Name: Near-Infrared Spectroscopy 웨어러블 장치를 사용하여 운동 중 중추 및 주변 장치 제한 식별 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-12-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 33 s
Description: 배우세요 근적외선 분광법을 활용한 운동 중 전전두엽 피질과 근육의 산소화 변화 측정 방법입니다. 이 비침습적 기술은 중추 및 주변 운동 제한 요인을 식별하여 운동 생리학 연구에 활용됩니다.

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<table><tbody><tr><td>컬럼 스케일</td><td>SECA</td><td>711</td><td>이 제품에는 수많은 대안이 있습니다.</td></tr><tr><td>휴대용 스타디오미터&nbsp;</td><td>SECA</td><td>217</td><td>이 항목에 대한 다양한 대안이 있습니다:</td></tr><tr><td>12리드 ECG</td><td>COSMED</td><td>Quark T12x</td><td>12리드 ECG는 운동 중 HR에 대한 더 나은 이해를 제공하고 부정맥 감지를 용이하게 합니다.</td></tr><tr><td>맥박 산소 측정기</td><td>COSMED</td><td></td><td>통합 맥박 산소 측정기</td></tr><tr><td>Ergoespirometer</td><td>COSMED</td><td>Quark-CPET</td><td>교정 가스 및 교정 주사기가 포함되어 있습니다</td></tr><tr><td>Cycle-ergometer</td><td>Ergoline GmH</td><td>ViaSprint 150P</td><td>이 항목에 대한 수많은 대안이 있습니다. 제공된 소프트웨어와의 호환성을 보장해야 합니다</td></tr><tr>.<td>NIRS 웨어러블</td><td>Artinis Medical Systems</td><td>Portalite</td><td>관절형 NIRS 웨어러블이 놓인 표면에 맞습니다.&nbsp;</td></tr><tr><td>NIRS 웨어러블</td><td>Artinis Medical Systems</td><td>Portamon Portamon</td><td>장치는 고지방 조직 표면에서 더 나은 결과를 제공합니다.</td></tr><tr><td>대사 데이터 관리 소프트웨어(OMNIA)</td><td>COSMED</td><td></td><td>소프트웨어는 시스템 선택에 따라 다름</td></tr><tr><td>NIRS 데이터 관리 소프트웨어(Oxysoft)</td><td>Artinis 의료 시스템</td><td></td><td>소프트웨어는 장치 선택에 따라 다름</td></tr><tr><td>무선 프로브 유형 초음파 스캐너</td><td>SONUS</td><td>Duo LC</td><td>이 항목에 대한 다양한 대안이 있습니다.</td></tr></tbody></table>

