Artículo de método

Uso de dispositivos portátiles de espectroscopia de infrarrojo cercano para identificar las limitaciones centrales frente a las periféricas durante el ejercicio

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DOI:

10.3791/67609

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19 de diciembre de 2024

 ,  ,  ,  ,  , 
1Laboratory of Exercise Physiology, Department of Kinesiology, School of Health Sciences, Faculty of Medicine, Pontificia Universidad Católica de Chile, 2Department of Informatics and Computing, Faculty of Engineering, Universidad Tecnológica Metropolitana

* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

Este protocolo integra la tecnología de espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) para evaluar los cambios hematológicos y de oxigenación localizados en los músculos de la corteza prefrontal, respiratorio (m.Intercostales) y locomotor (m.Vastus Lateralis) durante las pruebas de esfuerzo cardiopulmonar, lo que permite la identificación de factores limitantes centrales y periféricos que afectan el rendimiento del ejercicio.

Resumen

El estándar de oro para evaluar la capacidad aeróbica en sujetos físicamente activos y atletas es la prueba de consumo máximo de oxígeno (VO2-max), que implica el análisis de los gases exhalados y las variables cardiorrespiratorias obtenidas a través del método respiración por respiración en un ergoespirómetro durante un ejercicio incremental. Sin embargo, este método no puede dilucidar los cambios metabólicos a nivel muscular. La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) se ha convertido en una valiosa tecnología para evaluar los niveles locales de oxígeno (Índice de Saturación Tisular, TSI) mediante la cuantificación de las concentraciones de hemoglobina oxigenada (O2-Hb) y desoxigenada (H-Hb) en la microvasculatura de los tejidos. Las aplicaciones de NIRS se extienden a los músculos respiratorios y locomotores, evaluando los cambios metabólicos asociados con el costo de la respiración (COB) y la carga de trabajo periférica, respectivamente. Además, se han explorado regiones cerebrales, como la corteza prefrontal, con tecnología NIRS para evaluar los cambios fisiológicos relacionados con la demanda cognitiva asociada a la planificación o ideación de tareas motoras relacionadas con el rendimiento deportivo. Por lo tanto, al analizar los cambios inducidos por el ejercicio (D) en O 2-Hb, H-Hb y TSI, es posible identificar las limitaciones centrales y periféricas del ejercicio, particularmente cuando el entrenamiento de resistencia es el componente principal de la condición física (por ejemplo, correr, andar en bicicleta, triatlón, etc.). Abordar estos factores es primordial para que los entrenadores y fisiólogos del ejercicio optimicen el rendimiento deportivo, incorporando estrategias de entrenamiento centradas en los principales factores limitantes del ejercicio. Este estudio describe un protocolo para utilizar dispositivos portátiles equipados con tecnología NIRS para analizar los cambios en el ejercicio en TSI,O2-Hb y H-Hb, junto con las variables cardiorrespiratorias típicamente registradas en los atletas durante las pruebas VO2-max. Este enfoque ofrece un método integral para identificar los sistemas primarios involucrados en detener la progresión del ejercicio y la mejora del rendimiento deportivo.

Introducción

Los atletas de resistencia dependen de un equilibrio eficiente entre el suministro y la absorción de oxígeno para mantener el ejercicio de alta intensidad y mejorar su rendimiento deportivo. La prueba de consumo máximo de oxígeno (VO2-max) es una evaluación fisiológica vital que determina el rendimiento deportivo mediante el análisis de los gases exhalados y las variables cardiorrespiratorias durante la intensidad incremental del ejercicio1. Esta evaluación, conocida como ergoespirometría o Prueba de Esfuerzo Cardiopulmonar (CPET), refleja la respuesta al ejercicio de los sistemas cardiovascular, respiratorio y muscular3. En este sentido, el aumento del costo de energía asociado con la respiración, conocido como costo de la respiración (COB), aumenta la demanda de nutrientes y oxígeno en los tejidos circundantes. Se ha documentado que este fenómeno reduce potencialmente el flujo sanguíneo a los músculos involucrados en los movimientos activos, lo que resulta en una disminución de la tolerancia al esfuerzo físico y un cese temprano de la progresión del ejercicio debido al reflejo metabólico4.

Durante una prueba de VO2-max , también es posible identificar los umbrales ventilatorios (TV), que corresponden a intensidades de ejercicio específicas que marcan la transición del metabolismo aeróbico al anaeróbico (umbral aeróbico o umbral ventilatorio 1 [VT1], y umbral anaeróbico o punto de compensación respiratoria [RCP] o umbral ventilatorio 2 [VT2])5. Las TV reflejan las respuestas ventilatorias que compensan los cambios metabólicos durante el ejercicio incremental6. Al identificar estos umbrales, el CPET ofrece una evaluación integral mediante la integración de las respuestas de múltiples sistemas biológicos que se involucran críticamente durante el ejercicio de alta intensidad.

