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ventricolo, che funziona infatti come un palloncino. Con in ascissa la pressione di

riempimento ed in ordinata la gettata cardiaca, si evidenzia la curva di normalità; se la

curva si sposta verso l’alto la pressione è aumentata ed anche la gettata cardiaca, se

la curva si sposta verso il basso la pressione e la Q diminuiscono. L’unico modo per

aumentare la performance è aumentare il tono simpatico, spostando la curva verso

l’alto e rendendo maggiore la forza della contrattilità del miocardio, a parità di

pressioni di riempimento. Se il cuore perde la sua elasticità e diventa una cavità

dilatata perdendo il tono, pur aumentando la pressione di riempimento la gettata

cardiaca diminuirebbe: questo caso è definito come “cardiomiopatia dilatativa”, e

viene risolta se grave solamente con il trapianto cardiaco. Questa patologia viene

evidenziata dall’ecocardiografia con la frazione di eiezione che arriva a valori inferiori

nel 50%.

MISURA DEL

Questo test si avvale di un metodo diretto, massimale o addirittura sovra massimale.

MATERIALI

A) Soggetto

B) Analizzatori di gas (strumenti che analizzano le concentrazioni ed i volumi dei

gas)

C) Flussimetri (strumenti atti a misurare il flusso)

D) Cronometro

E) Ergometro (strumento che provoca le variazioni di consumo di ossigeno,

dipende dal soggetto e dalla sua specifica disciplina)

Normalmente il sistema di analisi dei gas è un sistema a cielo aperto, ossia l’analisi

viene fatta sull’aria che il soggetto inspira e quindi ritorna nell’ambiente con

l’espirazione; utilizzando sistemi a circuiti chiusi (spirometro a campana) l’esperimento

potrebbe durare molto poco, in quanto il soggetto respirerebbe aria sempre più povera

di ossigeno e ricca di anidride carbonica. Le vie respiratorie (inspiratoria, espiratoria)

vengono normalmente separate nei circuiti chiusi e l’anidride carbonica nella via

espiratoria viene sottratta con la calce: il sistema a circuito chiuso resta comunque un

sistema limitato perché i volumi di aria disponibili diminuiscono con la durata

dell’esercizio.

Conoscendo la pendenza della curva dei volumi di aria è possibile ottenere il consumo

di ossigeno, così come aumentando il volume corrente e la frequenza respiratoria nella

situazione di esercizio: questi metodi sono concettualmente precisi ma molto limitati.

Il a riposo secondo la letteratura è pari a circa 1MET, oscilla cioè intorno a valori

di 3,5-4 . Nonostante abbiamo a disposizione questi dati, è molto utile effettuare

la misurazione del consumo di ossigeno a riposo per diversi motivi:

- Il soggetto inizia a familiarizzare con l’operatore, con la metodologia, con

l’ergometro (il soggetto appartiene al gruppo dei ciclisti o dei podisti?)

- Il consumo di ossigeno a riposo definisce un processo di taratura biologica del

sistema, con valori di consumo di ossigeno che devono assestarsi attorno ai

valori dati dalla letteratura scientifica

È opportuno informare il soggetto che non deve parlare durante la prova: la

comunicazione orale influisce su alcuni parametri biologici quali la FC ed il ; è

opportuno quindi stabilire un codice non verbale (gestualità) che possa agevolare la

comunicazione durante la prova.

Il processo di taratura deve essere effettuato anche sugli analizzatori dei gas: si

utilizzano delle bombole sature di azoto (sostanza che non partecipa agli scambi

gassosi e quindi può definirmi il valore 0) e con 1-2% di saturazione di ossigeno o

anidride carbonica, bombole la cui composizione è conosciuta e comunicata dal

fornitore. Conoscendo le frazioni di ossigeno (o anidride carbonica), costruisco la retta

che mi definisce la taratura di questi analizzatori. Il boccaglio viene anche esposto

all’aria ambientale, per verificare valori di ossigeno attorno al 21% e di anidride

carbonica attorno allo 0,03%.

Gli analizzatori dei gas, diversi e specifici, con metodologie di misurazione diverse,

sono principalmente due:

a) Ossimetro paramagnetico

L’ossigeno, o meglio la sua frazione, viene misurato attraverso uno studio del suo

campo magnetico: questo elemento possiede determinate caratteristiche magnetiche

(espresse in volt) che sono proporzionali alla propria frazione di composizione dell’aria

espirata. Questo analizzatore è molto preciso, ma possiede una velocità di risposta

bassa che non ci permette di analizzare variazioni delle frazioni nel singolo ciclo

respiratorio.

b) Capnografo ad infrarossi

Il misuratore dell’anidride carbonica sfrutta la proprietà di questo composto di

assorbire raggi ad infrarossi: utilizzando un LED ed una fotocellula specifica (tarata

sulla banda dei raggi infrarossi), misura in volt la capacità di assorbimento. Questo

sistema ha una velocità di risposta migliore rispetto all’ossimetro.

L’accorgimento da utilizzare nel caso della taratura degli analizzatori è quello di

iniettare l’aria con un flusso che deve essere costante: siccome la bombola contiene

gas sotto pressione, bisogna porre attenzione al fatto che la bombola fornisca gas con

pressioni prossime allo 0.

Un ulteriore accorgimento da tenere presente è quello di “lavare” le vie respiratorie

del sistema: al soggetto viene posizionato il boccaglio qualche minuto prima del

raccoglimento dei dati, in modo tale che le vie respiratorie (circuiti) siano puliti

dall’aria ambientale.

In generale, i carichi di lavoro (intensità) sotto soglia tendono a fornirci cinetiche del

consumo di ossigeno stazionarie: il consumo di ossigeno a riposo del soggetto

assumerà un andamento lineare tendente al valore di 4. Siccome i valori di

ventilazione sono alquanto bassi, per 2 minuti possiamo raccogliere l’aria espirata dal

soggetto in un apposito sacco Douglas, sacco composto da plastica impermeabile

all’anidride carbonica e con diverse capacità. Conoscendo quindi il volume di aria

espirata in 2 minuti, è possibile ottenere i valori di ventilazione in litri al minuto

(L/min).

