La frecuencia respiratoria durante el ejercicio: la variable fisiológica infravalorada

Nicolò A, Massaroni C, Passfield L. Respiratory Frequency during Exercise: The Neglected Physiological Measure. Front Physiol. 2017 Dec 11;8:922. doi: 10.3389/fphys.2017.00922.

La amplia difusión de dispositivos portátiles ha estimulado el interés en el control del entrenamiento de los atletas, con el objetivo de maximizar el rendimiento y minimizar el riesgo de lesiones y enfermedades (Düking et al., 2016). El desarrollo de tecnologías relacionadas con el deporte está ocurriendo rápidamente y a menudo está guiado por fuerzas del mercado en lugar de necesidades científicas o de los atletas. En este proceso, no es raro que las soluciones tecnológicas y las medidas estén disponibles antes de que el científico del deporte o el profesional puedan apreciar su importancia, y esto puede reducir el uso de nuevas tecnologías. Un ejemplo emblemático en este sentido es la frecuencia respiratoria (fR), que podría ser un mejor indicador del esfuerzo físico en comparación con las variables fisiológicas monitoreadas tradicionalmente. Sin embargo, a pesar de la disponibilidad de dispositivos portátiles discretos que miden la fR con una precisión relativamente buena, la práctica de medir la fR durante el entrenamiento todavía no es común.

APLICACIONES ACTUALES DE LOS DISPOSITIVOS PORTÁTILES RESPIRATORIOS

Durante mucho tiempo, la frecuencia respiratoria (fR) ha recibido poca consideración, incluso en el ámbito clínico, a pesar de ser reconocida como un signo vital capaz de predecir eventos adversos graves. Debido a su importancia como signo vital, la fR se mide actualmente mediante dispositivos portátiles de múltiples parámetros en su mayoría en el ámbito militar, entorno clínico y durante actividades laborales. Cuando se han utilizado estos dispositivos durante el ejercicio, la fR se utiliza típicamente para aplicaciones limitadas, como la estimación del umbral ventilatorio durante el ejercicio incremental (Hailstone y Kilding, 2011). Mientras que el aumento desproporcionado y progresivo en la fR, que comienza con la obtención del primer umbral ventilatorio, puede usarse como un método práctico no invasivo para estimar los umbrales ventilatorios (Cross et al., 2012), existen otras razones importantes por las cuales los atletas deberían considerar el monitoreo de la fR durante el entrenamiento.

FRECUENCIA RESPIRATORIA COMO INDICADOR DEL ESFUERZO FÍSICO

La fR a menudo se mide en fisiología del ejercicio como uno de los dos componentes (junto con el volumen tidal) de la ventilación minuto. Sin embargo, la ventilación minuto ha recibido típicamente mucha más atención que sus componentes, siendo el mejor indicador único de la producción ventilatoria. No obstante, evidencia reciente sugiere que la fR y el volumen tidal están regulados por diferentes entradas durante el ejercicio, y que sus respuestas diferenciales contienen información valiosa (Nicolò et al., 2017a, b). La fR desempeña un papel importante durante el ejercicio como un fuerte indicador del esfuerzo físico, más que otras variables fisiológicas monitoreadas tradicionalmente. El aumento no lineal de la fR durante el ejercicio incremental se asemeja al conocido curso temporal del lactato sanguíneo (La−), reflejando el cambio en el esfuerzo físico y la dificultad de la tarea experimentada en intensidades de ejercicio por encima del primer umbral ventilatorio. De hecho, la fR refleja mejor el esfuerzo físico que el La− cuando se realiza una prueba incremental después de daño muscular inducido por el ejercicio (Davies et al., 2011) o depleción de glucógeno (Busse et al., 1991), y en pacientes con enfermedad de McArdle (Voduc et al., 2004). Esto sugiere que el esfuerzo físico está más causalmente vinculado con la fR que con el La−.

