Wykorzystanie obrazowania termowizyjnego w podczerwieni do wykrywania opóźnionej bolesności mięśniowej

Podsumowanie

Celem niniejszego badania była ocena, czy zastosowanie podczerwonej kamery termowizyjnej jest wiarygodnym narzędziem do wykrywania i ilościowego określania tkliwości mięśni po wysiłku fizycznym.

Streszczenie

Opóźniona zakwaszona mięśni (DOMS), znana również jako uszkodzenie mięśni wywołane wysiłkiem (EIMD), jest powszechnie doświadczana przez osoby, które przez dłuższy czas pozostawały nieaktywne fizycznie i rozpoczynają niespodziewaną serię ćwiczeń^1-4, lecz może ona wystąpić również u sportowców, którzy ćwiczą poza swoimi normalnymi limitami treningowymi⁵. Objawy związane z tym bolesnym zjawiskiem mogą obejmować od lekkiej tkliwości mięśni po silny, wyniszczający ból^1,3,5. Intensywność tych objawów i związany z nimi dyskomfort narastają w ciągu pierwszych 24 godzin po zakończeniu ćwiczeń i osiągają szczyt między 24 a 72 godzinami po wysiłku^1,3. Z tego powodu DOMS jest jedną z najczęstszych nawracających form urazów sportowych, które mogą wpływać na wyniki danej osoby i stać się dla wielu z nich zniechęcające^1,4.

W ciągu ostatnich trzech dekad zjawisko DOMS wzbudziło znaczne zainteresowanie wśród badaczy i specjalistów z zakresu fizjologii wysiłku, sportu oraz rehabilitacji⁶. Opublikowano wiele badań analizujących to bolesne zjawisko pod kątem jego mechanizmów leżących u podstaw, interwencji terapeutycznych i strategii zapobiegawczych^1-5,7-12. Z literatury wynika jednak najwyraźniej, że DOMS nie jest patologią łatwą do skwantyfikowania, gdyż istnieje znaczna zmienność między narzędziami i metodami pomiarowymi stosowanymi do oceny tego stanu⁶. Oczywiste jest, że nie wypracowano zgody co do jednej, najlepszej miary oceny DOMS, co utrudnia weryfikację, czy konkretna interwencja rzeczywiście pomaga w łagodzeniu objawów związanych z tym rodzajem zakwasów. W związku z tym DOMS można uznać za zjawisko w pewnym stopniu niejednoznaczne, ponieważ wiele badań opiera się na pomiarze bolesności za pomocą wizualnej skali analogowej (VAS)^10,13-15, która jest miarą subiektywną, a nie obiektywną. Choć biopsje igłowe mięśni oraz poziomy białek włókien mięśniowych we krwi mogą być dla niektórych uznawane za złoty standard⁶, udokumentowano duże wahania poziomu niektórych z tych białek we krwi^6,16, a dodatkowo techniki inwazyjne wiążą się niekiedy z wysokim ryzykiem.

W związku z tym w niniejszym badaniu przetestowano technikę termowizji podczerwonej (IR) skóry nad ćwiczonym mięśniem w celu wykrycia towarzyszącej mu bolesności mięśniowej. Termografia podczerwona jest stosowana i z powodzeniem wykorzystywana do wykrywania różnych typów chorób i infekcji od lat 50. XX wieku¹⁷. Co zaskakujące, niemal nic nie napisano na temat DOMS oraz zmian temperatury skóry. Głównym celem niniejszego badania było zbadanie zmian w przebiegu DOMS przy użyciu tej bezpiecznej i nieinwazyjnej techniki.

