استخدام الأجهزة القابلة للارتداء بالتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة لتحديد الحدود المركزية مقابل الحدود الطرفية أثناء التمرين

يدمج هذا البروتوكول تقنية التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRS) لتقييم التغيرات الدموية والأكسجين الموضعية في قشرة الفص الجبهي ، والجهاز التنفسي (m.intercostales) ، والحركية (m.Vastus Lateralis) أثناء اختبار التمرين القلبي الرئوي ، مما يتيح تحديد العوامل المركزية والمحيطية التي تؤثر على أداء التمرين.

المعيار الذهبي لتقييم القدرة الهوائية لدى الأشخاص النشطين بدنيا والرياضيين هو اختبار استهلاك الأكسجين الأقصى (VO_2-max) ، والذي يتضمن تحليل غازات الزفير والمتغيرات القلبية التنفسية التي تم الحصول عليها عبر طريقة التنفس عن طريق التنفس في مقياس الجهد أثناء التمرين التدريجي. ومع ذلك ، لا يمكن لهذه الطريقة توضيح التغيرات الأيضية على المستوى العضلي. ظهر التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRS) كتقنية قيمة لتقييم مستويات الأكسجين المحلية (مؤشر التشبع التيسيلاري ، TSI) عن طريق تحديد تركيزات الهيموجلوبين المؤكسج (O_2-Hb) وغير المؤكسج (H-Hb) في الأوعية الدموية الدقيقة للأنسجة. تمتد تطبيقات NIRS إلى عضلات الجهاز التنفسي والحركية ، وتقييم التغيرات الأيضية المرتبطة بتكلفة التنفس (COB) وعبء العمل المحيطي ، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك ، تم استكشاف المناطق الدماغية ، مثل قشرة الفص الجبهي ، باستخدام تقنية NIRS لتقييم التغيرات الفسيولوجية المتعلقة بالطلب المعرفي المرتبط بتخطيط أو التفكير في المهام الحركية المرتبطة بالأداء الرياضي. وبالتالي ، من خلال تحليل التغييرات التي يسببها التمرين (D) في O 2-Hb و H-Hb و TSI ، من الممكن تحديد قيود التمرين المركزية والمحيطية ، خاصة عندما يكون تدريب التحمل هو المكون الرئيسي للياقة البدنية (على سبيل المثال ، الجري ، وركوب الدراجات ، والترياتلون ، وما إلى ذلك). تعد معالجة هذه العوامل أمرا بالغ الأهمية للمدربين وعلماء فسيولوجيا التمرين لتحسين الأداء الرياضي ، ودمج استراتيجيات التدريب التي تركز على العوامل الأساسية التي تحد من التمرين. تحدد هذه الدراسة بروتوكولا لاستخدام الأجهزة القابلة للارتداء المجهزة بتقنية NIRS لتحليل تغيرات التمرين في TSI و_{O 2-Hb} و H-Hb ، جنبا إلى جنب مع المتغيرات القلبية التنفسية المسجلة عادة في الرياضيين أثناء اختبارات VO_2-max. يقدم هذا النهج طريقة شاملة لتحديد الأنظمة الأساسية المشاركة في إيقاف تقدم التمرين وتحسين الأداء الرياضي.

يعتمد رياضيو التحمل على توازن فعال بين توصيل الأكسجين وامتصاصه للحفاظ على التمارين عالية الكثافة وتعزيز أدائهم الرياضي^1،2. اختبار امتصاص الأكسجين الأقصى (VO_2-max) هو تقييم فسيولوجي حيوي يحدد الأداء الرياضي من خلال تحليل غازات الزفير والمتغيرات القلبية التنفسية أثناء شدة التمرين^{المتزايدة 1}. يعكس هذا التقييم ، المعروف باسم قياس التنفس أو اختبار التمرينات القلبية الرئوية (CPET) ، استجابة التمرين لأجهزة القلب والأوعية الدموية والجهاز التنفسي^{والعضلي 3}. على هذا المنوال ، فإن زيادة تكلفة الطاقة المرتبطة بالتنفس ، والتي يشار إليها باسم تكلفة التنفس (COB) ، تزيد من الطلب على العناصر الغذائية والأكسجين في الأنسجة المحيطة. تم توثيق هذه الظاهرة لتقليل تدفق الدم إلى العضلات المشاركة في الحركات النشطة ، مما يؤدي إلى انخفاض تحمل المجهود البدني والتوقف المبكر عن تقدم التمرين بسبب رد الفعل الأيضي⁴.

أثناء اختبار VO_2-max ، من الممكن أيضا تحديد عتبات التنفس الصناعي (VTs) ، والتي تتوافق مع شدة التمرين المحددة التي تشير إلى الانتقال من التمثيل الغذائي الهوائي إلى التمثيل الغذائي اللاهوائي (العتبة الهوائية أو عتبة التنفس الصناعي 1 [VT1] ، والعتبة اللاهوائية أو نقطة تعويض الجهاز التنفسي [RCP] أو عتبة التنفس الصناعي 2 [VT2])⁵. تعكس VTs استجابات التهوية التي تعوض عن التغيرات الأيضية أثناء التمرين التدريجي⁶. من خلال تحديد هذه العتبات ، يقدم CPET تقييما شاملا من خلال دمج استجابات الأنظمة البيولوجية المتعددة التي تشارك بشكل حاسم أثناء التمرين عالي الكثافة.

ومع ذلك ، في حين أن قياس التنفس يعتبر على نطاق واسع المعيار الذهبي لتقييم CPPET ، إلا أنه لا يلتقط التغيرات الأيضية التي تحدث على مستوى العضلات. هذه التغييرات ضرورية لفهم العوامل الفسيولوجية المحددة المرتبطة بعدم التقدم أثناء التمارين عالية الكثافة لدى رياضيي التحمل. في هذا السياق ، برزت تقنية NIRS كأداة قيمة في علوم التمرين ، مما يساعد في تحليل المتغيرات الديناميكية الدموية على مستوى عضلات الأوعية الدموية^{الدقيقة 7}.

