连续法及间歇法测定COPD和健康人群运动呼吸困难的比较

Gustavo Fierro-Carrion, MD; Donald A. Mahler, MD, FCCP; Joseph Ward, RCPT; and John C. Baird, PhD

From Dartmouth-Hitchcock Medical Center (Drs. Baird, Fierro-Carrion, and Mahler, and Mr. Ward), Lebanon, NH; and Psychological Applications (Dr. Baird), Waterbury, VT.

Correspondence to: Donald A. Mahler, MD, FCCP, Section of Pulmonary and Critical Medicine, Dartmouth-Hitchcock Medical Center, One Medical Center Dr, Lebanon, NH 03756-0001; e-mail: Donald. a. mahler@hitchcock. org

目的 (1) 比较连续法及间歇法测定呼吸困难的结果;(2) 考察测试-复试的可靠性;(3) 检验如下假设:以呼吸困难程度为因变量,能量产生、耗氧量和每分钟通气量为自变量的曲线显示,COPD患者的斜率大于正常人,X轴截距较小,绝对阈值较低。

设计 在访视1 (熟悉阶段)、访视2和访视3 (间隔2 d) 过程中,随机分配进行连续法及间歇法测定自行车功量计踏车过程中的呼吸困难程度。

地点 某大学医学中心的心肺运动实验室。

对象 24名COPD患者 [平均年龄 (66±8) 岁],24名健康人 [平均年龄 (66±10) 岁]。

干预 无。

方法及结果 根据Borg计量器的呼吸困难严重度,受试者按提示进行移动、敲击计算机鼠标 键,以示程度的分级 (间歇法); 也可通过移动鼠标位置来调节垂直标线,以示呼吸困难的改变 (连续法)。每位受试者在访视2和访视3时的测试结果无显著差异。尽管间歇法和连续法的运 动变量峰值相似,但两组均显示连续法测得的呼吸困难程度分级值更高。与正常人相比,在 能量产生和氧耗量-呼吸困难方面,COPD患者表现为斜率较大, X轴截距较小,绝对阈值较低 [Borg计量器上显示的呼吸困难分级≥0.5 (刚能察觉)] (P < 0.05)。

结论 老年COPD患者和健康人都能成功地运用连续测定法。两种方法的可靠性都很好。运动过程中,连续法提供的呼吸困难分级数据更多,使临床医师能够计算绝对阈值及刚能察觉到的 差异。COPD者和健康人的回归参数及绝对阈值不同。

关键词 计算机管理 (computer administration); 连续法呼吸困难程度分级 (continuous method for rating breathlessness); 运动试验 (exercises testing)

运动试验为检验以精神物理学原理为基础的个人呼吸困难感知提供一直接检验手段 [1]。传统的评级方法是让患者在一些特定的时间间隔 (如在增量运动试验中每隔1 min),在Borg计量器或一种可视的类似表上选择最相符的呼吸困难严重度等级 [2~5]。然而这种方法至少存在两个主要的局限性:首先,如果患者因为严重的呼吸系统疾病只能运动3-4 min,便只能获得少量的呼吸困难等级评分;其次,患者需 要按提示每分钟提供一个等级评分。虽然从医师的角度看这种不连续测定呼吸困难的方法较方便,但从病人方面看则是完全随意的,因为运动测试过程中呼吸困难的感觉可能不断在变化。由于这些局限 性,有关运动中呼吸困难的进行性进展性质的有价值信息就可能丢失。

1993年Harty等[6] 报道,通过用电位器显示可视的类似评分表上的分数,6名健康人可以在自行车功量计运动中连续报告呼吸困难程度。2001年,我们描述了以连续法记录呼吸困难变化的有效性、可靠性和敏感性[7],即受试者在自行车功量计上踏车 时,通过前后移动装在BORG计量器上的监视器边上的鼠标来调整监视器上垂直标线的位置,以指示呼吸困难严重度的变化。我们最初的试验包括28名健康的大学生 (女14、男14名) 和6名进行初步评估的COPD病人[7]

本研究的三项目的是:第一,证实老年人能成功地使用计算机系统,并且通过连续测定法获得的 结果 (斜率和截距) 与标准间歇法获得的结果具有可比性;第二,我们检验了COPD病人和年龄、性别相仿的健康人群进行连续法测定的可重复性;第三,我们要判定以连续法获得的参数 (斜率、截距和绝对阈值) 是否能区别有症状的COPD病人和年龄相似的健康对照人群。

