Skip to main content
Jornal Brasileiro de Pneumologia logoLink to Jornal Brasileiro de Pneumologia
. 2015 Jul-Aug;41(4):305–312. doi: 10.1590/S1806-37132015000004515
View full-text in Portuguese

Analysis of three different equations for predicting quadriceps femoris muscle strength in patients with COPD *

Aline Gonçalves Nellessen ¹, Leila Donária ¹, Nidia Aparecida Hernandes ¹, Fabio Pitta ¹
PMCID: PMC4635950  PMID: 26398750

Abstract

Objective:

To compare equations for predicting peak quadriceps femoris (QF) muscle force; to determine the agreement among the equations in identifying QF muscle weakness in COPD patients; and to assess the differences in characteristics among the groups of patients classified as having or not having QF muscle weakness by each equation.

Methods:

Fifty-six COPD patients underwent assessment of peak QF muscle force by dynamometry (maximal voluntary isometric contraction of knee extension). Predicted values were calculated with three equations: an age-height-weight-gender equation (Eq-AHWG); an age-weight-gender equation (Eq-AWG); and an age-fat-free mass-gender equation (Eq-AFFMG).

Results:

Comparison of the percentage of predicted values obtained with the three equations showed that the Eq-AHWG gave higher values than did the Eq-AWG and Eq-AFFMG, with no difference between the last two. The Eq-AHWG showed moderate agreement with the Eq-AWG and Eq-AFFMG, whereas the last two also showed moderate, albeit lower, agreement with each other. In the sample as a whole, QF muscle weakness (< 80% of predicted) was identified by the Eq-AHWG, Eq-AWG, and Eq-AFFMG in 59%, 68%, and 70% of the patients, respectively (p > 0.05). Age, fat-free mass, and body mass index are characteristics that differentiate between patients with and without QF muscle weakness.

Conclusions:

The three equations were statistically equivalent in classifying COPD patients as having or not having QF muscle weakness. However, the Eq-AHWG gave higher peak force values than did the Eq-AWG and the Eq-AFFMG, as well as showing greater agreement with the other equations.

Keywords: Pulmonary disease, chronic obstructive; Muscle strength; Quadriceps muscle; Reference values.

Introduction

Patients with COPD exhibit functional changes in the airways and lung parenchyma, such as a chronic increase in the respiratory tract inflammatory response, an increase in inflammatory cells throughout the lung tissue, and structural changes related to the injury and repair process.1 2 In addition to the functional changes, the disease is characterized by changes of a systemic nature, such as systemic inflammation and increased oxidative stress, nutritional changes (e.g., weight loss and wasting), and generalized skeletal muscle dysfunction. Muscle dysfunction also affects the respiratory muscles, especially the inspiratory muscles, both structurally and functionally.1 4

Peripheral muscle dysfunction can be defined as the loss of one of the two main properties of a muscle, which are the force-generating capacity and the endurance capacity.5 The dysfunction is characterized by muscle weakness, decreased muscle endurance, and fatigue.(3,6) It is of note that these three factors can be present simultaneously. The decline in lower limb muscle strength, especially in quadriceps femoral (QF) muscle strength, has been found to be two to four times faster in COPD patients than in healthy individuals.7

In severe/very severe COPD, QF muscle weakness is prevalent is approximately 50% of patients.8 This impairment has significant clinical consequences in this population,4 5 9 since it is associated with low exercise tolerance,10 reduced quality of life,11 increased use of health resources,12 and higher mortality risk.13

Therefore, it is of utmost importance to assess lower limb muscle strength and to identify muscle weakness. A relatively simple, inexpensive, and easy way to quantify QF muscle strength is to assess peak force during maximal voluntary isometric contraction, which can be done by dynamometry, including with the use of a hand-held dynamometer. 9 14 It is known that lower limb muscle strength is positively related to variables such as age and body weight, and that males have greater muscle strength than females.8 15 In order to take these variation factors (age, weight, gender) into consideration, it is necessary to have reference values for proper interpretation of peripheral muscle strength. However, there are no global reference values for peripheral muscle strength, and the differences among the prediction equations available have not been thoroughly explored in the scientific literature.

Taking all of the above into consideration, the objective of the present study was to compare three equations for predicting peak QF muscle force: one proposed by Neder et al.16; one proposed by Decramer et al.12; and one proposed by Seymour et al.8Other objectives of this study were to determine the agreement among the equations in identifying QF muscle weakness in COPD patients and to assess the differences in characteristics among the groups of patients classified as having or not having QF muscle weakness by each of the three equations.

Methods

This cross-sectional study included 56 COPD patients who were recruited during the initial assessment of a physical training program at the State University at Londrina University Hospital, Londrina, Brazil. The criteria for inclusion in the present study were as follows: having been clinically diagnosed with COPD in accordance with the Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease (GOLD) criteria1; being clinically stable, i.e., having had no infections or exacerbations in the previous 3 months; having no severe or unstable heart disease; having no neuromusculoskeletal changes that limited physical activities of daily living; and having had no physical training in the previous year. Patients would be excluded if they were unable to perform the tests proposed in the study.

The study was approved by the Research Ethics Committee of the State University at Londrina (Protocol no. 061/06). All participants gave written informed consent after explanation of the study procedures.

Pulmonary function was assessed with a Spirobank spirometer, version 3.6 (MIR, Rome, Italy), connected to a computer. Spirometry was performed in accordance with the American Thoracic Society/European Respiratory Society guidelines,17 with FEV1, FVC, FEV1/FVC ratio, and maximal voluntary ventilation being measured. The reference values used were those for the Brazilian population.18

Body composition was assessed with a bioelectrical impedance device (model 310, version 5.2; Biodynamics Corporation, Seattle, WA, USA), in accordance with the protocol described by Lukaski et al.19 The device allows the determination of percentage of body fat, total body fat weight, fat-free mass weight, total body water, percentage of fat-free mass, and basal metabolic rate. The reference values used were those of Kyle et al.20 for patients with chronic respiratory failure.