Sin embargo, aunque la ergoespirometría se considera ampliamente el estándar de oro para evaluar la CPET, no capta los cambios metabólicos que ocurren a nivel muscular. Estos cambios son cruciales para comprender los factores fisiológicos limitantes asociados con la falta de progresión durante el ejercicio de alta intensidad en atletas de resistencia. En este contexto, la tecnología NIRS se ha convertido en una herramienta valiosa en la ciencia del ejercicio, ayudando a analizar las variables hemodinámicas a nivel del músculo microvascular7.

En los últimos años, los profesionales del deporte y los investigadores han utilizado una amplia gama de wearables comerciales equipados con tecnología NIRS para explorar los cambios musculares no invasivos durante el ejercicio, proporcionando la capacidad de determinar VT1 y VT2 con esta tecnología8. Por lo tanto, el análisis integrador de los datos de NIRS y CPET ofrece una comprensión integral de las respuestas fisiológicas al ejercicio.

La tecnología NIRS utiliza la ley de Beer-Lambert modificada para cuantificar los cambios (D) en las concentraciones de oxihemoglobina (O2-Hb) y desoxihemoglobina (H-Hb) durante el ejercicio7. A nivel tisular local, una disminución deO2-Hb refleja un aumento en la demanda metabólica local, mientras que un aumento de H-Hb refleja un aumento en la extracción de oxígeno. La hemoglobina total (tHb), la suma deO2-Hb y H-Hb, se utiliza como índice del flujo sanguíneo tisular local. Por el contrario, la diferencia entreO2-Hb y H-Hb (Hbdiff) proporciona un índice de extracción de oxígeno tisular9. El índice de saturación tisular (TSI), calculado como la relación entreO2-Hb y tHb, refleja el nivel de saturación de oxígeno en los tejidos e indica el equilibrio entre el aporte local de oxígeno y la absorción10,11. Por lo tanto, los datos de NIRS brindan información crítica sobre el estado fisiológico a nivel microvascular, proporcionando una comprensión detallada de la oxigenación de los tejidos y la hemodinámica que complementa la información obtenida de la CPET.

Este conocimiento detallado proporcionado por la tecnología NIRS se extiende a muchas aplicaciones prácticas. Investigaciones recientes destacan la versatilidad del NIRS y demuestran su aplicación práctica en la monitorización de los músculos respiratorios12,13 y locomotores7, así como de las regiones cerebrales implicadas en la ideación de actos motores, como la corteza prefrontal (CPF)14,15. Esta amplia aplicabilidad subraya la capacidad de NIRS para proporcionar una visión completa de las respuestas fisiológicas a varios tipos de contracciones musculares (contracciones concéntricas o excéntricas o isométricas) y al ejercicio.

Al analizar la DTSI inducida por el ejercicio tanto a nivel muscular como cerebral, el NIRS proporciona un valioso potencial para identificar asociaciones entre factores limitantes periféricos y centrales que afectan la progresión del ejercicio16,17. Por ejemplo, entre los factores limitantes centrales, la disminución del flujo sanguíneo resultante de la vasoconstricción cerebral causada por la hiperventilación compensatoria debido a los niveles elevados de hidrógeno del metabolismo anaeróbico y el aumento del lactato en sangre durante el ejercicio de alta intensidad es un contribuyente significativo a la reducción de la TSI en la corteza prefrontal17,18. Por el contrario, los factores limitantes periféricos se caracterizan por un desequilibrio entre el suministro y la demanda de oxígeno en la musculatura ejercitante19. La reducción del suministro local de oxígeno y el aumento del consumo de oxígeno pueden conducir a la desoxigenación de los tejidos, como lo demuestra la disminución del TSI20. Esta distinción pone de manifiesto la naturaleza multifacética de las limitaciones de rendimiento durante el ejercicio de alta intensidad, donde tanto los mecanismos centrales como los periféricos son críticos. Esta comprensión sugiere que retrasar la aparición de estos factores limitantes durante el ejercicio puede contribuir a mejorar el rendimiento deportivo.

Para aprovechar al máximo el potencial de la tecnología NIRS en la identificación de estas limitaciones, los procedimientos estandarizados son esenciales para garantizar la recopilación y el análisis de datos de alta calidad. Este documento describe los métodos para realizar pruebas de ejercicio de resistencia máxima utilizando la tecnología NIRS para recopilar datos fisiológicos y dilucidar la relación entre los factores limitantes centrales y periféricos durante el ejercicio de alta intensidad en atletas de resistencia. El protocolo propuesto proporciona un enfoque estandarizado para garantizar la coherencia y la precisión en la evaluación de los fenómenos fisiológicos que subyacen a estos factores limitantes.

Protocolo

El protocolo fue aprobado por el Comité de Revisión Institucional de la Pontificia Universidad Católica de Chile (proyectos nº 210525001 y 220608010), y el estudio se realizó de acuerdo a la Declaración de Helsinki. Todos los participantes dieron su consentimiento informado por escrito antes de participar en las pruebas descritas.

