±22）L／min，或（MVV-VEmax）／MVV％为20-50％。BR降低是运动受限的因素之一，是原发性肺部疾病患者通气受限的特征性表现。
5.二氧化碳通气当量（VE／VCO2）
正常状态下，二氧化碳通气当量随着运动强度的增加而增加，处于AT时应34，最大运动量时36。二氧化碳通气当量和VE／VO2（氧通气当量）是确定AT的敏感指标，也是评估心衰患者预后的重要指标。
6.呼吸交换率respiratoryexchangeratio，VCO2/VO2：RER）
RER即VCO2/VO2的比值，RERl表示存在乳酸酸中毒或高通气状态，RER1.15提示已达到最大运动量。
7.VE/VCO2斜率（VE/VCO2slope）
VE和VCO2的关系可用VE/VCO2斜率表示，表明了换气效率，是心衰患者最有力的预测指标之一。
8.VO2与功率(WR)的关系
VO2与WR的关系常用△VO2/△WR表示，正常值为8.4～11.0ml?min-1?W-1，反映机械能转变为化学能的效率。△VO2/△WR7可作为心力衰竭患者高危的预测因子。
9.心率（heartrate:HR）
心率储备（heartratereserve）是指最大运动后心率的可增加程度，心率储备=最大预测心率﹣最大运动时测得的心率，最大预测心率=﹣年龄（岁）或者=﹣0.65×年龄（岁）。HHR对不同疾病的诊断有帮助，正常情况下，HRR≤15次/分，在临床症状较轻的心肌缺血、心血管疾病及肺循环障碍患者，HRR仍可表现为正常，而在有外周动脉疾病和心脏传导功能不全的患者，HHR常增大。
10.心肌缺血
运动时心电图动态改变，包括ST段的水平和下斜型的压低（≥0.1mv持续60秒以上），以及ST段抬高均提示运动诱发心肌缺血，有助于疾病的危险分层。
11.血压反应
运动血压反映的异常包括过度升高，升高幅度减少或血压下降。运动诱发舒张压升高，是将发生高血压的一个早期表现。如果休息时血压正常，运动时血压≥/95mmHg则被称为运动性高血压。这些人群中有1/3将在五年内发展成为原发性高血压。运动诱发的血压降低强烈提示交感控制血压的异常或心脏原因。该反应预示着严重的异常可以是心力衰竭、缺血、或血流限制即主动脉瓣狭窄、肺动脉疾病或中央静脉阻塞。这是运动试验出现危险的强烈信号，如果没有及时发现和终止试验，会带来一系列的心脑血管事件甚至猝死。
二、CPET禁忌证
1.绝对禁忌证:(1)急性心肌梗死（2d）；(2)高危不稳定性心绞痛；(3)导致血液动力学不稳定的心律失常；(4)急性心内膜炎；(5)严重主动脉缩窄；(6)失代偿的心力衰竭；(7)急性肺动脉血栓形成或肺栓塞；(8)近期发生非心脏原因可影响运动能力的疾病或可因运动而加剧病情（如感染、肾功能衰竭、甲状腺毒症）；（9）吸入室内空气情况下PaOmmHg；PaCOmmHg；FEV％pred；(10)未装起搏器的三度房室传导阻滞；(11)残疾人或不能合作者；(12)未获得知情同意。
2.相对禁忌证:(1)左冠状动脉主干狭窄；(2)中度狭窄的瓣膜心脏疾病；（3）电解质紊乱；（4）心动过速或心动过缓；（5）心室率未控制的心房颤动；（6）肥厚型心肌病；（7）不能合作的脑认知障碍者；（8）高度房室传导阻滞。
三、CPET终止运动指征
1.绝对指征：
（1）达到目标心率；（2）发生急性心肌梗死或怀疑心肌梗死；（3）发作严重心绞痛；（4）随功率递增，血压下降＞10mmHg，或持续低于基线血压；此外，收缩压＞mmHg（国外＞mmHg），舒张压＞mmHg；（5）发生严重心律失常，如Ⅱ～Ⅲ度房室传导阻滞、持续室性心动过速、频发室性早搏、快速心房颤动等；(6)出现面色苍白、皮肤湿冷及明显气促、呼吸困难；（7）出现中枢神经系统症状，如眩晕、视觉障碍、共济失调、感觉异常、步态异常、意识障碍，（8）患者要求停止运动。
2.相对指征：
（1）心电图示ST段水平压低或下斜型压低＞2mm，或ST段抬高＞2mm；（2）胸痛进行性加重；（3）出现严重疲乏、气促、喘鸣音；（4）出现下肢痉挛或间歇跛行；（5）出现不太严重的心律失常，如室上性心动过速；（6）运动诱发束支传导阻滞未能与室性心动过速鉴别。
四、临床应用
CPET是目前唯一能够一次试验全面评估人体整体多系统功能的临床检测技术。
1．呼吸困难及运动不耐受疾病鉴别诊断
活动时呼吸困难、心慌、气短、疲劳是心功能不全和肺功能不全的共同症状。通过CPET鉴别分析，我们把此类患者的病因划分为肺通气换气功能障碍、循环功能障碍和组织摄氧或利用氧障碍等等。
2.CPET在冠心病诊疗中的应用
