Validación del PaddlePulse en el agua

¿Es válida la potencia que mide PaddlePulse?
Una validación metabólica en el agua

La potencia mecánica en vatios describe lo que un atleta produce realmente. La frecuencia cardíaca y el lactato sanguíneo describen lo que esa producción le cuesta por dentro. En el piragüismo de velocidad todavía no existe un patrón de referencia aceptado para la potencia producida en el agua. En su lugar se entrena guiándose por la velocidad del barco, la frecuencia cardíaca, la frecuencia de palada o el lactato, y cada una de estas magnitudes tiene su propia debilidad sistemática. La velocidad del barco depende mucho del viento y de la corriente, de modo que la misma velocidad puede significar exigencias mecánicas muy distintas. La frecuencia cardíaca responde con retraso, deriva en esfuerzos largos y se ve afectada por la temperatura, la hidratación o la cafeína (Achten y Jeukendrup, 2003).

PaddlePulse es un sensor montado en el casco que deduce la potencia propulsiva a partir de las fases de aceleración y de desaceleración del kayak. De ahí surge la pregunta de si las cifras que entrega describen una magnitud físicamente real. Como en el agua no existe un patrón de referencia absoluto, la validez no puede resolverse comparando el sensor con otro sistema, por ejemplo un medidor montado en la pala. La validación necesita por tanto una referencia completamente independiente del sensor. Ese papel lo asume el propio metabolismo del atleta.

Por qué el consumo de oxígeno sirve como referencia

Por debajo de la intensidad en la que el consumo de oxígeno alcanza su máximo, la demanda energética guarda una relación proporcional con la potencia mecánica producida. Cada vatio adicional exige un aumento proporcional del consumo de oxígeno. Sobre esa propiedad se apoyan justamente las ecuaciones metabólicas de predicción establecidas para el trabajo en ergómetro (Sietsema et al., 2020; Ettema y Lorås, 2009a). Esta regularidad solo se cumple dentro de un rango de intensidad bien delimitado. Por encima del umbral anaeróbico, es decir por encima de LT₂ o VT₂, puede aparecer un componente lento del consumo de oxígeno, y cerca del consumo máximo la relación se aplana. El test de linealidad se refiere por eso ante todo a aquellos rangos de carga en los que puede establecerse un estado estable metabólico.

Dentro de ese rango surge un criterio de comprobación que no necesita un segundo aparato de medida. Si la señal del sensor es proporcional al trabajo realmente realizado, entonces representar el consumo de oxígeno en estado estable frente a la potencia medida tiene que dar una recta. Una señal ruidosa produciría una nube difusa de puntos, una señal sistemáticamente distorsionada produciría una relación curvada, y una señal arbitraria no mostraría ninguna relación reconocible. Lo decisivo es que el consumo de oxígeno se registra de forma independiente del sensor. Responde únicamente al trabajo realizado físicamente y no puede verse alterado por una señal de potencia defectuosa.

Diseño del estudio

Participaron dos exdeportistas de competición que mantienen un nivel alto, Atleta 01 (hombre) y Atleta 02 (mujer).

Tabla 1 Antropometría, consumo máximo de oxígeno y rendimientos

El rendimiento bruto relaciona la potencia mecánica con la tasa metabólica total. El rendimiento neto descuenta antes el metabolismo de reposo. Ambos valores abarcan el rango de todos los escalones de la sesión en el agua.

Ambos completaron cinco sesiones de test separadas.

• Tests 01 a 03: sprints de 15 s y esfuerzos máximos de 1, 3 y 6 min. Sirvieron únicamente para el perfil potencia duración, y trataremos los detalles en un artículo propio.
• Tests 04 y 05: tests escalonados en laboratorio y en el agua. Tras 5 min de calentamiento siguieron escalones de 240 s con 120 s de pausa, después 10 min de recuperación activa y, para terminar, un test en rampa con escalones de 60 s hasta el agotamiento.

Las intensidades de los escalones se derivaron de los tests 01 a 03. A partir de los esfuerzos máximos de distintas duraciones se obtiene el perfil potencia duración, del que se estima la potencia crítica. Esa estimación fijó el rango del test escalonado.

