abc Arquivos Brasileiros de Cardiologia Arq. Bras. Cardiol. 0066-782X 1678-4170 Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBC São Paulo, SP, Brazil s8rGM3W5WpnBLPPw7TYVXGC 00007 S0066-782X2007001800007 S0066-782X(07)08900607 10.1590/S0066-782X2007001800007 Artigos Originais Teste ergométrico em crianças e adolescentes: maior tolerância ao esforço com o protocolo em rampa Silva Odwaldo Barbosa e Saraiva Lurildo C. Ribeiro Sobral Filho Dário C. Universidade Federal de Pernambuco Faculdade de Ciências Médicas Hospital das Clínicas Brazil 12 2007 89 6 391 397 05 06 2007 03 06 2007 28 03 2007 This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

OBJETIVO: Comparar a tolerância ao exercício de crianças e adolescentes submetidos a teste ergométrico (TE) em esteira com os protocolos de Bruce ou em rampa, e descrever a velocidade e a inclinação alcançadas com o protocolo em rampa, para auxiliar na orientação do exercício com esse protocolo. MÉTODOS: Estudo observacional, tipo série de casos, com controle histórico, de 1.006 crianças e adolescentes entre 4 e 17 anos submetidos a TE entre outubro de 1986 e fevereiro de 2003, que concluíram um dos dois protocolos. Foram excluídos os que tiveram o TE interrompido por outras causas que não cansaço físico, os que estavam em uso de medicações que interferiam na freqüência cardíaca (FC) e aqueles com limitações físicas à realização do exercício. Na análise estatística dos dados foi adotado nível de significância para p < 0,05 e intervalo de confiança de 95%. RESULTADOS: O tempo de exercício próximo a 10 minutos no protocolo em rampa foi significativamente maior no protocolo de Bruce. A FC máxima alcançada foi superior a 180 bpm nos dois protocolos. A inclinação foi pouco maior nas meninas mais jovens com o protocolo de Bruce, e a velocidade e o consumo máximo de oxigênio (VO2 max) foram maiores em todas as faixas etárias nos que realizaram o protocolo em rampa. CONCLUSÃO: A velocidade e a inclinação alcançadas com o protocolo em rampa podem ser utilizadas como referência para auxiliar na orientação do exercício no TE com o protocolo em rampa, que mostrou tolerância ao esforço superior à do protocolo de Bruce.

 Teste de esforço teste de esteira rolante criança adolescente 18 04 2008

ARTIGO ORIGINAL

Teste ergométrico em crianças e adolescentes – Maior tolerância ao esforço com o protocolo em rampa

Odwaldo Barbosa e Silva; Lurildo C. Ribeiro Saraiva; Dário C. Sobral Filho

Hospital das Clínicas – UFPE, Faculdade de Ciências Médicas – UPE – Recife, PE – Brasil

Correspondência

RESUMO

OBJETIVO: Comparar a tolerância ao exercício de crianças e adolescentes submetidos a teste ergométrico (TE) em esteira com os protocolos de Bruce ou em rampa, e descrever a velocidade e a inclinação alcançadas com o protocolo em rampa, para auxiliar na orientação do exercício com esse protocolo.

MÉTODOS: Estudo observacional, tipo série de casos, com controle histórico, de 1.006 crianças e adolescentes entre 4 e 17 anos submetidos a TE entre outubro de 1986 e fevereiro de 2003, que concluíram um dos dois protocolos. Foram excluídos os que tiveram o TE interrompido por outras causas que não cansaço físico, os que estavam em uso de medicações que interferiam na freqüência cardíaca (FC) e aqueles com limitações físicas à realização do exercício. Na análise estatística dos dados foi adotado nível de significância para p < 0,05 e intervalo de confiança de 95%.

RESULTADOS: O tempo de exercício próximo a 10 minutos no protocolo em rampa foi significativamente maior no protocolo de Bruce. A FC máxima alcançada foi superior a 180 bpm nos dois protocolos. A inclinação foi pouco maior nas meninas mais jovens com o protocolo de Bruce, e a velocidade e o consumo máximo de oxigênio (VO2 max) foram maiores em todas as faixas etárias nos que realizaram o protocolo em rampa.

CONCLUSÃO: A velocidade e a inclinação alcançadas com o protocolo em rampa podem ser utilizadas como referência para auxiliar na orientação do exercício no TE com o protocolo em rampa, que mostrou tolerância ao esforço superior à do protocolo de Bruce.

Palavras-chave: Teste de esforço, teste de esteira rolante, criança, adolescente.

Introdução

O teste ergométrico (TE) é um método diagnóstico com inúmeras indicações1 em crianças e adolescentes (idade d" 19 anos)2. O protocolo a ser executado deve ser individualizado, de forma que a velocidade e a inclinação da esteira possam ser aplicadas de acordo com a capacidade do paciente testado3. O TE tem risco muito baixo quando comparado ao realizado em adultos, e complicações não são freqüentes, mesmo quando o teste é realizado em crianças com cardiopatias4,5. Conhecimentos específicos de fisiologia do exercício, das diferenças de comportamento da freqüência cardíaca (FC), da pressão arterial (PA) e do eletrocardiograma (ECG), além do uso de esfigmomanômetro de tamanho adequado são pré-requisitos à realização do TE nesse grupo de pacientes6.

