稳定期慢性阻塞性肺疾病患者运动时低氧血症的发生及相关因素

郭忠良¹ 蔡映云² 梁永杰¹ 杨文兰² 朱蕾²  揭志军²
 

摘 要

目的  探讨运动时低氧血症与静息时常规肺功能和血气分析指标、运动后呼吸生理改变以及最大运动能力的关系。方法  30例稳定期中重度COPD患者，运动前进行肺功能检查和血气分析。应用自行车功率仪进行递增负荷运动试验，运动过程通过呼吸感应性体表描记仪监测胸腹呼吸运动之和与潮气量之比（TCD/VT）。结果  30例受试者中14 例运动时出现低氧血症（SaO₂<90%），其常规肺功能指标和最大运动能力指标均显著差于其余16例。相关分析显示，极量运动时SaO₂(SaO₂min)与静息时PaCO₂ 和RV/TLC显著负相关(r分别为-0.65和-0.49)，与FEV₁%pred、FVC%pred、MVV%pred和PaO₂等均有一定的相关性；极量运动时SaO₂的下降幅度（△SaO₂）与静息时PaCO₂、PaO₂ 和RV显著相关；SaO₂min与TCD/VT的变化（△TCD/VT）负相关；△SaO₂与VEmax 相关；SaO₂min和△SaO₂与最大运动能力指标无明显的相关性。结论  COPD患者运动时可出现低氧血症，肺充气过度和通气功能损害是引起运动时低氧血症的主要因素，运动时诱发的胸腹矛盾呼吸和运动时通气不足对低氧血症的发生有一定的影响；运动时低氧血症与最大运动能力无明显的相关性。上海东方医院呼吸内科郭忠良

关键词：慢性阻塞性肺病  运动试验  低氧血症

 

作者单位:1.上海市东方医院呼吸科,200120

         2.上海医科大学附属中山医院肺科,200032

Hypoxaemia in Patients With Chronic Obstructive Pulmonary

 Disease (COPD) during Exercise

Guo Zhongliang, Cai Yingyun, Liang yongjie, et al.

Department of Respiratory Disease, East Hospital,

Shanghai, 2000120

Abstract

Objective: To assess the change of oxygen saturation in COPD patients during incremental exercise testing, and to evaluate the relationship between exercise hypoxaemia and clinic characteristics. Methods: 30 stable moderate to severe COPD patients were included. Firstly the patients completed routine pulmonary function testing and blood gases analysing. Then the exercise capacity of the patients were measured with ergometer, and oxygen saturation (SaO₂), heart rate (HR), blood pressure(BP), and thoracoabdominal motion (assessed by TCD/VT) were monitored. Minute ventilation (VE), tidal volume(VT), respiratory rate(RR), oxygen uptake(VO₂),carbon dioxide output(VCO₂) were measured from the analysis of the expiration every 20s with a computerized system. Results: 14 of 30 patients were desaturation with SaO₂ lower than 90% during exercise, who had worse lung function and lower exercise capacity than those without hypoxaemia. SaO₂ at maximal exercise (SaO₂min) were significantly correlated with rest PaCO₂ (r=0.65), and also correlated with RV/TLC, RV, FEV₁%pred, FVC%pred, MVV%pred and rest PaO₂. The decrease of SaO₂ during exercise (delta SaO₂) was significantly related with RV, rest PaO₂ and PaCO₂. SaO₂min was weakly correlated with the change of TCD/VT. Delta SaO₂ was related with Vemax. SaO₂min and delta SaO₂ was unrelated with Exercise capacity. Conclusions: Hypoxaemia during exercise in COPD Patients was mainly related with ventilatory impairments, and also strongly correlated with rest PaO₂ and PaCO₂, and weakly related with deranged thoracoabdominal motion during exercise. Hypoxaemia was unrelated with exercise capacity.

