专门的躯干活动锻炼对开胸手术患者心肺功能的治疗效果：一项单盲随机对照试验

《Medical Care》：Therapeutic effectiveness of specialized core mobilization exercise on cardiopulmonary function in open-heart surgery patients: A randomized control trial with single-blind study

　　摘要
背景：本研究旨在比较传统心肺物理治疗（CCPT）与专用核心运动（SCME）对开胸手术后患者心肺功能及功能障碍的影响。

方法：这是一项随机对照、单盲研究，采用重复测量方差分析方法来考察多个术后评估点上的时间效应和组间交互效应。当发现显著效应时，进行了事后Tukey检验。研究于2022年6月至2023年7月在明知医院心脏康复中心进行，共纳入37名患者（平均年龄66.1±11.4岁），他们被随机分配到CCPT组或SCME组。

结果：与CCPT相比，SCME在峰值氧耗量、代谢当量、用力肺活量、1秒用力呼气容积（FEV1）和最大自主通气量（P<0.05）以及功能障碍问卷得分（P<0.01）方面表现出更显著的改善。

结论：与CCPT相比，SCME对开胸手术患者的峰值氧耗量、选定的肺功能参数和功能性胸部活动度具有更好的改善效果。

1. 引言
开胸手术是一种常见手术，需要切开胸骨并扩大胸廓以进行冠状动脉旁路移植术（CABG）和瓣膜置换。[1] 高达80%的开胸手术后患者在前3天内会出现心肺功能下降（包括肺容量和氧合水平）。这导致用力肺活量（FVC）和1秒用力呼气容积（FEV1）比术前值减少40%至60%，[2] 并伴随肌肉骨骼损伤，如疼痛、无力和胸廓活动受限。[3] 肌肉骨骼问题，尤其是疼痛、无力和胸廓运动受限，可能导致开胸手术后出现矛盾性膈肌呼吸，从而影响心肺功能、分泌物积聚和气体交换的改善。此外，心肺功能的下降限制了患者的峰值氧耗量（VO2 peak），形成恶性循环。[4]

为了缓解这些术后问题，现有的心肺康复方法主要包括静态呼吸练习，但其效果有限。Brasher等人报告称，在开胸手术后患者中，步行练习组与结合膈肌呼吸练习组在术后并发症、肺功能、住院时间和氧饱和度方面没有临床意义上的差异。[5] Valenza-Demet等人证明，核心链式呼吸有助于改善胸部和胸廓的活动度，减轻开胸手术后常见的胸部（例如胸大肌、上斜方肌）和胸廓（例如肋间肌、膈肌）肌肉的疼痛相关无力。[6] 基于现有证据并克服现有方法的局限性，我们开发了一种专用核心运动（SCME），该运动结合了协调的胸部-胸廓核心运动、皮下膈肌呼吸以及横向腹肌-EO/IO-多裂肌-盆底肌肉的协同作用。这种专门设计的运动旨在增强胸部和胸廓的活动度，同时缓解由疼痛引起的肌肉无力，从而改善开胸手术患者的心肺功能、握力及功能性胸部活动度。[7] 最近的研究表明，SCME对神经肌肉系统和肌肉骨骼系统损伤患者的疼痛、肌肉无力及活动受限具有良好的治疗效果。[8] 然而，SCME在开胸手术患者中的疗效尚不清楚。因此，本研究旨在比较SCME与传统心肺物理治疗（CCPT）对开胸手术后患者心肺功能、握力和功能性胸部活动度的不同影响。我们假设SCME在改善心肺功能和功能结果方面优于CCPT。

2. 方法
2.1 参与者
在一家医疗机构中，共有71名符合条件接受CABG、瓣膜手术、主动脉手术或联合手术的患者，其中44名参与了这项注册的临床试验（#KCT0008658）。所有参与者均提供了书面知情同意书。试验方案获得了明知医院伦理委员会的批准（批准编号2022-05-011）。纳入标准包括CABG、瓣膜手术、主动脉手术或联合手术。排除标准包括：血流动力学参数不稳定（收缩压<100 mm Hg、舒张压<60 mm Hg、平均动脉压<80 mm Hg），以及术后需要侵入性机械通气或非侵入性通气超过24小时的并发症；认知障碍、不配合的行为；术后第一天肺功能测试（PFT）中FVC<10 mL/kg。研究参与者的 demographic 和临床特征见表1。