我们的假设是:(1) 连续测定法将提供高的可重复性,至少与间歇法相当;(2) 以呼吸困难程度为因变量,能量产生量、耗氧量 (oxygen consumption, Vo2) 和每分通气量 (minute ventilation, VE) 为自变量的线形回归,与正常人比较,COPD患者的斜率较大; (3) 与正常人比较,COPD患者的X轴截距较小,绝对阈值较小。

材 料 和 方 法

受试者

所有参加者的入选标准是:年龄≥45岁,能承受自行车功量计上的运动,没有重大的合并疾病史。COPD病人来自我院的门诊部。COPD的诊断以美国胸科协会制定的诊疗规范 [8] 为依据,每个病人都有活动后呼吸困难的主诉。所有健康受试者都来自病人的亲属或朋友,他们否认有任何的心肺不适,且他们的肺功能正常。本研究获得医院伦理委 员会的批准,所有受试者均签署了知情同意书。

试验计划

每位参加者在5 d内完成3次访视。访视1时行肺量计测定和12导联心电图检查 (排除重大的心率失常),以确认其符合入选标准,然后入选者在自行车 功量计上踏车5 min以熟悉仪器和方案,练习通过计算机系统作出呼吸困难的分级。

访视2 (访视1后2 d) 和访视3 (访视2后2 d)时用标准系统 (Collins model CPL; Warren E. Lollins; Braintree, MA) 行肺量计测定,以确定肺功能是稳定的。从最少3次用力呼气肺活量测定值中选择FVC 及FEV1最高值 (肺量计的预计值取自Crapo等[9]),然后受试者进行2次增量运动试验,其间休息60 min。按二选一计划使用间歇和连续测定法。访视2时12名病人和12名健康者先用间歇测定法,再用连续测定法;其他受试者则采用相反的顺序。访视3时每位受试者以相反的顺序测定呼吸困难。

受试者坐在电子制动的自行车功量计上 (ErgoMetrics 800S; SensorMedics; Yorba Linda, CA) 进行心肺运动试验,通过一个接口器呼吸容器内空气。用代谢测定系统 (Medgraphics Cardiorespiratory Diagnostic Systems; St. Paul, MN) 对每次呼吸的呼出气进行VE Vo2分析。经1 min平衡期后,受试者在无阻力下,以每分钟50圈的速度踏车1 min,随后自行车功量计的阻力以15 W / min跳跃式增量,直到受试者因症状出现的限制而停止运动。

进行呼吸困难程度评级的系统由一台计算机、一台监视器和一只鼠标组成 (图1)。计算机屏幕的左侧部分显示数字0 (屏幕最上方) 到10 (屏幕最下方) 的排列,屏幕的右侧显示各种程度呼吸困难的描述。所用的数字、数字排列间隔及描述目录都与 Borg创立的评级标准一致[10]。数字排列的总长度是 15.25 cm,目录描述用12号Geneva字体。受试者坐在自行车功量计上易清楚地阅读屏幕 (距离受试者的眼睛约70 cm) 上的数字及文字。鼠标放在装在自行车功量计握把上的水平平台上,运动开始时黑色 标线 (连续测定法) 或十字准线 (间歇测定法) 位于0级处。

用间歇法测定时受试者在运动过程中根据研究者的提示,每分钟提供1次呼吸困难评级,即调节十字准线 (每次移动0.5 cm) 至相应的评级位置,然后按鼠标键。运动测试前受试者需阅读如下说明:

这是呼吸困难程度的评价等级表,数字0代表无呼吸困难,数字10代表你所经历过的最严重的呼吸困难。运动试验过程中将要求你每分钟选择1个数字,以表示你感受到的呼吸困难程度,把十字准线的指针定位在你选择的数字上并按鼠标键。数字右边的描述可帮助指导你作选择。

研究者告诉受试者可以用评级的所有数字,包括整数间的数值。

用连续法测定,受试者通过改变鼠标的位置 (向或离身体的方向) 调节屏幕上的黑色标线 (0.7 cm宽) 的垂直长度来表示感觉到的呼吸困难程度。没有关于何时作评级的语言提示。运动测试前受试者需阅读如下说明:

这是呼吸困难程度的评级表,数字0代表无呼吸困难,数字10代表你所经历过的最严重的呼吸困难。通过移动鼠标位置来调节黑色实心粗线的长度,以表示你感受到的呼吸困难程度。数字右边的描述可帮助指导你选择。运动试验过程中的任何时间,只要感到呼吸困难程度发生改变,你就应该调节标线的长度 (向上或向下)。

