冠状动脉粥样硬化性心脏病是由于冠状动脉狭窄或闭塞,导致心肌缺血､缺氧甚至坏死的一组疾病,简称冠心病｡尽管在过去的几十年中,冠心病的治疗有了相当大的改进,但冠心病发病率和病死率仍然呈现上升趋势,全球范围内,约2.4亿人患有缺血性心肌病,2021年冠心病患者死亡率较2019年上升72%｡《中国心血管健康与疾病报告2023》显示,目前国内冠心病患病人数高达1139万;2021年,国内城市居民冠心病死亡率为135.08/10万,农村为148.19/10万｡冠心病给居民和社会带来的经济负担持续加重,因此冠心病的早期筛查､诊断､防治尤为重要｡心肺运动试验(CPET)能检测受试者静息状态､负荷运动和恢复状态下的心肺功能,其优势在于能观察负荷递增下心血管系统､呼吸系统的储备能力,目前已广泛应用于人体整体生理功能状态评价､病情评价､治疗效果及预后转归预测等领域,且有无创的优点｡冠状动脉造影术作为诊断冠心病的“金标准”,可准确评估冠状动脉狭窄程度,但冠脉狭窄程度和心肺储备功能并不一定是等比关系｡CPET则作为评估心肺适能(CRF)的“金标准”,不仅具有无创的优点,还能精确评估心肺储备能力,在冠心病的风险预测､诊断､制定运动处方､预后及疗效评价等方面具有独特的临床应用价值｡比如CPET的不同参数指标可以评估冠心病患者的心功能不全情况,能够密切连续检测患者心血管状态,以确保患者治疗的有效性｡现就CPET应用于冠心病的相关研究进展进行系统阐述,以期为冠心病提供更为简便的诊断及评估策略｡

CPET是在逐步递增的运动负荷试验中,通过测定人体静息､运动及恢复阶段的耗氧量(VO₂)､二氧化碳排出量(VCO₂)､通气量(VE)及血压､血氧､心电图等指标,全面客观地评价人体呼吸系统､心血管系统､神经生理系统､骨骼肌及代谢系统功能,阐明在不同负荷运动时发生的病理生理性变化｡CPET利用外呼吸与细胞呼吸耦联的原理,通过外呼吸氧气摄入量和VCO₂的变化,了解细胞呼吸过程中线粒体氧利用和二氧化碳生成的变化,对患者心肺运动功能及心肺损伤程度进行评价｡

CPET主要包括静态肺功能测定和踏车运动试验,静态肺功能测定可以获得用力肺活量(FVC)､最大自主通气量(MVV)､第1秒用力呼气容积(FEV₁)等呼吸参数及最大流速- 容量环;而踏车运动试验分为:⑴静息期(3min):可以获得静息心率(HR)､血压､心电图､静态气体代谢等指标;⑵无负荷热身运动期(3min):踏车速度保持在55~65r/min,接近结束时记录HR､血压､心电图､血氧饱和度等指标;⑶功率负荷期(6~10min):踏车速度保持在55~65r/min,测试者可密切观察受试者症状､HR､血压､气体代谢指标､血氧饱和度及心电图改变｡⑷恢复期(6~8min):保持无负荷缓慢踏车2~3min,踏车速度可维持在30~40r/min,可观察受试者的HR､血压､心电图及症状｡通过对这些数据信息的综合分析,客观反映受试者运动过程中肺通气与换气､细胞能量代谢及血流动力学变化,阐明运动不耐受以及发生诸如呼吸困难､心绞痛､下肢疲劳等症状的可能原因及其机制｡CPET的主要测试方法是运动,对于病情相对稳定的患者,其运动生理反应是可重复的,而存在重度心肺功能不全､急性心力衰竭､运动功能障碍等症状者禁忌行CPET｡

CPET的主要参数有:

⑴反映运动耐量以及心血管功能的指标:如峰值摄氧量(peakVO₂)､无氧阈(AT)､代谢当量[METs,1MET=3.5mL/(kg·min)VO₂]､最大氧脉搏(peakVO2/HR)､HR储备(HRR)､呼吸商(RQ)或呼吸交换比(RER)､氧作功效率(摄氧量/功率,ΔVO₂/ΔWR)､测试期的心电图､HR及血压变化等;

⑵反映通气功能的指标:如呼吸储备(BR)､MVV､潮气量(VT)､呼吸频率(BF)､分钟通气量(VE)､FEV1､VT/深吸气量(IC)､运动振荡通气(EOV)等;

