Egzersiz sırasında merkezi ve periferik sınırlamaları belirlemek için yakın kızılötesi spektroskopisi giyilebilir cihazları kullanma

Bu protokol, kardiyopulmoner egzersiz testi sırasında prefrontal korteks, solunum (m.Intercostales) ve lokomotor (m.Vastus Lateralis) kaslardaki lokalize hematolojik ve oksijenasyon değişikliklerini değerlendirmek için yakın kızılötesi spektroskopi (NIRS) teknolojisini entegre eder ve egzersiz performansını etkileyen merkezi ve periferik sınırlayıcı faktörlerin tanımlanmasını sağlar.

Fiziksel olarak aktif deneklerde ve sporcularda aerobik kapasiteyi değerlendirmek için altın standart, artımlı bir egzersiz sırasında bir ergospirometrede nefes nefese yöntemle elde edilen solunan gazların ve kardiyorespiratuar değişkenlerin analizini içeren maksimum oksijen tüketimi testidir (VO_2-maks). Bununla birlikte, bu yöntem kas seviyesindeki metabolik değişiklikleri açıklayamaz. Yakın kızılötesi spektroskopisi (NIRS), dokuların mikro damar sistemindeki oksijenli (O 2-Hb) ve oksijensiz (H-Hb) hemoglobin konsantrasyonlarını ölçerek lokal oksijen seviyelerini (Tissular Doygunluk İndeksi, TSI) değerlendirmek için değerli bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. NIRS uygulamaları, sırasıyla solunum maliyeti (COB) ve periferik iş yükü ile ilişkili metabolik değişiklikleri değerlendirerek solunum ve lokomotor kaslara kadar uzanır. Ek olarak, prefrontal korteks gibi serebral bölgeler, spor performansıyla bağlantılı motor görevlerin planlanması veya düşünülmesi ile ilişkili bilişsel taleple ilgili fizyolojik değişiklikleri değerlendirmek için NIRS teknolojisi ile keşfedilmiştir. Bu nedenle, O_2-Hb, H-Hb ve TSI'de egzersize bağlı değişiklikleri (D) analiz ederek, özellikle dayanıklılık antrenmanı fiziksel uygunluğun ana bileşeni olduğunda (örneğin, koşu, bisiklet, triatlon, vb.) merkezi ve periferik egzersiz sınırlamalarını belirlemek mümkündür. Bu faktörleri ele almak, antrenörler ve egzersiz fizyologları için atletik performansı optimize etmek ve birincil egzersiz sınırlayıcı faktörlere odaklanan eğitim stratejilerini dahil etmek için çok önemlidir. Bu çalışma, VO_2-max testleri sırasında sporcularda tipik olarak kaydedilen kardiyorespiratuar değişkenlerin yanı sıra TSI, O_2-Hb ve H-Hb'deki egzersiz değişikliklerini analiz etmek için NIRS teknolojisi ile donatılmış giyilebilir cihazların kullanılması için bir protokolün ana hatlarını çizmektedir. Bu yaklaşım, egzersizin ilerlemesini durdurma ve spor performansının iyileştirilmesinde yer alan birincil sistemleri belirlemek için kapsamlı bir yöntem sunar.

Dayanıklılık sporcuları, yüksek yoğunluklu egzersizi sürdürmek ve atletik performanslarını artırmak için verimli bir oksijen iletimi ve alımı dengesine güvenirler ^1,2. Maksimum oksijen alım testi (VO_2-max), artımlı egzersiz yoğunluğu¹ sırasında solunan gazları ve kardiyorespiratuar değişkenleri analiz ederek spor performansını belirleyen hayati bir fizyolojik değerlendirmedir. Ergospirometri veya Kardiyopulmoner Egzersiz Testi (CPET) olarak bilinen bu değerlendirme, kardiyovasküler, solunum ve kas sistemlerinin egzersiz yanıtını yansıtır³. Bu doğrultuda, solunum maliyeti (COB) olarak adlandırılan solunumla ilişkili artan enerji maliyeti, çevre dokulardaki besin ve oksijen talebini artırır. Bu fenomenin, aktif hareketlerde yer alan kaslara giden kan akışını potansiyel olarak azalttığı, fiziksel efora karşı toleransın azalmasına ve metabolik refleks nedeniyle egzersiz ilerlemesinin erken durmasına neden olduğu belgelenmiştir⁴.

Bir VO_2-maks testi sırasında, aerobikten anaerobik metabolizmaya geçişi işaret eden spesifik egzersiz yoğunluklarına karşılık gelen ventilasyon eşiklerini (VT'ler) belirlemek de mümkündür (aerobik eşik veya ventilasyon eşiği 1 [VT1] ve anaerobik eşik veya solunum kompanzasyon noktası [RCP] veya ventilasyon eşiği 2 [VT2])⁵. VT'ler, artımlı egzersiz⁶ sırasında metabolik değişiklikleri telafi eden ventilasyon yanıtlarını yansıtır. CPET, bu eşikleri belirleyerek, yüksek yoğunluklu egzersiz sırasında kritik olarak devreye giren çoklu biyolojik sistemlerin tepkilerini entegre ederek kapsamlı bir değerlendirme sunar.

Bununla birlikte, ergospirometri, CPET'i değerlendirmek için yaygın olarak altın standart olarak kabul edilirken, kas seviyesinde meydana gelen metabolik değişiklikleri yakalamaz. Bu değişiklikler, dayanıklılık sporcularında yüksek yoğunluklu egzersiz sırasında ilerleme eksikliği ile ilişkili fizyolojik sınırlayıcı faktörleri anlamak için çok önemlidir. Bu bağlamda, NIRS teknolojisi, mikrovasküler kas seviyesindeki hemodinamik değişkenlerin analizine yardımcı olan egzersiz biliminde değerli bir araç olarak ortaya çıkmıştır⁷.

