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Utilisation d’appareils portables de spectroscopie proche infrarouge pour identifier les limites centrales et périphériques pendant l’exercice

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DOI :

10.3791/67609

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19 décembre 2024

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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

Dans cet article

Résumé

Ce protocole intègre la technologie de spectroscopie proche infrarouge (NIRS) pour évaluer les changements hématologiques et d’oxygénation localisés au niveau du cortex préfrontal, des muscles respiratoires (m. Intercostales) et locomoteurs (m. Vastus Lateralis) pendant les tests d’effort cardiopulmonaire, permettant d’identifier les facteurs limitants centraux et périphériques affectant la performance à l’exercice.

Résumé

L’étalon-or pour évaluer la capacité aérobie chez les sujets physiquement actifs et les athlètes est le test de consommation maximale d’oxygène (VO2-max), qui implique l’analyse des gaz expirés et des variables cardiorespiratoires obtenues par la méthode respiration par respiration dans un ergospiromètre pendant un exercice incrémentiel. Cependant, cette méthode ne peut pas élucider les changements métaboliques au niveau musculaire. La spectroscopie proche infrarouge (NIRS) s’est imposée comme une technologie précieuse pour évaluer les niveaux locaux d’oxygène (Indice de Saturation Tissulaire, TSI) en quantifiant les concentrations d’hémoglobine oxygénée (O 2-Hb) et désoxygénée (H-Hb) dans la microvascularisation des tissus. Les applications de la NIRS s’étendent aux muscles respiratoires et locomoteurs, en évaluant les changements métaboliques associés au coût de la respiration (COB) et à la charge de travail périphérique, respectivement. De plus, les régions cérébrales, telles que le cortex préfrontal, ont été explorées avec la technologie NIRS pour évaluer les changements physiologiques liés à la demande cognitive associée à la planification ou à l’idéation des tâches motrices liées à la performance sportive. Ainsi, en analysant les changements induits par l’exercice (D) dans l’O 2-Hb, le H-Hb et le TSI, il est possible d’identifier les limitations centrales et périphériques de l’exercice, en particulier lorsque l’entraînement d’endurance est la composante principale de la condition physique (par exemple, la course à pied, le vélo, le triathlon, etc.). Il est primordial pour les entraîneurs et les physiologistes de l’exercice de s’attaquer à ces facteurs afin d’optimiser les performances athlétiques, en intégrant des stratégies d’entraînement axées sur les principaux facteurs limitants de l’exercice. Cette étude décrit un protocole d’utilisation d’appareils portables équipés de la technologie NIRS pour analyser les changements d’exercice dans TSI, O 2-Hb et H-Hb, ainsi que les variables cardiorespiratoires généralement enregistrées chez les athlètes lors des tests VO2-max. Cette approche offre une méthode complète pour identifier les principaux systèmes impliqués dans l’arrêt de la progression de l’exercice et l’amélioration des performances sportives.

Introduction

Les athlètes d’endurance comptent sur un équilibre efficace entre l’apport et l’absorption d’oxygène pour soutenir des exercices de haute intensité et améliorer leurs performances athlétiques 1,2. Le test d’absorption maximale d’oxygène (VO2-max) est une évaluation physiologique vitale qui détermine la performance sportive en analysant les gaz expirés et les variables cardiorespiratoires pendantl’intensité de l’exercice 1. Cette évaluation, connue sous le nom d’ergospirométrie ou de test d’effort cardiopulmonaire (CPET), reflète la réponse à l’effort des systèmes cardiovasculaire, respiratoire et musculaire3. Dans le même ordre d’idées, l’augmentation du coût énergétique associée à la respiration, appelée coût de la respiration (COB), augmente la demande de nutriments et d’oxygène dans les tissus environnants. Il a été démontré que ce phénomène réduit potentiellement le flux sanguin vers les muscles impliqués dans les mouvements actifs, entraînant une diminution de la tolérance à l’effort physique et un arrêt précoce de la progression de l’exercice en raison du réflexe métabolique4.

Lors d’un test VO2-max , il est également possible d’identifier les seuils ventilatoires (VT), qui correspondent à des intensités d’effort spécifiques marquant le passage du métabolisme aérobie au métabolisme anaérobie (seuil aérobie ou seuil ventilatoire 1 [VT1], seuil anaérobie ou point de compensation respiratoire [RCP] ou seuil ventilatoire 2 [VT2])5. Les VT reflètent les réponses ventilatoires qui compensent les changements métaboliques pendant l’exercice incrémentiel6. En identifiant ces seuils, le CPET offre une évaluation complète en intégrant les réponses de plusieurs systèmes biologiques engagés de manière critique lors d’exercices de haute intensité.

Cependant, bien que l’ergospirométrie soit largement considérée comme l’étalon-or pour évaluer le CPET, elle ne saisit pas les changements métaboliques se produisant au niveau musculaire. Ces changements sont cruciaux pour comprendre les facteurs limitants physiologiques associés au manque de progression lors d’exercices de haute intensité chez les athlètes d’endurance. Dans ce contexte, la technologie NIRS est devenue un outil précieux dans la science de l’exercice, aidant à analyser les variables hémodynamiques au niveau musculaire microvasculaire7.