表1 - 患者的 demographic 和临床特征（N=37）
参数 CCPT组（n=21） SCME组（n=16）
性别（男/女） 13/8 15/1
年龄（岁） 70.3±11.1 60.6±10.2
身高（cm） 162.9±9.3 168.0±8.3
体重（kg） 68.9±14.9 72.9±13.3
诊断 稳定型心绞痛 1 0
不稳定型心绞痛 6 4
NSTEMI 3 3
STEMI 2 3
心力衰竭 1 1
主动脉狭窄 4 2
二尖瓣狭窄 1 0
主动脉反流 1 1
主动脉瘤 0 1
二尖瓣反流 0 2
心腔内粘液瘤 0 1
胸腔积液 5 0
心脏恶性肿瘤 2 0
主要介入治疗 CABG 13 9
瓣膜置换 7 5
主动脉置换 0 1
粘液瘤切除 0 1
左心房肿块切除 1 0
既往病史 高血压 13 6
糖尿病 5 4
高脂血症 7 6
无 7 5
吸烟史（包括既往吸烟者） 9 11
吸烟年限 9.3±15.3 21.4±16.3
每天吸烟支数 7.2±12.1 11.9±9.6

数据以平均值±标准差表示，除非另有说明。
CABG = 冠状动脉旁路移植术；CCPT = 传统心肺物理治疗；DM = 糖尿病；HTN = 高血压；LA = 左心房；NSTEMI = 非ST段抬高型心肌梗死；SCME = 专用核心运动；STEMI = ST段抬高型心肌梗死。

2.2 实验程序
本研究采用实验者发起的、前瞻性的、随机化的、单盲的临床试验设计。参与者被随机分配到CCPT组和SCME组（由心脏康复护士通过抛硬币决定）。标准化临床测试包括心肺运动测试（CPET）、肺功能测试（PFT）、握力测试和功能障碍问卷（FDQ）。CPET、握力测试和FDQ由心脏康复护士进行，而PFT则由经验丰富的心脏康复治疗师执行，治疗师对患者的组别不知情。
**术前第1天**：由于过度负荷心肺功能可能导致心力衰竭风险较高，仅进行PFT。
**术后第1天**：进行PFT、握力测试和FDQ。
**术后第3天**：使用5至15瓦特的坡度进行CPET。因需要经皮导管引流和静脉注射药物，未进行跑步机评估。
**术后第7天**：再次进行PFT、握力测试和FDQ。
**术后1个月**：在康复一个月后进行CPET（图1）。

图1. 临床测试时间线：横线表示从术前到出院的时间过程，白色方框表示评估时间点。
CCPT = 传统心肺物理治疗；CPET = 心肺运动测试；DC = 出院；FDQ = 功能障碍问卷；GW = 普通病房；ICU = 重症监护室；OP = 手术；PFT = 肺功能测试；R1 = 康复第1天；SCME = 专用核心运动。

2.3 临床测试
2.3.1 CPET
CPET用于评估峰值氧耗量（VO2 peak）、代谢当量（METs）、每分钟通气量/二氧化碳产生量（VE/VCO2）、氧耗量/心率（VO2/HR）、心率储备（HRR）和1分钟内的心率恢复（HRR1min；见补充材料1）。CPET使用可编程腿部测力计、标准12导联心电图监测仪（CASE T2100，GE Healthcare）和Quark气体分析系统（COSMED Omnia 1.6.7）进行。CPET的可靠性、有效性和具体标准化程序已有充分文献记录。[10]

