Relazione tra età e frequenza cardiaca: stima della FC max

Trattazione in base allo studio: “Longitudinal Modeling of the Relationship between Age and Maximal Heart Rate” – Gelish, Ronald L. e altri – Medicine & Science in Sports & Exercise: May 2007 – Volume 39 – Issue 5 – p 822-829.

L’evidenza fisiologica dimostra che la risposta cronotropa del cuore (l’azione cronotropa è la variazione proveniente dal sistema nervoso, parasimpatico in particolare,  della regolare frequenza del battito cardiaco e indica generalmente l’influenza esercitata da ogni condizione, in grado di modificare la frequenza cardiaca) diminuisce con l’età, in parte a causa della sensibilità decrescente del cuore alla stimolazione beta-adrenergica, riduzione del flusso di calcio, cambiamenti nel tessuto nervoso di stimolazione cardiaca ed effetto del prolungato riempimento diastolico (11, 14, 22, 37). Pertanto le equazioni di previsione della frequenza cardiaca massima (FC max) basate sull’età di una persona sono frequentemente utilizzate nella prescrizione dell’intensità dell’esercizio e per altre applicazioni cliniche. La formula originale basata su dati compilati nel 1971 da Fox e altri (12), ha avuto origine in una revisione di dati relativi all’attività fisica e alla prevenzione della malattia coronarica, in soggetti maschi di 55 anni di età, che ha tentato di fornire linee guida pratiche per la prescrizione di esercizi e doveva essere una formulazione approssimativa basata sull’apparente decremento della FC max con l’età osservata in quegli studi. Pertanto la sua validità è all’evidenza scientifica incerta.

Altre formule di predizione della FC max sono state proposte nel corso degli anni, molte con una base più rigorosa dell’equazione di 220 – età. Tra queste relazioni molte tesi sono state studiate e presentate divergenti alla nota equazione, come ad esempio, il suggerimento che la FC max diminuisce di meno di un battito all’anno man mano che le persone invecchiano, oppure alcuni studi che mostrano la sopravvalutazione che 220 – età avrebbe nella stima di FC max nei giovani adulti e la sottostima nelle persone anziane. Anche senza considerare le differenze individuali, queste osservazioni mettono in dubbio l’accuratezza della misurazione dell’intensità dell’esercizio rispetto a una FC max prevista determinata dal parametro di riferimento di 220 anni. Sebbene i risultati di vari studi trasversali (7, 9, 10, 13, 14, 17, 24, 28, 29, 33, 36, 38, 39) abbiano mostrato una diminuzione lineare della FC max con l’aumentare dell’età è stato dimostrato in modo meno evidente che il tracciamento longitudinale della FC max degli stessi soggetti, nell’invecchiare, mostri una relazione lineare identica. Lo studio dal quale si prende la trattazione ha avuto come scopo l’esaminare, su base longitudinale, con  analisi statistiche più idonee, la relazione tra età e FC max durante l’esercizio per ideare e/o verificare l’esistenza di equazioni di previsione per la FC max utilizzate nella prescrizione dell’intensità dell’esercizio e per altre applicazioni cliniche. Molti studi rigorosi hanno riferito che la FC max diminuisce ad un tasso di circa il 3-5% per decennio (2, 8, 13, 16, 19, 20, 29, 31, 38), indipendentemente dal livello di sesso o fitness, mentre il l’equazione di 220 – età implica un decadimento del 5 – 7% per decade, quindi la validità della formula standard è discutibile. Sebbene la sottovalutazione della FCmax in alcune persone anziane possa essere preferibile dal punto di vista della sicurezza, sarebbe auspicabile prevedere in modo più accurato la FCmax a tutte le età (7).