A diferencia de VO2, la frecuencia cardíaca (FC) y el La−, la fR muestra una respuesta similar al esfuerzo durante una variedad de modalidades de ejercicio. Tanto en protocolos de tiempo hasta el agotamiento como en pruebas de tiempo autodirigidas, la fR aumenta aproximadamente de manera lineal con el tiempo y alcanza valores máximos al final del ejercicio. Esta respuesta se observa tanto durante el ejercicio continuo (Nicolò et al., 2016a) como durante el ejercicio intermitente (Nicolò et al., 2014a, b, 2017b) de diferente duración y con una variedad de intervenciones experimentales que afectan al rendimiento. Además, a diferencia de otras variables fisiológicas, la evolución temporal de la fR está estrechamente asociada con la de la Evaluación Subjetiva del Esfuerzo Percibido (RPE) (Nicolò et al., 2014a, 2016a, 2017b). Esta asociación se encuentra incluso después de la fatiga muscular (Marcora et al., 2008) y el daño (Davies et al., 2009) del músculo inspiratorio, la fatiga muscular espiratoria (Taylor y Romer, 2008), la depleción de glucógeno muscular (Busse et al., 1991), el aumento de la temperatura corporal (Hayashi et al., 2006), la hipoxia (Koglin y Kayser, 2013), la ingesta de bicarbonato de sodio (Robertson et al., 1986), el ejercicio previo de resistencia (Spengler et al., 2000) y después del entrenamiento de los músculos espiratorios (Suzuki et al., 1995). Por el contrario, la FC, VO2 y el La− están parcialmente disociados de la RPE en algunas de estas intervenciones experimentales. Por lo tanto, la fR parece ser sensible a diferentes estados de fatiga y, por lo tanto, puede tener implicaciones potencialmente importantes para el control del entrenamiento y la recuperación. Además, la fR puede ser un buen predictor del tiempo hasta el agotamiento durante pruebas de trabajo constante (Pires et al., 2011a, b) y puede ayudar a comprender cómo se distribuye el esfuerzo durante pruebas autodirigidas (Nicolò et al., 2014a, 2016a). La observación de que la fR es un correlato más fuerte de la RPE que otras variables fisiológicas no es novedosa (Noble et al., 1973; Robertson et al., 1986), y previamente se ha propuesto como una variable para monitorear durante el entrenamiento (James et al., 1989; Neary et al., 1995). Sin embargo, la importancia de la fR como indicador del esfuerzo físico ha surgido de investigaciones recientes (Nicolò et al., 2014a, 2016a, 2017b).

Una característica importante que diferencia a la fR de otras variables fisiológicas es su respuesta muy rápida al comienzo y final del ejercicio. Durante un ejercicio sostenido a máxima intensidad, la fR aumenta rápidamente al comienzo del ejercicio y alcanza rápidamente valores máximos que se mantienen durante toda la prueba, incluso cuando ocurre una disminución exponencial en la producción de potencia (Nicolò et al., 2015). Una respuesta rápida de la fR también se observa durante la alternancia de fases de trabajo y recuperación que caracterizan el entrenamiento a intervalos de alta intensidad (HIIT) (Nicolò et al., 2014b, 2017b). Además, los cambios en la fR son proporcionales a las variaciones en la carga de trabajo durante las fases de trabajo y recuperación en diferentes sesiones de HIIT (Nicolò et al., 2017b). Esto hace que la fR sea una variable útil para describir los cambios rápidos en el esfuerzo que caracterizan el HIIT. En contraste, VO2 y la frecuencia cardíaca (FC) no responden abruptamente a tales cambios en la carga de trabajo (Nicolò et al., 2014b, 2017b).

La evidencia experimental de que la fR es un indicador del esfuerzo está respaldada por nuestra comprensión de los mecanismos que subyacen a su regulación. Uno de los principales reguladores de la ventilación durante el ejercicio es el comando central (Forster et al., 2012), es decir, la señal neural central asociada al esfuerzo motor voluntario. Además, se ha sugerido que el comando central regula preferentemente la fR en lugar del volumen tidal (Nicolò et al., 2017b). El comando central también es la señal sensorial para la percepción del esfuerzo percibido (Marcora, 2009), lo que proporciona una explicación neurofisiológica para la asociación observada entre la percepción del esfuerzo y la fR. Por esta razón, en el presente manuscrito nos referimos al “esfuerzo físico” como un constructo teórico que es distinto pero está relacionado con el esfuerzo percibido. El esfuerzo físico puede definirse como el grado de esfuerzo motor (es decir, la magnitud del comando central) (Nicolò et al., 2016b). Para los científicos del deporte y los profesionales, el esfuerzo físico (y por lo tanto la fR) refleja qué tan duro, pesado y exigente es una tarea física, mientras que la percepción del esfuerzo es la sensación consciente de esta tarea física (Marcora, 2010).

