Uso de dispositivos portátiles de espectroscopia de infrarrojo cercano para identificar las limitaciones centrales frente a las periféricas durante el ejercicio

Resumen

Este protocolo integra la tecnología de espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) para evaluar los cambios hematológicos y de oxigenación localizados en los músculos de la corteza prefrontal, respiratorio (m.Intercostales) y locomotor (m.Vastus Lateralis) durante las pruebas de esfuerzo cardiopulmonar, lo que permite la identificación de factores limitantes centrales y periféricos que afectan el rendimiento del ejercicio.

Resumen

El estándar de oro para evaluar la capacidad aeróbica en sujetos físicamente activos y atletas es la prueba de consumo máximo de oxígeno (VO_2-max), que implica el análisis de los gases exhalados y las variables cardiorrespiratorias obtenidas a través del método respiración por respiración en un ergoespirómetro durante un ejercicio incremental. Sin embargo, este método no puede dilucidar los cambios metabólicos a nivel muscular. La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) se ha convertido en una valiosa tecnología para evaluar los niveles locales de oxígeno (Índice de Saturación Tisular, TSI) mediante la cuantificación de las concentraciones de hemoglobina oxigenada (_O2-Hb) y desoxigenada (H-Hb) en la microvasculatura de los tejidos. Las aplicaciones de NIRS se extienden a los músculos respiratorios y locomotores, evaluando los cambios metabólicos asociados con el costo de la respiración (COB) y la carga de trabajo periférica, respectivamente. Además, se han explorado regiones cerebrales, como la corteza prefrontal, con tecnología NIRS para evaluar los cambios fisiológicos relacionados con la demanda cognitiva asociada a la planificación o ideación de tareas motoras relacionadas con el rendimiento deportivo. Por lo tanto, al analizar los cambios inducidos por el ejercicio (D) en O 2-Hb, H-Hb y TSI, es posible identificar las limitaciones centrales y periféricas del ejercicio, particularmente cuando el entrenamiento de resistencia es el componente principal de la condición física (por ejemplo, correr, andar en bicicleta, triatlón, etc.). Abordar estos factores es primordial para que los entrenadores y fisiólogos del ejercicio optimicen el rendimiento deportivo, incorporando estrategias de entrenamiento centradas en los principales factores limitantes del ejercicio. Este estudio describe un protocolo para utilizar dispositivos portátiles equipados con tecnología NIRS para analizar los cambios en el ejercicio en TSI,_O2-Hb y H-Hb, junto con las variables cardiorrespiratorias típicamente registradas en los atletas durante las pruebas VO_2-max. Este enfoque ofrece un método integral para identificar los sistemas primarios involucrados en detener la progresión del ejercicio y la mejora del rendimiento deportivo.

Introducción

Los atletas de resistencia dependen de un equilibrio eficiente entre el suministro y la absorción de oxígeno para mantener el ejercicio de alta intensidad y mejorar su rendimiento deportivo^. La prueba de consumo máximo de oxígeno (VO_2-max) es una evaluación fisiológica vital que determina el rendimiento deportivo mediante el análisis de los gases exhalados y las variables cardiorrespiratorias durante la intensidad incremental del ejercicio¹. Esta evaluación, conocida como ergoespirometría o Prueba de Esfuerzo Cardiopulmonar (CPET), refleja la respuesta al ejercicio de los sistemas cardiovascular, respiratorio y muscular³. En este sentido, el aumento del costo de energía asociado con la respiración, conocido como costo de la respiración (COB), aumenta la demanda de nutrientes y oxígeno en los tejidos circundantes. Se ha documentado que este fenómeno reduce potencialmente el flujo sanguíneo a los músculos involucrados en los movimientos activos, lo que resulta en una disminución de la tolerancia al esfuerzo físico y un cese temprano de la progresión del ejercicio debido al reflejo metabólico⁴.

Durante una prueba de VO_2-max , también es posible identificar los umbrales ventilatorios (TV), que corresponden a intensidades de ejercicio específicas que marcan la transición del metabolismo aeróbico al anaeróbico (umbral aeróbico o umbral ventilatorio 1 [VT1], y umbral anaeróbico o punto de compensación respiratoria [RCP] o umbral ventilatorio 2 [VT2])⁵. Las TV reflejan las respuestas ventilatorias que compensan los cambios metabólicos durante el ejercicio incremental⁶. Al identificar estos umbrales, el CPET ofrece una evaluación integral mediante la integración de las respuestas de múltiples sistemas biológicos que se involucran críticamente durante el ejercicio de alta intensidad.

