Leistungsdiagnostische Untersuchungsmethoden. für Sport- und Berufstaucher

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1 Leistungsdiagnostische Untersuchungsmethoden für Sport- und Berufstaucher Hausarbeit im Rahmen der Ersten Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien vorgelegt von Nadine Jahns Prüfer: Prof. Dr. med. et Dr. rer. nat. A. Niklas Institut für Sportwissenschaft der Georg-August-Universität Göttingen Göttingen, den 08. November 2000

2 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG UND FRAGESTELLUNG LEISTUNGSDIAGNOSTIK PHYSIKALISCHE GRÖßEN: KRAFT, ARBEIT, LEISTUNG BIOLOGISCHE LEISTUNG ERGOMETRIE SPIROERGOMETRIE Grundlagen der Spiroergometrie Energieumsatzberechnung DIVERSE BELASTUNGS- UND MESSVERFAHREN Bestimmung der körperlichen Leistungsfähigkeit Belastungsintensität und Ausbelastungskriterien PHYSIKALISCHE UND PHYSIOLOGISCHE GRUNDLAGEN PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN DES WASSERS PHYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN VON GASEN Dichte Allgemeine Gasgleichung Gesetz von Boyle Mariotte Das Partialdruckgesetz von Dalton Das Gesetz von Henry Das Gesetz von Gay-Lussac AUSWIRKUNGEN DES WASSERS AUF DEN ORGANISMUS Immersionseffekt Tauchreflex AUSWIRKUNGEN VON GASEN AUF DEN ORGANISMUS PROBLEME DER TAUCHTAUGLICHKEIT LEISTUNGSDIAGNOSTIK BEIM SCHWIMMEN HYDRODYNAMISCHE WIDERSTÄNDE, VORTRIEBSKRÄFTE, LEISTUNG Bestimmung des Wasserwiderstandes des Körpers Bestimmung der Vortriebskraft des Schwimmers ENERGIEVERBRAUCH DES ORGANISMUS Indirekte Methoden der Sauerstoffaufnahme-Messung Direkte Methoden der Sauerstoffaufnahme-Messung... 43

3 Inhaltsverzeichnis II 5.3 ZWISCHENERGEBNIS LEISTUNGSDIAGNOSTIK BEIM TAUCHEN UNTERSUCHUNGEN ZUM ENERGIEVERBRAUCH GASAUSTAUSCH IN HÖHEREN UMGEBUNGSDRÜCKEN (SPEZIELLE PROBLEME BEIM TIEFTAUCHEN) SCHLUSSBETRACHTUNG LITERATURVERZEICHNIS ANHANG MAßE, ABKÜRZUNGEN, EINHEITEN Einheiten, Maße Abkürzungen Symbole LITERATURRECHERCHE Positive Resultate: Negative Resultate: Weitere links: TABELLEN UND ABBILDUNGEN VON MESSWERTEN DER SAUERSTOFFAUFNAHME BEI UNTERSUCHUNGEN ZUM TAUCHEN... 83

4 Verzeichnis der Abbildungen III Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Grundlagen der Thermodynamik. 16 Abbildung 2: Häufig angewandte Belastungsverfahren bei Patienten und Sportlern (modelliert nach: Kindermann, W. 1987, 246). 17 Abbildung 3: Vortriebskraft beim Schwimmer. 36 Abbildung 4: Seil-Rolle-Gurt-System (diprampero et al. 1974, 2). 40 Abbildung 5: MAD-System (TOUSSAINT 1988a, 5). 41 Abbildung 6: Schwimmkanal (ÅSTRAND et al. 1972). 44 Abbildung 7: Energieverbrauch beim Schwimmen. 49 Abbildung 8: Testanordnung zur tätigkeitsspezifischen Spiroergometrie für Schwimmtaucher (definierte Leistung mit den oberen Extremitäten) (NIKLAS et al. 1993, 102). 55 Abbildung 9: Testanordnung zur tätigkeitsspezifischen Spiroergometrie für Schwimmtaucher. Ganzkörperarbeit definierte Leistung am SZG 1 bei nichtfixiertem Körper (NIKLAS et al. 1993, 103). 55 Abbildung 10: Bag-in-box System (PENDERGAST et al. 1996, 574). 56 Abbildung 11: Kraftübertragung eines Tauchers. 59 Abbildung 12: Atemarbeit und Atemminutenvolumen bei Atmung von Pressluft oder Helium- Sauerstoff-Gemischen (modelliert nach: demarées et al. 1991, 44). 60 Abbildung 13: Max. AMV und Tauchtiefe bei der Verwendung von Pressluft oder Helium- Sauerstoff-Gemischen (modelliert nach: demarées et al. 1991, 44). 61 Abbildung 14: Mittlere Widerstandskraft, Sauerstoffverbrauch und Wirkungsgrad beim Schwimmen in zwei Testserien (GOFF et al. 1957, 199). 83 Abbildung 15: Arbeits -Sauerstoffverbrauch bei verschiedenen Belastungsstufen mit unterschiedlicher Schwimmgeschwindigkeit (ebd.). 83 Abbildung 16: Mittelwerte und Standardabweichungen des Energieverbrauchs bei einer Schwimmdistanz von 1 km bei Geschwindigkeiten von 0,4 bis 0,54m min -1 bei Männern und Frauen mit unterschiedlichem Könnensstand (PENDERGAST et al. 1996, 575). 84

5 Verzeichnis der Tabellen IV Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Sauerstoffaufnahme eines Tauchers mit Bleischuhen (l/min) (DONALD et al. 1954, 34). 83 Tabelle 2: Sauerstoffaufnahme eines Flossenschwimmers (l/min) (ebd., 35). 83 Tabelle 3: Mittelwerte und Standardabweichungen metabolischer und kardialer Parameter in Ruhe und bei Belastung (RUSSEL et al. 1972, 999). 84 Tabelle 4: Maximale Werte für Bedingungen auf dem Unterwasserergometer im Wasser (UEW), dem Unterwasserergometer auf Meereshöhe (UEA), und dem Standardfahrradergometer auf Meereshöhe (SEA) (CHEN et al. 1996, 144). 85 Tabelle 5: Parameter der Ventilation auf 30 m Tiefe im Vergleich zu Seehöhe (BUSLAPS 1998, 65). 85 Tabelle 6: Mittelwerte der pulmonalen Ventilation, des Sauerstoffverbrauchs und der CO 2 - Abgabe von drei Probanden in Ruhe und während Belastung auf Meereshöhe und bei einer simulierten Tiefe von 300 m (SALZANO 1971, 349). 86 Tabelle 7: Kardio-pulmonale Werte während der Belastung bei Luftatmung (1 und 2 bar Umgebungsdruck) und bei Sauerstoffatmung (2 bar Umgebungsdruck) des Probanden JT (TAUNTON et al. 1970, 422). 86 Tabelle 8: Kardio-pulmonale Werte während der Belastung bei Luftatmung (1 und 2 bar Umgebungsdruck) und bei Sauerstoffatmung (2 bar Umgebungsdruck) des Probanden EB (ebd., 423). 86 Tabelle 9: Die Werte der Ventilation, des Gasaustausches und der Herzfrequenz in Ruhe und bei Belastungsstufen von 50, 100 und 150 Watt unter drei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (FAGRAEUS et al. 1974, 262f) 87 Tabelle 10: Messwerte der letzten 30 s einer Belastung in differenten Umgebungsbedingungen (Luftatmung bei 1, 3 und 6 bar Umgebungsdruck, Helium-Sauerstoff-Atmung bei 3 bar Umgebungsdruck) (FAGRAEUS 1974, 548). 88 Tabelle 11: Kardio-pulmonale Messwerte bei verschiedenen Belastungsstufen in unterschiedlicher Tiefe (WAGNER et al. 1986, 263). 88

