心应变能力及其测量和心脏康复应用

心应变能力系列指标及其测量和心脏康

复应用

Chronotropic

Competence

Indices,

Their

Measurement

and

Rehab

Prescription

系统工程、系统科学nnn钱学森：把极其复杂的研制对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体，系统工程从复杂问题的总体入手，认为总体大于各部分之和，各部分虽较劣但总体可以优化。可

计

算

：复杂系统

–

系统模型

–

系统方程

–

模拟分析和设计

–

系统控制

。从控制论，动力系统理论发展到如工程、管理、经济、生物、医学、社会等。康复医学是系统医学nnnnn康复评定远比诊断细致而详尽，是客观地、准确地评定功能障碍的原因、性质、部位、范围、严重程度、发展趋势、预后和转归，为康复治疗计划打下牢固的科学基础。人体是由大量结构和功能不同的部件组成的超复杂系统，其复杂的功能和行为是由这些部件选择性和非线性的相互作用产生的。康复医学就是要用系统科学理论和方法，综合研究和认识复杂的人体及其疾病和功能障碍。1932年生理学创始人美国哈佛医学院教授Walter

BCannon提出人体体内平衡（Homeostasis）。1939

Heymans获诺贝尔奖：发现心血管系统血压、心率和气体交换调控中的颈动脉和中心动脉的感知神经区。美国Iowa大学Abboud教授完善了心肺代谢系统调控体系，获Cannon2009奖。运动系统描述和评估

心肺代谢系统肌肉骨骼系统心脏康复：心血管、肺、自主神经系统水平的动态功能评估系统数学模型、测量、参数估计、模拟

物理康复：肌肉、

康复：动态系统分析

神经、运动过程中

动态功能评估目标nn运动就是生命，心肺循环系统是生物体内的代谢系统，它的功能就是将营养物和氧输送到各组织器官，保证人体各种活动的正常进行。目标：qqqq根据国内外生物医学界的研究成果，探讨心肺循环系统功能的评估和运动处方的制定方法，以及他们的科学依据和临床应用；讨论心应变能力系列指标及其临床应用意义；数字心肺步行试验（DCW）在心脏病人危险分层和康复处方制定上的应用。讨论心应变能力系列指标与DCW在三期心脏康复中的作用。参考文献n

冠心病康复与二级预防中国专家共识，中华医学会心血管病学分会、中

国康复学医学会心血管病专业委员会、中国老年学学会心脑血管病专业

委员会nnnnnAerobic

Exercise

Intensity

Assessment

and

Prescription

inCardiac

Rehabilitation，A

joint

position

statement

ofEACPR,AACPR

and

CACRACSM’s

Guidelines

for

Exercise

Testing

and

Prescription,

9

thedition.ACSM

2014

Exercise

Prescription

for

Patients

withCardiovascular

and

Cerebrovascular

DiseaseImportance

of

characteristics

and

modalities

of

physicalactivity

and

exercise

in

the

management

of

cardiovascularhealth

in

individuals

with

cardiovascular

disease

(Part

III)The

European

Society

of

Cardiology

2012Core

Components

of

Cardiac

Rehabilitation

/Secondary

PreventionPrograms:

2007

Update,

A

Scientific

Statement

From

the

AmericanHeart

Association内容nnn心肺运动试验、吸氧量、代谢当量、心率；心应变能力、心肺步行试验；危险分层和运动康复处方的制定。心肺运动试验nnn心肺运动试验（CardioPulmonary

eXercisetesting

CPX）是目前国际公认的评估心肺功能的试验。在运动中逐拍测量吸氧量Vo2、呼出二氧化碳Vco2量和通气量Ve，以及心电、血压等。计算、分析和评估心肺对运动的反应。主要指标

重点在于运动极限qqq最大吸氧量，运动极限时的心输出量与动静脉血氧差的积无氧阈（Ventilatory

Threshold

VT），递增运动强度时，由有氧代谢供能开始转换成无氧代谢供能的临界点。Respiratory

Exchange

Ratio

RER

>

1.10表明已经尽

了最大努力。Gary

J.

