Principy správného měření saturace kyslíku ve svalu (SmO2)

Understanding_the_Quality_of_Muscle_Oxygen_MetricsMoxy monitor je první přístroj, který měří okysličení ve svalu neboli svalovou saturaci, a byl vyvinut speciálně pro sportovce. Původně byl koncipován pro použití v medicíně a to v případech jako je monitorace tzv. akutního compartment syndromu, onemocnění periferních tepen a srdečního selhání. Nyní je na trhu více než dva roky a pomáhá trenérům a sportovcům na celém světě v jejich úsilí zlepšit sportovní výkon. V současnosti jsou k vidění konkurenční zařízení, která pomalu vstupují na trh. To je vítanou známkou toho, že trh začíná spatřovat užitečnost této technologie pro sportovce. Tím se však začnou na povrch dostávat otázky týkající se rozdílů mezi těmito zařízeními a kvalitou jejich měření.

Účelem tohoto článku je poskytnout informace o kritických aspektech, které hrají významnou roli při měření saturace svalu kyslíkem. Tyto informace by mohli být velmi cenné pro trenéry a sportovce, kteří se snaží nalézt a pochopit fyziologické limitace a systémy, které tyto limitace kompenzují.
V posledních 13 letech, kdy jsem se věnoval navrhování a hodnocení NIRS (near infrared spectroscopy = spektroskopie blízká infračervenému světlu) systémů, které se používají pro měření okysličení, jsem se naučil, které faktory jsou důležité pro přesnost měření. Mnohé z těchto faktorů se bohužel nedaří tvůrcům konkurenčních zařízení do svých přístrojů aplikovat. V posledních třech letech jsme v Moxy měli to štěstí, že jsme mohli velice úzce spolupracovat s předními fyziology jako je Juerg Feldmann, ale třeba také se špičkovými trenéry elitních sportovců. Společně se nám podařilo dokončit Moxy monitor. Díky těmto lidem dnes víme, že Moxy splňuje specifické požadavky, které jsou vyžadované pro fyziologický trénink.
Sedm bodů, které jsou uvedeny níže, je kritických proto, aby mohl správně fungovat monitor svalové saturace. Mnoho zařízení má potíže tyto požadavky dodržet, nebo jsou zcela neschopná těmto požadavkům dostát.

  1. Nasměrovat signál pouze do svalu
  2. Přesně určit saturaci na stupnici od 0 do 100% – SmO2
  3. Postihnout změny v celkovém hemoglobinu – tHb
  4. Vzít v úvahu rozdílnou tloušťku tukové tkáně
  5. Měřit na kterémkoliv svalu
  6. Měřit přesně i při změně teploty
  7. Povrch pokožky a artefakty

1. Nasměrovat signál pouze do svalu

Když umístíme senzor na námi definované místo, pod senzorem se nachází vrstva kůže, tuku a svalu. Kůže obsahuje značné množství krve, skrze které musí projít signál, aby se dostal do svalu. Průtok krve kůží je regulován především teplotními mechanismy lidského těla spíše než mechanismy, které souvisí se svalovou aktivitou při jeho zatížení. To je jeden z hlavních problémů, který Juerg viděl u starších zařízení NIRS, jež používal předtím, než jsme se poprvé setkali.  V průběhu testování, kdy tato zařízení hlásila zvýšené hodnoty okysličení, by měly tyto hodnoty klesat. Juerg k tomuto zjištění došel srovnáním s dalšími měřenými parametry, jako jsou parametry dýchání, aktivace svalů a krevního oběhu. Důvodem toho, že starší NIRS zařízení měřila špatně, je to, že kombinovala hodnoty saturace kůže a svalu. V těchto situacích byl průtok krve kůží vyšší z důvodu termoregulačního mechanismu zchlazení sportovce, to pak mělo za následek zkreslení měření přímo ve svalu. To je důvod, proč je velice důležité vědět, jestli skutečně měříme saturaci přímo ve svalu.

