运动期间肺毛细血管血容量、膜弥散能力及肺内动静脉吻合支的评估

摘要

为了评估肺部在运动时的气体弥散和血管反应，我们描述了多次吸入氧气弥散能力技术，用于测定毛细血管血容量和膜弥散能力，以及采用振荡生理盐水对比超声心动图来评估肺内动静脉吻合支的募集情况。

摘要

运动对肺血管系统是一种应激。随着运动强度的增加，肺弥散能力（DL_CO）必须相应增强以满足升高的氧需求；否则可能发生弥散受限。运动时DL_CO的增加源于毛细血管血容量（Vc）和膜弥散能力（Dm）的提升。Vc和Dm的增加继发于肺毛细血管的募集与扩张，从而增大了气体交换的表面积，并降低肺血管阻力，进而减轻肺动脉压的上升。与此同时，运动期间肺内动静脉吻合支（IPAVA）的开放可能引起气体交换功能受损，和/或阻止肺动脉压显著升高。

我们介绍了两种用于评估静息和运动状态下肺部扩散和循环功能的技术。第一种技术采用多种吸入氧分数（F_IO₂）下的DL_CO屏气法，以测定静息和运动时的肺毛细血管血容量（Vc）和肺泡-毛细血管膜弥散能力（Dm）。此外，通过静脉注射振荡生理盐水造影的超声心动图技术用于评估肺内动-静脉吻合支（IPAVAs）的开放情况。

代表性数据显示，DL_CO、Vc 和 Dm 随运动强度增加而升高。超声心动图数据显示，静息状态下未见IPAVA开放，而运动时左心室可见对比微泡，提示运动诱导的IPAVA开放。

利用超声心动图方法评估肺毛细血管血容量、膜弥散能力和IPAVA的招募情况，有助于表征健康人群以及肺动脉高压和慢性阻塞性肺疾病等疾病群体的肺血管系统在运动应激下的适应能力。

引言

运动期间，心输出量可增加至静息水平的六倍以上¹。由于肺是唯一接受全部心输出量的器官，运动对肺系统构成了显著的压力。随着运动强度的逐步增加，肺弥散能力（DL_CO）必须相应增强，以满足增高的氧气需求²。从静息状态到最大运动强度，DL_CO可升高至静息值的150%左右，且在心输出量范围内尚未达到上限^3,4,5。弥散能力的增加是由于肺毛细血管的募集和扩张，导致膜弥散能力（Dm）和毛细血管血容量（Vc）增加所致⁶。

Roughton 和 Forster（1957 年）开发了一种技术，通过在标准一氧化碳弥散量测试（DL_CO）期间调节吸入氧分数（F_IO₂），来分别测定肺泡-毛细血管膜弥散量（Dm）和肺毛细血管血容量（Vc）⁷。氧气与一氧化碳（CO）在血红蛋白的亚铁血红素位点上存在竞争性结合，因此提高 F_IO₂ 将降低 DL_CO^8,9。通过在标准 DL_CO 操作过程中调节 F_IO₂，可利用这一关系来测量 Vc 和 Dm⁷。我们近期已将该技术改进并应用于运动状态下的检测⁵。与先前研究一致，我们发现 DL_CO 在运动至峰值时持续升高，这主要继发于 Vc 和 Dm 的共同增加⁵。有趣的是，我们发现耐力训练运动员的最大耗氧量更高，因而对气体弥散能力的需求更大，在达到峰值运动时其 DL_CO 的升高主要归因于 Dm 的增加，而非 Vc 的变化，提示运动员的肺泡-毛细血管膜可能存在某种潜在的适应性改变⁵。

运动期间Vc和Dm的增加是通过肺动脉压升高实现的，这会导致在静息时灌注不足的肺毛细血管被招募并扩张^4,10。这使得肺毛细血管网的横截面积增大，从而降低肺血管阻力，并减轻肺动脉压的升高幅度。

采用振荡盐水对比超声心动图的研究已表明，运动期间存在肺内动静脉吻合支（IPAVA）开放的现象^11,12,13,14。IPAVA开放的意义尚不明确；尽管一些研究提示其可能参与气体交换障碍^12,14，并可能有助于减轻右心室负荷^11,12，但该问题仍存在争议^15,16。此外，尽管IPAVA开放的确切机制尚不清楚，但我们发现增加心输出量以及外源性多巴胺均可在静息状态下诱发IPAVA开放¹⁷。急性升高的肺动脉压力¹⁸或多巴胺受体阻断似乎对运动期间的IPAVA开放无明显影响¹¹。有推测认为，这些管径较大的IPAVA血管可能通过降低肺血管阻力，帮助保护肺毛细血管免受肺动脉压力大幅升高的影响^{12,17,19,20,21}。

