Blutdruckverhalten beim Tauchen

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1 Aus der Abteilung Sportmedizin (Prof. Dr. med. Dr. rer. nat. A. Niklas) im Zentrum für Anästhesiologie, Rettungs- und Intensivmedizin der Medizinischen Fakultät der Universität Göttingen Blutdruckverhalten beim Tauchen INAUGURAL-DISSERTATION Zur Erlangung des Doktorgrades der Medizinischen Fakultät der Georg-August-Universität zu Göttingen vorgelegt von Friedrich Witten aus Wolfsburg Göttingen 2000

2 1. EINLEITUNG Wissenschaftlicher Hintergrund Studienziel Studiendesign, Zielparameter Fragestellung Ethische und rechtliche Grundlagen Ethikkommission 10 2 MATERIAL UND METHODEN Probanden Alter, Größe und Gewicht Blutdruck Methoden Spiroergometrie an Land (im folgenden trocken genannt) Spiroergometrie im Wasser (im folgenden nass genannt) Blutdruckmessung im Freitauchgang (im folgenden TG genannt) Signifikanzen, Gerätefehler Vorsichtsmaßnahmen Medizinischer Teil Gerätesicherheit, TÜV 17 3 ERGEBNISSE Ergebnisse der einzelnen Versuchsreihen Spiroergometrie trocken Spiroergometrie nass Freitauchgang Vergleich des Herz-Kreislaufverhaltens Wasser / Land Nettoleistungsfähigkeit Wasser-Land. Energiebilanz Blutdruckverhalten Wasser-Land Herzfrequenzverhalten Wasser-Land Ergometrie als pradilektiver Parameter für RR-Verhalten im Wasser Wirkung erhöhter Tempoabforderung auf den Blutdruck beim Tauchgang Fehlerrechnung 34 4 DISKUSSION 36 4 DISKUSSION Diskussion der Methode Die Spiroergometrie trocken Die Spiroergometrie nass Tauchgänge Diskussion der Ergebnisse Herzfrequenz Blutdruck 40 1

3 4.2.3 Leerlaufbelastung Tauchgang Temperatur Maximale Sauerstoffaufnahme Wirkungsgrad Ziel der Arbeit 43 5 ZUSAMMENFASSUNG / ABSTRACT 45 6 LITERATURHINWEISE 46 7 ANHANG 54 2

4 1. Einleitung 1.1 Wissenschaftlicher Hintergrund Beim Tauchen unterliegt der menschliche Körper verschiedenen physikalischen und psychischen Einflüssen, die sich von denen über Wasser wesentlich unterscheiden. Die Immersion führt durch den Auftrieb über eine venöse Blutvolumenverschiebung in den Thoraxraum und ein hierdurch erhöhtes Preload zu einem erhöhten Herzschlagvolumen (VON NIEDING, 1983). Enge Neoprenanzüge unterstützen diesen Effekt. Der durch Eintauchen des Gesichts in kaltes Wasser ausgelöste Tauchreflex soll eine Bradykardie bewirken, eine periphere arterielle Konstriktion und eine Katecholaminausschüttung (DALY 1972, ANGELL JAMES und DALY 1972). Die Vasokonstriktion nimmt bei Auskühlung zu. Eine neuere Studie von SCHIPKE et al stellt jedoch die grundsätzliche Auslösbarkeit bei jedem menschlichen Individuum in Frage. Durch die erhöhte Dichte des Atemgases ist mit zunehmender Tiefe die Atemarbeit erschwert und der Atemgrenzwert und damit die Leistung eingeschränkt (DWYER et al. 1977, MORRISON und BUTT 1972, MILLER et al. 1972, WRIGHT et al. 1972). Dazu kommt die psychische Belastung durch Faktoren wie Kälte und schlechte Sicht. Neben anderen Parametern maßen WEICKER et al. (1987) Herzfrequenz und Blutdruck vor und nach Flossenschwimmbelastung und Tauchen mit Presslufttauchgerät (PTG). Sie fanden nach Tauchen wesentlich höhere RR-Werte als nach Flossenschwimmen und führen dies auf den stärkeren Anstieg von Renin, Angiotensin, Aldosteron und ADH zurück. Der Verdacht, daß bei Schwimmern und Tauchern häufiger als bei der Normalbevölkerung eine Hypertonie bestehen oder entstehen könnte, ist mehrfach geäußert worden (WEIß und WEICKER 1985, DLIN et al. 1983, LEHMANN und KEUL 1984). Nach KINDWALL (1993) wird Bluthochdruck häufig bei Druckluftarbeitern gesehen. Ein belastungsbedingt erhöhter Blutdruck stellt zwar an sich noch keine Gefahr dar (LÖLLGEN 1990), kann aber durch thorakales Druckgefühl oder Palpitationen das Auftreten einer beim Tauchen folgenschweren Panik begünstigen. Blutdruckanstiege bedingen einen deutlich erhöhten myokardialen O 2 -Bedarf (HEGGLIN 1975, FRANZ 1982). Falls bei gleicher körperlicher Belastung der Blutdruck im Wasser nennenswert höher wäre, könnte eine bisher okkulte KHK beim Tauchgang zur Angina pectoris oder gar zum Herzinfarkt führen. 3