⑶反映气体交换的指标:如氧通气当量(VE/VO₂)､二氧化碳通气当量(VE/VCO₂)､生理无效腔/潮气量比值(VD/VT)､动脉氧分压(PaO₂)､肺泡与动脉氧分压差[P(A-a)O₂]､动脉二氧化碳分压(PaCO₂)､潮气末氧分压(PETO₂)､潮气末二氧化碳分压(PETCO₂)､外周血氧饱和度(SaO₂)等｡CPET可提供患者的可重复客观信息,可精确量化心肺功能储备和功能受损程度,是评估CRF的金标准｡

心血管系统是机体内的一个关键系统,负责将氧气和营养物质输送到全身各个细胞,并将废物和二氧化碳带走,该系统最主要和直接的作用之一是气体的转运｡心脏是一个独特的需氧器官,不断由冠状循环血管供氧,心肌血流灌注能很快适应代谢增加的需求,运动时冠状循环血流量成比例增加2~5倍｡冠状动脉病变如冠脉狭窄､冠脉微循环病变､血流停滞等情况下,心肌局部需求与灌注失衡,VO₂､VCO₂及HR将产生相应的改变｡

冠心病患者在运动过程中的气体交换情况受到心血管系统的影响｡在低负荷运动期,冠心病患者ΔVO₂/ΔWR正常,VO₂/HR正常,随着运动功率递增,冠心病患者的心肌收缩力下降,而通过增加HR､BF,提高P(A-a)O₂,代偿范围内可保持稳定的心输出量､VO₂｡在AT水平以上的高负荷运动期,可出现ΔVO₂/ΔWR变小､曲线转低平;VO₂/HR曲线往往不能升高至正常预计值,且HR陡峭上升;VCO₂-VO₂斜率中VCO₂表现出持续陡峭升高｡且冠心病患者的peakVO₂､最大负荷量较低,运动时间较短,RER升高,BR高,VE/VO₂､VE/VCO₂正常｡CPET将呼吸功能监测和踏车运动试验相结合,能够在患者运动强度逐渐提高的过程中连续监测其运动等级,并通过测量患者运动试验过程中的血压､HR､心电图等指标对患者心肺运动功能及心肺损伤程度进行评价,CPET在评估冠脉功能上具备独特价值｡

相关研究表明,CPET是健康人群､冠心病高危人群预测冠心病患病风险的重要方法,其中peakVO₂､peakVO₂/HR预测价值较高｡LETNES等在一项前瞻性队列研究中,纳入了4527例健康成年人(51%为女性),既往无心血管疾病､呼吸系统疾病､肿瘤､服用心血管药物病史,其中83.5%参与者在纳入研究时被评估为心血管疾病低危人群,经过8.8年的随访调查,147例参与者达到主要终点事件(因冠心病住院或死亡)｡该研究发现,当运动能力<5METs,终点事件发生风险增加｡而peakVO₂每增加1MET,女性达到终点事件的风险下降12%(P<0.005),男性下降17%(P<0.005);同时peakVO₂/HR､VE/VO₂､VE/VCO₂对冠心病患病风险也有一定的预测价值,在冠心病低中高危分组中,peakVO₂/HR每增加8%(95%CI2~13),冠心病风险下降1个等级;VE/VO₂每增加3%(95%CI0~6),VE/VCO₂每增加4%(95%CI0~8),冠心病风险增加1个等级｡LAUKKANEN等研究也证实,peakVO₂/HR是高危人群罹患冠心病的强有力预测因子,该研究纳入了1596名男性,具备吸烟､饮酒､肥胖､高脂血症､糖尿病､高血压､冠心病家族史､运动心电图阳性等冠心病高危因素,研究发现,当peakVO₂/HR<13.5mL/beat时,冠心病风险增加2.45倍(P<0.001)｡上述研究提示,增加peakVO₂､提高peakVO₂/HR､能减轻冠心病的患病风险｡

冠状动脉造影术作为冠心病诊断的“金标准”,可以准确地反映冠状动脉狭窄的程度和部位,但其属于有创检查,风险高､费用高,对于非阻塞性冠心病的判断受限｡冠状动脉CT血管成像(CCTA)对判断管壁内斑块分布范围和性质具有意义,但其对狭窄程度的判断仍有一定限度,特别当钙化存在时会显著影响对疾病的判断｡平板运动试验(TET),虽价格低廉且无创,但灵敏度及特异度均较低,临床误诊率及漏诊率较高｡CPET结合了呼吸､心脏､骨骼肌､神经生理系统,能全面评估运动中血流动力学反应､运动心电图､运动试验终止的主观原因,在冠心病诊断中具有不可替代的独特临床价值｡

