●はじめに●
運動負荷試験の目的は、運動中の心臓自体の異常とその程度を把握し、どの程度の運動まで安全に行えるかを評価すること、被検者の運動耐容能、いわゆる体力を評価することです。
近年、呼気ガス分析を併用して行われる運動負荷試験(心肺運動負荷試験：cardiopulmonary exercise test;CPET)により、非観血的に求められる嫌気性代謝閾値(anaerobic threshold;AT)が、運動耐容能の指標として、さらに運動処方や治療効果の判定などに用いられ始めています。CPETは、心臓の最も重要な役割である酸素輸送の面から運動中の心ポンプ機能解析や総合運動耐容能に多くの情報を提供しますが、CPETを行うにあたって安定したデータを得るために、そして被験者の快適性と安全を確保するためには、基本的な機器、職員およびプロトコールの基準が必要です。
●被験者の準備●
診断検査の評価を最も正確にするためには被験者サイドの協力が不可欠です。検査への反応を標準化し、被験者の不安を最小にするために、検査前に説明書を渡し検査時にも口頭で説明します。検査の予約をした時点で、負荷試験の2時間前からの飲食ならびに喫煙、激しい労作を禁止し、運動に適した服装にすることを被験者に指示します。ただし、全くの空腹では血糖値が低下し、最大負荷試験を行うには危険であるとともにガス交換比(RER)にも影響がでるので注意が必要です。
被験者が薬物療法を受けている場合でも検査は通常行われるが検査前に服薬内容を把握することは重要です。たとえば、β遮断薬では運動中の心拍応答が低下し、最大心拍数は著名に減少するなど、生理学的反応が変化するため、この点を考慮に入れて検査中のモニターをする必要があります。また、検査前に運動能力を制限すると思われる末梢血管疾患、整形外科的あるいは神経学的障害の徴候や症状を発見するために問診を行います。通常の身体活動の程度が分かれば、適切なプロトコールを選択する際の助けになります。
虚血誘発のための運動負荷試験ともっとも異なる点は、試験中は異常な事態が起こらない限り被験者の発言を制限するということです。このためには試験開始前に試験の目的や方法、起こり得る症状などを知るための意志疎通の方法について具体的な説明が必要です。たとえば、虚血性心疾患患者では、胸部症状の程度を表現する表を用いたり、Borgのスケール1)(表1)を指示させることもよく行われます。負荷試験のプロトコールについての具体的な説明、すなわちエルゴメータであればwarming upからramp負荷に入り、次第にペダルが重くなることや、最後まで指示された回転数(50～60rpm)を維持するように、また、トレッドミルであれば速度と傾斜が増加することやエルゴメータと違って急に停止できないことなど、自覚的最大負荷試験終了基準などを十分納得させることが重要です。検査前の注意事項を(表2)に示します。
●ラボの環境●
検査室は、採光が十分で清潔かつ換気がよく、温度と湿度がコントロールされていなければなりません。温度、湿度は運動負荷試験の結果に影響を与え、不整脈出現は15℃以下の低温になると増加し、心拍数、血圧、酸素摂取量(VO2)などの反応も温度により異なった反応を示します2)。また、湿度が60%を越えると心血管系の反応も変化しやすくなり、高温多湿になると最大運動能力が低下します3)。よって運動負荷室の温度は20～25℃ぐらいに設定することが望ましい。
運動負荷試験は比較的安全ですが、危険のリスクは患者の背景によって異なります。男女の被検者群で、ほとんど冠動脈疾患をもたない場合、検査1万回につき0.8(0.008%)の合併症発生率が報告されています4)。これに対して悪性の心室性不整脈患者群では合併症発生率は1万回につき24(0.24%)にもなります5)。死亡率は5万回中に2例(0.004%)との報告もあります6)。したがって運動負荷試験を行う検査室においては、救急機器(表3)、緊急事態に使われる薬剤(表4)を必ず備え、確認を怠らないようにします。また、緊急時の対処法を明確にし、実行できるようトレーニングが必要です。
●機器の準備●
●負荷装置
自転車エルゴメータの特長は、負荷量の調節が容易であり定量負荷が可能で、外的負荷量が正確に定量化できるため運動強度-酸素摂取量(VO2)関係の評価が可能であること。さらに、被験者の体位変動が少ないため各種の測定が容易なことです。しかし、被験者の自由意志により負荷が中止でき、動員される筋群がトレッドミルに比し少ないため負荷が増すとペダルを回す筋力自体が必要なことから、トレッドミルに比し最大負荷をかけにくい。さらに自転車に乗れない人や高齢者では負荷をかけにくいといった欠点もあります。注意しなければならないのは、駆動モータとトルクメータを内蔵したエルゴメータを除いたほとんどのエルゴメータは30watt以下の負荷量については信頼性が乏しいうことです。また、サドルの高さは、ペダルが最下点にある状態で足がほぼ伸展位になるように調節し、その高さを記録しておきます。薬物療法や運動療法等の効果判定のために繰り返し試験を行う場合、サドルの高さが大きく異なると、運動に参加する筋群の変化で結果に影響がでることがあるからです。
