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. 2013 Jun-Aug;39(4):440–446. doi: 10.1590/S1806-37132013000400007
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Oxygen desaturation in healthy subjects undergoing the incremental shuttle walk test*

Daniel Machado Seixas 1, Daniela Miti Tsukumo Seixas 2, Monica Corso Pereira 3, Marcos Mello Moreira 4, Ilma Aparecida Paschoal 5
PMCID: PMC4075871  PMID: 24068265

Abstract

OBJECTIVE:

To determine the probability of oxygen desaturation in healthy individuals undergoing the incremental shuttle walk test (ISWT).

METHODS:

We enrolled 83 healthy subjects: 55 males (including 1 smoker) and 28 females. We determined pre-ISWT FEV1, FEV6, HR and SpO2, as well as post-ISWT HR and SpO2.

RESULTS:

Mean values overall were as follows: age, 35.05 ± 12.53 years; body mass index, 24.30 ± 3.47 kg/m2; resting HR, 75.12 ± 12.48 bpm; resting SpO2, 97.96 ± 1.02%; FEV1, 3.75 ± 0.81 L; FEV6, 4.45 ± 0.87 L; FEV1/FEV6 ratio, 0.83 ± 0.08 (no restriction or obstruction); incremental shuttle walk distance, 958.30 ± 146.32 m; post-ISWT HR, 162.41 ± 18.24 bpm; and post-ISWT SpO2, 96.27 ± 2.21%. In 11 subjects, post-ISWT SpO2 was higher than was pre-ISWT SpO2. In 17 subjects, there was a 4% decrease in SpO2 after the ISWT. There were no statistically significant differences between the groups with and without post-ISWT oxygen desaturation in terms of age, gender, FEV1, FEV6, FEV1/FEV6, pre-ISWT SpO2, incremental shuttle walk distance, HR, or percentage of maximal HR. In the individuals with post-ISWT oxygen desaturation, the body mass index was higher (p = 0.01) and post-ISWT SpO2 was lower (p = 0.0001).

CONCLUSIONS:

Healthy individuals can present oxygen desaturation after the ISWT. Using the ISWT to predict subtle respiratory abnormalities can be misleading. In healthy subjects, oxygen desaturation is common after the ISWT, as it is during any intense physical activity.

Keywords: Heart function tests, Respiratory function tests, Body mass index, Oximetry

Introduction

Although patients with interstitial pulmonary fibrosis or pulmonary arterial hypertension can have normal SpO2 at rest, some will show oxygen desaturation after submaximal exercise.( 1 , 2 ) End-exercise PaO2 decreases after maximal exercise, and submaximal steady-state exercise was found to be an important measure of disease severity in interstitial pulmonary fibrosis.( 3 , 4 ) Lama et al. demonstrated that patients with usual interstitial pneumonia who developed oxygen desaturation during and after a six-minute walk test (6MWT)–a ≥ 4% decrease in oxygen saturation from baseline (∆sat ≥ 4%)–were more than four times more likely to die during follow-up.( 5 ) The abovementioned findings led us to hypothesize that a decrease in oxygen saturation during self-paced walking (a submaximal exercise test) is a meaningful measure of disease status in patients with scleroderma. Our results showed that, in the multiple logistic regression analysis, the variable ∆sat ≥ 4% was significantly associated with age, dyspnea, and two other variables related to pulmonary involvement, i.e., FVC < 80% of the predicted value (as assessed by spirometry) and positivity for the Scl-70 antibody, which is a marker of pulmonary disease in scleroderma. However, the statistical model applied to the data did not indicate which of the dependent variables analyzed (∆sat ≥ 4% or the distance walked) was better at predicting pulmonary disease. Nevertheless, ∆sat ≥ 4% appeared to be able to provide more information on this issue than did the distance walked.( 6 )

Another study conducted by our research group and involving patients with systemic lupus erythematosus showed that those with post-6MWT ∆sat ≥ 4% (as assessed by pulse oximetry) showed a significant reduction in the six-minute walk distance (6MWD), which was 443 m in the group of patients who developed oxygen desaturation and 497 m in that of those who did not (p = 0.0291). However, both 6MWDs were well above the lower limit of the normal range. In addition, when compared with the patients who did not develop oxygen desaturation, those who did had a higher post-6MWT HR (p = 0.0170), a lower MEP (p = 0.0282), a lower MIP (p = 0.0504), and a restrictive pattern of lung disease (as determined by spirometry). These findings suggest that oxygen desaturation is more sensitive in detecting the presence of respiratory abnormalities in patients with systemic lupus erythematosus than is the 6MWD (unpublished data). Therefore, oxygen desaturation during submaximal exercise seems to be a more sensitive endpoint to detect subtle respiratory abnormalities in pulmonary diseases and in systemic diseases that affect respiration.

Maximal exercise tests, such as cardiopulmonary exercise tests, can provide important information on the integration between the cardiovascular and respiratory systems during exercise. Although cardiopulmonary exercise tests have been extensively used in order to investigate various lung diseases, they are complex tests that require expensive equipment.

The incremental shuttle walk test (ISWT) is a maximal exercise test that provides data that correlate well with measurements made during incremental cardiopulmonary exercise testing, being simpler and less expensive than the latter. The fact that even patients with few symptoms and mild pulmonary involvement can present with a decrease in oxygen saturation in a submaximal test led to us inquire how oxygen saturation would behave during a maximal walk test, such as the ISWT. Could it improve the sensitivity of the 6MWT in detecting respiratory impairment? With the objective of exploring this hypothesis, we decided to perform the ISWT in healthy individuals in order to determine the probability of oxygen desaturation at the end of the test.