6 Einleitung und Fragestellung 1 1 Einleitung und Fragestellung Im Rahmen des gesamtgesellschaftlichen Wandels hat der Tauchsport mit seinen Aufgliederungen in die Kategorien Breiten- und Freizeitsport, Leistungs- und Hochleistungssport in den vergangenen Jahren in allen Altersstufen einen deutlichen Aufschwung genommen (vgl. ALMELING et al. 1993b, 313). Es wird zwischen Frei-, Geräte-, Apnoe- und Berufstauchen unterschieden, diese Ausarbeitung beschäftigt sich ausschließlich mit dem Geräte- und dem Berufstauchen. Taucher sind in ihrer Umgebung unter Wasser anderen physikalischen und physiologischen Bedingungen ausgesetzt, als dies bei Personen über Wasser der Fall ist. Deshalb stellt die allgemeine Leistungsdiagnostik zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Herz, Kreislauf, Atmung und des Stoffwechsels eine wichtige Aufgabe dar, insbesondere in den Bereichen Geräte- und Berufstauchen, auf Grund der großen Wassertiefen und des daraus resultierenden hohen Umgebungsdrucks. Ferner kommt der sportartspezifischen Leistungsdiagnostik große Bedeutung zu, zumal sie wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung optimaler Trainingsmethoden, der Trainingssteuerung, der -überwachung und der Gesunderhaltung des Sportlers liefert. Eine sportartspezifische Leistungsdiagnostik für den Tauchsport ist bis heute jedoch nicht entwickelt worden, obgleich seit vielen Jahren Untersuchungen durchgeführt wurden, die sich mit der körperlichen Leistungsfähigkeit von Tauchern beschäftigen. In der bisherigen Tauglichkeitsuntersuchung, bei der die Fähigkeit für das Tauchen nachgeprüft werden soll, findet allerdings keine Berücksichtigung der veränderten physiologischen Gegebenheiten unter Wasser statt. So stellt sich die Frage, inwiefern Untersuchungen dieser Art aussagekräftig sind. Ziel dieser Arbeit ist es, die Problematik solcher Untersuchungen zu verdeutlichen und den internationalen Kenntnisstand auf diesem Gebiet darzulegen. Ein Vergleich verschiedener, bereits durchgeführter Untersuchungen zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit von Tauchern soll mögliche Schwachstellen aufzeigen, die anschließend erörtert werden. Nach intensiver Recherche weltweiter Untersuchungsmethoden stellte sich heraus, dass es keine neueren Verfahren zur Leistungsdiagnostik im Tauchen gibt. Im amerikanischen Raum scheint kein Interesse daran zu bestehen, diese Fragestellung weiter zu verfolgen. Stattdessen werden neue Instrumente und Methoden entwickelt, um die Arbeit unter Wasser effektiver zu gestalten, welche Energie auch immer dabei umgesetzt wird (vgl.

7 Einleitung und Fragestellung 2 LALLY 2000) 1. Daher sind es vorwiegend ältere theoretische Grundlagen und Verfahren, die heute zum Teil noch Anwendung finden und auf die auch in dieser Arbeit zurückgegriffen wird. Die heute verwandten mechanischen Verfahren der Leistungsdiagnostik sind relativ zielsicher (wie z.b. beim Fahrrad- oder Laufbandergometer). Die angreifenden Kräfte sind in der Regel messbare vektorielle Größen; die Angriffspunkte der Kraftvektoren und deren Richtungen sind bekannt. Kraftvektoren, zurückgelegte Wegstrecken und benötigte Zeiten können gemessen werden. Aus diesen Messwerten lässt sich die mechanische Arbeit bzw. Leistung berechnen. Diese können mit der gleichzeitig aufgenommenen Energie ins Verhältnis gesetzt und so der Wirkungsgrad bestimmt werden. Bei der Leistungsdiagnostik im Wasser ist jedoch besonders zu beachten, dass die Ermittlung der Messgrößen Kraftrichtung, Weg und aufgenommene Energiemenge durch Atemluft erhebliche Probleme aufwirft. Im Wasser treten keine isolierten mechanischen Einzelkräfte auf, weil Vortriebs- und Widerstandskräfte ausschließlich dynamische Kräfte sind, die aus der Bewegung als Folge von Strömungswiderständen entstehen, daher sind sie in Betrag und Richtung nicht unmittelbar messbar. Die Vortriebskraft ist eine resultierende Kraft aus einer Summe von Einzelkräften in Schwimmrichtung. So kann weder die Antriebskraft einer komplexen Schwimmbewegung, noch die daraus resultierende Antriebsleistung durch die Strömungswiderstände gemessen werden. Die gängigen Messverfahren müssen deshalb im Hinblick auf systematische Fehlerquellen und Messfehler besonders kritisch untersucht werden. Zunächst soll in dieser Arbeit die Leistungsdiagnostik mit ihren gängigen Verfahren näher erläutert werden, damit die anschließenden Ausführungen besser verständlich sind. Grundsätzliche physikalische Gesetze, Grundsätze der Strömungslehre und physiologische Auswirkungen des Wassers und der Gase, die für das Tauchen und Schwimmen relevant sind, werden aufgeführt und erläutert. Im Anschluss daran werden verschiedene Untersuchungen der Leistungsdiagnostik beim Schwimmen zur Untersuchung der verschiedenen Widerstände und der Schwierigkeit der Energiemessung näher beschrieben, da Untersuchungen in dem Umfang beim Tauchen bisher nicht durchgeführt wurden. Sie geben einen Einblick in die Schwierigkeiten der Leistungsdiagnostik im Wasser und damit stellvertretend für das Tauchen. 1 Die Informationen basieren auf einer -korrespondenz mit Dave Lally ( ), die im Anschluss an das Literaturverzeichnis zu finden ist.

8 Einleitung und Fragestellung 3 Die Probleme der Tauchtauglichkeitsuntersuchung zeigt Defizite und die Relevanz einer Leistungsdiagnostik beim Tauchen auf. Verschiedene Untersuchungen zur Bestimmung von Arbeit unter Wasser beim Tauchen werden am Ende der Arbeit vorgestellt. Sie sollen einen Einblick in den derzeitigen Forschungsstand auf diesem Gebiet gewährleisten, der im Anschluss diskutiert wird. Auf Grund der vereinfachten Lesbarkeit wird in dieser Arbeit im Allgemeinen die maskuline Form verwendet, die gleichermaßen für Frauen und Männer gilt. Die neue deutsche Rechtschreibung wurde berücksichtigt.

