Fisiologia dell’esercizio fisico CPET: Modalità di esecuzione CPET: parametri ottenuti CPET: strategie interpretative Alfredo Chetta Cattedra di Malattie dell’Apparato Respiratorio SSD Funzionalità Polmonare Dipartimento Cardio-Nefro-Polmonare Azienda Ospedaliero-Universitaria di Parma E-mail: chetta@unipr.it

Fisiologia dell’esercizio fisico

Major Metabolic Pathways during Exercise Glucose:ATP 1:2 Glucose:ATP 1:36 NL Jones & Killian NEJM 2000

Relazione tra i meccanismi fisiologici che supportano il lavoro muscolare espirazione VE=fRxVT CO=fCx SV RQ=0.80 produzione CO2 (V’CO2) inspirazione circolo arterioso venoso consumo O2 (V’O2) ventilazione circolazione metabolismo polmoni cardiovascolare muscoli V’CO2 V’O2

Risposta fisiologica all’esercizio: Metabolismo espirazione VE=fRxVT CO=fCx SV RQ>1,15 produzione CO2 (V’CO2) inspirazione circolo arterioso venoso consumo O2 (V’O2) ventilazione circolazione metabolismo polmoni cardiovascolare muscoli V’CO2 V’O2 VO2 VCO2

Acido lattico + Sodio Bicarbonato Lattato di sodio + Acido Carbonico Tamponamento acido lattico CH3.CHOH.COO-.H+ + NaHCO3 Acido lattico + Sodio Bicarbonato Lattato di sodio + Acido Carbonico H2CO3 CO2 H2O  V’CO2

The three-phase model. Relation between blood lactate concentration (BL) and exercise intensity The three-phase model according to Skinner et al. [9]: relation between blood lactate concentration (BL) and exercise intensity. HR, heart rate; VO2, oxygen consumption; Borg scale: subjective rating of perceived exertion. Binder R K et al. European Journal of Cardiovascular Prevention & Rehabilitation 2008;15:726-734

Binder R K et al. European Journal of Cardiovascular Prevention & Rehabilitation 2008;15:726-734

Metabolic Equivalent (MET)

VO2 max in relazione a età e sesso Maschi Femmine CB Cooper & TW Storer: Exercise Testing and Interpretation, 2001

V’O2 peak e AT vs età e sesso 19 mL/min/year males 12 mL/min/year females Neder A. et al ERJ 1999

Risposta fisiologica all’esercizio: Cuore e Vasi espirazione VE=fRxVT CO=fCx SV RQ>1,15 produzione CO2 (V’CO2) inspirazione circolo arterioso venoso consumo O2 (V’O2) ventilazione circolazione metabolismo polmoni cardiovascolare muscoli V’CO2 V’O2 fC SV CO VO2 VCO2

Changes in the distribution of circulation during exercise

The Starling Curve

The effect of the sympathetic nervous system on the Starling Curve LVEDP ≤ 18 mm Hg

Relazione tra fcmax ed età CB Cooper & TW Storer: Exercise Testing and Interpretation, 2001

The Fick equation Qt = V’O2/CaO2-CvO2

A plot of cardiac output during peak exercise against an indicator of aerobic exercise capacity, the peak oxygen consumption Cooke et al, Heart 1998

Risposta fisiologica all’esercizio: Cuore e Vasi espirazione VE=fRxVT CO=fCx SV RQ>1,15 produzione CO2 (V’CO2) inspirazione circolo arterioso venoso consumo O2 (V’O2) ventilazione circolazione metabolismo polmoni cardiovascolare muscoli V’CO2 V’O2 fR VT VE fC SV CO VO2 VCO2

Relationship between alveolar PCO2, CO2 output and total ventilation V’CO2 VA = K P CO2

Ventilazione polmonare durante esercizio: Volume corrente vs Frequenza Respiratoria