当与Vc和Dm的评估相结合时，振荡生理盐水对比超声心动图是研究肺循环对运动应激适应情况的一项重要工具^22,23。

方案

本方案遵循阿尔伯塔大学人类研究伦理委员会的指导方针，并符合最新修订版《赫尔辛基宣言》所规定的标准 赫尔辛基宣言

1. 递增负荷运动试验（VO_2peak）

1. 从受试者处获得书面的知情同意。让受试者阅读并回答《身体活动准备问卷+》（PAR-Q+）中所列问题，以评估其是否具备进行运动的准备状态。²⁴.
2. 根据受试者的偏好调节功率自行车的座椅高度。按照标准三导联心电图（ECG）电极放置方法，在受试者背部放置四个心电图电极，采用改良肢体导联以测量心率（HR）。²⁵.
3. 将咬嘴插入受试者口中，使用代谢测量系统全程监测呼出气体和通气情况。²⁵.
   注意：代谢系统将测量实时的氧气消耗量（VO₂），二氧化碳生成量（VCO₂），通气（V_E）、心率（HR）和呼气末二氧化碳₂ (P_ETCO₂).
4. 在采集2分钟基线数据后，指导受试者以50 watt的初始负荷开始骑行，并保持稳定的踏频  ≥60 转/分钟。每 2 分钟增加 25 W 负荷，直至受试者达到主观力竭或要求停止测试²⁵.

2. 多个吸入氧分数（F_IO₂）下的弥散能力（DL_CO）测定法⁷

1. 计算与 VO₂ 的 30%、50%、70% 和 90% 相对应的运动负荷_2峰 使用峰值 VO₂ 在递增负荷运动试验中获得数据。递增负荷运动试验至少48小时后，让受试者返回实验室进行一氧化碳弥散量（DLCO）操作。
2. 每天进行的 DLco 检测不应超过 12 次，因为重复检测可能导致碳氧血红蛋白（COHb）积聚⁵因此，应根据需进行的运动负荷数量以及DLCO数据的质量，在多个不同日期进行测试。
3. 通过连接一罐100% O₂气源来制备预呼吸气体₂ 气体和一罐医用级空气（21% O₂）₂ 和 79% N₂) 连接到空气混合器系统。填充两个60 L非扩散型道格拉斯袋，其中一个含有40% O₂₂，以及一个含有60% O₂的₂，使用空气混合系统。
4. 设置两个大口径三通旋塞阀，用于调节吸入气体混合物。这两个阀门将被称为 "预呼吸阀"
5. 将道格拉斯袋通过柔韧且不可压缩的管路连接至阀门系统。将阀门系统连接至一个双向T型非重复呼吸阀，并将其与代谢测量系统质量流量传感器的测试气体进气组件相连。
6. 静息测量时，受试者应坐直，双脚平放在地面上。运动试验期间，需通过心电图（ECG）监测心率（HR），以确保受试者处于稳态。 ± 3 bpm 以达到稳态。
   注意：在达到 VO 的 90% 时，可能尚未进入稳态_2峰；因此，当受试者的 心率 达到 VO₂ 峰值的 90% 时，即开始测量_2峰 在递增负荷运动试验中。
7. 通过指尖采血获取一滴毛细血管血液，并检测其血红蛋白浓度。随后，调整所有后续的DL_CO 使用以下公式计算[Hb]²⁶:
   
8. 选择一个 F_IO₂ （21%、40% 或 60%）通过随机切换预呼吸阀门至所需位置来实现。选择相应的 F_IO₂- DL_CO 通过转动DL来调节气体_CO 气体阀选择器（参见 图1C).
9. 指导受试者佩戴鼻夹，并通过与相应 F 对应的道格拉斯袋中的面罩正常呼吸五次_IO₂.
10. 指导受试者呼气至残气量。当肺容积在残气量处达到平台时，让受试者吸入一氧化碳弥散量（DL）测试气体。_CO 将气体混合物吸入至肺总量，屏气6秒，然后呼气至残气量。
11. 监测呼气过程中的甲烷示踪，确保其斜率为水平，这表明CO测试气体在肺内已充分平衡。
    注意：肺泡容积（V_A) 和屏气时间由代谢测量系统自动计算并报告。
12. 确保 V_A 每次DLco操作的测量值与之前试验结果的差异应在5%以内。同样，屏气时间应为6.0秒。 ± 0.3 秒。若未达到，重复该操作。
13. 等待4分钟，使残留的一氧化碳充分洗脱，然后对每个剩余的F重复步骤2.8至2.11_IO₂ 静息状态下。
14. 至少48小时后，在每个运动强度（分别为VO₂峰值的30%、50%、70%和90%）下的稳态阶段重复步骤2.9至2.15。_2峰）适用于每个 F_IO₂. 在 VO₂ 的 90% 水平上减少屏气间的负荷量_2峰 恢复受试者所需的工作量。
15. 运动期间进行一氧化碳弥散量（DLco）检测时，每次检测间隔至少2分钟，以清除肺泡内的一氧化碳。每日DLco检测次数不应超过12次，以避免碳氧血红蛋白（COHb）蓄积⁵.

