Verwendung von tragbaren Geräten mit Nahinfrarotspektroskopie zur Identifizierung zentraler und peripherer Einschränkungen während des Trainings

Dieses Protokoll integriert die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)-Technologie, um lokalisierte hämatologische und Oxygenierungsveränderungen an der präfrontalen Kortex-, Atmungs- (m.Intercostales) und Bewegungs- (m.Vastus Lateralis) Muskulatur während kardiopulmonaler Belastungstests zu beurteilen und so die Identifizierung zentraler und peripherer limitierender Faktoren zu ermöglichen, die die Trainingsleistung beeinflussen.

Der Goldstandard zur Beurteilung der aeroben Kapazität bei körperlich aktiven Probanden und Sportlern ist der Test des maximalen Sauerstoffverbrauchs (VO_2–max), bei dem die ausgeatmeten Gase und kardiorespiratorischen Variablen analysiert werden, die mit der Atemzug-für-Atem-Methode in einem Ergospirometer während einer inkrementellen Übung ermittelt werden. Diese Methode kann jedoch keine metabolischen Veränderungen auf muskulärer Ebene aufklären. Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) hat sich als wertvolle Technologie zur Bewertung des lokalen Sauerstoffgehalts (Tissular Saturation Index, TSI) erwiesen, indem die Konzentrationen von sauerstoffhaltigem (O 2-Hb) und desoxygeniertem (H-Hb) Hämoglobin in den Mikrovaskulatur von Geweben quantifiziert werden. NIRS-Anwendungen erstrecken sich auf die Atem- und Bewegungsmuskulatur und bewerten metabolische Veränderungen, die mit den Kosten der Atmung (COB) bzw. der peripheren Arbeitsbelastung verbunden sind. Darüber hinaus wurden zerebrale Regionen, wie z. B. der präfrontale Kortex, mit der NIRS-Technologie untersucht, um physiologische Veränderungen im Zusammenhang mit der kognitiven Beanspruchung im Zusammenhang mit der Planung oder Ideenfindung von motorischen Aufgaben im Zusammenhang mit der sportlichen Leistung zu bewerten. Durch die Analyse von trainingsinduzierten Veränderungen (D) in O_2-Hb, H-Hb und TSI ist es möglich, zentrale und periphere Trainingseinschränkungen zu identifizieren, insbesondere wenn Ausdauertraining die Hauptkomponente der körperlichen Fitness ist (z. B. Laufen, Radfahren, Triathlon usw.). Die Berücksichtigung dieser Faktoren ist für Trainer und Sportphysiologen von größter Bedeutung, um die sportliche Leistung zu optimieren und Trainingsstrategien zu integrieren, die sich auf die primären trainingslimitierenden Faktoren konzentrieren. Diese Studie skizziert ein Protokoll für die Verwendung von tragbaren Geräten, die mit NIRS-Technologie ausgestattet sind, um Trainingsänderungen von TSI, O_2-Hb und H-Hb zu analysieren, zusammen mit kardiorespiratorischen Variablen, die typischerweise bei Sportlern während VO_2-max-Tests registriert werden. Dieser Ansatz bietet eine umfassende Methode zur Identifizierung der primären Systeme, die am Stoppen des Trainingsfortschritts und der Verbesserung der sportlichen Leistung beteiligt sind.

Ausdauersportler sind auf ein effizientes Gleichgewicht zwischen Sauerstoffzufuhr und -aufnahme angewiesen, um hochintensives Training aufrechtzuerhalten und ihre sportliche Leistung zu verbessern ^1,2. Der Test der maximalen Sauerstoffaufnahme (VO_2-max) ist eine wichtige physiologische Bewertung, die die sportliche Leistung durch Analyse der ausgeatmeten Gase und kardiorespiratorischen Variablen während der inkrementellen Trainingsintensität^{bestimmt 1}. Diese Bewertung, die als Ergospirometrie oder kardiopulmonaler Belastungstest (CPET) bekannt ist, spiegelt die Belastungsreaktion des Herz-Kreislauf-, Atemwegs- und Muskelsystems^{wider 3}. In diesem Sinne erhöhen die erhöhten Energiekosten, die mit der Atmung verbunden sind, die als Kosten der Atmung (COB) bezeichnet werden, den Bedarf an Nährstoffen und Sauerstoff im umgebenden Gewebe. Es wurde dokumentiert, dass dieses Phänomen möglicherweise die Durchblutung der Muskeln reduziert, die an aktiven Bewegungen beteiligt sind, was zu einer verminderten Toleranz gegenüber körperlicher Anstrengung und einer vorzeitigen Beendigung des Trainingsfortschritts aufgrund des metabolischen Reflexes führt⁴.

Bei einem VO_2–max-Test ist es auch möglich, die Beatmungsschwellen (VTs) zu identifizieren, die den spezifischen Belastungsintensitäten entsprechen, die den Übergang vom aeroben zum anaeroben Stoffwechsel markieren (aerobe Schwelle oder Beatmungsschwelle 1 [VT1] und anaerobe Schwelle oder respiratorischer Kompensationspunkt [RCP] oder Beatmungsschwelle 2 [VT2])⁵. Die VTs spiegeln die Beatmungsreaktionen wider, die metabolische Veränderungen während des inkrementellen Trainings kompensieren⁶. Durch die Identifizierung dieser Schwellenwerte bietet CPET eine umfassende Bewertung, indem es die Reaktionen mehrerer biologischer Systeme integriert, die während eines hochintensiven Trainings kritisch beteiligt sind.

