שימוש במכשירים לבישים בספקטרוסקופיה תת-אדומה קרובה לזיהוי מגבלות מרכזיות לעומת היקפיות במהלך פעילות גופנית

פרוטוקול זה משלב טכנולוגיית ספקטרוסקופיה תת-אדומה קרובה (NIRS) כדי להעריך שינויים המטולוגיים וחמצון מקומיים בקליפת המוח הקדם-מצחית, בשרירי הנשימה (m.Intercostales) ובשרירי הלוקומוטור (m.Vastus Lateralis) במהלך בדיקות פעילות לב-ריאה, ומאפשר זיהוי של גורמים מגבילים מרכזיים והיקפיים המשפיעים על ביצועי האימון.

תקן הזהב להערכת היכולת האירובית בקרב נבדקים וספורטאים פעילים גופנית הוא מבחן צריכת החמצן המרבית (VO_2-max), הכולל ניתוח של גזים נשפים ומשתנים לבבי-נשימתיים המתקבלים בשיטת נשימה אחר נשימה בארגוספירומטר במהלך תרגיל מצטבר. עם זאת, שיטה זו אינה יכולה להבהיר שינויים מטבוליים ברמה השרירית. ספקטרוסקופיית אינפרא אדום קרוב (NIRS) התפתחה כטכנולוגיה רבת ערך להערכת רמות חמצן מקומיות (Tissular Saturation Index, TSI) על ידי כימות ריכוזי המוגלובין מחומצן (O 2-Hb) וחסר חמצן (H-Hb) בכלי הדם המיקרו-וסקולריים של רקמות. יישומי NIRS מתרחבים לשרירים נשימתיים ומוטוריים, ומעריכים שינויים מטבוליים הקשורים לעלות הנשימה (COB) ועומס העבודה ההיקפי, בהתאמה. בנוסף, אזורים מוחיים, כגון קליפת המוח הקדם-מצחית, נחקרו באמצעות טכנולוגיית NIRS כדי להעריך שינויים פיזיולוגיים הקשורים לדרישה קוגניטיבית הקשורה לתכנון או רעיונות של משימות מוטוריות הקשורות לביצועי ספורט. כך, על ידי ניתוח שינויים הנגרמים על ידי פעילות גופנית (D) ב- O 2-Hb, H-Hb ו- TSI, ניתן לזהות מגבלות פעילות גופנית מרכזיות והיקפיות, במיוחד כאשר אימוני סיבולת הם המרכיב העיקרי של כושר גופני (למשל, ריצה, רכיבה על אופניים, טריאתלון וכו '). טיפול בגורמים אלה הוא בעל חשיבות עליונה עבור מאמנים ופיזיולוגים של פעילות גופנית כדי לייעל את הביצועים הספורטיביים, תוך שילוב אסטרטגיות אימון המתמקדות בגורמים המגבילים את הפעילות הגופנית. מחקר זה מתאר פרוטוקול לשימוש במכשירים לבישים המצוידים בטכנולוגיית NIRS לניתוח שינויים בפעילות גופנית ב- TSI, O 2-Hb ו- H-Hb, לצד משתנים לב-ריאה הנרשמים בדרך כלל אצל ספורטאים במהלך בדיקות VO_2-max. גישה זו מציעה שיטה מקיפה לזיהוי המערכות העיקריות המעורבות בעצירת התקדמות האימון ושיפור ביצועי הספורט.

ספורטאי סיבולת מסתמכים על איזון יעיל של אספקת וספיגת חמצן כדי לקיים פעילות גופנית בעצימות גבוהה ולשפר את הביצועים האתלטיים שלהם ^1,2. מבחן צריכת החמצן המרבית (VO_2-max) הוא הערכה פיזיולוגית חיונית הקובעת את ביצועי הספורט על ידי ניתוח גזים נשפים ומשתנים לבבי-נשימתיים במהלך עצימות אימון מצטברת¹. הערכה זו, המכונה ארגוספירומטריה או בדיקת פעילות גופנית לב-ריאה (CPET), משקפת את תגובת הפעילות הגופנית של מערכת הלב וכלי הדם, הנשימה והשרירים³. ברוח זו, עלות האנרגיה המוגברת הקשורה לנשימה, המכונה עלות הנשימה (COB), מגבירה את הביקוש לחומרים מזינים וחמצן ברקמות שמסביב. תופעה זו תועדה כבעלת פוטנציאל להפחית את זרימת הדם לשרירים המעורבים בתנועות פעילות, וכתוצאה מכך ירידה בסבילות למאמץ גופני והפסקה מוקדמת של התקדמות הפעילות הגופנית עקב הרפלקס המטבולי⁴.

במהלך בדיקת VO_2-max , ניתן גם לזהות את ספי ההנשמה (VTs), המתאימים לעוצמות אימון ספציפיות המסמנות את המעבר מחילוף חומרים אירובי לאנאירובי (סף אירובי או סף אוורור 1 [VT1], וסף אנאירובי או נקודת פיצוי נשימתי [RCP] או סף אוורור 2 [VT2])⁵. VTs משקפים את תגובות האוורור המפצות על שינויים מטבוליים במהלך פעילות גופנית מצטברת⁶. על ידי זיהוי ערכי סף אלה, CPET מציע הערכה מקיפה על ידי שילוב התגובות של מערכות ביולוגיות מרובות המעורבות באופן קריטי במהלך פעילות גופנית בעצימות גבוהה.

