多參數運動心肺功能測試系統的初步應用

劉杰，葉繼倫，文斌，袁懋結

1.深圳大學醫學部生物醫學工程系，廣東深圳518060；2.廣東省生物醫學信號檢測與超聲成像重點實驗室，廣東深圳518060；3.深圳市生物醫學工程重點實驗室，廣東深圳518060

前 言

近幾年公布的中國心血管報告中顯示，我國因心血管疾病死亡人數占疾病死亡總人數的40%以上，是死亡率最高的疾病，呼吸疾病死亡人數占疾病死亡總人數的10%以上，是死亡率第3 的疾病［1］。根據世界衛生組織發布的世界全球衛生報告指出，近年來每年全球死亡人數約為5 000 萬，其中每年約有700 萬人死于心源性猝死［2］，而我國每年心源性猝死者高達55 萬人，平均每分鐘約有1 人死于心源性猝死，院前心臟驟停存活率不足1%。因此，對心肺功能疾病的早期診斷、預防以及治療，并提升國民對相關疾病的認知尤為重要。

心肺運動試驗（Cardiopulmonary Exercise Testing,CPET）可以對患者的心血管和呼吸系統進行全面、動態的評估，相較于傳統心電圖、超聲心動圖以及靜態肺功能，在整體評估心肺功能時，CPET可提供更豐富的參數、更高的準確性以及更多的預后信息［3-4］。CPET對受試者從靜息狀態、熱身運動狀態，再逐漸遞增功率至最大極限狀態，再逐漸降低功率恢復至靜息狀態過程中的每分鐘攝氧量（VO2）、每分鐘二氧化碳排出量（VCO2）、血壓、心電圖（ECG）、氧脈搏（VO2/HR）以及心率（HR）等指標進行連續動態監測，進而對數據進行精確解讀，對人體心肺功能進行整體評價，其對健康管理、疾病預防、診斷至關重要［5-6］。CPET在評價人體代謝、運動耐受力、運動受限等方面有著極高的應用價值［7-9］。本文主要介紹硬件系統設計、軟件平臺的展示、心肺運動試驗的主要參數、部分參數計算方法以及本系統的初步臨床應用。

1 硬件系統的設計

本文設計的運動心肺功能試驗系統不僅包含十二導聯心電圖、呼吸流量、血壓、二氧化碳和氧氣5大生命體征指標，實現呼吸代謝及心功能評價。并可通過WIFI傳輸實時采集到的數據，在PC端的監測界面實現實時波形的顯示和存儲。并配備了運動心肺試驗評測軟件，可以對采集到的運動心肺數據進行心肺功能分析與診斷［10］。本系統的實現框圖如圖1所示。

圖1 多參數運動心肺試驗系統實現框圖Fig.1 Block diagram of multi-parameter cardiopulmonary exercise test system

2 監測系統與評測系統展示

監測平臺可實現16 通道波形數據與二十余個參數的實時顯示與存儲。監測平臺分為波形顯示和運動心肺參數顯示兩個部分，波形顯示部分從上到下、從左至右分別為十二導聯心電波形、流量波形、壓力波形、二氧化碳波形、氧氣波形。參數顯示區域從上到下為VO2、VCO2、呼吸熵（RER）、HR、心率儲備（HRR）、每分鐘通氣量（VE）、氧氣通氣當量（VE/VO2）、二氧化碳通氣當量（VE/VCO2）、潮氣量（VT）、VO2/HR、流量（Flow）、呼氣末二氧化碳分壓（EtCO2）、呼氣末氧分壓（EtO2）、呼吸率（RR）、無氧閾（AT）等二十余個參數，圖2為監測平臺主界面。

圖2 運動心肺功能監測系統Fig.2 Exercise cardiopulmonary function monitoring system

運動心肺功能評測軟件可實現數據回放、標定、參數計算、心肺功能診斷報告輸出等功能。如圖3所示，從上到下、從左至右分別為十二導聯心電波形、流量波形、壓力波形、二氧化碳波形、氧氣波形。右端分別顯示峰值每分鐘攝氧量（VO2peak）、峰值每分鐘二氧化碳排出量（VCO2peak）、HR、HRR、VO2/HR等二十多個參數的輸出。根據這些參數，進行運動不耐受以及整體心肺功能的評價，輸出心肺功能診斷報告以及運動指導建議。

圖3 運動心肺功能評測系統Fig.3 Exercise cardiopulmonary function evaluation system

3 系統主要參數介紹及計算

在本系統中如何準確計算出VO2、VCO2、AT、Flow、HR、VE、用力肺活量（FVC）、VC、最大通氣量（MVV）等參數至關重要。以上參數主要分為靜態肺功能參數和動態心肺功能參數，做此分類的意義在于：部分肺功能疾病通過靜態肺功能檢查即可診斷出來，如慢性阻塞性肺病等。部分心肺功能疾病則需要在運動過程中才可以診斷出來，如運動誘發的心肌缺血等。