في السنوات الأخيرة ، استخدم المتخصصون والباحثون الرياضيون مجموعة واسعة من الأجهزة التجارية القابلة للارتداء المجهزة بتقنية NIRS لاستكشاف التغيرات العضلية غير الغازية أثناء التمرين ، مما يوفر القدرة على تحديد VT1 و VT2 باستخدام هذه التقنية⁸. وبالتالي ، فإن التحليل التكاملي للبيانات من NIRS و CPET يوفر فهما شاملا للاستجابات الفسيولوجية لممارسة الرياضة.

تستخدم تقنية NIRS قانون Beer-Lambert المعدل لتحديد التغييرات (D) في تركيزات أوكسي هيموغلوبين (O 2-Hb) وديوكسي هيموغلوبين (H-Hb) أثناء التمرين⁷. على مستوى الأنسجة المحلية ، يعكس الانخفاض في O_2-Hb زيادة في الطلب الأيضي المحلي ، بينما تعكس الزيادة في H-Hb زيادة في استخراج الأكسجين. يستخدم الهيموجلوبين الكلي (tHb) ، وهو مجموع O_2-Hb و H-Hb ، كمؤشر لتدفق الدم في الأنسجة المحلية. على العكس من ذلك ، يوفر الفرق بين O_2-Hb و H-Hb (_{Hb diff}) مؤشرا لاستخراج الأكسجين في الأنسجة⁹. يعكس مؤشر التشبع العصبي (TSI) ، المحسوب على أنه نسبة O_2-Hb إلى tHb ، مستوى تشبع الأكسجين في الأنسجة ويشير إلى التوازن بين توصيل الأكسجين المحلي والامتصاص^10،11. وبالتالي ، فإن بيانات NIRS تعطي رؤى مهمة حول الحالة الفسيولوجية على مستوى الأوعية الدموية الدقيقة ، مما يوفر فهما مفصلا لأكسجة الأنسجة وديناميكا الدم التي تكمل المعلومات التي تم الحصول عليها من CPET.

يمتد هذا الفهم التفصيلي الذي توفره تقنية NIRS إلى العديد من التطبيقات العملية. تسلط الأبحاث الحديثة الضوء على تعدد استخدامات NIRS وتوضح تطبيقها العملي في مراقبة الجهاز التنفسي^12،13 والعضلات الحركية⁷ ، بالإضافة إلى مناطق الدماغ المشاركة في التفكير في الفعل الحركي ، مثل قشرة الفص الجبهي (PFC) ^14،15. يؤكد هذا التطبيق الواسع على قدرة NIRS على تقديم نظرة ثاقبة شاملة للاستجابات الفسيولوجية لأنواع مختلفة من تقلصات العضلات (الانقباضات متحدة المركز أو غريب الأطوار أو متساوي القياس) والتمارين الرياضية.

من خلال تحليل DTSI الناجم عن التمرين على المستويين العضلي والدماغي ، يوفر NIRS إمكانات قيمة لتحديد الارتباطات بين العوامل المحددة المحيطية والمركزية التي تؤثر على تقدم التمرين^16،17. على سبيل المثال ، من بين العوامل المحددة المركزية ، يعد انخفاض تدفق الدم الناتج عن تضيق الأوعية الدماغية الناجم عن فرط التنفس التعويضي بسبب ارتفاع مستويات الهيدروجين من التمثيل الغذائي اللاهوائي وزيادة لاكتات الدم أثناء التمرين عالي الكثافة مساهما كبيرا في انخفاض TSI في قشرة الفص الجبهي^17،18. في المقابل ، تتميز العوامل المحددة المحيطية بعدم التوازن بين العرض والطلب على الأكسجين في ممارسة العضلات¹⁹. يمكن أن يؤدي انخفاض توصيل الأكسجين الموضعي وزيادة استهلاك الأكسجين إلى إزالة الأكسجين من الأنسجة ، كما يتضح من انخفاض TSI²⁰. يسلط هذا التمييز الضوء على الطبيعة متعددة الأوجه لقيود الأداء أثناء التمرين عالي الكثافة ، حيث تكون الآليات المركزية والمحيطية حاسمة. يشير هذا الفهم إلى أن تأخير ظهور هذه العوامل المقيدة أثناء التمرين قد يساهم في تحسين الأداء الرياضي.

للاستفادة الكاملة من إمكانات تقنية NIRS في تحديد هذه القيود ، تعد الإجراءات الموحدة ضرورية لضمان جمع البيانات وتحليلها عالي الجودة. توضح هذه الوثيقة طرق إجراء اختبار تمارين التحمل القصوى باستخدام تقنية NIRS لجمع البيانات الفسيولوجية وتوضيح العلاقة بين العوامل المركزية والمحيطية أثناء التمرين عالي الكثافة لدى رياضيي التحمل. يوفر البروتوكول المقترح نهجا موحدا لضمان الاتساق والدقة في تقييم الظواهر الفسيولوجية الكامنة وراء هذه العوامل المحددة.

ووافق على البروتوكول مجلس الاستعراض المؤسسي للجامعة البابوية الكاثوليكية في شيلي (المشروعان رقم 210525001 و 220608010)، وأجريت الدراسة وفقا لإعلان هلسنكي. قدم جميع المشاركين موافقة خطية مستنيرة قبل المشاركة في الاختبار الموصوف.