2. Přesně určit saturaci na stupnici od 0 do 100% – SmO2

Když měříme svalovou saturaci u sportovce, je užitečné vědět, jestli hodnota kyslíku stoupá, je stabilní nebo klesá, ale to samozřejmě nestačí. Je také důležité vědět, kde se pohybujeme na stupnici od 0% do 100%. Měli jsme případ cyklisty, který prováděl tzv. all-out test (test do naprostého vyčerpání) a hodnota okysličení jeho svalu byla skoro 0%. Také jsme měli případ běžkyně, která prováděla all-out test na běžícím pásu, a hodnota saturace svalu neklesla pod 80%. V obou případech hodnoty saturace klesly dolů z výchozích hodnot, ale běžkyně měla naprosto odlišnou fyziologickou limitaci než cyklista. Běžkyně nebyla schopna využít všechen kyslík, který byl přítomen ve svalu, zatímco cyklista toho schopen byl.

Mnoho NIRS zařízení umí měřit saturaci, ale nejsou přesné na stupnici od 0% do 100%. Dokonce, i když udávají číslo mezi 0 a 100, tato čísla nejsou na reálné stupnici. Vědecká skupina kolem Kevina McCullyho vyvinula techniku ​​přikládání škrtidla na sval testovaného jedince, aby se pokusili „kalibrovat“ zařízení s tímto problémem. I když toto řešení funguje, není to praktické v prostředí sportovního tréninku. Přesně změřené hodnoty jsou nezbytné pro stanovení limitace sportovního výkonu.

3. Postihnout změny v celkovém hemoglobinu – tHb

NIRS zařízení jsou typicky schopná měřit dvě nezávislé proměnné. Některá jiná zařízení zobrazují pouze hodnotu okysličení a neuvádějí hodnotu celkového hemoglobinu. Obě hodnoty jsou ve fyziologickém tréninku velice důležité. Hodnota celkového hemoglobinu je nepřímou mírou průtoku krve. Díky změnám v jeho hodnotě víme, co se s průtokem krve děje. Takže můžeme říct, jak se průtok krve mění, zda krev do svalu přitéká nebo je ve svalu zadržována nebo ze svalu odtéká.

4. Vzít v úvahu rozdílnou tloušťku tukové tkáně

Tuková vrstva komplikuje měření saturace. Velmi zhruba můžeme říci, že signál ze senzoru může proniknout do hloubky rovnající se polovině vzdálenosti, kterou naměříme mezi  optodou emitoru a optodou detektoru. Přesnost měření saturace není ovlivněna tukovou vrstvou, pokud je na to přístroj připraven a jeho algoritmus tento parametr zahrnuje do svých výpočtu.

Při testování sportovců, je běžné, že se měří na více svalech, a dokonce i u hubených sportovců se setkáme s různými tloušťkami tukových vrstev na různých svalech.

5. Měřit na kterémkoliv svalu

Některá NIRS zařízení jsou určena pouze k měření na jednom konkrétním svalu. I když to může poskytovat určité výhody při připevňování senzoru, je to pouze malý a téměř bezvýznamný benefit. V reálu se často měří více svalů a to i například ve sportech, jako je jízda na kole, kde je práce prováděna převážně dolními končetinami. Samozřejmě, že je užitečné měřit různé pracující svaly jako například stehenní sval nebo lýtko, je však také užitečné měřit odezvu v nezúčastněných nepracujících svalech jako například ramenní sval nebo dýchacích mezižeberní svaly. Moxy lze umístit na libovolný sval a proto je využitelný v podstatě v jakémkoliv sportu.

6.Měřit přesně i při změně teploty

Tento faktor je do značné míry ovlivňován fyzikálními vlastnostmi LED diod a laserových diod, které jsou v zařízeních NIRS použita. Tyto diody jsou zvláště vhodné světelné zdroje právě pro NIRS, protože jsou velmi jasné, efektivní, vydávají úzké pásmo světla a jsou poměrně cenově dostupné. Ale mají jednu velkou nevýhodu v tom, že mění barvu podle teploty.