Ces dernières années, les professionnels du sport et les chercheurs ont utilisé une large gamme de wearables commerciaux équipés de la technologie NIRS pour explorer les changements musculaires non invasifs pendant l’exercice, offrant la possibilité de déterminer VT1 et VT2 avec cette technologie8. Ainsi, l’analyse intégrative des données de la NIRS et du CPET offre une compréhension complète des réponses physiologiques à l’exercice.

La technologie NIRS utilise la loi de Beer-Lambert modifiée pour quantifier les changements (D) dans les concentrations d’oxyhémoglobine (O2-Hb) et de désoxyhémoglobine (H-Hb) pendant l’exercice7. Au niveau tissulaire local, une diminution de l’O2-Hb reflète une augmentation de la demande métabolique locale, tandis qu’une augmentation de l’H-Hb reflète une augmentation de l’extraction de l’oxygène. L’hémoglobine totale (tHb), la somme de O2-Hb et de H-Hb, est utilisée comme indice du flux sanguin des tissus locaux. À l’inverse, la différence entre l’O2-Hb et la H-Hb (Hbdiff) fournit un indice d’extraction de l’oxygène dans les tissus9. L’indice de saturation tissulaire (TSI), calculé comme le rapport entre O2-Hb et tHb, reflète le niveau de saturation en oxygène des tissus et indique l’équilibre entre l’apport local d’oxygène et l’absorption d’oxygène10,11. Ainsi, les données NIRS fournissent des informations essentielles sur l’état physiologique au niveau microvasculaire, fournissant une compréhension détaillée de l’oxygénation des tissus et de l’hémodynamique qui complète les informations obtenues à partir du CPET.

Cette compréhension détaillée fournie par la technologie NIRS s’étend à de nombreuses applications pratiques. Des recherches récentes mettent en évidence la polyvalence de la NIRS et démontrent son application pratique dans la surveillance des muscles respiratoires12,13 et locomoteurs7, ainsi que des régions cérébrales impliquées dans l’idéation de l’action motrice, telles que le cortex préfrontal (PFC)14,15. Cette large applicabilité souligne la capacité de la NIRS à fournir un aperçu complet des réponses physiologiques à divers types de contractions musculaires (contractions concentriques ou excentriques ou isométriques) et à l’exercice.

En analysant le DTSI induit par l’exercice aux niveaux musculaire et cérébral, la NIRS offre un potentiel précieux pour identifier les associations entre les facteurs limitants périphériques et centraux qui affectent la progression de l’exercice16,17. Par exemple, parmi les principaux facteurs limitants, la diminution du flux sanguin résultant d’une vasoconstriction cérébrale causée par une hyperventilation compensatoire due à des niveaux élevés d’hydrogène provenant du métabolisme anaérobie et à une augmentation du lactate sanguin pendant un exercice de haute intensité est un contributeur significatif à la réduction des TSI dans le cortex préfrontal17,18. En revanche, les facteurs limitants périphériques sont caractérisés par un déséquilibre entre l’offre et la demande d’oxygène dans la musculature d’exercice19. La réduction de l’apport local d’oxygène et l’augmentation de la consommation d’oxygène peuvent entraîner une désoxygénation des tissus, comme en témoigne la diminution du TSI20. Cette distinction met en évidence la nature multidimensionnelle des limitations de performance lors d’exercices de haute intensité, où les mécanismes centraux et périphériques sont essentiels. Cette compréhension suggère que le fait de retarder l’apparition de ces facteurs limitants pendant l’exercice peut contribuer à améliorer les performances athlétiques.

Pour exploiter pleinement le potentiel de la technologie NIRS dans l’identification de ces limites, des procédures normalisées sont essentielles pour garantir une collecte et une analyse de données de haute qualité. Ce document décrit les méthodes utilisées pour effectuer des tests d’exercice d’endurance maximale à l’aide de la technologie NIRS afin de collecter des données physiologiques et d’élucider la relation entre les facteurs limitatifs centraux et périphériques lors d’exercices de haute intensité chez les athlètes d’endurance. Le protocole proposé fournit une approche normalisée pour assurer l’uniformité et la précision de l’évaluation des phénomènes physiologiques sous-jacents à ces facteurs limitants.

Protocole

Le protocole a été approuvé par le Comité d’examen institutionnel de la Pontificia Universidad Católica de Chile (projets nº 210525001 et 220608010), et l’étude a été menée conformément à la Déclaration d’Helsinki. Tous les participants ont fourni un consentement éclairé écrit avant de participer aux tests décrits.