No Brasil, a esteira tem sido utilizada na maioria dos laboratórios e clínicas que realizam o TE, e o protocolo mais usado é o protocolo de Bruce7. O protocolo em rampa caracteriza-se pela duração entre 8 e 12 minutos, com aumentos pequenos e constantes de velocidade e inclinação, individualizados para o sexo e a idade do paciente, tomando como base o consumo máximo de oxigênio (VO2 max) previsto8-10, que pode ser estimado pelas fórmulas do American College of Sports Medicine (ACSM)11,12 ou pelo questionário VSAQ (Veterans Specific-Activity Questionnaire)13,14.

O objetivo principal foi realizar a comparação das variáveis que avaliam as diferenças da tolerância ao esforço de crianças e adolescentes submetidos aos protocolos de Bruce ou em rampa, para testar a hipótese de que esses dois protocolos são equivalentes. E o objetivo específico foi descrever a velocidade e a inclinação alcançadas com o protocolo em rampa, para auxiliar na orientação do exercício com esse protocolo de acordo com o sexo, a idade e o condicionamento físico do paciente a ser avaliado.

Métodos

Foi realizado um estudo observacional, tipo série de casos, com controle histórico, de crianças e adolescentes entre 4 e 17 anos, que realizaram o teste ergométrico em esteira ergométrica, em caráter ambulatorial, em clínica na cidade do Recife, segundo um dos dois protocolos: Bruce (controle histórico, TE de outubro de 1986 a fevereiro de 1998) e rampa (março de 1998 a fevereiro de 2003). Foram selecionados apenas os exames interrompidos por fadiga, excluídas outras causas de interrupção ou aqueles em uso de medicações que causam interferências na FC. Foram avaliados apenas os TE realizados em esteira ergométrica por um único examinador, segundo os dois protocolos (Bruce e rampa), tendo sido feita a análise de dados objetivos, que não dependem de interpretação do observador: tempo de exercício, freqüência cardíaca máxima (FC max), velocidade máxima (km/h), inclinação máxima (em porcentual – %), e VO2 max (em mililitros de oxigênio consumido por quilograma de peso corporal por minuto – ml.kg-1.min-1), calculado pela fórmula para corrida do ACSM11,12.

Precedendo o esforço, foram realizados anamnese, exame físico, medidas da FC e da PA, e registro do ECG, procedimentos repetidos durante o exercício a cada 3 minutos no protocolo de Bruce e a cada 2 minutos no protocolo em rampa e após o esforço com 1, 2, 4 e 6 minutos, em todos os indivíduos. Os dados foram tabulados no Excel 8.0 Microsoft®, e a análise estatística foi realizada utilizando-se o Excel 8.0 e o SigmaStat 3.0. Os resultados estão apresentados em tabelas, categorizadas pelo protocolo do teste, pelo sexo e pelas faixas etárias, distribuídas em quatro classes (4 a 7, 8 a 11, 12 a 14, e 15 a 17 anos). A homogeneidade entre os grupos foi avaliada por idade, peso, altura e FC de repouso por meio do teste t de Student ou do teste de Mann-Whitney (na ausência de distribuição normal ou igualdade das variâncias), e a presença ou ausência de doenças pelo teste do qui-quadrado (c2). O teste de Mann-Whitney foi aplicado para comparação do tempo de esforço, FC max, velocidade, inclinação e VO2 max nos dois protocolos, com significância quando p < 0,05 e intervalo de confiança de 95%.

Aspectos éticos - Não foram utilizados protocolos experimentais. O protocolo de Bruce foi introduzido na prática clínica há mais de 50 anos e o protocolo em rampa foi introduzido em 1981 para o cicloergômetro e em 1991 para a esteira ergométrica. Os testes foram solicitados pelos médicos assistentes dos pacientes e realizados por profissional experiente no método, na presença dos pais ou responsáveis, após explicações e orientações sobre o procedimento. Os dados foram coletados dos prontuários dos exames realizados nas crianças e nos adolescentes, e a descrição e a comparação das médias das variáveis categorizadas por protocolo de esforço, sexo e faixa etária garantem o anonimato dos envolvidos no estudo. O projeto foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa Envolvendo Seres Humanos da Instituição.

Resultados

Foram avaliados 1.006 crianças e adolescentes, 603 (59,9%) do sexo masculino. Dos 558 (55,5%) submetidos ao protocolo de Bruce, 58,4% eram do sexo masculino, e dos 448 (45,5%) que realizaram o protocolo em rampa, 61,8% eram meninos. Para testar a homogeneidade entre os grupos protocolo de Bruce e protocolo em rampa, foram comparados idade, peso, altura, FC de repouso e presença ou ausência de doença. Não foram observadas diferenças significativas entre idade e altura nos dois sexos. O sexo feminino também não mostrou diferenças quanto ao peso e à FC de repouso. No sexo masculino, apesar de haver diferença significativa do peso e da FC de repouso entre os grupos, quando categorizados por faixa etária, existia distribuição homogênea do peso e a FC de repouso se mostrou ligeiramente mais elevada no protocolo de Bruce apenas na faixa etária entre 15 e 17 anos.

