Validity and reliability of a submaximal cycle ergometer test for estimation of maximal oxygen uptake

Fredagen den 15 december 2017 klockan 09:00 disputerar Frida Björkman i idrottsvetenskap. Avhandlingens titel är "Validity and reliability of a submaximal cycle ergometer test for estimation of maximal oxygen uptake."

Avhandlingen rör kvaliteten på ett submaximalt cykeltest för konditionsberäkning. Vi visar att testet har god validitet och reliabilitet hos barn och vuxna, samt att man med hjälp av testet kan spåra förändringar över tid i kondition.

Opponent är docent Åsa Tornberg, Lunds universitet.

Huvudhandledare är docent Örjan Ekblom, GIH, och bihandledare är Tony Bohman, Karolinska Institutet.

Betygsnämnden består av:Omslag Frida Björkmans avhandling

  • Carl-Johan Sundberg, professor, Karolinska Institutet
  • Ann Bremander, professor, Högskolan i Halmstad
  • Toni Arndt, professor, GIH

Läs mer om Frida Björkman.

Läs avhandlingen i publikationsdatabasen DiVA

Abstract

Läs pressmeddelandet om avhandlingen.

Om avhandlingen

Aerob kondition (aerob kapacitet) är en viktig aspekt för prestationsförmåga, likväl som för hälsa och välbefinnande. Både genetik och träning styr vår kondition, och på befolkningsnivå är det stora individuella skillnader i kondition. De senaste 20–25 åren har sambandet mellan kondition och olika typer av ohälsa och sjukdom blivit allt mer vedertaget. Därmed har även intresset för att mätning och klassificering av aerob kapacitet ökat.

Ett sätt att bedöma graden av kondition är att mäta maximal syreupptagningsförmåga (VO2max). En direkt mätning av VO2max hos en individ görs med laboratorieapparatur, under en maximal fysisk insats i en arbetsform som involverar stora delar av muskelmassan (ex. löpning, skidåkning eller cykling).

I många praktiska sammanhang är det inte lämpliga eller möjliga att genomföra direkta mätningar av VO2max. Därför har det utvecklats ett antal olika submaximala tester för att estimera VO2max. Dessa tester kan till exempel utföras i form av gång-test, step-test eller test på cykelergometer. Många av dessa tester bygger baseras på en observerad hjärtfrekvens vid en viss given arbetsbelastning, och en känd relation mellan hjärtfrekvens och syreupptagning (VO2).

För att ett submaximalt cykeltest ska kunna användas på ett givande sätt krävs det att testets validitet och reliabilitet är känd. Det är inte ovanligt att tester används på ett sätt som är utanför det vetenskapligt beprövade området.

Till exempel är det till stor del okänt huruvida en förändring i VO2max kan detekteras med hjälp av submaximala cykeltest. Ett submaximalt test kan exempelvis komma att användas i större longitudinella studier eller vid upprepade hälsokontroller på vårdcentraler och inom företagshälsovården. Tidigare forskning har visat att det populära Åstrandtestet har låg precision när det gäller att följa en förändring i VO2max.

Vidare är det av intresse att undersöka om ett submaximalt arbetsprov utformat för vuxna även kan vara användbart på barn och ungdomar. God kondition är viktigt redan i unga år, och det är således intressant att enkelt kunna bedöma den aeroba kapaciteten även hos yngre individer.

Däremot är det inte alltid lämpligt att direkt applicera ett test för vuxna på barn och ungdomar, på grund av vissa skillnader i cirkulatorisk respons till arbete. Således kan ett icke-korrigerat test för vuxna ge en större felskattning vid användning på barn och ungdomar.