Protocollo GXT

I dati da cui deriva questo studio sono le misure fisiologiche e massime di stress test ottenute dai membri di un Centro di valutazione della salute/fitness (situato nel Campus dell’Università di Oakland a Rochester, MI) tra il 1978 e il 2003. Il gruppo totale di 4666  persone comprendeva residenti nel sud-est del Michigan, che corrispondevano alle caratteristiche stabilite dal Centro, ovvero adulti che desideravano mantenere o migliorare il loro stato di salute. Questi soggetti sono stati sottoposti a varie valutazioni del benessere e circa 12.000 esami medici fisici, tra cui più di 7000 test graduati (GXT), sono stati eseguiti durante 26 anni. E’ stato poi formato un sott’insieme di quegli individui che hanno avuto più valutazioni annuali della salute e GXT eseguiti durante gli anni. Il GXT ha utilizzato un protocollo modificato del tapis roulant “Balke” e gli sforzi previsti erano di tipo massimale, di conseguenza, in questo studio sono stati inclusi solo i test di esercizio terminati al punto della fatica volitiva di ciascun individuo e che hanno provocato un sforzo che ha superato l’85% della FC max basata sulla stima di 220 – età. Agli individui è stato chiesto di astenersi dall’esercizio durante il giorno precedente l’esame e in genere hanno riferito all’Istituto al mattino dopo un digiuno di 12 ore. I registri di ciascuna persona contenevano misure preliminari di età, altezza, peso, frequenza cardiaca a riposo, pressione sanguigna ed elettrocardiogramma standard a 12 derivazioni (ECG), insieme a informazioni sull’anamnesi, incluso l’uso di farmaci prescritti. Durante i test venivano rilevati la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna e le risposte ECG. Interessante e inclusivo è il fatto che i soggetti non sono state escluse se comunque fumatori o consumatori di alcol o con BMI elevato. Allo stesso modo anche l’assunzione abituale di caffeina non è stata considerante squalificante, poiché i partecipanti sono stati testati a digiuno e dato il fatto notorio di come la caffeina non abbia effetti sulla FC max ( Hofmann e altri, 2001 – 17). Sono stati esclusi i partecipanti che assumevano farmaci noti per influenzare la risposta della frequenza cardiaca all’esercizio (come beta-bloccanti, calcio-antagonisti o altri farmaci per il cuore o che assumessero anti-ipertensivi, stimolanti o anti-depressivi) o con malattie cardiache pregresse. Durante l’esecuzione del GXT sono stati esclusi coloro che mostravano avere una risposta anormale, limitata da segno/sintomo (ad es. angina, depressione del segmento ST, aritmia significativa o risposta anormale della pressione arteriosa) che portava così alla fine del test. Alla fine di ogni anno hanno proseguito coloro che avevano eseguito 6 o più GXT e stati tenuti validi tutti i test tranne il primo, perché, come dimostrato da altri studi (14) rappresentano una prova empirica che non trova corrispondenza con la FC max dei test successivi. 

• Svolgimento del test

Il test iniziava con una pendenza dello 0% e 5 km/h per 3 minuti, seguito da incrementi progressivi del 3% ogni 3 minuti fino a un picco del 24% mantenendo tale velocità. Oltre quel punto, se l’individuo era in grado di continuare, la pendenza del tapis roulant è stata mantenuta costante, mentre la velocità è stata aumentata di 0,3 km/h ogni minuto da fino a quando la persona ha raggiunto l’esaurimento. La frequenza cardiaca è stata monitorata continuamente mediante elettrocardiografia (utilizzando i posizionamenti degli elettrodi Mason-Likar a 12 derivazioni tipici per i test di esercizio) e il valore più alto registrato sull’ECG durante la fase finale del test da sforzo è stato definita la  FC max. Per la valutazione della percezione dello sforzo (RPE, che valuta il cosiddetto carico interno) è stata utilizzata la scala di Borg 6 – 20, calcolando il massimo sforzo percepito quando il soggetto arrivava a 18 (1, 18). Importante sottolineare come anche le osservazioni di dispnea profonda e pallore evidente sono state prese come segnali esterni secondo cui un partecipante aveva raggiunto il suo limite soggettivo di affaticamento. Poiché la spirometria a circuito aperto assistita da computer non è stata applicata in modo coerente durante la somministrazione di questi GXT, non sono stati usati criteri respiratori o metabolici oggettivi per il raggiungimento dello sforzo massimo. 

Risultati

Numeri totali: 132 persone e 908 GXT eseguiti durante un arco di 25 anni tra il 1979 e il 2003 che sono state incluse in questa analisi. C’era un rapporto 3:1 tra maschi (N= 100) e femmine (N= 32) nel campione finale. Dopo aver eliminato il primo GXT di ciascun partecipante, il rapporto nel numero di anni/GXT monitorati è stato di 5/17, ed entrambi i sessi hanno registrato una media di GXT annuali di circa 7±2,3 (maschi= 697; femmine= 211).  Il campione comprendeva un’ampia gamma di gruppi di età e fitness; tuttavia, la capacità aerobica (VO2max) stimata da calcoli metabolici standard dalla progressione della GXT era superiore alla media [>70 ° percentile (vedi qui: https://it.wikipedia.org/wiki/Centile)] sia per gli uomini che per le donne secondo le linee guida ACSM, 2000 (1), i maschi hanno mostrato una frequenza cardiaca a riposo media inferiore (P <0,001 per tutte le differenze), un BMI medio maggiore e un livello medio VO2max più elevato, rispetto alle femmine. Gli uomini e le donne avevano un’età media di circa 44± 9,6 anni al loro primo GXT eseguito. 

