摘要
理想情况下,增量心肺运动测试工作速率在大约10分钟内随受试者的耐受力线性增加。广泛使用的跑步机方案往往使虚弱患者的运动时间缩短。我们比较了最近描述的跑步机方案,具有线性工作率增加,重量调整和先天的运动耐力评估与标准循环和跑步机方案。我们还比较了跑步机和循环反应,以检查氧合血红蛋白去饱和差异的机制。
共有16名慢性阻塞性肺疾病(COPD;均值±sd1 s用力呼气量预测为36.5±10.9%)采用循环、线性跑步机和改进的Bruce方案进行增量运动。
跑步机初始线性速度和等级产生的摄氧量(V”O2)类似于单车空载踏板;布鲁斯方案第一阶段引发的反应要高得多V”O2。Bruce组的运动持续时间比循环跑步机组或线性跑步机组短得多。在运动高峰时,线性跑步机和Bruce方案与周期方案相比有更大的去饱和(-8.9±4.9与-8.5±4.7与-3.7±3.3%;p < 0.001);在iso -V”O2随着练习的进行,这种差异越来越大。Iso -V”O2去饱和差异主要与循环运动比跑步机运动有更高的通气反应有关。
线性增量跑步机方案产生的反应类似于严重COPD的周期ergometry。然而,循环测功法比步行法引起的去饱和更少,使得线性跑步机方案在评估COPD患者时具有优势。
临床增量式心肺运动测试理想地包括较低的初始工作速率,然后是较短的增量步骤,从而在大约10分钟内达到最大耐受工作速率1。线性工作率的提高使生理运动反应的区分成为评估运动不耐受的必要条件。具体来说,乳酸酸中毒阈值(LAT)的无创检测依赖于线性工作速率的增加2。关于最适合心肺运动测试的运动方式存在争议3.。循环测功法经常被使用,因为它允许更方便的内部测试程序,如血液取样和血压监测,具有潜在的安全优势,并允许更容易的工作率量化。跑步机方案的优点是能更好地模拟日常活动4。
常用的跑步机方案,如用于心脏压力测试的那些,具有心肺运动测试不理想的特点。对于严重损伤患者,大多数跑步机方案的初始工作速率往往接近最大运动能力,导致测试时间过短,无法充分评估生理反应。此外,这些方案通常采用非均匀的速度和等级增加,导致非线性的代谢率增加。
在跑步机增量运动中,大部分的工作是在对抗重力的情况下完成的。在重力作用下所做的功是身体质量、重力常数、跑步机速度和跑步机角的正弦的乘积。不同体重的患者在以一定的坡度和速度行走时,所做的工作也不同。因此,需要一个调整运动耐受性和体重变化的测试来创建一个适当持续时间的运动测试。Porszasz描述了一种利用低初始工作速率和可调工作速率增加速率的跑步机方案,在该方案中,持续的速度和坡度调整使在重力作用下的工作速率线性增加et al。5。然而,这份最初的报告只描述了该方案的理论基础,并只引起了健康受试者的反应。因此,本研究的第一个目的是评估该方案在运动耐受性有限的受试者(慢性阻塞性肺病(COPD)患者)中的效用。为此,我们比较了线性跑步机试验与增量周期ergometry的反应,也比较了心脏压力测试中常用的跑步机方案(Ball State University (BSU;Muncie, IN, USA)/Bruce协议6)。
第二个目的是检查运动测试中的一个临床重要问题。几位作者观察到,COPD患者在步行时比骑车时表现出更大的氧血红蛋白去饱和7- - - - - -9;这种差异的机制尚不清楚。我们认为,让患者在跑步机上和自行车上以几乎相同的工作速率进行渐进式运动测试,将有助于确定负责机制。这些结果提出了一种新的机制,可以解释步行和骑自行车运动中运动去饱和的相当一部分差异。
方法
主题
洛杉矶生物医学研究所机构审查委员会(Torrance, CA, USA)批准了这项研究。共有16名COPD患者书面同意参与研究。受试者在1 s内用力呼气量(FEV)1)的预测值≤60%10。如果受试者近期有呼吸恶化、重大心脏疾病、静息脉搏血氧饱和度<88%、诊断为肺心病、矫形运动受限或需要慢性补充氧,则排除在外。