Methods

This was a cross-sectional study involving healthy subjects who attended a private fitness center in the city of Campinas, Brazil. All of the enrolled subjects attended the fitness center in order to keep physically active and in good health, and none were professional athletes. They were invited to participate in the study and agreed to perform the tests included in the protocol.

The study was approved by the Research Ethics Committee of the Universidade Estadual de Campinas (Unicamp, State University at Campinas) Hospital de Clínicas, located in the city of Campinas, Brazil, and all participants gave written informed consent.

Subjects were considered ineligible for the ISWT if they had a history of lung or heart disease or any other health condition that might preclude the performance of the ISWT. A standard questionnaire was applied to all participants to ensure that they did not meet any of the exclusion criteria.

A digital peak flow meter (Koko Peak Pro 6; Ferraris Cardiorespiratory PDS Healthcare Products Inc., Louisville, CO, USA) was used in order to determine pre-ISWT FEV1 and FEV6. The FEV1/FEV6 ratio was calculated by the device and was displayed on the screen. Each subject performed at least three forced expiratory maneuvers after maximal inspiratory maneuvers, the best maneuver being automatically chosen by the peak flow meter.

Pre-ISWT HR and oxygen saturation were determined with a pulse oximeter equipped with a finger probe (Nonin Medical, Inc., Plymouth, MN, USA). Fingernail polish, if worn by the subject, was removed before testing. In order to guarantee an accurate assessment of oxygen saturation, the principal investigator checked that the pulse oximeter showed an acceptable pulse signal and that the oximeter light was green and pulsing in synchrony with the HR before the beginning of the tests.

The protocol used for the ISWT was the 12-level version proposed by Singh et al.( 7 ) for functional capacity evaluation in patients with COPD. All participants were tested under standardized conditions by the same investigator. The walking course was level, being 10 m in length. It was delimited by two cones inset 0.5 m from either end to avoid the need for abrupt changes in direction. The speed at which subjects walked was dictated by an audio signal played on a portable microcomputer. Each participant received a standardized explanation ("you should walk at a steady pace, aiming to turn around whenever you hear the signal; you should continue to walk until you feel that you are unable to maintain the required speed"). At the first level of the test, the calculated walking speed was 0.5 m/s and the number of expected shuttles was 3; at the twelfth level, walking speed was 2.37 m/s and 14 shuttles were expected. All subjects were carefully observed during the test so that they would not exceed their exercise limit.

Oxygen saturation was also measured immediately after the end of the ISWT. For the purpose of data analysis, oxygen desaturation was defined as a ≥ 4% decrease in oxygen saturation (SpO2) from baseline (∆sat = oxygen saturation at rest – oxygen saturation immediately after the ISWT). This 4% decrease in oxygen saturation was validated in studies of exercise-induced hypoxemia during maximal exercise tests in athletes.( 8 ) Maximum incremental shuttle walk distance (ISWD) was defined as the maximum distance that the subjects were able to walk during the ISWT.

A ≥ 4% decrease in oxygen saturation was used in order to divide the study population into two groups. The Anderson-Darling test was applied to the measured variables and the demographic characteristics of the two groups to determine their distribution. Variables with normal distribution were analyzed with the Student's t-test. Variables with non-normal distribution were analyzed with the Wilcoxon test. Categorical data were compared by the chi-square test or Fisher's exact test. The statistical analysis was performed with the SAS software, version 8 (SAS Institute, Inc., Cary, NC, USA). Differences were considered significant at p < 0.05.

Results

Eighty-three individuals who attended a fitness center in the city of Campinas, Brazil, were invited and agreed to participate in the study. Of those, 55 were male and 28 were female. Only 1 was a smoker. The mean age was 35.05 ± 12.53 years, the median being 32 years. The mean body mass index (BMI) was 24.30 ± 3.47 kg/m2, the median being 24.5 kg/m2. The mean resting HR was 75.12 ± 12.48 bpm, the median being 73 bpm. The mean pre-ISWT SpO2 was 97.96 ± 1.02%, the median being 98%. The mean FEV1 was 3.75 ± 0.81 L, the median being 3.65 L. The mean FEV6 was 4.45 ± 0.87 L, the median being 4.38 L. The mean FEV1/FEV6 ratio was 0.83 ± 0.08, the median being 0.82. In all enrolled subjects, measured FEV6 was above the lower limit of the predicted FVC (as determined by the equations devised for the Brazilian population), and all subjects had a FEV1/FEV6 ratio ≥ 0.8. These findings allow the assumption that none of the participants had restrictive or obstructive lung disease (Table 1).

Table 1. Comparison between the two groups (with and without oxygen desaturation).a.

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The mean ISWD was 958.30 ± 146.32 m, the median being 1,020 m. The mean post-ISWT HR was 162.41 ± 18.24 bpm, the median being 166 bpm. The mean post-ISWT SpO2 was 96.27 ± 2.21%. In 11 subjects, post-ISWT oxygen saturation values were higher than pre-ISWT oxygen saturation values. In 17 subjects, oxygen saturation had decreased by ≥ 4% by the end of the test. In 2 subjects, SpO2 was < 92% (Table 2).

Table 2. Proportions of individuals who reached more than 85% or 85% or less of the predicted maximal HR in the two groups.a.

