Utilisation d’appareils portables de spectroscopie proche infrarouge pour identifier les limites centrales et périphériques pendant l’exercice

Résumé

Ce protocole intègre la technologie de spectroscopie proche infrarouge (NIRS) pour évaluer les changements hématologiques et d’oxygénation localisés au niveau du cortex préfrontal, des muscles respiratoires (m. Intercostales) et locomoteurs (m. Vastus Lateralis) pendant les tests d’effort cardiopulmonaire, permettant d’identifier les facteurs limitants centraux et périphériques affectant la performance à l’exercice.

Résumé

L’étalon-or pour évaluer la capacité aérobie chez les sujets physiquement actifs et les athlètes est le test de consommation maximale d’oxygène (VO_2-max), qui implique l’analyse des gaz expirés et des variables cardiorespiratoires obtenues par la méthode respiration par respiration dans un ergospiromètre pendant un exercice incrémentiel. Cependant, cette méthode ne peut pas élucider les changements métaboliques au niveau musculaire. La spectroscopie proche infrarouge (NIRS) s’est imposée comme une technologie précieuse pour évaluer les niveaux locaux d’oxygène (Indice de Saturation Tissulaire, TSI) en quantifiant les concentrations d’hémoglobine oxygénée (O 2-Hb) et désoxygénée (H-Hb) dans la microvascularisation des tissus. Les applications de la NIRS s’étendent aux muscles respiratoires et locomoteurs, en évaluant les changements métaboliques associés au coût de la respiration (COB) et à la charge de travail périphérique, respectivement. De plus, les régions cérébrales, telles que le cortex préfrontal, ont été explorées avec la technologie NIRS pour évaluer les changements physiologiques liés à la demande cognitive associée à la planification ou à l’idéation des tâches motrices liées à la performance sportive. Ainsi, en analysant les changements induits par l’exercice (D) dans l’O 2-Hb, le H-Hb et le TSI, il est possible d’identifier les limitations centrales et périphériques de l’exercice, en particulier lorsque l’entraînement d’endurance est la composante principale de la condition physique (par exemple, la course à pied, le vélo, le triathlon, etc.). Il est primordial pour les entraîneurs et les physiologistes de l’exercice de s’attaquer à ces facteurs afin d’optimiser les performances athlétiques, en intégrant des stratégies d’entraînement axées sur les principaux facteurs limitants de l’exercice. Cette étude décrit un protocole d’utilisation d’appareils portables équipés de la technologie NIRS pour analyser les changements d’exercice dans TSI, O 2-Hb et H-Hb, ainsi que les variables cardiorespiratoires généralement enregistrées chez les athlètes lors des tests VO_2-max. Cette approche offre une méthode complète pour identifier les principaux systèmes impliqués dans l’arrêt de la progression de l’exercice et l’amélioration des performances sportives.

Introduction

Les athlètes d’endurance comptent sur un équilibre efficace entre l’apport et l’absorption d’oxygène pour soutenir des exercices de haute intensité et améliorer leurs performances athlétiques ^1,2. Le test d’absorption maximale d’oxygène (VO_2-max) est une évaluation physiologique vitale qui détermine la performance sportive en analysant les gaz expirés et les variables cardiorespiratoires pendant^{l’intensité de} l’exercice 1. Cette évaluation, connue sous le nom d’ergospirométrie ou de test d’effort cardiopulmonaire (CPET), reflète la réponse à l’effort des systèmes cardiovasculaire, respiratoire et musculaire³. Dans le même ordre d’idées, l’augmentation du coût énergétique associée à la respiration, appelée coût de la respiration (COB), augmente la demande de nutriments et d’oxygène dans les tissus environnants. Il a été démontré que ce phénomène réduit potentiellement le flux sanguin vers les muscles impliqués dans les mouvements actifs, entraînant une diminution de la tolérance à l’effort physique et un arrêt précoce de la progression de l’exercice en raison du réflexe métabolique⁴.

Lors d’un test VO_2-max , il est également possible d’identifier les seuils ventilatoires (VT), qui correspondent à des intensités d’effort spécifiques marquant le passage du métabolisme aérobie au métabolisme anaérobie (seuil aérobie ou seuil ventilatoire 1 [VT1], seuil anaérobie ou point de compensation respiratoire [RCP] ou seuil ventilatoire 2 [VT2])⁵. Les VT reflètent les réponses ventilatoires qui compensent les changements métaboliques pendant l’exercice incrémentiel⁶. En identifiant ces seuils, le CPET offre une évaluation complète en intégrant les réponses de plusieurs systèmes biologiques engagés de manière critique lors d’exercices de haute intensité.

