abcArquivos Brasileiros de CardiologiaArq. Bras. Cardiol.0066-782X1678-4170Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBCSão Paulo, SP, Brazild7pCX5nJjzgfpqs3vH8gWLj00011S0066-782X2006001500011S0066-782X(06)0870021110.1590/S0066-782X2006001500011Artigos OriginaisModelos para predição da carga máxima no teste clínico de esforço cardiopulmonarNogueiraFernando dos SantosPompeuFernando Augusto Monteiro SabóiaRio de JaneiroRio de JaneiroUniversidade Federal do Rio de JaneiroBrazil0820068721371450910200530032006This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
OBJETIVO: Este estudo buscou derivar equações generalizadas para predição da carga máxima para homens e mulheres jovens. MÉTODOS: O método da ergoespirometria direta (Aerosport® TEEM 100, Estados Unidos da América do Norte) foi empregado para determinar o VO2máx e a carga máxima (Wmáx), no cicloergômetro (Monark®, Brasil), de 30 homens (25 ± 5 anos, 75,0 ± 10,7 kg; 48,4 ± 8,8 mL . kg -1 . min -1 e 243 ± 51 Watts) e 30 mulheres (26 ± 5 anos, 56,7 ± 5,9 kg, 39,8 ± 7,6 mL . kg -1 . min -1 e 172 ± 37 Watts). A idade e a massa corporal foram empregadas como variáveis independentes. Para todos os testes estatísticos aceitou-se o nível de significância de p < 0,05. RESULTADOS: No ajuste linear múltiplo a carga máxima foi explicada pela da idade e massa corporal em 54% (r = 0,73), para homens, e em 76% (r = 0,87), para mulheres, com erros padrões respectivamente de 0,66 W . kg -1 e de 25 Watts. As equações propostas passaram pela validação cruzada, empregando-se outra amostra com características similares de idade e VO2máx composta por 15 homens e 15 mulheres. A correlação intraclasse entre os valores de Wmáx preditos e os medidos através da ergoespirometria foram de 0,70 e 0,69, com erros padrões de 28,4 e 15,8 Watts, respectivamente, para homens e mulheres. CONCLUSÃO: Este estudo exibe equações generalizadas válidas para determinação da carga máxima no cicloergômetro para homens e mulheres.
Consumo de oxigênioesforço físicoteste de esforçolimiar anaeróbiolimiar ventilatório28092006
ARTIGO ORIGINAL
Modelos para predição da carga máxima no teste clínico de esforço cardiopulmonar
Fernando dos Santos Nogueira; Fernando Augusto Monteiro Sabóia Pompeu
Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ - Rio de Janeiro, RJ
Correspondência
RESUMO
OBJETIVO: Este estudo buscou derivar equações generalizadas para predição da carga máxima para homens e mulheres jovens.
MÉTODOS: O método da ergoespirometria direta (Aerosport® TEEM 100, Estados Unidos da América do Norte) foi empregado para determinar o VO2máx e a carga máxima (Wmáx), no cicloergômetro (Monark®, Brasil), de 30 homens (25 ± 5 anos, 75,0 ± 10,7 kg; 48,4 ± 8,8 mL . kg -1 . min -1 e 243 ± 51 Watts) e 30 mulheres (26 ± 5 anos, 56,7 ± 5,9 kg, 39,8 ± 7,6 mL . kg -1 . min -1 e 172 ± 37 Watts). A idade e a massa corporal foram empregadas como variáveis independentes. Para todos os testes estatísticos aceitou-se o nível de significância de p < 0,05.
RESULTADOS: No ajuste linear múltiplo a carga máxima foi explicada pela da idade e massa corporal em 54% (r = 0,73), para homens, e em 76% (r = 0,87), para mulheres, com erros padrões respectivamente de 0,66 W . kg -1 e de 25 Watts. As equações propostas passaram pela validação cruzada, empregando-se outra amostra com características similares de idade e VO2máx composta por 15 homens e 15 mulheres. A correlação intraclasse entre os valores de Wmáx preditos e os medidos através da ergoespirometria foram de 0,70 e 0,69, com erros padrões de 28,4 e 15,8 Watts, respectivamente, para homens e mulheres.
CONCLUSÃO: Este estudo exibe equações generalizadas válidas para determinação da carga máxima no cicloergômetro para homens e mulheres.
Palavras-chave: Consumo de oxigênio, esforço físico, teste de esforço, limiar anaeróbio, limiar ventilatório.
