Monitorizarea frecventei cardiace in dozarea intensitatii efortului fizic

MEDICINĂ SPORTIVĂ - Revista Societăţii Române de Medicină Sportivă

"Medicina Sportiva" Nr.6 - 2006

ARTICOLE DE ORIENTARE

Monitorizarea frecventei cardiace
si bazele fiziologice ale utilizarii acesteia, in dozarea intensitatii efortului fizic

Ursta Anghel Mihai Relu
Institutul de Stiinta a Exercitiului Fizic si Sportului, departamentul de Fiziologie Umana al Universitatii din Copenhaga, Danemarca

Rezumat.Tema acestui articol a fost sa observe relatia dintre dinamica frecventei cardiace (FC) si a nivelului maxim de consum al oxigenului (VO2max), precum si posibilitatea folosirii FC in dozarea intensitatii, in timpul eforturilor fizice.

Inainte, la inceputul si in timpul efortului fizic, ca raspuns la intensitatea si durata acestuia, in organismul uman se produc o serie de adaptari menite sa asigure in cel mai scurt timp energia necesara. Aceste adaptari constau in marirea debitului cardiac (DC) pe seama cresterii FC si volumului de sange pompat in artera aorta in timpul unei sistole ventriculare, volum sistolic ventricular (VSV) si a circulatiei sangelui in muschii angajati in efort. Aceasta face posibila cresterea consumului de oxigen (VO2). In eforturile submaximale, s-a constat ca ponderea productiei aerobe a energiei creste cu timpul in conditiile mentinerii constante a acestora. Relatia dintre FC si VO2max nu este liniara in eforturile de intensitate scazuta. Ea tinde sa se liniarizeze odata cu cresterea intensitatii acestora. O explicatie in aceasta privinta poate fi cresterea VSV.

Cuvinte cheie: frecvenţă cardiacă, consum de oxigen, debit cardiac

O expresie des folosita in sportul de performanta, inaintea unei competitii este ca, “incalzirea incepe din vestiar”. Ca este mult adevar in asta o dovedesc si adaptarile care incep sa se produca in sistemul cardiovascular (SCV) in perioada imediat premergatoare unui efort fizic. Aceste adaptari constau in principal in diminuarea controlului exercitat de sistemul nervos parasimpatic asupra activitatii inimii si cresterea influentelor sistemului nervos simpatic (18), care asa cum este stiut, mareste FC si nivelul de contractie a miocardului, determinand astfel cresterea DC. In continuare la inceputul si pe durata efortului, controlul exercitat asupra activitatii SCV este rezultatul impulsurilor aferente care vin din muschi, tendoane, articulatii, dar si baroreceptorii si chemoreceptorii situati in vasele de sange. Reglarea activitatii SCV este dincolo de tema acestui articol.

Prin urmare, acest raspuns rapid, reprezentat de cresterea DC, inainte si in timpul efortului fizic, constituie primul motiv pentru folosirea monitorizarii FC in determinarea si dozarea intensitatii efortului intensitatii efortului.
Mai mult, asa cum se va vedea in continuare, adaptarile care au loc in cadrul SCV in timpul efortului sunt determinate de intensitatea acestuia

In figura 1, se pot observa modificarile care au loc in FC atat inainte, la inceputul cat si in timpul efortului fizic, in exemplu din figura 1, fiind vorba de alergatori de viteza pe distanta de 60, 200 si 400 de metri.

Relatia dintre FC si VO2

In concordanta cu principiul fiziologului german Adolf Fick, VO2 poate fi obtinut prin inmultirea DC cu extractia de O2. Extractia de O2 reprezinta diferenta dintre continutul in O2 al sangelui arterial si venos. DC este dat de VSV si FC. Prin urmare, monitorizarea FC in timpul efortului poate furniza informatii despre dinamica VO2.

Fig1. Anticiparea efortului (r, repaus – zona intunecata) determina deja cresterea FC. In figura este prezentata dinamica FC pentru alergatorii de viteza pe 60, 200 si respectiv 400 de metri (17).

Factorii care influenteaza consumul de oxigen in timpul efortului

Motivul pentru care au loc aceste schimbari in homeostazia SCV in timpul efortului fizic este acela ca, undeva in organism „a aparut” o noua zona care are nevoie de O2 si energie. Acea zona este reprezentata de grupele musculare angajate in efort. In stare de repaus, efectul constrictor exercitat de sistemul nervos vegetativ asupra vaselor de sange prin intermediul catecolaminelor noradrenalina si mai putin adrenalina, predomina.

