上肢精准电磁功率计（臂力计）用于心肺代谢等整体功能评估的临床观察研究*

台文琦，孙兴国,2△，宋 雅,2，郝 璐,2，王继楠,2，周晴晴,2，石 超，徐 凡，张 也, 刘 方

（1.国家心血管病中心，中国医学科学院阜外医院，北京协和医学院心血管疾病国家重点实验室，心血管疾病国家临床医学研究中心，北京100037；2.重庆医科大学附属康复医院，重庆 400050）

症状限制性极限心肺运动试验（cardiopulmonary exercise testing，CPET）是唯一一种能无创、客观、定量地评估人体心肺代谢整体功能状态的检测方法，可用于运动能力与运动耐受情况的评估，心血管、呼吸、代谢等疾病的诊断及鉴别诊断，心衰等疾病严重程度分级，心脏移植标准评判，运动康复处方的制定，疗效评估、术前风险评估等[1,2]。目前，CPET多采用功率自行车或活动平板，所有活动平板都是非精准定量的推算负荷功率且运动负荷较低；而功率自行车可直接记录功率，受试者上半身稳定、运动幅度相对小，对心电和血压的测定干扰较小，同时运动强度较弱，对重病患者比较安全，因此首先推荐使用功率自行车进行下肢CPET[3]。但由于功率自行车对受试者下肢活动的要求较高，导致CPET在某些老年人、脑损伤及下肢运动障碍患者中的开展受限。已有研究报道四肢联动用于心肺功能评估是可行的[4,5]，但目前使用的四肢联动都是非精准定量，而且从安全方面考虑，四肢联动是一种双侧上下肢交互运动的设备，运动过程中需要更多的肌群参与，导致心输出量增加，心脏负荷更大，而上肢功率车主要针对下肢运动障碍或坐轮椅的患者特别设计，能使这些患者进行理想的训练测试和心血管病检测与训练，广泛应用于体育教学与科研、下肢残疾训练与测试、康复领域等。因此，我们拟采用上肢精准电磁功率计（臂力计）进行CPET试验，以确保有效的前提下，增加其安全性。本研究将分别采用上肢臂力计和下肢自行车进行CPET，分析比较受试者使用两种功率计的峰值运动状态，探讨上肢功率计用于心肺代谢整体功能评估的可行性。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取阜外医院体检无任何疾病诊断的工作人员、研究生等正常人6例以及在医院就诊的以血压、血脂、血糖异常为主的慢病患者9例。排除标准：心脑血管病急性期，妊娠期，认知功能障碍，上肢和（或）下肢功能障碍或活动不便者。所有受试者均签署经伦理委员会批准的知情同意书。

1.2 CPET质控及标准化操作

使用意大利科时迈（COSMEDS.R.L.）公司Quark PFT Ergo型心肺运动测试系统，测试前进行气体容量和流速定标、空气校准、O2和CO2浓度定标及代谢模拟器定标[6]，所有定标通过方可进行检测。受试者先坐位完成静态肺功能检查，然后在功率自行车上按照美国加州大学洛杉矶分校（Harbor-UCLA）医学中心标准运用连续递增功率方案完成症状限制性极限CPET（即直到腿酸乏力或出现呼吸困难、胸痛、头晕、恶心等症状时方可停止）：先静息3 min；然后以约60 r/min的速率无负荷热身3 min；根据年龄、性别和预估功能状态等选择20～30 W/min的递增功率，使受试者在6～10 min内达到症状限制性极限状态，获得最大负荷功率；最后是5～10 min的恢复期，全程严密监护受试者的12导联心电、血氧饱和度、血压、气体交换以及有无不适等情况[3,7]。每位受试者在第2日的同一时间用上肢臂力计按上述方法完成症状限制性极限CPET。