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The study population was divided into two groups on the basis of the presence of a post-ISWT oxygen desaturation ≥ 4%. No differences were found between the two groups regarding age, gender, FEV1, FEV6, FEV1/FEV6, initial oxygen saturation (pre-ISWT SpO2), ISWD, pre-ISWT HR, post-ISWT HR, or percentage of maximal HR (Table 1). The BMI was significantly higher in those who developed oxygen desaturation (p = 0.01), and post-ISWT SpO2 was significantly different between the two groups (p < 0.0001).

Discussion

In 66 subjects, post-ISWT oxygen saturation values were quite similar to pre-ISWT oxygen saturation values, a finding that was expected because of the intensity of the exercise performed. In 11 subjects, post-ISWT SpO2 values were higher than pre-ISWT SpO2 values. This finding is not unusual, given that physical activity improves ventilation and alveolar recruitment. However, 17 (20.7%) of the 83 individuals in the study sample showed a significant drop in oxygen saturation during the ISWT (∆sat ≥ 4%). This was an unexpected finding, and there is little information in the literature regarding what happens with oxygen saturation after the ISWT in healthy subjects.

Exercise-induced hypoxemia in athletes is arbitrarily defined as a decrease in PaO2 of approximately 7.5 mmHg,( 7 ) an SaO2 below 95%, or both; extreme cases will show an SaO2 of less than 88%.( 9 ) Oxygen uptake increases during exercise in order to meet the needs imposed by an increased metabolic rate and correlate with work intensity until all subjects achieve maximal oxygen uptake.( 10 ) Each step of oxygen transport from ambient air to the cells can limit whole-body oxygen uptake, and circulation has been considered the most important factor limiting maximal oxygen uptake during large muscle mass exercise.

A decrease in PaO2 and SaO2 is quite common during maximal ergometer rowing.( 11 ) In such subjects, cardiac output can exceed 30 L/min; under such circumstances, the ability to renew alveolar air and maintain high oxygen partial pressures, the diffusion resistance to oxygen at the alveolar-capillary membrane, the reduction in red blood cell transit time in the pulmonary capillary, and the increased probability of ventilation/perfusion mismatch are critically important to oxygen uptake.( 12 )

The prevalence of exercise-induced hypoxemia seems to be as high as 50%.( 13 ) Exercise intensity determines the degree of hypoxemia.( 14 ) Oxygen desaturation is also more pronounced during whole-body exercise, such as rowing or running, than during leg exercise, and leg exercise is more capable of inducing hypoxemia than is arm exercise.( 14 ) This suggests that the amount of muscle mass involved in the exercise influences the development of oxygen desaturation.

In 1984, Dempsey et al.( 15 ) studied the incidence of exercise-induced arterial hypoxemia in 16 highly trained healthy runners who were capable of achieving and sustaining very high metabolic rates, including a maximal oxygen uptake of 72 ± 2 mL/kg. Arterial blood gases and acid-base status were determined at each load of a progressive short-term exercise test and repeatedly determined during constant-load treadmill running. Three types of response were encountered and were quite reproducible within subjects: four runners maintained PaO2 within 10 mmHg of resting values; another four showed a decrease of 10-15 mmHg in PaO2; and the remaining eight runners showed remarkably decreased PaO2. The decrease in PaO2 ranged from 21 mmHg to 35 mmHg, PaO2 having decreased to less than 75 mmHg in all cases and to less than 60 mmHg in two cases. During constant-load exercise, PaO2 was often maintained during the initial 30 s, when hyperventilation was greatest; subsequently, hypoxemia occurred, the severity of hypoxemia having either remained the same or worsened over the ensuing 3-4 min in most of the cases. The most severe hypoxemia during heavy exercise was associated with an (estimated) alveolar oxygen tension to a (measured) PaO2 difference in excess of 40 mmHg. The analysis of all of the variables measured during the investigation led the authors to hypothesize that the observed hypoxemia was attributable to a diffusion limitation secondary to very short red cell transit times in at least a portion of the pulmonary circulation; such short transit times can occur at high metabolic rates. Tidal breathing during heavy exercise can frequently exceed the maximal flow-volume curve, and hyperventilation can be limited by the mechanical load on the chest wall secondary to increased pulmonary impedance, a situation that can also impair the renewal of alveolar air.

Although it has been described as an incremental field walking test that produces a symptom-limited maximal performance, the ISWT cannot be compared with the maximal exercise tests cited above. Nevertheless, 17 healthy subjects showed oxygen desaturation after the ISWT in the present study. The only significant difference between the individuals who developed oxygen desaturation and those who did not was that the BMI was higher in the former. This finding is consistent with the hypothesis that the lungs, during physical activities that cause the HR to get closest to the maximal HR expected for a given subject, are unable to arterialize the fast flowing blood, especially in those subjects whose needs are amplified because of a higher body mass. Although Durand et al.( 16 ) found no differences in height, weight, or lung volume between athletes who developed oxygen desaturation and those who did not, it can be argued that the proportions of those variables are more important than their absolute values.

Our findings and the data from the literature lead to a worrisome possibility: oxygen desaturation during aerobic activity is probably more common than previously thought and can pose a threat to high-performance athletes that has been systematically overlooked. Although the occurrence of oxygen desaturation is acknowledged in studies that date back to the second half of the last century, none of those studies elaborated on the potential harmful effects of such periods of intermittent hypoxemia.

We are unaware of any evaluation protocol for high-performance aerobic training that includes the determination of exercise-induced oxygen desaturation. Given that sudden death is relatively common in athletes, screening for oxygen desaturation seems justified.

