成人心肺运动试验实用指南

背景

心肺运动试验（CPET）是一项最大运动测试，同时进行气体交换分析，它能对运动时的生理反应和心肺适能进行综合全面的评估。与运动心电图不同，CPET 可在静息和运动期间直接无创地测定分钟通气量、心率，并分析呼出气体（氧气摄取量和二氧化碳排出量），从而提供关于通气、气体交换、心血管和肌肉骨骼功能相互作用的准确且可重复的数据，并能确定与正常情况的偏差。

使用 CPET 可以检测出这些器官系统在功能能力方面的异常，这些异常在运动时会被放大或仅在运动时出现（例如冠心病、右向左分流），并有助于明确运动受限的病理生理学机制。需要注意的是，患者报告的症状或声称的运动不耐受程度与静息功能和影像学检查的相关性仅为中等 。因此，CPET 在确定运动不耐受的原因、监测疾病进展、评估治疗反应以及提供预后信息方面特别有价值。

运动心肺试验适应症

· 确定运动性呼吸困难、运动不耐受或运动诱导低氧血症的病因和严重程度；

· 评估各种疾病状态（包括慢性心力衰竭）下的运动能力并估计预后；

· 评估围手术期和术后并发症风险（例如，对于胸科、心脏和内脏手术；手术和支气管镜下肺减容术）；

· 早期检测心血管、肺血管和肺部疾病以及肌肉骨骼疾病，并进行风险分层；

· 测量对治疗（例如药物、康复治疗）的反应；

· 在康复（例如心脏、肺部康复）以及预防医学和运动医学中指导和监测个体体育训练；

· 在职业医学中评估个体最大和持续运动能力的限制 / 损害。

运动心肺试验测试流程

CPET 通常使用功率自行车或跑步机进行。功率自行车通常更安全，适用于更广泛的患者群体（例如身体机能下降、肥胖、关节问题患者），便于进行测试过程中的操作（如监测心电图和血压、采血），并能准确测量外部做功功率。跑步机运动测试允许受试者以设定的速度和坡度行走或跑步，它能激活更多的肌肉群，引起更大程度的氧饱和度下降，并产生更高水平的峰值氧摄取量。在大多数临床情况下，功率自行车运动测试是更可取的运动方式；然而，根据 CPET 的检测目的，跑步机运动测试也可能是合适的替代方法。

在进行 CPET 之前，应获取精确的病史（既往和并存疾病、起搏器 / 除颤器、药物、兴奋剂、患者活动情况）、进行临床检查、完成基本的心肺诊断（胸部 X 光、心电图、血压、体温、肺功能、肺一氧化碳弥散量）和实验室检查结果（例如血常规、血糖、肌酐、促甲状腺激素、血气分析 [BGA]）。这有助于后续的结果解读和个体风险评估。尽管 CPET 被认为是一种安全的检查，但仍可能发生心脏紧急情况、低氧血症和血管迷走性 / 直立性晕厥。因此，必须对合格的工作人员进行定期的应急管理培训。在测试过程中，至少在评估高危患者时，应有经过培训的医生在场。

CPET 通常采用坐位症状限制的功率自行车运动测试。标准方法是使用连续递增的斜坡方案（例如每 2 - 15 秒增加一次做功功率）或每分钟以 5 - 30W/min 的步长递增，直至达到症状限制的最大运动量。这种方法的优点是测试方案时间短，初始做功功率低，高强度心肺运动持续时间短。

CPET 过程分为四个部分：

1.休息期（2 - 3 分钟）：使呼吸适应面罩或口嘴，包括测量毛细血管 BGA、心电图和血压。

2.无负荷期（“主动基线”；2 - 3 分钟）：无负荷骑行，不增加额外阻力（内部做功功率取决于设备：0 - 15 瓦），踏频 55 - 70 转 / 分钟（rpm）。在此热身阶段，VO₂通常会翻倍。

3.递增运动期（10 ± 2 分钟）：踏频 55 - 70 rpm。

4.恢复期（冷却期；3 - 5 分钟）：无负荷蹬踏。

注意：运动前的无负荷骑行（热身）代表真正的心肺和代谢基线，应被视为所有患者 CPET 的必要组成部分。遵循这些指南建议将明显有助于实现 CPET 结果的标准化和可比性。

运动心肺试验测试标准

近期欧洲呼吸学会关于慢性肺部疾病 CPET 标准化的声明中概述的标准化检查程序，对数据质量和测量结果的可比性有显著贡献 。在这方面，质量控制以及合格工作人员的专业培训和经验至关重要 。

