更為強化心肺代謝等整體功能的心肺運動試驗新9圖圖解*

孫興國

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點實驗室, ， 北京 100037）

更為強化心肺代謝等整體功能的心肺運動試驗新9圖圖解*

孫興國△

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 國家心血管病中心阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點實驗室, ， 北京 100037）

目的：自1987年Wasserman教授開始用3行×3列9圖展示心肺運動試驗（CPET）數(shù)據(jù)以來，雖幾經(jīng)修改和添加，仍有不少重要指標(biāo)尚未圖示。新9圖擬顯示更多指標(biāo)數(shù)據(jù)。方法：正常志愿者和患者首先完成靜息狀態(tài)肺功能檢查、癥狀限制性最大極限CPET，連續(xù)測定12導(dǎo)聯(lián)心電圖、無創(chuàng)袖帶血壓、氧飽和度，以100 Hz測定氣流并采集氣樣連續(xù)作氧氣和二氧化碳測定并計算得出每次呼吸的數(shù)據(jù)，經(jīng)每秒數(shù)據(jù)分切技術(shù)處理后再計算各指標(biāo)的10 s和30 s平均值進行圖示。結(jié)果： 新9圖中的第①～⑦圖均以時間為“X”軸，分別以攝氧量、二氧化碳排出量、 功率、心率、收縮壓、舒張壓、心率收縮壓乘積、分鐘通氣量，呼吸交換比、二氧化碳通氣效率、 攝氧通氣效率、氧脈搏、V5導(dǎo)聯(lián)ST段水平和V5導(dǎo)聯(lián)ST段斜率、潮氣量、呼吸頻率、呼氣末氧分壓、呼氣末二氧化碳分壓和血氧飽和度18個指標(biāo)，以及動脈氧分壓、動脈氧飽和度和動脈二氧化碳分壓3個血氣指標(biāo)為“Y”軸。各圖均有3條縱行虛線，自左至右依次代表靜息、熱身、功率遞增運動和恢復(fù)期的分割線。此外，第①、③圖中水平虛線分別代表最大攝氧量預(yù)計值（紅色）、攝氧通氣效率平臺預(yù)計值(紅色) 和二氧化碳通氣效率最低值的預(yù)計值（藍色）。第⑧圖以心率和二氧化碳排出量(Y)對攝氧量（X）作圖，“+”表示攝氧量和心率最大預(yù)計值的交點。第⑨圖以潮氣量(Y)對每分通氣量（X）作圖，縱行虛線為實測最大通氣量，2條水平虛線分別為深吸氣量和肺活量。結(jié)論：新9圖可顯示更多循環(huán)、呼吸、代謝等功能指標(biāo)，特別是更突出展示循環(huán)相關(guān)功能指標(biāo)，更有利于CPET的臨床應(yīng)用和健康管理。

心肺運動試驗；新9圖；心功能；肺功能；代謝功能；整體整合功能

作為目前唯一的客觀、定量、連續(xù)、可重復(fù)、無創(chuàng)檢測人體心、肺、代謝及其調(diào)控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等整體功能狀態(tài)的臨床檢測方法——心肺運動試驗(cardiopulmonary exercise testing，CPET)在臨床醫(yī)學(xué)實踐中具有廣泛的應(yīng)用前景[1-6]。近年來一直強調(diào)，存在于肺臟外呼吸和細胞內(nèi)呼吸之間的血液循環(huán)系統(tǒng)將二者耦聯(lián)起來[2]，因此要從整體整合生理學(xué)醫(yī)學(xué)新理論基礎(chǔ)上解讀人體整體功能[3,4]，就使得CPET在心血管病診療中越顯重要[1,6-11]。要正確解讀CPET數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對人體各種疾病診治康（復(fù)）預(yù)（測）的臨床用途，就必須同時展示以心肺代謝為核心的各種功能指標(biāo)從靜息狀態(tài)到最大極限運動再到恢復(fù)狀態(tài)的動態(tài)變化過程[1，9-10]。

