Wstęp
Tętno maksymalne (HRmax) zwykle określane jest jako najwyższe tętno osiągane podczas maksymalnego wysiłku fizycznego. Jego wysokość jest w głównej mierze uzależniona od wieku [1]. Nie można jednak pominąć różnic osobniczych oraz arytmii. Maksymalna częstość serca ograniczona jest długością okresu refrakcji łącza przedsionkowo-komorowego i może sięgać wartości około 300/min. Najszybszy udokumentowany i przedstawiony w literaturze medycznej rytm komór o częstości 480/min związany był z tachyarytmią nadkomorową, najprawdopodobniej migotaniem przedsionków przewodzonym za pośrednictwem dróg dodatkowych do komór [2].
W warunkach fizjologicznych częstość serca determinowana jest funkcją węzła zatokowego, którego odkrycie przez Martina Flecka oraz Arthura Keitha miało miejsce w 1906 roku. Od tego czasu przeprowadzono wiele badań nad budową i fizjologicznymi procesami zachodzącymi w jego obrębie, a mimo to do dzisiaj nieznane są wszystkie procesy zachodzące w tej niewielkiej strukturze [3].
Anatomia i fizjologia węzła zatokowego
W ostatnich czasach opisano złożoność budowy węzła zatokowego znajdującego się w okolicy ujścia żyły głównej górnej do prawego przedsionka oraz jego połączeń z tkanką mięśniową przedsionków [4]. Jest on zbudowany z komórek o właściwościach bodźcotwórczych, ale również miocytów przedsionkowych, adipocytów i fibroblastów [5]. Węzeł zatokowy jest funkcjonalnie odizolowany od pozostałych komórek przedsionka, poza dobrze zdefiniowanymi połączeniami. Wykazano wieloośrodkowość aktywacji węzła zatokowego oraz przekazywania potencjału do przedsionków zarówno bezpośrednio w miejscu ujścia żyły głównej górnej, jak i w odległości sięgającej nawet 41 mm od tego miejsca, co wskazuje na złożoność jego struktury, czego potwierdzeniem jest występowanie spontanicznej zmienności załamka P w zapisach elektrokardiograficznych [4].
Węzeł zatokowy unerwiony jest zarówno przez powodujące hiperpolaryzację błony komórkowej włókna cholinergiczne, co skutkuje efektem chronotropowo ujemnym, jak i przez pozazwojowe włókna adrenergiczne powodujące przyspieszenie spoczynkowej depolaryzacji, co ma dodatni wpływ na chronotropizm [3].
Istnieją dowody na remodeling węzła zatokowego związany z wiekiem, ale również w przebiegu innych sytuacji klinicznych, jak niewydolność serca, arytmie przedsionkowe, asynchroniczna stymulacja komorowa czy ubytek przegrody międzyprzedsionkowej [6].
Kistler i wsp. [7] przedstawili różnice w czasie regeneracji węzła zatokowego u osób powyżej 60 r.ż. w porównaniu z osobami poniżej 30 r.ż. Jak wykazano w innych badaniach histologicznych, nie miało to związku z procesem włóknienia (badano zawartość włókien kolagenowych), ale ze zmianami zdolności przewodnictwa związanego ze zmniejszeniem ekspresji koneksyny-43 i ilości kanałów wapniowych typu L [8]. Zmiany te prowadzą do stopniowego obniżania się zdolności adaptacji chronotropowej serca, a w nasilonej postaci mogą być przyczyną wystąpienia choroby węzła zatokowego. Również w niewydolności serca oraz w arytmiach nadkomorowych, jak na przykład w przebiegu migotania przedsionków dochodzi do tak zwanego remodelingu elektrycznego powodującego zmniejszenie prądu I(f) oraz zjawisko down-regulation prądu I(f) doprowadzające do stopniowego zmniejszania się zdolności do generowania wyższych częstości serca przez węzeł zatokowy [6]. Poza tym do spadku częstości serca przyczynia się postępujące z wiekiem obniżenie odpowiedzi komórek węzła zatokowego na stymulację beta-adrenergiczną, a ostatecznie przyczynia się do spadku wartości tętna maksymalnego [4].
