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

Spadek SmO2 z 70% do 35% podczas mocnego odcinka nie oznacza, że zawodnik ma „35% tlenu we krwi”. Nie oznacza też automatycznie, że właśnie przekroczył próg mleczanowy. To dwa częste błędy w interpretacji czujników NIRS. SmO2 jest lokalnym sygnałem z niewielkiej objętości tkanki znajdującej się pod sensorem i pokazuje bilans między dostarczaniem tlenu do pracującego mięśnia a jego wykorzystaniem. Na ten bilans wpływa intensywność wysiłku, przepływ krwi, rekrutacja włókien, pozycja czujnika, temperatura, ucisk, a nawet kilka milimetrów dodatkowej tkanki tłuszczowej.

Dlatego NIRS może być bardzo użytecznym narzędziem treningowym, ale dopiero wtedy, gdy przestaje się traktować pojedynczą wartość procentową jak odpowiednik tętna albo stężenia mleczanu. Najwięcej informacji daje przebieg krzywej: tempo desaturacji, moment zmiany nachylenia, minimum SmO2, szybkość reoksygenacji po odcinku oraz powtarzalność tych parametrów przy tej samej mocy lub tempie.

Co właściwie mierzy SmO2 i dlaczego 40% u jednej osoby nie znaczy tego samego co 40% u drugiej?

NIRS, czyli spektroskopia w bliskiej podczerwieni, wykorzystuje fakt, że utlenowana i odtlenowana hemoglobina oraz mioglobina inaczej pochłaniają światło o określonych długościach fal. Sensor emituje światło w głąb tkanek i analizuje część promieniowania, która po wielokrotnym rozproszeniu wraca do detektora.

W uproszczeniu SmO2 jest obliczane jako udział form utlenowanych w całkowitej puli wykrywanego hemoglobino- i mioglobinopochodnego sygnału:

SmO2 = O2Hb / (O2Hb + HHb) × 100%

W praktyce nie jest to jednak laboratoryjny pomiar „czystej” saturacji konkretnego mięśnia. Czujnik widzi mieszaninę sygnałów z tkanek znajdujących się na drodze światła, a udział hemoglobiny i mioglobiny nie jest łatwy do rozdzielenia. Dochodzą do tego różnice konstrukcyjne między urządzeniami i algorytmy producentów.

Dobrym przykładem jest popularny w sporcie Moxy Monitor. Urządzenie wykorzystuje cztery długości fal: 680, 720, 760 i 800 nm, a detektory znajdują się w odległości 12,5 i 25 mm od źródła światła. Przy klasycznym przybliżeniu, według którego efektywna głębokość penetracji wynosi około połowy odległości źródło–detektor, najgłębszy kanał próbuje zbierać informację z okolic sięgających mniej więcej 12,5 mm pod powierzchnię skóry. Domyślna częstotliwość raportowania w tym urządzeniu wynosi około 0,5 Hz, czyli jeden wynik co dwie sekundy.

To od razu pokazuje, dlaczego porównywanie surowego SmO2 między dwiema osobami jest ryzykowne. Różnica może wynikać nie tylko z fizjologii.

Znaczenie mają między innymi:

• grubość tkanki tłuszczowej nad mięśniem,

• dokładne miejsce przyklejenia sensora,

• badany mięsień,

• ucisk wywierany przez taśmę lub odzież kompresyjną,

• ruch czujnika względem skóry,

• temperatura skóry i przepływ skórny,

• konstrukcja oraz algorytm konkretnego urządzenia,

• geometria źródła i detektorów.

Dlatego praktycznie mało użyteczne są instrukcje typu „jedź na progu przy SmO2 35–40%”. Nie istnieje jedna procentowa wartość SmO2 odpowiadająca progowi dla wszystkich zawodników.

Jeszcze gorszym pomysłem jest porównywanie bezpośrednio wartości z dwóch różnych mięśni. Vastus lateralis podczas jazdy na rowerze może osiągać zupełnie inną desaturację niż łydka podczas biegu, nawet jeśli tętno, VO2 i odczuwalna intensywność wysiłku są podobne.

Najbardziej wartościowe jest więc porównanie:

ten sam zawodnik + ten sam sensor + ten sam mięsień + to samo miejsce + podobne warunki + ten sam protokół wysiłkowy.

Dopiero wtedy różnica między testami zaczyna mieć sens treningowy.

Czy z krzywej SmO2 można wyznaczyć próg?

Można wyznaczyć breakpoint SmO2, czyli punkt zmiany przebiegu krzywej utlenowania mięśnia. Nie należy jednak automatycznie nazywać go progiem mleczanowym.