9 Leistungsdiagnostik 4 2 Leistungsdiagnostik In unserer Gesellschaft trägt der Sport wesentlich zur Persönlichkeitsentwicklung der Menschen bei. Es gilt, die erbrachten Leistungen zu optimieren und zu steigern. Dazu bedarf es der Feststellung der Leistungsvoraussetzungen und der kontinuierlichen Ermittlung der sportlichen Leistungsfähigkeit mittels geeigneter Methoden und Verfahren. Das Ziel ist, möglichst schnell den erreichten Leistungsstand der Sportler zu beurteilen. Im Folgenden soll die Leistungsdiagnostik mit ihren Methoden und Verfahren näher erläutert werden. Die Leistungsdiagnostik umfasst trainingsmethodische Kontrollmethoden Leistungskontrollen, sportmotorische Tests, Beobachtungs- und Analyseverfahren sowie Untersuchungsverfahren der Biomechanik, Biochemie, Physiologie, Sportmedizin und Sportpsychologie. Sie bildet die Grundlage für die Trainingssteuerung. Die relativ vielseitige Erfassung der Leistungsfähigkeit im Zusammenwirken mehrerer Wissenschaftsdisziplinen wird als komplexe Leistungsdiagnostik bezeichnet (THIEß, SCHNABEL 1987, 110). MARTIN (1980, ) unterscheidet fünf Typen der Leistungsdiagnostik: 1. Sportmotorische Tests: Diese Tests sind eine Art Gebrauchstests zur Grobdiagnose (KUHLOW 1977, 406). Sie enthalten meistens sportliche Übungsformen, die auch im Training angewendet werden. 2. Biomechanische Leistungsdiagnostik: Darunter fällt die Bestimmung der leistungsdeterminierenden und technischen Faktoren und die Abschätzung, welchen Einfluss diese Faktoren auf die komplexe Leistung haben (vgl. MARTIN 1980, 179). 3. Standardisierte Wettkampf- oder Spielbeobachtung: MARTIN (1980, 191) teilt diese in folgende Untersuchungsfelder: Die unmittelbare Wettkampfvorbereitung, das Wettkampfniveau und die komplexe sportmotorische Leistung, die Entwicklungstendenzen der Sportart, das Wettkampfgerät, Gruppenprozesse und Gruppendynamik, Bewertungsmaßstäbe und -trends, Mannschaftsführung und Mannschaftsbetreuung und Sportlertyp. 4. Sportmedizinische und biochemische Funktionsprüfungen und Untersuchungen: Bei der sportmedizinischen Leistungsdiagnostik werden vor allem folgende leistungsphysiologische Parameter untersucht: Die Herzfrequenz, die maximale Sauerstoffaufnahmefähigkeit, das Herzvolumen, der Säure-Basen-Status, sowie die Bestimmung des aeroben und anaeroben Schwellenwertes. Auf diese Parameter wird im Einzelnen später näher eingegangen.

10 Leistungsdiagnostik 5 5. Psychologische Testverfahren (Psychodiagnostik) HAASE (in MARTIN, ebd.) hat die Fragestellung der Psychodiagnostik in zwei Punkten zusammengefasst: - welche diagnostischen Informationen über die Sportler und - welche diagnostischen Informationen über die Rahmenbedingungen der sportlichen Leistung können ermittelt werden, um auf der Grundlage dieser Informationen mit pädagogischen, betreuenden, beratenden und trainingsmethodischen Maßnahmen steuernd in den Trainingsprozess einwirken zu können. Mit Hilfe dieser einzelnen Verfahren soll vor allem der momentane Leistungszustand auch in dessen Teilbereichen erfasst werden. Neben der Bestimmung des Leistungszustandes liegt ein weiteres zentrales Problem der Leistungsdiagnostik in der kausalen Ermittlung der leistungsbestimmenden Faktoren einer Sportart (auch in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht), um die sportmotorische Leistung über die Veränderung solcher Faktoren in Richtung eines angestrebten Sollwertes verbessern zu können. Ferner gilt es abzuschätzen, wie hoch der Einfluss dieser Faktoren auf die sportliche Leistung ist, denn daraus resultiert die Einflussgröße eines Faktors auf die komplexe Leistung (vgl. BALLREICH 1978, 3ff). Um die gesamte sportliche Leistung zu erfassen, sind mehrere leistungsdiagnostische Verfahren anzuwenden. Die Ergebnisse gilt es dann zusammenzufassen und als Ganzes zu interpretieren. Die diagnostischen Prüfverfahren müssen folgende Hauptgütekriterien erfüllen: Objektivität, d.h. die Untersuchungsergebnisse sollen unabhängig vom Untersucher bei der Durchführung der Untersuchungen sowie bei der Auswertung und Interpretation der Messwerte sein. Validität, d.h. Genauigkeit der Messungen bezüglich der zu messenden Merkmale. Reliabilität, d.h. Genauigkeit der Messungen und damit Wiederholbarkeit. Nur so können die gewonnenen Daten aussagekräftig verwendet und statistische Normen aufgestellt werden. Darüber hinaus nennen einige Autoren (z.b. BADTKE 1995, 424) weitere Güte- und Zusatzkriterien, auf die hier jedoch nicht weiter eingegangen werden soll. LETZELTER (1978, 112) führt als Nebengütekriterien die Trennschärfe und die Ökonomie der angewandten Verfahren an. Die Hauptanforderung der Trainingspraxis ist die sportartspezifische, sportmedizinische Leistungsdiagnostik, worauf der Inhalt dieser Arbeit zielt.

11 Leistungsdiagnostik 6 Die sportmedizinische Leistungsdiagnostik hat unter anderem die Aufgabe zu lösen, die enge Wechselwirkung zwischen äußerer Belastung des Organismus durch Umfang, Intensität, Häufigkeit und Art charakterisiert und physiologischer, biochemischer sowie Biomechanischer Anpassungsreaktionen, die durch geeignete Messgrößen zu erfassen sind bezüglich des stattfindenden Energieumsatzes zu interpretieren (NIKLAS 1984, 8). 2.1 Physikalische Größen: Kraft, Arbeit, Leistung Die Messung und Beurteilung der Leistungsfähigkeit wird in der Regel auf die physikalische Leistung reduziert. Koordinative Leistungen lassen sich nur schwer mit physiologischen Methoden erfassen. Auch bei gleicher Leistungsfähigkeit muss die Maximalleistung nicht notwendigerweise interindividuell gleich sein, da psychologische Faktoren hinzukommen (STEGEMANN 1991, 253). Die exakte Bestimmung der körperlichen (mechanischen) Leistung im Hinblick auf die Ergometrie und Kraftmessung kann nur unter Anwendung des physikalischen Leistungsbegriffes erfolgen. Für diese Definition ist es notwendig, einige grundlegende physikalische Begriffe zu erörtern. Kraft Kräfte verformen Körper und/oder ändern deren Bewegungszustand. Die Einheit der Kraft ist das Newton (N). Kräfte sind Vektorgrößen, d.h. Größen, denen ein Betrag und eine Richtung zugeordnet ist. r Wirken z.b. auf einen Körper zwei entgegengesetzt gerichtete Kräfte F1 gleichem Betrag ( ) 1 ) 2 ÃGDQQÃEOHLEWÃGHUÃ. USHUÃLQÃ5XKHÃ(VÃJLOW r und F 2 von r r F 1 = F 2 Besteht kein Kräftegleichgewicht, so setzt sich der Körper in Bewegung (vgl. DORN et al. 1976, 19). Arbeit (Energie) Die Arbeit W ist das Produkt aus dem Weg s und der Kraft F in Wegrichtung: W = F s Die Einheit der Arbeit 1N 1m = 1Nm nennt man 1 Joule. Zur Anwendung dieser Formel muss die Kraft- und Wegrichtung identisch und die Kraft während des Vorgangs konstant sein. Ist das nicht der Fall, muss die Arbeit mittels der bekannten mathematischen Verfahren der Integralrechnung berechnet werden. Bilden Kraft und Weg einen Winkel kleiner als 90 miteinander, so darf der Weg nur mit der Kraftkomponente in Wegrichtung multipliziert werden. Dann gilt entsprechend: W = F s cosα