为了获得可靠的数据，必须向患者告知检查程序（包括运动过程中的手势交流），并鼓励他们全力配合。在测试当天，患者应按常规服药，穿着舒适的运动服装和运动鞋，并在检查前至少 2 - 3 小时进食最后一顿清淡餐食。此外，患者应临床状况稳定，无感染，在检查前 24 小时内避免吸烟、使用电子烟、进行剧烈运动和饮酒。

确保设备校准正确且正常工作后，将面罩（或口嘴）和功率自行车连接到受试者身上，然后将受试者与监测设备相连。一次具有代表性的肺功能检查为确定最大自主通气量奠定基础。选择合适的递增斜坡方案后，患者应以恒定的踏频（约 55 - 70 rpm）蹬踏。停止规则与运动心电图一致。在运动测试结束时，使用改良的 Borg CR10 量表记录呼吸困难和腿部用力程度，并记录终止原因。

在 CPET 过程中，通过连接有气体和流量（或容积）传感器的面罩（或口嘴）连续测量呼出气体中的O₂和CO₂浓度以及分钟通气量（VE）（潮气量 × 呼吸频率）。通过这些测量值和运动测试监测数据（心率和做功功率），可以推导出几个关键变量（图1、图2、图3和图4）。

数据可按每次呼吸进行收集（单次呼吸分析），也可对8-10次呼吸进行平均（滚动平均），或在10-30秒的固定时间段内进行平均，并以表格总结和9面板图形阵列的形式展示。图形显示、参数选择和缩放已预先配置，可在制造商的支持下根据研究者的要求进行调整。已提出了一些关于9面板图的格式规范，以提高CPET结果的清晰度、可重复性、可解释性和可比性[28]。对于参考值[29]，我们倾向于使用SHIP队列中的公式[30]，或者使用 Hansen/Wasserman 提出的类似值。

此外，建议由经过培训的工作人员从充血的耳垂采集毛细血管 BGA（时间点：静息、亚极量运动（在无氧阈值范围内）、峰值运动、恢复结束时（例如运动后 2 分钟）），以量化潜在的 V/Q 不匹配程度 [确定P（A - a）O₂和P（a - ET）CO₂]。这符合当前的实践和最新建议，即对于非低氧血症患者，CPET 时不强调需要采集动脉 BGA 样本 [1, 32]。然而，应注意氧饱和度（SpO₂）> 90% 的患者，其毛细血管和动脉 PO₂之间的差异（通常在 5 - 10 mmHg 范围内）。

受试者功率方案的选择

递增运动理想情况下应持续 10 ± 2 分钟，对于严重受限的患者至少应持续 5 分钟。应避免选择过快的做功功率增量（斜坡过陡），因为这通常会导致明显的过度通气、无法确定无氧阈值，并且由于乳酸酸中毒导致运动过早终止。因此，对于明显受损的患者，考虑选择 5 瓦 / 分钟的做功功率增量可能是值得的。

在选择总做功量（瓦）和做功功率增加速率（瓦 / 分钟）时，有多种选择。基本上，根据日常生活中的运动能力进行简单的判断已被证明是有用且务实的：例如楼梯问题（例如，你能一口气快速爬上几层楼？[11, 33]）。回答可以为 CPET 斜坡方案的调整提供参考：

· 爬一层楼大约相当于 50 瓦（≈ 10 分钟测试中每分钟增加 5 瓦），相当于轻松徒步、打高尔夫球等活动。对于患有严重心脏和 / 或肺部疾病的患者，50 瓦可能代表他们的最大运动能力，因此，可选择 5 瓦 / 分钟的做功功率增量以完成 10 分钟的测试。

· 爬两层楼大约相当于 100 瓦，相当于 “北欧式健走”、在平坦道路上骑自行车、园艺等活动。建议的做功功率增量为 10 瓦 / 分钟。

· 爬三层楼大约相当于 125 - 150 瓦，相当于游泳、登山等活动。建议的做功功率增量为 15 瓦 / 分钟。

· 爬四层楼大约相当于 200 瓦（类似于以≥10 km/h 的速度跑步）。建议的做功功率增量为 20 瓦 / 分钟

或者，文献中也提出了其他做功功率增量的估计方法。

有效性检查

在 CPET 之前和过程中，必须进行有效性检查以检测和纠正设备故障（例如面罩泄漏、气体分析仪故障或漂移）。简单的有效性检查可限于以下方面 [11]：

· 分钟通气量是否足够？ 如果 VE 的增加不随做功功率的增加而增加，则不太合理（可能是面罩泄漏、焦虑、努力程度不足？）。为了快速估计相对于做功功率的适当 VE，我们建议使用 Rühle 描述的 9 点规则 [11]：每增加 25 瓦的做功功率，需要增加 9 升的 VE，再加上静息时的 9 升 VE。例如：总做功功率为 100 瓦（4 × 25）时，需要的 VE 为 4 × 9 升 + 9 升（静息时） = 45 升 / 分钟。