Některá zařízení NIRS „si vystačí“ s tím, že tento problém ignorují, protože snímač je ve styku s lidským tělem, což pomáhá udržovat stabilní teplotu. Nicméně ke značnému ovlivnění měření může dojít, když se zařízení zahřeje, nebo v případě, že zařízení, které je připevněné na končetině je vystavené vnějším vlivům počasí, nebo v případě, že zařízení je používáno pod vodou.

Není snadné korigovat chyby, které vznikají v důsledku měnící se teploty. Tyto korekce pokud se neprovedou správně, mohou ovlivňovat faktory jako je hodnota saturace, výpočty hodnot tloušťky tukové vrstvy, koncentrace melaninu a dalších. Správné teplotní korekce jsou velice důležité k zajištění správné interpretace dat.

7. Povrch pokožky a artefakty

Chlupy, pihy a tetování mohou ovlivňovat měření saturace. Nicméně, v případě, kdy přístroj neumí přesně určit hodnotu saturace kyslíkem, tak je to spíše nepodstatný problém. Ve skutečnosti kožní artefakty jenom posunou měřítko; ve výjimečných případech by se mohlo stát, že místo ke snížení saturace dojde k zobrazení zvýšení saturace.

Vzhledem k tomu, že metoda NIRS je v podstatě měření barev, není možné, aby byla zcela necitlivá na (pro ni) neznámé barvy, které se nachází v optické dráze snímače. Pokud je přesnost měření saturace důležitým parametrem, pak bychom se obecně měli vyhnout místům s tetováním.

Moxy v sobě nese naprogramovaný výpočet, který umožňuje velice stabilní měření i v případě, že dráhu světla blokují artefakty, jako jsou vlasy nebo pihy.

A nyní se podíváme, jak se s výše uvedenými sedmi faktory vypořádává Moxy monitor?

Krátce shrnuto:

  • Velká pozornost věnovaná detailům
  • Pokročilé matematické algoritmy

Understanding_the_Quality_of_Muscle_Oxygen_Metrics_image_2

 Moxy používá algoritmus, který je založen na technice ​​zvané modelování Monte Carlo. V podstatě tento způsob využívá matematický režim sledování, jak se světlo šíří ve tkáních, jeden foton za jednotku času. To nám umožňuje zahrnout všechny druhy faktorů, které ovlivňují měření, jako je melanin, tloušťka tukové vrstvy, průtok krve pokožkou a navrhnout algoritmus, který tyto vrstvy zohlední. Tento model uvažuje tyto vrstvy tkání – epidermis, dermis, tuk a sval a umožňuje nám měnit optické vlastnosti každé vrstvy samostatně. Modelování a uvažování o všech těchto proměnných je první část opravdu pečlivého soustředění se na detail.

Aplikování této metody však s sebou nese řadu výzev.  Za prvé, je výpočetně velice náročná. Některé modelové pokusy trvají déle než čtyři dny a to dokonce i s velice vyspělým procesorem počítače. Kdo by chtěl čekat čtyři dny na výsledky měření  SmO₂ (i když nikdy jsme to nezkusili s IBM Watson – analytický program pozn. překladatele).

Druhou výzvou je to, že tato metoda funguje pouze v jednom směru, a to je pro nás zrovna ten špatný. Pokud víme, jaké jsou optické vlastnosti prostředí, víme také to, jaké množství od každé barvy světla detektor zachytí. Nicméně, my chceme, aby Moxy monitor pracoval opačně. Monitor „ví“, kolik z každé barvy bylo zachyceno detektory, a my tuto informaci chceme využít ke zpětnému stanovení optických vlastností prostředí. V našem případě jsou optické vlastnosti prostředí reprezentovány množstvím hemoglobinu nesoucího kyslík (= hodnotou saturace SmO2) a množstvím hemoglobinu nesoucího kyslík plus hemoglobinu bez kyslíku (= hodnotou celkového hemoglobinu tHb).

