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Arquivos Brasileiros de Cardiologia

Arq. Bras. Cardiol.

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Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBC

São Paulo, SP, Brazil

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Artigos Originais

Ponto ótimo cardiorrespiratório: uma variável submáxima do teste cardiopulmonar de exercício

Ramos

Plínio Santos

Ricardo

Djalma Rabelo

Araújo

Claudio Gil Soares de

Juiz de Fora

Faculdade de Ciências Médicas e da Saúde de Juiz de Fora - SUPREMA

Rio de Janeiro

Clínica de Medicina do Exercício Brasil

Rio de Janeiro

Universidade Gama Filho Programa de pós-graduação em Ciências do Exercício e do Esporte

Juiz de Fora

Hospital e Maternidade Therezinha de Jesus

11 2012

99 5 988 996 08 05 2012 21 06 2012 19 06 2012

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FUNDAMENTO: No Teste Cardiopulmonar de Exercício (TCPE) máximo são analisadas diversas variáveis ventilatórias, incluindo o equivalente ventilatório de oxigênio (VE/VO2). O valor mínimo do VE/VO2 reflete a melhor integração entre os sistemas respiratório e cardiovascular, podendo ser denominado Ponto Ótimo Cardiorrespiratório (POC). OBJETIVO: Determinar o comportamento do POC em função do gênero e da idade em adultos saudáveis e verificar a associação com outras variáveis do TCPE. MÉTODOS: De 2.237 indivíduos, foram selecionados 624 (62% homens e 48 ± 12 anos de idade), não atletas, saudáveis, submetidos ao TCPE máximo. O POC ou VE/VO2 mínimo foi obtido a partir da análise da ventilação e do consumo de oxigênio em cada minuto do TCPE. Foi verificada a relação entre idade e POC para os dois gêneros, assim como as associações com: VO2máx, VO2 no limiar anaeróbico (VO2LA), eficiência da inclinação de consumo de oxigênio (OUES) e com VE máxima. Comparou-se ainda a intensidade do esforço (MET) no POC, LA e VO2máx. RESULTADOS: O POC aumenta com a idade, sendo 23,2 ± 4,48 e 25,0 ± 5,14, respectivamente, em homens e mulheres (p < 0,001). Há associações moderadas e inversas com VO2máx (r = -0,47; p < 0,001), com VO2LA (r = -0,42; p < 0,001) e com o OUES (r = -0,34; p < 0,001). O POC ocorreu, em média, a (44% do VO2máx) e antes do LA (67% do VO2máx) (p < 0,001). CONCLUSÃO: POC, uma variável submáxima, aumenta com a idade e é discretamente mais alto em mulheres. Sendo modestamente associado a outras medidas ventilatórias, parece haver uma contribuição independente na interpretação da resposta cardiorrespiratória ao TCPE.

Exercício teste cardiopulmonar de exercício espirometria consumo de oxigênio relação ventilação-perfusão

02 10 2012

Ponto ótimo cardiorrespiratório: uma variável submáxima do teste cardiopulmonar de exercício

Plínio Santos Ramos^I,II,III; Djalma Rabelo Ricardo^I,II,III; Claudio Gil Soares de Araújo^III,IV

^IFaculdade de Ciências Médicas e da Saúde de Juiz de Fora - SUPREMA - Juiz de Fora, MG

^IIHospital e Maternidade Therezinha de Jesus - Juiz de Fora, MG

^IIIPrograma de pós-graduação em Ciências do Exercício e do Esporte - PPGCEE - Universidade Gama Filho - Rio de Janeiro, RJ

^IVClínica de Medicina do Exercício (CLINIMEX) - Rio de Janeiro, RJ, Brasil

Correspondência

RESUMO

OBJETIVO: Determinar o comportamento do POC em função do gênero e da idade em adultos saudáveis e verificar a associação com outras variáveis do TCPE.

MÉTODOS: De 2.237 indivíduos, foram selecionados 624 (62% homens e 48 ± 12 anos de idade), não atletas, saudáveis, submetidos ao TCPE máximo. O POC ou VE/VO2 mínimo foi obtido a partir da análise da ventilação e do consumo de oxigênio em cada minuto do TCPE. Foi verificada a relação entre idade e POC para os dois gêneros, assim como as associações com: VO2máx, VO2 no limiar anaeróbico (VO2LA), eficiência da inclinação de consumo de oxigênio (OUES) e com VE máxima. Comparou-se ainda a intensidade do esforço (MET) no POC, LA e VO2máx.

RESULTADOS: O POC aumenta com a idade, sendo 23,2 ± 4,48 e 25,0 ± 5,14, respectivamente, em homens e mulheres (p < 0,001). Há associações moderadas e inversas com VO2máx (r = -0,47; p < 0,001), com VO2LA (r = -0,42; p < 0,001) e com o OUES (r = -0,34; p < 0,001). O POC ocorreu, em média, a (44% do VO2máx) e antes do LA (67% do VO2máx) (p < 0,001).

CONCLUSÃO: POC, uma variável submáxima, aumenta com a idade e é discretamente mais alto em mulheres. Sendo modestamente associado a outras medidas ventilatórias, parece haver uma contribuição independente na interpretação da resposta cardiorrespiratória ao TCPE.

Palavras-chave: Exercício, teste cardiopulmonar de exercício, espirometria, consumo de oxigênio, relação ventilação-perfusão.