Znaczenie HRmax
Przeprowadzanie badania wysiłkowego, a tym samym ocena maksymalnego tętna, wykonywane jest u osób zdrowych bezobjawowych w celu wykrywania ukrytych chorób, minimalizowania ryzyka związanego z wysiłkiem fizycznym, a także oceny wydolności fizycznej. Jego wartość jest również potrzebna do ustalania obciążeń treningowych (wyznaczanie na jego podstawie stref treningowych), monitorowania intensywności treningu i jego efektów [9]. Wiele planów treningowych opracowywanych jest na podstawie tętna maksymalnego. Ocena HRmax podczas testu wysiłkowego wykonywana jest również u pacjentów z chorobami układu krążenia, oddechowego oraz w ramach diagnostyki duszności, bólów w klatce piersiowej, zaburzeń rytmu serca czy omdleń. Powodem wyznaczania tętna maksymalnego jest między innymi ocena wydolności pacjenta, sprawności krążenia wieńcowego, a tym samym diagnostyka w kierunku choroby niedokrwiennej serca. Badanie to ma na celu również ocenę reakcji ciśnienia tętniczego na wysiłek fizyczny oraz poszukiwanie zaburzeń rytmu serca indukowanych aktywnością fizyczną [10].
Metody wyznaczania HRmax
Obecnie najdokładniejszym sposobem na wyznaczenie HRmax jest przeprowadzenie badania wysiłkowego, najczęściej wykonywanego na bieżni lub cykloergometrze rowerowym. Wyznaczenie HRmax wymaga jednak osiągnięcia maksymalnego wysiłku, co w wielu przypadkach jest trudne, a niekiedy niemożliwe. Decydują o tym między innymi motywacja pacjenta, ograniczenia związane z aparatem ruchu, dobór metody badania i jego protokołu [11].
W wielu pracowniach badań wysiłkowych wykonuje się testy w oparciu o estymowane wartości HRmax.
W trakcie zwiększającego się obciążenia wzrost częstości serca ma charakter liniowy. W końcowej fazie, podobnie jak w przypadku pochłaniania tlenu (VO2), ma miejsce stopniowe zwolnienie szybkości jego narastania do osiągnięcia plateau w fazie końcowej badania przy osiągnięciu maksymalnego wysiłku [12]. Jej wartość maksymalna wykazuje znaczne międzyosobnicze różnice sięgające nawet 10–15 uderzeń/min. Głównym czynnikiem mającym wpływ na HRmax, jak już wspomniano wcześniej, jest wiek [11]. Fakt ten oraz prostota zastosowania wzoru: 220 — wiek badanego w latach, sprawiają, iż jest to najczęściej rutynowo stosowany wzór na obliczanie HRmax. Jednakże nie tylko wiek, ale i rodzaj wysiłku przyczynia się do osiąganych wartości tętna na szczycie wysiłku [13]. Maksymalne wartości osiągane są podczas aktywności angażujących większą masę mięśniową, jak to ma miejsce podczas biegu czy wiosłowania. Nieco niższe wartości tętna na szczycie wysiłku HRpeak osiągane są podczas jazdy rowerem, dlatego podczas badań przeprowadzanych na ergometrze rowerowym osiągane są inne wartości HRmax niż podczas prób wykonywanych na bieżni [13]. Podobnie, jak w przypadku określania maksymalnego pochłaniania tlenu VO2max i VO2peak, HRpeak oznacza tętno maksymalne osiągane podczas aktywności nieangażujących dużej masy mięśniowej i dlatego w ich trakcie wcześniej dochodzi do zmęczenia i dyskomfortu mięśni niż obciążenia układu krążenia. Jeszcze niższe wartości HRpeak osiągane są w trakcie pływania. W horyzontalnej pozycji zwiększa sie powrót żylny i napełnianie komór w fazie rozkurczu, a w konsekwencji tego wzrasta objętość wyrzutowa, która w większym stopniu niż wzrost częstości serca przyczynia sie do zwiększonego rzutu serca. Ponadto podczas zanurzenia w wodzie dochodzi do odruchowej reakcji nerwu błędnego powodującej zmniejszenie częstości serca.
