使用近红外光谱可穿戴设备识别运动期间的中枢限制与外周限制

摘要

该协议集成了近红外光谱 （NIRS） 技术，以评估体外运动测试期间前额叶皮层、呼吸 （m.肋间肌） 和运动 （m.股外侧肌） 肌肉的局部血液学和氧合变化，从而能够识别影响运动表现的中枢和外周限制因素。

摘要

评估身体活动受试者和运动员的有氧能力的黄金标准是最大耗氧量测试 （VO_2–max），它涉及分析在增量运动期间通过测力肺活量计中的逐呼吸法获得的呼出气体和心肺变量。然而，这种方法无法阐明肌肉水平的代谢变化。近红外光谱 （NIRS） 已成为一种有价值的技术，通过量化组织微血管系统中含氧 （O 2-Hb） 和脱氧 （H-Hb） 血红蛋白的浓度来评估局部氧水平（Tissular Saturation Index，TSI）。NIRS 应用扩展到呼吸肌和运动肌，分别评估与呼吸成本 （COB） 和外周工作量相关的代谢变化。此外，已经使用 NIRS 技术探索了大脑区域，例如前额叶皮层，以评估与与运动表现相关的运动任务的规划或构思相关的认知需求相关的生理变化。因此，通过分析运动诱导的 O 2-Hb、H-Hb 和 TSI 变化 （D），可以识别中枢和外周运动限制，特别是当耐力训练是身体健康的主要组成部分时（例如，跑步、骑自行车、铁人三项等）。解决这些因素对于教练和运动生理学家优化运动表现至关重要，并结合针对主要运动限制因素的训练策略。本研究概述了一种利用配备 NIRS 技术的可穿戴设备来分析 TSI、O 2-Hb 和 H-Hb 的运动变化，以及在 VO_2-max 测试期间通常在运动员中记录的心肺变量的协议。这种方法提供了一种全面的方法，用于识别停止运动进展和运动表现改善所涉及的主要系统。

引言

耐力运动员依靠氧气输送和吸收的有效平衡来维持高强度运动并提高他们的运动表现 ^1,2。最大摄氧量测试 （VO_2-max） 是一项重要的生理评估，它通过分析增量运动强度¹ 期间的呼出气体和心肺变量来确定运动表现。这种评估称为肺活量测定法或心肺运动试验 （CPET），反映了心血管、呼吸和肌肉系统的运动反应³。沿着这些思路，与呼吸相关的能量成本增加，称为呼吸成本 （COB），增加了周围组织对营养物质和氧气的需求。据证明，这种现象可能会减少流向参与主动运动的肌肉的血流量，导致对体力消耗的耐受性降低，并且由于代谢反射而导致运动进展提前停止⁴。

在 VO_2-max 测试期间，还可以确定通气阈值 （VT），它对应于标志着从有氧代谢过渡到无氧代谢的特定运动强度（有氧阈值或通气阈值 1 [VT1] 和厌氧阈值或呼吸补偿点 [RCP] 或通气阈值 2 [VT2]）⁵。VT 反映了补偿增量运动期间代谢变化的通气反应⁶。通过识别这些阈值，CPET 通过整合高强度运动期间关键参与的多个生物系统的反应来提供全面评估。

然而，虽然肺活量测定法被广泛认为是评估 CPET 的金标准，但它并不能捕捉肌肉水平发生的代谢变化。这些变化对于理解与耐力运动员在高强度运动期间缺乏进展相关的生理限制因素至关重要。在此背景下，NIRS 技术已成为运动科学中的宝贵工具，有助于分析微血管肌肉水平的血流动力学变量⁷。

近年来，体育专业人士和研究人员使用各种配备 NIRS 技术的商业可穿戴设备来探索运动过程中的无创肌肉变化，从而能够利用该技术确定 VT1 和 VT2⁸。因此，对 NIRS 和 CPET 数据的综合分析提供了对运动的生理反应的全面理解。