3.1 靜態肺功能參數介紹及計算

靜態肺功能參數主要包括FVC、慢肺活量（SVC）、MVV，其余參數有深吸氣量（IC）、VT、一秒量（FEV1）等。其中，FVC 是指深吸氣至肺總量后以最大用力、最快速度呼出肺內氣體至殘氣量位，所測得的氣體容量；FEV1是第1 秒鐘內的用力呼氣量，臨床上采用FEV1和FEV1/FVC判斷肺內氣道受阻、氣流受限，其是慢性阻塞性肺病診斷標準；SVC 是指深吸氣至肺總量后，然后深呼出所有氣體，所測得的氣體容量；MVV 是指受試者在1 min 內盡可能快速和盡可能深的幅度，所測得的1 min 通氣量［11］，其是潮氣量與呼吸率的乘積。

3.2 動態心肺功能參數介紹及計算

動態心肺功能參數包括VO2、VCO2、AT、EtCO2、EtO2、RER、VO2/HR、VE 等。其中，VO2是指人體1 min 從外界環境所攝取氧氣的量；VCO2是指人體1 min 經過新陳代謝所排出二氧化碳的量，尤其是最大攝氧量（VO2max），該指標是評價心肺功能的金標準［12］；AT是指有氧代謝向無氧代謝轉換的臨界點，該零界點時，有氧代謝所產生能量無法滿足機體所需，需要無氧代謝補充，也是最大攝氧量出現的時刻，并且此刻尚未出現乳酸生產過量［13］。VO2和VCO2均通過檢查呼吸氣體中各自所占比重來測量，RER 為每分鐘二氧化碳排出量和每分鐘攝氧量的比值，VE 為潮氣量和呼吸率的乘積。以下展示部分參數計算方法。

VO2計算公式如下：

式中，Flow 為流量，單位：L/s；INSO2為吸入氣體中的氧氣濃度；T為采樣周期，單位：s。

VCO2計算公式如下：

式中，Atm為大氣壓。

本系統采用V-斜率法實現AT 的計算，VO2攝入量和VCO2產出量曲線分為兩段，較低部分斜率小于1，較高部分斜率大于1，當該曲線斜率由小于1 向大于1 轉折點對應的VO2值即為AT 值［14］。圖4紅色線在X 軸截距即為無氧閾，AT 下降是所有心血管疾病的特征。

RER計算公式如下：

VE計算公式如下：

式中，VT為潮氣量，RR為呼吸率。

圖4 V-斜率法測定無氧閾Fig.4 Determination of anaerobic threshold by V-slope method

4 運動方案和參數估算

4.1 運動方案

心肺運動試驗的目的是連續監測人體運動狀態下十二導聯心電圖、呼吸、氧氣以及二氧化碳等生命體征信號，以觀察人體是否會出現某些病理生理學改變，因此需要制定一套科學的運動方案。目前有運動平板和功率踏車兩種方案，鑒于功率踏車具備安全性高、易于操作、可直接記錄功率等優點，本系統的運動設備選擇功率踏車，該功率踏車功率遞增為：10～60 W/min，具體每分鐘遞增功率值根據受試者實際情況決定。

根據美國加州大學洛杉磯分校海港醫學中心（Harbor-UCLA）心肺運動試驗室的標準，本課題采用連續遞增功率方案使受試者完成癥狀限制性最大極限CPET［15-16］，其詳細實施步驟如下：先詢問受試者身體狀況，告知受試者試驗內容，讓受試者熟悉測試設備，調整座椅高度至最舒適位置以及緊急終止試驗情況等安全性步驟，進而安放心電電極貼，后佩戴呼吸面罩，首先在平靜狀態下進行靜態肺功能測試以及靜態十二導聯心電圖測試，緊接著在運動情況下連續監測并記錄十二導聯心電圖、呼吸、氧氣、二氧化碳以及血壓等生命體征參數的動態變化，以及VO2、VCO2等氣體交換指標變化趨勢。CPET 共包括4 個階段：靜息階段、熱身階段、極限運動階段和恢復階段，其詳細實施步驟如下：受試者首先在功率踏車上靜息3 min；然后進入熱身階段，以60 r/min 的速度在無負荷狀態下蹬車3 min；然后根據受試者實際情況選擇遞增功率（功率為10～50 W/min進行選擇），仍然以60 r/min 的速率蹬車，直到精疲力盡為止，該過程時間應該控制在9～12 min 內，從而獲得運動過程中各項心肺指標變化趨勢圖，此過程需要受試者全力配合，否則難以達到預定目標；最后逐漸降低功率進入恢復期，繼續以10～20 W/min的轉速蹬車30 s，然后靜坐4.5 min 結束整個測試過程，在恢復過程中繼續記錄該過程的心肺參數以及監測血壓［17］。

