Name: 近赤外分光ウェアラブルデバイスを使用して、運動中の中心と末梢の制限を特定する (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-12-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 33 s
Description: 学ぶ 運動生理学における近赤外分光法（NIRS）を用いた非侵襲的評価法。前頭前野と筋肉の酸素化変化を測定し、運動パフォーマンスの中枢および末梢制限因子を同定する手法です。

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<table><tbody><tr><td>コラムスケール</td><td>SECA</td><td>711</td><td>このアイテムには、</td></tr><tr><td>ポータブルスタディオメーター&nbsp;</td><td>SECA</td><td>217</td><td>このアイテムには数多くの代替品があります</td></tr><tr><td>12誘導心電図</td><td>COSMED</td><td>Quark T12x</td><td>A 12誘導心電図は、運動中のHRをよりよく理解し、不整脈の検出を容易にします。</td></tr><tr><td>パルスオキシメータ</td><td>COMED</td><td></td><td>統合パルスオキシメータ</td></tr><tr><td>エルゴエスピーロメータ</td><td>COSMED</td><td>Quark-CPET</td><td>校正ガスと校正シリンジが含まれています</td></tr><tr><td>サイクルエルゴメータ</td><td>エルゴライン GmH</td><td>ViaSprint 150P</td><td>このアイテムには多数の代替品があります。付属のソフトウェア</td></tr><tr><td>NIRSウェアラブル</td>との互換性を確保する必要があります <td>Artinis Medical Systems</td><td>Portalite</td><td>Articulated NIRS weareableは、それが置かれている表面に適合します。&nbsp;</td></tr><tr><td>NIRSウェアラブル</td><td>Artinis Medical Systems</td><td>Portamon</td><td>Portamonデバイスは、高脂肪組織表面でより良い結果を提供します。</td></tr><tr><td>メタボリックデータ管理ソフトウェア(OMNIA)COMED</td><td></td><td></td><td>ソフトウェアは、システムの選択によって異なります</td></tr><tr><td>NIRSデータ管理ソフトウェア(Oxysoft)</td><td>Artinis Medical Systems</td><td></td><td>ソフトウェアは、デバイスの選択によって異なります</td></tr><tr><td>ワイヤレスプローブタイプ超音波スキャナー</td><td>SONUS</td><td>Duo LC</td><td>このアイテムには多数の選択肢があります</td></tr></tbody></table>

