第十五章 心肺运动试验与强迫震荡技术.pdf

153 第十五章 心肺运动试验和强迫震荡技术 北京市结核病 胸部肿瘤研究所 李 琦 第一节 心肺运动试验 心肺运动试验是指综合应用气体分析 流速和容积检测 心电图 活动平板或踏车 计算机技术在运 动负荷下对受试者的心肺功能进行联合测定和综合评估 一 生理基础 运动时 骨骼肌收缩需要的能量由肌细胞线粒体内的氧化反应提供 为维持氧化反应的正常进行 呼 吸系统必须从外界吸入足够的氧进入肺泡 经弥散进入肺毛细血管 与血红蛋白结合 由心血管系统转运 至肌细胞 肌细胞将氧摄入线粒体 参与氧化反应 在氧化反应中生成的二氧化碳沿此路径被排出体外 因此 骨骼肌 心血管系统 呼吸系统相互耦联以维持运动的正常进行 其中任何一个环节异常 均可导致 受试者运动能力降低 运动中 随运动负荷的增加 肌细胞对能量的需求增加 氧摄取量和二氧化碳产生量增加 呼吸交换 率亦随之增加 为适应代谢增加的需求 心血管系统通过增加心率和每搏输出量来增加氧运输 呼吸系统 通过增加潮气量和呼吸频率来增加氧摄入和二氧化碳排出 二 适应证和禁忌证 心肺运动试验是一项相对安全的测定 其死亡率为 2 5 10 万 因此 应严格掌握适应证和禁忌 证 试验室应备好心肺复苏设备和急救药品 1 适应证 1 评价受试者的运动心肺功能和运动能力 2 鉴别呼吸困难的原因 3 心 肺疾病的诊断 预后及疗效观察 4 手术适应证的选择 如心胸外科手术 心或肺移植术 肺减容术等 5 心 肺疾病患者康复处方的制定及疗效观察 6 肺部疾病患者劳动能力的评价 特别是职业病患者 2 禁忌证 1 绝对禁忌证 急性心肌梗死 4 周内 不稳定型心绞痛 未控制的心律失常 快速室性 室上 性心律失常 或 度房室传导阻滞等 晕厥 急性心内膜炎 急性心肌炎或心包炎 严重的主动脉硬 化 未控制的心衰 急性肺血栓栓塞症 下肢静脉血栓 动脉瘤 未控制的支气管哮喘 肺水肿 低氧血 症 吸空气时 SpO2 85 呼吸衰竭 咯血 气胸 影响运动的急性非心肺疾病 感染 肾功能衰竭 甲状腺功能亢进等 不能合作的精神障碍 2 相对禁忌证 左主冠状动脉硬化 中度瓣膜性心脏病 严重未治疗的高血压 静息BP 200 120 mm Hg 高度房室传导阻滞 肥厚性心肌病 严重肺动脉高压 电解质紊乱 不能完成运动试验的骨科疾病 三 测定方法 心肺运动试验的方法较多 简单方法如原地跑步测验 六分钟步行试验 前者在连续跑步 3 5 min 前 后检测受试者的肺功能 后者在步行中实时检测受试者的运动能力 如步行的距离 或氧摄取量等指标 复杂方法如功率自行车或运动平板测定 本文对此重点介绍 154 1 运动工具 心肺运动试验的运动工具为功率自行车或运动平板 前者通过增加脚蹬的阻力提供运 动负荷 后者通过增加平板的速度和坡度提供运动负荷 尽管功率自行车的最大氧摄取量较运动平板低 5 11 但因其可直接测定运动功率 心电图干扰小 易采取血标本而常被临床采用 2 运动方案 1 负荷递增 即在运动中 运动负荷由小到大逐步递增至最大预计负荷或因症状终止运动 分为阶 梯递增 step 和线性递增 ramp 前者为每 1 3 min 运动负荷递增 5 25 w 后者指每数秒运动负荷递 增 1 w 运动过程为 8 12 min 2 负荷恒定 即以固定的负荷维持运动 多为 50 w 运动过程为 5 10 min 3 测定规程 以功率自行车为例 1 受试者准备 受试者试验前至少禁烟 8 h 试验前 2 h 应进食 若以诊断或评价非药物治疗措施为目的 须检查前 1 7 d 停用可能影响结果的药物 如洋地黄类 扩张冠状动脉药物 受体阻滞剂 镇静剂等 若以药物评价或指导功能锻炼为目的 