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Articolo metodologico

Utilizzo di dispositivi indossabili per spettroscopia nel vicino infrarosso per identificare le limitazioni centrali rispetto a quelle periferiche durante l'esercizio

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DOI:

10.3791/67609

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19 dicembre 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

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo integra la tecnologia NIRS (Near Infrared Spectroscopy) per valutare i cambiamenti ematologici e di ossigenazione localizzati a livello della corteccia prefrontale, dei muscoli respiratori (m.Intercostali) e locomotori (m.Vastus Lateralis) durante i test da sforzo cardiopolmonare, consentendo l'identificazione dei fattori limitanti centrali e periferici che influenzano le prestazioni dell'esercizio.

Abstract

Il gold standard per valutare la capacità aerobica nei soggetti fisicamente attivi e negli atleti è il test del consumo massimo di ossigeno (VO2-max), che prevede l'analisi dei gas espirati e delle variabili cardiorespiratorie ottenute con il metodo respiro per respiro in un ergospirometro durante un esercizio incrementale. Tuttavia, questo metodo non può chiarire i cambiamenti metabolici a livello muscolare. La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) è emersa come una tecnologia preziosa per valutare i livelli locali di ossigeno (Tissular Saturation Index, TSI) quantificando le concentrazioni di emoglobina ossigenata (O 2-Hb) e deossigenata (H-Hb) nella microvascolarizzazione dei tessuti. Le applicazioni NIRS si estendono ai muscoli respiratori e locomotori, valutando i cambiamenti metabolici associati rispettivamente al costo della respirazione (COB) e al carico di lavoro periferico. Inoltre, le regioni cerebrali, come la corteccia prefrontale, sono state esplorate con la tecnologia NIRS per valutare i cambiamenti fisiologici legati alla domanda cognitiva associata alla pianificazione o all'ideazione di compiti motori legati alle prestazioni sportive. Pertanto, analizzando i cambiamenti indotti dall'esercizio (D) in O 2-Hb, H-Hb e TSI, è possibile identificare i limiti centrali e periferici dell'esercizio, in particolare quando l'allenamento di resistenza è la componente principale della forma fisica (ad esempio, corsa, ciclismo, triathlon, ecc.). Affrontare questi fattori è fondamentale per allenatori e fisiologi dell'esercizio per ottimizzare le prestazioni atletiche, incorporando strategie di allenamento incentrate sui principali fattori limitanti l'esercizio. Questo studio delinea un protocollo per l'utilizzo di dispositivi indossabili dotati di tecnologia NIRS per analizzare i cambiamenti dell'esercizio in TSI, O 2-Hb e H-Hb, insieme alle variabili cardiorespiratorie tipicamente registrate negli atleti durante i test VO2-max. Questo approccio offre un metodo completo per identificare i sistemi primari coinvolti nell'arresto della progressione dell'esercizio e nel miglioramento delle prestazioni sportive.

Introduzione

Gli atleti di resistenza si affidano a un equilibrio efficiente tra l'apporto e l'assorbimento di ossigeno per sostenere l'esercizio ad alta intensità e migliorare le loro prestazioni atletiche 1,2. Il test del consumo massimo di ossigeno (VO2-max) è una valutazione fisiologica vitale che determina le prestazioni sportive analizzando i gas espirati e le variabili cardiorespiratorie durante l'intensità dell'esercizio incrementale1. Questa valutazione, nota come ergospirometria o test da sforzo cardiopolmonare (CPET), riflette la risposta all'esercizio dei sistemi cardiovascolare, respiratorio e muscolare3. In questo senso, l'aumento del costo energetico associato alla respirazione, indicato come costo della respirazione (COB), aumenta la domanda di nutrienti e ossigeno nei tessuti circostanti. È stato documentato che questo fenomeno riduce potenzialmente il flusso sanguigno ai muscoli coinvolti nei movimenti attivi, con conseguente diminuzione della tolleranza allo sforzo fisico e una cessazione precoce della progressione dell'esercizio a causa del riflesso metabolico4.