עם זאת, בעוד ארגוספירומטריה נחשבת לתקן הזהב להערכת CPET, היא אינה לוכדת שינויים מטבוליים המתרחשים ברמת השריר. שינויים אלה חיוניים להבנת הגורמים המגבילים הפיזיולוגיים הקשורים לחוסר התקדמות במהלך פעילות גופנית בעצימות גבוהה אצל ספורטאי סיבולת. בהקשר זה, טכנולוגיית NIRS התפתחה ככלי רב ערך במדעי האימון, המסייע בניתוח משתנים המודינמיים ברמת השריר המיקרו-וסקולרי⁷.

בשנים האחרונות, אנשי מקצוע וחוקרי ספורט השתמשו במגוון רחב של התקנים לבישים מסחריים המצוידים בטכנולוגיית NIRS כדי לחקור שינויים לא פולשניים בשרירים במהלך פעילות גופנית, ומספקים את היכולת לקבוע VT1 ו- VT2 באמצעות טכנולוגיה זו⁸. לפיכך, ניתוח אינטגרטיבי של נתונים מ- NIRS ו- CPET מציע הבנה מקיפה של תגובות פיזיולוגיות לפעילות גופנית.

טכנולוגיית NIRS משתמשת בחוק באר-למברט המתוקן כדי לכמת שינויים (D) בריכוזים של אוקסיהמוגלובין (O_2-Hb) ודאוקסיהמוגלבין (H-Hb) במהלך תרגיל⁷. ברמת הרקמה המקומית, ירידה ב-O_2-Hb משקפת עלייה בביקוש המטבולי המקומי, בעוד עלייה ב-H-Hb משקפת עלייה במיצוי חמצן. המוגלובין כולל (tHb), הסכום של O_2-Hb ו- H-Hb, משמש כמדד לזרימת דם מקומית ברקמות. לעומת זאת, ההבדל בין O_2-Hb ו- H-Hb (Hb_diff) מספק אינדקס של מיצוי חמצן רקמות⁹. מדד הרוויה הטיסולרית (TSI), המחושב כיחס בין O 2-Hb ל- tHb, משקף את רמת ריווי החמצן ברקמה ומציין את האיזון בין אספקת חמצן מקומית לספיגה^10,11. לפיכך, נתוני NIRS מספקים תובנות קריטיות לגבי המצב הפיזיולוגי ברמה המיקרו-וסקולרית, ומספקים הבנה מפורטת של חמצון רקמות והמודינמיקה המשלימה את המידע המתקבל מ-CPET.

הבנה מפורטת זו המסופקת על ידי טכנולוגיית NIRS משתרעת על יישומים מעשיים רבים. מחקר שנערך לאחרונה מדגיש את הרבגוניות של NIRS ומדגים את היישום המעשי שלה בניטור שרירי נשימה^12,13 ושרירי לוקומוטור⁷, כמו גם אזורי מוח המעורבים ברעיונות של פעולה מוטורית, כגון קליפת המוח הקדם-מצחית (PFC)^14,15. ישימות רחבה זו מדגישה את היכולת של NIRS לספק תובנה מקיפה לגבי תגובות פיזיולוגיות לסוגים שונים של התכווצויות שרירים (התכווצויות קונצנטריות או אקסצנטריות או איזומטריות) ופעילות גופנית.

על ידי ניתוח DTSI המושרה על ידי פעילות גופנית הן ברמת השרירים והן ברמת המוח, NIRS מספק פוטנציאל רב ערך לזיהוי קשרים בין גורמים מגבילים היקפיים ומרכזיים המשפיעים על התקדמות פעילות גופנית^16,17. לדוגמה, בקרב גורמים מגבילים מרכזיים, ירידה בזרימת הדם כתוצאה מהתכווצות כלי דם מוחית הנגרמת על ידי היפרוונטילציה מפצה עקב רמות מימן גבוהות ממטבוליזם אנאירובי ועלייה בלקטט בדם במהלך פעילות גופנית בעצימות גבוהה היא תורמת משמעותית לירידה ב- TSI בקליפת המוח הקדם-מצחית^17,18. לעומת זאת, גורמים מגבילים פריפריאליים מאופיינים בחוסר איזון בין היצע החמצן לביקוש בשרירים המתאמנים¹⁹. אספקת חמצן מקומית מופחתת וצריכת חמצן מוגברת יכולות להוביל לדה-חמצון של רקמות, כפי שמעידה ירידה ב-TSI²⁰. הבחנה זו מדגישה את האופי הרב-גוני של מגבלות הביצוע במהלך פעילות גופנית בעצימות גבוהה, שבה הן המנגנון המרכזי והן המנגנון ההיקפי הם קריטיים. הבנה זו מצביעה על כך שעיכוב הופעתם של גורמים מגבילים אלה במהלך פעילות גופנית עשוי לתרום לשיפור הביצועים הספורטיביים.

כדי למנף באופן מלא את הפוטנציאל של טכנולוגיית NIRS בזיהוי מגבלות אלה, נהלים סטנדרטיים חיוניים כדי להבטיח איסוף וניתוח נתונים באיכות גבוהה. מסמך זה מתאר שיטות לביצוע בדיקות אימון סיבולת מקסימליות באמצעות טכנולוגיית NIRS לאיסוף נתונים פיזיולוגיים ולהבהרת הקשר בין גורמים מגבילים מרכזיים והיקפיים במהלך פעילות גופנית בעצימות גבוהה בקרב ספורטאי סיבולת. הפרוטוקול המוצע מספק גישה סטנדרטית כדי להבטיח עקביות ודיוק בהערכת התופעות הפיזיולוגיות העומדות בבסיס גורמים מגבילים אלה.