实验设计
在两周的时间内,受试者在每天的同一时间分别进行了三次增量运动测试。受试者继续服用处方药物,在每个测试日服用两支沙丁胺醇(Warrick Pharmaceuticals, Reno, NV, USA)通过在进行肺活量测量前使用计量吸入器(Vmax 229和Autobox 6200;SensorMedics,约巴林达,CA,美国)。初次访视时,身体容积描记术及肺一氧化碳扩散能力(DL,有限公司)。
最初的测试是一个斜坡电磁制动循环功率计(Ergoline 800;SensorMedics)测试。休息3分钟和以60转/分钟的速度空载骑行3分钟,然后逐步提高工作效率;斜率为5 W·min−1如果FEV1<1.0 L, 10 W·min−1如果FEV1≥1.0 L。在随后的两个测试日,受试者进行了增量跑步机测试(Marquette 2000;SensorMedics)随机排序。一种是修改后的Bruce协议(BSU/Bruce)。该协议修改了原来的七步协议,其中每个非线性步骤的持续时间为3分钟,因此每个阶段都是通过速度和等级的逐渐“倾斜”变化来达到的6。请注意,BSU/Bruce协议达到2.7 km·h的速度−1(1.7英里/小时),运动3分钟评分10%,与受试者体重无关,并且没有在大多数循环测试中采用的个性化增量阶段1还有一些跑步机协议11。第二个跑步机测试采用了最近描述的线性斜坡跑步机方案5。目标是创建一个与循环测功仪测试相匹配的个性化工作速率剖面(即。将在目标10分钟增量测试持续时间内达到相同的工作速率)。以0.8 km·h的速度行走3分钟后−1(0.5 mph)时,跑步机速度线性增加0.27 km·h−1(0.17英里/小时)每分钟。在0.5%的坡度下运动3分钟后,对跑步机坡度进行曲线调整,以产生对抗重力的线性工作速率增加。在此基础上推导了跑步机坡度时程的算法5并基于患者的体重,期望的初始和目标最终跑步机速度,初始等级和目标峰值工作率。受试者直立行走,不允许抓住跑步机的轨道。
测量
在运动过程中,通过12导联心电图(心软;SensorMedics)和脉搏血氧仪(Nellcor N-200, Pleasanton, CA, USA)和血压计血压(Welch-Allyn, Skaneateles Falls, NY, USA)。受试者通过带鼻夹的呼吸口呼吸。在休息时,每2分钟在运动中和高峰运动时,受试者评估Borg-perceived用力评分呼吸和腿部不适。呼气末肺容量(EELV)由三次吸气量(IC)在休息时,每2分钟运动和运动高峰时评估12,13。在这些动作中,观察到EELV稳定超过3-4次呼吸后,指示受试者最大限度地激发总肺活量(TLC)。每次测量,EELV计算为静息TLC减去IC。
摄氧量(V”O2)、二氧化碳排放量(V”有限公司2)及微小通风(V”E)逐呼吸测量(Vmax谱;SensorMedics)。在每次测试之前校准气流和气体浓度,并使用代谢模拟器定期检查系统的准确性14。使用呼吸数据计算10 s平均反应时间-病程;10秒间隔,包括和之后的IC机动被删除。峰值在运动后30秒内取平均值;LAT的定义采用修正v斜率法15。
统计分析
Excel 2003(微软,西雅图,华盛顿州,美国)计算平均值和sd。SigmaStat 3.5和SigmaPlot 10 (SPSS Science, Chicago, IL, USA)进行图形显示,并对重复测量进行单向方差分析;通过Holm-Sidak程序隔离了测量对之间的显著差异16。均数的变异用均数±表示sd在文本和表格和均数±se在数字。p<0.05为差异显著。
结果