Cependant, bien que l’ergospirométrie soit largement considérée comme l’étalon-or pour évaluer le CPET, elle ne saisit pas les changements métaboliques se produisant au niveau musculaire. Ces changements sont cruciaux pour comprendre les facteurs limitants physiologiques associés au manque de progression lors d’exercices de haute intensité chez les athlètes d’endurance. Dans ce contexte, la technologie NIRS est devenue un outil précieux dans la science de l’exercice, aidant à analyser les variables hémodynamiques au niveau musculaire microvasculaire⁷.

Ces dernières années, les professionnels du sport et les chercheurs ont utilisé une large gamme de wearables commerciaux équipés de la technologie NIRS pour explorer les changements musculaires non invasifs pendant l’exercice, offrant la possibilité de déterminer VT1 et VT2 avec cette technologie⁸. Ainsi, l’analyse intégrative des données de la NIRS et du CPET offre une compréhension complète des réponses physiologiques à l’exercice.

La technologie NIRS utilise la loi de Beer-Lambert modifiée pour quantifier les changements (D) dans les concentrations d’oxyhémoglobine (O_2-Hb) et de désoxyhémoglobine (H-Hb) pendant l’exercice⁷. Au niveau tissulaire local, une diminution de l’O_2-Hb reflète une augmentation de la demande métabolique locale, tandis qu’une augmentation de l’H-Hb reflète une augmentation de l’extraction de l’oxygène. L’hémoglobine totale (tHb), la somme de O_2-Hb et de H-Hb, est utilisée comme indice du flux sanguin des tissus locaux. À l’inverse, la différence entre l’O_2-Hb et la H-Hb (Hb_diff) fournit un indice d’extraction de l’oxygène dans les tissus⁹. L’indice de saturation tissulaire (TSI), calculé comme le rapport entre O_2-Hb et tHb, reflète le niveau de saturation en oxygène des tissus et indique l’équilibre entre l’apport local d’oxygène et l’absorption d’oxygène^10,11. Ainsi, les données NIRS fournissent des informations essentielles sur l’état physiologique au niveau microvasculaire, fournissant une compréhension détaillée de l’oxygénation des tissus et de l’hémodynamique qui complète les informations obtenues à partir du CPET.

Cette compréhension détaillée fournie par la technologie NIRS s’étend à de nombreuses applications pratiques. Des recherches récentes mettent en évidence la polyvalence de la NIRS et démontrent son application pratique dans la surveillance des muscles respiratoires^12,13 et locomoteurs⁷, ainsi que des régions cérébrales impliquées dans l’idéation de l’action motrice, telles que le cortex préfrontal (PFC)^14,15. Cette large applicabilité souligne la capacité de la NIRS à fournir un aperçu complet des réponses physiologiques à divers types de contractions musculaires (contractions concentriques ou excentriques ou isométriques) et à l’exercice.

En analysant le DTSI induit par l’exercice aux niveaux musculaire et cérébral, la NIRS offre un potentiel précieux pour identifier les associations entre les facteurs limitants périphériques et centraux qui affectent la progression de l’exercice^16,17. Par exemple, parmi les principaux facteurs limitants, la diminution du flux sanguin résultant d’une vasoconstriction cérébrale causée par une hyperventilation compensatoire due à des niveaux élevés d’hydrogène provenant du métabolisme anaérobie et à une augmentation du lactate sanguin pendant un exercice de haute intensité est un contributeur significatif à la réduction des TSI dans le cortex préfrontal^17,18. En revanche, les facteurs limitants périphériques sont caractérisés par un déséquilibre entre l’offre et la demande d’oxygène dans la musculature d’exercice¹⁹. La réduction de l’apport local d’oxygène et l’augmentation de la consommation d’oxygène peuvent entraîner une désoxygénation des tissus, comme en témoigne la diminution du TSI²⁰. Cette distinction met en évidence la nature multidimensionnelle des limitations de performance lors d’exercices de haute intensité, où les mécanismes centraux et périphériques sont essentiels. Cette compréhension suggère que le fait de retarder l’apparition de ces facteurs limitants pendant l’exercice peut contribuer à améliorer les performances athlétiques.