Os grupos não foram homogêneos quanto à presença ou não de doença (p < 0,001). No protocolo de Bruce, 495 (88,7%) eram sadios e 63 (11,3%) eram doentes (43 com doença cardíaca e 20 asmáticos), comparativamente a 366 (80,0%) sadios e 92 (20,0%) doentes (77 cardiopatas e 15 asmáticos) no protocolo em rampa.

Nas meninas, a FC max alcançada foi mais elevada (1 bpm a 4 bpm) no protocolo de Bruce, com diferença significativa apenas na classe de 8 a 11 anos. O tempo de exercício foi significativamente mais elevado somente entre 12 e 14 anos no protocolo em rampa (tab. 1). Nos meninos, também foram observados valores mais elevados da FC max no protocolo de Bruce (em média, 3 bpm), significativo apenas entre 15 e 17 anos. O tempo de esforço só não se mostrou mais elevado no protocolo de Bruce nas crianças de 4 a 7 anos; para as outras idades, foi significativamente maior (tab. 2).

No sexo feminino, a inclinação máxima no protocolo de Bruce foi maior dos 4 aos 11 anos, menor entre 12 e 14 anos, e sem diferença nas pacientes entre 15 e 17 anos. A velocidade máxima mostrou-se significativamente mais elevada no protocolo em rampa em todas as faixas etárias (tab. 3). No sexo masculino, a inclinação máxima apresentou poucas diferenças, e foi mais elevada no protocolo de Bruce apenas na classe de 12 a 14 anos. A velocidade máxima alcançada foi significativamente maior no protocolo em rampa, em todas as idades (tab. 4).

Aplicada a fórmula do ACSM (corrida) para o cálculo do VO2 max, apenas as meninas entre 4 e 7 anos de idade não apresentaram diferença significativa entre os grupos Bruce e rampa. Para as demais crianças e adolescentes, foram alcançados valores significativamente mais elevados do VO2 max com o protocolo em rampa, independentemente do sexo ou da idade (tab. 5).

Discussão

Apesar da baixa prevalência de cardiopatias nas crianças e nos adolescentes, o TE, além de afastar a doença cardíaca e determinar a capacidade funcional, permite ao médico assistente liberar com mais segurança para atividades físicas habituais ou desportivas aqueles com sintomas relacionados ao exercício. O TE normal pode dar aos pais maior tranqüilidade para permitir que seus filhos, doentes ou não, tenham uma vida tão normal quanto possível, sem restrições por vezes desnecessárias de suas atividades físicas.

Pequeno número de publicações descreve o comportamento normal das variáveis hemodinâmicas e metabólicas no TE em crianças e adolescentes, geralmente com os protocolos de Bruce ou em rampa com cicloergômetro, e até mesmo nos trabalhos mais recentes poucos abordam as características específicas dos protocolos do TE. A relevância deste estudo está na apresentação das características do protocolo em rampa com esteira ergométrica em um número significativo de crianças e adolescentes, além de sugerir critérios que podem auxiliar na orientação da velocidade e da inclinação da esteira nesse protocolo, de acordo com o sexo e a idade.

Uma possível limitação deste estudo está na não realização dos dois protocolos em todos os jovens testados, para comparar as reais diferenças de resultados do TE com características diversas. Entretanto, os dois grupos foram homogêneos quanto a idade e altura nos dois sexos, e a FC de repouso e o peso apresentaram pequena diferença apenas nos meninos entre 15 e 17 anos, o que pode garantir maior confiança na comparação dos resultados de dois grupos submetidos aos protocolos diferentes.

As crianças mais jovens costumam ser menos cooperativas na avaliação da capacidade ao exercício máximo. Para compensar as dificuldades em diferenciar a limitação da capacidade em realizar o exercício com a falta de cooperação no teste pediátrico6, a experiência do examinador e o encorajamento do jovem, relutante ao exercício máximo, são fatores importantes. O nível de tolerância ao exercício nas crianças pode decorrer mais de fatores motivacionais que de fadiga verdadeira15. Essas condições podem justificar o menor tempo de exercício e a menor FC max alcançada pelos mais jovens.

As fórmulas utilizadas para o cálculo da FC max prevista nos adultos não são aplicadas para prever a FC max na população pediátrica. A resposta fisiológica das crianças ao exercício é semelhante à dos adultos, com elevação progressiva proporcional ao aumento da intensidade do esforço, mas difere nos valores máximos alcançados e na menor correlação entre FC e idade. Crianças normais de diferentes faixas etárias atingem FC max acima de 180 bpm, e são comuns valores acima de 200 bpm. Crianças com FC max < 180 bpm ou não foram convenientemente exercitadas ou apresentam déficit cronotrópico16.

Nesta série, independentemente do protocolo e do sexo, a FC max alcançada foi superior a 180 bpm, o que sugere que todos os adolescentes foram exercitados convenientemente. O protocolo de Bruce demonstrou FC max ligeiramente mais elevada, embora a diferença de 3 bpm a 4 bpm no pico do esforço não tenha significado clínico.

