心力衰竭患者 cardiopulmonary exercise testing 中脑组织饱和度监测的整合

摘要

本方案将近红外光谱技术整合到传统的 cardiopulmonary exercise testing（ cardiopulmonary exercise testing）中，以识别心力衰竭患者运动不耐受过程中脑血流动力学反应的参与情况。

摘要

静息或运动期间脑部供氧不足会对射血分数降低型心力衰竭（HF）患者的运动耐量产生负面影响。然而，在临床 cardiopulmonary exercise testing（CPET）中，并未评估脑血流动力学。近红外光谱技术（NIRS）可用于测量脑组织氧饱和度（SctO₂) 位于额叶。该方法可靠且有效，已在多项研究中得到应用。SctO₂ 在心力衰竭患者中，静息和运动峰值期间的 SctO₂ 均低于健康对照组（66.3 ± 13.3% 和 63.4 ± 13.8% vs. 73.1 ± 2.8% 和 72 ± 3.2%）。SctO₂ 静息时与峰值VO₂呈显著的线性相关₂ (r = 0.602)，氧摄取效率斜率（r = 0.501）以及脑钠肽（r = -0.492），这些均为公认的预后及疾病严重程度标志物，表明其具有潜在的预后价值。SctO₂ 主要由终末呼气二氧化碳分压决定₂ 压力、平均动脉压以及HF人群中的血红蛋白。本文展示了一种整合SctO₂ 使用近红外光谱技术（NIRS）结合校准自行车功率计进行递增式 cardiopulmonary exercise testing（CPET）。

引言

心肺运动试验（CPET）已应用于射血分数降低的心力衰竭（HF）患者，用于多个目的，包括量化心肺适能、判断预后、诊断运动受限的原因以及制定运动处方^1,2,3。在测试过程中，需监测并分析血流动力学参数及自动气体交换仪获取的数据。脑组织氧饱和度（SctO₂）监测对于评估预后及疾病严重程度具有重要价值^4,5。

近红外光谱技术（NIRS）利用红外光穿透颅骨，以连续、无创的方式估算脑组织氧合水平⁶。由于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白具有不同的光吸收光谱，且是吸收光的主要发色团，因此可通过光的透射和吸收来测量它们的浓度^6,7。然而，背景光吸收物质也会散射光线，可能影响测量结果⁸。本研究采用空间分辨型近红外光谱技术，测量从静息状态到运动峰值期间的SctO₂⁹。通过发射四种不同波长的光，以补偿波长依赖性散射损失并消除背景干扰，从而提高测量准确性¹⁰。

SctO₂ 表示脑组织中氧气输送与消耗的比例。脑组织去饱和与脑血流（CBF）紊乱、动脉血氧浓度降低以及脑组织耗氧量增加相关¹¹。除心输出量不足外，晚期心力衰竭还可通过过度通气降低动脉血二氧化碳分压（PaCO₂），间接引起脑血管收缩，从而在运动期间导致脑灌注不足¹²。

Chen 等人揭示了心力衰竭（HF）患者脑氧合的临床意义⁴。首先，与健康对照组相比，HF 组的 SctO₂ 显著降低。SctO₂ 不仅在静息状态下下降，在运动过程中进一步降低，而这一现象在健康人群中未被观察到。其次，SctO_2rest 和 SctO_2peak 与 VO_2peak、脑钠肽（BNP）以及氧摄取效率斜率（OUES）呈相关性，而这些指标均为已确立的预后标志物。因此，SctO_2rest 和 SctO_2peak 极有可能作为预后指标，反映 HF 患者的疾病严重程度。Koike 等人的另一项研究表明，在冠心病患者中，从静息到运动峰值期间前额测量的脑部氧合血红蛋白变化值在非存活者中显著低于存活者⁵。因此，脑氧合可用于对心力衰竭患者的疾病严重程度和预后进行分层评估。