不停药 2 实验前准备 预热 30 min 后 依次对运动心肺功能测定系统进行容量 流速和气体定标 粘贴心电图电极 连接血压计 氧饱和度仪 戴上面罩 按常规方法对受试者进行流速 容量曲线测定 测得一秒量 FEV1 0 用以计算最大自主通气量 MVV 为受试者选择合适的运动方案 一般常采用 Ramp 方案 3 测定 运动心肺功能测定系统进行零点校正和自检后 令受试者在静息1 3 min后 以35 50 r min 的速度做无负荷踏车运动 3 min 继而按设置的运动规程 运动负荷自动增加 受试者以 35 50 r min 的 速度做负荷踏车运动至最大预计负荷或出现终止负荷运动的指征 提示心肌缺血的胸痛 出现心肌缺血的 心电图改变 度房室传导阻滞 运动中收缩压降低 20 mm Hg 高血压 BP 250 120 mm Hg 血氧饱和度 SpO2 80 伴严重低氧血症症状和体征 突然面色苍白 不能合作 意识模糊 出现呼 吸衰竭的体征 继续无负荷踏车运动 3 min 静息 7 min 在整个测定过程中 运动心肺功能测定系统按预 置的间隔自动记录心电图 血压和血氧饱和度 并自动实时测定和计算最大氧摄取量 氧脉搏 通气量等 指标 四 常用评价指标 1 代谢参数 1 最大氧摄取量 V O 2max 指负荷运动中 达预计最大负荷或终止负荷运动时每分钟进入体内并 被机体细胞所利用的最大氧量 实测值与预计值之比 84 为正常 它反映机体气体运输系统 心血管 肺 血红蛋白 和肌肉细胞有氧代谢是否正常 其中任何一个环节异常 均可使V O 2max 降低 2 公斤氧摄取量 V O 2 kg 指单位体重的最大氧摄取量 正常值 21 ml min kg 3 无氧阈 AT 指运动中血乳酸浓度急剧升高之前的最大氧摄取量 正常大于最大氧摄取量预计值 的 40 到达无氧阈时 有氧代谢已不能满足运动肌肉的能量需求 需要动用无氧酵解补充有氧代谢的能 量不足 血乳酸浓度随之升高 心肺功能异常均可导致无氧阈提前出现 确定无氧阈的无创性方法较多 如运动达一定功率时 氧摄取量和二氧化碳产生量的交点 氧当量和二氧化碳当量的交点 呼吸交换率锐 利升高的拐点等 2 心功能参数 155 1 代谢当量 MET 表示做功量的基本单位 1 MET 相当于 3 5 ml min kg 的V O 2 kg 正常值 7 MET 常作为评价心功能的指标 2 氧脉搏 V O 2 HR 指V O 2与心率的比值 代表心脏每次射血的摄氧能力和心脏的储备功能 间 接反映心输出量 正常实测值 预计值 80 心脏病变 严重的肺部病变 代谢异常的病变均可使V O 2 HR 降低 3 最大心率 HR 指达最大负荷或终止负荷运动时的心率 正常应大于预计心率的 90 4 心率储备 HRR 指达最大负荷或终止负荷运动时的心率与预计心率的差值 正常值小于 15 次 min 5 血压 BP 达最大负荷或终止负荷运动时的血压应小于 220 90 mm Hg 3 肺功能参数 1 通气量 V E 指运动中的每分通气量 随运动负荷的增加 V E增加 以排出二氧化碳 正常约 为最大自主通气量的 60 70 它反映肺脏的代偿能力 是呼吸疾病患者运动受限的关键指标 2 潮气量 V T 指运动中每次吸入或呼出的气量 是运动初期维持通气量的重要因素 正常为肺 活量的 50 60 3 呼吸频率 f 是运动中 尤其是运动后期 维持通气量的重要因素 终止负荷运动时应 60 次 min 4 呼吸储备 BR 指最大自主通气量与运动中通气量的差值 正常 BR 应 11 ml min 肺部疾病 患者 BR 降低 5 呼吸困难指数 DI 指运动中通气量与最大自主通气量的比值 正常值 75 或 85 6 