W teście narastającym wraz ze wzrostem mocy lub tempa rośnie wykorzystanie tlenu przez pracujący mięsień. SmO2 zwykle stopniowo spada. Krzywa nie zawsze jest jednak linią prostą. W określonym momencie może zmienić nachylenie, wypłaszczyć się albo wejść w inną fazę desaturacji. Takie miejsca nazywa się muscle oxygenation breakpoints.

W badaniach porównuje się je między innymi z:

• VT1, czyli pierwszym progiem wentylacyjnym,

• VT2,

• RCP, czyli respiratory compensation point,

• progami wyznaczanymi z mleczanu,

• MLSS, czyli maksymalnym stanem równowagi mleczanowej.

Najciekawsze wyniki dotyczą zwykle wyższego breakpointu. W przeglądzie obejmującym 15 badań współczynnik ICC opisujący zgodność intensywności pierwszego progu NIRS z pierwszym progiem wentylacyjnym lub mleczanowym wynosił około 0,53. Dla drugiego progu było to około 0,80. To spora różnica. Wyższy breakpoint jest znacznie bardziej obiecujący, ale nadal nie daje podstaw do uznania NIRS za wymienny odpowiednik analizy gazów oddechowych.

Pokazują to również dane z dobrze wytrenowanych kolarzy. W jednej z analiz średnia różnica między obustronnie mierzonym breakpointem SmO2 a VT2 była bardzo mała — około 0,03 W/kg. Problem pojawiał się na poziomie pojedynczego zawodnika: granice zgodności wynosiły od około -0,40 do +0,45 W/kg. Przy zawodniku ważącym 75 kg daje to potencjalne przesunięcie rzędu około 30–34 W w jedną lub drugą stronę.

Jeszcze bardziej dosadny jest przykład badań, w których porównywano progi NIRS z wentylacyjnymi podczas stopniowanego testu kolarskiego. Średnie wyniki grupowe wyglądały dobrze: VT1 wypadał w okolicy 171 W, a odpowiadający mu próg z jednego z parametrów NIRS około 179 W. Dla VT2 było to około 242 W, a dla odpowiadającego parametru NIRS około 230 W. Standardowy błąd oszacowania wynosił około 23–25 W, a indywidualne granice zgodności w części analiz dochodziły do około ±107 W.

I właśnie tu znajduje się granica między ciekawym pomiarem a błędem treningowym. Średnia grupowa może wyglądać świetnie, podczas gdy u konkretnego zawodnika różnica jest zbyt duża, aby na jej podstawie ustawiać strefy.

Jeżeli celem jest znalezienie breakpointu SmO2, zamiast patrzeć na konkretną wartość procentową trzeba analizować zmianę nachylenia krzywej. W praktyce dobrze sprawdza się następująca procedura:

1. Sensor umieść zawsze w tym samym miejscu, np. na vastus lateralis, i zaznacz pozycję względem punktów anatomicznych.

2. Zastosuj test narastający o identycznym przebiegu przy kolejnych pomiarach. W kolarstwie często używa się ramp rzędu 20–30 W/min; w badaniach nad breakpointami stosowano również liniową rampę 30 W/min, czyli 1 W co 2 sekundy.

3. Nie oceniaj breakpointu na podstawie jednej klatki danych. Sygnał trzeba wygładzić w identyczny sposób w każdym teście, np. krótką średnią ruchomą, ponieważ pojedyncze ruchy sensora generują skoki większe niż część zmian fizjologicznych.

4. Dopasuj dwie części krzywej metodą segmentowej regresji liniowej i szukaj punktu, w którym zmiana nachylenia najlepiej wyjaśnia przebieg SmO2.

5. Pierwszy test NIRS porównaj z metodą odniesienia: analizą gazów albo testem mleczanowym. Dopiero gdy różnica u konkretnego zawodnika jest mała i wynik się powtarza, breakpoint można wykorzystywać treningowo.

To ostatnie kryterium jest najważniejsze. Jeżeli NIRS pokazuje drugi breakpoint przy 315 W, VT2 z analizy gazów wypada przy 320 W, a ponowiony test daje 310–318 W, czujnik zaczyna być użytecznym narzędziem do kontroli. Jeżeli breakpoint raz pojawia się przy 285 W, a miesiąc później przy 330 W bez wyraźnej zmiany formy, najpierw trzeba szukać błędu pomiaru, a nie ogłaszać skok wydolności.

SmO2 najlepiej traktować jako lokalny marker, który uzupełnia moc, tempo, tętno, RPE i mleczan. Nie jako samotny arbiter intensywności.

Kilka milimetrów tłuszczu potrafi zmienić cały obraz

Najbardziej niedocenianym problemem w sportowym NIRS jest ATT — adipose tissue thickness, czyli grubość podskórnej tkanki tłuszczowej znajdującej się między sensorem a mięśniem.