Son yıllarda, spor profesyonelleri ve araştırmacılar, egzersiz sırasında non-invaziv kas değişikliklerini keşfetmek için NIRS teknolojisi ile donatılmış çok çeşitli ticari giyilebilir cihazlar kullandılar ve bu teknoloji ile VT1 ve VT2'yi belirleme yeteneği sağladılar⁸. Bu nedenle, NIRS ve CPET'ten elde edilen verilerin bütünleştirici analizi, egzersize verilen fizyolojik tepkilerin kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlar.

NIRS teknolojisi, egzersiz⁷ sırasında oksihemoglobin₍O2-Hb) ve deoksihemoglobin (H-Hb) konsantrasyonlarındaki değişiklikleri (D) ölçmek için modifiye edilmiş Beer-Lambert yasasını kullanır. Yerel doku düzeyinde, O 2-Hb'deki bir azalma lokal metabolik talepteki bir artışı yansıtırken, H-Hb'deki bir artış oksijen ekstraksiyonundaki bir artışı yansıtır. O 2-Hb ve H-Hb'nin toplamı olan toplam hemoglobin (tHb), lokal doku kan akışının bir indeksi olarak kullanılır. Tersine, O 2-Hb ve H-Hb (Hb_farkı) arasındaki fark, doku oksijen ekstraksiyonunun bir indeksini sağlar⁹. O 2-Hb'nin tHb'ye oranı olarak hesaplanan sisüler doygunluk indeksi (TSI), doku oksijen doygunluk seviyesini yansıtır ve lokal oksijen iletimi ile alım arasındaki dengeyi gösterir ^10,11. Bu nedenle, NIRS verileri, mikrovasküler düzeyde fizyolojik durum hakkında kritik bilgiler vererek, CPET'ten elde edilen bilgileri tamamlayan doku oksijenasyonu ve hemodinamiği hakkında ayrıntılı bir anlayış sağlar.

NIRS teknolojisi tarafından sağlanan bu ayrıntılı anlayış, birçok pratik uygulamaya kadar uzanır. Son araştırmalar, NIRS'nin çok yönlülüğünü vurgulamakta ve solunum^12,13 ve lokomotor kasların⁷ yanı sıra prefrontal korteks (PFC)^14,15 gibi motor hareket fikrinde yer alan beyin bölgelerinin izlenmesinde pratik uygulamasını göstermektedir. Bu geniş uygulanabilirlik, NIRS'nin çeşitli kas kasılmalarına (konsantrik veya eksantrik veya izometrik kasılmalar) ve egzersize fizyolojik tepkiler hakkında kapsamlı bilgi sağlama yeteneğinin altını çizer.

NIRS, hem kas hem de serebral seviyelerde egzersize bağlı DTSI'yi analiz ederek, egzersizin ilerlemesini etkileyen periferik ve merkezi sınırlayıcı faktörler arasındaki ilişkileri belirlemek için değerli bir potansiyel sağlar^16,17. Örneğin, merkezi sınırlayıcı faktörler arasında, anaerobik metabolizmadan kaynaklanan yüksek hidrojen seviyelerine bağlı olarak telafi edici hiperventilasyonun neden olduğu serebral vazokonstriksiyondan kaynaklanan kan akışının azalması ve yüksek yoğunluklu egzersiz sırasında artan kan laktatının prefrontal kortekste TSI'deki azalmaya önemli bir katkıda bulunması^17,18. Buna karşılık, periferik sınırlayıcı faktörler, egzersiz kaslarında oksijen arzı ve talebi arasındaki dengesizlik ile karakterize edilir¹⁹. Azalan lokal oksijen iletimi ve artan oksijen tüketimi, azalmış TSI²⁰ ile kanıtlandığı gibi doku deoksijenasyonuna yol açabilir. Bu ayrım, hem merkezi hem de periferik mekanizmaların kritik olduğu yüksek yoğunluklu egzersiz sırasında performans sınırlamalarının çok yönlü doğasını vurgulamaktadır. Bu anlayış, egzersiz sırasında bu sınırlayıcı faktörlerin başlamasını geciktirmenin atletik performansın artmasına katkıda bulunabileceğini düşündürmektedir.

Bu sınırlamaları belirlemede NIRS teknolojisinin potansiyelinden tam olarak yararlanmak için, yüksek kaliteli veri toplama ve analizini sağlamak için standartlaştırılmış prosedürler gereklidir. Bu belge, dayanıklılık sporcularında yüksek yoğunluklu egzersiz sırasında fizyolojik veri toplamak ve merkezi ve periferik sınırlayıcı faktörler arasındaki ilişkiyi aydınlatmak için NIRS teknolojisini kullanarak maksimum dayanıklılık egzersiz testi yapma yöntemlerini özetlemektedir. Önerilen protokol, bu sınırlayıcı faktörlerin altında yatan fizyolojik olayların değerlendirilmesinde tutarlılık ve doğruluğu sağlamak için standartlaştırılmış bir yaklaşım sağlar.

Protokol, Pontificia Universidad Católica de Chile Kurumsal İnceleme Kurulu (210525001 ve 220608010 numaralı projeler) tarafından onaylandı ve çalışma Helsinki Bildirgesi'ne uygun olarak yürütüldü. Tüm katılımcılar, açıklanan teste katılmadan önce yazılı bilgilendirilmiş onam verdiler.

