心肺运动试验（CPET）评价个体化精准运动整体方案强化管控心脑血管慢病疗效的临床研究*

宋 雅，孙兴国△，谢友红，台文琦，王继楠，张 也，张艳芳，石 超，何龙林，郝 璐，刘 方，冯 静，张振英，刘艳玲，于 红

（1. 国家心血管病中心，中国医学科学院阜外医院，北京协和医学院心血管疾病国家重点实验室，心血管疾病国家临床医学研究中心，北京 100037；2.重庆医科大学附属康复医院，重庆400000； 3. 首都医科大学附属北京康复医院，北京100144）

慢性非传染性疾病（简称慢病）已成为危害人类健康的首要威胁，慢性病死亡比例达86%，疾病负担比例达到了63%[1]。《中国防治慢性病中长期规划 （2017—2025年）》中所称的慢性病主要包括心脑血管疾病、肿瘤、慢性呼吸系统疾病、糖尿病和口腔疾病,以及内分泌、肾脏、骨骼、神经系统疾病等[2]。《中国心血管健康与疾病报告2019概要》指出心脑血管疾病死亡占居民死亡构成40%以上，居首位，高于肿瘤及其他疾病，且患病和死亡率仍处于上升阶段[3]。慢性病的预防和治疗刻不容缓。

整体整合生理学医学新理论体系[4-6]（简称整体论）认为作为功能有机整体，人的呼吸、循环等系统基本功能是维持细胞代谢平衡，人体氧气代谢至少需要呼吸系统、循环系统和代谢系统的相互配合，并在神经体液等的调控之下才能完成内、外呼吸之间的偶联；而同时能量物质局部浓度的调控和内环境的相对稳定又需要其他生理学系统的参与。心肺运动试验（cardiopulmonary exercise testing， CPET）能够体现生命整体调控的核心观念，对心肺运动期间呼吸、循环、血液、代谢等多系统功能的连续动态变化进行整合分析[7]，是目前唯一一种连续、客观、定量、可重复的无创伤全面评估人体多系统功能的临床检测技术[8-10]。

有研究指出身体不活动是导致众多慢性病的主要原因，规律运动可防心血管病，还能降低心血管病患者的过早死亡风险[11]。为了避免运动强度过高或者过低对患者的安全性和整体疗效造成影响，那么如何选择和制定个体化且安全有效的治疗方式是精准运动和取得疗效的关键。本研究以整体论[4-6]为理论基础，通过CPET和连续功能学检测结果的个体化反应为心脑血管慢病患者制定整体运动方案，同时结合膳食营养、生活方式、精神心理等强化管控3个月后，探讨运用CPET评估患者整体功能的改善情况。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取2014年至2016年心脑血管代谢慢病（血糖血脂血压异常、支架或搭桥术后等）为主的患者20例，同意并坚持被我们团队经个体化精准运动整体方案强化管控3个月。排除标准包括不稳定型冠心病、未控制的充血性心力衰竭和高血压病、心肌梗死急性期、重度肺动脉高压、影响运动的骨关节病、认知功能障碍等。所有对象均签署中国医学科学院阜外医院伦理委员会批准的知情同意书。

1.2 一般资料收集

记录受试者的一般资料，包括性别、年龄、身高、体质量及疾病诊断情况等。

1.3 CPET

1.3.1 CPET质控

使用意大利科时迈（COSMED S.R.L）公司Quark PFT Ergo Omnia 1.6.2心肺运动测试系统。CPET检查前首先进行多流速气流定标；氧气和二氧化碳高、低浓度两点式系统自身定标，代谢模拟器多种流速严格定标[12-14]，均通过后用于临床检测。

1.3.2 CPET实施

所有患者均签署心肺运动试验检查知情同意书后，首先完成坐位全套静态肺功能检查，主要包括用力肺活量、慢肺活量、最大分钟通气量和弥散功能测定等；继之采用功率自行车完成运动试验，全程记录12导联心电图、无创血压、血氧饱和度、各项肺功能和气体交换等指标。按照美国加州大学洛杉矶分校医学中心标准连续递增功率方案完成症状限制性最大极限运动CPET[15-17]：先记录静息3 min;然后，以60 r /min 蹬车速率无负荷热身3 min;根据患者年龄、性别和估计的功能状态预设自行车功率递增速率为10～ 30 W/min，使患者在6～10 min 内达到症状限制性最大极限运动，获得峰值运动各生理指标，继续记录恢复期5～10 min。