Obwohl die Ergospirometrie weithin als Goldstandard für die Beurteilung von CPET gilt, erfasst sie keine metabolischen Veränderungen, die auf Muskelebene auftreten. Diese Veränderungen sind entscheidend für das Verständnis der physiologischen limitierenden Faktoren, die mit der mangelnden Progression während hochintensiver Übungen bei Ausdauersportlern verbunden sind. In diesem Zusammenhang hat sich die NIRS-Technologie zu einem wertvollen Werkzeug in der Trainingswissenschaft entwickelt, das bei der Analyse hämodynamischer Variablen auf der mikrovaskulären Muskelebene^{hilft 7}.

In den letzten Jahren haben Sportprofis und Forscher eine breite Palette kommerzieller Wearables verwendet, die mit NIRS-Technologie ausgestattet sind, um nicht-invasive Muskelveränderungen während des Trainings zu erforschen und mit dieser Technologie VT1 und VT2 zu bestimmen⁸. Die integrative Analyse von Daten aus NIRS und CPET bietet somit ein umfassendes Verständnis der physiologischen Reaktionen auf Bewegung.

Die NIRS-Technologie nutzt das modifizierte Beer-Lambert-Gesetz, um Veränderungen (D) in den Konzentrationen von Oxyhämoglobin (O 2-Hb) und Desoxyhämoglobin (H-Hb) während der Belastung^{zu quantifizieren 7}. Auf lokaler Gewebeebene spiegelt eine Abnahme_von O2-Hb einen Anstieg des lokalen Stoffwechselbedarfs wider, während ein Anstieg von H-Hb eine Zunahme der Sauerstoffextraktion widerspiegelt. Das Gesamthämoglobin (tHb), die Summe_aus O2-Hb und H-Hb, wird als Index für den lokalen Blutfluss des Gewebes verwendet. Umgekehrt ergibt sich aus der Differenz zwischen O_2-Hb und H-Hb (_{Hb diff}) ein Index für die Sauerstoffextraktion des Gewebes⁹. Der Tissuläre Sättigungsindex (TSI), berechnet als Verhältnis von O_2-Hb zu tHb, spiegelt den Sauerstoffsättigungsgrad des Gewebes wider und gibt das Gleichgewicht zwischen lokaler Sauerstoffzufuhr und -aufnahme^{an 10,11}. Daher geben NIRS-Daten wichtige Einblicke in den physiologischen Status auf mikrovaskulärer Ebene und liefern ein detailliertes Verständnis der Gewebesauerstoffversorgung und Hämodynamik, das die aus CPET gewonnenen Informationen ergänzt.

Dieses detaillierte Verständnis der NIRS-Technologie erstreckt sich auf viele praktische Anwendungen. Jüngste Forschungen unterstreichen die Vielseitigkeit von NIRS und zeigen seine praktische Anwendung bei der Überwachung der Atemmuskulatur^12,13 und der Bewegungsmuskulatur⁷ sowie von Hirnregionen, die an der Vorstellung motorischer Handlungen beteiligt sind, wie z. B. der präfrontale Kortex (PFC)^14,15. Diese breite Anwendbarkeit unterstreicht die Fähigkeit von NIRS, einen umfassenden Einblick in die physiologischen Reaktionen auf verschiedene Arten von Muskelkontraktionen (konzentrische oder exzentrische oder isometrische Kontraktionen) und Bewegung zu liefern.

Durch die Analyse des trainingsinduzierten DTSI sowohl auf muskulärer als auch auf zerebraler Ebene bietet NIRS ein wertvolles Potenzial für die Identifizierung von Assoziationen zwischen peripheren und zentralen limitierenden Faktoren, die den Verlauf des Trainings beeinflussen^16,17. Unter den zentralen limitierenden Faktoren trägt beispielsweise eine verminderte Durchblutung infolge einer zerebralen Vasokonstriktion, die durch kompensatorische Hyperventilation aufgrund erhöhter Wasserstoffspiegel aus dem anaeroben Stoffwechsel und erhöhtes Blutlaktat während hochintensiver körperlicher Betätigung verursacht wird, wesentlich zur Verringerung des TSI im präfrontalen Kortex bei^17,18. Im Gegensatz dazu sind periphere limitierende Faktoren durch ein Ungleichgewicht zwischen Sauerstoffangebot und -bedarf in der trainierenden Muskulatur^{gekennzeichnet 19}. Eine verminderte lokale Sauerstoffzufuhr und ein erhöhter Sauerstoffverbrauch können zu einer Desoxygenierung des Gewebes führen, was sich in einem verringerten TSI²⁰ zeigt. Diese Unterscheidung unterstreicht die Vielschichtigkeit von Leistungseinschränkungen bei hochintensiven Übungen, bei denen sowohl zentrale als auch periphere Mechanismen entscheidend sind. Dieses Verständnis deutet darauf hin, dass das Verzögern des Auftretens dieser limitierenden Faktoren während des Trainings zu einer verbesserten sportlichen Leistung beitragen kann.

Um das Potenzial der NIRS-Technologie bei der Identifizierung dieser Einschränkungen voll auszuschöpfen, sind standardisierte Verfahren unerlässlich, um eine qualitativ hochwertige Datenerfassung und -analyse zu gewährleisten. Dieses Dokument beschreibt Methoden zur Durchführung von Tests mit maximaler Ausdauerbelastung unter Verwendung der NIRS-Technologie, um physiologische Daten zu sammeln und die Beziehung zwischen zentralen und peripheren limitierenden Faktoren während hochintensiver körperlicher Betätigung bei Ausdauersportlern aufzuklären. Das vorgeschlagene Protokoll bietet einen standardisierten Ansatz, um Konsistenz und Genauigkeit bei der Bewertung der physiologischen Phänomene zu gewährleisten, die diesen limitierenden Faktoren zugrunde liegen.