Key Word: Chronic Obstructive Pulmonary Disease; Hypoxaemia; Exercise Test
    慢性阻塞性肺疾病（COPD）为主要由慢性支气管炎和肺气肿引起的气流阻塞性疾病，在老年人中有相当高的患病率。COPD患者运动能力往往低于正常同龄人，部分患者运动时尚可出现低氧血症。本文通过运动试验观察中重度COPD患者运动能力及运动时动脉血氧饱和度的变化，探讨运动时低氧血症与常规肺功能指标、静息时血气分析、胸腹矛盾呼吸运动和最大运动能力的关系。

 

1.对象和方法     

1.1       对象 

    经询问病史、体格检查、胸部X 线和肺功能检查确诊的中重度COPD患者30例，其中男性26例，女性4例，平均年龄65.3±5.6岁，身高164.9±7.1cm，体重60.2±14.6kg。30例中24例有吸烟史。受试者一秒率(FEV₁/FVC) 均<70%，静息时动脉血氧饱和度(SaO₂)均≥90％，并且无合并支气管哮喘、高血压、冠心病、糖尿病或其它影响心肺功能的疾病。

1.2 主要仪器设备

    SZY-1型肺功能残气测定仪（上海医疗器械修造厂）；FZY-1型肺功能自动诊断仪（上海医疗器械修造厂）；IL-1302型血气分析仪（美国）；GOULD-9000Ⅳ自行车运动试验仪(美国）；呼吸感应性体表描记仪(Respigraph NMS 公司)；HEWLETT PARKARD GMBH脉氧-心电-血压监测仪(德国)。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 常规肺功能  受试者运动前进行肺容量（肺活量VC、残气容积RV、功能残气量FRC、肺总量TLC以及残/总百分比RV/TLC等）、通气功能（包括用力肺活量FVC、第一秒用力呼气容积FEV₁、FEV₁/FVC和最大呼气流速PEFR等）、血气分析（包括PH值、动脉氧分压PaO₂、动脉二氧化碳分压PaCO₂等）、弥散功能（包括一氧化碳弥散量 D_LCO 、比弥散D_LCO/VA）测定。并根据上海市中山医院肺功能室提供的正常值公式，按年龄、身高和体重推算出上述各参数的预计值(pred)，算出实测值占预计值的百分比(%pred)。

1.3.1 运动试验  开机预热一小时以上，然后校正氧和二氧化碳零点及量程，肺量计容量定标。向受试者介绍注意事项及要求。受试者取骑坐位，调整座垫至合适位置，口含管连接能耗测试系统。要求踏车转速保持在50-60r/min,身体不离座。初始负荷(W)约为FEV₁毫升数的1/70，每次递增负荷、恢复运动负荷等于初始负荷。运动过程按静息状态四分钟，空负荷运动和初始负荷运动各一分钟，随后每分钟增加一次负荷，直至运动极限，转为恢复运动3-5min^[1]。运动过程记录的指标包括各个运动负荷的氧耗量(VO₂)、呼吸频率(RR)、每分通气量(VE)、潮气容积(VT)、二氧化碳排出量(VCO₂)、 呼吸交换率(R)、呼吸困难指数(DI)等。运动中每分钟进行Borg呼吸困难评分。运动前、运动中和运动后应用呼吸感应性体表描记仪监测胸腹呼吸运动之和与潮气量之比（TCD/VT）。正常TCD/VT等于1，出现胸腹矛盾呼吸时大于1。

1.4 统计分析  根据运动末SaO₂是否低于90% 分为低氧血症组和无低氧血症组。用SAS软件计算两组间各指标均数和标准差，并用t检验、直线相关分析和多变量回归分析作统计处理。

 

2. 结果

2.1 运动时低氧血症组和无低氧血症组比较：30例COPD患者运动能力明显下降，其中14例患者极量运动时SaO₂低于90 ％（低氧血症组），其余16例极量运动时SaO₂≥90％（无低氧血症组）。低氧血症组中有两例在运动过程中出现偶发室性早搏，运动结束后均迅速消失。无一例出现明显的不良反应。

    两组年龄、身高、体重比较均无显著性差异，但低氧血症组的病程明显长于无低氧血症组(表1)。

    两组常规肺功能指标（本文特指肺容量指标、肺通气指标和弥散指标）和静息时血气分析结果比较提示除残气容积(RV)、功能残气容积(FRC)和肺总量 (TLC)外其他指标均有显著性差异，提示低氧血症组基础肺功能损害程度较无低氧血症组明显（表2）。