Kryteria przerwania testu wysiłkowego
Test wysiłkowy trwa najczęściej do osiągnięcia przez pacjenta maksymalnego zmęczenia według skali Borga [14]. Biorąc pod uwagę duże różnice międzyosobnicze, osiągnięcie estymowanego HRmax w trakcie badania nie powinno być powodem jego zakończenia. Przerwanie próby przed osiągnięciem maksymalnego wysiłku następuje w przypadku wystąpienia istotnych objawów (subiektywnych) jak zawroty głowy, zaburzenia koordynacji, nasilona dławica piersiowa lub duszność, bladość powłok, sinica, objawy wegetatywne (zlewne zimne poty), jak również z przyczyn obiektywnych, jak pojawienie się groźnych arytmii, świeżego bloku lewej odnogi pęczka Hisa czy postępującego spadku ciśnienia tętniczego [13].
Metody estymowania HRmax. Wpływ różnych czynników na HRmax
W praktyce klinicznej tętno maksymalne jest najczęściej wykorzystywanym parametrem służącym do wyznaczenia maksymalnego wysiłku, ze względu na dużą dostępność urządzeń służących do jego pomiaru (pulsometry, elektrokardiogram). Niekiedy wykonuje się badania pozwalające na dokładniejszą ocenę parametrów metabolicznych, jak badanie spiroergometryczne lub oznaczanie poziomu laktatu w trakcie badania wysiłkowego. Są to jednak metody o mniejszej dostępności lub/i metody inwazyjne. Wartość tętna maksymalnego ma znaczną zmienność międzyosobniczą. Najczęściej stosowaną metodą wyznaczania (estymowania) HRmax, szczególnie w badaniach przeprowadzanych na bieżni wysiłkowej, jest formuła 220 – wiek (w badaniach na cykloergometrze rowerowym stosuje się niekiedy wzór 200 – wiek). Stosowanie przedstawionych wzorów nie znajduje poparcia w badaniach naukowych, a opiera się na wieloletnich obserwacjach. Po raz pierwszy formuła 220 – wiek pojawiła się w piśmiennictwie medycznym w 1971 roku. Często używa się również metody Tanaki (208 – 0,7 × wiek) [15], ale również formuły Londeree (206,3 – 0,711 × wiek) [16], Inbar (205,8 – 0,685 × wiek) [17], Nes (211 – 0,64 × wiek) [18]. Na podstawie niedawno przeprowadzonej analizy wykonanych badań spiroergometrycznych na dużej populacji osób aktywnych fizycznie [11] porównano dokładność najczęściej stosowanych formuł do estymowania maksymalnych wartości tętna wysiłkowego. Stwierdzono znaczne odchylenia, sięgające 10–12 uderzeń/minutę pomiędzy wartościami estymowanymi, a rzeczywiście osiągniętymi. Wszystkie te formuły charakteryzowały się zbliżonym błędem bezwzględnym (ME, mean error). Najniższy błąd zaobserwowano w formule Tanaki (ME wynosi około 7 uderzeń/minutę). Najczęściej stosowana metoda 220 – wiek jest względnie dokładna w grupie 30–40 lat, natomiast nieprecyzyjna zarówno u osób starszych, jak i młodszych. Dlatego niewskazane jest powszechne używanie tej formuły (niedokładność wyników, podczas planowania treningów niedopasowane obciążenie). Pozostałe formuły charakteryzują się zbliżonymi ME wynoszącymi około 10 uderzeń serca/minutę.
