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Spiroergometrie

Atemgasanalyse für die Diagnostik und Trainingspraxis

von Dr. Billy Sperlich, Dipl.-Sportwiss. Christoph Zinner

In der leistungsdiagnostischen und sportmedizinischen Praxis werden routinemäßig fahrradergometrischen Tests bzw. Laufbanduntersuchungen mit Atemgasanalysen, Herzfrequenzmessung, EKG-Untersuchungen und Laktatdiagnostik gekoppelt.

Die Ziele dieser spiro(ergo)metrischen Untersuchung sind: 1.) die Objektivierung der maximalen und submaximalen kardiopulmonalen Leistungsfahigkeit unterschiedlicher Zielgruppen, 2.) eine Beurteilung von Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel sowie 3.) die Erhebung von Kenngrosen zur Trainingssteuerung. Anhand moderner Atemgasanalysen lassen sich mehrere Parameter zur Messung der Leistungsfahigkeit und des Stoffwechsels ableiten. Die wohl wichtigsten Grosen fur die Trainingspraxis hierbei sind die maximale Sauerstoffaufnahme, die submaximale Sauerstoffaufnahme bei gegebener Belastungsintensitat zur Bestimmung der Bewegungsokonomie sowie der respiratorische Quotient zur Ermittlung des Energieverbrauchs bzw. der Stoffwechselsituation. Die maximale Sauerstoffaufnahme (VO2max) erfasst integral die Kapazitat vom sauerstoffaufnehmenden (Lunge), O2-transportierenden (Herz-Kreislaufsystem) sowie O2-verwertenden Systemen (Muskulatur). Daher wird die VO2max auch als „Bruttokriterium“ der Ausdauerleistungsfahigkeit angesehen. Bei Ausbelastungstests werden bei sehr guten mannlichen Ausdauerleistungssportlern VO2max-Werte von uber 80 ml/min/kg gemessen (Wilmore & Costill 2004). Sportstudenten weisen Werte von ca. 55 ml/min/kg auf, bei Sportstudentinnen liegen diese Werte im Mittel bei ca. 48 – 52 ml/min/kg, die VO2max untrainierter „Normalpersonen“ liegen in der Regel deutlich darunter.
Fur Trainingsvorgaben ist die Kenntnis der VO2max, ahnlich wie die maximale Herzfrequenz, in der Trainingspraxis nur bedingt geeignet. Zwar gibt die trainingswissenschaftliche Literatur %-Angaben der VO2max und der HFmax zur Trainingsteuerung an, diese konnen jedoch, je nach Zielsetzung und Person, zu einer Unter- bzw. Uberforderung des Sportlers fuhren. Auserdem muss zur Bestimmung der VO2max ein Ausbelastungstest erfolgen, der sich bei manchen Personengruppen aufgrund der hohen Herz-Kreislaufbelastung verbietet bzw. manche Athleten, je nach Saisonzeitpunkt, nicht bereit dazu sind bis an ihre Leistungsgrenzen zu gehen.

Aus diesem Grund haben sich in der leistungsdiagnostischen Sportpraxis submaximale Kenngrosen etabliert. Diese submaximalen Parameter konnen entweder uber eine reine Atemgasanalyse oder mit blutlaktatbasierten Modellen („aerob-anaeroben Schwellen“) quantifiziert werden. Die Bestimmung dieser submaximalen Kenngrosen haben in der sportmedizinischen Leistungsdiagnostik den Vorteil, dass hierfur, im Gegensatz zur VO2max-Bestimmung, keine korperliche Ausbelastung, mit entsprechendem Risiko oder notwendiger Motivation, erforderlich ist.
In der Vergangenheit haben zahlreiche Studien den Versuch unternommen verschiedenste submaximale physiologische Kenngrosen fur die Diagnostik und das Training zu bestimmen. Allen gemeinsam, sei es atemgasbasiert oder lakatatbasiert, ist die Definition von physiologischen Bezugspunkten zur Definition von Trainingsintensitaten. Je nach Testschema ermoglicht die Software moderner Atemgasanalyseanbieter die automatische Bestimmung ventilatorischer bzw. laktatbasierter Grosen (sog. „Schwellen“). Eine weitere Moglichkeit neben der Bestimmung der ventilatorischen Schwellen ist die Bestimmung von Laktatschwellen. Vor allem im deutschsprachigen Raum wird die Bestimmung von individuellen Belastungsintensitaten traditionell mit Hilfe zahlreicher blutlakatatbasierter Schwellenmodellen bestimmt. Hierzu hat sich ein Jahrzehnte andauernder Streit uber das optimale Modell unter verschiedensten Belastungssituationen und Zielgruppen entfacht (Faude et al. 2009; Heck &
Beneke 2008). Welche Methode zur Bestimmung submaximaler Kenngrosen angewandt wird, hangt letztlich von dem Diagnostiker, der Zielgruppe, der technischen Ausrustung sowie der trainingspraktischen Erfahrung des Diagnostikers, Trainers oder Therapeuten ab. Der Vorteil, der Atemgasanalyse ist zweifelsfrei die unblutige Erfassung samtlicher Grosen.