הפרוטוקול אושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית של Pontificia Universidad Católica de Chile (פרויקטים מס' 210525001 ו-220608010), והמחקר נערך בהתאם להצהרת הלסינקי. כל המשתתפים נתנו הסכמה מדעת בכתב לפני שהשתתפו בבדיקה המתוארת.

1. מיקום והתקנה של התקנים לבישים NIRS

הערה: ניתן להשתמש בהתקנים לבישים שונים של NIRS ובתוכנות לרכישת נתונים. על החוקרים לעיין ביסודיות בהוראות ובהנחיות היצרן כדי להבטיח התקנה ושימוש נאותים. במחקר זה, המכשירים המשתמשים באוגר גל רציף של אות NIRS משמשים. התקנים מסחריים אלה קלים לשימוש, אך הם יכולים לזהות רק שינויים בהנחתת האור ביחס לנקודת הייחוס או הפאזה הבסיסית ואינם יכולים לזהות ריכוזים מוחלטים כמו התקנים אחרים המשתמשים באוגר תחום זמן של NIRS.

1. הכנת התקנים לבישים של NIRS והנחיות השמה כלליות
   1. לפני הצבת המכשירים והתחלת המדידות, ודא שכל המכשירים הלבישים טעונים במלואם.
      הערה: עבור המכשירים ששימשו במחקר זה, היצרן מדווח כי סוללה עם טעינה מלאה יכולה לרשום 6-8 שעות ברציפות.
   2. יש למרוח סרט הדבקה דו-צדדי על כל המכשירים הלבישים כדי להצמיד אותם לעור המשתתף, ולהבטיח שהסרט לא יחסום את פולטי האור והגלאים שלהם.
   3. כסו את כל הפריטים הלבישים בשכבה של סרט נצמד, ולאחר מכן שכבה של תחבושת דבק עמידה למים כדי להגן עליהם מפני זיעה.
   4. לפני הנחת המכשירים, נקו את אזור היעד עם פד אלכוהול כדי להסיר שאריות שעלולות להפריע לאוגר (למשל, קרמים, קוסמטיקה וכו'). במידת הצורך, יש לגלח את האזור סביב אתר המטרה, מכיוון שהשיער עלול להפריע לאותות NIRS.
      הערה: מומלץ לבצע שטיפת ידיים יסודית לפני הנחת מכשיר כלשהו על עור המתאמן כדי למנוע זיהום פוטנציאלי. לבישת כפפות מעודדת, שכן היא יכולה להפחית עוד יותר את הסיכון לזיהום.
   5. לאחר שכל המכשירים הלבישים מונחים כראוי על עור המתאמן (ראה סעיף 1.2), אבטחו אותם באמצעות שכבה של סרט טיפולי אלסטי. אם יש צורך בקיבוע נוסף, השתמש בעטיפת תחבושת אלסטית בצבע כהה, כדי להבטיח שדחיסה מוגזמת לא תשנה את המדידות (פחות מלחץ חסימת נימי נימי 25 מ"מ כספית שנמדד על ידי מד לחץ דם קונבנציונלי).
   6. הניחו מטלית שחורה על כל הפריטים הלבישים כדי למנוע חדירת אור סביבתי. אם כיסוי האזור בבד אינו אפשרי (בסביבות 6 ס"מ²), השתמש בסרט טיפולי אלסטי שחור כדי לחסום את אור הסביבה.
2. מיקום התקן NIRS
   הערה: ודא שהתקנים לבישים של NIRS ממוקמים כך שלחצני ההפעלה/כיבוי וההגדרה יהיו נגישים בקלות.
   1. קליפת המוח הקדם-מצחית: מקם את הגשושית NIRS על קליפת המוח הקדם-מצחית הגבית-צדית השמאלית או הימנית, כ-10 מ"מ מעל הקשת השטחית של המשתתף, בדומה למיקום אלקטרודות Fp1 על פי מערכת EEG 10-20 הבינלאומית ששונתה²¹.
   2. m.intercostales: מקם את בדיקת NIRS מעל החלל הבין-קוסטלי^השביעי בקו בית השחי הקדמי הימני 22,23,24. אם, מסיבה כלשהי, הוא אינו ממוקם מעל hemithorax ימין, למקם אותו מעל hemithorax שמאל, אבל האות מן קצב הלב עשוי להיות בולט יותר בצד שמאל.
      1. כדי לאשר את עומק החדירה של NIRS, השתמש באולטרסאונד במצב B כדי לאמת את המרחק מרקמה תת עורית לגבול החיצוני של m.Intercostales. למדידות ב- m.Intercostales, ודא שהמרחק בין העור לשריר הוא פחות מ -15 מ"מ.
   3. m.Vastus Lateralis: מקם את הגשושית NIRS 5 ס"מ לרוחב לנקודת האמצע של הקו הדמיוני, ומחבר את הקצה העליון של הפטלה ואת הטרוכנטר הגדול יותר של עצם הירך 24,25,26.
      1. כדי להבטיח שעובי רקמת השומן (ATT) אינו משנה את האוגר של אות NIRS, מדוד את עובי קפל העור כדי לאשר את עומק החדירה של NIRS²⁷. למדידות ב- m.Vastus Lateralis, ודא שה- ATT קטן מ- 20 מ"מ.
3. הגדרת תוכנת NIRS
   1. לאחר שכל המכשירים הלבישים של NIRS ממוקמים כראוי (ראה סעיף 1.2), הפעל אותם לפני תחילת המדידה.
   2. הפעל את תוכנת איסוף הנתונים שסופקה על-ידי היצרן, צור קובץ חדש וקשר את התקנים לבישים של NIRS.
   3. לאחר שכל המכשירים הלבישים של NIRS מקושרים בהצלחה, הגדר את קצב הדגימה ל- 10 הרץ לרכישת נתונים והמרה אנלוגית לדיגיטלית עבור הרקמות המוערכות. למדידות קליפת המוח הקדם-מצחית, התאימו את גורם אורך המסלול הדיפרנציאלי (DPF) בהתאם ל-DPF תלוי הגיל עבור כל משתתף²⁸. למדידת שרירים, הגדר את DPF ל -4, כפי ששימש בפרוטוקולים קודמים עם ספורטאים כנושאי מחקר^29,30.