1.3.3 CPET数据标准化分析解读

按照美国加州大学洛杉矶分校医学中心、美国食品药品监督管理局（FDA）临床试验CPET数据分析解读标准化原则[15,16,18,19]，从生产厂家软件系统导出所有测定指标的每次呼吸数据（breath-by-breath），经每秒分切（second-by-second）之后，再用10 s 平均数据来制图和结果分析[13,20,21]。将10 s 的二氧化碳排出量与摄氧量用V-slope 法测得无氧阈，获得无氧阈功率[22]。静息状态值平均其最后120 s 的数据；极限状态时的指标平均其最后30 s 的数据；无氧阈状态的指标以无氧阈之前（氧气）和无氧阈之后（二氧化碳） 60 s 数据计算；摄氧通气有效性峰值平台（OUEP），选90 s 移动平均值的最大数值；二氧化碳排出通气效率最小值（Lowest/CO2），选90 s 移动平均值的最小数值；二氧化碳排出通气效率斜率（/CO2Slope），选择从运动开始至通气代偿点（VCP）数据[13,22]。

1.4 整体论指导个体化精准运动整体方案的制定和实施

（1）核心运动方案包含运动方式、强度、频次和时间。运动方式为医疗级别精准功率自行车；运动强度为Δ50% 功率[23,24]，Δ50%功率=（无氧阈功率-功率递增速率×0.75）/2+（最大负荷功率-功率递增速率×0.75）/2；运动频次根据连续动态功能学监测记录到的个体化反应即疗效维持时间制定为1～3次/日，每周3～5 d；运动时间包括热身运动5 min，恒定功率运动30 min（若转速不能维持60 r/min则无功率倒转休息后继续运动），恢复期无功率踏车运动5 min，共计40 min，周期3个月；（2）辅助运动：结合肌肉抗阻训练、弹力带、八段锦等作为辅助性训练，0.5～1 h/d；（3）整体健康管控：结合精神心理、膳食营养、睡眠管理等进行生活方式干预，如减轻精神压力,保持心理平衡，合理膳食模式、纠正不良习惯，改善睡眠障碍、保证睡眠质量等[25,26]。运动全程严密监测受试者血压、心率、心电、指脉氧饱和度等生命指标，本研究中的受试者均安全完成整体方案管理。

1.5 强化管控前、后CPET整体功能分析和疗效评估

1.5.1 CPET主要观测指标

强化管控前、后CPET反应整体功能和疗效的指标：（1）CPET核心指标：峰值摄氧量（peak oxygen uptake，Peak V·O2，L/min、ml/（min·kg）和%pred）、无氧阈（anaerobic threshold，AT，L/min、ml/（min·kg）和%pred）、峰值氧脉搏（peak oxygen pulse，Peak V·O2/HR，ml/beat和%pred）、峰值负荷功率（Peak Work Rate，W/min和%pred）、摄氧通气效率峰值平 台（oxygen uptake efficiency plateau，OUEP，比 值和%pred）、二氧化碳排出通气效率最小值（lowest value of carbon dioxide ventilatory efficiency，Lowest，比 值 和%pred）、二 氧化 碳排 出通 气当量斜率（slope of linear regression of minute ventilation over carbon dioxide elimination，Slope，slope和%pred）、递增功率运动持续时间（Ramp Ex-Duration）；（2）CPET其他指标：峰值收缩压（peak systolic blood pressure，Peak SBP）、峰值舒张压（peak diastolic blood pressure，Peak DBP）、峰值心率（peak heart rate，Peak HR）、峰值心率收缩压乘积（peak heart rate systolic blood pressure product，Peak RPP，1/1 000）、峰值分钟通气量（peak minute ventilation，Peak）、呼吸储备（breath reserve，BR），及静态肺功能指标用力肺活量（forced vital capacity，FVC）和最大分钟通气量(maximum voluntary ventilation，MVV)。

1.5.2 个体化分析

首先经过数据标准化解读个体化计算强化管控前、后每位患者的CPET各指标情况，并采用Origin 作图，随后计算管控前、后各指标的差值（差值=管控后-管控前），进而计算各指标百分差值即各指标差值与管控前相应指标的百分比值（百分差值=差值/管控前×100%），个体化分析每位患者整体功能的改善及疗效。