Bei stufenformigen Belastungstest ist es moglich eine Aussage uber die globale Bewegungsokonomie zu tatigen. Dabei wird bei gleichbleibender submaximaler Belastungsintensitat (ca. ? 80 % der VO2max) die Sauerstoffaufnahme als Mas fur die Bewegungsokonomie definiert. Nach einer Trainingsphase sollte, bei entsprechender zentraler (Herz-Kreislaufsystem) und peripherer (Muskulatur) Okonomisierung, die Sauerstoffaufnahme bei gleicher Leistung oder Laufgeschwindigkeit reduziert sein. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Bewegungsokonomie von etlichen Faktoren wie Korperbau, Korperzusammensetzung, physiologischen, biomechanischen und neuronalen Faktoren, Schuhwerk, etc. beeinflusst wird. Atemgasanalytische Messungen erlauben keinen Ruckschluss auf die einzelnen Teilkomponenten, sie konnen aber sehr wohl als globaler Marker fur die Okonomisierung des Gesamtkorpers verwendet werden.
Eine Methode den Energieverbrauch einer Person zu bestimmen, stellt die indirekte Kalorimetrie dar. Hierbei kann auf den Energieverbrauch in Ruhe und unter Belastung zuruckgeschlossen werden. Bei konstanter Belastung ist die Energiegewinnung bzw. der respiratorische Quotient (RQ = Quotient aus Kohlendioxidproduktion und Sauerstoffaufnahme) vom entsprechenden Substrat abhangig und kann somit zur Bewertung des Anteils der Oxidation freier Fettsauren sowie von Glukose herangezogen werden. Fur die Verbrennung von einem Glukosemolekul wird gleich viel O2 benotigt wie CO2 produziert wird (C6H12O6 + 6O2 ??6CO2 + 6H2O). Daher ist in diesem Fall der RQ = 1,0 und eine dimensionslose Grose. Zur Oxidation von langkettigen Fettsauren benotigt der Korper mehr Sauerstoff, daher ist der RQ < 1,0. Bei reiner Verbrennung von Fetten betragt der RQ = 0,7. Dabei setzt der Abbau von 1 Gramm Glykogen ca. 4,15 kcal, der Abbau von 1 Gramm Fett hingegen 9,3 kcal frei.
Derzeit existieren zahlreiche Energieverbrauchsberechnungen mit denen es schlussendlich moglich ist, den Energieverbrauch bzw. der Anteil des Kohlenhydrat- und Fettstoffverwechselung bei gegebener Belastungsintensitat abzuschatzen (McArdle et al. 2001). Allerdings konnen die verschiedenen Kalkulationen zu unterschiedlichen Ergebnissen fuhren, insbesondere variiert die individuelle Intensitat zur Bestimmung der maximalen Fettverbrennungsrate von 33 bis 65 % VO2max sehr stark (Jeukendrup & Wallis 2005). Daher empfiehlt sich eine individuelle Bestimmung der Fettverbrennungsraten mittels indirekter Kalorimetrie, um Aussagen uber die personliche Stoffwechselsituation, die aerobe Leistungsfahigkeit und die Ableitung individueller Trainingsempfehlungen zu ermoglichen. Bei der indirekten Kaliometrie ist ferner zu beachten, dass die Ernahrung sowie korperliches Training im Vorfeld einer atemgasanalytischen Untersuchung Auswirkungen auf den RQ haben. In entsprechenden Diatphasen, beispielsweise bei kohlenhydratarmer Kost („Low-Carb-Diet“, etc.) oder nach intensivem Training, liegen erniedrigte RQ Werte vor, und konnen mit fruheren Diagnostikergebnissen mit „normaler“ Ernahrung und Trainingszustand nicht verglichen werden (Meyer 2003). Daher sollte auf eine exakte Standardisierung in der Routinediagnostik Wert gelegt werden und bedeutet fur die Praxis: 1.) keine intensives oder umfangreiches Training 2 – 3 Tage vor Diagnostiken, 2.) keine Diaten 2 – 3 Tage vor der Untersuchung und 3.) keine Belastungstests im nuchternen Zustand durchfuhren.
Abschliesend ist noch zu erwahnen, dass mit zunehmenden anaeroben Stoffwechsel bei Stufentests die gesteigerte Freisetzung von Kohlendioxid uber das Bikarbonat Puffersystem den RQ und somit die Aussagekraft der indirekten Kaliometrie verfalscht. Die indirekte Kalorimetrie ist somit uberwiegend fur Belastungsintensitaten im aeroben Bereich eine geeignete Methode, zur Quantifizierung der individuellen Stoffwechselsituation.