Das Protokoll wurde vom Institutionellen Prüfungsausschuss der Pontificia Universidad Católica de Chile (Projekte Nr. 210525001 und 220608010) genehmigt und die Studie wurde in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt. Alle Teilnehmer gaben eine schriftliche Einverständniserklärung ab, bevor sie an den beschriebenen Tests teilnahmen.

1. Platzierung und Aufbau von NIRS-Wearables

HINWEIS: Es können verschiedene NIRS-Wearables und Datenerfassungssoftware verwendet werden. Forscher sollten die Anweisungen und Richtlinien des Herstellers gründlich konsultieren, um eine ordnungsgemäße Einrichtung und Verwendung sicherzustellen. In dieser Studie werden Geräte verwendet, die ein kontinuierliches Wellenregister des NIRS-Signals verwenden. Diese kommerziellen Geräte sind einfach zu bedienen, können aber nur Änderungen der Lichtdämpfung relativ zur Referenz- oder Basisphase erkennen und können keine absoluten Konzentrationen wie andere Geräte erkennen, die ein Zeitbereichsregister von NIRS verwenden.

1. NIRS-Wearables für die Vorbereitung und allgemeine Platzierungsrichtlinien
   1. Bevor Sie die Geräte platzieren und mit den Messungen beginnen, stellen Sie sicher, dass alle Wearables vollständig aufgeladen sind.
      HINWEIS: Für die in dieser Studie verwendeten Geräte gibt der Hersteller an, dass ein Akku mit einer vollen Ladung 6–8 h ununterbrochen registrieren kann.
   2. Kleben Sie alle Wearables mit doppelseitigem Klebeband auf, um sie auf der Haut des Teilnehmers zu befestigen und sicherzustellen, dass das Klebeband die Lichtstrahler und Detektoren nicht behindert.
   3. Decken Sie alle Wearables mit einer Schicht Frischhaltefolie ab, gefolgt von einer Schicht eines wasserfesten Klebeverbandes, um sie vor Schweiß zu schützen.
   4. Reinigen Sie vor dem Platzieren der Geräte den Zielbereich mit einem Alkoholtampfer, um Rückstände zu entfernen, die das Register beeinträchtigen könnten (z. B. Cremes, Kosmetika usw.). Rasieren Sie bei Bedarf den Bereich um die Zielstelle, da Haare die NIRS-Signale stören können.
      HINWEIS: Es wird empfohlen, eine gründliche Handwäsche durchzuführen, bevor ein Gerät auf die Haut des Teilnehmers gelegt wird, um eine mögliche Kontamination zu vermeiden. Das Tragen von Handschuhen wird empfohlen, da dies das Risiko einer Kontamination weiter verringern kann.
   5. Sobald alle Wearables korrekt auf der Haut des Teilnehmers platziert sind (siehe Abschnitt 1.2), sichern Sie sie mit einer Schicht elastischem therapeutischem Klebeband. Wenn eine zusätzliche Fixierung erforderlich ist, verwenden Sie eine elastische Binde in dunkler Farbe, um sicherzustellen, dass eine übermäßige Kompression die Messungen nicht verändert (weniger als der Kapillarokklusionsdruck von 25 mm, der mit einem herkömmlichen Blutdruckmessgerät gemessen wird).
   6. Legen Sie ein schwarzes Tuch über alle Wearables, um das Eindringen von Umgebungslicht zu verhindern. Wenn es nicht möglich ist, den Bereich mit einem Tuch abzudecken (ca. 6 cm²), verwenden Sie schwarzes elastisches therapeutisches Klebeband, um das Umgebungslicht zu blockieren.
2. Platzierung von NIRS-Geräten
   HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass NIRS-Wearables-Geräte so platziert sind, dass die EIN/AUS - und Einstelltasten leicht zugänglich sind.
   1. Präfrontaler Kortex: Die NIRS-Sonde wird auf dem linken oder rechten dorsolateralen präfrontalen Kortex platziert, etwa 10 mm über dem Augenbrauenbogen des Teilnehmers, ähnlich wie bei der Platzierung der Fp1-Elektrode nach dem modifizierten internationalen EEG 10-20 System²¹.
   2. m.Interkostales: Platzieren Sie die NIRS-Sonde über dem 7^. Interkostalraum an der rechten vorderen Achsellinie 22,23,24. Wenn es aus irgendeinem Grund nicht über dem rechten Hemithorax positioniert ist, positionieren Sie es über dem linken Hemithorax, aber das Signal der Herzfrequenz kann auf der linken Seite stärker ausgeprägt sein.
      1. Um die NIRS-Eindringtiefe zu bestätigen, verwenden Sie einen B-Mode-Ultraschall, um den Abstand vom Unterhautgewebe zum äußeren Rand des m.Intercostales zu überprüfen. Bei Messungen bei m.Intercostales ist darauf zu achten, dass der Abstand zwischen Haut und Muskel weniger als 15 mm beträgt.
   3. m.Vastus Lateralis: Platzieren Sie die NIRS-Sonde 5 cm lateral zum Mittelpunkt der imaginären Linie und verbinden Sie den oberen Rand der Patella mit dem Trochanter major des Femurs 24,25,26.
      1. Um sicherzustellen, dass die Fettgewebsdicke (ATT) das Register des NIRS-Signals nicht verändert, ist die Hautfaltendicke zu messen, um die NIRS-Eindringtiefe^{zu bestätigen 27}. Bei Messungen am m.Vastus Lateralis ist darauf zu achten, dass der ATT kleiner als 20 mm ist.
3. Einrichtung der NIRS-Software
   1. Sobald alle NIRS-Wearables richtig platziert sind (siehe Abschnitt 1.2), schalten Sie sie ein, bevor Sie die Messung starten.
   2. Starten Sie die vom Hersteller bereitgestellte Datenerfassungssoftware, erstellen Sie eine neue Datei und verknüpfen Sie die NIRS-Wearables.
   3. Nachdem alle NIRS-Wearables erfolgreich verknüpft wurden, stellen Sie die Abtastrate auf 10 Hz für die Datenerfassung und die Analog-Digital-Wandlung für die bewerteten Gewebe ein. Für Messungen des präfrontalen Kortex ist der differentielle Weglängenfaktor (DPF) entsprechend dem altersabhängigen DPF für jeden Teilnehmer^{anzupassen 28}. Für die Muskelmessung stellen Sie den DPF auf 4 ein, wie es in früheren Protokollen mit Sportlern als Studienteilnehmer verwendet wurde^29,30.