2.3.2 PFT
PFT（COSMED Pony FX，Omnia 1.6.7）用于评估肺、胸壁、呼吸肌和气道的机械功能，通过测量FVC、FEV1和最大自主通气量（MVV）来实现。测试遵循美国胸科学会/欧洲呼吸学会的指南。[11] 在12至15秒连续时间内达到的最大通气量以L/min为单位表示。与CPET类似，PFT的可靠性、有效性和具体标准化程序也得到了充分验证。[12]

2.3.3 握力测试
握力测试通过测量手在握力计上施加的静力来评估。60至70岁男性的正常力范围为37.3至39.7 kg，女性为22.8至24.2 kg。[13] 这种评估方法的可靠性和有效性已在多项研究中得到证实。[14]

2.3.4 FDQ
FDQ用于评估心胸手术后上肢和躯干的功能表现。问卷包含13个与日常生活相关的项目，涉及胸部区域的运动（见补充材料2）。FDQ具有出色的内部一致性（Cronbach alpha系数=0.971）和重测可靠性（组内相关系数=0.918）。[15]

2.4 干预
CCPT和SCME干预每天进行两次，每次60分钟，共5天（共计10次）。CCPT包括40分钟的有氧运动（30分钟运动+10分钟休息和冷身）和20分钟的膈肌呼吸练习；SCME则包括40分钟的有氧运动（30分钟运动+10分钟休息和冷身）以及20分钟的SCME练习。干预强度和剂量如下：
**术后第1至2天**：有氧运动的强度设置为感知用力13级，以确保患者安全。
**术后第3至5天**：根据基线CPET数据，将有氧运动的强度调整为VO2 peak的40%至60%。建立了5分钟的坐姿热身和冷身程序，包括简单的手臂和腿部抬升动作。
有氧运动的安全性在心脏康复专家的密切监督下进行，同时监测心电图和氧饱和度。运动强度逐步调整，以达到CPET结果中确定的次最大心率（相当于VO2 peak的40%至60%）。在整个过程中，患者会得到监控和口头鼓励，以达成预定的治疗目标。

2.4.1 CCPT
CCPT干预包括额外的20分钟膈肌呼吸练习（见补充材料3）。练习采用半卧位，背部和头部得到适当支撑，以帮助腹部肌肉放松。一只手放在前肋缘下方以监测腹直肌的运动，另一只手放在上胸部。指导患者通过鼻子缓慢深吸气，屏住呼吸3秒，然后通过嘴巴缓慢呼气。每次练习包含3组5次深呼吸，共4次。练习间隔期间建议患者保持正常的呼吸模式。

2.4.2 SCME
SCME干预包括额外的20分钟SCME练习（见补充材料4）。每次练习包含5个动作，每个动作重复10次。在以下情况下中断练习：手术区域剧烈疼痛、ECG异常需要停止练习、血压过高或过低（收缩压>200 mm Hg和/或舒张压>120 mm Hg或<90 mm Hg）、氧饱和度<85%，或患者拒绝参与。

2.5 统计分析
数据分析使用SPSS 25.0版本（IBM公司）进行。描述性统计数据以平均值±标准差表示。使用Kolmogorov–Smirnov检验评估数据分布的正态性。使用独立t检验比较组间的基线 demographic 和临床特征。针对每个结果变量，分别进行双向重复测量方差分析（ANOVA），以考察时间、组别及其交互作用（时间×组别）的影响。对于PFT变量（FVC、FEV1、MVV），进行了3（时间：术前、术后第1天、术后第7天）× 2（组别：CCPT、SCME）的重复测量ANOVA。对于CPET变量，进行了2（时间：术后第3天，1个月随访）× 2（组别）的重复测量方差分析（ANOVA）。握力强度和FDQ评分则使用了2（时间：术后第1天，术后第7天）× 2（组别）的重复测量ANOVA进行分析。当识别出显著的交互作用效应时，使用了Bonferroni校正进行了事后成对比较。部分eta平方（ηp2）被计算作为效应大小的度量。Mauchly检验用于评估球形性假设，当检测到违反时应用了Greenhouse–Geisser校正。统计显著性设定为P < .05。由于部分参与者术后过早出院和医疗不稳定，分析是按协议进行的。

