孙兴国

（中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心阜外医院 心血管疾病国家重点实验室, ， 北京 100037）

更为强化心肺代谢等整体功能的心肺运动试验新9图图解*

孙兴国△

（中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心阜外医院 心血管疾病国家重点实验室, ， 北京 100037）

目的：自1987年Wasserman教授开始用3行×3列9图展示心肺运动试验（CPET）数据以来，虽几经修改和添加，仍有不少重要指标尚未图示。新9图拟显示更多指标数据。方法：正常志愿者和患者首先完成静息状态肺功能检查、症状限制性最大极限CPET，连续测定12导联心电图、无创袖带血压、氧饱和度，以100 Hz测定气流并采集气样连续作氧气和二氧化碳测定并计算得出每次呼吸的数据，经每秒数据分切技术处理后再计算各指标的10 s和30 s平均值进行图示。结果： 新9图中的第①～⑦图均以时间为“X”轴，分别以摄氧量、二氧化碳排出量、 功率、心率、收缩压、舒张压、心率收缩压乘积、分钟通气量，呼吸交换比、二氧化碳通气效率、 摄氧通气效率、氧脉搏、V5导联ST段水平和V5导联ST段斜率、潮气量、呼吸频率、呼气末氧分压、呼气末二氧化碳分压和血氧饱和度18个指标，以及动脉氧分压、动脉氧饱和度和动脉二氧化碳分压3个血气指标为“Y”轴。各图均有3条纵行虚线，自左至右依次代表静息、热身、功率递增运动和恢复期的分割线。此外，第①、③图中水平虚线分别代表最大摄氧量预计值（红色）、摄氧通气效率平台预计值(红色) 和二氧化碳通气效率最低值的预计值（蓝色）。第⑧图以心率和二氧化碳排出量(Y)对摄氧量（X）作图，“+”表示摄氧量和心率最大预计值的交点。第⑨图以潮气量(Y)对每分通气量（X）作图，纵行虚线为实测最大通气量，2条水平虚线分别为深吸气量和肺活量。结论：新9图可显示更多循环、呼吸、代谢等功能指标，特别是更突出展示循环相关功能指标，更有利于CPET的临床应用和健康管理。

心肺运动试验；新9图；心功能；肺功能；代谢功能；整体整合功能

作为目前唯一的客观、定量、连续、可重复、无创检测人体心、肺、代谢及其调控系统和辅助系统等整体功能状态的临床检测方法——心肺运动试验(cardiopulmonary exercise testing，CPET)在临床医学实践中具有广泛的应用前景[1-6]。近年来一直强调，存在于肺脏外呼吸和细胞内呼吸之间的血液循环系统将二者耦联起来[2]，因此要从整体整合生理学医学新理论基础上解读人体整体功能[3,4]，就使得CPET在心血管病诊疗中越显重要[1,6-11]。要正确解读CPET数据，实现对人体各种疾病诊治康（复）预（测）的临床用途，就必须同时展示以心肺代谢为核心的各种功能指标从静息状态到最大极限运动再到恢复状态的动态变化过程[1，9-10]。

1987年，Wasserman[12]在首版CPET教科书中，使用3行×3列格式的9图展示运动中随着负荷功率（以功率W为X轴）的递增，分钟通气量（）、心率（HR）、氧脉搏（即每搏摄氧量，O2-pulse=）、摄氧量（）、二氧化碳排出量（）、的比值（）的比值（）、气体交换比值（RER=）、潮气末氧气和二氧化碳分压（PETO2、PETCO2），以及动脉血氧分压（PaO2）、二氧化碳分压（PaCO2）和动脉血氧饱和度（SaO）分别作为为Y轴的连续动态变化；以及和潮气量（VT）对等指标的相对变化。在此后的三次再版中一直保持不变[13-15]。我们在研究论文中，以时间为X轴展示上述9图各个指标的动态变化，分别在Circulation、JACC、Chest等杂志发表[16-18]。在2011年第五版CPET教科书时以时间为X轴，虽然调整部分图示的位置，增加了收缩压，但CPET检测的很多传统心血管功能随时间的动态变化仍然未展示出来，如动脉舒张压、心率收缩压乘积、心电图信息等，甚至VT和呼吸频率等呼吸基本指标没有展示出来。

