SmO2 z czujnika NIRS podczas treningu: czy można z niego wyznaczyć próg i dlaczego grubość tkanki tłuszczowej zmienia odczyt?

Sam odczyt „SmO₂ = 54%” mówi zaskakująco niewiele. Dużo ważniejsze jest to, gdzie znajduje się czujnik, jak zmienia się SmO₂ wraz ze wzrostem mocy lub tempa i ile tkanki tłuszczowej leży między sensorem a mięśniem. To właśnie dlatego dwóch zawodników jadących na identycznej intensywności może zobaczyć na ekranie zupełnie inne wartości, choć ich odpowiedź metaboliczna będzie podobna.

NIRS, czyli spektroskopia bliskiej podczerwieni, pozwala obserwować lokalną równowagę między dostarczaniem tlenu do pracującego mięśnia a jego wykorzystaniem. Jest szybka, bezinwazyjna i działa podczas normalnego treningu. Nie zastępuje jednak automatycznie pomiaru mleczanu ani analizy gazów oddechowych. Najwięcej błędów pojawia się wtedy, gdy użytkownik traktuje procent SmO₂ jak odpowiednik saturacji z pulsoksymetru albo próbuje ustawić próg treningowy na podstawie jednej „magicznej” wartości, na przykład 40 czy 50%.

SmO₂ nie jest SpO₂: co naprawdę mierzy czujnik NIRS

Przenośny czujnik NIRS emituje światło w zakresie bliskiej podczerwieni i analizuje, jak tkanki je pochłaniają oraz rozpraszają. Oksyhemoglobina i deoksyhemoglobina mają inne właściwości optyczne, dzięki czemu urządzenie może oszacować lokalny stopień utlenowania tkanki.

W urządzeniach sportowych SmO₂ – muscle oxygen saturation – jest w uproszczeniu stosunkiem form utlenowanych hemoglobiny i mioglobiny do całkowitej ilości wykrytych form hemoglobiny i mioglobiny:

SmO₂ = (O₂Hb + O₂Mb) / (O₂Hb + O₂Mb + HHb + HMb) × 100%.

To istotne rozróżnienie. Czujnik nie mierzy wyłącznie krwi tętniczej i nie pokazuje tego samego co SpO₂ z pulsoksymetru na palcu. Sygnał pochodzi z lokalnej tkanki i obejmuje krew znajdującą się w małych naczyniach oraz mioglobinę we włóknach mięśniowych. Ze względu na podobne widma optyczne urządzenia NIRS nie rozdzielają idealnie wkładu hemoglobiny i mioglobiny.

Przykładowo Moxy Monitor, często wykorzystywany w sporcie i badaniach, pracuje z długościami fali około 680, 720, 760 i 800 nm oraz wykorzystuje odległości emiter–detektor wynoszące 12,5 i 25 mm. W badaniach sportowych zapis SmO₂ wykonywany jest zwykle z częstotliwością około 0,5–1 Hz, co wystarcza do analizy zmian podczas testu stopniowanego i większości treningów wytrzymałościowych.

W praktyce podczas zwiększania obciążenia w głównym pracującym mięśniu – na rowerze najczęściej w vastus lateralis, czyli mięśniu obszernym bocznym uda – SmO₂ zazwyczaj spada. Mięsień zaczyna wykorzystywać tlen szybciej, a lokalna ekstrakcja tlenu rośnie.

Nie oznacza to jednak, że każdy powinien uzyskać tę samą krzywą. Na wynik wpływają m.in.:

• rodzaj i funkcja badanego mięśnia,

• kadencja lub technika biegu,

• temperatura skóry i przepływ skórny,

• pozycja czujnika,

• nacisk wywierany przez taśmę lub opaskę,

• ruch sensora podczas wysiłku,

• grubość skóry i tkanki tłuszczowej,

• konstrukcja oraz algorytm konkretnego urządzenia.

Dobry przykład daje test kolarski, w którym jednocześnie monitorowano pięć mięśni. Vastus lateralis zaczynał wyraźnie się odtlenowywać już w początkowej części wysiłku, podczas gdy biceps femoris i gastrocnemius medialis przez pierwszą część testu mogły nawet wykazywać wzrost SmO₂, a dopiero później rozpoczynała się desaturacja. Ten sam człowiek, ten sam test, ale inny mięsień – inny przebieg sygnału.

