FUNDAMENTO: Diversos métodos têm sido utilizados para avaliar a modulação vagal cardíaca; entretanto, há lacunas quanto a associação e acurácia desses métodos. OBJETIVO: Investigar a associação entre três métodos válidos, reprodutíveis e comumente utilizados para avaliação da modulação vagal cardíaca, e comparar as suas acurácias. MÉTODOS: Trinta homens saudáveis (23 ± 4 anos) e 15 homens com coronariopatia (61 ± 10 anos) foram avaliados em ordem contrabalanceada pela Variabilidade da Frequência Cardíaca (VFC; variáveis: domínio do tempo = pNN50, DPNN e RMSSD, domínio da frequência = AF ms² e AF u.n.), Arritmia Sinusal Respiratória (ASR) e Teste de Exercício de 4 segundos (T4s). RESULTADOS: Indivíduos saudáveis apresentaram maior modulação vagal nos três métodos (p < 0,05). No grupo saudável houve correlação (p < 0,05) entre os resultados da VFC (pNN50 e DPNN) e da ASR, mas não houve correlação entre o T4s e os outros dois métodos estudados. No grupo com coronariopatia houve correlação entre os resultados da VFC (pNN50, DPNN, RMSSD, AF ms² e AF u.n.) e da ASR. Em adição, houve correlação entre o T4s e a ASR. Por fim, os métodos ASR e T4s apresentaram tamanho do efeito mais preciso e melhor acurácia (p < 0,05) comparados à VFC. CONCLUSÃO: A VFC e a ASR geraram resultados parcialmente redundantes em indivíduos saudáveis e em pacientes com coronariopatia, enquanto o T4s gerou resultados complementares a VFC e ASR em indivíduos saudáveis. Além disso, os métodos ASR e T4s foram mais precisos para discriminar a modulação vagal cardíaca entre indivíduos saudáveis e pacientes com coronariopatia comparados à VFC.
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IVPrograma de Pós-Graduação em Educação Física da Universidade Gama Filho
VClínica de Medicina do Exercício - CLINIMEX, Rio de Janeiro, RJ, Brasil
A disfunção autonômica é caracterizada em parte pela diminuição da modulação vagal cardíaca1-3, o que pode desencadear o início4,5 e agravar o prognóstico de doenças cardiovasculares2,6. Em razão da importância da modulação vagal cardíaca, muitos métodos foram validados para sua avaliação7-9. Entretanto, não há um método padrão de referência para avaliá-la, e há lacunas quanto à associação entre diferentes métodos, assim como quanto à acurácia para discriminar diferenças na função autonômica, o que dificulta a utilização e interpretação clínicas.
O método mais utilizado em estudos científicos para avaliar a modulação vagal cardíaca é a Variabilidade da Frequência Cardíaca (VFC)10. Esse consiste na análise da variabilidade espontânea de uma série contínua de intervalos entre sístoles ventriculares (intervalos RR em um eletrocardiograma), normalmente registrados em repouso10. Mediante análise de potência espectral, a VFC permite avaliar isoladamente a modulação vagal cardíaca11. No entanto, em geral, estudos quanto à reprodutibilidade apresentam resultados bastante heterogêneos12.
Outro método muito utilizado na literatura é a Arritmia Sinusal Respiratória (ASR). Esse consiste na avaliação da diminuição dos intervalos RR na inspiração e aumento na expiração, durante alguns ciclos respiratórios profundos e lentos8,13. A ASR possui como vantagem a rapidez para a coleta e análise dos dados. Entretanto, a ASR não avalia a modulação vagal cardíaca de maneira isolada, pois seus resultados dependem em parte da modulação simpática14.
Durante o exercício físico, diversas características do sistema cardiovascular tornam-se mais evidentes em comparação com o repouso15. Nesse contexto, Araújo e cols.16 propuseram o Teste de Exercício de 4 segundos (T4s), que consiste na avaliação da diminuição dos intervalos RR na transição entre o repouso e o exercício dinâmico, resposta que ocorre exclusivamente em razão da rápida diminuição da modulação vagal cardíaca14,17,18. O T4s foi validado farmacologicamente14,18, possui boa reprodutibilidade19, e a coleta e análise dos dados é relativamente simples.