近年来，我们首次报道了正常人群摄氧通气效率（oxygen uptake efficiency，OUE，即）和其平台（oygen uptake efficiency plateau，OUEP）及最低值等指标随着性别、年龄、身高、体质量等的变化规律，正常值计算[19,20]，慢性心衰（chronic heart failure， CHF）患者OUEP和的改变特点、临床特征、最佳预后预测价值，而传统血流动力学、超声影像等心血管功能指标均未达到显著性水平[9,17,18]。最近，我们进一步在正常人运动过程中连续动态从动脉取血，同时记录气体交换指标，以探讨OUEP应用的生理学基础机制[21]，并初步报道使用OUEP结合CPET指标指导CHF终末期病人优化管理和心脏移植选择[22,23]，取得发稿时所有病人在随访期间全部存活的优异结果，值得在进一步深入研究的基础上扩大应用。

国内开展CPET研究已多年，但由于种种原因，多数医院仅简单服务于临床，质量控制有限，更未对CPET数据指标图形开展深入研究。本文作者回国后重点推广CPET在心血管病学临床诊疗中的应用，本文计划通过分析人体运动期间血液循环、呼吸和代谢等多系统功能的连续动态整体整合变化，探讨如何提高CPET数据信息图形展示以指导临床应用，特别是如何更好地为心血管病临床诊疗提供客观定量的科学依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

根据国家心血管病中心阜外医院立项委员会的批准（2013-ZX29），选取无任何诊断疾病的正常志愿者及在本院就诊的心血管病患者作为受试者。签署知情同意书后，分别完成症状限制性最大极限CPET。

1.2 呼吸气体交换测定和系统标定

每次必须先行通过系统自身气流、O2和CO2的分别标定后，每天再通过代谢模拟器（MedGraphics和VacuMed公司生产）的标定，方可进行呼吸气体交换测定的整体系统试验[7,8,24,25]。

1.3 CPET方案

首先完成静息状态肺功能检查、12导联心电图、无创袖带血压测定和无创脉搏氧饱和度测定。CPET测定按照Harbor-UCLA医学中心连续递增功率方式进行[1,7,8,16-24]：静息状态3 min；在自行车功率计上(蹬车速率60 r/min)无功率热身3 min；根据对受试者功能状态的估计，预设功率递增速率（10～30 W/ min），使之在6～10 min完成症状限制性最大极限CPET；恢复期≥5 min。

1.4 呼吸和气体交换测定

受试者经咬口器连接气流计，气流计处理气体样本经微量泵输送到O2和CO2测定装置分析测定。气流和气体连续测定的采气频率为100 Hz，矫正采样和仪器分析延迟后计算出每次呼吸的潮气量、呼吸频率、分钟通气量(BTPS)、摄氧量（）(STPD)和二氧化碳排出量(STPD)[1,7-8]等指标。

1.5 各种指标的计算和测定

根据上述气体分析结果，心电图的心率和ST-T分析、动脉收缩压、动脉舒张压、心率收缩压乘积、动脉血氧饱和度等指标，按照标准方法进行分析计算。

1.6 CPET数据分析处理和9图显示

CPET完成后导出每次呼吸数据，先经每秒分切，再用10 s和30 s（为了与动脉取血时间一一对应）平均数据制图，并进行结果分析[8,16,18]。所有图形使用Origin 8.0或者Sigma Plot 7.0专业制图软件分析和制作完成。

2 结果

2.1 CPET数据的新9图概况

2.1.1 CPET数据新9图展示 图1为一位健康志愿者，CPET测定期间带有肱动脉导管植入，在每个功能状态及运动中每2 min取血作血气分析，新9图显示为基本正常的CPET数据（30 s平均值，与动脉取血时间相对应）。图2为一位严重心力衰竭患者的完全无创（未做动脉血气测定）的严重循环受限型CPET数据（10 s）（图1见彩图页XV，图2见彩图页XVI）。

2.1.2 CPET数据新9图简介 新9图的图①～⑦的均以时间（Time）为横坐标（X轴），刻度单位min，每3 min标示时间数值。图①～⑦都有3条与X轴垂直相交的纵行虚线（红色），依次代表静息、热身、功率递增运动和恢复期的分割线。图①～⑦的Y轴分别是18个无创测定指标及3个有创动脉血气分析指标。

新9图中的第⑧图，以心率和二氧化碳排出量(Y)对摄氧量（X）作图；以“+”表示摄氧量和心率最大预计值的交点。

2.2. CPET数据的新9图内容明细

2.2.2 图② 左侧Y轴为心率（HR，图示为深红色菱形，beats/min）、收缩压（SBP，图示为粉红色向上三角形，mmHg）、舒张压（DBP，图示为粉红色向下三角形，mmHg）；右侧Y轴为心率收缩压乘积（RPP，图示为黑色圆点，单位为1/1000），共4个指标。