    两组极量运动时总运动时间 (Ttotl)、呼吸困难指数(DImax)、Borg 呼吸困难评分、呼吸频率 (RRmax)和心率(HRmax)均无明显差异，说明两组运动时达到相似的运动极限点，运动结果具有可比性。低氧血症组运动时平均最大运动负荷（Wmax）明显低于无低氧血症组，其最大氧耗量(VO₂max)、最大二氧化碳排出量(VCO₂max)、最大每分通气量(VEmax)和最大潮气量(VTmax)均低于无低氧血症组，说明低氧血症组运动能力和运动时通气反应明显差于无低氧血症组。另外，我们对两组TCD/VT值进行比较，静息时两组间无明显差异(分别为1.044±0.029， 1.054±0.027)，达极量运动后低氧血症组TCD/VT值明显高于无低氧血症组（表3）。

2.2 运动时低氧血症相关因素分析：

2.2.1  COPD患者运动时低氧血症与常规肺功能和静息时血气分析指标的关系（表4)：SaO₂min与静息时PaCO₂ 和RV/TLC显著相关（r分别为-0.65，-0.49），与FEV₁%pred、FVC%pred、MVV%preMVVpred和PaO₂等均有一定的相关性。运动时SaO₂的下降幅度（△SaO₂）与RV、静息时PaO₂和PaCO₂显著相关。经多元回归分析,SaO₂min主要与静息时PaCO₂和RV 的变化有关，其回归方程为：

SaO₂min=180.37-1.72×PaCO₂(mmHg，1mmHg=0.133kPa)-5.75×RV(L)，R-sq=0.533

2.2.2  COPD患者运动时低氧血症与极量运动时各指标的关系（表5)：SaO₂min 与TCD/VT的变化（△TCD/VT）负相关（r=-0.380）。△SaO₂与 VEmax 相关（r=0.381），但SaO₂min和△SaO₂与其他极量运动时生理指标及最大运动能力指标（Wmax、VO₂max 和VO₂max/kg）的相关性均不明显。

 

3. 讨论

    静息时动脉血氧饱和度正常的中重度COPD患者在运动和睡眠时均可能出现低氧血症^[2-4]。本研究发现，30例患者中14例极量运动时SaO₂min<90%。运动时伴低氧血症的COPD患者运动能力明显差于无低氧血症者。但相关分析表明，SaO₂min与最大运动能力指标相关性不显著，这可能与通气功能障碍是限制运动能力的主要因素有关，低氧血症对运动能力的影响尚未充分表现出来患者即已经因通气限制而终止运动。运动时低氧血症的发生机理分析如下：

3.1通气负荷增加：由于气道阻力增加和生理无效腔(TD)增大，使患者通气负荷增大，在运动时肺泡通气量不能随氧耗量的增加而相应增高，从而产生低氧血症^[5,6]。我们在试验中发现，肺通气参数和残/总百分比均差于无低氧血症组。相关分析表明，SaO₂min和△SaO₂与FEV₁、FVC和MVV 占预计值的百分率均呈正相关，而与RV/TLC和PaCO₂呈明显负相关；△SaO₂与极量运动时每分通气量相关。

3.2 通气动力不足：由于呼吸肌负荷长期增大，加上肺脏过度充气，使膈肌处于不利的工作条件，运动时随着通气需求的增大，呼吸肌容易出现疲劳。据报道，运动时吸气肌功能不全是运动性低氧血症的一个重要因素^[7]。另外，虽然中重度COPD 患者静息状态下胸腹呼吸运动同步，但一旦运动即可诱发矛盾呼吸，且随着运动强度的增加而更趋严重，从而影响呼吸泵的工作效率，造成低到中度运动负荷时即出现每分通气量(VE)的非线性增加，不能满足运动时机体氧耗量的需求，从而出现低氧血症。我们通过体表描记仪测定胸腹呼吸运动状况，发现静息时COPD患者无明显的胸腹矛盾呼吸，运动时低氧血症组其胸腹呼吸运动之和与潮气量的比值(TCD/VT)明显高于无低氧血症组。相关分析表明，SaO₂min与最大运动时TCD/VT 的变化值相关，提示运动时胸腹矛盾呼吸对运动时低氧血症的发生有一定的作用。

3.3通气/血流(/)比例失调：由于肺血管床的破坏以及小气道阻塞，肺血流和吸入气分布都不均匀，出现/比例失调，造成氧合不足。尽管静息时PaO₂尚能保持正常，运动时随氧耗量的增加也可出现低氧血症。