5 Nach WILMSHURST (1994) besteht bei Bluthochdruck ein erhöhtes Risiko eines tauchbedingten Lungenödems durch Linksherzüberlastung, dies besonders bei zusätzlicher peripherer Vasokonstriktion durch Kälte. WILMSHURST et al. fanden 1989 in einer prospektiven Studie über acht Jahre bei normotensiven Sportlern, die beim Tauchen oder Schwimmen ein Lungenödem erlitten hatten, überzufällig häufig die spätere Entwicklung einer Hypertonie. Die Gesellschaft für Tauch-und Überdruckmedizin (GTÜM) nennt in ihrem Formular für Tauchtauglichkeitsuntersuchungen für den Ruheblutdruck einen Grenzwert von 160/100 mmhg. Die Royal Navy schließt Anfänger mit Werten über 140/90 mmhg aus, für Erfahrene soll 150/95 mmhg gelten, falls keine Organschäden bestehen (GREEN und LEITCH 1986). Die Tauchtauglichkeitsuntersuchung für Berufstaucher nach berufsgenossenschaftlichen Grundsätzen und für Sporttaucher nach Richtlinien GTÜM (WELSLAU 1997) verlangt eine Ergometrie. Im Untersuchungsbogen der Gesellschaft wird für Sporttaucher als Grenzwert 160/100 mmhg in Ruhe angegeben. Es ist jedoch nicht erwiesen ob solche Probanden sicher erkannt werden, die im Wasser eine exzessive Hypertonie entwickeln. Beispielsweise sind nach KOZARISZCZUK et al. (1980) bei bestehender KHK Herzrhythmusstörungen durch Immersion anhand eines Belastungs-EKGs nicht vorhersehbar. Und nach STEINBACH et al. (1985) erlaubt die Fahrradergometrie bei Schwimmern und Schwimmerinnen keine zuverlässige Beurteilung der sportartspezifischen Leistungsfähigkeit. Die Abhängigkeit der sportartspezifischen Leistungsfähigkeit vom Trainingszustand demonstrierten 1972 eindrucksvoll HOLMÉR und ÅSTRAND anhand eines Zwillingsversuches mit einer leistungsschwimmenden und einer sportlich nicht mehr aktiver Schwester: Sie fanden gleiche maximale Sauerstoffaufnahme bei Fahrradergometrie und Laufen aber deutliche Unterschiede beim Schwimmen zugunsten der trainierten Schwester. Nun ist Tauchen an sich für die Leistungsmessung ungeeignet (BAUMGARTL 1987), da sowohl beim Berufs- wie auch beim üblichen Sporttauchen keine zyklischen Bewegungen ausgeübt werden. Die mechanischen Leistung ist nicht ohne weiteres messbar, auch die Gewinnung kardiopulmonaler und metabolischer Parameter ist im Medium Wasser erschwert. Die vorhandenen Studien zu diesem Themenkomplex verwenden sehr verschiedene Belastungsformen und konzentrieren sich auf Atemgasanalyse, Herzfrequenz und Laktat vor und nach Belastung. Eine Studie von BACHMANN et al mit intraarterieller, telemetrischer Blutdruckmessung bei verschiedenen Tätigkeiten ist die einzige in der verfügbaren Literatur, die überhaupt eine Blutdruckmessung beim Tauchen erwähnt: Es handelt sich um einen Schwimmer, der während des Tests auch zweimal abgetaucht ist. Der Drucksensor befand 4

