Atemgasbestimmung mit Spiroergometrie

Die Spirometrie – profitieren Sie von der Atemgasbestimmung

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In der Leistungsdiagnostik haben sich viele Methoden etabliert, mit deren Hilfe die Ausdauerleistungsfähigkeit von Sportlern bestimmt werden kann. Vor allem die Laktatstufentests haben sich in verschiedenen Varianten durchgesetzt.

Allen Ansätzen gemein ist, dass die Leistung, die ein Sportler auf einem Ergometer zu erbringen hat, stufenförmig erhöht wird. Das bedeutet, dass nach einem Verstärken der Intensität diese Leitung über einen Zeitraum von 3– 5 Minuten auf demselben Niveau bleibt, bevor ein weiteres Verstärken folgt. Neben dem klassischen Laktatstufentest hat sich mit der Spiroergometrie (auch Ergo-Spirometrie) ein Verfahren etabliert, das die diagnostischen Möglichkeiten weiter verfeinert. Sebastian Mühlenhoff und Dennis Sandig schildern Ihnen die Möglichkeiten und Grenzen eines Verfahrens, mit dessen Hilfe die Erkenntnisse einer leistungsdiagnostischen Untersuchung erweitert werden können.

Wer sein Ausdauertraining gezielt steuern möchte, benötigt Informationen über die Wirkbereiche des Trainings. Mithilfe von leistungsdiagnostischen Verfahren wird jeder im Test absolvierten Intensitätsstufe eine bestimmte physiologische Reaktion des Körpers zugeordnet. Anhand der gewonnenen Daten definiert man dann Ihre Trainingsbereiche. So können Sie im Training z. B. gezielt auf Ihre Stoffwechsellage einwirken. Anpassungen schaffen Sie so zunächst für einen speziellen Bereich. Erst damit kann Ihre Leistung in vorab geplanten Bahnen laufen. Das gängigste Testverfahren zur Bestimmung der je geeigneten Trainingsbereiche ist der Laktatstufentest, der auf einem beliebigen Ergometer, z. B. Fahrrad oder Laufband, durchgeführt wird. Dabei wird der Widerstand stufenförmig erhöht und gegen Ende jeder Stufe eine kleine Menge Blut aus dem Kapillarblut des Ohrläppchens entnommen. Bestimmt man die Konzentration des Stoffwechselzwischenprodukts Laktat, lassen sich die aerobe und anaerobe Schwelle nach verschiedenen Methoden bestimmen. Neben der Trainingsbereichsbestimmung und der Festlegung der Schwellen liefert der Test Ihnen auch grundlegende Informationen zu Ihrem aktuellen Ausdauerleistungsvermögen. Zusätzlich helfen Ihnen die Ergebnisse, Ihre Leistungsentwicklung zu objektivieren.

Sensible Messung mit Maske

Bei einer Spiroergometrie hingegen wird die Konzentration der Gase bestimmt. So ergeben sich weitere wertvolle Informationen, die zu einer exakten Leistungsdiagnostik beitragen. Moderne sensible Messgeräte erfassen jeden einzelnen Ihrer Atemzüge und damit

- die Sauerstoffaufnahme (VO2),

- das Abatmen von Kohlendioxid (VCO2),

- das Atemvolumen und

- die Atemfrequenz.

Abb. 1: Die Maske muss vollkommen dicht abschließen

Aus diesen Messgrößen lässt sich eine Vielzahl weiterer Parameter und Werte berechnen. Dazu gehören so direkte Werte wie das Verhältnis von der Sauerstoffaufnahme zur Kohlendioxidabatmung. Dieser so genannte respiratorische Quotient (RQ) ermöglicht Rückschlüsse auf den Anteil von Fetten und Kohlenhydraten an der jeweiligen Energiebereitstellung.( 1) So erfahren Sie, auf welchem Weg die Energie für die Muskeltätigkeit bereitgestellt wird. Ein weiterer wichtiger Parameter ist das Atemäquivalent für Sauerstoff oder für Kohlendioxid (VE/VO2; VE/CO2). Das Atemäquivalent gibt an, wie viel Liter Luft geatmet werden müssen, um einen Liter Sauerstoff im Körper verfügbar zu machen bzw. einen Liter Kohlendioxid abzuatmen.