1987年，Wasserman[12]在首版CPET教科書中，使用3行×3列格式的9圖展示運動中隨著負荷功率（以功率W為X軸）的遞增，分鐘通氣量（）、心率（HR）、氧脈搏（即每搏攝氧量，O2-pulse=）、攝氧量（）、二氧化碳排出量（）、的比值（）的比值（）、氣體交換比值（RER=）、潮氣末氧氣和二氧化碳分壓（PETO2、PETCO2），以及動脈血氧分壓（PaO2）、二氧化碳分壓（PaCO2）和動脈血氧飽和度（SaO）分別作為為Y軸的連續(xù)動態(tài)變化；以及和潮氣量（VT）對等指標(biāo)的相對變化。在此后的三次再版中一直保持不變[13-15]。我們在研究論文中，以時間為X軸展示上述9圖各個指標(biāo)的動態(tài)變化，分別在Circulation、JACC、Chest等雜志發(fā)表[16-18]。在2011年第五版CPET教科書時以時間為X軸，雖然調(diào)整部分圖示的位置，增加了收縮壓，但CPET檢測的很多傳統(tǒng)心血管功能隨時間的動態(tài)變化仍然未展示出來，如動脈舒張壓、心率收縮壓乘積、心電圖信息等，甚至VT和呼吸頻率等呼吸基本指標(biāo)沒有展示出來。

近年來，我們首次報道了正常人群攝氧通氣效率（oxygen uptake efficiency，OUE，即）和其平臺（oygen uptake efficiency plateau，OUEP）及最低值等指標(biāo)隨著性別、年齡、身高、體質(zhì)量等的變化規(guī)律，正常值計算[19,20]，慢性心衰（chronic heart failure， CHF）患者OUEP和的改變特點、臨床特征、最佳預(yù)后預(yù)測價值，而傳統(tǒng)血流動力學(xué)、超聲影像等心血管功能指標(biāo)均未達到顯著性水平[9,17,18]。最近，我們進一步在正常人運動過程中連續(xù)動態(tài)從動脈取血，同時記錄氣體交換指標(biāo)，以探討OUEP應(yīng)用的生理學(xué)基礎(chǔ)機制[21]，并初步報道使用OUEP結(jié)合CPET指標(biāo)指導(dǎo)CHF終末期病人優(yōu)化管理和心臟移植選擇[22,23]，取得發(fā)稿時所有病人在隨訪期間全部存活的優(yōu)異結(jié)果，值得在進一步深入研究的基礎(chǔ)上擴大應(yīng)用。

國內(nèi)開展CPET研究已多年，但由于種種原因，多數(shù)醫(yī)院僅簡單服務(wù)于臨床，質(zhì)量控制有限，更未對CPET數(shù)據(jù)指標(biāo)圖形開展深入研究。本文作者回國后重點推廣CPET在心血管病學(xué)臨床診療中的應(yīng)用，本文計劃通過分析人體運動期間血液循環(huán)、呼吸和代謝等多系統(tǒng)功能的連續(xù)動態(tài)整體整合變化，探討如何提高CPET數(shù)據(jù)信息圖形展示以指導(dǎo)臨床應(yīng)用，特別是如何更好地為心血管病臨床診療提供客觀定量的科學(xué)依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

根據(jù)國家心血管病中心阜外醫(yī)院立項委員會的批準(zhǔn)（2013-ZX29），選取無任何診斷疾病的正常志愿者及在本院就診的心血管病患者作為受試者。簽署知情同意書后，分別完成癥狀限制性最大極限CPET。

1.2 呼吸氣體交換測定和系統(tǒng)標(biāo)定

每次必須先行通過系統(tǒng)自身氣流、O2和CO2的分別標(biāo)定后，每天再通過代謝模擬器（MedGraphics和VacuMed公司生產(chǎn)）的標(biāo)定，方可進行呼吸氣體交換測定的整體系統(tǒng)試驗[7,8,24,25]。