1. NIRS giyilebilir cihazların yerleştirilmesi ve kurulumu

NOT: Çeşitli NIRS giyilebilir cihazlar ve veri toplama yazılımları kullanılabilir. Araştırmacılar, doğru kurulum ve kullanımı sağlamak için üreticinin talimatlarına ve yönergelerine kapsamlı bir şekilde başvurmalıdır. Bu çalışmada, NIRS sinyalinin sürekli dalga kaydını kullanan cihazlar kullanılmıştır. Bu ticari cihazların kullanımı kolaydır, ancak yalnızca referans veya temel faza göre ışık zayıflamasındaki değişiklikleri algılayabilirler ve NIRS'nin zaman alanlı kaydını kullanan diğer cihazlar gibi mutlak konsantrasyonları tespit edemezler.

1. NIRS giyilebilir cihazlar hazırlama ve genel yerleştirme yönergeleri
   1. Cihazları yerleştirmeden ve ölçümlere başlamadan önce, tüm giyilebilir cihazların tam olarak şarj edildiğinden emin olun.
      NOT: Bu çalışmada kullanılan cihazlar için üretici, tam şarjlı bir pilin sürekli olarak 6-8 saat kayıt yapabileceğini bildirmektedir.
   2. Katılımcının cildine sabitlemek için tüm giyilebilir cihazlara çift taraflı yapışkan bant uygulayın ve bandın ışık yayıcıları ve dedektörleri engellemediğinden emin olun.
   3. Tüm giyilebilir cihazları bir streç film tabakası ile kaplayın ve ardından terden korumak için bir kat su geçirmez yapışkan sargı ile örtün.
   4. Cihazları yerleştirmeden önce, kasaya müdahale edebilecek kalıntıları (örn. kremler, kozmetikler vb.) temizlemek için hedef alanı bir alkollü ped ile temizleyin. Gerekirse, saç NIRS sinyallerini engelleyebileceğinden, hedef bölgenin etrafındaki alanı tıraş edin.
      NOT: Olası kontaminasyonu önlemek için katılımcının cildine herhangi bir cihaz yerleştirmeden önce kapsamlı bir el yıkama yapılması önerilir. Kontaminasyon riskini daha da azaltabileceği için eldiven giymek teşvik edilir.
   5. Tüm giyilebilir cihazlar katılımcının cildine doğru bir şekilde yerleştirildikten sonra (bkz. bölüm 1.2), bunları bir elastik terapötik bant tabakası ile sabitleyin. Ek fiksasyon gerekiyorsa, aşırı kompresyonun ölçümleri değiştirmediğinden emin olarak koyu renkli elastik bir bandaj sargısı kullanın (geleneksel bir tansiyon aleti ile ölçülen 25 mm Hg kılcal oklüzyon basıncından daha az).
   6. Ortam ışığının nüfuz etmesini önlemek için tüm giyilebilir cihazların üzerine siyah bir bez yerleştirin. Alanı bir bezle örtmek mümkün değilse (yaklaşık 6^cm2), ortam ışığını engellemek için siyah elastik terapötik bant kullanın.
2. NIRS cihaz yerleşimi
   NOT: NIRS giyilebilir cihazların, AÇMA/KAPAMA ve ayar düğmelerine kolayca erişilebilecek şekilde yerleştirildiğinden emin olun.
   1. Prefrontal Korteks: NIRS probunu, modifiye edilmiş uluslararası EEG 10-20 sistemine göre Fp1 elektrot yerleşimine benzer şekilde, katılımcının üst kemerinin yaklaşık 10 mm yukarısında, sol veya sağ dorsolateral prefrontal kortekse yerleştirin²¹.
   2. m.Intercostales: NIRS probunu sağ anterior aksiller çizgi 22,23,24'teki 7^{. interkostal} boşluğun üzerine yerleştirin. Herhangi bir nedenle sağ hemitoraksın üzerine yerleştirilmemişse, sol hemitoraksın üzerine yerleştirin, ancak kalp atış hızından gelen sinyal sol tarafta daha belirgin olabilir.
      1. NIRS penetrasyon derinliğini doğrulamak için, deri altı dokudan m.Intercostales'in dış sınırına olan mesafeyi doğrulamak için bir B modu ultrasonu kullanın. M.Intercostales'teki ölçümler için cilt ve kas arasındaki mesafenin 15 mm'den az olduğundan emin olun.
   3. m.Vastus Lateralis: NIRS probunu, patellanın üst kenarı ile uyluk kemiğinin daha büyük trokanteri^24,25,26 olacak şekilde hayali çizginin orta noktasına 5 cm yanal olarak yerleştirin.
      1. Yağ dokusu kalınlığının (ATT) NIRS sinyalinin kaydını değiştirmediğinden emin olmak için, NIRS penetrasyon derinliğini²⁷ doğrulamak için cilt kıvrım kalınlığını ölçün. m.Vastus Lateralis'teki ölçümler için ATT'nin 20 mm'den az olduğundan emin olun.
3. NIRS yazılım kurulumu
   1. Tüm NIRS giyilebilir cihazları doğru bir şekilde yerleştirildikten sonra (bkz. bölüm 1.2), ölçüme başlamadan önce bunları AÇIN.
   2. Üretici tarafından sağlanan veri toplama yazılımını başlatın, yeni bir dosya oluşturun ve NIRS giyilebilir cihazlarını bağlayın.
   3. Tüm NIRS giyilebilir cihazları başarıyla bağlandıktan sonra, değerlendirilen dokular için veri toplama ve analogdan dijitale dönüştürme için örnekleme hızını 10 Hz'e ayarlayın. Prefrontal korteks ölçümleri için, diferansiyel yol uzunluğu faktörünü (DPF) her katılımcı²⁸ için yaşa bağlı DPF'ye göre ayarlayın. Kas ölçümü için, çalışma konusu olarak^{sporcularla yapılan} önceki protokollerde kullanıldığı gibi DPF'yi 4'e ayarlayın ^29,30.