2. כיול והתקנה של ארגוספירומטר

1. כיול נפחים
   1. פתח את תוכנת הארגוספירומטר שסופקה על-ידי היצרן כדי להתחיל בתהליך הכיול.
   2. חבר את מד הזרימה לטורבינה 28 מ"מ עם מתאם מזרק. חבר צינור גלי אחד למתאם המזרק ואת השני למזרק כיול 3 ליטר.
   3. בצע שישה תמרוני נסיגה/הזרקה, תוך שמירה על קצב זרימה קבוע. עם השלמתה, התוכנה תאשר באופן אוטומטי אם בדיקת הכיול עברה.
2. כיול גז
   הערה: ודא שכיול הזרימה מתבצע לפני תחילת כיול הגז.
   1. כיול אוויר
      1. ודא שקו הדגימה מאנלייזר הגז מנותק מיציאת הכיול ותלוי בחופשיות. לאחר מכן, אתחל את תהליך הכיול.
      2. במהלך הכיול, קו שטוח יציב נצפה כמו ריכוזי חמצן (O₂) ופחמן דו חמצני (CO₂) אינם משתנים באופן משמעותי (פחות מ 5%). לאחר שכיול האוויר הושלם בהצלחה, המשך לכיול הגז המטבולי.
   2. כיול גזים מטבוליים
      1. פתח את שסתומי הגז וודא כי לחץ מתאים מועבר למערכת על ידי בדיקת המנומטר (התייעץ עם היצרן לקבלת הוראות ספציפיות).
      2. חבר את שורת הדגימה ליציאת הכיול ואתחל את תהליך הכיול. בצע חימום מקדים של 3 דקות לפני תחילת הכיול, בהתאם להמלצת היצרן.
      3. אם נעשה נכון, לאחר 3 דקות לפני החימום, יש להבחין בשני קווים שטוחים: אחד נע בין אוויר החדר (בערך 21.00% O₂ ו 0.04% CO₂) והשני בין גז כיול (16.00% O₂ ו 5.00% CO₂).
      4. לבסוף, נתקו את קו הדגימה מיציאת הכיול וחברו אותו לפייה שתשמש לבדיקה הקרובה.

3. מיקום אלקטרודות א.ק.ג. (12 מוליכים)

1. הכינו את העור על ידי פילינג עם קרם ו/או גילוח שיער מאתרי מיקום האלקטרודות במידת הצורך. נקו את האזורים עם כרית אלכוהול כדי להסיר שאריות רקמה שטחיות.
2. מקם את אלקטרודות האק"ג באופן הבא³¹:
   1. מקם את מוליך דו קוטבי (אלקטרודות עופרת גפיים) כדלקמן: זרוע שמאל (LA): צד שמאל של פוסה subclavicular; זרוע ימין (RA): צד ימין של פוסה subclavicular; רגל שמאל (LL): הקרנה קדמית של ראש עצם הירך השמאלית; רגל ימין (RL): הקרנה קדמית של ראש עצם הירך הימנית.
   2. מקם את אלקטרודות העופרת precordial כדלקמן: V1: 4 שטח intercostal^מימין עצם החזה; V2: 4^החלל הבין-קוסטלי משמאל לעצם החזה (בקו אחד עם V1); V3: אמצע הדרך בין V2 ל-V4; V4: 5^מרחב בין-קוסטלי בקו האמצעי; V5: קו בית השחי הקדמי באותה רמה כמו V4; V6: קו אמצע בית השחי באותה רמה כמו V4 ו-V5.

4. בדיקת פעילות גופנית מקסימלית מצטברת (בדיקת פעילות לב-ריאה, CPET)