Tabla 2 Perfil potencia duración de los tests 01 a 03

Tabla 3 Cargas prescritas de los tests metabólicos

Figura 1. Desarrollo del diagnóstico metabólico con calentamiento, test escalonado y test en rampa final. Las flechas rojas marcan los momentos de extracción de lactato.

La duración de 240 s por escalón es el núcleo del diseño. Solo un escalón suficientemente largo permite que el consumo de oxígeno alcance una meseta, y solo esa meseta puede asignarse de forma inequívoca a una potencia mecánica. Un test en rampa puro ahorraría tiempo, pero nunca alcanza un estado estable metabólico, porque el consumo de oxígeno iría siempre por detrás de la carga mecánica. Por eso el test en rampa se sitúa como bloque separado al final y sirve exclusivamente para determinar el consumo máximo de oxígeno (V̇O_2máx).

El análisis de gases se registró respiración a respiración con un MetaMax 3B portátil. La frecuencia cardíaca se midió con una banda pectoral Polar H10 y, como respaldo, con un brazalete Polar Verity Sense. La sangre se extrajo de forma mínimamente invasiva del lóbulo de la oreja, previamente hiperemiado y desinfectado, y se analizó por vía enzimática y amperométrica con un Biosen S-Line. Además, la composición corporal (masa libre de grasa, porcentaje de grasa) se determinó mediante análisis de impedancia bioeléctrica (BIA, Nutri Duplex).

De dónde vienen los valores de oxígeno

Una sola respiración es una señal muy ruidosa. El camino hasta el punto de medida transcurre en cuatro pasos:

1. Depurar: los valores atípicos de la señal respiración a respiración se filtran estadísticamente y se eliminan.
2. Modelar: a cada escalón se le ajusta el modelo exponencial de aumento del consumo de oxígeno.
3. Leer: el valor de estado estable (V̇O_2ss) se obtiene de la media del modelo en los últimos 60 segundos.
4. Ponderar: los escalones más precisos entran con mayor peso estadístico en la regresión final.

La potencia mecánica correspondiente se promedia exactamente en la misma ventana temporal, de modo que numerador y denominador describen siempre el mismo estado fisiológico.

Resultados de los tests en el agua

Ambos atletas mantuvieron con precisión las intensidades prescritas. Representar el consumo de oxígeno en estado estable frente a la potencia que indica el sensor da en los dos casos una recta limpia en todo el rango evaluado.

Figura 2. Curso temporal de la sesión en agua del Atleta 01. El eje izquierdo recoge el consumo de oxígeno (azul claro) y la producción de dióxido de carbono (rojo), el eje derecho la frecuencia cardíaca (verde), la frecuencia de palada (violeta), la potencia (negro) y el lactato sanguíneo (puntos rojo oscuro, escalados por 10^-1 para la representación). Todas las curvas son medias móviles.

Figura 3. Atleta 01 en el agua. La recta azul claro es la regresión lineal del consumo de oxígeno en estado estable frente a la potencia del sensor, las líneas finas punteadas y discontinuas son los modelos curvilíneos del consumo de oxígeno y de la producción de dióxido de carbono. Los puntos rojo oscuro muestran el aumento exponencial del lactato, que deja intacto el consumo de oxígeno en este eje. Las cruces verdes y los triángulos violeta son la frecuencia cardíaca y la frecuencia de palada, ambas escaladas por 10^-1 para el eje derecho.

Figura 4. Curso temporal de la sesión en agua del Atleta 02, representación como en la Figura 2.

Figura 5. Atleta 02 en el agua, representación como en la Figura 3. La relación lineal se mantiene hasta el límite metabólico. El escalón más alto queda visiblemente por debajo de la recta porque allí ya se había alcanzado el consumo máximo de oxígeno. Ese escalón no entra por tanto en la regresión lineal y se dibuja semitransparente.

Tabla 4 Parámetros de la relación lineal V̇O₂ potencia

En condiciones de agua abierta el sensor PaddlePulse genera una señal cuya relación con la tasa metabólica del atleta es tan estrecha como en un ergómetro estacionario. Las desviaciones que quedan entre los escalones individuales y la recta, indicadas como error relativo máximo, están en el mismo orden de magnitud que la incertidumbre de medida del propio análisis de gases.