Sudden cardiac death (SCD) is considered the leading cause of death in young athletes. The true incidence of SCD is unknown and highly underestimated. The studies reporting the highest incidence estimated that up to 110 deaths occur each year in young athletes, which is equivalent to 1 death every 3 days in the United States.( 17 ) The available evidence points to a structural cardiac abnormality as the underlying cause of SCD. Hypertrophic cardiomyopathy and coronary artery anomalies account for approximately 25% and 14%, respectively, of all SCDs in the United States.( 18 ) Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy/dysplasia is a cardiac disease characterized by myocardial necrosis followed by fibrofatty replacement. These altered myocardial areas constitute the anatomical substrate for reentry circuits that propitiate the onset of ventricular arrhythmias.( 19 ) This last condition can be particularly significant in the context of the present study. Oxygen desaturation during intense physical activity can cause repeated episodes of hypoxic pulmonary vascular constriction and pulmonary hypertension. The walls of the right ventricle can suffer during these episodes, to the point of myocardial necrosis, fibrofatty replacement being the expected consequence of this kind of stress.

Another common cause of SCD is Brugada syndrome,( 20 ) which is characterized by an ST-segment elevation in the right precordial electrocardiogram leads followed by a negative T wave. The worldwide prevalence of Brugada syndrome is estimated at 1-5 per 10,000 population, although it is higher in Southeast Asia.( 21 ) Brugada syndrome is traditionally thought of as a primary electrical cardiac disease arising in myocardium that is otherwise structurally normal. However, magnetic resonance imaging, positron emission tomography, and pathological evaluation of biopsy specimens have identified structural abnormalities in many patients with a diagnosis of Brugada syndrome, including fibrofatty replacement of the right ventricular free wall and fibrotic disruption of the right bundle branch.

It is established in the literature that Brugada syndrome is the result of an autosomal dominant mutation in the SCN5A gene on chromosome 3, resulting in a loss of function sodium channel abnormality.( 22 ) It has become increasingly clear that ion channel gene expression is highly dynamic and can respond to many environmental stimuli.( 23 ) Hypoxemia is possibly one of these stimuli. Therefore, a genetic predisposition to cardiac arrhythmia does not preclude the superimposition of hypoxemia causing the sudden deaths of young people or athletes.

The data in the present study and the accumulated knowledge regarding oxygen desaturation during physical activity raise the hypothesis that hypoxemia during exercise can be dangerous and suggest that it is advisable to include a screening test for oxygen desaturation in the evaluation protocols for endurance athletes. Further studies are needed in order to explore this hypothesis.

In conclusion, because of the possibility of oxygen desaturation in healthy individuals undergoing the ISWT, the use of the ISWT to predict the presence of subtle respiratory abnormalities undetected by submaximal tests such as the 6MWT can be misleading. The finding that oxygen desaturation is common in healthy subjects undergoing the ISWT adds to the knowledge that oxygen desaturation during intense physical activity is quite common and can have deleterious effects.

Footnotes

*

Study carried out at the State University at Campinas, Campinas, Brazil.

Financial support: None.

Contributor Information

Daniel Machado Seixas, State University at Campinas, Campinas, Brazil.

Daniela Miti Tsukumo Seixas, State University at Campinas, Campinas, Brazil.

Monica Corso Pereira, State University at Campinas, Campinas, Brazil.

Marcos Mello Moreira, Respiratory Diseases Service. State University at Campinas, Campinas, Brazil.

Ilma Aparecida Paschoal, State University at Campinas, Campinas, Brazil.

References

J Bras Pneumol. 2013 Jun-Aug;39(4):440–446. [Article in Portuguese]

Dessaturação em indivíduos saudáveis submetidos ao incremental shuttle walk test*

Daniel Machado Seixas 1, Daniela Miti Tsukumo Seixas 2, Monica Corso Pereira 3, Marcos Mello Moreira 4, Ilma Aparecida Paschoal 5

Abstract

OBJETIVO:

Determinar a probabilidade de dessaturação arterial em indivíduos saudáveis submetidos ao incremental shuttle walk test (ISWT).

MÉTODOS:

Foram estudados 83 indivíduos saudáveis, dos quais 55 eram homens (1 deles fumante) e 28 eram mulheres. Foram determinados VEF1 e VEF6 antes da realização do ISWT, assim como FC e SpO2 antes e depois do ISWT.

RESULTADOS:

As médias gerais foram as seguintes: idade, 35,05 ± 12,53 anos; índice de massa corporal, 24,30 ± 3,47 kg/m2; FC em repouso, 75,12 ± 12,48 bpm; SpO2 em repouso, 97,96 ± 1,02%; VEF1, 3,75 ± 0,81 L; VEF6, 4,45 ± 0,87 L; relação VEF1/VEF6, 0,83 ± 0,08 (sem restrição ou obstrução); distância percorrida no ISWT, 958,30 ± 146,32 m; FC pós-ISWT, 162,41 ± 18,24 bpm e SpO2 pós-ISWT, 96,27 ± 2,21% Em 11 indivíduos, houve um aumento da SpO2 após o ISWT, ao passo que em 17 houve uma queda de 4%. Não houve diferença estatística entre os grupos com e sem dessaturação após o ISWT no tocante às variáveis idade, gênero, VEF1, VEF6, VEF1/VEF6, SpO2 basal, distância percorrida no ISWT, FC e porcentagem da FC máxima. Nos indivíduos que apresentaram dessaturação, o índice de massa corporal foi maior (p = 0,01) e a SpO2 pós-ISWT foi menor (p = 0,0001).