Durante un test VO2–max , è anche possibile identificare le soglie ventilatorie (VT), che corrispondono a specifiche intensità di esercizio che segnano il passaggio dal metabolismo aerobico a quello anaerobico (soglia aerobica o soglia ventilatoria 1 [VT1], e soglia anaerobica o punto di compensazione respiratoria [RCP] o soglia ventilatoria 2 [VT2])5. Le TV riflettono le risposte ventilatorie che compensano i cambiamenti metabolici durante l'esercizio incrementale6. Identificando queste soglie, la CPET offre una valutazione completa integrando le risposte di più sistemi biologici impegnati in modo critico durante l'esercizio ad alta intensità.

Tuttavia, sebbene l'ergospirometria sia ampiamente considerata il gold standard per la valutazione della CPET, non cattura i cambiamenti metabolici che si verificano a livello muscolare. Questi cambiamenti sono cruciali per comprendere i fattori fisiologici limitanti associati alla mancanza di progressione durante l'esercizio ad alta intensità negli atleti di resistenza. In questo contesto, la tecnologia NIRS è emersa come uno strumento prezioso nella scienza dell'esercizio, aiutando nell'analisi delle variabili emodinamiche a livello del muscolo microvascolare7.

Negli ultimi anni, i professionisti dello sport e i ricercatori hanno utilizzato un'ampia gamma di dispositivi indossabili commerciali dotati di tecnologia NIRS per esplorare i cambiamenti muscolari non invasivi durante l'esercizio, fornendo la capacità di determinare VT1 e VT2 con questa tecnologia8. Pertanto, l'analisi integrativa dei dati di NIRS e CPET offre una comprensione completa delle risposte fisiologiche all'esercizio.

La tecnologia NIRS utilizza la legge di Beer-Lambert modificata per quantificare le variazioni (D) nelle concentrazioni di ossiemoglobina (O 2-Hb) e deossiemoglobina (H-Hb) durante l'esercizio7. A livello tissutale locale, una diminuzione di O2-Hb riflette un aumento della domanda metabolica locale, mentre un aumento di H-Hb riflette un aumento dell'estrazione di ossigeno. L'emoglobina totale (tHb), la somma di O2-Hb e H-Hb, viene utilizzata come indice del flusso sanguigno tissutale locale. Al contrario, la differenza tra O2-Hb e H-Hb (Hbdiff) fornisce un indice di estrazione di ossigeno nei tessuti9. L'indice di saturazione tissutale (TSI), calcolato come rapporto tra O2-Hb e tHb, riflette il livello di saturazione di ossigeno nei tessuti e indica l'equilibrio tra l'erogazione locale di ossigeno e l'assorbimento10,11. Pertanto, i dati NIRS forniscono informazioni critiche sullo stato fisiologico a livello microvascolare, fornendo una comprensione dettagliata dell'ossigenazione e dell'emodinamica dei tessuti che integra le informazioni ottenute dalla CPET.

Questa comprensione dettagliata fornita dalla tecnologia NIRS si estende a molte applicazioni pratiche. Recenti ricerche evidenziano la versatilità del NIRS e dimostrano la sua applicazione pratica nel monitoraggio dei muscoli respiratori12,13 e locomotori7, nonché delle regioni cerebrali coinvolte nell'ideazione dell'atto motorio, come la corteccia prefrontale (PFC)14,15. Questa ampia applicabilità sottolinea la capacità del NIRS di fornire una visione completa delle risposte fisiologiche a vari tipi di contrazioni muscolari (contrazioni concentriche o, eccentriche o isometriche) e all'esercizio.