1.3 CPET方案

首先完成靜息狀態(tài)肺功能檢查、12導(dǎo)聯(lián)心電圖、無創(chuàng)袖帶血壓測定和無創(chuàng)脈搏氧飽和度測定。CPET測定按照Harbor-UCLA醫(yī)學(xué)中心連續(xù)遞增功率方式進行[1,7,8,16-24]：靜息狀態(tài)3 min；在自行車功率計上(蹬車速率60 r/min)無功率熱身3 min；根據(jù)對受試者功能狀態(tài)的估計，預(yù)設(shè)功率遞增速率（10～30 W/ min），使之在6～10 min完成癥狀限制性最大極限CPET；恢復(fù)期≥5 min。

1.4 呼吸和氣體交換測定

受試者經(jīng)咬口器連接氣流計，氣流計處理氣體樣本經(jīng)微量泵輸送到O2和CO2測定裝置分析測定。氣流和氣體連續(xù)測定的采氣頻率為100 Hz，矯正采樣和儀器分析延遲后計算出每次呼吸的潮氣量、呼吸頻率、分鐘通氣量(BTPS)、攝氧量（）(STPD)和二氧化碳排出量(STPD)[1,7-8]等指標(biāo)。

1.5 各種指標(biāo)的計算和測定

根據(jù)上述氣體分析結(jié)果，心電圖的心率和ST-T分析、動脈收縮壓、動脈舒張壓、心率收縮壓乘積、動脈血氧飽和度等指標(biāo)，按照標(biāo)準(zhǔn)方法進行分析計算。

1.6 CPET數(shù)據(jù)分析處理和9圖顯示

CPET完成后導(dǎo)出每次呼吸數(shù)據(jù)，先經(jīng)每秒分切，再用10 s和30 s（為了與動脈取血時間一一對應(yīng)）平均數(shù)據(jù)制圖，并進行結(jié)果分析[8,16,18]。所有圖形使用Origin 8.0或者Sigma Plot 7.0專業(yè)制圖軟件分析和制作完成。

2 結(jié)果

2.1 CPET數(shù)據(jù)的新9圖概況

2.1.1 CPET數(shù)據(jù)新9圖展示 圖1為一位健康志愿者，CPET測定期間帶有肱動脈導(dǎo)管植入，在每個功能狀態(tài)及運動中每2 min取血作血氣分析，新9圖顯示為基本正常的CPET數(shù)據(jù)（30 s平均值，與動脈取血時間相對應(yīng)）。圖2為一位嚴重心力衰竭患者的完全無創(chuàng)（未做動脈血氣測定）的嚴重循環(huán)受限型CPET數(shù)據(jù)（10 s）（圖1見彩圖頁XV，圖2見彩圖頁XVI）。

2.1.2 CPET數(shù)據(jù)新9圖簡介 新9圖的圖①～⑦的均以時間（Time）為橫坐標(biāo)（X軸），刻度單位min，每3 min標(biāo)示時間數(shù)值。圖①～⑦都有3條與X軸垂直相交的縱行虛線（紅色），依次代表靜息、熱身、功率遞增運動和恢復(fù)期的分割線。圖①～⑦的Y軸分別是18個無創(chuàng)測定指標(biāo)及3個有創(chuàng)動脈血氣分析指標(biāo)。

新9圖中的第⑧圖，以心率和二氧化碳排出量(Y)對攝氧量（X）作圖；以“+”表示攝氧量和心率最大預(yù)計值的交點。

2.2. CPET數(shù)據(jù)的新9圖內(nèi)容明細

2.2.2 圖② 左側(cè)Y軸為心率（HR，圖示為深紅色菱形，beats/min）、收縮壓（SBP，圖示為粉紅色向上三角形，mmHg）、舒張壓（DBP，圖示為粉紅色向下三角形，mmHg）；右側(cè)Y軸為心率收縮壓乘積（RPP，圖示為黑色圓點，單位為1/1000），共4個指標(biāo)。