1. وضع وإعداد الأجهزة القابلة للارتداء NIRS

ملاحظة: يمكن استخدام العديد من الأجهزة القابلة للارتداء وبرامج الحصول على البيانات الخاصة ب NIRS. يجب على الباحثين الرجوع بدقة إلى تعليمات الشركة المصنعة وإرشاداتها لضمان الإعداد والاستخدام المناسبين. في هذه الدراسة ، يتم استخدام الأجهزة التي تستخدم سجل موجة مستمرة لإشارة NIRS. هذه الأجهزة التجارية سهلة الاستخدام ، لكنها لا يمكنها إلا اكتشاف التغيرات في توهين الضوء بالنسبة للمرحلة المرجعية أو المرحلة الأساسية ولا يمكنها اكتشاف التركيزات المطلقة مثل الأجهزة الأخرى التي تستخدم سجل المجال الزمني ل NIRS.

1. إعداد الأجهزة القابلة للارتداء NIRS وإرشادات التنسيب العامة
   1. قبل وضع الأجهزة وبدء القياسات ، تأكد من شحن جميع الأجهزة القابلة للارتداء بالكامل.
      ملاحظة: بالنسبة للأجهزة المستخدمة في هذه الدراسة ، أفادت الشركة المصنعة أن البطارية ذات الشحن الكامل يمكن أن تسجل 6-8 ساعات متواصلة.
   2. ضع شريطا لاصقا على الوجهين على جميع الأجهزة القابلة للارتداء لتثبيتها على جلد المشارك ، مع التأكد من أن الشريط لا يعيق بواعث الضوء وأجهزة الكشف عن الضوء.
   3. قم بتغطية جميع الأجهزة القابلة للارتداء بطبقة من ورق التغليف ، متبوعة بطبقة من ضمادة لاصقة مقاومة للماء لحمايتها من العرق.
   4. قبل وضع الأجهزة ، قم بتنظيف المنطقة المستهدفة بضمادة كحولية لإزالة أي بقايا قد تتداخل مع السجل (مثل الكريمات ومستحضرات التجميل وما إلى ذلك). إذا لزم الأمر ، احلق المنطقة المحيطة بالموقع المستهدف ، حيث يمكن أن يتداخل الشعر مع إشارات NIRS.
      ملاحظة: يوصى بغسل اليدين جيدا قبل وضع أي جهاز على جلد المشارك لمنع التلوث المحتمل. يتم تشجيع ارتداء القفازات ، لأنها يمكن أن تقلل من مخاطر التلوث.
   5. بمجرد وضع جميع الأجهزة القابلة للارتداء بشكل صحيح على جلد المشارك (انظر القسم 1.2) ، قم بتثبيتها بطبقة من الشريط العلاجي المرن. إذا كانت هناك حاجة إلى تثبيت إضافي ، فاستخدم غلاف ضمادة مرن من اللون الداكن ، مما يضمن أن الضغط المفرط لا يغير القياسات (أقل من ضغط انسداد الشعيرات الدموية 25 مم زئبق المقاس بواسطة مقياس ضغط الدم التقليدي).
   6. ضع قطعة قماش سوداء فوق جميع الأجهزة القابلة للارتداء لمنع اختراق الضوء المحيط. إذا لم يكن تغطية المنطقة بقطعة قماش ممكنا (حوالي 6 سم²) ، فاستخدم شريطا علاجيا مرنا أسود لحجب الضوء المحيط.
2. وضع جهاز NIRS
   ملاحظة: تأكد من وضع أجهزة NIRS القابلة للارتداء بحيث يمكن الوصول بسهولة إلى أزرار التشغيل / الإيقاف والإعداد.
   1. قشرة الفص الجبهي: ضع مسبار NIRS على قشرة الفص الجبهي الظهري الجانبي الأيسر أو الأيمن ، على ارتفاع 10 مم تقريبا فوق القوس العلوي للمشارك ، على غرار وضع القطب الكهربائي Fp1 وفقا لنظام EEG 10-20 الدولي^{المعدل 21}.
   2. م بين الورب: ضع مسبار NIRS فوق^{الفضاء الوربي} 7 في الخط الإبطي الأمامي^{الأيمن 22،23،24}. إذا لم يتم وضعه ، لسبب ما ، فوق نصفي النصف الأيمن ، ضعه فوق نصفي الزاوية الأيسر ، ولكن قد تكون الإشارة من معدل ضربات القلب أكثر وضوحا على الجانب الأيسر.
      1. لتأكيد عمق اختراق NIRS ، استخدم الموجات فوق الصوتية B للتحقق من المسافة من الأنسجة تحت الجلد إلى الحدود الخارجية ل m. للقياسات في m.intercostales ، تأكد من أن المسافة بين الجلد والعضلات أقل من 15 مم.
   3. m.Vastus Lateralis: ضع مسبار NIRS على طول 5 سم بشكل جانبي إلى نقطة منتصف الخط الوهمي ، ويربط الحافة العلوية للرضفة والمدور الأكبر لعظم الفخذ^24،25،26.
      1. للتأكد من أن سمك الأنسجة الدهنية (ATT) لا يغير سجل إشارة NIRS ، قم بقياس سمك طيات الجلد لتأكيد عمق اختراق NIRS²⁷. للقياسات في m.Vastus Lateralis ، تأكد من أن ATT أقل من 20 مم.
3. إعداد برنامج NIRS
   1. بمجرد وضع جميع أجهزة NIRS القابلة للارتداء بشكل صحيح (انظر القسم 1.2) ، قم بتشغيلها قبل بدء القياس.
   2. قم بتشغيل برنامج الحصول على البيانات الذي توفره الشركة المصنعة ، وقم بإنشاء ملف جديد ، وربط الأجهزة القابلة للارتداء NIRS.
   3. بعد ربط جميع الأجهزة القابلة للارتداء NIRS بنجاح ، اضبط معدل أخذ العينات على 10 هرتز للحصول على البيانات والتحويل التناظري إلى الرقمي للأنسجة التي تم تقييمها. لقياسات قشرة الفص الجبهي ، اضبط عامل طول المسار التفاضلي (DPF) وفقا ل DPF المعتمد على العمر لكل مشارك²⁸. لقياس العضلات ، اضبط DPF على 4 ، كما هو مستخدم في البروتوكولات السابقة مع الرياضيين كموضوعات للدراسة^29،30.