Vom Zauberwort der maximalen Sauerstoffaufnahme

Bei einer Spirometrie kann auch Ihre maximale Sauerstoffaufnahme gemessen werden. Diese wird oft als ein Bruttokriterium der Ausdauerleistungsfähigkeit betrachtet und stellt deshalb eine wichtige Messgröße in der Leistungsdiagnostik dar. Sie wird zum Teil durch das Training bestimmt. Der maximal erreichbare Ausprägungsgrad ist dabei aber stark von Ihren persönlichen genetischen Voraussetzungen abhängig. Aus diesem Grund kann die maximale Sauerstoffaufnahme auch dabei helfen, die Eignung eines Sportlers für ausdauerorientierte Belastungen zu bewerten. Manchmal wird außerdem versucht, Trainingsbereiche durch eine prozentuale Verteilung – relativiert an der VO2max – zu beschreiben. Die dem zugrunde liegende Vermutung, dass sich Herzfrequenz und Sauerstoffaufnahme linear zueinander verhalten, ist aber nicht belegt. Es gibt sogar Hinweise, dass die beiden Parameter eben nicht linear ansteigen. Eine weitere Schwierigkeit bei der Bestimmung der VO2max besteht in einem methodischen Problem. Soll durch den Test die maximale Sauerstoffaufnahmefähigkeit bestimmt werden, ist der Stufentest nicht das geeignete Verfahren. Hierfür bieten sich eher Rampenprotokolle an. Dabei werden Sie als Sportler innerhalb von maximal 15 Minuten ausbelastet, da der Widerstand kontinuierlich erhöht wird.(2) So erreichen Sie einen höheren Ausbelastungsgrad, und die Werte liegen über den in einem Stufentest gemessenen – was an der kürzeren Belastungszeit liegt. Es stellt sich aber immer die Frage, inwiefern der maximal gemessene VO2-Wert auch der VO2max entspricht. Erst wenn im Verlauf der Sauerstoffaufnahme ein Plateau erkennbar ist, können wir auch davon ausgehen, die maximale Sauerstoffaufnahme gemessen zu haben. Es gibt aber auch Fälle, in denen kein Plateau erkennbar ist – dann müssen wir auf sekundäre Kriterien zurückgreifen, um die Ausbelastung sicherzustellen. Dabei kann der RQ helfen, der über 1,1 liegen sollte. Wir halten an dieser Stelle also noch einmal fest, dass sich Ihre Trainingsbereiche nur ungenügend über die VO2max bestimmen lassen. Zunächst möchten wir Ihnen aber die praktische Durchführung einer Spirometrie vorstellen.

Eine hochpräzise Messtechnik

Der Ablauf einer Spiroergometrie unterscheidet sich zunächst einmal nicht von einer klassischen Leistungsdiagnostik. Es existieren sogar moderne Geräte, die transportabel eingesetzt werden können, so dass auch Feldtests mit einer Spirometrie durchgeführt werden können. Für gewöhnlich wird eine Spiroergometrie jedoch in Form eines klassischen Stufentests gemacht. Dabei wird eine Maske getragen, so dass die Atemluft komplett durch den Volumensensor strömt. Dieser enthält in der Regel einen kleinen Ventilator und einen Sensor, über den das Atemvolumen und die Atemzüge erfasst werden. Oberhalb dieser Volumeneinheit sorgt eine Absaugstrecke dafür, dass bei jedem Atemzug ein Teil der Atemluft abgesaugt und hinsichtlich des Sauerstoff- bzw. des Kohlendioxidgehalts analysiert wird. So ergeben sich die eingangs erwähnten Messgrößen, die die Grundlage für die Berechnung sämtlicher weiterer Parameter bilden.

Wird eine Spiroergometrie in Form eines Stufentests durchgeführt, wird üblicherweise auch die Laktatkonzentration bestimmt. Durch diese Kombination erhalten Sie wertvolle zusätzliche Hinweise. Das liegt auch daran, dass die über die Laktatkonzentration bestimmte individuelle aerobe und anaerobe Schwelle nicht direkt mit den spirometrisch ermittelten ventilatorischen Schwellen übereinstimmen. Durch die Kombination der Messverfahren erhalten wir somit 4 wichtige Messpunkte, was eine umfassendere Beurteilung Ihrer Leistungsfähigkeit ermöglicht. Vor allem aber lassen sich die Trainingsbereiche so validieren. Wenn Sie eine Leistungsdiagnostik machen, sollten Sie immer darauf achten, dass die Trainingsbereiche nicht standardisiert über eine prozentuale Verteilung festgelegt werden. Es macht keinen Sinn, bei den unterschiedlichen Anforderungsprofilen der Sportarten immer dieselben Prozentzahlen für einen Trainingsbereich beizubehalten. Für jeden Athleten müssen die Trainingsbereiche individuell aus den Ergebnissen einer Diagnostik interpretiert werden.