1. Colocación y configuración de los wearables NIRS

NOTA: Se pueden utilizar varios dispositivos portátiles NIRS y software de adquisición de datos. Los investigadores deben consultar minuciosamente las instrucciones y pautas del fabricante para garantizar la configuración y el uso adecuados. En este estudio se utilizan los dispositivos que utilizan un registro de onda continua de la señal NIRS. Estos dispositivos comerciales son fáciles de usar, pero solo pueden detectar cambios en la atenuación de la luz en relación con la fase de referencia o de referencia y no pueden detectar concentraciones absolutas como otros dispositivos que emplean un registro de NIRS en el dominio del tiempo.

  1. Preparación de los wearables NIRS y pautas generales de colocación
    1. Antes de colocar los dispositivos y comenzar las mediciones, asegúrese de que todos los dispositivos portátiles estén completamente cargados.
      NOTA: Para los dispositivos utilizados en este estudio, el fabricante informa que una batería con una carga completa puede registrar de 6 a 8 h de forma continua.
    2. Aplique cinta adhesiva de doble cara a todos los dispositivos portátiles para asegurarlos a la piel del participante, asegurándose de que la cinta no obstruya los emisores de luz y los detectores.
    3. Cubra todos los dispositivos portátiles con una capa de film transparente, seguido de una capa de un apósito adhesivo impermeable para protegerlos del sudor.
    4. Antes de colocar los dispositivos, limpie el área objetivo con una almohadilla con alcohol para eliminar cualquier residuo que pueda interferir con el registro (por ejemplo, cremas, cosméticos, etc.). Si es necesario, afeita el área alrededor del sitio objetivo, ya que el vello puede interferir con las señales NIRS.
      NOTA: Se recomienda lavarse las manos a fondo antes de colocar cualquier dispositivo en la piel del participante para evitar una posible contaminación. Se recomienda el uso de guantes, ya que puede reducir aún más el riesgo de contaminación.
    5. Una vez que todos los wearables estén correctamente colocados en la piel del participante (ver sección 1.2), asegúrelos con una capa de cinta terapéutica elástica. Si se necesita una fijación adicional, utilice una venda elástica de color oscuro, asegurándose de que la compresión excesiva no altere las mediciones (menos de la presión de oclusión capilar de 25 mm Hg medida por un esfigmomanómetro convencional).
    6. Coloque un paño negro sobre todos los dispositivos portátiles para evitar que penetre la luz ambiental. Si no es posible cubrir la zona con un paño (alrededor de 6cm2), utilice cinta terapéutica elástica negra para bloquear la luz ambiental.
  2. Ubicación del dispositivo NIRS
    NOTA: Asegúrese de que los dispositivos portátiles NIRS estén colocados de manera que los botones de encendido/apagado y configuración sean fácilmente accesibles.
    1. Corteza prefrontal: Colocar la sonda NIRS en la corteza prefrontal dorsolateral izquierda o derecha, aproximadamente 10 mm por encima del arco superciliar del participante, de forma similar a la colocación del electrodo Fp1 según el sistema EEG 10-20 internacional modificado21.
    2. m.Intercostales: Colocar la sonda NIRS sobre el7º espacio intercostal en la línea axilar anterior derecha 22,23,24. Si, por alguna razón, no se coloca sobre el hemitórax derecho, colóquelo sobre el hemitórax izquierdo, pero la señal de la frecuencia cardíaca puede ser más pronunciada en el lado izquierdo.
      1. Para confirmar la profundidad de penetración de NIRS, utilice una ecografía en modo B para verificar la distancia desde el tejido subcutáneo hasta el borde exterior de los intercostales. Para las mediciones en m.Intercostales, asegúrese de que la distancia entre la piel y el músculo sea inferior a 15 mm.
    3. m.Vasto lateral: Colocar la sonda NIRS 5 cm lateral al punto medio de la línea imaginaria, conectando el borde superior de la rótula y el trocánter mayor del fémur 24,25,26.
      1. Para asegurarse de que el grosor del tejido adiposo (ATT) no altere el registro de la señal NIRS, mida el grosor del pliegue cutáneo para confirmar la profundidad de penetración del NIRS27. Para las mediciones en m.Vastus Lateralis, asegúrese de que el ATT sea inferior a 20 mm.
  3. Configuración del software NIRS
    1. Una vez que todos los wearables NIRS estén colocados correctamente (consulte la sección 1.2), enciéndalos antes de comenzar la medición.
    2. Inicie el software de adquisición de datos proporcionado por el fabricante, cree un nuevo archivo y vincule los dispositivos portátiles NIRS.
    3. Una vez que todos los wearables NIRS se hayan vinculado correctamente, establezca la frecuencia de muestreo en 10 Hz para la adquisición de datos y la conversión de analógico a digital para los tejidos evaluados. Para las mediciones de la corteza prefrontal, ajuste el factor de longitud de vía diferencial (DPF) de acuerdo con el DPF dependiente de la edad para cada participante28. Para la medición muscular, ajuste el DPF a 4, como se utilizó en protocolos anteriores con atletas como sujetos de estudio29,30.