2. Kalibrierung und Aufbau des Ergospirometers

1. Volumen-Kalibrierung
   1. Öffnen Sie die vom Hersteller bereitgestellte Software des Ergospirometers, um den Kalibrierungsprozess zu starten.
   2. Befestigen Sie den Durchflussmesser mit einem Spritzenadapter an einer 28-mm-Turbine. Verbinden Sie einen Wellschlauch mit dem Spritzenadapter und den anderen mit einer 3-Liter-Kalibrierspritze.
   3. Führen Sie sechs Entnahme-/Injektionsmanöver durch, um eine konstante Durchflussrate aufrechtzuerhalten. Nach Abschluss bestätigt die Software automatisch, ob der Kalibrierungstest bestanden wurde.
2. Gas-Kalibrierung
   HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Durchflusskalibrierung durchgeführt wurde, bevor Sie mit der Gaskalibrierung beginnen.
   1. Luft-Kalibrierung
      1. Stellen Sie sicher, dass die Messleitung vom Gasanalysator vom Kalibrieranschluss getrennt ist und frei hängt. Initialisieren Sie dann den Kalibrierungsprozess.
      2. Während der Kalibrierung wird eine stabile flache Linie beobachtet, da die Konzentrationen von Sauerstoff (O₂) und Kohlendioxid (CO₂) nicht signifikant variieren (weniger als 5 %). Sobald die Luftkalibrierung erfolgreich abgeschlossen wurde, fahren Sie mit der Kalibrierung des Stoffwechselgases fort.
   2. Kalibrierung von Stoffwechselgasen
      1. Öffnen Sie die Gasventile und stellen Sie sicher, dass ausreichend Druck an das System abgegeben wird, indem Sie das Manometer überprüfen (wenden Sie sich an den Hersteller, um genaue Anweisungen zu erhalten).
      2. Schließen Sie die Probenleitung an den Kalibrieranschluss an und initialisieren Sie den Kalibriervorgang. Führen Sie eine 3-minütige Vorheizung durch, bevor Sie mit der Kalibrierung beginnen, wie vom Hersteller empfohlen.
      3. Wenn es richtig gemacht wird, sollten nach der 3-minütigen Vorheizzeit zwei flache Linien beobachtet werden: eine schwankt zwischen Raumluft (ca. 21,00 % O₂ und 0,04 % CO₂) und die andere zwischen dem Kalibriergas (16,00 % O₂ und 5,00 % CO₂).
      4. Trennen Sie abschließend die Probenleitung von der Kalibrieröffnung und befestigen Sie sie an dem Mundstück, das für den bevorstehenden Test verwendet wird.

3. Platzierung der EKG-Elektrode (12 Ableitungen)

1. Bereiten Sie die Haut vor, indem Sie ein Peeling mit einer Creme durchführen und/oder bei Bedarf Haare an den Elektrodenplatzierungsstellen rasieren. Reinigen Sie die Bereiche mit einem Alkoholtupfer, um oberflächliche Geweberückstände zu entfernen.
2. Platzieren Sie die EKG-Elektroden wie folgt³¹:
   1. Platzieren Sie die bipolaren Elektroden (Elektroden der Gliedmaßenleitungen) wie folgt: Linker Arm (LA): linke Seite der Fossa subclavicularis; Rechter Arm (RA): rechte Seite der Fossa subclavicularis; Linkes Bein (LL): anteriore Projektion des linken Hüftkopfes; Rechtes Bein (RL): vordere Projektion des rechten Hüftkopfes.
   2. Platzieren Sie die präkordialen Elektroden wie folgt: V1: 4^. Interkostalraum rechts vom Brustbein; V2: 4^. Interkostalraum links vom Brustbein (in einer Linie mit V1); V3: Auf halbem Weg zwischen V2 und V4; V4: 5^. Interkostalraum an der Mittelklavikularlinie; V5: vordere Achsellinie auf gleicher Höhe wie V4; V6: Mittelachsellinie auf gleicher Höhe wie V4 und V5.