V’O2 = (VE insp ∙ FiO2) – (VE esp ∙ FeO2) Relazione tra V’O2 e VE V’O2 = (VE insp ∙ FiO2) – (VE esp ∙ FeO2) VE insp = VE esp V’O2 = VE (FiO2 – FeO2)

O2 CO2 Polmone Cuore MUSCOLO V’O2=VE*(FIO2-FEO2) V’O2=Q*(CaO2-CvO2) ADP CO2 ATP O2 Polmone V’O2=DO2 (PcO2 – PmitO2) Cuore V’O2=VE*(FIO2-FEO2) V’O2=Q*(CaO2-CvO2)

Risposta fisiologica all’esercizio: Limiti Fisiologici espirazione VE=fRxVT CO=fCx SV RQ>1,15 produzione CO2 (V’CO2) inspirazione circolo arterioso venoso consumo O2 (V’O2) ventilazione circolazione metabolismo polmoni cardiovascolare muscoli V’CO2 V’O2 fR VT VE fC SV CO VO2 VCO2

CPET: Modalità di esecuzione

CPET: Attrezzatura richiesta

Confronto tra tappeto scorrevole e cicloergometro Modificato da K. Wasserman: Principles of exercise testing and interpretation, 3^ ed. 1999

Test da Sforzo Cardiopolmonare: Protocolli carico (watt) Incrementale a rampa A carico costante tempo (min) carico (watt) tempo (min)

CPET: Indicazioni Intolleranza all’esercizio fisico non diagnosticata In pazienti con patologia cardiovascolare cronica Valutazione funzionale e prognostica dell’insufficienza cardiaca Selezione per il trapianto cardiaco Prescrizione e monitoraggio per riabilitazione In pazienti con patologia respiratoria cronica BPCO (comorbidità, monitoraggio, riabilitazione, prognosi) Interstiziopatie (diagnosi precoce, monitoraggio, prescrizione O2) Fibrosi Cistica (prognosi, monitoraggio) Ipertensione polmonare (diagnosi di severità) Asma (diagnosi del broncospasmo indotto da esercizio) Valutazione pre-operatoria Valutazione grado di invalidità

Controindicazioni Assolute al CPET Infarto miocardico acuto (nei primi 3-5 giorni ) Angina instabile Aritmia non controllata e sintomatica Sincope Miocardite o pericardite acuta Stenosi aortica severa sintomatica Insufficienza cardiaca sintomatica Dissezione aortica acuta Embolia polmonare acuta o infarto polmonare Trombosi agli arti inferiori Asma non controllato Desaturazione ossiemoglobinica (SpO2 ≤ 85%) Patologie acute non cardiopolmonari (infettive, insufficienza renale, tireotossicosi) ATS/ACCP Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing Am J Respir Crit Care Med 2003; 167:211-277

Controindicazioni Relative al CPET Stenosi della coronaria principale di sinistra Patologia valvolare che determina stenosi di grado moderato Ipertensione arteriosa di grado elevato a riposo non trattata (sistolica > 200 mmHg e/o diastolica > 120 mmHg) Tachiaritmia o bradiaritmia Blocco atrio-ventricolare (grado 2°-3°) Cardiomiopatia ipertrofica Ipertensione polmonare di grado elevato Alterazioni elettrolitiche Gravidanza avanzata o complicata Alterazioni fisiche che impediscono di eseguire in modo adeguato l’esercizio ATS/ACCP Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing Am J Respir Crit Care Med 2003; 167:211-277

Preparazione del soggetto Esercizio incrementale (10 min) Le fasi del CPET con protocollo incrementale Preparazione del soggetto Riposo (3 min) Riscaldamento (3 min) Esercizio incrementale (10 min) Recupero (2 min)