NIRS 技术利用改进的 Beer-Lambert 定律来量化运动期间氧合血红蛋白 （O 2-Hb） 和脱氧血红蛋白 （H-Hb） 浓度的变化 （D）⁷。在局部组织水平上，O_2-Hb 的减少反映了局部代谢需求的增加，而 H-Hb 的增加反映了氧提取的增加。总血红蛋白 （tHb） 是 O_2-Hb 和 H-Hb 的总和，用作局部组织血流的指标。相反，O 2-Hb 和 H-Hb 之间的差异 （Hb_diff） 提供了组织取氧指数⁹。肌饱和指数 （TSI） 计算为 O 2-Hb 与 tHb 的比率，反映了组织氧饱和度水平，并表示局部氧输送和摄取之间的平衡^10,11。因此，NIRS 数据为微血管水平的生理状态提供了关键见解，提供了对组织氧合和血流动力学的详细理解，补充了从 CPET 获得的信息。

近红外光谱技术提供的这种详细理解延伸到许多实际应用中。最近的研究强调了 NIRS 的多功能性，并展示了它在监测呼吸^12,13 和运动肌肉⁷ 以及参与运动行为意念的大脑区域（如前额叶皮层 （PFC）^）14,15 的实际应用。这种广泛的适用性强调了 NIRS 能够全面了解对各种类型肌肉收缩（同心或、离心或等长收缩）和运动的生理反应。

通过分析肌肉和大脑水平的运动诱导的 DTSI，NIRS 为确定影响运动进展的外周和中枢限制因素之间的关联提供了宝贵的潜力^16,17。例如，在中枢限制因素中，由于无氧代谢导致的氢水平升高和高强度运动期间血乳酸增加，代偿性过度换气引起的脑血管收缩导致血流量减少，是前额叶皮层 TSI 降低的重要因素^17,18.相比之下，外周限制因素的特征是锻炼肌肉组织中氧气供需不平衡¹⁹。局部氧输送减少和耗氧量增加可导致组织脱氧，TSI²⁰ 降低证明了这一点。这种区别突出了高强度运动期间表现受限的多方面性质，其中中枢和外周机制都至关重要。这种理解表明，在运动过程中延迟这些限制因素的出现可能有助于改善运动表现。

为了充分利用 NIRS 技术在识别这些限制方面的潜力，标准化程序对于确保高质量的数据收集和分析至关重要。本文件概述了使用 NIRS 技术进行最大耐力运动测试的方法，以收集生理数据并阐明耐力运动员高强度运动期间中枢和外周限制因素之间的关系。拟议的协议提供了一种标准化方法，以确保评估这些限制因素背后的生理现象的一致性和准确性。

研究方案

该协议得到了智利天主教大学机构审查委员会（项目 nº 210525001 和 220608010）的批准，研究是根据赫尔辛基宣言进行的。所有参与者在参与所述测试之前都提供了书面知情同意书。

1. NIRS 可穿戴设备的放置和设置

注意:可以使用各种 NIRS 可穿戴设备和数据采集软件。研究人员应彻底查阅制造商的说明和指南，以确保正确设置和使用。在本研究中，使用了使用 NIRS 信号连续波寄存器的设备。这些商用设备易于使用，但它们只能检测相对于参考或基线相位的光衰减变化，并且不能像其他采用 NIRS 时域寄存器的设备那样检测绝对浓度。