3. 肺毛细血管血容量和膜弥散能力的计算

1. 计算肺泡氧分压₂ (P_AO₂）使用以下公式
   
   注意：F_IO₂ 是吸入氧的分数₂，P_BAR 是大气压强，P_H2O 是水蒸气压，P_aCO₂ 是动脉血中 CO₂ 的分压₂，RER 为呼吸交换率。
2. 估算呼吸交换率（RER）和功率（P）_aCO₂ 使用测得的30秒平均P_ETCO₂ 以及根据先前递增负荷运动测试获得的数据得出相应运动强度的RER。
3. 计算 θ_CO 使用以下公式⁷.
4. 绘制 1/DLco 之间的关系图_adj 和 1/θ_CO 每个 F_IO₂ 并计算回归方程。
   注意：可接受的最低 r² 值为 0.95，且 DL_CO 当 r 时应重复操作步骤² 数值超出此范围²¹.

图2：1/DL 的代表性图谱_CO 与 1/θ_CO 在峰值运动时。 1/DL 之间的关系_CO 和 1/θ_CO 在不同 F 条件下对三次屏气进行绘图_IO₂ （21%、40%和60%）。Vc 和 Dm 的计算基于上述关系的回归方程。直线斜率的倒数（1/0.00796）给出 Vc 的值（125.5 mL），y 轴截距的倒数（1/0.00869）给出 Dm 的值（115.0 mL）。·分钟^-1·mmHg^-1). 请点击此处以查看此图的放大版本。

5. 通过计算 1/DL_CO 与 1/θ_CO 回归方程斜率的倒数来确定 Vc；通过计算该方程 y 轴截距的倒数来确定 Dm。

4. 肺内动静脉吻合支的募集

1. 在与DL_CO数据采集不同的另一天，将20号静脉导管插入前臂静脉，并通过6英寸静脉延长管连接至三通旋塞，用于注射振荡盐水以进行对比超声心动图检查^11,17。

图3：振荡盐水对比剂制备装置。 将静脉导管置于肘前区，通过一条6英寸的延长管连接三通阀。在三通阀上连接两个10 mL注射器，用于制备对比剂溶液，该溶液包含10 mL生理盐水和0.5 mL室温空气。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 将两个10 mL注射器连接至三通旋塞。取10 mL 0.9%无菌生理盐水与0.5 mL空气混合，通过三通旋塞在两个注射器之间用力来回推注，以形成细小且悬浮的气泡，直至超声医师准备就绪进行造影。
3. 由经验丰富的超声医师或心脏病专家获取标准的心尖四腔心切面图像。在静息状态下，使用标准超声心动图及彩色多普勒成像，评估房间隔和室间隔是否存在心内分流。
   1. 若未检测到心内分流，指导受试者在注射造影剂时进行瓦尔萨尔瓦动作（Valsalva maneuver），以评估卵圆孔未闭（PFO）^11,17。在非瓦尔萨尔瓦状态下重复测量。
4. 在超声医师维持四腔心切面的同时注射造影剂。自右心室首次检测到造影剂起，记录15个心动周期的图像。
5. 在相当于VO_2peak的30%、50%和70%的稳态运动期间重复增强造影成像。由于在VO_2peak的90%时无法达到稳态，因此当心率达到分级运动试验中确定的相当于VO_2peak 90%时的目标心率时，即开始成像。
   注：不同运动强度之间的间隔时间取决于造影剂从两个心室的清除情况，应≥ 2分钟。
6. 由对实验条件设盲的超声心动图医师，根据既往描述的评分系统^17,27解读振荡生理盐水造影超声心动图。
   注：评分依据为单帧超声心动图中左心室（LV）内可见的最大造影气泡数量，具体如下：左心室内无造影气泡 = 0，≤3个气泡 = 1，4–12个气泡 = 2，>12个气泡 = 3。
   注：若造影剂在左心室的出现时间晚于五个心动周期，则提示存在肺内动静脉分流（IPAVA）。心内分流则定义为造影剂在少于五个心动周期内出现在左心室²⁷。