统计分析

线性回归和幂公式模型均以呼吸困难程度评分作为函数,有3个X 变量:能量产生 (W )、Vo2 [mg/(kg.min)] 和 VE (L/min)。

线性公式:B = Ax + b。其中A为斜率,b为截距。

幂公式:B = kXb。其中k为常数,b为指数。

从每位参加研究者在访2和访3的各次测试中获得线性公式和幂公式的值,通过计算Pearson相关系 数,确定呼吸困难程度和3个X变量中每个的最佳线 性回归方程。

由访2、访3时,通过配对t检验对间歇和连续法测得的呼吸困难等级的线性回归方程的斜率和 X轴截距进行比较。

屏幕上的黑粗线第一次达到或超过Borg评分表的0.5分时 (“刚能觉察到者”),对应的X变量便作为呼吸困难的绝对阈值。通过连续测定法,我们从超过绝对起始点的数值开始,计算了一系列“变化”阈值,并认为“变化”阈值是刚能被觉察到的呼吸 困难差异 (just-noticeable difference, JND)[1,7]。当标线升至等级表的更高位置并停留至少1 s,则提示呼吸困难的程度发生了变化。此变化后所呈现的等级 数值被视为连续测定法获得的单个评级。这个等级评价定义比我们先前运用的更保守 [7],由此得到整个运动过程中数字小得多的全部等级。以Borg评分的 JND除以上一次的呼吸困难评级,得到Ekman分数[1,7] ,乘以100,便得到与从决定阈值到恰先于呼吸困难评级峰值、与每一生理性或做功JND关联的 呼吸困难变化百分率。

当因为体力耗尽或受症状出现的限制而停止运动时,记下呼吸困难峰值和各生理指标。所有数据都 以x- s表示,P < 0.05定义为有统计学意义。

结  果

共49人入组本研究,1位病人因不能前后一致地使用计算机系统,在访2退出研究。表1 显示了完成研究的24名COPD病人及与其年龄相匹配的24名健康者资料。2组的年龄和性别分布相似。

图2 所示为1例COPD病人的运动数据,用以举例说明生理变量与呼吸困难评级之间的关系。各 曲线图分别显示作为自变量的能量产生 (图2A)、Vo2 (B) 和 VE (C) 与相应呼吸困难评级之间的关系,并给出最佳直线方程。2组的能量产生、Vo2、VE等生理变量与呼吸困难评分的Pearson相关系数值都较 高,r分别为0.96- 0.98、0.95-0.96和0.95-0.97。间歇测定法和连续测定法所得相关性的程度无差异。 能量产生公式的数据也是如此,除1例外,用两种模型获得的相关系数间均无显著差异。惟一的例外 是VE-呼吸困难线性函数,其相关性显著优于幂函数 (P < 0.05)。鉴于以上结果,且不同作者[3~5,11~14] 已报道了用线性回归分析描述类似的数据,介绍我们的线性函数结果。此外,无论数据以线性函数还是 幂函数分析,连续法和间歇法的差异、COPD病人与健康对照者的差异是一致的。

试验-复试的可靠性

对访2和访3的COPD病人和健康者,或各组合并分析时,访2和访3组间的肺功能检查数据及运动数据 (线性回归参数、峰值、绝对起点及Ekman分数) 均无显著差异。基于所观察到的结果具有一致性,对以后所有分析我们均将访2和访3的数据合并 进行。

间歇法与连续法的比较

表2 显示了间歇法及连续法测定呼吸困难程度的结果。各组间用连续法或间歇法测得的呼吸困难最 高评分均无显著差异,但连续法能提供的呼吸困难评级数目显著多于间歇法。

表3 分别显示了作为自变量的能量产生、Vo2和VE各自线性回归分析参数和绝对阈值的数据汇总。2 种方法获得的3个自变量与呼吸困难评分的斜率和截距无显著差异。只有连续法才能计算绝对阈值。

COPD患者与健康人的比较

如预期,COPD病人所有3个自变量的运动峰值均显著低于健康者 (表1),但是患者和健康对照组报告的最高呼吸困难评级相似 (大约为Borg评分6分) (表2)。

COPD病人3个自变量的斜率显著高于健康者 (表3)。COPD病人能量产生和Vo2自变量的X轴截距显著低于健康者,而VEX轴截距显著高于健康 者 (表3)。

COPD病人发生呼吸困难 (绝对阈值) 的时间 [(3.6±0.9) min] 显著早于健康组 [(5.5±1.8) min]。COPD病人的能量产生和Vo2自变量的绝对阈值显著低于健康者,但 E的绝对阈值与健康组相似 (表3)。2组的Ekman分数相似 (表2)。

