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

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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

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.

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.

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 criteri di inclusione per questo studio erano partecipanti fisicamente attivi (≥150 minuti di attività fisica moderata o ≥75 minuti di attività fisica vigorosa a settimana) con un indice di massa corporea normale (20-25 kg·m-2). I criteri di esclusione per questo studio erano una storia di malattie respiratorie, cardiovascolari, metaboliche, muscoloscheletriche o neoplastiche o un processo infettivo o infiammatorio almeno 2 settimane prima delle valutazioni dello studio.

Il completamento di un CPET, accompagnato dalla registrazione non invasiva delle variazioni emodinamiche e di ossigenazione dei tessuti derivanti da cambiamenti metabolici indotti dall'aumento dell'intensità dell'esercizio utilizzando dispositivi dotati di tecnologia NIRS, consente l'identificazione dei fattori limitanti centrali associati ai cambiamenti nelle aree cerebrali rispetto ai fattori limitanti periferici correlati alle risposte respiratorie o muscoloscheletriche all'aumento dell'intensità dell'esercizio. Il protocollo di test comprende una serie di fasi, tra cui la preparazione del partecipante, l'esecuzione del test da sforzo e la raccolta di dati fisiologici rilevanti.

Il successo dell'esecuzione del protocollo CPET-NIRS è dimostrato da dati chiari e coerenti su diversi parametri. Durante la fase iniziale di riposo, vengono registrate misurazioni come la frequenza cardiaca (FC), la saturazione di ossigeno del polso (SpO2) e le letture NIRS per stabilire una linea di base. La fase di riscaldamento, caratterizzata da un basso carico di lavoro in pedalata, prepara il partecipante alla fase di esercizio incrementale, dove il carico di lavoro aumenta progressivamente (vedi Figura 1).

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Figura 1: Disegno sperimentale dello schema del protocollo di esercizio. Rappresentazione schematica delle fasi del protocollo di esercizio utilizzato nello studio, evidenziando eventi chiave come il riposo (R), il riscaldamento (W), l'esercizio (E), la finalizzazione (F) e l'arresto (S), che corrispondono al flusso del protocollo di test da sforzo cardiopolmonare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Sono mostrati i risultati rappresentativi dei dati CPET (Figura 2) e NIRS (Figura 3 e Figura 4) di due atleti maschi valutati in condizioni ambientali di laboratorio controllate (temperatura dell'aria ~20 ± 2 °C; umidità relativa ~40% ± 5 %): (i) Partecipante 1 (Figura 2A e Figura 3) (età: 33 anni, peso: 80 kg, altezza: 178 cm, carico di lavoro max: 300 W, VO2-max: 46 mL·kg-1·min-1, VE: 177 L·min-1, HR-max (%previsto, 220 anni): 100%, PetCO2: 27 mmHg); e (ii) Partecipante 2 (Figura 2B e Figura 4) (età: 26 anni, peso: 67 kg, altezza: 178 cm, carico di lavoro max: 300 W, VO2-max: 51 mL·kg-1·min-1, VE: 131 L·min-1, HR-max (% prevista, 220 anni): 93%, PetCO2: 33 mmHg).

In entrambi i partecipanti, il VO2 (consumo di ossigeno), VCO2 (produzione di anidride carbonica), RQ (quoziente respiratorio, VCO2· VO 2-1), HR, VE (ventilazione polmonare) e RR (frequenza respiratoria) mostrano un aumento continuo all'aumentare dell'intensità dell'esercizio fino al raggiungimento del valore massimo di VO2 (vedi Figura 2).

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Figura 2: Cambiamenti nelle variabili fisiologiche valutate durante la CPET. Viene mostrata la progressione delle variabili fisiologiche misurate durante i test da sforzo cardiopolmonare, tra cui il consumo di ossigeno (VO2), la ventilazione al minuto (VE), la pressione di CO2 di fine espirazione (PetCO2) e la potenza erogata (Watt). Le transizioni tra le soglie ventilatorie 1 e 2 (VT1 e VT2) sono indicate all'interno delle fasi dell'esercizio. a) partecipante 1 e b) partecipante 2. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

I dati NIRS hanno fornito informazioni sulla domanda metabolica locale durante la CPET. I cambiamenti indotti dall'esercizio osservati nel tessuto bersaglio (muscolare o cerebrale) variano a seconda del tessuto specifico e dell'intensità dell'esercizio analizzato. Pertanto, un quadro fisiologico utile per interpretare i dati NIRS indotti dall'esercizio è il modello trifasico dell'intensità dell'esercizio proposto da Skinner e McLellan34. In questo modello, gli autori delineano tre zone definite dalle TV: Fase I o aerobica, (ii) Fase II o transizione aerobico-anerobica e (ii) Fase III o "instabilità metabolica".

