探索分钟通气量/二氧化碳生成量最小值和斜率之间的关系和区别

 新闻资讯     |      2022-06-21 15:18:11

分钟通气量/二氧化碳生成量(VE/VCO2)是通过有创方法获得的动脉CO2分压和通气-灌注不匹配来评价的一项心肺运动试验(CPET)指标。本研究评估了VE/VCO2(Min)最小值和VE/VCO2斜率(斜率)的无创替代性指标,以及最小值与斜率之间的关系。结果发现通过无创方法获得的潮气末二氧化碳分压(PETCO2)、潮气量/呼吸频率(TV/RR)比值、VE和VCO2 Y轴截距(Y-int)与心脏指数(CI)4个指标揭示了超过80%最小值和斜率。公式,最小值∝斜率+Y-int可以揭示超过90%的最小值/斜率关系,Y轴截距可能是阐明最小值和斜率之间关系的关键因素。

 

一、引言

 

世界范围内心力衰竭(HF)患者和HF并发症患者正在逐步增加,虽然HF住院期死亡率在下降,但1年死亡率和再住院率依然较高。因此,需要新的治疗和评估方法。

 

心肺运动试验(CPET)是用于评估心衰患者预后的一种方法。在CPET过程中,分钟通气量/二氧化碳生成量(VE/VCO2)和VE vs. VCO2斜率是通气效率的指标(VEV)。这些VEV能够预测HF患者的死亡率和住院率,与峰值摄氧量(VO2peak)一样重要。虽然VE/VCO2最小值和VE/VCO2斜率是应用不同的计算方法来评估的,但这些VEV具有相似的数值。不过,临床上偶尔也会出现CPET过程中VEVs值不同的情况,不一致的原因尚不清楚。

 

VE/VCO2可通过动脉二氧化碳分压(PaCO2)和肺死腔通气量(Vd/Vt)来测定,公式为:863/PaCO2[1−Vd/Vt]。PaCO2的测量方法是有创的;然而,测量PaCO2的最佳估算指标,即潮气末二氧化碳分压(PETCO2),是无创的。Vd/Vt表示低心排量(CO)或肺功能不全。CO可通过心指数(CI)来确定,而CI是通过心阻抗图来无创测量的。心阻抗图法可获得每搏输出量近似值,因此可用于计算CO。潮气量与呼吸频率比值(TV/RR)可评估运动期间的通气稳定性。在负荷递增运动试验中,应用呼吸补偿(RC)点之前VE和VCO2线性关系的Y轴截距(Y-int)来评估机械性死腔通气量的变化。总之,这些无创方法可以精确描述VEV。

 

本研究假设可以应用4项无创指标来评估VEV,包括PETCO2,TV/RR比值、CI和Y-int。随后,分析了这4项无创指标与VEV的相关性、VEV之间的关系以及VEV之间的不一致性。

 

二、方法

 

2016年1月至2018年12月,在Gunma Prefectural心血管中心连续对4700例患者进行CPET检查。我们纳入同时进行心阻抗图检查的1412例心脏病患者的数据。排除由于腿部肌力低下、膝关节问题和贫血(血红蛋白水平<10mg/dL)而无法确定无氧阈(AT)或RC,或疑似心脏病但诊断试验如体检、胸片、心电图、经胸超声心动图、脑钠肽<80pg/mL和CPET阴性的患者。最后,本研究对1052例心脏病患者的数据进行了回顾性分析(图1)。所有患者均不存在严重的肺部疾病或处于病情不稳定状态。本研究调查了4项无创指标与VEV之间的相关性、VEV之间的关系以及VEV之间的不一致性。

 

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2.1 CPET

 

在直立踏车功率计上进行症状限制性负荷增量运动试验,评估AT和RC时的通气模式,以及VO2peak。CPET过程包括静息3分钟,无负荷热身3分钟,随后运动强度以每6秒1W的速度持续增加,直至患者力竭。为确保CPET过程中,患者运动达到足够高的强度,指导患者维持一定的功率(WR),以实现VCO2/VO2>1.10。CPET过程中记录VO2、VCO2、VE和PETCO2

 

在峰值运动负荷时记录VO2peak,AT通过V-slope法来确定。RC定义为VE/VCO2开始上升和PETCO2开始下降的点。在RC之前,VE和VCO2之间呈线性关系(VE=aVCO2+b),其中“a”是VE vs. VCO2斜率值,“b”是VE轴上的截距(Y-int)。将负荷递增运动测试期间VE/VCO2比值最低点和30秒的平均数据定义为VE/VCO2最小值。本研究还记录了静息、热身、AT和RC时的TV、RR和PETCO2值,以及20秒平均的峰值WR。在每个运动阶段测定TV/RR比值。

 

2.2 心阻抗图方案

 

CPET期间的CO使用心阻抗图来测量。在每个运动阶段记录20秒CO。CI计算方法为CO÷体表面积。

 