CPET是在运动心电图和血压等监测的基础上同时检测了气体交换和运动耐量状况，可早期发现冠心病患者的运动能力减退、气体交换异常和异常反应模式。因为在运动状态下心肌负荷增加，缺血导致心肌不能同步收缩，而使心搏出量增加受阻，随着功量的增加而摄氧量不能相应增加，摄氧曲线出现平台样改变，这些表现可早于静息心电图ST段的异常改变，故可用于冠心病心肌缺血、缺氧的早期诊断。
CPET可无创检测冠心病患者的功能状态，无氧阈值、最大氧耗量、最大氧脉搏值越低，病变所累积的受损冠状动脉越多，左心室功能越差。无氧阈和最大氧耗量与冠心病的临床症状有很强的相关性，CPET检测过程中，随着运动功率的增加，达到无氧阈前，左心室摄血分数增加，而达到无氧阈后，左心室摄血分数明显降低。因此，CPET能够准确地测定冠心病患者的运动耐力，并指导患者进行康复训练及制定运动处方。
CPET对心力衰竭患者诊断和预后的评估
Weber等于20世纪80年代提出了Weber心功能分级，该分级按照峰值摄氧量及无氧阈水平将左室心功能受损的情况分为A－D共4级。这种分级方法较临床上常用的根据主观症状判断心功能的纽约心脏病协会（NYHA）心功能分级更为客观，更有助于判断患者的病情和预后，对于生存期的预测更为精确。并且，这种评估方法常可发现早期心功能受损，一些自感日常生活不受限制的患者使用Weber分级可能已经达到轻－重度的运动耐量减低。心功能分级系根据WeberKT标准，按VO2max/kg及AT分级：
Weber心功能分级
心脏移植患者的筛选和预后评估；稳定期心力衰竭患者如有移植手术适应症,应不失时机进行心肺运动负荷测验或6MWT作为优先手术参考。
一般认为：peakVOml/kg?min-1属极高危，应最优先移植手术；peakVOml/kg?min-1者2年预后良好；peakVOml~18ml/kg?min-1者生存期不确定。心肺运动负荷测验作为外科手术风险分层很有意义。
4.CPET对临床药物、介入治疗和手术效果的评估
CPET可应用于各种治疗的临床疗效评价，由于无创的特点，可反复测量，其结果客观可靠，可动态、长期观察药物临床疗效。Tanabe等发现急性心肌梗塞慢性期患者使用西拉普利可减轻运动治疗时的左心负荷。
Taniguchi等观察?受体阻滞剂对CPET的影响，所有患者均显示有益的结果，心力衰竭症状减轻，氧耗量、无氧阈、运动时间无明显变化，左心室射血分数显著提高。CPET是评估?受体阻滞剂治疗效果的敏感方法。
Klainman等在冠心病患者施行介入治疗前、后分别进行CPET，结果最大氧耗量、无氧阈值和氧脉搏均显著改善，但最大心率没有明显变化，表明冠心病介入治疗是一种有效方法。
5.CPET对心血管患者手术风险的评估
大部分心脏病患者常伴有不同程度的心功能改变，单纯的心电图、心脏超声等功能性检查难以准确判断心功能不全的程度。CPET中AT、VO2max和心功能分级具有很好的相关性，能有效分析心脏病患者的心功能，对其作出术前风险的预测。
Older等通过对大型腹部手术老年患者的CPET回顾性分析表明，无氧阈值对确定术后心血管并发症的发病率尤为重要，AT值11ml?kg－1?min－1的患者（占总数的30％）术后心血管并发症病死率为18％，无氧阈值11ml?kg－1?min－1的患者术后心血管并发症病死率仅为0.8％，而心电图有明显心肌缺血征象合并无氧域值11ml?kg－1?min－1的患者病死率高达42％。
因此说明CPET可以有效评价心脏病患者病情的严重性，为术前准备提供依据。也有报道当VO2peak14mlkg－1?min－1、AT11ml?kg－1?min－1应考虑暂缓手术，选择其他的治疗方法。
6.CPET在心脏康复中的应用
CPET可根据运动心率、VO2peak和AT为基础，决定其运动强度，制定个体化的定量有氧运动处方，实施心血管疾病的有氧运动康复。其适应证：心肌梗死后的患者（ST段抬高型心肌梗死、非ST段抬高型心肌梗死）；行冠脉旁路移植术或经皮冠状动脉介入术后的患者；稳定性心绞痛患者；心脏瓣膜修复术或置换术的患者；心脏移植患者；稳定的心力衰竭患者；轻中度高血压和外周动脉疾病患者；起搏器植入术后或自动除颤器植入的患者。建议运动强度应比诱发缺血的功率时的心率低10bpm作为运动强度的标准。
低运动强度：自觉劳累等级12；40％（心率储备+静息心率）；40％（VO2储备+静息VO2）。
中等运动强度：自觉劳累等级12-13；40％-60％（心率储备+静息心率）；40％-60％（VO2储备+静息VO2）。