La eficiencia mecánica como segunda prueba

La linealidad demuestra que la señal del sensor es proporcional al trabajo realmente realizado. No dice nada, en cambio, sobre si los vatios indicados tienen también el orden de magnitud correcto. Una recta sigue siendo una recta aunque el eje de potencia se comprima o se estire por un factor constante, de modo que una señal mal escalada de forma sistemática también superaría el test de linealidad. Queda probada la proporcionalidad, pero la escala sigue abierta. Esa laguna la cierra el rendimiento de la pendiente, porque la pendiente de la recta indica directamente cuánto oxígeno cuesta un vatio adicional.

Para el rendimiento de la pendiente en el kayak no existen hasta ahora valores de referencia sólidos, de modo que los valores en torno al 16 % medidos aquí no pueden contrastarse con un rango establecido. Sí permite una comparación el rendimiento bruto, para el que existen estudios específicos de kayak. En doce palistas de élite en ergómetro de kayak se describió un rendimiento bruto del 10,1 ± 1,1 % en el consumo máximo de oxígeno (Gomes et al., 2012). El 8,6 a 13,3 % medido aquí está en el mismo orden de magnitud. Para el palear en el agua se han derivado rendimientos mecánicos de aproximadamente 4 a 6 % a partir de la resistencia al avance del barco (Pendergast et al., 1989). Ese valor no es directamente comparable, porque considera trabajo útil únicamente la potencia de resistencia realmente convertida en propulsión y resulta por ello sistemáticamente menor.

El rendimiento bruto y el neto, con un 8,6 a 13,3 % y un 10,6 a 14,2 %, resultan sistemáticamente menores que el rendimiento de la pendiente, porque incluyen en el cociente los costes de base que no generan propulsión (véase la Tabla 1). Las tres medidas no son convertibles entre sí ni cabe esperar que coincidan. Lo decisivo es que las tres se mantengan en un rango plausible para el trabajo del tren superior y que queden claramente por debajo de los valores de deportes como el ciclismo. Allí los rendimientos brutos típicos son del 19 al 22 %, los netos del 19 al 24 % y los rendimientos delta del 23 al 28 % (véase Ettema y Lorås, 2009a; Francescato et al., 1995).

Una señal que sobrestimara o subestimara la potencia de forma sistemática produciría de inmediato rendimientos inverosímiles. Unos vatios indicados demasiado altos implicarían una eficiencia mecánica inalcanzable al palear. La constancia hallada aquí, en torno al 16 %, apunta en cambio a que el sensor cuantifica el trabajo realizado en una escala física correcta. Queda probada así no solo la forma de la relación, sino también su magnitud.

La ordenada en el origen como medida de la economía de movimiento

El punto en el que la recta de regresión corta el eje y indica el consumo de oxígeno calculado a cero vatios de potencia propulsiva. En esa magnitud se reúnen los costes fisiológicos que no llegan a la propulsión, entre ellos el metabolismo de reposo, el trabajo respiratorio, la estabilización del tronco, el equilibrio del barco y el trabajo interno del gesto de palada, es decir la aceleración y frenado de brazos, tronco y pala, que por sí mismos no generan avance (véase Francescato et al., 1995). En el agua este consumo de oxígeno a cero potencia propulsiva fue de 769 y 946 ml/min.

Este valor extrapolado conlleva cierta incertidumbre estadística, con errores estándar de 144 y 124 ml/min. Un escalón adicional a intensidad muy baja habría anclado con más precisión la parte inferior de la recta y habría afinado aún más la estimación. Aun así, la ordenada en el origen ofrece una vía cuantitativa valiosa para comparar de forma objetiva la economía de movimiento de un mismo atleta a lo largo del tiempo.

Contraprueba en el laboratorio

En el ergómetro de kayak se dispone de una referencia mecánica, de modo que la medición puede comprobarse una segunda vez. También allí el consumo de oxígeno es estrictamente lineal respecto a la potencia medida, con pendientes y rendimientos comparables a los del agua (véase la Tabla 4).