2. Calibración y configuración del ergoespirómetro

  1. Calibración de volumen
    1. Abra el software del ergospirómetro proporcionado por el fabricante para comenzar el proceso de calibración.
    2. Conecte el medidor de flujo a una turbina de 28 mm con un adaptador de jeringa. Conecte un tubo corrugado al adaptador de jeringa y el otro a una jeringa de calibración de 3 L.
    3. Realice seis maniobras de extracción/inyección, manteniendo un caudal constante. Al finalizar, el software confirmará automáticamente si la prueba de calibración ha pasado.
  2. Calibración de gas
    NOTA: Asegúrese de que la calibración del flujo se haya realizado antes de comenzar la calibración del gas.
    1. Calibración del aire
      1. Asegúrese de que la línea de muestra del analizador de gases esté desconectada del puerto de calibración y cuelgue libremente. A continuación, inicialice el proceso de calibración.
      2. Durante la calibración, se observa una línea plana estable ya que las concentraciones de oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) no varían significativamente (menos del 5%). Una vez que la calibración del aire se haya completado con éxito, proceda a la calibración del gas metabólico.
    2. Calibración metabólica de gases
      1. Abra las válvulas de gas y verifique que se suministre la presión adecuada al sistema revisando el manómetro (consulte al fabricante para obtener instrucciones específicas).
      2. Conecte la línea de muestra al puerto de calibración e inicie el proceso de calibración. Realice un precalentamiento de 3 minutos antes de iniciar la calibración, según lo aconsejado por el fabricante.
      3. Si se hace correctamente, después del período de precalentamiento de 3 minutos, se deben observar dos líneas planas: una que fluctúa entre el aire ambiente (aproximadamente 21,00% O2 y 0,04% CO2) y la otra entre el gas de calibración (16,00% O2 y 5,00% CO2).
      4. Finalmente, desconecte la línea de muestra del puerto de calibración y conéctela a la boquilla que se utilizará para la próxima prueba.

3. Colocación de electrodos de ECG (12 derivaciones)

  1. Prepare la piel exfoliando con una crema y/o afeitando el vello de los sitios de colocación de los electrodos si es necesario. Limpie las áreas con una almohadilla con alcohol para eliminar cualquier residuo de tejido superficial.
  2. Coloque los electrodos de ECG de la siguiente manera31:
    1. Coloque los cables bipolares (electrodos de cable de la extremidad) de la siguiente manera: Brazo izquierdo (LA): lado izquierdo de la fosa subclavicular; Brazo derecho (AR): lado derecho de la fosa subclavicular; Pierna izquierda (LL): proyección anterior de la cabeza femoral izquierda; Pierna derecha (RL): proyección anterior de la cabeza femoral derecha.
    2. Coloque los electrodos de derivación precordial de la siguiente manera: V1:4º espacio intercostal a la derecha del esternón; V2:4º espacio intercostal a la izquierda del esternón (en línea con V1); V3: A medio camino entre V2 y V4; V4:5º espacio intercostal en la línea medioclavicular; V5: línea axilar anterior al mismo nivel que V4; V6: línea axilar media al mismo nivel que V4 y V5.

4. Prueba de esfuerzo máximo incremental (prueba de esfuerzo cardiopulmonar, CPET)

  1. Pida al participante que se siente en la bicicleta, asegurándose de que el asiento y el manillar estén ajustados a su altura para una comodidad y posición óptimas.
    NOTA: Se recomienda ajustar la altura del asiento de modo que la rodilla esté ligeramente flexionada a la extensión completa32. El manillar debe estar colocado de manera que permita una ligera flexión de los codos.
  2. Coloque un oxímetro de pulso en el lóbulo de la oreja del participante, asegurándose de que el sitio esté limpio limpiándolo con una almohadilla con alcohol.
  3. Explique el protocolo e instruya al participante a respirar a través de la mascarilla antes, durante y después de la prueba.
    NOTA: El participante debe evitar hablar o silbar mientras usa la mascarilla, ya que esto puede afectar las lecturas del ergoespirómetro33.
  4. Una vez que el participante esté posicionado y preparado, pídale que extienda la pierna derecha y espere 2 minutos para la instrucción de inicio (etapa de descanso inicial). Haga que el participante pedalee a una cadencia entre 80 y 100 rpm durante 6 minutos a 0,6 W·kg-1 y 0,8 W·kg-1 para mujeres/hombres, respectivamente (fase de calentamiento). A continuación, incremente la carga de trabajo a un ritmo de 20 W·min-¹ para las mujeres y 25 W·min-¹ para los hombres hasta que el participante alcance el agotamiento (fase de ejercicio).
  5. Después de completar la fase de ejercicio, indique al participante que permanezca quieto y continúe respirando en la máscara durante 3 minutos (fase de enfriamiento o recuperación).
  6. Una vez finalizado el protocolo de ejercicios, retire con cuidado el oxímetro de pulso del lóbulo de la oreja, la mascarilla, los tres dispositivos portátiles NIRS y los electrodos de ECG.
    NOTA: Para mantener las condiciones ambientales del laboratorio (por ejemplo, temperatura del aire ~20 ± 2 °C, humedad relativa ~40% ± 5%), es un criterio crucial. Algunos participantes pueden mostrar una alta tasa de sudoración, lo que interfiere con la fijación de los dispositivos en la piel y afecta el registro de datos NIRS. El uso de ventiladores puede ayudar a reducir la termorregulación del calor mediante la sudoración.