2. معايرة وإعداد مقياس الجهد

1. معايرة الحجم
   1. افتح برنامج مقياس الجهد الذي توفره الشركة المصنعة لبدء عملية المعايرة.
   2. قم بتوصيل مقياس التدفق بتوربين مقاس 28 مم باستخدام محول حقنة. قم بتوصيل أنبوب مموج بمحول الحقنة والآخر بحقنة معايرة سعة 3 لتر.
   3. قم بإجراء ست مناورات سحب / حقن ، مع الحفاظ على معدل تدفق ثابت. عند الانتهاء ، سيؤكد البرنامج تلقائيا ما إذا كان اختبار المعايرة قد اجتاز.
2. معايرة الغاز
   ملاحظة: تأكد من إجراء معايرة التدفق قبل بدء معايرة الغاز.
   1. معايرة الهواء
      1. تأكد من فصل خط العينة من محلل الغاز عن منفذ المعايرة وتعليقه بحرية. ثم قم بتهيئة عملية المعايرة.
      2. أثناء المعايرة ، لوحظ خط مسطح مستقر حيث لا تختلف تركيزات الأكسجين (O₂) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) بشكل كبير (أقل من 5٪). بمجرد الانتهاء من معايرة الهواء بنجاح ، انتقل إلى معايرة الغاز الأيضي.
   2. معايرة الغازات الأيضية
      1. افتح صمامات الغاز وتحقق من توصيل الضغط الكافي إلى النظام عن طريق فحص مقياس الضغط (استشر الشركة المصنعة للحصول على تعليمات محددة).
      2. قم بتوصيل خط العينة بمنفذ المعايرة وتهيئة عملية المعايرة. قم بإجراء تسخين مسبق لمدة 3 دقائق قبل بدء المعايرة ، وفقا لنصيحة الشركة المصنعة.
      3. إذا تم القيام به بشكل صحيح ، بعد فترة التسخين المسبق لمدة 3 دقائق ، يجب ملاحظة خطين مسطحين: أحدهما يتقلب بين هواء الغرفة (حوالي 21.00٪ O₂ و 0.04٪ CO₂) والآخر بين غاز المعايرة (16.00٪ O₂ و 5.00٪ CO₂).
      4. أخيرا ، افصل خط العينة عن منفذ المعايرة وقم بتوصيله بقطعة الفم التي سيتم استخدامها للاختبار القادم.

3. وضع قطب تخطيط القلب (12 خيوط)

1. تحضير البشرة عن طريق التقشير باستخدام كريم و / أو حلق أي شعر من مواقع وضع القطب الكهربائي إذا لزم الأمر. نظف المناطق بضمادة كحولية لإزالة أي بقايا سطحية من الأنسجة.
2. ضع أقطاب تخطيط القلب على النحو التالي³¹:
   1. ضع الخيوط ثنائية القطب (أقطاب الرصاص الطرفية) على النحو التالي: الذراع الأيسر (LA): الجانب الأيسر من الحفرة تحت الترقوة. الذراع اليمنى (RA): الجانب الأيمن من الحفرة تحت الترقوة. الساق اليسرى (LL): الإسقاط الأمامي لرأس الفخذ الأيسر; الساق اليمنى (RL): الإسقاط الأمامي لرأس الفخذ الأيمن.
   2. ضع أقطاب الرصاص المركبة على النحو التالي: V1: 4^{المساحة} الوربية على يمين القص ؛ V2: 4^{المساحة} الوربية على يسار القص (بما يتماشى مع V1) ؛ V3: منتصف الطريق بين V2 و V4 ؛ V4: 5^{المساحة} الوربية في خط الترقوة الوسطى ؛ V5: الخط الإبطي الأمامي على نفس مستوى V4 ؛ V6: خط الإبط الأوسط على نفس مستوى V4 و V5.

4. اختبار التمرين الأقصى المتزايد (اختبار التمرين القلبي الرئوي ، CPET)

1. اطلب من المشارك الجلوس على الدراجة ، مع التأكد من ضبط المقعد والمقود على ارتفاعهما لتوفير الراحة وتحديد المواقع المثلى.
   ملاحظة: ينصح بضبط ارتفاع المقعد بحيث تنحني الركبة قليلا عند الامتداد^{الكامل 32}. يجب وضع المقاود للسماح بثني طفيف للمرفقين.
2. قم بتوصيل مقياس التأكسج النبضي بشحمة أذن المشارك ، مع التأكد من نظافة الموقع عن طريق مسحه بضمادة كحولية.
3. اشرح البروتوكول واطلب من المشارك التنفس من خلال القناع قبل وأثناء وبعد الاختبار.
   ملاحظة: يجب على المشارك تجنب التحدث أو الصفير أثناء ارتداء القناع ، حيث يمكن أن يؤثر ذلك على قراءات مقياس الجهد³³.
4. بمجرد وضع المشارك وإعداده ، اطلب من المشارك تمديد الساق اليمنى وانتظر دقيقتين حتى تبدأ التعليمات (مرحلة الراحة الأولية). اطلب من المشارك أن تقم بالدواسة بإيقاع يتراوح بين 80-100 دورة في الدقيقة لمدة 6 دقائق عند 0.6 واط ^كجم-1 و 0.8 واط ^كجم-1 للنساء/الرجال، على التوالي (مرحلة الإحماء). بعد ذلك ، قم بزيادة عبء العمل بمعدل 20 واط ^{دقيقة للنساء} و 25 واط ^{دقيقة للرجال} حتى يصل المشارك إلى الإرهاق (مرحلة التمرين).
5. بعد الانتهاء من مرحلة التمرين ، اطلب من المشارك البقاء ساكنا ومواصلة التنفس في القناع لمدة 3 دقائق (مرحلة التهدئة أو التعافي).
6. بمجرد الانتهاء من بروتوكول التمرين ، قم بإزالة مقياس التأكسج النبضي بعناية من شحمة الأذن ، والقناع ، وجميع أجهزة NIRS الثلاثة القابلة للارتداء ، وأقطاب تخطيط القلب.
   ملاحظة: للحفاظ على الحالة المحيطة للمختبر (على سبيل المثال ، درجة حرارة الهواء ~ 20 ± 2 درجة مئوية ، الرطوبة النسبية ~ 40٪ ± 5٪) ، يعد هذا معيارا حاسما. يمكن أن يظهر بعض المشاركين معدل عرق مرتفعا ، مما يتداخل مع تثبيت الأجهزة على الجلد ويؤثر على تسجيل بيانات NIRS. يمكن أن يساعد استخدام أجهزة التنفس الصناعي في تقليل التنظيم الحراري الساخن عن طريق التعرق.

