使用近红外光谱可穿戴设备识别运动过程中的中枢与外周限制

摘要

本方案结合近红外光谱技术（NIRS），用于评估心肺运动测试期间前额叶皮层、呼吸肌（m.Intercostales）和运动肌（m.Vastus Lateralis）部位的局部血液学及氧合状态变化，从而识别影响运动表现的中枢性和外周性限制因素。

摘要

评估身体活动人群和运动员有氧能力的金标准是最大摄氧量测试（VO_2–max），该测试通过在递增负荷运动期间使用运动心肺仪，采用逐次呼吸法分析呼出气体及心肺功能变量。然而，该方法无法阐明肌肉层面的代谢变化。近红外光谱技术（NIRS）作为一种有价值的工具，可通过定量组织微血管中氧合血红蛋白（O₂-Hb）和脱氧血红蛋白（H-Hb）的浓度，来评估局部氧合水平（组织饱和度指数，TSI）。NIRS的应用已扩展至呼吸肌和运动肌，分别用于评估与呼吸做功代价（COB）和外周负荷相关的代谢变化。此外，研究还利用NIRS技术探索大脑区域（如前额叶皮层），以评估与运动任务规划或构想等认知需求相关的生理变化，这些认知需求与运动表现密切相关。因此，通过分析运动诱导的O₂-Hb、H-Hb和TSI的变化（D），可以识别中枢性和外周性运动限制因素，尤其是在耐力训练为主要体能构成要素的运动项目中（例如跑步、自行车、铁人三项等）。明确这些因素对于教练员和运动生理学家优化运动员表现至关重要，有助于制定针对主要运动限制因素的训练策略。本研究提出了一项利用配备NIRS技术的可穿戴设备的实验方案，用于同步分析TSI、O₂-Hb和H-Hb在运动中的变化，以及在运动员进行VO_2–max测试时通常记录的心肺功能变量。该方法为全面识别影响运动能力提升及运动终止的主要生理系统提供了有效途径。

引言

耐力运动员依赖于氧气输送与摄取之间的高效平衡，以维持高强度运动并提升运动表现^1,2。最大摄氧量测试（VO_2-max）是一种重要的生理学评估方法，通过分析递增负荷运动过程中的呼出气体及心肺功能变量来评定运动能力¹。该评估又称作运动肺量测定法或心肺运动测试（CPET），可反映心血管系统、呼吸系统和肌肉系统对运动的反应³。在此基础上，呼吸所增加的能量消耗，即呼吸功耗（COB），会提高周围组织对营养物质和氧气的需求。已有研究指出，这一现象可能减少参与主动运动的肌肉的血流量，导致机体对体力活动的耐受性下降，并因代谢反射而提前终止运动进程⁴。

在进行 VO_2–max 测试时，还可以识别通气阈值（VTs），这些阈值对应于从有氧代谢向无氧代谢过渡的特定运动强度（有氧阈值或通气阈值1 [VT1]，以及无氧阈值或呼吸代偿点 [RCP] 或通气阈值2 [VT2]）⁵。通气阈值反映了机体为补偿递增运动过程中代谢变化而产生的通气反应⁶。通过识别这些阈值， cardiopulmonary exercise t....

方案

该方案已获得智利天主教大学机构审查委员会批准（项目编号º 210525001 和 220608010），研究实施遵循《赫尔辛基宣言》。所有参与者在参加所述测试前均签署了书面知情同意书。

1. NIRS可穿戴设备的放置与设置

注意：可使用多种近红外光谱可穿戴设备及数据采集软件。研究人员应仔细查阅制造商提供的说明书和指南，以确保正确设置和使用设备。本研究采用使用连续波记录近红外光谱信号的设备。这些商用设备操作简便，但仅能检测相对于参考状态或基线阶段的光衰减变化，无法检测绝对浓度，而采用时间域记录近红外光谱的其他设备则可检测绝对浓度。