Resultados

Durante la realización de una CPET, se informaron los síntomas de disnea, fatiga de las piernas y tasa de esfuerzo percibido (EPR) en todos los sujetos. El uso complementario de los dispositivos NIRS no añadió ninguna molestia a la evaluación de la sensación de los sujetos. Además, no detuvimos las evaluaciones de CPET por ningún evento de riesgo asociado con estrés fisiológico excesivo.

Estudiamos a dos ciclistas masculinos competitivos reclutados de un club nacional de ciclismo. Los criterios de inclusión para este estudio fueron participantes físicamente activos (≥150 min de actividad física moderada o ≥75 min de actividad física vigorosa por semana) con un índice de masa corporal normal (20-25 kg·m-2). Los criterios de exclusión para este estudio fueron antecedentes de enfermedad respiratoria, cardiovascular, metabólica, musculoesquelética o neoplásica o un proceso infeccioso o inflamatorio al menos 2 semanas antes de las evaluaciones del estudio.

La realización de una CPET, acompañada de un registro no invasivo de los cambios hemodinámicos y de oxigenación tisular resultantes de los cambios metabólicos inducidos por el aumento de la intensidad del ejercicio utilizando dispositivos equipados con tecnología NIRS, permite identificar los factores limitantes centrales asociados a los cambios en las áreas cerebrales frente a los factores limitantes periféricos relacionados con las respuestas respiratorias o musculoesqueléticas al aumento de la intensidad del ejercicio. El protocolo de prueba abarca una serie de pasos, incluida la preparación del participante, la ejecución de la prueba de esfuerzo y la recopilación de datos fisiológicos relevantes.

La ejecución exitosa del protocolo CPET-NIRS se demuestra mediante datos claros y consistentes en varios parámetros. Durante la etapa de descanso inicial, se registran mediciones como la frecuencia cardíaca (FC), la saturación de oxígeno en pulso (SpO2) y las lecturas de NIRS para establecer una línea de base. La fase de calentamiento, caracterizada por un pedaleo de baja carga de trabajo, prepara al participante para la fase de ejercicio incremental, donde la carga de trabajo aumenta progresivamente (ver Figura 1).

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Figura 1: Diseño experimental del esquema del protocolo de ejercicios. Representación esquemática de las etapas del protocolo de ejercicio utilizado en el estudio, destacando eventos clave como descanso (R), calentamiento (W), ejercicio (E), finalización (F) y parada (S), que corresponden al flujo del protocolo de prueba de esfuerzo cardiopulmonar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Se muestran los resultados representativos de los datos del CPET (Figura 2) y NIRS (Figura 3 y Figura 4) de dos atletas masculinos evaluados en condiciones ambientales controladas de laboratorio (temperatura del aire ~20 ± 2 °C; humedad relativa ~40% ± 5 %): (i) Participante 1 (Figura 2A y Figura 3) (edad: 33 años, peso: 80 kg, altura: 178 cm, carga de trabajo máxima: 300 W, VO2-max: 46 mL·kg-1·min-1, VE: 177 L·min-1, HR-max (%previsto, 220 años): 100%, PetCO2: 27 mmHg); y (ii) Participante 2 (Figura 2B y Figura 4) (edad: 26 años, peso: 67 kg, estatura: 178 cm, carga de trabajo máx.: 300 W, VO2-máx.: 51 mL·kg-1·min-1, VE: 131 L·min-1, FC-máx (% predicho, 220 años): 93%, PetCO2: 33 mmHg).

En ambos participantes, el VO2 (consumo de oxígeno), VCO2 (producción de dióxido de carbono), RQ (cociente respiratorio, VCO2· VO 2-1), HR, VE (ventilación pulmonar) y RR (frecuencia respiratoria) presentan un aumento continuo a medida que aumenta la intensidad del ejercicio hasta alcanzar el valor máximo de VO 2 (ver Figura 2).