Introdução

Durante um Teste Cardiopulmonar de Exercício (TCPE) máximo são obtidos diferentes dados ventilatórios com implicações clínicas, diagnósticas e/ou prognósticas¹, como o consumo máximo de oxigênio (VO2máx) - uma medida objetiva da função cardiorrespiratória^2,3 -, o pulso máximo de oxigênio absoluto e relativo ao peso corporal^4,5, o limiar anaeróbico (LA)⁶, o equivalente ventilatório de dióxido de carbono (VE/VCO2)⁷ e a curva gerada pelo equivalente ventilatório de oxigênio (OUES)⁸. Entretanto, há diversas limitações com as medidas dessas variáveis, tais como baixa reprodutibilidade⁹, formas distintas de cálculo ou identificação¹⁰, e para a obtenção da maioria dessas, a necessidade da realização de um teste verdadeiramente máximo^11,12 que, a priori, depende das motivações do avaliador e do avaliado.

O comportamento típico dos equivalentes ventilatórios em um exercício incremental possui um formato em U, caracterizado por níveis subótimos de eficiência no repouso e em esforços muito intensos e uma maior eficiência em níveis submáximos de exercício. Dentre as medidas ventilatórias obtidas durante um exercício incremental, permanece por ser mais bem explorado o valor mínimo do equivalente ventilatório de oxigênio (VE/VO2 mínimo), ou seja, o valor mais baixo dessa variável em um dado minuto de um TCPE realizado em protocolo de rampa. Em teoria, o momento em que ocorre o VE/VO2 mínimo representa a melhor relação ou integração entre os sistemas respiratório e cardiovascular ou ventilação-perfusão, podendo ser denominado Ponto Ótimo Cardiorrespiratório (POC). Na prática, o POC corresponde ao momento durante o exercício incremental em que há a menor ventilação (VE) para que seja consumido um litro de oxigênio (VO2).

Uma característica importante do POC é que - ao contrário da grande maioria de outros índices ou variáveis ventilatórias obtidas ou calculadas no TCPE -, para a sua obtenção, não é necessária a realização de um esforço máximo. Hipoteticamente, o POC é muito menos dependente do avaliador e, muito provavelmente, da escolha do protocolo ou da razão incremental do esforço, proporcionando, assim, maior facilidade e precisão para a sua determinação. Sendo assim, parece oportuno investigar o comportamento do POC em um espectro amostral amplo de indivíduos saudáveis, proporcionando condições objetivas para as interpretações clinica e fisiológica dessa variável. Portanto, o objetivo do estudo foi determinar o comportamento do POC em razão do gênero e da idade para indivíduos adultos sem doenças cardiorrespiratórias. Em adendo, foram determinadas as associações entre o POC e outras variáveis ventilatórias comumente obtidas em um TCPE máximo.

Métodos

Amostra

Foram analisados retrospectivamente os dados de 2.237 avaliações médico-funcionais realizadas em uma clínica privada e especializada em Medicina do Exercício entre 2006 e março de 2012, tendo sido identificados 624 adultos (62% homens) não atletas, com a idade de 48 ± 12 anos (média ± desvio padrão), que preenchiam concomitantemente os seguintes critérios de inclusão: 1) não apresentarem histórico de doenças cardiorrespiratórias ou prolapso da valva mitral; 2) não usar regularmente medicação de ação cardiorrespiratória; 3) ausência de obesidade (índice de massa corporal < 30 kg/m²); 4) apresentar um resultado de VEF1/CVF >70% do valor medido¹³ na espirometria de repouso; 5) ausência de alterações eletrocardiográficas sugestivas de presença de isquemia miocárdica significativa ao TCPE; 6) não apresentar limitação locomotora capaz de afetar o desempenho no TCPE; 7) ter realizado o TCPE em cicloergômetro de membros inferiores; e 8) ter completado um TCPE verdadeiramente máximo, ou seja, que não tenha sido interrompido precocemente por critério clínico ou baseado em limites de frequência cardíaca e/ou de pressão arterial.

Protocolo

A avaliação consistiu em um exame clínico, composto de anamnese detalhada e exame físico. Foram obtidos dados antropométricos, da espirometria e do eletrocardiograma de repouso antes da realização do TCPE máximo. Os indivíduos submeteram-se voluntariamente a avaliação, tipicamente feita a pedido dos próprios e por indicação dos seus respectivos médicos assistentes. Todos os indivíduos leram e assinaram um termo de consentimento livre e esclarecido específico, antes da realização dos procedimentos, formalmente autorizando o uso dos dados em pesquisas científicas, preservado o anonimato individual. O termo de consentimento e a análise retrospectiva dos dados foram previamente aprovados pelo comitê de ética em pesquisa institucional, de acordo com a resolução 196/96 do Conselho Nacional de Saúde e com a declaração de Helsinki.

Espirometria de Repouso

Foi realizado um mínimo de três manobras para a determinação da curva de fluxo-volume utilizando um pneumotacógrafo periodicamente calibrado (Cardiovit AT-10, Schiller, Suíça), utilizando o protocolo determinado nas recomendações das American Thoracic Society e European Respiratory Society¹⁴.

Teste Cardiopulmonar de Exercício Máximo (TCPE)

Todos os indivíduos foram submetidos a um TCPE máximo em cicloergômetro de membros inferiores (Cateye EC-1600, Cateye, Japão ou Inbrasport CG-04, Inbrasport, Brasil), seguindo um protocolo de rampa individualizado objetivando uma duração entre 8 e 12 minutos. A carga em watts era incrementada gradativamente até que o indivíduo atingisse a exaustão, representada pela incapacidade de continuar a pedalar na frequência de pedaladas previamente estabelecida. Os indivíduos eram fortemente encorajados por meio de estímulos verbais a atingir o máximo durante o TCPE, sendo esse somente interrompido quando os indivíduos atingiam a exaustão voluntária máxima. Conforme mencionado nos critérios de inclusão, somente foram considerados os TCPE que não foram interrompidos por razões clínicas, tais como resposta tensional exagerada e/ou pela ocorrência de resposta cronotrópica incompetente, ou ainda por alterações eletrocardiográficas, hemodinâmicas ou ventilatórias¹⁵.