4.2 目標參數的估算

在心肺運動試驗中，需要估算無負荷VO2、峰值VO2、每分鐘遞增功率（W）、峰值HR 等，并且設定特定時間間隔，持續測量血壓，以保證受試者在測試過程中的安全，具體計算公式如下［18-19］：

成人無氧閾估計值與峰值VO2預計值的比值的95%可信下限為0.4（該公式僅針對25 歲左右的人群）。

通常情況下，在受試者達到最大心率或精疲力竭時，開始逐漸降低腳踏車功率進入恢復狀態，并持續檢測各項生理指標。測試過程中如遇見受試者在測試過程中出現頭暈、眼花、運動者血壓不升反降或嚴重高血壓反應（如收縮壓＞300 mmHg）時可考慮提前終止試驗。

5 初步的臨床試驗評測

本課題所設計的多參數運動心肺功能測試系統可直接監測5種生命體征信號，鑒于心肺運動試驗的復雜性以及應用的廣泛性，加之本課題的設計系統處于初步應用階段，故本系統僅將其用于運動不耐受判定以及初步病因的診斷，結合運動不耐受的病理生理機制，評價人體受控狀態下心功能、呼吸功能以及循環代謝等功能，并實現評價運動不耐受病因的診斷、運動建議以及康復指導方案。

為了驗證本課題所搭建系統對運動不耐受病因、心肺功能評價的準確性。本研究選擇7名志愿者進行心肺運動試驗，年齡22～27歲，均為健康男性，其中2 名經常運動健身，3 名運動量較少，2 名幾乎不運動。受試者信息如表1所示，表格中包含按照式（1）至式（4）計算所得關鍵參數的預計值。

表1 志愿者信息表Tab.1 Information of volunteers

采集環境為獨立、寬闊、安靜的專用運動心肺功能測試房間，操作人員在旁輔助、監測受試者身體狀況。指導受試者開始進行心肺運動試驗，首先進行靜態肺功能測試和靜態十二導聯心電圖檢查；其次按照第4.1 小節的心肺運動試驗臨床方案進行心肺運動試驗，以保證測試數據的有效性，并存儲整個測試過程的數據，以備后續診斷使用。

測試完成后，將數據文件導入運動心肺評測平臺進行算法自動分析。根據臨床的診斷標準，采用手動分析法提取運動心肺功能參數關鍵指標。以手動標定為參考，進行誤差分析。表2是本系統所測量部分運動心肺功能數據。

觀察表2可知，人工手動分析與軟件自動分析對VO2peak、VCO2peak 以及AT 存在著一定的誤差。通過觀察監測過程中的數據，對比軟件自動標定特征點與人工手動標定特征點，發現軟件自動標定相關信號特征點存在著漏判現象。造成該種現象主要原因還是在于運動過程中生理參數數據變異性大，所設計算法易受運動過程中干擾影響，以造成誤判和漏判現象，從而導致相關參數計算存在誤差。但軟件分析能夠迅速、準確分析計算出更多的生理參數指標，可對運動不耐受以及整體心肺功能進行初步評價，再結合人工手動分析進一步提取關鍵指標，最終可實現對整體心肺功能的全面診斷與評價。軟件自動分析VO2peak、AT 準確率分別為95.4% 和95.2%，該運動心肺功能測試系統能夠作為診斷運動不耐受以及人體心肺功能初步評價的工具。

表2 系統測試數據Tab.2 System test data

6 結論

本設計已經初步搭建出一套集合靜態肺功能檢測和運動心肺功能檢測的運動心肺功能測試系統，并實現了初步的應用。結合十二導心電圖、呼吸流量、氧氣、二氧化碳、血壓五大生命體征信號，在上位機通過特征點的識別，成功實現了FVC、SVC、MVV等靜態肺功能參數的測量，實現了VO2、VCO2、VO2/HR等動態心肺功能參數的測量，為后續國內研究人員研究運動心肺功能測試系統提供了很好的參考意義。

該系統還存在參數計算的準確性、應用面等問題，后續會對特征點提取的算法和硬件電路進行更新，提高系統的測量準確性，挖掘信號中更多的信息，對參數進行整合，使得對靜態肺功能和動態心肺功能的評價更加全面，輔助醫生更好地對患者的心肺功能進行診斷與治療，指導患者運動，預測運動風險，將其應用于術前麻醉風險評測等方面，進而更好地服務社會。