O termo ergoespirometria ou espiroergometria nasceu em 1929, sugerido por Knipping & Brauer (veja a abrangente revisão de Hollmann & Prinz1). A principal medida metabólica nesse exame é a potência aeróbia (VO2). A potência aeróbia máxima (VO2máx) é a mais elevada captação de oxigênio que o indivíduo pode alcançar, durante um trabalho físico, respirando ar no nível do mar2. Essa variável, segundo o princípio de Fick, é determinada pelo débito cardíaco e pela diferença arteriovenosa mista do oxigênio. O teste ergoespirométrico, portanto, permite um valioso estudo da integração entre os sistemas pulmonar, cardiovascular e músculo-esquelético2,3, sendo, em alguns casos, o único meio para compreensão de mecanismos fisiopatológicos, como na severa doença vascular pulmonar sem hipertensão direita, no forame oval aberto com desenvolvimento de shunt esquerda-direita durante o exercício, na dispnéia de esforço, na hipoxemia de esforço, entre outras4. Sua aplicação em grandes grupos de cardiopatas e pneumopatas é vantajosa antes de procedimentos invasivos ou de alto custo3,4.
O protocolo cicloergométrico de esforço máximo com incrementos de carga de 1 min foi primariamente proposto por Wasserman e cols.5 e posteriormente aprimorado por Buchfuhrer e cols.6. Tal protocolo consiste em adicionar continuamente incrementos de carga a cada minuto a fim de atingir a carga máxima (Wmáx), caracterizada por critérios objetivos7, em 10 ± 2 min. Torna-se necessária, portanto, a predição da Wmáx a partir de variáveis disponíveis antes do início do teste para os incrementos de 10% da Wmáx por min. As equações normalmente empregadas8-12 não são muito acuradas, uma vez que provêm de populações com características antropométricas, cardiopulmonares e biomecânicas diferentes da brasileira. Valiosos ensaios experimentais e revisões normativas publicadas por grupos de pesquisadores brasileiros, contudo, falharam em apresentar uma alternativa para essas equações13-16. Diante dessa dificuldade, o presente estudo teve como objetivo: a) desenvolver equações matemáticas para predição de Wmáx no cicloergômetro em teste contínuo e escalonado com duração de 10 ± 2 min, e b) testar a validade externa das equações aqui desenvolvidas e confrontá-las com a validade daquelas derivadas para população estrangeira.
MÉTODOS
Foram sujeitos desse estudo 90 voluntários adultos, 45 homens e 45 mulheres, aparentemente saudáveis, não-tabagistas e não-atletas (tab. 1). Os sujeitos foram divididos randomicamente em dois grupos semelhantes em relação a idade e massa corporal, sendo o número de sujeitos estabelecido conforme o sugerido por Hopkins17. Trinta homens e 30 mulheres foram sorteados para o grupo validade interna (VI), e 15 homens e 15 mulheres para o de validade externa (VE). Recomendou-se para o dia prévio ao exame, a abstinência de atividades físicas extenuantes (> 5 METs) e a manutenção da dieta mista. Recomendou-se também, evitar a ingestão de alimentos e cafeína nas três horas precedentes ao esforço. Antes da realização dos testes, os sujeitos preencheram um termo de consentimento e esclarecimento. Os procedimentos aqui adotados foram aprovados pelo Comitê de Ética local para estudos com seres humanos.
Protocolo de teste - Empregou-se o protocolo escalonado, contínuo e máximo5, constituído do repouso inicial de 6 minutos sentado sobre o cicloergômetro (Monark®, Brasil), seguido pelo aquecimento de 4 minutos pedalando sem carga e, posteriormente, pela fase escalonada com duração máxima ocorrendo entre 8 e 12 minutos6. O teste que não foi interrompido por fadiga nessa faixa de tempo foi descartado. Os incrementos na sobrecarga foram determinados, para uma cadência constante, de forma empírica e invidualizada. Esses incrementos foram mantidos ao longo do exame (aprox. 25 W . min -1). A cadência foi controlada por meio de um metrônomo audiovisual (aprox. 74 rev . min -1).
As variáveis de trocas gasosas e ventilatórias foram medidas por um analisador metabólico (Aerosport® TEEM 100, Estados Unidos da América do Norte) em circuito aberto e por um pneumotacômetro de fluxo médio (Hans Rudolph®, Estados Unidos da América do Norte). Esses dados foram registrados a cada vinte segundos. A freqüência cardíaca foi monitorada ao longo do exame por meio de um cardiotacômetro (Polar® Vantage NV, Finlândia).