3.4 弥散功能障碍：由于肺泡壁的破坏和肺毛细血管床的减少，加上通气/血流比例失调，使有效弥散面积减少。静息状态下血流缓慢，肺毛细血管中血流尚能得到比较充分的气体交换而维持PaO₂正常。运动时肺循环血液流速加快，红细胞通过肺毛细血管时间缩短，弥散功能损害对氧合的影响便显示出来。Wijkstra 等^[8]报道，D_LCO与运动能力和运动时低氧血症的发生有关。 本研究中，低氧血症组和无低氧血症组一氧化碳弥散量占预计值的百分比(D_LCO %pred)分别为46.9±16.3(SD)%和70.6±31.7(SD)%，两者具有显著性差异(P<0.02)，提示低氧血症组弥散功能明显损害。但相关分析显示，SaO₂min与D_LCO%pred无明显统计学相关。 这可能与样本量较小，而弥散功能障碍对运动时血氧分压的影响不如通气功能障碍明显有一定的关系。

参考文献：

1.      Jones NL, Makrides L, Hitchcock C,et al. Normalstandards for an Incremental Progressive Cycle Regometer Test. Am Rev Dis 1985,131:700-708.

2.      Schenken SN, Burdet L, de Muralt B, Fitting JW. Oxygen Saturation during Daily Activities in Chronic Obstructive Pulmonary Disease .Eur Respir J 1996,9(12):2584-2589.

3.      Mulloy E,McNicholas WT. Ventilation and Gas Exchange during Sleep and Exercise in Severe COPD.Chest1996,109(2):387-394.

4.      Mulloy E,Fitzpatrick M,Bourke S,O"Regen A, McNicholas WT. Oxygen Desaturation during Sleep and Exercise in Patients with  Severe Chronic Obstructive Pulmonary  Disease.Respir Med 1995, 89(3)193- 198.

5.      Wagner PD. Ventilation-perfusion matching during exercise. Chest 1992,101(5 Suppl):192s-198s.

6.      Cierpisz EC. Exercise Tolerance in Patients with Chronic  Obstructive Pulmonary Disease in Variory Stages of Advanced Disease.Pneumonol Alergol Pol 1996,4(9-10):604-614.

7.      Patessio A,Casaburi R,Carone M,et al. Comparison of Gas Exchange,Lactate, and Lactic Acidosis Thesholda  in Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease .Am Rev Respir Dis 1993,148(3):622- 626.

8.      Wijikstra PJ,Tenvergert EM,van der Mark W,etal.Relation of Lung Function Maximal Inspiratory Pressure  Dyspnoea and Quality of Life with Exercise Capacity in Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease.Thorax 1994,49(5):468- 472.

 

表1  两组患者一般情况比较(±SD)

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   组  别     例数  年龄(岁)    体重(Kg)    身高(cm)      病程

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无低氧血症组 16  65.5±4.7   60.4±13.1  163.5±6.9  11.81±6.23

 低氧血症组  14  65.0±6.7  59.9±16.7  166.4±7.2  19.29±11.64

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 合  计      30  65.3±5.6   60.2±14.6  164.9±7.1  15.3±9.76

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  P  值            >0.05       >0.05        >0.05        <0.05

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表2  两组患者常规肺功能及静息时血气分析比较(±SD)

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             无低氧血症组    低氧血症组      合  计       P 值

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VC(ml)       3082.1±745.1  2053.1±800.3  2658.4±800.4  <0.001