Peripheral muscle strength, represented by peak isometric force of the knee extensor muscles, was assessed with the MicroFET 2 hand-held dynamometer (Hoggan Health Industries, West Jordan, UT, USA), high threshold setting.21 The hand-held dynamometer was attached to a multi-station unit (CRW 1000; Embreex, Brusque, Brazil), and assessment occurred at a knee joint angle of 60º, since this is the angle at which the QF muscle produces the greatest muscle force, i.e., the angle at which the greatest torque is produced by the muscle.(22,23) Patients were seated with their hips flexed at 90º, their backs supported and upright, and their hands resting on their laps (thighs; Figure 1).7 Assessment consisted of maximal voluntary isometric contraction of the QF (knee extension) for six seconds. A minimum of four and a maximum of ten measurements were conducted per lower limb assessed. The purpose of this variation in the number of measurements was to ensure that the value of the last measurement was not the highest during the test and that the three highest values differed by less than 5%. The highest value was considered for analysis.7 The test was conducted by a trained examiner, who, during the maneuver, provided standardized strong verbal encouragement to patients in order to motivate them to maintain maximal effort throughout muscle contraction. The reference values used were those of Neder et al.16-values derived from a sample of the Brazilian population-Decramer et al.12-values derived from a sample of the Belgian population (II)-and Seymour et al.8-values derived from a sample of the UK population (III). Patients were classified as having QF muscle weakness (< 80% of predicted) or as not having QF muscle weakness (≥ 80% of predicted) on the basis of the percentage of predicted values obtained with each formula.24 The prediction equations are as follows:

Figure 1. Assessment of peak quadriceps femoris muscle force by measuring maximal voluntary isometric contraction of knee extension-hand-held dynamometer (MicroFET 2; Hoggan Health Industries, West Jordan, UT, USA) attached to the arm of the knee extension chair of a multi-station unit and positioned above the ankle joint of the patient's dominant limb.

Figure 1

−1.53 × age + 133 × h + 0.75 × weight + 34.44 × gender − 66.44 (I)

where age is in years, height (h) is in m, weight is in kg, and gender is 1 = male, 0 = female.

−2.21 × age + 1.78 × weight + 55.9 × gender + 124 (II)

where age is in years, weight is in kg, and gender is 1 = male, 0 = female.

56.2 − 0.30 × age + 0.68 × fat-free mass − 0.15 × h − 3.42 (if female) (III)

where age is in years, fat-free mass is in kg, and height (h) is in cm.

Statistical analysis

Normality of data distribution was assessed using the Shapiro-Wilk test. Continuous variables that were normally distributed are expressed as mean and standard deviation, and otherwise as median and interquartile range (25-75% percentile). Categorical variables are expressed as n (%).

The Friedman test with Dunn's post-test was used to compare the mean percentage of the predicted values obtained with the three equations used in the present study, whereas the chi-square test was used to compare the proportions of patients classified as having or not having QF muscle weakness by each of the three equations. An unpaired Student's t-test or Mann-Whitney test and the chi-square test (categorical variables) were used to compare characteristics among the groups of patients classified as having or not having QF muscle weakness by each of the three prediction equations. The correlation between age and the absolute and percentage of predicted values for peripheral muscle strength was tested using Pearson's or Spearman's correlation coefficients. The degree of agreement among the equations was determined using pairwise kappa statistics.25 The level of statistical significance was set at p < 0.05 for all tests. The Statistical Package for the Social Sciences, version 20.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA), and the GraphPad Prism software, version 6 (GraphPad Software Inc., La Jolla, CA, USA), were used for statistical analysis and graphic plotting.

Results

Table 1 describes the general characteristics of the patients included in the sample (n = 56). There were no exclusions. In general, the sample was characterized by moderate to very severe airway obstruction, a mean age of 66 ± 9 years, and low percentage of predicted values for fat-free mass.

Table 1. General characteristics of the sample.a .

Characteristic (N = 56)
Gender, M/F 33/23
Age, years 66 ± 9
BMI, kg.m−2 26 [20-30]
Fat-free mass, kg 45 ± 10
Fat-free mass, % of predicted 66 ± 10
FEV1 , L 1.0 [0.8-1.5]
FEV1, % of predicted 44 ± 17
FVC, L 2.2 [1.6-2.7]
FVC, % of predicted 66 ± 15
FEV1/FVC, % 51 [39-67]
GOLD, I/II/III/IV 1/20/23/12
Peak QF muscle force, N m 89 ± 29
Peak QF muscle force, kg 29 ± 10

M: males; F: females; BMI: body mass index; GOLD: Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease; QF: quadriceps femoris; and N m: Newton-meter. aData expressed as absolute values, mean ± SD, or median [interquartile range], depending on the normality of data distribution.

As expected, patients classified as not having QF muscle weakness by each of the three equations used in the present study had higher peak force values, in Newton-meter (N m) and in kg, than did those classified as having QF muscle weakness (Table 2). Patients identified with QF muscle weakness by the equations of Neder et al.16 and Decramer et al.12 were younger compared with those identified without it. Age did not correlate with the absolute values for QF muscle strength (r = −0.06, p = 0.7 for N m; and r = −0.07, p = 0.6 for kg) and correlated weakly with the percentage of predicted values obtained with the equations of Neder et al.16 and Decramer et al.12 (r = 0.32, p = 0.02; and r = 0.38, p = 0.004, respectively). Patients identified with QF muscle weakness by the equation of Decramer et al.12 had a body mass index (BMI) classified as overweight and lower percentage of predicted values for fat-free mass.

Table 2. Comparison of the characteristics of the groups of patients classified as having or not having quadriceps femoris muscle weakness by each of the three prediction equations used in the present study.a .