Sammanfattningsvis kan sägas att det finns ett stort behov av enkla och icke-maximala mätningar av aerob kondition, samtidigt som forskningen gällande validitet och reliabilitet i olika grupper av befolkningen relativt bristfällig. Ett test har sällan överlägsen validitet i alla olika grupper, sett till exempelvis ålder, träningsgrad, olika sjukdomar och medicineringar, med mera. Syftet med föreliggande avhandling är att utveckla ett nytt submaximalt cykeltest för estimering av VO2max, samt undersöka testets validitet och reliabilitet i olika grupper.

Avhandlingen har fokuserat på följande punkter:

  • att utveckla och validering av ett nytt submaximalt cykeltest för bestämning av kondition – VO2max – hos vuxna (studie I och II), 
  • att vidareutveckla beräkningsmodellerna för skattning av VO2max hos vuxna (delstudie II) samt hos barn och ungdomar (studie IV),
  • att undersöka huruvida ett submaximalt cykeltest kan användas för att skatta förändring i VO2max (studie III).

I studie I presenterades ett nytt submaximalt cykeltest för estimering av VO2max, Ekblom-Bak testet (EB-testet). Män och kvinnor i blandade åldrar (n = 143) genomförde ett submaximalt cykeltest, och ett stegrande maximalt test på löpband för direkt bestämning VO2max. Testerna genomfördes vid två tillfällen, med en veckas mellanrum.

Resultaten visade att VO2max kunde estimeras med god precision på gruppnivå, och med rimligt god precision på individnivå. Däremot ökade prediktionsfelet med ökad kondition: de med låg kondition överskattades (främst män) och de med hög kondition underskattades. Reliabilitetsanalys visade att det inte var någon signifikant skillnad mellan resultaten från det första och andra testtillfälle, vilket gör det möjligt att använda EB-testet utan att utföra något förtest eller tillvänjningstillfälle.

Delstudie II genomfördes med samma metod och procedur som studie I, med de rekryterade försökspersonerna hämtades främst ur grupper utanför testets tidigare valida spann. Den utbyggda modellgruppen utgjordes av 217 försökspersoner. Vidare genomfördes även en korsvalidering (n = 115) av de vidareutvecklade och könsspecifika beräkningsmodellerna. Försökspersonerna i korsvalideringsgruppen genomförde först ett EB-test för estimering av VO2max, och därefter ett maximalt löpbandstest för bestämning VO2max.

I studie III gjordes uppföljningstester på 35 försökspersoner som hade genomfört ett EB-test och ett maximalt test 5–8 år tidigare. Analyser gjordes av samstämmigheten mellan förändringar i estimerat och uppmätt VO2max. Resultaten visade att förändringarna korrelerade till hög grad och att felskattningarna på individnivå var begränsade.

I den avslutande delstudien fick pojkar och flickor i åldrarna 10–15 år utföra ett EB-test och ett maximalt test på löpband för direkt mätning av VO2max. Testerna genomfördes vid två olika testtillfällen med en veckas mellanrum. För att studera om validiteten var kopplad till biologisk mognad så genomfördes även en läkarundersökning med bestämning av pubertal mognadsgrad, enligt Tannerskalans olika steg. Resultaten visade att EB-testet har rimlig validitet hos barn före och under puberteten, samt att precisionen ökar när prepubertala pojkar analyseras med den ekvation som är framtagen för kvinnor.

Abstract

Maximal oxygen uptake (VO2max) is the highest obtained rate of oxygen consumption during a physically intense dynamic whole-body activity. VO2max is an important factor for many types of physical performance, as well as a strong independent predictor of health and longevity.

Thus, it is important to have accurate and precise methods for assessment of VO2max. A direct measurement of VO2max is often conducted via indirect calorimetry during maximal exercise. The demand for maximal effort from an individual, along with the need for laboratory equipment, makes direct measurements unsuitable in the general, non-athlete population. There are also a number of contraindications that limit the possibility to conduct direct measurements of VO2max in many settings. Instead, several other exercise tests have been developed in order to facilitate the procedure of determination and evaluation of cardiorespiratory fitness in different populations. These tests can be either of submaximal or maximal character. Commonly used work modes are stepping, walking, and cycling.