Indicazioni per l’interruzione del CPET Dolore toracico suggestivo per ischemia cardiaca Variazioni ECG di tipo ischemico Comparsa di complessi ectopici ventricolari Comparsa di blocco atrio-ventricolare di II° o III° grado Diminuzione della pressione arteriosa sistolica > 20 mmHg rispetto al piu’ elevato valore durante il test Ipertensione arteriosa (sistolica >250 mmHg, diastolica > 120 mmHg) Desaturazione ossiemoglobinica (SpO2 ≤ 80%) Pallore improvviso Perdita di coordinamento Confusione mentale Comparsa di vertigini o stanchezza generale estrema ATS/ACCP Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing Am J Respir Crit Care Med 2003; 167: 211-277

CPET: Parametri ottenuti

Variabili del CPET Consumo massimo di O2 Costo energetico Soglia anaerobica Equivalenti ventilatori di O2 e CO2 Strategia ventilatoria Riserva ventilatoria Riserva della frequenza cardiaca Polso di O2

Relazione tra V’O2 e tempo durante CPET

Massimo consumo di ossigeno (V’O2 max) definizione La massima quantità di ossigeno che può essere trasportato e utilizzato unità di misura ml/min o ml/kg/min

Calcolo del V’O2 max teorico (ml/min) Registrare Peso (kg), Altezza (cm), Età (anni) Uomini Calcolo del Fattore di Cicloergometro FC = 50.72-0.372 · E Peso Teorico PT= 0.79 · A - 60.7 Donne Calcolo del Fattore di Cicloergometro FC = 22.78-0.17 · E Peso Teorico PT= 0.65 · A - 42.8 P = PT V’O2 = P · FC P = PT V’O2 = (P +43) · FC P < PT V’O2 = [(PT + P)/2] · FC P < PT V’O2 = [(PT + P + 86)/2] · FC P > PT V’O2 = (PT · FC) +6 · (P-PT) P > PT V’O2 = [(PT + 43) · FC] +6 · (P-PT) da K. Wasserman: Principles of exercise testing and interpretation, 3^ ed. 1999

Classification of Exercise capacity in patient with CHF Peak V’O2 AT Class Impairment (mL/kg/min) (mL/kg/min) A None to mild > 20 >14 B Mild to moderate 16-20 11-14 C Moderate to severe 10-16 8-11 D Severe < 10 < 8 Weber et al. Circulation 1987

Criterion for Cardiac Transplantation Category for Transplant peak V’O2 (mL/kg/min) Accepted indication <10 Probable indication <14 Inadequate indication >15 Mudge et al. J Am Coll Cardiol 1993

Significato Prognostico del V’O2max in Pazienti con Insufficienza Cardiaca Avanzata >14 ml/kg/min <14 ml/kg/min Cahalin LP et al. Chest 1996;110:325-32

Years of Follow-up

Variabili del CPET Consumo massimo di O2 Costo energetico Soglia anaerobica Equivalenti ventilatori di O2 e CO2 Strategia ventilatoria Riserva ventilatoria Riserva della frequenza cardiaca Polso di O2

Relazione tra V’O2 e watt durante CPET

da K. Wasserman: Principles of exercise testing and interpretation, 3^ ed. 1999

Variabili del CPET Consumo massimo di O2 Costo energetico Soglia anaerobica Equivalenti ventilatori di O2 e CO2 Strategia ventilatoria Riserva ventilatoria Riserva della frequenza cardiaca Polso di O2

Soglia Anaerobica Definizione Il livello massimo di lavoro (o di consumo di O2) che puo essere ottenuto senza produzione di acido lattico per via metabolica Valore Sedentario = 50% del lavoro massimo (o di consumo di O2) Atleta = 90% del lavoro massimo (o di consumo di O2)

Calcolo della Soglia Anaerobica metodo della V-slope metodo convenzionale

Calcolo di AT con il metodo della V-slope

Equivalenti Ventilatori di O2 e CO2 definizione Sono rispettivamente il rapporto tra ventilazione (l/min) e consumo di O2 (l/min) (VE/V’O2) e tra ventilazione (l) e produzione di CO2 (l/min) (VE/V’CO2). Sono utilizzati come indici indiretti e non invasivi del grado di efficienza dello scambio dei gas a livello polmonare. valore* VE/V’O2 @ AT = 26.5±4.4 l/min/ l/min VE/V’CO2 @ AT = 29.1±4.3 l/min/ l/min *da K. Wasserman: Principles of exercise testing and interpretation, 3^ ed. 1999