L’operatore esporta il sacco Douglas (opportunamente chiuso con una molletta) dal

circuito e lo collega agli analizzatori; quindi rimuove la molletta ed accende una

pompa, con cronometro alla mano misura il tempo necessario per passare l’aria dal

sacco alla pompa. Il prodotto di tempo di aspirazione e flusso di aspirazione (della

pompa) mi da il volume, da sottrarre al volume espirato per effettuare l’analisi delle

frazioni. Quindi otteniamo dai vari analizzatori le frazioni (%) di ossigeno ed anidride

carbonica del gas presente nel sacco.

Finita la valutazione delle frazioni dell’aria espirata, si collega il sacco Douglas ad un

banale contatore del gas, che deriva dei valori di volume e rigetta l’aria

nell’ambiente. Anche il contatore di gas va opportunamente tarato, con siringhe di aria

con volume noto e sacchi da collegare al contatore.

Questa metodologia viene definita “gold standard”, in quanto le misure di

ventilazione e delle frazioni (ossigeno, anidride carbonica) sono molto precise,

specifiche ed effettuate allo stato stazionario.

Il limite di questa operazione risiede nel fatto che non sempre i volumi inspiratori ed

espiratori sono uguali: questa situazione si verifica solamente nel caso in cui il QR

(RER, quoziente respiratorio, rapporto tra volume di anidride carbonica e volume di

ossigeno) è pari all’unità, ma in condizioni di riposo il QR è pari a circa 0,8.

L’azoto è un gas che non partecipa agli scambi gassosi, per cui secondo il principio di

conservazione della materia i suoi valori di volumi inspiratori ed espiratori sono uguali:

Sapendo questo comportamento, posso ricavare il volume inspiratorio dell’ossigeno

sottraendo alla totalità il valore di volume inspiratorio dell’azoto; sappiamo infatti che

l’aria ambientale è particolarmente costituita da azoto ed ossigeno. Invece il volume di

anidride carbonica è pari a: dove 0,27 =

Questa formula è grezza, in quanto è espressa in condizioni ATPS; per la valutazione

delle condizioni ambientali si necessita di:

a) Termometro

b) Barometro

c) Igrometro

Siccome i sacchi Douglas contengono aria in condizioni ambientali, la temperatura è

diminuita ed il volume ne ha risentito, la pressione atmosferica è equilibrata, l’aria è

satura di vapor acqueo (che a sua volta dipende dalla temperatura dell’aria e

dell’acqua): nel sacco cambiando la temperatura è cambiata la pressione di vapor

acqueo. Avendo una tabella contenente temperatura ambientale (°C) e pressione (mm

Hg), sappiamo che dimezzando la temperatura la pressione diventa 1/3 circa.

Noi possiamo esprimere i volumi di consumo di ossigeno (ventilazione) in 3 condizioni:

BTPS ATPS STPD

Temperatura (°K) 273 + 37 273 + Ta 273

Pressione (mm 760

Hg)

Se vendo la condizione come STPD ma in realtà è ATPS, faccio una sovra stima, perché

quello di prima è una sottostima. Le condizioni BTPS sono iniziali nei metabolimetri K4

(per esempio), e quindi vanno ridotte in condizioni STPD; perché il metaboli metro mi

da fuori i dati in condizioni BTPS? Perché è connesso all’uscita dalla bocca, la

ventilazione viene fatta con aria che esce alla temperatura di 37°C e satura con 47

mm Hg di vapor acqueo.

La misurazione della ventilazione viene effettuata almeno con tre sistemi diversi, che

sfruttano 3 principi fisici diversi:

1) Facendo respirare il soggetto attraverso un oggetto specifico, che sfrutta la

legge (ΔP = R x V) e conoscendo la resistenza, mettendo un sensore di

pressione prima e dopo posso rilevare mediante questa formula il flusso (V), e

quindi la ventilazione

2) metodo a filo caldo, un filo metallico posto ortogonalmente alla direzione della

ventilazione, sotteso da una certa corrente elettrica e si scalda assumendo una

temperatura precisa che soffiando diminuisce: attraverso la registrazione delle

variazioni di temperatura ottengo il flusso

3) kinpeller (ventolina), la ventolina gira ad una velocità proporzionale al flusso

che la attraversa, nel sistema passa un fascio di luce

La ventolina può essere tarata con un volume di 3 litri iniettato a velocità diverse.

L’inerzia della ventolina, piccola nello stato di riposo, diventa importante in un

esercizio massimale; inoltre, tra inspirazione ed espirazione ci deve essere un

inversione di moto.

Dobbiamo disporre di un accoppiamento di analizzatori (misurazione di consumo di

ossigeno e produzione di anidride carbonica) e di un misuratore di ventilazione, che

lavorino in parallelo ed in istantanea (velocità di risposta). Più il tempo è che intercorre

tra l’entrata del gas e l’analisi dello stesso, meno costoso è l’attrezzo; questo tempo si

aggira sotto i 100 ms. Un'altra cosa che lo strumento deve garantirmi è la

coordinazione dei segnali, il loro allineamento.

Analisi di ventilazione, frazione espiratoria di ossigeno ed anidride carbonica:

- Nel corso dell’inspirazione, la frazione di ossigeno raggiunge il 21%

(16-17-18%) e nell’espirazione diminuisce esponenzialmente

- Nel corso dell’inspirazione, l’andamento della frazione di anidride carbonica è

opposto rispetto a quello dell’ossigeno, raggiungendo il massimo (4%) all’inizio

dell’inspirazione ed alla fine dell’espirazione

L’analisi istantanea di queste variabili è fondamentale, ma bisogna conoscere la

sfasatura dei segnali. La ventilazione viene misurata alla bocca, mentre l’analisi dei

gas viene effettuata alla “fine del tubo”; inoltre, gli analizzatori di consumo di ossigeno

e produzione di anidride carbonica utilizzano metodologie di analisi diverse (fenomeni

fisici diversi), con velocità di risposta diverse e tempi di risposta diversi. L’ossigeno

viene misurato nella sua frazione con un elettrodo di zirconio: questo analizzatore

funziona sempre, non solo in caso di esercizio, quindi bisogna effettuare la verifica

dell’allineamento del segnale o comunque la manutenzione dello strumento

ordinariamente.