Figura 6. Curso temporal de la sesión de laboratorio del Atleta 01 en el ergómetro de kayak, representación como en la Figura 2. La curva negra de potencia muestra la señal del sensor convertida a la escala del ergómetro.

Figura 7. Atleta 01 en el laboratorio, representación como en la Figura 3. La relación lineal se confirma en el ergómetro con menos dispersión aún que en el agua.

Figura 8. Curso temporal de la sesión de laboratorio del Atleta 02, representación como en la Figura 6.

Figura 9. Atleta 02 en el laboratorio, representación como en la Figura 3.

Llama la atención una diferencia sistemática de la escala de potencia entre el agua y el ergómetro. Este resultado es coherente desde el punto de vista físico y no es un error de medición. En un ergómetro fijo desaparece por completo la fase de deslizamiento hidrodinámico del barco, y la resistencia de un volante de inercia sigue leyes totalmente distintas a las de un casco en el agua. La relación en sí se mantiene estrictamente lineal. En un ergómetro estacionario la conversión solo requiere un factor de calibración específico del aparato.

Interpretación y límites metodológicos

Combinar datos internos y externos deja al descubierto limitaciones sistemáticas de los métodos puramente de campo:

• Sobrestimación de la potencia crítica: sin esfuerzos hasta el agotamiento de más de doce minutos, el modelo estima la CP demasiado alta, aquí 209 W y 144 W. El contraste con los datos de lactato y de gases respiratorios lo hace visible.
• Especificidad de la producción de lactato: en el trabajo puro del tren superior se activa menos masa muscular, lo que en general produce valores de lactato más altos. Los umbrales fijos en mmol tienen aquí a menudo poca validez.
• Ausencia de valores a baja intensidad: un escalón adicional a potencia mecánica muy baja habría sido enormemente valioso visto en retrospectiva. Habría anclado con más precisión la ordenada en el origen de la regresión de V̇O₂ y habría mejorado además de forma notable el cálculo del primer umbral de lactato (LT₁) y del primer umbral ventilatorio (VT₁).

Nota. Los temas apenas esbozados aquí se tratan a fondo en artículos propios. Están previstos textos sobre los tests de potencia crítica y el perfil potencia duración, así como sobre los distintos umbrales de lactato y ventilatorios en el piragüismo de velocidad.

Utilidad práctica

• Las prescripciones de entrenamiento se vuelven comprobables: una indicación como 3 min a 200 W es una carga exacta cuya respuesta metabólica se conoce y puede controlarse después mediante la frecuencia cardíaca y el lactato.
• La economía de movimiento se vuelve medible: la pendiente y la ordenada en el origen separan de forma cuantitativa qué parte de la energía metabólica llega a la propulsión y qué parte se pierde en estabilización y en pérdidas técnicas.
• Los modelos de rendimiento pueden corregirse: solo el contraste fisiológico con datos metabólicos muestra cuándo y en qué medida un test de campo corto sobrestima el umbral.

Conclusión

En un amplio rango de potencia el consumo de oxígeno en estado estable aumenta de forma estrictamente lineal con la potencia que indica PaddlePulse, tanto en el agua como en el ergómetro de kayak. El coste de oxígeno que de ello se deriva corresponde a un rendimiento de la pendiente en torno al 16 % y se sitúa en un rango plausible para el trabajo del tren superior al palear, coherente con los datos de rendimiento específicos de kayak disponibles.

Los dos resultados juntos responden a la pregunta inicial. El sensor mide una magnitud proporcional al trabajo mecánico realmente realizado, y la mide en la escala correcta. La medición de potencia describe lo que el atleta produce, la fisiología describe lo que ese trabajo le cuesta. Solo ambas magnitudes juntas garantizan que el entrenamiento planificado sea también el entrenamiento realizado.

Anexo: umbrales de la sesión en agua

Las tablas siguientes documentan, en aras de la exhaustividad, todos los umbrales calculados de la sesión en agua abierta. Dado que cada concepto se apoya en supuestos muy distintos y que a veces difieren de forma considerable, se indica además un valor de consenso ponderado que equilibra los conceptos según la calidad del modelo y la individualización fisiológica.