2. Ergospirometrenin kalibrasyonu ve kurulumu

1. Hacim kalibrasyonu
   1. Kalibrasyon işlemine başlamak için üretici tarafından sağlanan ergospirometre yazılımını açın.
   2. Akış ölçeri bir şırınga adaptörü ile 28 mm'lik bir türbine bağlayın. Oluklu tüplerden birini şırınga adaptörüne ve diğerini 3 L'lik bir kalibrasyon şırıngasına bağlayın.
   3. Sabit bir akış hızını koruyarak altı geri çekme/enjeksiyon manevrası gerçekleştirin. Tamamlandığında, yazılım kalibrasyon testinin geçip geçmediğini otomatik olarak onaylayacaktır.
2. Gaz kalibrasyonu
   NOT: Gaz kalibrasyonuna başlamadan önce akış kalibrasyonunun yapıldığından emin olun.
   1. Hava kalibrasyonu
      1. Gaz analizöründen gelen numune hattının kalibrasyon portundan ayrıldığından ve serbestçe asılı olduğundan emin olun. Ardından, kalibrasyon işlemini başlatın.
      2. Kalibrasyon sırasında, oksijen (O₂) ve karbondioksit (CO₂) konsantrasyonları önemli ölçüde değişmediğinden (%5'ten az) stabil bir düz çizgi gözlenir. Hava kalibrasyonu başarıyla tamamlandıktan sonra metabolik gaz kalibrasyonuna geçin.
   2. Metabolik gaz kalibrasyonu
      1. Gaz vanalarını açın ve manometreyi kontrol ederek sisteme yeterli basıncın verildiğini doğrulayın (özel talimatlar için üreticiye danışın).
      2. Numune hattını kalibrasyon portuna bağlayın ve kalibrasyon işlemini başlatın. Kalibrasyona başlamadan önce üretici tarafından tavsiye edildiği şekilde 3 dakikalık bir ön ısıtma yapın.
      3. Doğru yapılırsa, 3 dakikalık ön ısıtma periyodundan sonra iki düz çizgi gözlenmelidir: biri oda havası arasında (yaklaşık %21,00 O₂ ve %0,04 CO₂) ve diğeri kalibrasyon gazı arasında (%16,00 O₂ ve %5,00 CO₂) dalgalanan.
      4. Son olarak, numune hattını kalibrasyon portundan ayırın ve yaklaşan test için kullanılacak ağızlığa takın.

3. EKG elektrodu yerleştirme (12 uç)

1. Cildi bir kremle peeling yaparak ve/veya gerekirse elektrot yerleştirme yerlerinden herhangi bir kılı tıraş ederek hazırlayın. Yüzeysel doku kalıntılarını gidermek için alanları alkollü bir bezle temizleyin.
2. EKG elektrotlarını aşağıdaki gibi yerleştirin³¹:
   1. Bipolar uçları (Ekstremite kurşun elektrotları) aşağıdaki gibi yerleştirin: Sol kol (LA): subklavyekulikalar fossanın sol tarafı; Sağ kol (RA): subklavyekulikalar fossanın sağ tarafı; Sol bacak (LL): sol femur başının ön çıkıntısı; Sağ bacak (RL): sağ femur başının ön projeksiyonu.
   2. Prekordiyal kurşun elektrotları aşağıdaki gibi yerleştirin: V1: 4.^sternumun sağındaki interkostal boşluk; V2: Sternumun solundaki 4^{. interkostal} boşluk (V1 ile aynı hizada); V3: V2 ve V4'ün ortasında; V4: Midklaviküler hatta 5^{. interkostal} boşluk; V5: V4 ile aynı seviyede ön aksiller çizgi; V6: V4 ve V5 ile aynı seviyede orta aksiller çizgi.