The overall aim of this thesis was to describe the background to, and the development of, submaximal cycle ergometer tests for estimation of VO2max. The present thesis focuses on the validity and reliability of a new submaximal cycle ergometer test – the Ekblom-Bak test (EB test).

The first study described the test procedure for the new cycle ergometer test and the creation of an accompanying mathematical model (prediction equation) for estimation of VO2max. The development of the test and its associated prediction equation was continued in study II, while it was further validated in adults and adolescents in study II and IV. Study III examined the ability to use a submaximal cycle ergometer test in order to detect changes in VO2max over time. The EB test comprises of 8 minutes of continuous cycling – 4 minutes at 0.5 kp, followed by 4 minutes at a higher, individually chosen work rate – with a pedalling rate of 60 revolutions per minute. The test measures the change in HR (ΔHR) between the two different work rates (ΔPO), and the variable ΔHR/ΔPO was obtained and linked to measured VO2max.

In study I, the validity and reliability of the EB test and the associated prediction equation was tested in a mixed population with regard to sex, age, and physical activity status. The subjects performed repeated submaximal cycle ergometer tests and maximal running tests for direct determination of VO2max (reference value). There was a strong correlation between estimated and measured VO2max, with an adjusted R2 of 0.82 and a corresponding coefficient of variation (CV) of 9.3%. Although there was a relatively high precision in the estimation of VO2max by the prediction equation, it was evident that individuals with high VO2max were underestimated and individuals with low VO2max were overestimated. This issue was further addressed in study II.

In study II, the size of the study population was increased, in order to broaden the valid range and evaluate the use of sex-specific prediction equations. The estimation error was slightly decreased, and the sex-specific prediction equations resulted in an adjusted R2 of 0.91 and a CV of 8.7% in the whole group. The new models were also evaluated in a cross-validation group, where the adjusted R2 was 0.90 and CV 9.4%.

The relation between the estimation error and changes in VO2max over time was investigated in study III. Follow-up tests were conducted in 35 subjects, in order to examine the conformity between changes in measured and estimated VO2max over a timespan of 5 to 8 years. Results showed a moderate correlation between change in measured VO2max and change in estimated VO2max (r = 0.75). Changes in body mass or changes in work efficiency did not relate to the change in assessment error.

In study IV, the aim was to determine the applicability and validity of the EB test in pre-pubertal and pubertal adolescents. Medical examinations and assessment of sexual maturity (according to the stages of Tanner) were performed in addition to the physical tests. The included subjects (n = 50) were 10 to 15 years old and in Tanner stages I–IV.

The measurement error (the difference between measured and estimated VO2max) was related to maturity in boys, but not in girls. The measurement error decreased for the whole group when the equation developed for women was used for the boys in Tanner I and II. This modification in the calculations of VO2max resulted in an adjusted R2 of 0.83 and SEE 0.23 L/min. Hence, the most accurate prediction of VO2max from the EB test is generated if the test result is accompanied by ratings of sexual maturity in adolescents. Analysis of the test-retest values showed no significant change in estimated VO2max from repeated tests within two weeks of each other.

In summary, the EB test proved to be a reliable and valid test throughout a wide range of ages (20 to 85 years) and fitness levels (1.33 to 3.94 L/min in women, and 1.67 to 5.97 L/min in men). The test was also found to be useful and reasonably valid for determination of VO2max in pre-pubertal and pubertal adolescents, preferably after adjustment for sexual maturity status in boys. Furthermore, it was shown that the EB test captured fairly well an actual change in VO2max during a period of 5 to 8 years. However, it is still unknown whether the test has an acceptable sensitivity for detection of a training-induced increase in VO2max. Further studies are needed to evaluate if the test can be used in diseased individuals with or without different medications. The EB test can be used in health related clinical settings, sports and fitness clubs.

Adress till denna sida: www.gih.se/disputationFRBJ