Diversas séries estudadas com o protocolo de Bruce descreveram a FC max: canadenses normais, entre 193 bpm e 206 bpm17 e com doença cardíaca, entre 180 bpm e 210 bpm18; mexicanos, meninos com 5 anos e meninas com 5 e 6 anos de idade não alcançaram 180 bpm e os demais, entre 184 bpm e 200 bpm19; norte-americanos, entre 180 bpm e 200 bpm20; napolitanos, 182 ± 14 bpm nos meninos e 184 ± 13 bpm nas meninas21; turcos, 193 ± 11 bpm nos meninos e 197 ± 11 bpm nas meninas22.

Poucas publicações abordam crianças normais com o protocolo em rampa na esteira ergométrica. Rowland e Cunningham23 estudaram 15 crianças para avaliar o VO2 max e todas ultrapassaram 193 bpm. Török e cols.24 observaram 29 meninos normais para comparar com portadores de síndrome plurimetabólica e obesidade isolada, e no grupo normal a FC máxima estava em torno de 185 bpm.

É esperado que na puberdade, com o maior desenvolvimento muscular, os meninos apresentem maior tolerância ao esforço, caracterizada no protocolo de Bruce pelo aumento do tempo de exercício. No protocolo em rampa, o aumento da capacidade física não pôde ser avaliada pelo tempo de exercício, pois o esforço aplicado é maior para se tentar manter o tempo médio de exercício de 10 minutos.

Whipp e cols.25 descreveram o tempo ideal como sendo de 4 minutos a 8 minutos para alcançar o esforço máximo no cicloergômetro. Buchfuhrer e cols.26 sugeriram duração média de 10 minutos para a tolerância máxima do TE, usando esteira ou cicloergômetro. Testes mais curtos demonstram valores menores do VO2 max, possivelmente por limitação muscular pela maior intensidade do esforço. Da mesma forma, nos testes mais longos, também são encontrados menores valores de VO2 max, decorrentes de aumento da temperatura corporal, de maior desidratação ou de desconforto muscular ou pelos diferentes substratos energéticos envolvidos nos exercícios mais prolongados26.

Bozza e Loos16 estudaram, com o protocolo de Bruce, 114 brasileiros entre 4 e 18 anos de idade. Nos meninos, o tempo médio de esforço aumentou de 10 minutos com idade < 7 anos até 13,6 minutos para idade > 15 anos. Nas meninas, o tempo aumentou de 8,9 minutos nas mais jovens até 12 minutos dos 11 aos 14 anos e caiu acima dos 14 anos. O protocolo de Bruce aplicado em crianças muito jovens ou limitadas pode ter duração muito curta e nas mais treinadas, o tempo pode ultrapassar facilmente os 12 minutos27. Cumming e cols.17 observaram alta correlação entre o VO2 max e o tempo de exercício, que pode ser usado satisfatoriamente como indicador da tolerância ao esforço no protocolo de Bruce.

No protocolo em rampa, independentemente de sexo, idade ou nível de condicionamento, espera-se duração entre 8 e 12 minutos8-10. No protocolo em rampa, como o tempo de exercício esperado é relativamente constante, para se comparar a tolerância ao esforço deste com outros protocolos pode ser utilizado o VO2 max calculado por uma mesma fórmula. A velocidade e a inclinação máxima alcançadas nesses dois protocolos foi diferente, e apenas para permitir a comparação entre os protocolos de Bruce e em rampa; o VO2 max em todas as crianças e adolescentes foi calculado a partir da inclinação e da velocidade no esforço máximo pelas fórmulas do ACSM para caminhada e corrida, e esta última não mostrou diferença significativa do calculado pela fórmula de Balke (dados não apresentados nos resultados). A unidade usada para corrigir a diferença do peso corporal foi ml.kg-1.min-1. Não se pretendeu fazer a classificação funcional desses pacientes pelos valores do VO2 calculado, mas estabelecer uma comparação entre a tolerância ao exercício nesses dois diferentes protocolos de esforço.

De forma semelhante aos outros estudos, o VO2 max foi maior nos meninos, aumentou com a idade e os valores máximos foram alcançados mais tardiamente no sexo masculino. Embora a maior proporção de indivíduos com doença cardíaca tenha sido observada no protocolo em rampa, em todas as idades o VO2 max foi mais elevado nesse protocolo (protocolo em rampa = 51,4 ± 9,3 e protocolo de Bruce = 44,2 ± 8,2 ml.kg-1.min-1 ). O encaminhamento mais freqüente de indivíduos nessa faixa etária para a realização do teste ergométrico para avaliação de tratamento clínico ou cirúrgico de cardiopatias congênitas ou valvopatias e avaliação para a prática de atividades físicas poderia justificar o maior número do TE nos últimos anos em crianças e adolescentes com doença cardíaca.