2.2.6 图⑥ 左侧Y轴为潮气量（VT，图示为绿圈浅蓝色圆点，L），右侧Y轴为呼吸频率（f，图示为绿框黄色菱形，breath/min）。

2.2.7 图⑦ 为呼气末氧分压（PETO2，mmHg）、脉搏血氧饱和度（SpO2，%）和呼气末二氧化碳分压（PETCO2，mmHg）3个指标。如果受试者作了有创动脉取血血气分析（图1），则动脉血氧分压（PaO2，mmHg）、动脉血氧饱和度（SaO2，%）和动脉血二氧化碳分压（PaCO2，mmHg）3个血气指标也作为“Y”轴对时间（X轴）作图。上述6个指标全部为左侧Y轴标示。

2.2.8 图⑧ 左侧Y轴为心率（HR，运动期数据，图示为深红色菱形，beats/min；HR-Rec，恢复期数据，图示为黑色细线连接的鲜红色菱形框）；右侧Y轴为二氧化碳排出量，运动期数据图示为浅蓝色方框黄色方块，L/min；恢复期数据图示为黑色细线连接的鲜红色方框)对摄氧量（X轴，，L/min）作图。“+”表示和HR最大预计值的交点。

2.2.9 图⑨ 潮气量(左侧Y轴，VT，L。绿色方块为运动期间数据，黑色细线连接的鲜红色方框为恢复期数据)对分钟通气量（X轴，，L/min）作图。粉红色纵行虚线为实测最大通气量(MVV，L/min)，2条粉红色水平虚线分别为实测的肺活量(VC，L)和深吸气量(IC，L)。

3 讨论

3.1 CPET数据新9图的特点(与旧版比较)

3.1.1 以时间为X轴 自1987年Wasserman主编的CPET教科书第一版问世至2005年第四版，CPET数据9图中的图①、②、③、⑥、⑧和⑨等6个图都是以运动功率负荷Watt数为X轴，对应指标为Y做图[12-15]。近年来，我们在Circulation、JACC、Chest等杂志撰文，积极推动并使用以时间为X轴做图[16-18]。2011年，CPET教科书第五版[1]终于将功率负荷Watt修改为时间做为X轴，并调整了部分图示的排列顺序与位置，增加了动脉收缩压（SBP）指标。

新9图中的图①～⑦的坐标均以时间为X轴，而不再用运动功率负荷Watt数表示。运动负荷功率作为图①的右侧Y轴指标显示出来；特别是配合三条纵行运动状态分隔线，使图①～⑦中Y轴指标随着运动状态和负荷改变的动态变化情况清楚地展示出来。

3.1.2 位置改变

3.1.2.1 原图①和原图③位置对调 将CPET判读时最先关注和强调的指标摄氧量、二氧化碳排出量和负荷功率(W)从原图③（位于右上方）与原图①每分通气量（位于左上方）的位置对调，以便更强调生命功能核心指标摄氧量和二氧化碳排出量随时间和负荷功率变化而改变的动态过程。

3.1.2.2 原图⑦和原图⑨位置对调 将利用CPET判读心血管功能，特别是肺血管病和栓塞性疾病时，较关注的潮气末氧分压(PETO2)与动脉血氧分压(PaO2)、潮气末二氧化碳分压(PETCO2)与动脉血二氧化碳分压(PaCO2)、脉搏血氧饱和度(SpO2)与动脉血氧饱和度(SaO2)从原来的图⑨（位于右下方），与原图⑦潮气量（VT）对每分通气量变化（位于左下方）的位置对调。

3.1.2.3 原图②中的氧脉搏(O2pulse)移到图⑤ 将利用CPET判读心肺代谢功能时较关注的氧脉搏（摄氧量/心率，O2pulse =，从原图②（上部中心部位）的右侧Y轴移至新9图中图⑤的左侧Y轴。

3.1.2.4 原图⑤移到图⑧位置 将利用CPET判读心肺代谢功能时较关注的心率(HR)和二氧化碳排出量对摄氧量作图，从原图⑤（图中心部位）移至新9图下部中心的图⑧位置。