Em face ao exposto, nosso objetivo foi investigar a associação e acurácia dos resultados obtidos mediante os métodos VFC, ASR e T4s, em indivíduos jovens saudáveis, nos quais é esperado que a função autonômica esteja hígida, e em indivíduos com coronariopatia, nos quais é esperada diminuição da modulação vagal cardíaca.
A amostra foi constituída por dois grupos de homens. O primeiro grupo foi constituído por 30 indivíduos, com idade média de 23 ± 4 anos (amplitude entre 18 e 34 anos), que não apresentavam doenças diagnosticadas, não eram tabagistas e não faziam uso de medicamentos passíveis de interferência na função autonômica cardiovascular. O segundo grupo foi constituído por 15 indivíduos, com idade média de 61 ± 10 anos (amplitude entre 44 e 81 anos), todos com coronariopatia em acompanhamento em uma clínica médica particular, e a maioria deles já havia sofrido um ou mais infartos agudos do miocárdio (
Inicialmente foi realizada uma avaliação clínica composta por anamnese, para identificação de doenças previamente diagnosticadas e uso de medicamentos, e avaliação de exames complementares, no caso do grupo com coronariopatia. Os indivíduos foram então orientados quanto aos protocolos aos quais seriam submetidos e, em seguida, foram posicionados eletrodos descartáveis de eletrocardiograma para registro na derivação CC5 ou CM5. O eletrocardiograma foi registrado durante toda a execução dos testes com uma frequência de amostragem de 1.000 Hz (Powerlab 4/25 T e programa LabChart, versão 6, ADInstruments, Austrália). Os indivíduos de ambos os grupos foram submetidos a avaliação com os três métodos (VFC, ASR e T4s), em ordem contrabalanceada. Os testes foram realizados sempre no período matutino, pelo menos uma hora após o desjejum com uma refeição leve. A duração total de todo o procedimento foi de aproximadamente uma hora, e houve pelo menos 5 minutos de intervalo entre cada um dos procedimentos, além do período de repouso específico de cada procedimento. A duração dos intervalos RR foi mensurada utilizando o programa LabChart versão 6 (AD Instruments, Austrália).
Os indivíduos foram avaliados seguindo os critérios preconizados pela Sociedade Europeia de Cardiologia e a Sociedade Norte-Americana de Marca-Passos e Eletrofisiologia10. A avaliação foi feita em repouso, na posição supina, por um período de 15 minutos, sendo os 5 minutos iniciais utilizados para estabilização dos intervalos RR e os 10 minutos seguintes, para registro e posterior análise. Durante o período de registro, os indivíduos foram instruídos a respirar em uma frequência respiratória de 15 ciclos/minuto seguindo sinal sonoro de um metrônomo. A partir do registro do eletrocardiograma foram identificados os intervalos entre ondas R de batimentos sinusais, que foram analisados no domínio do tempo e da frequência. No domínio do tempo, a modulação vagal cardíaca foi avaliada pelo porcentual de intervalos RR consecutivos que apresentaram diferença maior que 50 ms (pNN50), desvio padrão de intervalos RR normais (DPNN) e raiz quadrada da média dos quadrados das diferenças entre intervalos RR consecutivos (RMSSD). A análise no domínio da frequência foi realizada utilizando a Transformada Rápida de Fourrier. A densidade de potência espectral da banda de alta frequência (AF; 0,15 a 0,4 Hz), em valores absolutos (AF ms2) e em unidade normalizada (AF u.n.), foi utilizada como índice da modulação vagal cardíaca10. Todas as análises foram realizadas utilizando o módulo de análise da variabilidade da frequência cardíaca do programa LabChart versão 6 (AD Instruments, Austrália).
Os indivíduos foram avaliados na posição supina e ficaram em repouso por no mínimo 5 minutos para estabilização dos intervalos RR. O teste consistiu em respirar de maneira profunda e lenta em frequência de 6 ciclos/minuto seguindo um sinal sonoro. Para quantificar a ARS foi calculada a razão entre o maior intervalo RR durante a expiração (E) e o menor intervalo RR durante a inspiração (I), denominada E/I8. A manobra foi realizada duas vezes, com um minuto de duração cada e pelo menos um minuto de intervalo entre as manobras. O índice E/I utilizado para posteriores análises foi o maior valor obtido nas duas manobras.