أثناء الانتهاء من CPET ، تم الإبلاغ عن أعراض ضيق التنفس وإجهاد الساق ومعدل المجهود المدرك (RPE) في جميع الأشخاص. لم يضف الاستخدام التكميلي لأجهزة NIRS أي إزعاج لتقييم الإحساس لدى الأشخاص. أيضا ، لم نوقف تقييمات CPET من خلال أي حدث خطر مرتبط بالإجهاد الفسيولوجي المفرط.

درسنا اثنين من راكبي الدراجات الذكور المتنافسين الذين تم تجنيدهم من نادي وطني للدراجات. كانت معايير الاشتمال لهذه الدراسة هي المشاركين النشطين بدنيا (≥150 دقيقة من النشاط البدني المعتدل أو ≥75 دقيقة من النشاط البدني القوي في الأسبوع) مع مؤشر كتلة الجسم الطبيعي (20-25 كجم ^-2). كانت معايير الاستبعاد لهذه الدراسة هي تاريخ الإصابة بأمراض الجهاز التنفسي أو القلب والأوعية الدموية أو الأيضية أو العضلية الهيكلية أو الأورام أو عملية معدية أو التهابية قبل أسبوعين على الأقل من تقييمات الدراسة.

يسمح إكمال CPET ، مصحوبا بتسجيل غير جراحي لتغيرات ديناميكية الدم والأكسجين في الأنسجة الناتجة عن التغيرات الأيضية الناجمة عن زيادة كثافة التمرين باستخدام أجهزة مجهزة بتقنية NIRS ، بتحديد العوامل المحددة المركزية المرتبطة بالتغيرات في مناطق الدماغ مقابل العوامل المحددة المحيطية المتعلقة بالاستجابات التنفسية أو العضلية الهيكلية لزيادة كثافة التمرين. يشمل بروتوكول الاختبار سلسلة من الخطوات ، بما في ذلك إعداد المشارك ، وتنفيذ اختبار التمرين ، وجمع البيانات الفسيولوجية ذات الصلة.

يتضح التنفيذ الناجح لبروتوكول CPET-NIRS من خلال بيانات واضحة ومتسقة عبر العديد من المعلمات. خلال مرحلة الراحة الأولية ، يتم تسجيل قياسات مثل معدل ضربات القلب (HR) وتشبع الأكسجين النبضي (SpO₂) وقراءات NIRS لإنشاء خط الأساس. تعد مرحلة الإحماء ، التي تتميز بدواسة منخفضة في عبء العمل ، المشارك لمرحلة التمرين التدريجي ، حيث يزداد عبء العمل تدريجيا (انظر الشكل 1).

الشكل 1: التصميم التجريبي لمخطط بروتوكول التمرين. تمثيل تخطيطي لمراحل بروتوكول التمرين المستخدم في الدراسة ، مع تسليط الضوء على الأحداث الرئيسية مثل الراحة (R) والإحماء (W) والتمرين (E) والإنهاء (F) والتوقف (S) ، والتي تتوافق مع تدفق بروتوكول اختبار التمرينات القلبية الرئوية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تظهر النتائج التمثيلية لبيانات CPET (الشكل 2) و NIRS (الشكل 3 والشكل 4) من اثنين من الرياضيين الذكور الذين تم تقييمهم في ظل ظروف محيطة معملية خاضعة للرقابة (درجة حرارة الهواء ~ 20 ± 2 درجة مئوية ؛ الرطوبة النسبية ~ 40٪ ± 5٪): (ط) المشارك 1 (الشكل 2 أ والشكل 3) (العمر: 33 سنة ، الوزن: 80 كجم ، الطول: 178 سم ، عبء العمل الأقصى: 300 واط ، VO_2-max: 46 مل · كجم ^-1 دقيقة ^-1 ، VE: 177 لتر · دقيقة ^-1 ، _HR-max (٪ متوقعة ، 220 سنة): 100٪ ، PetCO₂: 27 مم زئبق) ؛ و (ثانيا) المشارك 2 (الشكل 2 ب والشكل 4) (العمر: 26 سنة ، الوزن: 67 كجم ، الطول: 178 سم ، عبء العمل الأقصى: 300 واط ، VO_{2 كحد أقصى}: 51 مل ^{كجم -1} دقيقة ^-1 ، VE: 131 لتر ^{في الدقيقة 1} ، معدل ضربات القلب _{كحد أقصى} (النسبة المئوية المتوقعة ، 220 سنة): 93٪ ، PetCO₂: 33 مم زئبق).