6 sich dabei vermutlich weiter über der Wasseroberfläche, so daß der Blutdruck absolut also einschließlich des Wasserdruckes- und nicht relativ gemessen wurde. Der Messwert 250/170 mmhg ist daher nicht verwunderlich, zumal eine Tiefenangabe fehlt. Ein Meter Wassersäule entspricht 76 mmhg Fehlmessung. GOODEN (1972) verglich die kardiovaskuläre Antwort eines Probanden in Ruhe auf Apnoe plus Immersion ausschließlich und einschließlich des Gesichts. Mit Immersion des Gesichts gingen Herzfrequenz und Unterarmblutfluß stärker zurück als ohne und der arterielle Mitteldruck stieg von 90 mmhg auf 120 mmhg an, während er ohne Gesichtsimmersion unverändert blieb. Weitere Untersuchungen zum Blutdruckverhalten auch während Belastung unter Laborbedingungen mit Submersion und im realen Tauchgang liegen bisher in der Weltliteratur meines Wissens nicht vor. Mehrere Studien belegen die signifikant niedrigere Herzfrequenz und maximale Sauerstoffaufnahme beim Schwimmen im Vergleich zum Radfahren (HOLMÈR 1972) oder im Vergleich zum Laufen (McARDLE et al.1971, MAGEL 1971, MAGEL et al.1967, MAGEL et al.1969). COSTILL (1971) fand bei der Immersion von Probanden bis zum Kinn (head out of water immersion) in verschiedenen Positionen unter Belastung mittels eines mechanischen Tretkurbelergometers die gleiche maximale O 2 -Aufnahme wie an Land, jedoch den1,5-fachen O 2 -Bedarf für eine definierte Leistung. ARBORELIUS et al.(1972) beobachteten bei head-out-immersion ein um 32% erhöhtes Herzminutenvolumen, um 35% erhöhtes Schlagvolumen bei nahezu unveränderter Herzfrequenz und einen Blutdruckanstieg systolisch von 114 auf 128 mmhg und diastolisch von 86 auf 98 mmhg unter Luftatmung. Bei reiner Sauerstoffatmung fiel der Anstieg etwas geringer aus. SIMON et al. beschrieben 1983 eine Schwimmergometrie, bei der der Proband eine durch einen am Beckenboden wandernden Lichtpunkt vorgegebene Geschwindigkeit einhalten soll. Es wurden Herzfrequenz und Laktat bestimmt verglichen SIMON und THIESMANN Herzfrequenz und Laktat bei stufenweise bis maximal ansteigender Fahrrad- und Schwimmbelastung und stellten fest, daß bei grundsätzlich ähnlichem Verhalten beider Größen...im Schwimmen geringere Herzfrequenzen und Laktatkonzentrationen erreicht werden. Mithilfe dieser Methode verglichen BRÄUER et al Laktatwerte in Bezug auf Herzfrequenz bei Fahrrad- und Laufbandergometrie und beim Streckentauchen im Trockenanzug mit Presslufttauchgerät (PTG) in ansteigendem Tempo. Die Übereinstimmung der Tauchbelastung mit der Laufbandergometrie war recht gut, zur Fahrradergometrie ergaben sich deutliche Differenzen. 5

