노교수님 토픽리뷰 주제였던 CPX in children.
번역도 허술하고 잘 정리하진 못했지만 그냥 지워버리기 아까워서 올려봅니다.

큰 흐름은 UpToDate.com 의 같은 이름의 토픽에서 따왔으며,
세부적인 레퍼런스는 슬라이드 중간중간 적어놨습니다.

헬쓰같은 무산소 운동에 대한건 잘 모르겠습니다ㅎ
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Cardiology topic review

Exercise cardiopulmonary test in children

 

Cardiopulmonary exercise test(CPX)?

•       운동하고 있는 동안이나 쉬는 동안 심장과 폐의 수행능력(performance)를 측정할 수 있는 비침습적인 방법.

•       Equipment (for Pediatrics)

•        Treadmill

•        Cycle ergometer

•        Indirect calorimeter

•        ECG equipment

•        Spirometer

•        Pediatric resuscitation cart

•        Pulse oximeter

•        Doppler flow detectors

운동 ?

Analysis of exercise performance

•       Analysis of exercise performance

–      Overall exercise capacity

–      Response of

•       Skeletal muscle

•       Heart

•       Systemic and pulmonary vasculature

•       Lungs

•       Abnormal exercise responses in specific cardiopulmonary diseases are discussed separately

 

Exercise physiology

•       강도 높은 운동은 빠르게 우리 몸의 산소 섭취를 15배까지 높인다. 동시에 환기량은 10배까지 증가하게 되며, 심박출량은 5배, 근육에 공급하기 위해 미세혈관의 적응으로 체순환계에서 혈액으로부터 끌어들이는 산소는 3배까지 늘어난다.

•       심폐의 적응은 골격근의 대사와 밀접하게 관련되어 일어나는데 그 기전은 아직 정확하게 이해되고 있지 않다.

•       환기능력이나 골격근의 기능이 최고점에 도달하지 않았음에도 최대 심박출량이 일반적으로 최대 운동 능력을 결정짓는 요소이며 트레이닝은 폐로부터 골격근으로 향하는 가스교환의 능력을 증가시킨다.

Systemic circulation

•       Mean systemic BP ↑ << Cardiac output ↑

–      Decrease in systemic vascular resistance (SVR)

•       SVR가 감소하는 정도는 운동 수행능력에 비례

–      Systemic vasodilation by endogenous NO is enhanced by training.

Pulmonary circulation

•       Similar to the systemic circulation

•       Fall in pulmonary vascular resistance (PVR).

Ventilation & Pulmonary gas exchange

•       Minute ventilation (VE)

–      Normally rises during incremental exercise

–      Linear increase in breathing frequency (up to about 50 breaths/minute in normal adults)

–      Hyperbolic increase in tidal volume (Vt)

–      Maintenance of arterial oxygenation and PaCO2 within narrow ranges in vigorous exertion.

–      Adaptations in ventilation and ventilation/perfusion matching.

•       운동 중 VE 요구량은 다음의 요소로 결정

–      Carbon dioxide output

–      PaCO2 "set-point"

–      Physiologic dead-space/tidal volume ratio

•       including both anatomic dead space and lung units that are ventilated but not perfused

VE regulation

•       매커니즘은 확실하게 알려져있지 않음

•       Lactic acidemia는 carotid body에 작용해서 ventilation drive하는 것으로 알려졌으나 McArdle's syndrome 환자의 경우 락테이트 생산이 최소로 되고 있음에도 운동시 적절한 환기가 이루어짐.

•       동물 실험에서 carotid body의 denervation이 있음에도 운동시 적절한 ventilatory response가 있음. Chemoreceptors는 과호흡에 필수적인 요소가 아닌 것으로 생각됨.

•       그 이외에 functional MRI로 CNS의 자율적인 호흡 조절의 중추가 ventrolateral medulla, 시상하부 등에 있음을 알수 있었고, 근육의 대사산물에 의한 chemoreflex가 환기를 유도함이 밝혀졌다.

(운동의 효과)

•       Lactate levels at VO2max are decreased with training, and the lower VEmax observed with training appears to be a function of this adaptation rather than changes in the control of respiration.

CO2 elimination

•       해부학적인 dead space는 기도에 존재하는 높은 tidal volume으로 인해 증가하지만, alveolar dead space는 혈류가 폐의 apex까지 증가하게 되면서 감소하게 된다.

•       결과적으로 전체적인 생리학적 dead space는 약간 증가하게 되지만, tidal volume의 증가가 dead space의 증가보다 커서 결과적으로 volume of dead space/tidal volume은 0.45에서 0.29까지 낮아진다.