1. בקשו מהמשתתפים לשבת על האופניים, וודאו שהמושב והכידון מותאמים לגובהם לנוחות ומיקום אופטימליים.
   הערה: מומלץ לכוון את גובה המושב כך שהברך תהיה כפופה מעט בשלוחה מלאה³². יש למקם את הכידון כך שיאפשר כיפוף קל של המרפקים.
2. הצמידו מד דופק אוקסימטר לאונן האוזן של המשתתף, וודאו שהאתר נקי על ידי ניגובו עם פד אלכוהול.
3. הסבירו את הפרוטוקול והנחו את המתאמן לנשום דרך המסכה לפני, במהלך ואחרי הבדיקה.
   הערה: על המשתתף להימנע מדיבור או שריקה בעת עטיית המסכה, מכיוון שהדבר עלול להשפיע על קריאות הארגוספירומטר³³.
4. לאחר שהמשתתף ממוקם ומוכן, בקש מהמשתתף להאריך את רגל ימין ולהמתין 2 דקות להוראת ההתחלה (שלב המנוחה הראשונית). בקשו מהמשתתפים לדווש בקצב שבין 80-100 סל"ד למשך 6 דקות ב-0.6 W·^kg-1 ו-0.8 W·^kg-1 לנשים/גברים, בהתאמה (שלב החימום). לאחר מכן, הגדילו את עומס העבודה בקצב של 20 W·min^-¹ לנשים ו-25 W·min^-¹ לגברים עד שהמשתתף מגיע לתשישות (שלב האימון).
5. לאחר סיום שלב האימון, יש להנחות את המתאמן להישאר במקום ולהמשיך לנשום לתוך המסכה במשך 3 דקות (שלב התקררות או התאוששות).
6. לאחר סיום פרוטוקול האימון, הסירו בזהירות את מד הדופק אוקסימטר מתנוך האוזן, מהמסכה, מכל שלושת המכשירים הלבישים NIRS ומאלקטרודות האק"ג.
   הערה: כדי לשמור על מצב הסביבה במעבדה (למשל, טמפרטורת האוויר ~ 20 ± 2 °C, לחות יחסית ~ 40% ± 5%), זהו קריטריון מכריע. חלק מהמשתתפים יכולים להראות קצב זיעה גבוה, אשר מפריע לקיבוע המכשירים על העור ומשפיע על רישום נתוני NIRS. השימוש במאווררים יכול לעזור להפחית את thermoregulation חם על ידי הזעה.

במהלך השלמת CPET, הסימפטומים של קוצר נשימה, עייפות רגליים וקצב המאמץ הנתפס (RPE) דווחו בכל הנבדקים. השימוש המשלים במכשירי NIRS לא הוסיף אי נוחות להערכת התחושה של הנבדקים. כמו כן, לא הפסקנו את הערכות CPET על ידי כל אירוע סיכון הקשור ללחץ פיזיולוגי מוגזם.

חקרנו שני רוכבי אופניים גברים תחרותיים שגויסו ממועדון אופניים ארצי. קריטריוני ההכללה במחקר זה היו משתתפים פעילים גופנית (≥150 דקות של פעילות גופנית מתונה או ≥75 דקות של פעילות גופנית נמרצת בשבוע) עם מדד מסת גוף תקין (20-25 ק"^ג-m-2). קריטריוני ההדרה במחקר זה היו היסטוריה של מחלות נשימתיות, לב וכלי דם, מטבוליות, שרירים ושלד או ניאופלסטיות או תהליך זיהומי או דלקתי לפחות שבועיים לפני הערכות המחקר.

השלמת CPET, המלווה ברישום לא פולשני של שינויים המודינמיים וחמצון רקמות הנובעים משינויים מטבוליים הנגרמים על ידי עצימות אימון מוגברת באמצעות מכשירים המצוידים בטכנולוגיית NIRS, מאפשרת זיהוי גורמים מגבילים מרכזיים הקשורים לשינויים באזורים במוח לעומת גורמים מגבילים היקפיים הקשורים לתגובות נשימתיות או שריר-שלד לעצימות מוגברת של פעילות גופנית. פרוטוקול הבדיקה כולל שורה של שלבים, כולל הכנת המשתתף, ביצוע מבחן התרגיל ואיסוף נתונים פיזיולוגיים רלוונטיים.

ביצוע מוצלח של פרוטוקול CPET-NIRS מודגם על ידי נתונים ברורים ועקביים במספר פרמטרים. במהלך שלב המנוחה הראשוני, מדידות כגון קצב לב (HR), ריווי חמצן בדופק (SpO₂) וקריאות NIRS נרשמות כדי לקבוע קו בסיס. שלב החימום, המאופיין בדיווש בעומס עבודה נמוך, מכין את המשתתף לשלב האימון המצטבר, שבו עומס העבודה גדל בהדרגה (ראה איור 1).

איור 1: תכנון ניסויי של סכמת פרוטוקול תרגיל. ייצוג סכמטי של שלבי פרוטוקול התרגיל המשמש במחקר, תוך הדגשת אירועי מפתח כגון מנוחה (R), חימום (W), תרגיל (E), סיום (F) ועצירה (S), המתאימים לזרימה של פרוטוקול בדיקת פעילות לב-ריאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

תוצאות מייצגות של נתוני CPET (איור 2) ו-NIRS (איור 3 ואיור 4) משני ספורטאים גברים שהוערכו בתנאי מעבדה מבוקרים (טמפרטורת אוויר ~20 ± 2°C; לחות יחסית ~40% ± 5%) מוצגות: (i) משתתף 1 (איור 2A ואיור 3) (גיל: 33 שנים, משקל: 80 ק"ג, גובה: 178 ס"מ, עומס עבודה מרבי: 300 W, VO_{2-מקסימום}: 46 מ"ל·^kg-1·^min-1, VE: 177 L·^min-1, HR-max (%חזוי, 220 שנה): 100%, PetCO₂: 27 מ"מ כספית); ו-(ii) משתתף 2 (איור 2B ואיור 4) (גיל: 26 שנים, משקל: 67 ק"ג, גובה: 178 ס"מ, עומס עבודה מרבי: 300 W, VO_2-max: 51 mL·^kg-1·^min-1, VE: 131 L·^min-1, _HR-max (% חזוי, 220 שנה): 93%, PetCO₂: 33 מ"מ כספית).