In timpul efortului fizic insa, acest efect este diminuat de factorii locali a caror pondere in controlul circulatiei sangelui creste extrem de mult, diminuand aproape in intregime efectul vasoconstrictor al catecolaminelor.

FC si VSV

Asadar, efortul fizic determina cresterea DC. Este important de mentionat ca intensitatea si durata efortului precum si gradul de dezvoltare a capacitatii de efort a individului, determina ponderea modificarilor care au loc in componentele DC. In eforturile intense si de scurta durata, creste atat FC cat si VSV. S-a putut estima ca, in eforturi cu o intesitate egala cu consumul maxim de oxigen (VO2max), nivelul circulatiei sangelui in muschi a fost responsabil pentru 80 – 85 % din DC (20). Dincolo de o intensitate a efortului de 60-70 % VO2max, VSV scade (2), atinge un platou (8), sau creste (11). Aceste variatii in VSV insa, au fost observate in diferite conditii ca: subiecti in varsta Fleg et al (1994), eforturi submaximale si maximale, precum si subiecti care erau atleti de performanta, studiul lui Gledhill et al (1994). Daca evolutia VSV s-a vazut ca poate varia in functie de conditiile mai sus prezentate, FC in timpul efortului fizic creste progresiv (Fig. 2). O explicatie plauzibila in aceasta situatie ar fi cresterea circulatiei la nivelul pielii pentru favorizarea procesului de transpiratie dar si de racire a sangelui. Fritzsche et al (1999), au constat in studiul lor ca de fapt scaderea volumului de sange, mai precis a plasmei din sange, datorita transpiratiei, duce la reducerea VSV si prin urmare, in compensatie, pentru a mentine tensiunea arteriala in limite constante, FC creste (7). Ei nu au constatat nici o schimbare in circulatia sangelui la nivelul pielii prin blocarea cresterii FC datorita administrarii in doze mici de atenolol, care blocheaza receptorul de andrenalina β1. Este totusi interesant de observat ca in paralel circulatia periferica, care odata cu inceperea efortului fizic prezinta o tendinta de crestere, scade apoi in intensitate, pentru a se devia astfel o cat mai mare cantitate de sange catre muschii angrenati in activitate si respectiv catre circulatia centrala, reprezentata de inima, artere si vene.

Fig 2. In aceasta figura se poate observa foarte bine amplitudinea schimbarilor in parametrii functionali ai inimii, ca raspuns la diferite intensitati ale efortului (■) VSV, (●) FC(4). Se poate observa ca, dupa o initiala si mai rapida crestere, VSV scade, in timp ce FC creste progresiv in paralel cu intensitatea efortului.

Extractia oxigenului (a-vdif)
Exista doi mari parametrii care conditioneaza marimea a-vdif si anume, cantitatea de O2 transportata de sange si nevoia de consum existenta in muschii angajati in efort. Oxigenul arterial variaza putin in comparatie cu nivelul din starea de repaus de 20ml dl-1, chiar in cadrul unei variatii mari ale intensitatii efortului. Cine da insa valorea a-vdif este continutul de O2 din sangele venos, care este undeva pe la 12-15 ml dl-1 in stare de repaus si scade in timpul efortului de maxima intensitate pana la 2-4 ml dl-1 (18).
Din momentul in care O2 ajunge la nivelul muschilor anagrenati in efort, corespondentul hemoglobinei din sange, mioglobina, continutul mitocondrial si aparatul enzimatic aerob al muschilor va conditiona mai departe a-vdif, bineanteles dinamica activitatii acestora fiind determinata de intensitatea efortului. In figura 3. poate fi observata evolutia a-vdif la diferite nivele ale VO2. Pentru a detalia ideea prezentata mai sus trebuie precizat ca marimea recrutarii si tipul fibrelor musculare angajate in sustinerea efortului fizic, influenteaza in mod categoric cererea de oxigen. Desi aceasta idee poate fi argumentata de cineva prin faptul ca intensitatea efortului determina modul de recrutare al fibrelor musculare, este important de retinut faptul ca in interiorul muschilor gradul de capilarizare este mai mare in jurul fibrelor oxidative, de tipul I si ca fibrele de tipul II sunt mai putin eficiente in producerea energiei pe baza consumului de O2.
Asadar motivatia fiziologica in folosirea FC in estimarea si dozarea intensitatii efortului fizic, sta in modul prin care inima, prin actiunea sa de pompare a sangelui in artere, compenseaza schimbarile in dinamica circulatiei periferice. Fara ajustarile care au loc in FC si VSV, circulatia centrala a sangelui ar fi afectata foarte mult.