A intensità di esercizio inferiori a VT2 (Fasi I e II), si verificherà una diminuzione di O 2-Hb e un aumento di H-Hb a livello muscolare, se non vi è alcuna variazione significativa di T-Hb come parametro del flusso sanguigno locale. Il nostro protocollo CPET-NIRS consiste in esercizi ciclici con contrazioni/rilassamenti muscolari ripetitivi, quindi è prevista una variazione minima di T-Hb. Tuttavia, i cambiamenti indotti dall'esercizio variano a seconda del tessuto muscolare bersaglio da valutare. Nei muscoli locomotori, come il m.Vastus Lateralis, il progressivo aumento dell'intensità dell'esercizio, induce variazioni dei dati NIRS concomitanti con il carico di lavoro (vedi Figura 3A). Al contrario, nei muscoli respiratori accessori, come i m.intercostali, le alterazioni sono concomitanti con le alterazioni ventilatorie piuttosto che con il carico di lavoro (vedi Figura 3B). Nella PFC, si osserva un aumento di O 2-Hb, H-Hb e T-Hb perché il flusso sanguigno supera la domanda locale indotta dall'esercizio; inoltre, si è osservata una leggera diminuzione della TSI (cfr. figura 3C). In tutti i tessuti valutati, il parametro TSI diminuisce all'aumentare dell'intensità dell'esercizio, rendendo le variazioni di m.Vasto laterale più note rispetto a m.Intercostales e PFC (vedi Figura 3D).

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Figura 3: Esempio di limitazione centrale (Partecipante 1). Dati NIRS durante il protocollo CPET (Eventi: W = Riscaldamento, E = Esercizio, VT1 = Soglia ventilatoria 1 o soglia ventilatoria aerobica, VT2 = Soglia ventilatoria 2 o soglia ventilatoria anaerobica, F = Esercizio finalizzato o VO2-max). (A) m.Vasto laterale, (B) m.Intercostale e (C) Corteccia prefrontale (PFC).   Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

All'aumentare della domanda metabolica indotta dall'esercizio, in particolare a intensità superiori a VT2 (Fase III o "instabilità metabolica"), si verificano interessanti risposte fisiologiche da studiare sia a livello muscolare (muscoli locomotori e respiratori) che a livello di PFC. Questi consistono in una marcata diminuzione di O 2-Hb e tHb, insieme a un notevole aumento di H-Hb, aspetti che sostengono il pronunciato declino della TSI.

Nei soggetti con elevata richiesta ventilatoria durante l'esercizio ad alta intensità, l'aumento esponenziale di VE e RR provoca un'elevata iperventilazione a causa dell'aumento di CO2 di "origine metabolica". Questa iperventilazione può indurre una pronunciata vasocostrizione cerebrale, limitando così le prestazioni per limitazione centrale, come si è visto in questo soggetto rappresentativo. In teoria, i cambiamenti osservati nei dati NIRS derivano dalla vasocostrizione cerebrale indotta dall'ipocapnia dedotta dalla brusca diminuzione della pressione di fine espirazione di CO2 (PetCO2) registrata nel CPET (vedi Figura 2). È stato dimostrato che questi cambiamenti fisiologici hanno un'elevata relazione con l'aumento della dispnea indotta dall'esercizio, registrata utilizzando la scala di Borg modificata35,36.

D'altra parte, i soggetti con elevata richiesta locomotoria ma non alta richiesta respiratoria non presentano vasocostrizione cerebrale da ipocapnia. Di conseguenza, i dati NIRS possono continuare a riflettere cambiamenti come quelli osservati a intensità di esercizio moderate. In questi soggetti, le prestazioni fisiche sono limitate da fattori limitanti periferici piuttosto che centrali (vedi Figura 4). È stato dimostrato che questi cambiamenti fisiologici hanno un'elevata relazione con l'aumento dell'affaticamento delle gambe indotto dall'esercizio.