Characteristic Equation of Neder et al.16 Equation of Decramer et al.12 Equation of Seymour et al.8
< 80% of predicted ≥ 80% of predicted < 80% of predicted ≥ 80% of predicted < 80% of predicted ≥ 80% of predicted
(n = 33) (n = 23) (n = 38) (n = 18) (n = 41) (n = 15)
Gender, M/F 19/14 14/9 24/14 9/9 21/20 12/3
Age, years 64 ± 7 70 ± 9* 64 ± 8 70 ± 9* 65 ± 8 68 ± 10
BMI, kg.m−2 24 [20-30] 26 [21-30] 27 [20-32] 22 [19-26]* 26 [20-30] 23 [19-29]
FFM, kg 45 ± 10 45 ± 9 47 ± 10 41 ± 8* 44 ± 10 47 ± 9
FFM, % of predicted 66 ± 11 66 ± 9 64 ± 10 70 ± 10* 63 [57-75] 67 [62-76]
FEV1, L 1.1 [0.8-1.5] 1.1 [0.8-1.5] 1.1 [0.8-1.5] 1.0 [0.7-1.5] 1.1 [0.8-1.5] 1.2 [0.9-1.7]
FEV1, % of predicted 42 ± 15 48 ± 20 44 ± 17 47 ± 18 44 ± 16 47 ± 20
FVC, L 2 [1.6-3.0] 2.1 [1.6-2.7] 2.1 [1.7-2.8] 2.3 [1.6-2.7] 2.1 [1.6-2.7] 2.4 [2.0-3.4]
FVC, % of predicted 67 ± 16 67 ± 15 67 ± 16 66 ± 14 66 ± 15 68 ± 16
FEV1/FVC, % 50 [39-63] 64 [40-69] 51 [38-67] 59 [44-67] 52 ± 14 53 ± 17
GOLD, I/II/III/IV 0/10/15/8 1/10/8/4 0/14/14/10 1/6/9/2 0/14/18/9 1/6/5/3
Peak QF muscle force, N m 76 ± 23 107 ± 27* 83 ± 25 100 ± 34* 76 ± 21 121 ± 20*
Peak QF muscle force, kg 25 ± 8 35 ± 9* 27 ± 8 33 ± 11* 25 ± 7 40 ± 7*

M: males; F: females; BMI: body mass index; FFM: fat-free mass; GOLD: Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease; QF: quadriceps femoris; and N m: Newton-meter. aData expressed as absolute numbers, mean ± SD, or median [interquartile range], depending on the normality of data distribution. *p ≤ 0.05 vs. < 80% of predicted.

Pulmonary function (FEV1 in L) did not correlate with the percentage of predicted values obtained with the equations of Neder et al.,16Decramer et al.,12 or Seymour et al.8 (r = 0.05, p = 0.7; r = −0.12, p = 0.3; and r = 0.29, p = 0.03, respectively), but correlated moderately with the absolute values for QF muscle strength (r = 0.50, p < 0.001 for N m; and r = 0.50, p < 0.001 for kg).

The proportion of patients identified with QF muscle weakness (< 80% of predicted) by the equations of Neder et al.,16 Decramer et al.,12 and Seymour et al.8 was 59%, 68%, and 70%, respectively, with no statistically significant difference (Figure 2). However, comparison of the percentage of predicted values for peak force obtained by each of the three equations showed that the equation of Neder et al.16 gave higher values than did the equations of Decramer et al.12 and Seymour et al.8 (75 [63-90] % of predicted vs. 69 [56-86] % of predicted and 67 [57-86] % of predicted, respectively; p = 0.002). The percentage of predicted values for peak force obtained by the equation of Decramer et al.12 and those obtained by the equation of Seymour et al.8 were not statistically significantly different (Figure 3).

Figure 2. Comparison of the number of patients identified with and without quadriceps femoris muscle weakness by each of the three prediction equations used in the present study.

Figure 2

Figure 3. Comparison of the percentage of predicted values for peak quadriceps femoris muscle force obtained with each of the three prediction equations used in the present study. *p < 0.002.

Figure 3

The equation of Neder et al.16 showed moderate agreement with the equations of Decramer et al.12 and Seymour et al.8 (kappa = 0.66, 95% CI: 0.42-0.82; and kappa = 0.62, 95% CI: 0.41-0.83, respectively). The equations of Decramer et al.12 and Seymour et al.8 also showed moderate, albeit lower, agreement with each other (kappa = 0.52, 95% CI: 0.28-0.76).

Discussion

The present study showed that the three equations studied-those of Neder et al.,16 Decramer et al.,12 and Seymour et al.8-were similar in classifying COPD patients as having or not having QF muscle weakness (< 80% of predicted and ≥ 80% of predicted, respectively). However, the prediction equation of Neder et al.16 gave higher percentage of predicted values for peak force than did the other two equations, as well as showing greater agreement with them.

The equation proposed by Neder et al.16 was derived in a study involving 96 healthy Brazilian individuals of a wide range of ages (20 to 80 years), with 15 of those 96, who had been randomly selected, being studied in each age group. Muscle strength was assessed with an isokinetic dynamometer, with the unit of measurement being N m. Regression analysis using this equation yields a high coefficient of determination, which explains 81% of the total variance, and the equation uses simple variables such as gender, age, height, and weight, all of which are considered to be simple, low-cost measures that can be assessed in clinical settings.

The equation proposed by Seymour et al.8 takes gender, age, height, and fat-free mass into consideration, which hinders its use in clinical practice because it requires the estimation of fat-free body mass (by bioelectrical impedance or dual-energy X-ray absorptiometry). The development of this equation involved the measurement of peripheral muscle strength in 212 healthy individuals between 40 and 90 years of age by using a load cell, with the unit of measurement being kg. The age range of the sample is narrower; however, the applicability of the equation to COPD patients is appropriate, since most COPD patients are in this age group.26 Regression analysis using this equation yields a modest coefficient of determination, which explains 50% of the total variance.

The equation proposed by Decramer et al.12 takes gender, age, and weight into consideration, and the unit of measurement is N m. There is little information of how this equation was derived. Data such as the number of individuals in the derivation sample, the age range of the sample, and the value of the coefficient of determination are missing, and this hinders the understanding of the applicability of the equation. The authors of that study were contacted to provide the missing data, but there was no reply.

In the present study, we found that the percentage of patients classified as having QF muscle weakness ranged from 59% to 70%; in contrast, the literature shows that the proportion of patients with COPD that is more severe-a population similar to that included in the present study-who have muscle weakness is approximately 50%.(7,8,15) However, there is no well-established cut-off point for determining QF muscle weakness, and not even the most updated guidelines on peripheral muscle dysfunction in COPD patients9 recommend a cut-off point for presence or absence of muscle weakness. The lack of definition of what characterizes the presence of muscle weakness possibly explains this difference. In their study, Seymour et al.8 used another cut-off point for presence or absence of muscle weakness, but the unit of measurement used was kg, which makes their cut-off point unsuitable for the present study, since the other equations analyzed use N m as the unit of measurement. Patients classified as having QF muscle weakness in the present study were similar to those classified as not having it in terms of airway obstruction, GOLD1 classification, and gender. Seymour et al.8 stated that there was no difference in the proportion of patients classified as having muscle weakness between males and females or among GOLD disease severity categories.