Tabella 1: misure descrittive, per sesso, per il campione di 132 partecipanti e 908 GXT inclusi nello studio (le statistiche rappresentano tutti i test esaminati in questa ricerca).

Il modello misto lineare risultante ha previsto una FC max risultante da 207 – (0,7 × età).   

I valori (t) calcolati per i termini in questo modello erano statisticamente significativi (P <0,001). Allo stesso modo anche i test statistici sui parametri di co-varianza delle misure ripetute della frequenza cardiaca dell’esercizio, insieme all’ID del soggetto e agli effetti casuali sull’anno del test, sono stati altamente significativi (P <0,001). Alla fine, un modello misto viene adattato massimizzando la cosiddetta funzione di verosimiglianza, che misura la probabilità di ottenere i parametri del modello dati valori nei dati (4). Una misura di adattamento del modello, la statistica del criterio di informazione Bayesiana è inclusa nella Tabella 2 e valori più piccoli indicano equazioni di migliore adattabilità (34). 

Tabella 2: risultati alternativi del modello di FC max per le variabili predittive indipendenti.

Poiché la relazione tra età e FC max può essere non lineare, sono stati considerati anche modelli che includevano polinomi di ordine crescente di età. Come mostrato nella Tabella 2, entrambe le equazioni che descrivono i modelli curvilinei di cambiamento della FC max usando semplicemente un predittore non lineare (età2) e una funzione quadratica composta da età + età2 si sono dimostrate entrambe significative. Tuttavia solo il modello di FC max= 192 – (0,007 × età2) presentava errori standard inferiori per le sue stime dei parametri, rispetto al modello lineare di FC max= 207 – (0,7 × età). Sebbene il modello predittore non lineare, 192 – (0,007 × età2), fosse leggermente più preciso dell’equazione lineare, 207 – (0,7 × età), potrebbe essere più difficile da applicare. Poiché le statistiche BIC di bontà di adattamento per entrambe le equazioni non lineari hanno mostrato un miglioramento trascurabile rispetto all’adattamento del modello lineare, l’equazione lineare (207 – 0,7 × età) basata sull’età da sola è stata considerata sufficiente per descrivere la relazione tra età e FC max. A rigor di termini, le misure BIC sono principalmente utili per confrontare modelli che hanno effetti e casi fissi equivalenti ma modelli di co-varianza diversi, poiché si prevede che tale statistica migliorerà (diminuirà) man mano che vengono inclusi più parametri nel modello (4, 23, 34). Successivi modelli bi-variati e multi-variati che presentavano combinazioni di sesso, BMI e frequenza cardiaca a riposo insieme all’età e all’età2 come variabili indipendenti, sono stati valutati in modo simile; risultati pertinenti per uno di questi modelli rappresentativi di tali analisi sono riportati nella Tabella 2 (sezione inferiore). Sebbene si possa prevedere che quelle co-varianti, intuitivamente abbiano un effetto, ulteriori variabili oltre l’età non erano significative nella previsione della FC max. Dal punto di vista dell’accuratezza e della praticità, il modello lineare FC max= 207 – (0,7 × età) rappresenta l’equazione preferita derivata da questa indagine. 

I valori di FC max calcolati dalla formula standard, 220 – età, rispetto a quelli previsti dai modelli di età lineari e non lineari risultanti da questa ricerca sono mostrati nella Figura 1 sottostante.  

Rispetto all’equazione lineare di questo studio di 207 – (0,7 × età), la formula standard tende a sopravvalutare la FC max per le persone più giovani e sottovalutarla per le persone anziane. Di conseguenza, ci sono differenze notevoli, specialmente alle estremità dello spettro di età, in cui la formula lineare, 207 – (0,7 × età), prevede una FC max che è di 3 bpm inferiore per i 30 anni e 12 bpm superiore per i 75 anni, rispetto alla formula standard. Sebbene le due equazioni abbiano portato a previsioni identiche all’età di 40 anni, le statistiche del test accoppiate hanno rivelato che le differenze medie nella FC max prevista prodotte dalle due formule in ogni intervallo di età di 5 anni da 30 a 75 anni erano significative (tutti i dati P <0,03). I modelli non lineari sviluppati in questo studio sono illustrati da curve che descrivono un tasso di variazione della FC max che varia in diverse parti della fascia di età. Il significato statistico e l’adattamento dei modelli curvilinei sono leggermente diversi dall’equazione lineare di 207 – (0,7 × età); inoltre, possono semplicemente esemplificare anomalie nei dati. L’ispezione delle tendenze della FC max per i singoli partecipanti ha rivelato casi in cui la FC max del soggetto è aumentata costantemente nel corso di diversi GXT annuali prima di mostrare il decremento previsto con l’avanzare dell’età. Tali osservazioni sono probabilmente attribuibili a variazioni casuali nelle prestazioni dello stress test, oppure possono riflettere una risposta estesa di “apprendimento” a cui la componente “quadratica” nei modelli non lineari era sensibile.