Por lo tanto, se anima a los científicos del deporte y a los profesionales a considerar la fR entre las variables a monitorear en el entrenamiento. Es importante tener en cuenta que la mayoría de la evidencia que sugiere que la fR es un indicador válido del esfuerzo proviene de estudios que utilizaron el ciclismo como modalidad de ejercicio, mientras que hay menos datos disponibles sobre otras modalidades de ejercicio. Se observó una respuesta similar de la fR durante el ejercicio incremental realizado ya sea con las piernas o los brazos por separado, así como con las piernas y los brazos combinados, a pesar de diferencias considerablemente grandes en el VO2 absoluto, la carga de trabajo y la FC (Robertson et al., 1986). Esto sugiere que la fR refleja el esfuerzo ejercido durante el ejercicio independientemente de la carga de trabajo absoluta, la demanda metabólica y las masas musculares involucradas. Por otro lado, se han encontrado diferentes respuestas ventilatorias al comparar la carrera con el ciclismo (Elliott y Grace, 2010). Se propone a menudo un diferente grado de sincronización (acoplamiento entre los ritmos de locomoción y respiración) entre el ciclismo y la carrera como explicación de las diferencias entre modalidades en la fR, pero la evidencia experimental es contradictoria. El fenómeno de sincronización está bien documentado en algunos deportes como el remo, donde se observa una alta variabilidad interindividual en el patrón de sincronización (Siegmund et al., 1999). Por lo tanto, para el remo se sugiere tener cierta precaución en la interpretación de la fR hasta que se realice más investigación.

CÓMO MEDIR LA FRECUENCIA RESPIRATORIA EN EL CAMPO

La limitada atención prestada a la fR en el deporte no debe atribuirse a limitaciones técnicas. Es la variable ventilatoria más fácil de medir durante el ejercicio y se han desarrollado varios dispositivos portátiles respiratorios. Directamente, la fR se puede medir con dispositivos portátiles que registran el flujo de aire en la boca (por ejemplo, sensores de flujo), pero requieren el uso de una mascarilla. Estos dispositivos (por ejemplo, K5, Cosmed, Roma, Italia) son precisos pero relativamente intrusivos y no son adecuados para el monitoreo del entrenamiento. Sin embargo, se utilizan ampliamente como dispositivos de referencia para validar dispositivos portátiles respiratorios menos intrusivos. Indirectamente, la fR se puede medir utilizando la tensión y los movimientos del tórax y el abdomen inducidos por la ventilación, el sonido de la respiración o el efecto que la ventilación tiene en las bioseñales como el electrocardiograma (ECG) y el fotopletismograma (PPG). La fR también se puede medir con sensores que monitorean el dióxido de carbono exhalado, la temperatura o la humedad del aire, pero estos sensores no se consideran comúnmente para soluciones portátiles utilizadas en deporte.

La mayoría de los dispositivos portátiles respiratorios disponibles comercialmente registran la tensión inducida en el tórax y/o el abdomen debido a la ventilación a través de sensores integrados en correas o ropa. La precisión de la mayoría de estos dispositivos portátiles respiratorios es buena, según la comparación con un dispositivo de referencia de sensor de flujo.

Dispositivos portátiles respiratorios colocados en el torso pueden verse afectados por movimientos no respiratorios del pecho y el abdomen durante el desplazamiento. Este problema se aborda comúnmente cuando se utilizan dispositivos portátiles respiratorios basados en sensores de movimiento, como dispositivos basados en acelerómetros que registran movimientos del pecho y/o abdomen (es decir, cambios de inclinación), y se han desarrollado algoritmos resistentes a artefactos de movimiento (Liu et al., 2011). En comparación con el uso de un solo acelerómetro, la estimación de la frecuencia respiratoria (fR) mejoró con un método de fusión de sensores que combina las salidas del acelerómetro y el giroscopio (Yoon et al., 2014). Se observó una mejora del 4,6% y del 9,54% durante el entrenamiento en intervalos en la cinta y el ejercicio de fuerza, respectivamente, y se encontró que este método era adecuado para el monitoreo en tiempo real de la fR (Yoon et al., 2014). Los dispositivos portátiles respiratorios basados en magnetómetros también han mostrado una buena concordancia, con un sesgo ± LoA de aproximadamente 0,2 ± 3 respiraciones/min durante la caminata moderada (McCool et al., 2002). La combinación de sensores de tensión con sensores de movimiento capaces de detectar artefactos de movimiento podría ser una solución atractiva para el desarrollo futuro de dispositivos portátiles respiratorios.