Analizzando il DTSI indotto dall'esercizio sia a livello muscolare che cerebrale, il NIRS fornisce un prezioso potenziale per identificare le associazioni tra fattori limitanti periferici e centrali che influenzano la progressione dell'esercizio16,17. Ad esempio, tra i fattori limitanti centrali, la diminuzione del flusso sanguigno derivante dalla vasocostrizione cerebrale causata dall'iperventilazione compensatoria dovuta a livelli elevati di idrogeno dal metabolismo anaerobico e all'aumento del lattato nel sangue durante l'esercizio ad alta intensità è un contributo significativo alla riduzione della TSI nella corteccia prefrontale17,18. Al contrario, i fattori limitanti periferici sono caratterizzati da uno squilibrio tra l'offerta e la domanda di ossigeno nella muscolatura in esercizio19. La riduzione dell'apporto locale di ossigeno e l'aumento del consumo di ossigeno possono portare alla deossigenazione dei tessuti, come evidenziato dalla diminuzione della TSI20. Questa distinzione evidenzia la natura sfaccettata delle limitazioni delle prestazioni durante l'esercizio ad alta intensità, in cui sia i meccanismi centrali che quelli periferici sono critici. Questa comprensione suggerisce che ritardare l'insorgenza di questi fattori limitanti durante l'esercizio può contribuire a migliorare le prestazioni atletiche.

Per sfruttare appieno il potenziale della tecnologia NIRS nell'identificare queste limitazioni, le procedure standardizzate sono essenziali per garantire una raccolta e un'analisi dei dati di alta qualità. Questo documento delinea i metodi per condurre test di massima resistenza utilizzando la tecnologia NIRS per raccogliere dati fisiologici e chiarire la relazione tra fattori limitanti centrali e periferici durante l'esercizio ad alta intensità negli atleti di resistenza. Il protocollo proposto fornisce un approccio standardizzato per garantire coerenza e accuratezza nella valutazione dei fenomeni fisiologici alla base di questi fattori limitanti.

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Protocollo

Il protocollo è stato approvato dall'Institutional Review Board della Pontificia Universidad Católica de Chile (progetti nº 210525001 e 220608010) e lo studio è stato condotto in conformità con la Dichiarazione di Helsinki. Tutti i partecipanti hanno fornito il consenso informato scritto prima di partecipare ai test descritti.

1. Posizionamento e configurazione dei dispositivi indossabili NIRS

NOTA: È possibile utilizzare vari dispositivi indossabili NIRS e software di acquisizione dati. I ricercatori devono consultare attentamente le istruzioni e le linee guida del produttore per garantire una configurazione e un utilizzo corretti. In questo studio vengono utilizzati i dispositivi che utilizzano un registro d'onda continua del segnale NIRS. Questi dispositivi commerciali sono facili da usare, ma sono in grado di rilevare solo i cambiamenti nell'attenuazione della luce rispetto alla fase di riferimento o di base e non possono rilevare concentrazioni assolute come altri dispositivi che utilizzano un registro nel dominio del tempo di NIRS.