Protokół

1. Ćwiczenie

1. Mięśniem badanym w tym eksperymencie były zginacze łokcia (mięsień dwugłowy ramienia).
2. U każdego uczestnika zmierzono siłę mięśni, aby móc zastosować odpowiedni opór dla każdej osoby. Określono to poprzez badanie maksymalnego obciążenia (RM) każdego uczestnika.
3. Do badania RM wykorzystano tensometr połączony z komputerem za pomocą modułu wzmacniacza bioelektrycznego BioPac (DA-100C) (BioPac Systems, Goleta, CA) w celu pomiaru siły mięśni. Moduł był podłączony do przetwornika analogowo-cyfrowego MP-100 z częstotliwością próbkowania 1 000 hertz na sekundę i rozdzielczością 24 bity (Rys. 10).
4. Tensometr zamocowano do stołu pod kątem 45°. Polecono badanym usiąść za urządzeniem i oprzeć łokcie na wyściełanym obszarze, tak aby siła nacisku przechodziła przez nadgarstki. Był to najlepszy sposób, aby upewnić się, że badany nie zaangażuje żadnego innego mięśnia poza dwugłowym ramienia (Rys. 11).
5. Siłę określono w 3 próbach, przy czym każdy skurcz trwał 3 sekundy, a przerwy między skurczami wynosiły około 45 sekund. Średnia z 3 pomiarów stanowiła wartość RM.
6. Po określeniu RM dla mięśnia dwugłowego ramienia każdego uczestnika, zaplanowaną sesję ćwiczeń przeprowadzono z obciążeniem wynoszącym 35% ich RM.
7. Wszyscy badani wykonali te same ćwiczenia przy użyciu odpowiednio dociążonych hantli w celu wywołania tkliwości mięśniowej (DOMS). Polegało to na wykonaniu 4 serii po 25 powtórzeń skoncentrowanych ugięć ramion w łokciach w pozycji siedzącej na krześle, z łokciami opartymi o uda (Rys. 12).
8. Każdemu badanemu zapewniono 90-sekundowy okres odpoczynku między seriami. Badani wykonywali pełną serię 25 powtórzeń lub otrzymywali polecenie przerwania ćwiczenia, jeśli nie byli w stanie stabilnie kontrolować ciężaru podczas wykonywania ruchu.

2. Przygotowanie i konfiguracja kamery podczerwieni

1. Pomieszczenie, w którym przeprowadzano obrazowanie w podczerwieni, utrzymywano w stałej temperaturze, aby zminimalizować wpływ zewnętrznych różnic temperatury otoczenia, które mogłyby prowadzić do błędnych odczytów termicznych. Na potrzeby tego eksperymentu zastosowano pomieszczenie z kontrolą temperatury, utrzymywaną na poziomie około 23°C (+/- 0.5°C).
2. Kamerę ustawiono w odległości 1 metra, pod kątem prostym do mierzonej skóry (Rys. 9a)*.
3. Po ustawieniu wymaganej odległości poproszono badanych o pozostanie w bezruchu do momentu wykonania zdjęcia. Proces ten nie powinien trwać dłużej niż kilka sekund, jednak minimalizacja ruchu jest kluczowa dla zapewnienia dokładności uzyskanego obrazu.
4. Zaleca się, aby pomieszczenie miało ściany pomalowane na ciemniejsze kolory zamiast jasnych, co pozwala zminimalizować zakłócenia podczerwone.
5. Oświetlenie jest również kwestią krytyczną przy obrazowaniu w podczerwieni, ponieważ źródła światła emitujące fale podczerwone, takie jak oświetlenie fluorescencyjne lub wolframowe, mogą powodować fałszywie wysokie odczyty. Najlepszą opcją oświetlenia jest pomieszczenie wyposażone w jednorodne światła LED, ponieważ diody LED niemal nie generują zakłóceń w podczerwieni (Rys. 9b)*.

* W naszych laboratoriach przeprowadzono serię testów z wykorzystaniem kamery IR FLIR 660 (Rys. 8), w których porównywano obrazy skóry pod różnymi kątami (0 (prostopadle), 15, 30, 45 i 60 stopni) oraz w różnych odległościach od skóry (1, 2 i 5 metrów), aby dokładnie wyznaczyć temperaturę skóry. Wszystkie obrazy porównano z odczytami skalibrowanych termopar; najlepsza korelacja między obrazami a odczytami z termopar wystąpiła przy kącie prostopadłym i w odległości 1 metra od skóry (r = 0,93). Różne kąty i odległości powodowały utratę jakości obrazu (pikselozę) oraz obniżały ogólną korelację między obrazami a odczytami z termopar.

3. Pozyskiwanie obrazów

1. Na potrzeby niniejszego eksperymentu wykonano obraz mięśnia ćwiczonego przed wykonaniem ćwiczenia oraz w 24. i 48. godzinie po ćwiczeniu.
2. Ciepło ciała pochodzące ze źródeł innych niż cel mógłby zakłócić obraz termiczny i spowodować błędne odczyty. Z tego powodu nikt nie powinien stać obok ani za zamierzonym celem.
3. W badaniu tym, w celu porównania, wykonano zdjęcia zarówno ręki ćwiczonej, jak i niećwiczonej. Jedną z rąk poddano ćwiczeniom, jak wspomniano wcześniej, a druga ręka służyła jako kontrola (Ryc. 4 i 5).
4. Numery obrazów z kamery IR zapisywano natychmiast w osobnym arkuszu, ponieważ identyfikacja tego, do kogo należy dany obraz, mogłaby być trudna.