本研究涉及16名严重COPD患者,以低平均FEV为证据1和DL,有限公司(表1⇓)。每天测试前获得的肺活量在三次测试中没有显著差异。
比较对三种运动测试的反应
图1⇓介绍锻炼概况和V”O2对一个有代表性的受试者的三种方案的反应。正如预期的那样,计算出的线性跑步机工作速率曲线与循环曲线重复(图1b⇓),利用速度的线性变化和坡度的曲线变化(图1a⇓c).结果相似V”O2剖面图(图1d⇓)。相比之下,BSU/Bruce协议具有快速的等级和速度变化(图1a)⇓和c),导致工作速率急剧非线性增加(图1b)⇓)和更短的运动时间。请注意,BSU/Bruce协议等级和速度迅速上升,导致测试在~ 4分钟后终止。相比之下,在线性跑步机方案中,速度的线性上升和等级的曲线上升导致计算的工作速率的线性上升,这与循环ergometer方案的工作速率密切匹配,并导致运动在~ 13分钟后终止(10分钟的增量运动)。图2⇓显示了V”有限公司2,二氧化碳的通气当量(V”E/V”有限公司2)和潮末气体张力的函数V”O2对于图1所示的同一主题的三次测试⇓。注意LAT和peakV”O2比两种跑步机方案中的任何一种都要低。还要注意的是,由于BSU/Bruce协议增加工作速率的速度要快得多,数据点(10秒平均值)要稀疏得多,并且在的中间范围内有更多的变化V”O2LAT发生的位置,从而容易降低LAT检测的可靠性。
表2⇓介绍所有受试者对三种运动方案的生理反应。BSU/Bruce方案的运动持续时间不到其他两项测试的一半。线性跑步机协议的低初始工作速率产生了一个V”O2在3分钟的运动中,与自行车测力计所引起的结果相当。这与更高的数字形成了鲜明对比V”O2在BSU/Bruce协议中可见于3 min,其平均峰值为81%V”O2。然而,两种跑步机方案产生了相似的峰值V”O2值平均比循环功率计值高14%。我们可以通过12名受试者的v斜率法确定所有三项测试中的LAT。在其余4个试验中,LAT在一个或多个试验中是不确定的。在这12名受试者中,线性和BSU/Bruce跑步机方案的LAT平均比周期ergometry高35%。峰V”E心率在不同方案之间没有显著差异。在运动高峰时,循环运动比跑步机运动产生更高的腿部疲劳评级,而且往往较少引起呼吸困难。
通过脉搏血氧仪评估,在跑步机和循环测功仪测试氧饱和度下降的时间过程中存在明显的差异(表2)⇑)。虽然在这三种方案开始时氧饱和度水平相似,但线性和BSU/Bruce跑步机方案与LAT周期相比(对于12名始终表现出LAT的受试者),在运动高峰和氧饱和度的最低点时(通常发生在恢复早期),静息水平的下降明显更大。如图3a所示⇓运动早期观察不同运动方式氧饱和度的差异;这种差异随着所容忍的峰值工作速率百分比的变化而增大。图3 b⇓的函数显示此关系V”O2。因为峰值V”O2不同的受试者,这个图显示的值仅为0.9 L·min−1(最高V”O2大多数病人都参加了)。很明显,在给定条件下V”O2,跑步机测试的氧饱和度低于循环测试。这些差异具有临床意义。如果运动饱和度低于88%,患者通常被认为有资格接受补充氧气。根据这一标准,基于循环测试,16名受试者中有3名符合流动氧气条件;根据任何一项跑步机测试,16名受试者中有11人符合标准。
运动减饱和度差异的生理相关性
我们寻找在跑步机和循环试验中这种氧饱和度差异的生理相关性。平均V”E是递增的吗V”O2与跑步机运动相比(图4a⇓)。增加V”E对于给定条件V”O2与两种跑步机方案相比,在a时具有统计学意义V”O20.7 L·min−1在随后的数值上仍然显著(p<0.001)。峰值无显著性差异V”E然而,价值观。呼吸频率和潮气量进展也进行了类似的检查。潮汐量,而不是呼吸频率,在周期试验中趋于较高(数据未显示)。图4 b⇓显示EELV测量值作为的函数V”O2以及在运动高峰期。随着运动的进行,观察到进行性动态恶性通货膨胀,但在不同的运动方案中,没有发现EELV增加的显著差异。