  1. Linee guida generali per la preparazione e il posizionamento dei dispositivi indossabili NIRS
    1. Prima di posizionare i dispositivi e iniziare le misurazioni, assicurarsi che tutti i dispositivi indossabili siano completamente carichi.
      NOTA: Per i dispositivi utilizzati in questo studio, il produttore riferisce che una batteria con una carica completa può registrare 6-8 ore ininterrottamente.
    2. Applicare del nastro biadesivo su tutti i dispositivi indossabili per fissarli alla pelle del partecipante, assicurandosi che il nastro non ostruisca gli emettitori di luce e i rilevatori.
    3. Copri tutti i dispositivi indossabili con uno strato di pellicola trasparente, seguito da uno strato di una medicazione adesiva impermeabile per proteggerli dal sudore.
    4. Prima di posizionare i dispositivi, pulire l'area target con un tampone imbevuto di alcol per rimuovere eventuali residui che potrebbero interferire con il registro (es. creme, cosmetici, ecc.). Se necessario, radere l'area intorno al sito bersaglio, poiché i peli possono interferire con i segnali NIRS.
      NOTA: Si consiglia di eseguire un accurato lavaggio delle mani prima di posizionare qualsiasi dispositivo sulla pelle del partecipante per evitare potenziali contaminazioni. L'uso dei guanti è incoraggiato, in quanto può ridurre ulteriormente il rischio di contaminazione.
    5. Una volta che tutti i dispositivi indossabili sono posizionati correttamente sulla pelle del partecipante (vedere paragrafo 1.2), fissarli con uno strato di nastro terapeutico elastico. Se è necessaria un'ulteriore fissazione, utilizzare una benda elastica di colore scuro, assicurandosi che una compressione eccessiva non alteri le misurazioni (inferiore alla pressione di occlusione capillare di 25 mm Hg misurata da uno sfigmomanometro convenzionale).
    6. Posiziona un panno nero su tutti i dispositivi indossabili per evitare che la luce ambientale penetri. Se non è possibile coprire l'area con un panno (circa 6 cm2), utilizzare del nastro terapeutico elastico nero per bloccare la luce ambientale.
  2. Posizionamento del dispositivo NIRS
    NOTA: Assicurarsi che i dispositivi indossabili NIRS siano posizionati in modo che i pulsanti di accensione/spegnimento e di impostazione siano facilmente accessibili.
    1. Corteccia prefrontale: posizionare la sonda NIRS sulla corteccia prefrontale dorsolaterale sinistra o destra, a circa 10 mm sopra l'arco sopraciliare del partecipante, in modo simile al posizionamento degli elettrodi Fp1 secondo il sistema EEG 10-20 internazionale modificato21.
    2. m.Intercostali: Posizionare la sonda NIRS sul 7°spazio intercostale sulla linea ascellare anteriore destra 22,23,24. Se, per qualche motivo, non è posizionato sopra l'emitorace destro, posizionarlo sopra l'emitorace sinistro, ma il segnale della frequenza cardiaca potrebbe essere più pronunciato sul lato sinistro.
      1. Per confermare la profondità di penetrazione NIRS, utilizzare un'ecografia B-mode per verificare la distanza dal tessuto sottocutaneo al bordo esterno del m.Intercostale. Per le misurazioni a m.Intercostali, assicurarsi che la distanza tra pelle e muscolo sia inferiore a 15 mm.
    3. m.Vasto laterale: Posizionare la sonda NIRS 5 cm lateralmente al punto medio della linea immaginaria, collegando il bordo superiore della rotula e il grande trocantere del femore 24,25,26.
      1. Per assicurarsi che lo spessore del tessuto adiposo (ATT) non alteri il registro del segnale NIRS, misurare lo spessore delle pliche cutanee per confermare la profondità di penetrazione NIRS27. Per le misurazioni a m.Vastus Lateralis, assicurarsi che l'ATT sia inferiore a 20 mm.
  3. Configurazione del software NIRS
    1. Una volta che tutti i dispositivi indossabili NIRS sono posizionati correttamente (vedere la sezione 1.2), accenderli prima di iniziare la misurazione.
    2. Avvia il software di acquisizione dati fornito dal produttore, crea un nuovo file e collega i dispositivi indossabili NIRS.
    3. Dopo che tutti i dispositivi indossabili NIRS sono stati collegati correttamente, impostare la frequenza di campionamento su 10 Hz per l'acquisizione dei dati e la conversione da analogico a digitale per i tessuti valutati. Per le misurazioni della corteccia prefrontale, regolare il fattore di lunghezza del percorso differenziale (DPF) in base al DPF dipendente dall'età per ciascun partecipante28. Per la misurazione muscolare, impostare il DPF su 4, come utilizzato nei protocolli precedenti con gli atleti come soggetti di studio29,30.