Dlatego pojedyncza wartość SmO₂ bez informacji o miejscu pomiaru i wcześniejszej charakterystyce zawodnika jest słabym materiałem do podejmowania decyzji treningowych.

Próg z SmO₂: szukaj zmiany przebiegu, a nie jednej wartości procentowej

Z NIRS można wyznaczać tzw. muscle oxygenation thresholds – MOT, czyli punkty, w których zmienia się charakter przebiegu utlenowania mięśnia. To podejście ma sens fizjologiczny, ale próg nie powinien być definiowany regułą w rodzaju „LT2 występuje przy SmO₂ równym 35%”.

Takiego uniwersalnego procentu nie ma.

Istotny jest punkt załamania krzywej, tempo spadku SmO₂ albo zmiana nachylenia sygnału wraz ze wzrostem intensywności. W badaniach wykorzystuje się m.in. podwójną regresję liniową, algorytmy wykrywające punkt zmiany oraz metody typu Dmax. Ręczne wskazywanie miejsca „na oko” jest najłatwiejsze, ale też najbardziej podatne na sugestię osoby analizującej wykres.

Dane pokazują przy tym wyraźną różnicę między pierwszym i drugim progiem.

W metaanalizie badań wykorzystujących przenośne NIRS zgodność intensywności określonej na podstawie pierwszego progu mięśniowego MOT1 z pierwszym progiem mleczanowym lub wentylacyjnym osiągnęła ICC około 0,53. To wynik umiarkowany, a do tej części analizy dostępne były dane tylko z trzech badań.

Dla drugiego progu MOT2 sytuacja wyglądała znacznie lepiej: średni ICC wyniósł około 0,80, z 95-procentowym przedziałem ufności około 0,65–0,89. Jednocześnie heterogeniczność wyników była duża – I² sięgało około 86%. Innymi słowy: technika jest obiecująca, zwłaszcza w okolicy drugiego progu, ale wynik pojedynczego sportowca nie powinien być traktowany jak laboratoryjna wartość referencyjna z gwarantowanym błędem kilku watów.

Bardzo dobrze pokazuje to badanie obejmujące 26 kolarzy i triathlonistów, którzy wykonywali test z 3-minutowymi stopniami zwiększanymi o 0,5 W/kg. Drugi próg mięśniowy występował średnio przy:

• około 72% całego testu dla vastus lateralis,

• 75% dla tibialis anterior,

• 76% dla gastrocnemius medialis,

• 77% dla biceps femoris.

Drugi próg mleczanowy wypadał średnio przy około 73% testu.

To wygląda bardzo dobrze, dopóki nie spojrzy się na rozrzut indywidualny. Dla vastus lateralis różnica względem LT2 wynosiła średnio około 1,28 ± 8,63 punktu procentowego długości testu. Średnia zgodność była więc bliska, ale pojedynczy zawodnik mógł znaleźć się wyraźnie dalej od średniej.

To jest dokładnie powód, dla którego MOT2 nadaje się lepiej do potwierdzania i monitorowania progu niż do ślepego zastępowania badania mleczanu czy wymiany gazowej przy pierwszym pomiarze.

Praktyczna procedura wygląda następująco:

1. Czujnik zakładamy zawsze w tym samym miejscu, najlepiej na wyraźnym brzuścu mięśnia. W kolarstwie najczęściej wybierany jest vastus lateralis.

2. Miejsce warto sfotografować i zmierzyć jego odległość od charakterystycznego punktu anatomicznego. Przesunięcie sensora o kilka centymetrów między testami potrafi zmienić charakter sygnału.

3. Test wykonujemy według tego samego protokołu. Do zestawienia NIRS z mleczanem praktyczne są stopnie około 3 minut, zwiększane np. o 20–30 W albo o wartość wynikającą z masy ciała i poziomu zawodnika.

4. SmO₂ rejestrujemy przez cały test, a nie tylko pod koniec stopnia.

5. Nie szukamy konkretnej wartości SmO₂. Szukamy zmiany nachylenia całej krzywej.

6. Przy pierwszej diagnostyce dobrze jest równocześnie oznaczać mleczan, np. urządzeniem klasy Lactate Pro 2 lub Lactate Scout, albo wykonać analizę ergospirometryczną.

