Revisión

Uso de la espectroscopia de infrarrojo cercano para la medición de la saturación de oxígeno muscular en el deporte

Using near-infrared spectroscopy technology for measuring muscle oxygen saturation in sport
Uso da tecnologia de espectroscopia de infravermelho próximo para medir a saturação de oxigênio muscular no esporte

C. D. Gómez-Carmona
Grupo de Optimización del Entrenamiento y el Rendimiento Deportivo (GOERD). Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Extremadura, Cáceres, España. 

A. Bastida-Castillo
Departamento de Actividad Física y Deporte. Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Murcia, San Javier, España

J. Pino-Ortega
Departamento de Actividad Física y Deporte. Facultad de Ciencias del Deporte. Universidad de Murcia, San Javier, España

 

Recibido el 5 de mayo de 2017, Aceptado el 19 de julio de 2017, Online el 18 de enero de 2019

RESUMEN

El objetivo de este trabajo fue revisar el funcionamiento de la espectroscopia de infrarrojo cercano y sus diferentes aplicaciones en el ámbito deportivo como son: la descripción de las exigencias oxidativas mediante su monitorización tanto en contextos de resistencia y fuerza, y la evaluación de su aplicación en programas de entrenamiento. Para ello se realizó una búsqueda bibliográfica en las bases de datos Web of Science y Scopus en la que se obtuvieron, después de la exclusión de artículos que no se ajustaron a los criterios de inclusión, un total de 38 artículos originales de investigación. Los datos resultantes que fueron extraídos de los estudios incluidos fueron datos de los participantes, parámetros del programa de entrenamiento o ejercicio, los músculos evaluados, el dispositivo y método de evaluación y los principales resultados.

ABSTRACT

The objective of this research was to review the operation of near-infrared spectroscopy and its different applications in the sports field, such as: the description of oxidative requirements through its monitoring in both resistance and strength contexts and the evaluation of its application in training programs. A bibliographic search was carried out in the Web of Science and Scopus databases, in which a total of 38 original research articles were obtained after exclusion of articles that did not meet the inclusion criteria. The resulting data that were extracted from the included studies were data of the participants, parameters of the training program or exercise, the muscles evaluated, the device and method of evaluation and the main results.

RESUMO
O objetivo desta pesquisa foi revisar o funcionamento da espectroscopia do infravermelho próximo e suas diferentes aplicações no campo esportivo, tais como: a descrição dos requisitos oxidativos através de seu monitoramento em contextos de resistência e força e a avaliação de sua aplicação em programas de treinamento . Uma pesquisa bibliográfica foi realizada nas bases de dados da Web of Science e Scopus, no qual foram obtidos 38 artigos de pesquisa originais após a exclusão de artigos que não atendiam aos critérios de inclusão. Os dados resultantes que foram extraídos dos estudos incluídos foram dados dos participantes, parâmetros do programa de treinamento ou exercício, os músculos avaliados, o dispositivo e o método de avaliação e os principais resultados.

Palabras clave: NIRS, saturación de oxígeno muscular, resistencia, fuerza, programas de entrenamiento, monitorización.
Keywords: NIRS, muscle oxygen saturation, endurance, strength, training programs, monitoring.
Palavras-chave: NIRS, saturação de oxigênio muscular, resistência, força, programas de treinamento, monitoramento.

 

Introducción

A lo largo de los años, la tecnología aplicada a las ciencias de la actividad física y del deporte ha contribuido enormemente tanto a la investigación como al control del entrenamiento. La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) es un método tecnológico para la medición de un gran potencial de posibles variables en diferentes ámbitos de estudio (agricultura, cardiología, neurología, ciencias del deporte, etc.), que está en continuo desarrollo desde los años 601. Numerosos estudios experimentales han abordado la fiabilidad y validez de esta tecnología, así como las posibles aplicaciones que pueden contribuir en cualquier campo de esta ciencia. En el ámbito de las ciencias de la actividad física y el deporte recientemente el uso de la tecnología NIRS está siendo muy extendido para medir la oxigenación muscular durante el ejercicio físico2. A pesar de ello, sigue existiendo un gran campo de actuación con esta tecnología que pueda dar respuesta a incógnitas en el área de la fisiología del ejercicio, que por su complejo método de estudio, no se ha desarrollado su conocimiento de forma integral2. Por ello, esta revisión pretende proporcionar información actualizada sobre la utilización de la tecnología NIRS en el ámbito del deporte.