Previamente a cada exame, realizaram-se os procedimentos de calibragem dos equipamentos. Calibrou-se o ergoespirômetro em circuito fechado, fornecendo uma mistura de gases (AGA®, Brasil) contendo 17,01% de oxigênio, 5,00% de dióxido de carbono e balanceada com nitrogênio. O fluxo de gases foi calibrado através de uma seringa de três litros (Hans Rudolph®, Estados Unidos da América do Norte) e o cicloergômetro por meio de um lastro de 3 kg.
Os testes foram considerados máximos quando observado pelo menos três dos seguintes critérios7: platô no VO2 (aumento < 150 mL . min -1 ou 2 mL . kg -1 . min -1), FCmáx > 90% da prevista pela idade (220 - idade), conceito de esforço percebido > 18, RER (respiratory exchange ratio) > 1,15 e fadiga voluntária máxima com incapacidade de manutenção do ritmo preestabelecido. O VO2máx foi determinado como sendo o mais alto valor encontrado ao final do teste. No presente estudo, a carga máxima foi definida como sendo aquela observada no VO2máx.
Análise estatística - O tratamento estatístico foi realizado por meio dos aplicativos Statistical Package for the Social Sciences®(SPSS, Estados Unidos da América do Norte) versão 13.0 e Microsoft Excel® para Windows XP®(Estados Unidos da América do Norte). Empregou-se a estatística descritiva com a média ± desvio padrão (DP). Deduziu-se para o grupo VI, mediane análise de regressão múltipla passo a passo, modelos matemáticos para predição da carga máxima expressa em Watts (W). Oito equações8-12 (Quadros 1 e 2) para o mesmo fim (gêneros masculino e feminino) foram analisadas em validação cruzada18 com os sujeitos do grupo VI. Os valores previstos para o grupo VI, por meio das equações estrangeiras e os valores medidos foram confrontados por meio de análise de variância com um fator e teste post-hoc de Tukey-HSD. A validade externa das equações derivadas na presente investigação foi testada empregando-as no grupo VE. Os limites de concordância de Bland-Altman19 e Bland-Altman modificado20 foram empregados entre os resultados medidos e calculados pelas fórmulas de predição. O grau de associação entre os valores medidos e preditos foi determinado pelo coeficiente de correlação intraclasse (CCI)21. O erro da predição também foi observado por meio do erro técnico da medida (s=D.P.dif÷ Ö2) e do coeficiente de variação (CV %). Todos os testes estatísticos foram realizados no nível de significância < 0,05.
RESULTADOS
As características de VO2máx e Wmáx dos voluntários encontram-se na tabela 1. A equação de predição da carga máxima derivada para o grupo masculino foi:
Equação 1
W . kg-1=6,413–(0,0531.idade)–(0,0242.peso)
R2 = 0,54 e EPE = 0,66 W . kg-1
Para o grupo feminino foi:
Equação 2
Wmáx=-115,756+(2,271 . idade)+(4,043 . peso)
R2 = 0,76 e EPE = 25,03 W
Sendo: R2= coeficiente de determinação e EPE = Erro Padrão da Estimativa.
Os resultados das predições por meio das equações 1 e 2 derivadas nesse estudo não diferiram significativamente dos valores medidos para o grupo VE (fig. 1). Detectou-se para as equações estrangeiras diferença significativa entre valores medidos e preditos, tanto para o grupo masculino quanto para o feminino (fig. 1 e quadro 2).
A tabela 2 apresenta os resultados da análise realizada com as equações estrangeiras. O grupo VI apresentou limites de concordância de 0,93 ± 95,0 W para o grupo masculino e -20,5 ± 47,6 W para o grupo feminino (fig. 2). Esses índices para o grupo VE foram de 34,2 ± 86,0 W para o grupo masculino e -4,14 ± 47,87 W para o grupo feminino (fig. 3). Houve moderada associação entre valores medidos e preditos (CCI = 0,70 e 0,69), respectivamente para homens e mulheres. O EPE para o grupo masculino foi de 28,42 W (CV = 10,45%) e para o grupo feminino de 15,78 W (CV = 9,55%).
DISCUSSÃO
Recomenda-se a progressão de 10% da carga máxima por minuto no protocolo escalonado, contínuo e máximo em cicloergômetro para detecção do limiar anaeróbio e VO2máx. O teste deve ser finalizado por meio de critérios de esforço máximo6 entre 8 e 12 minutos6. Baseando-se nessas exigências, diversas equações foram apresentadas para determinação da Wmáx, geralmente utilizando-se de variáveis antropométricas obtidas em repouso, tais como: gênero, idade, peso e estatura. Apesar do grande número de equações de predição encontradas na literatura, nenhuma se apresentou suficientemente adequada para a população brasileira. Parece possível esperar um razoável poder de predição quando a equação é aplicada na população para qual foi derivada. Os resultados do atual estudo sugerem uma boa validade externa para as equações aqui propostas quando comparadas com as equações oriundas de populações estrangeiras.