氧通气当量 V E V O 2 和二氧化碳通气当量 V E V CO 2 指运动中摄取氧或排出二氧化碳所需 的通气量 正常在无氧阈时 V E V O 2为 26 4 V E V CO 2为 30 5 7 生理死腔与潮气量之比 V D V T 运动中 由于潮气量和肺血流量的增加 V D V T 降低 正常 0 28 肺部疾病患者运动中V D V T 不降低甚至增加 8 血氧饱和度 SaO2 运动中 SaO2 无明显变化或轻度降低 但其降低幅度 5 五 临床应用 1 评价受试者的运动心肺功能和运动能力 因心 肺具有较大的储备功能 静息心肺功能测定很难 发现和预测患者的运动能力和心肺的储备功能 而心肺运动试验不但能够评价受试者的运动心肺功能和运 动能力 而且可早期发现心肺功能障碍和运动能力降低 确定限制运动能力的原因和病理生理机制 如 用终止负荷运动时患者所达到的功率反映患者的运动能力 用终止负荷运动时患者所达到的最大氧摄取 量 公斤氧摄取量等指标评价受试者的运动心肺功能和储备功能 美国医学会推荐 对肺部疾病患者 公 斤氧摄取量 25 ml min kg 提示肺功能减损 0 9 20 25 ml min kg 提示肺功能减损 10 25 15 20 ml min kg 提示肺功能减损 26 50 15 ml min kg 提示肺功能减损 52 100 2 鉴别呼吸困难的原因 呼吸困难是许多患者在呼吸科或心血管科就诊的主诉 静息肺功能测定可 确定大部分肺源性呼吸困难 而对静息肺功能基本正常的患者而言 心肺运动试验则具有鉴别诊断的重要 价值 如 运动中最大氧摄取量降低伴氧脉搏等心功能指标异常 而通气功能指标无明显改变 则提示患 156 者存在心源性呼吸困难 如运动中最大氧摄取量正常 但呼气末二氧化碳分压降低 常提示心因性呼吸困 难 如焦虑 高通气综合征等 3 心 肺疾病的诊断 运动功率和最大氧摄取量降低是心 肺疾病患者心肺运动试验的共同特点 与心 肺疾病影响气体运输系统的耦联有关 而运动心功能或肺功能指标的改变则因病种而异 表 15 1 并与病变程度相关 就肺部疾病患者而言 伴随最大氧摄取量降低的常为运动肺功能指标异常 如慢性阻塞性肺疾病 COPD 患者 由于存在不可逆的气流受限 运动试验中 患者 DI 和V E V CO 2升高 BR 降低 流速 容量环出现呼气流速受限 但在 COPD 患者诊断 病情评估等方面 运动心肺试验不是必需的诊断依据 而间质性肺疾病 ILD 患者则表现为运动中潮气量降低 呼吸频率 50 次 min 血氧饱和度降低 肺泡动 脉氧分压差增加 特别是疾病早期 当肺容积无明显降低时 弥散功能和运动心肺功能就已出现异常 因 此 美国胸科学会和中华医学会呼吸病学分会将静息和运动心肺功能减退作为特发性肺纤维化诊断的重要 依据 就心血管疾病患者而言 伴随最大氧摄取量降低的常为运动心功能指标异常 如肺血管疾病 PVD 患者运动中氧脉搏 PaO2降低 无氧阈提前出现 V D V T 和肺泡动脉氧分压差升高 这可能与肺血管壁 变硬 增厚 狭窄 并导致肺实质硬度升高有关 慢性心功能不全的患者运动心肺功能的特点与肺血管病 患者相似 但这些改变不特异 必须密切结合临床 美国纽约心脏病学会以代谢当量 MET 作为评估心 功能的指标 即 MET 7 为心功能 级 5 6 为心功能 级 3 4 为心功能 级 2 为心功能 级 表 15 1 常见心肺疾病运动心肺功能特点 疾病 最大氧 摄取量 无氧阈 最大心率 氧脉搏 呼吸困 难指数 CO2通气 当量 死腔 潮 气量 动脉血氧 分压 肺泡动脉 氧分压差 心衰 常正常 正常或 正常 常正常 COPD 正常或 或正常 正常或 不定 不定 常 