Myers e cols.8 encontraram VO2 calculado maior que o medido em todos os protocolos estudados, com menor diferença (6%) no protocolo em rampa e maior (16%) no protocolo de Bruce. Serra9 recomenda o protocolo em rampa por permitir melhor identificação do limiar anaeróbio, e maiores níveis de VO2 max. O TE máximo não distingue necessariamente crianças normais daquelas com doença cardíaca de moderada a grave. Muitas crianças com pequenos problemas estruturais do coração, corrigidos ou não, têm VO2 max igual ao de crianças normais. Somente as crianças cianóticas ou com doença valvar grave apresentaram consistente redução da capacidade funcional18. Em 7.514 americanos entre 12 e 17 anos de idade, o VO2 max estimado foi ligeiramente maior na raça negra, aumentou com a idade no sexo masculino e diminuiu no sexo feminino após a puberdade28.

Os dados observados nessa população permitiram elaborar a tabela 6, que apresenta a velocidade e a inclinação inicial e aos 10 minutos de exercício, e o VO2 max de acordo com o sexo e a faixa etária, facilitando assim o uso do protocolo em rampa em crianças e adolescentes. Algumas sugestões que se seguem também podem auxiliar na prescrição do exercício no protocolo em rampa: 1. O tempo previsto de exercício deve ser de 10 minutos – os 2 minutos para mais ou para menos devem acomodar a maioria dos pacientes examinados, dentro do tempo ideal de 8 a 12 minutos de exercício; 2. A velocidade e a inclinação, a serem atingidas aos 10 minutos de exercício, devem ser escolhidas inicialmente, usando como sugestão os dados apresentados na tabela 6, de acordo com o sexo e a idade; 3. A velocidade inicial deve equivaler a 50% ou menos da velocidade máxima prevista, para permitir aumento de 0,1 km/h a cada 10 ou 15 segundos; 4. A inclinação inicial, em valores absolutos, deve ser 10% menor que a inclinação máxima, para permitir aumento da inclinação de 0,5% a cada 30 segundos; 5. O período de aquecimento e adaptação ao ergômetro deve ser realizado durante cerca de 2 minutos, com velocidade e inclinação de 50% dos valores iniciais; 6. A recuperação após o exercício pode ser realizada sem inclinação (0%) e velocidade inicial equivalente a 50% da máxima alcançada, com redução de 10% a cada 30 segundos. A utilização da forma combinada de pequenos e constantes aumentos da inclinação e da velocidade, durante todo o período de exercício, proporciona maior conforto que o súbito aumento da carga de trabalho, principalmente nos pacientes mais jovens ou do sexo feminino.

Conclusão

No teste ergométrico em esteira realizado em crianças e adolescentes, a comparação entre os protocolos de Bruce e em rampa demonstrou que os parâmetros descritos (VO2 max, velocidade e inclinação) alcançados com o protocolo em rampa podem ser utilizados como referência para auxiliar na prescrição desse protocolo, que demonstrou tolerância ao esforço superior à do protocolo de Bruce.

Potencial Conflito de Interesses

Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.

Fontes de Financiamento

O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.

Vinculação Acadêmica

Este artigo é parte de tese de mestrado de Medicina Interna de Odwaldo Barbosa e Silva, Dário C. Sobral Filho, Lurildo C. Ribeiro Saraiva pela Universidade Federal de Pernambuco - UFPE e Universidade de Pernambuco - UPE.

Correspondência:

Odwaldo Barbosa e Silva

Rua Dolores Salgado, 219 - Apipucos

52071-360 - Recife, PE - Brasil

E-mail:

odwaldo@cardiol.br

Artigo recebido em 28/03/07; revisado recebido em 03/06/07; aceito em 05/06/07.

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OBJECTIVE: Compare exercise tolerance by children and adolescents submitted to treadmill stress test (TST) following Bruce Protocol (BP) or Ramp Protocol (RP), as well as describe velocity and inclination reached with ramp protocol to help set protocol exercise standards. METHODS: Observational, case-based study, with history control of 1,006 children and adolescents in the 4 to 17-year-old range who were submitted to TST between October, 1986 and February, 2003, and who concluded one of the two protocols. Those who interrupted their ET for other reasons rather than physical exhaustion, those on medication that interfered in HR and those with physical constraints to exercise were excluded. Statistical analysis of data considered p<0.05 as significance level; with confidence interval at 95%. RESULTS: Exercise time close to 10 minutes in RP was significantly higher than in BP. HR max reached was higher than 180 bpm in both protocols. Inclination showed to be slightly higher in younger girls in Bruce Protocol. Velocity and VO2 max showed to be higher for all age ranges for those in the Ramp Protocol. CONCLUSION: Velocity and inclination reached with ramp protocol may be used as reference to help set ramp protocol exercise, which showed superior on exertion tolerance as compared to Bruce protocol.

 Exercise test child adolescent

ORIGINAL ARTICLE

Treadmill stress test in children and adolescents: higher tolerance on exertion with ramp protocol

Odwaldo Barbosa e Silva; Lurildo C. Ribeiro Saraiva; Dário C. Sobral Filho

Hospital das Clínicas - UFPE, Faculdade de Ciências Médicas - UPE - Recife, PE - Brazil

Mailing address

SUMMARY

OBJECTIVE: Compare exercise tolerance by children and adolescents submitted to treadmill stress test (TST) following Bruce Protocol (BP) or Ramp Protocol (RP), as well as describe velocity and inclination reached with ramp protocol to help set protocol exercise standards.

