心肺运动试验研究热点可视化分析

王立霞，李 欣，周 璇，陈 楠，宋圆圆，张 桢，杜 青*

1. 上海体育学院运动科学学院（中国上海 200438）；2. 上海交通大学医学院附属新华医院康复医学科（中国上海 200092）；3. 上海交通大学医学院附属新华医院崇明分院康复医学科（中国上海 202150）

心肺运动试验（cardiopulmonary exercise testing,CPET）是目前唯一通过一次测定能够全面、客观、定量评估心肺整体功能的临床金标准，也是亚临床和健康评估工具之一［1］。CPET可监测被检查者静息状态及运动负荷下全导联心电图和血压变化，也可反映肺通气指标、摄氧量和二氧化碳排出量等代谢指标结果，综合评价心肺协调功能和肌群代谢水平［2］，既适用于健康人，也适用于呼吸、心血管、代谢、血液及神经等系统各类疾病患者［3］。CPET在常规运动测试的生理参数基础上，增加了通气量、吸氧量和呼出二氧化碳的测量；与传统的运动测试相比，CPET提供了涉及肺、心血管、肌肉和细胞氧化系统的全面评估，有助于临床医师诊断鉴别心肺疾病，优化决策过程和结果预测，制定客观的治疗目标［4］。目前CPET的临床应用主要包括心肺系统疾病诊断，疾病危险分层及预后、围手术期评估，疗效评价和心脏康复指导等方面。自20世纪50年代起源以来，CPET研究热度持续增长，随着临床研究不断深入，CPET的应用日趋广泛。了解现阶段CPET研究热点，对进一步开展临床研究和实践，针对性深入剖析与评价不同人群的整体生理功能、疾病诊断、病情严重程度评估、疗效评估和疾病的预后转归具有重要意义。

本研究借助CiteSpace软件对中国知网（China national knowledge infrastructure, CNKI）和科学引文索引（web of science, WOS）收录的CPET相关研究文献进行定量和可视化分析，梳理国内外CPET文献整体脉络，旨在探究当前研究热点及发展趋势，为后续相关领域研究与临床应用提供参考。

1 资料与方法

1.1 文献来源

检索2021年4月1日前公开发表的所有中英文CPET相关文献。英文文献来源于WOS数据库核心数据集，采用检索式：主题（term mesh）“cardiopulmonary exercise test” OR 主题“CPET”进行检索，文献类型为Article和Review，语种为English，排除会议论文集、硕博论文、新闻报纸、图书等，并阅读摘要剔除无关文献。中文文献来源于CNKI数据库，以 “心肺运动试验”为主题词，删除重复文献、排除非期刊文献并阅读摘要剔除无关文献。

1.2 文献分析方法

2 结果

2.1 发文量分布

英文文献共检索到7 426篇，最终纳入5 926篇；中文文献共检索到978篇，最终纳入615篇。按照年份分析，CPET的英文文献发文量持续增加，近15年增长速度明显加快，在2008、2012、2016年均出现显著增长，且2020年较2000年增长近8倍；中文文献发文量逐年增多，虽总数较少，但近5年呈现迅速增长。详见图1。

图1 CPET发文量趋势图

2.2 核心研究者分布

就研究者而言，弗吉尼亚邦联大学Ross Arena发文量最多（152篇），主题涉及身体活动、心肺功能、慢性疾病和有氧能力等。中心性最高的3位研究者分别是意大利米兰大学Marco Guzzi（0.09）、德国慕尼黑理工大学Alfred Hager（0.07）和美国斯坦福大学Jonathan Myers（0.04）。3位研究者在与CPET相关的不同学科领域中发挥了重要的连接作用，形成了以其为核心的学科交叉研究体系。中文文献核心研究者是以孙兴国（61篇）、刘锦铭（52篇）、杨文兰（36篇）为代表的研究团队。详见图2。

图2 Web of Science和CNKI中CPET核心研究者分布图

2.3 发文国家及机构分布

对英文发文国家进行分析发现，共有43个国家（地区）进行CPET相关研究并发表论文。发文量前5位的国家依次为美国（1 596篇）、意大利（706篇）、英国（636篇）、巴西（496篇）和德国（467篇），其中，美国发文量占总量的25%。