ILD 正常或 正常或 正常或 PVD 正常或轻 度 正常 注 升高 降低 4 运动性哮喘的诊断 运动性哮喘是指由一定运动量引起的一过性支气管痉挛和气道阻力升高的病 理状态 其程度与运动的强度有关 运动时过度通气所导致的水分和热量的丢失与其发生有关 此外 炎 性介质如组织胺 白细胞三烯也参与其形成 据统计 70 90 的支气管哮喘患者有不同程度的运动性 哮喘 运动激发试验可用以 评价潜在性哮喘 诊断运动性哮喘 区分心源性哮喘 评价疗效 剧烈运动后 5 10 min FEV1 0较运动前下降 15 为阳性 试验前 72 h 应停用长效抗组胺药物 前 24 h 应停用短效抗组胺药物 前 8 h 应停用吸入类糖皮质激素 阿托品 色甘酸钠 吸入 2 受体激动剂 此 外 FEV1 0实测值小于预计值的 65 不易行运动激发试验 5 肺切除术适应证的选择 在运动试验中 心率 通气量 氧摄取量和肺血流量等增加 与术后状 态相似 因此 运动心肺试验是评估手术适应证的重要方法 尤其是评估中 高危患者肺切除术适应证的 重要依据 多篇文献报道 V O 2 1 L min 或V O 2实测 预计 50 60 V O 2 kg 15 ml min kg 157 时 术后死亡率增高 一般 当核素法预测术后 FEV1 0或 DLCO 小于预计值的 40 时 应做心肺运动试 验 若V O 2 kg 15 ml min kg 应避免手术 6 肺疾病患者康复处方的制定及疗效观察 就慢性肺部疾病患者而言 适量 合理的运动是康复的 重要手段 可使患者在生理 心理两方面收益 心肺运动试验可确定运动受限的原因及程度者 常根据 V O 2 kg 选择合理的运动量 运动方式 运动项目 从而为制订运动康复处方并观察疗效提供依据 第二节 强迫震荡技术 强迫震荡技术是由振荡器产生脉冲压力信号 施加于呼吸系统 激发口腔流速改变 对此进行检测 测定呼吸阻抗及其组成成分 一 呼吸阻力的基本概念 呼吸阻力是指阻止气体进出肺脏的阻力 按物理性质 呼吸阻力被分为弹性阻力 E 黏性阻力 R 和 惯性阻力 L 三者之和称为呼吸总阻抗 Zrs 弹性阻力反映单位容积改变引起的压力改变 主要存在于肺 组织和胸廓 其倒数为顺应性 黏性阻力反映流速改变引起的压力变化 存在于气道和肺组织 惯性阻力 反映气流加速度改变引起的压力改变 主要分布于大气道和胸廓 二 测定原理 测定时 在计算机脉冲生成模块的控制下 信号发生器 扬声器 发出不同频率的震荡信号 以一定间 隔和正负相交替的方式施加在受试者的自主呼吸上 激发其呼吸流速的改变 同时 压力和流速传感器以 一定间隔对受试者口腔中的压力和流速信号进行采集和测定 对采集到的压力和流速信号进行时域分析 即 以时间为横坐标 发现 在外加压力信号下 黏性阻力的流速改变与压力同相位 弹性阻力的流速超前于压 力 有 90o的相位差 惯性阻力的流速滞后于压力 也有 90o的相位差 通过快速富里叶转换 PFT 将测 得的时域信号转变为频域信号进行分析 呼吸总阻抗 Zrs 被表达为一个复数 Zrs R jX R j 1 C L 2 f j 1 式中 R 是实部 表示黏性阻力 X 为虚部 称之为电抗 由弹性阻力和惯性阻力构成 f 为呼吸系 统的谐振频率 为角频率 L 为惯性阻力 C 为胸廓和肺组织的顺应性 当 X 0 时 相位滞后 则在 X 中 惯性阻力起主要作用 当 X 0 时 相位超前 则在 X 中 弹性阻力起主要作用 这样 不仅得到呼 吸总阻抗 Zrs 而且能将其所含的 3 种阻力区分出来 以便更详尽地分析和描述受试者呼吸力学的特征 三 测定方法 1 受试者取坐位 头保持水平或稍微上仰 用双手压住双颊 夹鼻夹 含口器 2 