METHODS: Observational, case-based study, with history control of 1,006 children and adolescents in the 4 to 17-year-old range who were submitted to TST between October, 1986 and February, 2003, and who concluded one of the two protocols. Those who interrupted their ET for other reasons rather than physical exhaustion, those on medication that interfered in HR and those with physical constraints to exercise were excluded. Statistical analysis of data considered p<0.05 as significance level; with confidence interval at 95%.

RESULTS: Exercise time close to 10 minutes in RP was significantly higher than in BP. HR max reached was higher than 180 bpm in both protocols. Inclination showed to be slightly higher in younger girls in Bruce Protocol. Velocity and VO2 max showed to be higher for all age ranges for those in the Ramp Protocol.

CONCLUSION: Velocity and inclination reached with ramp protocol may be used as reference to help set ramp protocol exercise, which showed superior on exertion tolerance as compared to Bruce protocol.

Key words: Exercise test; child; adolescent.

Introduction

TST is a diagnostic method with a number of indications1 for children and adolescents (age < 19 years of age)2. Protocol to be used must be individual so that treadmill velocity and inclination may be applied following the capabilities of patient under testing.3 The risk posed by TST in children and adolescents is very low when compared to adults, and complications are not common, even if testing is carried out in children with cardiopathies.4,5 Specific knowledge on the physiology of exercise, on the different behavior of heart rate, blood pressure and ECG, in addition to the use of sphygmomanometer are pre-requisites to TST in this group of patients.6

The treadmill has been used in most Brazilian laboratories and clinics where TST is performed. The most commonly used protocol is Bruce Protocol (BP)7. The ramp protocol (RP) is characterized by 8 to 12-minute time length, slight and progressive velocity and inclination increase following individual patient's gender and age, and based on expected maximum volume of oxygen (VO2 max),8-10 to be estimated using American College of Sports Medicine (ACSM)11,12 formulas or "VSAQ" (Veterans Specific-Activity Questionnaire)13,14 questionnaire.

The primary objective was to compare the variables to assess the tolerance of children and adolescents submitted to Bruce protocol or ramp protocol, and to test the assumption that both protocols are equivalent. The specific objective was to describe velocity and inclination reached with ramp protocol to help set protocol exercise standards.

Methods

An observational, case-based study was carried out with history control of children and adolescents in the 4 to 17-year-old range who were submitted to TST at the outpatient unit of a clinic in Recife, Pernambuco State, following one of the two protocols: BRUCE (history control, TST from October, 1986 through February, 1998), and RAMP (March, 1998 through February, 2003). Screening included only exams terminated due to fatigue. All other interruption causes as well as the use of medications that interfered in heart rate were excluded. Only the TSTs performed by one observer were evaluated following the two protocols (Bruce and Ramp). The analysis was based on objective data, and free of any observer interpretation: exercise time length, maximum HR (HR max); maximum velocity (km/h); maximum incline (%); maximum oxygen volume (VO2 max – mml of oxygen used per kg/bodyweight per minute - ml.kg-1.min-1) calculated through the American College Sports of Medicine - ACSM11,12 formula.

Anamnesis, physical exam, heart rate, blood pressure, and ECG were performed before stress test in all individuals. The procedures were repeated during the 3/3 minutes test on BP and during the 2/2 minutes on RP, and after the test at 1, 2, 4 and 6 minutes for all individuals. Data were entered in Excel 8.0 Microsoft®, and statistical analysis was carried out through Excel 8.0 and SigmaStat 3.0. Results are presented in tables, and classified by test protocol, gender, and age range, with four groups having been created (4-7, 8-11, 12-14 and 15-17 years of age). Homogeneity among groups was evaluated according to age, bodyweight, height and HR at rest through Student t test or Mann-Whitney test (in the absence of normal distribution or equal variances) as well as to the presence or absence of diseases through chi-square test (c2). Mann-Whitney test was used for the comparison of exercise time length, HR max, velocity, inclination, and VO2 max in both protocols, with significance at p < 0.05 and 95% CI.

Ethical aspects - No experimental protocols were used. Bruce protocol was introduced in the clinical practice over 50 years ago. The ramp protocol, in 1981 for the cycloergometer, and in 1991 for the treadmill. The tests were required by assistant doctors, and performed by experienced professionals in the method. Parents or guardians were present, having been previously informed about the procedure. Data were collected from the children's and adolescents' medical records. Description and comparison of means from variables classified by TST protocol, gender, and age range guarantee full confidentiality of all study participants. The project was approved by the Institutional Ethics Committee for Research Involving Human Beings.

Results

One thousand and six (1,006) children and adolescents were evaluated. Six hundred and three (603) (59.9%) were males. From the 558 (55.5%) submitted to BP, 58.4% were males; from the 448 (45.5%) who performed RP 61.8% were males. In order to test homogeneity between BP and RP age, bodyweight, height, HR at rest and the presence or absence of disease were compared. No significant differences were shown between age and height either in males or females. Females did not show any difference regarding bodyweight or HR at rest. Among males, although significant difference was shown both for bodyweight and HR at rest between groups. When age range was considered, bodyweight showed to be homogeneous and HR at rest slightly higher in BP only in the 15 to 17-year-old range.

