Name: 使用近红外光谱可穿戴设备识别运动期间的中枢限制与外周限制 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-12-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 33 s
Description: 了解如何使用近红外光谱可穿戴设备在运动心肺功能测试中识别中枢限制与外周限制。该方法通过监测前额叶皮层和肌肉氧合变化，为优化运动训练和康复提供新途径。

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我们感谢本研究的所有参与者以及实验生理学实验室的技术人员，感谢他们在实验室测量工作中提供的支持。作者FC-B和ME-R的研究工作部分得到了第三、第四和第五研究项目的支持。 &amp;#38；智利天主教大学医学院健康科学学院创新竞赛&#160;作者 RC-C 受到由 2023 年度常规研究项目竞争资助的项目（项目编号：LPR23-17）资助，该项目由 Universidad Tecnológica Metropolitana 提供支持。

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&#186; 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。

<ol>
	<li>NIRS可穿戴设备准备及一般放置指南
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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）。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>肋间肌：将 NIRS 探头置于 7th 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。
		<ol>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>NIRS 软件设置
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 代谢当量测定仪的校准与设置
<ol>
	<li>容积校准
	<ol>
		<li>打开制造商提供的气体代谢分析仪软件，开始校准过程。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>气体校准 
	注意：在开始气体校准前，请确保已完成流量校准。
	<ol>
		<li>空气校准
		<ol>
			<li>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。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>代谢气体校准
		<ol>
			<li>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）。</li>
			<li>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。</li>
			<li>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）。</li>
			<li>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。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 心电图电极放置（12导联）
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>按照以下方式放置心电图电极31:
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>将胸导联电极放置如下：V1：第4th 胸骨右侧的肋间隙；V2：4th 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5th 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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 递增性最大运动试验（心肺运动试验，CPET）
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