Abb. 2: Profiradsportlerin bei einer Spiroergometrie

 

Von der V-Slope und der 9-Felder-Grafik

Darüber hinaus werden die Sauerstoffaufnahme (VO2) und die Kohlendioxidabatmung (VCO2) gemessen. Beide Werte steigen unter Belastung weiter an – allerdings in unterschiedlicher Geschwindigkeit. Werden diese beiden Parameter auf der Zeitachse aufgetragen, lassen sich aus dem Kurvenverlauf Rückschlüsse auf ventilatorische Schwellen ziehen. Es existieren verschiedene Wege, die Schwellen in einer Spirometrie zu bestimmen. Zu den etablierten Methoden gehören die V–Slopemethode und die Wassermannkurven.(2) Über diese Methoden werden die ventilatorische Schwelle (AT=anaerobic threshold) und der respiratorische Kompensationspunkt (RCP) bestimmt. Dabei entspricht die ventilatorische Schwelle aus der Spirometrie theoretisch der aeroben Schwelle aus dem Laktatstufentest, obwohl sie auch als „anaerobic threshold“ bezeichnet wird. Der respiratorische Kompensationspunkt entspricht hingegen der anaeroben Schwelle aus dem Laktattest. Je nach Protokoll weichen die Schwellen aus Laktattest und Spirometrie aber in der Praxis leicht voneinander ab. Deshalb ist die Erfahrung des Testleiters wichtig für eine qualitativ gute Auswertung. Aus diesem Grund ist die Interpretation eines solchen Tests auch sehr schwierig und erfordert viel Erfahrung.

In Form der 9-Felder-Grafik nach Wassermann werden diese und andere Werte grafisch aufgetragen. Dabei können mithilfe einiger Felder die einzelnen Schwellenwerte und die Ergebnisse der Laktatdiagnostik zusätzlich überprüft und abgesichert werden.

Eine gute Auswertungs-Software lässt dabei eine manuelle Korrektur durch den Diagnostiker zu. So kann man die individuellen Erfahrungen mit den Berechnungsmethoden kombinieren. Neben den genannten Parametern ist der bereits erwähnte respiratorische Quotient (RQ) eine wichtige Berechnungsgröße. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Art der Energiebereitstellung ziehen. Dabei bedeutete ein Wert unter 1, dass weniger CO2 abgeatmet wird, als O2 aufgenommen werden kann. Liegen die Werte zwischen 0,75 und 0,8 geht man davon aus, dass die Energie vor allem über die aerobe Fettoxidation bereitgestellt wird.(3) Erreicht der RQ Werte über 1, dominiert der anaerobe Kohlenhydratstoffwechsel. Allerdings existieren auch Theorien, dass Werte über 1 auf den hohen Belastungsstufen eher ein Hinweis dafür sind, dass zu intensiv trainiert wurde und der Körper eine Regenerationsphase benötigt. Interessant ist diese Annahme vor allem dann,wenn Langstreckentriathleten sehr hohe Werte aufweisen, obwohl dominierend die Grundlagenausdauer trainiert wurde.

Abb. 3: 9-Felder-Grafik mit eingezeichneten Schwellen

Nutzen Sie die Vorteile einer Spiroergometrie!

An der Vielzahl der gemessenen und berechneten Parameter können Sie erkennen, wie komplex eine solche Auswertung ist. Gerade deshalb sollten Sie darauf achten, dafür einen Fachmann auszuwählen. Den erkennen Sie ihn daran, dass er Sie vor einem Test ausführlich über die Testvarianten informiert. Ihre eigenen sportlichen Ambitionen und Ihr Trainingszustand sollten bei der Auswertung und der Interpretation der Daten berücksichtigt werden. Es existieren verschiedene Methoden zum Bestimmen der Schwellen, und die ventilatorischen Schwellen bilden im Vergleich zu denen bei reinen Laktattets andere Punkte im Testverlauf ab. Pauschale und fixe Auswertungen weisen darauf hin, dass die Software die Daten automatisiert ausgespuckt hat.