Buchfuhrer e cols.6 observaram em testes curtos (< 8 minutos) uma baixa medida do VO2máx. Possivelmente, isso se deve as limitações de força muscular. Entretanto, também se espera uma redução no VO2máx em testes longos (> 17 minutos), provavelmente por causa do aumento da temperatura central, desidratação, desconforto ou fadiga dos músculos ventilatórios6. Pelo fato de os testes longos despenderem mais tempo, não apresentarem informações adicionais e não produzirem valores máximos, recomendaram-se protocolos com duração de 10 ± 2 minutos.
A precisão das medidas das trocas gasosas e ventilatórias é essencial para que os dados sejam reproduzidos, sendo necessário o controle da qualidade das medidas por meio dos procedimentos de calibragem, de operação e de análise por técnicos experientes15. Testes em que esses cuidados são tomados apresentam baixa variação nas medidas repetidas em momentos próximos15,22-25. A variação diária intra-indivíduo, em razão do erro e das flutuações fisiológicas do consumo de oxigênio, ventilação-minuto e freqüência cardíaca são25, respectivamente, de 3,8%, 8,0% e 3,0%. Granja Filho e cols.22 observaram um índice de variação intra-indivíduo de 5,5% para o VO2máx em trabalho recentemente realizado. Concluímos que esse resultado deveu-se aos nossos equipamentos, que se destinam a aplicação clínica. Mesmo com a maior imprecisão, o ergoespirômetro aqui adotado foi validado por outro grupo23 e é amplamente empregado em laboratórios brasileiros por causa do menor custo. Essa diferença na precisão da medida obtida por meio dos equipamentos mais sofisticados e o nosso (3,8% versus 5,5%) pode levar a um pequeno erro na aplicação das nossas fórmulas que não pôde aqui ser determinado.
Os coeficientes de determinação das equações de predição do atual estudo foram moderado para o grupo masculino (R2 = 0,54) e alto para o grupo feminino (R2= 0,76). Optou-se por enunciar a carga máxima em Wmáx e em W . kg -1, respectivamente para as mulheres e os homens. Esse ajuste na variável dependente foi necessário para se obter maior poder preditivo no segundo caso. Isso provavelmente se deve a menor adiposidade corporal do grupo masculino26,27; portanto, a maior variação do peso implicaria a maior heterogeneidade da massa corporal magra e, conseqüentemente, da força muscular. Esses índices encontram-se próximos aos de outros estudos9-11. Ong e cols.11 buscaram aprimorar o modelo preditivo da Wmáx mediante transformação logarítmica. A utilização de um modelo não-linear foi proposta para corrigir a influência da idade no declínio do condicionamento. O trabalho de Ong e cols.11, no entanto, não obteve resultados mais precisos do que os outros estudos8-10.
Os índices de EPE para as equações do presente estudo foram similares aos de outras equações8-10. Para comparação, em razão da diferença nas unidades adotadas (W . kg -1, W, kp . m . min -1), dividiu-se o EPE pela média do grupo estudado a fim de enunciar o EPE em porcentagem da média (EPE%). Jones e cols.8 encontraram índices de 15% para o grupo masculino e 26% para o grupo feminino. Já Hsi e cols.9 e Neder e cols.10 encontraram valores de 14% e 17% para o grupo masculino, e 12% e 13% para o grupo feminino, respectivamente. No atual estudo, esses índices foram de 20% para o grupo masculino, e de 14% para o feminino. Os índices de EPE% para estimativa indireta do VO2máx em vários métodos de campo tais como: teste de banco, teste submáximo no cicloergômetro ou teste de caminhada/corrida em pista representam 10%-20% do VO2máx medido28.
Nenhum outro autor, dentre os aqui levantados, realizou um estudo em validação cruzada das suas equações de predição da Wmáx. Observa-se na tabela 2 que os coeficientes de correlação intraclasse para a validade externa das principais equações levantadas na literatura variaram de CCI = 0,01 (6F) até CCI = 0,38 (2F). Esses índices, como esperado, foram menores do que aqueles encontrados nos ensaios originais e no estudo atual. Analisando-se a proporção de testes possivelmente invalidados, quando empregadas as equações aqui estudadas8-12, nota-se que há perda de 40% a 64% dos testes (tab. 3). As equações aqui propostas apresentaram índices de 27% e 20% para o grupo masculino e feminino, respectivamente (tab. 3). As figuras 4 e 5 apresentam diagramas de dispersão entre os valores preditos e medidos para as equações com os menores índices de testes invalidados (1M e 1F). Observa-se que a inclinação da linha de tendência é próxima de zero, o que sugere ausência de covariância. Distorções como essas são comuns quando considerada a validade populacional de modelos preditivos9,11.