في كلا المشاركين ، VO₂ (استهلاك الأكسجين) ، VCO₂ (إنتاج ثاني أكسيد الكربون) ، RQ (حاصل الجهاز التنفسي ، VCO₂· يظهر VO ^2-1) و HR و VE (تهوية الرئة) و RR (معدل التنفس) ارتفاعا مستمرا مع زيادة شدة التمرين حتى يتم الوصول إلى القيمة القصوى ل VO 2 (انظر الشكل 2).

الشكل 2: التغيرات في المتغيرات الفسيولوجية التي تم تقييمها خلال CPET. يتم عرض تطور المتغيرات الفسيولوجية التي تم قياسها أثناء اختبار التمرينات القلبية الرئوية ، بما في ذلك استهلاك الأكسجين (VO2) ، والتهوية الدقيقة (VE) ، وضغط ثاني أكسيد الكربون في نهاية المد (PetCO2) ، وخرج الطاقة (Watts). يشار إلى التحولات بين عتبات التهوية 1 و 2 (VT1 و VT2) ضمن مراحل التمرين. (أ) المشارك 1 و (ب) المشارك 2. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

قدمت بيانات NIRS رؤى حول الطلب الأيضي المحلي خلال CPET. تختلف التغييرات التي يسببها التمرين التي لوحظت في الأنسجة المستهدفة (العضلات مقابل الدماغ) اعتمادا على الأنسجة المحددة وشدة التمرين الذي تم تحليله. لذلك ، فإن الإطار الفسيولوجي المفيد لتفسير بيانات NIRS التي يسببها التمرين هو النموذج ثلاثي الأطوار لكثافة التمرين الذي اقترحه سكينر وماكليلان³⁴. في هذا النموذج ، يحدد المؤلفون ثلاث مناطق تحددها VTs: المرحلة الأولى أو الهوائية ، (ثانيا) المرحلة الثانية أو الانتقال الهوائي اللامنهجي ، و (ثانيا) المرحلة الثالثة أو "عدم الاستقرار الأيضي".

في شدة التمرين أقل من VT2 (المرحلتان الأولى والثانية) ، سيحدث انخفاض في O 2-Hb وزيادة في H-Hb على مستوى العضلات - إذا لم يكن هناك اختلاف كبير في T-Hb كمعامل لتدفق الدم المحلي. يتكون بروتوكول CPET-NIRS الخاص بنا من تمارين دورية مع تقلصات / استرخاء عضلي متكرر ، لذلك من المتوقع حدوث تباين طفيف في T-Hb. ومع ذلك ، تختلف التغييرات التي تسببها التمرين اعتمادا على الأنسجة العضلية المستهدفة التي يتم تقييمها. في العضلات الحركية ، مثل m.Vastus Lateralis ، تؤدي الزيادة التدريجية في شدة التمرين إلى تغييرات بيانات NIRS بالتزامن مع عبء العمل (انظر الشكل 3 أ). في المقابل ، في عضلات الجهاز التنفسي الملحقة ، مثل m.intercostales ، تتزامن التغييرات مع تغيرات التنفس الصناعي بدلا من عبء العمل (انظر الشكل 3 ب). في PFC ، لوحظت زيادة O_2-Hb و H-Hb و T-Hb لأن تدفق الدم يتجاوز الطلب المحلي الناجم عن التمرين. أيضا ، يمكن ملاحظة انخفاض طفيف في TSI (انظر الشكل 3C). في جميع الأنسجة التي تم تقييمها ، تنخفض معلمة TSI مع زيادة شدة التمرين ، مما يجعل التغييرات في m.Vastus Lateralis أكثر شهرة من m.Intercostales و PFC (انظر الشكل 3D).

الشكل 3: مثال على القيد المركزي (المشارك 1). بيانات NIRS أثناء بروتوكول CPET (الأحداث: W = الإحماء ، E = التمرين ، VT1 = عتبة التنفس الصناعي 1 أو عتبة التهوية الهوائية ، VT2 = عتبة التنفس الصناعي 2 أو عتبة التنفس الصناعي اللاهوائية ، F = التمرين النهائي أو VO_2-max). (أ) م. فاستوس الوحشي ، (ب) م. بين الوربية ، و (ج) قشرة الفص الجبهي (PFC).   الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

مع زيادة الطلب الأيضي الناجم عن التمرين ، لا سيما عند شدة أعلى من VT2 (المرحلة الثالثة أو "عدم الاستقرار الأيضي") ، تحدث الاستجابات الفسيولوجية المثيرة للاهتمام التي يجب دراستها على مستويات العضلات (العضلات الحركية والجهاز التنفسي) ومستويات PFC. وتتألف هذه الجوانب من انخفاض ملحوظ في O 2-Hb و tHb، إلى جانب زيادة ملحوظة في H-Hb، وهي جوانب تدعم الانخفاض الواضح في مؤشر TSI.

في الأشخاص الذين يعانون من ارتفاع الطلب على التنفس أثناء التمرين عالي الكثافة ، يتسبب الارتفاع الهائل في التنزيف العنيف والاختطار النسبي في ارتفاع فرط التنفس بسبب زيادة ثاني أكسيد الكربون₂ من "أصل التمثيل الغذائي". يمكن أن يؤدي فرط التنفس هذا إلى تضيق الأوعية الدماغية الواضح ، وبالتالي الحد من الأداء عن طريق الحد المركزي ، كما هو موضح في هذا الموضوع التمثيلي. من الناحية النظرية ، فإن التغييرات التي لوحظت في بيانات NIRS ناتجة عن تضيق الأوعية الدماغية الناجم عن نقص الكبض المستنبط من الانخفاض المفاجئ في نهاية المد والجزر للضغط من ثاني أكسيد الكربون₂ (PetCO₂) المسجل في CPET (انظر الشكل 2). لقد ثبت أن هذه التغييرات الفسيولوجية لها علاقة عالية بزيادة ضيق التنفس الناجم عن التمرين ، المسجلة باستخدام مقياس بورغ المعدل^35،36.