Fazit

Durch den kombinierten Einsatz verschiedener Methoden, ist es moglich eine Vielzahl von Belastungskenngrosen zu erheben. So konnen durch den Einsatz z.B. von Atemgasanalyse, Laktatdiagnostik und Ergometrie die maximale und submaximale Leistungsfahigkeit erhoben werden und je nach Belastungsmarker, Zielsetzung und Belastungsprotokoll diese auch zur Trainingsteuerung bzw. zur Quantifizierung von Trainings- oder Therapieeffekten genutzt werden. Insbesondere im Gesundheits- und Fitness-Sport ist die Erfassung submaximaler atemgasbasierter Kenngrosen zu empfehlen, da auf eine Ausbelastung des Sportlers verzichtet werden kann. Hierbei stellt die indirekte Kalorimetrie unter Einhaltung standardisierter Testverfahren, im aeroben Bereich, Aussagen uber den Energieverbrauch bzw. die Kohlenhydrat- und Fettstoffwechselsituation, eine sehr gute, non- invasive, Methode dar. Neuere Messsysteme haben zudem den Vorteil, dass Atemmasken nicht dauerhaft, sondern nur zu punktuellen Messung benutzt werden mussen, da Atemmasken im Freizeit- und Gesundheitssport nicht selten als unangenehm und subjektiv atmungseinschrankend empfunden werden. Welches Modell zur Bestimmung submaximaler Bezugspunkte zur Trainingssteuerung das optimale darstellt, obliegt letztlich der Zielgruppe, der technischen Ausrustung sowie der trainingspraktischen Erfahrung des Diagnostikers, Trainers oder Therapeuten.

Literatur

Mader, A., Liesen. H., Heck, H., Philippi, H., Rost ,R., Schürch, P., Hollmann, W. „Zur Beurteilung der sportartspezifischen Ausdauerleistungsfähigkeit im Labor.“ Sportarzt und Sportmedizin, 1976: 80-88 und 109-112.

Wilmore JH, Costill DL: Cardiovascular and Respiratory Adaptation to Training. In Wilmore JH, Costill DL (Hrsg) Physiology of Sport and Exercise. Human Kinetics, Champaign, 2004, 270-304. Faude O, Kindermann W, Meyer T: Lactate threshold concepts: how valid are they? Sports Med 39 (2009) 469-490.

Heck H, Beneke R: 30 Jahre Laktatschwellen - was bleibt zu tun? Dtsch Z Sportmed 59 (2008) 297-302 McArdle WD, Katch FI, Katch VL: Measurement of Human Energy Expenditure. In: McArdle WD, Katch FI, Katch VL (Hrsg): Exercise Physiology. Energy, Nutrition, and Human Performance. Lippincott Williams & Wilkins, Baltimore 2001, 174-186.

Jeukendrup AE, Wallis GA: Measurement of substrate oxidation during exercise by means of gas exchange measurements. Int J Sports Med 26 (2005) S28-S37.

Foto: © Dr. Billy Sperlich