(19)运动心肺功能

第十六 运动心肺功能测定

广东省人民医院 黄思贤 王首红 张伟

一. 概述

运动心肺功能测定（Cardiopulmonary Exercise Testing，CPET）亦称心肺运动测验，是指伴有代谢测定（摄氧量VO2，二氧化碳排除量VCO2等气体交换指标）的心肺运动测验，是最有意义的非侵入性检查技术，不同于一般的只是单纯观察心电图ST-T的变化或心律变化的运动试验；也不同于静态肺功能。心血管系统与呼吸系统的基本功能是维持细胞呼吸。CPET是综合心与肺，在一定功率负荷下测出VO2及VCO2等代谢指标、通气指标及心电图变化。所以它反映细胞呼吸功能的变化。

每分钟摄氧量=每分钟心排量×(动脉血氧含量-混合静脉血氧含量), 同时每分钟摄氧量=每分钟通气量×(吸入气氧浓度-呼出气氧浓度)。血管内VO2与肺泡内VO2是处于动态平衡的，心脏病学家Weber KT指出“心脏病学家和肺病学家不是把注意力集中于左心室，就是把注意力集中于肺泡。这种局限性不能恰当地理解和较全面地观察心肺单元”因而提出“心肺单元”的概念。呼吸病学家Wasserman K更进一步提出“单独给心或肺增加负荷是不可能的，所有的运动均需要心脏功能和肺脏功能的协调，以及周围循环和肺循环的协调作用来完成生存和工作所需要的气体交换作用”，并强调外呼吸-细胞呼吸正常耦联（Normal coupling of external to cellular respiration）即肺---心---活动肌群，因而它反映人体的最大有氧代谢能力和心肺储备能力，特别强调心肺联合功能测定。

肺（外呼吸）到细胞（内呼吸）的气体运输机制。齿轮表示各系统生理组成成分间在功能上互相依赖。由于肌群活动消耗氧量（QO2），氧利用激增，从肌群灌注血中氧的摄取增加，周围血管床扩张，心排血量（每搏出量和心率）增加，肺血管床重开放和扩张，肺血流增加，最后通气增加以满足QO2的需要。根据肺泡通气与肺血流比率及肺毛细血管内氧不饱和程度经肺摄取的氧量称为摄氧量（VO2）。稳态情况下VO2=QO2。即供氧-需氧平衡。新产生的CO2（QCO2）排泄至肺脏（VCO2），为促使PaCO2与氢离子达到体内平衡，导致通气量（潮气量与呼吸频率）增加。

任何疾病状态扰乱了正常气体交换耦联均为运动受限的原因。

人类摄入植物、动物食品（碳水化合物、蛋白质和脂肪等营养素），并吸收空气中氧，进入体内被消化分解为葡萄糖、氨基酸、脂肪酸，再进入细胞内进一步氧化、代谢、释放能量。约一半能量表现为热量，维持体温，另45%转移到三磷酸腺苷，维持各器官功能，合成新物质，修复组织，为运动提供能量等生理活动。剩余者储存。在运动中肌肉收缩作功，将化学能又转化为物理能。

肌肉收缩的能量供应来自三个系统：1.三磷酸腺苷 - 磷酸肌酸系统（ATP-CP）；2.糖酵解系统；3.营养素有氧氧化系统。

1. ATP-CP系统：1mol ATP水解可产生16千卡能量，在ATP贮量减少以后，又由另一高能键物质，磷酸肌酸（CP）释放能量，再合成ATP。ATP是肌肉收缩唯一可直接利用的能量，也是任何强度运动首先、最快速地被动员的能量，供能速度13Kcal/kg.sec。

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2. 糖酵解系统：持续30秒以上的运动，需起动糖的无氧代谢提供ATP，因ATP-CP系统供能已难以维持。1mol葡萄糖产生2mol ATP。供能速度次于ATP-CP系统，为7 Kcal/kg.sec，同属应急能源。 糖酵解最终产物为乳酸，肌细胞中乳酸容易扩散到血液中去（HLa + KHCO3?KLaH2O + CO2），被血浆中HCO3缓冲，形成乳酸盐，生成的CO2排出体外。