4. Przetwarzanie obrazów i analizy

1. Pozyskane obrazy IR przetworzono przy użyciu oprogramowania „ThermoVision ExaminIR” w wersji 1.10.2.
2. Po wybraniu obrazu przeznaczonego do analizy, na pozyskanym obrazie ramienia zidentyfikowano cztery obszary zainteresowania, wykorzystując ramki statystyczne w interfejsie oprogramowania (Rys. 6).
3. Po zlokalizowaniu wymaganych obszarów na ramieniu, oprogramowanie wyświetla średnie i odchylenia standardowe temperatur dla każdego z wybranych regionów. Można następnie porównać poszczególne obszary lub wyznaczyć średnią temperaturę całego ramienia (Rys. 7).

5. Wizualna Skala Analogowa i Analiza Krwi

1. Do oceny subiektywnego odczucia bólu ramienia wykorzystano wizualną skalę analogową (VAS). Skala składała się z linii o długości 10 cm (100 mm) z oznaczeniem „brak bólu” na jednym końcu oraz „silny ból” na końcu przeciwległym. Każdy uczestnik został poproszony o postawienie znaku na linii 10 cm w celu wskazania poziomu odczuwanego bólu.
2. Pomiary VAS przeprowadzono u badanych przed ćwiczeniami, 24 godziny po ćwiczeniach oraz po 48 godzinach.
3. Od badanych pobrano krew obwodową w celu pomiaru stężenia mioglobiny we krwi.
4. Krew pobierano z żyły łokciowej badanych przed ćwiczeniami, 30 minut po zakończeniu ćwiczeń oraz po 48 godzinach.
5. Krew wirowano z prędkością 4000 rpm przez 10 min w celu oddzielenia surowicy od komórek. Próbki przechowywano następnie w temperaturze -80°C do czasu przeprowadzenia analizy mioglobiny.
6. Stężenie mioglobiny mierzono przy użyciu automatycznego analizatora immunoenzymatycznego TOSOH „AIA-360” (TOSOH Corp., Tokyo, Japonia). Zestawów do oznaczania mioglobiny (Myo 025297, ST AIA-PACK Myoglobin) używano zgodnie z instrukcjami producenta.

6. Reprezentatywne wyniki

Wyniki obrazowania termowizyjnego IR wykonanego podczas niniejszego badania zostały przedstawione na rycinie 1. Obrazy wykonane w trzech przedziałach czasowych (przed wysiłkiem, 24 godziny po wysiłku oraz 48 godzin po wysiłku) dla ramion ćwiczących 41 badanych wykazały wyraźny wzrost temperatury w dniu 2. (24 godziny po wysiłku) w porównaniu z temperaturami przed wysiłkiem oraz temperaturami zmierzonymi po 48 godzinach. Jak pokazano na rycinie 1, średnia temperatura skóry wynosiła 32.80 +/- 1.03 °C w dniu 1. (przed wysiłkiem), 33.96 +/- 1.46 °C w dniu 2. (24 godziny po wysiłku) oraz 32.82 +/- 1.29 °C w dniu 3. (48 godzin po wysiłku). Różnica temperatury skóry między dniem 1. a dniem 2. była istotna (ANOVA p < 0.01).

Jednak w przypadku ramienia niepoddanego ćwiczeniom nie odnotowano istotnych zmian w trzech przedziałach czasowych. Rycina 1 pokazuje, że średnia temperatura skóry wynosiła 33,08 +/- 0,83 °C w dniu 1. (przed ćwiczeniami), 32,79 +/- 1,42 °C w dniu 2. (24 godziny po ćwiczeniach) oraz 33,17 +/- 0,95 °C w dniu 3. (48 godzin po ćwiczeniach). Różnica temperatury skóry w ciągu tych 3 dni nie była istotna (ANOVA p = 0,38).

Wyniki pomiarów bólu uzyskane za pomocą VAS przedstawiono na rysunku 2. Jak widać na rysunku 2, zgłaszany poziom bólu gwałtownie wzrósł w dniach 2. i 3. Poziom bólu w ćwiczącym mięśniu wzrósł z 3,6 +/- 6,1 w dniu 1. do 36,3 +/- 22,8 w dniu 2. oraz 37,5 +/- 25,3 w dniu 3. Wzrost ten w stosunku do dnia 1. był istotny (ANOVA p < 0,01).