トレッドミルの特長は、速度および傾斜を自由に設定できるので柔軟性のある負荷試験が可能で、被験者がよくなれた歩行運動を意志と関係なく最大負荷まで行い得ることができます。欠点としては、運動量を定量化できないこと、転倒などの危険性があることなどがあげられます。(表5)に負荷装置の比較を示します。エルゴメータとトレッドミルでは動員される筋群が異なることや、骨格筋ポンプ作用の違いから測定データが乖離することがある(最大酸素摂取量はトレッドミルよりも5～20%低い)7)ので、運動処方を目的とする場合には運動の種類を考慮することも重要です。
●負荷装置の校正
自転車エルゴメータの中で、現在最も多く用いられているのが、電磁制動型と呼ばれるものでコントローラからのアナログ出力で仕事率を簡単に設定できますが、設定した仕事率が実際に負荷されているかを検定することは困難です。最近は出力電圧による校正表が添付されているのでそれを参考にするとよいでしょう。しかし、この方法ではメカニカルロスが測定できないので、正確を期すためには自転車の軸に直結したトルクメータで測定する必要があります。
トレッドミルはベルトの長さと回転数から速度を、機械の長さと先端部分の高さから傾斜を測定します。速度と傾斜の校正はトレッドミルに被検者が乗っていない状態で行います。また、校正後に中等度の体重(75～100Kg)の被検者がトレッドミルに乗って歩行したときにも目盛りが正確であることも確認します。速度は被検者の体重に関わらず一定であることが必要です。
●プロトコールの設定
目的によってプロトコールを使い分けることはきわめて重要です。たとえばATなどを測定する際、再現性が良く解析しやすいデータを得るためには、stepごとのdurationが長いstepwise incremental testは避けるべきで、１分ないしそれより短いintervalでの仕事率の漸増が必要です8)。また、steady stateでのデータが必要であれば、運動強度が強いほど durationを長くとる必要があります。
Ramp負荷を行う場合には負荷の増量の程度、すなわちramp slopeを適切に設定する必要があります。slopeが浅くて運動時間が長すぎる場合には疲労のため最高酸素摂取量(PeakVO2)が低くなり、slopeが急峻で運動時間が短すぎると、実際の負荷量とそれに遅れて反応する生体の代謝率の差が大きくなりすぎ正確なデータが得られなくなるります。そのため運動時間が8～12分間で終了するようなプロトコールを選択することが大切です。また、ΔVO2/ΔWRはramp slopeが急峻なほど低値となります9)。当院では心疾患患者においてエルゴメータを用いた10watt/minのramp負荷、あるいはVO2が1分間に2～3ml/min/kgずつ増加するトレッドミルプログラムを使用し、健常男性では20～30watt/minのramp負荷あるいはVO2が1分間に3～4ml/min/kgずつ増加するトレッドミルプログラムを使用しています。
●呼気ガス分析器
ガス分析装置は通常大気および呼気中の酸素濃度・二酸化炭素濃度を測定する部分と、流量を測定する部分、これらを併せてVO2や二酸化炭素排出量(VCO2)、分時換気量(VE)などを出力する演算部、さらにこれらのデータに心拍数や血圧などを加えてモニター画面に表示したり、ATなどを決定するための解析部から成っています。
ガス分析器の測定モードには、breath-by-breath法とmixing chamber法があります(表6)。mixing chamber法は、ある容量のchamberに呼気ガスを採取して十分に混合し、ガス分析を行う方法で、chamber容量に対応する呼吸数の平均ガス濃度が測定されることになります9),10)。Steady stateを前提とすればmixing chamber法が価格や安定性の面で適していますが、steadyでない状態では誤差が大きくなり、測定値の信頼性はきわめて低くなります。mixing chamber法は体力測定や運動処方において、一定時間内のVO2、VCO2を知るうえでは有用でありますが、運動開始時の換気応答を見る場合にはbreath-by-breath法が必須となります。