Usando dispositivos vestíveis de espectroscopia de infravermelho próximo para identificar limitações centrais versus periféricas durante o exercício

Resumo

Este protocolo integra a tecnologia de espectroscopia de infravermelho próximo (NIRS) para avaliar alterações hematológicas e de oxigenação localizadas no córtex pré-frontal, músculos respiratórios (m.Intercostales) e locomotores (m.Vastus Lateralis) durante o teste de exercício cardiopulmonar, permitindo a identificação de fatores limitantes centrais e periféricos que afetam o desempenho do exercício.

Resumo

O padrão-ouro para avaliar a capacidade aeróbia em indivíduos fisicamente ativos e atletas é o teste de consumo máximo de oxigênio (VO_2–max), que envolve a análise de gases expirados e variáveis cardiorrespiratórias obtidas pelo método breath-by-breath em um ergoespirômetro durante um exercício incremental. No entanto, este método não pode elucidar alterações metabólicas no nível muscular. A espectroscopia de infravermelho próximo (NIRS) surgiu como uma tecnologia valiosa para avaliar os níveis locais de oxigênio (Índice de Saturação Tissular, TSI) por meio da quantificação das concentrações de hemoglobina oxigenada (O_2-Hb) e desoxigenada (H-Hb) na microvasculatura dos tecidos. As aplicações do NIRS se estendem aos músculos respiratórios e locomotores, avaliando as alterações metabólicas associadas ao custo da respiração (COB) e à carga de trabalho periférica, respectivamente. Além disso, regiões cerebrais, como o córtex pré-frontal, têm sido exploradas com a tecnologia NIRS para avaliar alterações fisiológicas relacionadas à demanda cognitiva associadas ao planejamento ou ideação de tarefas motoras ligadas ao desempenho esportivo. Assim, ao analisar as alterações induzidas pelo exercício (D) em O 2-Hb, H-Hb e TSI, é possível identificar limitações centrais e periféricas do exercício, particularmente quando o treinamento de resistência é o principal componente da aptidão física (por exemplo, corrida, ciclismo, triatlo, etc.). Abordar esses fatores é fundamental para treinadores e fisiologistas do exercício otimizarem o desempenho atlético, incorporando estratégias de treinamento focadas nos principais fatores limitantes do exercício. Este estudo descreve um protocolo para a utilização de dispositivos vestíveis equipados com tecnologia NIRS para analisar as alterações do exercício em TSI, O 2-Hb e H-Hb, juntamente com variáveis cardiorrespiratórias normalmente registradas em atletas durante testes VO_2-max. Essa abordagem oferece um método abrangente para identificar os principais sistemas envolvidos na interrupção da progressão do exercício e na melhoria do desempenho esportivo.

Introdução

Atletas de resistência contam com um equilíbrio eficiente de fornecimento e absorção de oxigênio para sustentar exercícios de alta intensidade e melhorar seu desempenho atlético ^1,2. O teste de consumo máximo de oxigênio (VO_2-max) é uma avaliação fisiológica vital que determina o desempenho esportivo por meio da análise de gases expirados e variáveis cardiorrespiratórias durante a intensidade incremental do exercício¹. Essa avaliação, conhecida como ergoespirometria ou Teste de Exercício Cardiopulmonar (TCPE), reflete a resposta ao exercício dos sistemas cardiovascular, respiratório e muscular³. Nesse sentido, o aumento do custo energético associado à respiração, conhecido como custo da respiração (COB), aumenta a demanda por nutrientes e oxigênio nos tecidos circundantes. Foi documentado que esse fenômeno reduz potencialmente o fluxo sanguíneo para os músculos envolvidos nos movimentos ativos, resultando em uma diminuição da tolerância ao esforço físico e uma cessação precoce da progressão do exercício devido ao reflexo metabólico⁴.