O T4s consistiu em pedalar, o mais rápido possível, em um cicloergômetro sem carga, do quarto ao oitavo segundos de uma apneia inspiratória máxima. Durante a realização do teste, os indivíduos permaneceram sentados no cicloergômetro. Após estabilização dos intervalos RR em repouso, foram dados quatro comandos verbais, cuja sequência foi: (1) realizar inspiração pela boca, de maneira rápida e com o maior volume possível; (2) pedalar o mais rápido possível; (3) parar subitamente de pedalar; e (4) expirar. Para quantificar a modulação vagal cardíaca foram identificados e medidos o intervalo RR imediatamente antes ou o primeiro do exercício, aquele que foi mais longo, e o intervalo RR mais curto durante o exercício, geralmente o último. Em seguida, dividiu-se o maior intervalo RR pelo menor, obtendo-se um índice adimensional, denominado Índice Vagal Cardíaco (IVC)14,16,18. Foram realizadas duas manobras do T4s e foi utilizada para análise aquela com maior IVC.
Inicialmente, realizamos o cálculo do tamanho amostral, considerando que as médias dos indivíduos saudáveis e coronariopatas seriam de, respectivamente, 1,5 e 1,0 unidades arbitrárias, e considerando desvio padrão dos resultados de ambos os grupos de 0,5 unidade arbitrária. Identificou-se assim que, para a análise emparelhada com um nível de significância < 0,05 e um poder de 0,80, seriam necessários 15 indivíduos em cada grupo. A seguir, utilizou-se o teste de Shapiro-Wilk para verificar a distribuição das variáveis e o teste de Levene para verificar a homogeneidade de variâncias. As características dos grupos estão apresentadas como média ± desvio padrão e os grupos foram comparados mediante teste
o grupo de indivíduos saudáveis apresentou menor idade, peso e Índice de Massa Corporal (IMC) em comparação com o grupo de indivíduos com coronariopatia (
Quanto à associação entre os métodos de avaliação da modulação vagal cardíaca, em indivíduos saudáveis (
A
Na
o presente estudo verificou a associação entre três métodos para avaliação da modulação vagal cardíaca, em dois grupos distintos. Um dos grupos foi constituído por indivíduos saudáveis, jovens, sem quaisquer doenças previamente diagnosticadas, enquanto o outro grupo foi constituído por indivíduos com coronariopatia e outras doenças associadas, com idade e IMC significativamente maiores em comparação com o grupo de indivíduos saudáveis. Essas diferenças nas características dos dois grupos refletiram uma maior modulação vagal cardíaca no grupo saudável em comparação com o grupo com coronariopatia, nos três métodos utilizados para avaliação da modulação vagal. Portanto, esses resultados corroboram os achados de outros estudos prévios4,6, e indicam a diminuição da modulação autonômica vagal no grupo com coronariopatia. Entretanto, apesar de os três métodos terem mostrado que indivíduos saudáveis apresentaram maior modulação vagal, a análise da associação entre os métodos, do tamanho do efeito, e da sensibilidade e especificidade, mostraram que há algumas diferenças importantes nos resultados obtidos pelos métodos estudados.
Houve associação significativa entre os métodos VFC e ASR, tanto na avaliação do grupo saudável quanto na avaliação do grupo com coronariopatia, o que sugere que os resultados de ambos são parcialmente redundantes. Essa associação entre a VFC e a ASR provavelmente atribui-se a uma semelhança entre mecanismos fisiológicos que determinam os resultados de ambos, que seria a flutuação da modulação autonômica em sincronia o ciclo respiratório, mediada por mecanismos neurais centrais (neurônios responsáveis ritmo respiratório) e periféricos (reflexo de estiramento pulmonar, barorreceptores cardiopulmonares e quimiorreflexo)21-23. Apesar da semelhança mencionada entre a VFC e a ASR, cabe ressaltar que a VFC consiste na avaliação da modulação vagal na condição de repouso e a ASR consiste em uma manobra respiratória que provoca aumento da modulação vagal em comparação com o repouso. Provavelmente por isso, a ASR apresentou melhor sensibilidade e especificidade em comparação com a maioria das variáveis obtidas por meio da VFC, o que está discutido mais detalhadamente adiante.