意大利米兰大学（222篇）、美国哈佛大学（202篇）、美国加利福尼亚大学（182篇）是英文文献发文量排名前三的机构。而中文发文量领先的机构为中国医学科学院阜外医院（68篇），同济大学附属上海市肺科医院次之（53篇）。

2.4 相关学科分析

以学科为节点绘制相关学科知识图谱发现，CPET的英文文献主要聚焦于心脏与心血管系统、呼吸系统、生理学和运动科学方面的研究（图3）。

图3 WOS数据库CPET相关学科知识图谱

随着中文研究内容多元化和多学科交流合作的不断深入，CPET中文文献的跨学科领域研究以工程学为基础，逐步融合医学研究与实验、心脏与心血管系统、运动科学，药理学等多个学科（表1）。

表1 CNKI数据库CPET研究中心度前五相关学科表

2.5 CPET研究热点主题

按时间片段生成2010—2020年关键词时序图谱，发现近10年英文研究关键词在先天性心脏病、运动耐量、通气效率、疾病预后的基础上向心血管风险预测、心功能指标、运动健康等方面延伸。中文研究关键词在心肺运动试验，心肺功能，运动耐量的基础之上朝有氧运动、心脏康复、运动处方等方向发展（图4）。

图4 关键词时序图谱

2.5.1 国际热点主题 对关键词进行词频分析，去除与搜索关键词相似的两个关键词“运动”和“心肺运动试验”后，出现频次最高的是“心力衰竭”，即CPET在心力衰竭中的应用最为广泛，主要体现在心功能评定和临床预后评估两方面（表2）。CPET的研究人群多为成年人和儿童，多用于心力衰竭和冠心病这类心血管疾病中，研究主题涵盖运动试验、CPET参数（摄氧量、无氧阈、耗氧量）、运动耐量、疾病诊断、疾病风险分层与预后、身体活动及功能评估等方面。CPET在为心脏康复提供运动能力评估、运动处方制定、康复效果及预后评价中发挥着重要作用，有研究证实以运动为基础的心脏康复可以减少心血管病死亡率并提高生活质量［6］。

表2 WOS数据库CPET研究高频关键词一览表

2.5.2 国内心肺热点内容 对中文文献关键词进行聚类分析，Q值为0.526 4，S值为0.548 5，表明聚类效果显著合理，CPET中文研究热点包括抗阻训练、呼吸困难、冠心病、高血压、最大摄氧量、慢性阻塞性肺疾病、肺疾病、安全与风险等八方面内容。

2.6 心肺运动试验的研究前沿

2.6.1 国际研究现状 本研究共获得23篇突现英文文献，根据突现起止时间，将研究前沿归纳为早期、中期和最新研究前沿，以探究CPET在不同时期的研究方向（图5）。

图5 WOS数据库CPET研究突现文献

早期研究前沿是指从1994年—2005年开始突现的9篇节点文献反映的研究主题，包括CPET在循环系统疾病中四方面的应用。① 疾病风险评估。有研究指出最大摄氧量（maximal oxygen uptake volume, VO2max）可用于心力衰竭患者的风险评估［7］，但对于心力衰竭患者早期死亡风险的预测，无氧阈（anaerobic threshold, AT）和二氧化碳通气当量（ventilation equivalent of carbon dioxide,VE/VCO2）比VO2max更敏感［8］。② 心脏移植最佳时机的选择。研究［9］发现，峰值摄氧量（peak oxygen uptake，VO2peak）可用于判断严重左心室功能不全患者的最佳心脏移植时机；当VO2peak实测值＞ 50% VO2peak预测值时，提示可推迟心脏移植时间［7］。③ 疾病预后判断。VE/VCO2和VO2peak均可预测慢性心力衰竭患者的预后情况［10-12］，前者的比值升高提示晚期慢性心力衰竭预后不良［13］。④ 疾病干预前后运动能力和通气功能的评估。VE/VCO2和VO2max一定程度可反映肺通气功能［14］。Chua等［15］基于上述指标探究慢性心力衰竭患者化疗敏感性与运动时通气反应的关系；Wensel等［16］则通过干预前后CPET的运动持续时间和血压的对比，探讨伊洛前列腺素对原发性肺动脉高压患者运动能力的改善作用。