7. Dopiero po sprawdzeniu, gdzie indywidualny MOT pokrywa się z LT lub VT, można wykorzystywać NIRS samodzielnie do kolejnych powtarzalnych kontroli.

Najgorszym skrótem jest zapisanie w aplikacji: „mój próg to 42% SmO₂”. Po zmianie miejsca czujnika, urządzenia, temperatury otoczenia albo grubości tkanki nad mięśniem taka liczba może przestać mieć dotychczasowe znaczenie.

Tkanka tłuszczowa zmienia optykę pomiaru — i potrafi ukryć desaturację

Światło NIRS nie „widzi” mięśnia bezpośrednio. Zanim część fotonów dotrze do niego i wróci do detektora, musi przejść przez skórę oraz podskórną tkankę tłuszczową. Każda z tych warstw zmienia pochłanianie i rozpraszanie światła.

Dlatego grubość tkanki tłuszczowej w miejscu pomiaru – ATT, adipose tissue thickness – jest jednym z najważniejszych parametrów technicznych NIRS.

Wraz ze wzrostem ATT czujnik otrzymuje relatywnie mniej informacji z głębszej warstwy mięśniowej. Typowy skutek to spłaszczenie zmian SmO₂. Mięsień w rzeczywistości może mocno się odtlenowywać, ale urządzenie pokazuje mniejszy spadek, ponieważ większa część sygnału pochodzi z tkanek położonych bliżej powierzchni.

To nie jest drobny efekt.

W klasycznych eksperymentach optycznych wykazano, że już około 5 mm podskórnej tkanki tłuszczowej może zmniejszać udział sygnału mięśniowego o około 20% przy układach z odległością źródło–detektor rzędu 30–40 mm. Przy krótszych odległościach wpływ może być jeszcze większy. W niektórych konfiguracjach przy ATT przekraczającym około 10 mm tłumienie sygnału pochodzącego z głębokiej tkanki sięgało ponad 90%.

Nie wolno przenosić tych wartości mechanicznie między urządzeniami, ponieważ geometria optod i algorytmy producentów są różne. Dają jednak dobrą skalę problemu.

W badaniu dotyczącym Moxy Monitor przeprowadzonym u 22 osób zależność między grubością tkanki tłuszczowej a minimalnym SmO₂ podczas okluzji była bardzo silna. Współczynniki korelacji wynosiły od około r = 0,844 do r = 0,912, zależnie od badanego mięśnia. Analiza wskazała punkt zmiany średnio przy 15,37 ± 1,52 mm ATT. Autorzy uznali odczyty uzyskiwane powyżej mniej więcej 15 mm za wymagające szczególnej ostrożności.

Nie jest to uniwersalna granica dla wszystkich sensorów NIRS. Jest natomiast rozsądnym sygnałem ostrzegawczym: jeżeli między czujnikiem a mięśniem leży około 1,5 cm tkanki tłuszczowej, nie wolno interpretować amplitudy SmO₂ tak samo jak u bardzo szczupłego zawodnika.

Jak to sprawdzić?

Najlepszą metodą jest USG w miejscu mocowania sensora, ponieważ pozwala bezpośrednio zmierzyć odległość od powierzchni skóry do powięzi mięśnia. W praktyce trenerskiej można wykorzystać fałdomierz. Trzeba jednak pamiętać, że klasyczny pomiar fałdu obejmuje dwie warstwy skóry i tkanki podskórnej, więc samego wyniku z kalipera nie należy traktować automatycznie jako ATT 1:1.

To szczególnie istotne przy pomiarach na udzie. Dwie osoby o podobnej masie ciała i podobnym poziomie sportowym mogą różnić się lokalną grubością tkanki podskórnej o ponad centymetr. Wtedy porównywanie absolutnych wartości SmO₂ między nimi jest metodologicznie słabe.

Znacznie sensowniejsze jest porównywanie zawodnika z nim samym, pod warunkiem że:

• sensor znajduje się za każdym razem dokładnie w tym samym miejscu,

• używane jest to samo urządzenie,

• ATT nie zmieniło się istotnie,

• test ma ten sam protokół,

• temperatura otoczenia jest podobna,

• sensor nie przesuwa się wraz z potem,

• opaska nie uciska tkanki mocniej niż podczas poprzedniego pomiaru.