No grupo de indivíduos saudáveis não houve associação entre o T4s e os outros dois métodos. Entretanto, no grupo com coronariopatia houve associação significativa
Outros estudos prévios também investigaram a associação entre diferentes métodos para avaliar a função autonômica em indivíduos saudáveis e em pacientes com coronariopatia. Por exemplo, Esco e cols.28 não encontraram associação entre a VFC e a Frequência Cardíaca de recuperação (FCrec) após um teste de esforço máximo em uma amostra de indivíduos jovens saudáveis, enquanto Evrengul e cols.29 encontram associação significativa entre VFC e FCrec em uma amostra de indivíduos com coronariopatia. Ricardo e cols.3 avaliaram a associação entre os resultados obtidos pelo T4s e a FCrec em 544 indivíduos assintomáticos ou com coronariopatia, com idade entre 10 e 91 anos. Os autores observaram que em indivíduos com melhor função autonômica os resultados do T4s e FCrec apresentaram menor associação em comparação com os resultados de indivíduos com pior função autonômica. Outro exemplo é o estudo de Teixeira e cols.9, no qual foi observada associação significativa entre o T4s e a variabilidade de intervalos RR em um eletrocardiograma de repouso de rotina, em uma amostra heterogênea composta por mais de 1.000 indivíduos, e os resultados dos dois métodos apresentaram melhor concordância em indivíduos com menor modulação vagal cardíaca. Portanto, a associação entre os resultados da ASR e do T4s apenas em indivíduos com coronariopatia, observada no presente estudo, é coerente com os resultados de outros estudos prévios que compararam métodos para avaliar a função autonômica de indivíduos saudáveis e de pacientes com doença cardiovascular.
A análise do tamanho do efeito mostrou que os métodos ASR e T4s diferenciaram com mais precisão os grupos saudável e com coronariopatia. Em adição, a análise de curvas ROC mostrou que a variável pNN50 e os métodos ASR e T4s apresentaram sensibilidade e especificidade significativamente maiores para discriminar a modulação vagal cardíaca entre indivíduos saudáveis e com coronariopatia em comparação com as demais variáveis obtidas por meio da VFC. Como mencionado anteriormente, os mecanismos envolvidos na ASR e T4s são distintos. Entretanto, ambos utilizam uma manobra para avaliar a função autonômica (ASR - ciclos respiratórios profundos e lentos; T4s - transição entre o repouso e o exercício dinâmico), o que os diferenciam da avaliação autonômica realizada em repouso pela VFC. Portanto, esses resultados sugerem que a utilização de uma manobra para avaliar a modulação vagal cardíaca evidencia com mais clareza o controle vagal cardíaco entre indivíduos com diferentes níveis de modulação autonômica vagal.
Os resultados do presente estudo devem ser interpretados considerando algumas limitações. O tamanho amostral utilizado, embora adequado para o delineamento proposto para responder aos objetivos do estudo, foi relativamente pequeno em comparação com alguns dos outros estudos semelhantes na literatura. Por sua vez, foram utilizados critérios de inclusão e exclusão bem definidos para selecionar duas amostras claramente distintas quanto às características clínicas. Outra limitação é assumir que indivíduos saudáveis apresentam função autonômica hígida e pacientes com coronariopatia apresentam diminuição da modulação autonômica. Entretanto, não há um método, ou um conjunto de métodos, padrão de referência para avaliar a função autonômica e, baseado na literatura, as amostras selecionadas deveriam apresentar diferença quanto à função autonômica, como foi observado no presente estudo. Em adição, os pacientes com coronariopatia faziam uso regular de medicamentos prescritos para tratamento de suas doenças de base. Por isso, é provável que os medicamentos tenham influenciado os resultados obtidos. Entretanto, a avaliação dos pacientes dessa maneira aumenta a validade externa dos resultados, assim como a aplicabilidade clínica do estudo, visto que essa é uma situação similar à encontrada na prática clínica. Por fim, muito embora o presente estudo tenha utilizado apenas indivíduos do sexo masculino, controlando assim possíveis influências de variações nos hormônios femininos durante o ciclo menstrual no caso de mulheres jovens, e da menopausa no caso de mulheres na meia idade, não é possível afirmar que o grau de associação entre os diferentes métodos de avaliação vagal cardíaca seja idêntico em mulheres, o que deverá ser alvo de estudos futuros.