Balady,

etc.,

Clinician’s

Guide

to

Cardiopulmonary

Exercise

Testing

in

Adults,

AScientific

Statement

From

the

American

Heart

Association,

Circulation

.

2010;122:191-225.CPX的几个主要参数曲线CPX的价值和应用问题nnnnnCPX是国际公认的心肺评估设备，最大吸氧量也是国际公认的评估心肺功能的金标准。由于CPX测量方法和原理比较复杂，不太容易被临床医生和护士理解。据AHA，在美国，也存在不少医务人员，都有对CPX及其测量值理解不够和片面的现象。CPX要求受试者达到极限运动量。对于心肺病人，不但难以实现，而且危险。在中国，病人大都达不到运动极限，，导致测量参数的价值有限。CPX需要定期校准，昂贵、维护和使用都很复杂。吸氧量的测量只能在特定环境，在大部分应用场合难以使用。必须寻求更为简捷的方法，代谢当量和心率成为替代数字度量，自感用力度RPE作为主观度量。代谢当量MET

Metabolic

Equivalent

ofTaskn

定义为人体在某种运动中单位时间单位体重的

氧耗量，以3.5

ml

O

2

·kg

−

1

·min

−

1

为一单位

。nis

a

physiological

measure

expressing

theenergy

cost

of

physicalactivities

and

isdefined

as

the

ratio

of

metabolic

rate(and

therefore

the

rate

of

energyconsumption)

during

a

specific

physicalactivity

to

a

reference

metabolic

rate,set

by

convention

to

3.5

mlO

2

·kg

−

1

·min

−

1美国运动医学会代谢当量计算公式(S=Speed;

G=Grade)nnnWalking

(most

accurate

from

1.9-3.7

mph)q

VO

2

=

(0.1

•

S)

+

(1.8

•

S

•

G)

+

3.5Treadmill

and

Outdoor

Running

(for

speeds

>

5mph)q

VO

2

=

(0.2

•

S)

+

(0.9

•

S

•

G)

+

3.5Leg

ErgometryqVO

2

=

1.8

(work

rate)/(BM)

+

3.5

+

3.5nArm

ErgometryqVO

2

=

3

(Work

Rate)/(BM)

+

3.5nSteppingqVO

2

=

(0.2

•

F)

+

(1.33

•

1.8

•

H

•

f)

+

3.5代谢当量的应用及问题nnn代谢当量由于其简单、测量方便，被ACSM推荐而广泛应用。代谢当量的定义本身、ACSM的计算公式，都是对大量人群的统计结果。对某些特定人来说，计算值受身体和环境的影响，如肥胖程度、体质、心血管健康、环境等。然而，代谢当量计算值具有很大的参考意义。在没有更好、更实用的运动强度指标出现的情况下，代谢当量仍然会在国际上广泛使用。心率对运动的反应医学界观测到，常人的心率对运动的曲线与吸氧量的斜率相当，呈线性。一般情况下，可以用心率来表示运动强度。6Noexertionatall7Extremelylight9Verylight-(easywalkingslowlyatacomfortablepace)11Light13Somewhathard(Itisquiteaneffort;youfeeltiredbutcancontinue)15Hard(heavy)17Veryhard(verystrenuous,andyouareveryfatigued)19Extremelyhard(Youcannotcontinueforlongatthispace)20Maximalexertion自感用力度Rate

of

PerceivedExertion

(RPE)内容nnn心肺运动试验、吸氧量、代谢当量、心率；心应变能力、心肺步行试验；危险分层和运动康复处方的制定。心率在代谢系统中起主要作用nnnnnn根据Fick方程：