breath-by-breath法では採取されたガスがガス濃度計まで到達する時間(gas delay time)やガス濃度計の応答時間(gas response time)の補正、そして流量計の校正がきわめて重要になります(図1)。VO2やVCO2は呼気と吸気の流量にそれぞれのガス濃度を乗じ、その差から求めるため補正が数10msecずれただけでも大きな誤差を生じてしまいます。そこでガス分析装置の総合的な較正をとるためにmetabolic calibratorが使用されています。これは1000mlのシリンダーをモーターで動かし、吸気時に100mlの大気を捨てて、かわりに20%CO2・80%N2の混合ガスを100mlシリンダーの中に加えて混合し呼気とするものである。回転数すなわち呼吸数を替えることによってATPSで一回換気量:1000ml×呼吸数のVEが得られ、RERは呼吸数によらずに一定となるので便利です(図2)11)。
ガス分析によるATなどの指標を使って薬効評価や治療効果を判定するためには、総合的な誤差が10%を越えては正確な評価は難しいと考えられ、装置自体に起因する誤差は5%以内におさえるべきとされています。
●機器の装着の注意点●
心電図を正しく解釈するには、皮膚と電極の接触が適切でなければならりません。電極設置部位をアルコール綿で清浄し、油分を除き、皮膚が乾いたら剥離テープで皮膚の表層を取り去ります。電極の設置後、電極を軽くたたいて皮膚の準備が十分か確認するとよいでしょう。上肢誘導は肩甲骨の上外側端に、下肢誘導は肋骨端付近の前外側に装着し、胸部誘導V3～6の電極は通常位置に、V1～2の電極は1肋間下側に装着します。
呼気ガス分析のためにマスクあるいはマウスピースが用いられますが、これらの装着には十分な注意が必要です。特に上下の体動が激しいトレッドミルでは注意が必要です。マスクが装着されたらマスクの前を押さえ息を吐き出してもらい、呼吸が漏れないことを確認します。マスクがきつすぎると被験者が不快に感じて呼吸に影響を与え、緩すぎると漏れを生じます。この場合、VE、VO2、VCO2は過小評価されますが、RERには影響がありません。一般にマスクを装着すると肺胞換気量を維持するために一回換気量(TV)が増加します。心疾患患者や呼吸器疾患患者、著しい肥満患者などでは軽い呼吸困難感を感じる場合もあります12)。マウスピースの場合はノーズクリップを併用し、鼻からの呼吸の漏れを防ぎます。マスクよりもマウスピースの方が死腔が小さい利点があるが、マウスピースの噛み方にやや慣れを要する点、唾液が口腔内に溜まりやすいと言った欠点もあります。
●測定●
●安静時心電図
まず、標準12誘導心電図を記録してから運動負荷を行いますが、安静時心電図、心拍数、血圧を負荷前に仰臥位と立位の両方で測定します。これは負荷の禁忌(表7)となる心電図異常の有無を判断し、体位によって生じる変化を知っておくために必要です。過換気によってT波が変化するのはよく見られることで、これよりも頻度は低いですがST低下も過換気とともに生じることもあります。予備検査として過換気負荷を行うかどうかは担当医師が被験者の臨床像に基づき決定します。
●測定系の確認
準備ができたら、すぐに試験を開始せずに被験者を坐位安静とし、心電図や血圧が正確に測定されているか、体重当たりの酸素摂取量が約3.8ml/min/kg(≒1.1METS)となり、RERが0.84程度となっているか、VEが8～10L/minになっているか確認します。そうでない場合には機器の装着と校正をやり直します。
●測定中の観察●
検査中検者が話しかけると返事をしてしまう人が多いので、できればAT pointをすぎるまでは話しかけないようにします。また、検査中の被験者の様子を見過ごさないよう運動中の皮膚の色、意識レベル、運動の協調性の変化に注意し、過負荷にならないように検査をすすめます。通常、最大酸素摂取量を測定するためST変化や重篤な不整脈、血圧の異常反応などの中止理由がなければ自覚的最大負荷(Borg 19)まで行いますが、被検者の主観に大きく依存するため、終了ポイントの見極めが難しい場合があります。この場合RERが1.2に達していなければエネルギー代謝の面からは最大負荷とは言えませんので、RERが1.2に達したかどうかが終了ポイント決定の参考となります。
回復期の呼気ガスデータが必要でない場合には2～3分間のcooling downを行います。これは最大負荷試験後にしばしば見られる副交感神経緊張や静脈環流量の急激な減少による血圧低下や徐脈を防止する効果があります。症状、心電図異常および不整脈は運動終了後に生じることがしばしあるので、心拍数、血圧および心電図が基準値近くに回復するまで注意深く被験者を監視する必要があります。さらに、被験者になんらかの不安感がある場合は重要な症状が消失するまで監視を続けます。(表8)に運動負荷試験中止の基準を、(表9)におもな合併症を示します。以上、(図3)にすべての機器を装着し、準備が終了した状態を示し、検査手順を(図4)に示します。