1. Placement et configuration des appareils portables NIRS

REMARQUE : Divers wearables NIRS et logiciels d’acquisition de données peuvent être utilisés. Les chercheurs doivent consulter attentivement les instructions et les directives du fabricant pour s’assurer d’une configuration et d’une utilisation correctes. Dans cette étude, les dispositifs qui utilisent un registre d’ondes continues du signal NIRS sont utilisés. Ces appareils commerciaux sont faciles à utiliser, mais ils ne peuvent détecter que les changements d’atténuation de la lumière par rapport à la phase de référence ou de base et ne peuvent pas détecter les concentrations absolues comme d’autres appareils qui utilisent un registre temporel de la NIRS.

  1. Directives générales de préparation et de placement des wearables NIRS
    1. Avant de placer les appareils et de commencer les mesures, assurez-vous que tous les appareils portables sont complètement chargés.
      REMARQUE : Pour les appareils utilisés dans cette étude, le fabricant indique qu’une batterie avec une charge complète peut enregistrer 6 à 8 h en continu.
    2. Appliquez du ruban adhésif double face sur tous les appareils portables pour les fixer à la peau du participant, en veillant à ce que le ruban n’obstrue pas les émetteurs et les détecteurs de lumière.
    3. Couvrez tous les appareils portables d’une couche de film alimentaire, suivie d’une couche d’un pansement adhésif imperméable pour les protéger de la transpiration.
    4. Avant de placer les appareils, nettoyez la zone cible avec un tampon d’alcool pour éliminer tout résidu susceptible d’interférer avec le registre (par exemple, crèmes, cosmétiques, etc.). Si nécessaire, rasez la zone autour du site cible, car les cheveux peuvent interférer avec les signaux NIRS.
      REMARQUE : Il est recommandé d’effectuer un lavage minutieux des mains avant de placer tout appareil sur la peau du participant afin d’éviter toute contamination potentielle. Le port de gants est encouragé, car il peut réduire davantage le risque de contamination.
    5. Une fois que tous les appareils portables sont correctement placés sur la peau du participant (voir section 1.2), fixez-les avec une couche de ruban thérapeutique élastique. Si une fixation supplémentaire est nécessaire, utilisez un bandage élastique de couleur foncée, en veillant à ce qu’une compression excessive n’altère pas les mesures (inférieure à la pression d’occlusion capillaire de 25 mm Hg mesurée par un tensiomètre conventionnel).
    6. Placez un chiffon noir sur tous les appareils portables pour empêcher la lumière ambiante de pénétrer. S’il n’est pas possible de couvrir la zone avec un chiffon (environ 6 cm2), utilisez du ruban thérapeutique élastique noir pour bloquer la lumière ambiante.
  2. Placement du dispositif NIRS
    REMARQUE : Assurez-vous que les appareils portables NIRS sont placés de manière à ce que les boutons ON/OFF et de réglage soient facilement accessibles.
    1. Cortex préfrontal : Placez la sonde NIRS sur le cortex préfrontal dorsolatéral gauche ou droit, à environ 10 mm au-dessus de l’arc sourcilier du participant, de manière similaire au placement des électrodes Fp1 selon le système international EEG 10-20 modifié21.
    2. m.Intercostales : Placez la sonde NIRS sur le 7ème espace intercostal au niveau de la ligne axillaire antérieure droite 22,23,24. Si, pour une raison quelconque, il n’est pas positionné sur l’hémithorax droit, positionnez-le sur l’hémithorax gauche, mais le signal de la fréquence cardiaque peut être plus prononcé sur le côté gauche.
      1. Pour confirmer la profondeur de pénétration du NIRS, utilisez une échographie en mode B pour vérifier la distance entre le tissu sous-cutané et le bord externe du m. Intercostales. Pour les mesures au niveau des m.Intercostales, assurez-vous que la distance entre la peau et le muscle est inférieure à 15 mm.
    3. m.Vastus Lateralis : Placez la sonde NIRS à 5 cm du milieu de la ligne imaginaire, en reliant le bord supérieur de la rotule et le grand trochanter du fémur 24,25,26.
      1. Pour s’assurer que l’épaisseur du tissu adipeux (ATT) n’altère pas le registre du signal NIRS, mesurez l’épaisseur du pli cutané pour confirmer la profondeur de pénétration NIRS27. Pour les mesures au niveau du Vastus Lateralis, assurez-vous que l’ATT est inférieur à 20 mm.
  3. Configuration du logiciel NIRS
    1. Une fois que tous les wearables NIRS sont correctement placés (voir section 1.2), allumez-les avant de commencer la mesure.
    2. Lancez le logiciel d’acquisition de données fourni par le fabricant, créez un nouveau fichier et liez les wearables NIRS.
    3. Une fois que tous les appareils portables NIRS sont liés avec succès, réglez la fréquence d’échantillonnage sur 10 Hz pour l’acquisition des données et la conversion analogique-numérique pour les tissus évalués. Pour les mesures du cortex préfrontal, ajustez le facteur de longueur de trajet différentiel (DPF) en fonction du DPF dépendant de l’âge pour chaque participant28. Pour la mesure musculaire, réglez le DPF sur 4, comme utilisé dans les protocoles précédents avec les athlètes comme sujets d’étude29,30.