1.5.3 整体化分析

将所有患者视为一个整体，整体化计算强化管控前、后所有患者的CPET各指标情况，即各指标整体均值和标准差、整体差值和百分差值的均值±标准差，并以此代表所有患者管控前和管控后的整体状态，整体分析管控前、后各指标的异同，探讨所有患者管控后的整体改善趋势及疗效。

1.6 统计学处理

符合正态分布的计量资料以均数±标准差（±s）表示，统计处理用SPSS 软件进行分析，组内治疗前后比较采用配对t检验。

2 结果

2.1 强化管控前患者一般资料情况

心血管慢病为主患者共20例，18男2女，年龄为（55.75±10.80，26～73）岁，BMI为（25.66±4.11，14.68～33.31）kg/m2。其中主要临床诊断中患心脑血管病17例（85%），高血压13例（65%），糖尿病11例（55%），血脂异常10例（50%），高尿酸血症4例（20%），肥胖5例（25%），胸闷3例（15%），睡眠呼吸暂停综合征3例（15%，表1）。

2.2 强化管控前、后患者基本资料变化

强化管控前患者体重、空腹血糖、静息收缩压、舒张压、心率和RPP分别为（76.35±15.63，53～105）kg、（9.01±2.69，5.7～14.4）mmol/L、（116.11±19.82，85～158）mmHg、（68.99±9.80, 55～94）mmHg、（74.94±13.96，60～104）bpm和 （8.69±2.19，5.83～12.96），强化管控后上述指标分别为（75.98±14.16，55～104）kg、（5.38±0.90, 3.7～6.8）mmol/L、（107.54±13.15，90～132）mm Hg、（70.62±8.49，57～84）mm Hg、（73.04±10.42，59～96）bpm和（7.82±1.25，5.67～10.24）（表2）。

与强化管控前比较，强化管控后患者静息收缩压、RPP和空腹血糖均显著降低（P<0.05），体重、静息心率和舒张压降低，但差异均无统计学意义（P>0.05，表2）。其中强化管控后5例患者血压在正常低值的基础上略上升，13例高血压患者在药物下血压维持临床正常范围，但强化管控后血压仍显著下降，其余患者无明显变化；所有患者空腹血糖均降低，回归正常范围；9例体重较高患者降低1～7 kg，6例体重偏轻患者增加1～8 kg，其余患者体重无变化。强化管控后患者血压、血糖和体重均向正常转归。

2.3 强化管控前、后CPET整体功能状态情况－整体分析

2.3.1 强化管控前CPET指标情况

2.3.2 强化管控后CPET指标情况

2.3.3 强化管控前、后CPET指标比较

表1. 心脑血管慢病为主的患者一般资料情况

表2. 强化管控前、后慢病患者基本资料比较（±s，min～max，n=20）

表2. 强化管控前、后慢病患者基本资料比较（±s，min～max，n=20）

RPP: Rate pressure product 心率收缩压乘积/1 000*P<0.05, **P<0.01 与强化管控前比较

时间 体重（kg）空腹血糖（mmol/L）收缩压（mmHg)舒张压（mmHg）心率（bpm）RPP（1/1000）管控前 76.35±15.63 53～105 9.01±2.69 5.7～14.4 116.11±19.82 85～158 68.99±9.80 55～94 74.94±13.96 60～104 8.69±2.19 5.83～12.96 7.82±1.25⋆5.67～10.24管控后 75.98±14.16 55～104 5.38±0.90⋆⋆3.7～6.8 107.54±13.15⋆90～132 70.62±8.49 57～84 73.04±10.42 59～96

表3. 强化管控前、后CPET指标整体改善情况比较(x± s，n=20)

