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 testing（CPET）能够整合高强度运动期间关键参与的多个生物系统的反应，从而提供全面的评估。

然而，尽管心肺运动试验中的气体代谢分析被广泛视为评估CPET的金标准，但它无法捕捉肌肉层面发生的代谢变化。这些变化对于理解耐力运动员在高强度运动中无法持续进步的生理限制因素至关重要。在此背景下，近红外光谱技术（NIRS）已成为运动科学中一种有价值的工具，有助于分析肌肉微血管水平的血流动力学变量⁷。

近年来，运动专业人员和研究人员使用了多种配备近红外光谱（NIRS）技术的商用可穿戴设备，以探索运动过程中肌肉的非侵入性变化，并利用该技术确定第一通气阈值（VT1）和第二通气阈值（VT2）⁸。因此，结合NIRS与 cardiopulmonary exercise testing（CPET）的数据进行整合分析，可全面深入地理解机体对运动的生理反应。

近红外光谱技术（NIRS）利用修正的比尔-朗伯定律来量化运动过程中氧合血红蛋白（O₂-Hb）和脱氧血红蛋白（H-Hb）浓度的变化（D）⁷。在局部组织水平上，O₂-Hb的减少反映了局部代谢需求的增加，而H-Hb的增加则反映了氧提取的增强。总血红蛋白（tHb）是O₂-Hb与H-Hb之和，可作为局部组织血流量的指标。相反，O₂-Hb与H-Hb之间的差值（Hb_diff）可反映组织氧提取程度⁹。组织饱和度指数（TSI）定义为O₂-Hb与tHb的比值，反映组织的氧饱和水平，指示局部氧输送与摄取之间的平衡状态^10,11。因此，NIRS数据可提供关于微血管水平生理状态的重要信息，有助于深入理解组织氧合与血流动力学，从而补充 cardiopulmonary exercise testing（CPET）所获得的信息。

近红外光谱技术（NIRS）提供的这一深入理解可延伸至多种实际应用。近期研究凸显了NIRS的多功能性，并展示了其在监测呼吸^12,13和运动肌肉⁷，以及参与运动意图相关脑区（如前额叶皮层（PFC））中的实际应用^14,15。这种广泛的适用性凸显了NIRS在全面揭示生理反应方面的潜力，适用于各种类型的肌肉收缩（向心收缩、离心收缩或等长收缩）及运动过程。

通过分析运动诱导的肌肉和大脑水平的DTSI，近红外光谱技术（NIRS）在识别影响运动能力进展的外周与中枢限制因素之间的关联方面展现出重要的潜在价值^16,17。例如，在中枢限制因素中，高强度运动期间由于无氧代谢导致氢离子水平升高以及血液乳酸增加，引发代偿性过度通气，进而引起脑血管收缩，导致脑血流量减少，这是前额叶皮层TSI下降的重要原因^17,18。相比之下，外周限制因素则表现为运动肌群中氧气供应与需求之间的失衡¹⁹。局部氧气输送减少和氧气消耗增加可导致组织脱氧，表现为TSI降低²⁰。这一区别凸显了高强度运动中表现受限的多因素本质，其中中枢和外周机制均至关重要。这一认识提示，延迟这些限制因素在运动过程中的出现可能有助于提升运动表现。

为了充分挖掘近红外光谱（NIRS）技术在识别这些限制因素方面的潜力，必须建立标准化的操作流程，以确保高质量的数据采集与分析。本文档概述了利用NIRS技术进行最大耐力运动测试的方法，用于收集生理数据，并阐明耐力运动员在高强度运动期间中心性与外周性限制因素之间的关系。所提出的方案提供了一种标准化的方法，以确保对这些限制因素背后生理现象的评估具有一致性和准确性。

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。
      注意：建议在将任何设备放置于受试者皮肤之前彻底洗手，以防止潜在污染。建议佩戴手套，因为这可以进一步降低污染风险。
   5. 当所有可穿戴设备正确放置于受试者皮肤上后（参见第1.2节），使用一层弹性治疗胶带将其固定。如需额外固定，可使用深色弹性绷带包裹，注意避免过度压迫而影响测量结果（压力应低于常规血压计测得的25 mm Hg毛细血管闭合压）。
   6. 用黑色布料覆盖所有可穿戴设备，以防止环境光透入。如果无法用布料覆盖该区域（约6 cm²使用黑色弹性治疗胶带阻挡环境光。
2. NIRS设备放置
   注意：确保近红外光谱可穿戴设备放置在合适位置，以便 开/关 且设置按钮易于操作。
   1. 前额叶皮层：将NIRS探头置于受试者左侧或右侧背外侧前额叶皮层，位置约在眉弓上方10 mm处，类似于改良国际EEG 10-20系统中的Fp1电极放置位置。²¹.
   2. 肋间肌：将 NIRS 探头置于 7^th 右侧腋前线肋间隙^22,23,24如果由于某种原因无法将其放置于右侧胸廓，则可将其置于左侧胸廓，但心率信号在左侧可能更为明显。
      1. 为确认近红外光谱（NIRS）的穿透深度，使用B型超声检查以验证从皮下组织至目标组织外缘的距离 肋间肌. 用于测量 肋间肌确保皮肤与肌肉之间的距离小于15 mm。
   3. 股外侧肌：将NIRS探头置于髌骨上缘与股骨大转子连线中点的假想线外侧5 cm处^24,25,26.
      1. 为确保皮下脂肪厚度（ATT）不会影响近红外光谱（NIRS）信号的采集，需测量皮肤褶厚度，以确认NIRS的穿透深度²⁷. 用于测量 股外侧肌确保ATT小于20 mm。
3. NIRS 软件设置
   1. 所有近红外光谱可穿戴设备正确放置后（见第1.2节），在开始测量前将其开启。
   2. 启动制造商提供的数据采集软件，创建新文件，并连接近红外光谱可穿戴设备。
   3. 所有近红外光谱可穿戴设备成功连接后，将采样频率设置为10 Hz，用于被测组织的数据采集和模数转换。对于前额叶皮层的测量，应根据每位参与者的年龄依赖性微分路径长度因子（DPF）调整DPF参数。²⁸对于肌肉测量，将差分路径长度因子（DPF）设为4，该数值已在以往以运动员为研究对象的实验方案中使用。^29,30.