Vo

2

=

SV

*

HR

*（C

a

-

C

v

）即：吸氧量是心博量SV与心率HR之积,再乘以动静脉血氧差。当一个健康人达到在运动极限状态时，其Vo2增加4倍，其中心率增加贡献2.2，心博量增加贡献0.3，动静脉血氧差的增加贡献1.5。这就是说，评估心肺动态功能，可以以心率运动的自适应变化为主线。靶心率是运动康复中公认用于表征运动强度的度量。心应变能力缺失ChronotropicIncompetence

自1970起，国际上对心脏

应变能力缺失Chronotropic

Imcompetence

（CI）开展了广泛和深入的研究，大量的临床研究表明，心应变能力

缺失是心血管事件和死亡率的独立且明确的指标，在临床上多种疾病

的预后具有重要价值。其中典型的代表人物是Cleveland

Clinic

Foundation

的Lauer。他几十年来，对数以几千计的人员进行多年跟

踪研究，疾呼CI在临床中的重要性。nnnMichael

S.

Lauer

,

Peter

M.

Okin

，

Martin

G.

Larson

,

Jane

C.

Evans

,

Daniel

Levy

,

Impaired

Heart

RateResponse

to

Graded

Exercise

Prognostic

Implications

of

Chronotropic

Incompetence

in

the

FraminghamHeart

Study，Circulation.1996;

93:

1520-1526美国加州大学洛杉矶分校医学院等联合进行了多次试验，分别对10,021人和11,218人将CI与“心肌灌注单光子发射计算机体层摄影术（SPECT）”进行对比，发现，心率储备和心率恢复是全因死亡和心血管病死亡的独立预测指标，在内容和严重性方面是SPECT预后价值的补充。因此他们认为，CI

指标应该成为评估心率运动反应的标准,成为危险分层的常规和例行参数。Arbit

B

,

Azarbal

B

,

Hayes

SW

,

Gransar

H

,

Germano

G

,

Friedman

JD

,

Thomson

L

,

Berman

DS

,

PrognosticContribution

of

Exercise

Capacity,

Heart

Rate

Recovery,

Chronotropic

Incompetence,

and

MyocardialPerfusion

Single-Photon

Emission

Computerized

Tomography

in

the

Prediction

of

Cardiac

Death

and

All-Cause

Mortality,

AmJCardiol.

2015

Dec

1;116(11):1678-84CI

的临床价值nnnnn多个大规模临床试验表明，CI是独立的全死因指标。A.

Dhoble,

B.

D.

Lahr,

T.

G.

Allison,

S.

L.

Kopecky,

CardiopulmonaryFitness

and

Heart

Rate

Recovery

as

Predictors

of

Mortality

in

a

ReferralPopulation

Journal

of

AHA.

2014;3心应变能力系列指标是临床定量评估心衰病人、指导康复方案的理想方法。Vera

Kubrychtova,

Thomas

P.

Olson,

Kent

R.

Bailey,

Prabin

Thapa,

Thomas

G.Allison,

and

Bruce

D.

Johnson,

Heart

rate

recovery

and

prognosis

in

heartfailure

patients,

Eur

J

Appl

Physiol.

2009

January

;

105(1):

37–45.心应变能力指标是描述人体新陈代谢系统功能的重要定量指标，对糖尿病诊断和预后方面有重要的临床价值Keytsman

C

,

Dendale

P

,

Hansen

D

，Chronotropic

Incompetence

During

Exercisein

Type

2

Diabetes:

Aetiology,

Assessment

Methodology,

Prognostic

Impactand

Therapy.

SportsMed.

2015

Jul;45(7):985-95.心应变能力

Chronotropicn

美国老年心血管学会

床上远没有得到应有

重视和应

统一，缺乏有效的测量设备所致。

Peter

H.

Brubaker,

Dalane

W.

Kitzman,

Chronotropic

Incompetence

Causes,

Consequences,

and

Management,

Circulation.