La macchina, attraverso il software, effettua il riallineamento dei segnali perché

conosce i tempi di risposta degli analizzatori: questa è una sorta di taratura. Per

allineare i segnali, si spara nel sistema un “onda quadra” di gas con una composizione

nota: per esempio, sparando un bolo con 10% di anidride carbonica, allineo il segnale

della ventilazione (onda quadra) e quello dell’analisi di produzione di anidride

carbonica (onda quadra smussata ai lati). Questo metodo può usare una frequenza di

campionamento più o meno elevata (15 secondi), ma non è un sistema “respiro per

respiro”. L’analizzatore di gas non pesca l’aria direttamente alla bocca, ma pesca dalla

camera di rimescolamento, una camera composta da barre che favorisce il

rimescolamento del gas.

Invece, il grosso limite del sistema “respiro per respiro” sta nel fatto ovvio che i

respiri non sono tutti uguali: nel corso di un esercizio massimale è possibile che il

soggetto effettui un sospiro, che altera i volumi e le riserve alveolari. Il limite sta

appunto nel riuscire a comprendere l’inizio e la fine del ciclo respiratorio, in quanto il

ritmo respiratorio non è costante. Ma questo metodo, diversamente dagli altri, ci

consente lo studio delle cinetiche.

ERRORI NELLE VALUTAZIONI

Noi essenzialmente misuriamo 3 cose, che possono essere svalutate da un errore

casuale o sistematico. La sorte e la fisiologia ci aiutano a valutare dei parametri per

definire la bontà del sistema:

Perdita di aria dal boccaglio/maschera

Se a livello di guance o naso ci sono perdite di aria, questo limite è antropometrico

perché la maschera è standard ma non così la faccia di un soggetto, quindi bisogna

chiudere la falla con cotone. Il boccaglio viene utilizzato nei sistemi a differenza di

pressione e quello a filo caldo, il limite del sistema del boccaglio sta nel tubo corrugato

che non si collassa; inoltre esiste un lavoro dei masseteri (per tenere il boccaglio) che

esula dal lavoro dell’esercizio. Mentre la maschera include anche il naso, il boccaglio

deve essere tenuto con uno stringi naso (che eviti il respiro con il naso, quindi solo con

la bocca).

Alterazione del sistema di misura del flusso d’aria (saliva, corpi estranei, …)

Le ghiandole salivari sono ben attivate se mettiamo qualcosa sotto i denti; il boccaglio,

prima di accordarsi con il sistema, va in una valvola con un sistema a X vie con una

via che conduce ad una provetta che raccoglie la saliva. Se la saliva va nel tubo

corrugato, non è problema; se essa va nel tubo di campionamento, interrompe il flusso

in questo tubo.

Errori di taratura degli analizzatori (consumo di ossigeno, produzione di anidride

 carbonica)

Una periodica taratura, soprattutto nei sistemi perennemente funzionanti, è

importante. Il calcolo del ritardo è un'altra fonte di errore, provocando il

disallineamento dei segnali. Le bombole tarate devono essere attendibili in

composizione. Tutti gli strumenti si basano alla fine su sistemi elettrici: l’elettricità ha

la bruttissima caratteristica di dissipare la potenza sotto forma di calore, quindi è

opportuno effettuare un riscaldamento delle macchine.

Saturazione della capacità di dispersione del tubicino in nafion

Se noi andiamo ad eseguire mediante un soggetto un esercizio massimale e

misuriamo la frazione di ossigeno nell’aria espirata: a riposo è circa del 18%, rimane

abbastanza costante poi per 6 minuti circa sul 15-16%; capiamo che ad un certo punto

questo signore ha iniziato a ventilare, perché da quel momento cambia la pendenza

della frazione di ossigeno. Associando questo grafico a quello della ventilazione, da

quel momento nel grafico della ventilazione deve esserci un andamento diverso: la

ventilazione è aumentata, la frazione di ossigeno è aumentata perché aumentando la

ventilazione io inspiro più ossigeno del dovuto per cui ne espello di più.

I COMANDAMENTI DEI TEST ERGOMETRICI

1) Modificare il meno possibile il regime alimentare nel giorno precedente, il

giorno dell’esame è ammessa una colazione leggera a base di idrati di carbonio

3 ore prima della prova

2) Il giorno prima della prova bisogna evitare qualsiasi sforzo ad esaurimento, il

giorno dell’esame bisogna evitare qualsiasi sforzo fisico, anche leggero, prima

della prova

3) Prima dell’esame bisogna spiegare al soggetto le modalità di svolgimento

rassicurando la sicurezza, evitare fattori di stress e distrazione, le persone non

indispensabili alla prova vanno allontanate

4) Prima della prova il soggetto dovrebbe fruire di un periodo di riposo assoluto di

almeno 10 minuti, seduto o in decubito dorsale

5) La temperatura ambientale dovrebbe essere compresa tra i 18-22°C, umidità

compresa tra il 30-60%

6) L’abbigliamento dovrebbe essere quello tecnico

7) Il soggetto non deve assumere stimolanti (caffè, sigarette, …) prima

dell’esame, eventuali medicine (beta-bloccante, …) vanno valutate in base al

loro effetto ed alla durata d’azione

8) Annotare l’ora dell’esame: in caso di ripetizione dovrà essere la stessa

9) Registrare qualsiasi evento inusuale che si verifichi nel corso del test

I seguenti test sono sconsigliati a soggetti con:

Valvulopatie cardiache

 Coronopatie

 Cardiomiopatie

 Vasculopatie periferiche o polmonari

METODI DI ESERCIZIO

Il (massimo consumo di ossigeno) è il massimo volume di ossigeno per unità

di tempo che il soggetto può prelevare dall’atmosfera per sostenere un esercizio ad

esaurimento variante dai 2 ai 6 minuti.

Tecnicamente la stima del massimo consumo di ossigeno al 100% deve essere

effettuata con un esercizio di corsa in salita (pendenza del 3%): aumentando però la

pendenza, si perde la componente elastica della cinetica della corsa e quindi la misura

è viziata in termini fisiologici.

La pendenza del tapis roulant in laboratorio viene di solito stabilita all’1%, per

simulare la resistenza aerodinamica presente in allenamento o in gara. Con un

esercizio di azione ciclica di arti inferiori e superiori posso arrivare al 100%, con il test

del gradino arrivo al 97% del massimo consumo di ossigeno.

La variabilità intraindividuale si situa attorno a valori tra il 3% ed il 7%, lo strumento

utilizzato ha una variabilità massima del 5%.