12 Leistungsdiagnostik 7 ist hier der Winkel zwischen den Richtungen von Kraft und Weg (stehen Kraft- und Wegvektor aufeinander senkrecht, ist das Vektorprodukt W = 0). Unter Energie versteht man die Fähigkeit eines Körpers, Arbeit zu verrichten. D.h. jede an einem Körper verrichtete Arbeit vergrößert dessen Energiezustand und versetzt ihn in die Lage, seinerseits Arbeit zu verrichten. Die Energie wird in den Einheiten gemessen wie die Arbeit, also in Joule (J) = Wattsekunde (Ws). Mechanische Leistung Unter der mechanischen Leistung P versteht man das Verhältnis der Arbeit W zur Arbeitszeit t. Leistung = Arbeit Zeit Kraft Weg = = Kraft Geschwindigkeit Zeit P = W t = F s t = F v Dimension: [ Watt ] = [ N m s -1 ] = [ Joule s -1 ] Das Newton [N] die Grundeinheit der Kraft - ist definiert ist als die Kraft, die der Masse 1 kg die Beschleunigung 1 m s - ² verleiht. Die Grundeinheit der Energie ist das Joule, das Produkt aus 1 m 1 Newton. Die Leistung 1 Watt entspricht der Leistung von 1 Joule Sekunde -1. Körperliche Leistung vollbringt ein Mensch, wenn er z.b. mit Hilfe seiner Muskeln anderen Kräften entgegenwirkt (Gravitation) und Widerstände überwindet; also mechanische Arbeit in einer bestimmten Zeit leistet. Begriffe wie Belastung 2 und Beanspruchung 3 indizieren, dass Faktoren wie Klima und Jahreszeit, aber auch psychologische Faktoren bei der Beurteilung einer Leistung eine Rolle spielen (vgl. KLINKE et al. 1996, 510). So kann eine physikalisch gesehen geringe Leistung, die unter Hitze erbracht wurde, eine hohe Belastung bedeuten. 2 Belastung, mech.: Summe aller Kräfte und Momente, die unter statischen und dynamischen Bedingungen auf einen Körper einwirken, wobei zwischen äußeren Kräften (Widerstands-, Reibungs-, Trägheitskräften usw.) und inneren Kräften (Muskel- und Sehnenzugkräfte) sowie Randbedingungen (Wetter, Boden, anthropometrische Parameter) unterschieden wird (vgl. HOLLMANN 1995, 52). 3 Beanspruchung: Biologische Antwortreaktion des Organismus auf die physikalische Eingangsgröße Belastung mit ihren äußeren und inneren Faktoren (vgl. ebd., 52).

13 Leistungsdiagnostik 8 Wenn also Leistungen im physikalischen Sinne bestimmt werden, enthalten sie immer auch Elemente dessen, was hier als Belastung oder Beanspruchung bezeichnet wurde (vgl. ebd.). 2.2 Biologische Leistung Für eine gleiche mechanische Leistung kann eine verschiedene biologische Leistung 4, d.h. der Energieumsatz pro Zeiteinheit, erforderlich sein, die wesentlich schwieriger zu erfassen ist (vgl. STEGEMANN 1991, 64). In den Zellen des lebenden Organismus laufen ständig energiebenötigende Prozesse ab. Um diese Leistung zu vollbringen, muss der Organismus die benötigte Energie bereitstellen. HOLLMANN et al. (2000, 64ff) nennen drei unterschiedliche Möglichkeiten der Energiebereitstellung, die je nach Art der geforderten Leistung im Vordergrund stehen: Die aerobe, die anaerob-alaktazide und die anaerob-laktazide Energiebereitstellung. Energie kann durch Energiespeicher der Muskelzelle schnell und für Sekunden in relativ großer Menge direkt bereitgestellt werden. Über den Zerfall der energiereichen Phosphate Adenosintriphosphat (ATP) und Kreatinphosphat (KP) erfolgt die Energiebereitstellung im arbeitenden Muskel. Der Vorrat der beiden Coenzyme ist in der Skelettmuskelzelle allerdings begrenzt, so dass eine kontinuierliche Resynthese der Substanzen stattfinden muss (vgl. demarées et al. 1990, 75f). Der Bestand der energiereichen Phosphate kann unter Anwesenheit von Sauerstoff durch die Oxidation von Kohlenhydraten und Fetten wieder ergänzt werden. Bei sehr hohen intensiven Belastungen und zu Beginn einer sportlichen Belastung mit höherer Intensität ist aufgrund einer unzureichenden Sauerstoffversorgung die aerobe Energiebereitstellung nicht mehr möglich, d.h. es muss anaerob über die Glykolyse durch den Abbau von Glukose bzw. Glykogen Energie gewonnen werden. Die alaktazide Energiequelle kann nur indirekt ermittelt werden (KEUL et al. 1978, 22). Übersteigt der aktuelle Energiebedarf die Resynthese von ATP bzw. Kreatinphosphat, so muss der Differenzbetrag durch Laktatbildung energetisch gedeckt werden. Hierfür steht dem Organismus die Glykolyse zur Verfügung. Bei Sauerstoffmangel wird das in der Glykolyse gebildete Pyruvat durch Übernahme eines Wasserstoffatoms aus dem NADH zu Laktat reduziert (vgl. HOLLMANN et al. 2000, 62). Das Hauptmerkmal der anaeroben Oxidation der Glukose ist die Bildung von Laktat (demarées et al. 1990, 81). Die anaerobe Energieproduktion und damit die Beurteilung der lokalen Muskelausdauer kann mit Einschränkungen festgelegt und bewertet werden (KEUL et al. 1978, 22). Die Übergänge zwischen diesen drei formal gegliederten Bereichen geschieht fließend. Es wurde ein aerob-anaerober Übergangsbereich festgelegt, um Aussagen zur Leistungsfähigkeit von Sportlern machen zu können. 4 Im Folgenden immer: biologische Leistung = Energieumsatz pro Zeiteinheit.

14 Leistungsdiagnostik 9 Unterhalb einer Laktatkonzentration von 2 mmol l -1 wird die Leistung wohl überwiegend aerob durchgeführt. Oberhalb dieser Laktatkonzentration (bis ca. 4 mmol l -1 ) befindet sich der aerob-anaerobe Übergangsbereich, bei dem immer mehr Muskelgruppen beginnen, anaerob zu arbeiten. Oberhalb der Laktatkonzentration von ca. 4 mmol l -1 (im arteriellen Blut gemessen), stellt sich offenbar kein Gleichgewicht mehr zwischen Laktatproduktion und Utilisation ein, wobei individuell der Wert geringfügig nach unten oder oben differieren kann (vgl. STEGEMANN 1991, 269). Nach Überschreiten des aerob-anaeroben Übergangsbereichs von 4 mmol l -1 setzt bei weiterer Belastungssteigerung eine rasche Zunahme des anaeroben Stoffwechsels und somit eine enorme Übersäuerung - Acidose - ein, die wiederum lokal das Erliegen der glykolytischen Stoffwechselprozesse durch eine Enzymhemmung bewirkt und damit zu einer starken Muskelermüdung führt (vgl. ebd.). Je intensiver die Belastung ist, umso größere Laktatanstiege sind zu verzeichnen. Denn ein großer Teil der benötigten Energie wird dann über die Glykolyse bereitgestellt. Die Laktathöchstwerte werden bei erschöpfender Arbeit in den ersten 2-3 Minuten nach Arbeitsende erreicht. Wirkungsgrad Unter dem Wirkungsgrad bei Energieumwandlung ist das Verhältnis der abgegebenen Leistung (Arbeit) zur zugeführten Leistung (Arbeit) zu verstehen. Leistet ein Organismus Arbeit (Leistung), muss er dabei eine Energieform in eine andere umsetzen. Bei jeder Umwandlung einer Energieform in eine andere geht je nach Art der Umwandlung ein Teil der Energie verloren, z.b. wird durch Reibung Wärme erzeugt. η = P ab = Pzu à Ã:LUNXQJVJUDG P ab = Abgegebene Leistung = Nutz- oder effektive Leistung = zugeführte Leistung minus Verlustleistung P zu = Zugeführte Leistung = Antriebs-, Nenn- oder indizierte Leistung = P ab + P Verlust W ab = geleistete Arbeit = zugeführte Energie minus Verlustenergie W zu = zugeführte Arbeit = W ab + W Verlust W W ab zu Dabei ist zu beachten, dass der Wirkungsfaktor stets kleiner als eins ist. Der Wirkungsgrad biologischer Leistung wird von zahlreichen endogenen und exogenen Faktoren bestimmt (MELLEROWICZ 1979, 1 f).