Oxygenation

•       운동하는 동안 PaO2는 휴식시와 거의 차이를 보이지 않는다. 반면에 PvO2는 눈에 띄게 감소하는데 이것은 몇몇 적응기전에 의한다.

–      Alveolar PO2의 증가

–      Low V/Q unit의 감소

–      O2 diffusion surface의 증가

–      Right-to-left shunt fraction의 감소

 

(참고)

•       PAO2 = PiO2 - (PACO2 ÷ RER)

•       where PiO2 is the inspired partial pressure of O2, PACO2 is the alveolar PCO2 (which is roughly equal to arterial PCO2), and RER is the respiratory exchange ratio. PAO2 increases in normal persons exercising above the lactate threshold at sea level because of hyperventilation (which lowers PACO2) and an increased RER, due to bicarbonate buffering of lactic acid and "non-metabolic" CO2 production. The excess CO2 is often referred to as "non-metabolic" because it is not produced by metabolism, per se.

 

Index

•       VO2max

•       Maximal work

•       Lactic threshold(LT)

•       HRmax

 

VO2max

•       Fick equation states at rest

–      oxygen uptake equals cardiac output times the arterial-mixed venous oxygen content difference

–      VO2 = (SV x HR) x (CaO2 - CvO2)

•       VO2 : the oxygen (O2) uptake

•       SV : the stroke volume

•       HR : heart rate

•       CaO2 : arterial oxygen content

•       CvO2 : the mixed venous oxygen content

•       At maximal exercise

•       VO2max = (SVmax x HRmax) x (CaO2max - CvO2min)

 

VO2max

•       Overall assessment of exercise capacity

•       Normal VO2max

–      Exonerate the pulmonary, cardiovascular, and neuromuscular systems of serious pathology

–      although intra- or inter-organ compensation for mild primary abnormalities can result in a relatively normal value.

           (e.g. Anemia à CO elevation)

 

VO2max

•       VO2 increases linearly versus work rate with a slope of approximately 10 mL/min per watt in normal subjects

•       기울기는 age, sex, training여부에 의해 변하지 않으며, 오직 obese만이 기울기를 낮춘다(왼쪽)

•       일반적인 VO2max는 20 mL/kg per min이상이고 이 수치는 age, gender, height, weight로 예측 가능하다.

•       VO2max 는 training으로 증가하고 나이가 들어감에 따라 감소한다.

•       젊은 세계적인 육상선수는 VO2max가 80 mL/kg per minute을 넘으며,

VO2max

•       쉽게 이해하자면 VO2max 유산소적인 최대 운동 지점이고 이 이후부터는 무산소적인 운동을 해야 한다.

•       젖산 혹은 유산이 몸에 급격히 쌓이게 되고 운동은 기껏해야 몇 분 더 할 수 있게 된다.

Maximal work

•       Maximum work (in watts)

–      Achieved during an incremental exercise test

–      비만한 사람, 혹은 폐쇄성 기도 질환을 앓고 있는 사람의 경우 VO2는 정상임에도 불구하고 maximal work는 낮게 기록될 수 있다.

Lactic threshold(LT)

•       Hardwork가 진행될수록 blood lactate concentration이 높아짐

•       어느 수준에 이르러 blood lactate의 농도가 크게 상승하는 지점이 있는데 이를 lactate threshold (LT) or the anaerobic threshold라고 함

•       80년대까지는 산소 delivery의 부족으로 발생하는 현상으로 여겼으나, 현재는 LT 는 pyruvate 생산이 Krebs cycle에서 대사되는 속도를 초과할 때 발생하는 것으로 밝혀짐.

•        LT이하의 VO2에서는 대사가 평형상태에 있기 때문에, 운동이 더 지속될 수 있음을 의미.

•        LT는 cardiovascular fitness에 따라 변화함. Clinical index로써 의미가 있음이 밝혀짐.

 

HRmax :: Circulation

•       VO2 = (SV x HR) x (CaO2 - CvO2)

•       Cardiac output = SV x HR

–      Maximal HR = 220 - age (in years)

–      Maximal HR = 208 - 0.7 x age (in years)

•       more accurate

•       Cardiac output

–      건강한 성인에서 C.O.가 VO2max의 값을 결정한다.

–      기울기는 운동으로 변하지 않으나, 최대값은 적절한 conditioning으로 휴식 상태의 4~5배까지 올라갈 수 있다.

 

Maximal HR

•       HR은 VO2가 증가함에 따라 linear하게 함께 증가한다.