من ناحية أخرى ، فإن الأشخاص الذين يعانون من ارتفاع الطلب الحركي ولكن ليس لديهم طلب تنفسي مرتفع لا يظهرون تضيق الأوعية الدماغية بسبب نقص الكبطان. وبالتالي ، قد تستمر بيانات NIRS في عكس التغييرات مثل تلك التي لوحظت في شدة التمرين المعتدلة. في هذه الموضوعات ، يكون أداء التمرين محدودا بالعوامل المحيطية بدلا من العوامل المحددة المركزية (انظر الشكل 4). ثبت أن هذه التغييرات الفسيولوجية لها علاقة عالية بزيادة إجهاد الساق الناجم عن التمرين.

الشكل 4: مثال على القيود المحيطية (المشارك 2). بيانات NIRS أثناء بروتوكول CPET (الأحداث: W = الإحماء ، E = التمرين ، VT1 = عتبة التنفس الصناعي 1 أو عتبة التهوية الهوائية ، VT2 = عتبة التنفس الصناعي 2 أو عتبة التنفس الصناعي اللاهوائي ، F = التمرين النهائي أو VO_2-max). (أ) م. فاستوس الوحشي ، (ب) م. بين الوربية ، و (ج) قشرة الفص الجبهي (PFC). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 

هناك إمكانات كبيرة في استخدام الأجهزة القابلة للارتداء NIRS كأداة تكميلية ل CPET لتقييم الأداء الرياضي وتحديد العوامل التي تحد من التمارين المركزية والطرفية في الرياضيين الهوائية أو التحمل ، بالنظر إلى أن تقنية NIRS أثبتت صلاحيتها وموثوقيتها في تقييم ديناميكا الدم للأوعية الدموية الدقيقة في كل من المناطق الدماغية والعضلية^37،38. ومع ذلك ، لتعظيم فوائد هذه التكنولوجيا ، يجب معالجة العديد من الاعتبارات لضمان قياسات دقيقة.

تتضمن الإرشادات العامة لوضع الجهاز القابل للارتداء في NIRS تكييف الوضع مع الأنسجة المستهدفة وضمان الارتباط الآمن بجلد المشارك ، حيث قد تؤثر الحركة أثناء التمرين على إشارات NIRS (القطع الأثرية)⁷. لتحقيق ذلك ، يجب أن يكون الجهاز على اتصال تام بالجلد وأن يتم تثبيته باستخدام شريط لاصق على الوجهين ، مما يضمن عدم وجود بواعث الضوء وأجهزة الكشف عن العوائق. لمزيد من الاستقرار ، يمكن وضع شريط علاجي مرن على الجهاز. عند وضع الجهاز على طرف سيتم تشغيله بنشاط أثناء التمرين ، مثل m.Vastus Lateralis ، يمكن استخدام غلاف ضمادة مرن ، لمزيد من الثبات أثناء ركوب الدراجات. ومع ذلك ، فإن تجنب الضغط المفرط حول بصريات NIRS أمر بالغ الأهمية لأنه قد يغير تدفق الدم المحلي ويحتمل أن يؤثر على دقة قياسات NIRS (الضغط لا يكون أعلى من ضغط التروية الشعرية ، ~ 25 مم زئبق) ⁷. يوصى بأن يكون أي شريط أو ضمادة مستخدمة على جهاز NIRS سوداء لمنع التداخل من الإضاءة المحيطة^39,40. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للإضاءة الخافتة في بيئة الاختبار أن تقلل من الاضطرابات المحتملة في دقة إشارة NIRS.

في حين أن الوضع الصحيح للأجهزة وتأمينها ضروريان ، فمن المهم بنفس القدر مراعاة الخصائص التشريحية الفردية التي قد تؤثر على قياسات NIRS. أحد القيود الرئيسية هو أن دقة قياسات NIRS يمكن أن تتأثر بعوامل مثل سمك الأنسجة الدهنية (ATT) ^41،42. يبلغ الحد الأقصى لعمق الاختراق ل NIRS حوالي نصف المسافة بين مصدر الضوء والكاشف⁴³. مع زيادة ATT ، تنخفض نسبة إشارة NIRS الناشئة من عضلة الهيكل العظمي الأساسية¹¹. يؤدي هذا الانخفاض في مساهمة الإشارة إلى انخفاض مستويات O_2-Hb و H-Hb ، من بين الكروموفورات^{الأخرى 42}. لذلك ، يوصى بقياس ATT لضمان اختراق الضوء بشكل صحيح في العضلات. يمكن استخدام الفرجار أو الموجات فوق الصوتية لهذا الغرض ، حيث تقوم كلتا الطريقتين بتقييم تكوين الجسم بدقة لدى الرياضيين. ومع ذلك ، فإن هذا الأخير يوفر دقة فائقة ويمكن تفضيله⁴⁴.