Questi schemi di esercizio sono meramente qualitativi e non quantitativi (senza

numeri):

a) Esercizio continuo ad onda quadra, con fase di riscaldamento a carico

leggero e fase di carico massimale, ritorno allo stato di riscaldamento

b) Esercizio continuo a carichi crescenti, aumento progressivo dello stimolo

meccanico con annesso aumento del parametro metabolico (consumo di

ossigeno)

c) Esercizio discontinuo a onda quadra, successione ad intervalli di periodi di

recupero e periodi di carico: per esempio, sul cicloergometro il soggetto nella

fase di recupero pedala senza l’opposizione del freno meccanico

d) Esercizio continuo a carichi crescenti, che può essere frazionato

eventualmente in più sedute

Nel corso di un esercizio incrementale, otteniamo un grafico con due assi, il tempo ed

il parametro metabolico (nello stesso asse dall’altra parte mettiamo il parametro

meccanico). Le scale dei parametri metabolici e meccanici devono essere

correttamente graduate. Osservando il grafico noto che il carico varia per “scatti

discreti”, con una durata di tempo fissa (per esempio, 1 minuto) quindi non si arriva

allo stato stazionario.

I signori Wassermann e Whipp hanno costruito il “one minute test”, sottoponendo il

soggetto a degli incrementi potenza/tempo di 5-15-30 W (watt). Che cosa significa la

pendenza dell’esercizio? La pendenza deve essere scelta in base alle caratteristiche

del soggetto: per esempio, difficilmente nel campo clinico sottoporremmo il soggetto

ad incrementi di 30W al minuto. I suddetti signori hanno costruito inoltre delle

formulette che ci permettono di stimare i limiti di esercizio in base alla persona che sta

di fronte.

Diminuendo il delta tempo e la “altezza dello scalino”, otteniamo una tipologia di

esercizio denominata “a rampa”: un esercizio con aumenti progressivi di carico in un

tempo ridotto, che dipende dalla risoluzione dell’ergometro, permettendoci di ottenere

un andamento lineare (“watt per watt”). In tutte e 2 le tipologie di esercizio l’asse del

tempo arriva fino ai 12 minuti: questo in letteratura è il tempo più che buono per

raggiungere la misura del massimo consumo di ossigeno.

PROTOCOLLI DI ESERCIZIO AL NASTRO TRASPORTATORE PER LA

DETERMINAZIONE DEL

Il risultato ottenuto è una misura: stiamo parlando quindi di metodi diretti.

a) ASTRAND, protocollo con velocità costante (miglio terrestre all’ora) espressa in

5 mph (circa 8 km/h) inclinando il nastro trasportatore del 2,5% ogni 2 minuti

Questo protocollo è utile per i dilettanti ma non per gli atleti: se un atleta, abituato a

correre in piano, si trova in queste condizioni non sarà più in grado di sfruttare il

ritorno dell’energia elastica. Inoltre, il costo energetico della corsa varia in relazione

alla pendenza.

b) BRUCE, protocollo con variazione di velocità ed inclinazione ogni 3 minuti,

secondo il grado di fitness della persona

c) BALKE, protocollo con velocità costante a 3 mph, dopo un warm up di 1 minuto

a pendenza di 0% e 1 minuto al 2%, ed aumento di 1% ogni minuto

d) SALTIN ED ASTRAND, protocollo con velocità costanti di 10 km/h con aumento

dell’inclinazione del 2,5%

Scelta dell’incremento di potenza/tempo in modo che il test si concluda in 10

minuti

1) Stima del consumo di ossigeno “senza pedalare” (UP)

2) Stima del massimo consumo di ossigeno

La statura è espressa in centimetri (cm), l’età in anni: il massimo consumo di ossigeno

è espresso in millilitri di ossigeno al minuto. L’incremento viene misurato con la

seguente formula:

Nella tipologia di test a rampa, non ci sono salti discreti di potenza meccanica e

metabolica; ad un certo punto, nonostante la potenza meccanica aumenti,

l’andamento reale della potenza metabolica assume un specie di “gobba”: il plateau in

realtà è un punto estrapolato, in quanto è l’interpolazione della retta della potenza

meccanica e della proiezione su di essa del picco della gobba della potenza

metabolica.

In realtà al soggetto normale non viene assegnato un valore di massimo consumo di

ossigeno ottenuto con questi “giochini geometrici”; queste magie però sono

necessarie per atleti di discipline specifiche e di alto livello.

CRITERI PER VALUTARE IL RAGGIUNGIMENTO DEL

Dal punto di vista del valutatore funzionale, i concetti di “massimo consumo di

ossigeno” e “picco di consumo di ossigeno” sono pressoché simili: il denominatore

comune è l’esaurimento del soggetto. Il concetto di “massimo consumo di ossigeno” è

stato introdotto negli anni ’20 dal signor Hill, che definisce questo concetto con il

plateau di consumo di ossigeno (linea orizzontale) corrispondente all’incremento della

potenza meccanica: all’aumentare della potenza meccanica, la potenza metabolica

resta orizzontale.

Il signor Taylor ha posto la questione: fissiamo un criterio per definire questo plateau?

All’ultimo carico di lavoro dove c è incremento ed al carico di lavoro successivo

(sempre con incremento della potenza meccanica) non ci deve essere un incremento

metabolico superiore al valore di 150 millilitri di ossigeno al minuto. Nonostante il

carico meccanico aumenti, il consumo di ossigeno rimane costante o comunque non

deve avere una variazione maggiore ai 150 ml/min. Adesso è chiaro che questo valore

di 150 non è assoluto, in quanto esso è legato all’altezza del gradino carico/tempo: per

incrementi di 5 W/min questo criterio non è valido.

Un altro criterio utilizzato per la determinazione del massimo consumo di ossigeno e

per la sua validazione è la misura dell’accumulo di lattato ematico: la concentrazione

di lattato ematico deve essere superiore o eguale a 8 mM/L.

1) Plateau del consumo di ossigeno

2) Concentrazione di lattato ematico 8 mM/L

3) Controllo della FC max

La frequenza cardiaca massima viene calcolata in maniera indiretta con la solita

formula (FC max = 220 – età), alla quale viene assegnato un range di più o meno 10

battiti. Non è detto che un test con determinazione del massimo consumo di ossigeno

debba raggiungere la FC max: per quello si assegna un range di più o meno 10 battiti.