三、结果

 

3.1 患者的基线临床特征

 

本研究中患者的平均年龄为66±13岁,男性占73%。51%的患者患有缺血性心脏病,19%的患者存在充血性心力衰竭。左心室射血分数平均值为56.9±13.5%,VO2peak值为17.3±4.5mL/min/kg,VE/VCO2最小值和VE vs. VCO2斜率分别为36.4±6.0和33.1±6.2(表1)。

 

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3.2 运动期间PETCO2、TV/RR比值、CI、Y-int和VEV之间的相关性

 

图2和图3分别显示了静息和运动期间PETCO2、TV/RR比值、CI、Y-int和VEV之间的相关性。所有时间点的数值都是显著的,并呈现负性相关。

 

与下列指标相关系数最大,AT时PETCO2与VE/VCO2最小值(−0.877),RC点PETCO2与VE vs.VCO2斜率(−0.813),和AT时PETCO2与VE vs. VCO2斜率(−0.797)。

 

RC点时TV/RR比值与VE/VCO2最小值,以及峰值WR时TV/RR比值与VE vs. VCO2斜率之间的相关系数最大。在峰值WR时, TV/RR比值与VE/VCO2最小值相关系数为−0.477,与VE vs. VCO2斜率最低值相关系数为−0.422。

 

 

 

 

同样,CI与VE/VCO2最小值 (−0.408)和RC点VE vs. VCO2斜率(−0.344)的相关系数值最强。Y-int和VE vs. VCO2斜率之间的相关系数(R=−0.472,P<0.01)高于Y-int和VE/VCO2最小值(R=−0.098,P<0.01)之间的相关系数。图3显示了PETCO2、TV/RR和CI与VEV的相似动态平行关系。相比之下,只有Y-int的动力学变化与VEV相交。

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3.3 PETCO2、TV/RR比值、CI和Y-int对VEV的贡献

 

使用每个指标与VEV之间的最大相关系数,进行多元线性回归分析,校正PETCO2、TV/RR比值、CI、Y-int、年龄、性别、身高和体重计算VEV公式,如下所示(表2):VE/VCO2最小值=−1.064[AT时PETCO2(mmHg)]−0.050[RC点时TV/RR比值(mL·min/呼吸频率]−0.083[RC点处的CI(L/min/m2)]−0.070[Y-int]+0.030[年龄(年)]+0.753[性别:男性=1,女性=0]+0.027[身高(cm)]−0.056[体重(kg)]+78.894(R=0.919,校正后R2=0.842,P<0.01);VE vs. VCO2斜率=−0.974[RC点时的PETCO2(mmHg)]−0.056[峰值WR时的TV/RR比值(mL·min/呼吸频率)]−0.053[RC点时CI(L/min/m2)]−1.001[Y-int]−0.020[年龄(年)]+1.077[性别:男性=1,女性=0]+0.012[身高(cm)]−0.012[体重(kg)]+75.228(R=0.906,校正后R2=0.819,P<0.01)。

 

在模型2中,我们为每个指标设置相同的时间点时,通过上述公式获得相似的相关系数。从模型2来看,PETCO2对VEV的影响大于TV/RR比值。CI仅与VE/VCO2最小值相关,Y-int仅与VE vs. VCO2斜率相关(表2)。

 

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3.4 Y-int对VEV之间相关性的贡献

 

图4显示了VE vs. VCO2斜率对VE/VCO2最小值的影响(R=0.868,P<0.01)。然而,VE vs. VCO2斜率和Y-int组合与VE/VCO2最小值的相关性更强(R=0.940,P<0.01)。当对年龄、性别、身高和体重校正后进行多元线性回归分析时,观察到VE vs. VCO2斜率和VE/VCO2最小值之间存在中等程度相关(R=0.889,校正后R2=0.789,P<0.01);然而,VE vs. VCO2斜率+Y-int与VE/VCO2最小值的相关性更大(R=0.952,校正后R2=0.906,P<0.01)。

 

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四、讨论

 

本研究的主要结论如下。首先,我们发现CPET过程中获得的PETCO2、TV/RR比值、CI和Y-int与VEVs密切相关。这4个指标可以预测84.2%的VE/VCO2最小值和81.9%的VE vs. VCO2斜率。其次,CPET指标对VEVs的影响顺序为:PETCO2>TV/RR比值;CI仅与VE/VCO2最小值相关;Y-int仅与VE vs. VCO2斜率相关。VE vs. VCO2斜率与VE/VCO2最小值(校正后R2=0.789)之间观察到中等程度相关。然而,在考虑这4个指标时,加上Y-int、VE vs. VCO2斜率和Y-int可以解释90.6%的VE/VCO2最小值。

 

本研究验证了这4项无创指标可以预测VEV,以及它们对VEV的贡献顺序。此外,我们确定了一个新的VEV关系公式如下:VE/VCO2最小值∝VE vs. VCO2斜率+Y-int。

