Doctoral course in “Human Movement and Sport Sciences”
Cycle XXXIV - 2018/2021 Ph.D. Student: Doctor Lavinia Falcioni
Tutor: Professor Laura Guidetti SSD: M-EDF/01
Ph.D. Thesis:
“Assessment of cardiovascular health and cardiorespiratory fitness in youth using sustainable, easy and non-invasive approaches”
Abstract
Background. The assessment of cardiovascular health and cardiorespiratory fitness in young individuals represents an important focus for health-related research. Therefore, it is important to identify reliable and easy-to-measure indices of health and fitness that researchers and exercise practitioners can use to appropriately interpret test results.
Aims. This thesis investigated the use and interpretation of established but less commonly used indices of cardiovascular health and cardiorespiratory fitness in young individuals with different physical activity levels. The aim of Study 1 was to investigate the influence of training status on cardiovascular function in young recreational and competitive male rowers using easy and non- invasive assessments. Study 2 aimed to i) verify if the recurrence quantification analysis (RQA) of heart rate variability (HRV) could determine the aerobic threshold (AerT) and the anaerobic threshold (AnT) in healthy, young individuals with different training status, ii) assess the validity of RQA method compared to the traditional gas exchange (GE) method. Study 3 aimed to i) investigate the association between the oxygen uptake efficiency slope (OUES) calculated up to the AerT, AnT and peak exercise, and established indices of aerobic fitness in healthy young males, ii) assess the agreement between the OUES at peak exercise and the OUES calculated up to the AerT and AnT in the same population.
Methods. For the Study 1, twenty-eight, young, healthy males (age = 16.3 ± 2.7 years) participated.
Participants were divided in three groups: competitive rowers (CR), recreational rowers (RR) and other recreational sports (ORS). Cardiovascular measurements were assessed using pulse wave analysis (PWA) and carotid to femoral pulse wave velocity (cf-PWV). In Study 2, thirty, young individuals (age = 15.7 ± 2.7 years) underwent a cardiopulmonary exercise test (CPET) on cycle- ergometer to identify the AerT and the AnT. Heart rate (HR), oxygen consumption (VO2) and
workload at the thresholds were measured by the two methods (RQA and GE). Main effects of methods and methods-by-groups interaction effects for HR, VO2 and workload at the thresholds were assessed using analysis of variance with repeated measures. Validity of RQA method at both thresholds was assessed for HR, VO2 and workload by ordinary least products (OLP) regression, typical percentage error (TE), intraclass correlation coefficients (ICC), and Bland Altman plots. In Study 3, fifty, normal weight, healthy participants (age = 16.9 ± 2.6) performed a CPET on a cycle ergometer to measure oxygen consumption at the AerT, AnT, and peak exercise, and calculate the OUES up to AerT, AnT and peak exercise. A Pearson’s correlation coefficient (r) was performed to examine the association between oxygen consumption and OUES up to AerT, AnT and peak.
Agreements between peak OUES and the two submaximal OUES were assessed by OLP regression, TE, ICC and Bland Altman plots.
Results. The Study 1: no significant differences were observed in blood pressure parameters between the CR, RR, and ORS groups. However, CR showed lower percentage of ejection duration (ED%) (p
= 0.026) and higher cf-PWV (p = 0.032) compared to ORS. In addition, CR reported higher subendocardial viability ratio (SEVR) (p = 0.022) and lower augmentation index at 75 bpm (AIx75) (p = 0.001) compared with RR and ORS. Study 2: no methods-by-groups interaction effects were observed for HR, VO2 and workload at the AerT and AnT. The OLP analysis reported that RQA and GE methods showed very strong correlations (r > 0.8) in HR, VO2 and workload both at AerT and AnT. Slope and intercept values always included the 1 and the 0, respectively. At the AerT the TE ranged from 4.02% to 10.47% (HR and workload, respectively) and in all variables ICC values were excellent (≥ 0.85). At the AnT the TE ranged from 2.53% to 6.64% (HR and workload, respectively) and in all variables ICC values were excellent (≥ 0.90). Study 3: correlations between VO2peak and peak OUES (r = 0.80-0.88) were higher than the ones with the two submaximal OUES (r = 0.32- 0.81). Peak OUES reported higher agreement with OUES up to AnT (r = 0.89-0.93; TE 5.9%; ICC = 0.89-0.93) than with OUES up to AerT (r = 0.39-0.56; TE 15.0%; ICC = 0.38-0.56).