4) RER (quoziente respiratorio) circa 1,08-1,1-1,2

Il test di Conconi ammette che la FC aumenta proporzionalmente all’intensità di

esercizio, fino ad un certo punto: la soglia. L’RPE è il punteggio di percezione dello

sforzo, espresso con la scala di Borg: la scala è esclusivamente soggettiva. Chi non ha

familiarità con la bicicletta tende a soffrire maggiormente la fatica degli arti inferiori:

su tutti i testi viene evidenziato il fatto che la determinazione della misura del

massimo consumo di ossigeno al tapis roulant e maggiore che nei test al

cicloergometro. L’iperventilazione è un fenomeno “fisiologico” concernente la

frequenza e l’ampiezza del respiro non correlata a significativo aumento meccanico, la

dispnea è un fenomeno diverso che induce il soggetto ad assumere posizioni

particolari (es: utilizzo dei muscoli sternocleidomoastoidei per l’ausilio nella

respirazione).

CONSIDERAZIONI

I concetti di rendimento e costo energetico sono concetti validi solo se ci limitiamo a

considerare l’ambito del metabolismo aerobico, e quindi delle velocità aerobiche.

Normalmente i maratoneti considerano come soglia aerobica (al di sotto della quale si

considera un regime aerobico) la concentrazione di lattato pari a 2 mM/L, ma nel caso

in cui si superi questa soglia? Non è possibile assumere come costo energetico il

valore standard della corsa, quindi devo ottenere il costo energetico reale: l’esercizio

richiede energia, proveniente dal regime aerobico e dalla componente lattacida

(riserve di glicogeno per la produzione di lattato). Il bilancio deve contenere tutte le

voci della spesa, tutte le spese devono essere convertite in una misura unica

(equivalenti di ossigeno).

“dopo 4 minuti misuro la lattacidemia, e so che ogni mM di lattato ho un aumento di 3

ml di ossigeno per kg di massa corporea”

+ 1 mM lattato/L = + 3 ml di ossigeno/kg

Il costo energetico su cicloergometro non va espresso in millilitri di ossigeno al kg al

km, ma al posto dei km vengono utilizzati i W (watt). Infatti, nonostante si raggiunga il

picco di consumo di ossigeno la potenza meccanica sostenuta è aumentata: questo

lavoro richiede energia ulteriore, che viene fornita dal lattato.

Se volessi veramente fare il pignolo ed avere il bilancio energetico totale, potrei

calcolarmi anche l’apporto del sistema anaerobico alattacido? È possibile calcolare il

suddetto apporto in due modalità:

1)

La “tau” è pari al tempo trascorso per raggiungere il 63% del consumo di ossigeno allo

stato stazionario:

2) Se sono povero di strumenti respiro per respiro, eseguendo un esercizio a

rampa noto che l’andamento del parametro metabolico (consumo di ossigeno) è

esattamente parallelo al parametro meccanico, ma esiste un ritardo (lasso di

tempo corrispondente al “tau” τ)

NB = Attenzione però alle unita di misura, infatti la “tau” è espressa in secondi mentre

di solito il consumo di ossigeno è espresso in unità temporali del minuto

NB = le misure del massimo consumo di ossigeno (NO sottomassimale) dipendono

dall’altitudine (s.l.m.), in quanto cambia la pressione barometrica (mm Hg); il

rendimento dell’esercizio in pianura ed in altitudine è lo stesso, quello che cambia è il

punto dove arrivo

STIMA (METODO INDIRETTO) DEL

I metodi indiretti per la determinazione del massimo consumo di ossigeno sono i più

utilizzati nella pratica; sono test “aleatori”, ossia con margine di precisione molto

minore rispetto ai test di laboratorio. La validità del test richiede delle assunzioni

specifiche, che non servono nel caso di test diretti in quanto mediante quest’ultimi

otteniamo direttamente valori di parametri metabolici e meccanici.

La riproducibilità del test è un altro problema delle metodologie indirette, che dipende

da: il soggetto (es: la misura del massimo consumo di ossigeno ha differenze anche

intraindividuali)

le condizioni ambientali (“test indiretto” è sinonimo di “test da campo”, la pista

di atletica nelle nostre conoscenze è un “ergometro” soggetto a cambiamenti di

temperatura, di clima, …)

il protocollo (la scelta del protocollo va ponderata in base alle condizioni stimate

del soggetto)

motivazione, emulazione

il limite di errore, se nei test diretti arriva al massimo al 5%, nei test indiretti può

arrivare fin’anche al 20%. I test che analizzeremo sono denominati “indiretti” in

quanto non misurano effettivamente il consumo metabolico, ma lo deducono

mediante misure di parametri meccanici.

TEST DI COOPER

Il test di Cooper è stato pioniere di altri test, con la sua idea: “faccio partire il

soggetto e poi corri alla massima velocità che puoi”. Il test non è molto utile, se non in

soggetti allenati e familiarizzati con la corsa: è utile nel caso di soggetti che sanno

correre e conoscono il loro “motore”. (FORMULA PER SOGGETTI

ALLENATI) (FORMULA PER SOGGETTI NON ALLENATI)

La cosa più gradita al prof è una tabella che fa riferimento al numero di giri (da 4 a

9,75) in 12 minuti, associati a valori di massimo consumo di ossigeno da 24 a 75,9

millilitri di ossigeno pro chilo al minuto.

Il test dipende da:

- motivazione

- condizioni ambientali

- regolarità di corsa, di velocità

- ora di esecuzione

- emulazione (far partire tutti assieme può determinare una scarsità di

prestazione in alcuni atleti)

Le critiche più comuni apportate al test di Cooper sono:

massimo sforzo del soggetto?

 apporto lattacido alla prestazione?

TEST DI LEGERE

Test complesso, si tratta di far correre il soggetto tra due conetti di 20 metri a velocità

incrementali con segnalazione di velocità sonora. È una modalità abbastanza buona se

noi consideriamo il parametro del corso energetico della corsa sulla quale basare tutti i

nostri calcoli.

Chi frequenta gli sport di squadra preferisce il test di Legere a navetta, che però altera

completamente la corsa in quanto non posso più asserire che il costo energetico è

quello conosciuto in letteratura.