Durante um teste VO_2-max , também é possível identificar os limiares ventilatórios (LVs), que correspondem a intensidades específicas de exercício que marcam a transição do metabolismo aeróbio para o anaeróbio (limiar aeróbio ou limiar ventilatório 1 [LV1] e limiar anaeróbio ou ponto de compensação respiratória [PCR] ou limiar ventilatório 2 [LV2])⁵. Os VTs refletem as respostas ventilatórias que compensam as alterações metabólicas durante o exercício incremental⁶. Ao identificar esses limites, o TCPE oferece uma avaliação abrangente, integrando as respostas de vários sistemas biológicos criticamente envolvidos durante o exercício de alta intensidade.

No entanto, embora a ergoespirometria seja amplamente considerada o padrão-ouro para avaliar o TCPE, ela não captura as alterações metabólicas que ocorrem no nível muscular. Essas mudanças são cruciais para a compreensão dos fatores fisiológicos limitantes associados à falta de progressão durante o exercício de alta intensidade em atletas de resistência. Nesse contexto, a tecnologia NIRS surgiu como uma ferramenta valiosa na ciência do exercício, auxiliando na análise de variáveis hemodinâmicas no nível do músculo microvascular⁷.

Nos últimos anos, profissionais do esporte e pesquisadores usaram uma ampla gama de wearables comerciais equipados com a tecnologia NIRS para explorar mudanças musculares não invasivas durante o exercício, fornecendo a capacidade de determinar VT1 e VT2 com essa tecnologia⁸. Assim, a análise integrativa dos dados do NIRS e do TCPE oferece uma compreensão abrangente das respostas fisiológicas ao exercício.

A tecnologia NIRS utiliza a lei de Beer-Lambert modificada para quantificar as alterações (D) nas concentrações de oxihemoglobina (O_2-Hb) e desoxihemoglobina (H-Hb) durante o exercício⁷. No nível tecidual local, uma diminuição no O 2-Hb reflete um aumento na demanda metabólica local, enquanto um aumento no H-Hb reflete um aumento na extração de oxigênio. A hemoglobina total (tHb), a soma de O_2-Hb e H-Hb, é usada como um índice do fluxo sanguíneo tecidual local. Por outro lado, a diferença_entre O2-Hb e H-Hb (Hb_diff) fornece um índice de extração de oxigênio tecidual⁹. O índice de saturação tecidual (TSI), calculado como a razão entre O_2-Hb e tHb, reflete o nível de saturação de oxigênio tecidual e indica o equilíbrio entre a oferta local de oxigênio e a captação^10,11. Assim, os dados do NIRS fornecem informações críticas sobre o estado fisiológico no nível microvascular, fornecendo uma compreensão detalhada da oxigenação e hemodinâmica dos tecidos que complementa as informações obtidas do TCPE.

Essa compreensão detalhada fornecida pela tecnologia NIRS se estende a muitas aplicações práticas. Pesquisas recentes destacam a versatilidade do NIRS e demonstram sua aplicação prática no monitoramento dos músculos^{respiratórios12,13} e locomotores7, bem como de regiões cerebrais envolvidas na ideação do ato motor, como o córtex pré-frontal (CPF)^14,15. Essa ampla aplicabilidade ressalta a capacidade do NIRS de fornecer informações abrangentes sobre as respostas fisiológicas a vários tipos de contrações musculares (contrações concêntricas ou excêntricas ou isométricas) e exercícios.

Ao analisar a DTSI induzida pelo exercício nos níveis muscular e cerebral, o NIRS fornece um potencial valioso para identificar associações entre fatores limitantes periféricos e centrais que afetam a progressão do exercício ^16,17. Por exemplo, entre os fatores limitantes centrais, a diminuição do fluxo sanguíneo resultante da vasoconstrição cerebral causada pela hiperventilação compensatória devido aos níveis elevados de hidrogênio do metabolismo anaeróbio e ao aumento do lactato sanguíneo durante o exercício de alta intensidade é um contribuinte significativo para a redução do TSI no córtex pré-frontal^17,18. Em contraste, os fatores limitantes periféricos são caracterizados por um desequilíbrio entre a oferta e a demanda de oxigênio na musculatura em exercício¹⁹. A redução do fornecimento local de oxigênio e o aumento do consumo de oxigênio podem levar à desoxigenação tecidual, como evidenciado pela diminuição do TSI²⁰. Essa distinção destaca a natureza multifacetada das limitações de desempenho durante exercícios de alta intensidade, onde os mecanismos centrais e periféricos são críticos. Esse entendimento sugere que retardar o aparecimento desses fatores limitantes durante o exercício pode contribuir para melhorar o desempenho atlético.