15 Leistungsdiagnostik 10 Er wird häufig in Prozenten ausgedrückt: P η = P ab zu 100% Der Wirkungsgrad (in %) bei der Fahrradergometrie beträgt etwa 25%. Mit seiner Hilfe lässt sich auch die verbrauchte Kalorienmenge des Organismus nur für die erbrachte Leistung bestimmen. Von der biologischen Leistung selbst ist die Leistungsfähigkeit zu unterscheiden. Sie kann als die physische und psychische Fähigkeit eines Individuums definiert werden, eine von Umweltbedingungen stark beeinflusste, individuelle maximale Leistung (Grenzleistung unter gewöhnlichen Bedingungen) zu erreichen. Sie ist weitgehend abhängig von Kondition und Leistungswillen, durch die vorhandene Leistungsreserven mehr oder weniger mobilisiert werden können. Die gesamten Leistungsreserven können offenbar nur in bestimmten Notfallsituationen mobilisiert werden. Die unter gewöhnlichen Bedingungen bei starken bis stärkstem Willenseinsatz erreichbare Maximalleistung ist deshalb zu unterscheiden von der in Notfallsituationen erreichbaren Maximalleistung (MELLEROWICZ 1979, 2). 2.3 Ergometrie Werden standardisierte, wiederholbare und leicht zu messende Leistungen vollbracht, kann aus den begleitenden Veränderungen von Herz-Kreislaufgrößen mittels Ergometrie auf die Leistungsfähigkeit des Menschen geschlossen werden. Wörtlich übersetzt bedeutet Ergometrie Leistungsmessung. Die Leistung des Körpers wird bei der Ergometrie - im Gegensatz zu anderen Funktionsprüfungen - physikalisch exakt in den international gebräuchlichen Leistungsgrößen Nm s -1 (Newtonmeter Sekunde -1 ) bzw. Watt 5 gemessen (1 Joule s -1 = 1 Nm s -1 = 1 Watt ); die in der Regel dynamisch geleistete Arbeit wird in Joule bestimmt. Die so gemessene körperliche Leistung ist genau vergleichbar und reproduzierbar. Es müssen dafür allerdings gewisse Leistungsumsatzbedingungen eingehalten werden, die bei MELLEROWICZ (1979, 52-53) nachgelesen werden können. Durch eine ergometrische Belastungsprüfung sollen zum einen die Arbeitskapazität des Gesamtorganismus und zum anderen die Funktionsgrößen des kardio-pulmonalen Systems erfasst werden. 5 Veraltet ist die Einheit Kilopond (kp). 1 Watt 0,102 kp m s -1.

16 Leistungsdiagnostik 11 Die Indikationen einer Belastungsprüfung umfassen (vgl. ZAPFE 1979, 397): 1. Beurteilung der maximalen Brutto-Leistungsfähigkeit (Sport- und Arbeitsmedizin, Begutachtung u.a.). 2. Qualitative Diagnostik (Differenzierung von Ruhe- und Belastungsdyspnoe u.a.). 3. Qualitative Diagnostik einer Leistungseinschränkung und der begrenzenden Faktoren (Erkrankung der Atmungsorgane, Herz-, Kreislaufkrankheiten, funktionelle Störungen und Fehlsteuerungen) oder einer Leistungsentwicklung. 4. Überwachung und Kontrolle therapeutischer Maßnahmen (medikamentös, operativ, bewegungstherapeutisch). Es werden mechanisch und elektrisch gebremste Ergometer unterschieden. Dabei sind die mechanischen Ergometer drehzahlabhängig, wohingegen die elektrisch gebremsten auch drehzahlunabhängig arbeiten. Bei beiden Arten von Ergometern ist die Leistung das Produkt aus Bremskraft und Bremsweg in einer Sekunde. Die ergometrische Leistung wird in Form von Handkurbelarbeit im Stehen oder Fußkurbelarbeit im Sitzen oder im Liegen produziert. Bei diesen drei ergometrischen Leistungsformen kann die biologische Leistung, wie z. B. die Herzfrequenz und die maximale Sauerstoffaufnahme, bei gleicher physikalischer Leistung etwas differieren (vgl. HOLLMANN et al. 2000, 340ff). Die Unterschiede der biologischen Leistung bei gleicher physikalischer Leistung beruhen auf den gesetzmäßigen Beziehungen des Wirkungsgrades der Muskelarbeit bzw. der Ökonomie des Stoffwechsels zu Kontraktionsgeschwindigkeit und der Größe der isometrischen bzw. isotonischen Muskelarbeit und sind daher abhängig von Faktoren wie der Art der Kurbelarbeit, Kurbellänge, Kurbelhöhe, Größe der Schwungmasse, Raumtemperatur, u. a. (HOLLMANN et al. 1990, 396). Damit eine Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der ergometrischen Messergebnisse möglich ist, wurde von dem Forschungskomitee des ICSSPE 6 zur internationalen Standardisierung der Ergometrie 1966 Vorschläge zur Standardisierung der einzelnen Faktoren vereinbart (vgl. MELLEROWICZ 1979, 50). 2.4 Spiroergometrie Da die Leistungsfähigkeit von dem Wirkungsgrad abhängig ist, ist die Messung des Energieumsatzes notwendig, um diesen beurteilen zu können. Die Hauptenergiequelle der lebenden Zellen im menschlichen Körper ist die Oxidation von Substraten in den Mitochondrien, wozu Sauerstoff herangeführt und Kohlendioxid abtransportiert werden 6 ICSSPE = International Council of Sport Sciences and Physical Education.

17 Leistungsdiagnostik 12 müssen. Je mehr Energie durch aerobe Oxidation gewonnen wird, desto mehr Sauerstoff (O 2 ) wird verbraucht und Kohlendioxid (CO 2 ) gebildet. Wird durch körperliche Belastung der Sauerstoffbedarf vergrößert, passt sich der menschliche Organismus durch zahlreiche physiologische Regulationssysteme dem Sauerstoffbedarf der Zellen an, um das Gleichgewicht des inneren Milieus zu erhalten (vgl. VALENTIN 1952, 90). Dabei stellt das Blut-Kreislaufsystem die Verbindung von innerer und äußerer Atmung her. Die Spiroergometrie dient zur Überprüfung der Anpassungsfähigkeit des kardio-pulmonalen Systems auf körperliche Belastung. Diese Methode erlaubt dem Untersucher die Herz-, Kreislauf- und Atemfunktionsgrößen, vor, während und nach einer ergometrischen Belastung, reproduzierbar zu messen Grundlagen der Spiroergometrie Die Spiroergometrie ist in der Sportmedizin als internistisch-physiologische Beurteilungsbasis und in der Arbeitsmedizin zur Abschätzung der Leistungsbreite zu finden. Um die unter Belastung umgesetzte Energiemenge zu berechnen, muss der Sauerstoffverbrauch während der Belastung gemessen werden. Dabei sind drei verschiedene Verfahren zur Messung des Gasstoffwechsels unter Belastung möglich, die im Folgenden näher erläutert werden. Bei den Messgeräten der Spiroergometrie sind generell Geräte mit offenem und geschlossenem Gaskreislauf zu unterscheiden. Das erste Verfahren ist die Douglas-Sackmethode. Hier wird das Atemgas in einem Sack gesammelt, welches nach der Belastung bezüglich Volumen und Gaskonzentration untersucht wird. Diese Praktik gestattet nur eine Stichprobenregistrierung und bedarf eines sehr genauen physiologischen Labors. Besonders praktisch ist diese Methode außerhalb von Laboratorien, allerdings können die kinematischen Probleme nicht erfasst werden. Durch KNIPPING erfolgte 1929 die Verbindung eines speziell zur Registrierung während körperlicher Arbeit geschaffenen Spirografen mit einem - auch von ihm entwickelten - Drehkurbelergometer zur Spiroergometrie (HOLLMANN et al. 2000, 333ff). Es handelt sich hierbei um das geschlossene Spirografensystem. Die Luft wird aus einem zirkulierenden System ein- und wieder in dieses System ausgeatmet, wobei das Kohlendioxid der ausgeatmeten Luft absorbiert und der verbrauchte Sauerstoff meist von einer zweiten Spirometerglocke ersetzt wird. Der Vorteil bei diesem System liegt darin, dass der Sauerstoffanteil variabel gestaltet werden kann, was Untersuchungen unter Hypoxie ebenso wie unter Hyperoxie ermöglicht (vgl. ebd.).