4. Inkrementeller Belastungstest (kardiopulmonaler Belastungstest, CPET)

1. Bitten Sie den Teilnehmer, sich auf das Fahrrad zu setzen, und achten Sie darauf, dass Sitz und Lenker für optimalen Komfort und Positionierung auf ihre Höhe eingestellt sind.
   HINWEIS: Es wird empfohlen, die Sitzhöhe so einzustellen, dass das Knie bei voller Streckung³² leicht gebeugt ist. Der Lenker sollte so positioniert sein, dass eine leichte Beugung der Ellbogen möglich ist.
2. Befestigen Sie ein Pulsoximeter am Ohrläppchen des Teilnehmers und stellen Sie sicher, dass die Stelle sauber ist, indem Sie es mit einem Alkoholtupfer abwischen.
3. Erklären Sie das Protokoll und weisen Sie den Teilnehmer an, vor, während und nach dem Test durch die Maske zu atmen.
   HINWEIS: Der Teilnehmer muss es vermeiden, während des Tragens der Maske zu sprechen oder zu pfeifen, da dies die Messwerte des Ergospirometers^{beeinflussen kann 33}.
4. Sobald der Teilnehmer positioniert und vorbereitet ist, lassen Sie den Teilnehmer das rechte Bein ausstrecken und 2 Minuten auf die Startanweisung warten (erste Ruhephase). Lassen Sie den Teilnehmer 6 min lang mit einer Trittfrequenz zwischen 80 und 100 U/min bei 0,6 W·^kg-1 bzw. 0,8 W·^kg-1 für Frauen/Männer in die Pedale treten (Aufwärmphase). Steigern Sie dann die Arbeitsbelastung mit einer Rate von 20 W·min^-¹ für Frauen und 25 W·min^-¹ für Männer, bis der Teilnehmer die Erschöpfung erreicht (Übungsphase).
5. Weisen Sie den Teilnehmer nach Beendigung der Übungsphase an, still zu bleiben und 3 Minuten lang weiter in die Maske zu atmen (Cool-Down- oder Erholungsphase).
6. Sobald das Übungsprotokoll abgeschlossen ist, entfernen Sie vorsichtig das Pulsoximeter aus dem Ohrläppchen, der Maske, allen drei NIRS-Wearables und den EKG-Elektroden.
   HINWEIS: Um die Umgebungsbedingungen im Labor (z. B. Lufttemperatur ~20 ± 2 °C, relative Luftfeuchtigkeit ~40 % ± 5 %) einzuhalten, ist dies ein entscheidendes Kriterium. Einige Teilnehmer können eine hohe Schweißrate aufweisen, was die Fixierung der Geräte auf der Haut stört und die NIRS-Datenaufzeichnung beeinträchtigt. Der Einsatz von Ventilatoren kann dazu beitragen, die Wärmeregulierung durch Schwitzen zu reduzieren.

Während des Abschlusses einer CPET wurden bei allen Probanden die Symptome von Dyspnoe, Beinermüdung und wahrgenommener Anstrengung (RPE) berichtet. Die komplementäre Verwendung der NIRS-Geräte verursachte keine zusätzlichen Beschwerden bei der Empfindungsbeurteilung der Probanden. Wir haben die CPET-Bewertungen auch nicht durch ein Risikoereignis gestoppt, das mit übermäßigem physiologischem Stress verbunden ist.

Wir untersuchten zwei männliche Radrennfahrer, die aus einem nationalen Radsportverein rekrutiert wurden. Die Einschlusskriterien für diese Studie waren körperlich aktive Teilnehmer (≥150 min bei mäßiger oder ≥75 min bei starker körperlicher Aktivität pro Woche) mit einem normalen Body-Mass-Index (20–25 kg·^m-2). Ausschlusskriterien für diese Studie waren eine Vorgeschichte von Atemwegs-, Herz-Kreislauf-, Stoffwechsel-, Muskel-Skelett- oder neoplastischen Erkrankungen oder ein infektiöser oder entzündlicher Prozess mindestens 2 Wochen vor den Studienbewertungen.

Die Durchführung einer CPET, begleitet von einer nicht-invasiven Aufzeichnung der hämodynamischen Veränderungen und der Sauerstoffversorgung des Gewebes, die sich aus metabolischen Veränderungen ergeben, die durch erhöhte Trainingsintensität mit Geräten verursacht werden, die mit NIRS-Technologie ausgestattet sind, ermöglicht die Identifizierung zentraler limitierender Faktoren, die mit Veränderungen in Gehirnbereichen verbunden sind, im Vergleich zu peripheren limitierenden Faktoren, die mit respiratorischen oder muskuloskelettalen Reaktionen auf erhöhte Trainingsintensität zusammenhängen. Das Testprotokoll umfasst eine Reihe von Schritten, darunter die Vorbereitung des Teilnehmers, die Durchführung des Belastungstests und die Erhebung relevanter physiologischer Daten.

Die erfolgreiche Ausführung des CPET-NIRS-Protokolls wird durch klare und konsistente Daten über mehrere Parameter hinweg nachgewiesen. Während der anfänglichen Ruhephase werden Messungen wie Herzfrequenz (HF), Pulssauerstoffsättigung (SpO₂) und NIRS-Messwerte aufgezeichnet, um eine Ausgangsbasis zu ermitteln. Die Aufwärmphase, die durch ein geringes Arbeitspensum gekennzeichnet ist, bereitet den Teilnehmer auf die inkrementelle Übungsphase vor, in der die Belastung schrittweise zunimmt (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Experimentelles Design des Übungsprotokollschemas. Schematische Darstellung der Phasen des in der Studie verwendeten Trainingsprotokolls, wobei Schlüsselereignisse wie Ruhe (R), Aufwärmen (W), Übung (E), Finalisieren (F) und Stopp (S) hervorgehoben werden, die dem Ablauf des kardiopulmonalen Belastungstestprotokolls entsprechen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Dargestellt sind repräsentative Ergebnisse der CPET- (Abbildung 2) und NIRS-Daten (Abbildung 3 und Abbildung 4) von zwei männlichen Athleten, die unter kontrollierten Laborumgebungsbedingungen (Lufttemperatur ~20 ± 2 °C; relative Luftfeuchtigkeit ~40 % ± 5 %) untersucht wurden: (i) Teilnehmer 1 (Abbildung 2A und Abbildung 3) (Alter: 33 Jahre, Gewicht: 80 kg, Größe: 178 cm, Maximale Arbeitsbelastung: 300 W, VO_2-max: 46 mL·^kg-1·^min-1, VE: 177 L·^min-1, _HR-max (%vorhergesagt, 220 Jahre): 100%, PetCO₂: 27 mmHg); und (ii) Teilnehmer 2 (Abbildung 2B und Abbildung 4) (Alter: 26 Jahre, Gewicht: 67 kg, Größe: 178 cm, Arbeitsbelastung max: 300 W, VO_2-max: 51 mL·^kg-1·^min-1, VE: 131 L·^min-1, _HR-max (% vorhergesagt, 220 Jahre): 93%, PetCO₂: 33 mmHg).