2. Étalonnage et configuration de l’ergospiromètre

  1. Calibrage du volume
    1. Ouvrez le logiciel de l’ergospiromètre fourni par le fabricant pour commencer le processus d’étalonnage.
    2. Fixez le débitmètre à une turbine de 28 mm à l’aide d’un adaptateur de seringue. Connectez un tube ondulé à l’adaptateur de seringue et l’autre à une seringue d’étalonnage de 3 L.
    3. Effectuer six manœuvres de retrait/injection, en maintenant un débit constant. Une fois l’opération terminée, le logiciel confirmera automatiquement si le test d’étalonnage a réussi.
  2. Étalonnage des gaz
    REMARQUE : Assurez-vous que l’étalonnage du débit est effectué avant de commencer l’étalonnage du gaz.
    1. Calibrage de l’air
      1. Assurez-vous que la conduite d’échantillonnage de l’analyseur de gaz est déconnectée de l’orifice d’étalonnage et suspendue librement. Ensuite, initialisez le processus d’étalonnage.
      2. Lors de l’étalonnage, une ligne plate stable est observée car les concentrations d’oxygène (O2) et de dioxyde de carbone (CO2) ne varient pas de manière significative (moins de 5 %). Une fois l’étalonnage de l’air terminé avec succès, passez à l’étalonnage des gaz métaboliques.
    2. Étalonnage des gaz métaboliques
      1. Ouvrez les vannes de gaz et vérifiez qu’une pression adéquate est fournie au système en vérifiant le manomètre (consultez le fabricant pour des instructions spécifiques).
      2. Connectez la ligne d’échantillonnage au port d’étalonnage et initialisez le processus d’étalonnage. Effectuez un préchauffage de 3 minutes avant de commencer l’étalonnage, comme conseillé par le fabricant.
      3. Si cela est fait correctement, après la période de préchauffage de 3 minutes, deux lignes plates doivent être observées : l’une fluctuant entre l’air ambiant (environ 21,00 % O2 et 0,04 % CO2) et l’autre entre le gaz d’étalonnage (16,00 % O2 et 5,00 % CO2).
      4. Enfin, débranchez la ligne d’échantillonnage de l’orifice d’étalonnage et fixez-la à l’embout buccal qui sera utilisé pour le test à venir.

3. Placement des électrodes ECG (12 dérivations)

  1. Préparez la peau en l’exfoliant avec une crème et/ou en rasant les poils des sites de placement des électrodes si nécessaire. Nettoyez les zones avec un tampon imbibé d’alcool pour éliminer tout résidu de tissu superficiel.
  2. Placez les électrodes ECG comme suit31 :
    1. Placez les électrodes bipolaires (électrodes de dérivation des membres) comme suit : Bras gauche (LA) : côté gauche de la fosse sous-claviculaire ; Bras droit (PR) : côté droit de la fosse sous-claviculaire ; Jambe gauche (LL) : projection antérieure de la tête fémorale gauche ; Jambe droite (RL) : projection antérieure de la tête fémorale droite.
    2. Placez les électrodes précordiales comme suit : V1 : 4e espace intercostal à droite du sternum ; V2 : 4e espace intercostal à gauche du sternum (dans l’axe de V1) ; V3 : à mi-chemin entre V2 et V4 ; V4 : 5e espace intercostal au niveau de la ligne médio-claviculaire ; V5 : ligne axillaire antérieure au même niveau que V4 ; V6 : ligne médio-axillaire au même niveau que V4 et V5.

4. Test d’effort maximal incrémentiel (test d’effort cardio-pulmonaire, CPET)

  1. Demandez au participant de s’asseoir sur le vélo, en veillant à ce que le siège et le guidon soient ajustés à sa hauteur pour un confort et un positionnement optimaux.
    REMARQUE : Il est conseillé de régler la hauteur du siège de manière à ce que le genou soit légèrement plié à l’extension complète32. Le guidon doit être positionné de manière à permettre une légère flexion des coudes.
  2. Fixez un oxymètre de pouls sur le lobe de l’oreille du participant, en vous assurant que le site est propre en l’essuyant avec un tampon d’alcool.
  3. Expliquez le protocole et demandez au participant de respirer à travers le masque avant, pendant et après le test.
    REMARQUE : Le participant doit éviter de parler ou de siffler lorsqu’il porte le masque, car cela peut affecter les lectures de l’ergospiromètre33.
  4. Une fois que le participant est positionné et préparé, demandez-lui d’étendre la jambe droite et d’attendre 2 minutes pour recevoir l’instruction de départ (phase de repos initiale). Demandez au participant de pédaler à une cadence comprise entre 80 et 100 tr/min pendant 6 minutes à 0,6 W·kg-1 et 0,8 W·kg-1 pour les femmes et les hommes, respectivement (phase d’échauffement). Ensuite, augmentez la charge de travail à un rythme de 20 W·min-¹ pour les femmes et de 25 W·min-¹ pour les hommes jusqu’à ce que le participant atteigne l’épuisement (phase d’exercice).
  5. Après avoir terminé la phase d’exercice, demandez au participant de rester immobile et de continuer à respirer dans le masque pendant 3 minutes (phase de récupération ou de récupération).
  6. Une fois le protocole d’exercice terminé, retirez soigneusement l’oxymètre de pouls du lobe de l’oreille, le masque, les trois appareils portables NIRS et les électrodes ECG.
    REMARQUE : Pour maintenir les conditions ambiantes du laboratoire (par exemple, température de l’air ~20 ± 2 °C, humidité relative ~40 % ± 5 %), il s’agit d’un critère crucial. Certains participants peuvent présenter un taux de transpiration élevé, ce qui interfère avec la fixation des appareils sur la peau et affecte l’enregistrement des données NIRS. L’utilisation de ventilateurs peut aider à réduire la thermorégulation chaude par la transpiration.