作者声明无利益冲突。

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，必须避免对NIRS光学探头周围施加过度压迫，因为这可能改变局部血流，进而影响NIRS测量结果的准确性（压力不应超过毛细血管灌注压，约25 mm Hg）7。建议覆盖在NIRS设备上的任何胶带或绷带均应为黑色，以防止环境光干扰39,40。&#160;此外，测试环境中调暗照明可最大限度减少对NIRS信号准确性的潜在干扰。
尽管设备的正确放置和固定至关重要，&#160;但同样重要的是需考虑可能影响近红外光谱（NIRS）测量结果的个体解剖学特征。其中一个主要局限在于，NIRS测量的准确性可能受到脂肪组织厚度（ATT）等因素的影响41,42。NIRS的最大穿透深度约为光源与探测器之间距离的一半43。随着ATT增加，来自深层骨骼肌的NIRS信号比例会降低11。这种信号贡献的减少会导致氧合血红蛋白（O2-Hb）、脱氧血红蛋白（H-Hb）及其他发色团的检测水平下降42。因此，建议测量ATT，以确保光能够充分穿透至肌肉组织。可使用卡尺或超声设备进行测量，这两种方法均可准确评估运动员的身体成分；但后者准确性更高，可能更受推荐44。
除了组织光学衰减系数（ATT）外，近红外光谱（NIRS）测量的准确性还受到差分路径长度因子（DPF）的影响，该因子用于通过修正的比尔-朗伯定律计算O2–Hb和H–Hb的浓度45。大多数商用NIRS设备采用连续波系统，以恒定强度发射光，并假设DPF为常数11。然而，DPF并非固定值，其会因个体解剖学差异（包括颅骨和ATT）而变化41,46。此外，个体间DPF的变异性以及性别间解剖特征的差异（如骨骼、肌肉质量和脂肪组织分布的不同）也可能影响测量的准确性28。由于假设DPF恒定，这些设备只能测量O2-Hb和H-Hb相对于基线的相对变化，而无法提供绝对值11。因此，尽管NIRS技术在监测组织氧合趋势方面具有重要价值，但在解读这些测量结果时必须谨慎。未来的研究应着重于开发准确估算脑组织和肌肉组织中DPF的方法。在现阶段，建议在研究中记录所使用的DPF数值，以提高结果的可重复性。
另一个可能影响近红外光谱（NIRS）测量的解剖学特征是皮肤黑色素浓度。黑色素与血红蛋白一样，是皮肤中的主要发色团47。皮肤色素较深的个体具有更大且更密集的黑色素体，可能导致光吸收增加，从而引起信号衰减加剧7。检测到的信号强度取决于发色团对光的吸收、组织的光散射特性以及光源与探测器之间的距离47。因此，较高的黑色素浓度可能干扰NIRS信号质量，导致组织氧饱和度读数降低，尤其是在肌肉层面48,49。为了校正这些差异并提高NIRS数据在不同人群中的可解释性，建议使用Fitzpatrick皮肤类型分类法报告皮肤色素沉着情况7。
关于本方案在运动处方中的适用性，近红外光谱（NIRS）技术主要用于评估耐力运动期间的肌肉代谢，特别是在以底物氧化作为ATP再合成主要能量来源的运动方案中。目前关于其在抗阻训练中应用的证据较为有限，但文献综述表明，力量训练对组织饱和度指数（TSI）的急性影响取决于肌肉纤维的组成。具体而言，在相同运动强度下，Ⅰ型肌纤维比例较高的肌肉（如股外侧肌 m.Vastus Lateralis）相较于其他肌群表现出更大的ΔTSI。然而，由于现有研究方法存在较大异质性，限制了研究结果的普遍适用性。本研究的初步结果，以及未来标准化方案的发表，将有助于推动该技术在不同情境下用于运动强度处方的更广泛应用50。
总之，近红外光谱（NIRS）可穿戴设备代表了在运动过程中无创监测微血管水平血流动力学反应的重要进展，可补充 cardiopulmonary exercise testing（CPET）所评估的心肺变量。与侵入性方法不同，NIRS 能够在不干扰运动员自然动作的情况下，实时提供氧输送与氧消耗之间平衡的数据。该技术通过检测不同组织和运动强度下 O2-Hb、H-Hb 和 TSI 的变化，有效识别中心性和外周性运动限制因素。对代谢需求和生理反应变化的深入洞察，凸显了 NIRS 在优化训练方案和提升运动表现方面的潜力。此外，NIRS 对脑部和肌肉微血管血流动力学的评估能力，为探索不同运动模式和强度下的生理反应提供了新的研究机会。总体而言，NIRS 技术在深化人类生理学认知以及推动运动科学研究方面具有广阔前景，为提升运动表现和优化训练策略提供了有力的工具。

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（VO2-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 VO2–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（Hbdiff）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。

<table><tbody><tr><td>柱式体重秤</td><td>SECA</td><td>711</td><td>该产品有多种替代选择</td></tr><tr><td>便携式身高测量仪&amp;nbsp;</td><td>SECA</td><td>217</td><td>该产品有多种替代选择</td></tr><tr><td>12导联心电图仪</td><td>COSMED</td><td>Quark T12x</td><td>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。</td></tr><tr><td>脉搏血氧仪</td><td>COSMED</td><td></td><td>集成式脉搏血氧仪</td></tr><tr><td>心肺功能测试仪</td><td>COSMED</td><td>Quark-CPET</td><td>包含校准气体和校准注射器</td></tr><tr><td>功率车</td><td>Ergoline GmH</td><td>ViaSprint 150P</td><td>该产品有多种替代选择。必须确保与所提供软件的兼容性</td></tr><tr><td>近红外光谱可穿戴设备</td><td>Artinis Medical Systems</td><td>Portalite</td><td>关节式近红外光谱可穿戴设备可贴合其放置表面。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>近红外光谱可穿戴设备</td><td>Artinis Medical Systems</td><td>Portamon</td><td>Portamon设备在高脂肪组织表面可提供更优的测量结果。</td></tr><tr><td>代谢数据管理软件（OMNIA）</td><td>COSMED</td><td></td><td>软件将根据系统选择而有所不同</td></tr><tr><td>近红外光谱数据管理软件（Oxysoft）</td><td>Artinis Medical Systems</td><td></td><td>软件将根据设备选择而有所不同</td></tr><tr><td>无线探头型超声扫描仪</td><td>SONUS</td><td>Duo LC</td><td>该产品有多种替代选择</td></tr></tbody></table>