A análise dos limites de concordância revela que há grande variação entre as equações. O erro total (medido menos predito) variou consideravelmente entre os modelos preditivos. Observou-se uma tendência em subestimar a Wmáx empregando-se os modelos estrangeiros. O atual estudo, no entanto, apresentou limites de concordância aceitáveis (fig. 2). Alguns pontos apresentaram um considerável afastamento referente ao erro no grupo masculino. Porém, para essa análise, deve-se considerar a faixa de ± 2 min recomendada previamente6 e o índice de testes invalidados apresentados na tabela 3. Para o grupo feminino, observou-se uma pequena supra-estimativa do valor medido.
O erro da técnica preditiva aqui sugerida encontra-se próximo à faixa de variação recomendada por Buchfuhrer e cols.6. Conclui-se, assim, que as equações de inferência da Wmáx derivadas nesse estudo para o protocolo escalonado e contínuo em cicloergômetro, com duração de 8 a 12 minutos, podem ser utilizadas com satisfatória validade externa. Conclui-se também que as equações derivadas para populações estrangeiras aqui estudadas não apresentaram resultados plenamente satisfatórios para a população local. Recomenda-se, no futuro, repetir esse ensaio para outras faixas etárias e para os diversos grupos de pacientes que não puderam ser aqui incluídos.
Agradecimentos
À Associação dos Amigos do Centro de Estudos e Aperfeiçoamento do Hospital dos Servidores do Estado do Rio de Janeiro, na pessoa do Dr. Aluysio S. Aderaldo Jr., pela contribuição significativa para a realização deste trabalho e à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro - FAPERJ. Agradecemos a valiosa revisão dos colegas Verônica Salerno, Martha M. Sorenson, Ricardo Gancz e Michelle Porto.
Potencial Conflito de Interesses
Declaro não haver conflitos de interesses pertinentes.
Fernando A. M. S. Pompeu
Av. Brigadeiro Trompowisky, 212 s/nº
Cidade Universitária – 29141-590 – Rio de Janeiro, RJ
E-mail:
cineantropo@oi.com.br
Recebido em 09/10/05
Aceito em 30/03/06
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OBJECTIVE: This study sought to derive generalized equations for predicting maximal workload for young men and women. METHODS: Direct ergospirometry (Aerosport® TEEM 100, USA) was used to determine VO2máx and the maximal work load (Wmax) on the cycle ergometer test (Monark®, Brazil) of thirty men (25 ± 5 years, 75.0 ± 10.7 kg; 48.4 ± 8.8 mL . kg -1 . min -1 and 243 ± 51 Watts) and thirty women (26 ± 5 years, 56.7 ± 5.9 kg, 39.8 ± 7.6 mL . kg -1 . min -1 and 172 ± 37 Watts). Age and body mass were used as independent variables. For all statistic tests, a p < 0.05 significance level was adopted. RESULTS: In the multiple linear adjustment, the maximal workload was explained by age and body mass as 54% (r = 0.73) for men, and as 76% (r = 0.87) for women, with standard errors of 0.66 W . kg -1 and 25 Watts. The proposed equations were cross-validated using another sample with similar age and VO2máx characteristics comprised of fifteen men and fifteen women. The intraclass correlation between the predicted Wmax values and those measures by ergospirometry were 0.70 and 0.69, with standard errors of 28.4 and 15.8 Watts, respectively, for men and women. CONCLUSIONS: This study exhibits valid generalized equations for determining the maximal cycle ergonometer workload for men and women.
Maximal workload prediction models in the clinical cardio-pulmonary effort test
Fernando dos Santos Nogueira; Fernando Augusto Monteiro Sabóia Pompeu
Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ - Rio de Janeiro, RJ - Brazil
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ABSTRACT
OBJECTIVE: This study sought to derive generalized equations for predicting maximal workload for young men and women.