Résultats

Au cours de l’achèvement d’un CPET, les symptômes de dyspnée, de fatigue des jambes et de taux d’effort perçu (RPE) ont été signalés chez tous les sujets. L’utilisation complémentaire des dispositifs NIRS n’a pas ajouté d’inconfort à l’évaluation des sensations des sujets. De plus, nous n’avons pas arrêté les évaluations CPET par un événement à risque associé à un stress physiologique excessif.

Nous avons étudié deux cyclistes masculins de compétition recrutés dans un club cycliste national. Les critères d’inclusion pour cette étude étaient des participants physiquement actifs (≥150 min d’activité physique modérée ou ≥75 min d’activité physique vigoureuse par semaine) avec un indice de masse corporelle normal (20-25 kg·m-2). Les critères d’exclusion de cette étude étaient des antécédents de maladie respiratoire, cardiovasculaire, métabolique, musculo-squelettique ou néoplasique ou un processus infectieux ou inflammatoire au moins 2 semaines avant les évaluations de l’étude.

La réalisation d’un CPET, accompagné d’un enregistrement non invasif des changements hémodynamiques et de l’oxygénation tissulaire résultant de changements métaboliques induits par une intensité d’exercice accrue à l’aide d’appareils équipés de la technologie NIRS, permet d’identifier les facteurs limitants centraux associés aux changements dans les zones cérébrales par rapport aux facteurs limitatifs périphériques liés aux réponses respiratoires ou musculo-squelettiques à l’augmentation de l’intensité de l’exercice. Le protocole de test comprend une série d’étapes, notamment la préparation du participant, l’exécution du test d’effort et la collecte de données physiologiques pertinentes.

L’exécution réussie du protocole CPET-NIRS est démontrée par des données claires et cohérentes sur plusieurs paramètres. Au cours de la phase de repos initiale, des mesures telles que la fréquence cardiaque (FC), la saturation en oxygène du pouls (SpO2) et les lectures NIRS sont enregistrées pour établir une base de référence. La phase d’échauffement, caractérisée par une faible charge de travail, prépare le participant à la phase d’exercice incrémentielle, où la charge de travail augmente progressivement (voir figure 1).

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Figure 1 : Conception expérimentale du schéma de protocole d’exercice. Représentation schématique des étapes du protocole d’exercice utilisé dans l’étude, mettant en évidence les événements clés tels que le repos (R), l’échauffement (W), l’exercice (E), la finalisation (F) et l’arrêt (S), qui correspondent au déroulement du protocole de test d’effort cardiopulmonaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Les résultats représentatifs des données CPET (Figure 2) et NIRS (Figure 3 et Figure 4) de deux athlètes masculins évalués dans des conditions ambiantes contrôlées en laboratoire (température de l’air ~20 ± 2 °C ; humidité relative ~40 % ± 5 %) sont présentés : (i) Participant 1 (Figure 2A et Figure 3) (âge : 33 ans, poids : 80 kg, taille : 178 cm, charge de travail maximale : 300 W, VO2-max : 46 mL·kg-1·min-1, VE : 177 L·min-1, HR-max (% prédit, 220 ans) : 100%, PetCO2 : 27 mmHg) ; et (ii) Participant 2 (figure 2B et figure 4) (âge : 26 ans, poids : 67 kg, taille : 178 cm, charge de travail maximale : 300 W, VO2-max : 51 mL·kg-1·min-1, VE : 131 L·min-1, HR-max (% prédit, 220 ans) : 93 %, PetCO2 : 33 mmHg).

Chez les deux participants, l’OV2 (consommation d’oxygène), le VCO2 (production de dioxyde de carbone), le QR (quotient respiratoire, le VCO2· VO 2-1), HR, VE (ventilation pulmonaire) et RR (fréquence respiratoire) présentent une augmentation continue à mesure que l’intensité de l’exercice augmente jusqu’à ce que la valeur maximale de VO2 soit atteinte (voir Figure 2).

