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心肺运动试验----各类参数分析笔记
1 心肺运动试验
1.1、什么是心肺运动试验？
心肺运动试验(CPET)是一种可以使研究者同时观察患者的心血管系统和呼吸系统对同一种运动应激的反应情况的临床试验。因为，呼吸道的气体交换与循环相关联，可以同时反映心排血量、肺血流以及外周O2的摄取，所以同时监测呼吸与循环是可行的。心脏联合循环系统与肺部的气体交换(O2和CO2)及肌肉呼吸等相匹配。在给定负荷的运动中，心血管系统输送氧气情况可以用肺部的气体交换来描述。
心肺运动试验中，在监测气体交换的同时，也监测心电图、心率和血压等。这些心血管指标的监测与气体交换的监测相互关联，这一点十分重要。这种相互关联的关系使得非气体交换的指标的监测更有意义，因为心肺运动试验中这些指标的变化与运动中的能量需要剧增相关，而不是通过间接估算。它也可以通过测量在特定的功率负荷下每次心跳中的O2摄取量，提供运动中的每搏量变化的信息。
心肺运动试验（CPET）是对静息和运动状态下心肺系统的一种动态、无创的评估.CPET有助于风险评估、确定可优化的共病以及围术期方案的制订。无氧阈、峰值耗氧量（peak O2 consumption, VO2peak）和二氧化碳通气效率等CPET衍生指标的不足与术后不良结局相关。运动的正常生理反应是心率、每搏输出量、潮气量和通气频率的特征性增加。本文采用系统方法，明确九图解读，并将其用于确定心脏和呼吸功能受限。
1.2：外呼吸与细胞呼吸的正常偶联
1.3：九宫图
“正常”九图如图1所示，从左上到右下编号为1-9。心血管系统由第2、3和5图表示；通气由第1、4和7图表示；而第6、8和9图显示通气/灌注关系。
重要的是要认识到“正常”的CPET九图，并了解常见的异常模式。我们建议在解释九图时提出一系列的九个问题。
1. 测试是否尽最大努力？
明确受试者CPET停止的原因。患者是否达到“最大努力程度”，也就是说，由CPET得出的AT和VO2peak是否有效，或者试验是否因肌肉骨骼疼痛、低血压、心律失常、下肢跛行、ST段压低或心胸痛等其他原因终止？“最大努力”有多种定义，如：
（i） 达到预计功率的80%以上。预计功率根据受试者的身高、体重、年龄和性别进行计算。九图中第3图显示运动中功率以黑线表示，并呈线性增长。
（ii） 达到预计最大心率的80%以上，预计最大心率=（220-年龄）次/分。心率在九图中第2图中以深红色曲线表示，深红色区域代表年龄预计最大心率的80-100%。
（iii） 如九图中第8图所示，RER（VCO2/VO2）大于1.15。
2. 九图中第3图中的VO2peak是什么？
在运动强度递增的过程中，VO2通常与功率平行，线性增加。VO2max是CPET过程中，健康年轻人在某一特定运动中达到的最大VO2。不过，年老体弱、健康状态不佳或存在共病的受试者通常达不到VO2max。CPET实际记录的VO2peak为测得的最高VO2，通常也是测试终止时的VO2。
3. VO2-功率关系正常吗？
当功率自行车阻力增加时，受试者的耗氧量通常以10ml/min/W的速率增加。VO2（以红点曲线表示）的增加应与功率（以黑色曲线表示）的增加平行，如九图中第3图所示。
4. 能够确定AT吗？
AT是指肌肉对氧气的需求超过心肺系统供应氧气的能力。肌肉细胞将开始通过无氧代谢产生ATP，这个过程产生乳酸。乳酸需要循环中碳酸氢根的缓冲，从而产生更多CO2。大多数受试者为第5图中CO2与O2不成比例增加的那一点就是AT。用“V-slope”法确定AT最简单。在第5图中画2条与VCO2与VO2关系曲线相交的直线，见图2。初始阶段，VCO2与VO2以相同的速度增加，AT后CO2增加速度超过O2，使得第二条直线的斜率更大。两条直线相交点的VO2即为AT。在VCO2突然增加不太明显的情况下 ，也可以用其他指标确定AT，如第6图中氧通气当量（VE/VO2)和二氧化碳通气当量（VE/VCO2），AT为VE/VO2开始上升而VE/VCO2保持不变或轻微下降的点，见图2。这是因为AT后，VE与VCO2成比例增加，而与VO2不成比例增加。
5. 如果能够确定AT，AT时VO2是多少？
如上所述，AT是VCO2与VO2曲线斜率增大的一点对应的VO2。AT＜10.2ml/kg/min的受试者围术期并发症风险增高（见图2）。
6. 心率（HR）反应正常吗？
随运动强度增加，HR的正常反应是呈线性增加，如九图中第2图所示。停止运动后，心率迅速下降。心率增加主要使得心输出量增加，一些控制心率的药物(β受体阻滞剂）会降低机体HR对运动的反应，导致变时功能不全。