图4：IPAVA评分的代表性图像。 标尺为5 cm（白色实线）。(A) 对比剂注射前。(B) IPAVA评分 = 0。(C) IPAVA评分 = 1。(D) IPAVA评分 = 3。 请点击此处查看此图的放大版本。

结果

运动强度增加对氧耗量、弥散能力、肺毛细血管血容量、膜弥散能力以及IPAVA评分的影响见表1。随着功率输出的增加，VO₂、DL_CO、Vc 和 Dm 均随之升高。

图2展示了在运动期间使用多种吸入氧浓度（F_IO₂）-一氧化碳弥散量（DL_CO）技术计算肺毛细血管血容量（Vc）和肺泡-毛细血管膜弥散能力（Dm）的典型示例。随着吸入氧浓度（F_IO₂）的升高，DL_CO下降，该关系被用于区分Vc与Dm。通过计算1/DL_CO对1/θ_CO曲线斜率的倒数，可得到Vc值；而y轴截距的倒数则给出Dm值。与静息状态相比，运动期间Vc和Dm均有所增加，这符合预期结果。

结果表明，这些技术可用于评估运动期间肺血管的反应。通过多种吸入氧浓度（F_IO₂）下的一氧化碳弥散量（DL_CO）检测结合振荡生理盐水对比超声心动图方法，研究人员能够更深入地了解肺毛细血管和肺膜募集对总体弥散能力的贡献，该方法可作为临床环境中传统肺功能检测的补充。若在运动时毛细血管血容量（Vc）或肺泡-毛细血管膜弥散常数（Dm）未能增加，将导致弥散受限和低氧血症。例如，DL_CO降低若继发于Vc降低，则提示肺毛细血管发生改变；同样，Dm降低则提示肺膜结构发生改变。

图4展示了四个典型的心腔对比超声心动图记录。随着运动强度的增加，IPAVA评分从静息状态下的0分（即无IPAVA证据）增加到最高运动强度时的3分（表1）。先前的研究表明，运动可增加IPAVA评分^11,12,14，但目前尚无共识阐明这些IPAVA是如何被募集的。已有证据表明，IPAVA可在静息状态下通过多巴胺药理学手段^17,28被募集，也可通过多巴酚丁胺^17,28和肾上腺素²⁸增加心输出量而被募集。像多巴胺和肾上腺素这样的正性肌力药物尤其值得关注，因为它们在运动过程中会内源性增加²⁹。此外，有部分证据表明IPAVA的募集可能对运动时的血流动力学具有重要意义，因为缺乏IPAVA似乎会导致肺动脉压力更高、心输出量降低以及峰值功率输出减少¹²。因此，该技术可用于肺动脉高压患者的相关研究。

图1：多种吸入氧浓度（F_IO₂）下的一氧化碳弥散量（DL_CO）检测装置设置。 （A）装置整体示意图。（B）压缩气体钢瓶，内含21%、40%和60%氧气（O₂），并含有0.3%一氧化碳（CO）、0.3%甲烷（methane），余量为氮气，以及一个额外的氧气压缩气体钢瓶。（C）用于三种不同吸入氧浓度（F_IO₂）DL_CO气罐的三通阀选择器。（D）串联三通阀的切换开关，用于预吸氧阶段选择所需的吸入氧浓度（F_IO₂）。请点击此处查看该图的放大版本。

表1：一名受试者在静息状态及分别以 VO_2peak 的 30%、50%、70% 和 90% 进行运动时的代表性数据。 VO₂，相对于体重的耗氧量；DL_CO，一氧化碳弥散能力；Vc，肺毛细血管血容量；Dm，膜弥散能力；IPAVA 评分，指在五个心动周期后左心室出现对比剂的评分。数据经修改自 Tedjasaputra et al. 2016。

讨论

该方法可用于评估运动期间的肺弥散能力及肺内动静脉吻合支的开放情况。

方案中的关键步骤

尽管在静息状态下进行一氧化碳弥散量（DL_CO）的屏气测试相对简单，但在运动过程中屏气对受试者而言却是一项独特的挑战，因为这与直觉相悖，且受试者在运动时呼吸欲望强烈。因此，肺毛细血管容积（Vc）和肺泡-毛细血管膜弥散能力（Dm）的准确测定依赖于测试者与受试者之间的良好沟通与默契。测试者的技术水平可通过肺泡容积的变异程度（与既往试验相比在±5%以内）和屏气时间（BHT）为6.0±0.3秒来量化评估。