3.1.2.5 原图⑧移入图③ 将呼吸气体交换比值（RER从原图⑧左侧Y轴（下部中心）移至新9图右上角图③的右侧Y轴。

3.1.2.6 原图⑥移到图③位置 将利用CPET判读心血管功能时较关注的摄氧量通气效率（和二氧化碳通气效率，从原图⑥（右侧中部）移至新9图左侧中部的图④位置。

3.1.3 添加指标

3.1.3.1 图① 添加负荷功率(Watt，图示为黑色实线)于右侧Y轴。同时添加红色虚线表示摄氧量的预计值。

3.1.3.2 图② 添加动脉收缩压(SBP)和舒张压(DBP)于表示心率(HR)的左侧Y轴，添加心率收缩压乘积(RPP)于右侧Y轴。

3.1.3.4 图⑤ 添加心电图V5导联ST水平和ST斜率于右侧Y轴。

3.1.3.5 图⑥ 添加潮气量(VT)于左侧Y轴，添加呼吸频率（f）于右侧Y轴。这样可直观展示呼吸基本指标——潮气量和呼吸频率随时间及功率负荷递增而改变的连续动态过程。

3.1.3.6 图⑧ 于左侧Y轴添加恢复期心率（图示为黑线连红色菱形框），于右侧Y轴添加恢复期二氧化碳排出量（图示为黑线连蓝色方框）。恢复期数据以带黑色连线的“空心””图示表示，以区别于运动期间数据。添加恢复期数据主要是因为恢复期心率和二氧化碳排出量对应摄氧量变化与递增运动期的中期分离程度，直接反映心肺功能的强弱[26-27]，可以直观展示功能状态。

3.1.3.7 图⑨ 于左侧Y轴添加恢复期潮气量（VT）。恢复期数据用带黑色连线的“空心”方框表示，以区别于运动期间数据。

3.1.4 删除指标

3.2. CPET数据的新9图显示指标的生理意义和临床应用

作者拟在“服务于人的生命科学和医学工作者必须坚持整体观”[4]一文中，专门阐述这一问题。因篇幅所限，本文的讨论主要以心肺代谢功能的核心——气体交换相关内容为主，本文所涉及的运动心电图、血压检测等内容仅以几个指标作为代表简单描述。

结语：可以广泛用于临床疾病诊断、评价、治疗、康复和预后预测评估的CPET，是一种客观、定量、无创、并可同时检测心肺代谢等多系统整体功能状态的方法。本文结合我们在国内外长期CPET工作的经验，提出以新9图展示CPET数据，以便显示更多循环、呼吸和代谢等多系统功能指标，通过从静息状态、热身运动、递增功率负荷至症状限制性最大极限运动，再到逐渐恢复的连续动态变化，特别是更突出某些循环和呼吸功能指标的展示，以更有利于医学临床人体整体功能的评估，特别是优化地指导慢性疾病的心肺代谢等的临床服务和整体健康管理。

1. Wasserman K, Hansen J, Sue D, et al. Principles of exercise testing and interpretation[M]. 5th edition. Philadelphia：Lippincott Williams & Wilkins, 2011.

2. Wasserman K, Stringer WW, Sun XG, et al. Circulatory coupling of external to muscle respiration during exercise. In Wasserman K ed. Cardiopulmonary exercise testing and cardiovascular health[M]. Armonk, NY：Futura Publishing Company, 2002： 1-25.

3. 孙兴国. 整体整合生理学医学新理论体系： 人体功能一体化自主调控[J]. 中国循环杂志, 2013, 28(2)： 88-92.

4. 孙兴国. 服务于人的生命科学和医学工作者必须坚持整体观 [J]. 中国应用生理学杂志，2015, 31(4)： 289-294.

5. 孙兴国. 生命整体调控新理论体系与心肺运动试验[J].医学与哲学(人文社会医学版), 2013, 34(3)： 22-27.

6. 孙兴国. 心肺运动在临床心血管病学的应用价值和前景[J].中华心血管病学杂志, 2014, 42(4)： 347-351.

7. 宁亮，孙兴国． 心肺运动试验在医学领域的临床应用[J]．中国全科医学, 2013, 16(11)： 3898-3902.

8. Sun XG, Hansen JE, Oudiz RJ, et al. Exercise pathophysiology in patients with primary pulmonary hypertension[J]. Circulation, 2001, 104(4)： 429-435.

9. Sun XG, Hansen JE, Stringer WW. Oxygen uptake efficiency plateau best predicts early death in heart failure[J]. Chest, 2012, 141(5)： 1284-1294.

10. Stringer WW. Cardiopulmonary exercise testing： current applications[J]. Expert Rev Respir Med, 2010, 4(2)： 179-188.

11. Arena R, Sietsema KE. Cardiopulmonary exercise testing in the clinical evaluation of patients with heart and lung disease[J]. Circulation, 2011, 123(6)： 668-680.