2. 代谢当量测定仪的校准与设置

1. 容积校准
   1. 打开制造商提供的气体代谢分析仪软件，开始校准过程。
   2. 将流量计连接至带有注射器适配器的 28 mm 涡轮装置。将一根波纹管连接至注射器适配器，另一端连接至 3 L 校准注射器。
   3. 执行六次抽吸/推注操作，保持恒定的流速。完成后，软件将自动确认校准测试是否通过。
2. 气体校准
   注意：在开始气体校准前，请确保已完成流量校准。
   1. 空气校准
      1. 确保气体分析仪的采样管已从校准端口断开并自由悬垂。然后，启动校准程序。
      2. 在校准过程中，由于氧气（O₂）和二氧化碳（CO₂）浓度无明显变化（小于 5%），会观察到一条稳定的基线。空气校准成功完成后，继续进行代谢气体校准。
   2. 代谢气体校准
      1. 打开气体阀门，并通过检查压力计确认系统已获得足够的压力（具体操作请参考制造商说明）。
      2. 将采样管连接至校准端口，并启动校准程序。根据制造商建议，在开始校准前进行 3 分钟的预热。
      3. 若操作正确，在 3 分钟预热期结束后，应观察到两条平稳的基线：一条在室内空气浓度之间波动（约 21.00% O₂ 和 0.04% CO₂），另一条在校准气体浓度之间波动（16.00% O₂ 和 5.00% CO₂）。
      4. 最后，将采样管从校准端口断开，并连接至即将用于测试的咬嘴。

3. 心电图电极放置（12导联）

1. 必要时，使用去角质霜对电极放置部位的皮肤进行去角质处理，并剃除毛发。用酒精棉片清洁该区域，以去除任何表层组织残留物。
2. 按照以下方式放置心电图电极³¹:
   1. 将双极导联（肢体导联电极）按如下位置放置：左臂（LA）：左侧锁骨下窝；右臂（RA）：右侧锁骨下窝；左腿（LL）：左股骨头前方投影处；右腿（RL）：右股骨头前方投影处。
   2. 将胸导联电极放置如下：V1：第4^th 胸骨右侧的肋间隙；V2：4^th 胸骨左侧第4肋间（与V1导联位置平齐）；V3：位于V2与V4导联连线的中点；V4：第5^th V4位于锁骨中线的第5肋间；V5位于与V4同一水平的腋前线；V6位于与V4和V5同一水平的腋中线。

4. 递增性最大运动试验（心肺运动试验，CPET）

1. 让受试者坐在自行车上，确保座椅和车把已根据其身高调整至最佳舒适度和姿势。
   注意：建议将座椅高度设置为在腿部完全伸展时膝盖略微弯曲³²。车把的位置应允许肘部轻微弯曲。
2. 将脉搏血氧仪连接到受试者的耳垂上，使用酒精棉片擦拭清洁耳垂部位以确保接触良好。
3. 向受试者说明实验流程，并指导其在测试前、测试中及测试后均通过面罩呼吸。
   注意：受试者佩戴面罩期间必须避免说话或吹口哨，因为这可能影响运动肺功能仪的读数³³。
4. 当受试者就位并准备就绪后，让其伸直右腿，静息 2 分钟后开始测试（初始静息阶段）。随后以 80–100 rpm 的踏频进行 6 分钟的骑行热身，女性负荷为 0.6 W·kg^-1，男性为 0.8 W·kg^-1（热身阶段）。之后，女性以 20 W·min^-¹、男性以 25 W·min^-¹ 的速率递增负荷，直至受试者达到力竭状态（运动阶段）。
5. 完成运动阶段后，指示受试者保持静止，并继续通过面罩呼吸 3 分钟（冷身或恢复阶段）。
6. 运动测试协议结束后，小心地从耳垂取下脉搏血氧仪，移除面罩、全部三个近红外光谱可穿戴设备以及心电图电极。
   注意：维持实验室环境条件（例如空气温度约 20 ± 2 °C，相对湿度约 40% ± 5%）是一项关键标准。部分受试者出汗率较高，会影响设备在皮肤上的固定，并干扰近红外光谱数据的采集。使用通风设备有助于通过减少出汗来改善体温调节。

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