near-infrared spectroscopy 웨어러블 장치를 사용하여 운동 중 중추 및 주변 장치 제한 식별

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

CPET를 완료하는 동안 모든 피험자에서 호흡 곤란, 다리 피로 및 인지된 운동 속도(RPE)의 증상이 보고되었습니다. NIRS 장치의 보완적인 사용은 피험자의 감각 평가에 불편함을 추가하지 않았습니다. 또한, 과도한 생리적 스트레스와 관련된 위험 사건에 의해 CPET 평가를 중단하지 않았다.
우리는 전국 사이클링 클럽에서 모집한 두 명의 경쟁력 있는 남성 사이클리스트를 연구했습니다. 이 연구의 포함 기준은 정상 체질량 지수(20–25kg·m-2)와 신체 활동이 활발한 참가자(주당 ≥150분 또는 ≥75분)였습니다. 이 연구의 제외 기준은 호흡기, 심혈관, 대사, 근골격계 또는 종양 질환의 병력 또는 연구 평가 최소 2주 전의 감염성 또는 염증성 과정이었습니다.
NIRS 기술이 탑재된 장치를 사용하여 운동 강도 증가로 인한 대사 변화로 인한 혈류역학 및 조직 산소화 변화의 비침습적 기록과 함께 CPET를 완료하면 뇌 영역의 변화와 관련된 중추 제한 요인과 운동 강도 증가에 대한 호흡기 또는 근골격계 반응과 관련된 말초 제한 요인을 식별할 수 있습니다. 테스트 프로토콜은 참가자 준비, 운동 테스트 실행 및 관련 생리학적 데이터 수집을 포함한 일련의 단계를 포함합니다.
CPET-NIRS 프로토콜의 성공적인 실행은 여러 매개변수에 걸쳐 명확하고 일관된 데이터로 입증됩니다. 초기 휴식 단계에서는 심박수(HR), 맥박 산소 포화도(SpO2) 및 NIRS 판독값과 같은 측정값을 기록하여 기준선을 설정합니다. 낮은 작업량 페달링을 특징으로 하는 워밍업 단계는 참가자가 작업량이 점진적으로 증가하는 증분 운동 단계를 준비합니다( 그림 1 참조).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig1.jpg"> 그림 1: 운동 프로토콜 체계의 실험적 설계. 연구에 사용된 운동 프로토콜의 단계를 개략적으로 표현하여 심폐 운동 테스트 프로토콜의 흐름에 해당하는 휴식(R), 워밍업(W), 운동(E), 마무리(F) 및 중지(S)와 같은 주요 이벤트를 강조합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
통제된 실험실 주변 조건(기온 ~20 ± 2°C, 상대 습도 ~40% ± 5%)에서 평가한 두 명의 남성 운동선수의 CPET(그림 2) 및 NIRS(그림 3 및 그림 4) 데이터의 대표적인 결과가 표시됩니다. (i) 참가자 1(그림 2A 및 그림 3) (연령: 33세, 체중: 80kg, 신장: 178cm, 최대 작업 부하: 300W, VO2-max: 46 mL·kg-1·min-1, VE: 177 L·min-1, HR-max(%예측, 220년): 100%, PetCO2: 27mmHg); (ii) 참가자 2(그림 2B 및 그림 4)(연령: 26세, 체중: 67kg, 키: 178cm, 최대 작업량: 300W, VO2-최대: 51mL·kg-1·min-1, VE: 131L·min-1, HR-max(% 예측, 220세): 93%, PetCO2: 33mmHg).
두 참가자 모두에서 VO2(산소 소비량), VCO2(이산화탄소 생성), RQ(호흡 지수, VCO2· VO 2-1), HR, VE(폐 환기) 및 RR(호흡수)은 VO2의 최대 값에 도달할 때까지 운동 강도가 증가함에 따라 지속적으로 상승합니다(그림 2 참조). 
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig2.jpg"> 그림 2: CPET 중 평가된 생리적 변수의 변화. 산소 소비량(VO2), 분간 환기(VE), 호기말 CO2 압력(PetCO2) 및 출력(와트)을 포함하여 심폐 운동 검사 중에 측정된 생리학적 변수의 진행을 보여줍니다. 인공호흡 임계값 1과 2(VT1 및 VT2) 사이의 전환은 운동 단계 내에 표시됩니다. (a) 참가자 1 및 (b) 참가자 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
NIRS 데이터는 CPET 중 국소 대사 수요에 대한 통찰력을 제공했습니다. 목표 조직(근육 대 뇌)에서 관찰되는 운동으로 인한 변화는 특정 조직과 분석된 운동의 강도에 따라 다릅니다. 따라서 운동 유발 NIRS 데이터를 해석하는 유용한 생리학적 프레임워크는 Skinner와 McLellan34가 제안한 운동 강도의 삼중 모델입니다. 이 모델에서 저자는 VT에 의해 정의된 세 가지 영역, 즉 I단계 또는 호기성, (ii) II단계 또는 호기성 혐기성 전이, (ii) III단계 또는 "대사 불안정성"을 설명합니다.