讨  论

本研究的主要发现是:(1) 所有受关心的参数测试的重复性和可靠性都很高;(2) 与间歇法比较,在运动过程中连续法能提供数目更多的评级,且可计 算绝对阈值和JNDs;(3) 与健康者比较,COPD病人的能量产生和Vo2 (自变量) 与呼吸困难 (应变量) 的斜率均显著高于健康人,X轴截距显著低于健康者; (4) COPD病人的能量产生和Vo2自变量的绝对阈值显著低于健康者;(5) 2组的Ekman分数相似。

关于统计分析的思考

线性函数方程[3~7,11~14] 和幂函数方程[2,15] 都曾被用于分析运动中生理变量与呼吸困难感觉反应之间的关 系。简言之,两种方法都使一组数据与另一组数据相匹配。1992年,Killian等 [2] 报道了应用幂函数方程分析460名正常人自行车功量计运动中感觉到的呼 吸困难程度与腿用力的关系。但是图2所示的一位COPD病人数据清楚地表明,线性关系也可用来说明 这些结果。因为相关系数表示拟合优度 (goodness of fit),所以我们以线性函数和幂函数来分析受试者的生理/感知情况的关系,结果是相似的。除了VE-呼吸困难线性函数的相关性显著优于幂函数外,许多 其他研究者[3~7,11~14] 也已用线性回归分析报道了他们的数据,因此,本文以线性方程分析总结我们的研究 结果。

测试-复试的可靠性

连续法和间歇法对于老年人都有高度的时间可靠性。已有研究者证明,在复试中COPD及哮喘病人 的生理参数与呼吸困难 (间歇法测定) 的斜率有令人满意的可靠性。Harty等[6] 报道6名正常人以连续法得出这是一种“有很好重复性的测试”。我们先前 的研究发现[7], 以间歇法和连续法相隔2 ~ 3 d对健康的大学生受试者重复测定获得良好的测试-复试可靠 性。

连续法与间歇法的比较

两种方法测定运动呼吸困难的主要区别是连续法获得的评级数量显著多于间歇法。连续法的评级数 量多是一重要优势,因为以间歇法测定时,运动能力下降的病人只能提供少量的评价数据,因此,线 性函数的斜率将难以可靠地或确切地予以计算,尤其随着运动继续进行而数据点为非单一时 (评级不总增加)。我们以前报道[7] 的分别对14名健康女性和14名健康大学生的两个独立研究发现,两种方法得到 的作功-呼吸困难的斜率相似。

连续法也可计算相应于呼吸困难发作的绝对阈值,其方式与感觉精神物理学其他领域所遵循的标 准程序相似[1]。换言之,确定某受试者的阈值不需要统计学假设,因为该评级方法所得到数据是固有的。我们把阈值定义为与Borg评级表上“大于0.5 (刚能觉察到) 的第一个呼吸困难评级”所对应的生理变量[7] 。正如所有这些阈值数据是由经典精神物理学方法得到一样,由于可能选择其他终止值,这个特 殊标准便具有任意性。重要的是所有条件之间的比较应该用相同的统计学标准 [1]

COPD病人与健康人的比较

虽然COPD病人的最大运动生理变量都低于正常对照者,但他们的最高呼吸困难评级相当。先前 已有类似的发现,且降低的生理变量都归因于呼吸系统疾病患者运动能力的减弱 [12,15,16]

用间歇法和连续法得到的COPD病人的线性函数斜率都显著高于年龄相匹配的健康人。此结果与 先前的研究结果一致[12,15]。这些研究也显示呼吸系统 疾病患者的作功-呼吸困难斜率高于正常人。这些发现都证明与生理运动变量 -呼吸困难相关的线性回归斜率具有判别能力的特性。

如预期,COPD病人的能量产生和Vo2与呼吸困难的X轴截距显著低于健康老年人。此发现与Killian [13] 关于X轴截距的报道大体上一致。而且,X轴截距的 减少与绝对起始点的下降一致,表明与健康人比较,COPD病人在较低运动强度下即发生呼吸困难。 然而COPD病人VE与呼吸困难的X轴截距显著高于健 康人。与此发现一致,先前研究观察到在相同运动强度下,COPD病人的VE高于正常人,至少部分原因是死腔通气增加 [15]