•       Hrmax는 body mass와 직접적인 관련이 있어서 영양이 부족한 경우나 myopathic patient의 경우 HR이 일반인에 비해 감소하는 경향을 보인다.

•       Training은 휴식과 운동시 낮은 HR을 유지시키나 HRmax에는 영향을 주지 않는다.

 

Exercise testing in Children

•       Information of patient`s physical working capacity.

•       Helpful in determining

–      환자가 스스로 일상생활을 할 수 있는지 평가

–      환자가 exercise intervention program에 적절한 반응이 있을지 예측

–      만성질환의 progression이 환자의 physical capacity에 영향을 주었는지 파악

Indication

•       Evaluate specific symptoms or signs that may induced or aggravated by exercise

•       Identify abnormal adaptive responses occurring in children with cardiac or other disorders

•       Assess the effectiveness of specific medical and surgical treatment

•       Estimate levels of functional capacity for vocational, recreational, and athletic recommendations

•       Improve the safety of vocational, recreational, and athletic recommendations

•       Estimate prognosis for a given disease (eg, cystic fibrosis)

•       Evaluate fitness levels

•       Establish baseline data and follow up effectiveness of cardiac rehabilitation

 

Contraindication

•       Acute inflammatory cardiac disease (eg, pericarditis, myocarditis, acute rheumatic heart disease)

•       Uncontrolled congestive heart failure

•       Acute myocardial infarction

•       Acute pulmonary disease (eg, acute asthma, pneumonia)

•       Severe systemic hypertension (eg, blood pressure greater than 240/120 mmHg)

•       Acute renal disease (eg, acute glomerulonephritis)

•       Acute hepatitis (within three months after onset)

•       Drug overdose affecting cardiorespiratory response to exercise (eg, digitalis toxicity, salicylism, quinidine toxicity)

•       Severe aortic stenosis

•       Severe pulmonary stenosis

•       Serious ventricular dysrhythmia, especially when associated with significant cardiac disease

•       Coronary arterial diseases (anomalous left coronary artery, homozygous hypercholesterolemia, Kawasaki disease [acute phase])

•       Severe pulmonary vascular disease

•       Metabolic disorders (glycogenolysis Types I and V)

•       Hemorrhagic diseases

•       Orthostatic hypotension

 

Terminating test

•       The onset of serious cardiac arrhythmias (eg, ventricular tachycardia, supraventicular tachycardiac)

•       Any appearance of potential hazard to the patient

•       Failure of electrocardiographic monitoring system

•       Symptoms such as pain, headache, dizziness, or syncope, precipitated by exercise

•       Segmental ST depression or elevation 3mm during exercise

•       Arrhythmia (over 25 percent of beats) precipitated or aggravated by exercise

•       Recognized types of intracardiac block precipitated by exercise

•       Inappropriate rise in blood pressure with systolic pressures exceeding 230 mmHg and diastolic pressures exceeding 120 mmHg

•       Inappropriate fall in blood pressure

•       Marked signs of cutaneous vascular insufficiency (eg, pallor)

 

Protocols

•       Continuous

•       Discontinuous

–      낮은 운동 능력을 갖고 있는 환아에 적합

•       Treadmill - Bruce, Balke

•       Cycle  - James, McMaster, Strong

•       Sprint protocols, Six-minute walk 등

 

VO2max :: Aerobic capacity

•       VO2max !

•       Children à “True” VO2max ?

–      환자는 반드시 근육으로 O2 delivery가 한계에 이를 때까지 voluntary exhaustion 해야 한다.

–      과연 아이들이 이런 의지가 있는지?

           è Age, developmental status, cognitive ability, motivation, disease state에 대한 고려가 필요

 

VO2max :: Maximal effort(최선을 다했는가?)

•       소아의 경우 Maximal effort는 위의 변수들에 의해 제한될 수 있음

•       다음과 같은 생리적 현상으로 maximal effort 여부를 판단할 수 있음

•       VO2 plateau

•       Heart rate maximum

•       Respiratory exchange ratio maximum

VO2max in children

•       Peak VO2 vs VO2 plateau

–      VO2max를 결정하는 gold standard는 VO2 plateau.

–      매우 적은 소아들만이 VO2max의 plateau를 보임.

–      Peak VO2가 exercise capacity의 index로 의미가 있음이 밝혀짐.

HRmax

•       아동과 청소년의 평균 값은 200bpm 정도이나 개개인에 따라 매우 큰 차이를 보임.

           (197+8 bpm, 181 to 231 bpm)

•       Protocol을 변화시킴에 따라 같은 사람에서도 5~10bpm 정도의 차이를 보임.