El sonido de la respiración se utiliza en el ámbito clínico para estimar la fR, pero ha recibido poca atención en el deporte (Peterson et al., 2014). Registrar el sonido de la respiración durante el ejercicio puede tener algunas ventajas debido a los sonidos relativamente fuertes producidos, especialmente durante la alta intensidad. De manera anecdótica, los atletas informan que monitorean los sonidos de la respiración de sus oponentes como una medida de su esfuerzo físico durante competencias de resistencia aeróbica. Sin embargo, el ruido ambiental puede interferir con la calidad del registro acústico y puede explicar por qué hasta ahora se ha prestado poca atención al sonido de la respiración.

Está bien establecido que la ventilación afecta la morfología de la señal del ECG, y que la fR puede extraerse del ECG con diferentes técnicas (Helfenbein et al., 2014). También se han realizado algunos intentos alentadores para derivar la fR del ECG durante el ejercicio en bicicleta (Bailón et al., 2006; Schumann et al., 2016). También está documentado que la ventilación afecta la señal del PPG (Meredith et al., 2012), a partir de la cual se puede extraer la fR con procesamiento computacional adecuado (Charlton et al., 2016). La señal del PPG está recibiendo cada vez más atención en el sector de dispositivos portátiles deportivos debido a su simplicidad de registro; por ejemplo, se puede obtener de diferentes sitios del cuerpo como el dedo, la muñeca y el lóbulo de la oreja. Sin embargo, los datos sobre la validez de la fR extraída de la señal del PPG durante el ejercicio son escasos. En un intento temprano realizado durante el ejercicio en bicicleta incremental, los artefactos de movimiento impidieron una buena estimación de la fR y el error de estimación aumentó con el aumento de la intensidad del ejercicio (Nakajima et al., 1996). Algunos de estos problemas pueden superarse con la aplicación de filtros robustos y técnicas de cómputo adecuadas (Lee et al., 2011). Sin embargo, se necesita más investigación para evaluar si la fR se puede estimar de manera satisfactoria a partir de la señal del ECG o del PPG durante el ejercicio.

Es probable que el trabajo en el desarrollo de dispositivos portátiles respiratorios aumente desde un punto de vista tecnológico (incluido el sector informático), ya que se pueden utilizar una variedad de sensores y métodos para medir la fR. Por lo tanto, esperamos un creciente interés en el desarrollo de dispositivos portátiles basados en la fR diseñados específicamente para actividades deportivas, impulsado por la comprensión de la importancia de la fR para el monitoreo del entrenamiento. Entre los dispositivos portátiles actualmente disponibles, los que miden la tensión del pecho son los más numerosos, y su precisión es generalmente buena. Sin embargo, la comodidad de uso de algunos de estos dispositivos debe mejorar antes de su uso en el control del entrenamiento. Se necesitan más estudios de validación para guiar a los científicos del deporte y a los profesionales en la elección del dispositivo adecuado. Los estudios de validación generalmente se han enfocado en pocas modalidades de ejercicio (principalmente caminar y correr), y algunos dispositivos solo se han probado durante el ejercicio de intensidad moderada.

¿CÓMO DEBEN ANALIZARSE LOS DATOS DE LA FRECUENCIA RESPIRATORIA?

Dado que nos encontramos en una etapa temprana del control del entrenamiento mediante la fR, esta sección tiene como objetivo proporcionar algunas pautas iniciales sobre cómo abordar los datos de la fR. Es importante señalar que la variabilidad de la fR es relativamente alta en comparación con la de otras variables fisiológicas como la frecuencia cardíaca (HR) (Faude et al., 2017). Esto no necesariamente es una limitación, ya que la fR también es sensible a las variaciones en el rendimiento inducidas por una variedad de intervenciones experimentales, lo que indica su relación señal-ruido relativamente alta. Sin embargo, el problema de la variabilidad debe considerarse al analizar e interpretar los datos de la fR. Un conjunto de datos de fR por respiración debe filtrarse para eliminar respiraciones erróneas (es decir, valores resultantes después de toses, suspiros, tragos, etc.), como se realiza comúnmente para el análisis de intercambio gaseoso (Lamarra et al., 1987). Posteriormente, los datos pueden interpolarse en intervalos de 1 segundo y promediarse según las necesidades experimentales o prácticas. Debido a la variabilidad inherente de la fR, el valor máximo de fR (fRmax) no debe obtenerse de los valores por respiración, sino de un promedio de no menos de 10 segundos. Por la misma razón, los valores promedio deben mostrarse en tiempo real durante las actividades de entrenamiento en lugar de los valores por respiración.

