Name: Verwendung von tragbaren Geräten mit Nahinfrarotspektroskopie zur Identifizierung zentraler und peripherer Einschränkungen während des Trainings (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-12-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 33 s
Description: Erfahren Sie die Anwendung von Nahinfrarotspektroskopie zur Bewertung zentraler und peripherer Leistungsgrenzen während kardiopulmonaler Belastungstests. Diese nicht-invasive Methode ermöglicht präzise Analysen von Sauerstoffsättigung in Gehirn und Muskeln.

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<table><tbody><tr><td>Säulenwaage</td><td>SECA</td><td>711</td><td>Es gibt zahlreiche Alternativen zu diesem Artikel</td></tr><tr><td>Tragbares Stadiometer&nbsp;</td><td>SECA</td><td>217</td><td>Es gibt zahlreiche Alternativen zu diesem Artikel</td></tr><tr><td>12-Kanal-EKG</td><td>COSMED</td><td>Quark T12x</td><td>Ein 12-Kanal-EKG ermöglicht ein besseres Verständnis der Herzfrequenz während des Trainings und erleichtert die Erkennung von Herzrhythmusstörungen.</td></tr><tr><td>Pulsoxymeter</td><td>COSMED</td><td></td><td>Integriertes Pulsoxymeter</td></tr><tr><td>Ergoespirometer</td><td>COSMED</td><td>Quark-CPET</td><td>Kalibriergase und Kalibrierspritze sind im Lieferumfang enthalten</td></tr><tr><td>Fahrradergometer</td><td>Ergoline GmH</td><td>ViaSprint 150P</td><td>Zu diesem Artikel gibt es zahlreiche Alternativen. Muss die Kompatibilität mit der bereitgestellten Software gewährleisten</td></tr><tr><td>NIRS-Verschleißbar</td><td>Artinis Medical Systems</td><td>Portalite</td><td>Gelenk-NIRS-Verschleißteil passt auf die Oberfläche, auf der es platziert wird.</td></tr><tr><td>Das NIRS-Verschleißgerät</td><td>Portamon Portamon</td> von <td>Artinis Medical Systems</td><td>liefert bessere Ergebnisse auf Oberflächen mit hohem Fettgewebeanteil.</td></tr><tr><td>Metabolic Data Management Software (OMNIA)</td><td>COSMED</td><td></td><td>Software variiert je nach Systemwahl</td></tr><tr><td>NIRS Data Management Software (Oxysoft)</td><td>Artinis Medical Systems</td><td></td><td>Software variiert je nach Gerätewahl</td></tr><tr><td>Drahtloser Sondentyp Ultraschallgerät</td><td>SONUS</td><td>Duo LC</td><td>Es gibt zahlreiche Alternativen zu diesem Artikel</td></tr></tbody></table>

verwendung von tragbaren geräten mit nahinfrarotspektroskopie zur identifizierung zentraler und peripherer einschränkungen während des trainings