1. NIRS 可穿戴设备准备和一般放置指南
   1. 在放置设备并开始测量之前，请确保所有可穿戴设备都已充满电。
      注意:对于本研究中使用的设备，制造商报告说，充满电的电池可以连续记录 6-8 小时。
   2. 在所有可穿戴设备上贴上双面胶带，以将其固定在参与者的皮肤上，确保胶带不会阻碍发光体和检测器。
   3. 用一层保鲜膜覆盖所有可穿戴设备，然后涂上一层防水粘合剂敷料，以保护它们免受汗水。
   4. 在放置设备之前，用酒精垫清洁目标区域，以去除任何可能干扰寄存器的残留物（例如，面霜、化妆品等）。如有必要，剃除目标部位周围的区域，因为头发会干扰 NIRS 信号。
      注意: 建议在将任何设备放在参与者的皮肤上之前进行彻底洗手，以防止潜在的污染。鼓励戴手套，因为它可以进一步降低污染风险。
   5. 将所有可穿戴设备正确放置在参与者的皮肤上（参见第 1.2 节）后，用一层弹性治疗胶带固定它们。如果需要额外固定，请使用深色弹性绷带包扎，确保过度压缩不会改变测量值（小于传统血压计测量的 25 mm Hg 毛细血管闭塞压力）。
   6. 在所有可穿戴设备上放一块黑布，以防止环境光穿透。如果无法用布覆盖该区域（约 6 cm²），请使用黑色弹性治疗胶带阻挡环境光。
2. NIRS 设备放置
   注意: 确保放置 NIRS 可穿戴设备，以便轻松访问 ON/OFF 和设置按钮。
   1. 前额叶皮层:将 NIRS 探针放在左侧或右侧背外侧前额叶皮层上，距离参与者的上纤毛弓约 10 毫米，类似于根据修改后的国际脑电图 10-20 系统²¹ 的 Fp1 电极放置。
   2. m.肋间:将 NIRS 探针放在右腋前线^22、23、24 的^第 7 肋间隙上。如果由于某种原因，它没有位于右半胸上，请将其放置在左半胸上，但来自心率的信号在左侧可能更明显。
      1. 为了确认 NIRS 穿透深度，请使用 B 型超声验证从皮下组织到 m.肋间肌外缘的距离。对于 m.肋间肌的测量，请确保皮肤和肌肉之间的距离小于 15 毫米。
   3. m股外侧肌:将 NIRS 探头放置在假想线中点外侧 5 cm 处，连接髌骨的上缘和股骨的大转子 24,25,26。
      1. 为确保脂肪组织厚度 （ATT） 不会改变 NIRS 信号的寄存器，请测量皮褶厚度以确认 NIRS 穿透深度²⁷。对于 m.Vastus Lateral Land 的测量，请确保 ATT 小于 20 mm。
3. NIRS 软件设置
   1. 正确放置所有 NIRS 可穿戴设备后（参见第 1.2 节），在开始测量之前打开它们。
   2. 启动制造商提供的数据采集软件，创建一个新文件，并链接 NIRS 可穿戴设备。
   3. 成功链接所有 NIRS 可穿戴设备后，将采样率设置为 10 Hz，以便对评估的组织进行数据采集和模数转换。对于前额叶皮层测量，根据每个参与者的年龄依赖性 DPF 调整差分路径长度因子 （DPF）²⁸。对于肌肉测量，将 DPF 设置为 4，就像在以前的协议中使用的那样，运动员作为研究对象^29,30。

2. 测力肺活量计的校准和设置

1. 体积校准
   1. 打开制造商提供的肺活量计软件以开始校准过程。
   2. 使用注射器适配器将流量计连接到 28 mm 涡轮机上。将一根波纹管连接到注射器适配器，将另一根连接到 3 L 校准注射器。
   3. 执行 6 次撤药/进样操作，保持恒定的流速。完成后，软件将自动确认校准测试是否通过。
2. 气体校准
   注:确保在开始气体校准之前完成流量校准。
   1. 空气校准
      1. 确保气体分析仪的样品管线与校准端口断开并自由悬挂。然后，初始化校准过程。
      2. 在校准过程中，由于氧气 （O₂） 和二氧化碳 （CO₂） 的浓度变化不显著（小于 5%），因此观察到稳定的平坦线。成功完成空气校准后，请继续进行代谢气体校准。
   2. 代谢气体校准
      1. 打开气阀，通过检查压力计验证是否向系统输送了足够的压力（有关具体说明，请咨询制造商）。
      2. 将 sample 线连接到校准端口并初始化校准过程。按照制造商的建议，在开始校准之前进行 3 分钟的预热。
      3. 如果操作正确，在 3 分钟预热期后，应观察两条平坦的线:一条在室内空气（约 21.00% O₂ 和 0.04% CO₂）之间波动，另一条在校准气体（16.00% O₂ 和 5.00% CO₂）之间波动。
      4. 最后，断开样品管线与校准端口的连接，并将其连接到将用于即将进行的测试的吹嘴上。