3. 结果
3.1. 人口统计和临床数据
共有4名来自CCPT组，9名来自SCME组的患者因退出研究、出现医疗并发症（头晕、呼吸急促、静息收缩压<80、即使使用便携式氧气罐氧气饱和度<85%）而被排除。最终共有37名参与者（CCPT组21名，SCME组16名）纳入统计分析（图2）。独立t检验显示在男性性别、年龄、身高、吸烟年限、每日吸烟量及体重方面没有显著差异。Kolmogorov–Smirnov检验证实了所有变量的正态性假设。
图2：参与者流程图。该图展示了各组的随机分配、测试点及退出率（CCPT和SCME）。

3.2. CPET结果
观察到VO2峰值（P < .001，ηp2 = 0.60）、VO2/HR（P = .003，ηp2 = 0.22）、VE/VCO2斜率（P = .002，ηp2 = 0.24）、METs（P < .001，ηp2 = 0.65）、HRR（P = .007，ηp2 = 0.19）和HRR1min（P < .001，ηp2 = 0.98）存在显著的时间效应。VO2峰值也存在显著的时间×组别交互作用效应（P = .018，ηp2 = 0.15），表明SCME组的改善幅度大于CCPT组。SCME组从术后第3天的896.0 ± 199.8 mL/min增加到1个月后的1291.1 ± 345.1 mL/min，而CCPT组从718.1 ± 336.8 mL/min增加到936.0 ± 303.2 mL/min。同样，METs也显示出显著的时间×组别交互作用（P = .022，ηp2 = 0.14）。VO2/HR（P = .897）、VE/VCO2斜率（P = .113）、HRR（P = .104）或HRR1min（P = .078；表2）未发现显著交互作用效应。
表2 - CCPT组和SCME组之间CPET变量比较
| | CCPT（平均值±标准差） | SCME（平均值±标准差） | P值 | 术后（第3天） | 术后（1个月） | 术后（第3天） | 术后（1个月） | 时间效应 | 时间×组别 | 组间比较 |
|------------|--------------|--------------|-----------------|--------------|--------------|--------------|--------------|---------------|----------------|-------------------|
| VO2峰值（mL/min） | 718.1 ± 336.8 | 936.0 ± 303.2 | .000**ηp2 = 0.60 | .018*ηp2 = 0.15 | .036*ηp2 = 0.12 | | | |
| VO2/HR（mL/min） | 7.4 ± 3.0 | 9.1 ± 2.4 | 9.3 ± 2.0 | 10.6 ± 1.8 | .003**ηp2 = 0.22 | .897 | .077 | |
| VE/VCO2斜率 | 38.0 ± 6.2 | 36.3 ± 6.6 | 38.3 ± 5.4 | 30.6 ± 6.5 | .002**ηp2 = 0.24 | .113 | .057 | |
| METs | 3.0 ± 1.4 | 4.2 ± 1.3 | 3.4 ± 1.0 | 5.2 ± 1.4 | .000**ηp2 = 0.65 | .022*ηp2 = 0.14 | | |
| HRR（bpm） | 53.3 ± 17.2 | 45.4 ± 21.3 | 64.6 ± 14.7 | 35.4 ± 23.4 | .007**ηp2 = 0.19 | .104 | |
| HRR1min（bpm） | 6.9 ± 6.2 | 11.0 ± 6.5 | 5.3 ± 3.5 | 12.6 ± 8.3 | .000**ηp2 = 0.98 | .078 | .993 |