W przedstawionym badaniu dokonano również analizy wpływu różnych czynników na wysokość HRmax [11]. Uwzględniono takie parametry jak wskaźnik masy ciała (BMI, body mass index), skład ciała, wydolność fizyczna, wiek, płeć oraz rodzaj badania wysiłkowego. Modele wieloczynnikowe w nieznaczny sposób zmniejszały stopień błędu w estymacji tętna maksymalnego (HRmax). Biorąc jednak pod uwagę specyfikę badanej grupy oraz potencjalne wykorzystanie tej formuły u osób aktywnych fizycznie, w tym u osób z elity sportowej, te niewielkie różnice pomiędzy modelem uwzględniającym tylko wiek oraz modelem wieloczynnikowym mogą mieć istotne znaczenie dla planowania treningu oraz osiąganych wyników w trenowanych dyscyplinach. Wyznaczono formułę szacowania HRmax u osób aktywnych fizycznie [11]:
202,5 – 0,53 × wiek
oraz w przypadku wykorzystania modelu wieloczynnikowego [11]:
229 – 0,64 × age – 0,23 × body mass + 0,02 × BMI – 0,38 × VO2max + 0,33 × body fat + 0,02 × fitness level + 8,74 × sex + 0,97 × testing modality
VO2max w ml × kg–1 × min–1, wiek w latach, masa ciała w kg, płeć: 1 męska, 0 żeńska; rodzaj testu: 1 bieżnia,
0 cykloergometr
Powyższe wzory charakteryzowały się najmniejszym błędem spośród wymienionych powyżej metod estymacji HRmax (ME 7,04) [11]. Należy zwrócić jednak uwagę na charakterystykę badanej grupy. Były to osoby przeważnie młode, aktywne fizycznie. Dla takiej grupy wykorzystanie opracowanych formuł mogłoby przyczynić się do poprawy planowania treningu, lepszego jego monitorowania i oceny efektów. Nie można jednak zapominać, że bezpośredni pomiar HRmax, w przeciwieństwie do estymacji HRmax, nie będzie obarczony błędem i należy dążyć do jego wyznaczania u osoby badanej.
Wpływ leków na wartość HRmax
Podczas oceny częstości serca w trakcie wykonywania badania wysiłkowego należy uwzględnić przyjmowane przez badanego leki. Betablokery oraz iwabradyna obniżają zarówno częstość serca w czasie spoczynku oraz HRmax o około 10–15 uderzeń/minutę. Glikozydy naparstnicy oraz chronotropowo ujemnie działający antagoniści kanału wapniowego wpływają przede wszystkim na spoczynkowe wartości tętna. Iwabradyna obniża zarówno tętno spoczynkowe, jak i wysiłkowe o około 10–15 uderzeń/min, nie zmieniając znacząco rezerwy tętna [19].
Wnioski
Tętno maksymalne wykorzystywane jest zarówno w kardiologii, jak i medycynie sportowej jako kryterium osiągnięcia maksymalnego wysiłku. Oznaczane jest ono zwykle podczas badań w pracowniach testów wysiłkowych. Często badanie przerywane jest przed osiągnięciem maksymalnego wysiłku. W takich sytuacjach metody estymacji HRmax pozwalają na dokonanie oceny wydolności (HR osiągnięte jako procent HRmax w trakcie próby zakończonej przedwcześnie) oraz na opracowanie odpowiedniego treningu. Dotychczasowe formuły wyznaczania HRmax opierały się głównie na wieku. Najczęściej stosowana metoda 220 – wiek jest nadal jedną z podstawowych metod, ostatnio często wypieraną przez dokładniejszą formułę Tanaki (208 – 0,7 × wiek). W badaniu HR Max Prediction Based on Age, Body Composition, Fitness Level, Testing Modality and Sex in Physically Active Population dokonano analizy wpływu innych czynników na HRmax u osób aktywnych fizycznie. U takich osób zastosowanie formuły 202,5 – 0,53 × wiek cechuje się nieco mniejszym błędem bezwzględnym. Metoda wieloczynnikowa, uwzględniająca inne parametry, jak BMI, skład ciała, stopień wytrenowania czy rodzaj testu pozwala na nieznacznie większą dokładność w estymowaniu HRmax, co w przypadku elity sportowej może mieć istotne znaczenie. Podstawą wyznaczania HRmax pozostaje jednak bezpośredni pomiar podczas maksymalnego wysiłku, ponieważ tylko taki sposób pozwala uzyskać wynik pozbawiony błędu. Dlatego w przypadku braku obiektywnych wskazań do przerwania testu należy go kontynuować do uzyskania maksymalnego wysiłku.
Konflikt interesów
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