CONCLUSÕES:

Indivíduos saudáveis podem apresentar dessaturação após o ISWT. O uso do ISWT para prever a presença de problemas respiratórios sutis pode ser enganador. Em indivíduos saudáveis, a dessaturação é um evento comum após o ISWT, assim como o é durante a atividade física intensa.

Keywords: Testes de função cardíaca, Testes de função respiratória, Índice de massa corporal, Oximetria

Introdução

Embora pacientes com fibrose pulmonar intersticial ou hipertensão arterial pulmonar possam apresentar SpO2 normal em repouso, alguns apresentam dessaturação de oxigênio após o exercício submáximo.( 1 , 2 ) A PaO2 ao final do exercício diminui após o exercício máximo, e o exercício de estado estacionário submáximo mostrou-se uma importante medida da gravidade da doença na fibrose pulmonar intersticial.( 3 , 4 ) Lama et al. demonstraram que pacientes com pneumonia intersticial usual que apresentaram dessaturação de oxigênio durante e após um teste de caminhada de seis minutos (TC6) – uma diminuição ≥ 4% da saturação de oxigênio em relação à saturação basal (Î"sat ≥ 4%) – eram mais de quatro vezes mais propensos a morrer durante o seguimento.( 5 ) Os achados mencionados acima nos levaram à hipótese de que uma diminuição da saturação de oxigênio durante uma caminhada autocadenciada (um teste de esforço submáximo) seria uma medida significativa do estado da doença em pacientes com esclerodermia. Nossos resultados mostraram que, na análise de regressão logística múltipla, a variável Î"sat ≥ 4% associou-se significativamente a idade, dispneia e duas outras variáveis relacionadas ao envolvimento pulmonar, ou seja, CVF < 80% do previsto (avaliada por meio de espirometria) e positividade para o anticorpo Scl-70, que é um marcador de doença pulmonar na esclerodermia. No entanto, o modelo estatístico aplicado aos dados não indicou qual das variáveis dependentes analisadas (Î"sat ≥ 4% ou a distância percorrida) era melhor em prever doença pulmonar. Não obstante, Î"sat ≥ 4% pareceu ser capaz de fornecer mais informações sobre essa questão do que a distância percorrida.( 6 )

Outro estudo realizado por nosso grupo de pesquisa, com pacientes com lúpus eritematoso sistêmico, mostrou que aqueles com Î"sat ≥ 4% após o TC6 (avaliada por oximetria de pulso) apresentaram redução significativa da distância percorrida no TC6 (DTC6), que foi 443 m nos pacientes que apresentaram dessaturação de oxigênio e 497 m naqueles que não o fizeram (p = 0,0291). No entanto, ambas as DTC6 situaram-se bem acima do limite inferior da normalidade. Além disso, quando comparados aos pacientes que não apresentaram dessaturação de oxigênio, aqueles que o fizeram apresentaram maior FC pós-TC6 (p = 0,0170), menor PEmáx (p = 0,0282), menor PImáx (p = 0,0504) e um padrão de doença pulmonar restritiva (determinado por meio de espirometria). Esses resultados sugerem que a dessaturação de oxigênio é mais sensível que a DTC6 para detectar a presença de alterações respiratórias em pacientes com lúpus eritematoso sistêmico (dados não publicados). Portanto, a dessaturação de oxigênio durante o exercício submáximo parece ser um desfecho mais sensível para detectar alterações respiratórias sutis em doenças pulmonares e em doenças sistêmicas que afetam a respiração.

Testes de esforço máximo, como os testes de exercício cardiopulmonar, podem fornecer informações importantes sobre a integração entre os sistemas cardiovascular e respiratório durante o exercício. Embora os testes de exercício cardiopulmonar tenham sido amplamente usados para investigar várias doenças pulmonares, são testes complexos que exigem equipamentos caros.

O incremental shuttle walk test (ISWT, teste de caminhada com carga progressiva) é um teste de esforço máximo que fornece dados que se correlacionam bem com as medições feitas durante testes de exercício cardiopulmonar incremental e é mais simples e menos caro do que estes. O fato de que mesmo pacientes com poucos sintomas e envolvimento pulmonar leve podem apresentar diminuição da saturação de oxigênio em um teste submáximo nos levou a perguntar como a saturação de oxigênio se comportaria durante um teste máximo de caminhada, como o ISWT. Poderia melhorar a sensibilidade do TC6 na detecção de comprometimento respiratório? Com o objetivo de explorar essa hipótese, decidimos realizar o ISWT em indivíduos saudáveis, a fim de determinar a probabilidade de dessaturação de oxigênio ao final do teste.

Métodos

Trata-se de um estudo transversal com indivíduos saudáveis que frequentavam uma academia particular de ginástica na cidade de Campinas (SP). Todos os participantes frequentavam a academia a fim de se manter fisicamente ativos e saudáveis, e nenhum deles era atleta profissional. Foram convidados a participar do estudo e concordaram em realizar os testes incluídos no protocolo.

O estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa do Hospital de Clínicas da Universidade Estadual de Campinas, em Campinas (SP), e todos os participantes assinaram um termo de consentimento livre e esclarecido.

Os indivíduos eram considerados inaptos para o ISWT se apresentassem história de doença pulmonar ou cardíaca ou qualquer outro problema de saúde que pudesse impedi-los de realizar o ISWT. Um questionário padronizado foi aplicado a todos os participantes para garantir que não preenchiam nenhum dos critérios de exclusão.