Metode de monitorizare a FC

Pentru mult sute de ani FC era ascultata, pentru ca nu se putea pune problema unei adevarate monitorizari, doar prin ascultarea batailor inimii cu urechea asezata pe pieptul pacientului. Cu aproximativ 200 de ani in urma prin inventarea stetoscopului de catre Rene Laennec, omul a fost capabil sa obtina mai multe informatii despre activitatea inimii.

Fig 3. Continutul arterial de O₂, continutul venos de O₂precum si capacitatea de transport al O₂ sunt prezentate in aceasta figura. Se poate observa ca, cantitatea de O₂ din sange variaza destul de putin in conditiile cresterii intenstitatii efortului in timp ce O₂ din sangele venos scade paralel cu cresterea intensitatii efortului. (datele sunt preluate din ref 18)

La inceputul secolului al XX, fiziologul olandez Willem Einthoven, a perfectionat primul electrocardiograf (ECG). Sarind peste timp, in anii 80’ au aparut primele modele de monitoare de frecventa cardiaca (MFC) capabile sa masoare FC fara a necesita conectarea prin cabluri. In prezent, aceste dispozitive au fost perfectionate foarte mult avand dimensiuni si caracteristici din cele mai variate. Vizand monitoarele moderne, se poate spune ca, doua sunt metodele prin care se poate determina FC prin folosirea lor.
Prin palparea directa a pulsului, metoda care este utilizata de catre monitoarele care se aplica la nivelul incheieturii maini, si inregistrarea activitatii electrice a inimii printr-un dispozitiv plasat pe pieptul sportivului (prin intermediul unei benzi elastice), care transmite astfel datele unui receptor care este de obicei dispozitiv asemanator ceasului de mana normal (1).
O varianta in determinarea FC poate fi si palparea manula a pulsului de catre sportiv, fie la nivelul incheieturii mainii, prin usoara presarea arterei radiale, fie la nivelul gatului, prin palparea arterei carotide. Palparea pulsului la nivelul gatului poate fi totusi inexacta. Aceasta datorita faptului ca, receptorii de presiune, baroreceptorii situati la nivelul carotidei fiind foarte sensibili la schimbarile de presiune, o usoara crestere a acesteia prin apasarea exercitata asupra lor, ii poate face sa semnalizeze aceasta crestere a tensiunii in artere de exemplu, si in consecinta FC va fi redusa. Prin urmare folosirea monitoarelor moderne este cu atat mai mult binevenita.

Acuratetea monitoarelor

Acuratetea datelor pe care le ofera MFC a fost evaluata de-a lungul timpului prin compararea parametrilor FC inregistrati cu MFC si ECG (14) In studiul lui Godsen et al (1991), FC inregistrata cu MFC a fost cu 6 b min^-1 mai scazuta decat cea inregistrata cu ECG pe aceasi unitate de timp. In studiul lui Goodie et al (2000), FC a fost monitorizata prin ambele metode la 30 de persoane care au efectuat atat un efort fizic, contractii isometrice in prinderea si mentinerea unei prize stranse pe un obiect fix, cat si mental prin efectuarea de calcule matematice. Valorile FC obtinute, au fost 80.7±10.4 in cazul folosirii ECG si 81.3±10.4 bat min^-1 in cazul utilizarii MFC, cu o medie a coeficientului de corelatie, r = 0.98 in conditii de eroare, P < 0.001. Aceste rezultate incurajeaza utilizarea MFC in determinarea cu indici mari de acuratete a FC in timpul efortului.