بالإضافة إلى ATT ، تتأثر دقة قياسات NIRS أيضا بعامل طول المسار التفاضلي (DPF) ، والذي يستخدم لحساب تركيزات O 2-Hb و H-Hb من خلال قانون Beer-Lambert^{المعدل 45}. تستخدم معظم أجهزة NIRS التجارية أنظمة الموجات المستمرة التي تنبعث منها الضوء بكثافة ثابتة وتفترض DPF¹¹ ثابتا. ومع ذلك ، فإن DPF ليست قيمة ثابتة ، لأنها تختلف بسبب الاختلافات التشريحية الفردية ، بما في ذلك الجمجمة و ATT^41،46. علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤثر التباين في DPF بين الأفراد والاختلافات في الخصائص التشريحية بين الجنسين مثل الاختلافات في العظام وكتلة العضلات وتوزيع الأنسجة الدهنية - أيضا على دقة القياسات²⁸. نظرا لافتراض DPF ثابت ، يمكن لهذه الأجهزة فقط قياس التغيرات النسبية في O_2-Hb و H-Hb من خط الأساس بدلا من توفير القيم المطلقة¹¹. لذلك ، في حين أن تقنية NIRS ذات قيمة لمراقبة الاتجاهات في أكسجة الأنسجة ، يجب توخي الحذر عند تفسير هذه القياسات. يجب أن تركز الأبحاث الإضافية على تطوير طرق لتقدير DPF في الأنسجة الدماغية والعضلية بدقة. وفي غضون ذلك، يوصى بتوثيق قيم DPF المستخدمة في الدراسات لتحسين قابلية تكرار النتائج.

خاصية تشريحية أخرى يمكن أن تؤثر على قياسات NIRS هي تركيز الميلانين في الجلد. الميلانين ، جنبا إلى جنب مع الهيموجلوبين ، هو كروموفور أساسي في الجلد⁴⁷. الأفراد الذين يعانون من تصبغ الجلد الداكن لديهم ميلانوزومات أكبر وأكثر تركيزا ، مما قد يؤدي إلى توهين أكبر للإشارة بسبب زيادة امتصاص الضوء⁷. تعتمد قوة الإشارة المكتشفة على الضوء الذي تمتصه الكروموفورات ، وخصائص تشتت ضوء الأنسجة ، والمسافة بين مصدر الضوء والكاشف⁴⁷. وبالتالي ، يمكن أن تتداخل تركيزات الميلانين العالية مع جودة إشارة NIRS ، مما يؤدي إلى قراءات تشبع أنسجة الأكسجين المخففة ، بشكل رئيسي عند المستوى العضلي^48،49. لحساب هذه الاختلافات وتعزيز قابلية تفسير بيانات NIRS عبر مجموعات سكانية متنوعة ، يوصى بالإبلاغ عن تصبغ الجلد باستخدام مقياس تصنيف نوع البشرة فيتزباتريك⁷.

فيما يتعلق بقابلية تطبيق هذا البروتوكول في وصفة التمرين ، تم استخدام تقنية NIRS بشكل أساسي لتقييم التمثيل الغذائي للعضلات أثناء تمرين التحمل ، لا سيما في البروتوكولات التي تعمل فيها أكسدة الركيزة كمصدر رئيسي للطاقة لإعادة تركيب ATP. تتوفر أدلة محدودة فيما يتعلق بتطبيقه في تدريب المقاومة ، لكن مراجعة الأدبيات تشير إلى أن الآثار الحادة لتدريب القوة على TSI تعتمد على تكوين ألياف العضلات. على وجه التحديد ، تظهر العضلات التي تحتوي على نسبة أعلى من ألياف النوع الأول ، مثل m.Vastus Lateralis ΔTSI أكبر مقارنة بمجموعات العضلات الأخرى المدربة بنفس الكثافة. ومع ذلك، لا يزال التغايرية الكبيرة في منهجيات الدراسة تحد من تعميم النتائج المبلغ عنها. ستدعم النتائج الأولية لهذه الدراسة ، جنبا إلى جنب مع المنشورات المستقبلية للبروتوكولات الموحدة ، التطبيقات الأوسع لهذه التكنولوجيا لوصف كثافة التمرين عبر سياقات متنوعة⁵⁰.

في الختام ، تمثل أجهزة NIRS القابلة للارتداء تقدما كبيرا في المراقبة غير الغازية للاستجابات الديناميكية الدموية على مستوى الأوعية الدموية الدقيقة أثناء التمرين ، مكملة للمتغيرات القلبية الرئوية التي تم تقييمها بواسطة CPET. على عكس الطرق الغازية ، يوفر NIRS بيانات في الوقت الفعلي حول التوازن بين توصيل الأكسجين واستهلاكه دون تعطيل الحركة الطبيعية للرياضي. تحدد هذه التقنية بشكل فعال العوامل المركزية والطرفية التي تحد من التمرين من خلال اكتشاف التغيرات في O 2-Hb و H-Hb و TSI عبر الأنسجة المختلفة وشدة التمرين. تسلط الرؤى التفصيلية حول الاختلافات في الطلب الأيضي والاستجابات الفسيولوجية الضوء على قدرة NIRS على تحسين برامج التدريب وتعزيز الأداء الرياضي. بالإضافة إلى ذلك ، توفر قدرة NIRS على تقييم ديناميكا الدم للأوعية الدموية الدقيقة الدماغية والعضلية فرصا جديدة لاستكشاف الاستجابات الفسيولوجية لطرق وكثافة التمرين المختلفة. بشكل عام ، تحمل تقنية NIRS وعدا كبيرا لتعزيز فهمنا لعلم وظائف الأعضاء البشري والمساهمة في البحث في علوم التمرين ، مما يوفر أداة قيمة لتحسين الأداء الرياضي وتحسين استراتيجيات التدريب.

ويعلن أصحاب البلاغ عدم وجود تضارب في المصالح.

نشكر جميع المشاركين في هذه الدراسة وموظفي المختبرات الفنية على دعمهم في القياسات التي تم إجراؤها في مختبر فسيولوجيا التمرين. تم دعم المؤلفين FC-B و ME-R جزئيا من خلال مسابقات البحث والابتكار الثالثة والرابعة والخامسة للعلوم الصحية المدرسية (كلية الطب ، الجامعة البابوية الكاثوليكية في تشيلي). تم تمويل المؤلف RC-C من قبل المشروع المدعوم من مسابقة المشاريع البحثية العادية ، عام 2023 ، الرمز LPR23-17 ، Universidad Tecnológica Metropolitana.