方案

以下方案已获得中国台湾林口长庚纪念医院伦理委员会的批准。运动试验在空调实验室中进行，实验室大气温度为22-25 °C，压力为755至770 Torr，相对湿度为55-65%。每次测试前，根据制造商说明，使用室内空气和已知浓度的混合气体（FO₂：0.12；FCO₂：0.05；氮气N₂为平衡气）对气体分析仪进行校准。系统中的涡轮流量计通过自动抽气系统采用两点法（0.2 L/s 和 2 L/s）进行校准。

1. 准备：传感器和记录仪的放置

1. 用酒精棉片清洁前额两次，以去除皮肤上的汗液和污垢。
2. 将近红外光谱（NIRS）传感器双侧放置于前额，使用发射器与探测器间距为5 cm的大型传感器，其估计测量深度为2.5 cm。确保传感器牢固固定。
3. 将心电图电极片贴于胸前部、双侧肩锁关节以及下背部。
4. 让患者坐在自行车功率计上。
5. 佩戴血压计臂带。
6. 指导患者佩戴气体分析面罩，并确保面罩边缘无气体泄漏。
7. 将脉搏血氧仪传感器放置于患者的耳垂和食指上。

2. CPET 与 SctO₂ 监测

1. 让患者休息至少 2 分钟，以获得稳定的基线值，包括 SctO₂ 和呼吸交换率。
2. 让患者在功率自行车上以 10 W 的负荷进行 1 分钟的热身阶段。
3. 以每分钟 10 W 的速率递增负荷，要求患者以约 60 转/分钟的速度踩踏，直至在强烈鼓励下仍无法维持转速 >50 转/分钟（症状限制性运动试验）。
4. 从以 100 Hz 频率采集的数据中自动每秒计算一次 SctO₂ 的平均值。
5. 使用血压计自动每 2 分钟测量一次血压。
6. 逐次呼吸分析气体成分，包括 VO₂ 和呼气末二氧化碳分压（P_ETCO₂）。
7. 让患者在 0 W 的负荷下完成 2–6 分钟的恢复阶段。

结果

在台湾林口长庚纪念医院纳入了34名心力衰竭患者和17名健康对照者。每位受试者均接受了包含SctO₂监测的心肺运动试验。₂ 通过近红外光谱（NIRS）进行监测。简言之，SctO₂ （静息；峰值）值在HF组中（66.3 ± 13.3％；63.4 ± 13.8％）显著低于对照组（73.1 ± 2.8％；72 ± 3.2％）图1）。在HF组中，SctO₂ 静息状态（SctO_2rest) 和 SctO₂ 峰值₂ (SctO_2峰) 与脑钠肽（BNP）、VO_2峰，以及 OUES（r -0.561 到 0.677 p < 0.001) (图2）。值得注意的是，SctO_2rest 由P的分压决定_ETCO₂ 静息时（...

讨论

通过近红外光谱技术（NIRS）无创、连续监测脑部氧合已在多种场景中得到应用，包括心血管外科手术¹³以及脑功能分析，例如用于评估神经活动的研究¹⁴。本方案将NIRS整合至传统的 cardiopulmonary exercise testing（CPET）中，以识别心力衰竭（HF）患者运动耐受不良时脑部血流动力学反应的参与情况。该方法可提高运动试验在判断预后及疾病严重程度方面的价值。

心功能障碍曾被认为是心力衰竭（HF）患者运动耐量下降的主要原因¹⁵。然而，临床研究表明，正性肌力药物或血管扩张剂未能提高患者的运动能力¹⁶，且静息状态下心功能与峰值氧耗量之间的关联较弱¹⁷。因此，心功能障碍并非心力衰竭患者运动耐量下降的唯一原因。

运动期间脑灌注和氧合降低已在心输出量无法正常增加的患者中得到证实

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
自行车功率计	Ergoline, Germany	Ergoselect 150P
cardiopulmonary exercise testing 气体分析	Cardinal-health Germany	MasterScreen CPX
指端脉搏血氧仪	Nonin Onyx, Plymouth, Minnesota	Model 9500
血压计	SunTech Medical, UK	Tango
近红外光谱技术	CAS Medical Systems, Inc., Branford, CT	FORE-SIGHT system