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Figure 2 : Modifications des variables physiologiques évaluées au cours de la CPET. La progression des variables physiologiques mesurées lors des tests d’effort cardiopulmonaire, y compris la consommation d’oxygène (VO2), la ventilation minute (VE), la pression de CO2 en fin d’expiration (PetCO2) et la puissance de sortie (Watts), est présentée. Les transitions entre les seuils ventilatoires 1 et 2 (VT1 et VT2) sont indiquées au cours des phases d’exercice. (a) Participant 1 et (b) Participant 2. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Les données NIRS ont fourni des informations sur la demande métabolique locale pendant le CPET. Les changements induits par l’exercice observés dans le tissu cible (musculaire ou cérébral) varient en fonction du tissu spécifique et de l’intensité de l’exercice analysé. Par conséquent, un cadre physiologique utile pour interpréter les données NIRS induites par l’exercice est le modèle triphasique de l’intensité de l’exercice proposé par Skinner et McLellan34. Dans ce modèle, les auteurs délimitent trois zones définies par les VT : la phase I ou aérobie, (ii) la phase II ou transition aérobie-anaérobie, et (ii) la phase III ou « instabilité métabolique ».

À des intensités d’exercice inférieures à VT2 (phases I et II), une diminution de l’O 2-Hb et une augmentation de l’H-Hb se produiront au niveau musculaire – s’il n’y a pas de variation significative de la T-Hb en tant que paramètre du flux sanguin local. Notre protocole CPET-NIRS consiste en des exercices cycliques avec des contractions/relaxations musculaires répétitives, de sorte qu’une variation minimale de T-Hb est attendue. Cependant, les changements induits par l’exercice varient en fonction du tissu musculaire cible évalué. Dans les muscles locomoteurs, comme le m.Vastus Lateralis, l’augmentation progressive de l’intensité de l’exercice, induit des modifications des données NIRS concomitantes à la charge de travail (voir Figure 3A). En revanche, dans les muscles respiratoires accessoires, tels que les m. Intercostales, les changements sont concomitants avec les changements ventilatoires plutôt qu’avec la charge de travail (voir Figure 3B). Dans le PFC, une augmentation de O2-Hb, H-Hb et T-Hb est observée car le débit sanguin dépasse la demande locale induite par l’exercice ; en outre, une légère diminution des TSI a pu être observée (voir figure 3C). Dans tous les tissus évalués, le paramètre TSI diminue à mesure que l’intensité de l’exercice augmente, ce qui rend les changements de m.Vastus Lateralis plus notoires que m.Intercostales et PFC (voir Figure 3D).

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Figure 3 : Exemple de limitation centrale (participant 1). Données NIRS pendant le protocole CPET (événements : W = Échauffement, E = Exercice, VT1 = Seuil ventilatoire 1 ou seuil ventilatoire aérobie, VT2 = Seuil ventilatoire 2 ou seuil ventilatoire anaérobie, F = Exercice finalisé ou VO2-max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales, et (C) Cortex préfrontal (PFC).   Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Au fur et à mesure que la demande métabolique induite par l’exercice augmente, en particulier à des intensités supérieures à VT2 (Phase III ou « instabilité métabolique »), des réponses physiologiques intéressantes à étudier se produisent à la fois au niveau musculaire (muscles locomoteurs et respiratoires) et au niveau du PFC. Il s’agit d’une diminution marquée de l’O 2-Hb et de la tHb, ainsi que d’une augmentation remarquable de l’H-Hb, aspects qui soutiennent la baisse prononcée de l’ITT.

Chez les sujets ayant une forte demande ventilatoire lors d’exercices de haute intensité, l’augmentation exponentielle de l’EV et de la RR provoque une hyperventilation élevée en raison de l’augmentation du CO2 d'« origine métabolique ». Cette hyperventilation peut induire une vasoconstriction cérébrale prononcée, limitant ainsi les performances par limitation centrale, comme on le voit chez ce sujet représentatif. Théoriquement, les changements observés dans les données NIRS résultent d’une vasoconstriction cérébrale induite par l’hypocapnie déduite de la diminution brutale de la pression en fin d’expiration du CO2 (PetCO2) enregistrée dans le CPET (voir Figure 2). Il a été démontré que ces changements physiologiques ont une relation élevée avec l’augmentation de la dyspnée induite par l’exercice, enregistrée à l’aide de l’échelle de Borg modifiée35,36.

D’autre part, les sujets ayant une demande locomotrice élevée mais pas une demande respiratoire élevée ne présentent pas de vasoconstriction cérébrale par hypocapnie. Par conséquent, les données NIRS peuvent continuer à refléter des changements comme ceux observés à des intensités d’exercice modérées. Chez ces sujets, la performance physique est limitée par des facteurs limitants périphériques plutôt que centraux (voir Figure 4). Il a été démontré que ces changements physiologiques ont une relation élevée avec l’augmentation de la fatigue des jambes induite par l’exercice.