Método

Para la búsqueda bibliográfica y obtención de artículos publicados de investigaciones científicas originales se utilizaron las bases de datos Web Of Science (WOS) y Scopus (S). La búsqueda fue llevada a cabo desde el día 21 de enero hasta el 27 de marzo del 2016. El gestor bibliográfico utilizado para la recopilación de todos los artículos usados en esta revisión ha sido Zotero. Para la obtención de los artículos, se incluyeron varias combinaciones de palabras clave: “NIRS and sport” (WOS=132, S=76), “NIRS and strength training” (WOS=5, S=4), “NIRS and resistance training” (WOS=13, S=2) and “muscle oxygenation and sport” (WOS=113, S=70). También se incluyeron artículos citados y referenciados en investigaciones ya encontradas. Los criterios de inclusión que se establecieron fueron los siguientes: (i) artículos originales experimentales o revisiones que hayan utilizado la tecnología de espectroscopia de infrarrojo cercano para la monitorización de la oxigenación muscular; (ii) artículos publicados en revistas incluidas en el Journal Citation Reports (JCR); (iii) estudios que se encuentren enmarcados en contextos deportivos. Uno de los autores desarrolló la búsqueda y registró los manuscritos en el gestor bibliográfico Zotero. Otros dos autores independientemente evaluaron los títulos y los resúmenes de cada artículo en el registro realizado y excluyeron los artículos que no se ajustaban a los criterios de inclusión. A continuación, se realizó una revisión del texto completo de los artículos. Para la inclusión final, ambos autores revisaron el acuerdo de su registro de artículos aceptados. En caso de desacuerdo, se llevó a cabo una discusión que involucró al tercer revisor. Estas combinaciones de búsqueda dieron como resultado la inclusión final de 38 artículos originales. Los datos que fueron extraídos de los estudios incluidos fueron datos de los participantes, parámetros del programa de entrenamiento o ejercicio, músculos evaluados, dispositivo y método de evaluación y principales resultados obtenidos.

Funcionamiento y principios básicos de la tecnología NIRS

NIRS es un método de medición no invasivo de la concentración de oxígeno en sangre utilizando rayos de infrarrojo cercano. En sus orígenes fue comercializado en 1996 (Hitachi Co. Ltd.) básicamente para mostrar la actividad cerebral en neurología1. Utiliza longitudes de onda en el intervalo de 700-850nm2 la cual permite una mejor penetración en el tejido biológico que la luz visible3. En nuestro cuerpo, el oxígeno es transportado por la hemoglobina y los niveles varían con la intensidad de la actividad física debido a una disminución del pH y un aumento de la temperatura provocados por el incremento del metabolismo anaeróbico3.

En la figura 1, se muestra el principio básico de funcionamiento de la tecnología NIRS. La luz del infrarrojo cercano es transmitida hacia el cuerpo por el emisor, y el receptor recibe esa luz una vez transportada por el cuerpo. Según Cornachione y cols. 4, NIRS es una técnica válida para estimar la saturación de oxígeno muscular (%SmO2), que es la relación de la oxi-hemoglobina con respecto a la hemoglobina total en la sangre, expresado en porcentaje. Así, los cambios en SmO2 durante el ejercicio están directamente relacionados con el balance entre la disponibilidad de oxígeno en sangre y su uso en los músculos activos4.

La concentración de oxígeno es calculada por la ley de Lambert-Beer, aunque debido a que en el uso real existe una influencia de perturbaciones (aparición de movimiento fisiológico y luz exterior), la ley de Lambert-Beer se modifica para su aplicación como se muestra a continuación5:

log (Iin/Iout)=ε·∆C·D·∆S

Donde Iin es la luz que entra hacia el músculo objetivo, Iout es el cambio de la luz transmitida que pasa a través del cuerpo, D (mm) es la distancia, ε [1/mM*mm] es el coeficiente de extinción, y ∆C [mM] (M:mol) es el cambio en la concentración, y ∆S el cambio en el efecto de dispersión.

En cuanto a los protocolos de colocación del dispositivo, en la gran mayoría de los estudios reportan que deben ser ubicados en la porción media del vientre muscular6–9. Otros estudios son más específicos situando el punto de colocación: (i) a 15 cm desde la grieta de la rótula en el vasto lateral del cuádriceps8, (ii) 10 cm del borde proximal de la rótula4 y (iii) línea media del músculo vasto lateral9. En el gastrocnemio, se indica colocarlo sobre el vientre derecho, paralelo al eje mayor de la espinilla10. Para evitar la contaminación de la señal lumínica, es necesario rasurar la zona de colocación9 y proteger el dispositivo con algún material oscuro (venda, malla compresiva o cinta elástica) de la luz ambiental8.