2.2.6 圖⑥ 左側(cè)Y軸為潮氣量（VT，圖示為綠圈淺藍色圓點，L），右側(cè)Y軸為呼吸頻率（f，圖示為綠框黃色菱形，breath/min）。

2.2.7 圖⑦ 為呼氣末氧分壓（PETO2，mmHg）、脈搏血氧飽和度（SpO2，%）和呼氣末二氧化碳分壓（PETCO2，mmHg）3個指標(biāo)。如果受試者作了有創(chuàng)動脈取血血氣分析（圖1），則動脈血氧分壓（PaO2，mmHg）、動脈血氧飽和度（SaO2，%）和動脈血二氧化碳分壓（PaCO2，mmHg）3個血氣指標(biāo)也作為“Y”軸對時間（X軸）作圖。上述6個指標(biāo)全部為左側(cè)Y軸標(biāo)示。

2.2.8 圖⑧ 左側(cè)Y軸為心率（HR，運動期數(shù)據(jù)，圖示為深紅色菱形，beats/min；HR-Rec，恢復(fù)期數(shù)據(jù)，圖示為黑色細線連接的鮮紅色菱形框）；右側(cè)Y軸為二氧化碳排出量，運動期數(shù)據(jù)圖示為淺藍色方框黃色方塊，L/min；恢復(fù)期數(shù)據(jù)圖示為黑色細線連接的鮮紅色方框)對攝氧量（X軸，，L/min）作圖?！?”表示和HR最大預(yù)計值的交點。

2.2.9 圖⑨ 潮氣量(左側(cè)Y軸，VT，L。綠色方塊為運動期間數(shù)據(jù)，黑色細線連接的鮮紅色方框為恢復(fù)期數(shù)據(jù))對分鐘通氣量（X軸，，L/min）作圖。粉紅色縱行虛線為實測最大通氣量(MVV，L/min)，2條粉紅色水平虛線分別為實測的肺活量(VC，L)和深吸氣量(IC，L)。

3 討論

3.1 CPET數(shù)據(jù)新9圖的特點(與舊版比較)

3.1.1 以時間為X軸 自1987年Wasserman主編的CPET教科書第一版問世至2005年第四版，CPET數(shù)據(jù)9圖中的圖①、②、③、⑥、⑧和⑨等6個圖都是以運動功率負荷Watt數(shù)為X軸，對應(yīng)指標(biāo)為Y做圖[12-15]。近年來，我們在Circulation、JACC、Chest等雜志撰文，積極推動并使用以時間為X軸做圖[16-18]。2011年，CPET教科書第五版[1]終于將功率負荷Watt修改為時間做為X軸，并調(diào)整了部分圖示的排列順序與位置，增加了動脈收縮壓（SBP）指標(biāo)。

新9圖中的圖①～⑦的坐標(biāo)均以時間為X軸，而不再用運動功率負荷Watt數(shù)表示。運動負荷功率作為圖①的右側(cè)Y軸指標(biāo)顯示出來；特別是配合三條縱行運動狀態(tài)分隔線，使圖①～⑦中Y軸指標(biāo)隨著運動狀態(tài)和負荷改變的動態(tài)變化情況清楚地展示出來。

3.1.2 位置改變

3.1.2.1 原圖①和原圖③位置對調(diào) 將CPET判讀時最先關(guān)注和強調(diào)的指標(biāo)攝氧量、二氧化碳排出量和負荷功率(W)從原圖③（位于右上方）與原圖①每分通氣量（位于左上方）的位置對調(diào)，以便更強調(diào)生命功能核心指標(biāo)攝氧量和二氧化碳排出量隨時間和負荷功率變化而改變的動態(tài)過程。

3.1.2.2 原圖⑦和原圖⑨位置對調(diào) 將利用CPET判讀心血管功能，特別是肺血管病和栓塞性疾病時，較關(guān)注的潮氣末氧分壓(PETO2)與動脈血氧分壓(PaO2)、潮氣末二氧化碳分壓(PETCO2)與動脈血二氧化碳分壓(PaCO2)、脈搏血氧飽和度(SpO2)與動脈血氧飽和度(SaO2)從原來的圖⑨（位于右下方），與原圖⑦潮氣量（VT）對每分通氣量變化（位于左下方）的位置對調(diào)。