1. NIRS可穿戴设备准备及一般放置指南
   1. 在放置设备并开始测量之前，确保所有可穿戴设备均已充满电。
      注意：本研究中使用的设备，制造商报告称，充满电的电池可连续记录6–8小时。
   2. 在所有可穿戴设备上粘贴双面胶带，以将其固定在受试者皮肤上，确保胶带不会遮挡光源发射器和探测器。
   3. 用一层保鲜膜覆盖所有可穿戴设备，然后再覆盖一层防水粘性敷料，以防止汗液侵蚀。
   4. 在放置设备之前，使用酒精棉片清洁目标区域，以去除可能干扰信号记录的残留物（如乳霜、化妆品等）。如有必要，剃除目标部位周围的毛发，因为毛发可能干扰近红外光谱信号。

结果

在完成心肺运动试验（CPET）期间，所有受试者均报告出现呼吸困难、腿部疲劳及自感用力程度（RPE）。联合使用近红外光谱（NIRS）设备并未增加受试者在感觉评估中的任何不适。此外，我们未因与过度生理应激相关的任何风险事件而中止CPET评估。

我们研究了两名来自国家自行车俱乐部的男性竞技自行车运动员。本研究的纳入标准为身体活动量达到一定水平的参与者（每周至少进行150分钟中等强度或至少75分钟高强度体力活动），且体重指数正常（20–25 kg·m^-2）。排除标准包括：有呼吸系统、心血管系统、代谢性、肌肉骨骼系统或肿瘤性疾病病史，或在研究评估前至少2周内存在感染或炎症过程。

通过完成 cardiopulmonary exercise testing（CPET），并使用配备近红外光谱技术（NIRS）的设备无创记录由运动强度增加所引起的代谢变化导致的血流动力学和组织氧合变化，可以识别与脑区变化相关的中心限制因素，以及与呼吸系统或肌肉骨骼系统对运动强度增加反应相关的外周限制因素。该测试方案包括一系列步骤，如受试者准备.......

讨论

鉴于近红外光谱（NIRS）技术已证实可用于评估大脑和肌肉区域的微血管血流动力学，具有良好的有效性和可靠性，因此将NIRS可穿戴设备作为心肺运动试验（CPET）的补充工具，用于评估运动员表现并识别有氧或耐力运动员的中枢性和外周性运动限制因素，具有重要意义^37,38。然而，为了最大限度地发挥该技术的优势，必须考虑若干因素，以确保测量结果的准确性。

近红外光谱（NIRS）可穿戴设备放置的一般原则包括根据目标组织调整设备位置，并确保设备牢固地贴附于受试者皮肤，因为在运动过程中发生的移动可能会影响NIRS信号（产生伪影）⁷。为实现有效测量，设备应与皮肤完全接触，并使用双面胶带固定，确保光源发射器和探测器未被遮挡。为增强稳定性，可在设备外部覆盖弹性治疗胶带。当设备置于运动过程中会主动参与的肢体部位（如股外侧肌 m.Vastus Lateralis）时，可使用弹性绷带缠绕以在骑行等活动中提供额外固定。然而，必须避免.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
柱式体重秤	SECA	711	该产品有多种替代选择
便携式身高测量仪	SECA	217	该产品有多种替代选择
12导联心电图仪	COSMED	Quark T12x	12导联心电图可更全面地了解运动期间的心率情况，并有助于心律失常的检测。
脉搏血氧仪	COSMED		集成式脉搏血氧仪
心肺功能测试仪	COSMED	Quark-CPET	包含校准气体和校准注射器
功率车	Ergoline GmH	ViaSprint 150P	该产品有多种替代选择。必须确保与所提供软件的兼容性
近红外光谱可穿戴设备	Artinis Medical Systems	Portalite	关节式近红外光谱可穿戴设备可贴合其放置表面。
近红外光谱可穿戴设备	Artinis Medical Systems	Portamon	Portamon设备在高脂肪组织表面可提供更优的测量结果。
代谢数据管理软件（OMNIA）	COSMED		软件将根据系统选择而有所不同
近红外光谱数据管理软件（Oxysoft）	Artinis Medical Systems		软件将根据设备选择而有所不同
无线探头型超声扫描仪	SONUS	Duo LC	该产品有多种替代选择