图5⇓绘制六个生理变量的函数V”O2。总的来说,该图表明,与跑步机运动相比,自行车运动的反应差异与氧气相关的过度通气一致,但与二氧化碳相关的变量不一致。图5一个⇓这表明V”E(图4⇑),V”有限公司2会更高吗V”O2更高强度的运动。这种相似性V”E和V”有限公司2档案被证实在,无论是时间的进程V”E/V”有限公司2(图5度⇓)或潮末二氧化碳张力(P等,公司2;图5 e⇓)在测试中有所不同。相比之下,氧气的通气当量(V”E/V”O2;图5 d⇓)和潮末氧张力(P啊,等2;图5 f⇓)在给定的循环测试中明显更高V”O2。呼吸交换比(R;V”有限公司2/V”O2)明显高于跑步机运动(图5b⇓)。这表明,循环测功仪锻炼会导致过量V”有限公司2不成比例V”O2这V”E跟踪V”有限公司2,而不是V”O2。这种差异似乎可能与较大的乳酸性酸中毒有关V”O2与跑步机运动相比,由于在循环试验中LAT较低(见讨论)。
而P啊,等2将被认为是一个较差的反映动脉氧张力(P啊,一个2),尤其在肺部疾病患者中,差异明显P啊,等2跑步机和自行车方案之间的变化应反映在P啊,一个2如果假设在给定的运动水平下肺气体交换特性没有差异,则改变。图6⇓这表明,实际上,在P啊,等2跑步机和循环试验的氧饱和度基本一致;P啊,等2而且在循环测功仪中氧饱和度的下降比在两种跑步机测试中都要温和得多。
运动减饱和度差异的机制分析
在给定条件下较高的通气反应V”O2与跑步机相比,骑自行车会导致更高的肺泡通气,因此,更高P啊,一个2和氧饱和度一样,假设肺内气体交换特性没有差别。一个关键问题是观察到的通气反应差异是否足以解释所观察到的差异P啊,等2还有氧饱和度的差异。通过检查iso-V”O20.1 l·min时线性化跑步机运动和循环运动的相关生理反应−116个研究对象(122个数据点)的间隔,并做出合理的假设,即肺气体交换特性在给定情况下没有差异V”O2在自行车和跑步机测试之间。由肺泡气体方程可知:
在哪里P啊,一个2是理想的肺泡氧张力,F阿,我2是吸气氧分数,PB是气压,P,有限公司2为动脉二氧化碳张力,R为呼吸交换比(V”有限公司2/V”O2)。作为F阿,我2和PB在循环(C)和跑步机(T)测试之间没有差异,如果假设P,有限公司2单车和跑步机之间没有区别(注意P等,公司2无差异(图5e⇑)),那么:
由于二氧化碳的肺泡质量平衡方程表明:
在哪里VD/VT是死空间分数和k是常数,可见,在iso-V”O2点,
如果VD/VT没有不同的运动模式,这个方程表明iso-V”O2的差异P啊,一个2直接由通气反应的差异引起。如果进一步假设两者之间的差异P啊,一个2和P啊,等2运动模式和那个没有区别吗P,有限公司2在两种运动模式下都计算40 torr吗P啊,一个2R的差异可以与观察到的差异进行比较P啊,等2自行车和跑步机的区别。图7⇓在给定的条件下V”O2,两者平均计算ΔP啊,一个2测量ΔP啊,等2玫瑰与V”O2而且规模相似。图7 c⇓表明这两个变量之间的相关性很好(r = 0.73, p<0.001)。
为了确定氧饱和度差异是否可以由通气反应差异相似地解释,我们假设正常的氧-血红蛋白去饱和曲线(与P,有限公司240 torr, pH 7.4)19。对于每个数据点,我们确定了差异的程度P啊,一个2(假定在…方面反映相等的差异P啊,一个2)是由于测量到的通气反应之间的差异,以及这是否可以预测观察到的跑步机氧饱和度下降。操作上,对于122个iso-V”O2数据点,我们从跑步机氧饱和度开始,利用解离曲线来估计跑步机P啊,一个2,再加上计算出来的ΔP啊,一个2,然后再次利用解离曲线来确定氧饱和度“校正”通气差。最后,将“校正”跑步机饱和度和观测到的跑步机饱和度之间的差值与观测到的周期饱和度和观测到的跑步机饱和度之间的差值进行比较。图7 b⇑这两种差异都随着V”O2而且是相似的大小;计算的氧饱和度差值平均为测量差值的70%。图7 d⇑显示基于通气反应差异计算出的氧饱和度差异与观测到的氧饱和度差异显著相关(r = 0.65, p<0.001)。