בשני המשתתפים, VO₂ (צריכת חמצן), VCO₂ (ייצור פחמן דו חמצני), RQ (מנה נשימתית, VCO₂· VO ^2-1), HR, VE (אוורור ריאות) ו-RR (קצב נשימה) מציגים עלייה מתמשכת ככל שעצימות האימון עולה עד שמגיעים לערך המרבי של VO₂ (ראו איור 2).

איור 2: שינויים במשתנים פיזיולוגיים שהוערכו במהלך CPET. ההתקדמות של משתנים פיזיולוגיים שנמדדו במהלך בדיקות פעילות לב-ריאה, כולל צריכת חמצן (VO2), אוורור דקות (VE), לחץ CO2 בסוף הגאות (PetCO2) ותפוקת חשמל (וואט), מוצגים. המעברים בין ספי האוורור 1 ו-2 (VT1 ו-VT2) מסומנים בשלבי התרגיל. (א) משתתף 1 ו-(ב) משתתף 2. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

נתוני NIRS סיפקו תובנות לגבי הביקוש המטבולי המקומי במהלך CPET. השינויים הנגרמים על ידי פעילות גופנית שנצפו ברקמת המטרה (שרירית לעומת מוח) משתנים בהתאם לרקמה הספציפית ולעוצמת התרגיל המנותח. לכן, מסגרת פיזיולוגית שימושית לפרש את נתוני NIRS הנגרמים על ידי פעילות גופנית היא המודל הטריפאזי של עצימות האימון שהוצע על ידי סקינר ומקלן³⁴. במודל זה, המחברים מגדירים שלושה אזורים שהוגדרו על ידי VTs: שלב I או אירובי, (ii) שלב II או מעבר אירובי-אנרובי, ו-(ii) שלב III או "חוסר יציבות מטבולית".

בעוצמות אימון מתחת ל-VT2 (שלבים I ו-II), תתרחש ירידה ב-O_2-Hb ועלייה ב-H-Hb ברמת השריר – אם אין שונות משמעותית ב-T-Hb כפרמטר של זרימת דם מקומית. פרוטוקול CPET-NIRS שלנו מורכב מתרגילים מחזוריים עם התכווצויות/הרפיות שרירים חוזרות ונשנות, כך שצפויה שונות מינימלית ב-T-Hb. עם זאת, שינויים הנגרמים על ידי פעילות גופנית משתנים בהתאם לרקמת שריר המטרה המוערכת. בשרירים מוטוריים, כמו m.Vastus Lateralis, העלייה ההדרגתית בעצימות האימון, גורמת לשינויים בנתוני NIRS במקביל לעומס העבודה (ראו איור 3A). לעומת זאת, בשרירי נשימה נלווים, כמו למשל m.Intercostales, השינויים מקבילים לשינויים בהנשמה ולא בעומס העבודה (ראו איור 3B). ב-PFC נצפתה עלייה של O 2-Hb, H-Hb ו-T-Hb מכיוון שזרימת הדם עולה על הביקוש המקומי המושרה על ידי פעילות גופנית; כמו כן, ניתן היה לראות ירידה קלה ב-TSI (ראו איור 3C). בכל הרקמות שנבדקו, פרמטר TSI יורד ככל שעצימות האימון עולה, מה שהופך את השינויים ב-m.Vastus Lateralis לידועים יותר לשמצה מאשר m.Intercostales ו-PFC (ראו איור 3D).

איור 3: דוגמה למגבלה מרכזית (משתתף 1). נתוני NIRS במהלך פרוטוקול CPET (אירועים: W = חימום, E = פעילות גופנית, VT1 = סף אוורור 1 או סף אוורור אירובי, VT2 = סף אוורור 2 או סף אוורור אנאירובי, F = תרגיל סופי או VO_2-max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales, ו-(C) קליפת המוח הקדם-מצחית (PFC).   אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

ככל שהביקוש המטבולי הנגרם על ידי פעילות גופנית עולה, במיוחד בעוצמות מעל VT2 (שלב III או "חוסר יציבות מטבולית"), תגובות פיזיולוגיות מעניינות שיש לחקור מתרחשות הן ברמת השרירים (שרירי הלוקומוטור והנשימה) והן ברמת ה-PFC. אלה כוללים ירידה ניכרת ב- O_2-Hb ו- tHb, לצד עלייה מרשימה ב- H-Hb, היבטים התומכים בירידה הבולטת ב- TSI.

אצל נבדקים עם ביקוש אוורור גבוה במהלך פעילות גופנית בעצימות גבוהה, העלייה המעריכית ב- VE ו- RR גורמת להיפרוונטילציה מוגברת בגלל העלייה ב- CO₂ של "מקור מטבולי". היפרוונטילציה זו יכולה לגרום להתכווצות כלי דם מוחית בולטת, ובכך להגביל את הביצועים על ידי הגבלה מרכזית, כפי שניתן לראות בנושא מייצג זה. באופן תיאורטי, השינויים שנצפו בנתוני NIRS נובעים מהתכווצות כלי דם במוח הנגרמת על ידי היפוקפניה שהוסק מהירידה הפתאומית של הלחץ בסוף הגאות של CO₂ (PetCO₂) הרשום ב-CPET (ראו איור 2). שינויים פיזיולוגיים אלה הוכחו כבעלי קשר גבוה עם קוצר נשימה מוגבר הנגרם על ידי פעילות גופנית, שנרשם באמצעות סולם בורג^{שונה 35,36}.