正常生理条件下,心输出量随运动负荷递增而增加,氧脉搏与耗氧量呈现出持续而稳定的线性递增｡当冠心病患者每搏输出量下降时,一定范围内机体通过提高HR来代偿,peakVO₂可≥84%Pred,此时运动耐量正常,但氧脉搏与耗氧量曲线随负荷功率递增,出现递增减少或低水平不变或下降的非线性变化｡CHAUDHRY等的研究发现,CPET在评估运动性心肌缺血时,氧脉搏及ΔVO₂/ΔWR曲线出现特征性变化｡心肌缺血时,最大氧脉搏降低,不能升高至正常预计值或保持相对稳定,而运动停止后氧脉搏矛盾性升高｡这可能与患者停止运动后左室后负荷急剧降低,使得左室收缩力改善,导致每搏输出量立即升高,从而表现为氧脉搏曲线不降反升的矛盾改变｡

BELARDINELLI等对202名确诊为冠心病的患者进行了CPET检查和心肌缺血SPECT检查｡多因素Logistic回归分析结果显示,随负荷递增,氧脉搏与耗氧量线性递增的平坦化改变,是心肌缺血的独立预判指标,敏感性为87%,特异性为74%｡而通常的运动负荷试验中,用于运动诱导心肌缺血诊断的“至少在两个相邻导联中出现1.0mmST段水平压低”的标准,其敏感性为46%､特异性为66%｡因此,带有呼吸气体分析的CPET检查,有助于在运动过程中,帮助心电图假阳性的患者排除运动诱导的心肌缺血｡

国内相关研究也证实了VO₂/HR､ΔVO₂/ΔWR在冠心病诊断中的潜在价值｡朱珊雨等研究纳入156例可疑冠心病患者,研究发现,用于冠心病诊断时,peakVO₂%pred的最佳截断点是≤69%,其敏感度为55.1%,特异度为77.0%;peakVO₂/HR%pred的敏感度为50.7%,特异度为72.4%;ΔVO₂/ΔWR的敏感度为44.9%,特异度为87.4%｡上述参数特异度及诊断价值均较高,可以早期､较准确地诊断冠心病｡

另外,相关研究发现,CPET的多个参数在冠心病组与非冠心病组间存在差异｡AKINCI等研究纳入了30例可疑冠心病患者,其中19例经冠状动脉造影术确诊冠心病,MaxHR(P=0.031)､HRR(P=0.041)､AT时的VE/VCO₂(P=0.028)､AT时的VO₂(P=0.03)在冠心病组与非冠心病组间比较,差异具有统计学意义,相关指标诊断冠心病的截点值有望进一步研究证实｡FLEG等研究中分析了peakMETs在评估冠状动脉狭窄程度上的应用价值,结果提示peakMETs在冠脉狭窄程度≥50%组､>70%组间的差异具有统计学意义(P<0.001)｡目前国内仍缺乏CPET诊断冠心病的大样本､大数据的临床试验,其诊断冠心病的截点值有待后续进一步的研究证实｡

相关循证医学证据表明,心脏康复能够降低冠心病患者的死亡率和再住院率,改善生活质量｡运动治疗是心脏康复的重要环节,运动的安全性和有效性是制定运动处方的基本原则｡冠心病患者运动处方的制定有AT法､HR储备法､目标HR法､自我疲劳度分级法等｡AT水平运动是冠心病患者的最佳推荐运动强度｡TERADA等荟萃分析发现,与AT水平的有氧运动相比,肌肉力量训练联合有氧运动后冠心病患者获益更多｡