4. Artımlı maksimal egzersiz testi (kardiyopulmoner egzersiz testi, CPET)

1. Katılımcıdan bisikletin üzerine oturmasını isteyin, optimum konfor ve konumlandırma için koltuğun ve gidonun yüksekliklerine göre ayarlandığından emin olun.
   NOT: Koltuk yüksekliğinin, diz tam ekstansiyonda³² hafifçe bükülecek şekilde ayarlanması tavsiye edilir. Gidonlar, dirseklerin hafif bir şekilde bükülmesine izin verecek şekilde konumlandırılmalıdır.
2. Katılımcının kulak memesine bir nabız oksimetresi takın ve bir alkol pedi ile silerek bölgenin temiz olduğundan emin olun.
3. Protokolü açıklayın ve katılımcıya test öncesinde, sırasında ve sonrasında maskeden nefes alması talimatını verin.
   NOT: Katılımcı, ergospirometrenin okumalarını³³ etkileyebileceğinden, maskeyi takarken konuşmaktan veya ıslık çalmaktan kaçınmalıdır.
4. Katılımcı yerleştirildikten ve hazırlandıktan sonra, katılımcının sağ bacağını uzatmasını ve başlama talimatı için 2 dakika beklemesini sağlayın (ilk dinlenme aşaması). Katılımcının kadınlar/erkekler için sırasıyla 0,6 W·^kg-1 ve 0,8 W·^kg-1'de 6 dakika boyunca 80-100 rpm arasında bir kadansta pedal çevirmesini sağlayın (ısınma aşaması). Ardından, katılımcı tükenene kadar (egzersiz aşaması) iş yükünü kadınlar için 20 W·min^-¹ ve erkekler için 25 W·min^-¹ oranında artırın.
5. Egzersiz aşamasını tamamladıktan sonra, katılımcıya hareketsiz kalmasını ve 3 dakika boyunca maskeye nefes almaya devam etmesini söyleyin (soğuma veya toparlanma aşaması).
6. Egzersiz protokolü bittiğinde, nabız oksimetresini kulak memesinden, maskeden, üç NIRS giyilebilir cihazından ve EKG elektrotlarından dikkatlice çıkarın.
   NOT: Laboratuvar ortam koşullarını korumak için (örn. hava sıcaklığı ~20 ± 2 °C, bağıl nem ~%40 ± %5), bu çok önemli bir kriterdir. Bazı katılımcılar, cihazların cilde sabitlenmesini engelleyen ve NIRS veri kaydını etkileyen yüksek bir terleme oranı gösterebilir. Ventilatörlerin kullanımı, terleme yoluyla sıcak termoregülasyonun azaltılmasına yardımcı olabilir.

Bir CPET'in tamamlanması sırasında, tüm deneklerde nefes darlığı, bacak yorgunluğu ve algılanan efor oranı (RPE) semptomları bildirilmiştir. NIRS cihazlarının tamamlayıcı kullanımı, deneklerin duyu değerlendirmesine herhangi bir rahatsızlık katmadı. Ayrıca, aşırı fizyolojik stres ile ilişkili herhangi bir risk olayı ile CPET değerlendirmelerini durdurmadık.

Ulusal bir bisiklet kulübünden işe alınan iki rekabetçi erkek bisikletçiyi inceledik. Bu çalışma için dahil edilme kriterleri, normal vücut kitle indeksi (20-25 kg·^m-2) olan fiziksel olarak aktif katılımcılardı (haftada ≥150 dakika orta veya ≥75 dakika şiddetli fiziksel aktivite). Bu çalışma için dışlama kriterleri, çalışma değerlendirmelerinden en az 2 hafta önce solunum, kardiyovasküler, metabolik, kas-iskelet sistemi veya neoplastik hastalık öyküsü veya enfeksiyöz veya enflamatuar bir süreçti.

NIRS teknolojisi ile donatılmış cihazlar kullanılarak artan egzersiz yoğunluğunun neden olduğu metabolik değişikliklerden kaynaklanan hemodinamik ve doku oksijenasyon değişikliklerinin non-invaziv kaydı ile birlikte bir CPET'in tamamlanması, beyin bölgelerindeki değişikliklerle ilişkili merkezi sınırlayıcı faktörlerin tanımlanmasına olanak tanır ve artan egzersiz yoğunluğuna solunum veya kas-iskelet sistemi tepkileri ile ilgili periferik sınırlayıcı faktörler. Test protokolü, katılımcının hazırlanması, egzersiz testinin yürütülmesi ve ilgili fizyolojik verilerin toplanması dahil olmak üzere bir dizi adımı kapsar.

CPET-NIRS protokolünün başarılı bir şekilde yürütülmesi, çeşitli parametrelerde net ve tutarlı verilerle gösterilir. İlk dinlenme aşamasında, kalp atış hızı (HR), nabız oksijen doygunluğu (SpO₂) ve NIRS okumaları gibi ölçümler bir temel oluşturmak için kaydedilir. Düşük iş yükü pedalı ile karakterize edilen ısınma aşaması, katılımcıyı iş yükünün kademeli olarak arttığı artımlı egzersiz aşamasına hazırlar (bkz. Şekil 1).

Şekil 1: Egzersiz protokol şemasının deneysel tasarımı. Çalışmada kullanılan egzersiz protokolünün aşamalarının şematik gösterimi, kardiyopulmoner egzersiz test protokolünün akışına karşılık gelen dinlenme ( R ), ısınma ( W ), egzersiz ( E), sonlandırma ( F ) ve durma ( S ) gibi temel olayları vurgulamaktadır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Kontrollü laboratuvar ortam koşullarında (hava sıcaklığı ~20 ± 2 °C; bağıl nem ~%40 ± %5) değerlendirilen iki erkek sporcudan elde edilen CPET (Şekil 2) ve NIRS (Şekil 3) verilerinin temsili sonuçları gösterilmektedir: (i) Katılımcı 1 (Şekil 2A ve Şekil 3) (yaş: 33 yıl, kilo: 80 kg, boy: 178 cm, İş yükü maksimum: 300 W, VO_2-maks: 46 mL·^kg-1·^min-1, VE: 177 L·^min-1, HR-maks (tahmini, 220 yıl): %100, PetCO₂: 27 mmHg); ve (ii) Katılımcı 2 (Şekil 2B ve Şekil 4) (yaş: 26 yıl, kilo: 67 kg, boy: 178 cm, İş yükü maksimum: 300 W, VO_2-maks: 51 mL·^kg-1·^dk-1, VE: 131 L·^min-1, HR-max (% tahmini, 220 yıl): %93, PetCO₂: 33 mmHg).

Her iki katılımcıda da VO₂ (oksijen tüketimi), VCO₂ (karbondioksit üretimi), RQ (solunum bölümü, VCO₂· VO ^2-1), HR, VE (akciğer ventilasyonu) ve RR (solunum hızı), VO_2'nin maksimum değerine ulaşılana kadar egzersiz yoğunluğu arttıkça sürekli bir artış gösterir (bkz. Şekil 2).