讨论
这项研究主要有两个重点。首先,我们证明了一种新描述的跑步机方案可产生工作率(和代谢率)的线性增加,并导致足够持续时间的测试,以允许在严重COPD中获得良好的生理反应特征。其次,在COPD(和其他疾病)的运动测试中做出的一个主要判断是是否发生了运动诱导的氧饱和度下降,因为补充氧的处方通常是基于这样的评估。我们观察到骑自行车时与跑步机运动时重要的降氧钝化。此外,我们还定义了一种可能对这种钝化的很大一部分负责的机制。
一些跑步机锻炼方案已被发现在临床上有用5,20.。尽管推荐使用线性工作速率的跑步机方案11在美国,布鲁斯方案被广泛应用,特别是在心脏运动测试中。然而,布鲁斯方案的非线性生理反应使其难以评估V”O2反应和心血管运动限制4,21- - - - - -24。其他测试,如Balke或Astrand测试,在保持高恒定速度(5.3和8.0 km·h)的同时实现线性工作速率增加−1(分别为3.3和5.0英里)。然而,他们设定的分级增量对不同体重的患者产生不同的工作速率。在这些方案中,高速度和大的分级变化使受损患者的测试持续时间短。这些测试不能根据体重和功能进行调整3.,21,25。
最近,有人描述了一种跑步机方案,该方案利用线性速度变化和非线性倾角变化,从而在对抗重力的工作中产生类似线性斜坡的变化5。该方案之前在22名健康受试者中进行了评估,但没有在受损患者中进行评估。与健康受试者的这项研究相似,我们发现线性跑步机方案产生的测试持续时间接近10分钟的目标。相比之下,BSU/Bruce协议产生了更短的测试持续时间。图2⇑显示了结果,即。代谢率反应的中间区间数据稀疏。此外,图1⇑显示出明显的非线性V”O2BSU/Bruce协议响应。线性跑步机方案产生了与循环测功仪测试相似的响应时间过程,但仔细检查发现了突出生理差异的重要差异。相似之处包括相似V”O2反应与运动初期阶段的峰值相似V”E,心跳频率和工作频率。峰V”O2跑步机运动比循环运动平均高出14%,与之前的研究一致,这可能反映了跑步机运动涉及的更大的肌肉质量1,5,11,26,27。在出现LAT的受试者中,LAT的周期较跑步机测试低。这也可能是由于骑自行车时使用的肌肉量较小1,5,8,28。值得注意的是,当可以检测到时,通过气体交换测定的LAT已被证明会导致COPD患者的轻度高估29。
最令人感兴趣的是两种跑步机方案的氧饱和时间过程与周期ergometry相比的显著差异(图3)⇑)。其他人也注意到,与周期测功法相比,动态模式的氧饱和度更大7- - - - - -9。然而,据我们所知,这是第一次在等效代谢率下,在两种运动方式中使用相似的工作速率曲线进行氧饱和度评估。两种跑步机方案在iso-时的氧饱和度变化曲线相似V”O2值。相比之下,循环功率计的响应显示了一个基本上钝化的氧饱和度下降。这在临床上很重要,因为根据跑步机试验,16例患者中有11例在运动期间考虑进行补充氧治疗,但根据循环试验,16例中只有3例。
这种氧饱和度的差异测量脉搏血氧仪似乎可能反映真正的差异动脉氧饱和度和P啊,一个2。首先,一项比较循环与运动测试的研究证实了这些差异,其中抽取了动脉血气样本(尽管仅在运动高峰时)8。其次,本研究显示在P啊,等2通过脉搏血氧仪估计动脉氧饱和度(图6)⇑)。如果允许的话,在给定的V”O2时,循环运动与平板运动之间的肺泡-潮端氧张力差和肺泡-动脉氧张力差不存在显著差异P啊,等2档案可能真实地反映了P啊,一个2概要文件的差异。