Sin embargo, aunque la ergoespirometría se considera ampliamente el estándar de oro para evaluar la CPET, no capta los cambios metabólicos que ocurren a nivel muscular. Estos cambios son cruciales para comprender los factores fisiológicos limitantes asociados con la falta de progresión durante el ejercicio de alta intensidad en atletas de resistencia. En este contexto, la tecnología NIRS se ha convertido en una herramienta valiosa en la ciencia del ejercicio, ayudando a analizar las variables hemodinámicas a nivel del músculo microvascular⁷.

En los últimos años, los profesionales del deporte y los investigadores han utilizado una amplia gama de wearables comerciales equipados con tecnología NIRS para explorar los cambios musculares no invasivos durante el ejercicio, proporcionando la capacidad de determinar VT1 y VT2 con esta tecnología⁸. Por lo tanto, el análisis integrador de los datos de NIRS y CPET ofrece una comprensión integral de las respuestas fisiológicas al ejercicio.

La tecnología NIRS utiliza la ley de Beer-Lambert modificada para cuantificar los cambios (D) en las concentraciones de oxihemoglobina (_O2-Hb) y desoxihemoglobina (H-Hb) durante el ejercicio⁷. A nivel tisular local, una disminución de_O2-Hb refleja un aumento en la demanda metabólica local, mientras que un aumento de H-Hb refleja un aumento en la extracción de oxígeno. La hemoglobina total (tHb), la suma de_O2-Hb y H-Hb, se utiliza como índice del flujo sanguíneo tisular local. Por el contrario, la diferencia entre_O2-Hb y H-Hb (Hb_diff) proporciona un índice de extracción de oxígeno tisular⁹. El índice de saturación tisular (TSI), calculado como la relación entre_O2-Hb y tHb, refleja el nivel de saturación de oxígeno en los tejidos e indica el equilibrio entre el aporte local de oxígeno y la absorción^10,11. Por lo tanto, los datos de NIRS brindan información crítica sobre el estado fisiológico a nivel microvascular, proporcionando una comprensión detallada de la oxigenación de los tejidos y la hemodinámica que complementa la información obtenida de la CPET.

Este conocimiento detallado proporcionado por la tecnología NIRS se extiende a muchas aplicaciones prácticas. Investigaciones recientes destacan la versatilidad del NIRS y demuestran su aplicación práctica en la monitorización de los músculos respiratorios^12,13 y locomotores⁷, así como de las regiones cerebrales implicadas en la ideación de actos motores, como la corteza prefrontal (CPF)^14,15. Esta amplia aplicabilidad subraya la capacidad de NIRS para proporcionar una visión completa de las respuestas fisiológicas a varios tipos de contracciones musculares (contracciones concéntricas o excéntricas o isométricas) y al ejercicio.

Al analizar la DTSI inducida por el ejercicio tanto a nivel muscular como cerebral, el NIRS proporciona un valioso potencial para identificar asociaciones entre factores limitantes periféricos y centrales que afectan la progresión del ejercicio^16,17. Por ejemplo, entre los factores limitantes centrales, la disminución del flujo sanguíneo resultante de la vasoconstricción cerebral causada por la hiperventilación compensatoria debido a los niveles elevados de hidrógeno del metabolismo anaeróbico y el aumento del lactato en sangre durante el ejercicio de alta intensidad es un contribuyente significativo a la reducción de la TSI en la corteza prefrontal^17,18. Por el contrario, los factores limitantes periféricos se caracterizan por un desequilibrio entre el suministro y la demanda de oxígeno en la musculatura ejercitante¹⁹. La reducción del suministro local de oxígeno y el aumento del consumo de oxígeno pueden conducir a la desoxigenación de los tejidos, como lo demuestra la disminución del TSI²⁰. Esta distinción pone de manifiesto la naturaleza multifacética de las limitaciones de rendimiento durante el ejercicio de alta intensidad, donde tanto los mecanismos centrales como los periféricos son críticos. Esta comprensión sugiere que retrasar la aparición de estos factores limitantes durante el ejercicio puede contribuir a mejorar el rendimiento deportivo.