En definitiva, NIRS ha sido utilizado por gran número de investigadores para mostrar su viabilidad para medir el consumo de oxígeno (VO2) en tejido muscular2,11,12. Por lo tanto, diversas revisiones concluyen que esta metodología es válida para ello y puede ser muy prometedora para profundizar el conocimiento científico sobre la cinética de la saturación de oxígeno en tejido muscular12–14.

Ventajas del uso de la tecnología NIRS

Como hemos visto anteriormente, la tecnología NIRS presenta unas características de utilización que van a influir en la consecución de los datos de forma válida y fiable. Las ventajas del uso de esta tecnología son:

- Es una técnica óptica no invasiva y segura que utiliza emisores de luz o diodos láser como fuente de luz y detectores NIRS para medir la oxigenación muscular3.

- La técnica espectroscópica NIR ofrece información acerca de los cambios de oxigenación producidos en la sangre venosa debido a la profundidad a la que llega esta señal en el tejido (en un adulto puede estar entre 4-5 centímetros). Del total de datos que esta capta un 70% provienen de sangre venosa, un 20% de sangre capilar y un 10% de sangre arterial1.

- Permite realizar una monitorización de variables fisiológicas importantes15: oxihemoglobina (HbO2), desoxihemoglobina (HHb), hemoglobina total (tHb) (tHb = HbO2 + HHb) y saturación de oxígeno muscular (SmO2 = HbO2/tHb).

- Se caracteriza por una resolución temporal relativamente alta (típicamente entre 1 y 10 Hz) que permite medir el curso temporal de cambios de oxigenación muscular11.

- Tiene un precio relativamente bajo, de pequeño tamaño, móvil, se puede fijar a cualquier parte del cuerpo y el análisis de sus datos puede realizarse a posteriori o de forma directa mediante tecnología inalámbrica de transmisión de datos20.

Limitaciones del uso de la tecnología NIRS

La utilización de esta tecnología permite incrementar el conocimiento científico. Aun así, presenta las siguientes limitaciones y aspectos que debemos controlar en su registro:

- Acoplamiento óptico con la piel. Este contacto debe de ser estable para que la fuente de luz NIR de onda continua penetre en el tejido y se reciba la información de forma adecuada. La estratificación y el color de pelo oscuro atenúan la luz NIR16.

- La determinación de los parámetros de la espectroscopia NIR está influenciada por los cambios de flujo/volumen de la sangre a la piel1.

- La señal de la espectroscopia NIR no se corrige automáticamente cuando se produce un movimiento del aparato de medición o una reducción de la penetración de la luz en la piel durante la monitorización11.

- No existe una normalización en el procesamiento de los datos de la señal captada por la tecnología NIRS. Los fabricantes deberían marcar unas pautas para su análisis11.

- Se precisan de estudios que aúnen conclusiones en cuanto a su fiabilidad inter-temporal que, a priori, se está reportando como débil8.

Aplicación de la tecnología NIRS en la actividad física y el deporte

La primera investigación que utilizó la tecnología NIRS para el estudio de la energía utilizada por el músculo humano en el deporte se realizó en un grupo de remeros entrenados en una simulación durante el entrenamiento de una prueba de 2000 m17. A partir de este estudio, muchos investigadores comenzaron a buscar aplicaciones de esta tecnología en el deporte entre las que destacamos la monitorización de la oxigenación muscular durante el entrenamiento y la competición, y la evaluación después de la aplicación de un programa de entrenamiento.

Control y monitorización de la saturación de oxígeno muscular en la actividad física y el deporte

La monitorización a nivel oxidativo mediante la tecnología NIRS se ha utilizado, sobre todo, en deportes individuales para determinar su efecto a través de dos variables: flujo sanguíneo y saturación de oxígeno muscular representadas por el incremento de la oxihemoglobina (HbO2) y la desoxihemoglobina (HHb). En la tabla 1 se muestran las investigaciones que han utilizado esta tecnología por especialidad deportiva.



En carrera a pie encontramos dos investigaciones con resultados opuestos. En la primera de ellas encuentran diferencias oxidativas entre la pierna izquierda y la pierna derecha18 mientras que en la segunda no encuentran diferencias significativas19, siendo ambos protocolos esfuerzos de corta duración a alta intensidad. Por último, otra investigación realizada sobre el mismo deporte encuentra que la desoxigenación del vasto lateral contribuye al desarrollo del componente lento del VO2 en carrera20.