Ten ostatni problem jest niedoceniany. Mocniejsze owinięcie sensora elastyczną taśmą poprawia stabilność, ale może jednocześnie zmienić lokalny przepływ krwi. Z kolei zbyt luźne mocowanie powoduje artefakty ruchowe i dostęp światła zewnętrznego. W realnym treningu właśnie takie drobiazgi częściej psują serię pomiarową niż sam algorytm urządzenia.

Podobnie działa wysoka temperatura. Przy mocnym ukrwieniu skóry większa część sygnału może pochodzić z powierzchownych naczyń. Test wykonany zimą w laboratorium przy 19°C i powtórzony latem po rozgrzewce w temperaturze 30°C nie jest już idealnym porównaniem, nawet gdy moc i pozycja sensora są identyczne.

Jeżeli zawodnik redukuje masę tłuszczową, zmienia się również geometria optyczna pomiaru. Po kilku miesiącach ten sam czujnik może „widzieć” mięsień lepiej niż wcześniej. Spadek SmO₂ podczas interwału może wtedy stać się głębszy, choć sama zdolność mięśnia do ekstrakcji tlenu nie zmieniła się w takim stopniu. To jedna z sytuacji, w których poprawa jakości sygnału może zostać błędnie uznana za zmianę fizjologiczną.

Więcej na ten temat na stronie: https://nofat.pl

FAQ: SmO₂ i NIRS w praktyce

Czy istnieje prawidłowe SmO₂ spoczynkowe dla sportowca?
Nie ma jednej wartości, którą można stosować diagnostycznie u każdego. Wynik zależy od mięśnia, urządzenia, ATT, lokalnego ukrwienia i pozycji sensora. Znacznie ważniejsza jest indywidualna powtarzalność oraz odpowiedź SmO₂ na określone obciążenie.

Czy SmO₂ = 40% oznacza drugi próg?
Nie. Drugi próg identyfikuje się na podstawie zmiany przebiegu sygnału wraz ze wzrostem intensywności, a nie przekroczenia stałego procentu SmO₂.

Czy NIRS może zastąpić pomiar mleczanu?
Po indywidualnej kalibracji może być bardzo użyteczny do powtarzalnego monitorowania treningu. Przy pierwszym wyznaczaniu stref lepiej zestawić NIRS z mleczanem albo ergospirometrią, szczególnie jeśli decyzja ma dotyczyć precyzyjnego LT1 lub LT2.

Który próg jest łatwiejszy do określenia z NIRS?
Drugi. W metaanalizie zgodność MOT2 z drugim progiem mleczanowym lub wentylacyjnym osiągnęła ICC około 0,80. Dla pierwszego progu było to około 0,53.

Czy można porównywać moje SmO₂ z wynikiem kolegi?
Tylko bardzo ostrożnie. Inna grubość tkanki tłuszczowej, lokalizacja czujnika i geometria mięśnia mogą zmienić wartości bez żadnej różnicy w wydolności.

Jak często trzeba mierzyć grubość tkanki tłuszczowej nad mięśniem?
Nie przed każdym treningiem. Wystarczy przy rozpoczęciu serii testów i ponownie po wyraźnej zmianie składu ciała. Przy badaniach wymagających wysokiej powtarzalności najbardziej przydatne jest USG wykonane dokładnie w miejscu sensora.

Czy niższe SmO₂ podczas interwału zawsze oznacza lepsze wykorzystanie tlenu?
Nie. Głębsza desaturacja może wynikać z większej ekstrakcji tlenu, ale również ze słabszego dopływu krwi. Sam wynik trzeba zestawić z mocą, tętnem, czasem trwania wysiłku i szybkością reoksygenacji po zakończeniu odcinka.

Co najpierw poprawić, jeśli wykres SmO₂ wygląda dziwnie?
Nie zmieniaj od razu stref treningowych. Najpierw sprawdź mocowanie i dokładną lokalizację sensora, potem zmierz grubość tkanki tłuszczowej nad badanym mięśniem. Jeżeli ATT jest duże w stosunku do możliwości urządzenia, absolutne SmO₂ i amplituda spadku mogą być zniekształcone. Dopiero po wykluczeniu tego błędu analizuj próg. Pierwsza decyzja powinna więc dotyczyć jakości pomiaru, a nie wartości procentowej na ekranie.