近赤外分光ウェアラブルデバイスを使用して、運動中の中心と末梢の制限を特定する

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

CPET の完了中に、呼吸困難、脚の疲労、および知覚運動速度 (RPE) の症状がすべての被験者で報告されました。NIRSデバイスを補完的に使用しても、被験者の感覚評価に不快感は追加されませんでした。また、過度の生理学的ストレスに関連するリスクイベントによってCPET評価を停止しませんでした。
私たちは、全国のサイクリングクラブから採用された2人の競争力のある男性サイクリストを調査しました。この研究の選択基準は、身体活動的な参加者(週あたり≥150分の中程度の運動または≥75分の激しい身体活動)で、ボディマス指数が正常(20〜25kg・m-2)でした。この研究の除外基準は、呼吸器疾患、心血管疾患、代謝性疾患、筋骨格系疾患、または腫瘍性疾患の病歴、または研究評価の少なくとも 2 週間前の感染性または炎症性のプロセスでした。
CPETの完了は、NIRS技術を搭載したデバイスを使用して、運動強度の増加によって誘発される代謝変化に起因する血行動態および組織酸素化の変化の非侵襲的記録を伴い、脳領域の変化に関連する中枢制限因子と、運動強度の増加に対する呼吸または筋骨格系の反応に関連する末梢制限因子の特定を可能にします。テストプロトコルには、参加者の準備、運動テストの実行、関連する生理学的データの収集など、一連のステップが含まれます。
CPET-NIRSプロトコルの正常な実行は、いくつかのパラメータにわたる明確で一貫性のあるデータによって実証されています。最初の休息段階では、心拍数(HR)、脈拍酸素飽和度(SpO2)、NIRSの読み取り値などの測定値が記録され、ベースラインが確立されます。ウォーミングアップフェーズは、負荷の少ないペダリングを特徴とするもので、参加者は、負荷が徐々に増加するインクリメンタルエクササイズフェーズに備えます( 図1を参照)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig1.jpg"> 図1:運動プロトコルスキームの実験デザイン。 研究で使用された運動プロトコルの段階の概略図で、休息(R)、ウォームアップ(W)、運動(E)、ファイナライズ(F)、ストップ(S)などの主要なイベントを強調しており、これらは心肺運動試験プロトコルの流れに対応しています。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
制御された実験室の周囲条件(気温~20 ± 2 °C、相対湿度~40%±5%)で評価された2人の男性アスリートからのCPET(図2)およびNIRS(図3および図4)データの代表的な結果が示されています:(i)参加者1(図2Aおよび図3)(年齢:33歳、体重:80 kg、身長:178 cm、最大ワークロード:300 W、 VO2-max:46 mL・kg-1・min-1、VE:177 L・min-1、HR-max(%予測、220年):100%、PetCO2:27 mmHg);(ii) 参加者 2 (図 2B および図 4) (年齢: 26 歳、体重: 67 kg、身長: 178 cm、最大作業負荷: 300 W、VO2-max: 51 mL·kg-1·min-1、VE: 131 L·min-1、HR-max (% 予測、220 歳): 93%、PetCO2: 33 mmHg)。
どちらの参加者でも、VO2 (酸素消費量)、VCO2 (二酸化炭素の生成)、RQ (呼吸商、VCO2·VO 2-1)、HR、VE(肺換気)、およびRR(呼吸数)は、運動強度が増加するにつれて、VO2の最大値に達するまで継続的に上昇します(図2を参照)。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig2.jpg"> 図2:CPET中に評価された生理学的変数の変化。酸素消費量(VO2)、分時換気(VE)、呼気終末CO2圧力(PetCO2)、電力出力(ワット)など、心肺運動試験中に測定された生理学的変数の進行が示されています。換気閾値 1 と 2 (VT1 と VT2) の間の移行は、運動段階内で示されます。(A)参加者1および(B)参加者2。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
NIRSデータは、CPET中の局所的な代謝需要に関する洞察を提供しました。標的組織(筋肉と脳)で観察される運動誘発性の変化は、分析された運動の特定の組織と強度によって異なります。したがって、運動誘発性NIRSデータを解釈するための有用な生理学的枠組みは、SkinnerとMcLellan34によって提案された運動強度の三相モデルである。このモデルでは、著者たちは、VTによって定義される3つのゾーン、すなわち、第I相(好気性)、(ii)第II相(好気性-動脈移行)、(ii)第III相(代謝不安定性)を描写している。
VT2未満の運動強度(フェーズIおよびII)では、局所血流のパラメーターとしてT-Hbに大きな変動がない場合、筋肉レベルでO2-Hbの減少とH-Hbの増加が発生します。私たちの CPET-NIRS プロトコルは、筋肉の収縮/弛緩を繰り返す周期的なエクササイズで構成されているため、T-Hb の変動は最小限に抑えられると予想されます。ただし、運動による変化は、評価対象の筋肉組織によって異なります。自発運動筋では、m.Vastus Lateralisとして、運動強度の漸進的な増加は、ワークロードに伴ってNIRSデータの変化を誘発します(図3Aを参照)。対照的に、m.Intercostalesなどの副呼吸器筋では、変化はワークロードではなく換気の変化と同時に行われます(図3Bを参照)。PFCでは、血流が運動によって誘発される局所的な要求を超えるため、O 2-Hb、H-Hb、およびT-Hbの増加が観察されます。また、TSIのわずかな減少が見られました(図3Cを参照)。評価したすべての組織で、運動強度が増加するにつれてTSIパラメータが減少し、m.Vastus Lateralisの変化はm.IntercostalesおよびPFCよりも悪名高いものになります(図3Dを参照)。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig3.jpg"> 図3:中心的な制限の例(参加者1)。CPET プロトコル中の NIRS データ (イベント: W = ウォームアップ、E = エクササイズ、VT1 = 換気閾値 1 または有酸素換気閾値、VT2 = 換気閾値 2 または嫌気性換気閾値、F = 確定運動または VO2-max)。(A)m.Vastus Lateralis、(B)m.Intercostales、および(C)前頭前野(PFC)。  <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
運動による代謝負荷が増加するにつれて、特にVT2を超える強度(フェーズIIIまたは「代謝不安定性」)では、筋肉(自発運動筋と呼吸筋)とPFCレベルの両方で興味深い生理学的反応が起こります。これらは、O 2-HbとtHbの顕著な減少とH-Hbの顕著な増加から成り立っており、TSIの顕著な低下を裏付けています。
高強度の運動中に換気要求が高い被験者では、VEおよびRRの指数関数的な上昇は、「代謝起源」のCO2の増加により過換気の増加を引き起こします。この過換気は、顕著な脳血管収縮を誘発し、それによって、この代表的な被験者に見られるように、中枢制限によってパフォーマンスを制限する可能性があります。理論的には、NIRSデータで観察された変化は、CPETに登録されたCO2(PetCO2)の呼気終末圧の急激な減少から推測される低炭酸ガス血症によって誘発された脳の血管収縮に起因します(図2を参照)。これらの生理学的変化は、運動によって誘発される呼吸困難の増加と高い関係があることが示されており、修正ボルグスケール35,36を使用して登録されています。
一方、自発運動要求は高いが呼吸要求は高くない被験者は、低炭酸ガス血症による脳血管収縮を示さない。その結果、NIRSデータは、中程度の運動強度で観察されたような変化を引き続き反映する可能性があります。これらの被験者では、運動パフォーマンスは、中枢的な制限要因ではなく、末梢的な制限要因によって制限されます( 図4を参照)。これらの生理学的変化は、運動によって引き起こされる脚の疲労の増加と高い関係があることが示されています。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig4.jpg"> 図4: 周辺制限の例(参加者2)CPET プロトコル中の NIRS データ (イベント: W = ウォームアップ、E = エクササイズ、VT1 = 換気閾値 1 または有酸素換気閾値、VT2 = 換気閾値 2 または嫌気性換気閾値、F = 確定運動または VO2–max)。(A)m.Vastus Lateralis、(B)m.Intercostales、および(C)前頭前野(PFC)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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