CPET作为临床制定运动处方的金标准,能为不同危险分层的冠心病患者提供有氧运动处方､缺血阈值､症状阈值,并根据康复疗程和康复效果动态调整运动处方,是冠心病心脏康复领域中不可或缺的评估手段,目前已被广泛应用于心脏康复评估｡CPET通过测定患者的peakVO₂､AT､峰值HR､峰值负荷､MET等指标,评估有氧运动能力和心肺储备能力,制定运动处方的目标运动量､目标靶HR,为患者提供AT水平的最佳有氧运动处方｡同时,CPET能提供运动心电图阳性的缺血阈值,以及运动过程中出现不良反应时HR､血压水平,为高危冠心病患者提供更为安全､准确的运动处方｡INGLE等研究纳入了382例冠心病患者,分组制定不同运动处方,经过为期8周的运动治疗,发现所有参与者的ΔVO₂/ΔWR､通气效率､最大心输出量均得到改善(P<0.001),且高强度间歇训练(HIIT)组比中等强度稳态训练(MISS)组能更有效地改善患者peakVO₂｡PRICE等研究选取了60位进行了12期门诊心脏康复的冠心病患者,发现基础MET高､体能较好的患者,依据CPET制定的有氧运动处方阈值更高,能耐受的运动强度更大,运动处方完成后心血管事件风险更小,生活质量更高(P<0.001)｡

CRF是冠心病的预后强有力预测指标,CRF与冠心病病死率和全因死亡率呈负相关｡老年群体中peakVO₂､吸烟群体中CPET检测的肺通气功能障碍均与冠心病患者预后相关｡在另一项研究中,CAI等则发现了AT时的VO₂应用于冠心病预后的预测价值｡心肌梗死患者经皮冠状动脉介入治疗术后急性期内,AT时的VO₂≥10.5mL/(kg·min),在未来2年有更好的预后｡

而近年来多项研究均聚焦于CPET中的HR反应｡CHAUDHRY等研究发现运动高峰期最后2min,冠心病组HR异常升高,HR储备耗尽,HR-功率曲线斜率(ΔHR-WRslope)增加,且运动HR反应的异常程度与冠状动脉狭窄程度成正比(P<0.005)｡DEWAR等研究发现,在CPET恢复期,运动员HR恢复更快,冠心病组HR恢复慢,研究发现1minHRR阈值为12bpm,2minHRR阈值为22bpm,HRR可独立预测冠状动脉疾病患者的病死率｡国内赵依帆等研究纳入了87例经冠脉造影检查确诊的冠心病患者,均行CPET,根据HR恢复值(运动试验终止后2min)分组,探讨HR恢复情况与冠心病心肺功能及生存质量的相关性｡该研究发现,HR恢复异常组peakVO₂､AT､peakwatt､SF-36评分结果均显著低于HR恢复正常组(P<0.01,P<0.05,P<0.05,P<0.05),HR恢复异常组心肺储备功能､有氧代谢能力､生存质量更差｡

CPET也是评估冠心病药物疗效､手术疗效､康复疗效的重要手段｡BELARDINELLI等研究表明,与单独运动治疗组相比,曲美他嗪联合运动治疗8周后,缺血性心肌病患者peakVO₂､AT时的VO₂､peakVO₂/HR均有明显升高(分别为25%､24%､33%)｡LI等研究纳入了375例急性心肌梗死患者,经皮冠状动脉介入术术后2周行CPET检查,并追踪随访5年,研究发现,PeakVO₂､VE/VCO₂斜率是发生心血管不良事件的独立预测因子;当peakVO₂≥20mL/(kg·min)且VE/VCO₂斜率<33%时,不良事件发生风险显著降低(P<0.05)｡近年来相关研究提到,心梗患者出院后接受远程智能心脏康复治疗,3月后患者peakVO₂增加了1.56mL/(kg·min),VO₂曲线斜率上升,远程智能心脏康复治疗能改善患者的CRF｡

当代冠心病的诊治目标是提高患者生活质量,让患者回归家庭､回归社会｡围绕“药物处方､运动处方､营养处方､心理处方､戒烟处方”五大处方开展的心脏康复治疗让越来越多的冠心病患者获益｡CPET是评估CRF的金标准,与冠心病密不可分｡CPET在冠心病的风险预测､诊断评估､制定运动处方､预后及康复治疗疗效评价等方面具有重要的临床应用价值｡其中peakVO₂､peakVO₂/HR是冠心病患病风险的预测指标,氧脉搏曲线及摄氧量曲线诊断冠心病的价值较高｡依据CPET制定运动处方更是冠心病心脏康复的重要依据｡HR储备､运动中的HR反应在冠心病中具有独特的预后预测价值｡CPET因其多系统参与､多参数分析､可重复性高等特点被广泛应用于冠心病临床实际工作中｡但国内心脏康复起步较晚,CPET与冠心病的大样本性研究较少,地区差异大,不同CPET实验室所得数据仍有差异,目前冠心病相关评估的截点值欠缺｡将来仍需进行大样本的规范化标准化CPET,为冠心病提供更为简便的诊断及评估方法｡