Para aprovechar al máximo el potencial de la tecnología NIRS en la identificación de estas limitaciones, los procedimientos estandarizados son esenciales para garantizar la recopilación y el análisis de datos de alta calidad. Este documento describe los métodos para realizar pruebas de ejercicio de resistencia máxima utilizando la tecnología NIRS para recopilar datos fisiológicos y dilucidar la relación entre los factores limitantes centrales y periféricos durante el ejercicio de alta intensidad en atletas de resistencia. El protocolo propuesto proporciona un enfoque estandarizado para garantizar la coherencia y la precisión en la evaluación de los fenómenos fisiológicos que subyacen a estos factores limitantes.

Protocolo

El protocolo fue aprobado por el Comité de Revisión Institucional de la Pontificia Universidad Católica de Chile (proyectos nº 210525001 y 220608010), y el estudio se realizó de acuerdo a la Declaración de Helsinki. Todos los participantes dieron su consentimiento informado por escrito antes de participar en las pruebas descritas.

1. Colocación y configuración de los wearables NIRS

NOTA: Se pueden utilizar varios dispositivos portátiles NIRS y software de adquisición de datos. Los investigadores deben consultar minuciosamente las instrucciones y pautas del fabricante para garantizar la configuración y el uso adecuados. En este estudio se utilizan los dispositivos que utilizan un registro de onda continua de la señal NIRS. Estos dispositivos comerciales son fáciles de usar, pero solo pueden detectar cambios en la atenuación de la luz en relación con la fase de referencia o de referencia y no pueden detectar concentraciones absolutas como otros dispositivos que emplean un registro de NIRS en el dominio del tiempo.

1. Preparación de los wearables NIRS y pautas generales de colocación
   1. Antes de colocar los dispositivos y comenzar las mediciones, asegúrese de que todos los dispositivos portátiles estén completamente cargados.
      NOTA: Para los dispositivos utilizados en este estudio, el fabricante informa que una batería con una carga completa puede registrar de 6 a 8 h de forma continua.
   2. Aplique cinta adhesiva de doble cara a todos los dispositivos portátiles para asegurarlos a la piel del participante, asegurándose de que la cinta no obstruya los emisores de luz y los detectores.
   3. Cubra todos los dispositivos portátiles con una capa de film transparente, seguido de una capa de un apósito adhesivo impermeable para protegerlos del sudor.
   4. Antes de colocar los dispositivos, limpie el área objetivo con una almohadilla con alcohol para eliminar cualquier residuo que pueda interferir con el registro (por ejemplo, cremas, cosméticos, etc.). Si es necesario, afeita el área alrededor del sitio objetivo, ya que el vello puede interferir con las señales NIRS.
      NOTA: Se recomienda lavarse las manos a fondo antes de colocar cualquier dispositivo en la piel del participante para evitar una posible contaminación. Se recomienda el uso de guantes, ya que puede reducir aún más el riesgo de contaminación.
   5. Una vez que todos los wearables estén correctamente colocados en la piel del participante (ver sección 1.2), asegúrelos con una capa de cinta terapéutica elástica. Si se necesita una fijación adicional, utilice una venda elástica de color oscuro, asegurándose de que la compresión excesiva no altere las mediciones (menos de la presión de oclusión capilar de 25 mm Hg medida por un esfigmomanómetro convencional).
   6. Coloque un paño negro sobre todos los dispositivos portátiles para evitar que penetre la luz ambiental. Si no es posible cubrir la zona con un paño (alrededor de 6^cm2), utilice cinta terapéutica elástica negra para bloquear la luz ambiental.
2. Ubicación del dispositivo NIRS
   NOTA: Asegúrese de que los dispositivos portátiles NIRS estén colocados de manera que los botones de encendido/apagado y configuración sean fácilmente accesibles.
   1. Corteza prefrontal: Colocar la sonda NIRS en la corteza prefrontal dorsolateral izquierda o derecha, aproximadamente 10 mm por encima del arco superciliar del participante, de forma similar a la colocación del electrodo Fp1 según el sistema EEG 10-20 internacional modificado²¹.
   2. m.Intercostales: Colocar la sonda NIRS sobre el^7º espacio intercostal en la línea axilar anterior derecha 22,23,24. Si, por alguna razón, no se coloca sobre el hemitórax derecho, colóquelo sobre el hemitórax izquierdo, pero la señal de la frecuencia cardíaca puede ser más pronunciada en el lado izquierdo.
      1. Para confirmar la profundidad de penetración de NIRS, utilice una ecografía en modo B para verificar la distancia desde el tejido subcutáneo hasta el borde exterior de los intercostales. Para las mediciones en m.Intercostales, asegúrese de que la distancia entre la piel y el músculo sea inferior a 15 mm.
   3. m.Vasto lateral: Colocar la sonda NIRS 5 cm lateral al punto medio de la línea imaginaria, conectando el borde superior de la rótula y el trocánter mayor del fémur 24,25,26.
      1. Para asegurarse de que el grosor del tejido adiposo (ATT) no altere el registro de la señal NIRS, mida el grosor del pliegue cutáneo para confirmar la profundidad de penetración del NIRS²⁷. Para las mediciones en m.Vastus Lateralis, asegúrese de que el ATT sea inferior a 20 mm.
3. Configuración del software NIRS
   1. Una vez que todos los wearables NIRS estén colocados correctamente (consulte la sección 1.2), enciéndalos antes de comenzar la medición.
   2. Inicie el software de adquisición de datos proporcionado por el fabricante, cree un nuevo archivo y vincule los dispositivos portátiles NIRS.
   3. Una vez que todos los wearables NIRS se hayan vinculado correctamente, establezca la frecuencia de muestreo en 10 Hz para la adquisición de datos y la conversión de analógico a digital para los tejidos evaluados. Para las mediciones de la corteza prefrontal, ajuste el factor de longitud de vía diferencial (DPF) de acuerdo con el DPF dependiente de la edad para cada participante²⁸. Para la medición muscular, ajuste el DPF a 4, como se utilizó en protocolos anteriores con atletas como sujetos de estudio^29,30.