ATP-CP系统及糖酵解供能均不需要氧气，故两个系统供能的肌肉收缩或运动称无氧肌肉收缩或无氧运动，其最大强度运动时间累计为41秒，可持续供能2~3分钟。 3.营养素有氧氧化系统

在氧供充足情况下，葡萄糖、肌糖原、脂肪、蛋白质氧化可产生大量的能供ADP合成ATP。 糖原、葡萄糖 酶 甘油、脂肪酸 + O2+ ADP + Pi ? ATP + H2O + CO2 氨基酸（脱氨基酸） 这种供能系统，底物种类多、贮量大，只要氧供充足，可形成大量的能。有氧代谢是人类生存，长期运动所需的能量供应系统，同时还是补充、保证上述两种无氧供能的基础。但供能速度较慢，为3.6 Kcal/kg.sec。所以在运动初始时常需无氧方式供能。

运动中消耗的能量主要来自糖、脂肪、蛋白质的氧化。其氧化的氧气量即耗氧量是能量释放的基础，代表机体的活动能力，用于表示运动的能量消耗和运动强度。有氧氧化共产生36mol ATP，是糖酵解产生ATP的18倍之多。

耗氧量也是组织吸收，利用的氧量，又称摄氧量。

二. 常用参数意义和正常值

由于计算机技术的应用，运动心肺功能各项指标能很快经过计算处理，形成数据图表报告，医师可选择所需数据资料进行分析研究。根据运动心肺功能特点，其各项观察指标可分为三大类：①反映运动耐量以及心功能的指标，如最大耗氧量、公斤耗氧量、无氧阈、代谢当量、最大氧脉、最大心率储备、呼吸商、气体交换率以及耗氧量与运动负荷之间的关系等；②反映通气功能的指标，如呼吸储备、最大通气量、最大潮气量、最大呼吸频率以及潮气量与深吸气量的比值等；③反映气体交换的指标，如动脉氧分压、肺泡与动脉氧分压差、动脉二氧化碳分压、潮气末二氧化碳分压、动脉-潮气末二氧化碳分压差、氧当量、二氧化碳当量、死腔和潮气量的关系等。现简要分析如下： （一）耗氧量（Oxygen consumption，QO2）与摄氧量（Oxygen uptake，VO2）

机体一定时间内消耗的氧气量称为耗氧量，反映细胞中氧的利用程度，包括运动中肌肉细

胞氧的利用情况。经肺泡与肺血流摄取的氧量称为摄氧量，通常情况下供氧需氧平衡，摄氧量即为耗氧量，通过血液循环将氧输送至运动肌群，VO2可以通过心输出量×动-静脉氧含量差或每分通气量×吸入气与呼出气氧浓度之差计算得出。以L/min、ml/min表示，是用气体分析法来测定的。

最大摄氧量VO2max （Maximal Oxygen Uptake）：指在运动的最后阶段，即竭尽全力阶段，循环和呼吸系统发挥最大作用时每分钟所能摄取的氧量。此时随着功率的增加，VO2不再增加而形成一个平台，相

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邻两次（1分钟内）VO2 差值< 2ml/ Kg.min,称为VO2max。亦可用公斤摄氧量表示，消除了体重的影响。通常也称为最大耗氧量、最大有氧代谢能力等。其计算公式为：

VO2max = COmax ×C（a—v）O2 ??????.⑴

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= VEmax（FiO2-FeO2）??.⑵

（COmax 指最大心输出量， C（a—v）O2为动脉-混合静脉氧含量差，VEmax 为最大通气量，FiO2-FeO2为吸入气氧浓度与呼出气氧浓度差）

由公式（1）可以看出，每分钟最大摄氧量取决于循环系统的功能，主要是心输出量，反映循环系统氧转运的能力，其数值大小与运动方式有关，参与运动肌群数量越多的运动形式其数值越大，如平板运动VO2max比踏车运动高5%--11%，因为后者参加运动的肌群相对较少。由公式（2）可以看出，每分钟最大摄氧量也取决于呼吸系统的功能，主要是每分钟最大通气量，反映呼吸系统通气能力，因而呼吸和循环受限均是其影响因素。VO2max 减少，说明运动耐量下降。