indivíduos saudáveis apresentaram maior modulação cardíaca nos três métodos estudados (VFC, ASR e T4s) em comparação com aqueles com coronariopatia. Houve associação entre os métodos VFC e ASR tanto em indivíduos saudáveis como em indivíduos com coronariopatia, e entre os métodos ASR e T4s apenas nos portadores de doença coronariana. Esses resultados sugerem que a VFC e a ASR geraram resultados parcialmente redundantes em indivíduos saudáveis e em pacientes com coronariopatia, enquanto o T4s gerou resultados complementares à VFC e ASR em indivíduos saudáveis. Além disso, a análise do tamanho do efeito e de curvas ROC mostrou que os métodos ASR e T4s foram mais precisos para discriminar a modulação vagal cardíaca entre indivíduos saudáveis e pacientes com coronariopatia em comparação com a VFC.
Plínio Santos Ramos Rua Luiz Brant Horta - 14, Portal da Torre 36037-463 - Juiz de Fora, Minas Gerais, MG, Brasil
BACKGROUND: Several methods have been used to assess cardiac vagal modulation, but there are gaps regarding the association and accuracy of these methods. OBJECTIVE: To investigate the association between three valid, reproducible and commonly methods used to assess cardiac vagal modulation and compare their accuracies. METHODS: Thirty healthy men (23 ± 4 years) and 15 men with coronary artery disease (61 ± 10 years) were evaluated in counterbalanced design by Heart Rate Variability (HRV; variables: the time domain = pNN50, SDNN and RMSSD, the frequency domain HF = ms² and HF n.u.), Respiratory Sinus Arrhythmia (RSA) and 4-second Exercise Test (T4s). Thirty healthy men (23 ± 4 years) and 15 men with coronary artery disease (61 ± 10 years) were evaluated in counterbalanced order by Heart Rate Variability (HRV; variables: the time domain = pNN50, SDNN and RMSSD, the frequency domain HF = ms² and HF n.u.), Respiratory Sinus Arrhythmia (RSA) and 4-second Exercise Test (T4s). RESULTS: Healthy subjects had higher vagal modulation by the three methods (p <0.05). There was a correlation in the healthy group (p <0.05) between the results of HRV (SDNN and pNN50 and RSA, but there was no correlation between the T4s and the other two methods. In the group with coronary artery disease, there was a correlation between the results of HRV (pNN50, SDNN, RMSSD, HF ms² and HF n.u.) and RSA. In addition, there was a correlation between the RSA and T4s. Finally, the T4s and RSA methods presented more accurate effect size and better accuracy (p <0.05), when compared to the HRV. CONCLUSION: HRV and RSA generated partially redundant results in healthy subjects and in patients with coronary artery disease, while the T4s generated results that were complementary to HRV and RSA in healthy subjects. In addition, RSA and T4s methods were more accurate when discriminating cardiac vagal modulation between healthy subjects and patients with coronary artery disease, when compared to HRV.
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RESULTS: Healthy subjects had higher vagal modulation by the three methods (p <0.05). There was a correlation in the healthy group (p <0.05) between the results of HRV (SDNN and pNN50 and RSA, but there was no correlation between the T4s and the other two methods. In the group with coronary artery disease, there was a correlation between the results of HRV (pNN50, SDNN, RMSSD, HF ms2 and HF n.u.) and RSA. In addition, there was a correlation between the RSA and T4s. Finally, the T4s and RSA methods presented more accurate effect size and better accuracy (p <0.05), when compared to the HRV.
Autonomic dysfunction is characterized in part by decreased cardiac vagal modulation1-3, which can trigger the onset4,5 and worsen the prognosis of cardiovascular diseases2,6. Due to the importance of cardiac vagal modulation, many methods have been validated for its assessment7-9. However, there is no reference standard method to evaluate it, and there are gaps regarding the association between different methods, as well as the accuracy to discriminate differences in autonomic function, which hinders their clinical use and interpretation.
The method most frequently used in scientific studies to assess cardiac vagal modulation is the Heart Rate Variability (HRV)10. It consist in the analysis of the spontaneous variability of a continuous series of intervals between ventricular systoles (RR interval in an electrocardiogram), usually recorded at rest10. Through the analysis of spectral power, HRV allows the separate assessment of cardiac vagal modulation11. However, in general, reproducibility studies show very heterogeneous results12.