Bei beiden Teilnehmern wurden die Werte VO₂ (Sauerstoffverbrauch), VCO₂ (Kohlendioxidproduktion), RQ (respiratorischer Quotient, VCO₂· VO ^2-1), HR, VE (Lungenventilation) und RR (Atemfrequenz) zeigen einen kontinuierlichen Anstieg mit zunehmender Trainingsintensität, bis der Maximalwert von VO₂ erreicht ist (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Veränderungen der physiologischen Variablen, die während der CPET bewertet werden. Die Entwicklung physiologischer Variablen, die während kardiopulmonaler Belastungstests gemessen wurden, einschließlich Sauerstoffverbrauch (VO2), Minutenbeatmung (VE), endtidaler CO2-Druck (PetCO2) und Leistungsabgabe (Watt), wird gezeigt. Die Übergänge zwischen den Beatmungsschwellen 1 und 2 (VT1 und VT2) sind innerhalb der Übungsphasen angegeben. (A) Teilnehmer 1 und (B) Teilnehmer 2. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die NIRS-Daten lieferten Einblicke in den lokalen Stoffwechselbedarf während der CPET. Die trainingsinduzierten Veränderungen, die im Zielgewebe (Muskel vs. Gehirn) beobachtet werden, variieren je nach spezifischem Gewebe und Intensität der analysierten Übung. Daher ist ein nützlicher physiologischer Rahmen für die Interpretation der trainingsinduzierten NIRS-Daten das triphasische Modell der Trainingsintensität, das von Skinner und McLellan^{vorgeschlagen wurde 34}. In diesem Modell beschreiben die Autoren drei Zonen, die durch VTs definiert sind: Phase I oder aerob, (ii) Phase II oder aerob-anerober Übergang und (ii) Phase III oder "metabolische Instabilität".

Bei Trainingsintensitäten unterhalb von VT2 (Phasen I und II) kommt es auf Muskelebene zu einer Abnahme von O 2-Hb und einer Erhöhung von H-Hb – wenn es keine signifikante Variation von T-Hb als Parameter des lokalen Blutflusses gibt. Unser CPET-NIRS-Protokoll besteht aus zyklischen Übungen mit sich wiederholenden Muskelkontraktionen/-entspannungen, so dass eine minimale Variation des T-Hb-Werts zu erwarten ist. Die trainingsinduzierten Veränderungen variieren jedoch je nach dem zu bewertenden Zielmuskelgewebe. In der Bewegungsmuskulatur, wie dem m.Vastus Lateralis, führt die fortschreitende Zunahme der Trainingsintensität zu NIRS-Datenänderungen, die mit der Arbeitsbelastung einhergehen (siehe Abbildung 3A). Im Gegensatz dazu treten die Veränderungen in den akzessorischen Atemmuskeln, wie z. B. der m.Intercostales, eher mit Veränderungen der Beatmung als mit der Arbeitsbelastung zusammen (siehe Abbildung 3B). Bei PFC wird ein Anstieg von O_2-Hb, H-Hb und T-Hb beobachtet, da der Blutfluss den lokalen Bedarf übersteigt, der durch Bewegung induziert wird. auch war ein leichter Rückgang der TSI zu beobachten (siehe Abbildung 3C). In allen untersuchten Geweben nimmt der TSI-Parameter mit zunehmender Trainingsintensität ab, so dass die Veränderungen bei m.Vastus Lateralis bekannter sind als bei m.Intercostales und PFC (siehe Abbildung 3D).

Abbildung 3: Beispiel für eine zentrale Begrenzung (Teilnehmer 1). NIRS-Daten während des CPET-Protokolls (Ereignisse: W = Aufwärmen, E = Training, VT1 = Beatmungsschwelle 1 oder aerobe Beatmungsschwelle, VT2 = Beatmungsschwelle 2 oder anaerobe Beatmungsschwelle, F = abgeschlossene Übung oder VO_2-max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales und (C) Präfrontaler Kortex (PFC).   Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Mit zunehmendem trainingsinduzierten metabolischen Bedarf, insbesondere bei Intensitäten über VT2 (Phase III oder "metabolische Instabilität"), treten interessante physiologische Reaktionen, die untersucht werden sollen, sowohl auf der Muskel- (Bewegungs- und Atemmuskulatur) als auch auf dem PFC-Niveau auf. Diese bestehen aus einem deutlichen Rückgang von O_2-Hb und tHb sowie einem bemerkenswerten Anstieg von H-Hb, Aspekte, die den ausgeprägten Rückgang der TSI unterstützen.

Bei Probanden mit hohem Beatmungsbedarf während hochintensiver körperlicher Betätigung führt der exponentielle Anstieg von VE und RR aufgrund des Anstiegs von CO₂ "metabolischen Ursprungs" zu einer erhöhten Hyperventilation. Diese Hyperventilation kann eine ausgeprägte Vasokonstriktion des Gehirns induzieren und dadurch die Leistungsfähigkeit durch zentrale Einschränkung einschränken, wie bei diesem repräsentativen Probanden zu sehen ist. Theoretisch resultieren die in den NIRS-Daten beobachteten Veränderungen aus einer Vasokonstriktion des Gehirns, die durch die Hypokapnie induziert wird, die aus der abrupten Abnahme des Drucks endtidal von CO₂ (PetCO₂) abgeleitet wird, die in der CPET registriert ist (siehe Abbildung 2). Es wurde gezeigt, dass diese physiologischen Veränderungen einen hohen Zusammenhang mit erhöhter Dyspnoe haben, die durch Bewegung induziert wird, registriert mit der modifizierten Borg-Skala^35,36.