广东省人民医院研究健康医务工作者14例前后平均11年（7-13年）的运动心肺功能测验自然变动。男7例，平均年龄由30.3±6.7岁至41.0±8.3岁；女7例，平均年龄由29.0±6.6岁至39.0±5.5岁。结果表明男女两性运动耐力或有氧代谢能力均有明显下降。VO2 max/kg男性平均每年下降1 %，女性下降1.3 %。

VO2max实测值必须与预计值相比较，达到预计值的84%以上为正常，其预计值与个体的性别、年龄（A，yr）、身高（H，cm）、体重（W，Kg）显著相关。VO2max预计值公式取自Wasserman K（小于预计体重20%为消瘦，超过预计体重20%为肥胖）。 男性：

（1） 正常体重预计值=0.79×H-60.7

（2） 正常体重者最大耗氧量预计值VO2max pred（ml/min）=实际体重×（50.72-0.372×年龄） 消瘦者VO2max pred（ml/min）=[（实际体重+预计体重）/2] ×（50.72-0.372×年龄） 肥胖者VO2max pred（ml/min）=[预计体重×（50.72-0.372×年龄）]+6×（实际体重-预计 体重） 女性：

（1） 正常体重预计值=0.65×H-42.8

（2） 正常体重VO2max pred（ml/min）=（实际体重+43）×（22.78-0.17×年龄）

消瘦者VO2max pred（ml/min）=[（实际体重+预计体重+86）/2] ×（22.78-0.17×年龄） 肥胖者VO2max pred（ml/min）=[（预计体重+43）×（22.78-0.17×年龄）]+6×（实际体 重-预计体重）

如果是平板运动，VO2max pred为踏车运动VO2max pred 的1.11倍。 1984年何岱等、1989年赵连云等均已报告国人正常值。

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峰值摄氧量VO2 peak (peak or maximum oxygen uptake)：指运动过程中出现摄氧量的最高值，正常人VO2 peak 与VO2max二者数值接近，因最大运动平台极难出现，峰值摄氧量可以近似认为是最大摄氧量。

症状限制最大摄氧量（VO2max.symptom limit-ed）：通常指患者的运动终点为各种症状所限，如呼吸困难、心悸、心绞痛、血压过高和心电图异常等，不能达到竭尽全力的极量运动阶段，此时测出的峰值摄氧量即为症状限制最大摄氧量。见图7-2.。

广东省人民医院对29例COPD患者进行静态肺功能与踏车递增运动肺功能测定的研究，发现 图7-2.功率与耗氧量的关系

VO2 max/VO2 max pred与MVV/MVVpred呈正相关，（r=0.70 P<0.001）,回归方程式为VO2 max/VO2 max pred (%) = 40.21+0.58MVV/MVVpred（%） 。只需测定MVV，即可推算VO2max。而MVVpred及VO2max pred系按年龄、身高和体重等计算取得 。 （二）代谢当量（MET）

1MET是指人安静时平均VO2，相当于每分、每公斤、3.5ml的摄氧量，可用来衡量运动强 度，生活活动强度，如用于康复运动处方。 （三）VO2与功率的关系（VO2 –work）

VO2与功率之间的关系说明外界负荷增加时运动者氧的利用量，反映了外界与细胞呼吸藕联的重要信息，影响VO2与功率关系的因素和机制有如下几种： 1.功率增加形式和VO2关系；

运动方案设置以1分钟阶梯式递增（step increment）及斜坡式递增（ramp）形式的VO2 –work曲线最为平滑，表明当功率递增时，VO2平稳增加，斜线光滑，其斜率可以计算，而其他形式如3分钟递增等VO2 –work曲线波动大不能计算斜率。 2.体重影响VO2 –work曲线的位置；

踏车运动中肥胖者为了完成额外的负荷，耗氧量增加，其曲线平行上移高于正常人水平。平板运动中由于影响因素多，较难判断耗氧量的变化规律。 3.VO2 –work曲线斜率可用来评价无氧供能;

该斜率反映的是功率增加时氧的消耗量。如果氧转运不足，肌肉不能获得足够的氧，则斜率低于正常，VO2 max降低。

当递增负荷大于运动者承受能力，运动供能的很大一部分需要无氧代谢来提供，VO2 减低，VO2 –work曲线低平，斜率变浅。当递增负荷相对较少，则可以使VO2 –work 曲线在AT之上

变陡直，这些特点在 图7-3.VO2 - 功率关系图

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