En ciclismo se han descrito (i) una mayor desoxigenación y una reoxigenación más rápida al comparar un test incremental máximo en relación a una contrarreloj de 20 km21; (ii) diferencias significativas en función del grado de entrenamiento y la cadencia de pedaleo en la oxigenación muscular22; (iii) influencias del tipo de recuperación entre 2 test Wingate teniendo la recuperación pasiva mayor reoxigenación y mayor potencia pico23 y (iv) el aumento de la reoxigenación periférica con el uso de entrenamiento de sprint interválico (SIT).

En esquí, dos investigaciones donde la primera de ellas no encuentra un mayor nivel de desoxigenación en el slalom gigante debido a una posición más baja del deportista24. Por el contrario, otro trabajo realizado indica una mayor desoxigenación a un nivel de inclinación mayor, provocando una restricción del flujo sanguíneo25. Esta investigación también encuentra una fuerte relación entre el porcentaje de desoxigenación y el VO2 del organismo (r=0.83). En relación a la investigación realizada por Szmedra et al.25, en patinaje de velocidad encontramos los mismos resultados6, añadiendo que existe una diferencia de oxigenación entre ambas piernas que se acentúa en las curvas por una mayor incidencia del peso sobre la pierna izquierda.

Con esta tecnología también se monitorizaron investigaciones en escalada26 y fútbol27. En escalada se encontró una mayor fuerza y una mejor reoxigenación en los flexores del dedo en los sujetos entrenados sobre los no entrenados, mientras que en fútbol el entrenamiento intermitente a alta intensidad (HIT), que requiere dicho deporte, provocó una mejora en la reoxigenación tras la realización de un test Wingate.

Uso de la tecnología NIRS para la evaluación de programas de entrenamiento de resistencia

Una de las diferentes utilidades del uso de la tecnología NIRS ha sido analizar la evolución a nivel oxidativo de la aplicación de diversos programas de entrenamiento y tappering. En la tabla 2 se exponen las investigaciones revisadas sobre esta temática.


Un programa de entrenamiento de intensidad baja y continua (END) provoca un mayor volumen sanguíneo y una mayor saturación de oxígeno muscular inicial28. El protocolo END requiere de un alto volumen de entrenamiento con respecto al protocolo HIT (entrenamiento interválico de alta intensidad) (HIT: 180 min, END: 825 min)29. Por tanto, una investigación analiza la aplicación de un protocolo END y un protocolo HIT, en dos grupos independientes, durante cuatro semanas. Los resultados exponen que ambos entrenamientos producen las mismas adaptaciones oxidativas y metabólicas, pero el protocolo HIT de forma más temprana29. A partir de estos resultados, otra investigación analizó el efecto de ocho semanas de un programa de entrenamiento con sprints repetidos (RS)30 obteniendo una mejor reoxigenación y un aumento de su consumo máximo de oxígeno (VO2máx). Debido a las mejoras oxidativas de la utilización de los protocolos HIT 29 y RS30, se realizó otra investigación mediante el método HIT encontrando un cambio en el perfil de desoxigenación muscular durante el ejercicio incremental, lo que sugiere una mejora en la extracción de O2 durante el ejercicio31.

Por último, describimos una investigación con el objetivo de evaluar una fase de tappering tras un programa de entrenamiento. Para ello se diseñaron tres grupos de reducción de volumen de entrenamiento (30, 50 y 80%). Los resultados de esta investigación indican que los sujetos obtuvieron una mayor Hb/MbO2 muscular y un mayor rendimiento en el grupo de reducción del 50%. El grupo con reducción del 80% mejoró, pero no de forma significativa. Mientras que, el grupo que disminuyó un 30% tuvo una reducción del rendimiento tanto a nivel de potencia como a nivel oxidativo muscular32.

Aplicación de la tecnología NIRS durante el entrenamiento de fuerza

Las evidencias científicas reportadas de la utilización de la tecnología NIRS durante protocolos que utilicen principalmente el componente de la fuerza son bastante escasas. Solo se han encontrado cinco estudios que han usado esta tecnología para evaluar la cinética de oxigenación muscular en estas condiciones (tabla 3).