METHODS: Direct ergospirometry (Aerosport® TEEM 100, USA) was used to determine VO2máx and the maximal work load (Wmax) on the cycle ergometer test (Monark®, Brazil) of thirty men (25 ± 5 years, 75.0 ± 10.7 kg; 48.4 ± 8.8 mL · kg -1 . min -1 and 243 ± 51 Watts) and thirty women (26 ± 5 years, 56.7 ± 5.9 kg, 39.8 ± 7.6 mL · kg -1 . min -1 and 172 ± 37 Watts). Age and body mass were used as independent variables. For all statistic tests, a p < 0.05 significance level was adopted.
RESULTS: In the multiple linear adjustment, the maximal workload was explained by age and body mass as 54% (r = 0.73) for men, and as 76% (r = 0.87) for women, with standard errors of 0.66 W · kg -1 and 25 Watts. The proposed equations were cross-validated using another sample with similar age and VO2máx characteristics comprised of fifteen men and fifteen women. The intraclass correlation between the predicted Wmax values and those measures by ergospirometry were 0.70 and 0.69, with standard errors of 28.4 and 15.8 Watts, respectively, for men and women.
CONCLUSIONS: This study exhibits valid generalized equations for determining the maximal cycle ergonometer workload for men and women.
The term ergospirometry or spiroergometry was coined in 1929, suggested by Knipping & Brauer (see the comprehensive review by Hollmann & Prinz1). The primary metabolic measurement in this test is the aerobic capacity (VO2max). Maximal aerobic capacity (VO2max) is the highest oxygen capture that an individual can attain during physical work when breathing air at sea level2. This variable, according to the Fick principle, is determined by the cardiac output and the mixed arteriovenous difference of oxygen. The ergospirometric test, therefore, allows a valuable study of the integration between pulmonary, cardiovascular, and musculoskeletal systems2,3, and in some cases is the only way to comprehend physiopathological mechanisms, such as in severe pulmonary vascular disease without direct hypertension, in the patent foramen ovale with left-right shunt development during exercise, in exertional dyspnea, and in exertional hypoxemia, among others4. Its application before invasive or high-cost procedures in large groups of patients with heart disease and lung disease has many advantages 3,4.
The maximal effort cycle ergometric protocol with 1-min load increments was first proposed by Wasserman et al5, and later perfected by Buchfuhrer et al6. This protocol consists of continuous load increments added each minute in order to attain the maximal workload (Wmax), characterized by objective criteria7 as 10 ± 2 min. Therefore, prediction of Wmax from variables available before the beginning of the study for 10% increments Wmax per minute is necessary. The equations normally used8-12 are not very accurate, since they come from populations with anthropometric, cardiopulmonary, and biomechanical characteristics different from those of Brazilians. Valuable experimental assays and normative reviews published by groups of Brazilian researchers, however, have failed to present an alternative to these equations13-16. Because of this difficulty, this study aims to a) develop mathematical equations for predicting Wmax in a continuous and escalating cycloergometer test with 10 ± 2 min duration, and b) test the external validity of the equations developed herein, confronting them with the validity of those derived for a foreign population.
METHODS
The subjects of this study were 90 apparently healthy, non-smoking and non-athletic adult volunteers, 45 men and 45 women, women (Table 1). Subjects were randomly divided into two groups similar in age and body mass; the number of subjects was established according to Hopkins17. Thirty men and thirty women were randomly selected for the internal validity group (IV), and fifteen men and fifteen women for the external validity group (EV). Subjects were advised to abstain from extenuating physical activities and to maintain a mixed diet on the day prior to the test (> 5 METs). It was also recommended that they avoid ingestion of food and caffeine for three hours before the exercise. Prior to the test, the subjects filled out an informed consent form. The procedures adopted were approved by the local Ethics Committee for studies with human subjects.
Test protocol - A continuous and maximal escalating protocol was used5, comprised of an initial resting period for six minutes with the patient sitting on the cycle ergometer (Monark®, Brazil), followed by a four-minute warm-up of pedaling without any workload, and later, by the escalating phase with a maximum duration between eight and twelve minutes6. Any test not interrupted because of fatigue during this period of time was excluded. Overload increments were determined for a constant pace in an empirical and individualized manner. These increments were maintained throughout the test (approx. 25 W . min-1). The pace was controled by means of an audiovisual metronome (approx. 74 rev . min-1).
Gas exchange and ventilatory variables were measured by a metabolic analyzer (Aerosport® TEEM 100, USA) in an open circuit and by a medium flow pneumotachometer (Hans Rudolph®, USA). These data were recorded every twenty seconds. Heart rate was monitored throughout the test by a cardiotachometer (Polar® Vantage NV, Finland).