7 Die Autoren schließen, daß speziell die Fahrradergometrie keine Prognose der Leistung beim Tauchen erlaubt. NIKLAS und PETER (1993) maßen die Flossenschwimmleistung von Berufstauchern im Strömungskanal (ÅSTRAND und ENGLESSON 1972) nach dem Prinzip der Zusatzkraftbeaufschlagung. Dabei wurde ein Wirkungsgrad von 5% (gegenüber 25% bei der Fahrradergometrie) ermittelt. Die Armleistungsfähigkeit wurde mit Seilzugergometer bestimmt und angenommen, daß der Wirkungsgrad in etwa dem Flossenschwimmen entspricht (siehe Tabelle 4 im Abschnitt 4.2.7). Den Gasaustausch beim Unterwasserschwimmen im Strömungskanal untersuchten GOFF et al. schon 1957 mit Hilfe eines 1 / 8 -Zoll-Schlauches vom Mundstück des SCUBA (=Self- Contained-Underwater-Breathing-Apparatus)-Tauchers zur Wasseroberfläche. Sie fanden SCUBA-Tauchen höchst ineffizient und abhängig von Schwimmlage und Technik. Der Wirkungsgrad lag -auch geschwindigkeitsabhängig- zwischen 1,2 und 5,6% fanden DONALD und DAVIDSON eine hohe O2-Aufnahme von Schwimmtauchern (VO 2 max 3,6 l/min) im Vergleich zu Helmtauchern (VO 2 max 2,35 l/min) mit Bleischuhen bei verschiedenartigen unstandardisierten Belastungen. KRASTEV et al. benutzten 1964 für Freitauchgänge das Douglas-Haldane-Verfahren, indem der Taucher in regelmäßigen Abständen Ballons mit Expirationsluft zur Oberfläche aufsteigen ließ. Der Sauerstoffaufnahme beim Gerätetauchen lag nach ihren Angaben bei 1,66 l/min und sei damit vergleichbar mit anderen anstrengenden Sportarten. Die Sauerstoffausnutzung war in hohem Maße durch die Atemtechnik beeinflussbar. Kardiale Parameter wurden nicht gemessen. FOLEY et al. stellten 1967 einen Vakuumtank vor, in den während des Tauchganges von jeder Exspiration eine Probe asserviert wurde. Bei verschiedenen Probanden und Geschwindigkeiten zwischen 1,5 km/h und maximal möglicher Geschwindigkeit wurden Sauerstoffaufnahmen von 0,97 bis 2,94 l/min mit deutlicher Geschwindigkeitsabhängigkeit gemessen. RUSSELL et al.(1972) führten mit dieser Ausrüstung Tauchgänge mit vorgegebener Geschwindigkeit in 0-20 Meter Tiefe durch, erklärten die mit der Tiefe zunehmende O 2 - Aufnahme mit dem kältebedingten Energiebedarf und die tiefenabhängig zunehmende Herzfrequenz mit kältebedingter Katecholaminausschüttung. CRAIG und DVORAK (1969) dagegen sahen auf einem mechanischen Tretkurbelergometer in kaltem Wasser geringere Herzfrequenzen als in warmem jedoch nur bei einem schlanken und nicht bei einem adipösen Probanden. 6