In the present study, the equation of Neder et al.16 gave higher percentage of predicted values for peak force than did the other two equations. There are clear indications that Brazilian patients with COPD perform better on the six-minute walk test and have a higher level of physical activity in their daily lives than do patients in Europe(27,28) and even in Latin America.29 In addition, QF muscle strength is known to be a determinant of performance on the six-minute walk test,10 as well as correlating moderately with the level of daily physical activity.12 One can then hypothesize that QF muscle strength would also be greater in Brazilian patients than in other populations. These factors can explain why the equation of Neder et al.,16 derived from Brazilian individuals, gave higher values in the present sample and therefore appears to be more applicable to the Brazilian population than do the equations derived from populations in other countries. This hypothesis merits further investigation; however, it is known that the reference values to be used for comparison should ideally have been derived from a population as similar as possible to the study population.30 The present study appears to corroborate this concept, indicating that equation of Neder et al.16 is the most applicable to the Brazilian population. Further studies involving other populations, such as those from which the other two equations were derived, i.e., the UK and Belgian populations, are needed to confirm that.

One possible explanation for the fact that patients classified as not having QF muscle weakness by the equations of Neder et al.16 and Decramer et al.12 were older is that, in the three equations analyzed, the multiplicative coefficient for age is negative, being lower in the equations of Neder et al.16 and Decramer et al.12 In other words, these equations predict that increasing age translates into lower muscle strength. Another factor that may explain this finding is that, although age did not correlate with the absolute values for QF muscle strength in the patients of the present study, it showed a moderate positive correlation with the percentage of predicted values obtained with the equations of Neder et al.16 and Decramer et al.12 It is of note that, in addition to having a higher BMI, patients identified with QF muscle weakness had lower fat-free mass compared with those identified without it. This is consistent with literature results that show that fat-free mass is related to lower limb muscle strength.31

One limitation of the present study is that the sample included only one patient with mild COPD, which can affect the generalizability of the results to this subgroup. However, patients with mild disease were not the target of this investigation, since the possibility of QF muscle dysfunction in this subgroup is lower, although it exists. Another limitation is that peak force was determined by hand-held dynamometry rather than by methods of electrical stimulation of involuntary muscle contraction or computerized dynamometry. Nevertheless, the method employed in the present study involved the use of a hand-held dynamometer "attached" to an assessment chair in order to simulate the position and method of measurement of a maximal voluntary contraction performed in computerized dynamometry. This method has been shown to correlate strongly with the gold standard and is highly reproducible,32 as well as not affecting the measurement accuracy significantly.33 Finally, it was not feasible to calculate the sensitivity and specificity of each of the three equations analyzed, since there was no gold standard (or reference) method for determining the presence of muscle weakness against which to compare the equations in the present study.

The main clinical implication of the results of the present study is that they point out to physical therapists which of the equations analyzed is the best for identifying the presence or absence of QF muscle weakness in Brazilian patients with COPD, facilitating clinical practice to these professionals. The identification of muscle weakness in these patients helps physical therapists to establish the best treatment plan on a case-by-case basis.

We conclude that the three equations were statistically equivalent in classifying COPD patients as having or not having QF muscle weakness. Patients identified with QF muscle weakness by the equations of Neder et al.16 and Decramer et al.12 were younger, and patients classified as having QF muscle weakness by the equation of Decramer et al.12 had lower percentage of predicted values for fat-free mass and a higher BMI. The prediction equation of Neder et al.16 gave higher percentage of predicted values for peak force than did the other two, as well as showing greater agreement with them. These results support the recommendation that, whenever it is available (such as in Brazil), a prediction equation derived from a population as similar as possible to the target population be used.

Footnotes

Financial support: None.

*

Study carried out at the Laboratório de Pesquisa em Fisioterapia Pulmonar, Departamento de Fisioterapia, Universidade Estadual de Londrina, Londrina (PR) Brasil.

References

J Bras Pneumol. 2015 Jul-Aug;41(4):305–312. [Article in Portuguese]

Análise de três diferentes fórmulas de predição de força muscular do quadríceps femoral em pacientes com DPOC *

Aline Gonçalves Nellessen ¹, Leila Donária ¹, Nidia Aparecida Hernandes ¹, Fabio Pitta ¹

Resumo

Objetivo:

Comparar diferentes fórmulas de predição do pico de força muscular do quadríceps femoral (QF); investigar a concordância entre elas para identificar fraqueza muscular de QF em pacientes com DPOC; e verificar as diferenças nas características nos grupos de pacientes classificados com presença ou ausência dessa fraqueza de acordo com cada fórmula.

Métodos:

Cinquenta e seis pacientes com DPOC foram avaliados quanto ao pico de força muscular do QF por dinamometria (contração isométrica voluntária máxima de extensão de joelho). Os valores preditos foram calculados com três fórmulas: uma fórmula composta por idade-altura-peso-gênero (F-IAPG); uma por idade-peso-gênero (F-IPG); e uma por idade-massa magra-gênero (F-IMMG).

Resultados:

A comparação da porcentagem do predito obtida pelas fórmulas mostrou a F-IAPG com maiores valores do que os valores de F-IPG e F-IMMG, sem diferença entre as duas últimas. A F-IAPG apresentou concordância moderada com F-IPG e F-IMMG, enquanto essas últimas também apresentaram concordância moderada, mas menor, entre si. Do total de pacientes, a fraqueza muscular de QF (< 80% do predito) foi identificada por F-IAPG, F-IPG e F-IMMG em 59%, 68% e 70% dos pacientes, respectivamente (p > 0,05). Idade, massa magra e índice de massa corpórea são características que diferenciam pacientes com e sem fraqueza muscular de QF.

Conclusões:

As três fórmulas foram estatisticamente equivalentes para classificar pacientes com DPOC como portadores ou não de fraqueza muscular de QF. Entretanto, a F-IAPG apresentou maiores valores de pico de força do que F-IPG e F-IMMG, assim como maior concordância com as outras fórmulas.