2011;123:1010-1020.nnn我们深入研究了近30年来的国际研究成果，提出下面的心应变能力系列指标（Chronotropic

Competence

IndicesCCI）。心应变能力，即心脏应运动变化而自适应改变心率的能力和反应速度，包括：心脏的心率静止时、随运动量增加而加快达到最大值、运动停止后恢复的数字度量。它描述了心脏在新陈代谢系统中自适应运动变化的整个过程，是一组较为全面的数字度量。1、

静止心率Resting

Heart

RateRHRn

身体处于静止状态下和适中环境温度下、心情

处于平静状态下的心率，正常值范围60-80BPM

。研究和临床实践证明，心率异常是住院率和

死亡率升高的征兆。2、心应变率ChronotropicRate

n

定义心

应

变率CR

为心率对运动量的变化率，或为单位运动当量

变化所引起心率的变化，是心脏对运动的应变速度：nnn(

3

)CR

(

HR

stage

HR

rest

)

/(

MET

stage

1

)欧洲和美洲心脏学会的联合科学文件将心应变率称为“Exercise

HR”，它提供心脏对运动应变能力的深入度量，其正常值为运动代谢量增加一单位当量，心率增加10BPM。美国西北大学自1992到2008对5437名无症女性进行运动试验跟踪，在549个死亡者中，心应变率小是独立死亡预测因子(P<0.023）。•

EACPR/AHA

Joint

Scientific

Statement,Clinical

recommendations

for

cardiopulmonaryexercise

testing

data

assessment

in

specific

patient

populations•

Gulati

M,

Shaw

LJ,

Thisted

RA,

Black

HR,

Bairey

Merz

CN,

Arnsdorf

MF，Heart

rateresponse

to

exercise

stress

testing

in

asymptomatic

women:

the

st.

James

women

takeheart

project，Circulation，2010

Jul

13;122(2):130-7

3、

心应变极限Chronotropicn

备Heartnn(

2

)CL

HRR

(

HR

max

HR

rest

)

/(

HR

Pr

edM

HR

rest

)其中最大心率预测值（HR

PredM

），国际上通用220-age来预测，最近修正为健康男性208

-（0.7

x

Age）、女性206

-（0.88

xAge）、冠心病人164

-（0.72

x

Age）。对一60岁的冠心病人，其最大心率预测值为：121bpm，比同龄健康人少了40bpm。挪威

奥斯陆

大学医院对2000多人进行了35年跟踪研究，其中528人因心血管事件死亡。统计发现，心应变极限（心率储备）低下使其死亡危险增加70%。

Exercise

Standards

for

Testing

and

Training,

A

Scientific

Statement

From

the

American

Heart

Association,

Circulation.

2013;128:873-934.

Kristian

Engeseth,

Christian

Hodnesdal,

Irene

Grundvold,

Knut

Liest

ø

,

Knut

Gjesdal,

Gunnar

Erikssen,

Sverre

E

Kjeldsen,

Jan

E

Erikssen,

Johan

Bodegard1

and

Per

Torger

Skretteberg,

Heart

rate

reserve

predicts

cardiovascular

death

among

physically

unfit

but

otherwise

healthy

middle-aged

men:a

35-year

follow-up

study,

European

Journal

of

Preventive

Cardiology

0(00)

1–8

2014心应变极限Chronotropicn

试

到

限，也

max。

时的CL正常值在0.8-1.3之间。nn在我国，由于风险的考虑、也由于文化和认知的原因，很少有病人在CPX中达到运动极限。因此，CL值达不到0.8。在步行试验中，HR

max

是最大步行努力所达到的最大心率。比CPX中达到极限运动时的CL小，通常>0.4就算正常了。4、运动心率恢复

（Heart

rateRecovery

after

Exercise

(HRE）nnn定义为峰值运动心率与运动停止后1分钟心率的差，表示运动停止后心率恢复到静止心率的速度。欧洲和美洲心脏学会的联合文件认为，1分钟运动心率恢复反映了副交感神经再激活的速度。正常值