18 Leistungsdiagnostik 13 Bei den offenen Systemen, die in gewisser Weise mit der Douglas-Sackmethode zu vergleichen sind, wird Außenluft eingeatmet, welche dann in ein Sammelgefäß ausgeatmet und anschließend hinsichtlich ihres Volumens und ihrer Gaskonzentration analysiert wird (vgl. ebd.). Der Unterschied zur Douglas-Sackmethode liegt in der Möglichkeit der Erfassung kurzfristiger Änderungen in der Sauerstoffaufnahme, da die Daten kontinuierlich erfasst werden (ebd.). Die Praktik der Douglas-Sackmethode gestattet nur eine Stichprobenregistrierung (vgl. ROST et al. 1982, 55f; STEGEMANN 1991, 328f). Das geschlossene System lässt die Messung von Atemzeitvolumen, Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe zu, ist aber auf Grund der besseren Atemgasanalyse durch das offene System weitgehend ersetzt worden, bei dem das Atemzeitvolumen durch einen Pneumotachographen, die Sauerstoffaufnahme über ein paramagnetisches Verfahren und die Kohlendioxidabgabe mit einem Ultrarot-Absorbtionssystem bestimmt wird. Mit Hilfe dieser ermittelten Größen können weiter zahlreiche pulmonale Parameter wie das Atemminutenvolumen, der respiratorische Quotient, das Atemäquivalent und unter Einbeziehung der Pulsfrequenz auch der Sauerstoffpuls abgeleitet werden (vgl. HOLLMANN et al. 2000, 343, KLINKE 1996, 220). Die Sauerstoffaufnahme ( V & O2 gemessen in l min -1 ) ist bei der physiologischen Bewertung durch Bezug zu anderen Parametern bzw. beim Vergleich unterschiedlicher Belastungsformen mit differierendem Wirkungsgrad von Bedeutung. Sie errechnet sich als Produkt aus dem Atemminutenvolumen, dem prozentualen Sauerstoffverbrauch und einem luftdruckabhängigen Faktor. Für eine bestimmte Belastungsstufe ist die Sauerstoffaufnahme für sich allein betrachtet unter physiologischen Bedingungen eine ergometrisch uninteressante Größe (vgl. ebd.). Von der Sauerstoffaufnahme wird die relative Sauerstoffaufnahme ( V & O2 (kg Körpermasse) -1 ) unterschieden. Die relative Sauerstoffaufnahme errechnet sich aus dem Quotienten der absoluten Sauerstoffaufnahme in Milliliter (ml) und dem Körpergewicht in Kilogramm (kg) des Probanden. Die maximale Sauerstoffaufnahme ( V & O2 max) ist Ausdruck der aeroben Kapazität und gilt damit als Bruttokriterium der kardio-pulmonalen und metabolischen Leistungsfähigkeit. Beim Erreichen der maximalen Leistungsfähigkeit unter aeroben Bedingungen erreichen mehrere, voneinander abhängige Funktionssysteme ihre Grenze harmonisch (vgl. ebd.). Die wichtigste Größe der maximalen Sauerstoffaufnahme ist das Herzzeitvolumen (HZV). Es setzt sich zusammen aus dem Herzschlagvolumen, der Blutmenge, die bei der Herzkontraktion ausgeworfen wird, der Herzgröße und der Herzfrequenz (MARTIN 1977, 131).

19 Leistungsdiagnostik 14 Weitere leistungsdeterminierende Faktoren für die maximale Sauerstoffaufnahme sind die Ventilation, das Diffusionsvermögen der Lunge für O 2, der totale Hämoglobingehalt und das Blutvolumen (vgl. ebd.). Die Lungenbelüftung (Ventilation) ist von der Tiefe des einzelnen Atemzugs (Atemzugvolumen) und von der Zahl der Atemzüge pro Zeiteinheit abhängig. Aus dem Produkt von Atemzugvolumen (VT) und Atemfrequenz (f) ergibt sich das Atemzeitvolumen (V & ) (vgl. HOLLMANN et al. 2000, 343). Als Atemäquivalent (AÄ) bezeichnet man das Verhältnis vom Atemminutenvolumen zur Sauerstoffaufnahme. Das AÄ (O 2 ) ist eine dimensionslose Zahl, die angibt, wie viel cm 3 Luft ventiliert werden muss, um einen cm 3 Sauerstoff aufzunehmen. Durch das AÄ kann man die Belastungssituation des Probanden einschätzen, so stellt das AÄ am Erschöpfungspunkt ein Kriterium für die Ausbelastung dar. Die CO 2 -Bildung entsteht durch den Abbau der energieliefernden Substrate Kohlenhydrat, Fette und Eiweiß in Gegenwart von Sauerstoff. Die Messung der CO 2 -Abgabe ( V & CO2 ) hat ihre Bedeutung vor allem in der korrelativen Betrachtung zur O 2 -Aufnahme. Das Verhältnis von Kohlensäureabgabe zu Sauerstoffaufnahme wird durch den respiratorischen Quotienten (RQ) ausgedrückt. Dieser Parameter liefert einen guten Messwert für die Ausbelastungssituation des Probanden. Das Ansteigen des RQ auf den Wert 1 erweist sich hierbei als brauchbares Kriterium für eine bestimmte körperliche Grenzleistung. Die Schnelligkeit des Anstiegs ist abhängig von der Größe der Leistung, vom Alter, vom Geschlecht und vom Trainingszustand des Probanden (MELLEROWICZ 1979, 265f). Durch das kalorische Äquivalent (KÄ) ist es weiterhin möglich, den oxidativen Energieumsatz fortlaufend mittels der Bestimmung der pulmonalen Sauerstoffaufnahme zu ermitteln. Das kalorische Äquivalent ist der Quotient aus der beim Verbrennungsprozess freiwerdenden Energie (J) und der verbrauchten Liter O 2. Je nach Brennwert des verwendeten Nährstoffs ändert sich das kalorische Äquivalent. Unter Sauerstoffpuls versteht man diejenige Menge Sauerstoff, die in der Zeit einer ganzen Herzaktion (Systole und Diastole) aufgenommen wird. Er wird berechnet aus dem Quotienten der Sauerstoffaufnahme und der Herzschlagfrequenz. Der Sauerstoffpuls ist demnach die Messgröße des Schlagvolumens des Herzens. Unter körperlicher Belastung steigt der O 2 -Puls zunächst deutlich an und flacht mit zunehmender Anstrengung ab. Da in der Spiroergometrie die biologische Leistung für die Beurteilung des Probanden von besonderem Interesse ist, sollte die Höhe der Belastung primär mit dem jeweiligen O 2 - Verbrauch angegeben, und die physikalische Leistung in Watt lediglich zur Plausibilitätskontrolle hinzugefügt werden.