Determinarea si dozarea intensitatii efortului
Una dintre metodele de exprimare a intensitatii in efortul fizic este raportarea VO₂ din momentul de referinta la VO_2max.
Pentru a putea face acest lucru utilizand MFC este necesar sa se cunoasca valorile VO_2max si frecventei cardiace maximale (FCM). Desi ambii parametrii pot fi determinati, mai bine spus estimati pe baza unor aproximari si calcule matematice, in sportul de performanta este obligatoriu determinarea lor pe baza masuratorilor fiziologice in laboratoarele si cabinetele de specialitate. Aceste masuratori trebuie sa aibe loc periodic, dat fiind efectele cumulative si calitative determinate de sesiunile de antrenament bine proiectate si desfasurate.

Masurarea VO_2max
Regula de aur in efectuarea acestei masuratori este ca, la alergatori, VO_2max se masoara in timp ce sportivii alearga, la inotatori in timp ce acestia inoata si asa mai departe. Rationamentul acestei afirmatii este unul de natura fiziologica. In fiecare ramura de sport efortul este specific, cauzand un anumit mod si numar de recrutare a grupelor musculare.
Astfel simplu descris, masurarea VO_max poate fi facuta de exemplu prin supunerea sportivului la un efort ce poate consta in alergare (pe o banda rulanta) sau pedalare (pe o bicicleta ergonomica), in timp ce intensitatea efortului este marita treptat.
Nivelul VO₂ la care, de exemplu intensitatea nu mai poate fi mentinuta o anumita perioada de timp dinainte stabilita, poate fi considerat VO_2max (Fig.4).
Exista mai multe moduri de marire a intensitatii efortului in timpul masurarii si de stabilirea a nivelului maxim de consum al oxigenului (vezi ref 21), dar principiul ramane acelasi.
Ce trebuie precizat este faptul ca, atingerea VO_2maxare loc in cadrul efortului de epuizare si prin urmare, modul in care se poate motiva sportivul pentru a sustine intensitatea efortului care licita VO_2max este foarte important, putand influenta obtinerea unei valori a acestuia cat mai apropiata de cea adevarata.

Fig 4. Un „ramp or incremental” test, cumeste numit in literatura de specialitate datorita cresterii in trepte a intensitatii efortului. (valorile din figura sunt doar informative)

Determinarea FCM

In cadrul acestei masuratori este important ca durata si intensitatea efortului sa fie suficient de lunga si respectiv suficient de mare. Un exemplu sugestiv poate fi cel din fig 5. Si pentru acest parametru exista modalitati teoretice de stabilire a valorilor maximale. Cea mai cunsocuta formula fiind:

FCM = varsta – 220

Binenteles ca aceste aprecieri teoretice sunt doar niste aproximari. De exemplu FCM obtinuta prin formula mai sus prezentata are o eroare de pana la ± 10 bat min^-1.

Fig 5. Un model de testare a FCM. Sportivii sunt supusi unui test de alergare, care consta in parcurgerea traseului scurt 20m x 10m urmat de traseul mai lung 40 m x 10m, intr-un tempou de 2/4. Aceasta combinatie este in continuare efectuata marind tempoul de alergare (3/4, 4/4), asigurandu-se un nivel maximal de activitate a inimii. Cele trei mari trasee pot fi privite ca fiind suprapuse, sportivul alergand pe acelasi traseu, doar tempoul de alergare se modifica.

Interpretarea FC si stabilirea valorilor acesteia in
dezvoltarea capacitatii aerobe

Inainte de a trece la interpretarea valorilor FC din timpul efortului, trebuie mentionat si aspectul variatiei pauzei dintre bataile inimii, pentru ca s-a constat, ca o variatie crescuta a acesteia este asociata cu valori mari ale VO2max (19).
In tabelul 1. poate fi observata corespondenta dintre procentajele FC si VO2max. Erorile in estimarea procentajului VO2max pe baza procentajului FC sunt de ± 8 % (18).

Dupa cum se poate vedea in tabel, diferenta dintre procentajul FC si cel al VO2max este mare la intensitati reduse ale efortului. Odata cu cresterea intensitatii efortului insa, valorile celor doi parametrii se egaleaza tinzand sa se apropie de limitele maxime cu aceasi dinamica.

% MHR		% VO2max
50		28
60		40
70		58
80		70
90		83
100		100

Tabel 1. Relatia dintre procentajele FCM si VO_2max la diferite intensitati ale efortului fizic. (datele provin din ref 3)

In figura 6. este dat un exemplu de calculare a FC corespunzatoare VO_2max pentru un sportiv cu o FCM de 200 bat min^-1.