2. Calibrazione e configurazione dell'ergospirometro

  1. Calibrazione del volume
    1. Aprire il software dell'ergospirometro fornito dal produttore per iniziare il processo di calibrazione.
    2. Collegare il flussometro a una turbina da 28 mm con un adattatore per siringa. Collegare un tubo corrugato all'adattatore della siringa e l'altro a una siringa di calibrazione da 3 L.
    3. Eseguire sei manovre di prelievo/iniezione, mantenendo una portata costante. Al termine, il software confermerà automaticamente se il test di calibrazione è stato superato.
  2. Taratura gas
    NOTA: Assicurarsi che la calibrazione del flusso sia stata eseguita prima di iniziare la calibrazione del gas.
    1. Calibrazione dell'aria
      1. Assicurarsi che la linea di campionamento dell'analizzatore di gas sia scollegata dalla porta di calibrazione e penda liberamente. Quindi, inizializzare il processo di calibrazione.
      2. Durante la taratura, si osserva una linea piatta stabile poiché le concentrazioni di ossigeno (O2) e anidride carbonica (CO2) non variano in modo significativo (meno del 5%). Una volta completata con successo la calibrazione dell'aria, procedere alla calibrazione del gas metabolico.
    2. Calibrazione dei gas metabolici
      1. Aprire le valvole del gas e verificare che venga erogata una pressione adeguata all'impianto controllando il manometro (consultare il produttore per istruzioni specifiche).
      2. Collegare la linea di campionamento alla porta di calibrazione e inizializzare il processo di calibrazione. Eseguire un preriscaldamento di 3 minuti prima di iniziare la calibrazione, come consigliato dal produttore.
      3. Se fatto correttamente, dopo il periodo di preriscaldamento di 3 minuti, si devono osservare due linee piatte: una che fluttua tra l'aria ambiente (circa 21,00% O2 e 0,04% CO2) e l'altra tra il gas di calibrazione (16,00% O2 e 5,00% CO2).
      4. Infine, scollegare la linea del campione dalla porta di calibrazione e collegarla al bocchino che verrà utilizzato per il test successivo.

3. Posizionamento dell'elettrodo ECG (12 derivazioni)

  1. Preparare la pelle esfoliando con una crema e/o radendo i peli dai siti di posizionamento degli elettrodi, se necessario. Pulire le aree con un tampone imbevuto di alcol per rimuovere eventuali residui di tessuto superficiale.
  2. Posizionare gli elettrodi ECG come segue31:
    1. Posizionare gli elettrocateteri bipolari (elettrodi di derivazione degli arti) come segue: Braccio sinistro (LA): lato sinistro della fossa sottoclavicolare; Braccio destro (RA): lato destro della fossa sottoclavicolare; Gamba sinistra (LL): proiezione anteriore della testa del femore sinistro; Gamba destra (RL): proiezione anteriore della testa del femore destro.
    2. Posizionare gli elettrodi di piombo precordiali come segue: V1: 4° spazio intercostale a destra dello sterno; V2: 4° spazio intercostale a sinistra dello sterno (in linea con V1); V3: A metà strada tra V2 e V4; V4: 5° spazio intercostale sulla linea medioclavicolare; V5: linea ascellare anteriore allo stesso livello di V4; V6: linea medioascellare allo stesso livello di V4 e V5.

4. Test da sforzo massimale incrementale (test da sforzo cardiopolmonare, CPET)

  1. Chiedi al partecipante di sedersi sulla bici, assicurandoti che il sedile e il manubrio siano regolati alla loro altezza per un comfort e un posizionamento ottimali.
    NOTA: Si consiglia di impostare l'altezza del sedile in modo che il ginocchio sia leggermente piegato alla massima estensione32. Il manubrio deve essere posizionato in modo da consentire una leggera flessione dei gomiti.
  2. Attacca un pulsossimetro al lobo dell'orecchio del partecipante, assicurandoti che il sito sia pulito strofinandolo con un tampone imbevuto di alcol.
  3. Spiegare il protocollo e istruire il partecipante a respirare attraverso la maschera prima, durante e dopo il test.
    NOTA: Il partecipante deve evitare di parlare o fischiare mentre indossa la maschera, poiché ciò può influenzare le letture dell'ergospirometro33.
  4. Una volta che il partecipante è posizionato e preparato, chiedi al partecipante di estendere la gamba destra e attendere 2 minuti per le istruzioni di partenza (fase di riposo iniziale). Far pedalare il partecipante a una cadenza compresa tra 80 e 100 giri/min per 6 minuti rispettivamente a 0,6 W·kg-1 e 0,8 W·kg-1 per donne/uomini (fase di riscaldamento). Quindi, aumentare il carico di lavoro a una velocità di 20 W·min-¹ per le donne e 25 W·min-¹ per gli uomini fino a quando il partecipante non raggiunge l'esaurimento (fase di esercizio).
  5. Dopo aver completato la fase di esercizio, istruire il partecipante a rimanere fermo e continuare a respirare nella maschera per 3 minuti (fase di defaticamento o recupero).
  6. Una volta terminato il protocollo di esercizio, rimuovere con cautela il pulsossimetro dal lobo dell'orecchio, la maschera, tutti e tre i dispositivi indossabili NIRS e gli elettrodi ECG.
    NOTA: Mantenere le condizioni ambientali del laboratorio (ad esempio, temperatura dell'aria ~20 ± 2 °C, umidità relativa ~40% ± 5%), è un criterio cruciale. Alcuni partecipanti possono mostrare un alto tasso di sudorazione, che interferisce con la fissazione dei dispositivi sulla pelle e influisce sulla registrazione dei dati NIRS. L'uso di ventilatori può aiutare a ridurre la termoregolazione del caldo attraverso la sudorazione.