Descritores: Doença pulmonar obstrutiva crônica, Força muscular, Músculo quadríceps, Valores de referência

Introdução

Pacientes com DPOC apresentam alterações funcionais das vias aéreas e também do parênquima pulmonar, como aumento crônico da resposta inflamatória do trato respiratório, aumento de células inflamatórias em todo o tecido pulmonar e alterações estruturais relacionadas ao processo de injúria e reparação.1 2 Além das alterações pulmonares, a doença se caracteriza também por alterações de caráter sistêmico, como inflamação sistêmica e estresse oxidativo aumentado, alterações nutricionais, como perda de peso e caquexia, e disfunção generalizada dos músculos esqueléticos. A disfunção muscular também afeta os músculos respiratórios, principalmente os inspiratórios, tanto em termos estruturais quanto funcionais.1 4

A disfunção muscular periférica pode ser definida como a perda de uma das duas principais propriedades do músculo, que são a capacidade de gerar força e a capacidade de endurance (ou resistência).5 A disfunção é representada por fraqueza muscular, redução da resistência muscular e presença de fadiga.3 6 Destaca-se que esses três fatores podem estar presentes simultaneamente. O declínio da força muscular dos membros inferiores, principalmente do músculo quadríceps femoral (QF), mostrou-se de duas a quatro vezes mais rápido em pacientes com DPOC do que em indivíduos saudáveis.7

A fraqueza muscular de QF na DPOC grave/muito grave é prevalente em cerca de 50% dos pacientes.8 Esse comprometimento traz consequências clínicas importantes para essa população,4 5 9 uma vez que está associado com baixa tolerância ao exercício,10 redução na qualidade de vida,11 maior utilização dos recursos de saúde12 e maior risco de mortalidade.13

Por esses motivos, é de suma importância avaliar a força muscular dos membros inferiores e identificar a presença de fraqueza muscular. Uma forma relativamente simples, de baixo custo e de fácil aplicação para quantificar a força muscular do QF é a avaliação do pico de força durante a contração isométrica voluntária máxima, que pode ser realizada por meio de dinamometria, inclusive com dinamômetro portátil.(9,14) Sabe-se que a força muscular de membros inferiores está positivamente relacionada a variáveis como idade e peso corporal, e que homens apresentam uma maior força muscular quando comparados às mulheres.(8,15) Para que se leve em consideração esses fatores de variação (idade, peso, gênero), faz-se necessário ter valores de referência (ou de normalidade) para se interpretar adequadamente a força muscular periférica. Porém, não há valores de referência universais para força muscular periférica, e a diferença entre as fórmulas de predição disponíveis não foi explorada em profundidade na literatura científica.

Levando essas informações em consideração, o objetivo do presente estudo foi comparar três diferentes fórmulas de predição do pico de força muscular do QF, as quais foram propostas por Neder et al.,16 Decramer et al.12 e Seymour et al.8 Objetivou-se também investigar a concordância entre elas para identificar fraqueza muscular de QF em pacientes com DPOC; e verificar as diferenças nas características dos pacientes classificados com presença ou ausência dessa fraqueza de acordo com as três fórmulas.

Métodos

Em um estudo transversal, foram incluídos 56 pacientes com DPOC recrutados durante a avaliação inicial de um programa de treinamento físico no Hospital Universitário da Universidade Estadual de Londrina, Londrina, PR, Brasil. Os critérios de inclusão para o presente estudo foram: diagnóstico clínico de DPOC, estabelecido conforme os critérios da Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease (GOLD)1; estabilidade clínica, sem infecções e exacerbações nos últimos 3 meses; ausência de doença cardíaca severa e/ou instável; ausência de alterações osteoneuromusculares que limitassem as atividades físicas na vida diária; e não ter realizado treinamento físico no último ano. Os pacientes seriam excluídos caso não conseguissem realizar os testes propostos no estudo.

O estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa da Universidade Estadual de Londrina (nº 061/06). Todos os pacientes foram informados com relação aos procedimentos e assinaram um termo de consentimento livre e esclarecido antes de sua participação no estudo.

A avaliação da função pulmonar (espirometria) foi realizada utilizando-se o espirômetro Spirobank, versão 3.6 (MIR, Roma, Itália), acoplado a um microcomputador. A técnica foi realizada de acordo com as diretrizes da American Thoracic Society/European Respiratory Society,17 com aferição de VEF1, CVF, índice VEF1/CVF e ventilação voluntária máxima. Os valores de normalidade utilizados são os referentes à população brasileira.18

Os pacientes foram submetidos à avaliação da composição corporal por meio de um aparelho de bioimpedância elétrica (modelo 310, versão 5.2; Biodynamics Corporation, Seattle, WA, EUA). O teste foi realizado de acordo com o protocolo descrito por Lukaski et al.19 O aparelho fornece como desfechos o percentual de gordura corporal, o peso de gordura total, o peso de massa magra, o total de água corporal, a porcentagem da massa magra e a taxa metabólica basal. Os valores de referência utilizados foram os descritos por Kyle et al.20 e são específicos para pacientes com insuficiência respiratória crônica.

A força muscular periférica, representada pelo pico de força muscular isométrica de extensores de joelho, foi avaliada por meio do dinamômetro portátil MicroFET 2 (Hoggan Health Industries, West Jordan, UT, EUA), modo High Threshold.21 O dinamômetro portátil foi fixado a um aparelho multiestação (CRW 1000; Embreex, Brusque, Brasil), com fixação do ângulo de avaliação em 60º de flexão de joelho, pois esse é o ângulo articular em que o músculo QF desenvolve a maior força muscular, ou seja, ângulo no qual o maior torque é desenvolvido pelo músculo.(22,23) O paciente foi posicionado sentado, com apoio para as costas, postura ereta, 90º de flexão de quadril e mãos sobre os respectivos membros inferiores (coxa; Figura 1).7 A avaliação foi composta por contração isométrica voluntária máxima de QF (extensão de joelho) com duração de seis segundos. Foram realizadas no mínimo quatro e no máximo dez medidas de cada membro inferior avaliado. Essa variação de número de medidas ocorreu para que a última medida não fosse a de maior valor durante o teste e para que os três valores mais altos diferissem em menos de 5%. Para análise foi considerado o maior valor.7 O teste foi realizado por um avaliador devidamente treinado, com encorajamento verbal padronizado e vigoroso durante a manobra, com o objetivo de estimular o paciente a desempenhar um esforço máximo durante todo o tempo de contração muscular. Os valores de referência aplicados foram os propostos por Neder et al.16 - valores desenvolvidos com uma população brasileira (I) - Decramer et al.12 - população belga (II) - e Seymour et al.8 - população inglesa (III). Os pacientes foram classificados como tendo presença de fraqueza (< 80% do predito) ou ausência de fraqueza (≥ 80% do predito), de acordo com a porcentagem do predito de cada fórmula.24 As fórmulas de predição são as seguintes:

Figura 1. Avaliação do pico de força do músculo quadríceps femoral por meio da técnica de contração isométrica voluntária máxima da extensão do joelho - dinamômetro portátil (MicroFET 2; Hoggan Health Industries, West Jordan, UT, EUA) fixado ao braço do banco extensor de joelho do aparelho multiestação e posicionado superiormente à articulação do tornozelo do membro dominante do paciente.

