Fisiologia dell’esercizio fisico CPET: Modalità di esecuzione

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1 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

2 Fisiologia dell’esercizio fisico

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

4 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

5 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

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7 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 CO H2O  V’CO2

8 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:

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

10 Metabolic Equivalent (MET)

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

12 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

13 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

14 Changes in the distribution of circulation during exercise

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16 The Starling Curve

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

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

19 The Fick equation Qt = V’O2/CaO2-CvO2

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

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22 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

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

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25 Ventilazione polmonare durante esercizio:
Volume corrente vs Frequenza Respiratoria

26 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)

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28 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)

29 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

30 CPET: Modalità di esecuzione

31 CPET: Attrezzatura richiesta

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

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

35 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

36 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:

37 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:

38 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)

39 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:

40 CPET: Parametri ottenuti

41 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

42 Relazione tra V’O2 e tempo durante CPET

43 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

44 Calcolo del V’O2 max teorico (ml/min)
Registrare Peso (kg), Altezza (cm), Età (anni) Uomini Calcolo del Fattore di Cicloergometro FC = · E Peso Teorico PT= 0.79 · A Donne Calcolo del Fattore di Cicloergometro FC = · E Peso Teorico PT= 0.65 · A 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

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

46 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

47 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

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49 Years of Follow-up

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51 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

52 Relazione tra V’O2 e watt durante CPET

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

54 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

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56 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)

57 Calcolo della Soglia Anaerobica
metodo della V-slope metodo convenzionale

58 Calcolo di AT con il metodo della V-slope

59 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* AT = 26.5±4.4 l/min/ l/min AT = 29.1±4.3 l/min/ l/min *da K. Wasserman: Principles of exercise testing and interpretation, 3^ ed. 1999

60 AT V’O2 VE V’CO2 latticemia

61 Calcolo di AT con il metodo convenzionale

62 Calcolo della AT metodo della V-slope metodo convenzionale

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

64 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:

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

66 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

67 Relationship between PCO2, CO2 Output and Ventilation

68 Risposta Ventilatoria all’Esercizio

69 Relazione tra VEmax e VT

70 Breathing Reserve ventilatory ceiling

71 Massima Ventilazione Volontaria

72 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

73 Changes in Flow and Volume during Exercise in Healthy Subjects
MVV

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

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

76 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

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

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

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

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

81 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

82 Relazione tra VE e VCO2

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

84 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

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

87 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

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

89 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

90 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

91 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

92 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.

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

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

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

96 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

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98 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

99 Relazione tra V’O2 e fc

100 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 = ml/min/bpm V’O2 / fc max (sedentario) = ml/min/bpm V’O2 / fc max (atleta) = ml/min/bpm V’O2 / fc max (% teor) > 80 % *CB Cooper & TW Storer: Exercise Testing and Interpretation, 2001

101 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

102 Relazione tra V’O2 e fc Risposta cronotropa Risposta inotropa

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

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

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

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

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

108 ST deviation assessment
Fletcher, G. F. et al. Circulation 2001;104:

109 CPET: Strategie interpretative

110 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

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

112 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 ≥ mm o BORG ≥ 9-10) L’esercizio è considerato massimale se uno o più di questi criteri è soddisfatto a fine esercizio

113 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

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

115 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

116 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 -

117 Eight panel plot (ERS 1997)

118 Nine panel plot (K. Wasserman et al 1999)

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

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

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

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

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

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