7. 氧脉搏随着运动而增加吗？
氧脉搏是VO2除以心率，代表每搏输出量和动静脉血氧含量差的乘积。可以在九图中第2图观察到，且可被视为每搏输出量的替代指标。氧脉搏应在运动开始时上升，然后慢慢达到最大预计值平台。
8. 存在通气受限吗？
运动中正常的通气反应是，在运动强度达到AT之前VE呈线性增加，随后由于CO2产生增加的驱动，VE不成比例快速增加。健康个体通气能力充足，运动不会受通气的限制。然而，阻塞性或限制性肺疾病患者的运动能力可能受通气限制。正常情况下，VE不超过MVV的80%，实测MVV显示在九图中的第7图，是一条绿色点状垂直线。另外，运动中SpO2应始终大于95%，并记录在九图的第9图中。
9. 是否存在心电图变化？
在CPET期间，连续记录心电图，间歇测量NIBP，CPET报告中应包含所有异常情况。运动中心肌缺血可能产生特征性的心电图改变：2个相邻导联ST段压低1mm，或1个导联ST段压低2mm，T波倒置，左或右束支传导阻滞，或运动诱导的心律失常。
2. 主要相关参数
PetCO2
呼末CO2分压mmHg
PaCO2
动脉CO2分压mmHg
动脉血中物理溶解的CO2产生的张力，正常为35~45mmHg，反应通气功能的主要动脉血气指标。
指溶解在血液中的二氧化碳分子产生的压力，又称二氧化碳张力。
PvCO2
静脉血中的二氧化碳分压称“静脉血二氧化碳分压”
PetO2
终末潮气氧分压mmHg
VCO2
每分钟CO2排出量
=VA*PaCO2/Pb
VO2
每分钟摄氧量L/min
VO2 = (milliliters of air inhaled per minute) (percentage of oxygen in the air inhaled) / (milliliters of air exhaled per minute) (percentage of oxygen in the air exhaled)
运动中摄氧量等于心排血量和动脉-混合静脉血氧含量差[C(a-v)O2]的乘积
VO2=心排血量*C(a-v)O2
反映机体运动负荷的指标，作为运动能力指标之一被广泛应用。氧耗量＝每搏搏出量*心率*动静脉氧差＝心搏出量*动静脉氧差。
VO2=（每分钟吸入空气的毫升数）*（吸入空气中氧气的百分比）/（每分钟呼出的空气毫升数）（呼出空气中氧气的百分比）
VO2 max
最大氧耗量和，又称最大摄氧量。极限运动时，机体在单位时间内利用氧的上限，或机体在单位时间内消耗氧的最大能力。是反应人体在极量负荷时心肺功能水平的一个主要指标。
VE
(minute ventilation volume at rest)每分钟静息通气量简称每分通气量，是指基础代谢状态或静息状态下每分钟所呼出的气体容积，是潮气容积（VT）和呼吸频率（RR）的乘积，因此测定肺容积的过程可直接完成VE的测定，根据呼吸基线的变化可同时完成氧耗量的测定。MVV与VE差值反映通气储备。
=潮气容积(VT)×呼吸频率(RR)/分钟。
AT
Anaerobic threshold，无氧阈，人体在递增负荷强度时，由有氧代谢开始向无氧代谢转变的临界点。随着运动负荷的增加，肌肉消耗更多的氧，也产生更多的CO2，摄氧量、运动负荷、通气量、CO2产生量之间呈线性关系。但达到一定水平，无氧代谢发挥的作用迅速增大，通气量和CO2产生量迅速增大，并超出摄氧量与运动负荷的增加。AT是判断有氧代谢能力的重要指标。
运动负荷增加到一定程度后，组织对氧的需求超过循环所能提供的氧供量，组织必须通过无氧代谢提供更多的氧，有氧代谢与无氧代谢的临界点称为AT，也称为乳酸代谢域值，正常值大于40％peakVO2，一般在50％～65％peakVO2，其值大小受长期有氧训练等个体因素的影响。
AI
(air flow velocity index，air velocity index)
气速指数:实测MMV占预计值百分比与VC占预计值百分比的比值。正常AI≈l。在轻度阻塞性肺疾病患者，缓慢呼气能充分呼出肺内气体，用力呼气则受限，VC正常，MVV下降；一旦VC下降，MVV下降更显著，故AI<1。在轻度限制性肺疾病患者，VC下降，但通过代偿性呼吸增快，MVV正常；若MVV下降，VC下降将更显著，故AI>l。
VC
肺活量，尽力深吸气后作深慢呼气所能呼出的最大气容积，故也称为慢肺活量。表示肺脏最大扩张和最大收缩的幅度，其大小受呼吸肌力、肺和胸廓的弹性、气道阻力等因素的综合影响。
VC=IC+ERV=VT+IRV+ERV.