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Figura 4: Esempio di limitazione periferica (Partecipante 2). Dati NIRS durante il protocollo CPET (Eventi: W = Riscaldamento, E = Esercizio, VT1 = Soglia ventilatoria 1 o soglia ventilatoria aerobica, VT2 = Soglia ventilatoria 2 o soglia ventilatoria anaerobica, F = Esercizio finalizzato o VO2–max). (A) m.Vasto laterale, (B) m.Intercostale e (C) Corteccia prefrontale (PFC). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

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. Tuttavia, per massimizzare i vantaggi di questa tecnologia, è necessario affrontare diverse considerazioni per garantire misurazioni accurate.

Le linee guida generali per il posizionamento del dispositivo indossabile NIRS comportano l'adattamento del posizionamento al tessuto bersaglio e la garanzia di un fissaggio sicuro alla pelle del partecipante, poiché il movimento durante l'esercizio può influire sui segnali NIRS (artefatti)7. Per raggiungere questo obiettivo, il dispositivo deve essere a completo contatto con la pelle e fissato con nastro biadesivo, assicurando che gli emettitori di luce e i rilevatori non siano ostruiti. Per una maggiore stabilità, è possibile applicare un nastro terapeutico elastico sul dispositivo. Quando si posiziona il dispositivo su un arto che sarà attivamente impegnato durante l'esercizio, come il m.Vastus Lateralis, è possibile utilizzare una benda elastica per una maggiore stabilità durante il ciclismo. Tuttavia, evitare un'eccessiva compressione intorno agli optodi NIRS è fondamentale in quanto può alterare il flusso sanguigno locale e potenzialmente influire sull'accuratezza delle misurazioni NIRS (la pressione non deve essere superiore alla pressione di perfusione capillare, ~25 mm Hg)7. Si raccomanda che qualsiasi nastro adesivo o benda utilizzata sul dispositivo NIRS sia nera per evitare interferenze dalla luce ambientale39,40. Inoltre, l'illuminazione attenuata nell'ambiente di test può ridurre al minimo le potenziali interruzioni dell'accuratezza del segnale NIRS.

Sebbene il corretto posizionamento e il fissaggio dei dispositivi siano essenziali, è altrettanto importante considerare le caratteristiche anatomiche individuali che possono influenzare le misurazioni NIRS. Una delle principali limitazioni è che l'accuratezza delle misurazioni NIRS può essere influenzata da fattori come lo spessore del tessuto adiposo (ATT)41,42. La profondità massima di penetrazione per NIRS è circa la metà della distanza tra la sorgente luminosa e il rivelatore43. All'aumentare dell'ATT, la proporzione del segnale NIRS proveniente dal muscolo scheletrico sottostante diminuisce11. Questa riduzione del contributo del segnale si traduce in livelli più bassi di O 2-Hb e H-Hb, tra gli altri cromofori42. Pertanto, si raccomanda di misurare l'ATT per garantire una corretta penetrazione della luce nel muscolo. A questo scopo è possibile utilizzare un calibro o un ultrasuono, poiché entrambi i metodi valutano accuratamente la composizione corporea negli atleti; tuttavia, quest'ultimo fornisce una precisione superiore e può essere preferito44.

Oltre all'ATT, l'accuratezza delle misure NIRS è influenzata anche dal fattore di lunghezza del percorso differenziale (DPF), che viene utilizzato per calcolare le concentrazioni di O2-Hb e H-Hb attraverso la legge di Beer-Lambert45 modificata. La maggior parte dei dispositivi NIRS commerciali utilizza sistemi a onda continua che emettono luce a un'intensità costante e assumono un DPF11 costante. Tuttavia, il DPF non è un valore fisso, in quanto varia a causa delle differenze anatomiche individuali, tra cui il cranio e l'ATT41,46. Inoltre, la variabilità del DPF tra gli individui e le differenze nelle caratteristiche anatomiche tra i sessi, come le variazioni nella distribuzione ossea, muscolare e del tessuto adiposo, possono anche influenzare l'accuratezza delle misurazioni28. A causa dell'ipotesi di un DPF costante, questi dispositivi possono misurare solo le variazioni relative di O2-Hb e H-Hb da una linea di base piuttosto che fornire valori assoluti11. Pertanto, sebbene la tecnologia NIRS sia preziosa per monitorare le tendenze nell'ossigenazione dei tessuti, è necessario prestare attenzione nell'interpretazione di queste misurazioni. Ulteriori ricerche dovrebbero concentrarsi sullo sviluppo di metodi per stimare con precisione il DPF nei tessuti cerebrali e muscolari. Nel frattempo, si raccomanda di documentare i valori DPF utilizzati negli studi per migliorare la riproducibilità dei risultati.