Figura 1

−1,53 × idade + 133 × h + 0,75 × peso + 34,44 × gênero − 66,44 (I)

sendo idade em anos, altura (h) em m, peso em kg e gênero (homem = 1, mulher = 0).

−2,21 × idade + 1,78 × peso + 55,9 × gênero + 124 (II)

sendo idade em anos, peso em kg e gênero (homem = 1, mulher = 0).

56,2 − 0,30 × idade + 0,68 × massa magra − 0,15 × h − 3,42 (se mulher) (III)

sendo idade em anos, massa magra em kg e altura (h) em cm.

Análise estatística

Para a análise da normalidade na distribuição dos dados foi utilizado o teste de Shapiro-Wilk. As variáveis que apresentaram distribuição normal foram expressas em média e desvio padrão; caso contrário, expressas em mediana e intervalo interquartil (25-75%). As variáveis categóricas foram expressas em frequência absoluta e relativa.

Para comparar a média da porcentagem do predito das três fórmulas foi utilizado o teste de Friedman com pós-teste de Dunn, enquanto o teste de qui-quadrado foi utilizado para comparar as proporções de pacientes classificados como com presença ou ausência de fraqueza muscular de QF de acordo com as três diferentes fórmulas. Os testes t de Student não pareado ou Mann-Whitney e o teste de qui-quadrado (variáveis categóricas) foram utilizados para realizar a comparação das características dos pacientes classificados como tendo ou não fraqueza muscular de QF de acordo com as três fórmulas de predição. Para verificar a correlação entre a idade e a força muscular periférica, tanto em valores absolutos quanto em porcentagem do predito, foram utilizados os coeficientes de correlação de Pearson ou Spearman. Para verificar o grau de concordância entre as fórmulas foi utilizado o coeficiente de kappa (par a par).25 O nível de significância estatística utilizado para todos os testes foi de p < 0,05. Os softwares utilizados para a análise estatística e disposição gráfica foram o Statistical Package for the Social Sciences, versão 20.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, EUA) e o GraphPad Prism, versão 6 (GraphPad Software Inc., La Jolla, CA, EUA).

Resultados

A Tabela 1 descreve as características gerais dos pacientes incluídos na amostra (n = 56). Não ocorreram exclusões. Em geral, a amostra foi caracterizada por obstrução moderada a muito grave das vias aéreas, idade de 66 ± 9 anos e baixa porcentagem dos valores preditos de massa magra.

Tabela 1. Características gerais da amostra.a .

Características (N = 56)
Gênero, H/M 33/23
Idade, anos 66 ± 9
IMC, kg.m−2 26 [20-30]
Massa magra, kg 45 ± 10
Massa magra, % do predito 66 ± 10
VEF1 , L 1,0 [0,8-1,5]
VEF1, % do predito 44 ± 17
CVF,L 2,2 [1,6-2,7]
CVF, % do predito 66 ± 15
VEF1/CVF, % 51 [39-67]
GOLD, I/II/III/IV 1/20/23/12
PF do músculo QF, N m 89 ± 29
PF do músculo QF, kg 29 ± 10

H: homens; M: mulheres; IMC: índice de massa corpórea; GOLD: Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease; PF: pico de força; QF: quadríceps femoral; e N m: Newton-metro. aDados apresentados em frequência absoluta, média ± dp ou mediana [intervalo interquartil], a depender da normalidade na distribuição dos mesmos.

Como esperado, os pacientes classificados como não tendo fraqueza muscular de QF de acordo com as três fórmulas tinham pico de força mais alto do que pacientes classificados com presença de fraqueza, tanto em Newton-metro (N m) quanto em kg (Tabela 2). Os pacientes que apresentavam fraqueza muscular de QF pelas fórmulas de Neder et al.16 e Decramer et al.12 tinham menor idade quando comparados aos pacientes sem fraqueza. A idade não apresentou correlação com a força muscular de QF em valores absolutos (r = −0,06, p = 0,7 para N m; e r = −0,07, p = 0,6 para kg) e apresentou correlação fraca com a porcentagem do predito das fórmulas de Neder et al.16 e Decramer et al.12 (r = 0,32, p = 0,02; e r = 0,38, p = 0,004, respectivamente). Os pacientes classificados com presença de fraqueza muscular de QF pela fórmula de Decramer et al.12 apresentaram índice de massa corporal (IMC) caracterizado como sobrepeso e menor massa magra em porcentagem dos valores preditos.

Tabela 2. Comparação entre as características dos pacientes classificados como tendo ou não fraqueza muscular de quadríceps femoral pelas três fórmulas.a .