· 给定做功功率下的 VO₂增加是否足够（VO₂增加 / WR）？ 如果运动早期（前 1 - 2 分钟）VO₂增加过低，则不太合理（例如面罩泄漏）。实际值可在屏幕上在线读取。经验法则：VO₂增加 / WR ≥ 10 mL / 分钟 / 瓦。静息时 VO₂的合理性检查值为 5 - 6 mL / 分钟 / 千克（经验法则）。

· 呼吸交换率（RER）是否足够？ 如果静息时 RER <0.7 或运动早期 RER> 1，则不太合理（可能是有意或预期的过度通气、气体分析仪故障、采样管堵塞、面罩泄漏）。

可能的解决方法：按照制造商的说明进行测量设备的预热期操作，重复校准，检查气体 cartridges，更换（面罩、测量传感器、采样管）。如果软件中递增运动期的明显终止时间与功率自行车上实际运动结束时间不匹配，也会出现相关伪影。另一个常见错误是毛细血管 BGA 样本错误（血液样本采集或分析错误、标记缺失或错误、软件程序中 BGA 条目的顺序错误）。

判断患者努力程度

运动结束时的 RER 等参数，如 RER ≥ 1.05（患病者）或≥ 1.1（健康人），超过无氧阈值（AT）时的 VO₂，接近预测的 VO₂峰值、心率和 VE 的最大值（和 / 或 VE/VO₂ > 30 - 35），表明患者付出了足够的努力。重要的是，当满足这些标准时，不应停止 CPET。

九宫图数据解读

CPET 结果的分析和解释需要运动生理学的基础知识以及结构化的方法。关于运动能力/表现，最大达到的运动表现（VO2峰值=停止运动时的最高摄氧量）比最大可达到的运动能力（VO2max)）更相关，而最大摄氧量是运动医学的范畴。

关键变量及其相互关系在 Wasserman 等人的九宫图显示中得到了系统总结。该图能够进行可靠的、结构化的解释，并对测试结果进行可行的分布。2012 年，Wasserman 等人出于教学原因重新排列了具有相同内容的原始九面板显示。然而，更新后的显示尚未得到普遍确立，因此我们将参考这两个版本。

解释的主要目的是确定运动能力是否受损以及受损程度，以及心血管、肺血管或肺源性的原因可能是主要原因。

事实证明，在整个测试期间（休息、锻炼和恢复）中以系统的顺序分析九宫格是有用的。有关心血管反应和氧气运输的信息反映在第 1 → 2 → 3 中（原始版本：第 3 → 2 → 5）。

有关肺气体交换和 V/Q 不匹配的信息可在第 4 → 6 → 7 中找到（原始版本：第 6 → 4 → 9）。通气能力的可能限制见第 5 → 8 → 9（原始版本：第 1 → 8 → 7）。

鉴于 CPET 变量数量众多（约 150 个），减少到几个具有临床意义的关键变量确实非常显着，并且还使非专业人员能够使用 九宫格进行结构化分析和解释。

在图 2、3 和 4 中，我们以一名 44 岁健康男性的正常发现为例，以上述顺序描述各个面板，该男性使用增量斜坡方案进行周期测力计。因此，这些面板反映了运动期间的生理变化，如图 1 所示。各个面板包含有关关键变量的其他信息、结构化分析建议以及可能的异常反应模式的嵌入式示例。

无氧阈（AT）测定

无氧阈（AT）的测量可以对次极量运动水平下的有氧代谢进行客观评估。它可以通过计算机程序自动计算，但需要进行交叉检查。低 AT 表明心血管的氧运输受损或肌肉的氧利用不良。通过结合多种方法（即所谓的三面板视图（面板 3、4、7[原始版本：面板 5、6、9]），在大多数情况下可以确定 AT，并排除非生理性过度通气作为 V 型斜率拐点的起源[12]。并非总是能够有效确定 AT，对于非常严重的呼吸受限（慢性阻塞性肺疾病、间质性肺疾病）或严重心力衰竭的情况，当通气和/或灌注不能再随着运动强度的增加而充分增加时，就无法确定 AT。其他原因包括过于陡峭/平缓的递增负荷方案或降低运动表现的因素，如关节病、外周动脉疾病或努力不足。由于第二气体交换阈值[呼吸代偿点（RCP）]的临床价值相对较低，我们未考虑它。