Şekil 2: CPET sırasında değerlendirilen fizyolojik değişkenlerdeki değişiklikler. Oksijen tüketimi (VO2), dakika ventilasyonu (VE), gelgit sonu CO2 basıncı (PetCO2) ve güç çıkışı (Watt) dahil olmak üzere kardiyopulmoner egzersiz testi sırasında ölçülen fizyolojik değişkenlerin ilerlemesi gösterilmektedir. Ventilasyon eşikleri 1 ve 2 (VT1 ve VT2) arasındaki geçişler egzersiz aşamalarında belirtilir. (A) Katılımcı 1 ve (B) Katılımcı 2. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

NIRS verileri, CPET sırasında yerel metabolik talep hakkında bilgi sağladı. Hedef dokuda (kas ve beyin) gözlenen egzersize bağlı değişiklikler, spesifik dokuya ve analiz edilen egzersizin yoğunluğuna bağlı olarak değişir. Bu nedenle, egzersize bağlı NIRS verilerini yorumlamak için yararlı bir fizyolojik çerçeve, Skinner ve McLellan³⁴ tarafından önerilen trifazik egzersiz yoğunluğu modelidir. Bu modelde, yazarlar VT'ler tarafından tanımlanan üç bölgeyi tanımlamaktadır: Faz I veya aerobik, (ii) Faz II veya aerobik-anerobik geçiş ve (ii) Faz III veya "metabolik kararsızlık".

VT2'nin altındaki egzersiz yoğunluklarında (Faz I ve II), kas_seviyesinde O2-Hb'de bir azalma ve H-Hb'de bir artış meydana gelecektir - eğer T-Hb'de lokal kan akışının bir parametresi olarak önemli bir değişiklik yoksa. CPET-NIRS protokolümüz, tekrarlayan kas kasılmaları/gevşemeleri ile döngüsel egzersizlerden oluşur, bu nedenle T-Hb'de minimum varyasyon beklenir. Bununla birlikte, egzersize bağlı değişiklikler, değerlendirilen hedef kas dokusuna bağlı olarak değişir. Lokomotor kaslarda, m.Vastus Lateralis gibi, egzersiz yoğunluğundaki ilerleyici artış, iş yüküne eşlik eden NIRS veri değişikliklerine neden olur (bkz. Şekil 3A). Buna karşılık, m.Intercostales gibi aksesuar solunum kaslarında, değişiklikler iş yükünden ziyade ventilasyon değişiklikleri ile eşzamanlıdır (bkz. Şekil 3B). PFC'de, kan akışı egzersizin neden olduğu yerel talebi aştığı için O_2-Hb, H-Hb ve T-Hb'de bir artış gözlenir; ayrıca, TSI'de hafif bir azalma görülebilir (bkz. Şekil 3C). Değerlendirilen tüm dokularda, egzersiz yoğunluğu arttıkça TSI parametresi azalır, bu da m.Vastus Lateralis'teki değişiklikleri m.Intercostales ve PFC'den daha kötü şöhretli hale getirir (bkz. Şekil 3D).

Şekil 3: Merkezi sınırlama örneği (Katılımcı 1). CPET protokolü sırasında NIRS verileri (Olaylar: W = Isınma, E = Egzersiz, VT1 = Ventilasyon eşiği 1 veya aerobik ventilasyon eşiği, VT2 = Ventilasyon eşiği 2 veya anaerobik ventilasyon eşiği, F = Tamamlanmış egzersiz veya VO_2-maks). (a) m.vastus lateralis, (b) m.intercostales ve (c) prefrontal korteks (PFC).   Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Egzersize bağlı metabolik talep arttıkça, özellikle VT2'nin üzerindeki yoğunluklarda (Faz III veya "metabolik instabilite"), hem kas (lokomotor ve solunum kasları) hem de PFC seviyelerinde incelenecek ilginç fizyolojik tepkiler ortaya çıkar. Bunlar_, O2-Hb ve tHb'de belirgin bir düşüşün yanı sıra H-Hb'de kayda değer bir artıştan oluşur ve bu da TSI'deki belirgin düşüşü destekleyen yönlerden oluşur.

Yüksek yoğunluklu egzersiz sırasında ventilasyon ihtiyacı yüksek olan kişilerde, VE ve RR'deki üstel artış, "metabolik kökenli" CO_2'deki artış nedeniyle yüksek hiperventilasyona neden olur. Bu hiperventilasyon, belirgin beyin vazokonstriksiyonunu indükleyebilir, böylece bu temsili denekte görüldüğü gibi merkezi sınırlama ile performansı sınırlayabilir. Teorik olarak, NIRS verilerinde gözlenen değişiklikler, CPET'te kayıtlı CO_2'nin (PetCO₂) gelgit sonu basıncının ani düşüşünden çıkarılan hipokapnininin neden olduğu beyin vazokonstriksiyonundan kaynaklanır (bkz. Şekil 2). Bu fizyolojik değişikliklerin, modifiye edilmiş Borg ölçeği^35,36 kullanılarak kaydedilen, egzersizin neden olduğu artmış nefes darlığı ile yüksek bir ilişkisi olduğu gösterilmiştir.