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

Using Near-Infrared Spectroscopy Wearable Devices to Identify Central Versus Peripheral Limitations During Exercise

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（VO2–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VO2–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。

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、运动测试的实施以及相关生理数据的采集。
成功实施 CPET–NIRS 方案的标志是在多个参数上获得清晰且一致的数据。在初始静息阶段，记录心率（HR）、脉搏血氧饱和度（SpO2）和 NIRS 读数，以建立基线值。热身阶段以低负荷踏车运动为特征，使受试者为递增负荷运动阶段做好准备，后一阶段的运动负荷逐步增加（见图1）。
<img alt="功率车实验方案示意图；近红外光谱数据采集，从同步到整理运动的运动阶段。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig1.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 1"> 
图1：运动实验方案的设计示意图。 本研究中所采用的运动实验方案各阶段的示意图，突出显示了关键事件，如静息（R）、热身（W）、运动（E）、结束（F）和停止（S），这些阶段对应于心肺运动测试方案的流程。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
在受控的实验室环境条件（空气温度约20 ± 2 °C，相对湿度约40% ± 5%）下，对两名男性运动员进行评估，其 cardiopulmonary exercise testing（CPET）（图2）和近红外光谱（NIRS）（图3 和 图4）数据的代表性结果如下所示：（i）受试者1（图2A 和 图3）（年龄：33岁，体重：80 kg，身高：178 cm，最大负荷：300 W，VO2-max：46 mL·kg-1·min-1，VE：177 L·min-1，HR-max（占预测值百分比，220-年龄）：100%，PetCO2：27 mmHg）；（ii）受试者2（图2B 和 图4）（年龄：26岁，体重：67 kg，身高：178 cm，最大负荷：300 W，VO2-max：51 mL·kg-1·min-1，VE：131 L·min-1，HR-max（占预测值百分比，220-年龄）：93%，PetCO2：33 mmHg）。
在两名受试者中，随着运动强度的增加，VO2（氧气消耗量）、VCO2（二氧化碳产生量）、RQ（呼吸商，VCO2·VO2-1）、HR（心率）、VE（肺通气量）和RR（呼吸频率）持续上升，直至达到VO2的最大值（见图2）。
<img alt="比较VT1和VT2阈值的心肺适能图，突出显示有氧区间。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图2"> 
图2： CPET期间评估的生理变量变化。图中显示了在心肺运动测试期间测量的生理变量的变化过程，包括氧气消耗量（VO2）、每分钟通气量（VE）、呼气末二氧化碳分压（PetCO2）和功率输出（Watts）。通气阈值1和2（VT1和VT2）之间的过渡在运动阶段中标出。(A) 受试者1 和 (B) 受试者2。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