Another method very often used in the literature is Respiratory Sinus Arrhythmia (RSA). It consists in the assessment of RR interval decrease in the inspiration and increase in the expiration, during a few deep and slow respiratory cycles8,13. The RSA has the advantage of faster data collection and analysis. However, RSA does not evaluate cardiac vagal modulation alone, as its results depend in part on the sympathetic modulation14.
During exercise, several characteristics of the cardiovascular system become more evident in comparison with those at rest15. In this context, Araujo et al16 proposed the 4-second Exercise Test (T4s), which consists in the assessment of RR interval decrease in the transition between rest and dynamic exercise, a response that occurs exclusively due to the rapid decrease of cardiac vagal modulation14,17,18. The T4s was pharmacologically validated14,18, has good reproducibility19, and data collection and analysis are relatively simple.
Considering the above, our goal was to investigate the association and accuracy of results obtained by the methods HRV, RSA and T4s in healthy young subjects, who are expected to have healthy autonomic function, and in individuals with coronary artery disease, in whom a decrease in cardiac vagal modulation is expected.
The sample consisted of two groups of male individuals. The first group consisted of 30 subjects, mean age 23 ± 4 years (range 18 to 34 years) who had no diagnosed diseases, were non-smokers and did not use any drugs that might have affected the cardiovascular autonomic function. The second group consisted of 15 subjects, mean age 61 ± 10 years (range 44 and 81 years), all with coronary artery disease, treated in a private medical clinic, and most of them had already had one or more acute myocardial infarctions (
A clinical evaluation was initially carried out, consisting of clinical history, to identify previously diagnosed diseases and medication use, and evaluation of complementary examinations, in the case of the CAD group. Subjects were then instructed about the protocols they would be submitted to and then disposable electrocardiogram (ECG) electrodes were placed to record leads CM5 or CC5. The ECG was recorded throughout the tests with a sampling frequency of 1000 Hz (Powerlab 4/25 T and LabChart program, release 6, AD Instruments, Australia). Individuals from both groups underwent assessment with three methods (HRV, RSA and T4s) in counterbalanced order. The tests were performed in the morning, at least one hour after breakfast, which consisted of a light meal.
The total duration of the entire procedure was approximately one hour, with at least a 5-minute interval between each procedure, in addition to the resting period of each specific procedure. The duration of RR intervals was measured using the LabChart program, release 6 (AD Instruments, Australia).
Subjects were assessed following the criteria recommended by the European Society of Cardiology and the American Society of Electrophysiology and Pacemakers10. The evaluation was performed at rest in the supine position for a period of 15 minutes, with the first 5 minutes being used for RR interval stabilization and the subsequent 10 minutes for recording and further analysis.
During the recording period, subjects were instructed to breathe at a respiratory rate of 15 cycles/minute, following a metronome beep. Based on the ECG record, the intervals between R waves of sinus beats were identified, which were analyzed in the domain of time and frequency. In the time domain, the cardiac vagal modulation was assessed by the percentage of consecutive RR intervals that showed differences greater than 50 ms (pNN50), standard deviation of normal RR intervals (SDNN) and the square root of the mean squared differences between consecutive RR intervals (RMSSD).
The frequency domain analysis was performed using the Fast Fourier Transform. The spectral power density of the high frequency band (HF, 0.15 to 0.4 Hz) in absolute values (HF ms2) and normalized units (HF n.u.) was used as an index of cardiac vagal modulation10. All tests were performed using the heart rate variability analysis module of the LabChart program, release 6 (AD Instruments, Australia).
Subjects were evaluated in the supine position and remained at rest for at least 5 minutes for RR interval stabilization. The test consisted in breathing deeply and slowly at a frequency of six cycles/minute following a beep. To quantify the RSA, the ratio between the greatest RR interval during expiration (E) and the smallest RR interval during inspiration (I) was calculated, called E/I index8. The maneuver was performed twice, with a one-minute duration each and with at least one minute interval between maneuvers. The E/I index used for further analysis was the highest value obtained in the two maneuvers.