3.3. PFT结果
观察到FVC（P < .001，ηp2 = 0.62）、FEV1（P < .001，ηp2 = 0.57）和MVV（P < .001，ηp2 = 0.37）存在显著的时间效应。FVC（P = .002，ηp2 = 0.18）、FEV1（P = .001，ηp2 = 0.12）和MVV（P < .001，ηp2 = 0.16）也存在显著的时间×组别交互作用效应，显示SCME组的恢复更好。SCME组从术后第1天到术后第7天的改善明显（FVC：2.0 ± 0.8 L增加到2.8 ± 0.9 L；FEV1：1.5 ± 0.5 L增加到2.0 ± 0.6 L；MVV：67.6 ± 21.4 L/min增加到86.9 ± 26.4 L/min），而CCPT组的改善较为温和（FVC：1.7 ± 0.6 L增加到1.8 ± 0.7 L；FEV1：1.3 ± 0.5 L增加到1.3 ± 0.5 L；MVV：48.0 ± 18.9 L/min增加到47.8 ± 21.7 L/min）。FEV1/FVC比率未发现显著交互作用效应（P = .455；表3）。

3.4. 握力强度结果
未检测到握力强度的时间效应（P = .485）或时间×组别交互作用效应（P = .129）。然而，观察到组间差异显著（P = .049，ηp2 = 0.28），表明SCME组的握力强度整体更高（表4）。

3.5. FDQ结果
FDQ评分存在显著的时间效应（P < .001，ηp2 = 0.81）和时间×组别交互作用效应（P < .001，ηp2 = 0.30）。SCME组从术后第1天的57.5 ± 18.4分显著增加到术后第7天的23.6 ± 14.3分，而CCPT组从56.3 ± 20.6分增加到39.7 ± 14.7分（表4）。

4. 讨论
据我们所知，这项随机对照试验是首个研究SCME和CCPT对急性开胸手术后个体的心肺功能、握力强度和功能性运动障碍的不同治疗效果的试验。正如预期的那样，SCME在选定的心肺参数上显示出比CCPT更大的改善，尤其是在VO2峰值和肺功能指标上。SCME与胸部运动的更大改善相关，这可能反映了与疼痛相关的运动限制的减少。CPET分析显示，SCME在氧气吸收方面比CCPT更有效（VO2峰值提高了82%，效应大小为0.12，属于中等效应）。SCME涉及胸部-肋骨的同步运动、皮下膈肌呼吸以及横膈肌、外侧及内侧斜肌、多裂肌和盆底肌肉之间的协调。最初，患者由于胸骨处的手术疼痛、胸腔引流部位（腋前线第四或第五肋间隙）以及相关的矛盾呼吸而面临呼吸困难，这导致心肺功能下降，表现为氧饱和度降低、呼吸急促、头晕和发绀以及心率增加。与CCPT相比，SCME显著缓解了这些症状。这与早期研究结果一致。Hirschhorn等人观察到，结合深呼吸运动和肢体/胸椎活动范围的练习比标准干预措施有显著更高的氧气吸收率（P = .012）。Manzano等人发现，胸部物理治疗练习（在患者呼气时对胸壁施加手动压力）显著提高了氧合血红蛋白饱和度（P = .02）。