3.1.2.3 原圖②中的氧脈搏(O2pulse)移到圖⑤ 將利用CPET判讀心肺代謝功能時較關(guān)注的氧脈搏（攝氧量/心率，O2pulse =，從原圖②（上部中心部位）的右側(cè)Y軸移至新9圖中圖⑤的左側(cè)Y軸。

3.1.2.4 原圖⑤移到圖⑧位置 將利用CPET判讀心肺代謝功能時較關(guān)注的心率(HR)和二氧化碳排出量對攝氧量作圖，從原圖⑤（圖中心部位）移至新9圖下部中心的圖⑧位置。

3.1.2.5 原圖⑧移入圖③ 將呼吸氣體交換比值（RER從原圖⑧左側(cè)Y軸（下部中心）移至新9圖右上角圖③的右側(cè)Y軸。

3.1.2.6 原圖⑥移到圖③位置 將利用CPET判讀心血管功能時較關(guān)注的攝氧量通氣效率（和二氧化碳通氣效率，從原圖⑥（右側(cè)中部）移至新9圖左側(cè)中部的圖④位置。

3.1.3 添加指標(biāo)

3.1.3.1 圖① 添加負荷功率(Watt，圖示為黑色實線)于右側(cè)Y軸。同時添加紅色虛線表示攝氧量的預(yù)計值。

3.1.3.2 圖② 添加動脈收縮壓(SBP)和舒張壓(DBP)于表示心率(HR)的左側(cè)Y軸，添加心率收縮壓乘積(RPP)于右側(cè)Y軸。

3.1.3.4 圖⑤ 添加心電圖V5導(dǎo)聯(lián)ST水平和ST斜率于右側(cè)Y軸。

3.1.3.5 圖⑥ 添加潮氣量(VT)于左側(cè)Y軸，添加呼吸頻率（f）于右側(cè)Y軸。這樣可直觀展示呼吸基本指標(biāo)——潮氣量和呼吸頻率隨時間及功率負荷遞增而改變的連續(xù)動態(tài)過程。

3.1.3.6 圖⑧ 于左側(cè)Y軸添加恢復(fù)期心率（圖示為黑線連紅色菱形框），于右側(cè)Y軸添加恢復(fù)期二氧化碳排出量（圖示為黑線連藍色方框）?；謴?fù)期數(shù)據(jù)以帶黑色連線的“空心””圖示表示，以區(qū)別于運動期間數(shù)據(jù)。添加恢復(fù)期數(shù)據(jù)主要是因為恢復(fù)期心率和二氧化碳排出量對應(yīng)攝氧量變化與遞增運動期的中期分離程度，直接反映心肺功能的強弱[26-27]，可以直觀展示功能狀態(tài)。

3.1.3.7 圖⑨ 于左側(cè)Y軸添加恢復(fù)期潮氣量（VT）?；謴?fù)期數(shù)據(jù)用帶黑色連線的“空心”方框表示，以區(qū)別于運動期間數(shù)據(jù)。

3.1.4 刪除指標(biāo)

3.2. CPET數(shù)據(jù)的新9圖顯示指標(biāo)的生理意義和臨床應(yīng)用

作者擬在“服務(wù)于人的生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)工作者必須堅持整體觀”[4]一文中，專門闡述這一問題。因篇幅所限，本文的討論主要以心肺代謝功能的核心——氣體交換相關(guān)內(nèi)容為主，本文所涉及的運動心電圖、血壓檢測等內(nèi)容僅以幾個指標(biāo)作為代表簡單描述。