Pour exploiter pleinement le potentiel de la technologie NIRS dans l’identification de ces limites, des procédures normalisées sont essentielles pour garantir une collecte et une analyse de données de haute qualité. Ce document décrit les méthodes utilisées pour effectuer des tests d’exercice d’endurance maximale à l’aide de la technologie NIRS afin de collecter des données physiologiques et d’élucider la relation entre les facteurs limitatifs centraux et périphériques lors d’exercices de haute intensité chez les athlètes d’endurance. Le protocole proposé fournit une approche normalisée pour assurer l’uniformité et la précision de l’évaluation des phénomènes physiologiques sous-jacents à ces facteurs limitants.

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Protocole

Le protocole a été approuvé par le Comité d’examen institutionnel de la Pontificia Universidad Católica de Chile (projets nº 210525001 et 220608010), et l’étude a été menée conformément à la Déclaration d’Helsinki. Tous les participants ont fourni un consentement éclairé écrit avant de participer aux tests décrits.

1. Placement et configuration des appareils portables NIRS

REMARQUE : Divers wearables NIRS et logiciels d’acquisition de données peuvent être utilisés. Les chercheurs doivent consulter attentivement les instructions et les directives du fabricant pour s’assurer d’une configuration et d’une utilisation correctes. Dans cette étude, les dispositifs qui utilisent un registre d’ondes continues du signal NIRS sont utilisés. Ces appareils commerciaux sont faciles à utiliser, mais ils ne peuvent détecter que les changements d’atténuation de la lumière par rapport à la phase de référence ou de base et ne peuvent pas détecter les concentrations absolues comme d’autres appareils qui utilisent un registre temporel de la NIRS.

1. Directives générales de préparation et de placement des wearables NIRS
   1. Avant de placer les appareils et de commencer les mesures, assurez-vous que tous les appareils portables sont complètement chargés.
      REMARQUE : Pour les appareils utilisés dans cette étude, le fabricant indique qu’une batterie avec une charge complète peut enregistrer 6 à 8 h en continu.
   2. Appliquez du ruban adhésif double face sur tous les appareils portables pour les fixer à la peau du participant, en veillant à ce que le ruban n’obstrue pas les émetteurs et les détecteurs de lumière.
   3. Couvrez tous les appareils portables d’une couche de film alimentaire, suivie d’une couche d’un pansement adhésif imperméable pour les protéger de la transpiration.
   4. Avant de placer les appareils, nettoyez la zone cible avec un tampon d’alcool pour éliminer tout résidu susceptible d’interférer avec le registre (par exemple, crèmes, cosmétiques, etc.). Si nécessaire, rasez la zone autour du site cible, car les cheveux peuvent interférer avec les signaux NIRS.
      REMARQUE : Il est recommandé d’effectuer un lavage minutieux des mains avant de placer tout appareil sur la peau du participant afin d’éviter toute contamination potentielle. Le port de gants est encouragé, car il peut réduire davantage le risque de contamination.
   5. Une fois que tous les appareils portables sont correctement placés sur la peau du participant (voir section 1.2), fixez-les avec une couche de ruban thérapeutique élastique. Si une fixation supplémentaire est nécessaire, utilisez un bandage élastique de couleur foncée, en veillant à ce qu’une compression excessive n’altère pas les mesures (inférieure à la pression d’occlusion capillaire de 25 mm Hg mesurée par un tensiomètre conventionnel).
   6. Placez un chiffon noir sur tous les appareils portables pour empêcher la lumière ambiante de pénétrer. S’il n’est pas possible de couvrir la zone avec un chiffon (environ 6 cm²), utilisez du ruban thérapeutique élastique noir pour bloquer la lumière ambiante.
2. Placement du dispositif NIRS
   REMARQUE : Assurez-vous que les appareils portables NIRS sont placés de manière à ce que les boutons ON/OFF et de réglage soient facilement accessibles.
   1. Cortex préfrontal : Placez la sonde NIRS sur le cortex préfrontal dorsolatéral gauche ou droit, à environ 10 mm au-dessus de l’arc sourcilier du participant, de manière similaire au placement des électrodes Fp1 selon le système international EEG 10-20 modifié²¹.
   2. m.Intercostales : Placez la sonde NIRS sur le 7^ème espace intercostal au niveau de la ligne axillaire antérieure droite 22,23,24. Si, pour une raison quelconque, il n’est pas positionné sur l’hémithorax droit, positionnez-le sur l’hémithorax gauche, mais le signal de la fréquence cardiaque peut être plus prononcé sur le côté gauche.
      1. Pour confirmer la profondeur de pénétration du NIRS, utilisez une échographie en mode B pour vérifier la distance entre le tissu sous-cutané et le bord externe du m. Intercostales. Pour les mesures au niveau des m.Intercostales, assurez-vous que la distance entre la peau et le muscle est inférieure à 15 mm.
   3. m.Vastus Lateralis : Placez la sonde NIRS à 5 cm du milieu de la ligne imaginaire, en reliant le bord supérieur de la rotule et le grand trochanter du fémur 24,25,26.
      1. Pour s’assurer que l’épaisseur du tissu adipeux (ATT) n’altère pas le registre du signal NIRS, mesurez l’épaisseur du pli cutané pour confirmer la profondeur de pénétration NIRS²⁷. Pour les mesures au niveau du Vastus Lateralis, assurez-vous que l’ATT est inférieur à 20 mm.
3. Configuration du logiciel NIRS
   1. Une fois que tous les wearables NIRS sont correctement placés (voir section 1.2), allumez-les avant de commencer la mesure.
   2. Lancez le logiciel d’acquisition de données fourni par le fabricant, créez un nouveau fichier et liez les wearables NIRS.
   3. Une fois que tous les appareils portables NIRS sont liés avec succès, réglez la fréquence d’échantillonnage sur 10 Hz pour l’acquisition des données et la conversion analogique-numérique pour les tissus évalués. Pour les mesures du cortex préfrontal, ajustez le facteur de longueur de trajet différentiel (DPF) en fonction du DPF dépendant de l’âge pour chaque participant²⁸. Pour la mesure musculaire, réglez le DPF sur 4, comme utilisé dans les protocoles précédents avec les athlètes comme sujets d’étude^29,30.