Auf der anderen Seite zeigen Probanden mit hohem Bewegungsbedarf, aber nicht hohem Atmungsbedarf keine Vasokonstriktion des Gehirns durch Hypokapnie. Folglich können die NIRS-Daten weiterhin Veränderungen widerspiegeln, wie sie bei moderater Trainingsintensität beobachtet werden. Bei diesen Probanden wird die körperliche Leistungsfähigkeit eher durch periphere als durch zentrale limitierende Faktoren begrenzt (siehe Abbildung 4). Es hat sich gezeigt, dass diese physiologischen Veränderungen einen hohen Zusammenhang mit einer erhöhten Ermüdung der Beine haben, die durch Bewegung induziert wird.

Abbildung 4: Beispiel für eine periphere Einschränkung (Teilnehmer 2). NIRS-Daten während des CPET-Protokolls (Ereignisse: W = Aufwärmen, E = Training, VT1 = Beatmungsschwelle 1 oder aerobe Beatmungsschwelle, VT2 = Beatmungsschwelle 2 oder anaerobe Beatmungsschwelle, F = abgeschlossene Übung oder VO_2–max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales und (C) Präfrontaler Kortex (PFC). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen. 

Die Verwendung von NIRS-Wearables als ergänzendes Instrument zur CPET zur Bewertung der sportlichen Leistung und zur Identifizierung zentraler und peripherer belastungslimitierender Faktoren bei Aerobic- oder Ausdauersportlern birgt ein erhebliches Potenzial, da die NIRS-Technologie ihre Gültigkeit und Zuverlässigkeit bei der Beurteilung der mikrovaskulären Hämodynamik sowohl im zerebralen als auch im muskulären Bereich bewiesen hat^37,38. Um die Vorteile dieser Technologie zu maximieren, müssen jedoch mehrere Überlegungen angestellt werden, um genaue Messungen zu gewährleisten.

Zu den allgemeinen Richtlinien für die Platzierung von NIRS-Wearables gehört die Anpassung der Positionierung an das Zielgewebe und die Gewährleistung einer sicheren Befestigung auf der Haut des Teilnehmers, da Bewegungen während des Trainings die NIRS-Signale (Artefakte) beeinflussen ^können7. Um dies zu erreichen, sollte das Gerät in vollem Kontakt mit der Haut stehen und mit doppelseitigem Klebeband befestigt werden, so dass Lichtstrahler und Detektoren frei sind. Für zusätzliche Stabilität kann ein elastisches therapeutisches Klebeband über das Gerät gelegt werden. Wenn Sie das Gerät auf eine Gliedmaße legen, die während des Trainings aktiv beansprucht wird, wie z. B. der m.Vastus Lateralis, kann eine elastische Bandage für zusätzliche Stabilität beim Radfahren verwendet werden. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, eine übermäßige Kompression um die NIRS-Optoden herum zu vermeiden, da dies den lokalen Blutfluss verändern und möglicherweise die Genauigkeit der NIRS-Messungen beeinträchtigen kann (der Druck ist nicht höher als der Kapillarperfusionsdruck, ~25 mm Hg)⁷. Es wird empfohlen, dass jedes Klebeband oder jeder Verband, der über der NIRS-Vorrichtung verwendet wird, schwarz ist, um Störungen durch Umgebungslicht^{zu vermeiden 39,40}. Darüber hinaus kann eine gedimmte Beleuchtung in der Testumgebung potenzielle Unterbrechungen der Genauigkeit des NIRS-Signals minimieren.

Während die richtige Platzierung und Sicherung der Geräte unerlässlich sind, ist es ebenso wichtig, individuelle anatomische Merkmale zu berücksichtigen, die NIRS-Messungen beeinflussen können. Eine wesentliche Einschränkung besteht darin, dass die Genauigkeit von NIRS-Messungen durch Faktoren wie die Fettgewebsdicke (ATT)^41,42 beeinflusst werden kann. Die maximale Eindringtiefe für NIRS beträgt etwa die Hälfte des Abstands zwischen der Lichtquelle und dem Detektor⁴³. Mit zunehmender ATT nimmt der Anteil des NIRS-Signals, das von der darunter liegenden Skelettmuskulatur ausgeht, ab¹¹. Diese Verringerung des Signalbeitrags führt zu niedrigeren Spiegeln_von O2-Hb und H-Hb, neben anderen Chromophoren⁴². Daher wird empfohlen, die ATT zu messen, um ein ordnungsgemäßes Eindringen von Licht in den Muskel zu gewährleisten. Zu diesem Zweck kann ein Messschieber oder Ultraschall verwendet werden, da beide Methoden die Körperzusammensetzung bei Sportlern genau beurteilen. Letzteres bietet jedoch eine überlegene Genauigkeit und kann bevorzugt werden⁴⁴.