MV
MV/VE=VT*f。
VA
(alveolar ventilation)
VA=（VT－VD）×f
VD
生理无效腔（VD）是肺泡无效腔与解剖无效腔之和。肺泡无效腔是指每次呼吸进出肺泡但未进行交换的气量，正常人可忽略不计。
TV/VT
(Tidal volume,VT)潮气容积，又称潮气量：
静息呼吸时每次吸入或呼出的气体的容积，一般指呼气容积。
因正常饮食条件下呼吸气体交换律R小于1，故吸入气容积都大于呼出气容积，但差别较小。
潮气量=吸气时间*供气流速。
FVC
(forced vital capacity)用力肺活量：深吸气至TLC，做最大力量、最快速度的呼气所呼出的最大气体容积。
FEV1
(forced expiratory volume in one second)第1秒用力呼气容积：从TLC用力呼气1S所呼出的最大气体容积。是判断通气功能障碍类型和程度的最常用参数。
FEV
(forced expiratory volume in six second)
6秒用力呼气容积：从TLC用力呼气6秒所呼出的最大气体容积。健康成人FEV1／FVC约为98％一100％，故FEV6是判断FVC完成质量的参数，若呼气达不到6S，常提示呼气不完全。
FEVl/FVC，FEVl%
(forced expiratory volume in one second/forced vital capacity)一秒率:FEVl与FVC的比值。也常用FEVl／FEV6或FEVl／VC表示，即FEVl与FEV6或VC的比值。是最常用的定性气流阻塞的参数。
FIVC,FVCi
(forced inspiratory vital capacity)用力吸气肺活量：深呼气至RV，做最大力量、最快速度吸气所吸入的最大气体容积。健康人FVCi=FVC；在阻塞性肺疾病，FVCi常大于FVC。
MVV
(maximal ventilatory volume)
最大自主通气量：简称最大通气量，指受检者1 min完成的最大通气量，但实际仅测定15 S或12 S，要求做最大力量、最快速度呼吸，然后换算为MVV，即前者的通气量×4，后者×5。理论上，MVV能准确反映受检者的最大通气能力，但检查要求高，误差大；而MVV与FEV1有极佳的正线性相关关系，故常被FEV1代替。
Pb
大气压
hypercapnia
高碳酸血症 动脉血CO2分压高于正常水平，即PaCO2>45mmHg的病理生理状态。多见于肺泡通气量的原发性减退和代偿性代谢性碱中毒。
45mmHg
60mmHg<=PaCO2<=80mmHg 中度高碳酸血症
PaCO2>=80mmHg重度高碳酸血症
PaCO2<35mmHg低碳酸血症
参数名称
解释
计算
耗氧量QO2
机体一定时间内消耗的氧量为耗氧量
摄氧量VO2
经肺泡与肺血流摄取的氧量称为摄氧量，尽量不用此参数，细胞水平下，测不到。
正常情况下，供氧需氧平衡，摄氧量为耗氧量。
最大摄氧量VO2 max
运动实验的最后阶段，即竭尽全力阶段，循环和呼吸系统供能发挥极致时每分钟VO2.