Conclusions. Study 1: performing rowing at a competitive level induces beneficial effects on myocardial performance and arterial compliance in young males. Moreover, higher PWV may have different interpretations in competitive athletes, and it should be analysed considering other cardiovascular parameters in this population. Study 2: the RQA of HRV time series can be considered a valid approach to determine the AerT and the AnT in young individuals with different training status. This new method can be used to assess cardiorespiratory fitness in alternative to gas analysis.
Study 3: the OUES calculated up to peak exercise demonstrated to be the best indicator of cardiorespiratory fitness in healthy, normal weight male adolescents and young adults. Moreover, the OUES up to AnT could be a valid alternative to the peak OUES when maximal effort during a graded exercise test cannot be achieved.
Corso di Dottorato in “Scienze del Movimento Umano e dello Sport”
XXXIV Ciclo - 2018/2021 Dottoranda: Dott.ssa Lavinia Falcioni
Tutor: Prof.ssa Laura Guidetti SSD: M-EDF/01
Tesi di dottorato:
“Valutazione della salute cardiovascolare e dell'efficienza cardiorespiratoria nei giovani utilizzando approcci sostenibili, facili e non invasivi”
Riassunto
Stato dell’arte. La valutazione della salute cardiovascolare e dell'efficienza cardiorespiratoria nei giovani rappresenta un importante punto focale per la ricerca correlata alla salute. Pertanto, è necessario identificare dei parametri di salute e di fitness affidabili e facili da misurare che ricercatori e professionisti dell'esercizio possano utilizzare per interpretare in modo appropriato i risultati dei test.
Obiettivi. Questa tesi ha indagato l'uso e l'interpretazione di parametri consolidati, ma meno comunemente usati, di salute cardiovascolare ed efficienza cardiorespiratoria in giovani individui con diversi livelli di attività fisica. L’obiettivo dello Studio 1 era di indagare gli effetti dell’allenamento sulla funzione cardiovascolare di giovani maschi che praticano canottaggio a livello amatoriale e competitivo, attraverso l’utilizzo di semplici misurazioni non invasive. Lo Studio 2 mirava a i) verificare se l’analisi di quantificazione della ricorrenza (RQA) della variabilità della frequenza cardiaca (HRV) potesse determinare la soglia aerobica (AerT) e la soglia anaerobica (AnT) in giovani individui sani con diversi livelli di allenamento, ii) determinare la validità del metodo RQA rispetto al metodo tradizionale dell’analisi degli scambi gassosi (GE). Lo Studio 3 mirava a i) indagare in giovani maschi sani l'associazione tra la pendenza dell’efficienza di assorbimento dell’ossigeno (OUES) calcolata fino all'AerT, all’AnT e al picco dell'esercizio, e degli indici stabiliti di fitness aerobico, ii) valutare il grado di accordo tra OUES calcolata fino al picco dell’esercizio e OUES calcolata fino all'AerT e all'AnT nella stessa popolazione.