>

12BPM。被大量研究证明为一种非常有力的预后指标。qq例如：Kopecky等对6546个平均年龄在49岁的无心血管病史的人群历经10年的心率运动试验跟踪研究，在死亡的285人中，运动心率恢复值小于12是独立的全死因（all-cause

mortality）指标。美国和捷克医学专家对712名心衰病人进行了8.2年的运动心率恢复与死亡率的跟踪研究。将病人按照运动心率恢复值分成三组（<5,<9,

≥10），非常好的预测了这三组病人的1、5、10年的死亡率。nnCarlos

Vieira

Duarte

，

Jonathan

Myers

，

Claudio

Gil

Soares

de

Araújo

，Exercise

heart

rate

gradient:

anovel

index

to

predict

all-cause

mortality，European

Journal

of

Preventive

Cardiology，May2015

22:

629-635

A.

Dhoble,

B.

D.

Lahr,

T.

G.

Allison,

S.

L.

Kopecky,

Cardiopulmonary

Fitness

and

Heart

Rate

Recoveryas

Predictors

of

Mortality

in

a

Referral

Population

Journal

of

AHA.

2014;3数字

心肺步行试验（DCW）nDCW以穿戴式设备和无线通信方式，实时、准确测量和分析心电图和运动数据，提供一整套心肺动态功能指标。qqqqq自动测量，随时随地。实时监测、警示和记录运动异常和心率异常。不需要达到运动极限，大大降低试验风险。提供一整套数字度量，包括：步态时空参数、运动强度和代谢当量、心应变能力系列指标（Chronotropic

CompetenceIndices）等；其临床意义已被国际大量研究证明，并由国际权威组织推荐。自动生成试验报告，提供危险分层和运动康复处方建议。与智海云服务平台连接，成为整个服务体系的组成部分。n与心肺运动试验相比，DCW是理想的新一代心肺功能测试评估设备。蓝牙WiFi

1-5

套穿戴设备组成一个工作站DCW分三个阶段：1、受试者保证静止状态，系统采样其中一分钟运动和心电信号；2、6分钟步行开始，秒表开始计时。在无心电异常的情景下，自动鼓励受试者加速至最快速度，并达到最大速度和最大心率；3、6分钟步行结束，受试者恢复静止状态，1分钟秒表计时，记下运动停止后1分钟时的运动和心电信号。系统实时记录和分析三个阶段的心电和运动，生成试验报告。扩展：不限定6分钟，场地或跑步机，可以走或跑，等。测试过程中运动量和心率曲线心率运动反应指标测量值参考值静止心率Restingheartrate60-80pbm运动最大心率MaxHRinExercise最大心率时代谢当量METatMaxHR距离分级WalkingDistanceGradingI≤300<II≤375<III≤450<IV心应变极限ChronotropicLimit心应变率ChronotropicRate～10BPM运动心率恢复HRrecoveryafterexercise≥12BPM心率运动反应数字指标汇总内容nnn心肺运动试验、吸氧量、代谢当量、心率；心应变能力、心肺步行试验；危险分层和运动康复处方的制定。欧洲心脏康复学会个性化原则nPA

recommendations

and

exercise

trainingprogrammes

for

patients

with

coronary

arterydisease

or

chronic

heart

failure

need

to

betailored

to

the

individual‘s

exercise

capacityand

risk

profile

,

with

the

aim

to

reach

andmaintain

the

individually

highest

fitness

levelpossible

and

to

perform

endurance

exercisetraining

30–60

min

daily

(3–5

days

per

week)

incombination

with

resistance

training

2–3

times

aweek。

-

Importance

of

characteristics

and

modalities

ofphysical

activity

and

exercise

in

the

managementof

cardiovascular

health

in

individuals

withcardiovascular

disease

by

EACPR

(Part

III)

2012.心脏运动康复处方nnnFITT（Frequency，Intensity，Time，Type）运动频次，目标：每天一次运动强度，以耗氧量来计量运动强度虽然科学，但无可能。只能退而求其次，使用如下三种方法描述和监测qqq以代谢当量表示的Workload