Before each test, equipment was calibrated. The ergospirometer was calibrated in a closed circuit (AGA®, Brazil), furnishing a gas mixture containing 17.01% oxygen, 5.00% carbon dioxide, and balanced with nitrogen. Gas flow was calibrated using a three-liter syringe (Hans Rudolph®, USA) and the cycle ergometer by means of a 3 kg ballast.
Tests were considered maximal when at least three of the following criteria were observed7: plateau in VO2 (increase < 150 mL . min-1 or 2 mL . kg-1 . min-1), HRmax > 90% of predicted value for age (220 - age), Concept of Perceived Effort > 18, RER (respiratory exchange rate) > 1.15, and maximal voluntary fatigue with inability to maintain the preestablished rhythm. VO2max was determined as the highest value found at the end of the test. In this study, the maximal workload was defined as that observed in VO2max.
Statistical analysis - Statistical processing was done by means of the Statistical Package for the Social Sciences® package (SPSS, USA) version 13.0 and Microsoft Excel® for Windows XP® (USA). Descriptive statistics were used with means ± standard deviations (SD). For Group IV, stepwise multiple regression analysis was used to deduce mathematical models for prediction of maximal workload expressed in Watts (W). Eight equations8-12 (Chart 1 and 2) for the same purpose (male and female genders) were analyzed by cross-validation with the subjects from Group IV. Values predicted for Group IV by means of foreign equations, and the values measured were confronted by analysis of variance with one factor and a post-hoc Tukey-HSD test. External validity of the equations derived in this investigation were tested by applying them to the EV group. Bland-Altman19 and modified Bland-Altman20 limits of agreement plots were used with the results measured and calculated by the predictive formulas. The degree of association between the values measured and those predicted was determined by the intraclass correlation coefficient (ICC)21. The error of prediction was also noted by means of the technical error of the measurement (s=S.D.dif÷ Ö2) and the coefficient of variation (CV %). All statistical tests were performed at the < 0.05 significance level.
RESULTS
Characteristics of VO2max and Wmax of the volunteers are displayed on Table 1. The equation for prediction of maximal workload derived for the male group was:
Equation 1
W · kg-1=6.413–(0.0531 · age)–(0.0242 · weight)
R2 = 0.54 and SEE = 0.66 W · kg-1
For the female group:
Equation 2
Wmáx=-115.756+(2.271 · age)+(4.043 · weight)
R2 = 0.76 and SEE = 25.03 W
Where: R2 = coefficient of determination and SEE = Standard Error of the Estimate
The prediction results using equations 1 and 2 derived in this study did not significantly differ from the results measured for the EV group (Fig. 1). A significant difference was detected for foreign equations between the values measured and those predicted, for both male and female groups (Fig. 1 and Chart 2).
Table 2 displays the results of the analysis performed with the foreign equations. Group IV had limits of agreement of 0.93 ± 95.0 W for the male group, and -20.5 ± 47.6 W for the female group (Fig. 2). These indexes for the EV group were 34.2 ± 86.0 W for the male group, and -4.14 ± 47.87 W for the female group (Fig. 3). There was a moderate association between the values measured and those predicted (ICC = 0.70 and 0.69), respectively, for men and women. The SEE for the male group was 28.42 W (CV = 10.45%), and for the female group, 15.78 W (CV = 9.55%).
DISCUSSION
We recommend a 10% progression of the maximal workload per minute in the escalating, continuous and maximal protocol on the cycle ergometer for the detection of the anaerobic threshold and VO2max. The test should be finalized by maximal effort criteria6 after eight to twelve minutes6. Based on these requirements, different equations were presented for determining the Wmax, normally using the anthropometric variables obtained at rest such as gender, age, weight, and stature. Despite the large number of prediction equations found in literature, none has proved to be well suited to the Brazilian population. It seems wise to expect a reasonable prediction capacity when the equation is applied to the population from which it was derived. The results of this study suggest a good external validity for the equations proposed herein when compared to equations coming from alien populations.
In rapid tests (< eight minutes), Buchfuhrer et al.,6 observed a low VO2max value. This was possibly due to limitations of muscular force. However, a reduction of VO2max in longer (> sixteen minutes) tests would also be expected because of an increase in core temperature, dehydration, discomfort, or fatigue of ventilatory muscles6. Since longer tests require more time, do not furnish additional information, and do not produce maximal values, protocols with 10 ± 2 minutes duration are recommended.