随着功率的增加，VO2不再增加而形成一个平台，相邻1分钟内VO2差值<150ml/min。·
运动耐受时间TLIM
平均反应时间MRT
HRpeak
PeakVO2
运动过程中VO2的最高值
健康人peakVO2与VO2max二者数值接近
测量VO2peak>=85% VO2max预计值
在运动强度递增的过程中，VO2通常与功率平行，线性增加。VO2max是CPET过程中，健康年轻人在某一特定运动中达到的最大VO2。不过，年老体弱、健康状态不佳或存在共病的受试者通常达不到VO2max。CPET实际记录的VO2peak为测得的最高VO2，通常也是测试终止时的VO2。
无氧阈AT
运动中有氧代谢尚不需要无氧代谢补充供能时的最大VO2，即出现乳酸中毒前的最大VO2
表示方式VO2@AT,AT时刻的摄氧量来代表的s
用“V-slope”法确定AT最简单。
VCO2二氧化碳排出量
机体一定时间内排出CO2的量
AT后VCO2的增加快于VO2
氧通气当量（VE/VO2或EQO2）
VO2一升所需要的通气量
确定无氧阈最敏感的指标
VE/O2 rest近似在20-25，
二氧化碳通气当量（VE/VCO2或EQCO2）
VCO2一升所需要的通气量
评估肺换气、气体交换功能的重要指标
正常值：30
Rest VE/VCO2
25-40
<39 at max
VE/CO2<34 around AT
AT后及50秒，预计值，价值次之
VE/VCO2 slope<=30
Lowest VE/VCO2
90秒范围，预计值，价值最大
氧脉搏(O2 pulse,VO2/HR)
VO2/HR
运动早期心脏主要是通过心搏量（SV）的增加使VO2增加
运动后期主要靠心率（HR）的增加，使VO2增加
评价心血管疾病和代谢运动限制的关键参数
Normal O2-pulse>=80%pred
呼吸交换率(Respiratory exchange rate RER,VCO2/VO2)
VCO2/VO2
VCO2与VO2的比率，评价代谢限制的主要指标，极量运动的参数
RER<1,表示有氧运动
RER>1表示无氧运动
呼吸熵
反应细胞水平的气体交换率，
机体只有恒定的状态下，RQ=RER
在细胞级别，测不到
最大负荷运动通气量（VEmax，peakVE）
VE随着VCO2的上升而增加，最大值时的通气量即VEmax
最大通气量VEmax可以达到MVV的60-70%
VEmax是评价呼吸疾病、通气限制的关键指标
呼吸储备（BR）
MVV-VEmax的绝对值，或BR=（MVV-VEmax）/MVV%
BR正常值>11L/min,或>25%或FEV1*40（粗略估算）
BR降低是肺部疾病和通气限制的特点（主要指标）
心率储备（HRR，HRmax）
极量运动参数，心脏循环受限的参数
价值低于BR
最大自主通气量MVV(maximal ventilatory volume)
MVV, maximum voluntary ventilation. The burgundy boxes in panels 2 and 5 represent the 80-100%range of maximal predicted HR.
简称最大通气量，指受检者1 min完成的最大通气量，但实际仅测定15 S或12 S，要求做最大力量、最快速度呼吸，然后换算为MVV，即前者的通气量×4，后者×5。理论上，MVV能准确反映受检者的最大通气能力，但检查要求高，误差大；而MVV与FEV1有极佳的正线性相关关系，故常被FEV1代替。
每分通气量VE(minute ventilation volume at rest)
每分钟静息通气量简称每分通气量，是指基础代谢状态或静息状态下每分钟所呼出的气体容积，是潮气容积（VT）和呼吸频率（RR）的乘积，因此测定肺容积的过程可直接完成VE的测定，根据呼吸基线的变化可同时完成氧耗量的测定。MVV与VE差值反映通气储备。
=潮气容积(VT)×呼吸频率(RR)/分钟。
一般情况下，＞１０Ｌ可肯定有通气过度，＜３Ｌ则为通气不足。ＶＥ受死腔气量的影响，故ＶＥ正常不一定表示通气功能正常。
VE BTPS
minute ventilation at body temperature, ambient pressure saturated with water vapour(L/min)
体温下每分钟通气，充满水蒸气的环境压力
（升/分钟）
Vt BTPS