中期研究前沿是指2006—2009年开始突现的7篇节点文献反映的研究主题，集中在CPET参数研究四方面的应用价值。① 疾病风险分层、诊断和预后。有研究建议以VE/VCO2斜率的多级分类对心力衰竭严重程度进行风险分层［17］，将有氧能力和通气效率作为预后和诊断指标以及干预性试验的终点证据［18］。② 健康管理及参考。通过CPET确定功能状态进一步实施健康管理，以CPET为基础制定肺活量标准［19］、CPET声明［20］，就运动试验应用于临床实践提出相关建议［21］。③ 评价运动耐量。通过CPET可获取心排血量、每搏输出量等指标进而评估运动耐量［22］。④ 评价其他心肺测试效度。Oudiz等［23］探讨CPET与6 min步行试验（6 minute walk test, 6MWT）的相关性，结果发现，在肺动脉高压患者中6MWT距离与VO2peak具有显著相关性（r=0.483, P＜0.000 1），或可考虑在肺动脉高压患者中将6MWT作为CPET的有效补充。

最新研究前沿是指突现时间在2012—2020年的7篇文献包含的主题，具体表现在CPET参数研究基础上的延伸应用。① 标准、指南的制定。参考CPET参数制定心脏病患者功能评估标准［24］、成人CPET临床指南［25］、成人超声心动图评估指南［26］、测试培训的运动标准［27］，以及CPET应用于特定人群的临床建议［28］。② 预测术后并发症等。CPET能预测术后并发症和住院时间，其中AT既是预测高危患者术后并发症的有效指标，又可用于预测住院时间［29］。③ 评估心肺功能受损情况。Kano等［30］发现，终末潮气氧分压和终末潮气CO2分压可作为左心衰竭患者运动时心肺功能受损的主要指标。2.6.2 国内研究现状 对中文文献分析得到10个突现关键词，发现近5年来，CPET的应用从对疾病的诊断转向疾病的康复预后，以及运动处方的制定（图6）。1989—2005年基于CPET的研究主要围绕运动测试和功能测试开展；2008—2014年的研究则多应用于心肺系统疾病。

图6 CNKI数据库CPET研究突现关键词

3 讨论

CPET能够有效评估心脏储备功能和运动耐力，获取静息状态到运动极限状态再逐渐恢复的量化数值，是现阶段心肺功能评估的最佳方式，已被广泛应用于临床工作中。本研究结果表明，从2004年起，CPET相关英文文献的发文量已破百，涵盖了CPET在心血管系统疾病的预后预测和风险评估等多方面应用，且在心脏病严重程度分级、心脏移植适应证选择、心脏病预后评估方面的应用已形成共识［31-32］。相比而言，基于CPET的中文研究水平近年来虽逐步提升，但发文量不足，研究机构多分布于上海和北京等医疗资源丰富的一线城市，东西部地区研究水平差异较大。主要集中在呼吸系统疾病如慢性阻塞性肺疾病的预后评估、呼吸困难或运动耐量降低的鉴别诊断、心血管系统疾病如心力衰竭疾病的预后评估和心肺康复指导等方面。

作为能够结合人体呼吸、循环、骨骼肌肉等多个系统，一次测定机体功能状态的临床检测技术［33］，在其30余年发展历程中，CPET应用范围从疾病的严重程度分级及机体功能、疾病预后、术前风险评估等扩展到评价健康人群整体健康状况和有氧运动能力、亚健康人群心肺功能，以及运动员的训练评估中［20］。其中CPET在临床研究和实践中的应用大致可归纳为以下三方面。

3.1 疾病诊断与评估中的应用

CPET 中VO2max可反映疾病严重程度，心率反映心脏储备，通气效率反映呼吸储备情况。Belardinelli等［34］将CPET用于辅助诊断心肌缺血，与传统心电图相比，CPET提高了心肌缺血诊断的准确性。此外，Arena等［35］发现，肺动脉高压严重程度与VO2peak降低和VE/VCO2升高相关，有助于疾病诊断。若CPET中氧脉搏和摄氧量下降，提示心肌氧供需不平衡，在评估心肌缺血程度［1］和冠状动脉病变狭窄程度［36］上具有一定的临床价值。美国心脏协会把CPET作为评估原因不明劳力性呼吸困难的 I 类推荐［37］。在2016 年国际心肺移植协会指南中把CPET中的VO2peak作为心脏移植患者唯一量化标准，可用于心脏移植的危险分级和术前评估［38］，同时 CPET 也是评估心力衰竭、心脏移植患者治疗反应的首要指征［27］。CPET的量化指标可用于客观评估运动能力，确定运动受限原因，进一步预估围术期的发病率和病死率［39］。欧洲心脏康复协会推荐将CPET用于预测健康人群患冠心病的风险［40］。此外，早期研究发现受试者在CPET结束后的血压异常升高可预测未来发生高血压的风险［41］。已有研究指出CPET评估运动耐量的量化指标可用于评价高血压运动康复干预的有效性［42］。而Contini等［43］发现，CPET能有效反映各类药物干预对心力衰竭患者心肺功能的改善情况，可作为评估心力衰竭治疗疗效的工具。