Um medidor de pico de fluxo digital (Koko Peak Pro 6; Ferraris Cardiorespiratory PDS Healthcare Products Inc., Louisville, CO, EUA) foi usado para determinar o VEF1 e VEF6 antes do ISWT. A relação VEF1/VEF6 foi calculada pelo dispositivo e exibida na tela. Cada participante realizou pelo menos três manobras expiratórias forçadas após manobras inspiratórias máximas, e a melhor manobra foi escolhida automaticamente pelo medidor de pico de fluxo.

A FC e saturação de oxigênio em repouso foram determinadas com um oxímetro de pulso equipado com um sensor de dedo (Nonin Medical, Inc., Plymouth, MN, EUA). Caso o participante a ser testado estivesse usando esmalte nas unhas, o esmalte era removido antes do teste. A fim de garantir a precisão da medida da saturação de oxigênio, o investigador principal certificou-se de que o oxímetro de pulso mostrasse um sinal de pulso aceitável e que a luz do oxímetro estivesse verde e pulsando em sincronia com a FC antes do início dos testes.

O protocolo usado para o ISWT foi a versão de 12 níveis proposta por Singh et al.( 7 ) para a avaliação da capacidade funcional em pacientes com DPOC. Todos os participantes foram testados em condições padronizadas, pelo mesmo investigador. A pista de caminhada era plana e tinha 10 m de comprimento. Foi delimitada por dois cones posicionados dentro da pista, 0,5 m antes de cada extremidade, para evitar a necessidade de mudanças bruscas de direção. A velocidade com que os participantes caminharam foi ditada por um sinal de áudio reproduzido em um microcomputador portátil. Cada participante recebeu uma explicação padronizada ("você deve caminhar em ritmo constante, com o objetivo de virar sempre que ouvir o sinal; você deve continuar a caminhar até que sinta que não é mais capaz de manter a velocidade exigida"). No primeiro nível do teste, a velocidade de caminhada calculada foi 0,5 m/s, e o número de shuttles esperados eram 3; no décimo segundo nível, a velocidade de caminhada foi 2,37 m/s e esperavam-se 14 shuttles. Todos os indivíduos foram cuidadosamente observados durante o teste para que não excedessem seu limite de exercício.

A saturação de oxigênio também foi medida imediatamente após o final do ISWT. Para a análise dos dados, considerou-se dessaturação de oxigênio a diminuição ≥ 4% da saturação de oxigênio (SpO2) em relação ao valor basal (Î"sat = saturação de oxigênio em repouso – saturação de oxigênio imediatamente após o ISWT). Essa diminuição de 4% na saturação de oxigênio foi validada em estudos de hipoxemia induzida pelo exercício durante testes de esforço máximo em atletas.( 8 ) Considerou-se incremental shuttle walk distance (ISWD) máxima a distância máxima que os participantes foram capazes de percorre durante o ISWT.

Uma diminuição ≥ 4% na saturação de oxigênio foi usada para dividir a população estudada em dois grupos. O teste de Anderson-Darling foi aplicado às variáveis medidas e às características demográficas dos dois grupos para determinar sua distribuição. As variáveis cuja distribuição foi normal foram analisadas com o teste t de Student. As variáveis cuja distribuição não foi normal foram analisadas com o teste de Wilcoxon. Os dados categóricos foram comparados por meio do teste do qui-quadrado ou do teste exato de Fisher. A análise estatística foi realizada com o programa SAS, versão 8 (SAS Institute, Inc., Cary, NC, EUA). As diferenças foram consideradas significantes quando p < 0,05.

Resultados

Oitenta e três indivíduos que frequentavam uma academia de ginástica em Campinas (SP) foram convidados a participar do estudo e aceitaram o convite. Dos 83 participantes, 55 eram do sexo masculino e 28 eram do sexo feminino. Apenas 1 era fumante. A média de idade foi de 35,05 ± 12,53 anos, e a mediana foi 32 anos. A média do índice de massa corporal (IMC) foi de 24,30 ± 3,47 kg/m2, e a mediana foi 24,5 kg/m2. A média da FC em repouso foi de 75,12 ± 12,48 bpm, e a mediana foi 73 bpm. A média da SpO2 em repouso foi de 97,96 ± 1,02%, e a mediana foi 98%. A média do VEF1 foi de 3,75 ± 0,81 L, e a mediana foi 3,65 L. A média do VEF6 foi de 4,45 ± 0,87 L, e a mediana foi 4,38 L. A média da relação VEF1/VEF6 foi de 0,83 ± 0,08, e a mediana foi 0,82. Em todos os participantes, o VEF6 medido situou-se acima do limite inferior da CVF prevista (conforme se determinou por meio das equações desenvolvidas para a população brasileira), e todos apresentaram VEF1/VEF6 ≥ 0,8. Esses resultados permitem-nos supor que nenhum dos participantes tinha doença pulmonar restritiva ou obstrutiva (Tabela 1).

Tabela 1. Comparação dos dois grupos (com e sem dessaturação de oxigênio).a.

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A ISWD média foi de 958,30 ± 146,32 m, e a mediana foi 1.020 m. A média da FC pós-ISWT foi de 162,41 ± 18,24 bpm, e a mediana foi 166 bpm. A média da SpO2 pós-ISWT foi de 96,27 ± 2,21%. Em 11 participantes, os valores de saturação de oxigênio pós-ISWT foram maiores do que os valores basais. Em 17 participantes, a saturação de oxigênio diminuíra ≥ 4% ao final do teste. Em 2 participantes, a SpO2 foi < 92% (Tabela 2).

Tabela 2. Porcentagem de indivíduos que atingiram mais de 85% ou 85% ou menos da FC máxima prevista nos dois grupos.a.