VT2 (단계 I 및 II) 미만의 운동 강도에서 O2-Hb의 감소와 H-Hb의 증가는 근육 수준에서 발생합니다 - 국소 혈류의 매개 변수로서 T-Hb에 큰 변동이없는 경우. 당사의 CPET-NIRS 프로토콜은 반복적인 근육 수축/이완을 수반하는 주기적인 운동으로 구성되어 있으므로 T-Hb의 변동이 최소화될 것으로 예상됩니다. 그러나 운동으로 인한 변화는 평가되는 목표 근육 조직에 따라 다릅니다. 운동 근육에서 m.Vastus Lateralis와 같이 운동 강도의 점진적인 증가는 작업량에 수반되는 NIRS 데이터 변경을 유도합니다( 그림 3A 참조). 이와는 대조적으로, 늑간근(m.Intercostales )과 같은 부속 호흡 근육에서는 변화가 작업량보다는 환기 변화와 동시에 일어난다( 그림 3B 참조). PFC에서O2-Hb, H-Hb 및 T-Hb의 증가는 혈류가 운동에 의해 유도된 국소 요구량을 초과하기 때문에 관찰됩니다. 또한 TSI가 약간 감소하는 것을 볼 수 있습니다( 그림 3C 참조). 평가된 모든 조직에서 TSI 매개변수는 운동 강도가 증가함에 따라 감소하므로 m.Vastus Lateralis 의 변화는 m.Intercostales 및 PFC보다 더 악명이 높습니다( 그림 3D 참조).
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig3.jpg"> 그림 3: 중앙 제한의 예(참가자 1). CPET 프로토콜 중 NIRS 데이터(이벤트: W = 워밍업, E = 운동, VT1 = 환기 임계값 1 또는 유산소 환기 임계값, VT2 = 환기 임계값 2 또는 혐기성 환기 임계값, F = 최종 운동 또는 VO2-max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales, (C) 전전두엽 피질(PFC).   <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
운동으로 인한 대사 요구가 증가함에 따라, 특히 VT2 이상의 강도(3단계 또는 "대사 불안정")에서 근육(운동 및 호흡 근육) 및 PFC 수준 모두에서 흥미로운 생리학적 반응이 발생합니다. 이는 H-Hb의 현저한 증가와 함께O2-Hb 및 tHb의 현저한 감소로 구성되며, 이는 TSI의 뚜렷한 감소를 뒷받침하는 측면입니다.
고강도 운동 중 환기 요구량이 높은 피험자에서 VE와 RR의 기하급수적인 증가는 "대사 기원"의 CO2 증가로 인해 높은 과호흡을 유발합니다. 이러한 과호흡은 뚜렷한 뇌 혈관 수축을 유발할 수 있으며, 이 대표적인 피험자에서 볼 수 있듯이 중추 제한에 의해 수행 능력을 제한할 수 있습니다. 이론적으로, NIRS 데이터에서 관찰된 변화는 CPET에 등록된 CO2(PetCO2)의 기압 호기말 압력의 급격한 감소로 추론된 저탄산증에 의해 유도된 뇌 혈관 수축의 결과입니다(그림 2 참조). 이러한 생리적 변화는 운동에 의해 유발된 호흡곤란 증가와 높은 관계가 있는 것으로 나타났으며, 이는 수정된 Borg's scale35,36을 사용하여 등록되었습니다.
반면에, 운동 요구량이 높지만 호흡 요구량이 높지 않은 피험자는 저탄혈증에 의한 뇌 혈관 수축을 나타내지 않습니다. 결과적으로, NIRS 데이터는 중간 정도의 운동 강도에서 관찰된 것과 같은 변화를 계속 반영할 수 있습니다. 이러한 피험자에서 운동 수행은 중추 제한 요인이 아닌 말초 제한 요인에 의해 제한됩니다( 그림 4 참조). 이러한 생리적 변화는 운동으로 인한 다리 피로 증가와 높은 관계가 있는 것으로 나타났습니다.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67609/67609fig4.jpg"> 그림 4: 주변 장치 제한의 예(참가자 2). CPET 프로토콜 중 NIRS 데이터(이벤트: W = 워밍업, E = 운동, VT1 = 환기 임계값 1 또는 유산소 환기 임계값, VT2 = 환기 임계값 2 또는 혐기성 환기 임계값, F = 최종 운동 또는 VO2–max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales, (C) 전전두엽 피질(PFC). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67609/67609fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