•       예상되는 HRmax 값의 95%에 도달하면 maximal effort를 하는 것으로 생각할 수 있음.

           (ie, HR>190bpm)

Respiratory exchange ratio(RER) maximum

•       Ratio of the volume of CO2 produced (VCO2) to the volume of O2 consumed(VO2)

•       Rest : 0.70

•       Exercise : >1.00 ~ 1.10

–      Fat, carbohydrate metabolism 때문

•       아이들의 경우 운동 전 긴장으로 인해 수치가 비정상적으로 높게 나오기도 하나, 운동 시작 후 대게 정상화된다.

•       VO2 plateau와 1.00이상의 RER이면 maximal effort라고 볼 수 있음.

VO2max :: Conclusion

•       대다수의 전문가들은 위 3가지 요소를 통해 maximal effort를 판단할 수 있다고 본다.

•       VO2max에 대한 평균값을 보면 남자는 소아에서 부터 청소년기까지 50~55mL/kg으로 일정한 수준을 보임

•       여자는 소아 때 50mL/kg, 청소년기에 1mL/kg 감소하는 경향을 보임

–      Puberty & 활동량 감소에 따름

Maximal effort vs Submaximal effort

•       실제로는 매우 적은 수 만이 maximal effort를 유지해야 하는 상황을 겪음

•       운동을 비롯한 대부분의 활동은 high submaximal level을 견뎌야 하는 상태

•       아이들의 aerobic fitness를 연구하는 경우, VO2max나 submaximal VO2(주어진 workload에서의 VO2), 아이들의 운동 능력은 테스트를 통해 나온 결과를 이용해 구해야 함.

 

Submaximal effort

•       VO2max는 lactate or ventilatoy threshold를 통해 계산해낼 수 있다.

 

Lactate threshold

•       Lactate production exceeds clearance.

•       Exponentially increase.

•       VO2max에 가까울 수록 운동 능력이 더 높다고 할 수 있음.

•       Training은 VO2max에 거의 영향을 주지 못하지만 LT값은 크게 변화시킬 수 있다.

•       Blood lactate는 운동 중에 finger stick sample을 통해 간단히 구할 수 있으나 어린이들에게는 반드시 할 필요가 없는 침습적인 procedure는 선호되지 않기 때문에 Ventilatory threshold를 이용하기도 함.

Ventilatory threshold

•       Intensity at which ventilation during exercise begins to rise in excess of VO2

•       Demonstrated by plotting VE/VO2 and VE/VCO2

–      VE : volume of gas expired(L/min)

–      VO2 : volume of oxygen consumed(L/min)

–      VCO2 : volume of CO2 produced(L/min)

•       VE/VO2와 VE/VCO2의 그래프는 비슷한 모양으로 둘 중 하나를 쓰면 됨.

 

Ventilatory threshold

•       LT에 이르면 혈중에 많아진 H+을 완충시키기 위해 CO2가 많이 필요하게 됨

           à 과호흡 유발

           à VE에 비해 VO2가 상대적으로 덜 상승

•       어느 정도로 VO2max를 대체하는데 유용한지는 controversal.

–      Respiration에 영향을 주는 요소들이 많기 때문

•       LT보다 덜 침습적이라는 장점과 비슷한 결과를 얻을 수 있음.

•       현재로서는 LT보다 less reliable한 index로 평가

 

CPX – Usefulness

•       GH deficiency

•       HIV infection

•       Congenital diaphragmatic herinia

•       Down syndrome

•       Arthritis

•       Neuromuscular disease

•       Chronic fatigue syndrome

 

Cardiopulmonary Exercise Testing in

Children : An Individualized Protocol for

Workload Increase

Chantal Karila, Jacques de Blic, Serge Waernessyckle, Marie-Rose

Benoist and Pierre Scheinmann

Chest 2001;120;81-87

•       Objects : 소아에서도 어른에서와 같이 individualized workload increment를 통해 안전하게 maximal exercise(clinical exhaustion, HRmax, VO2 plateau, RER>1.1)에 도달할 수 있는 지에 대한 연구

•       Subject : 92 children(5~17years with cardiac and respiratory disease – Asthma(33), BPD(11), CF(6), Congenital heart ds.(10), miscellaneous(33))

•       Intervention : Individualized maximal incremental exercise testing. The increase in workload was adapted to the individual and was calculated from predicted maximal oxygen uptake(VO2max) for each child. The test lasted 10 to 12min

•       BasalVo2 was calculated as (height in centimetersX2)-100, and predicted Vo2max was calculated ccording to the Wasserman norms as a function of sex, weight, and the age of the child.