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Figura 2: Cambios en las variables fisiológicas evaluadas durante la CPET. Se muestra la progresión de las variables fisiológicas medidas durante la prueba de esfuerzo cardiopulmonar, incluyendo el consumo de oxígeno (VO2), la ventilación minuto (VE), la presión de CO2 al final del espiramiento (PetCO2) y la potencia de salida (vatios). Las transiciones entre los umbrales ventilatorios 1 y 2 (VT1 y VT2) se indican dentro de las etapas de ejercicio. a) Participante 1 y b) Participante 2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Los datos de NIRS proporcionaron información sobre la demanda metabólica local durante la CPET. Los cambios inducidos por el ejercicio observados en el tejido diana (muscular frente a cerebral) varían en función del tejido específico y de la intensidad del ejercicio analizado. Por lo tanto, un marco fisiológico útil para interpretar los datos de NIRS inducidos por el ejercicio es el modelo trifásico de intensidad de ejercicio propuesto por Skinner y McLellan34. En este modelo, los autores delinean tres zonas definidas por las VT: Fase I o aeróbica, (ii) Fase II o transición aeróbico-anaerobio, y (ii) Fase III o "inestabilidad metabólica".

A intensidades de ejercicio por debajo de VT2 (Fases I y II), se producirá una disminución deO2-Hb y un aumento de H-Hb a nivel muscular, si no hay una variación significativa de T-Hb como parámetro del flujo sanguíneo local. Nuestro protocolo CPET-NIRS consiste en ejercicios cíclicos con contracciones/relajaciones musculares repetitivas, por lo que se espera una variación mínima en la T-Hb. Sin embargo, los cambios inducidos por el ejercicio varían según el tejido muscular objetivo que se esté evaluando. En los músculos locomotores, como el m.Vastus Lateralis, el aumento progresivo de la intensidad del ejercicio, induce cambios en los datos NIRS concomitantes con la carga de trabajo (ver Figura 3A). Por el contrario, en los músculos respiratorios accesorios, como los m.intercostales, los cambios son concurrentes con los cambios ventilatorios más que con la carga de trabajo (véase la figura 3B). En la CPF se observa un aumento deO2-Hb, H-Hb y T-Hb debido a que el flujo sanguíneo supera la demanda local inducida por el ejercicio; asimismo, se pudo observar una ligera disminución de la ETI (véase la figura 3C). En todos los tejidos evaluados, el parámetro TSI disminuye a medida que aumenta la intensidad del ejercicio, lo que hace que los cambios en el m. Vastus Lateralis sean más notorios que en el m. Intercostales y el PFC (ver Figura 3D).

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Figura 3: Ejemplo de limitación central (Participante 1). Datos NIRS durante el protocolo CPET (Eventos: W = Calentamiento, E = Ejercicio, VT1 = Umbral ventilatorio 1 o umbral ventilatorio aeróbico, VT2 = Umbral ventilatorio 2 o umbral ventilatorio anaeróbico, F = Ejercicio finalizado o VO2-max). (a) m.vasto lateral, (b) m.intercostales, y (c) corteza prefrontal (CPF).   Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

A medida que aumenta la demanda metabólica inducida por el ejercicio, particularmente a intensidades superiores a VT2 (Fase III o "inestabilidad metabólica"), se producen respuestas fisiológicas interesantes que deben estudiarse tanto a nivel muscular (músculos locomotores y respiratorios) como a nivel de PFC. Estos consisten en una marcada disminución deO2-Hb y tHb, junto con un notable aumento de H-Hb, aspectos que apoyan la pronunciada disminución de la TSI.

En sujetos con alta demanda ventilatoria durante el ejercicio de alta intensidad, el aumento exponencial de la EV y la RR provoca una hiperventilación elevada debido al aumento de CO2 de "origen metabólico". Esta hiperventilación puede inducir una vasoconstricción cerebral pronunciada, limitando así el rendimiento por limitación central, como se observa en este sujeto representativo. Teóricamente, los cambios observados en los datos de NIRS son el resultado de la vasoconstricción cerebral inducida por la hipocapnia inferida a partir de la disminución brusca de la presión al final de la espiración de CO2 (PetCO2) registrada en el CPET (ver Figura 2). Se ha demostrado que estos cambios fisiológicos tienen una alta relación con el aumento de la disnea inducida por el ejercicio, registrada mediante la escala de Borg modificada35,36.

Por otro lado, los sujetos con alta demanda locomotora pero no alta demanda respiratoria no presentan vasoconstricción cerebral por hipocapnia. En consecuencia, los datos de NIRS pueden seguir reflejando cambios similares a los observados a intensidades de ejercicio moderadas. En estos sujetos, el rendimiento del ejercicio está limitado por factores limitantes periféricos más que centrales (véase la figura 4). Se ha demostrado que estos cambios fisiológicos tienen una alta relación con el aumento de la fatiga de las piernas inducida por el ejercicio.