La fRmax alcanzada durante el ejercicio de esfuerzo máximo es similar en diferentes paradigmas y duraciones de ejercicio (Kift y Williams, 2007; Nicolò et al., 2014a, b, 2016a, 2017b), con algunas excepciones extremas (Nicolò et al., 2015). Por lo tanto, diferentes protocolos de ejercicio máximo parecen ser adecuados para medir la fRmax. Es conveniente normalizar la fR con respecto a la fRmax para desarrollar estrategias de prescripción y monitoreo que puedan generalizarse, ya que existe una variabilidad relativamente alta en la fRmax entre diferentes individuos, y los factores que determinan esta variabilidad no se comprenden bien. El primer intento de interpretar los datos de fR normalizados a la fRmax fue realizado por Nicolò et al. (2014a). Encontraron una fuerte correlación entre la fR y la Percepción Subjetiva del Esfuerzo (RPE) con valores similares en un ensayo continuo y tres ensayos HIIT diferentes emparejados en esfuerzo y duración del ejercicio. Por lo tanto, se consideraron los valores de los cuatro ensayos juntos, y se utilizó la ecuación de regresión de la correlación obtenida para asociar la fR normalizada a la fRmax con la conocida escala RPE de 6 a 20. Por ejemplo, un valor del 80% de la fRmax correspondía aproximadamente a un esfuerzo percibido como duro, y un valor del 88% de la fRmax a un esfuerzo percibido como muy duro, con claras implicaciones para la prescripción y el monitoreo del entrenamiento. De hecho, la fR es una variable objetiva que se puede medir continuamente durante el ejercicio, mientras que la RPE es una variable subjetiva que solo se puede recopilar en momentos determinados en el tiempo. Esta aproximación podría mejorarse aún más normalizando la fR al rango de valores posibles de la fR disponibles (desde la fR medida en reposo hasta la fRmax), de manera similar a la fórmula utilizada para obtener la reserva de HR (Karvonen y Vuorimaa, 1988). Este procedimiento de normalización podría usarse para proporcionar retroalimentación objetiva en tiempo real sobre el esfuerzo físico, con valores que oscilen convenientemente entre 0 y 100. La retroalimentación en tiempo real también podría permitir a los atletas alterar voluntariamente su patrón de respiración, como supuestamente aconsejan algunos entrenadores, aunque el beneficio potencial de esta práctica es incierto.

Se pueden usar diferentes enfoques para sintetizar los datos de fR de una o más sesiones de entrenamiento. A diferencia de la HR, el valor promedio de la fR es similar en sesiones de entrenamiento de esfuerzo máximo que difieren en el formato de ejercicio HIIT o en la duración (Nicolò et al., 2014a, 2016a, 2017b). Por lo tanto, el valor promedio de la fR puede proporcionar una descripción preliminar simple del esfuerzo físico general de una sesión de entrenamiento. Sin embargo, se requieren análisis más completos para examinar completamente el potencial de los datos de fR. Dos análisis prometedores concebidos para analizar conjuntos de datos grandes son la distribución de entrenamiento y los perfiles de concentración de entrenamiento descritos por Passfield y Hopker (2017). El perfil de distribución de entrenamiento muestra el tiempo total de sesión gastado por encima del valor de fR de referencia (que se puede interpretar como el nivel de esfuerzo de referencia), que asume cada valor posible. El perfil de concentración de entrenamiento es una curva de concentración (es decir, la derivada de la curva de distribución), que muestra el tiempo acumulado de entrenamiento en cada valor de fR (nivel de esfuerzo). Por lo tanto, los perfiles de distribución y concentración de fR proporcionarían un avance en la comprensión del esfuerzo de entrenamiento, que actualmente se resume en un único valor de RPE por sesión.

CONCLUSIÓN

En este artículo de perspectiva, el objetivo fue presentar evidencia científica que indica la importancia de monitorear la fR durante el entrenamiento, y proponer posibles metodologías y sensores portátiles actualmente disponibles para medir la fR en el campo. También proporcionamos indicaciones sobre cómo analizar e interpretar los datos de la fR. Se espera que esto beneficie el control del entrenamiento de los atletas y el avance de la investigación aplicada en esta área de la ciencia del deporte, y estimule el desarrollo y el uso de dispositivos portátiles respiratorios diseñados específicamente para actividades deportivas. La fR es un buen ejemplo de cómo el desarrollo de sensores portátiles debe seguir las necesidades del atleta y basarse en hallazgos científicos.

Acceso libre al artículo original en: https://www.fisiologiadelejercicio.com/wp-content/uploads/2023/08/fphys-08-00922.pdf

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