近红外光谱（NIRS）数据为 cardiopulmonary exercise testing（CPET）期间局部组织的代谢需求提供了深入见解。在目标组织（肌肉与脑组织）中观察到的运动诱导变化，取决于所分析的特定组织类型及运动强度。因此，一个用于解读运动诱导NIRS数据的有效生理学框架是Skinner和McLellan提出的运动强度三分期模型34。该模型中，作者根据通气阈值（VTs）界定了三个阶段：I期（有氧阶段）、II期（有氧-无氧过渡阶段）和III期（“代谢不稳定”阶段）。
在运动强度低于VT2（阶段I和II）时，若局部血流量的参数T-Hb无显著变化，则肌肉水平将出现O2-Hb下降和H-Hb上升的现象。我们的CPET-NIRS方案采用周期性运动，伴随重复的肌肉收缩与放松，因此预期T-Hb变化极小。然而，运动引起的变化因所评估的目标肌肉组织而异。在运动肌如m.Vastus Lateralis中，随着运动强度逐步增加，NIRS数据的变化与负荷同步发生（见图3A）。相反，在辅助呼吸肌如m.Intercostales中，变化更多与通气变化同步，而非负荷本身（见图3B）。在PFC中，由于血流量超过运动引起的局部需求，可观察到O2-Hb、H-Hb和T-Hb均增加；同时可能伴有TSI轻微下降（见图3C）。在所有被评估的组织中，随着运动强度增加，TSI参数均呈下降趋势，其中m.Vastus Lateralis的变化较m.Intercostales和PFC更为显著（见图3D）。
<img alt="血红蛋白浓度随时间变化图；运动期间的生理变化；图表 A-D。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3： 中心性限制示例（受试者1）。CPET测试过程中的NIRS数据（事件：W = 热身，E = 运动，VT1 = 通气阈值1或有氧通气阈值，VT2 = 通气阈值2或无氧通气阈值，F = 运动结束或VO2-max）。(A) m.Vastus Lateralis，(B) m.Intercostales，以及(C) 前额叶皮层（PFC）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
随着运动引起的代谢需求增加，特别是在超过VT2强度时（第三阶段或“代谢不稳定”阶段），在肌肉（运动肌和呼吸肌）以及前额皮层（PFC）水平上均会出现值得研究的生理反应。这些反应表现为氧合血红蛋白（O2-Hb）和总血红蛋白（tHb）显著减少，同时脱氧血红蛋白（H-Hb）明显增加，这些变化共同支持了组织饱和度指数（TSI）的显著下降。
在高强度运动期间通气需求较高的受试者中，由于“代谢来源”的CO2增加，VE和RR呈指数上升，导致过度通气加剧。这种过度通气可引起明显的脑血管收缩，从而通过中枢限制作用限制运动表现，如本代表性受试者所示。理论上，NIRS数据中观察到的变化是由于脑血管收缩所致，而脑血管收缩是由呼气末CO2分压（PetCO2）在CPET期间急剧下降所提示的低碳酸血症引起的（见图2）。已有研究表明，这些生理变化与运动诱发的呼吸困难加重密切相关，呼吸困难程度通过改良Borg量表进行评估35,36。
另一方面，运动需求较高但呼吸需求不高的受试者不会因低碳酸血症而出现脑血管收缩。因此，这些受试者的近红外光谱（NIRS）数据可能继续反映与中等运动强度下所观察到的类似变化。在这些受试者中，运动表现受限于外周而非中枢限制因素（见图4）。研究表明，这些生理变化与运动诱发的腿部疲劳增加具有高度相关性。
<img alt="血氧饱和度和血红蛋白水平图表；运动各阶段（W、E、VT1、VT2、F）的光谱分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig4.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4"> 
图4：外周限制示例（参与者2）。CPET方案期间的近红外光谱（NIRS）数据（事件：W = 热身，E = 运动，VT1 = 通气阈值1或有氧通气阈值，VT2 = 通气阈值2或无氧通气阈值，F = 运动结束或VO2–max）。(A) m.Vastus Lateralis，(B) m.Intercostales，以及(C) 前额叶皮层（PFC）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