Características Neder et al.16 Decramer et al.12 Seymour et al.8
< 80% do predito ≥ 80% do predito < 80% do predito ≥ 80% do predito < 80% do predito ≥ 80% do predito
(n = 33) (n = 23) (n = 38) (n = 18) (n = 41) (n = 15)
Gênero, H/M 19/14 14/9 24/14 9/9 21/20 12/3
Idade, anos 64 ± 7 70 ± 9* 64 ± 8 70 ± 9* 65 ± 8 68 ± 10
IMC, kg.m−2 24 [20-30] 26 [21-30] 27 [20-32] 22 [19-26]* 26 [20-30] 23 [19-29]
MM, kg 45 ± 10 45 ± 9 47 ± 10 41 ± 8* 44 ± 10 47 ± 9
MM, % do predito 66 ± 11 66 ± 9 64 ± 10 70 ± 10* 63 [57-75] 67 [62-76]
VEF1, L 1,1 [0,8-1,5] 1,1 [0,8-1,5] 1,1 [0,8-1,5] 1,0 [0,7-1,5] 1,1 [0,8-1,5] 1,2 [0,9-1,7]
VEF1, % do predito 42 ± 15 48 ± 20 44 ± 17 47 ± 18 44 ± 16 47 ± 20
CVF,L 2 [1,6-3,0] 2,1 [1,6-2,7] 2,1 [1,7-2,8] 2,3 [1,6-2,7] 2,1 [1,6-2,7] 2,4 [2,0-3,4]
CVF, % do predito 67 ± 16 67 ± 15 67 ± 16 66 ± 14 66 ± 15 68 ± 16
VEF1/CVF, % 50 [39-63] 64 [40-69] 51 [38-67] 59 [44-67] 52 ± 14 53 ± 17
GOLD, I/II/III/IV 0/10/15/8 1/10/8/4 0/14/14/10 1/6/9/2 0/14/18/9 1/6/5/3
PF do músculo QF, N m 76 ± 23 107 ± 27* 83 ± 25 100 ± 34* 76 ± 21 121 ± 20*
PF do músculo QF, kg 25 ± 8 35 ± 9* 27 ± 8 33 ± 11* 25 ± 7 40 ± 7*

H: homens; M: mulheres; IMC: índice de massa corporal; MM: massa magra; GOLD: Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease; PF: pico de força; QF: quadríceps femoral; e N m: Newton-metro. aDados apresentados em frequência absoluta, média ± dp ou mediana [intervalo interquartil], a depender da normalidade na distribuição dos mesmos. *p ≤ 0,05 vs. < 80% do predito.

A função pulmonar (VEF1 em L) não apresentou correlação com a porcentagem do predito das fórmulas de Neder et al.,16Decramer et al.12 e Seymour et al.8 (r = 0,05, p = 0,7; r = −0,12, p = 0,3; e r = 0,29, p = 0,03, respectivamente); porém, houve correlação moderada do VEF1 em L com a força muscular de QF em valores absolutos (r = 0,50, p < 0,001 para N m; e r = 0,50, p < 0,001 para kg).

A proporção de pacientes que atingiu um valor inferior a 80% do predito na força muscular de QF pelas fórmulas de Neder et al.,16 Decramer et al.12 e Seymour et al.8 foi respectivamente de 59%, 68% e 70%, sem diferença estatisticamente significante (Figura 2). Entretanto, a comparação do pico de força em porcentagem do predito mostrou que a fórmula de Neder et al.16 apresentou maiores valores quando comparada às fórmulas de Decramer et al.12 e Seymour et al.8 (75 [63-90] % do predito vs. 69 [56-86] % do predito e 67 [57-86] % do predito, respectivamente; p = 0,002). O pico de força em porcentagem do predito pelas fórmulas de Decramer et al.12 e Seymour et al.8 não apresentou diferença estatisticamente significante (Figura 3).

Figura 2. Comparação do número de pacientes que apresentaram ou não fraqueza muscular de quadríceps femoral de acordo com as três fórmulas de predição do estudo.

Figura 2

Figura 3. Comparação do pico de força do músculo quadríceps femoral em porcentagem dos valores preditos obtidos pelas três fórmulas de predição. *p < 0,002.

Figura 3

A respeito da concordância entre as fórmulas, a fórmula de Neder et al.16 apresentou concordância moderada com as fórmulas de Decramer et al.12 e Seymour et al.8 (kappa = 0,66, IC95%: 0,42-0,82; e kappa = 0,62, IC95%: 0,41-0,83, respectivamente). A concordância entre as fórmulas de Decramer et al.12 e Seymour et al.8 também foi moderada, porém menor (kappa = 0,52, IC95%: 0,28-0,76).

Discussão

O presente estudo mostrou que as três fórmulas estudadas - de Neder et al.,16 Decramer et al.12 e Seymour et al.8 - apresentaram semelhança para a caracterização dos pacientes com DPOC como tendo ou não fraqueza muscular de QF (< 80% do predito e ≥ 80% do predito, respectivamente). Porém, a fórmula de predição de Neder et al.16 evidenciou maior valor do pico de força em porcentagem do predito em comparação às outras duas fórmulas, além de apresentar maior concordância com elas.

A fórmula proposta por Neder et al.16 fundamentou-se em uma pesquisa realizada com 96 indivíduos brasileiros saudáveis com uma ampla faixa de variação de idade (20 a 80 anos), com aleatorização de 15 indivíduos para cada faixa etária. A avaliação da força muscular foi realizada com dinamômetro isocinético, com unidade de medida em N m. A fórmula apresenta um alto coeficiente de determinação da sua análise de regressão, que explica 81% da variância total, e utiliza variáveis simples como o gênero, a idade, a altura e o peso, que são consideradas medidas simples e de baixo custo que podem ser realizadas em ambientes clínicos.

A fórmula proposta por Seymour et al.8 leva em consideração o gênero, a idade, a altura e a massa magra, dificultando o seu uso na prática clínica por tornar necessária a avaliação da massa magra corporal (por bioimpedância corporal ou dual-energy X-ray absorptiometry). Para seu desenvolvimento, foi avaliada a força muscular periférica em 212 indivíduos saudáveis com idade entre 40 a 90 anos por meio de uma célula de carga, com unidade de medida em kg. A faixa etária envolvida é mais restrita; porém, a aplicabilidade dessa fórmula para pacientes com DPOC é adequada, pois a maior parte dos pacientes com DPOC encontra-se nessa faixa etária.26 A fórmula apresenta um coeficiente modesto de determinação da sua análise de regressão, que explica 50% da variância total.

A fórmula proposta por Decramer et al.12 leva em consideração o gênero, a idade e o peso, e a sua unidade de medida é N m. As informações sobre a fórmula são restritas, pois não é informado qual é o número de indivíduos avaliados na pesquisa, a faixa etária da amostra e o valor do coeficiente de determinação, o que limita o entendimento sobre sua aplicabilidade. Os autores do estudo foram contatados para que fornecessem essas informações, porém não houve resposta.