•       We then calculated the difference between Vo2max and basal Vo2. Wmax corresponding to this difference was calculated as follows:

•       Wmax = (predicted Vo2max - basal Vo2)/10.3,

•       where 10.3 mL of O2/min/W is the equivalent in oxygen of each watt

•       Result : The exercise test was well tolerated by all children and was maximal in all but seven patients. A total of 65.7% of children reached the predicted Vo2max and 68.4% satisfied the criteria for a VO2 plateau at peak exercise. The predicted HRmax was achieved in all but two children. The mean maximal respiratory exchange ratio was 1.06

•       Conclusion : 운동부하를 증가시킴에 있어 VO2를 기준으로 해서 만들어낸 개별화된 프로토콜은 아이들이 안전하게 최대 운동에 도달할 수 있게 함.

•       이 연구결과로 알아낸 최대 운동상태를 파악하는 가장 좋은 두 가지 지표는 Clinical exhaustion and HRmax였다. 특히 VO2 plateau에 도달하지 않은 경우에 더욱 효과적이었다.

•       이 결과들로 개별화된 프로토콜은 표준화된 방법을 대신해 사용 가능함을 알 수 있었다.

 

Exercise testing and chronic lung disease

in children

Eugenio Baraldi* and Silvia Carraro

Paediatric respiratory reviews (2006) 7S, S196-S198

•       Summary : 호흡기 질환을 앓고 있는 아이들에게서도 Exercise activity는 일상에서 매우 중요한 부분이다. Overall fitness와 운동에 대한 반응은 CPX를 통해 측정 가능하다.

•       진행하는 호흡기 질환(e.g. CF, asthma)의 정도는 CPX를 통해 측정된 운동 능력에 비례한다.

•       CPX는 쉬면서 측정하는 lung function test에 비해 더 의미있는 결과를 제공해준다.

CPX를 통한 최신 연구

•       Exercise capacity and exercise hypertension after surgical repair of isolated aortic coarctation

•       Effect of sildenafil on haemodynamic response to exercise and exercise capacity in Fontan patients

•       Exercise testing using upper extremity ergometry in pediatric spinal cord injury.

•       The value of exhaled nitric oxide in predicting bronhial hyperresponsiveness in children.

•       Fitness, fatigue, disease activity, and quality of life in pediatric lupus.

•       Cystic fibrosis in adults: diagnostic and therapeutic aspects.

•       Natural history of exercise capacity after the Fontan operation: a longitudinal study.

•       Physical training in children with osteogenesis imperfecta.

•       Physical activity in infants with Down syndrome receiving a treadmill intervention.

Reference

•       Stephen M. Paridon, Bruce S. Alpert, Steven R. Boas, Marco E. Cabrera, et al. Clinical Stress Testing in the Pediatric Age Group : A Statement From the Amerian Heart Association Council on Cardiovascular Disease in the Young, Committee on Atherosclerosis, Hypertension, and Obesity in Youth. Circulation. 2006;113:1905-1920

•       Bassett, D, Howley, E. Maximal oxygen uptake: "classical" versus "contemporary" viewpoints. Med Sci Sports Exerc 1997; 29:591.

•       Hansen, JE, Sue, DY, Wasserman, K. Predicted values for clinical exercise testing. Am Rev Respir Dis 1984; 129(Suppl):S49.

•       Rowland, TW. Does peak VO2 reflect VO2max in children?: evidence from supramaximal testing. Med Sci Sports Exerc 1993; 25:689.

•       Armstrong N, Welsman J, Winsley R. Is peak VO2 a maximal index of children's aerobic fitness? Int J Sports Med. 1996 Jul;17(5):356-9

•       Chantal Karila, Jacques de Blic, Serge Waernessyckle, Marie-Rose Benoist and Pierre Scheinmann. Cardiopulmonary Exercise Testing in Children : An Individualized Protocol for Workload Increase. Chest 2001;120;81-87

•       Eugenio Baraldi* and Silvia Carraro. Exercise testing and chronic lung disease in children. Paediatric respiratory rewies (2006) 7S, S196-S198

•       N. H. Secher, O. Vaage z, K. Jensen, and R. C. Jackson. Maximal Aerobic Power in Oarsmen. European Journal of Applied Physiology. 1983 Aug;51(2):155-162p.

•       Welsman JR, Armstrong N. The measurement and interpretation of aerobic fitness in children: current issue. J R Soc Med. 1996 May;89(5):281P-5P.