Wyniki poziomu stężenia mioglobiny przedstawiono na rysunku 3. Jak widać na tym rysunku, między dwoma pomiarami stężenia mioglobiny w dniu 1. (przed wysiłkiem i 30 minut po wysiłku) niemal nie było różnic. Jednak w dniu 3. wzrost stężenia mioglobiny był bardzo znaczny. Wzrost ten w dniu 3. wyniósł około 147 ng/mL krwi w porównaniu do pierwszych dwóch pomiarów w dniu 1. Stężenia mioglobiny wynosiły 30,12 +/- 7,66 ng/mL w punkcie wyjściowym, 31,66 +/- 11,89 ng/mL 30 minut po wysiłku oraz 178,96 +/- 249,51 ng/mL w dniu 3. Wzrost ten w dniu 3. był wysoce istotny statystycznie (ANOVA p < 0,01).

Przeprowadzono analizę korelacji między temperaturą skóry uzyskaną z obrazów IR a poziomami tkliwości w skali VAS. Stwierdzono istotną korelację między odczytami VAS w 2. dniu a pomiarem temperatury skóry w 2. dniu. Korelacja ta była istotna (r = 0,312, p < 0,05). Jednakże w 3. dniu nie stwierdzono wyraźnej korelacji między odczytami VAS a temperaturą skóry. Korelacja ta była nieistotna (r = 0,047, p = 0,77).

Rycina 1. Reprezentatywny wykres różnic w temperaturze skóry w ramionach ćwiczących (Romby) oraz ramionach niećwiczących (Kwadraty) u 41 badanych osób w okresie 3 dni.

Rysunek 2. Reprezentatywny wykres różnic w odczuwalnej bolesności mięśni mierzonej skalą VAS w okresie 3 dni dla wszystkich 41 badanych osób.

Rycina 3. Reprezentatywny wykres różnic w stężeniach mioglobiny dla wszystkich 41 badanych w trzech przedziałach czasowych.

Rycina 4. A) typowy obraz IR ćwiczącego ramienia badanego przed ćwiczeniami. B) obraz IR ramienia tego samego badanego 24 godziny po ćwiczeniach.

Rycina 5. A) typowy obraz IR nieużytkowanego ramienia badanego przed ćwiczeniem. B) obraz IR ramienia tego samego badanego 24 godziny po ćwiczeniu.

Rysunek 6. Ilustracja 4 obszarów zainteresowania służących do analizy obrazu termicznego ramienia.

Rysunek 7. Interfejs oprogramowania „ThermoVision ExaminIR” przedstawiający 4 obszary zainteresowania na obrazie IR ćwiczącego ramienia. Przedstawiono również interpretacje statystyczne dla każdego obszaru.

Rysunek 8. Kamera termowizyjna IR zastosowana w tym badaniu (FLIR 660).

Rysunek 9. A) Ustawienie kamery IR w odległości 1 metra od ramienia badanego. B) Diody LED użyte w laboratorium, w którym wykonano zdjęcia.

Rycina 10. A) Moduły BioPac wykorzystane do pomiaru siły mięśni. B) Urządzenie z tensometrem przymocowane do ławki ustawionej pod kątem 45° i podłączone do systemu BioPac.

Rysunek 11. Typowy badanym wywierający siłę na urządzenie z tensometrem.

Rycina 12. Osoba poddana protokołowi ćwiczeń w celu wywołania bólu mięśniowego.

Dyskusja

Głównym celem niniejszego badania była ocena przydatności termowizji IR w wykrywaniu i pomiarze bolesności mięśni po intensywnym wysiłku fizycznym, a nasze wyniki sugerują, że obrazowanie IR może być trafną techniką wykrywania DOMS, szczególnie w ciągu pierwszych 24 godzin po ćwiczeniach. Nie jest to zaskakujące, ponieważ Pennes¹⁸ przedstawił bardzo szczegółowy model przepływu ciepła z mięśni do skóry w kończynach. Model ten przewiduje, że ciepło w głębszych tkankach, takich jak mięśnie, może być rozpraszane d...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Kamera termowizyjna w podczerwieni	FLIR Systems Inc.	FLIR SC660
Oprogramowanie do analizy termowizyjnej w podczerwieni	Thermo Fisher Scientific, Inc.	Software Version 1.10.2
Moduł wzmacniacza bi–elektrycznego	Biopac Systems, Inc.	DA100C	DA100C zapewnia zmienne ustawienia wzmocnienia oraz regulowane referencje napięcia.
Moduł przetwornika analogowo-cyfrowego	Biopac Systems, Inc.	MP100
Zautomatyzowany analizator immunoenzymatyczny	Tosoh Corp.	AIA -360	Urządzenie to służyło do analizy próbek krwi i wyznaczenia poziomu mioglobiny.