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Figure 4 : Exemple de limitation périphérique (Participant 2). Données NIRS pendant le protocole CPET (événements : W = Échauffement, E = Exercice, VT1 = Seuil ventilatoire 1 ou seuil ventilatoire aérobie, VT2 = Seuil ventilatoire 2 ou seuil ventilatoire anaérobie, F = Exercice finalisé ou VO2–max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales, et (C) Cortex préfrontal (PFC). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 

Discussion

Il existe un potentiel important à utiliser les appareils portables NIRS comme outil complémentaire au CPET pour évaluer les performances sportives et identifier les facteurs limitants centraux et périphériques de l’exercice chez les athlètes d’aérobie ou d’endurance, étant donné que la technologie NIRS a prouvé sa validité et sa fiabilité dans l’évaluation de l’hémodynamique microvasculaire dans les régions cérébrales et musculaires37,38. Cependant, pour maximiser les avantages de cette technologie, plusieurs considérations doivent être prises en compte pour assurer des mesures précises.

Les directives générales pour le placement d’un dispositif portable NIRS impliquent d’adapter le positionnement au tissu cible et d’assurer une fixation sûre à la peau du participant, car le mouvement pendant l’exercice peut avoir un impact sur les signaux NIRS (artefacts)7. Pour ce faire, l’appareil doit être en contact complet avec la peau et fixé à l’aide d’un ruban adhésif double face, en veillant à ce que les émetteurs et les détecteurs de lumière ne soient pas obstrués. Pour plus de stabilité, un ruban thérapeutique élastique peut être appliqué sur l’appareil. Lorsque vous placez l’appareil sur un membre qui sera activement engagé pendant l’exercice, tel que le m.Vastus Lateralis, un bandage élastique, peut être utilisé pour plus de stabilité pendant le cyclisme. Cependant, il est crucial d’éviter une compression excessive autour des optodes NIRS car elle peut altérer le flux sanguin local et potentiellement affecter la précision des mesures NIRS (la pression ne doit pas être supérieure à la pression de perfusion capillaire, ~25 mm Hg)7. Il est recommandé que toute bande ou bandage utilisé sur le dispositif NIRS soit noir pour éviter les interférences de la lumière ambiante39,40. De plus, un éclairage tamisé dans l’environnement de test peut minimiser les interruptions potentielles de la précision du signal NIRS.

Bien que le placement et la fixation appropriés des appareils soient essentiels, il est tout aussi important de prendre en compte les caractéristiques anatomiques individuelles qui peuvent influencer les mesures NIRS. L’une des principales limites est que la précision des mesures NIRS peut être affectée par des facteurs tels que l’épaisseur du tissu adipeux (ATT)41,42. La profondeur de pénétration maximale pour le NIRS est d’environ la moitié de la distance entre la source lumineuse et le détecteur43. À mesure que l’ATT augmente, la proportion du signal NIRS provenant du muscle squelettique sous-jacent diminue11. Cette réduction de la contribution du signal entraîne des niveaux plus faibles d’O 2-Hb et de H-Hb, entre autres chromophores42. Par conséquent, il est recommandé de mesurer l’ATT pour assurer une bonne pénétration de la lumière dans le muscle. Un pied à coulisse ou une échographie peuvent être utilisés à cet effet, car les deux méthodes évaluent avec précision la composition corporelle des athlètes ; Cependant, ce dernier offre une précision supérieure et peut être préféré44.

En plus de l’ATT, la précision des mesures NIRS est également influencée par le facteur de longueur de trajet différentiel (DPF), qui est utilisé pour calculer les concentrations de O 2-Hb et H-Hb par le biais de la loi de Beer-Lambertmodifiée 45. La plupart des dispositifs NIRS commerciaux utilisent des systèmes à ondes continues qui émettent de la lumière à une intensité constante et supposent un DPF11 constant. Cependant, le DPF n’est pas une valeur fixe, car il varie en raison de différences anatomiques individuelles, y compris le crâne et l’ATT41,46. De plus, la variabilité du DPF entre les individus et les différences dans les caractéristiques anatomiques entre les sexes, telles que les variations dans les os, la masse musculaire et la distribution du tissu adipeux, peuvent également influencer la précision des mesures28. En raison de l’hypothèse d’un DPF constant, ces dispositifs ne peuvent mesurer que les changements relatifs de O 2-Hb et H-Hb à partir d’une ligne de base plutôt que de fournir des valeurs absolues11. Par conséquent, bien que la technologie NIRS soit précieuse pour surveiller les tendances de l’oxygénation des tissus, il faut faire preuve de prudence lors de l’interprétation de ces mesures. D’autres recherches devraient se concentrer sur le développement de méthodes permettant d’estimer avec précision le DPF dans les tissus cérébraux et musculaires. Dans l’intervalle, il est recommandé de documenter les valeurs DPF utilisées dans les études afin d’améliorer la reproductibilité des résultats.