The groups were not homogeneous as to the presence or absence of disease (p<0.001). In the BP group 495 (88.7%) were healthy, while 63 (11.3%) had a condition (43 presented heart disease and 20 had asthma). In the RP 366 (80.0%) were healthy, and 92 (20.0%) had a condition (77 were cardiopaths, and 15 asthmatic).

Among females, maximum HR reached was 1 to 4 bpm in BP, showing significant difference only in the 8 to 11-year-old range. Exercise time length was significantly higher among 12 to 14-year-olds in RP (Table 1). Among male participants, higher values were also observed for HR max in BP (in average 3 bpm), showing significance only among 15 to 17-year-olds. Exertion time was not higher in BP among the 4 to 7-year-olds only. All other age ranges it was shown to be significantly higher (Table 2).

Among females, maximum inclination in BP was higher in the 4 to 11-year-old range, and lower in the 12 to 14-year-old range. No difference was observed among 15 to 17-year-old participants. Maximum velocity showed to be significantly higher in RP in all age ranges (Table 3). Among males, maximum inclination showed little difference, having been higher in BP only in the 12 to 14-year-old range. Maximum velocity reached was significantly higher in RP for all age ranges (Table 4).

The ACSM formula (jogging) was used to calculate maximum oxygen volume. Only girls in the 4 to 7-year-old range showed no significant difference between BP and RP. All other children and adolescents reached significantly higher values for VO2 max in the RP – irrespective of gender and age range (Table 5).

Discussion

Despite the low prevalence of cardiopathies among children and adolescents, in addition to ruling out heart diseases and checking functional capability, TST helps assistant doctors to more confidently allow ordinary physical activities or sports practice to those with exercise-related symptoms. Regular TST may give parents more confidence as well to allow their children - whether they have a condition or not - to lead their lives as normally as possible, without the many times unnecessary constraints on their physical activities. A small number of publications has described the normal behavior of hemodynamic and metabolic variables in children and adolescents. Those publications are usually based on Bruce Protocol or Ramp Protocol with cycloergometer, but very few – even the most recent ones - discuss the specific characteristics of ET protocols. The relevance of the present study resides in presenting RP on the treadmill involving a significant number of children and adolescents, in addition to suggesting criteria to help set treadmill velocity and inclination parameters in the protocol according to gender and age range.

A possible constraint in the present study is that not both protocols were used for all children and youngsters in the study so that real differences, with different characteristics in TST test results, could be compared. However, both groups were homogeneous as to age and height of males and females. HR at rest and bodyweight showed slight difference in the 15 to 17-year-old range for males only, which may contribute with higher confidence in comparing results of both groups submitted to different protocols.

Younger children are usually less cooperative for the assessment of maximum exercise. To make up for the difficulties in differentiating between capacity constraints to perform exercise and lack of cooperation in pediatric testing6, examiner's experience and adolescents' courage - reluctant towards maximum exercise - are major components. Tolerance level to exercise in children may be the result of emotional factors rather than real fatigue15. Those conditions may justify the lower exercise time length and lower maximum HR reached by the younger ones.

Formulas used to calculate maximum HR expected in adults do not apply for maximum HR expected in pediatric populations. Children's physiologic response to exercise is similar to that of adults, with progressive increase proportional to exertion increase, but differs in the maximum values reached and in lowest correlation between HR and age range. Normal children in different age ranges reach HR max above 180 bpm. Values above 200 bpm are commonly found. Children with HR max < 180 bpm have either not been properly exercised or present chronotropic deficit16.

In the present series, irrespective of protocol or gender, HR max was >180 bpm, which suggests all adolescents have been exercised properly. BP showed slightly increased HR max, although the 3 to 4 bpm difference at peak effort carries no clinical significance.

Different series studied following Bruce Protocol have described the following HR max: normal Canadians: between 193 and 206 bpm17 and those with heart disease between 180 and 210 bpm18; Mexicans – 5-year-old boys and 5 and 6-year-old girls reached 180 bpm, all the others between 184 and 200 bpm19; North-Americans, between 180 and 200 bpm20; Italians (from Naples), 182±14 bpm for boys and 184±13 bpm for girls21; Turkish boys - 193±11 bpm and girls, 197±11.22

Few publications include normal children with RP in the treadmill. Rowland & Cunningham23 have studied 15 children to evaluate VO2 max. They all reached over 193 bpm. Török et al24 have observed 29 normal boys to compare with those with plurimetabolic syndrome and isolated obesity syndrome: in the group of normal boys HR max was around 185 bpm.

In puberty, with higher muscular development boys are expected to have higher exertion tolerance – which BP characterizes as exercise time increase. In RP physical capacity cannot be evaluated based on exercise time, since effort is more intense for exercise average time - 10 minutes - to be kept.