Neben der ATT wird die Genauigkeit der NIRS-Messungen auch durch den differentiellen Weglängenfaktor (DPF) beeinflusst, der zur Berechnung der Konzentrationen von O₂–Hb und H–Hb durch das modifizierte Beer-Lambert-Gesetz⁴⁵ verwendet wird. Die meisten kommerziellen NIRS-Geräte verwenden Dauerstrichsysteme, die Licht mit konstanter Intensität emittieren und einen konstanten DPF¹¹ annehmen. Der DPF ist jedoch kein fester Wert, da er aufgrund individueller anatomischer Unterschiede, einschließlich Schädel und ATT^41,46, variiert. Darüber hinaus können auch die Variabilität des DPF zwischen Individuen und Unterschiede in den anatomischen Merkmalen zwischen den Geschlechtern, wie z. B. Variationen in der Knochen-, Muskelmasse- und Fettgewebeverteilung, die Genauigkeit der Messungen beeinflussen²⁸. Aufgrund der Annahme eines konstanten DPF können diese Geräte nur relative Änderungen von O 2-Hb und H-Hb von einer Basislinie aus messen, anstatt absolute Werte¹¹ zu liefern. Daher ist die NIRS-Technologie zwar wertvoll für die Überwachung von Trends bei der Sauerstoffversorgung des Gewebes, aber bei der Interpretation dieser Messungen ist Vorsicht geboten. Weitere Forschungsarbeiten sollten sich auf die Entwicklung von Methoden zur genauen Abschätzung des DPF in zerebralem und muskulärem Gewebe konzentrieren. In der Zwischenzeit wird empfohlen, die in Studien verwendeten DPF-Werte zu dokumentieren, um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu verbessern.

Ein weiteres anatomisches Merkmal, das NIRS-Messungen beeinflussen kann, ist die Melaninkonzentration in der Haut. Melanin ist zusammen mit Hämoglobin ein primäres Chromophor in der Haut⁴⁷. Personen mit dunklerer Hautpigmentierung haben größere und konzentriertere Melanosomen, was aufgrund der erhöhten Lichtabsorption zu einer stärkeren Signaldämpfung führen kann⁷. Die Stärke des detektierten Signals hängt von dem von Chromophoren absorbierten Licht, den Lichtstreueigenschaften des Gewebes und dem Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Detektor⁴⁷ ab. Folglich können höhere Melaninkonzentrationen die NIRS-Signalqualität beeinträchtigen, was zu einer Abschwächung der Sättigung des Sauerstoffgewebes führt, hauptsächlich auf Muskelebene^48,49. Um diesen Schwankungen Rechnung zu tragen und die Interpretierbarkeit der NIRS-Daten in verschiedenen Populationen zu verbessern, wird empfohlen, die Hautpigmentierung anhand der Fitzpatrick-Hauttypklassifikationsskala⁷ zu melden.

In Bezug auf die Anwendbarkeit dieses Protokolls bei der Verschreibung von Übungen wurde die NIRS-Technologie in erster Linie zur Beurteilung des Muskelstoffwechsels während des Ausdauertrainings eingesetzt, insbesondere in Protokollen, bei denen die Substratoxidation als Hauptenergiequelle für die ATP-Resynthese dient. Es gibt nur begrenzte Beweise für seine Anwendung im Widerstandstraining, aber eine Literaturrecherche deutet darauf hin, dass die akuten Auswirkungen des Krafttrainings auf den TSI von der Muskelfaserzusammensetzung abhängen. Insbesondere Muskeln mit einem höheren Anteil an Typ-I-Fasern, wie z.B. der m.Vastus Lateralis , weisen im Vergleich zu anderen Muskelgruppen, die mit der gleichen Intensität trainiert werden, einen höheren ΔTSI auf. Nichtsdestotrotz schränkt die beträchtliche Heterogenität der Studienmethoden die Verallgemeinerung der berichteten Ergebnisse weiterhin ein. Die vorläufigen Ergebnisse dieser Studie werden zusammen mit zukünftigen Veröffentlichungen standardisierter Protokolle breitere Anwendungen dieser Technologie für die Verschreibung von Trainingsintensität in verschiedenen Kontexten unterstützen⁵⁰.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass NIRS-Wearables einen bedeutenden Fortschritt in der nicht-invasiven Überwachung hämodynamischer Reaktionen auf mikrovaskulärer Ebene während des Trainings darstellen und die kardiopulmonalen Variablen, die durch CPET bewertet werden, ergänzen. Im Gegensatz zu invasiven Methoden liefert NIRS Echtzeitdaten über das Gleichgewicht zwischen Sauerstoffzufuhr und -verbrauch, ohne die natürliche Bewegung des Sportlers zu stören. Diese Technologie identifiziert effektiv zentrale und periphere belastungslimitierende Faktoren, indem sie Veränderungen von O 2-Hb, H-Hb und TSI in verschiedenen Geweben und Trainingsintensitäten erkennt. Die detaillierten Einblicke in die Schwankungen des metabolischen Bedarfs und der physiologischen Reaktionen unterstreichen das Potenzial von NIRS, Trainingsprogramme zu optimieren und die sportliche Leistung zu steigern. Darüber hinaus bietet die Fähigkeit des NIRS, die zerebrale und muskuläre mikrovaskuläre Hämodynamik zu beurteilen, neue Möglichkeiten, physiologische Reaktionen auf verschiedene Trainingsmodalitäten und -intensitäten zu erforschen. Insgesamt ist die NIRS-Technologie vielversprechend, um unser Verständnis der menschlichen Physiologie zu verbessern und einen Beitrag zur Forschung in der Bewegungswissenschaft zu leisten, indem sie ein wertvolles Werkzeug zur Verbesserung der sportlichen Leistung und zur Verfeinerung von Trainingsstrategien darstellt.

Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Wir danken allen Teilnehmern dieser Studie und den Mitarbeitern des technischen Labors für ihre Unterstützung bei den Messungen, die im Labor für Bewegungsphysiologie durchgeführt wurden. Die Autoren FC-B und ME-R wurden teilweise durch die III., IV. und V. Forschungs- und Innovationswettbewerbe der School Health Sciences (Medizinische Fakultät, Pontificia Universidad Católica de Chile) unterstützt. Der Autor RC-C wurde gefördert durch ein Projekt, das durch den Wettbewerb für reguläre Forschungsprojekte, Jahr 2023, Code LPR23-17, Universidad Tecnológica Metropolitana unterstützt wird.