Para aproveitar totalmente o potencial da tecnologia NIRS na identificação dessas limitações, procedimentos padronizados são essenciais para garantir a coleta e análise de dados de alta qualidade. Este documento descreve métodos para a realização de testes de exercício de resistência máxima usando a tecnologia NIRS para coletar dados fisiológicos e elucidar a relação entre fatores limitantes centrais e periféricos durante o exercício de alta intensidade em atletas de resistência. O protocolo proposto fornece uma abordagem padronizada para garantir consistência e precisão na avaliação dos fenômenos fisiológicos subjacentes a esses fatores limitantes.

Protocolo

O protocolo foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa da Pontifícia Universidade Católica do Chile (projetos nº 210525001 e 220608010), e o estudo foi conduzido de acordo com a Declaração de Helsinque. Todos os participantes forneceram consentimento informado por escrito antes de participar do teste descrito.

1. Colocação e configuração de wearables NIRS

NOTA: Vários wearables NIRS e software de aquisição de dados podem ser utilizados. Os pesquisadores devem consultar minuciosamente as instruções e diretrizes do fabricante para garantir a configuração e o uso adequados. Neste estudo, são utilizados os dispositivos que utilizam um registro de onda contínua do sinal NIRS. Esses dispositivos comerciais são fáceis de usar, mas só podem detectar mudanças na atenuação da luz em relação à fase de referência ou linha de base e não podem detectar concentrações absolutas como outros dispositivos que empregam um registro de NIRS no domínio do tempo.

1. Preparação de wearables NIRS e diretrizes gerais de colocação
   1. Antes de colocar os dispositivos e iniciar as medições, certifique-se de que todos os wearables estejam totalmente carregados.
      NOTA: Para os dispositivos usados neste estudo, o fabricante relata que uma bateria com carga completa pode registrar de 6 a 8 horas continuamente.
   2. Aplique fita adesiva dupla face em todos os wearables para prendê-los à pele do participante, garantindo que a fita não obstrua os emissores e detectores de luz.
   3. Cubra todos os wearables com uma camada de filme plástico, seguida por uma camada de um curativo adesivo à prova d'água para protegê-los do suor.
   4. Antes de colocar os dispositivos, limpe a área alvo com uma compressa embebida em álcool para remover qualquer resíduo que possa interferir no registo (por exemplo, cremes, cosméticos, etc.). Se necessário, raspe a área ao redor do local alvo, pois o cabelo pode interferir nos sinais NIRS.
      NOTA: Recomenda-se que uma lavagem completa das mãos seja realizada antes de colocar qualquer dispositivo na pele do participante para evitar uma possível contaminação. O uso de luvas é incentivado, pois pode reduzir ainda mais o risco de contaminação.
   5. Depois que todos os wearables estiverem corretamente colocados na pele do participante (consulte a seção 1.2), prenda-os com uma camada de fita terapêutica elástica. Se for necessária fixação adicional, use um envoltório de bandagem elástica de cor escura, garantindo que a compressão excessiva não altere as medidas (menor que a pressão de oclusão capilar de 25 mm Hg medida por um esfigmomanômetro convencional).
   6. Coloque um pano preto sobre todos os wearables para evitar que a luz ambiente penetre. Se não for possível cobrir a área com um pano (cerca de 6 cm²), use fita terapêutica elástica preta para bloquear a luz ambiente.
2. Colocação do dispositivo NIRS
   NOTA: Certifique-se de que os dispositivos vestíveis NIRS sejam colocados de forma que os botões ON/OFF e de configuração sejam facilmente acessíveis.
   1. Córtex pré-frontal: Coloque a sonda NIRS no córtex pré-frontal dorsolateral esquerdo ou direito, aproximadamente 10 mm acima do arco superciliar do participante, semelhante à colocação do eletrodo Fp1 de acordo com o sistema internacional modificado EEG 10-20²¹.
   2. m.Intercostais: Coloque a sonda NIRS sobre o^7º espaço intercostal na linha axilar anterior direita 22,23,24. Se, por algum motivo, não estiver posicionado sobre o hemitórax direito, posicione-o sobre o hemitórax esquerdo, mas o sinal da frequência cardíaca pode ser mais pronunciado no lado esquerdo.
      1. Para confirmar a profundidade de penetração do NIRS, use um ultrassom modo B para verificar a distância do tecido subcutâneo até a borda externa do m.Intercostales. Para medições em m.Intercostales, certifique-se de que a distância entre a pele e o músculo seja inferior a 15 mm.
   3. m.Vasto Lateral: Posicionar a sonda NIRS 5 cm lateral ao ponto médio da linha imaginária, conectando a borda superior da patela e o trocânter maior do fêmur 24,25,26.
      1. Para garantir que a espessura do tecido adiposo (TAT) não altere o registro do sinal NIRS, medir a espessura das dobras cutâneas para confirmar a profundidade de penetração do NIRS²⁷. Para medições em m.Vastus Lateralis, certifique-se de que o TAT seja inferior a 20 mm.
3. Configuração do software NIRS
   1. Depois que todos os wearables NIRS estiverem colocados corretamente (consulte a seção 1.2), ligue-os antes de iniciar a medição.
   2. Inicie o software de aquisição de dados fornecido pelo fabricante, crie um novo arquivo e vincule os wearables NIRS.
   3. Depois que todos os wearables NIRS forem vinculados com sucesso, defina a taxa de amostragem para 10 Hz para aquisição de dados e conversão analógico-digital para os tecidos avaliados. Para medições do córtex pré-frontal, ajuste o fator diferencial de comprimento do caminho (DPF) de acordo com o DPF dependente da idade para cada participante²⁸. Para a mensuração muscular, definir o DPF para 4, conforme utilizado em protocolos anteriores com atletas como sujeitos do estudo^29,30.