Tabla A1 Umbrales de lactato sanguíneo, en orden ascendente

Tabla A2 Umbrales ventilatorios del test en rampa

Los valores brutos proceden del test en rampa con escalones de 60 s. Como el consumo de oxígeno sigue a una carga creciente con un retraso individual, todo umbral determinado en una rampa aparece a una potencia ligeramente demasiado alta. El valor corregido por cinética descuenta ese retraso a partir de la constante de tiempo medida individualmente.

Referencias

Achten, J., & Jeukendrup, A. E. (2003). Heart rate monitoring: applications and limitations. Sports Medicine, 33(7), 517–538. https://doi.org/10.2165/00007256-200333070-00004

Ettema, G., & Lorås, H. W. (2009a). Efficiency in cycling: a review. European journal of applied physiology, 106(1), 1–14. https://doi.org/10.1007/s00421-009-1008-7

Francescato, M. P., Giradis, M., & Di Prampero, P. E. (1995). Oxygen cost of internal work during cycling. European Journal of Applied Physiology, 72, 51–57.

Gomes, B. B., Mourão, L., Massart, A., Figueiredo, P., Vilas-Boas, J. P., Santos, A. M. C., & Fernandes, R. J. (2012). Gross efficiency and energy expenditure in kayak ergometer exercise. International Journal of Sports Medicine, 33(8), 654–660. https://doi.org/10.1055/s-0032-1301907

Heck, H., Bartmus, U., & Grabow, V. (2022). Laktat (1. Aufl., S. 662). Springer Berlin Heidelberg.

Jamnick, N. A., Pettitt, R. W., Granata, C., Pyne, D. B., & Bishop, D. J. (2020). An Examination and Critique of Current Methods to Determine Exercise Intensity. Sports Medicine, 50(10), 1729–1756. https://doi.org/10.1007/s40279-020-01322-8

Jones, A. M., Burnley, M., Black, M. I., Poole, D. C., & Vanhatalo, A. (2019). The maximal metabolic steady state: redefining the 'gold standard'. Physiological Reports, 7(10), 1–16. https://doi.org/10.14814/phy2.14098

Lamarra, N., Whipp, B. J., Ward, S. A., & Wasserman, K. (1987). Effect of interbreath fluctuations on characterizing exercise gas exchange kinetics. Journal of Applied Physiology, 62(5), 2003–2012. https://doi.org/10.1152/jappl.1987.62.5.2003

Leo, P., Spragg, J., Podlogar, T., Lawley, J. S., & Mujika, I. (2022). Power profiling and the power-duration relationship in cycling: a narrative review. European Journal of Applied Physiology, 122(2), 301–316. https://doi.org/10.1007/s00421-021-04833-y

Meyler, S., Bottoms, L., Wellsted, D., & Muniz-Pumares, D. (2023). Variability in exercise tolerance and physiological responses to exercise prescribed relative to physiological thresholds and to maximum oxygen uptake. Experimental Physiology, 108(4), 581–594. https://doi.org/10.1113/EP090878

Pendergast, D. R., Bushnell, D., Wilson, D. W., & Cerretelli, P. (1989). Energetics of kayaking. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology, 59(5), 342–350. https://doi.org/10.1007/BF02389808

Poole, D. C., Burnley, M., Vanhatalo, A., Rossiter, H. B., & Jones, A. M. (2016). Critical Power: An Important Fatigue Threshold in Exercise Physiology. Medicine and Science in Sports and Exercise, 48(11), 2320–2334. https://doi.org/10.1249/MSS.0000000000000939

Poole, D. C., & Jones, A. M. (2012). Oxygen Uptake Kinetics. Comprehensive Physiology, 2(2), 933–996. https://doi.org/10.1002/cphy.c100072

Sietsema, K. E., Sue, D. Y., Stringer, W. W., & Ward, S. A. (2020). Wasserman & Whipp's Principles of Exercise Testing and Interpretation (6. Edition). Wolters Kluwer.