RV(ml)       2992.6±619.7  3557.0±982.0  3256.0±844.4  >0.05

FRC(ml)      3773.6±709.1  3951.3±1228.8 3856.5±972.1  >0.05

TLC(ml)      6024.1±1052.8 5631.0±1288.8 5840.7±1165.2 >0.05

RV/TLC(%)    49.9±7.5      62.0±7.2      55.5±9.5      <0.001

FVC(ml)      2811.0±655.5  1804.2±378.1  2341.2±739.8  <0.001

FVC%pred(%)  81.9±14.5     52.6±11.3     68.2±19.7     <0.001

FEV₁(ml)     1671.9±499.1  872.9±178.3   1299.0±554.5  <0.001

FEV₁%pred(%) 63.2±16.1     32.6±8.3      48.9±20.1     <0.001

FEV₁/FVC(%)  58.96±8.03    47.69±5.70    53.7±9.0      <0.001

MVV(ml/min)  56940±13230   37090±5237    47677±14292   <0.001

MVV%pred(%)  59.9±12.7     37.0±8.5      49.2±15.9     <0.001

PEFR(L/sec)  4.923±1.930   2.639±0.740   3.857±1.875   <0.001

D_LCO%pred(%) 70.6±31.7     46.9±16.3     59.5±.28.0    <0.02

PaO₂(mmHg)   82.1±7.6      69.5±10.1     76.2±10.8     <0.001

PaCO₂(mmHg)  40.37±2.96    44.95±3.79    42.5±4.0      <0.001

SaO₂(%)      96.1±1.1      92.9±2.2      94.6±1.8      <0.001

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 注：1mmHg=0.133kPa，“%pred”表示占预计值比。

表3  两组患者极量运动时各指标的比较(±SD)

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                  无低氧血症组   低氧血症组     合计       P值

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Ttotl(min)          3.81±.1.53  3.10±.1.39  3.48±1.49   >0.05

SaO₂min(%)          94.4±2.2    84.6±4.7    89.5±3.4    <0.01

Wmax(Watt)          62.4±30.4   31.2±23.5   47.8±31.3   <0.01

Wmax%pred(%)        48.0±24.4   23.5±18.0   36.6±24.6   <0.01

VO₂max(ml/min)      985.1±354.6 694.9±263.2 849.7±343.2 <0.02

VO₂max%pred(%)      47.19±13.42 34.93±13.47 41.47±14.60 <0.02

VO₂max/kg(ml?min^-1?kg^-1)

                    16.51±6.44  11.5±4.0    14.17±5.9   <0.02

VCO₂max(ml/min)     906.5±359.5 644.5±296.2 784.2±352.0 <0.05

VEmax(L/min)        34.0±10.5   23.8±6.5    29.2±10.1   <0.01

VEmax%pred(%)       33.38±9.35  23±4.71     28.53±9.10  <0.001

VTmax(L/min)        1.24±0.35   0.79±0.27   1.03±0.39   <0.001

METmax              4.72±1.84   3.29±1.13   4.05±1.7    <0.02

RRmax(次/分)        27.4±5.5    31.1±6.5    29.1±6.1    >0.05

HRmax(次/分)        121.5±20.2  122.6±15.67 122.0±17.9  >0.05

HRmax%pred(%)       72.31±11.9  72.93±7.94  72.60±9.60  >0.05

DImax               0.60±0.22   0.65±0.17   0.62±0.20   >0.05

Borgmax评分         6.3± 2.0    6.9±1.7     6.6±1.8     >0.05

TCD/TVmax           1.13±0.09   1.25±1.7    1.178±0.111 <0.01

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注：“max”和“min”表示极量运动时指标，“%pred”表示占预计值比。
     

表4  极量运动时SaO₂的变化与静息时肺功能和血气分析主要指标的关系(r值)

____________________________________________________________________________

          RV     RV/TLC  PEER  FVC%  FEV₁% FEV₁/FVC MVV%   D_LCO%  PaO₂   PaCO₂

                              pred   pred           pred   pred 

____________________________________________________________________________

SaO₂min -0.457* -0.493^ 0.317 0.444* 0.456* 0.373* 0.471* 0.199 0.426* -0.650#

△SaO₂  -0.476^ -0.414* 0.233 0.342  0.367* 0.339  0.394* 0.179 0.555^ -0.574^ 

____________________________________________________________________________

注：“min”表示极量运动时指标，“%pred”表示占预计值比，“#”表示P<0.001，“^”

    表示P<0.01，“*”表示P<0.05

 

 

表5  极量运动时SaO₂的变化与TCD/VT和极量运动时各生理指标的关系(r值)

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       TCD/VTmax △TCD/VT  Wmax VO₂max VO₂max/kg VEmax RRmax VTmax  HRmax

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SaO₂min  -0.328   -0.380*  0.234 0.079  0.202   0.255 -0.174 0.323 -0.034

△SaO₂   -0.266   -0.317   0.170 0.022  0.150   0.381* 0.098 0.218  0.013

────────────────────────────────────

注：“max”和“min”表示极量运动时指标，“*”表示P<0.05