Tamaki et al.33 monitorizó la oxigenación muscular del bíceps braquial durante un ejercicio de curl de bíceps observando un incremento de HHb y un descenso de HbO2 y flujo total de hemoglobina al principio del ejercicio en un protocolo de 10 repeticiones máximas (RM), los autores sugieren que este tipo de ejercicios inducen una restricción en el flujo sanguíneo hacia el músculo efector produciendo una relativa falta de suministro de oxígeno. Por otro lado, Azuma et al.34 concluyeron tras la monitorización del vasto lateral y el bíceps femoral mediante NIRS que: (i) existe un menor tiempo hasta fatiga según se produce un aumento de 1RM y (ii) la saturación de oxígeno fue inferior en el vasto lateral en relación al recto femoral, sugiriendo que dichas diferencias pueden estar relacionadas con la composición del tipo de fibra. Hoffman et al.35 también analizaron el vasto lateral con diferentes grupos de intensidad y velocidad, entre los resultados encontraron: (i) niveles de reoxigenación similares en los dos grupos y (ii) mayor tiempo de reoxigenación en el grupo de baja intensidad, sugiriendo que ese retraso puede estar causado por un aumento en las concentraciones de lactato ya que fue significativamente mayor la respuesta hormonal en el grupo de baja intensidad. Tanimoto e Ishii36 encontraron que la intensidad y la velocidad de ejecución influían significativamente en la SmO2 siendo el grupo de menos intensidad y velocidad normal el que mayores valores de reoxigenación reportó. Bastida-Castillo et al.37 comprobaron el efecto del tipo de recuperación sobre el comportamiento de la SmO2 durante el entrenamiento de fuerza mediante el ejercicio de sentadilla donde se encontraron diferencias significativas en el tiempo de recuperación de SmO2 al realizar este de forma activa o pasiva, obteniendo mejores resultados de forma activa a baja intensidad.

Resulta evidente a partir de estos estudios, que la cinética de la oxigenación intramuscular y el volumen sanguíneo medidos por NIRS dependen de los protocolos de entrenamiento de fuerza y pueden variar en los diferentes músculos. Aunque esta técnica ha sido utilizada ampliamente durante ejercicios dinámicos, durante el entrenamiento de fuerza su aplicación es limitada. En este sentido, muchos aspectos relacionados con este tipo de ejercicio en humanos están por descubrir38.


Conclusiones

Los estudios analizados demuestran que la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) es una técnica válida para la medición de la saturación de oxígeno muscular de forma no invasiva, económica y en tiempo real, debido a la emisión de los datos de forma inalámbrica. Entre sus diferentes aplicaciones encontramos la descripción de la cinética de oxidación muscular del ejercicio físico para la monitorización del entrenamiento y la competición tanto en contextos de resistencia como de fuerza. Aunque esta tecnología no ha sido ampliamente utilizada durante ejercicios de fuerza, parece interesante que se realicen investigaciones dedicadas a la oxigenación muscular en combinación con análisis bioquímico para comprobar qué ocurre con las diferentes cargas durante el entrenamiento de fuerza así como aumentar el entendimiento del entrenamiento sin oxígeno (anoxia). Sin embargo, en contextos de resistencia la tecnología NIRS ha sido muy útil para comprobar diferencias en la oxidación e intervenciones que mejoren la misma.

Estos dispositivos presentan un gran potencial en el análisis del rendimiento tanto en competición como en programas de entrenamiento gracias a la monitorización en tiempo real de deportistas, eliminando el uso de otras técnicas invasivas. Además, presentan protocolos de comunicación que pueden ser integrados en sistemas inerciales donde, con un solo sistema, se pueden monitorizar de forma continua durante largos periodos de tiempo diferentes variables para controlar el rendimiento deportivo.

 

Autoría. Todos los autores han contribuido intelectualmente en el desarrollo del trabajo, asumen la responsabilidad de los contenidos y, asimismo, están de acuerdo con la versión definitiva del artículo. Conflicto de intereses. Los autores declaran no tener conflicto de intereses. Origen y revisión. Se ha realizado por encargo, la revisión ha sido externa y por pares. Responsabilidades éticas. Protección de personas y animales: Los autores declaran que los procedimientos seguidos están conforme a las normas éticas de la Asociación Médica Mundial y la Declaración de Helsinki. Confidencialidad: Los autores declaran que han seguido los protocolos establecidos por sus respectivos centros para acceder a los datos de las historias clínicas para poder realizar este tipo de publicación con el objeto de realizar una investigación/divulgación para la comunidad. Privacidad: Los autores declaran que no aparecen datos de los pacientes en este artículo.

 

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