Metodi. Hanno partecipato allo Studio 1 ventotto giovani maschi sani (età = 16,3 ± 2,7 anni). I partecipanti sono stati divisi in tre gruppi: canottieri competitivi (CR), canottieri amatoriali (RR) e soggetti praticanti altri sport amatoriali (ORS). I parametri cardiovascolari sono stati misurati attraverso l'analisi dell'onda di polso (PWA) e la velocità dell'onda di polso carotido-femorale (cf- PWV). Nello Studio 2 trenta giovani individui (età = 15,7 ± 2,7 anni) hanno eseguito un test da sforzo
cardiopolmonare (CPET) su cicloergometro per identificare l'AerT e l'AnT. La frequenza cardiaca (HR), il consumo di ossigeno (VO2) e il carico di lavoro ad entrambe le soglie sono stati determinati con i due metodi (RQA e GE). L'analisi della varianza a misure ripetute è stata utilizzata per valutare l’effetto principale dei metodi e l’effetto interazione metodi x gruppi per le variabili HR, VO2 e carico di lavoro ad entrambe le soglie. La validità del metodo RQA nel determinare HR, VO2 e carico di lavoro ad entrambe le soglie è stata valutata mediante l’ordinary least products (OLP) regression, il typical percentage error (TE), il coefficiente di correlazione intraclasse (ICC), e i grafici dell’analisi di Bland Altman. Nello Studio 3 cinquanta maschi sani normopeso (età = 16,9 ± 2,6 anni) hanno eseguito un CPET su un cicloergometro ed è stato misurato il consumo di ossigeno all’AerT, all’AnT e al picco dell’esercizio, inoltre è stato calcolato l'OUES fino alle due soglie (AerT e AnT) e al picco dell’esercizio. L'associazione tra consumo di ossigeno e OUES (calcolata fino all’AerT, all’AnT e al picco) è stata esaminata tramite il coefficiente di correlazione di Pearson (r). I gradi di accordo tra OUES al picco dell’esercizio e le due OUES sub-massimali sono stati valutati mediante l’OLP regression, TE, ICC e i grafici di Bland Altman.
Risultati. Nello Studio 1 non sono state osservate differenze significative nei parametri della pressione sanguigna tra i gruppi CR, RR e ORS. Tuttavia, il gruppo CR ha mostrato una percentuale inferiore di durata di eiezione (ED%) (p = 0,026) e una più alta cf-PWV (p = 0,032) rispetto al gruppo ORS. Inoltre, il gruppo CR ha riportato un più elevato subendocardial viability ratio (SEVR) (p = 0,022) e un inferiore augmentation index a 75 bpm (AIx75) (p = 0,001) rispetto ai gruppi RR e ORS.
Nello Studio 2 non è stato osservato l’effetto interazione metodi x gruppi per le variabili HR, VO2 e carico di lavoro all'AerT e all'AnT. L’OLP regression ha riportato che i metodi RQA e GE hanno delle correlazioni molto forti (r > 0,8) per le variabili HR, VO2 e carico di lavoro sia all’AerT che all’AnT. I valori della pendenza e dell'intercetta includevano sempre rispettivamente 1 e 0. All'AerT il TE variava da 4,02% a 10,47% (rispettivamente HR e carico di lavoro) e in tutte le variabili i valori dell’ICC erano eccellenti (≥ 0,85). All'AnT il TE variava da 2,53% a 6,64% (rispettivamente HR e carico di lavoro) e in tutte le variabili i valori dell’ICC erano eccellenti (≥ 0,90). Nello Studio 3 le correlazioni tra VO2peak e OUES al picco (r = 0,80-0,88) erano superiori a quelle con le due OUES sub-massimali (r = 0,32-0,81). L’ OUES al picco ha riportato un accordo maggiore con l’OUES fino all’AnT (r = 0,89-0,93; TE 5,9%; ICC = 0,89-0,93) rispetto all’OUES fino all’AerT (r = 0,39-0,56;
TE 15,0%; ICC = 0,38-0,56) .
Conclusioni. Lo Studio 1 ha riportato che in giovani maschi lo svolgimento del canottaggio a livello agonistico induce effetti benefici sulle funzioni cardiache e vascolari. Inoltre, negli atleti competitivi una PWV elevata potrebbe avere interpretazioni diverse e perciò, in questa popolazione, dovrebbe essere analizzata considerando altri parametri cardiovascolari. Lo Studio 2 ha mostrato che in individui giovani con diversi livelli di allenamento il metodo dell’RQA dell’HRV può essere considerato un valido approccio per determinare l'AerT e l'AnT. Questo nuovo metodo può essere utilizzato per valutare efficienza fisica in alternativa all'analisi dei gas. Lo Studio 3 ha indicato che, in adolescenti e giovani maschi sani e normopeso, l'OUES calcolata fino al picco dell’esercizio rappresenta il migliore indicatore di efficienza fisica. Inoltre, l'OUES fino all’AnT potrebbe essere una valida alternativa all'OUES di picco quando non è possibile raggiungere lo sforzo massimo durante un test di esercizio incrementale.
