心肺运动试验评估慢性阻塞性肺气肿的严重程度

摘要

研究背景： 慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease COPD)，分为慢性支气管炎型和肺气肿两种表型，慢性支气管炎型主要是由于固有气道的狭窄所致，肺气肿型主要是由于肺的弹性回缩力减弱或丧失[1-5]。FEV1（1秒率）用来评估慢性阻塞性肺疾病气流受限的严重程度，但并不能用来评估肺气肿的严重程度。在临床上我们经常会遇到通过高分辨率CT扫描的有明显肺气肿和无肺气肿的患者具有相同的静态FEV1值这类病例，而且一些严重的肺气肿患者会出现正常的肺功能。肺气肿患者用力呼气运动时中小气道的弹性回缩力减少和中小气道塌陷，使得FEV1值过高评估了气流受限的程度。传统的评价肺气肿的方法是通过静态肺功能中RV/TLC来诊断肺气肿和评估肺气肿的严重程度[6]。肺气肿是一个病理定义，随着CT技术的不断发展，尤其是高分辨率CT的出现，在空间分辨率中性能不断提高，能展示出与病理标本或切片相似的解剖结构，应用高分辨率CT研究肺气肿也逐渐成为目前研究的热点[7]。主要的方法有采用高分辨率CT对肺气肿的患者进行深吸气末和深呼气末全肺扫描，通过图像重建，识别和定量肺的低衰减区（深吸气末低于-950HU，深呼气末低于-910HU）来评估肺气肿是否存在，通过肺容积指标、平均肺密度值、像素指数、体素指数或肺气肿指数来评估肺气肿的严重程度[8-11]。 心肺运动试验(Cardiopulmonary exercise testing CPET)或运动心肺功能试验是指有氧代谢测定的运动试验，是综合评估心与肺，在一定功率负荷下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[12]。CPET通过测定气体的交换来评估心血管系统和呼吸系统对相同应激的反应情况。在测定气体交换的同时，还评估了患者在运动时心电图、心率和血压的变化，以及运动后血压和心率的恢复情况。重要的是心血管方面和气体交换是同时并相关进行的。这种相关关系也可反应非气体交换的量纲，因为这些测定结果与运动时实际的能量消耗相关，而不仅仅是依赖于间接估计能量的消耗。CPET还可以测定在特定运动功率时心脏每博输出量所提供的氧与运动时心搏量方面的反应情况。近年来，心肺运动试验逐渐被用来确定限制气体运输的具体器官系统，从而得以进行进一步追踪[13]。特别是运动通气功能受限的肺脏疾病，运动通气功能受限在1994年时被定义为极限运动时呼吸储备的明显减少或用尽[14]，最具有代表性慢性肺脏疾病是慢性阻塞性肺疾病。 近几年来对于CPET用于COPD方面的研究主要在以下两个方面:第一，主要用于COPD运动耐量的评估来完善COPD严重程度标准;第二，不同表型COPD运动耐量的表现。其中对于运用心肺运动试验来评估肺气肿方面也仅限于最大摄氧量(VO2max)和肺气肿的严重程度的关系，并没有研究使用其他心肺运动参数来评估肺气肿的严重程度，特别是因为运动时气体的陷闭而受影响的指标:如VTmax/FEV1（最大运动时的潮气量与1秒率的比值）;反应通气效率的△VE/△VCO2（每分通气量超过二氧化碳排出量的斜率）和VE/VCO2max（最大运动时每排除1L的二氧化碳所需要的通气量）;PETCO2（呼气末二氧化碳分压）。近年来摄氧效率越来越受到关注，摄氧效率是反映摄氧量和每分通气量关系的一个指标，摄氧效率平台是指摄氧效率斜率在无氧阈附近不再增加，出现了一个平台。国外有学者[15-17]的研究表明摄氧效率斜率和摄氧效率平台是一项评估心肺储备的良好指标，并且证实摄氧效率平台与心衰的严重程度和预后有较强的相关性。目前对于摄氧效率与慢性阻塞性肺疾病运动耐力的相关性孙兴国团队已有报道[18]，并证实摄氧效率与运动耐量成正相关，肺气肿的严重程度与运动耐量成负相关，所以我们推测肺气肿的严重程度和摄氧效率也是相关的，但是对于肺气肿的严重程度和摄氧效率的相关性仍未见报道。 研究目的： 1.探讨心肺运动试验在慢性阻塞性肺气肿中的安全性。 2.探寻心肺运动参数与肺气肿严重程度相关的指标。 3.研究这些指标与肺气肿严重程度的关系。 