3.2 康复治疗中的应用

CPET是定量评价运动训练与运动康复强度的客观方法，可反映患者由运动刺激引起的生理变化。康复医师常根据AT、代谢当量、VO2max来设定运动处方中的运动强度［27,44］。孙远东等［45］报道了CPET在制定尘肺患者康复运动处方、指导尘肺患者进行康复治疗方面的优势。此外，在心肺康复治疗前通过CPET 评估患者的心肺储备和功能受损程度［46］，对康复过程中运动处方的调整以及后期康复治疗的开展有积极意义。有研究［47］证实，在CPET指导下进行的心脏康复能够有效改善冠心病PCI术后患者的运动耐量及生活质量。

3.3 疾病预后评估中的应用

CPET可全面客观地评价心脏病患者功能状态，因而在心脏病严重程度分级、预测心脏病预后等方面都有很大的应用价值［48］。有研究［49］报道，对于症状稳定的心力衰竭患者若有相对高的VO2max则预后较好，但由于VO2max易受到患者未尽力或测试过早终止的影响，近年来更多的CPET参数如AT、氧气和VE/VCO2等被应用于心力衰竭患者的预后判断中。此外，谢建华等［50］发现，CPET在冠心病筛查与诊断及冠心病患者的预后预测中发挥着重要作用。

CPET虽是一种无创客观的检测技术，但在其推广与应用的过程中仍存在一定困难，因其实施需要专门的设备、场地及专业的操作人员，操作过程复杂耗时，成本较高，运动负荷对受试者有潜在风险，不适用于急重症高龄患者。不少研究者认为6MWT作为一种亚极量水平的运动试验，可用于评估老年或功能受限患者的早期心肺功能，且具有所需设备少、安全性高、耐受性好的优点，在评价心脏康复效果、指导家庭心脏康复、预测生存率等方面有良好的应用前景［51］。但6MWT仅能获取6 min步行距离这一指标，虽能在一定程度上反映有氧运动能力，但难以精确反映心肺功能情况，不能用于鉴别诊断呼吸受限、运动功能受限的原因机制，难以实现标准化。因此，在临床应用中建议将6MWT作为CPET的有效补充，而非完全代替CPET。对有条件的医疗机构仍推荐CPET作为主要的心肺功能检查手段。

目前，国内关于CPET的研究尚处于发展阶段，中文文献主要关注CPET在循环和呼吸系统疾病中的临床应用。英文研究更早将CPET应用于循环系统疾病的预后预测和风险分层，尤其在心脏移植适应证选择、心脏病严重程度分级和预后评估中的应用更为成熟。近十年，CPET的英文研究文献在先天性心脏病、运动耐量、疾病预后的基础上向疾病风险预测和运动健康等方面延伸。国内CPET研究在心肺功能、运动耐量的基础之上朝有氧运动、心脏康复、运动处方等方向发展，趋向于疾病康复处方的制定与调整、身体功能的评估测试，以及在运动康复疗效评价中的应用。对于心肺功能的评估，目前缺乏针对健康人群的大样本随机对照研究，在健康人群中的应用需要更多的循证依据。对于冠心病的筛查与诊断， 已有部分研究提示 CPET 可以预测冠脉病变程度，今后临床中需要进一步研究及证实。值得注意的是，出于对研究严谨性及可代表性的考虑，本文将英文研究数据来源设定在WOS中核心合集收录的文献，一定程度上限制了样本数量，无法完全呈现CPET的英文研究文献的全貌。但总体而言，本文通过文献量化分析方法对目前国内外CPET领域研究现状和热点进行了梳理，并试图理清该领域的整体发展趋势，以期为后续研究提供参考。