 

由于VE vs. VCO2斜率和VE/VCO2最小值可预测心衰患者的死亡率和心衰相关住院率,VEV如同VO2peak,也是CPET的重要指标。尤其是,VE vs. VCO2斜率与VO2peak精确度相同。VEV值>34或33可以预测心衰患者死亡率。

 

本研究假设无创指标PETCO2、CI、TV/RR比值和Y-int可以评估VEV。结果显示,82–84%的VEV可以通过这4个指标预测(表2)。PETCO2与Vd/Vt、PaCO2和CI相关。CI也是Vd/Vt的一个心脏指标。TV/RR比值是呼吸稳定性的指标之一,可能与Vd/Vt有关。心脏病有几种病理生理学特点导致TV/RR比值较低。包括肺充血导致的TV下降、肺毛细血管旁受体的刺激,以及与较高的RR相关的刺激压力反射的骨骼肌力量下降。因此,TV/RR比值较高可能表示通气效率较高。在负荷递增运动试验中,在RC点之前,VE和VCO2呈线性关系,Y-int可以通过数学计算得出。我们认为TV/RR比值是肺限制性疾病或过度通气的指标,Y-int是运动期间无创评估阻塞性肺病的指标。这是PETCO2、TV/RR比值、CI和Y-int与VEV相关的原因。

 

有趣的是,VEV对CPET指标的影响顺序如下:PETCO2>TV/RR比值;CI仅与VE/VCO2最小值呈弱相关;Y-int仅与VE vs. VCO2斜率相关。此外,在AT时,PETCO2对VE/VCO2最小值的影响比VE vs. VCO2斜率大。在我们的研究中,PETCO2与TV/RR比率(R=0.334)的相关性大于与CI(R=0.313)的相关性。此外, VE/VCO2最小值与TV/RR比值的相关性大于VE vs. VCO2斜率的相关性(图2)。然而,这些结果表明,由于TV/RR比值与PETCO2和VE/VCO2最小值的相关性强于其与CI的相关性,PETCO2与VE/VCO2最小值的相关性强于VE vs. VCO2斜率的相关性。

 

先前研究中,VE vs. VCO2斜率与VE/VCO2最小值具有明显的强相关性。相关系数为R=0.85–0.92.5,我们的研究结果与先前研究一致(R=0.868)(图4)。此外,图3显示,Y-int是四个指标中与VEV唯一动态相交的指标。因此,将Y-int添加到VE vs. VCO2斜率中, VE/VCO2最小值与VE vs. VCO2斜率和Y-int之间的相关性更强(R=0.940)(图4)。大约91%的VE/VCO2最小值可以反映VE vs. VCO2斜率和Y-int。这个百分比高于VE/VCO2最小值和VE vs. VCO2斜率(79.8%)。

 

Y-int数值较高和数值为负数可能分别表示COPD和肺动脉高压(PAH)。在没有COPD或PAH的患者中,Y-int值几乎为0,VE vs. VCO2斜率和VE/VCO2最小值几乎相同。当观察到不同的VEV时,由于Y-int数值较高和数值为负数,可能隐藏患者共病情况,该公式可能表示患者存在共病。

 

一份日本流行病学报告发现,24%的70岁以上人群和16%的男性患有COPD。心脏病患者常患有COPD;因此,VE/VCO2最小值∝VE vs. VCO2斜率+Y-int有助于评估心脏病患者的共病。无创指标PETCO2、TV/RR比值、CI和Y-int可以反映>80%VEVs。与2个VEVs相比,CI与VE/VCO2最小值密切相关,而Y-int与VE vs. VCO2斜率密切相关。在这4个指标中,PETCO2是VEVs最具影响力的指标。

 

VE/VCO2最小值和VE vs. VCO2斜率通常数值相似,如本研究中观察到的79%。然而,VE vs. VCO2斜率+Y-int值可以反映更准确的VE/VCO2最小值。公式: VE/VCO2最小值∝VE vs. VCO2斜率+Y-int,可以反映超过90%的VEVs值。当观察到VEVs数值不同时,应考虑评估心脏病患者的共病情况。

 

五、结论

 

VE/VCO2最小值和VE vs. VCO2斜率与VEV一样重要,是心脏病死亡率的预测因子。在运动期间使无创指标PETCO2、TV/RR比率、CI和Y-int可以预测VEVs。此项研究对VEV建立了贡献顺序公式,VE/VCO2最小值∝VE vs. VCO2斜率+Y-int,可以推测超过90%VEVs。识别Y-int高值和Y-int负值或VEV的不同数值有助于诊断心脏病患者的共病。在进行CPET时,我们建议检测VE/VCO2最小值和VE与VCO2斜率之间的数值和二者之间的关系。

 

 

本文由北京大学第三医院心内科宋燕新翻译整理,转载请注明出处和作者。

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