高强度运动强度：自觉劳累等级14-16；≥60％（心率储备+静息心率）；≥60％（VO2储备+静息VO2）。
运动训练是康复锻炼最重要的组成部分，是心血管病药物、手术、器械和心理精神等治疗的有效补充。CPET是评价运动训练与康复效果关系的唯一客观定量的检查手段，可揭示患者或正常人由运动刺激所引起的生理变化，能有效测定运动强度，指导心脏病患者运动处方制定，并可避免运动过量而造成的不良反应。
7.慢性肺病和肺康复中的应用
CPET应用于呼吸系统疾病诊断及预后其优越性是通过运动诱发患者的病理性改变，分析得出参数，如PeakVO2、VE/VCO2、血氧饱和度（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。
呼吸康复运动可改善COPD患者运动耐力和减轻劳力性呼吸困难。有利于增加肌丝和肌纤维的数量，增强运动肌群收缩力和耐力；改善血流分布，使氧流向收缩肌群；减少乳酸产生从而减少CO2和H+的生成，以减轻通气驱动；此外，可缓解紧张、焦虑的心理情绪。
根据CPET检测结果，为患者设计具有个体化的运动训练（运动耐力和肌力）方案，即肺康复治疗疗程。包括：上肢耐力运动训练、下肢肌力运动训练、上肢肌力运动训练、伸展运动、平衡能力运动训练和呼吸肌训练。还有呼吸治疗和胸部物理治疗，如胸部叩击和体位引流、有效咳嗽锻炼、气溶胶吸入、氧气疗法、家庭内通气或无创性通气等。
8.CPET在肺动脉高压诊断中的应用
CPET在肺动脉高压（PAH）中的表现特点：最大摄氧量、最大运动功率、氧脉搏和无氧阈呈中度到重度降低，峰值心率有所降低，而二氧化碳通气当量（VE／VCO2）则显著升高。PAH患者在运动早期往往出现呼吸困难或疲劳，其机制包括（1）通气血流比例失调；（2）过早达到无氧阈，使乳酸增加，氢离子增多，从而刺激机体使每分通气量增加；（3）低氧血症，主要是因为肺血管床减少，流经肺的红细胞减少，或右向左分流所致。PAH患者预后不佳，因此其早期诊断具有特别价值。CPET能够全面客观的评价PAH患者的活动耐量和心功能，最大摄氧量和VE／VCO2与心功能分级有良好的相关性。
9.术前麻醉手术风险评估和术后患者管理
一些高龄或肺功能差的患者，根据传统术前评估方法认为是禁忌手术，CPET则可能从中筛选出可以耐受手术者。对拟行标准肺切除术的肺癌患者进行手术风险分级，最大氧耗量为15~20ml?kg-1?min-1的患者一般能耐受手术，病死率和心肺并发症发生率较低；10~15ml?kg-1?min-1的患者围术期心肺并发症增多；而10ml?kg-1?min-1的患者术后死亡和心肺并发症风险非常高，建议对这类肺癌患者进行非标准手术或采取非手术治疗方法。然而由于未考虑到年龄、身高等因素的影响，临床应用时应该注意。
10.骨骼肌疾病
骨骼肌疾病患者可影响能量供应，导致细胞呼吸异常，其VO2peak和AT下降，VE/VCO2slope增加，但心肺功能正常；CPET可提高骨骼肌疾病的诊断价值，尤其是线粒体肌病。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。
11.确认正常人功能状态、健康及亚健康管理及运动员管理
人体亚健康应排除器质性病变，疲乏无力、食欲不振等临床表现多与心肺功能状态下降有关，常规实验室检查难以发现其异常，而CPET是整体上客观评估机体功能状态的重要工具。CPET不仅可以评估亚健康人群的心肺功能，还能发现潜在的病理生理改变，是亚健康和健康预防评估的重要工具。此外,CPET可以确定运动员训练强度和训练监测，用于运动员分级、训练评估与管理等。通过CPET可以协助诊断运动性哮喘，并为运动性哮喘患者提供最佳的运动处方。
12.劳动能力丧失的评估
CPET是公认的劳动能力丧失的客观定量评估、最有价值的功能检查金标准。对于某些猝死高危疾患，在严密监测的运动中，可发现高危现象规律，继而提出预防措施，减少患者工作和居家生活时的猝死。医学对心血管健康的认识已不限于基因、血液生化指标、影像学检查等无异常，最大运动状态的功能储备、对亚临床状态的功能性评估和及时干预逐渐受到重视。常规检查难以发现其异常，而CPET是客观评估机体整体功能状态的重要工具。
总之，CPET可鉴别心力衰竭与其他脏器功能衰竭，评估心血管疾病严重程度和心力衰竭预后，可以指导心脏康复，评价药物、介入治疗和手术的临床疗效，对心功能可靠地连续监测，评估劳动能力丧失，探索猝死高危因素及心血管功能健康管理等。
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