Światło NIR nie biegnie pionowo w dół i pionowo z powrotem. W tkance wielokrotnie się rozprasza, a jego efektywna droga przypomina łuk lub „banana”. W klasycznych systemach continuous-wave przyjmuje się orientacyjnie, że maksymalna użyteczna głębokość pomiaru odpowiada mniej więcej połowie odległości pomiędzy źródłem a detektorem.

Jeżeli źródło i detektor dzieli 30 mm, typowa głębokość próbkowania będzie więc rzędu około 15 mm. Gdy warstwa znajdująca się nad mięśniem zaczyna zbliżać się do tej wartości, coraz większa część sygnału pochodzi z tkanek powierzchownych, a coraz mniejsza z samego mięśnia.

Za minimalny warunek techniczny często uznaje się sytuację, w której ATT nie przekracza połowy odległości źródło–detektor. To jednak granica dość liberalna. W pomiarach wymagających dobrej jakości danych stosuje się bardziej konserwatywną zasadę: ATT poniżej około 25% najdłuższej odległości źródło–detektor.

Dla urządzenia z najdłuższym dystansem 25 mm oznacza to:

• około 6,25 mm ATT jako znacznie bezpieczniejszy zakres pomiarowy,

• około 12,5 mm jako okolice teoretycznej głębokości, po przekroczeniu której udział sygnału z mięśnia staje się poważnym problemem.

Nie należy jednak bezpośrednio zastępować ATT wynikiem fałdu skórnego z kalipera. Fałd skórny i ultrasonograficzna grubość podskórnej tkanki tłuszczowej to dwa różne pomiary. Kaliper obejmuje podwójną warstwę tkanek i wynik w milimetrach nie jest automatycznie równy ATT znajdującemu się pomiędzy powierzchnią skóry a powięzią mięśnia.

Jeśli od danych SmO2 mają zależeć strefy treningowe albo porównania między zawodnikami, rozsądniejszym rozwiązaniem jest USG w miejscu przyklejenia sensora. Mierzy się odległość od powierzchni skóry do powięzi mięśnia i zapisuje wynik razem z lokalizacją czujnika.

Wpływ tłuszczu nie sprowadza się przy tym do niewielkiego przesunięcia wyniku o 2–3 punkty procentowe. Warstwa tłuszczowa przede wszystkim spłaszcza odpowiedź, ponieważ sygnał z pracującego mięśnia jest coraz silniej mieszany z sygnałem z powierzchownych tkanek.

Eksperymentalnie obserwowano, że przy odległościach źródło–detektor rzędu 30–40 mm już około 5 mm tkanki tłuszczowej może zmniejszać intensywność sygnału pochodzącego z głębszych struktur o około 20%. Przy krótszych odległościach efekt jest jeszcze większy. W niektórych konfiguracjach przekroczenie 10 mm ATT powodowało ponad 90-procentowe osłabienie komponentu pochodzącego z mięśnia.

Bardzo dobrze widać to w doświadczeniach modelowych z warstwą tłuszczową. Gdy rzeczywista saturacja głębszej warstwy wynosiła 100%, zwiększanie warstwy tłuszczu do 14 mm powodowało w jednym z systemów odczyt około 74%. Przy rzeczywistej wartości 0% odczyt potrafił wzrosnąć nawet do około 68%. Innymi słowy, dodatkowa tkanka powierzchowna ściska zakres zmian: wysokie wartości wyglądają na niższe, a niskie na wyższe.

To właśnie dlatego dwie osoby wykonujące ten sam test mogą mieć zupełnie różne amplitudy SmO2 mimo podobnej wydolności.

W praktyce przed interpretacją danych zrobiłbym trzy rzeczy, dokładnie w tej kolejności:

• zmierzył ATT w miejscu sensora,

• ustandaryzował położenie urządzenia z dokładnością do kilku milimetrów,

• dopiero potem analizował breakpoint i zakres desaturacji.

Nie próbowałbym natomiast „naprawiać” grubszego ATT przez mocniejsze dociśnięcie sensora. Zbyt ciasna opaska zmienia lokalną perfuzję i wprowadza następny błąd. Sensor ma nie przesuwać się podczas pracy mięśnia, ale nie może działać jak częściowa opaska uciskowa.

Tak samo problematyczne jest przyklejanie urządzenia „mniej więcej na środku uda”. Przesunięcie go pomiędzy testami zmienia zarówno grubość tkanki podskórnej, jak i fragment mięśnia objęty pomiarem. W badaniach podłużnych warto zrobić zdjęcie lokalizacji, zapisać odległość od rzepki i krętarza większego oraz zaznaczyć miejsce markerem przed kolejnymi sesjami.