Análise dos Gases Expirados

Durante o TCPE, os gases expirados foram coletados por um pneumotacógrafo Prevent (MedGraphics, Estados Unidos) acoplado a uma peça bocal, com concomitante oclusão nasal, e quantificados por um analisador metabólico VO2000 (MedGraphics, Estados Unidos), periodicamente calibrados por uma seringa de 2-L e por gases de concentração conhecida. O analisador metabólico possibilitou a quantificação da ventilação pulmonar e das frações parciais de oxigênio e de gás carbônico, analisadas e expressas a cada 10 s. Seguindo uma orientação de padronização¹⁶, os valores de VO2 foram reportados a cada minuto durante o TCPE, pela média das seis leituras obtidas nesse período. Assim, o valor da maior média encontrada referente a um dado minuto foi considerado o VO2máx.

Determinação do Limiar Anaeróbico (LA)

O LA foi determinado a partir da inspeção gráfica dos dados de VE e VO2, pelo ponto em que houve uma quebra na linearidade da VE, enquanto o VO2 continuava a aumentar linearmente com a carga de trabalho¹⁷.

Determinação Eficiência da Inclinação de Consumo de Oxigênio (OUES)

O OUES foi determinado por uma regressão linear em razão da transformação logarítmica da VE e do VO2 obtidos a cada minuto do TCPE utilizando a seguinte equação (VO2 = a log VE + b). Nessa equação, a constante 'a' representa o coeficiente de regressão (chamados de OUES), e 'b' representa a interceptação^8,18.

Determinação do POC

POC, um resultado adimensional, foi obtido a partir da identificação do menor valor da razão entre os dados de ventilação (VE) e do consumo de oxigênio (VO2) obtidos minuto a minuto durante o TCPE máximo, independentemente do momento em que esse ocorreu.

Análise Estatística

Inicialmente foram testadas a normalidade (Kolmogorov-Smirnov) e a homocedasticidade da distribuição dos dados, validando a utilização da estatística paramétrica. Para a descrição da amostra, a tendência central e a variabilidade dos dados foram expressas por média ± desvio padrão (percentis 2,5 e 97,5), enquanto para os dados utilizados na estatística inferencial, os resultados foram apresentados como média ± erro padrão da média. Uma análise de variância de medidas repetidas foi utilizada para comparar os valores da intensidade do exercício em MET em três momentos: POC, LA e VO2máx. A correlação de Pearson foi utilizada para testar a associação entre o POC e outras variáveis ventilatórias. A influência da idade sobre o POC, separadamente por gênero, foi analisada por regressões lineares. Os cálculos estatísticos foram efetuados nos programas SPSS (IBM, Estados Unidos) versão 17 e no Prism versão 5.01 (GraphPad, Estados Unidos), considerando um nível de significância 5%.

Resultados

As características demográficas, assim como os resultados da espirometria de repouso e do TCPE em razão do gênero são apresentados na Tabela 1.

As associações entre POC e VO2máx, assim como com o OUES e com o VO2LA foram significativas, porém apenas moderadas, enquanto o coeficiente de correlação entre o POC e a VE máxima foi fraca (Tabela 2).

Em todos os indivíduos testados, o POC ocorreu sempre antes do LA, sendo identificado em 4,1 ± 0,05 equivalentes metabólicos (MET) (44% do VO2máx), bastante abaixo do valor do LA 6,4 ± 0,09 MET (67% do VO2máx), e do esforço máximo 9,7 ± 0,12 MET (p < 0,001) (Figura 1).

O POC aumenta progressivamente com a idade, tanto nos homens quanto nas mulheres, não havendo diferença entre a inclinação da regressão (slope) (p = 0,76); contudo, as mulheres apresentam um POC discretamente maior, dois pontos, para a mesma idade, havendo uma diferença no intercepto da regressão linear (p = 0,001) (Figura 2). As equações de regressão linear que explicam a relação entre POC e idade para cada gênero são apresentadas na Tabela 3. Na Figura 3 é apresentado o comportamento do POC em razão da faixa etária e do gênero, e para uma utilização clínica prática, apresentamos na Tabela 4 os percentis para o POC por faixa etária e gênero.

Discussão

Nosso estudo contribui de forma original para o corpo de conhecimento, sendo o primeiro a abordar o comportamento do POC durante o TCPE em uma coorte ampla e criteriosamente selecionada, determinando as equações de regressão dessa variável em razão da idade para adultos saudáveis dos dois gêneros. Para a seleção de nossa amostra foi feito um controle rígido para a inclusão exclusiva de indivíduos nitidamente saudáveis, onde vários critérios deveriam ser concomitantemente preenchidos incluindo, especificamente, nunca ter sido diagnosticado ou tratado para doenças cardiovasculares e/ou respiratórias e não apresentarem obesidade e até mesmo quaisquer alterações musculoesqueléticas capazes de interferir na realização do TCPE em cicloergômetro de membros inferiores.