20 Leistungsdiagnostik 15 Eine wesentliche Ergänzung zur Beurteilung der körperlichen Leistungsfähigkeit stellt neben der Messung der Sauerstoffaufnahme die Bestimmung der Laktatkonzentration bei Belastung dar. Die laktatorientierte Leistungsdiagnostik setzt die Konzentration des Laktats im Kapillarblut als Indikator für die Inanspruchnahme der anaeroben Glykolyse ein. Aus der Relation von Laktatkonzentration und Belastungsprotokoll können Rückschlüsse auf die körperliche Leistungsfähigkeit gezogen werden. Für die Trainingssteuerung ist dieses Verfahren von großer Relevanz (vgl. PESSENHOFER et al. 1994, 153) Energieumsatzberechnung Die biologisch nutzbare Energie stammt aus der biologischen Oxidation der Nährstoffe. Die anaerobe Energiebereitstellung wirkt wie ein Speicher, der die benötigte Energie kurzfristig bereitstellt und dann wieder aufgefüllt wird. Um den Energieumsatz im Körper genau zu messen, wäre es nötig, die gesamte Wärmeproduktion des Körpers zu bestimmen (direkte Kalorimetrie). Da dieses Verfahren sich technisch schwierig gestaltet, misst man gewöhnlich den Sauerstoffverbrauch und leitet bei bekannter Oxidationsstöchiometrie 7 davon die Menge des chemischen Energieumsatzes ab (indirekte Kalorimetrie). Bei der Verbrennung von Glucose werden pro Liter Sauerstoff 20,7 kj an Energie umgesetzt. Dieser Wert wird - wie schon erwähnt - kalorisches Äquivalent genannt. Für typische Nahrungsfette und -proteine beträgt es 19,6 bzw. 19,3 kj/l Sauerstoff. Da die Menge (mol) des produzierten CO 2 und des verbrauchten O 2 nach der Stöchiometrie der jeweiligen chemischen Reaktionen unterschiedlich sind, kann der respiratorische Quotient darüber informieren, welche energieliefernden Substrate gerade oxidiert werden. Der RQ beträgt durchschnittlich etwa 0,82 und das mittlere kalorische Äquivalent rund 20 kj/l O 2 (oder 448 kj/mol O 2 ) (vgl. KLINKE 1996, 362). Der Energieumsatz gibt die energetische Belastung des Organismus bei einer geforderten Arbeit wieder. Ausgehend vom Ruheumsatz, der vor der Arbeit ermittelt wird, ergibt sich der Arbeitsumsatz aus der Differenz zwischen dem Gesamtenergieumsatz bei Arbeit und dem Ruheumsatz. Der Arbeitsumsatz stellt somit den effektiven Energieumsatz in Bezug auf die geleistete Arbeit dar. 7 Stöchiometrie = Zweig der Chemie: die Ermittlung von Atom- und Molekulargewichten, das Aufstellen chemischer Formeln, die rechnerische Erfassung von Reaktionen und ihren Gewichtsverhältnissen.

21 Leistungsdiagnostik 16 Für eine individuelle Beurteilung der Arbeitsfähigkeit sind Alter, Geschlecht, Körperlänge und Gewicht zu berücksichtigen. Darüber hinaus ist das kalorische Äquivalent keine konstante Größe und die Bestimmung nicht exakt möglich. Der Energieumsatz findet während ergometrischer Belastung nur noch vereinzelt Berücksichtigung, hauptsächlich wird die Sauerstoffaufnahme untersucht (vgl. ebd.). Nach den Grundlagen der Thermodynamik gilt: Abbildung 1: Grundlagen der Thermodynamik. Wärmeenergie Sauerstoff mech. Leistung Input Organismus Output Nahrung Stoffwechselprozesse CO Diverse Belastungs- und Messverfahren Zur Beurteilung der allgemeinen körperlichen Leistungsfähigkeit sind verschiedene Testmethoden entwickelt worden, die in Regulations- und Leistungsprüfungen eingeteilt werden. Während mit der ersten die Herz-Kreislaufregulation geprüft wird, gibt eine Leistungsprüfung Einblick in die Belastbarkeit des kardio-pulmonalen Systems. Für KEUL et al. (1978, 22) bieten jene Belastungen die besten leistungsdiagnostischen Möglichkeiten, bei denen der Energieumsatz relativ einfach gemessen werden kann. Generell sind positiv dynamische Belastungen zu fordern. Die folgende Abbildung zeigt die häufig angewandten sowie spezielle Tests.

22 Leistungsdiagnostik 17 Abbildung 2: Häufig angewandte Belastungsverfahren bei Patienten und Sportlern (modelliert nach: Kindermann, W. 1987, 246). Fahrradergometrie Laufbandergometrie Kniebeugebelastung Belastungsverfahren Spezielle Ergometrie: z.b. Ruderergometrie Kanuergometrie Kletterstufe Master-Steptest Harvard-Steptest Handkurbelergometrie Wie oben schon erwähnt, müssen die Prüfverfahren die Hauptgütekriterien Objektivität, Validität und Reliabilität erfüllen. Die Kniebeugebelastung erfüllt die Kriterien nicht und ist von daher heute als veraltet anzusehen, da die Kniebeugen nicht standardisiert und reproduzierbar sind. Die erbrachte Leistung liegt zwischen 75 und 150 Watt; damit stellt der Kniebeugetest keinen physikalisch exakt definierten Leistungstest dar. Ist der Kniebeugetest mit einem EKG verbunden, so ist der Test immer ein Nachbelastungs-EKG. Die entscheidenden physiologischen Adaptationen, die während der Belastung stattfinden, werden durch den Kniebeugetest jedoch nicht erfasst (vgl. HOLLMANN et al. 2000, 338). Die Stufentests oder auch Steptests erfüllen zwar die Kriterien, und der apparative Aufwand ist gering, jedoch sind die entscheidenden Nachteile die eingeschränkte Qualität des Belastungs-EKG und die fehlende Möglichkeit zur Messung des Belastungsblutdruckes (vgl. KINDERMANN 1987, 246). Beim Steptest ergibt sich die errechnete Leistung wie folgt (vgl. KLINKE 1996, 512): Hubleistung = Körpermasse (kg) g (m s -2 ) Höhe pro Zeiteinheit (m s -1 ) Nach HOLLMANN et al. (2000, 338) ist der Wirkungsgrad bei dieser Art von Leistungen niedriger als bei vergleichbaren Leistungen am Fahrradergometer, da ein Unterschied in dem Verhältnis Energieumsatz zu erbrachter mechanischer Leistung besteht. Der Master-Steptest, der Harvard-Steptest u.a. sind weitere Steptest-Verfahren, auf die hier nicht näher eingegangen wird (vgl. ebd.).