Při řešení obou těchto problémů přichází na řadu vyšší matematika. Děláme tolik výpočtů, kolik jen můžeme avšak pouze jednou a pak výsledky z nich použijeme u všech Moxy monitorů. Pak přichází druhá fáze, ve které přidáváme další sadu výpočtů, ale to už je pro každý jednotlivý monitor zvlášť. Děje se tak v rámci kalibrace v naší laboratoři (pro každý monitor tento proces trvá 30 minut). A nakonec ještě přidáme výpočty pro jednotlivé záznamy z měření každého monitoru, což je záležitostí méně než dvou sekund.

Matematické rovnice nám dovolují činit rozhodnutí o tom, které parametry musí být přísně kontrolovány, aby bylo měření stabilní. To nám umožňuje vyloučit z měření takové artefakty, které blokují části optického signálu, jako jsou vlasy nebo pihy a predikovat přesnou odezvu na změny teploty, ke kterým dochází v různých podmínkách, kde se monitor používá.

Matematické modely, které používáme v Moxy, jsou zveřejněny v našem patentu. Zde je odkaz na náš patent. Patent sám o sobě nezaručuje účinnost, ale zásadní záměr zveřejnění patentu je takový, že jsme se rozhodli dát vědět o tom, co děláme a výměnou za to jsme získali právo zabránit v kopírování toho, co děláme. Zdá se, že to funguje. Měli jsme již četné rozhovory s odborníky přes NIRS technologii o tom, jak Moxy funguje. Tato otevřená diskuse ve spojení s tisíci testovaných sportovců během posledních dvou a půl let, nabízí silné přímé i nepřímé důkazy, že v Moxy jdeme správnou cestou.

Tento článek bychom chtěli ukončit následujícím upozorněním:

1. Požadavky na zařízení, které měří svalovou saturaci a které jsou uvedené výše, se vztahují k tzv. fyziologickému tréninku. Požadavky na zařízení, které využívá NIRS k měření laktátového prahu jsou mnohem méně přísné. Je možné, že zařízení měřící dobře hodnoty laktátového prahu, provádí špatně měření svalové saturace. Berte prosím v úvahu tento rozdíl.

2. Výše popsané faktory je velice obtížné testovat a stanovovat závěry – náš tým se neustále učí, každý den něco nového. Juerg Feldmann má opravdu dobře vybavenou testovací laboratoř, mnohem vyspělejší než většina výzkumných zařízení. Udělal mnoho srovnání NIRS s metodami neinvazivního měření srdečního výdeje, VO2, kapnometrií, EMG, výkonem, tepové frekvence a dechové frekvence. Dokonce začal s testováním zařízení NIRS o mnoho let dříve, než byla Moxy vůbec na světě. Juerg má vše velmi intelektuálně a hlavně kriticky podloženo, své pokusy provádí na velkých skupinách jedinců, aby byl schopen vyvodit validní závěry. Tato metodika mu pomáhá v potvrzování výše popsané problematiky.

Šíře témat, o kterých se diskutuje na Moxy Developers Forum, je opravdu obrovská. Je to ale jen zlomek naší práce, která bývá z větší části diskutována formou e-mailů, seminářů a při setkání v laboratořích. Buďte prosím opatrní při četbě vědeckých článků (i když jsou psány na prestižních univerzitách), které popisují výsledky, jež byly změřeny na malé skupině testovaných jedinců nebo se zabývají jen částí problému. Mohou to být skvělé informace, ale často odráží pouze malou část příběhu.

Shrnutí

Monitor svalové saturace je užitečný nástroj pro fyziologický trénink a to proto, že poskytuje zpětnou vazbu v reálném čase. Moxy monitor se umí velice dobře vypořádat s kritickými faktory, které byly uvedeny výše a zvládá to mnohem lépe než jakékoliv jiné NIRS zařízení.

Pokud Vás tento článek zaujal, budeme moc rádi za Vaši zpětnou vazbu.