“dopo un primo minuto a 7,5 km/h ed un secondo minuto a 8 km/h, il soggetto deve

aumentare di 0,5 km/h ogni due minuti”

Leger asserisce che 3,5 ml di ossigeno pro kg al min sia il costo energetico standard

della corsa per km: la sua considerazione non è corretta. Infatti:

La relazione tra 190 e 3,5 è tutt’altro che realistica, perché le unità di misura non sono

confrontabili. La formula comunque può essere giusta dal punto di vista pratico, dal

punto di vista teorico non è certamente corretta. Uno studioso ha considerato il test “a

navetta” ed ha stilato la formula empirica:

Come posso fare per valutare la validità del valore di massimo consumo di

ossigeno/della velocità sostenuta? Lo porto in laboratorio e lo faccio correre a quella

velocità, misurando il suo consumo di ossigeno. Inoltre, posso misurare il lattato; è

buona norma tenere in questi casi la velocità del penultimo step.

Il test è stato progettato sui 12 minuti: questo tempo è impossibile da sostenere tutto

in regime di massimo consumo di ossigeno, la distanza che copro è una distanza

maggiore perché l’obiettivo che mi pongo è di coprire il massimo numero di metri/km

possibili. Il test deve essere validato in laboratorio, per evidenziare le sue effettive

capacità.

WALKING TEST

Il test è adatto per soggetti anziani e/o in sovrappeso. È basato sulla misura del

tempo, con distanza prefissata (1 miglio, circa 4 giri di campo di atletica); la formula è

complessa.

1) Misura della FC

2) Somministrazione della scala di Borg

3) Conversazione durante l’esecuzione

Tenendo presente che il costo energetico della corsa è abbastanza costante nella

specie umana sia nella corsa sia nel cicloergometro, sono stati elaborati dei metodi

matematici per predire il massimo consumo di ossigeno: le equazioni di Margaria

(prove superiori a 5000 metri o 10 minuti)

(prove inferiori a 10 minuti)

La distanza viene misurata in metri, il tempo viene misurato in minuti.

Considerazioni critiche:

- Capacità del soggetto

- Scelta del ritmo di corsa

- Evitare lo scatto finale

- Rilevare e verificare i dati in laboratorio

- Motivazione

- Variabilità interindividuale del costo energetico

- Non omogeneità (età, peso, ….)

- Pericolosità

- SA individuale (soglia anaerobica)

TEST SOTTOMASSIMALI

Nei test sottomassimali il parametro fondamentale è la FC (frequenza cardiaca):

1) , ma misurare la gettata cardiaca non è facile

2) , essendo che la Vs (volume di eiezione sistolica) e la

differenza di concentrazione arterio-venosa di ossigeno salgono per poi

rimanere costanti al variare dell’intensità di lavoro, la FC varia in modo

direttamente proporzionale all’intensità di esercizio fino ad un certo plateau

3)

Nelle persone sane e giovani la FC ha una cinetica molto più rapida del consumo di

ossigeno. Dopo circa 3-4 minuti misuro la FC ed il consumo di ossigeno: con 3 punti

ottengo una retta. Quindi, per stabilire il massimo consumo di ossigeno, assumo che

esso viene raggiunto con il valore di FCmax. Esistono diversi metodi tra cui:

a) FC = 220 – età

b) Misurazione del picco di FC in una prova massimale (“alla morte”) di 200 metri

In teoria non è totalmente giusto assumere che la FC ed il consumo di ossigeno hanno

un andamento di proporzionalità lineare, in quanto negli stadi massimali all’aumentare

del consumo di ossigeno la curva della FC raggiunge il plateau. L’errore che si fa

dipende dalle caratteristiche del soggetto: la distanza si riduce nei soggetti giovani ed

allenati.

Conconi applica la relazione tra FC e velocità; ad un certo punto la FC non segue

l’aumento di velocità: Conconi sostiene che questo punto è la SA. Noi alla fine diciamo

che FCmax è proporzionale al massimo consumo di ossigeno. Uno studioso ha

affermato che FC e % di massimo consumo di ossigeno hanno proporzionalità diretta:

questo non è vero, a meno che i soggetti non siano coetanei e con lo stesso grado di

allenamento; questa considerazione è valida solo nel caso di %FCmax e % .

Sulla base di queste asserzioni, alcuni studiosi hanno pensato di affermare alcuni

“nomogrammi” basati su di una tipologia di esercizio comune per tutti: il test del

gradino. Anche qui ci sono vari protocolli di esercizio:

1) altezza del gradino = 0,187 x statura della persona (normalmente sono 40 cm

per i maschi e 35 cm per le donne)

2) nomogrammi

il test del gradino è concettualmente molto facile: la massa corporea per

l’accelerazione di gravità volte il dislivello, moltiplicato per la frequenza del gesto (cicli

al minuto) mi da una potenza meccanica. Si necessita di un cronometro e di un

metronomo, la frequenza si basa sulla scomposizione del gesto in 4 tempi (il

metronomo scandisce ognuno dei 4 tempi del gesto).

W (potenza) = m (massa) x g (accelerazione di gravità) x h (altezza dello scalino) x f

(frequenza, in cicli/s)

Secondo Astrand

- A parità di consumo di ossigeno, le femmine ottengono più watt dei maschi: a

25 anni le femmine hanno un rendimento leggermente maggiore dei maschi

- Ho la possibilità di variare i carichi (che mi danno una stima numerica della

potenza meccanica) e posso estrapolare il massimo consumo di ossigeno

Il rendimento (rapporto tra potenza meccanica ed energia metabolica) del test del

gradino è pari al 14%, secondo la statistica.

Supponiamo che il nostro giovanotto vada su e giù di un gradino alto 40 cm per 30

volte al minuto; se noi andiamo ad osservare il nomogramma vediamo che egli

sviluppa una potenza metabolica di 38 ml di ossigeno al minuto (190 kcal al minuto);

calcolando la potenza meccanica possiamo ottenere il rendimento.

Andiamo a calcolarci la potenza meccanica:

Facendo l’analisi dimensionale otteniamo i W (watt). Inoltre i dati sono già

normalizzati, per cui bisogna conoscere esclusivamente l’altezza del gradino e la

frequenza dei cicli.