23 Leistungsdiagnostik 18 Die Handkurbelergometrie wird heute in der sportmedizinischen Leistungsdiagnostik nur dann in dieser Form durchgeführt, wenn keine Beinarbeit möglich ist, etwa bei gehbehinderten Patienten oder bei Beinamputierten. Nach HOLLMANN et al. (2000, 341) spielte zu Beginn der Ergometrie die Handkurbelergometrie eine große Rolle, heute allerdings ist sie in der Praxis weitgehend zurückgetreten. Das liegt unter anderem daran, dass die muskuläre Ausbelastung bei der Armkurbelarbeit bei weitem nicht so groß ist wie bei der Fahrradergometrie. Somit können die maximalen kardio-pulmonalen Leistungsreserven schlechter ermittelt werden. Für Sportler, die überwiegend mit den Armen arbeiten, ist diese Art der Belastung der Fahrradergometrie vorzuziehen, auch wenn sie eher eine Art Kompromiss darstellt, da sie weniger sportartspezifisch ist (vgl. ebd.). Die Laufbandergometrie wird in den Vereinigten Staaten bevorzugt im Rahmen der klinischen Diagnostik als Stresstest eingesetzt (vgl. KINDERMANN 1987, 246). Bei uns findet die Laufbandergometrie fast ausschließlich in der sportmedizinischen Leistungsdiagnostik Anwendung. Die Vorteile dieser Belastungsform liegen in der maximal möglichen Ausbelastung auf Grund geringerer lokaler Muskelermüdung. Außerdem ist es die natürlichere Belastungsform, da sie eher den Alltagsbedingungen entspricht. Die Nachteile sind mögliche Koordinationsschwierigkeiten, der große Raumbedarf und die hohen Anschaffungskosten (vgl. HOLLMANN et al. 2000, 339). Bei der Laufbandergometrie bewegt sich die Versuchsperson gegen die Bewegungsrichtung des Laufbandes und richtet die Laufgeschwindigkeit möglichst so ein, dass sie auf der Stelle bleibt. Leistung = Körpermasse (kg) g (m s -2 ) Laufstrecke (m) siq ÃSURÃ=HLWHLQKHLWÃV -1 ) Es ist durch die Veränderung der Geschwindigkeit und/oder des Neigungswinkels möglich, die Belastungsintensitäten zu variieren. In der sportmedizinischen Leistungsdiagnostik wird bundeseinheitlich mit einer Belastungssteigerung von jeweils 0,5 m s -1 bei einer Stufendauer von jeweils 3 Minuten, beginnend je nach Sportart zwischen 2,5 und 3,5 m s -1, belastet (vgl. KINDERMANN 1987, 254). Die Fahrradergometrie ist neben der Laufbandergometrie in Mitteleuropa die gebräuchlichste und wichtigste Belastungsform. Hier sind exakte Dosierbarkeit und Reproduzierbarkeit gegeben. Die Arbeit wird hier gegen einen Widerstand verrichtet, der mechanisch oder elektrisch dosiert werden kann. Die mechanische Leistung ergibt sich aus der Umdrehungszahl und der überwundenen Bremskraft; sie wird in Watt angegeben.

24 Leistungsdiagnostik 19 Während die Leistung bei mechanisch gebremsten Fahrradergometern immer drehzahlabhängig ist - das heißt, dass eine bestimmte Tretfrequenz für eine konstante physikalische Leistung 8 eingehalten werden muss -, gibt es auch elektromagnetisch gebremste Geräte, die zumindest in einem gewissen Toleranzbereich drehzahlunabhängig sind. Die mechanische Leistung wird auch dann eingehalten, wenn der Proband von der vorgegebenen Drehzahl abweicht. Es ist zu bedenken, dass sich mit der Drehzahl der Wirkungsgrad und damit die biologische Leistung verändert, so dass aus diesem Grunde trotzdem eine bestimmte Drehzahl eingehalten werden sollte. Die ökonomisch günstigsten Umdrehungen liegen bei Umdrehungen min -1 (HOLLMANN et al. 2000, 341f). Das Fahrradergometer ermöglicht eine zuverlässige EKG-Registrierung und Blutdruckmessung während der Belastung, da der Oberkörper relativ fixiert ist. Dazu ist die Möglichkeit zur Durchführung von Blutentnahmen und invasiven Untersuchungen während der Belastung gegeben. Als Nachteil stellt sich jedoch eine Limitierung in der peripheren Muskulatur heraus, so dass nicht immer eine ausreichende kardio-pulmonale Ausbelastung möglich ist (vgl. KINDERMANN 1987, 246). Da die Ergometerbelastung den Bewegungsablauf möglichst sportartspezifisch und -treu wiedergeben sollte, hat es in der letzten Zeit apparative Entwicklungen gegeben, wie das Skilaufbandergometer im Untersuchungszentrum Erlangen des DSV 9. Bei diesem Verfahren laufen neben dem Laufband Rollen und schmale Bänder für den Stockeinsatz her. Entwicklungen von Ruderer- und Kanuergometer folgten (vgl. HOLLMANN 2000, 341). Der Nachteil bei sportartspezifischen Tests ist die eingeschränkte Möglichkeit, eine exakte Leistung vorzugeben Bestimmung der körperlichen Leistungsfähigkeit Beim Fahrradergometer kann die ergometrische Leistung sowohl durch die Erhöhung der Bremskraft als auch durch die Erhöhung der Umdrehungszahl gesteigert werden. Wird die Umdrehungszahl nicht genau eingehalten, ist mit einem falschen Messergebnis zu rechnen, da die biologische Leistung eine andere ist. Sie ist von den angewendeten Leistungs- und Steigerungsstufen abhängig, deshalb wurden verschiedene ergometrische Testverfahren entwickelt. Von diesen Testverfahren hat sich die Bestimmung der Physical Working Capacity 170 (PWC 170 ) als besonders zuverlässig erwiesen (vgl. FRANZ 1982, 4). 8 Physikalische Leistung ist in diesem Zusammenhang gleichbedeutend mit mechanischer Leistung. 9 DSV = Deutscher -Ski-Verband

25 Leistungsdiagnostik 20 Da die PWC in späteren Untersuchungen Erwähnung findet, soll sie hier näher erläutert werden. Die PWC 170 wurde 1948 von WAHLUND eingeführt, die Arbeit wurde auf einem KROGH Fahrradergometer bei 60 Umdrehungen pro Minute verrichtet. The test consisted of an uninterrupted series of work-loads beginning with 300 or 600 kgm/min, and increasing at approximately every 6½ minutes by 300 kg-m/min, until the subject could not go on any longer, or until the work at 1200 kg-m/min was accomplished. Some subjects were also tested at higher rates (1500, 1800 etc. kg-m/min) (WAHLUND 1948, 23). Die Messung der Herzfrequenz fand zu Beginn der 3., 5. und 7. Minute jeder Stufe für 30 Sekunden statt. Mit Hilfe der Douglas-Sackmethode wurde die Lungenventilation und der Sauerstoffverbrauch für 2½ Minuten ab der 4. Minute jeder Stufe gemessen. Die Respiratiosrate bestimmte man kurz vor Beginn der 5. Minute für eine Minute (vgl. ebd.). Graphisch sollte dann die PWC 170 mit Hilfe der gemessenen Herzschlagfrequenzen durch Extrapolation bestimmt werden. Man wollte wissen, wie viel Watt ein Proband bei einer Herzfrequenz von 170 min -1 leistet oder leisten würde. FRANZ (1982, 4f) modifizierte die Methode von WAHLUND, indem er aus Zeitgründen bei der ersten Methode Steigerungsstufen von 10 Watt min -1 wählte, wobei die Anfangswattzahl etwa dem Körpergewicht in Kilogramm entsprach. Die Anfangsleistung der nächsten Methode betrug immer 75 Watt, FRANZ wählte Steigerungsstufen von 25 Watt/2 min. Steigerungsstufen von 1 Watt/kg Körpergewicht/3 min nutzte er bei der dritten Methode. Die Anfangsleistung war 1 Watt/kg Körpergewicht über 3 Minuten, die Leistung in weiteren 3 Minuten betrug 2 Watt/kg Körpergewicht. Die mit diesen Methoden erbrachten Ergebnisse waren nahezu identisch, so dass davon ausgegangen werden konnte, dass auch diese Methodik bei gesunden Probanden eine objektive und reproduzierbare Maßangabe für die kardio-pulmo-korporale Leistungsbreite darstellt (vgl. ebd.). Inzwischen gibt es verschiedene Testschemata für fahrradergometrische Untersuchungen in der Literatur. ROST et al. (1982, 38-41) haben diese verschiedenen Schemata kurz zusammengefasst. Welcher Test letztendlich angewandt wird, hängt von der jeweiligen Fragestellung ab. MELLEROWICZ (1983, 253) behauptet, dass die PWC 170 für biologisch ältere Menschen (kalendarisch > 40 Jahre) eine noch zutreffende, jedoch theoretische Größe ist, da mit zunehmenden Alter die maximalen Pulsfrequenzen pro Dekade um ÃÃ+HU]VFKOlJHÂPLQ -1 abnehmen. Die PWC 150 würde deshalb bei einem 50jährigen messbarer Ausdruck seiner realisierbaren kardio-korporalen Leistungsbreite sein.