–

MET

levelRate

of

Perceived

Exertion

(RPE)心率

Heart

rate

(HR)nn运动时长，20-40分钟运动类型：步行、操、太极拳等。nn心脏病人危险分层

中国专家的危险分层表，危险分层保证安全和个性化康复。

DCW试验提供第一、二项，第六项功能储备可以用6分钟步行距离和1分钟

心率恢复来替代。在CPX试验未达极限运动情况下，欧、美、加心脏康复委员会推荐危险分层。因此，在中国专家共识中，可以用6MWT距离来代替运动功能储备；外加运动心率恢复，如：>12,9-12,6

-9,≤6;n以中国病人为对象，进行深入的临床研究。心脏病人危险分层

n

n

NYHA

分级（

CCS

分级类似）

Ⅰ

级：患者有心脏病，但日常活动量不受限制，一般

体力活动不引起过度疲劳、心悸、气喘或心绞痛。

Ⅱ

级：心脏病患者的体力活动轻度受限制。休息时无

n

自觉症状，一般体力活动引起过度疲劳、心悸、气喘

或心绞痛。

Ⅲ

级：患者有心脏病，以致体力活动明显受限制。休息时无症状，但小于一般体力活动即可引起过度疲劳、心悸、气喘或心绞痛。Ⅳ

级：心脏病患者不能从事任何体力活动，休息状态下也出现心衰症状，体力活动后加重运动强度MET%peakVo2%peakHRTPEBorgScaleVeryLight1.2-1.9<25<35<10Light2.0-3.925-4435-5410-11Moderate4.0-5.945-5955-6912-13Heavy6.0-7.960-8470-8914-16Varyheavy8.0-10≥85≥9017-19Maximal>1010010020ACSM

运动强度相对分类正常人：70-85%

Peak

HR，病人：50-85%

Peak

HR

60-80%

Peak

Vo2，

40-80%

Peak

Vo2EACPR心脏病人运动康复实现Light

to

moderateModerate

to

heavy不同病人的推荐运动强度心脏病人运动康复强度nnn运动处方中的强度可以用代谢当量、RPE和心率来表示。但在实际执行中，运动可以有各种不同的形式，采用不同的器械。最方便的是心率。每个病人的运动处方应该是个性化的，如在心肺运动试验中测量出极限运动心率：160BPM，静止心率75BPM，取靶心率为70%

Peak

HR，则：

HRexerc

=

（160-75）*70%

+

75

=

134.5两个挑战：qq心脏病人的心应变率会发生变化，特别是使用Beta阻滞剂者。虽然用CPX测出的Peak

HR中，包含了运动能力和心应变率，但为了及时适应变化，必须经常做运动试验。这不大现实。心率与实际运动强度之间有一个延迟，这对于心应变能力缺失的病人更为严重。在实施运动康复训练时应予以注意。心应变能力在运动康复中具有临床意义。运动处方nnnnnn如果不能获得极限运动心率，怎么办？采用最大心率预测值

HR

PredM

=

220-age？不合适。EACPR认为，个性化运动康复强度，取决于运动能力和危险因素情况。在同样的运动强度下，因人而异，或因时间而异，其表征运动强度的吸氧量、心率会不同。EACPR、AACPR等均根据心脏病人情况，定义了运动强度，如上表。中国专家的危险分层考虑的因素，包含了运动能力。根据病人的危险分层，可以估计病人的运动功能储备，即：低、中、高危病人分别为：7、6、5MET。因此，我们从不同危险分层的病人，获得其运动能力储备，计算其运动强度，进一步使用测得的心应变能力系列指标，计算靶心率。分级6MWT运动心率恢复运动储备推荐运动强度高危≤300m≤6BPM5MET3.0-4.0中危300–450m6-12BPM6MET3.5-4.5低危>450m>12BPM7MET4–5.5危险分层和运动强度取值nnn手术后病人，运动强度取light或very

light，即：静止心率+20,2-4MET，RPE10-11；监测ECG,

BP,

RPE,

和缺血症状，在