AT V’O2 VE V’CO2 latticemia

Calcolo di AT con il metodo convenzionale

Calcolo della AT metodo della V-slope metodo convenzionale

Cardiopulmonary Predictors of Total Mortality Rate in CHF Gitt AK et al, Circulation 2002

Cardiopulmonary Exercise Testing as a Screening Test for Perioperative Management of Major Surgery in the Elderly Paul Older, Adrian Hall, and Raymond Hader, Chest 1999;116:355-362

Pulmonary Rehabilitation Improves Cardiovascular Response to Exercise in COPD Ramponi et al, Respiration 2013

Variabili del CPET Consumo massimo di O2 Costo energetico Soglia anaerobica Equivalenti ventilatori di O2 e CO2 Strategia ventilatoria Riserva ventilatoria Riserva della frequenza cardiaca Polso di O2

Relationship between PCO2, CO2 Output and Ventilation

Risposta Ventilatoria all’Esercizio

Relazione tra VEmax e VT

Breathing Reserve ventilatory ceiling

Massima Ventilazione Volontaria

Riserva Ventilatoria definizione E’ la differenza in valore assoluto (l/min) o in percentuale tra la massima ventilazione volontaria (MVV) e la massima ventilazione (VEmax) misurata durante l’esercizio valore* VEmax/ MVV x 100 = 72 % ±15 MVV - VEmax = 38 l/min ±22 ; 11 l/min (limite inferiore) da K. Wasserman: Principles of exercise testing and interpretation, 3^ ed. 1999

Changes in Flow and Volume during Exercise in Healthy Subjects MVV

Changes in End Expiratory Lung Volume during Exercise in Healthy Subjects and in COPD Patients

Curve F/V a riposo e al massimo dell’esercizio Normale BPCO

Distribution of the Extent of Change in IC during Exercise DS: 534 pz (85 % riduzione IC). Il 15% senza DH: o mild COPD o extremely severe COPD O’Donnell DE, Rev Mal Repir 2009

Ratio of Tidal Volume to Inspiratory Effort during Exercise in Normal Lung and COPD O’Donnell, 2006

Dynamic hyperinflation is associated with a poor cardiovascular response to exercise in COPD patients Tzani et al. Respiratory Research 2011

Increased oxygen pulse after lung volume reduction surgery is associated with reduced dynamic hyperinflation Lammi MR et al, ERJ 2012

Pulmonary Rehabilitation Improves Cardiovascular Response to Exercise in COPD Ramponi et al, Respiration 2013

Effects of Tiotropium on Lung Hyperinflation, Dyspnea and Exercise Tolerance in COPD Tiotropium Placebo Placebo Tiotropium Il tiotropio ritarda la DH O’Donnell et al, Eur Respir J 2004

Relazione tra VE e VCO2

VE vs VCO2 Relationship in Patients with CHF Piepoli M, Respiration 2009

A prognosticating algorithm for the individual patient Cardiopulmonary exercise testing and prognosis in chronic heart failure A prognosticating algorithm for the individual patient Corrà et al, Chest 2004

VE/VCO2 Slope is the Stronghest Predictor of Respiratory Complications and Death after Pulmonary Resection Brunelli et al. Ann Thorac Surg 2012

Teopompi E et al, Respiratory Care 2013 Relationship between VE/VCO2slope and VO2peak in CHF and COPD Patients Teopompi E et al, Respiratory Care 2013

VE/VCO2slope and VE/VCO2intercept in CHF and COPD Teopompi E et al, Respiratory Care 2013