Öte yandan, lokomotor talebi yüksek olan ancak solunum talebi yüksek olmayan kişilerde hipokapni ile beyin vazokonstriksiyonu görülmez. Sonuç olarak, NIRS verileri, orta egzersiz yoğunluklarında gözlemlenenler gibi değişiklikleri yansıtmaya devam edebilir. Bu konularda, egzersiz performansı merkezi sınırlayıcı faktörlerden ziyade periferik faktörlerle sınırlıdır (bkz. Şekil 4). Bu fizyolojik değişikliklerin, egzersizin neden olduğu artan bacak yorgunluğu ile yüksek bir ilişkisi olduğu gösterilmiştir.

Şekil 4: Çevresel sınırlama örneği (Katılımcı 2). CPET protokolü sırasında NIRS verileri (Olaylar: W = Isınma, E = Egzersiz, VT1 = Ventilasyon eşiği 1 veya aerobik ventilasyon eşiği, VT2 = Ventilasyon eşiği 2 veya anaerobik ventilasyon eşiği, F = Tamamlanmış egzersiz veya VO_2–maks). (a) m.vastus lateralis, (b) m.intercostales ve (c) prefrontal korteks (PFC). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. 

NIRS teknolojisinin hem serebral hem de kas bölgelerinde mikrovasküler hemodinamiği değerlendirmede geçerliliğini ve güvenilirliğini kanıtlamış olduğu göz önüne alındığında, aerobik veya dayanıklılık sporcularında atletik performansı değerlendirmek ve merkezi ve periferik egzersizi sınırlayan faktörleri belirlemek için NIRS giyilebilir cihazlarının CPET'e tamamlayıcı bir araç olarak kullanılmasında önemli bir potansiyel vardır^37,38. Bununla birlikte, bu teknolojinin faydalarını en üst düzeye çıkarmak için, doğru ölçümleri sağlamak için çeşitli hususların ele alınması gerekir.

NIRS giyilebilir cihaz yerleşimi için genel yönergeler, egzersiz sırasındaki hareket NIRS sinyallerini (artefaktları⁾ etkileyebileceğinden, konumlandırmanın hedef dokuya uyarlanmasını ve katılımcının cildine güvenli bir şekilde bağlanmasının sağlanmasını içerir7. Bunu başarmak için, cihaz cilt ile tam temas halinde olmalı ve çift taraflı yapışkan bant kullanılarak yapıştırılmalı, böylece ışık yayıcıların ve dedektörlerin engellenmediğinden emin olunmalıdır. Daha fazla stabilite için, cihazın üzerine elastik terapötik bant uygulanabilir. Cihazı, m.Vastus Lateralis gibi egzersiz sırasında aktif olarak devreye girecek bir uzuv üzerine yerleştirirken, bisiklet sürme sırasında daha fazla stabilite için elastik bir bandaj sargısı kullanılabilir. Bununla birlikte, NIRS optodları etrafında aşırı kompresyondan kaçınmak, yerel kan akışını değiştirebileceği ve NIRS ölçümlerinin doğruluğunu potansiyel olarak etkileyebileceği için çok önemlidir (basınç, kılcal perfüzyon basıncından daha yüksek değildir, ~ 25 mm Hg)⁷. Ortam ışığından^39,40 kaynaklanan paraziti önlemek için NIRS cihazı üzerinde kullanılan herhangi bir bant veya bandajın siyah olması önerilir. Ek olarak, test ortamındaki loş aydınlatma, NIRS sinyal doğruluğundaki olası kesintileri en aza indirebilir.

Cihazların uygun şekilde yerleştirilmesi ve sabitlenmesi gerekli olmakla birlikte, NIRS ölçümlerini etkileyebilecek bireysel anatomik özellikleri dikkate almak da aynı derecede önemlidir. Önemli bir sınırlama, NIRS ölçümlerinin doğruluğunun yağ dokusu kalınlığı (ATT)^41,42 gibi faktörlerden etkilenebilmesidir. NIRS için maksimum penetrasyon derinliği, ışık kaynağı ile dedektör⁴³ arasındaki mesafenin yaklaşık yarısı kadardır. ATT arttıkça, alttaki iskelet kasından kaynaklanan NIRS sinyalinin oranı azalır¹¹. Sinyal katkısındaki bu azalma, diğer kromoforlar⁴² arasında daha düşük O_2-Hb ve H-Hb seviyeleri ile sonuçlanır. Bu nedenle, kas içine uygun ışık penetrasyonunu sağlamak için ATT'nin ölçülmesi önerilir. Bu amaç için bir kumpas veya ultrason kullanılabilir, çünkü her iki yöntem de sporcularda vücut kompozisyonunu doğru bir şekilde değerlendirir; Bununla birlikte, ikincisi üstün doğruluk sağlar ve tercih edilebilir⁴⁴.

ATT'ye ek olarak, NIRS ölçümlerinin doğruluğu, modifiye edilmiş Beer-Lambert yasası⁴⁵ aracılığıyla O_2-Hb ve H-Hb konsantrasyonlarını hesaplamak için kullanılan diferansiyel yol uzunluk faktöründen (DPF) de etkilenir. Çoğu ticari NIRS cihazı, sabit bir yoğunlukta ışık yayan ve sabit bir DPF¹¹ varsayan sürekli dalga sistemleri kullanır. Bununla birlikte, DPF, kafatası ve ATT^41,46 dahil olmak üzere bireysel anatomik farklılıklara bağlı olarak değiştiği için sabit bir değer değildir. Ayrıca, bireyler arasında DPF'deki değişkenlik ve kemik, kas kütlesi ve yağ dokusu dağılımındaki farklılıklar gibi cinsiyetler arasındaki anatomik özelliklerdeki farklılıklar da ölçümlerin doğruluğunu etkileyebilir²⁸. Sabit bir DPF varsayımı nedeniyle, bu cihazlar mutlak değerler¹¹ sağlamak yerine yalnızca O_2-Hb ve H-Hb'deki nispi değişiklikleri bir taban çizgisinden ölçebilir. Bu nedenle, NIRS teknolojisi doku oksijenasyonundaki eğilimleri izlemek için değerli olsa da, bu ölçümleri yorumlarken dikkatli olunmalıdır. Daha fazla araştırma, serebral ve kas dokularında DPF'yi doğru bir şekilde tahmin etmek için yöntemler geliştirmeye odaklanmalıdır. Bu arada, sonuçların tekrarlanabilirliğini artırmak için çalışmalarda kullanılan DPF değerlerinin belgelenmesi önerilir.