2. Étalonnage et configuration de l’ergospiromètre

1. Calibrage du volume
   1. Ouvrez le logiciel de l’ergospiromètre fourni par le fabricant pour commencer le processus d’étalonnage.
   2. Fixez le débitmètre à une turbine de 28 mm à l’aide d’un adaptateur de seringue. Connectez un tube ondulé à l’adaptateur de seringue et l’autre à une seringue d’étalonnage de 3 L.
   3. Effectuer six manœuvres de retrait/injection, en maintenant un débit constant. Une fois l’opération terminée, le logiciel confirmera automatiquement si le test d’étalonnage a réussi.
2. Étalonnage des gaz
   REMARQUE : Assurez-vous que l’étalonnage du débit est effectué avant de commencer l’étalonnage du gaz.
   1. Calibrage de l’air
      1. Assurez-vous que la conduite d’échantillonnage de l’analyseur de gaz est déconnectée de l’orifice d’étalonnage et suspendue librement. Ensuite, initialisez le processus d’étalonnage.
      2. Lors de l’étalonnage, une ligne plate stable est observée car les concentrations d’oxygène (O₂) et de dioxyde de carbone (CO₂) ne varient pas de manière significative (moins de 5 %). Une fois l’étalonnage de l’air terminé avec succès, passez à l’étalonnage des gaz métaboliques.
   2. Étalonnage des gaz métaboliques
      1. Ouvrez les vannes de gaz et vérifiez qu’une pression adéquate est fournie au système en vérifiant le manomètre (consultez le fabricant pour des instructions spécifiques).
      2. Connectez la ligne d’échantillonnage au port d’étalonnage et initialisez le processus d’étalonnage. Effectuez un préchauffage de 3 minutes avant de commencer l’étalonnage, comme conseillé par le fabricant.
      3. Si cela est fait correctement, après la période de préchauffage de 3 minutes, deux lignes plates doivent être observées : l’une fluctuant entre l’air ambiant (environ 21,00 % O₂ et 0,04 % CO₂) et l’autre entre le gaz d’étalonnage (16,00 % O₂ et 5,00 % CO₂).
      4. Enfin, débranchez la ligne d’échantillonnage de l’orifice d’étalonnage et fixez-la à l’embout buccal qui sera utilisé pour le test à venir.