1.3 CPET数据处理与判读

运用美国Harbor-UCLA医学中心临床试验标准化原则对CPET采集得到的数据进行分析,按照每次呼吸（breath-by-breath）分隔导出原始数据，再经过每秒切割（second-by-second），计算每10 s的平均数据来制作新9图，用V-slope法测得无氧阈（anaerobic threshold，AT），获得无氧阈功率。各主要指标①静息状态值平均其最后120 s 的数据；②热身状态值平均其最后30 s 的数据；③最大极限运动状态值平均其最后30 s 的数据；④AT状态时的氧耗量值以10 s 值为准；⑤PETCO2@AT 和@AT平均AT 及之后的50 s 的数据，PETO2@AT 和@AT 平均AT 及之前50 s 的数据；⑥最低值选90 s 移动平均值的最小数值；⑦氧气通气有效性峰值平台（oxygen uptake efficiency plateau，OUEP），即最大值，选90 s 移动平均值的最大数值；⑧的斜率，选择从运动开始至通气代偿点（VCP）的数据，通过（Y=a+bx）线性回归分析得出（b）；⑨恢复期数值以恢复1 或2 min 时的10 s 值表示[3,8～15]。

1.4 观察指标

受试者使用功率自行车和上肢臂力计的CPET核心指标，包括峰值心率（Peak HR）、峰值舒张压（Peak DBP）、峰值收缩压（Peak SBP）、峰值呼吸频率（Peak BF）、峰值潮气量（PeakVT）、峰值分钟通气量（Peak）、运动时间（EX-time）、峰值负荷功率实测值（Peak Work Rate）及百分预计值（Peak Work Rate %pred）、峰值摄氧量实测值（Peak）及百分预计值（Peak%pred，峰值摄氧量的实测值占最大摄氧量预计值的百分比）、无氧阈实测值（AT，人体在递增负荷运动中供能全部由有氧代谢转入有氧、无氧代谢共同供能时的摄氧量值)及百分预计值（AT %pred）、峰值氧脉搏的实测值（Peak/HR）和百分预计值（Peak/HR %pred）、摄氧通气效率峰值平台（OUEP，的最大值）、二氧化碳排出通气效率最小值（Lowest的最小值）、通气二氧化碳排出效率（Slope，从运动开始到通气代偿点的数据，通过线性回归分析得到斜率）。

1.5 统计学处理

符合正态分布的计量资料以均数±标准差（±s）表示，使用SPSS 统计软件进行统计学分析和Origin 作图。受试者使用不同功率计的结果比较采用配对t检验，用Pearson相关性分析上肢和下肢CPET核心指标的相关性。

2 结果

2.1 受试者一般资料

全部15例受试者男8例、女7例，年龄（43.9±14.0，22～67）岁；身高（168.3±7.3，158～178） cm；体质量（64.4±9.9，47～79） kg。其中正常人6例和慢病患者9例（表1），两个亚组除了年龄和临床诊断有统计学差异（P<0.05），性别、身高和体质量均无显著差异（P>0.05）。

2.2 上肢和下肢CPET核心指标的结果比较

全体受试者（表2）上肢CPET的峰值心率低于下肢CPET，差异有统计学意义（P<0.05）；而上肢CPET血压较下肢仅有下降趋势，但无统计学意义。上肢CPET在峰值运动时的潮气量和分钟通气量均小于下肢（P<0.05），而呼吸频率无明显差异；在相同的功率递增速率的前提下，使用上肢臂力计的运动时间要短于功率自行车，峰值负荷功率、峰值摄氧量、无氧阈、峰值氧脉搏、摄氧通气效率峰值平台均较低，而二氧化碳排出通气效率最低值和斜率要高于使用功率自行车的情况（P均<0.05）。正常人和慢病患者两个亚组上、下肢CPET核心指标的结果比较同上（表3）。

2.3 上肢和下肢CPET核心指标的相关性分析

采用上肢臂力计进行CPET的峰值心率，峰值呼吸频率、潮气量、分钟通气量，运动时间，峰值负荷功率实测值及百分预计值，峰值摄氧量实测值、公斤体重值和百分预计值，无氧阈实测值、公斤体重值，峰值氧脉搏的实测值，摄氧通气效率峰值平台实测值、二氧化碳排出通气效率最小值和斜率的实测值及百分预计值与下肢功率自行车的CPET结果呈正相关（P均<0.05，图1，表4），其余指标无显著相关性。