Sugerimos também em nosso estudo que o POC possa estar diretamente relacionado com um ponto provavelmente ótimo de integração cardiorrespiratória e metabólica, refletindo uma utilização mais eficiente e menos dispendiosa da VE inspirada, o que é particularmente importante, quando se sabe que há um considerável gasto energético em manter uma ventilação pulmonar alta, podendo alcançar até 15% do VO2 máximo observado¹⁹. Particularmente essa variável apresenta algumas vantagens quando comparadas a outras obtidas durante um TCPE, como é o caso do VO2máx, da curva do pulso de oxigênio e do LA que são frequentemente abordados em outros estudos relacionados a ergoespirometria e apresentados como bons indicadores prognósticos^3,6. Todavia, devemos ressaltar que para a obtenção do VO2máx e para outros desses índices é necessária a realização de um esforço verdadeiramente máximo^1,12 e a que a determinação do momento do LA pode ser influenciada pelo protocolo utilizado, pelo escolha do método de detecção¹⁰ desse e pela experiência e conhecimento do avaliador²⁰. Já para a determinação do POC, não é necessária a realização de um exercício verdadeiramente máximo, tendo em vista que essa variável foi sempre identificada em nível relativamente baixo de intensidade do exercício e bem antes do LA, e que a determinação desse não depende da interpretação do avaliador, já que é obtido simplesmente pela identificação da menor razão numérica entre os valores VE e o VO2 para cada minuto do TCPE, sendo assim, um índice adimensional e simples de expressar e comparar.

Há outros índices ventilatórios no TCPE que tendem a expressar a relação entre os sistemas respiratório e cardiovascular. Em 1996, Baba e cols.⁸ propuseram um índice relacionado à reserva cardiorrespiratória funcional, relativo a uma equação que determina a curva de eficiência do consumo de oxigênio (oxygen uptake efficiency slope - OUES), utilizando o equivalente ventilatório de oxigênio (VE/VO2). Essa variável apresenta forte associação com o VO2máx (r = 0,94; p < 0,001) em pacientes pediátricos e (r = 0,78; p < 0,001) em paciente adultos; contudo, esses autores levaram em consideração diversos momentos da curva VE/VO2^18,21 e a ajustaram como se ela apresentasse um comportamento linear, fato esse que não reflete o comportamento fisiológico dessa variável. Ademais, o cálculo da equação para a determinação do OUES é matematicamente mais complexo e prático do que a identificação de apenas um único valor, como é o caso do POC proposto pelo nosso estudo.

Nossos resultados demonstram que o POC apresenta uma associação modesta com o VO2máx (-0,47; p < 0,001) e uma baixa associação com a VE máxima (-0,14; p < 0,001), assim como com o OUES (-0,34; p < 0,001), sugerindo, dessa forma, ser uma variável que apresenta possível independência e potencial contribuição complementar na interpretação da integração cardiorrespiratória durante o TCPE. Outro aspecto igualmente importante é que o POC (Figura 1) ocorre entre aproximadamente 30% e 50% do VO2máx, ou seja, em um esforço de intensidade relativamente baixa, sendo bem menos intenso do que o LA, em um TCPE realizado em protocolo individualizado em rampa, o que pode ser útil quando pensamos em avaliação de pacientes com doença arterial coronariana severa ou até mesmo em pacientes com insuficiência cardíaca avançada. Em nossos resultados de indivíduos saudáveis, o POC ocorreu, em média, em 4,1 MET, compatível com o conceito de ponto ótimo cardiorrespiratório, haja vista que a grande maioria das situações de movimentos cotidianas e em atividades físicas, exercícios e esportes é realizada entre 2 e 6 MET²², e não em um esforço verdadeiramente máximo.

Com o envelhecimento ocorrem diversas alterações estruturais e fisiológicas, como a redução da força muscular²³, a perda de flexibilidade²⁴ e a redução do VO2máx²⁵, de forma que poderíamos esperar que esse viesse a ocorrer com o POC. No caso das variáveis ventilatórias, é sabido que, com o passar dos anos, ocorre também uma redução da força dos músculos respiratórios²⁶ e de alguns indicadores ventilatórios, como o volume expiratório forçado no primeiro segundo (VEF1)²⁷ e a capacidade vital forçada (CVF)²⁸, observando-se também uma resposta menos eficaz ao aumento do PaCO2 em repouso²⁹.

Mais especificamente, em nosso estudo verificamos que com o aumento da idade ocorre um incremento do valor do POC, fato esse que pode ser provavelmente explicado pelas modificações que ocorrem no sistema respiratório^28,30. Evidências demonstram uma redução da superfície alveolar, aumento do espaço morto, condições que estão associadas com uma hiperinsuflação pulmonar e uma redução da capacidade de difusão alvéolo-capilar^30,31, além de uma menor VE²⁹, o que, em conjunto com o enrijecimento dos vasos sanguíneos³², contribui para uma pior relação ou aumento do V/Q^28,30-32. Em indivíduos mais jovens, provavelmente, o recrutamento de capilares pulmonares ocorre com maior eficiência, permitindo uma expansão da chamada zona III de West para a região das zonas I e II, mantendo uma relação V/Q mais adequada³³. Cabe ressaltar que o aumento da ventilação no exercício não está relacionado apenas com a concentração de CO2, mas também com estímulos aferentes provenientes dos mecanorreceptores^34,35. Uma evidência desse fato são os dados de Monteiro e Araujo³⁶ indicando que há diferenças substanciais na VE e também no VE/VO2, com estímulos aferentes provavelmente distintos, quando o indivíduo anda ou corre para uma mesma velocidade na esteira.

O comportamento do POC parece ser discretamente distinto de acordo com o gênero; enquanto há um aumento similar do POC com a idade entre homens e mulheres. Com o passar dos anos, pode-se considerar que há uma piora da VE³¹ e uma redução no VO2máx²⁵, ou seja, variáveis diretamente envolvidas no cálculo do POC; parece, contudo, que a piora na ventilação é menos significativa ou numericamente importante do que a redução do VO2, explicando assim maiores valores do POC em indivíduos com mais idade.