2. Calibração e configuração do ergoespirômetro

1. Calibração de volume
   1. Abra o software do ergoespirômetro fornecido pelo fabricante para iniciar o processo de calibração.
   2. Conecte o medidor de vazão a uma turbina de 28 mm com um adaptador de seringa. Conecte um tubo corrugado ao adaptador da seringa e o outro a uma seringa de calibração de 3 L.
   3. Realize seis manobras de retirada/injeção, mantendo uma vazão constante. Após a conclusão, o software confirmará automaticamente se o teste de calibração foi aprovado.
2. Calibração de gás
   NOTA: Certifique-se de que a calibração do fluxo seja feita antes de iniciar a calibração do gás.
   1. Calibração de ar
      1. Certifique-se de que o sample linha do analisador de gás está desconectado da porta de calibração e pendurado livremente. Em seguida, inicialize o processo de calibração.
      2. Durante a calibração, observa-se uma linha plana estável, pois as concentrações de oxigênio (O₂) e dióxido de carbono (CO₂) não variam significativamente (menos de 5%). Uma vez concluída a calibração do ar com sucesso, prossiga para a calibração do gás metabólico.
   2. Calibração de gás metabólico
      1. Abra as válvulas de gás e verifique se a pressão adequada é fornecida ao sistema verificando o manômetro (consulte o fabricante para obter instruções específicas).
      2. Conecte a linha de amostra à porta de calibração e inicialize o processo de calibração. Realize um pré-aquecimento de 3 minutos antes de iniciar a calibração, conforme recomendado pelo fabricante.
      3. Se feito corretamente, após o período de pré-aquecimento de 3 min, duas linhas planas devem ser observadas: uma flutuando entre o ar ambiente (aproximadamente 21,00% O₂ e 0,04% CO₂) e a outra entre o gás de calibração (16,00% O₂ e 5,00% CO₂).
      4. Por fim, desconecte o sample linha da porta de calibração e conecte-a ao bocal que será usado para o próximo teste.