tidal volume at body temperature, ambient pressure saturated with water vapour(L/min)
体温下的潮气量，饱和水蒸气的环境压力
潮气量=吸气时间*供气流速。
Vt为一次平静呼吸，进出肺内的气体量。
Vt
潮气容积
又称潮气量，静息呼吸时每次吸入或呼出的气体容积，一般指呼气容积。
3 、肺容积的组成
肺容积的概念包括四种基础肺容积(basal lung volume)和四种基础肺容量(basallung capacity)。
容积是指安静状态下，一次呼吸所出现的呼吸气量变化，不受时间限制，具有静态解剖学意义，基础肺容积彼此互不重叠，包括潮气容积(tidal volume，VT)、补吸气容积(inspiratory reserve vvolume，IRV)、补呼气容积(expiratory reservevolume，ERV)和残气容积(residual volume，RV)。
容量是由两个或两个以上的基础肺容积组成，包括深吸气量（inspiratory capacity，IC)、肺活量(vital capacity，VC)、功能残气量(function residual capacity，FRC)和肺总量(total lung capacity，TLC)。
临床上也可根据测定方法分为直接测定的肺容积和间接测定的肺容积。其中前者可通过肺量计或流量计直接测定，包括VT、IRV、IC、ERV、VC，这些参数实质上皆以测定VC为核心，并通过与VT换算完成其他参数的测定，故也可以称为肺活量相关参数，其测定也简称为肺活量测定；后者则均含有无法用肺量计直接测定的残气容积部分，需通过标记气体分析等间接方法换算出结果，包括RV、FRC、TLC，其测定方法也可简称为残气容积测定。
4、 初学者九图解析
4.1 九图所需参数及横轴信息
VO2、VCO2、做工功率、AT、UL、LL、
横轴：负荷W
氧脉搏、心率、功率、AT、
横轴：负荷W
V-slope、HR、VCO2、LL、AT、UL、RCP
氧当量VE/VO2、二氧化碳当量VE/VCO2、AT、RCP
横轴：负荷W
分钟通气量VE、功率、AT、RCP
横轴：负荷W
VE/VCO2、
横轴：VCO2，L/min
PetO2、PetCO2、功率、AT、RCP
横轴：负荷W
呼吸储备BR、呼吸交换率RER、功率、AT、RCP
横轴：负荷W
潮气量VT、通气量VE
横轴：VE
4.2九宫图浅读
5、AT无氧阈测定方法
5.1 V-slope法
如图1所示，S1和S2可以在VCO2-VO2关系曲线各自相应的区域,由统计方法导出的回归斜率测出。计算机程序可以确定斜率变化拐点的VO2，在此VO2之上,尽管没有过度通气,但相对于VO2而言,VCO2快速增长。有关研究指出用V-slope法,S1的斜率等于或小于1,S2的斜率大于1,因而在VCO2-VO2关系曲线放一个45°直角三角形(以等比例划分)即可测定出拐点代表的AT值。当描绘出的数值点开始以大于45°上升(斜率大于1.0),此时的VO2即为AT值。
如果S1和S2间的拐点不能用V-slope法准确地确定出来,可能是由于功率递增试验中与机体适应性相当的功率增长较慢,导致HCO3-缓冲乳酸产生的CO2增长速度较慢造成的;还有可能是由于肌组织磷酸化酶缺陷(McArdle综合征)导致患者体内不产生乳酸。若为前者,可以加快功率增长速度重复试验;如果还是不能观察到拐点(VCO2比VO2上升更快),则可能是因为患者肌肉代谢缺陷引起的血液中乳酸水平不能上升。
本篇部分内容摘自《心肺运动试验的原理和解读—病理生理及临床应用》(第五版)/Karlman Wasserman（美国）等原著；孙兴国主译.-北京大学医学出版社.2018(1):91-94.
5.2 乳酸法
乳酸法为桡动脉取血，做血气分析检测乳酸，出现乳酸性酸中毒即为无氧域。
5.3通气当量法
达到AT的标准，1：VE与VCO2出现非线性增加的拐点，2：VE/VO2急剧增加，VE/VCO2无降低。
AT为VE/VO2开始上升而VE/VCO2保持不变或轻微下降的点。这是因为AT后，VE与VCO2成比例增加，而与VO2不成比例增加。
部分摘自：《心肺运动试验的原理和解读-----病理生理及临床应用 5版》
部分摘自：《临床肺功能 第2版》
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