Near-Infrared Spectroscopy 웨어러블 장치를 사용하여 운동 중 중추 및 주변 장치 제한 식별

The gold standard to assess the aerobic capacity in physically active subjects and athletes is the maximal oxygen consumption test (VO2&#8211;max), which ...

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Research

연구

JoVE Journal

Medicine

의학

직립 운동 작업 중 뇌 활동을 모니터링하는 것은 운동 장애의 신경 원인을 조사할 때 큰 가치가 있습니다. 여기에서는 기능적 근적외선 분광법과 4가지 유형의 운동 작업 중 근육 및 운동학적 활동의 지속적인 모니터링을 결합한 프로토콜을 보여줍니다.

모터 작업하는 동안 동시 운동 학적 및 EMG 모니터링과 감각 및 모터 뇌 영역의 기능 근적외선 분광법

물리적 제약없이 실험실 밖에서 뇌의 활동을 모니터링 방법론적인 문제를 제시한다. fiberless는, 착용 형 기능성 근적외선 분광법 (fNIRS) 시스템은 생태 예비 메모리 작업 동안 뇌 활동을 측정하는 데 사용 하였다. 이는 이러한 시스템이 아닌 랩 기반 실험 동안 뇌 활동을 모니터하는 데 사용될 수 있음을 입증 하였다.

실제 세계인지 작업의 뇌 활동을 모니터 Fiberless, 착용 할 수있는 fNIRS 사용

여기, 우리는 근처-적외선 분광학을 사용 하 여 단일 병원 또는 실험실 방문에 반응성 충 혈, 혈관 커플링 및 골격 근육 산화 능력을 평가 하는 간단한, 비-침략 적 접근 방식을 설명 합니다.

골격 근육 혈관 결합, 산화 용량 및 Microvascular 함수 '원스톱 쇼핑' 근처-적외선 분광학

이 프로토콜은 심부전 환자에서 운동 과민증에서 대뇌 혈역학 반응의 참여를 확인하기 위해 기존의 심폐 운동 테스트에 근적외선 분광법을 통합했습니다.

심부전 환자에서 심폐 운동 테스트에서 뇌 조직 포화 모니터링의 통합

근적외선 확산 광학을 기반으로 하는 다중 모드 장치를 사용하여 절대 미세혈관 혈류 지수와 혈중 산소 포화도를 비침습적으로 지속적으로 측정하는 프로토콜을 설명합니다. 그런 다음 혈관 폐색 검사를 사용하여 산소 소비량과 반응성 충혈의 대사율을 평가합니다.

중환자 치료를 위한 하이브리드, 근적외선 확산 광학 분광법을 사용한 미세혈관 산소화 및 반응성 충혈의 비침습적 모니터링

여기에서는 근적외선 분광법을 사용하여 하지의 반응성 충혈을 평가하는 비침습적 접근 방식을 설명합니다. 이 프로토콜은 혈관 기능 장애의 존재와 치료 중재의 효능을 결정하는 데 사용할 수 있는 혈관 및 미세혈관 반응성에 대한 표준화된 평가를 제공합니다.

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사이클링 생체역학은 효율적인 근육 활성화와 코어 안정화에 의존합니다. 적외선 열화상(IRT)은 근육 피로를 비침습적으로 모니터링할 수 있습니다. 이 프로토콜은 IRT를 생체역학 분석에 통합하는 표준화된 방법론을 확립하여, 정밀한 생리학적 모니터링을 통해 아마추어 사이클리스트의 성능을 최적화하고 부상 예방을 목표로 합니다.

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당뇨병 연구에서 β-세포 질량 분포의 평가를위한 적외선 광학 프로젝션 단층 촬영 부근

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Near-Infrared Spectroscopy 웨어러블 장치를 사용하여 운동 중 중추 및 주변 장치 제한 식별

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