3. 心电图电极放置（12 导联）

1. 如有必要，用乳霜去除角质和/或从电极放置部位剃掉任何毛发，以准备皮肤。用酒精垫清洁该区域以去除任何浅表组织残留物。
2. 将心电图电极放置如下³¹:
   1. 按如下方式放置双极导联（肢体导联电极）:左臂 （LA）:锁骨下窝左侧;右臂 （RA）:锁骨下窝右侧;左腿 （LL）:左股骨头前突;右腿 （RL）:右股骨头的前突。
   2. 心前区铅电极放置如下:V1:胸骨右侧的第 4^肋 间隙;V2:胸骨左侧第 4^肋 间隙（与 V1 一致）;V3:介于 V2 和 V4 之间;V4: 锁骨中线第 5^肋 间隙;V5: 与 V4 同水平的腋前线;V6: 与 V4 和 V5 处于同一水平的腋中线。

4. 增量最大运动试验（心肺运动试验，CPET）

1. 让参与者坐在自行车上，确保座椅和车把调整到他们的高度，以获得最佳舒适度和位置。
   注意: 建议设置座椅高度，使膝盖在完全伸展时略微弯曲³².车把的位置应允许肘部轻微弯曲。
2. 将脉搏血氧仪连接到参与者的耳垂，用酒精棉片擦拭以确保该部位清洁。
3. 解释协议并指导参与者在测试之前、期间和之后通过面罩呼吸。
   注意: 参与者在佩戴口罩时必须避免说话或吹口哨，因为这会影响测力肺活量计的读数³³。
4. 一旦参与者就位并准备好，让参与者伸展右腿并等待 2 分钟以开始指令（初始休息阶段）。让参与者以 80-100 rpm 的节奏踩踏板 6 分钟，女性/男性分别为 0.6 W·^kg-1 和 0.8 W·^kg-1 （热身阶段）。然后，以女性 20 W·min^-¹ 和男性 25 W·min^-¹ 的速率增加工作量，直到参与者达到疲惫（运动阶段）。
5. 完成运动阶段后，指导参与者保持静止并继续对着面罩呼吸 3 分钟（放松或恢复阶段）。
6. 锻炼方案完成后，小心地从耳垂、面罩、所有三个 NIRS 可穿戴设备和心电图电极上取下脉搏血氧仪。
   注:为了保持实验室环境条件（例如，空气温度 ~20 ± 2 °C，相对湿度 ~40% ± 5%），这是一个关键标准。一些参与者可能表现出高出汗率，这会干扰设备在皮肤上的固定并影响 NIRS 数据记录。使用呼吸机有助于减少因出汗而导致的热体温调节。

结果

在完成 CPET 期间，所有受试者均报告了呼吸困难、腿部疲劳和自觉用力率 （RPE） 的症状。NIRS 设备的互补使用并没有给受试者的感觉评估增加任何不适。此外，我们没有因与过度生理压力相关的任何风险事件而停止 CPET 评估。

我们研究了从国家自行车俱乐部招募的两名有竞争力的男性自行车手。本研究的纳入标准是体重指数正常 （20-25 kg·^m-2

讨论

鉴于 NIRS 技术已证明其在评估大脑和肌肉区域的微血管血流动力学方面的有效性和可靠性，使用 NIRS 可穿戴设备作为 CPET 的补充工具来评估运动表现和确定有氧或耐力运动员的中枢和外周运动限制因素具有巨大潜力^37,38.但是，为了最大限度地发挥这项技术的优势，必须考虑几个因素以确保准确测量。

放置 N...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Column Scale	SECA	711	There are numerous alternatives to this item
Portable Stadiometer	SECA	217	There are numerous alternatives to this item
12-lead ECG	COSMED	Quark T12x	A 12-lead ECG provides a better understanding of HR during exercise and facilitates the detection of arrhythmias.
Pulse Oxymeter	COSMED		Integrated pulse oxymeter
Ergoespirometer	COSMED	Quark-CPET	Calibration gases and calibration syringe are included
Cycle-ergometer	Ergoline GmH	ViaSprint 150P	There are numerous alternatives to this item. Must ensure compatibility with provided software
NIRS weareable	Artinis Medical Systems	Portalite	Articulated NIRS weareable fits the surface where it's placed upon.
NIRS weareable	Artinis Medical Systems	Portamon	Portamon device provides better results on high adipose-tissue surfaces.
Metabolic Data Management Software (OMNIA)	COSMED		Software will vary upon system choice
NIRS Data Management Software (Oxysoft)	Artinis Medical Systems		Software will vary upon device choice
Wireless Probe Type Ultrasound Scanner	SONUS	Duo LC	There are numerous alternatives to this item