嘱受试者平静呼吸 或潮式呼吸 1 min 呼吸频率为 20 次 min 左右 潮气量 男 450 ml min 女 350 ml min 避免吞咽 声门关闭 不规律呼吸 3 应行 3 5 次测定 选择最佳曲线和结果 并计算变异系数 四 图形和指标 以德国耶格公司 Master Screen IOS 为例 1 图形 1 潮式呼吸图 是测定的质控图 2 阻抗容积图 是分析阻抗与容积依赖性的曲线 健康人吸 呼气阻抗相接近 无容积依赖性 3 频谱分析图 是把外加脉冲振荡信号的呼吸波进行频谱分析得到的曲线图 横坐标为频率 左侧 纵坐标为黏性阻力 右侧纵坐标为电抗 R 线表示黏性阻力 X 线表示电抗 0 线以上的部分反映惯性阻 158 力 0 线以下的部分反映肺弹性阻力 X 线与 0 线的交点称为响应频率 Fres 在此频率点 弹性阻力和惯 性阻力相互抵消 4 结构参数图 是将呼吸系统按其电学特性等价为 7 个元件组成的电学模型 根据该模型的组成部 分在不同激励信号下的流速改变 列出一系列微积分方程组 对其求解 可得到结构参数 并用图解的方 法显示这些结构参数的分布及大小 5 Intrabreath 图 是测定过程中阻力 R 与电抗 X 随振荡频率 有效流速和容积水平而变化的数据统 计图 用于分析阻力和电抗的流速依赖性和容积依赖性 一般多选择 5 10 15 20 Hz 进行观察 分别 于吸 呼气末 IO 和 EO 和吸 呼气过程中流速到达 0 5 m s 前 F 后 L 采样 求出 R 和 X 的正 P 负 N 脉 冲的平均值及标准差 从 IO 出发 依次连接 EpF EnF EpL 和 EnL 反映 R 和 X 的呼气流速依赖性 用 dR X dV 表示 与 EO 同水平的连线是呼吸的平均容积 此三角形斜边的斜率是 R 或 X 的容积依赖性 用 dR X dV 表示 健康人吸 呼气末黏性阻力和电抗相接近 无容积和流速依赖性 2 指标 1 结构参数 包括中心阻力 Rc 周边阻力 Rp 上呼吸道和胸壁的惯性阻力 Lz 肺顺应性 Cl 支气管顺应性 Cb 肺和胸廓的弹性阻力 Ers 等 其中最常用的指标为中心阻力 Rc 和周边阻力 Rp 目 前尚无正常参考值 北京协和医院测定45例健康人 Rc 0 184 0 07 kPa L s Rp 0 22 0 07 kPa L s 2 频谱参数 经频谱分析得到的指标 常用指标如下 Zrs 呼吸总阻抗 实测值应 0 5 Kpa L s 或实测值 预计值 150 为正常 Fres 响应频率 也称共振频率 目前尚无正常值 R5 因低频的振荡信号波长长 能量大 被吸收少 振荡波能到达全肺各部分 故将 R5定义为总 气道阻力 实测值 预计值 150 为正常 R20 因高频的振荡信号不能到达细小的支气管 故将 R20定义为中心气道阻力 实测值 预计值 150 为正常 X5 周边弹性阻力 预计值 0 2kPa L s 为正常 五 临床应用 1 对受试者的呼吸力学进行评估 1 早期发现受检者的呼吸阻力异常 由于 Zrs 是 3 种不同物理性质的呼吸阻力的总和 凡是能影响 黏性 弹性和惯性阻力的肺部疾病均可导致 Zrs 的增高 有文献报道 当 COPD 和其它肺部疾病患者常规 肺通气功能检测正常时 Zrs 已开始增高 因此 Zrs 在早期发现患者的呼吸阻力异常方面具有很好的敏感 性 连续观察可为肺部疾病的早期诊断提供依据 2 区分限制型和阻塞型通气功能障碍 阻塞型通气功能障碍时 频谱分析图显示中心气道阻塞者 R 线在全频率范围内均匀抬高 周边气道阻塞者低频段 R 线明显抬高 X 线的改变取决于是否合并肺气肿 阻抗容积图显示气体陷闭 intrabreath 图显示呼气末 