Najgorsza sytuacja to porównywanie zawodników bez informacji o ATT. Jeżeli osoba A ma 4 mm tkanki podskórnej nad vastus lateralis, a osoba B 13 mm, różnica w amplitudzie SmO2 może być w dużej części optyczna, nie metaboliczna. Rankingowanie ich na podstawie minimalnego SmO2 nie ma wtedy większego sensu.

W treningu indywidualnym NIRS jest pod tym względem łatwiejszy do wykorzystania. Nawet jeśli wartość bezwzględna nie jest idealna, trend tej samej osoby mierzony identyczną procedurą może nadal być użyteczny. Jeśli przy 300 W SmO2 przez kilka miesięcy spadało z 65 do 25%, a po okresie treningowym przy tej samej mocy stabilizuje się w okolicy 35–40%, taki wynik jest wart analizy — szczególnie gdy równolegle zmieniają się tętno, mleczan i RPE.

Problem zaczyna się po istotnej zmianie masy ciała. Redukcja kilku kilogramów może zmniejszyć ATT dokładnie w miejscu pomiaru. Wtedy większa amplituda SmO2 po redukcji nie musi oznaczać pogorszenia zdolności mięśnia do utrzymania utlenowania. Sensor może po prostu „widzieć” mięsień lepiej niż wcześniej. W takim przypadku trzeba ponownie zmierzyć ATT i potraktować nowy okres jako nową linię bazową.

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

FAQ: najczęstsze pytania o SmO2 i NIRS

Czy konkretna wartość, np. SmO2 = 40%, oznacza przekroczenie progu?
Nie. Próg wyznacza się z przebiegu i zmiany nachylenia krzywej, a nie z uniwersalnej wartości procentowej. 40% może u jednego zawodnika pojawić się przed VT2, a u innego dopiero podczas pracy znacznie powyżej niego.

Czy NIRS może zastąpić test mleczanowy?
Nie jako metoda wymienna u każdego zawodnika. Może bardzo dobrze uzupełniać test i po wcześniejszej walidacji służyć do późniejszego monitorowania bez pobierania krwi, ale pierwsze wyznaczenie breakpointu rozsądnie jest porównać z mleczanem albo analizą gazów.

Który próg NIRS jest bardziej wiarygodny?
Z badań wynika, że drugi breakpoint ma zwykle lepszą zgodność z VT2/RCP niż pierwszy breakpoint z VT1. W metaanalizie ICC wynosił około 0,80 dla drugiego i około 0,53 dla pierwszego progu.

Czy SmO2 można porównywać między zawodnikami?
Tylko ostrożnie. Bez informacji o urządzeniu, miejscu pomiaru i grubości tkanki tłuszczowej bezpośrednie porównanie wartości bezwzględnych jest słabe metodologicznie. Znacznie mocniejsze są porównania powtarzanych pomiarów tej samej osoby.

Jak zmierzyć grubość tkanki tłuszczowej pod sensorem?
Najlepiej za pomocą USG, mierząc warstwę od powierzchni skóry do powięzi mięśniowej dokładnie w miejscu instalacji NIRS. Kaliper jest tańszy i nadaje się do kontroli zmian, ale wynik fałdu skórnego nie powinien być utożsamiany 1:1 z ATT.

Czy mocniejsze dociśnięcie czujnika pomaga przy grubszej tkance tłuszczowej?
Nie. Nie zwiększa użytecznej głębokości penetracji światła, a za duży ucisk może zmieniać miejscowy przepływ krwi i sam SmO2.

Czy sensor musi znajdować się dokładnie w tym samym miejscu przy każdym teście?
Tak. Przy analizie zmian w czasie jest to jeden z najważniejszych warunków. Różnice kilku centymetrów mogą oznaczać inną grubość tłuszczu, inny przebieg naczyń i inną część mięśnia.

Czy niski SmO2 oznacza słabą wydolność?
Nie. Głęboka desaturacja może oznaczać dużą ekstrakcję tlenu przez aktywny mięsień, ale może też wynikać z niedostatecznego dostarczania tlenu. Sam wynik minimalny bez mocy, czasu, przebiegu SmO2, tętna i kontekstu wysiłku jest mało diagnostyczny.

Od czego zacząć korzystanie z NIRS w treningu?
Nie zaczynaj od szukania „prawidłowego SmO2”. Najpierw zmierz ATT w miejscu sensora i ustal powtarzalną lokalizację urządzenia. Następnie wykonaj jeden dobrze kontrolowany test narastający, najlepiej równolegle z analizą gazów albo mleczanem. Dopiero gdy wiesz, gdzie u Ciebie wypada breakpoint SmO2 i jak powtarzalny jest przy tej samej procedurze, wykorzystuj go do wyznaczania intensywności. Pierwszym błędem do usunięcia jest interpretowanie pojedynczej wartości procentowej bez znajomości jakości sygnału i anatomii miejsca pomiaru.