No presente estudo observamos que a porcentagem de pacientes classificados com presença de fraqueza muscular de QF variou de 59% a 70%; no entanto, a literatura mostra que a proporção de pacientes com DPOC mais grave, população semelhante à da amostra incluída no presente estudo, que apresentam fraqueza muscular é de aproximadamente 50%.(7,8,15) Porém, não há uma definição concreta sobre um ponto de corte para determinar fraqueza muscular de QF, e nem mesmo as diretrizes mais atualizadas sobre disfunção muscular periférica em pacientes com DPOC9 indicam um ponto de corte para determinação de presença ou ausência de fraqueza muscular. Essa ausência de uma definição sobre o que caracteriza a presença de fraqueza muscular possivelmente explica essa diferença. Seymour et al.8 utilizaram em seu estudo outro ponto de corte para determinar a presença ou ausência de fraqueza muscular, porém a unidade de medida utilizada foi o kg, impossibilitando a sua utilização no presente estudo, pois as demais fórmulas estudadas utilizam a unidade de medida N m. Os pacientes classificados com presença de fraqueza muscular de QF no presente estudo são semelhantes aos sem fraqueza no que diz respeito à obstrução das vias aéreas, classificação da GOLD1 e gênero. Seymour et al.8 afirmam não haver diferença em relação à proporção de pacientes classificados com presença de fraqueza muscular quando levados em consideração o gênero e a gravidade da doença de acordo com a GOLD.

No presente estudo, a fórmula de Neder et al.16 gerou maior valor de pico de força em porcentagem do predito do que as outras duas fórmulas. Há claros indícios de que pacientes brasileiros com DPOC apresentam melhor desempenho no teste de caminhada de seis minutos e maior nível de atividade física na vida diária do que pacientes da Europa(27,28) e mesmo da América Latina.29 Sabe-se também que a força muscular do QF é um fator determinante para o desempenho no teste de caminhada de seis minutos,10 além de apresentar correlação moderada com o nível de atividade física diária.12 Então, pode-se levantar a hipótese de que pacientes brasileiros também teriam força muscular de QF superior à de outras populações. Esses fatores podem explicar por que a fórmula de Neder et al.,16 desenvolvida com indivíduos brasileiros, gera maiores valores na presente amostra e por isso parece ser mais aplicável à população brasileira do que as fórmulas desenvolvidas com populações de outros países. Tal hipótese merece investigações futuras; porém, já se sabe que, idealmente, os valores de referência a serem utilizados devem ser baseados em uma população o mais próxima possível da população que está sendo estudada.30 O presente estudo parece corroborar esse conceito, indicando a fórmula de Neder et al.16 como a mais aplicável para a população brasileira. Novos estudos com outras populações, como as de origem das outras duas fórmulas estudadas, inglesa e belga, podem confirmar isso.

Uma possível explicação para o fato de os pacientes classificados como sem fraqueza muscular de QF de acordo com as fórmulas de Neder et al.16 e Decramer et al.12 serem mais velhos é que, nas três fórmulas analisadas, o coeficiente multiplicativo da idade é negativo, sendo menor nas fórmulas de Neder et al.16 e Decramer et al.12 Em outras palavras, essas fórmulas preveem que quanto maior a idade do paciente, menor será a força muscular esperada. Outro fator que pode explicar esse achado é que a idade não se correlacionou com a força muscular do QF em valores absolutos nos pacientes do presente estudo, porém apresentou correlação moderada e positiva com a porcentagem do predito das fórmulas de Neder et al.16 e Decramer et al.12 Quanto ao fato de os pacientes com fraqueza muscular de QF terem apresentado maior IMC, salienta-se que eles também apresentaram menor massa magra quando comparados aos pacientes sem fraqueza. Isso está em acordo com resultados prévios da literatura que mostram que a massa magra tem relação com a força muscular de membros inferiores.31

Uma limitação do presente estudo é que a amostra contempla apenas um único paciente com DPOC leve, o que pode afetar a capacidade de generalização dos nossos resultados para esse subgrupo; no entanto, pacientes com doença leve não eram o alvo da presente investigação, pois a possibilidade de disfunção muscular de QF nesse subgrupo é menor, embora exista. Outra limitação foi a avaliação do pico de força por meio de um dinamômetro portátil, e não por métodos de contração involuntária estimulada ou de dinamometria computadorizada. Entretanto, o método empregado no presente estudo envolveu o uso de um dinamômetro portátil "fixado" em uma cadeira de avaliação, de forma a simular a posição e metodologia da contração voluntária máxima realizada em dinamometria computadorizada. Já foi mostrado previamente que esse método se correlaciona fortemente com o padrão ouro e é altamente reprodutível,32 além de não trazer prejuízos significativos à acurácia da medida.33 Por fim, não foi viável realizar o cálculo de sensibilidade e especificidade de cada fórmula, pois não havia no presente estudo um método considerado padrão ouro (ou de referência) para determinação da real presença de fraqueza muscular em cada paciente.

Os resultados deste estudo têm como principal implicação clínica o fato de apontar ao fisioterapeuta a fórmula que melhor identifica a presença ou ausência de fraqueza muscular de QF em pacientes brasileiros com DPOC, facilitando a prática clínica desses profissionais. A identificação de fraqueza muscular nesses pacientes auxilia o fisioterapeuta a estabelecer o melhor plano de tratamento de forma individualizada.

Conclui-se que, em pacientes com DPOC, as três fórmulas foram estatisticamente equivalentes para caracterizar os pacientes como apresentando ou não fraqueza muscular de QF. Os pacientes caracterizados pela presença de fraqueza muscular de QF pelas fórmulas de Neder et al.16 e Decramer et al.12 são mais novos, enquanto os pacientes classificados com presença dessa fraqueza de acordo com a fórmula de Decramer et al.12 apresentaram menor proporção de massa magra e maior IMC. A fórmula de predição de Neder et al.16 evidenciou maior valor do pico de força em porcentagem do predito em comparação às demais, além de apresentar maior concordância com as demais fórmulas. Esses resultados reforçam que, sempre que disponível (como é o caso do Brasil), recomenda-se utilizar uma fórmula de predição que seja baseada em uma população o mais próxima possível da população alvo.

Footnotes

Apoio financeiro: Nenhum.

*

Trabalho realizado no Laboratório de Pesquisa em Fisioterapia Pulmonar, Departamento de Fisioterapia, Universidade Estadual de Londrina, Londrina (PR) Brasil.


Articles from Jornal Brasileiro de Pneumologia are provided here courtesy of Sociedade Brasileira de Pneumologia e Tisiologia (Brazilian Thoracic Society)

RESOURCES