The T4s consisted in cycling as fast as possible on a cycle ergometer with no load, from the fourth to the eighth seconds of a maximal inspiratory apnea. During the test, subjects remained seated on the cycle ergometer. After RR interval stabilization at rest, four verbal commands were given, of which sequence was: (1) take a deep inspiration through the mouth, quickly and with the highest possible volume, (2) cycle as fast as possible, (3) suddenly stop cycling, and (4) perform expiration. To quantify the cardiac vagal modulation the RR interval immediately before or the first of the exercise, the longest one, and the shortest RR interval during the exercise, usually the last one, were identified and measured.
Then, the greatest RR interval was divided by the smallest one, resulting in an adimensional index, called the cardiac vagal index (CVI)14,16,18. Two T4s maneuvers were performed and the one with the highest CVI was used for analysis.
Initially, the sample size calculation was performed, considering that the means of healthy subjects and of individuals with coronary artery disease were, respectively, 1.5 and 1.0 arbitrary units, and considering the standard deviation of the results of both groups of 0.5 arbitrary unit. Hence, it was identified that for the paired analysis with a significance level <0.05 and a power of 0.80, a sample size with 15 subjects in each group would be necessary. Next, we used the Shapiro-Wilks test to check the distribution of variables and the Levene test to check homogeneity of variances. The characteristics of the groups are shown as mean ± SD and the groups were compared by Student's
Cohen's effect size was calculated to compare the ability of the methods to differentiate the groups. According to Hopkins et al20, the following parameters are considered to interpret the magnitude of the effect size: between 0 and 0.19 = trivial; between 0.20 and 0.59 = small; between 0.60 and 1.19, moderate; between 1.2 and 1.99, large; and between 2.00 and 4.00, very large. If the confidence interval for the effect size did not allow the zero value, the results were considered significant. ROC curves were used to calculate sensitivity and specificity of the autonomic variables to differentiate the healthy and CAD groups. For all calculations, the statistical significance was set at p <0.05 in two-tailed analyses. Analyses were performed using STATISTICA, release 8 (StatSoft, USA) and MedCalc software programs, release 7.3.0.1 (MedCalc Software, Belgium).
The group of healthy individuals were younger, had lower weight and Body Mass Index (BMI), when compared with the group of individuals with CAD (
Regarding the association between methods of cardiac vagal modulation assessment in healthy subjects (
the present study analyzed the association between three methods for cardiac vagal modulation assessment in two distinct groups. One group consisted of healthy young individuals with no previously diagnosed diseases, whereas the other group consisted of individuals with coronary artery disease and other associated diseases, who were older and whose BMI was significantly higher when compared with the group of healthy individuals. These differences in the characteristics of the two groups resulted in a higher cardiac vagal modulation in the healthy group, when compared with the group with CAD in the three methods used for vagal modulation assessment.
Therefore, these results corroborate the findings of other previous studies4,6 and indicate a decrease in vagal autonomic modulation in the group with CAD. However, although the three methods showed that healthy individuals had higher vagal modulation, the analysis of association between the methods, the effect size, and the sensitivity and specificity, showed that there are some important differences in the results obtained with the studied methods.
There was a significant association between HRV and RSA methods, both in the evaluation of the healthy group and in the group with CAD, suggesting that the results of both are partially redundant. This association between HRV and RSA is probably attributed to a similarity between the physiological mechanisms that determine the results of both methods, which would be the fluctuation of autonomic modulation in synchrony with the respiratory cycle, mediated by central neural mechanisms (neurons responsible for the respiratory rate) and peripheral (pulmonary stretch reflex, cardiopulmonary baroreceptors and chemoreflex)21-23. In spite of the mentioned similarity between the HRV and RSA, it is noteworthy that HRV is an assessment of vagal modulation at rest and RSA consists in a respiratory maneuver that causes increased vagal modulation compared with rest. Probably for that reason, the RSA showed better sensitivity and specificity when compared with most of the variables obtained through the HRV, which is discussed in more details subsequently.
In the group of healthy subjects, there was no association between the T4s and the other two methods. However, in the group with CAD, there was a significant association between the T4s and RSA. The physiological mechanisms involved in T4s are different from the mechanisms involved in HRV and RSA. In T4s, there is a rapid withdrawal of cardiac vagal modulation at rest due to a redundant interaction between nerve impulses that converge in the brainstem from motor centers in the brain24,25 and from afferent nerve fibers (mainly type III - mechanoreflex) coming from the skeletal muscles26,27. Thus, the central and peripheral mechanisms inhibit cardiac vagal modulation, promoting an increase in heart rate.