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

Während des Abschlusses einer CPET wurden bei allen Probanden die Symptome von Dyspnoe, Beinermüdung und wahrgenommener Anstrengung (RPE) berichtet. Die komplementäre Verwendung der NIRS-Geräte verursachte keine zusätzlichen Beschwerden bei der Empfindungsbeurteilung der Probanden. Wir haben die CPET-Bewertungen auch nicht durch ein Risikoereignis gestoppt, das mit übermäßigem physiologischem Stress verbunden ist.
Wir untersuchten zwei männliche Radrennfahrer, die aus einem nationalen Radsportverein rekrutiert wurden. Die Einschlusskriterien für diese Studie waren körperlich aktive Teilnehmer (≥150 min bei mäßiger oder ≥75 min bei starker körperlicher Aktivität pro Woche) mit einem normalen Body-Mass-Index (20–25 kg·m-2). Ausschlusskriterien für diese Studie waren eine Vorgeschichte von Atemwegs-, Herz-Kreislauf-, Stoffwechsel-, Muskel-Skelett- oder neoplastischen Erkrankungen oder ein infektiöser oder entzündlicher Prozess mindestens 2 Wochen vor den Studienbewertungen.
Die Durchführung einer CPET, begleitet von einer nicht-invasiven Aufzeichnung der hämodynamischen Veränderungen und der Sauerstoffversorgung des Gewebes, die sich aus metabolischen Veränderungen ergeben, die durch erhöhte Trainingsintensität mit Geräten verursacht werden, die mit NIRS-Technologie ausgestattet sind, ermöglicht die Identifizierung zentraler limitierender Faktoren, die mit Veränderungen in Gehirnbereichen verbunden sind, im Vergleich zu peripheren limitierenden Faktoren, die mit respiratorischen oder muskuloskelettalen Reaktionen auf erhöhte Trainingsintensität zusammenhängen. Das Testprotokoll umfasst eine Reihe von Schritten, darunter die Vorbereitung des Teilnehmers, die Durchführung des Belastungstests und die Erhebung relevanter physiologischer Daten.
Die erfolgreiche Ausführung des CPET-NIRS-Protokolls wird durch klare und konsistente Daten über mehrere Parameter hinweg nachgewiesen. Während der anfänglichen Ruhephase werden Messungen wie Herzfrequenz (HF), Pulssauerstoffsättigung (SpO2) und NIRS-Messwerte aufgezeichnet, um eine Ausgangsbasis zu ermitteln. Die Aufwärmphase, die durch ein geringes Arbeitspensum gekennzeichnet ist, bereitet den Teilnehmer auf die inkrementelle Übungsphase vor, in der die Belastung schrittweise zunimmt (siehe Abbildung 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig1.jpg"> Abbildung 1: Experimentelles Design des Übungsprotokollschemas. Schematische Darstellung der Phasen des in der Studie verwendeten Trainingsprotokolls, wobei Schlüsselereignisse wie Ruhe (R), Aufwärmen (W), Übung (E), Finalisieren (F) und Stopp (S) hervorgehoben werden, die dem Ablauf des kardiopulmonalen Belastungstestprotokolls entsprechen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Dargestellt sind repräsentative Ergebnisse der CPET- (Abbildung 2) und NIRS-Daten (Abbildung 3 und Abbildung 4) von zwei männlichen Athleten, die unter kontrollierten Laborumgebungsbedingungen (Lufttemperatur ~20 ± 2 °C; relative Luftfeuchtigkeit ~40 % ± 5 %) untersucht wurden: (i) Teilnehmer 1 (Abbildung 2A und Abbildung 3) (Alter: 33 Jahre, Gewicht: 80 kg, Größe: 178 cm, Maximale Arbeitsbelastung: 300 W, VO2-max: 46 mL·kg-1·min-1, VE: 177 L·min-1, HR-max (%vorhergesagt, 220 Jahre): 100%, PetCO2: 27 mmHg); und (ii) Teilnehmer 2 (Abbildung 2B und Abbildung 4) (Alter: 26 Jahre, Gewicht: 67 kg, Größe: 178 cm, Arbeitsbelastung max: 300 W, VO2-max: 51 mL·kg-1·min-1, VE: 131 L·min-1, HR-max (% vorhergesagt, 220 Jahre): 93%, PetCO2: 33 mmHg).
Bei beiden Teilnehmern wurden die Werte VO2 (Sauerstoffverbrauch), VCO2 (Kohlendioxidproduktion), RQ (respiratorischer Quotient, VCO2· VO 2-1), HR, VE (Lungenventilation) und RR (Atemfrequenz) zeigen einen kontinuierlichen Anstieg mit zunehmender Trainingsintensität, bis der Maximalwert von VO2 erreicht ist (siehe Abbildung 2).
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig2.jpg"> Abbildung 2: Veränderungen der physiologischen Variablen, die während der CPET bewertet werden. Die Entwicklung physiologischer Variablen, die während kardiopulmonaler Belastungstests gemessen wurden, einschließlich Sauerstoffverbrauch (VO2), Minutenbeatmung (VE), endtidaler CO2-Druck (PetCO2) und Leistungsabgabe (Watt), wird gezeigt. Die Übergänge zwischen den Beatmungsschwellen 1 und 2 (VT1 und VT2) sind innerhalb der Übungsphasen angegeben. (A) Teilnehmer 1 und (B) Teilnehmer 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Die NIRS-Daten lieferten Einblicke in den lokalen Stoffwechselbedarf während der CPET. Die trainingsinduzierten Veränderungen, die im Zielgewebe (Muskel vs. Gehirn) beobachtet werden, variieren je nach spezifischem Gewebe und Intensität der analysierten Übung. Daher ist ein nützlicher physiologischer Rahmen für die Interpretation der trainingsinduzierten NIRS-Daten das triphasische Modell der Trainingsintensität, das von Skinner und McLellanvorgeschlagen wurde 34. In diesem Modell beschreiben die Autoren drei Zonen, die durch VTs definiert sind: Phase I oder aerob, (ii) Phase II oder aerob-anerober Übergang und (ii) Phase III oder "metabolische Instabilität".