結(jié)語：可以廣泛用于臨床疾病診斷、評價、治療、康復(fù)和預(yù)后預(yù)測評估的CPET，是一種客觀、定量、無創(chuàng)、并可同時檢測心肺代謝等多系統(tǒng)整體功能狀態(tài)的方法。本文結(jié)合我們在國內(nèi)外長期CPET工作的經(jīng)驗，提出以新9圖展示CPET數(shù)據(jù)，以便顯示更多循環(huán)、呼吸和代謝等多系統(tǒng)功能指標(biāo)，通過從靜息狀態(tài)、熱身運動、遞增功率負荷至癥狀限制性最大極限運動，再到逐漸恢復(fù)的連續(xù)動態(tài)變化，特別是更突出某些循環(huán)和呼吸功能指標(biāo)的展示，以更有利于醫(yī)學(xué)臨床人體整體功能的評估，特別是優(yōu)化地指導(dǎo)慢性疾病的心肺代謝等的臨床服務(wù)和整體健康管理。

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31. Myers J, Arena R, Oliveira RB, et al. The Lowest V·E/V·CO2 ratio during exercise as a predictor of outcomes in patients with heart failure [J]. J Cardiac Failure, 2009, 15： 756-762.

The new 9 panels display of data from cardiopulmonary exercise test, emphasizing holistic integrative multi-systemic functions

SUN Xing-guo△

（State Key Laboratory of Cardiovascular Disease, Fuwai Hospital, National Research Center of Clinic Medicine for Cardiovascular Diseases, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100037, China）

Objective: Since 1987, professor Wasserman displayed cardiopulmonary exercise test starting (CPET) data as 3 rows and 3 columns 9 panels plots. Although many changes and additions, there still are some important functional parameters were not shown in 9 panels. We want to display more. Methods:e 100 Hz sampling data of symptom-limited maximal limit CPET was used to calculate breath-by-breath data aer per second cutting technique, and then to calculate the average value of 10 s data for graphic display. Results: In new 9 plots，panels ①～⑦use time for the "X" axis, oxygen uptake, carbon dioxide elimination, loaded power, heart rate, systolic blood pressure, diastolic blood pressure, heart rate pressure product, minute ventilation, respiratory exchange ratio, CO2elimination ventilatory ef fi ciency, oxygen uptake ventilatory ef fi ciency, oxygen pulse, ST segment level and ST segment slope at V5lead, tidal volume, respiratory rate, end tidal oxygen partial pressure, end tidal carbon dioxide partial pressure and oxygen saturation of 18 noninvasive parameters, and arterial oxygen partial pressure, arterial oxygen saturation, arterial partial pressure of carbon dioxide 3 blood gas parameters for the "Y" axis respectively.ere are 3 vertical dashed lines represent dividing lines of the resting, warm-up, incremental power loading exercise and recovery period respectively. In addition, panels ① and ④have the horizontal dashed line represents the maximal oxygen uptake (red), oxygen uptake ef fi ciency plateau (red) and the lowest value of carbon dioxide elimation ventilatory ef fi ciency (blue) expected value respectively. Panel ⑧used heart rate and carbon dioxide elimination (as Y) against to oxygen uptake (as X); the "+" indicates intersection of the predicted maximum values of oxygen uptake and heart rate. Panel ⑨used tidal volume (as Y) against over minute ventilation (as X), vertical dashed line is the measured maximum ventilatory volume, the horizontal dashed lines were the inspiratory capacity and vital capacity respectively. Conclusion: New CPET 9 plots emphasizes on the integration of all circulatory，respiratory and metabolic etc functional parameters in human, and is conductive to optimization of clinical medical service and health management.

cardiopulmonary exercise testing; new 9 plots; cardiac function; pulmonary function; metabolic function; holistic integrative function

R448

A

1000-6834 (2015) 04-369-007

＊ 【基金項目】國家自然科學(xué)基金醫(yī)學(xué)科學(xué)部面上項目（81470204）；國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2012AA021009);中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院國家心血管病中心科研開發(fā)啟動基金（2012-YJR02)

2015- 06-05

2015-07-05

△【通訊作者】Tel： 010-88398300 ；E-mail： xgsun@labiomed.org