Un'altra caratteristica anatomica che può influenzare le misurazioni NIRS è la concentrazione di melanina nella pelle. La melanina, insieme all'emoglobina, è un cromoforo primario della pelle47. Gli individui con pigmentazione della pelle più scura hanno melanomi più grandi e più concentrati, che possono portare a una maggiore attenuazione del segnale a causa dell'aumento dell'assorbimento della luce7. L'intensità del segnale rilevato dipende dalla luce assorbita dai cromofori, dalle proprietà di diffusione della luce nei tessuti e dalla distanza tra la sorgente luminosa e il rivelatore47. Di conseguenza, concentrazioni più elevate di melanina possono interferire con la qualità del segnale NIRS, portando a letture attenuate della saturazione tissutale di ossigeno, principalmente a livello muscolare48,49. Per tenere conto di queste variazioni e migliorare l'interpretabilità dei dati NIRS tra diverse popolazioni, si raccomanda di riportare la pigmentazione cutanea utilizzando la scala di classificazione del tipo di pelle Fitzpatrick7.

Per quanto riguarda l'applicabilità di questo protocollo nella prescrizione di esercizi, la tecnologia NIRS è stata utilizzata principalmente per valutare il metabolismo muscolare durante l'esercizio di resistenza, in particolare nei protocolli in cui l'ossidazione del substrato funge da principale fonte di energia per la risintesi dell'ATP. Sono disponibili prove limitate riguardo alla sua applicazione nell'allenamento di resistenza, ma una revisione della letteratura suggerisce che gli effetti acuti dell'allenamento della forza sulla TSI dipendono dalla composizione delle fibre muscolari. Nello specifico, i muscoli con una percentuale maggiore di fibre di tipo I, come il m.Vastus Lateralis mostrano un ΔTSI maggiore rispetto ad altri gruppi muscolari allenati alla stessa intensità. Ciononostante, una notevole eterogeneità nelle metodologie di studio continua a limitare la generalizzazione dei risultati riportati. I risultati preliminari di questo studio, insieme alle future pubblicazioni di protocolli standardizzati, supporteranno applicazioni più ampie di questa tecnologia per la prescrizione dell'intensità dell'esercizio in diversi contesti50.

In conclusione, i dispositivi indossabili NIRS rappresentano un progresso significativo nel monitoraggio non invasivo delle risposte emodinamiche a livello microvascolare durante l'esercizio, integrando le variabili cardiopolmonari valutate dal CPET. A differenza dei metodi invasivi, il NIRS fornisce dati in tempo reale sull'equilibrio tra l'erogazione e il consumo di ossigeno senza interrompere il movimento naturale dell'atleta. Questa tecnologia identifica efficacemente i fattori centrali e periferici che limitano l'esercizio rilevando i cambiamenti di O 2-Hb, H-Hb e TSI in vari tessuti e intensità di esercizio. Le informazioni dettagliate sulle variazioni della domanda metabolica e delle risposte fisiologiche evidenziano il potenziale del NIRS per ottimizzare i programmi di allenamento e migliorare le prestazioni atletiche. Inoltre, la capacità del NIRS di valutare l'emodinamica microvascolare cerebrale e muscolare offre nuove opportunità per esplorare le risposte fisiologiche a diverse modalità e intensità di esercizio. Nel complesso, la tecnologia NIRS è molto promettente per far progredire la nostra comprensione della fisiologia umana e contribuire alla ricerca nella scienza dell'esercizio, fornendo uno strumento prezioso per migliorare le prestazioni atletiche e perfezionare le strategie di allenamento.

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.

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

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