Teopompi E et al, Respiratory Care 2013 ROC Curve Analysis of VE/VCO2slope and VE/VCO2intercept values in order to discriminate CHF from COPD patients categorized according to VO2peak   Patients with VO2peak < 16 ml/kg/min VO2peak ≥ 16 ml/kg/min VE/VCO2slope VE/VCO2intercept AUC 0.732 0.951 0.509 0.820 p value 0.006 0.0001 0.919 Cutoff point 36.5 2.14 L/min ... 2.72 L/min Sensitivity 0.62 0.92 0.64 Specificity 0.79 0.96 Teopompi E et al, Respiratory Care 2013

VE/VCO2intercept vs FEV1/VC in COPD VE/VCO2intercept vs IC/TLC peak in COPD Teopompi E et al, Respir Physiol Neurobiol 2014 Teopompi E et al, Respiratory Care 2013

Agostoni P et al, Respir Physiol Neurobiol, 2011 VE vs VCO2 Relationship with 250 mL (---) and 500 mL ( ) of Added Dead Space in Patient with CHF Agostoni P et al, Respir Physiol Neurobiol, 2011

Gargiulo P et al, PLoS One. 2014; 9(1): e87395. VE vs. VCO2 relationship in healthy subjects with 0 mL (black line), 250 mL (grey line) and 500 mL (dotted line) of additional dead space Gargiulo P et al, PLoS One. 2014; 9(1): e87395.

Cardiopulmonary Exercise Testing in Pulmonary Emphysema Paoletti et al, Respir Physiol Neurobiol, 2011

Excess Ventilation and Ventilatory Constraints during Exercise in Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease Teopompi E et al, Respir Physiol Neurobiol 2014

Excess Ventilation and Ventilatory Constraints during Exercise in Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease Teopompi E et al, Respir Physiol Neurobiol 2014

Variabili del CPET Consumo massimo di O2 Costo energetico Soglia anaerobica Equivalenti ventilatori di O2 e CO2 Strategia ventilatoria Riserva ventilatoria Riserva della frequenza cardiaca Polso di O2

Riserva della Frequenza Cardiaca definizione E’ la differenza in valore assoluto (bpm) tra la massima frequenza cardiaca teorica e la massima frequenza cardiaca osservata valore fC max (teor-mis)= < 15 bpm

Relazione tra V’O2 e fc

Polso di Ossigeno definizione E’ una misura di efficienza cardiovascolare e rappresenta il volume di O2 estratto dai tessuti per battito cardiaco. E’ dato dal rapporto tra V’O2 (ml/min) e fc (bpm) valore* V’O2 / fc a riposo = 3.5-4.5 ml/min/bpm V’O2 / fc max (sedentario) = 12-15 ml/min/bpm V’O2 / fc max (atleta) = 16-20 ml/min/bpm V’O2 / fc max (% teor) > 80 % *CB Cooper & TW Storer: Exercise Testing and Interpretation, 2001

Polso di Ossigeno : significato 1. Polso di O2 = V’O2 / fc 2. V’O2 = Qc · (Ca-vO2) 3. Polso di O2 = Qc · (Ca-vO2) /fc 4. Qc = fc · SV 5. Polso di O2 = fc · SV · (Ca-vO2) /fc

Relazione tra V’O2 e fc Risposta cronotropa Risposta inotropa

Relazione tra classi NYHA, capacità di esercizio e polso di O2 CB Cooper & TW Storer: Exercise Testing and Interpretation, 2001

Normal response to progressive treadmill exercise in healthy subjects Fletcher, G. F. et al. Circulation 2001;104:1694-1740

Heart-Rate Profile during Exercise as a Predictor of Sudden Death Jouven X et al, N Engl J Med 2005;352:1951-8

Heart-Rate Profile during Exercise as a Predictor of Sudden Death Jouven X et al, N Engl J Med 2005;352:1951-8

Heart-Rate Profile during Exercise as a Predictor of Sudden Death Jouven X et al, N Engl J Med 2005;352:1951-8

ST deviation assessment Fletcher, G. F. et al. Circulation 2001;104:1694-1740

CPET: Strategie interpretative

CPET: approccio integrato all’interpretazione Indicazione(i) al test Valutazione clinica del paziente Motivo(i) dell’interruzione del test Verifica dei criteri di raggiunto esercizio massimale Analisi dei risultati