Quale formula usare?

Una delle equazioni generali di predizione della FC max più accurate è stata presentata da Tanaka e altri (36). La loro ricerca ha utilizzato i dati di 351 studi pubblicati che hanno coinvolto 18.712 persone sane, insieme alle osservazioni di 514 individui sani reclutati per le loro ricerche di laboratorio. Entrambi gli approcci erano trasversali e producevano equazioni di regressione praticamente identiche per FC max di 208 – (0,7 × età), con la sola variabile per età che spiegava circa l’80% della varianza nella FC max prevista. Inoltre il loro modello non mostra alcuna differenza nella FC max tra uomini e donne e l’allenamento fisico non l’ha influenzato. I loro risultati dimostrano che l’equazione tradizionale (220 – età) sopravvaluta la FC max nei giovani adulti e la sottovaluta negli individui più anziani, con le curve di frequenza cardiaca originali e nuove che iniziano a divergere all’età di 40 anni. Londeree e Moeschberger (25) nel 1982 avevano studiato una formula di 206 – (0,7 × età) che assomigliava molto ai risultati di Tanaka e altri (36). Nel 1992 Whaley e altri (38) hanno stimato che la FC max degli uomini risultasse da 214 – (0,8 × età) e che la FC max delle donne risultasse da 209 – (0,7 × età). Ma come anche Stathokostas e altri (35), questi autori sostengono che l’invecchiamento non è uniforme tra gli individui e gli studi trasversali non rilevano i cambiamenti individuali nel tempo, mentre la ricerca che utilizza dati longitudinali può farlo. Dehn e Bruce (6) infatti hanno affermato che gli studi trasversali sono vulnerabili a una quantità indefinita di troncamento della popolazione .. cambiamenti validi con l’invecchiamento possono essere stabiliti solo da osservazioni accoppiate nella stessa persona. (p. 807).

Dunque vari ricercatori hanno affermato che sono necessarie indagini longitudinali che proseguano per diversi decenni prima che si possano trarre conclusioni definitive sull’effetto dell’invecchiamento sulla funzione cardiaca durante l’esercizio. Sebbene tali progetti possano essere idealmente corretti, sono meno pratici e la maggior parte degli altri studi longitudinali, sulla relazione tra età e FC max, non ha incluso tante osservazioni ripetute come questa ricerca di Gelish e altri. Marti e Howald (26), hanno evidenziato come studi  longitudinali in cui i partecipanti vengono riesaminati a intervalli fissi, come 15 anni dopo, rendono difficile valutare l’effetto indipendente dell’invecchiamento. Poiché al follow-up tutti i soggetti dello studio hanno esattamente 15 anni in più, la variabile età è cambiata con lo stesso valore. Tuttavia hanno osservato, in media, un decremento di FC max da 0,7 a 0,9 battiti/anno durante il lasso di tempo. Questi risultati sembrano concordanti con i risultati pubblicati dalla ricerca trasversale sulla FC max, e mettono nuovamente in dubbio la validità del regresso della FC max di un battito per anno implicito nella formula di 220 – età.

In questo studio, il sesso non era una variabile esplicativa significativa nella previsione della FC max. Tale risultato è coerente con i risultati di molti altri studi pubblicati sulla previsione della FC max (7, 15, 25, 28, 29, 36), sebbene alcune indagini (2, 9, 19, 20, 33, 38) abbiano rilevato una differenza di FC max tra uomini e donne. Vari studi trasversali (7, 14, 24, 33) hanno scoperto che né il peso corporeo né il BMI hanno avuto un effetto significativo sulla FC max dei partecipanti testati, supportando i risultati della presente ricerca. La maggior parte degli studi non ha inoltre trovato prove che suggeriscano che l’esercizio fisico possa ridurre la perdita di FC max correlata all’età (8, 15, 31, 33, 36, 37). 