2. Calibración y configuración del ergoespirómetro

1. Calibración de volumen
   1. Abra el software del ergospirómetro proporcionado por el fabricante para comenzar el proceso de calibración.
   2. Conecte el medidor de flujo a una turbina de 28 mm con un adaptador de jeringa. Conecte un tubo corrugado al adaptador de jeringa y el otro a una jeringa de calibración de 3 L.
   3. Realice seis maniobras de extracción/inyección, manteniendo un caudal constante. Al finalizar, el software confirmará automáticamente si la prueba de calibración ha pasado.
2. Calibración de gas
   NOTA: Asegúrese de que la calibración del flujo se haya realizado antes de comenzar la calibración del gas.
   1. Calibración del aire
      1. Asegúrese de que la línea de muestra del analizador de gases esté desconectada del puerto de calibración y cuelgue libremente. A continuación, inicialice el proceso de calibración.
      2. Durante la calibración, se observa una línea plana estable ya que las concentraciones de oxígeno (_O2) y dióxido de carbono (_CO2) no varían significativamente (menos del 5%). Una vez que la calibración del aire se haya completado con éxito, proceda a la calibración del gas metabólico.
   2. Calibración metabólica de gases
      1. Abra las válvulas de gas y verifique que se suministre la presión adecuada al sistema revisando el manómetro (consulte al fabricante para obtener instrucciones específicas).
      2. Conecte la línea de muestra al puerto de calibración e inicie el proceso de calibración. Realice un precalentamiento de 3 minutos antes de iniciar la calibración, según lo aconsejado por el fabricante.
      3. Si se hace correctamente, después del período de precalentamiento de 3 minutos, se deben observar dos líneas planas: una que fluctúa entre el aire ambiente (aproximadamente 21,00% O₂ y 0,04% CO₂) y la otra entre el gas de calibración (16,00% O₂ y 5,00% CO₂).
      4. Finalmente, desconecte la línea de muestra del puerto de calibración y conéctela a la boquilla que se utilizará para la próxima prueba.