Em relação ao gênero, os valores discretamente mais altos de POC encontrados nas mulheres provavelmente estão relacionados com o fato de elas apresentarem menores valores de VO2máx³⁷ e de ventilação, quando comparadas aos homens, lembrando também que, tal como acontece com as equações^26,38,39 de predição de variáveis ventilatórias na espirometria de repouso, são levadas em consideração dimensões corporais e que tipicamente as mulheres são menores do que os homens.

Apesar de todos os cuidados metodológicos envolvidos neste estudo, podemos pontuar algumas possíveis limitações para uma maior aplicação clínica e validade externa dos nossos dados, como a caracterização do POC para TCPE realizados apenas em cicloergômetros de membros inferiores. Contudo, isso pode também representar um ponto forte, pois ao evitar as transições de marcha e corrida habitualmente observadas em protocolos de esteira rolante, talvez tenha sido possível melhor caracterizar o comportamento fisiológico do POC. Outra potencial limitação refere-se ao fato de não ter sido objetivamente testado se os valores de POC eram distintos entre indivíduos habitualmente ativos e sedentários, apesar de algumas evidências demonstrarem diferenças em certas variáveis obtidas no TCPE⁴⁰. Contudo, a associação modesta com o VO2máx e com o VO2LA sugere que deve haver uma acentuada superposição nos valores de POC entre os ativos e os sedentários. Talvez a forma mais apropriada de estudar a influência do padrão regular de exercício físico sobre o POC seja avaliando o comportamento dessa variável antes e após a participação em um programa de exercício. Outros estudos futuros deverão comparar ergômetros distintos e que podem produzir aferências diferentes e, consequentemente, outros resultados. Outro aspecto importante será testar o potencial de contribuição clínico e epidemiológico do POC, seja por meio da quantificação de sua resposta a intervenções, como programas de exercício, ou por seu impacto prognóstico sobre a mortalidade.

Conclusão

Em conclusão, este estudo propõe a análise de uma nova variável submáxima em um TCPE, de aquisição simples e quantificação observador-independente, fisiologicamente plausível e fundamentada, capaz de agregar informações clínicas relevantes. O valor do POC aumenta com a idade e é discretamente mais alto em mulheres; sendo as associações modestas com outras medidas ventilatórias, sugerindo uma independente e potencial contribuição na interpretação da resposta cardiorrespiratória no TCPE. O estudo também contribui ao apresentar uma ampla base de dados de indivíduos saudáveis dos dois gêneros em um espectro etário amplo que permitirá a análise e interpretação de resultados que forem obtidos em pacientes acometidos de enfermidades cardiorrespiratórias.

Potencial Conflito de Interesses

O autor Claudio Gil Soares de Araújo declara possuir conflito de interesses da INBRAMED e da MICROMED com cessão de equipamentos.

Fontes de Financiamento

O presente estudo foi parcialmente financiado por CNPq e FAPERJ.

Vinculação Acadêmica

Este artigo é parte de tese de doutorado de Plínio Santos Ramos do Programa de Pós-graduação em Ciências do Exercício e do Esporte pela Universidade Gama Filho.

Correspondência:

Claudio Gil Soares de Araújo

Rua Siqueira Campos, 93/101

CEP 22031-070, Rio de Janeiro, RJ - Brasil

E-mail:

cgaraujo@iis.com.br

Artigo recebido em 08/05/12; revisado em 19/06/12; aceito em 21/06/12.

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Uhlendorf

Original Articles

Cardiorespiratory optimal point: a submaximal variable of the cardiopulmonary exercise testing

BACKGROUND: At the maximal Cardiopulmonary Exercise Testing (CPET), several ventilatory variables are analyzed, including the ventilatory equivalent for oxygen (VE/VO2). The minimum VE/VO2 value reflects the best integration between the respiratory and cardiovascular systems and may be called "Cardiorespiratory Optimal Point (COP)". OBJECTIVE: To determine the behavior of the COP according to gender and age in healthy adults and verify its association with other CPET variables. METHODS: Of 2,237 individuals, 624 were selected (62% men and 48 ± 12 years), non- athletes, healthy, who were submitted to maximal CPET. COP or minimum VE/VO2 was obtained from the analysis of ventilation and oxygen consumption in every minute of CPET. We investigated the association between age and COP for both genders, as well as associations with: VO2max, VO2 at anaerobic threshold (VO2AT), oxygen uptake efficiency slope (OUES) and with maximum VE. We also compared the intensity of exertion (MET) at the COP, AT and VO2max. RESULTS: COP increases with age, being 23.2 ± 4.48 and 25.0 ± 5.14, respectively, in men and women = (p < 0.001). There are moderate and inverse associations with VO2max (r = -0.47; p < 0.001), with VO2AT (r = -0.42; p < 0.001) and with OUES (r = -0.34; p < 0.001). COP occurred, on average, at 44% do VO2max and before AT (67% of VO2max) (p < 0.001). CONCLUSION: COP, a submaximal variable, increases with age and is slightly higher in women. Being modestly associated with other ventilation measures, there seems to be an independent contribution to the interpretation of the cardiorespiratory response to CPET.

Respiratory function tests exercise oxygen consumption spirometry ventilation-perfusion ratio

Cardiorespiratory optimal point: a submaximal variable of the cardiopulmonary exercise testing

Plínio Santos Ramos^I,II,III; Djalma Rabelo Ricardo^I,II,III; Claudio Gil Soares de Araújo^III,IV

^IFaculdade de Ciências Médicas e da Saúde de Juiz de Fora - SUPREMA- Juiz de Fora, MG

^IIHospital e Maternidade Therezinha de Jesus- Juiz de Fora, MG

^IIIPrograma de pós-graduação em Ciências do Exercício e do Esporte - PPGCEE - Universidade Gama Filho- Rio de Janeiro, RJ

^IVClínica de Medicina do Exercício (CLINIMEX)- Rio de Janeiro, RJ, Brazil

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ABSTRACT

OBJECTIVE: To determine the behavior of the COP according to gender and age in healthy adults and verify its association with other CPET variables.