3. Colocação do eletrodo de ECG (12 derivações)

1. Prepare a pele esfoliando com um creme e/ou raspando qualquer cabelo dos locais de colocação do eletrodo, se necessário. Limpe as áreas com uma compressa com álcool para remover quaisquer resíduos superficiais de tecido.
2. Coloque os eletrodos de ECG da seguinte forma³¹:
   1. Coloque as derivações bipolares (eletrodos de derivação do membro) da seguinte forma: Braço esquerdo (AE): lado esquerdo da fossa subclavicular; Braço direito (AD): lado direito da fossa subclavicular; Perna esquerda (MMII): projeção anterior da cabeça femoral esquerda; Perna direita (RL): projeção anterior da cabeça femoral direita.
   2. Coloque os eletrodos de derivação precordiais da seguinte forma: V1:^4º espaço intercostal à direita do esterno; V2:^4º espaço intercostal à esquerda do esterno (alinhado com V1); V3: A meio caminho entre V2 e V4; V4:^5º espaço intercostal na linha hemiclavicular; V5: linha axilar anterior no mesmo nível de V4; V6: linha axilar média no mesmo nível de V4 e V5.

4. Teste de esforço máximo incremental (teste de exercício cardiopulmonar, TCPE)

1. Peça ao participante para se sentar na bicicleta, certificando-se de que o assento e o guidão estejam ajustados à sua altura para conforto e posicionamento ideais.
   NOTA: É aconselhável ajustar a altura do assento de forma que o joelho fique ligeiramente dobrado na extensão total³². O guidão deve ser posicionado para permitir uma leve flexão dos cotovelos.
2. Conecte um oxímetro de pulso ao lóbulo da orelha do participante, garantindo que o local esteja limpo, limpando-o com uma compressa com álcool.
3. Explique o protocolo e instrua o participante a respirar através da máscara antes, durante e depois do teste.
   NOTA: O participante deve evitar falar ou assobiar enquanto estiver usando a máscara, pois isso pode afetar as leituras do ergoespirômetro³³.
4. Uma vez que o participante esteja posicionado e preparado, faça com que o participante estenda a perna direita e aguarde 2 minutos pela instrução inicial (estágio inicial de descanso). Faça com que o participante pedale em uma cadência entre 80–100 rpm por 6 min a 0,6 W·^kg-1 e 0,8 W·^kg-1 para mulheres/homens, respectivamente (fase de aquecimento). Em seguida, incremente a carga de trabalho a uma taxa de 20 W·min^-¹ para mulheres e 25 W·min^-¹ para homens até que o participante atinja a exaustão (fase de exercício).
5. Após completar a fase de exercício, instrua o participante a permanecer imóvel e continuar respirando na máscara por 3 min (fase de resfriamento ou recuperação).
6. Assim que o protocolo de exercícios for concluído, remova cuidadosamente o oxímetro de pulso do lóbulo da orelha, a máscara, todos os três wearables NIRS e os eletrodos de ECG.
   NOTA: Para manter a condição ambiente do laboratório (por exemplo, temperatura do ar ~ 20 ± 2 ° C, umidade relativa ~ 40% ± 5%), é um critério crucial. Alguns participantes podem apresentar alta taxa de suor, o que interfere na fixação dos dispositivos na pele e afeta o registro de dados NIRS. O uso de ventiladores pode ajudar a reduzir a termorregulação quente pela transpiração.

Resultados

Durante a conclusão de um TCPE, os sintomas de dispneia, fadiga nas pernas e taxa de esforço percebido (RPE) foram relatados em todos os indivíduos. O uso complementar dos dispositivos NIRS não acrescentou nenhum desconforto à avaliação da sensação dos sujeitos. Além disso, não interrompemos as avaliações do TCPE por nenhum evento de risco associado ao estresse fisiológico excessivo.

Estudamos dois ciclistas competitivos recrutados em um clube na...

Discussão

Há um potencial significativo no uso de wearables NIRS como uma ferramenta complementar ao TCPE para avaliar o desempenho atlético e identificar fatores limitantes do exercício central e periférico em atletas aeróbicos ou de resistência, uma vez que a tecnologia NIRS provou sua validade e confiabilidade na avaliação da hemodinâmica microvascular nas regiões cerebral e muscular^37,38. No entanto, para maximizar os benefí...

Materiais

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