Whipp et al25 have described the ideal time – between 4 to 8 minutes – to reach peak effort on the cycloergometer. Buchfuhrer et al26 have suggested average time length of 10 minutes for maximum tolerance – whether on the treadmill or on the cycloergometer. Shorter time tests show lower VO2 max values, possibly due to muscular limitation from more intense effort. Likewise, in longer time tests, lower VO2 max can also be found as a result of body temperature increase, higher dehydration, muscular discomfort, or the different energy substracts involved in prolonged exercise26.

Bruce Protocol was used by Bozza & Loos16 to study 114 Brazilians in the 4 to 18-year-old range. Average effort time increased 10 minutes for boys aged < 7 up to 13.6 min for those > 15 years of age. Younger girls showed an 8.9-minute increase, while the 11 to 14-year-old range showed up to 12 minutes increase, with a decrease for those over 14. Bruce protocol applied to very young children or those facing limitations may be of very short time length. For better trained children time may easily be longer than 12 minutes27. Cumming et al17 have observed a higher correlation between VO2 max and exercise time – and that may satisfactorily be used as a sign of exertion tolerance in the Bruce Protocol.

In the Ramp Protocol time length is expected to be between 8 and 12 minutes8-10 - irrespective of gender, age range, or fitness level. As exercise time is relatively constant in the RP, VO2 calculated through the same formula may be used to compare exertion tolerance. The two protocols showed different velocity and maximum inclination. For the sole purpose of comparison between BP and RP VO2 max in all children and adolescents was calculated based on peak effort inclination and velocity through ACSM formulas for walking and for jogging. No significant difference was shown in jogging when compared to Balke formula (data not included in results). Body weight difference was corrected through ml.kg-1.min-1. Rather than an attempt towards patient functional classification based on calculated VO2, a comparison was made for exercise tolerance in both protocols.

Similarly to other studies, VO2 max showed to be higher among boys, increased with age, and maximum values were reached later in males. Although RP showed to include most individuals with heart disease in all age ranges, VO2 max was higher in that protocol (RP=51.4±9.3 and BP=44.2±8.2 ml.kg-1.min-1). Most common referrals of individuals for TST in that age range for the assessment of either clinical or surgical management of congenital cardiopathies or valvopathies and physical exercises may justify the number of TST performed by children and adolescents with heart disease in most recent years.

Myers et al8 have found calculated VO2 to be higher than that recorded by all protocols under study, with the lowest difference (6%) in the Ramp Protocol, and the highest (16%) in the Bruce Protocol. Serra9 recommends RP since it provides better identification of anaerobic threshold, as well as higher levels of VO2 max. Maximum TST does not necessarily make the distinction between normal children and those with moderate to severe heart disease. Many of them with heart structure problems – whether corrected or not – report the same VO2 max as the normal ones. Only cyanotic children or those with severe valvular disease have presented consisted reduction of functional capacity18. Among 7,514 Americans in the 12 to 17-year-old range estimated VO2 max was slightly higher among Black children – it increased with age for boys and decreased for girls after puberty28.

Data from this population resulted in Table 6, with velocity and initial inclination, and then at 10 minutes during exercise, with VO2 max according to gender and age range, thus making the use of RP easier for children and adolescents. The suggestions that follow may also help in the prescription of RP exercise:

1. Time estimated should be 10 minutes. Two minutes added to or reduced from that time should accommodate most patients under study, with ideal exercise time between 8 and 12 minutes;

2. Velocity and inclination to be reached at 10 minutes should be selected previously. Data presented on Table 6 may serve as suggestion according to gender and age range;

3. baseline velocity should be equivalent to 50% or less than estimated maximum velocity to allow a 0.1 km/h increment every 10 or 15 seconds;

4. Baseline inclination absolute values should be 10% lower than maximum inclination to allow a 0.5% increment every 30 seconds;

5. Warm-up time and adaptation to ergometer should take approximately 2 minutes, with velocity and inclination at 50% as compared to baseline;

6. Recovery after exercise may be performed with no inclination (0%) and baseline velocity equivalent to 50% of maximum velocity reached, with a 10% reduction every 30 seconds. The combination of low incremental increases in inclination and velocity along exercise time length contributes with better comfort as compared to a sudden increase in workload, especially in younger female patients.

Conclusion

In the treadmill stress test performed in children and adolescents the comparison between Bruce protocol and Ramp Protocol showed that the parameters described for maximum oxygen volume, velocity and inclination reached with RP may be used as reference to help protocol prescription, since it showed superior exertion tolerance when compared to Bruce protocol.

Potential Conflict of Interest

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

Sources of Funding

There were no external funding sources for this study.

Study Association

This article is part of the thesis of master submitted by Odwaldo Barbosa e Silva, Dário C. Sobral Filho, Lurildo C. Ribeiro Saraiva, from Universidade Federal de Pernambuco - UFPE and Universidade de Pernambuco - UPE.

References

Mailing address:

Odwaldo Barbosa e Silva

Rua Dolores Salgado, 219 - Apipucos - Macaxeira

52071-360 - Recife, PE - Brazil

E-mail:

odwaldo@cardiol.br

Manuscript received March 28, 2007; revised manuscript received June 3, 2007; accepted June 5, 2007.