●データ解析●
●測定中のデータ
ガス分析装置の基本的測定項目は一回換気量(TV)、呼吸数(RR)、酸素濃度、二酸化炭素濃度の4つであり、これらからVE、VO2、VCO2の基本的パラメータを計算します。さらにRER、VE/VO2、VE/VCO2、呼気終末酸素濃度(PETO2)、呼気終末二酸化炭素濃度(PETCO2)などを算出しますが、ATポイントの判断に必要不可欠なこれらのパラメータと心拍数を測定中にリアルタイムで表示することが終了ポイントを決定するためにも必要です。
●平滑化処理
負荷試験で得られたデータは、そのままではバラつきが多いため、細かいバラつきを無視し、大局的に傾向をつかむために平滑化処理が必要になります。測定データを時間軸で平滑化する時間移動平均と呼吸数で平滑化する呼吸数移動平均があり、一般的には呼吸数移動平均では移動平均幅を7～9呼吸程度、時間移動平均では10～30秒程度が用いられていますが、移動平均の幅を大きくし過ぎると、重要な変化を見落とす危険性があるため、生データのばらつきの程度によりなるべく小さな平滑化を行います。
●AT解析
Ramp負荷中のVO2は直線的に増加します。一方、VCO2、VEは低強度の運動では直線的に増加しますが、高強度の運動になると非直線的な変化を示します。運動強度がATを越えると乳酸生成が増加し、それが細胞内で緩衝されるときに遊離するCO2によりVCO2の増加する割合がより大きくなるためです。運動強度がATを越えた直後はVEはVCO2と平行して増加するので、VE/VO2、PETO2は増加するが、全身的な代謝性アシドーシス状態が進行していないのでCO2に対する過換気は生じずVE/VCO2とPETCO2は変化しません9),13)。運動強度がさらに増加するとアシドーシスに対する代償的過換気(血中pHの減少に頚動脈小体が反応)が発生し、VEはVCO2の上昇を上回って増加します。この非呼吸性乳酸性アシドーシスに対する呼吸性の代償により、VE/VO2はさらに増加しVE/VCO2は増加し始め、PETCO2は減少します。ATからこの点までをisocapnic bufferingと呼び、過換気の始まるこの点をRC(respiratory compensation)pointと呼びます14)。このようにAT前後では特徴的なガス交換の変化が生じるため、上記の各パラメータからATを決定することが可能になります(表10)。
PeakVO2(最高酸素摂取量)は漸増運動負荷試験において得られた最大の酸素摂取量で、すべての試験において簡単に得られる指標ですが、検者や被検者の主観に大きく依存するため客観的な指標とは言い難い。一方、VO2max(最大酸素摂取量)は『負荷量の増加にも関わらずVO2がもはや増加しなくなった時点のVO2』と定義され、PeakVO2と異なり客観的で生理学的意義のある指標で利用価値は大きいのですが、疾患を有する患者ではVO2maxが得られる最大負荷を行うことは困難な場合が多い。この二つの指標を扱う場合は、その意義を十分に理解し注意する必要があります。
終わりに
CPXは今までの運動負荷試験に比して飛躍的に多くの情報が得られ、これを行うことにより、運動耐容能を呼吸－循環－代謝の面から総合的に評価できるようになりました。そこから得られたATをはじめとする指標は、臨床面でも各病態の運動生理学的な解析手段として、また運動療法の基準や治療効果判定など、多方面に利用されるようになりました。しかし、呼気ガス分析の方法自体は不安定な要素が多く、正確なデータを得るためには機器の精度管理や負荷試験の方法に十分気を配る必要があります。
参考文献
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10)谷口興一:心肺運動負荷テスト.1章総説,南江堂,1～52,1993.
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13).Wasserman,K.,et al.:Anaerobic threshold and respiratory gas exchange during exercise.J.Appl.Physiol.,35:236～243,1973.
14).Wasserman,K.,et al:Effect of carotid body resection on ventilatory and acid-base control during exercise J.Appl.A.Physiol.,39:354～358,1975.