研究对象: 入选病例组患者为2012年6月到2013年7月在广东省人民医院呼吸内科门诊就诊的稳定期COPD患者，所有患者均符合2011年版GOLD指南[19]中的COPD诊断标准。正常组来源于2012年6月到2013年7月在广东省人民医院呼吸内科门诊就诊以及胸外科、肺科外周良性小结节的患者。入选标准:(1)病例组患者符合2011年版GOLD指南中COPD的诊断标准。(2)正常组患者体检正常者，或术前评估除肺外周小结节外，其余指标正常者。(3)签署知情同意书者。(4)能够完全配合及耐受静态肺功能检查及心肺运动实验的患者。排除标准(1)不能配合静态肺功能检查及心肺运动实验的患者除外。(2)合并心衰、贫血、未控制的高血压（收缩压大于200mmHg，舒张压大于100mmHg）、冠心病、主动脉瘤、糖尿病、神经肌肉疾病、心理精神疾病、严重甲状腺功能亢进的患者除外。(3)癫痫发作需要持续用药物治疗者除外。(4)近4周有大咯血者。(5)严重贫血患者。(6)具有美国胸科医师协会制定的心肺运动试验的禁忌症（急性心肌梗死，不稳定性心绞痛、不受控制的心率失常、运动受限的骨科疾病患者和不吸氧的情况下血氧饱和度低于85％）者除外，(7)在运动试验中，因胸闷、高血压（收缩压大于220mmHg或舒张压大于110mmHg）、头晕，下肢乏力等症状提前终止实验，未达到无氧阈的患者除外。(8)知情不同意者除外。 研究方法： 为了评估实验组患者的肺功能损害情况及筛选正常对照组，所有患者均需行以下检查。 1、静态肺功能参数的测定使用耶格的MasterScreen肺功能仪，测试前精确记录受试者的身高、体重、年龄、性别，参照ATS/ERS肺功能仪器质控标准。①采用一次呼气法测定肺通气功能。②肺换气功能的测定:采用一口气弥散法一氧化碳弥散量。③体描箱法测定残气量、肺总量，记录以下参数:FEV1、FEV1％（第一秒用力呼气容积与预计值的比值）、FVC（用力肺活量）、FVC％（用力肺活量占预计值的百分比）、FEV1/FVC，MEF50/MIF50（50％VC呼、吸流速比）。DLCO SB（弥散量）、IC（深吸气量）、RV（残气量）、TLC（肺总量）及他们所占预计值的百分比。 注意事项:①平静呼气末的基线要平稳。②吸气或呼气末应待出现平台后，再行正常频率呼吸，否则肺容量可能会减少。③指导患者深吸气或深呼气的正常方法:利用胸部和腹部的力量来深吸气或深呼气，而不是使用喉部的力量，否则出现声门过早关闭，出现深吸气量和肺活量就会下降。④测量次数不宜过多，容易出现肌肉疲劳及容量滞后。⑤患者行肺功能监测前必须嘱患者适量饮食，不然会出现头晕，无力吹气。 2、运动心肺功能测定:使用耶格MasterScreen的运动心肺功能测试仪，采取坐位踏车运动和1分钟阶梯式递增功率运动方案。每天早上都要定标:包括容量、流量和气体定标。①告知患者行运动心肺试验的可能出现的风险②运动前采集动脉血气分析:部位是桡动脉，③递增功率的选择采用Wasserman的递增方案[20]。具体如下:根据患者的身高、体重、年龄和平时的运动情况（运动量和运动情况）和静态肺功能来选择每分钟递增功率。通过体重估计无负荷的摄氧量(每分钟无负荷的摄氧量(ml/min)=150+6×体重(Kg))，再通过年龄和身高估计峰值摄氧量(每分钟峰值摄氧量(ml/min)=（身高-年龄）×20（非体力劳动的男性）;每分钟峰值摄氧量(ml/min)=（身高-年龄）×14（非体力劳动的女性）），最后计算10分钟内达到预计峰值摄氧量每分钟递增幅度(每分钟递增功率(W)=(每分钟峰值摄氧量(ml/min)-每分钟无负荷的摄氧量(ml/min))/100)。根据患者的运动情况和静态肺功能的情况，适当的在所计算出的每分钟递增功率的基础上增加或减少1/2或2/3。④清洁患者前胸和后壁的皮肤，坐位连接心电图（12导联）、戴上面罩调整面罩松紧，使面罩不漏气，并嘱患者套上鞋套。⑤患者上踏车，调整座位和扶手的高度，让患者处于舒服状态，连接血压袖带、血氧监测器。⑥开始测定:静息3分钟，0瓦热身3分钟，按给定功率阶梯式递增功率踏车（保持速度60rpm）。口头鼓励患者尽最大努力运动，如患者出现无法维持转速、胸闷、心前区疼痛、头晕、下肢乏力、严重心律失常、心电图ST段压低超过2mm、收缩压大于220mmHg或舒张压大于110mmHg即时结束试验。