3 讨论

本研究所有受试者均安全完成采用功率自行车和上肢臂力计进行的CPET试验，无任何不良事件发生。使用上肢臂力计时，受试者的下半身相对稳定，不易出现摔倒受伤的情况，另一方面，受试者只有上半身参与运动，动员的肌群数量较少，氧耗量较小，相应的代谢负担小，更为安全。从心率、血压反应来看，使用上肢臂力计所能达到的峰值心率和血压均明显低于功率自行车，因此，不会出现心率、血压反应过度的情况，并且，孙兴国等[16]研究表明,使用85%最大预计心率及特定血压界值作为CPET试验的终止指征可能会造成受试者过度运动或整体功能状态被低估的风险，只要心率、血压的反应模式基本正常：血压随功率递增呈阶梯式升高；峰值心率能达到预计值（220-年龄）的80%以上，结合呼吸、循环相关指标及MAX试验[17]便能证明该CPET为极限运动。

上肢力量相对薄弱，且上肢肌肉Ⅱ型肌纤维含量高，下肢肌肉富含Ⅰ型肌纤维[18]，Ⅰ型肌纤维氧化酶多而Ⅱ型肌纤维糖酵解酶高，因此上肢肌肉的效率远不如下肢。虽然使用上肢臂力计进行CPET时，受试者持续运动的时间要显著低于功率自行车，但大部分受试者均能维持6～7 min，运动时间不至于过短或过长，采集的数据足以用于分析受试者的功能状态。目前采用上肢臂力计进行CPET的应用远不如下肢功率车广泛，因此缺乏上肢CPET的评判标准，我们初步研究发现使用上肢臂力计所能达到的峰值负荷功率约为功率自行车的50%，峰值摄氧量、无氧阈、峰值氧脉搏约为功率自行车的70%，提示我们若采用上肢臂力计进行CPET来评估受试者的整体功能状态，需降低评判标准。Ana Sousa等[19]报告了采用功率自行车得到的峰值摄氧量比上肢功率车高26%左右，本研究中使用上肢臂力计的峰值摄氧量为下肢的67%左右，约低33%，这可能是受试人群不同且样本量偏小导致的。在通气有效性上，使用上肢臂力计的摄氧通气有效性约为功率自行车的80%，而二氧化碳排出通气有效性约为120%，即当摄氧通气效率峰值平台达到自身预计值的64%左右、二氧化碳排出通气效率最低值及斜率达到预计值的144%可判定为通气有效性基本正常。另一方面，本研究在计算某些CPET指标占预计值的百分比时，仍采用的是下肢的预计值计算公式，因此上肢CPET指标占预计值百分比普遍较低，若按照上肢预计值计算（目前国内尚无上肢预计值计算公式），可能上肢CPET和下肢CPET结果相当，因此我们认为上肢 CPET试验效果不劣于下肢CPET，可对下肢功能障碍患者进行整体功能的客观定量评估。当然，本研究只是一个初步探究，当前样本量较少，后续需要进一步扩大样本量，以得出使用上肢臂力计评估心肺代谢整体功能的参考标准。

Tab.1 General Information of subjects

Tab.2 Core parameters of CPET and ratios of all subjects using different power meters

Fig.1 Scatter plots and linear regression information of CPET indicators for upper and lower limbs

Tab.3 Core parameters of CPET and ratios of the two subgroups using different power meters

已有研究报道[20-22]，应用减重跑步机和上肢功率车对亚急性期与恢复期脑卒中患者进行CPET，上肢功率车对脑卒中步行困难者会有帮助，但其调动小肌肉群，所测得峰值摄氧量较小，这与本研究观察到的现象一致，不同的是该文章中提到上肢功率车会引起血压明显升高，存在安全性隐患[20]，在本研究中，所有受试者在运动中测量上肢血压，暂未发现受试者血压明显升高的情况。考虑到在使用上肢臂力计的同时测上肢血压是否会影响受试者CPET的结果暂不明确，我们对6例正常人在不测血压的同时再次进行上肢臂力计的CPET试验，与测上肢血压的结果相比，各指标差异均无统计学意义。在后续研究中，我们拟在使用上肢臂力计进行CPET时测量下肢血压，避免血压测量影响受试者的发力。

Tab.4 Correlation analysis of CPET core parameters of upper limbs and lower limbs of all subjects

综上所述，使用上肢臂力计进行CPET试验具有一定的安全性和可行性，值得我们进一步探究，以期为临床上下肢活动障碍的患者提供心肺功能检测的便利。