12. Wasserman K, Hansen JE, Sue DY, et al. Principles of Exercise Testing and Interpretation [M]. Lea & Febiger (Philadelphia), 1st ed. 1987, 400.

13. Wasserman K, Hansen JE, Sue DY, et al. Principles of exercise testing and interpretation [M]. 2nd ed, Philadelphia：Lea & Febiger, 1994： 479.

14. Wasserman K, Hansen JE, Sue DY, et al. Principles of exercise testing and interpretation： including pathophysiology and clinical applications[M]. 3rd ed, Philadelphia： Lippincott Williams & Wilkins, 1999, 556.

15. Wasserman K, Hansen JE, Sue DY, et al. Principles of exercise testing and interpretation： including pathophysiology and clinical applications[M]. 4th ed. 2005. Philadelphia：Lippincott Williams & Wilkins, 2005.

16. Sun XG, Hansen JE, Oudiz RJ, et al. Gas exchange detection of exercise-induced right-to-left shunt in patients with primary pulmonary hypertension [J]. Circulation, 2002, 105(1)： 54-60.

17. Wasserman K, Sun XG, Hansen JE. Effect of biventricular pacing on the exercise pathophysiology of heart failure [J]. Chest, 2007, 132(1)： 250-261.

18. Sun XG, Hansen JE, Beshai JF, et al. Oscillatory breathing and exercise gas exchange abnormalities prognosticate early mortality and morbidity in heart failure [J]. J Am Coll Cardiol, 2010, 55(17)： 1814-1823.

19. Sun XG, Hansen JE, Stringer WW. Oxygen uptake efficiency plateau (OUEP)： Physiology and reference value [J]. Eur J Appl Physiol,. 2012, 112(3)： 919-928.

20. Sun XG, Hansen JE, Garatachea N, et al. Ventilatory efficiency during exercise in healthy subjects [J]. Am J Respir Crit Care Med, 2002, 166(11)： 1343-1348.

21. 孙兴国，王桂芝，吕婧，等. 摄氧和二氧化碳排出通气效率是反映循环功能的指标[J]. 中华心血管病学杂志，2014, 42(12)： 1022-1028.

22. 卢志南，黄洁，孙兴国，等. 终末期慢性心衰患者运动中摄氧通气效能指标的临床应用[J]. 中华心血管病学杂志, 2015, 43(1)： 44-40.

23. 卢志南，孙兴国，胡盛寿，等. 心肺运动试验与NT-proBNP和超声心动图评估慢性心衰患者的心功能[J]. 中华心血管病学杂志, 2015, 43(3)： 206-211.

24. 孙兴国，胡大一. 心肺运动试验的实验室和设备要求及其临床实施难点的质量控制[J]. 中华心血管病学杂志，2014，42(10)： 817-821.

25. Huszczuk A, Whipp BJ, Wasserman K. A respiratory gas exchange simulator for routine calibration in metabolic studies [J]. Eur Respir J, 1990, 3(4)： 465-468.

26. Sun XG, Hansen JE, Oudiz R, et al. Heart rate (HR)-oxygen uptake (vo2) hysteresis during incremental exercise and recovery in primary pulmonary hypertension (pph)[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2002, 165： A573.

27. Garatachea N, Sun XG, Hansen JE, et al. Difference between exercise and recovery heart rate at iso-VO2in athletes[C]. The 2ndEuropean federation on Sports Medicine Congress; and The IX Congress FEMEDE, Oviedo , 2001： 14-17.

28. Metra M, Cas LD, Panina G, et al. Exercise hyperventilation chronic congestive heart failure, and its relation to functional capacity and hemodynamics [J]. Am J Cardiol, 1992, 70：622-628.

29. Arena R, Humphrey R. Comparison of ventilatory expired gas parameters used to predict hospitalization in patients with heart failure [J]. Am Heart J, 2002, 143： 427-432.

30. Arena R, Myers J, Hsu L, et al. The minute ventilation/carbon dioxide production slope is prognostically superior to the oxygen uptake efficiency slope [J]. J Cardiac Failure, 2007, 13： 462-469.

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

＊ 【基金项目】国家自然科学基金医学科学部面上项目（81470204）；国家高新技术研究发展计划(863计划)课题(2012AA021009);中国医学科学院国家心血管病中心科研开发启动基金（2012-YJR02)

2015- 06-05

2015-07-05

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