NIRS ölçümlerini etkileyebilecek bir başka anatomik özellik cilt melanin konsantrasyonudur. Melanin, hemoglobin ile birlikte deride birincil bir kromofordur⁴⁷. Daha koyu cilt pigmentasyonuna sahip bireyler daha büyük ve daha konsantre melanozomlara sahiptir, bu da artan ışık emilimi nedeniyle daha fazla sinyal zayıflamasına yol açabilir⁷. Algılanan sinyalin gücü, kromoforlar tarafından emilen ışığa, doku ışığı saçılma özelliklerine ve ışık kaynağı^{ile dedektör 47} arasındaki mesafeye bağlıdır. Sonuç olarak, daha yüksek melanin konsantrasyonları NIRS sinyal kalitesine müdahale edebilir ve bu da esas olarak kas seviyesinde^48,49 zayıflamış oksijen dokusu doygunluk okumalarına yol açabilir. Bu varyasyonları hesaba katmak ve NIRS verilerinin çeşitli popülasyonlarda yorumlanabilirliğini artırmak için, cilt pigmentasyonunun Fitzpatrick cilt tipi sınıflandırma ölçeği⁷ kullanılarak rapor edilmesi önerilir.

Bu protokolün egzersiz reçetesinde uygulanabilirliği ile ilgili olarak, NIRS teknolojisi esas olarak dayanıklılık egzersizi sırasında, özellikle substrat oksidasyonunun ATP resentezi için ana enerji kaynağı olarak hizmet ettiği protokollerde kas metabolizmasını değerlendirmek için kullanılmıştır. Direnç antrenmanındaki uygulamasına ilişkin sınırlı kanıt mevcuttur, ancak bir literatür taraması, kuvvet antrenmanının TSI üzerindeki akut etkilerinin kas lifi bileşimine bağlı olduğunu göstermektedir. Spesifik olarak, m.Vastus Lateralis gibi daha yüksek tip I lif oranına sahip kaslar, aynı yoğunlukta eğitilen diğer kas gruplarına kıyasla daha büyük bir ΔTSI gösterir. Bununla birlikte, çalışma metodolojilerindeki önemli heterojenlik, rapor edilen bulguların genelleştirilmesini sınırlamaya devam etmektedir. Bu çalışmanın ön sonuçları, standartlaştırılmış protokollerin gelecekteki yayınları ile birlikte, çeşitli bağlamlarda egzersiz yoğunluğunu reçete etmek için bu teknolojinin daha geniş uygulamalarını destekleyecektir⁵⁰.

Sonuç olarak, NIRS giyilebilir cihazlar, CPET tarafından değerlendirilen kardiyopulmoner değişkenleri tamamlayarak, egzersiz sırasında mikrovasküler düzeyde hemodinamik yanıtların non-invaziv izlenmesinde önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. İnvaziv yöntemlerden farklı olarak NIRS, sporcunun doğal hareketini bozmadan oksijen iletimi ve tüketimi arasındaki denge hakkında gerçek zamanlı veriler sağlar. Bu teknoloji, çeşitli dokularda ve egzersiz yoğunluklarında O 2-Hb, H-Hb ve TSI'deki değişiklikleri tespit ederek merkezi ve periferik egzersiz sınırlayıcı faktörleri etkili bir şekilde tanımlar. Metabolik talep ve fizyolojik tepkilerdeki değişikliklere ilişkin ayrıntılı bilgiler, NIRS'nin antrenman programlarını optimize etme ve atletik performansı artırma potansiyelini vurgulamaktadır. Ek olarak, NIRS'nin serebral ve kas mikrovasküler hemodinamiğini değerlendirme yeteneği, farklı egzersiz modalitelerine ve yoğunluklarına fizyolojik tepkileri keşfetmek için yeni fırsatlar sunar. Genel olarak, NIRS teknolojisi, insan fizyolojisi anlayışımızı ilerletmek ve egzersiz bilimindeki araştırmalara katkıda bulunmak, atletik performansı geliştirmek ve antrenman stratejilerini geliştirmek için değerli bir araç sağlamak için önemli bir umut vaat ediyor.

Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemektedir.

Egzersiz Fizyolojisi Laboratuvarı'nda yapılan ölçümlerde emeği geçen tüm katılımcılara ve teknik laboratuvar çalışanlarına teşekkür ederiz. Yazarlar FC-B ve ME-R, Okul Sağlık Bilimleri (Tıp Fakültesi, Pontificia Universidad Católica de Chile) III, IV ve V Araştırma ve İnovasyon Yarışmaları tarafından kısmen desteklenmiştir. Yazar RC-C, 2023 yılı Düzenli Araştırma Projeleri Yarışması tarafından desteklenen Proje tarafından finanse edilmiştir, kod LPR23-17, Universidad Tecnológica Metropolitana.