3. Placement des électrodes ECG (12 dérivations)

1. Préparez la peau en l’exfoliant avec une crème et/ou en rasant les poils des sites de placement des électrodes si nécessaire. Nettoyez les zones avec un tampon imbibé d’alcool pour éliminer tout résidu de tissu superficiel.
2. Placez les électrodes ECG comme suit³¹ :
   1. Placez les électrodes bipolaires (électrodes de dérivation des membres) comme suit : Bras gauche (LA) : côté gauche de la fosse sous-claviculaire ; Bras droit (PR) : côté droit de la fosse sous-claviculaire ; Jambe gauche (LL) : projection antérieure de la tête fémorale gauche ; Jambe droite (RL) : projection antérieure de la tête fémorale droite.
   2. Placez les électrodes précordiales comme suit : V1 : 4^e espace intercostal à droite du sternum ; V2 : 4^e espace intercostal à gauche du sternum (dans l’axe de V1) ; V3 : à mi-chemin entre V2 et V4 ; V4 : 5^e espace intercostal au niveau de la ligne médio-claviculaire ; V5 : ligne axillaire antérieure au même niveau que V4 ; V6 : ligne médio-axillaire au même niveau que V4 et V5.

4. Test d’effort maximal incrémentiel (test d’effort cardio-pulmonaire, CPET)

1. Demandez au participant de s’asseoir sur le vélo, en veillant à ce que le siège et le guidon soient ajustés à sa hauteur pour un confort et un positionnement optimaux.
   REMARQUE : Il est conseillé de régler la hauteur du siège de manière à ce que le genou soit légèrement plié à l’extension complète³². Le guidon doit être positionné de manière à permettre une légère flexion des coudes.
2. Fixez un oxymètre de pouls sur le lobe de l’oreille du participant, en vous assurant que le site est propre en l’essuyant avec un tampon d’alcool.
3. Expliquez le protocole et demandez au participant de respirer à travers le masque avant, pendant et après le test.
   REMARQUE : Le participant doit éviter de parler ou de siffler lorsqu’il porte le masque, car cela peut affecter les lectures de l’ergospiromètre³³.
4. Une fois que le participant est positionné et préparé, demandez-lui d’étendre la jambe droite et d’attendre 2 minutes pour recevoir l’instruction de départ (phase de repos initiale). Demandez au participant de pédaler à une cadence comprise entre 80 et 100 tr/min pendant 6 minutes à 0,6 W·^kg-1 et 0,8 W·^kg-1 pour les femmes et les hommes, respectivement (phase d’échauffement). Ensuite, augmentez la charge de travail à un rythme de 20 W·min^-¹ pour les femmes et de 25 W·min^-¹ pour les hommes jusqu’à ce que le participant atteigne l’épuisement (phase d’exercice).
5. Après avoir terminé la phase d’exercice, demandez au participant de rester immobile et de continuer à respirer dans le masque pendant 3 minutes (phase de récupération ou de récupération).
6. Une fois le protocole d’exercice terminé, retirez soigneusement l’oxymètre de pouls du lobe de l’oreille, le masque, les trois appareils portables NIRS et les électrodes ECG.
   REMARQUE : Pour maintenir les conditions ambiantes du laboratoire (par exemple, température de l’air ~20 ± 2 °C, humidité relative ~40 % ± 5 %), il s’agit d’un critère crucial. Certains participants peuvent présenter un taux de transpiration élevé, ce qui interfère avec la fixation des appareils sur la peau et affecte l’enregistrement des données NIRS. L’utilisation de ventilateurs peut aider à réduire la thermorégulation chaude par la transpiration.

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Résultats

Au cours de l’achèvement d’un CPET, les symptômes de dyspnée, de fatigue des jambes et de taux d’effort perçu (RPE) ont été signalés chez tous les sujets. L’utilisation complémentaire des dispositifs NIRS n’a pas ajouté d’inconfort à l’évaluation des sensations des sujets. De plus, nous n’avons pas arrêté les évaluations CPET par un événement à risque associé à un stress physiologique excessif.

Nous avons étudié deux cyclis...

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Discussion

Il existe un potentiel important à utiliser les appareils portables NIRS comme outil complémentaire au CPET pour évaluer les performances sportives et identifier les facteurs limitants centraux et périphériques de l’exercice chez les athlètes d’aérobie ou d’endurance, étant donné que la technologie NIRS a prouvé sa validité et sa fiabilité dans l’évaluation de l’hémodynamique microvasculaire dans les régions cérébrales et musculaires^37,38

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matériels

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