与管控前比较，强化管控后所有患者上述指标整体改善情况（以百分差值表示）：Peak（L/min、ml/（min·kg）和%pred）提 升 了（29.59±8.69，16.70～45.81）%、（28.63±9.27，14.44～44.81）%和（29.09±7.38，17.78～41.80）%；AT（L/min、ml/（min·kg）和%pred）提 升 了（25.53±17.48, 0.24～78.42）%、（25.49±20.61，0.85～88.91）%和（25.16±18.38，1.77～81.86）%；Peak/HR（ml/beat和%pred）提升了（22.75±16.60，-2.34～54.16）%和（22.19±14.81，-1.81～47.54）%；Peak WR（W/min和%pred）提升了（30.07±16.58，8.94～65.65）%和（29.67±15.94，9.24～57.56）%；OUEP（ 比 值和%pred）提升了（13.54±13.52，0.42～63.43）%和（13.71±13.49，0.42～63.43）%；Ramp Ex-Duration提 升 了（33.89±22.93，6.38～83.48）%；Lowest（比 值 和%pred）降 低 了（8.64±9.70，-3.19～34.25）%和（8.62±9.74，-3.19～34.25）%；/Slope（slope和%Pred）降低了（13.59±12.60，（2.21～47.90）%和（13.54±12.66，2.13～47.90）%，Peak SBP、Peak HR和Peak RPP分别提升了（9.63±9.11，0.20～23.49）%、（11.97±8.34, 1.55～34.10）%和（22.83±14.64，4.07～46.87）%，Peak、MVV和FVC分别提升了（23.59±22.20，-21.33～67.39）%、（11.41±8.85，-0.41～32.84）%和（11.78±11.37，-0.88～39.66）%（表3）。

2.4 强化管控前、后CPET整体功能状态评估－个体化分析

强化管控后15例患者8项CPET核心指标均改善，5例患者除1项核心指标未改善外，其余7项核心指标均改善；其中3例患者为管控后Lowest/略升高，1例为管控后Peak/HR略下降，1例患者为管控后/Slope略升高，但均在正常范围内波动，可见每例患者管控后心肺运动整体功能状态均显著改善。具体每例患者管控后较管控前8项CPET核心指标改善情况如下：Peak（L/min）提高≥15%、20%、25%和30%的分别占100%（20例）、95%（19例）、70%（14例）和50%（10例），Peak（ml/min/kg）提高≥15%、20%、25%和30%的分别占95%（19例）、90%（18例）、60%（12例）和45%（9例），Peak（%pred）提高≥15%、20%、25%和30%的分别占100%（20例）、80%（16例）、65%（13例）和45%（9例）；AT（L/min）提高≥15%、20%、25%和30%的分别占80%（16例）、70%（14例）、35%（7例）和15%（3例），AT（ml/（min·kg））提高≥15%、20%、25%和30%的分别占70%（14例）、90%（18例）、50%（10例）和15%（3例），AT（%pred）提高≥15%、20%、25%和30%的分别占80%（16例）、65%（13例）、30%（6例）和15%（3例）；Peak/HR（ml/beat和%pred）提高≥15%、20%、25%、30%的分别占65%（13例）、50%（10例）、45%（9例）、35%（7例）；Peak Work Rate（W/min和%pred）提高≥15%、20%、25%、30%的分别占75%（15例）、60%（12例）、55%（11例）、55%（11例）；递增功率持续时间提高≥15%、20%、25%、30%的分别占75%（15例）、70%（14例）、55%（11例）、50%（10例）；OUEP（比值和%pred）提高≥5%、10%、15%的分别占70%（14例）、65%（13例）、35%（7例）；Lowest（比值和%pred）降低≥5%、10%、15%的分别占60%（12例）、30%（6例）、20%（4例）；Slope（slope和%pred）降 低≥5%、10%、15%的分别占80%（16例）、55%（11例）、30%（6例）（图1）。

3 讨论

CPET是符合整体整合生理学医学新理论体系观念的对人体整体功能学客观定量测定的唯一方法，能够作为诊断各类疾病，进行疾病严重程度评估、治疗效果评估及疾病预后预测以及人体健康管理的客观依据，适用于所有正常人和各种疾病患者[9]。它强调外呼吸和细胞呼吸耦联，即心-肺-骨骼肌群的联系，特别强调心肺功能的联合测定，可以在运动中即时反应人体心血管系统、呼吸系统对之的反应及代谢状况，可以客观评价心肺储备功能和运动耐力等整体功能状态[7, 18]。