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Risultati

Durante il completamento di un CPET, in tutti i soggetti sono stati riportati i sintomi di dispnea, affaticamento delle gambe e tasso di sforzo percepito (RPE). L'uso complementare dei dispositivi NIRS non ha aggiunto alcun disagio alla valutazione della sensazione dei soggetti. Inoltre, non abbiamo interrotto le valutazioni CPET per alcun evento di rischio associato a un eccessivo stress fisiologico.

Abbiamo studiato due ciclisti maschi competitivi reclutati da un club ciclistico nazionale. I...

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Discussione

Esiste un potenziale significativo nell'utilizzo dei dispositivi indossabili NIRS come strumento complementare al CPET per la valutazione delle prestazioni atletiche e l'identificazione dei fattori limitanti l'esercizio centrale e periferico negli atleti aerobici o di resistenza, dato che la tecnologia NIRS ha dimostrato la sua validità e affidabilità nella valutazione dell'emodinamica microvascolare sia nelle regioni cerebrali che in quelle muscolari37,38

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Dichiarazioni

Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.

Ringraziamenti

Ringraziamo tutti i partecipanti a questo studio e il personale tecnico di laboratorio per il loro supporto nelle misurazioni effettuate presso il Laboratorio di Fisiologia dell'Esercizio. Gli autori FC-B e ME-R sono stati parzialmente supportati dai concorsi di ricerca e innovazione III, IV e V della Scuola di Scienze della Salute (Facoltà di Medicina, Pontificia Universidad Católica de Chile). L'autore RC-C è stato finanziato da Progetto sostenuto dal Concorso per Progetti Regolari di Ricerca, anno 2023, codice LPR23-17, Universidad Tecnológica Metropolitana.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Bilancia a colonnaSECA711Ci sono numerose alternative a questo articolo
Stadiometro portatile SECA217Esistono numerose alternative a questo
elettrocardiogramma a 12 derivazioniCOSMEDQuark T12xUn ECG a 12 derivazioni fornisce una migliore comprensione della FC durante l'esercizio e facilita il rilevamento delle aritmie.
PulsossimetroCOSMEDPulsossimetro integrato
ErgoespirometroCOSMEDQuark-CPETI gas di calibrazione e la siringa di calibrazione sono inclusi
CicloergometroErgoline GmHViaSprint 150PCi sono numerose alternative a questo articolo. Deve garantire la compatibilità con il software NIRS indossabile
Artinis Medical SystemsPortaliteArticulated NIRS indossabile si adatta alla superficie su cui è posizionato.
Il dispositivo portamon indossabile NIRSArtinis Medical SystemsPortamonoffre risultati migliori su superfici ad alto contenuto di tessuto adiposo.
Software per la gestione dei dati metabolici (OMNIA)Il software COSMEDvaria in base alla scelta del sistema
Software di gestione dei dati NIRS (Oxysoft)Il software Artinis Medical Systemsvaria in base alla scelta del dispositivo
Scanner a ultrasuoni a sonda wirelessSONUSDuo LCCi sono numerose alternative a questo articolo

Riferimenti

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