FCM are insa valori diferite in ceea ce priveste partea superioara si cea inferioara a corpului, fiind mai scazuta cand efortul este efectuat de catre brate (18). Aceasta se explica prin marimea grupelor musculare angajate in efort. Un alt exemplu este FCM in timpul inotului, care este cu aproximativ 13 bat min^-1 mai scazuta decat in timpul alergarii (10). Reducerea consumului energetic necesar mentinerii pozitiei verticale, poate fi explicatia in acest caz.

Fig 6. Bazat pe relatia dintre procentajele FCM si VO_2max poate fi obtinuta FC corespunzatoare intensitatii de efort urmarita in antrenament (abscisa).

O explicatie pentru discrepanta dintre FCM si VO2max observata in tabelul 1. poate fi faptul ca, in cadrul eforturilor de intensitate submaximala, producerea energiei se face predominant aerob si prin urmare unul din motivele cresterii FC este rezultatul cresterii VO2.

Acest lucru a fost constatat si de Bangsbo et al (2001), care masurand dinamica producerii energiei in timpul eforturilor de intensitate maximala, au constat ca in cadrul aceluiasi exercitiu, eficienta mecanica scade. Asta presupune ca, efectuarea efortului in conditiile mentinerii constante a unei intensitati mari, cauzeaza o schimbare in modul de recrutare a fibrelor musculare angrenate in efort, in sensul recrutarii mai multor fibre oxidative de tipul I. De asemenea cresterea temperaturii si a scaderea pH-ului favorizeaza descarcarea O2 la nivel celular de catre hemoglobina (efectul Bohr). Mai mult, cand exercitiul este repetat la aceasi durata si intensitate, cantitatea si dinamica producerii energiei este aceasi, dar sursele care o produc devin predominant aerobe.

Aceasta importanta caracteristica a efortului de intensitate submaximala, trebuie luata in considerare de catre antrenori sau profesorii de sport, atunci cand acestia lucreaza pentru dezvoltarea capacitatii aerobe folosind metoda antrenamentului cu intervale.

Cresterea nevoii de O2 insa, cauzeaza si cresterea circulatiei sangelui in muschii angajati in efort prin efectul vasodilatator produs la nivel local. Krustrup et al (2001), investigand dinamica productiei energiei in timpul efortului anaerob, au obtinut o crestere a circulatiei sangelui la nivelul coapsei, de la 0.43 L min-1 cat a fost in stare de repaus, la 4.32 L min-1 cat a fost la terminarea efortului. Astfel consumul redus de O2 in conditiile de repaus sau intensitate redusa a efortului, explica volumul redus de sange din circulatia periferica. In aceasta situatie, tensiunea arteriala si circulatia sangelui in corp, sunt mentinute printr-o relativ ridicata FC comparativ cu valoarea VO2max si un volum redus al VSV.

In conditiile cresterii intensitatii efortului la intensitati submaximale si maximale, cresterea circulatiei la nivelul capilarelor va mari circulatia sangelui in vene. Astfel intoarcerea acestuia catre inima, fiind imbunatatita si de contractia muschilor si frecventa miscarilor respiratorii, va determina intensificarea umplerii ventriculare (Frank-Sterling mecanism). Efectul acestor schimbari este cresterea VSV, pentru ca intensificarea umplerii ventriculare determina cresterea fortei de contractie a miocardului.

Fig 7. Asa cum se poate observa, la intensitati scazute ale efortului secretia catecolaminelor este constanta. Odata cu cresterea intensitatii are loc si intensificarea secretiei de catecolamine in special noradreanlina. (18)

Asa cum deja a fost mentionat in articol, adrenalina si noradrenalina sunt hormonii prin care controlul sistemului nervos simpatic se exercita asupra FC si fortei de contractie a miocardului. In figura 7. se poate observa ca, secretia de catecolamine in sange, creste proportional cu intensitatea efortului.
In concluzie, se poate spune ca, folosirea FC in determinarea si dozarea intensitatii efortului fizic, este un bun mijloc, pentru ca reflecta intr-o foarte buna masura consumul de oxigen necesar in producerea energiei. Se observa ca in cadrul eforturilor submaximale, mentinerea constanta a intensitatii in timpul exersarii, se face pe seama cresterii ponderii aerobe a productiei de energie, in conditiile intensificarii circulatiei sangelui in muschii angajati in efort.
Relatia dintre FC si VO2max nu este insa liniara. Aceasta pentru ca adaptarea DC la VO2max, se face pe seama variatiilor in FC si VSV.