关于这些差异在去饱和作用中的机制,已经提出了几种理论。肺气体交换的差异坐在循环功率计和直立行走之间已经假设。其他研究人员注意到峰值下降V”有限公司2和增加V”E/V”有限公司2并推测这可能对应于恶化VD/VT导致低效的气体交换和随之而来的低氧血症8。我们的研究并没有证实这一发现;相反,我们发现峰值明显更高V”有限公司2和V”E/V”有限公司2与两种跑步机方案相比。与之前的穿梭和自定步速步行测试不同,我们的研究使用了线性跑步机和自行车方案,得出了相同的计算工作速率曲线和相似的测试持续时间。我们没有发现差异V”E/V”有限公司2在iso检查时V”O2(图5度⇑)。然而,V”E/V”有限公司2只能作为替代品吗VD/VT,并进行血气分析(允许P,有限公司2测量)将有助于进一步评估这一点。另一种可能是,在循环中比在跑步机运动中有更好的通气/灌注匹配或更好的氧扩散;但是,还没有提出这种差别的合理机制。
这似乎不太可能有一个显着的优势在通风力学骑自行车。理论上,病人可以用车把在循环测功仪上支撑他们的上胸。然而,本研究中的患者呼吸受限(如低呼吸储备;表2⇑)和我们,还有其他人8,28,还没有找到高峰V”E自行车和跑步机测试的区别。此外,我们没有发现iso-V”O2循环试验和跑步机试验之间动态恶性膨胀的差异(图4b⇑)。
我们提出了一个新的解释氧饱和度的差异。图4⇑和5⇑表明,V”E和V”有限公司2在休息和低水平运动时是相似的,但在高水平运动时呢V”O2,逐渐增大V”E和V”有限公司2在循环运动中可见。图5⇑表明这转化为更高V”E/V”O2和r,更高的机制V”有限公司2在给定条件下V”O2似乎与循环测功仪试验中乳酸性酸中毒发病较早有关。乳酸主要由碳酸氢盐缓冲,产生二氧化碳,呼出。越高V”E可能与更高有关V”有限公司2;运动通气已被证明与V”有限公司2(而不是V”O2)30.。
这些差异可以解释至少部分观察到的动脉氧饱和度差异吗?我们根据合理的假设进行了计算,证明它们可以。图7⇑b表示多余循环V”E预测理想的差异P啊,一个2与观测到的大小大致相似的P啊,等2自行车和跑步机的区别。同样,计算理想P啊,一个2差异被证明能够预测跑步机和循环氧饱和度之间观察到的差异的很大一部分。特别承认,在这些计算中使用的若干假设不太可能是准确的(如。那P,有限公司2是40torr),尽管我们不能看到任何假设会严重偏向我们观察到的关系。在连续收集动脉血液的研究中确认这些发现当然是合适的,以允许iso-V”O2的比较P啊,一个2,P,有限公司2氧饱和度与代谢和气体交换对两种运动模式的响应。然而,设计一种策略,以抽取动脉血液在isoV”O2在增量练习和接近我们实现的比较的数量(图7c⇑d)极具挑战性。
总之,我们证明线性跑步机方案适用于严重COPD患者,并且比常用的跑步机方案具有优势。重要的是,这种新的跑步机方案具有个性化工作速率增量的优势,可以在保持步行速度在舒适范围内的同时获得最佳测试持续时间。它似乎在其他虚弱的患者群体中也有类似的优势,尽管对轻度COPD患者和其他心肺疾病患者的研究将有价值。为了诊断运动不耐受的机制,进行了许多心肺运动试验。检测在日常活动中可能发生的氧饱和度降低通常是这种评估的重要组成部分。很明显,循环功率计测试不太可能引起在行走过程中可能遇到的氧饱和度降低。因此,我们建议将我们所描述的线性跑步机方案作为诊断性心肺运动测试的首选方法。
支持声明
R. Casaburi在康复科学(美国加州托伦斯市加州大学洛杉矶分校医学中心洛杉矶生物医学研究所)担任Grancell/Burns主席。
权益声明书
没有宣布。
- 收到了2008年5月5日。
- 接受2009年3月3日
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