Valutazione clinica del paziente. Valori normali dei parametri cardio-respiratori in condizioni basali

Criteri per la valutazione dell’esercizio Raggiunto il valore teorico di V’O2max (ml/min) Raggiunto il valore teorico del carico di lavoro massimo (watt) Raggiunta la frequenza cardiaca massima teorica (bpm) Raggiunto il valore di MVV (l/min) RER ≥ 1,15 Dispnea e/o fatica muscolare (VAS ≥ 90-100 mm o BORG ≥ 9-10) L’esercizio è considerato massimale se uno o più di questi criteri è soddisfatto a fine esercizio

Indicazioni per l’interruzione del CPET Dolore toracico suggestivo per ischemia cardiaca Variazioni ECG di tipo ischemico Comparsa di complessi ectopici ventricolari Comparsa di blocco AV di II° o III° grado Diminuzione della pressione arteriosa sistolica nonostante un incremento del carico di lavoro Ipertensione arteriosa (sistolica >250 mmHg, diastolica > 120 mmHg) Desaturazione ossiemoglobinica (SpO2 ≤ 80%) Pallore improvviso Perdita di coordinamento Confusione mentale Comparsa di vertigini o stanchezza generale estrema Dispnea insostenibile Richiesta del paziente

Analisi dei risultati Scelta dei teorici di riferimento Valutazione del grado di tolleranza allo sforzo Identificazione possibili cause limitanti

Teorici di riferimento CPET Autore sesso età soggetti ergometro Hansen M 77 34-74 Operai cantieri navali cicloergometro Jones M/F 50/50 15-71 Volontari Blakie 47/81 55-80 Fairbarn 111/120 20-80 Neder 60/60 La selezione di corretti valori di riferimento è un passo importante nello stabilire pattern di isposta nmle o patologica in risposta al test. Dalla revisione dei lavori pubblicati sull’argomento solo 5 sono elegibili per essere utilizzti in un setting clinico presentano problemi poiché in apporto alle caratteristiche antroprometiche. Dovrebbe essere msso a punto uno studio multicentrico per creare un appropriato set di valori di riferimrnto

Analisi dei Dati Valori al picco dell’esercizio: Watt, V’O2, V’CO2, V’E, FR, VT, HR, polso O2 Riserva ventilatoria (V’E peak/MVV) Riserva frequenza cardiaca (HR peak/HR max pred.) Valori all’AT: V’O2, V’E/VCO2 Slope: ∆V’O2/∆watt, ∆V’E/∆V’CO2, ∆HR/∆V’O2 Altri: intensità dei sintomi, curva F/V, IC, ECG, PaO2, PaCO2, pH, La -

Eight panel plot (ERS 1997)

Nine panel plot (K. Wasserman et al 1999)

Massima Capacità Aerobica 1) Vo2 max = ml/min 2) Vo2 max = ml/kg/min

Stadiazione della capacità di esercizio fisico in base al VO2 max CB Cooper & TW Storer: Exercise Testing and Interpretation, 2001

CPET: Valori Normali Modificato da IM Weisman & RJ Zeballos 1994

CPET: modalità di risposta Parametro Insufficienza Cardiaca Ipertensione Polmonare BPCO ILD V’O2max Ridotto V’ O2@AT Normale/Ridotto fC max Variabile/Normale Normale/Ridotta Ridotta V’O2/fC max BR Normale VE/VCO2@AT Normale/Aumentato Aumentato VD/VT PaO2 Variabile

Rapporto Finale Indicazione al CPET Descrizione del protocollo Motivo dell’arresto Descrizione dei sintomi Valori al picco dell’esercizio Valori @ AT Pendenza Watt/V’O2, HR/V’O2, V’E/V’CO2 Conclusioni: grado di intolleranza allo sforzo, fattori limitanti, descrizione pattern specifici