La fitness cardiovascolare superiore alla media dei partecipanti al presente studio potrebbe aver migliorato la loro capacità di raggiungere un vero livello di sforzo massimo durante un GXT (5, 22), perché gli individui non i forma potrebbero essere meno in grado o meno motivati ​​a raggiungere la FC max prevista dall’età, a causa della loro percezione esagerata di sforzo o bassa motivazione a compiere uno sforzo faticoso (10, 14). È un dato di fatto, i valori di FC max raggiunti in quasi due terzi della GXT esaminati in questo studio hanno superato la FC max dei partecipanti prevista dalla formula 220 – età. Nonostante la capacità aerobica superiore alla media dei soggetti di questo studio, il personale addetto alla supervisione del test potrebbe essere stato meno propenso a spingere i partecipanti più anziani all’esaurimento, o, forse, le limitazioni ortopediche o l’affaticamento muscolare avrebbero potuto indurre i più anziani a sforzi di esercizio di tipo  sotto massimale (7, 14, 25). Tuttavia dopo aver studiato gli effetti dell’età curvilinea o altri fattori fisiologici e antropometrici, la maggior parte degli studi (7, 9, 24, 25, 36, 38) hanno scoperto che da solo il parametro dell’età lineare rappresenta la maggior parte della variabilità e fornisce la previsione invariata più accurata della FC max.

Osservazioni finale dello studio GXT

Osservando bene lo studio si possono però sottolineare delle limitazioni come ad esempio la dipendenza dai dati di GXT che sono stati tutti eseguiti su un tapis roulant. Inoltre i partecipanti erano adulti prevalentemente non ispanici bianchi con condizioni fisiche superiori alla media e non erano in cura medica; ciò può ridurre la caratteristica generale dei risultati scaturiti. L’eliminazione della visita iniziale ha contribuito a garantire che i test annuali successivi riflettessero modelli di test più coerenti. I punti forti su cui si appoggia sono anche dati dal fatto che i soggetti monitorati per molti anni, dando molti risultati ciascuno e sono stati analizzati con una tecnica statistica che modellava non solo i mezzi dei dati, ma anche le loro strutture di varianza e co-varianza, nonché gli effetti casuali. La decisione di non escludere i fumatori dal presente campione di studio è stata irrilevante, dato che solo un individuo, un maschio di circa 30 anni, fumava sigarette (e solo durante due dei suoi cinque anni di test GXT inclusi in questa ricerca) e in totale solo 21 persone avevano una storia precedente di fumo, anche se uno studio longitudinale sui 13 – 36 anni di Bernaards e altri (3) ha dimostrato che anche il fumo pesante ha ridotto la FC max negli uomini e nelle donne di meno di 3 bpm. Questa dettagliata indagine longitudinale sulla stima della FC max ha prodotto risultati che corrispondono e convalidano la ricerca trasversale approfondita da Tanaka e colleghi (36). L’equazione di previsione lineare finale sviluppata nel presente studio, FC max= 207 – (0,7 × età), ha limiti di intervallo di confidenza corrispondenti a ± 1 DS (Deviazione Standard: quanto i dati variano rispetto alla media. Quando i dati sono un campione di una distribuzione “distribuita” normalmente, allora ci si aspetta che due terzi dei dati si trovino entro 1 deviazione standard della media.) della FC max media della popolazione (per le persone di circa 30 – 75 anni di età) che riflettono un intervallo di ± 5-8 bpm. In alternativa l’equazione non lineare rilevata in questa ricerca, FCmax= 192 – (0,007 × età2) sebbene forse meno appetibile dal punto di vista dell’uso, ha prodotto limiti ancora più stretti di ± 2-5 bpm. Questi intervalli sono più stretti delle variazioni inerenti ad alcune altre equazioni di stima della FC max, inclusa (probabilmente) la formula di 220 – età. 

Tutto ciò fa capire che per quanto sia più certa la stima della FC max con al formula appena descritta, le prescrizioni dell’intensità dell’esercizio dovrebbero essere basate su misurazioni dirette della FC max, se possibile, perché un’equazione potrebbe non prevedere la vera FC max in alcuni individui o per specifici soggetti in certe modalità di esercizio (36). Inoltre poiché le percentuali di FC max variano considerevolmente in relazione ai livelli di soglia anaerobica individuale la dipendenza dalle linee guida standard d’intensità della frequenza cardiaca può determinare livelli di stress metabolico tra gli individui, che rischiano di far deviare verso un diverso tipo di esercizio metabolico con tutto ciò che ne consegue come risultato (17, 27). Ne deriva che è importante utilizzare strumenti di derivazione della FC quali cardio-frequenzimetro o altri wearable device da polso, per valutare lo sforzo, ma di concerto con la valutazione dello sforzo percepito, per valutare il carico interno (RPE, Scala di Borg), sapendola usare e scegliendo la più opportuna ed essendo in grado di valutare la reale percezione del carico attraverso anche l’osservazione diretta del soggetto per capire come stia percependo l’esercizio proposto.

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