修改与故障排除

在完成 Vc/Dm 测量后，测试人员应迅速绘制三次 DL_CO 操作的曲线图，以确定数据点的最佳拟合线；使用 21% F_IO₂ 测得的 DL_CO 值应始终高于 40% 的测量值，而 40% 的测量值又应高于 60% 的测量值。若结果不符合此规律，建议检查阀门切换是否对应正确的测试气体。同样，需确认预呼吸袋中所充气体的 F_IO₂ 与测试气体相对应（图 1B-1D）。对吸烟受试者进行测试时应格外谨慎，因其体内较高的碳氧血红蛋白（COHb）水平可能导致 DLco 被低估。

在进行IPAVA招募评估时，受试者的体位至关重要，以确保获得高质量的图像。可以使用卧式功率自行车替代直立式功率自行车，以尽量减少受试者的移动。然而，卧式功率自行车运动在相同功率输出下会引发不同的代谢反应，因此应在卧式功率自行车上重新进行分级运动试验。对部分女性而言，上胸部扫描可能会引起不适；在此情况下，建议由女性超声技师进行操作。最后，推荐的运动方案是针对年轻健康个体设计的；因此，可根据不同的目标人群对运动方案进行适当调整。

该技术的局限性

多次F_IO₂ DL_CO技术的主要局限性在于操作人员的技术水平以及受试者遵循指令并在屏气期间保持镇静的能力，因为做瓦尔萨尔瓦（Valsalva）或穆勒（Müller）动作会影响测量结果。其次，由于一氧化碳（CO）反压升高可能影响Vc和Dm的测量值^5,30并对受试者造成健康风险，因此单次检测中屏气次数应限制在12次以内。根据研究设计的不同，可能需要在多个检测阶段中完成测试，以便让体内CO充分清除并减少受试者的疲劳。通过良好的受试者指导和技术操作，我们确定DLco、Vc和Dm在不同测试之间的变异系数分别达到满意的7%、8%和15%。

多重F_IO₂ DL_CO技术假设肺泡O₂与毛细血管O₂相同，因此在解释已知存在气体交换障碍个体的数据时应谨慎。

激动盐水对比超声心动成像受限于超声技师的技术水平以及受试者在运动时尽量减少胸壁移动的能力。此外，图像解读人员必须熟悉根据既定规程对IPAVA开放程度进行评分的分级标准（图4）²⁷。运动期间盐水对比超声心动图呈阳性结果的临床意义仍存在争议^15,16，有观点认为左心室出现激动盐水对比信号可能继发于毛细血管扩张，而非IPAVA开放。目前相关研究正在努力解决这一问题。

该技术相对于现有/替代方法的重要性

通过利用这些生理学技术，可以在多种条件下评估运动过程中的肺血管系统，包括健康状态、疾病状态以及药物干预情况。尽管检测质量依赖于操作者的技能水平，但在适当的指导和培训下，这些技能很容易且快速地掌握。多种吸入氧浓度（F_IO₂）下的肺一氧化碳弥散量（DL_CO）测定方法被认为是测量肺泡-毛细血管膜弥散能力（Dm）和肺毛细血管血容量（Vc）的"金标准"³¹。虽然这些指标目前未在临床常规计算，但其数值可用于确定低氧血症和运动不耐受的机制、预测患者预后，并进一步细化疾病诊断^31,32。同样，振荡盐水超声心动图技术是目前用于判断肺内动静脉分流（IPAVA）开放程度的最常用方法。

掌握此技术后的未来应用或发展方向

这些技术适用于多种实验条件和干预措施。我们以运动状态为例演示了这些技术，但也可轻松修改用于测量药物输注期间的肺血管反应，例如已知可增加心输出量的正性肌力药物多巴酚丁胺或多巴胺¹⁷。此外，这些技术还可应用于临床人群，例如心力衰竭患者³⁴或慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者，这些人群的一氧化碳弥散量（DL_CO）较同龄对照人群降低³⁵。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
代谢测量系统	SensorMedics 公司	Encore 299 Vmax
功率自行车	麦角碱	Ergoselect II 1200
60 升道格拉斯袋	Hans Rudolph	6100 系列
双向T型阀	Hans Rudolph	2700 系列
血红蛋白测量系统	HemoCue	Hb 201+
22号静脉留置针	BD	Insyte-W
超声	Vivid Q	ECHOpac
压缩气体 21% O₂2，0.3% CO，0.3% CH4，平衡氮气	普莱克斯
压缩气体 40% O₂2，0.3% CO，0.3% CH4，平衡氮气	普莱克斯
压缩气体 60% O₂2，0.3% CO，0.3% CH4，平衡氮气	普莱克斯
鼻夹	Vacu-Med	snuffer #1008