Ricordiamo che la caloria è pari a 4,19 J (joule), stesso discorso vale per la kcal (chilo

caloria) e per il kJ (chilo joule). Una caloria è pari a 0,2 ml di ossigeno (1 ml di ossigeno

è pari a 5 calorie): questo rapporto viene espresso bene nel nomogramma.

Nel test denominato Harvard step test il protocollo è leggermente diverso: questo

test si avvale di un gradino di altezza 50 cm (maschio) o di 40 cm (donna) o di 30 cm

(nano unisex, con altezza minore di 1,6 metri); per 3 minuti il soggetto è invitato a

salire e scendere 30 volte al minuto per 3 minuti.

Questo è il cosidetto “indice rapido di idoneità”.

Pulsazioni rilevate IRI Valutazione

25-32 >100 Ottimo

33-40 Buono

41-54 65 Discreto

55-65 Sufficiente

>66 <50 insufficiente

TEST PER LA DETERMINAZIONE DELLA COMPONENTE ANAEROBICA LATTACIDA

Essa è in grado di affiancare la componente aerobica fino ad essere quasi

determinante. Il parametro di SA (soglia anaerobica) si presta ad una valutazione

longitudinale; la verifica periodica delle sue variazioni, in rapporto alla preparazione, è

molto importante.

Quali sono i fattori che determinano il metabolismo anaerobico lattacido?

a) Fattori periferici (chi il lattato lo produce, ossia l’apparato muscolare con le

differenze interindividuali; da questo punto di vista il SM man non può far molto,

se non cercare di evidenziare la tipologia di sport, ma la sola biopsia è in grado

di darci ottime soluzioni)

b) Fattori centrali (chi gestisce il lattato)

• Raccolta e trasporto (apparato cardiocircolatorio)

• Smaltimento (muscolo stesso, miocardio, rene, cervello)

• Sistemi di tamponamento (sistema cardiocircolatorio, respiratorio)

La lattacidemia può essere espressa in concentrazione plasmatica o nel sangue totale;

bisogna stare attenti se la lattacidemia è data in concentrazione plasmatica o del

sangue totale.

Il grafico di Wassermann fa notare come la cinetica della concentrazione del lattato

varia in base alla potenza erogata, per cui aumentando il carico ad un certo punto la

concentrazione di lattato varia esponenzialmente. La capacità del sistema anaerobico

lattacido è condizionata anche dai bagagli gludicici: i nostri muscoli devono avere

buone scorte e buona capacità di utilizzo di esse. Ad un QR (respiratorio) pari ad 1 il

metabolismo glucidico è massimale (100%). C è un prodotto intermedio della beta

ossidazione che è in grado di modulare la glicolisi: il citrato. Quand’esso venga

prodotto in minor quantità, il metabolismo glucidico aumenta. La velocità di consumo

dei glucidi per produrre lattato è ben 18 volte maggiore della velocità di consumo dei

glucidi in ossidazione, talchè la grandissima importanza sta nell’identificazione del

momento (espresso in intensità di lavoro) in cui l’organismo “cambia marcia”.

L’esercizio proposto da Dal Monte prevede un lavoro incrementale ad esaurimento con

durata di mezzora:

a) SAR (soglia anaerobica reale)

b) MLSS (maximal lactate steady state, massimo livello a cui il lattato si mantiene

costante nel sangue)

Una sostanza che viene prodotta rimane a concentrazione costante in un certo spazio

se il suo smaltimento è proporzionale. Il lattato viene utilizzato solo a scopi energetici

(ossidazione), e non nella gluconeogenesi perché essa richiede energia. Non è da

confondere il lattato “early” (precoce) con il lattato “oltre soglia”: il lattato precoce

viene prodotto all’inizio dell’esercizio proporzionalmente alla sua intensità (e al di

sopra di una certa intensità), ma tende a rimanere costante fino al valore di soglia.

In test indiretti deve essere possibile vedere una discontinuità di determinati

parametri che ci evidenzi che il metabolismo aerobico sia stato affiancato

pesantemente dal metabolismo anaerobico.

parametri calcolati e graficati con un esercizio incrementale a rampa

Intensità 1 Intensità 2 Intensità 3 (>65%)

(<40%)

(consumo di

ossigeno)

(frazione di

ossigeno) Aumento pendenza

(produzione di

anidride carbonica)

QR (quoziente 0,7 – 0,85 (fase 0,86 – 0,99 1 – 1,2 (consumo di

respiratorio) ossidativa) glucidi + lattato)

FC (frequenza Punto di flesso

cardiaca)

(frazione di

anidride carbonica)

Ve (ventilazione) Linearmente Aumenta la Aumenta di nuovo

proporzionale pendenza (soglia la pendenza (soglia

all’intensità ventilatoria anaerobica)

compensata)

[La] (lattacidemia)

Nei grafici vengono evidenziati gli andamenti temporali dei seguenti parametri:

a) Ve (ventilazione)

b)

c)

d)

e) Ve/

Tutti questi andamenti evidenziano una discontinuità (punto di rottura); in particolare,

il grafico con Ve in funzione del tempo evidenzia la soglia ventilatoria, confermata

dai punti di flesso di:

1) Produzione di anidride carbonica (l’aumento improvviso della produzione è

causato dal sistema tampone bicarbonato, tramite i chemocettori ossia dei

recettori che regolano il ritmo del respiro)

2) Ve/ (con ritardo leggero causato dall’effetto del tamponamento)

3)

La FC può essere messa in relazione con la velocità (km/h) o con la concentrazione di

lattato ([La], espressa in mg/100ml); se i carichi salgono oltre soglia nella relazione tra

consumo di ossigeno e potenza meccanica si aggiunge una terza fase con

caratteristiche particolari:

- Non è uno stato stazionario (ha una pendenza diversa da esso)

- Compromette la FC

In un grafico ulteriore, la velocità viene messa in relazione con la FC e con la [La];

mediante questo grafico possiamo dedurre 2 velocità importanti ma NON uguali:

a) VSA (velocità di soglia anaerobica)

b) VMA (ritenuta una volta “velocità massima aerobica”, in realtà essendo

determinata non solamente dal sistema aerobico è più opportuno chiamarla

“velocità corrispondente al massimo consumo di ossigeno”)

TEST PER DETERMINARE LA CAPACITA’ E LA SOGLIA ANAEROBICA

La denominazione ufficiale del test è “test della determinazione della potenza critica”.