表 1 总结了一些中心 CPET 参数的正常和异常值，了解这些值有助于数据解释。这些值仅用于参考，因为目前还没有确定普遍接受的目标值。

运动心肺试验结果解读

健康受试者的运动能力通常受心脏或肌肉骨骼系统的限制。在抱怨运动耐力下降的患者中，心肺运动试验（CPET）通常可以揭示运动受限的主要原因，结合临床病史（包括神经系统疾病[自主神经功能障碍]）和静息功能诊断的结果，可以缩小广泛的鉴别诊断范围并确定诊断选择。

表 2 展示了一个心肺运动试验（CPET）解释工作表的示例，该工作表可指导对数据进行结构化解释，并确定运动受限的主要模式（例如，心循环、肺血管、肺部、失健）。

工作表方法当然不是基于生理学对运动不耐受进行解释的唯一入门方法（例如，参见结构化流程图方法），但它的优势在于，在大多数情况下，它可以帮助阐明哪些是运动受限的主要模式。如表 2 所示，可以根据每个个体的发现总和做出陈述。

此外，类别之间可能会出现重叠，但通常可以明确区分哪个类别（心脏、肺血管或肺部）占主导地位，以及是否有继发性影响（例如，肺动脉高压）或共存疾病的证据，这些可能会影响结果。因此，这种分析可能会导致意外的、以前未知的运动不耐受原因，如果没有心肺运动试验（CPET）就无法确定。最后，CPET 在确认使重大疾病不太可能发生的正常发现方面也可能有用。

还需要注意的是，峰值摄氧量正常的个体仍可能因身体状况不佳、肥胖、焦虑或早期/轻度心肺疾病而出现运动受限。在检查前，应调查其他混杂因素，如贫血、甲状腺功能或酸碱失衡。

运动心电图与血压

在整个检查过程中，必须注意血压和心电图的异常情况（ST 段改变、心律失常、异位搏动和传导阻滞图形）。

结论

心肺运动试验（CPET）为确定个体为何抱怨劳力性呼吸困难提供了一个客观且可重复的机会，并能对运动能力的受限程度进行量化。它不仅有助于心肺疾病、肺血管疾病和心血管疾病之间的鉴别，同时也能揭示潜在的且通常复杂的机制。因此，在患者进行广泛的诊断检查（即在休息状态下寻找运动期间出现的异常）之前，应进行心肺运动试验（CPET）。心肺运动试验可能涵盖比医学中任何其他测试更广泛的潜在鉴别诊断范围，并且也可能具有成本效益，因为它指导诊断并促进治疗决策。此外，许多患者认为心肺运动试验是他们临床检查中非常有用的一部分。这一切都表明心肺运动试验应该更频繁地使用，特别是因为在常规使用中，例如与运动心电图相比，时间花费较低。此外，心肺运动试验的诊断价值显著超过非鉴别性运动表现测试（运动心电图、6 分钟步行试验等，这些测试不能提供关于运动耐量的信息），因为即使在次极量运动水平下，通过同时测量通气气体交换也可以确定具有重要预后意义的关键变量。然而，这种全球心肺参考测试正越来越面临风险，由于成本、缺乏专业知识或报销等各种原因从门诊专科医疗中消失。这种不一致性部分是由于 CPET 报告可能被认为很复杂，并且常常不能提供实用、易于遵循的指导。CPET 可以被视为一种复杂的测试（基于其提供的独特丰富信息），但不一定是一种非专业人员难以掌握的工具。然而，对于那些有兴趣学习如何分析和解释 CPET 结果的人来说，缺乏简洁易获取的介绍可能会限制这种强大参考方法的更广泛应用。因此，CPET 应在临床环境中得到推广，培训应成为呼吸专科医学培训的强制性组成部分。在这方面，德国心血管研究中心的 CPET 标准操作程序示例建议最初在指导下应用 5 次 CPET，随后在监督下独立进行至少 20 次 CPET 并进行解释。尽管本介绍并非旨在面面俱到，但我们已尽力为从事心肺运动试验（CPET）操作和解读的人员提供一份实用指南，并鼓励在适用病例中更频繁地使用这一专业参考检查。

参考文献

Glaab T, Taube C. Practical guide to cardiopulmonary exercise testing in adults. Respir Res. 2022 Jan 12;23(1):9. doi: 10.1186/s12931-021-01895-6. PMID: 35022059; PMCID: PMC8754079.