Bei Trainingsintensitäten unterhalb von VT2 (Phasen I und II) kommt es auf Muskelebene zu einer Abnahme von O 2-Hb und einer Erhöhung von H-Hb – wenn es keine signifikante Variation von T-Hb als Parameter des lokalen Blutflusses gibt. Unser CPET-NIRS-Protokoll besteht aus zyklischen Übungen mit sich wiederholenden Muskelkontraktionen/-entspannungen, so dass eine minimale Variation des T-Hb-Werts zu erwarten ist. Die trainingsinduzierten Veränderungen variieren jedoch je nach dem zu bewertenden Zielmuskelgewebe. In der Bewegungsmuskulatur, wie dem m.Vastus Lateralis, führt die fortschreitende Zunahme der Trainingsintensität zu NIRS-Datenänderungen, die mit der Arbeitsbelastung einhergehen (siehe Abbildung 3A). Im Gegensatz dazu treten die Veränderungen in den akzessorischen Atemmuskeln, wie z. B. der m.Intercostales, eher mit Veränderungen der Beatmung als mit der Arbeitsbelastung zusammen (siehe Abbildung 3B). Bei PFC wird ein Anstieg von O2-Hb, H-Hb und T-Hb beobachtet, da der Blutfluss den lokalen Bedarf übersteigt, der durch Bewegung induziert wird. auch war ein leichter Rückgang der TSI zu beobachten (siehe Abbildung 3C). In allen untersuchten Geweben nimmt der TSI-Parameter mit zunehmender Trainingsintensität ab, so dass die Veränderungen bei m.Vastus Lateralis bekannter sind als bei m.Intercostales und PFC (siehe Abbildung 3D).
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig3.jpg"> Abbildung 3: Beispiel für eine zentrale Begrenzung (Teilnehmer 1). NIRS-Daten während des CPET-Protokolls (Ereignisse: W = Aufwärmen, E = Training, VT1 = Beatmungsschwelle 1 oder aerobe Beatmungsschwelle, VT2 = Beatmungsschwelle 2 oder anaerobe Beatmungsschwelle, F = abgeschlossene Übung oder VO2-max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales und (C) Präfrontaler Kortex (PFC).   <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Mit zunehmendem trainingsinduzierten metabolischen Bedarf, insbesondere bei Intensitäten über VT2 (Phase III oder "metabolische Instabilität"), treten interessante physiologische Reaktionen, die untersucht werden sollen, sowohl auf der Muskel- (Bewegungs- und Atemmuskulatur) als auch auf dem PFC-Niveau auf. Diese bestehen aus einem deutlichen Rückgang von O2-Hb und tHb sowie einem bemerkenswerten Anstieg von H-Hb, Aspekte, die den ausgeprägten Rückgang der TSI unterstützen.
Bei Probanden mit hohem Beatmungsbedarf während hochintensiver körperlicher Betätigung führt der exponentielle Anstieg von VE und RR aufgrund des Anstiegs von CO2 "metabolischen Ursprungs" zu einer erhöhten Hyperventilation. Diese Hyperventilation kann eine ausgeprägte Vasokonstriktion des Gehirns induzieren und dadurch die Leistungsfähigkeit durch zentrale Einschränkung einschränken, wie bei diesem repräsentativen Probanden zu sehen ist. Theoretisch resultieren die in den NIRS-Daten beobachteten Veränderungen aus einer Vasokonstriktion des Gehirns, die durch die Hypokapnie induziert wird, die aus der abrupten Abnahme des Drucks endtidal von CO2 (PetCO2) abgeleitet wird, die in der CPET registriert ist (siehe Abbildung 2). Es wurde gezeigt, dass diese physiologischen Veränderungen einen hohen Zusammenhang mit erhöhter Dyspnoe haben, die durch Bewegung induziert wird, registriert mit der modifizierten Borg-Skala35,36.
Auf der anderen Seite zeigen Probanden mit hohem Bewegungsbedarf, aber nicht hohem Atmungsbedarf keine Vasokonstriktion des Gehirns durch Hypokapnie. Folglich können die NIRS-Daten weiterhin Veränderungen widerspiegeln, wie sie bei moderater Trainingsintensität beobachtet werden. Bei diesen Probanden wird die körperliche Leistungsfähigkeit eher durch periphere als durch zentrale limitierende Faktoren begrenzt (siehe Abbildung 4). Es hat sich gezeigt, dass diese physiologischen Veränderungen einen hohen Zusammenhang mit einer erhöhten Ermüdung der Beine haben, die durch Bewegung induziert wird.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig4.jpg"> Abbildung 4: Beispiel für eine periphere Einschränkung (Teilnehmer 2). NIRS-Daten während des CPET-Protokolls (Ereignisse: W = Aufwärmen, E = Training, VT1 = Beatmungsschwelle 1 oder aerobe Beatmungsschwelle, VT2 = Beatmungsschwelle 2 oder anaerobe Beatmungsschwelle, F = abgeschlossene Übung oder VO2–max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales und (C) Präfrontaler Kortex (PFC). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

Verwendung von tragbaren Geräten mit Nahinfrarotspektroskopie zur Identifizierung zentraler und peripherer Einschränkungen während des Trainings

The gold standard to assess the aerobic capacity in physically active subjects and athletes is the maximal oxygen consumption test (VO2&#8211;max), which ...

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Forschung

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Medicine

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