个体化运动整体方案的精准制定是运动康复的核心内容，而运动强度是个体化运动整体方案制定的核心，直接关系到慢病诊疗的安全性和有效性。传统靶心率法、主观感觉评定法等制定运动强度不够客观定量，且可能受疾病或药物影响而存在一定的危险性[23-27]。欧洲心脏病学会（ESC）[28]发布的首份针对心脏病患者的运动和体育活动的指南指出运动试验或心肺运动可评估整体心血管情况，可对运动和运动类型及强度提出个性化建议。CPET可以给患者提供合适运动水平的信息，以避免不适当的应激，同时可对运动耐受情况的改善做出客观评价[15]。而本研究根据CPET检查客观定量精准制定Δ50%运动强度，连续功能学检测指标的个体化反应指导设定运动频次，辅以主被动训练并结合膳食营养、生活方式管理、精神心理等整体方案强化管控心脑血管慢病患者3个月，结果发现，强化管控后患者血压、血糖体重和血脂异常等现象均转归正常，且CPET和个体化精准运动管控期间均未发生任何恶性心律失常、晕厥等严重不良事件。葛万刚[24]等研究表明，个体化适度运动后高血压患者在减药甚至停药的基础上血压可维持在正常范围，与本文研究结果一致。

图1. 个体化运动整体方案强化管控前后CPET核心指标改善情况的个体化分析图

本研究采用CPET评估心脑血管慢病患者强化管控前后整体功能的变化和疗效，其中峰值摄氧量、无氧阈、峰值氧脉搏、峰值心率血压和心率收缩压乘积主要反映循环功能，峰值负荷功率和递增功率持续时间主要反映心肺耐力，峰值分钟通气量、呼吸储备、用力肺活量和最大分钟通气量等主要代表运动中的呼吸反应情况；Sun XG等[29,30]研究表明，摄氧效率峰值平台（OUEP）主要受身高、年龄、性别和心血管功能状态的影响，且OUEP较摄氧效率斜率（OUES）有更低的变异性和更好的重复性。二氧化碳通气当量最小值（Lowest/）有更低的变异性，优于/Slope能更好的评估受试者的通气有效性，因此本研究用通气有效性指标摄氧量通气效率峰值平台、二氧化碳排出通气效率最小值、二氧化碳排出通气斜率为主评价循环功能及循环与呼吸的匹配程度。个体化分析结果显示，强化管控后15例患者8项CPET核心指标均改善；5例患者7项核心指标均改善，仅1项未改善。其中3例患者为管控后仅Lowest/略升高，1例患者为管控后仅/Slope略升高，但实测值均小于34，1例为管控后仅Peak/HR略下降，此5例患者管控前后未改善的指标属于在正常范围内波动，不属于异常增高和降低。其中反应最大有氧代谢和心肺储备能力的指标峰值摄氧量，在管控后的大多数患者中均较管控前显著提升超过25%，同时，强化管控后所有患者峰值心率、血压、心率收缩压乘积及大多数患者峰值分通量、最大分钟通气量和用力肺活量均显著升高，虽然呼吸储备在管控后有增加和降低，但管控前后均大于正常范围11 L/min。整体而言，强化管控后上述指标较管控前均显著升高，差异有统计学意义（P<0.01～0.05），与个体化分析结果相一致。强化管控后心脑血管慢病患者心室收缩泵血能力、循环运氧能力、肺通气、换气功能以及整体细胞代谢能力均显著改善。张振英等[31,32]研究表明CPET可以客观定量评估慢性心衰患者病情，精准制定个体化运动强度为核心的康复处方，运动康复12 周可显著改善慢性心力衰竭患者的心肺功能、运动耐力和生活质量；王晓东等[33]研究表明代谢综合征患者整体心肺功能较正常人降低，患心血管疾病可能性较高，个体化强度运动可以有效改善代谢综合征患者的心肺功能，降低心血管疾病风险，本研究结果与其一致。研究表明[31,34,35]规律长期的运动提高心肺适能、使心肌有氧代谢能力加强，肌凝蛋白ATP酶活性加强，横桥活化水平增高，心肌收缩力增强，心排血量增加，同时通过增强肌肉氧化酶的活性，改善骨骼肌的氧化能力，增加对血液氧的摄取和增大动－静脉氧差等改善患者功能储量，改善内皮功能、降低交感神经张力等。患者强化管控后循环功能、呼吸功能及循环与呼吸的匹配程度均显著优于管控前，可能与此有关。

综上所述，CPET能安全客观定量地评估人体整体功能状态和治疗效果、指导制定个体化精准运动强度。个体化精准运动整体方案强化管控三个月能安全有效改善长期心脑血管代谢等慢病患者的循环功能、呼吸功能和循环呼吸匹配程度。但本研究样本量较少，我们将继续增加样本量，扩大入组例数，增加患者依从性，并做进一步的深入分析。