METHODS: Of 2,237 individuals, 624 were selected (62% men and 48 ± 12 years), non- athletes, healthy, who were submitted to maximal CPET. COP or minimum VE/VO2 was obtained from the analysis of ventilation and oxygen consumption in every minute of CPET. We investigated the association between age and COP for both genders, as well as associations with: VO₂max, VO2 at anaerobic threshold (VO2AT), oxygen uptake efficiency slope (OUES) and with maximum VE. We also compared the intensity of exertion (MET) at the COP, AT and VO₂max.

RESULTS: COP increases with age, being 23.2 ± 4.48 and 25.0 ± 5.14, respectively, in men and women = (p < 0.001). There are moderate and inverse associations with VO₂max (r = -0.47; p < 0.001), with VO2AT (r = -0.42; p < 0.001) and with OUES (r = -0.34; p < 0.001). COP occurred, on average, at 44% do VO₂max and before AT (67% of VO₂max) (p < 0.001).

CONCLUSION: COP, a submaximal variable, increases with age and is slightly higher in women. Being modestly associated with other ventilation measures, there seems to be an independent contribution to the interpretation of the cardiorespiratory response to CPET.

Keywords: Respiratory function tests; exercise; oxygen consumption; spirometry; ventilation-perfusion ratio.

Introduction

During a maximum Cardiopulmonary Exercise Testing (CPET), different ventilatory data are obtained with clinical, diagnostic and/or prognostic implications¹, such as maximum oxygen consumption (VO₂max) - an objective measure of cardiorespiratory function^2,3 - the maximum oxygen pulse, both absolute and relative to body weight^4,5, the anaerobic threshold (AT)⁶, the ventilatory equivalent for carbon dioxide (VE/VCO2)⁷ and the curve generated by the oxygen uptake efficiency slope (OUES)⁸. However, there are several limitations with the measurement of these variables, such as low reproducibility⁹, different manners of calculation or identification¹⁰, and the fact that to obtain most of these, it is necessary to perform a truly maximum test^11,12, which usually depends the motivations of the evaluator and the evaluated.

The typical behavior of the ventilatory equivalents in an incremental exercise has a U-shape, characterized by suboptimal levels of efficiency at rest and very intensive efforts and improved efficiency at submaximal levels of exercise. Among the ventilatory measures obtained during an incremental exercise, the minimum value of the ventilatory equivalent for oxygen (VE/VO2 minimum), i.e., the lowest value of this variable at any given minute of CPET performed in a ramp protocol, remains to be better explored. In theory, the moment at which VE/VO2 minimum occurs represents the best association or integration between the respiratory and cardiovascular systems or ventilation-perfusion, which may be called Cardiorespiratory Optimal Point (COP). In practice, the COP corresponds to the moment during the incremental exercise in which there is less ventilation (VE) for a liter of oxygen to be consumed (VO2).

An important characteristic of COP is that - unlike most of other ventilatory indices or variables obtained or calculated at CPET - in order to obtain it, it is not necessary to perform a maximum effort. Hypothetically, the COP is much less dependent on the evaluator and, most likely, on the choice of protocol or the incremental effort ratio, thus being easier to measure, with greater accuracy. Thus, it seems appropriate to investigate the behavior of the COP in a large sample of healthy individuals, providing objective conditions for the clinical and physiological interpretation of this variable. Therefore, the aim of this study was to determine the COP related to gender and age for adults with no cardiopulmonary diseases. In addition, the associations between COP and other ventilatory variables commonly obtained in a maximum CPET were also determined.

Methods

Sample

We retrospectively analyzed data from 2,237 medical and functional evaluations performed at a private clinic specialized in Exercise Medicine between 2006 and March 2012, and identified 624 adults (62% men) non-athletes, aged 48 ± 12 years (mean ± standard deviation), who concomitantly met the following inclusion criteria: 1) no history of cardiorespiratory disease or mitral valve prolapse, 2) no regular use of cardiorespiratory medication, 3) absence of obesity (body mass index < 30 kg/m²), 4) present a result of FEV1/FVC > 70% of the value measured¹³ at resting spirometry, 5) absence of electrocardiographic alterations suggestive of significant myocardial ischemia at the CPET, 6) no locomotor limitation that could affect performance at the CPET, 7) performing the CPET on a lower-limb cycle ergometer and 8) having completed a truly maximum CPET, i.e., one that was not stopped early due to heart rate and/or blood pressure thresholds.

Protocol

The evaluation consisted of a clinical examination, comprising detailed history and physical examination. Data on anthropometrics, spirometry and electrocardiogram at rest were obtained prior to the performance of the maximum CPET. Subjects voluntarily submitted to the assessment, typically done at their own request and by indication of their attending physicians. All subjects read and signed a specific informed consent form, before the performance of the procedures, formally authorizing the use of data in scientific research, whereas preserving individual privacy. The consent form and retrospective analysis of data were previously approved by the institutional ethics committee in research, according to Resolution 196/96 of the National Health Council and the Declaration of Helsinki.

Resting Spirometry

At least three maneuvers were carried out to determine the flow-volume curve using a periodically calibrated pneumotachograph (Cardiovit AT-10, Schiller, Switzerland), using the protocol specified in the guidelines of the American Thoracic Society and European Respiratory Society¹⁴.