⑦踏车结束后在踏车上再次采集动脉血气，方法同上，然后让患者休息30分钟后无不适可回病房或离开医院。⑧手动调整无氧阈:根据V-斜率法确定无氧阈。⑨并记录以下参数:最大摄氧量(VO2max，l/min)，最大功率(Wmax，W)，最大呼吸频率（BF，次/分），）最大每分通气量(VEmax，L/min)，最大运动时二氧化碳的通气当量(VE/VCO2max)，最大运动时潮气末二氧化碳分压(PETCO2max)，△VE/△VCO2（从无负荷时到最大运动时VE与VCO2关系曲线的斜率），最大潮气量(VTmax，L)，最大运动时动脉二氧化碳分压(PaCO2max，mmHg)，呼吸储备(BR)等于FEV1*40与最大运动的VE之间的比值，死腔量(VD/VT)。并计算:△IC=最大运动时IC-静息状态的IC，△VT/IC=最大运动时的VT/IC-静息状态时的VT/IC，△PaCO2=最大运动时的PaCO2-静息状态的PaCO2，△VD/VT=最大运动时的死腔量-静息状态时的死腔量。摄氧效率:根据以下公式计算:摄氧量=摄氧效率斜率OUES×1g每分通气量VE+b，其中b是常数，摄氧效率平台OUEP=VO2/VE在AT附近平台期的平均值，无氧阈时的摄氧效率=无氧阈前60s内的VO2/VE平均值。 注意事项:1.试验开始前一定要和患者讲解清楚，患者在运动的过程中切勿做叹气样呼吸。2.一定保证患者的面罩不漏气，否则就会出现摄氧量和二氧化碳排出量就会减少。3.运动后动脉血气的采集要快，停止运动后1分钟要采集到动脉血气，否则患者血液内的离子、气体就会马上恢复。 4、CT检查:采用Philips Brilliance64排CT扫描仪，行这项检查前患者必须经过呼吸训练，学习吸气末屏气。设定扫描参数:管电压:120kv，有效管电流:250mAs，扫描准直:128×0.625，旋转时间:0.5s，螺距:0.915，床速:146.4mm/s，层厚:1mm，曾间隔:1mm。具体方法:仰卧位，双臂上举，从头到脚扫描，在患者吸气末时自肺尖至肺底进行全肺扫描。将患者扫描数据传到后处理工作站(Extended Brilliance workspace TM.PHILIPS)并设置参数CT值小于-950HU的区域为肺气肿区，窗宽50HU，窗位-975HU。将肺气肿组织区的像素增亮，再容积再现技术(UR)去除肺周围组织、气管、食管、血管等，记录总肺体积和总肺气肿体积，并计算肺气肿指数EI=总肺气肿体积/总肺体积。 5.统计学分析方法所有资料采用SPSS13.0软件处理，计量资料以均数±标准差表示，计数资料采用数（率）表示;对于正态分布且方差齐同的计量资料采用成组t检验，非正态分布或（和）方差不齐的资料，采用两独立样本比较的采用Satterthwaite近似t检验;三组计量资料的比较采用单因素的方差分析(One-Way ANOVA);率或构成比的比较采用卡方检验。相关性分析采用双变量相关性分析，如果是双变量正态分布资料，选用积矩相关系数(Pearson相关系数)，如果是非双变量正态分布资料选用Kendall相关系数或等级相关系数（Spearman相关系数）。P＜0.05（双侧）表示差异有统计学意义。 研究结果： 依据纳入标准和排除标准纳入120例患者，其中正

目录

摘要

第一章 前言

第一节 运动生理

第二节 研究背景

第二章 研究对象和研究方法

第一节 研究对象

第二节 仪器、设备及相关用品

第三节 研究方法

第三章 研究结果

第一节 心肺运动试验在慢性阻塞性肺气肿中的安全性

第二节 探寻心肺运动参数中与肺气肿严重程度相关的指标

第三节 应用心肺运动参数建立回归方程进行多因素分析

第四章 讨论

第一节 心肺运动实验安全性讨论

第二节 VTmax／FEV1，△VE／△VCO2(每分通气量超过二氧化碳排出量的斜率)和PETCO2(潮气量末二氧化碳分压)与肺气肿严重程度的关系

第三节 VO2max、摄氧效率与肺气肿严重程度关系的讨论

第四节 本试验的不足之处

第五章 结论

参考文献

中英文对照

攻读学位期间成果

致谢

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