8 Von KANWISHER et al. (1974) wurde ein Unterwasser-Telemetriesystem zur Herzfrequenzmessung vorgestellt. Es wurden kasuistisch Herzfrequenzen zwischen etwa 100/min (bei Hawaiischen Speerfischern) und 184/min (bei einem Helmtaucher) angegeben. HOFFMANN et al. (1999) benutzten die Herzfrequenz als Beanspruchungsindikator beim Tauchen und stellten fest, daß bereits geringe Geschwindigkeiten (=1,9 km/h) eine nennenswerte Belastung darstellten. Die bei verschiedenen typischen Tauchmanövern gemessene durchschnittliche Herzfrequenz lag mit 103/min deutlich unter derjenigen bei der geringsten Tauchgeschwindigkeit (0,525 m/sec), die 126/min betrug. Bei mehrfacher Wiederholung der Tauchmanöver wurde zudem eine signifikante HF-Reduktion beobachtet. Ein Unterwasser-Ergometer haben PILMANIS et al in Form eines auf Federn gelagerten Brettes beschrieben, das der Taucher vor sich herschiebt. Die Leistung ergibt sich aus der Einstauchung der Federn. DWYER und PILMANIS (1978) verglichen anhand der O 2 -Aufnahme Fahrradergometrie an Land mit Tauchergometrie in verschiedenen Tiefen bis 30 Meter bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Vom exspirierten Atemgas konnten in entsprechenden Zeitabständen Proben in zehn Metallzylinder asserviert werden. Herzfrequenz und EKG wurden registriert. Aus gleicher O 2 -Aufnahme wurde auf gleiche Leistung geschlossen und das Ergometer so geeicht. Es wurde kein unterschiedlicher Wirkungsgrad angenommen. Die Herzfrequenz war von der Belastung, nicht aber signifikant von der Tiefe abhängig schloss DWYER in einer weiteren Studie mit dieser Ausrüstung, daß Herzfrequenz und Ventilation bei SCUBA-Tauchern ungeeignet sind zur Abschätzung der O 2 -Aufnahme. COSTILL stellte 1965 ein Schwimm-Ergometer vor, bei dem der Proband mit Hilfe einer Schnur durch ein definiertes Gewicht nach hinten gezogen wird und gegen diesen Zug anschwimmt. Weitgehend belastungsunabhängig wurden Herzfrequenzen zwischen 170/min und 180/min mitgeteilt. Eine ähnliche Vorrichtung für Taucher beschrieb JAMES 1976: Der Proband mit Presslufttauchgerät- schiebt einen beweglich aufgehängten Rohrrahmen, der durch eine gewichtsbewehrte Seilkonstruktion nach hinten gezogen wird. In dieser Studie findet sich auch die Konstruktion eines Fahrradergometers im Nasstank einer Druckkammer. Der Proband sitzt bis zum Kinn im Wasser auf einem mechanischen Ergometer. Die Kurbelbewegung wird durch eine Kette auf ein im darüberliegenden Trockenteil der Druckkammer befindliches Wirbelstrom-gebremstes elektronisches Ergometer übertragen. Atemgasanalyse und nicht näher beschriebene kardiovaskuläre Antwortparameter sollten gewonnen werden. Mit einem Helium- 7

9 Sauerstoff-Gemisch als Atemgas waren Versuche mit bis zu 20 bar vorgesehen. Versuchsergebnisse mit beiden Vorrichtungen wurden nicht mitgeteilt. Mit vollständigem Eintauchen (Submersion) eines Helmtauchers und Handkurbelarbeit bei sonst gleichem Versuchsaufbau beobachteten FAGRAEUS und BENNETT 1978 einen Rückgang der Herzfrequenz allein durch Submersion, die sich durch in der Druckkammer simulierte Tiefe bis 600 feet nicht weiter veränderte. Die Sauerstoffaufnahme war in dieser Tiefe etwas geringer als bei atmosphärischem Druck. Zahlreiche Untersuchungen maßen Gasaustausch und Herzfrequenz bei Fahrradergometrie in der trockenen Druckkammer in simulierten Tiefen zwischen 20 und 50 Meter (FAGRAEUS et al.1973, FAGRAEUS 1974, MORRISON et al.1976) mit höherer und 330 Meter (SALZANO et al.1970) mit geringerer Sauerstoffaufnahme als bei atmosphärischem Druck. WELTMAN und ENGSTRÖM sahen 1969 bei Armkurbelergometrie und komplexen Tätigkeiten über und unter Wasser bei letzterem jeweils höhere Ventilation und geringere Herzfrequenzen. Hinweise auf das Blutdruckverhalten finden sich in allen diesen Studien nicht. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß es zwar einzelne Hinweise auf eine hypertone Kreislaufregulation beim Tauchen gibt, gesicherte Aussagen anhand von wissenschaftlich erhobenen Daten derzeit nicht möglich sind. Zudem fehlen Aussagen zur Vergleichbarkeit von Leistungen an Land und im Wasser. 1.2 Studienziel Das Studienziel ist eine Antwort auf die Frage, welcher Blutdruck während eines Tauchganges in Ruhe und bei höherer Belastung zu erwarten ist. Weiterhin soll untersucht werden, ob dieser Blutdruck unter gewissen Vorbedingungen bei einzelnen Probanden auch kritische Werte annehmen kann. Es soll geklärt werden, ob ein solcherart gefährdeter Taucher durch die bei der Tauchtauglichkeitsuntersuchung übliche Ergometrie erkannt werden kann. Desweiteren soll festgestellt werden, ob bei gleicher körperlicher Belastung -gemessen an der Sauerstoffaufnahme- der Blutdruck über und unter Wasser wesentlich und vorhersehbar differiert Studiendesign, Zielparameter Es handelt sich um eine explorative Studie zur Grundlagenentwicklung an Sporttauchern, mit denen jeweils drei Versuche durchgeführt werden: standardisierte Fahrradspiroergometrie einschließlich Blutdruckmessung. 8