Maximum Cardiopulmonary Exercise Testing (CPET)

All subjects were submitted to a maximum CPET in a lower-limb cycle ergometer (Cateye EC-1600, Cateye, Japan or Inbrasport CG-04, Inbrasport, Brazil), following an individualized ramp protocol targeting a duration between 8 and 12 minutes. The load in watts was increased gradually until the patient reached exhaustion, represented by the incapacity to continue to ride at the previously established cycling frequency. Subjects were strongly encouraged by verbal stimuli to reach the maximum effort during the CPET, and this only stopped when individuals reached the maximum voluntary exhaustion. As mentioned in the inclusion criteria, the CPETs were only considered in the analysis when they were not interrupted by clinical reasons, such as exaggerated BP response and/or the occurrence of an incompetent chronotropic response, or even due to electrocardiographic, hemodynamic and ventilatory alterations¹⁵.

Analysis of Exhaled Gases

During the CPET, the exhaled gases were collected by a Prevent pneumotachograph (MedGraphics, USA) coupled to a mouthpiece, with concomitant nasal occlusion, and quantified by a VO2000 metabolic analyzer (MedGraphics, USA), calibrated periodically by a 2-L syringe and gases of known concentration. The metabolic analyzer enabled the quantification of pulmonary ventilation and partial fractions of oxygen and carbon dioxide, expressed and analyzed every 10 s. Following a standardization pattern¹⁶, VO2 values were reported every minute during the CPET, through the mean of six readings obtained during this period. Thus, the value of the largest mean obtained referring to a given minute was considered the VO₂max.

Determination of Anaerobic Threshold (AT)

The AT was determined based on the graphical inspection of data on VO2 and VE, at which point there was a decrease in the linearity of VE, whereas VO2 continued to increase linearly with the work load¹⁷.

Determination of Oxygen Uptake Efficiency Slope (OUES)

OUES was determined by linear regression related to the log transformation of VE and VO2 obtained every minute of CPET using the following equation (VO2 = a log VE + b). In this equation, the constant 'a' represents the regression coefficient (called OUES), and 'b' represents the intercept^8,18.

Determination of COP

COP, a dimensionless result, was obtained by identifying the lowest value of the ratio between the data ventilation (VE) and oxygen uptake (VO2) obtained at every minute during the maximum CPET, regardless of when it occurred.

Statistical Analysis

Initially, the normality (Kolmogorov-Smirnov) and homogeneity of data distribution were tested, validating the use of parametric statistics. To describe the sample, the central tendency and variability of the data were expressed as mean ± standard deviation (2.5 and 97.5 percentiles), while for the data used in inferential statistics, the results were presented as mean ± standard error of mean. An analysis of variance for repeated measures was used to compare the values of exercise intensity in MET in three occasions: COP, AT and VO2max. Pearson's correlation was used to test the association between COP and other ventilatory variables. The influence of age on the COP, separately by gender, was analyzed by linear regression. Statistical calculations were performed using SPSS (IBM, USA), release 17 and Prism release 5.01 (GraphPad, USA), considering a significance level of 5%.

Results

The demographic characteristics, as well as the results of resting spirometry and CPET regarding gender are shown in Table 1.

The associations between COP and VO₂max as well as with OUES and the VO₂AT were significant, but only moderate, whereas the correlation coefficient between the COP and maximum VE was weak (Table 2).

In all tested subjects, the COP always occurred before AT, being identified at 4.1 ± 0.05 metabolic equivalents (MET) (44% of VO₂max), quite lower than the value of AT 6.4 ± 0.09 MET (67% of VO₂max), and maximum effort 9.7 ± 0.12 MET (p < 0.001) (Figure 1).

COP increases progressively with age in both men and women, with no difference between the regression slope (p = 0.76); however, women have a slightly higher COP, two points for the same age, with a difference in the intercept of the linear regression (p = 0.001) (Figure 2). The linear regression equations that explain the association between COP and age for each gender are shown in Table 3. Figure 3 shows the behavior of the COP related to age range and gender, and for its use in clinical practice, we present in Table 4 the COP percentiles by age range and gender.

Discussion

Our study makes an original contribution to the body of knowledge, being the first to address the behavior of the COP during CPET in a large and carefully selected cohort, determining the regression equations of this variable related to age for healthy adults of both genders. Our sample selection was carried out with a stringent control to include only distinctly healthy individuals, where several criteria had to be met simultaneously, including specifically, to have never been diagnosed or treated for cardiovascular and/or respiratory diseases and obesity and not having any musculoskeletal abnormalities that could impair the performance at the CPET on a lower-limb cycle ergometer.

We also suggest in our study that the COP can be directly related to a probably optimal point of cardiorespiratory and metabolic integration, reflecting a more efficient and less expensive use of inspired VE, which is particularly important when one knows that there is a considerable energy expenditure to maintain a high pulmonary ventilation, which can reach up to 15% of the observed VO₂max¹⁹. Particularly, this variable has some advantages when compared to others obtained during a CPET, such as VO₂max, the oxygen pulse curve and AT, which are often addressed in other studies related to ergospirometry and presented as good prognostic indicators^3,6. However, we must emphasize that to obtain VO₂max and other such indices it is necessary to perform a truly maximum effort^1,12 and that the determination of AT time can be influenced by the protocol used, the choice of method of detection¹⁰ and the experience and knowledge of the evaluator²⁰. As for the determination of the COP, it is not necessary to perform a truly maximum exercise considering that this variable has always been identified at relatively low levels of exercise intensity and well before the AT, and that its determination does not depend on the evaluator's interpretation, as it is easily obtained by identifying the lowest numerical ratio between the VE and VO2 values for each minute of the CPET, thus being a dimensionless ratio, simple to express and compare.