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A população estudada foi dividida em dois grupos com base na presença de dessaturação de oxigênio ≥ 4% após o ISWT. Não foram encontradas diferenças entre os dois grupos quanto à idade, gênero, VEF1, VEF6, VEF1/VEF6, saturação de oxigênio inicial (SpO2 em repouso), ISWD, FC em repouso, FC após o ISWT e porcentagem da FC máxima (Tabela 1). O IMC foi significativamente maior naqueles que apresentaram dessaturação de oxigênio (p = 0,01), e houve diferença significativa entre os dois grupos no tocante à SpO2 após o ISWT (p < 0,0001).

Discussão

Em 66 participantes, os valores de saturação de oxigênio após o ISWT foram bastante semelhantes aos basais, um achado que era esperado por causa da intensidade do exercício realizado. Em 11 indivíduos, os valores da SpO2 após o ISWT foram maiores que os valores basais. Esse resultado não é incomum, uma vez que a atividade física melhora a ventilação e o recrutamento alveolar. No entanto, 17 (20,7%) dos 83 indivíduos da amostra estudada apresentaram queda significativa da saturação de oxigênio durante o ISWT (Î"sat ≥ 4%). Esse resultado foi inesperado, e há poucas informações na literatura sobre o que acontece com a saturação de oxigênio após o ISWT em indivíduos saudáveis.

A hipoxemia induzida pelo exercício em atletas é arbitrariamente definida como uma diminuição da PaO2 de aproximadamente 7,5 mmHg,( 7 ) SaO2 abaixo de 95% ou ambas; casos extremos apresentam SaO2 < 88%.( 9 ) O consumo de oxigênio aumenta durante o exercício para satisfazer às necessidades impostas pelo aumento da taxa metabólica e correlaciona-se com a intensidade do trabalho até que todos os indivíduos alcancem o consumo máximo de oxigênio.( 10 ) Cada etapa do transporte de oxigênio do ar ambiente para as células pode limitar o consumo de oxigênio do corpo todo, e a circulação foi considerada o mais importante fator que limita o consumo máximo de oxigênio durante o exercício que envolve grande massa muscular.

A diminuição da PaO2 e SaO2 é bastante comum durante o teste de esforço máximo em remoergômetro.( 11 ) Nesses indivíduos, o débito cardíaco pode exceder 30 L/min; nessas circunstâncias, a capacidade de renovar o ar alveolar e manter elevadas pressões parciais de oxigênio, a resistência de difusão ao oxigênio na membrana alveolocapilar, a redução do tempo de trânsito das hemácias no capilar pulmonar e o aumento da probabilidade de desequilíbrio entre a ventilação e a perfusão são extremamente importantes para o consumo de oxigênio.( 12 )

A prevalência de hipoxemia induzida pelo exercício parece ser elevada, chegando a 50%.( 13 ) A intensidade do exercício determina o grau de hipoxemia.( 14 ) A dessaturação de oxigênio é também mais pronunciada durante o exercício que envolve o corpo todo, como o remo ou a corrida, do que durante o exercício de membros inferiores, e o exercício de membros inferiores é mais capaz de induzir hipoxemia do que o exercício de membros superiores.( 14 ) Isso sugere que a quantidade de massa muscular envolvida no exercício influencia o surgimento de dessaturação de oxigênio.

Em 1984, Dempsey et al.( 15 ) estudaram a incidência de hipoxemia arterial induzida pelo exercício em 16 corredores saudáveis altamente treinados que eram capazes de atingir e manter taxas metabólicas muito altas, inclusive um consumo máximo de oxigênio de 72 ± 2 mL/kg. Os gases arteriais e o estado ácido-básico foram determinados a cada carga de um teste de esforço progressivo de curto prazo e repetidamente determinados durante a corrida em esteira rolante com carga constante. Foram encontrados três tipos de respostas, as quais foram bastante reprodutíveis dentre os indivíduos testados: quatro corredores mantiveram a PaO2 a 10 mmHg dos valores em repouso; outros quatro apresentaram redução de 10-15 mmHg na PaO2 e os demais oito corredores apresentaram PaO2 notavelmente diminuída. A redução da PaO2 variou de 21 mmHg a 35 mmHg; a PaO2 caiu para menos de 75 mmHg em todos os casos e para menos de 60 mmHg em dois casos. Durante o exercício com carga constante, a PaO2 frequentemente se manteve durante os 30 s iniciais, quando a hiperventilação foi maior; posteriormente, houve hipoxemia, cuja gravidade, na maioria dos casos, permaneceu igual ou piorou ao longo dos 3-4 min que se seguiram. A hipoxemia mais grave durante o exercício pesado associou-se a uma diferença entre a pressão parcial alveolar de oxigênio (estimada) e a PaO2 (medida) superior a 40 mmHg. A análise de todas as variáveis medidas durante a investigação levou os autores à hipótese de que a hipoxemia observada atribuía-se a uma limitação de difusão secundária a tempos muito curtos de trânsito de hemácias em pelo menos uma parte da circulação pulmonar; esses tempos de trânsito curtos podem ocorrer em altas taxas metabólicas. A respiração corrente durante o exercício pesado pode frequentemente exceder a curva fluxo-volume máxima, e a hiperventilação pode ser limitada pela carga mecânica sobre a parede torácica secundária a um aumento da impedância pulmonar, uma situação que também pode prejudicar a renovação do ar alveolar.