La potenza critica è quella che io posso mantenere per lunghi periodi di tempo. Sono

sufficienti 3 prove ad esaurimento (“il soggetto deve morirmi sui pedali della

bicicletta”).

1) Il primo test dura 120 secondi ed esprime una potenza di 700 W

2) Il secondo test dura 180 secondi rendendo 500 W

3) Il terzo test dura 360 secondi rendendo 350 W

I test devono avere un periodo di pausa di almeno un ora, per favorire il recupero

endogeno (reset endogeno). Per confrontare i risultati, devo effettuare un grafico che

raffronti il lavoro (kJ) per il tempo di esaurimento; per ottenere il lavoro devo

semplicemente moltiplicare i W per i secondi.

Grosso modo i dati ottenuti sono su di una retta:

(r =0,99)

Il primo test deve essere almeno di un minuto, in quanto sono certo che il soggetto ha

messo in gioco tutta la sua anaerobicità. Con l’ultimo test sono certo che il soggetto

ha raggiunto il suo massimo consumo di ossigeno.

Estrapoliamo la retta dei 3 punti fino all’asse delle Y; il termine “a” (kJ) è la capacità

anaerobica, il termine “b” è la pendenza della retta. Il termine “b” è un rapporto tra kJ

e secondi (kJ/s), quindi è una potenza (W): essa è la cosiddetta “potenza critica”.

Alla fine di un analisi che dura almeno 60 anni, il termine “potenza critica” non è altro

che la soglia anaerobica, per meglio dire la potenza che corrisponde al valore di soglia.

0,18 kJ/s = 180 J/s = 180 W (potenza)

Quindi adesso so che facendo andare il soggetto a 180 W ho la soglia anaerobica; è

chiaro che stiamo parlando di dati meramente meccanici. Il test non è invasivo, l’unico

accorgimento sta nel fatto che veramente il soggetto deve morire sui pedali.

METODI PER LA SOGLIA

I metodi consistono sempre in 3 prove, di cui la prima è nettamente sotto soglia e la

terza è sicuramente sopra soglia. La soglia può essere espressa in percentuale del

massimo di qualsiasi parametro (velocità, frequenza di pedalata, …), ma direttamente

è espressa in concentrazioni di lattato [La]s, metodo invasivo. I metodi sono 4:

- Costruire una linea spezzata con i valori del test

- Costruire una retta con la prima e la terza prova

- Costruire la retta con la prima e la seconda prova

- Costruire una retta con metodo statistico, supponendo che ci sia una relazione

lineare

Questi metodi prendono come esempio la teoria di Mader, secondo la quale la soglia è

pari al valore di 4 mM di lattato. Questa teoria è stata confutata, ma i valori dei test

successivi si aggirano intorno a quel valore.

I critici successivi hanno preso come monito l’aumento di prove nel test; a questo

punto esistono diversi metodi:

- Interpolare i punti con un artificio matematico mediante logaritmo

- Interpolare i punti con un artificio matematico mediante polinomiale di 3 grado

- Interpolare i punti con un artificio matematico mediante esponenziali

Questi grafici ottenuti con questi artifici matematici non hanno alcuna significatività

fisiologica, sono solo soluzioni artificiali (analisi matematiche) per ottenere un dato

preciso. Esiste un ulteriore metodo, di origine tedesca, che si articola su di un tempo di

mezzora circa; il soggetto corre un test incrementale (aumento di velocità) con

misurazione del lattato a frequenza costante. Alla fine dell’esercizio, le misurazioni di

lattato vengono mantenute per altri 10 minuti nella fase di ristoro (sappiamo che il

valore maggiore di lattato si trova dopo la fase di esercizio). Quindi taglio la curva con

una tangente al punto corrispondente allo stesso valore di lattato della fine

dell’esercizio ed ottengo, per esempio, la velocità di soglia.

Un altro metodo, ancora più carino, tira in ballo la geometria euclidea. Con questo

metodo si fanno tre prove di 20 minuti: una decisamente sottomassimale (che prevede

un aumento iniziale di lattato che viene poi metabolizzato e quindi diminuisce), una

decisamente soprasoglia (che prevede un aumento del lattato per tutta la durata

dell’esercizio). Diciamo generalmente che la prima prova viene sostenuta al 60-70%

della VMA, la seconda al 80-90% della VAM; lo scarto della velocità non deve superare

i 2 km/h per poter ottenere una retta.

Se guardo la seconda prova, il delta lattato è positivo (differenza tra lattato misurato al

20’ e lattato misurato al 5’) mentre nella prima prova il delta è negativo. Quindi si

traccia la retta passante per i due punti: il punto che interseca con l’asse 0 è la soglia

anaerobica.

POTENZA DI PICCO E MEDIA NEL TEST DI WINDGATE

Un uomo di 73,3 kg compie un test su cicloergometro MONARK a frenatura meccanica

(73,3 x 0,075 = 5,5 kg). La potenza sviluppata con cicloergometro meccanico è pari a:

Noi misuriamo la frequenza (RPM) ogni 5”, ogni pedalata è pari 6 metri. Faccio

pedalare il signore per 30 secondi ed ogni 5 secondi misuro i giri che ha effettuato

(12,10,8,7,6,5 di giri dopo 5,10,15,20,25 e 30 secondi). Il totale mi da 48 pedalate in

30 secondi, trasformate in distanza mi danno 288 metri.

Andiamo a calcolare la potenza di picco, ovviamente rilevata nei primi 5 secondi: in

realtà è una potenza di picco media sui 5 secondi. Trasformiamo i 5 secondi in minuti

(0,0833 minuti).

Moltiplicando per 9,81 e dividendo per 60 otteniamo la potenza in watt.

Ora dobbiamo calcolare l’indice di fatica:

La potenza minima è agli ultimi secondi:

Calcoliamo quindi la capacità anaerobica che può risultare da questo tipo di test. La

capacità è di fatto una misura di energia, quindi di lavoro:

Quindi è possibile trasformare il tutto in equivalenti di ossigeno.

VAM (velocità aerobica massima)


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Neno88

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze motorie e Sportive
SSD:
A.A.: 2014-2015

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Neno88 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisiologia dello sport e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Foro Italico - Iusm o del prof Scienze Storiche Prof.

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