There are other ventilatory indices in the CPET that tend to express the association between the respiratory and cardiovascular systems. In 1996, Baba et al.⁸ proposed an index associated to the cardiorespiratory functional reserve, related to an equation that determines the oxygen uptake efficiency slope (OUES), using the ventilatory equivalent for oxygen (VE/VO2). This variable has a strong association with VO₂max (r = 0.94, p < 0.001) in pediatric (r = 0.78, p < 0.001) and adult patients; however, these authors took into consideration several points of the VE/VO2 curve^18,21and adjusted it as if it had a linear behavior, a fact that does not reflect the physiological behavior of this variable. Furthermore, the calculation of the equation for OUES determination is mathematically more complex and less practical than the identification of only one value, such as with the COP proposed by our study.

Our results demonstrate that the COP has a modest association with VO₂max (-0.47, p < 0.001) and a low association with maximum VE (-0.14, p < 0.001), as well as OUES (-0.34, p < 0.001), thus suggesting that it is a possible independent variable with potential complementary contribution to the interpretation of cardiorespiratory integration during the CPET. Another equally important aspect is that the COP (Figure 1) occurs between approximately 30% and 50% of the VO₂max, i.e., at a relatively low intensity effort, being considerably less intense than the AT in a CPET performed using an individualized ramp protocol, which can be useful when thinking about the evaluation of patients with severe coronary artery disease or even in patients with advanced heart failure. In our results of healthy individuals, the COP occurred on average at 4.1 MET, compatible with the concept of cardiorespiratory optimal point, considering that most situations of everyday movements and physical activities, exercises and sports are performed between 2 and 6 MET²², rather than at truly maximum effort.

The aging process results in several structural and physiological alterations, such as muscle strength decrease²³, loss of flexibility²⁴ and VO₂max reduction²⁵, so we might expect that this would occur with the COP. Regarding the ventilatory variables, it is known that, over the years, there is also a reduction in respiratory muscle strength²⁶ and some ventilatory indicators, such as forced expiratory volume in one second (FEV1)²⁷ and forced vital capacity (FVC )²⁸, as well as a less effective response to the increase in PaCO2 at rest²⁹.

More specifically, in our study we observed that with increasing age, there is an increase in the COP value, a fact that can probably be explained by changes that occur in the respiratory system^28,30. Evidence has shown a reduction in alveolar surface, increase in the alveolar dead space, conditions that are associated with pulmonary hyperinflation and a reduction in the alveolar-capillary diffusion capacity^30,31, in addition to a lower VE²⁹, which, together with the stiffening of blood vessels³² contributes to a worst ratio or increase in the V/Q^28,30-32. In younger individuals, the pulmonary capillary recruitment probably occurs with greater efficiency, allowing an expansion of the so-called West zone III to the region of zones I and II, maintaining a more appropriate V/Q ratio³³. It should be noted that the increased ventilation in exercise is not only related to the CO2 concentration, but also with afferent stimuli from the mechanoreceptors^34,35. Evidence of that is data from Araujo and Monteiro³⁶ indicating that there are substantial differences in the VE and also in VE/VO2, with probably different afferent stimuli, when an individual walks or runs for the same velocity on the treadmill.

The behavior of COP seems to be slightly different according to gender, while there is a similar increase in the COP with age for men and women. Over the years, one can consider that there is a worsening in VE³¹ and a reduction in VO₂max²⁵, i.e. variables directly involved in the calculation of the COP; it seems, however, that the decline in ventilation is less significant or numerically important than the reduction in VO2, thereby explaining the higher COP values in older individuals.

Regarding gender, the slightly higher COP values found in women are probably related to the fact that they have lower values of VO₂max³⁷ and ventilation, when compared to men, remembering that, as with the equations^26,38,39 that predict ventilatory variables at resting spirometry, body size is taken into account and typically women are smaller than men.

Notwithstanding all the methodological steps involved in this study, we can point out some possible limitations to greater clinical application and external validity of our data, such as the characterization of the COP for CPET performed only in lower-limb cycle ergometer. However, this may also represent a strong point, as, by avoiding gait transitions when walking and running, which are normally observed in treadmill protocols, perhaps it was possible to better characterize the physiological behavior of the COP. Another potential limitation is the fact that it has not been objectively tested whether the COP values were distinct between individuals habitually active and sedentary, in spite of some evidence demonstrating differences in certain variables obtained at the CPET⁴⁰. However, the modest association with the VO₂max and the VO₂AT suggests that there should be a marked overlap in COP values between active and sedentary individuals. Perhaps the most appropriate way to study the influence of the regular pattern of physical exercise on the COP is to evaluate the behavior of this variable before and after participating in an exercise program. Further studies will compare different ergometers that might produce different assessments and therefore, other results. Another important aspect is to test the potential clinical and epidemiological contribution of COP, either by measuring its response to interventions such as exercise programs, or by its prognostic impact on mortality.

Conclusion

In conclusion, this study proposes the analysis of a new submaximal variable in a CPET, which is easy to obtain, shows observer-independent quantification, is physiologically plausible and well-grounded, able to add relevant clinical information. The value of COP increases with age and is slightly higher in women, with associations being modest with other ventilation measures, suggesting an independent and potential contribution in the interpretation of the cardiorespiratory response at the CPET. The study also contributes by showing a comprehensive database of healthy individuals of both genders within a broad age spectrum, which will allow the analysis and interpretation of results obtained from patients suffering from cardiopulmonary diseases.

Potential Conflict of Interest

The author Claudio Gil Soares de Araújo declares to have conflict of interest with INBRAMED and MICROMED for cession of some of the equipments used in the study.

Sources of Funding

This study was partially funded by CNPq e FAPERJ.

Study Association

This article is part of the doctoral dissertation of Plinio Santos Ramos at the Graduate Program in Exercise and Sport Sciences of Gama Filho University.

References