Une autre caractéristique anatomique qui peut affecter les mesures NIRS est la concentration de mélanine de la peau. La mélanine, avec l’hémoglobine, est un chromophore primaire de la peau47. Les personnes ayant une pigmentation de peau plus foncée ont des mélanosomes plus gros et plus concentrés, ce qui peut entraîner une plus grande atténuation du signal en raison d’une absorption accrue de la lumière7. L’intensité du signal détecté dépend de la lumière absorbée par les chromophores, des propriétés de diffusion de la lumière tissulaire et de la distance entre la source lumineuse et le détecteur47. Par conséquent, des concentrations plus élevées de mélanine peuvent interférer avec la qualité du signal NIRS, entraînant une atténuation des lectures de saturation tissulaire en oxygène, principalement au niveau musculaire48,49. Pour tenir compte de ces variations et améliorer l’intelligibilité des données du SRIN dans diverses populations, il est recommandé que la pigmentation de la peau soit signalée à l’aide de l’échellede classification des types de peau 7 de Fitzpatrick.

En ce qui concerne l’applicabilité de ce protocole dans la prescription d’exercices, la technologie NIRS a principalement été utilisée pour évaluer le métabolisme musculaire pendant les exercices d’endurance, en particulier dans les protocoles où l’oxydation du substrat sert de principale source d’énergie pour la resynthèse de l’ATP. Peu de preuves sont disponibles concernant son application dans l’entraînement en résistance, mais une revue de la littérature suggère que les effets aigus de l’entraînement en force sur les TSI dépendent de la composition des fibres musculaires. Plus précisément, les muscles avec une proportion plus élevée de fibres de type I, tels que le m.Vastus Lateralis , montrent un ΔTSI plus élevé par rapport à d’autres groupes musculaires entraînés à la même intensité. Néanmoins, l’hétérogénéité considérable des méthodologies d’étude continue de limiter la généralisation des résultats rapportés. Les résultats préliminaires de cette étude, ainsi que les futures publications de protocoles normalisés, soutiendront des applications plus larges de cette technologie pour prescrire l’intensité de l’exercice dans divers contextes50.

En conclusion, les dispositifs portables NIRS représentent une avancée significative dans la surveillance non invasive des réponses hémodynamiques au niveau microvasculaire pendant l’exercice, complétant les variables cardiopulmonaires évaluées par le CPET. Contrairement aux méthodes invasives, la NIRS fournit des données en temps réel sur l’équilibre entre l’apport et la consommation d’oxygène sans perturber le mouvement naturel de l’athlète. Cette technologie identifie efficacement les facteurs centraux et périphériques limitant l’exercice en détectant les changements dans l’O 2-Hb, le H-Hb et le TSI dans divers tissus et intensités d’exercice. Les informations détaillées sur les variations de la demande métabolique et des réponses physiologiques mettent en évidence le potentiel de NIRS pour optimiser les programmes d’entraînement et améliorer les performances athlétiques. De plus, la capacité de la NIRS à évaluer l’hémodynamique microvasculaire cérébrale et musculaire offre de nouvelles possibilités d’explorer les réponses physiologiques à différentes modalités et intensités d’exercice. Dans l’ensemble, la technologie NIRS est très prometteuse pour faire progresser notre compréhension de la physiologie humaine et contribuer à la recherche en science de l’exercice, fournissant un outil précieux pour améliorer les performances sportives et affiner les stratégies d’entraînement.

Déclarations de divulgation

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

Remerciements

Nous remercions tous les participants à cette étude et le personnel du laboratoire technique pour leur soutien dans les mesures prises au Laboratoire de physiologie de l’exercice. Les auteurs FC-B et ME-R ont été partiellement soutenus par les IIIe, IV et V Concours de Recherche et d’Innovation de l’École des Sciences de la Santé (Faculté de Médecine, Pontificia Universidad Católica de Chile). L’auteur RC-C a été financé par Projet soutenu par le Concours pour les projets réguliers de recherche, année 2023, code LPR23-17, Universidad Tecnológica Metropolitana.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Balance à colonneSECA711Il existe de nombreuses alternatives à cet article
Stadiomètre portable  ;SECA217Il existe de nombreuses alternatives à cet article
ECG à 12 dérivationsCOSMEDQuark T12xUn ECG à 12 dérivations permet une meilleure compréhension de la FC pendant l’effort et facilite la détection des arythmies.
Oxymètre de poulsCOSMEDOxymètre de pouls intégré
ErgospiromètreCOSMEDQuark-CPETLes gaz d’étalonnage et la seringue de calibrage sont inclus
Cycle-ergomètreErgolineGmH ViaSprint 150PIl existe de nombreuses alternatives à cet article. Doit assurer la compatibilité avec le logiciel fourni
NIRS weareableArtinis Medical SystemsPortalite ArticulatedNIRS weareable s’adapte à la surface sur laquelle il est placé.  ;
PortamonPortamon offre de meilleurs résultats sur les surfaces de tissu adipeux élevé.
Logiciel de gestion des données métaboliques (OMNIA)Le logiciel COSMEDvarie en fonction du choix du système
Logiciel de gestion des données NIRS (Oxysoft)Le logiciel Artinis Medical Systemsvarie en fonction du choix de l’appareil
Scanner à ultrasons sans fil de type sondeSONUSDuo LCIl existe de nombreuses alternatives à cet article
Le dispositif

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Utilisation d’appareils portables de spectroscopie proche infrarouge pour identifier les limites centrales et périphériques pendant l’exercice
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