在这一过程中可能的生理机制涉及膈肌的向下运动，它扩张胸腔并降低内部压力，从而促进空气进入肺部。肺部的自然弹性使其与胸膜一起收缩，产生负压，有助于肺部膨胀。膈肌功能减弱会限制可用空间，阻碍空气吸入并增加肺炎的风险。SCME组和CCPT组之间的VO2/HR、VE/VCO2斜率、HRR和HRR1min值没有差异。然而，这些变量的敏感性通常低于VO2峰值。Fick方程建立了VO2、HR、SV和avO2差值之间的关系。在递增运动过程中，avO2差值相对稳定，氧脉搏（VO2/HR）可以作为SV的指标。VO2/HR（mL/min）的增加表明心室效率的提高。尽管SCME比CCPT有更多的运动，但这并没有导致一周运动后的SV发生显著变化。VE/VCO2斜率数据的改善表明呼吸效率的提高。根据Michaelides等人的研究，胸腔积液的排出减少了生理死腔。在本研究中，SCME引起的有效膈肌运动和周围肌肉的协调减少了通气-灌注不匹配。在VE/VCO2斜率高于34的患者中，SCME组有10名（62.5%）和CCPT组有4名（19.0%）的斜率值降至34以下。尽管描述性趋势表明SCME组的心率反应有所改善，但没有观察到统计学上的显著交互作用。正确的膈肌呼吸练习通过减少交感神经系统活动和增强压力反射敏感性来增强自主神经系统功能。在SCME组中，16名中有6名（37.5%）的心率反应从<14次/分钟变为>14次/分钟，而在CCPT组中，21名中有6名（28.6%）出现了这种变化。这表明SCME增强了自主调节，归因于缓慢且连续的呼吸，激活了副交感神经系统，使心率稳定。SCME在FVC、FEV1和MVV方面的改善效果优于CCPT，这一效果在术后第1天到第7天都有明显体现。事后分析结果显示：术后第1天 < 术后第7天 < 术前。呼吸量的减少可以由细胞外液积聚和血管体积增加导致的肺顺应性下降以及细胞塌陷解释。胸部运动的失调和减少导致了这些限制性变化。呼吸功能与呼吸肌和周围肌肉之间的协调密切相关，膈肌和周围肌肉协调不佳会降低呼吸功能。开胸手术后的肺部机械变化、功能残余容量下降以及表面活性物质生成的变化也会导致这些问题。这些因素加上运动不足，导致不规则的呼吸模式，无法充分利用肺容量。SCME通过选择性激活膈肌和相关呼吸肌肉，促进了呼吸和运动的协调，从而改善了受损肺部的膨胀。相比之下，CCPT仅在治疗师的指导下进行静态操作，没有考虑呼吸时周围肌肉的协调。握力测试显示两组在运动前后没有显著差异。尽管经过1周的锻炼后有明显的有氧能力改善，但外周肌肉力量的提高甚微，表明锻炼时间不足以带来显著效果。FDQ调查评估了心胸手术后上肢和躯干的机能表现，显示SCME有显著效果。大约49%的患者在休息时感到剧烈疼痛，78%在咳嗽时感到疼痛，62%在运动时感到疼痛。FDQ是评估胸部区域功能性结果的有效指标，表明SCME对开胸手术后胸部和上肢活动能力有积极影响。

4.1. 研究局限性
本研究存在一些局限性，未来研究时应予以考虑。首先，不同的手术方法（瓣膜手术与CABG手术）可能会影响结果，因为瓣膜手术中可能出现意外的肺水肿。尽管如此，随机抽样和基线数据比较确保了组间的同质性。其次，高风险的手术导致较高的退出率（CCPT组12.5%，SCME组20%），这降低了样本量和类型1错误。不过，最初的过度抽样减轻了这一担忧。第三，不同的胸腔引流管拔除时间可能会影响住院期间的心肺功能和恢复速度。Guizilini等人报告称，在侧胸管插入的患者中，手术后肺活量（FVC）下降了44.87%。[28] 这表明胸管的插入会影响患者的呼吸功能。然而，在进行呼吸功能评估时，这一情况是无法控制的。此外，相对较小的样本量可能限制了检测某些基于CPET指标的交互作用的能力。

4.2. 临床意义
本研究证明了SCME在急性心脏手术术后恢复心肺功能和功能性运动障碍方面的有效性。与传统治疗方法相比，SCME显著提升了患者的峰值摄氧量（VO2 peak）、代谢当量（METs）、肺容量以及胸廓的功能活动度。这代表了物理治疗领域的一项重大进展，强调了呼吸肌与外周肌肉之间的协调作用，并超越了现有的CCPT方法。因此，我们的发现对于接受心脏手术患者的心肺康复具有重要的临床意义。

作者贡献：
概念构思：Jeong Jae Lee
数据整理：Jeong Jae Lee
数据分析：Jeong Jae Lee
研究实施：Jeong Jae Lee
项目管理：Jeong Jae Lee
验证：Jeong Jae Lee
初稿撰写：Jeong Jae Lee
方法学设计：Joshua (Sung) H. You
研究指导：Joshua (Sung) H. You
审稿与编辑：Joshua (Sung) H. You