绝对起点是运动试验评级呼吸困难的重要参数。如Killian等 [2] 以间歇性感觉评级为基础,推测下肢用力和呼吸困难的起点发生在“20%到40%最大能 量输出”。虽然Teramoto等[14] 将Vo2X轴的截距称为“呼吸困难阈值的负荷”,但用间歇法评级呼 吸困难不能计算得到绝对起始点[1,7],而连续法则能 直接测得一阈值,我们称之为Borg评级表上“刚能觉察到”的呼吸困难 [7]。绝对起点可能是一个新的有用指标,因为许多病人在首次感受到呼吸困难发生时就要减少运动量或停止运动。此方法的可能解释是病人总是试着把呼吸困难的程度尽量缩小化, 从而避免更多的体力活动。早先的报道中[17] 我们发现自行车功量计测试时,老年健康人的绝对起始点生理变量低于健康大学生。有待证实的是呼吸困难 绝对起始点的相关生理变量是否适用于评价各种干预治疗措施的疗效。

Ekman分数

Weber定律规定,对于所有感觉形态,被感知的JND的物理性大小的变化必须将其原始值或背景 值所增加的常数分数以产生一个可被感知的感觉体验 [1]。然而Weber分数是物理或生理变量的分数,Ekman分数是指感知的感觉 (如呼吸困难)[1]。用连续法测定呼吸困难而间歇法则不能,可以在运动过程 中测定呼吸困难的变化 (如Ekman分数)。我们的结果显示,COPD病人的Ekman分数 (33%) 与年龄匹配的健康人 (29%) 相似。有意义的是这些值高于我们先前的观察值,即14名健康女性大学生的Ekman 分数为23%,14名健康男性大学生为18%[7]。观察 到的Ekman分数差异是否真实,需要开展更大样本的研究。如是真实的,其差异是否与受试者的年龄 相关也需得到证实。

结  论

本研究扩展了我们先前的研究结果[7],即老年 人不论健康者抑或COPD病人,在运动中都能成功地使用计算机系统自发、连续地反映运动时呼吸困 难程度,而且本研究结果突出显示了连续测定法的优势。与间歇法的每分钟1次评级比较,连续法能 清晰地说明在整个运动试验过程中呼吸困难感觉是如何变化的。而每分钟评价1次的标准间歇法不能正确 反映个体呼吸困难感觉变化。

与间歇法比较,连续法的主要优点是能获得足够多的呼吸困难评级。其重要性在于众多患有严重心肺疾病的病人只能活动几分钟,所以用间歇法只得到4、5个呼吸困难评级。我们研究中许多COPD 病人发生过这种情况。从统计学角度以少量的数值点进行可靠性定量函数分析,其结果不可靠。

连续法的其他优点是,作为评级过程的一部分,可以直接确定绝对起点和Ekman分数。有可能 尽管未得到证明,但这些指标可用于临床上检验运动刺激因素下各种治疗的有效性。

(程齐俭 译;黄绍光 校)

参 考 文 献

1 Baird JC, et al. Fundamentals of scaling and psychophysics. NY: Wiley Interscience, 1978

2 Killian KJ, et al. Am Rev Respir Dis 1992; 145:1339-1345

3 Muza SR, et al. Am Rev Respir Dis 1990; 141:909-913

4 Mahler DA, et al. Am Rev Respir Dis 1991; 144:39-44

5 Mador MJ, et al. Chest 1995; 107:1590-1597

6 Harty HR, et al. Clin Sci 1993; 85:229-236

7 Mahler DA, et al. J Appl Physiol 2001; 90:2188-2196

8 American Thoracic Society. Am J Respir Crit Care Med 1995; 152:S77-S120

9 Crapo RO, et al. Am Rev Respir Dis 1981; 123:659-664

10 Borg GA. Med Sci Sports Exerc 1982; 14:377-381

11 Stark RD, et al. Br J Dis Chest 1982; 76:269-278

12 O'Donnell DE, et al. J Appl Physiol 1998; 84:2000-2009

13 Killian KJ. Chest 1985; 88:84S-90S

14 Teramoto S, et al. Chest 1992; 102:1362-1366

15 Hamilton AL, et al. Chest 1996; 110:1255-1263

16 Mahler DA, et al. In: Weisman IM, et al, eds. Clinical exercise testing. Progress in Respiratory Research, No. 32; Basel, Switzerland: Karger, 2002; 72-80

17 Mahler DA, et al. In: Jacobs LG, et al, eds. Clinics in geriatric medicine. Philadelphia, PA: Harcourt, 2003;19-33

【英文原件请参阅 CHEST 2004; 125: 77-84