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Figura 4: Ejemplo de limitación periférica (Participante 2). Datos NIRS durante el protocolo CPET (Eventos: W = Calentamiento, E = Ejercicio, VT1 = Umbral ventilatorio 1 o umbral ventilatorio aeróbico, VT2 = Umbral ventilatorio 2 o umbral ventilatorio anaeróbico, F = Ejercicio finalizado o VO2-max). (a) m.vasto lateral, (b) m.intercostales, y (c) corteza prefrontal (CPF). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

Existe un potencial significativo en el uso de dispositivos portátiles NIRS como herramienta complementaria a CPET para evaluar el rendimiento deportivo e identificar los factores limitantes del ejercicio central y periférico en atletas aeróbicos o de resistencia, dado que la tecnología NIRS ha demostrado su validez y fiabilidad en la evaluación de la hemodinámica microvascular tanto en regiones cerebrales como musculares37,38. Sin embargo, para maximizar los beneficios de esta tecnología, se deben tener en cuenta varias consideraciones para garantizar mediciones precisas.

Las pautas generales para la colocación de dispositivos portátiles NIRS implican adaptar la posición al tejido objetivo y garantizar una fijación segura a la piel del participante, ya que el movimiento durante el ejercicio puede afectar las señales NIRS (artefactos)7. Para lograr esto, el dispositivo debe estar en contacto completo con la piel y fijarse con cinta adhesiva de doble cara, asegurando que los emisores de luz y los detectores no estén obstruidos. Para mayor estabilidad, se puede aplicar cinta terapéutica elástica sobre el dispositivo. Al colocar el dispositivo en una extremidad que se activará activamente durante el ejercicio, como el m.Vastus Lateralis, se puede usar una envoltura de vendaje elástico para mayor estabilidad durante el ciclismo. Sin embargo, es crucial evitar la compresión excesiva alrededor de los optódos NIRS, ya que puede alterar el flujo sanguíneo local y potencialmente afectar la precisión de las mediciones NIRS (la presión no debe ser superior a la presión de perfusión capilar, ~25 mm Hg)7. Se recomienda que cualquier cinta o vendaje utilizado sobre el dispositivo NIRS sea negro para evitar la interferencia de la luz ambiental 39,40. Además, la iluminación atenuada en el entorno de prueba puede minimizar las posibles interrupciones en la precisión de la señal NIRS.

Si bien la colocación y la seguridad adecuadas de los dispositivos son esenciales, es igualmente importante tener en cuenta las características anatómicas individuales que pueden influir en las mediciones de NIRS. Una limitación importante es que la precisión de las mediciones de NIRS puede verse afectada por factores como el grosor del tejido adiposo (ATT)41,42. La profundidad máxima de penetración para NIRS es aproximadamente la mitad de la distancia entre la fuente de luz y el detector43. A medida que aumenta el ATT, la proporción de la señal NIRS que se origina en el músculo esquelético subyacente disminuye11. Esta reducción en la contribución de la señal da como resultado niveles más bajos deO2-Hb y H-Hb, entre otros cromóforos42. Por lo tanto, se recomienda medir el ATT para garantizar una penetración adecuada de la luz en el músculo. Para ello se puede utilizar un calibrador o un ecógrafo, ya que ambos métodos evalúan con precisión la composición corporal de los deportistas; sin embargo, este último proporciona una precisión superior y puede ser preferido44.

Además de ATT, la precisión de las mediciones NIRS también se ve influenciada por el factor de longitud de ruta diferencial (DPF), que se utiliza para calcular las concentraciones deO2-Hb y H-Hb a través de la ley de Beer-Lambert modificada45. La mayoría de los dispositivos NIRS comerciales utilizan sistemas de onda continua que emiten luz a una intensidad constante y asumen un DPF11 constante. Sin embargo, el DPF no es un valor fijo, ya que varía debido a las diferencias anatómicas individuales, incluyendo el cráneo y el ATT41,46. Además, la variabilidad en el DPF entre individuos y las diferencias en las características anatómicas entre sexos, como las variaciones en la distribución ósea, muscular y del tejido adiposo, también pueden influir en la precisión de las mediciones28. Debido a la suposición de un DPF constante, estos dispositivos solo pueden medir los cambios relativos enO2-Hb y H-Hb a partir de una línea de base en lugar de proporcionar valores absolutos11. Por lo tanto, si bien la tecnología NIRS es valiosa para monitorear las tendencias en la oxigenación de los tejidos, se debe tener precaución al interpretar estas mediciones. La investigación adicional debe centrarse en el desarrollo de métodos para estimar con precisión el DPF en los tejidos cerebrales y musculares. Mientras tanto, se recomienda documentar los valores de DPF utilizados en los estudios para mejorar la reproducibilidad de los resultados.