מצד שני, נבדקים עם ביקוש מוטורי גבוה אך לא ביקוש נשימתי גבוה אינם מפגינים התכווצות כלי דם במוח על ידי היפוקפניה. כתוצאה מכך, נתוני NIRS עשויים להמשיך לשקף שינויים כמו אלה שנצפו בעוצמות אימון מתונות. בנבדקים אלה, ביצועי הפעילות הגופנית מוגבלים על-ידי גורמים מגבילים היקפיים ולא מרכזיים (ראו איור 4). שינויים פיזיולוגיים אלה הוכחו כבעלי קשר גבוה עם עייפות מוגברת של הרגליים הנגרמת על ידי פעילות גופנית.

איור 4: דוגמה למגבלה היקפית (משתתף 2). נתוני NIRS במהלך פרוטוקול CPET (אירועים: W = חימום, E = פעילות גופנית, VT1 = סף אוורור 1 או סף אוורור אירובי, VT2 = סף אוורור 2 או סף אוורור אנאירובי, F = תרגיל סופי או VO_2-max). (A) m.Vastus Lateralis, (B) m.Intercostales, ו-(C) קליפת המוח הקדם-מצחית (PFC). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. 

קיים פוטנציאל משמעותי בשימוש בהתקנים לבישים של NIRS ככלי משלים ל-CPET להערכת ביצועים ספורטיביים ולזיהוי גורמים מגבילים בפעילות גופנית מרכזית והיקפית בקרב ספורטאים אירוביים או סיבולת, בהתחשב בכך שטכנולוגיית NIRS הוכיחה את תקפותה ואמינותה בהערכת המודינמיקה של כלי דם באזור המוח והשרירים^{כאחד 37,38}. עם זאת, כדי למקסם את היתרונות של טכנולוגיה זו, יש להתייחס למספר שיקולים כדי להבטיח מדידות מדויקות.

הנחיות כלליות למיקום מכשיר לביש NIRS כוללות התאמת המיקום לרקמת המטרה והבטחת חיבור בטוח לעור המתאמן, שכן תנועה במהלך פעילות גופנית עלולה להשפיע על אותות NIRS (חפצים)⁷. כדי להשיג זאת, המכשיר צריך להיות במגע מלא עם העור מודבק באמצעות סרט דבק דו צדדי, להבטיח כי פולטי אור וגלאים הם ללא הפרעה. ליציבות נוספת, ניתן למרוח סרט טיפולי אלסטי על המכשיר. בעת הנחת המכשיר על איבר שיופעל באופן פעיל במהלך התרגיל, כגון m.Vastus Lateralis, ניתן להשתמש בעטיפת תחבושת אלסטית לתוספת יציבות במהלך הרכיבה. עם זאת, הימנעות מדחיסה מוגזמת סביב אופטודות NIRS היא חיונית מכיוון שהיא עלולה לשנות את זרימת הדם המקומית ולהשפיע באופן פוטנציאלי על דיוק מדידות NIRS (הלחץ אינו גבוה מלחץ זילוח נימי, ~ 25 מ"מ כספית)⁷. מומלץ שכל סרט או תחבושת שנעשה בהם שימוש במכשיר NIRS יהיו שחורים כדי למנוע הפרעה לאור הסביבה^39,40. בנוסף, תאורה מעומעמת בסביבת הבדיקה יכולה למזער הפרעות אפשריות לדיוק אות NIRS.

בעוד מיקום ואבטחה נכונים של המכשירים הם חיוניים, חשוב באותה מידה לקחת בחשבון מאפיינים אנטומיים בודדים שעשויים להשפיע על מדידות NIRS. מגבלה עיקרית אחת היא שהדיוק של מדידות NIRS יכול להיות מושפע מגורמים כגון עובי רקמת השומן (ATT)^41,42. עומק החדירה המרבי של NIRS הוא כמחצית המרחק בין מקור האור לגלאי⁴³. ככל שה-ATT עולה, שיעור אות ה-NIRS שמקורו בשרירי השלד הבסיסיים יורד^ב-11. ירידה זו בתרומת האות גורמת לרמות נמוכות יותר של O 2-Hb ו- H-Hb, בין כרומופורים אחרים⁴². לכן, מומלץ למדוד ATT כדי להבטיח חדירת אור תקינה לשריר. קליפר או אולטרסאונד יכולים לשמש למטרה זו, שכן שתי השיטות מעריכות במדויק את הרכב הגוף אצל ספורטאים; עם זאת, האחרון מספק דיוק מעולה וניתן להעדיף אותו⁴⁴.