Bibliografie

1. Achten J and Jeukendrup A.E. (2003) Heart Rate Monitoring; applications and limitations. Sports Med: 33 (7); 517-538.

2. Ahmad M and Dubiel J.P. (1990) Left ventricular response to exercise in regular runners and controls. Clin. Nucl. Med. 15:630-635.
3. American College of Sports Medicine (1991). Guidelines for exercise, testing and prescription. 4^thed.Philadelphia: Lea & Febiger.
4. Carlsten, A, and Grimby G. (1966). TheCirculatory Response to Muscular Exercise in Man. Springfield, IL: Thomas
5. Bangsbo J. Krustrup P. Gonzales-Alonso J. and Saltin B (2001). ATP production and efficiency of human skeletal muscle during intense exercise: effect of previous exercise. Am J Physiol Endocrinol Metab 280; E956-E964.
6. Berne R.M. Levy M. N. Koeppen M.B. and Stanton A.B. (2004) Physiology, Fifth Edition. Copyright Elsevier,Inc.
7. Coyle E.F. (1998). Cardiovascular drift during prolonged exercise and the effects of dehydration. Int J Sports Med, 19 (suppl 2) :S121.
8. Fleg J.L Schulman P. O’Connor F.C. Gerstenblith G. Becker L.C. Fortney S. Goldberg A.P. and Lakatta E.G. (1994). Cardiovascular response to exhaustive up right cycle exercise in highly trained older men. J Appl Physiol. 77:1500 -1506.
9. Fritzsche R.G. et al. (1999). Stroke volume decline during prolonged exercise is influenced by the increase in heart rate. J Appl Physiol. 86:799.
10. Gergely T.J. (1984). Specificity of arm training on aerobic power during swimming and running. Med Sci Sports Exerc 16;349.
11. Gledhill N. Cox. D and Jamnik R. (1994). Endurance athletes’ stroke volume does not plateau: major advantage is diastolic function. Med. Sci. Sports Exerc. 26:1116-1121.
12. Godsen R. Caroll T. Stone S. (1991) How well does Polar Vantage XL heart rate monitor estimate actual heart rate? Med Sci Sports Exerc ;23 suppl.5:S14.
13. Goodie J.L. Larkin K.T. Schauss S. (2000) Validation of the Polar heart rate monitor for assessing heart rate during physical and mental stress. J Psychophysiol , 14 (3): 159-64
14. Léger L. Thivierge M (1988) Heart rate monitors: validity, stability and functionality. Physician Sports Med 16 (5): 143-51
15. Krustrup P. Gonzales J A. Quistorff B and Bangsbo J (2001). Muscle heat production and anaerobic energy turnover during repeated intense dynamic exercise in humans. Journal of Appl Physiol 536 (3); 947-956
16. Macfarlene D.J. Fogarty B. Hopkins W.G. (1989) The accuracy and variability of commercially available heart rate monitors. NZJ Sports Med 17 (4);51-3
17. Mc Ardle W.D. et al (1967). Telemetered cardiac response to selected running events. J Appl Physiol 23:56618. McArdle W.D. Katch. F.I. and Katch V.L. (2001). Exercise Physiology: energy, nutrition and human performance/ Fifth edition.
19. Portier H. Louisy F. Laude D. (2001). Intense endurance training on heart rate and blood pressure variability in runners. Med Sci Spotr Exerc 33 (7);1120-5
20. Rowell LB. et al (1996). Integration of cardiovascular control system in dynamic exercises. In: Rowell LB. Shepard J eds. Handbook of physiology . New York: Oxford university Press
21. Wasserman K et al (1999). Principles of exercise testing and interpretation. 3^rd ed, Baltimore: Lipincott Williams % Wilkins

Adresez calde multumiri profesoarei Colov Rozalia din Lugoj-Timis,
pentru toate sfaturile bune pe care mi le-a dat.

Ursta Anghel Mihai Relu

"Medicina Sportiva" Nr.6 - 2006