 Nachdem Sie nun einiges über den Ablauf und die Inhalte der Spiroergometrie erfahren haben, müssen Sie sich also die Frage stellen, welche Vorteile für Sie daraus entstehen können. Wichtig ist, dass Ihr Trainer bei einer Spirometrie die Möglichkeit hat, die ventilatorischen Schwellen über die 9-Felder-Grafik absichern zu können. In Kombination mit den über die Laktatkonzentration bestimmten Schwellen lassen sich die Trainingszonen exakt eingrenzen. In einem reinen Laktatstufentest werden die Grenzen Ihrer Trainingsbereiche meist ausschließlich bei einem fix definierten Prozentsatz der Schwellen festgelegt. Die wenigsten Diagnostiker haben die nötige Erfahrung und machen sich die Mühe, neben dieser Fixierung auf die Schwellen die gesamte Kinetik der Kurve bei ihrer Interpretation zu berücksichtigen. Bei einer Spirometrie kann man die Obergrenze des Grundlagenausdauerbereichs über Reaktionen in den Messwerten klar definieren. Eine direkte Zuordnung einer Intensitätsstufe zum dazugehörenden Stoffwechselbereichs ist einfacher möglich. Dies gilt für alle Intensitäten und so auch für das Schwellentraining. Für das Bestimmen Ihrer Trainingsbereiche kann eine Spirometrie Ihnen so direkte Zusatzinformationen geben. Dazu kommt, dass Parameter wie das Atemäquivalent die Trainingsanpassungen im aeroben Stoffwechselbereich sehr sensitiv darstellen können. Neben der Möglichkeit, die für die Leistungsdiagnostik und Trainingssteuerung relevanten Parameter durch eine Ergospirometrie bestmöglich abzusichern, können weitere wichtige pulmonale Erkenntnisse gewonnen werden. Anhand der Charakteristik der Atemtiefe und der Atemfrequenz bei ansteigender Belastung können eventuell vorhandene obstruktive oder restriktive Einschränkungen in der Atmung diagnostiziert werden. Ein erhöhter Atemwiderstand wirkt stark leistungslimitierend und ist bei Ausdauersportlern keine Seltenheit.

Praktische Tipps

- Die Spiroergometrie sollte gut vorbereitet werden.

- 2 Tage vor einem Test sollten Sie nur noch regenerativ trainieren.

- Kohlenhydratreiche Ernährung in den Tagen vor einem Test ist wichtig.

- Planen Sie nicht mehr als 2–3 Tests pro Jahr ein. 

-  Lassen Sie die Trainingsbereiche nicht über die VO2max ableiten.

- Die Laktatschwellen und die ventilatorischen Schwellen helfen, Ihre Trainingsbereiche exakt zu ermitteln.

 

Dennis Sandig M.A., Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Julius-Maximilians- Universität Würzburg und Doktorand an der Universität des Saarlandes; Mitbegründer der iQ athletik GmbH

Sebastian Mühlenhoff M.A., leitet die Abteilung Leistungsdiagnostik der iQ athletik GmbH und ist Sportwissenschaftlicher Koordinator des Hessischen Radfahrer Verbandes (HRV)

 

Quellenangaben

1. Wilmore, J. & Costill, D. (2004), Physiology of Sport and Exercise. Champaign: Human Kinetics

2. Hollmann, W. et al. (2006), Spiroergometrie. Stuttgart: Schattauer

3. Schurr, S. (2007), Leistungsdiagnostik – Der Laktatleistungstest und seine Alternativen. Norderstedt: Books on Demand GmbH

 

Fachsprache:

DNA (Desoxyribonukleinsäure) – diejenige Substanz im Zellkern, die Träger der genetischen Information ist.

Spiroergometrie (auch Ergo-Spirometrie) – Messen der Atemgase auf einem Ergometer mit Hilf einer Atemmaske

Kapillarblut – Blut aus den feinsten Blutgefäßen, das ein ausgeglichenes Verhältnis aus venösen und arteriellen Anteilen abbildet. Wird beispielsweise am Ohrläppchen oder aus der Fingerbeere entnommen.

Respiratorischer Quotient – der RQ stellt das Verhältnis aus Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxid Abatmung dar.

Atemäquivalent – Die Menge Luft, die einoder ausgeatmet werden muss, um 1 Liter O2 aufzunehmen oder CO2 abzuatmen.

 

Weiterführende Artikel:

Individuelle Leistungsdiagnostik und Trainingsssteuerung für Breitensportler

Tests für Läufer

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