3. Colocación de electrodos de ECG (12 derivaciones)

1. Prepare la piel exfoliando con una crema y/o afeitando el vello de los sitios de colocación de los electrodos si es necesario. Limpie las áreas con una almohadilla con alcohol para eliminar cualquier residuo de tejido superficial.
2. Coloque los electrodos de ECG de la siguiente manera³¹:
   1. Coloque los cables bipolares (electrodos de cable de la extremidad) de la siguiente manera: Brazo izquierdo (LA): lado izquierdo de la fosa subclavicular; Brazo derecho (AR): lado derecho de la fosa subclavicular; Pierna izquierda (LL): proyección anterior de la cabeza femoral izquierda; Pierna derecha (RL): proyección anterior de la cabeza femoral derecha.
   2. Coloque los electrodos de derivación precordial de la siguiente manera: V1:^4º espacio intercostal a la derecha del esternón; V2:^4º espacio intercostal a la izquierda del esternón (en línea con V1); V3: A medio camino entre V2 y V4; V4:^5º espacio intercostal en la línea medioclavicular; V5: línea axilar anterior al mismo nivel que V4; V6: línea axilar media al mismo nivel que V4 y V5.

4. Prueba de esfuerzo máximo incremental (prueba de esfuerzo cardiopulmonar, CPET)

1. Pida al participante que se siente en la bicicleta, asegurándose de que el asiento y el manillar estén ajustados a su altura para una comodidad y posición óptimas.
   NOTA: Se recomienda ajustar la altura del asiento de modo que la rodilla esté ligeramente flexionada a la extensión completa³². El manillar debe estar colocado de manera que permita una ligera flexión de los codos.
2. Coloque un oxímetro de pulso en el lóbulo de la oreja del participante, asegurándose de que el sitio esté limpio limpiándolo con una almohadilla con alcohol.
3. Explique el protocolo e instruya al participante a respirar a través de la mascarilla antes, durante y después de la prueba.
   NOTA: El participante debe evitar hablar o silbar mientras usa la mascarilla, ya que esto puede afectar las lecturas del ergoespirómetro³³.
4. Una vez que el participante esté posicionado y preparado, pídale que extienda la pierna derecha y espere 2 minutos para la instrucción de inicio (etapa de descanso inicial). Haga que el participante pedalee a una cadencia entre 80 y 100 rpm durante 6 minutos a 0,6 W·^kg-1 y 0,8 W·^kg-1 para mujeres/hombres, respectivamente (fase de calentamiento). A continuación, incremente la carga de trabajo a un ritmo de 20 W·min^-¹ para las mujeres y 25 W·min^-¹ para los hombres hasta que el participante alcance el agotamiento (fase de ejercicio).
5. Después de completar la fase de ejercicio, indique al participante que permanezca quieto y continúe respirando en la máscara durante 3 minutos (fase de enfriamiento o recuperación).
6. Una vez finalizado el protocolo de ejercicios, retire con cuidado el oxímetro de pulso del lóbulo de la oreja, la mascarilla, los tres dispositivos portátiles NIRS y los electrodos de ECG.
   NOTA: Para mantener las condiciones ambientales del laboratorio (por ejemplo, temperatura del aire ~20 ± 2 °C, humedad relativa ~40% ± 5%), es un criterio crucial. Algunos participantes pueden mostrar una alta tasa de sudoración, lo que interfiere con la fijación de los dispositivos en la piel y afecta el registro de datos NIRS. El uso de ventiladores puede ayudar a reducir la termorregulación del calor mediante la sudoración.

Resultados

Durante la realización de una CPET, se informaron los síntomas de disnea, fatiga de las piernas y tasa de esfuerzo percibido (EPR) en todos los sujetos. El uso complementario de los dispositivos NIRS no añadió ninguna molestia a la evaluación de la sensación de los sujetos. Además, no detuvimos las evaluaciones de CPET por ningún evento de riesgo asociado con estrés fisiológico excesivo.

Estudiamos a dos ciclistas masculinos competitivos reclutados d...

Discusión

Existe un potencial significativo en el uso de dispositivos portátiles NIRS como herramienta complementaria a CPET para evaluar el rendimiento deportivo e identificar los factores limitantes del ejercicio central y periférico en atletas aeróbicos o de resistencia, dado que la tecnología NIRS ha demostrado su validez y fiabilidad en la evaluación de la hemodinámica microvascular tanto en regiones cerebrales como musculares^37,38

Materiales

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