Aerobic Capacity and Cardiorespiratory Reference Data in Healthy Adults: Cross-sectional descriptions, associations and predictive equations for key physiological variables

Abstract

SAMMENDRAG Hovedmålene i denne avhandlingen var å etablere et referanse materiale på fysiologiske nøkkelvariabler for friske voksne, og å utvikle modeller for å predikere peak oksygen opptak (VO2peak). Dette er det største direkte målte Europeiske referansematerialet bestående av aerob kapasitet og kardiorespiratoriske variabler som oksygen opptak (VO2), oksygen puls (O2-puls), minutt ventilasjon (VE), tidevolum (VT) og ventilatorisk effektivitet (EqVCO2). Variablene ble registrert ved to submaksimale og maksimal eller peak arbeidsbelastning på tredemølle. Videre etablerte vi plassering av ventilatorisk anaerob terskel (VThan) og respiratorisk kompensasjonspunkt (RCP) relativt til VO2. All data er hentet fra Helseundersøkelsen i Nord-Trøndelag (The HUNT3 Fitness Study (2006-2008)), og inneholder direkte målinger av peak oksygenopptak på 4631 friske menn og kvinner (20-90 år). Dette materialet er unikt ved at det inneholder deskriptive data på et stort utvalg av fysiologiske nøkkelvariabler og assosiasjoner mellom dem. Vårt stor datamateriale gir robuste analyser selv ved deling i grupper av kjønn, alder og VO2max/peak. Flere av de inkluderte variablene (VO2max/peak, peak EqVCO2, peak O2-puls og VThan) har også prognostisk verdi i forhold til morbiditet og mortalitet, og måles mest presist ved en individuell maksimal ergo spirometri test. Men dette er kostbart, tidkrevende og krever trent personell. Alternativt kan man bruke referanseverdier basert på data fra store befolkningsgrupper, slik som The HUNT3 Fitness Study. Allikevel vil bruk av prediksjonsmodeller, basert på surrogat variabler (f.eks. tredemøllehastighet, prosent motbakke, vekt og alder), gi et mer presis individuelt estimat. Vi utviklet prediksjonsmodeller for en rekke fysiologiske nøkkelvariabler (f.eks. VO2peak, O2-pulse, EqVCO2VThan, VThan, peak VT) basert på data fra et stort antall mennesker, fra mange aldersgrupper med store ulikheter i VO2peak, noe som gir modellene høy grad av anvendbarhet. Våre VO2peak og peak O2-puls modeller er spesielt godt egnet for allmenn bruk grunnet en rimelig god prediksjonsnøyaktighet og forklart varians. Veloverveid og riktig bruk av disse modellene kan gi nyttig informasjon ved å gi et røft individuelt estimat av viktige fysiologiske variabler, og ved mulig forbedret risk inndeling.

SUMMARY The primary objectives in the present thesis were to establish a reference material on key physiological variables in healthy adults and to develop models for the prediction of peak oxygen uptake (VO2peak). We provide the largest European reference material of objectively measured aerobic capacity and cardiorespiratory variables such as oxygen uptake (VO2), oxygen pulse (O2-pulse), ventilation (VE), tidal volume (VT) and ventilatory efficiency (EqVCO2), with variables registered at two submaximal and maximal or peak treadmill workloads. Furthermore, we established the location of ventilatory anaerobic threshold (VThan) and respiratory compensation point (RCP) relative to VO2. All data originate from the third wave of the Nord-Trøndelag Health Study (the HUNT3 Fitness Study, a sub-study of the HUNT3 (2006-2008)), including a cardiopulmonary exercise test (CPET) from 4,631 healthy men and women (20-90 years). This material is unique in containing descriptive analysis on a wide selection of vital physiological variables, as well as presenting an association between them. Additionally, our large sample population ensures a robust analysis even when stratified into subgroups of sex, age and VO2max/peak. Several of the included variables (i.e. VO2max/peak, peak EqVCO2, peak O2-pulse and VThan) hold prognostic capability for adverse health effects and all-cause mortality. The most accurate assessment of these risk predictive variables is through an individual CPET to volitional exhaustion. However, it is costly, time consuming, and necessitates trained personnel. Alternatively, one could rely on reference materials derived from large and diverse population samples, such as the present sample. However, utilizing prediction models derived from surrogate measurement (e.g. treadmill velocity and inclination, weight, age) enables a more accurate individual assessment. We developed prediction models on several key physiological variables (e.g. VO2peak, O2-pulse, EqVCO2VThan, VThan, peak VT) derived from a large population with great diversity in both age and VO2peak levels, which make them suitable for widespread applicability. Our VO2peak and peak O2-pulse models are particularly apt for general use, given their fair predictive accuracy and explanatory power. Judicious and proper implementation of these models could provide valuable information in a rough individual assessment of key physiological variables, and with potentially improved risk stratification.