In this context, the lack of association between T4s and HRV and between T4s and RSA in healthy subjects suggests that these methods evaluate the autonomic function of healthy individuals in different ways, and that their results are complementary, not redundant. There was, in turn, an association between RSA and T4s in individuals with CAD, who had lower cardiac vagal modulation, suggesting that in the presence of low cardiac vagal modulation the results of T4s and RSA tend to be closer, although these methods depend on different physiological mechanisms.
Other previous studies have also investigated the association between different methods to assess autonomic function in healthy subjects and in patients with CAD. For instance, Esco et al28 found no association between HRV and Heart Rate Recovery (HRrec) after a maximal exercise test in a sample of healthy young subjects, whereas Evrengul et al29 found a significant association between HRV and in HRrec in a sample of individuals with CAD. Ricardo et al3 evaluated the association between the results obtained by T4s and HRrec in 544 asymptomatic subjects or individuals with coronary disease, aged 10 to 91 years. The authors observed that individuals with better autonomic function the results of T4s and HRrec showed a lower association when compared with the results of individuals with lower autonomic function.
Another example is the study of Teixeira et al9, which showed a significant association between the T4s and the RR interval variability during a routine resting electrocardiogram in a heterogeneous sample of more than 1,000 individuals and the results of the two methods showed better agreement in patients with lower cardiac vagal modulation. Therefore, the association between the results of RSA and T4s only in individuals with CAD, observed in this study is consistent with the results of previous studies that compared methods for assessing autonomic function in healthy subjects and patients with cardiovascular disease.
The effect size analysis showed that the T4s and RSA methods differentiated with more accuracy the healthy and CAD groups. In addition, the ROC curve analysis showed that the pNN50 variable and RSA and T4s methods showed significantly higher sensitivity and specificity when discriminating between cardiac vagal modulation in healthy subjects and with coronary artery disease, when compared with the other variables obtained by HRV.
As mentioned before, the mechanisms involved in RSA and T4s are distinct. However, both use a maneuver to evaluate autonomic function (RSA - deep and slow respiratory cycles; T4s - transition between rest and dynamic exercise), which differentiate them from the autonomic assessment performed at rest by HRV. Therefore, these results suggest that the use of a maneuver to assess cardiac vagal modulation shows more clearly the cardiac vagal control among individuals with different levels of vagal autonomic modulation.
The results of the present study should be interpreted considering some limitations. The sample size used in the study, although adequate for the design proposed to meet the study goals, was relatively small compared to some other similar studies in the literature. In turn, we used inclusion and exclusion criteria to select two well-defined samples, clearly different regarding clinical characteristics. Another limitation is the assumption that healthy individuals have healthy autonomic function and patients with CAD have decreased autonomic modulation. However, there is not a single method, or a set of methods, which is a reference standard to assess autonomic function and, based on the literature, selected samples should show the difference in autonomic function, as observed in the present study. Moreover, patients with CAD regularly used prescription drugs for the treatment of underlying diseases.
Therefore, it is likely that medications have influenced the results. However, the evaluation of patients in this manner increases the external validity of results, as well as the clinical applicability of the study, as this is a situation similar to that found in clinical practice. Finally, although this study has assessed male individuals only, thus controlling the possible influence of variations in female hormones during the menstrual cycle in the case of young women, and menopause for middle-aged women, we cannot state that the degree of association between different methods of cardiac vagal assessment is identical in women, which should be the target of future studies.
Healthy subjects had higher cardiac modulation in all three methods studied (HRV, RSA and T4s) compared with those with coronary artery disease. There was an association between the HRV and RSA methods both in healthy subjects and in patients with coronary artery disease, and between the RSA and T4s methods only in patients with coronary disease. These results suggest that HRV and RSA generated partially redundant results in healthy subjects and in patients with coronary artery disease, while T4s generated results complementary to HRV and RSA in healthy subjects. Furthermore, analysis of the effect size and ROC curves showed that the RSA and T4s methods were more accurate to discriminate cardiac vagal modulation between healthy subjects and patients with coronary artery disease, when compared with HRV.