Otra característica anatómica que puede afectar a las mediciones de NIRS es la concentración de melanina en la piel. La melanina, junto con la hemoglobina, es un cromóforo primario en la piel47. Las personas con pigmentación de piel más oscura tienen melanosomas más grandes y concentrados, lo que puede conducir a una mayor atenuación de la señal debido a una mayor absorción de luz7. La intensidad de la señal detectada depende de la luz absorbida por los cromóforos, de las propiedades de dispersión de la luz de los tejidos y de la distancia entre la fuente de luz y el detector47. En consecuencia, concentraciones más altas de melanina pueden interferir con la calidad de la señal NIRS, lo que lleva a lecturas atenuadas de saturación tisular de oxígeno, principalmente a nivel muscular48,49. Para tener en cuenta estas variaciones y mejorar la interpretabilidad de los datos NIRS en diversas poblaciones, se recomienda que la pigmentación de la piel se informe utilizando la escala de clasificación de tipos de piel de Fitzpatrick7.

En cuanto a la aplicabilidad de este protocolo en la prescripción de ejercicio, la tecnología NIRS se ha utilizado principalmente para evaluar el metabolismo muscular durante el ejercicio de resistencia, particularmente en protocolos donde la oxidación del sustrato sirve como principal fuente de energía para la resíntesis de ATP. Existe evidencia limitada con respecto a su aplicación en el entrenamiento de resistencia, pero una revisión de la literatura sugiere que los efectos agudos del entrenamiento de fuerza sobre el TSI dependen de la composición de las fibras musculares. En concreto, los músculos con una mayor proporción de fibras de tipo I, como el m.Vastus Lateralis muestran un mayor ΔTSI en comparación con otros grupos musculares entrenados a la misma intensidad. No obstante, la considerable heterogeneidad en las metodologías de estudio sigue limitando la generalización de los hallazgos informados. Los resultados preliminares de este estudio, junto con futuras publicaciones de protocolos estandarizados, apoyarán aplicaciones más amplias de esta tecnología para la prescripción de la intensidad del ejercicio en diversos contextos50.

En conclusión, los dispositivos portátiles NIRS representan un avance significativo en la monitorización no invasiva de las respuestas hemodinámicas a nivel microvascular durante el ejercicio, complementando las variables cardiopulmonares evaluadas por el CPET. A diferencia de los métodos invasivos, el NIRS proporciona datos en tiempo real sobre el equilibrio entre el suministro y el consumo de oxígeno sin interrumpir el movimiento natural del atleta. Esta tecnología identifica eficazmente los factores limitantes centrales y periféricos del ejercicio mediante la detección de cambios enO2-Hb, H-Hb y TSI en varios tejidos e intensidades de ejercicio. La información detallada sobre las variaciones en la demanda metabólica y las respuestas fisiológicas destaca el potencial de NIRS para optimizar los programas de entrenamiento y mejorar el rendimiento deportivo. Además, la capacidad de NIRS para evaluar la hemodinámica microvascular cerebral y muscular ofrece nuevas oportunidades para explorar las respuestas fisiológicas a diferentes modalidades e intensidades de ejercicio. En general, la tecnología NIRS es muy prometedora para avanzar en nuestra comprensión de la fisiología humana y contribuir a la investigación en la ciencia del ejercicio, proporcionando una herramienta valiosa para mejorar el rendimiento deportivo y refinar las estrategias de entrenamiento.

Divulgaciones

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

Agradecimientos

Agradecemos a todos los participantes en este estudio y al personal técnico del laboratorio por su apoyo en las mediciones tomadas en el Laboratorio de Fisiología del Ejercicio. Los autores FC-B y ME-R fueron apoyados parcialmente por los III Concursos de Investigación e Innovación de la Facultad de Ciencias de la Salud (Facultad de Medicina, Pontificia Universidad Católica de Chile). El autor RC-C fue financiado por Proyecto apoyado por el Concurso de Proyectos Regulares de Investigación, año 2023, código LPR23-17, Universidad Tecnológica Metropolitana.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Báscula de columnaSECA711Existen numerosas alternativas a este artículo
Estadiómetro portátil SECA217Existen numerosas alternativas a este artículo
ECG de 12 derivacionesCOSMEDQuark T12xUn ECG de 12 derivaciones proporciona una mejor comprensión de la FC durante el ejercicio y facilita la detección de arritmias.
Oxímetro de pulsoCOSMEDOxímetro de pulso integrado
ErgoespirómetroCOSMEDQuark-CPETLos gases de calibración y la jeringa de calibración están incluidos
CicloergómetroErgoline GmHViaSprint 150PExisten numerosas alternativas a este artículo. Debe garantizar la compatibilidad con el software proporcionado
NIRS weareableArtinis MedicalSystems PortaliteArticulated NIRS weareable se adapta a la superficie donde se coloca. 
El dispositivoPortamonPortamon de Artinis Medical Systemsproporciona mejores resultados en superficies de tejido adiposo alto.
Software de gestión de datos metabólicos (OMNIA)El software COSMEDvariará según la elección del sistema
Software de gestión de datos NIRS (Oxysoft)Artinis Medical Systemsvariará según la elección del dispositivo
Escáner de ultrasonido tipo sonda inalámbricaSONUSDuo LCExisten numerosas alternativas a este artículo
portátil NIRS El software de

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