R 增加 且高于吸气末 存在流速依赖性和容积依赖 性 呼气末 X 小于吸气末 存在流速依赖性和容积依赖性 就指标而言 结构参数中 Rp 和 Rc 可能增加 Rp Rc 提示周边气道阻塞 Rp Rc 提示中心气道阻塞 频谱参数中 Zrs R5和 R20增加 R5 R20 若 合并肺气肿 X5减小 提示肺弹性阻力增高 限制型肺通气功能障碍时 频谱分析图显示 R 线在全频率范围内平行抬高 低频范围内 X 线压低 结 构参数图显示肺弹性阻力增加 容积阻抗图无异常 intrabreath 图显示吸气末 R 增加 常大于呼气末 存 在流速依赖性和容积依赖性 而 5 Hz 时吸气末 X 小于呼气末 致使容积三角倒转 存在容积依赖性和流 速依赖性 就指标而言 结构参数中 Rc 可能增加 频谱参数中 Zrs 和 R20增加 X5减小 提示肺弹性 阻力增高 从上述特点可见 两型通气功能障碍在指标上无各自的特异性 欧洲呼吸病学会的专家也认为 强迫 震荡技术的指标不能为两类疾病的鉴别诊断提供依据 因为无论是气道病变还是肺泡病变 均可致黏性阻 159 力增高 而无论是肺气肿还是肺间质性病变 均可致肺弹性阻力增加 但是结合阻抗容积图和 intrabreath 图的分析则有助于两型通气功能障碍或两类疾病的鉴别诊断 2 机械通气中的呼吸力学监测 因强迫震荡技术不需受试者的特殊配合 一些学者将其用于机械通 气中呼吸力学的监测 监测时将一个脉冲发生器置于患者气道开口处 发出约 2 Hz 在此频率下呼吸肌的 活动可被忽略 的脉冲信号 作用在患者的口腔 激发其流速的改变 用置于面罩或气管内插管内的流速 和压力传感器采取信号 从而测定机械通气中黏性阻力 弹性阻力及呼吸总阻抗 此方法不会干扰患者的 自主呼吸和已设定的呼吸机模式 但能评估机械通气中呼吸力学的改变 探测呼气流速受限 发现呼吸阻 力对压力 流速和容积的依赖性 从而为调整呼吸机参数 合理应用呼吸机提供依据 3 气道反应性测定和评估 支气管哮喘患者的气道非特异性炎症可导致其气道黏性阻力增高 因此 国内外学者将此方法用于气道反应性测定和评估 多项研究表明 强迫震荡技术评估气道高反应性的敏感 性和特异性接近或优于常用肺功能指标 如 PD20FEV1 为此 欧洲呼吸病学会认为 低频下的 R 是评 价气道高反应性的敏感而可靠的指标 目前所需做的工作是确定其界限值 多数学者倾向于界限值为 Zrs 增加达 165 190 就支气管舒张试验而言 国内外文献报道不一 欧洲呼吸病学会认为 应进行大规 模的研究 以探讨强迫震荡技术能否用于支气管扩张试验的评估 4 睡眠呼吸暂停 低通气综合征诊断中的呼吸力学监测 由于强迫震荡技术可反映平静呼吸状态下呼 吸力学的改变 一些学者将其用于睡眠监测 结果显示 多导生理监测仪发现呼吸异常次数和强迫震荡技 术发现呼吸阻抗异常增高的次数和时间基本相同 提示强迫震荡技术可提供睡眠中呼吸力学的连续监测 为睡眠呼吸暂停 低通气综合征患者的诊断提供呼吸力学的定量依据 5 儿童肺功能测定 儿童在常规肺功能检查中配合欠佳 限制了肺功能测定在儿童的应用 因强迫 震荡技术无须特殊配合 为儿童肺功能的评定提供了便利 国外文献报道 健康儿童黏性阻力的变异系数 为 5 14 与体描仪的方法相接近 提示此方法可用于儿童呼吸力学的检测和评估 在儿童支气管哮 喘的诊断方面 多数国外文献报道 用 PD40Zrs 或 PD50Zrs 评估儿童支气管激发试验与 PD20FEV1 的相关 性良好 其敏感性甚至优于 PD20FEV1 此外 用 Zrs 评估儿童支气管扩张试验的敏感性和特异性与 FEV1 0 相接近 欧洲呼吸病学会认为 应进行大规模的研究 以探讨脉冲震荡法评估儿