Embora tenha sido descrito como um teste incremental de campo de caminhada que produz desempenho máximo limitado por sintomas, o ISWT não pode ser comparado com os testes de esforço máximo citados acima. Não obstante, 17 voluntários saudáveis apresentaram dessaturação de oxigênio após o ISWT no presente estudo. A única diferença significativa entre os indivíduos que apresentaram dessaturação de oxigênio e os que não o fizeram foi o IMC, que foi maior naqueles. Esse resultado é consistente com a hipótese de que os pulmões, durante atividades físicas que fazem com que a FC chegue o mais próximo possível da FC máxima que se espera de determinado indivíduo, são incapazes de arterializar o sangue que flui rapidamente, especialmente em indivíduos cujas necessidades são ampliadas em virtude da massa corporal maior. Embora Durand et al.( 16 ) não tenham encontrado diferenças em altura, peso e volume pulmonar entre atletas que apresentaram dessaturação de oxigênio e aqueles que não o fizeram, pode-se argumentar que as porcentagens dessas variáveis são mais importantes do que seus valores absolutos.

Nossos resultados e os dados da literatura levam a uma possibilidade preocupante: a dessaturação de oxigênio durante a atividade aeróbica é provavelmente mais comum do que se pensava e pode representar uma ameaça sistematicamente negligenciada aos atletas de alto desempenho. Embora a ocorrência de dessaturação de oxigênio seja reconhecida em estudos que datam da segunda metade do século passado, nenhum desses estudos esmiuçou os potenciais efeitos nocivos de tais períodos de hipoxemia intermitente.

Não temos conhecimento de nenhum protocolo de avaliação para treinamento aeróbio de alto desempenho que inclua a determinação da dessaturação de oxigênio induzida pelo exercício. Como a morte súbita é relativamente comum em atletas, parece-nos justificável a investigação da dessaturação de oxigênio.

A morte súbita cardíaca (MSC) é considerada a principal causa de morte em atletas jovens. A verdadeira incidência de MSC é desconhecida e altamente subestimada. Os estudos nos quais se relatou a maior incidência estimaram a ocorrência de até 110 mortes por ano em atletas jovens, o que equivale a 1 morte a cada 3 dias nos Estados Unidos.( 17 ) As evidências disponíveis apontam para uma anormalidade estrutural cardíaca como causa básica de MSC. A cardiomiopatia hipertrófica e anomalias das artérias coronárias são responsáveis por aproximadamente 25% e 14%, respectivamente, de todas as MSC nos Estados Unidos.( 18 ) A displasia/cardiomiopatia arritmogênica ventricular direita é uma doença cardíaca caracterizada por necrose miocárdica seguida de substituição fibrogordurosa. Essas áreas miocárdicas alteradas constituem o substrato anatômico para circuitos de reentrada que propiciam o aparecimento de arritmias ventriculares.( 19 ) As arritmias ventriculares podem ser particularmente importantes no contexto do presente estudo. A dessaturação de oxigênio durante a atividade física intensa pode causar episódios repetidos de vasoconstrição pulmonar hipóxica e hipertensão pulmonar. As paredes do ventrículo direito podem sofrer durante esses episódios, a ponto de necrose miocárdica, e a substituição fibrogordurosa é a consequência esperada desse tipo de estresse.

Outra causa comum de MSC é a síndrome de Brugada,( 20 ) que se caracteriza por uma elevação do segmento ST nas derivações precordiais direitas no eletrocardiograma, seguida de uma onda T negativa. Estima-se que a prevalência mundial da síndrome de Brugada seja de 1-5 por 10.000 habitantes, embora seja maior no Sudeste Asiático.( 21 ) A síndrome de Brugada é tradicionalmente considerada uma doença cardíaca elétrica primária do miocárdio estruturalmente normal. No entanto, a ressonância magnética, a tomografia por emissão de pósitrons, e a avaliação anatomopatológica de fragmentos de biópsia identificaram anormalidades estruturais em muitos pacientes com diagnóstico de síndrome de Brugada, incluindo a substituição fibrogordurosa da parede livre do ventrículo direito e bloqueio fibrótico do ramo direito do feixe.

Está estabelecido na literatura que a síndrome de Brugada é resultado de uma mutação autossômica dominante do gene SCN5A no cromossomo 3, a qual resulta em anormalidade de perda de função do canal de sódio.( 22 ) Torna-se cada vez mais claro que a expressão gênica de canais iônicos é altamente dinâmica e pode responder a muitos estímulos ambientais.( 23 ) A hipoxemia é possivelmente um desses estímulos. Portanto, uma predisposição genética para arritmia cardíaca não impede a sobreposição de hipoxemia causando a morte súbita de jovens (atletas ou não).

Os dados do presente estudo e o conhecimento acumulado sobre a dessaturação de oxigênio durante a atividade física levantam a hipótese de que a hipoxemia durante o exercício pode ser perigosa e sugerem que é aconselhável incluir um teste de detecção de dessaturação de oxigênio nos protocolos de avaliação para atletas de resistência. Mais estudos são necessários a fim de explorar essa hipótese.

Em suma, em virtude da possibilidade de dessaturação de oxigênio em indivíduos saudáveis submetidos ao ISWT, o uso do ISWT para prever a presença de alterações respiratórias sutis não detectadas por testes submáximos como o TC6 pode ser enganador. A constatação de que a dessaturação de oxigênio é comum em indivíduos saudáveis submetidos ao ISWT soma-se ao conhecimento de que a dessaturação de oxigênio durante a atividade física intensa é muito comum e pode ter efeitos deletérios.

Footnotes

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Trabalho realizado na Universidade Estadual de Campinas, Campinas (SP) Brasil.

Apoio financeiro: Nenhum.

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