一、理论基础

人体的任何活动都离不开氧供和机体对氧的利用。维持生命以及不同体力活动所需的能量来自代谢底物的氧化作用，其中氧在底物释放高能复合物的氧化过程中作为质子受体，因此氧是代谢底物释放量的关键。高能复合物中的能量就体现在磷酸键中，其中主要的是腺苷三磷酸（Adenosine triphosphate，ATP）。在肌原纤维中通过酶促反应调节高能磷酸键（-P）的分解，释放出的能量再转化为肌肉所需的机械能，从而肌群在能量的作用下进行各项活动。但是由于细胞中储备的高能磷酸键相对于肌肉的需求来说远远不足，因而必须增补高能磷酸键或者说增加氧耗以维持运动所需。从中我们可以看出，氧气消耗与高能磷酸键生成之间存在密切的关系，也就是说通过测量氧气消耗就可以显示体力活动时所消耗的高能磷酸键。

从运动生理学角度认识运动时机体的能量来源，运动时首先需要ATP释放出其末端的磷酸键以满足肌肉运动时的能量所需。肌肉中的ATP再生的生物能学过程可通过3种机制来实现：底物（主要是糖原和脂肪酸）的有氧氧化；磷酸肌酸的无氧水解；糖原或葡萄糖的无氧氧化，即通过转化为丙酮酸再生成乳酸（确切来说是转化为乳酸根及其相关的质子）。所有这些过程对于正常的运动反应来说均至关重要，它们在整个生物学反应过程中发挥着各自不同的作用，缺一不可。

糖类和脂肪酸的有氧氧化是ATP再生的主要能量来源，同时是持续的中等强度运动时的唯一来源。在健康个体中，约有5／6的能量来自于糖类的有氧氧化，约有1／6的能量来自于脂肪酸的有氧氧化。为了维持一定强度水平的运动，心脏呼吸系统必须做出充分的反应以供给所需的氧气以通过有氧方式再生ATP以备体力活动所需。在运动的初期，肌原纤维中局部储备的磷酸肌酸是高能磷酸键的一种来源，磷酸肌酸可被肌酸激酶快速降解而生成肌酸和无机磷酸，同时释放出的能量可再生ATP。同有氧运动充分的个体相比，在同一给定的运动强度下，有氧训练不良的个体磷酸肌酸或者说氧耗降低的速度更快。同ADP一样，磷酸肌酸与氧耗的调节也密切相关。因此，当细胞内磷酸肌酸浓度发生改变时，此种变化的情况常常被看作运动早期肌肉氧耗的一个指标。

机体在进行体力活动时要求机体生理调控机制间相互作用从而使心血管和呼吸系统间维持协调以发挥它们的共同功能，即满足肌肉收缩时的细胞呼吸氧耗（O2 consumption）和二氧化碳产量（CO2 production）的增加。因此在运动期间心脏循环系统和呼吸系统均处于应激状态，用以满足肌肉运动时需氧的增加，并排出生成的二氧化碳。因此，研究运动状态下外呼吸状态可反映器官系统的功能状况，从而将外呼吸与细胞呼吸相耦联。

心肺运动试验有助于研究者同步了解在精确的代谢条件下细胞、心血管系统，以及呼吸系统的反应情况。运动负荷试验如果没有确定的气体交换，就不能真实评估心血管系统和呼吸系统在细胞呼吸方面的作用。所以，CPET在一定程度上有助于研究者区分受试者的病态和常态，对呼吸耦联机制进行分级，以评价病变器官系统的治疗效应。CPET是了解心血管和呼吸系统病理生理的一种最廉价的诊断方法，因为与其他诊断性试验只评价单一器官系统不同，心肺运动试验可同步评价运动时相关的每一个器官系统。只存在测量心电图的运动试验仅能支持心肌缺血做出诊断，但是就具体的一位患者来说，他可能存在混合性的缺陷（如心和肺）。CPET可在采用主要的针对性治疗措施前确定患者的受限症状究竟是哪一种缺陷所引起的。(https://www.daowen.com)

循环系统的功能核心就是通过心脏收缩和舒张导致的血流再分布过程，由血液流动，从而实现为全身组织细胞提供氧气和能量物质，同时把代谢产物运出，使得组织细胞的内环境稳定。因此心脏功能受限的状态常常被描述为“缺血”或者“缺氧”表现。在心血管领域，关于患者心肌缺血的早期诊断，运动负荷试验就有重要的临床价值。

传统运动负荷试验主要观测心电图和血压变化，使临床医生漏掉了很多能够反映患者病情的重要生理学医学信息，特别是反映心血管功能的核心指标如运输氧的能力和需供平衡能力并未得到体现，这就明显限制了运动负荷试验的临床应用范围和临床应用的安全性。

人是不可分割的有机整体。机体在运动时同时刺激循环、呼吸、代谢等所有系统，不是单一的某个系统。因此，在运动负荷试验过程中，我们不仅要监测心电图、血压等循环指标，还要同时监测呼吸、代谢等方面的指标，所以可以把气体交换测定加到负荷运动试验过程中，以此提高在同一个运动时获得更多可以用于诊断、评估、预测预后的信息。

心肺运动试验（CPET）作为一个不同于传统的心或者肺单一系统运动试验，它是首先在静息状态下测定人体的全套肺功能之后，连续动态监测记录所有心肺代谢无创功能，甚至动、静脉和肺动脉置管直接测压及取血（血气分析和各种化学成分），从静息、无负荷热身、功率递增至症状限制性最大负荷运动和恢复的动态变化情况。CPET是该个体的呼吸、血液循环和代谢系统在神经体液调节下，在消化、吸收、排泄、泌尿、皮肤等配合维持之下联合完成氧气代谢为核心的整体生理学主要信息的唯一临床检测方法。只要运用整体整合生理学医学理论体系，耐心细致地正确判读，就可以为人体各系统功能状态得到一个整体、客观、定量的科学评估，从而达到区分健康和亚健康，指导健康管理以及疾病的诊断、病情评估、治疗效果评估、指导运动康复及预测预后的目的。所以，CPET被广泛地应用于肺动脉高压、右心衰竭、左心衰竭、冠心病、代谢类疾病、呼吸疾病等的临床实践中。