בנוסף ל-ATT, הדיוק של מדידות NIRS מושפע גם מגורם אורך הנתיב הדיפרנציאלי (DPF), המשמש לחישוב ריכוזים של O 2-Hb ו-H-Hb באמצעות חוק באר-למברט⁴⁵ המתוקן. רוב מכשירי NIRS המסחריים משתמשים במערכות גל רציף הפולטות אור בעוצמה קבועה ומניחות DPF¹¹ קבוע. עם זאת, DPF אינו ערך קבוע, מכיוון שהוא משתנה עקב הבדלים אנטומיים בודדים, כולל גולגולת ו- ATT^41,46. יתר על כן, שונות ב-DPF בקרב פרטים והבדלים במאפיינים אנטומיים בין המינים כגון שינויים בעצמות, במסת השריר ובפיזור רקמת השומן – יכולים גם הם להשפיע על דיוק המדידות²⁸. בשל ההנחה של DPF קבוע, התקנים אלה יכולים למדוד רק שינויים יחסיים ב- O_2-Hb ו- H-Hb מקו בסיס במקום לספק ערכים מוחלטים¹¹. לכן, בעוד טכנולוגיית NIRS היא בעלת ערך לניטור מגמות חמצון רקמות, יש לנקוט משנה זהירות בעת פירוש מדידות אלה. מחקר נוסף צריך להתמקד בפיתוח שיטות להעריך DPF ברקמות המוח והשרירים במדויק. בינתיים, מומלץ לתעד ערכי DPF המשמשים במחקרים כדי לשפר את יכולת השחזור של התוצאות.

מאפיין אנטומי נוסף שיכול להשפיע על מדידות NIRS הוא ריכוז המלנין בעור. מלנין, יחד עם המוגלובין, הוא כרומופור ראשוני בעור⁴⁷. לאנשים עם פיגמנטציה של עור כהה יותר יש מלנוזומים גדולים ומרוכזים יותר, מה שיכול להוביל להיחלשות אות גדולה יותר עקב ספיגת אור מוגברת⁷. עוצמת האות שזוהה תלויה באור הנבלע בכרומופורים, בתכונות פיזור האור ברקמה ובמרחק בין מקור האור לגלאי⁴⁷. כתוצאה מכך, ריכוזי מלנין גבוהים יותר יכולים להפריע לאיכות אות NIRS, מה שמוביל לקריאות ריווי רקמת חמצן מוחלשות, בעיקר ברמת השרירים^48,49. כדי להסביר שינויים אלה ולשפר את יכולת הפרשנות של נתוני NIRS בקרב אוכלוסיות מגוונות, מומלץ לדווח על פיגמנטציה של העור באמצעות סולם סיווג סוג העור^{פיצפטריק 7}.

באשר לתחולת פרוטוקול זה במרשם לאימונים, טכנולוגיית NIRS שימשה בעיקר להערכת חילוף החומרים בשרירים במהלך תרגילי סיבולת, במיוחד בפרוטוקולים שבהם חמצון המצע משמש כמקור האנרגיה העיקרי לסינתזה מחדש של ATP. קיימות עדויות מוגבלות לגבי יישומו באימוני התנגדות, אך סקירת ספרות מצביעה על כך שההשפעות החריפות של אימוני כוח על TSI תלויות בהרכב סיבי השריר. באופן ספציפי, שרירים עם שיעור גבוה יותר של סיבים מסוג I, כגון m.Vastus Lateralis מראה ΔTSI גדול יותר בהשוואה לקבוצות שרירים אחרות שאומנו באותה עוצמה. עם זאת, הטרוגניות ניכרת במתודולוגיות המחקר ממשיכה להגביל את ההכללה של הממצאים המדווחים. התוצאות הראשוניות של מחקר זה, יחד עם פרסומים עתידיים של פרוטוקולים סטנדרטיים, יתמכו ביישומים רחבים יותר של טכנולוגיה זו לקביעת עצימות אימון בהקשרים מגוונים⁵⁰.

לסיכום, התקנים לבישים של NIRS מהווים התקדמות משמעותית בניטור לא פולשני של תגובות המודינמיות ברמה המיקרו-וסקולרית במהלך פעילות גופנית, ומשלימים את משתני הלב ריאה המוערכים על ידי CPET. בניגוד לשיטות פולשניות, NIRS מספק נתונים בזמן אמת על האיזון בין אספקת חמצן לצריכתו מבלי להפריע לתנועה הטבעית של הספורטאי. טכנולוגיה זו מזהה ביעילות גורמים מגבילי פעילות גופנית מרכזיים והיקפיים על ידי זיהוי שינויים ב- O_2-Hb, H-Hb ו- TSI ברקמות שונות ובעוצמות פעילות גופנית. התובנות המפורטות לגבי שינויים בביקוש המטבולי ובתגובות הפיזיולוגיות מדגישות את הפוטנציאל של NIRS לייעל תוכניות אימונים ולשפר את הביצועים הספורטיביים. בנוסף, היכולת של NIRS להעריך המודינמיקה מיקרו-וסקולרית מוחית ושרירית מציעה הזדמנויות חדשות לחקור תגובות פיזיולוגיות לשיטות ועוצמות אימון שונות. בסך הכל, טכנולוגיית NIRS טומנת בחובה הבטחה משמעותית לקידום הבנתנו את הפיזיולוגיה האנושית ולתרומה למחקר במדעי האימון, תוך מתן כלי רב ערך לשיפור הביצועים הספורטיביים ולשכלול אסטרטגיות האימונים.

המחברים מצהירים כי אין ניגוד עניינים.

אנו מודים לכל המשתתפים במחקר זה ולצוות המעבדה הטכנית על תמיכתם במדידות שנלקחו במעבדה לפיזיולוגיה של המאמץ. המחברים FC-B ו- ME-R נתמכו חלקית על ידי תחרויות המחקר והחדשנות III, IV ו- V של מדעי הבריאות בבית הספר (הפקולטה לרפואה, Pontificia Universidad Católica de Chile). המחבר RC-C מומן על ידי פרויקט הנתמך על ידי התחרות לפרויקטים קבועים למחקר, שנת 2023, קוד LPR23-17, Universidad Tecnológica Metropolitana.