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。

评估身体活动者和运动员有氧能力的金标准是最大摄氧量测试（VO2–max），该测试……

目的是评估运动表现的感觉是由中枢还是外周因素决定的。受试者对可行的环境条件和干扰性因素会做出不同的反应。本研究将采用一种非侵入性方法进行评估。这是近红外光谱技术。该红外手术领域的新研究利用新技术，聚焦于分析参与运动、呼吸和 locomotion 的大脑及大块组织，识别与运动诱导脂肪减少相关的关键区域。本研究使用的主要技术是近红外光谱法（NIS），该方法可无创评估血液学参数，包括氧合肌红蛋白和脱氧肌红蛋白，以及组织饱和度指数的调节。该技术有助于更全面地理解组织对氧的利用情况。其中一个挑战是在确保设备当前放置位置准确并完成校准的同时，尽量减少环境光和运动伪影等外部因素对新信号采集的干扰。另一个因素可能是受试者的解剖学差异，例如跟腱（ATT）或皮肤色素沉着，这些都可能影响数据采集过程中的标准化和调整，进而影响测量的准确性。我们的结果表明，通过分析运动过程中组织氧合的变化，近红外光谱技术可以有效识别中枢性和外周性运动限制。该方法揭示了大脑和肌肉反应随运动强度变化的特征，并为优化训练和提升运动表现提供了新的途径。首先，在开始放置设备和测量之前，确保所有可穿戴设备均已充满电。在所有可穿戴设备上贴上双面胶带，以将其牢固固定在受试者的皮肤上。每件可穿戴设备先用一层保鲜膜覆盖，再覆盖一层防水粘性敷料，以保护设备免受汗液影响。然后使用酒精棉片清洁目标区域，以去除可能干扰信号采集的残留物。用一层弹性治疗胶带固定已正确放置的可穿戴设备。用黑色布料覆盖所有可穿戴设备，防止环境光透入。将NIRS探头置于背外侧前额叶皮层，位置大约在受试者眉弓上方10毫米处。接着使用B型超声确认NIRS的穿透深度，通过验证皮下组织至肋间外肌外缘的距离来完成。然后将NIRS探头放置于右侧腋前线第七肋间隙处。如果无法将其放置在右侧胸半部，则可将其置于左侧胸半部，但心率信号在左侧可能更为明显。使用卡尺测量皮褶厚度，以确认脂肪组织厚度不超过20毫米，从而确保近红外光谱（NIRS）具有准确的穿透深度。将NIRS探头置于股外侧肌，位置为连接髌骨上缘与股骨大转子的假想连线中点外侧5厘米处。所有近红外光谱可穿戴设备正确放置后，开始测量前先将其开启。启动制造商提供的数据采集软件，创建新的数据记录文件，并连接所有近红外光谱可穿戴设备。进行肌肉测量时，将差分路径长度因子设置为4。将采样率设置为10赫兹，用于被测组织的数据采集和模数转换。根据受试者的年龄相关因子，调整前额叶皮层测量的差分路径长度因子。首先，打开制造商提供的 ergo 人体代谢测量仪软件，以启动校准程序。使用注射器适配器，将流量计连接至一个 28 毫米涡轮上。将一根波纹管连接至注射器适配器，另一端连接至一个 3 升校准注射器。接下来，执行六次抽吸和注入操作，确保流速恒定。完成后，软件将自动确认校准测试是否通过。进行空气校准时，在启动校准程序之前，务必断开气体分析仪的样品管与校准端口的连接，并使其自由悬垂。校准过程中，应观察到一条稳定的基线，表明氧气和二氧化碳浓度的变化极小。打开气体阀门，并检查压力计，以确认系统已获得足够的压力。将样品管连接至校准端口，并启动校准程序。然后按照制造商的建议进行三分钟预热，之后再进行校准。三分钟预热结束后，确认观察到两条平稳的基线，一条代表室内空气的波动，另一条代表校准气体的水平。最后，将样品管从校准端口断开，并连接到即将进行测试的咬嘴上。必要时，使用磨砂膏对电极放置部位的皮肤进行去角质处理，并剃除多余毛发。用酒精棉片清洁相应区域，以去除表层组织残留物。放置双极肢体导联电极，随后放置胸导联电极。安装近红外光谱仪（NIRS）设备并校准呼吸代谢分析仪后，请受试者坐在自行车功量计上，确保座高和车把位置根据其身高调整至最佳舒适度和姿势。向受试者说明测试流程，并指导其在测试前、测试过程中及测试结束后始终通过面罩规律呼吸。将指夹式脉搏血氧仪连接至受试者的手指。受试者就位并准备就绪后，指导其伸直右腿，在初始静息阶段保持静止两分钟。随后开始热身阶段，让受试者以每分钟80至100转的踏频骑行6分钟。之后逐步增加负荷，女性受试者以每分钟20瓦特的速率递增，男性受试者以每分钟25瓦特的速率递增，直至受试者达到力竭状态。完成运动阶段后，指导受试者保持静止，并继续通过面罩呼吸三分钟，以进入整理或恢复阶段。运动方案结束后，小心地将脉搏血氧仪从受试者手指上取下，随后依次取下所有三个近红外光谱（NIRS）可穿戴设备的面罩以及心电图（ECG）电极。在剧烈运动期间存在通气需求的受试者中，快速的肺通气和呼吸频率会导致过度通气，引起脑血管收缩，从而通过中枢限制机制影响运动表现。相反，在运动需求较高但呼吸需求不高的受试者中，脑血管不会发生收缩。因此，近红外光谱（NIRS）数据反映的是中等强度的运动模式。在这些受试者中，运动表现受限于外周因素，而非中枢限制因素。

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