The precision of gas exchange and ventilatory measurements is essential for data to be reproduced, and quality control needs to be made by means of calibration, operation, and analysis performed by experienced technicians15. Tests in which these precautions are taken show a low variation in repeat measurements at the nearest timepoints15,22-25. Daily intrasubject variation, due to error and physiological fluctuations of oxygen consumption, minute ventilation, and heart rate, are25 3.8%, 8.0%, and 3.0%, respectively. Granja Filho et al22, observed a 5.5% intrasubject variation for VO2max in a study carried out recently. We conclude that this result is a fruit of our equipment for clinical use. Even with this greater inaccuracy, the ergospirometer adopted here was validated by another group23 and is amply used in Brazilian laboratories because of its low cost. This difference in accuracy between measurements obtained with more sofisticated equipement and ours (3.8% versus 5.5%) may lead to a small error in the application of our formulas, which could not yet be determined.
Coefficients of determination for the prediction equations of this study were moderate for the male group (R2 = 0.54) and high for the female group (R2= 0.76). We chose to express the maximal workload as Wmax and W . kg-1, respectively, for women and men. This adjustment in the dependent variable was necessary in order to obtain a greater predictive power in the second case. This is probably due to the lower body adiposity in the male group26,27; therefore, a greater weight variation would imply a greater heterogeneity of lean body mass, and consequently, of muscular strength. These indexes are close to those of other studies9-11. Ong et al11, sought to improve the predictive model of Wmax using logarithmic transformation. The use of a nonlinear model was proposed in order to correct the influence of age in the decline of physical conditioning. The research performed by Ong et al11, however, did not obtain more precise results than other studies8-10.
The SEE indexes for the equations in this study were similar to those of other equations8-10. As a comparison, because of the difference in units recorded (W . kg-1 ,W , kg . m . min-1), the SEE was divided by the average of the group studied in order to express the SEE in a porcentage of the mean (SEE %). Jones et al,8 found 15% indexes for the male group and 26% indexes for the female group. On the other hand, Hsi et al,9 and Neder et al,10 found 14% and 17% values for the male group, and 12% and 13% values for the female group, respectively. In this study, these indices were 20% for the male group, and 14% for the female group. The indexes of SEE% for an indirect estimate of VO2max in several field methods, such as the step test, submaximal cycle ergometer test, or walking/running on track test, represent 10% to 20% of the VO2max measured28.
No other author, among all those researched, performed a cross-validation study of his Wmax prediction equations. We see on Table 2 that the intraclass correlation coefficients for external validity of the main equations analyzed in literature varied from ICC = 0.01 (6F) to ICC = 0.38 (2F). These indexes, as was expected, were lower than those found in the original assays and in the present study. Analyzing the proportion of possibly invalidated tests when these equations are used8-12, there is a 40% to 64% loss of tests (Table 3). The equations we propose show 27% and 20% indexes for the male and female groups, respectively (Table 3).
Figures 4 and 5 present dispersion diagrams of the predicted values and the measured values for the equations with the lowest indexes of invalidated tests (1M and 1F). One can see that the inclination of the tendency line is near zero, suggesting an absence of covariance. Distortions such as these are common when the population validity of predictive models is considered9,11.
Analysis of the limits of agreement reveals that there is a great variation between the equations. The total error (TE - the measured value minus the predicted value) varied considerably between the predictive models. A tendency to underestimate Wmax when using the foreign models was noted. The present study, however, presented acceptable limits of agreement (Fig. 2). Some points showed considerable distancing as to the error in the male group. Nevertheless, for this analysis, one should consider the ± 2 min range previously recommended6 and the index of invalidated tests shown on Table 3. For the female group, a small overestimation of the measured value was noted.
The predictive technique error suggested is close to the variation range recommended by Buchfuhrer et al6. We conclude, therefore, that the inference equations of Wmax derived in this study for the escalating and continuous cycle ergometer protocols, with eight to twelve minutes duration, can be used with satisfactory external validity. We also conclude that the equations derived for alien populations that we studied did not show fully satisfactory results for the local population. For the future, a repetition of this assay for other age brackets and for the diverse patient groups that could not be included here is recommended.
Acknowledgements
The authors of this study express their gratitude to the Associação dos Amigos do Centro de Estudos e Aperfeiçoamento do Hospital dos Servidores do Estado do Rio de Janeiro, in the person of Dr. Aluysio S. Aderaldo Jr., for the significant contribution toward this study and to the Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro - FAPERJ. We are also thankful for the valuable review by our colleagues, Verônica Salerno, Martha M. Sorenson, Ricardo Gancz, and Michelle Porto.
Potencial Conflict of Interest
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
REFERENCES
Fernando A. M. S. Pompeu
Av. Brigadeiro Trompowisky, 212 s/nº - Cidade Universitária