10 Fahrradspiroergometrie in einem 3m tiefen Schwimmbecken mit handelsüblichem Sporttauchgerät einschließlich Blutdruckmessung. Ruhiger und forcierter Tauchgang in einem Baggersee mit Messung von Blutdruck und Herzfrequenz. Der Tauchgang wird mit 13 der Probanden unter erhöhtem Tempo wiederholt. Zielparameter sind systolischer und diastolischer Blutdruck, Herzfrequenz, Sauerstoffaufnahme und respiratorischer Quotient Fragestellung 1. Entspricht die Netto-Leistungsfähigkeit im Wasser derjenigen an Land? 2. Differieren Blutdruckwerte an Land und im Wasser? 3. Differiert die Herzfrequenz an Land und im Wasser? 4. Ergeben sich prädilektive Faktoren für gefährdete Probanden bei der Routineergometrie? 5. Wie ist das Blutdruckverhalten im Freiwasser unter Einfluß verschiedener Belastungsbedingungen? 1.3 Ethische und rechtliche Grundlagen Die Durchführung der Studie erfolgt in Übereinstimmung mit der Deklaration des Weltärztebundes von Helsinki (Somerset West, Republik Südafrika, Oktober 96) Der wissenschaftliche Hintergrund ist beschrieben. Der Ablauf der Experimente ist im Studienprotokoll klar formuliert. Die Experimente werden von qualifizierten Untersuchern unter ständiger ärztlicher Supervision durchgeführt. Die Untersucher sind der Meinung, daß die Untersuchung von grundlegender Bedeutung ist für die Beurteilung der Gefährdung durch erhöhten Blutdruck von Berufs- und Sporttauchern. Die Privatsphäre der Versuchspersonen ist geschützt. Die Versuchspersonen werden schriftlich über Ziele, Methoden und Gefahren der Experimente informiert. Beim schriftlichen Einverständnis zur Teilnahme und im weiteren Verlauf können auftretende Unsicherheiten und Fragen (z.b. zu Risiken) jederzeit erörtert werden. Ethische Überlegungen werden dargelegt. 9

11 1.4 Ethikkommission Das Studiendesign wurde der Ethikkommission der Universität Göttingen vorgelegt und von dieser am genehmigt. 10

12 2 Material und Methoden 2.1 Probanden Es stehen 33 Sporttaucher eines örtlichen Tauchclubs als Probanden zur Verfügung. Einschlußkriterien: ausgebildeter Sporttaucher mit mindestens Bronze-Brevet nach VDST (Verband deutscher Sporttaucher) oder äquivalenter Ausbildung und mindestens 100 Tauchgänge, Erfahrung mit eigenem Trockentauchanzug gültige Tauchtauglichkeitsbescheinigung nach GTÜM`92 (Gesellschaft für Tauch- und Überdruckmedizin) schriftliche Einwilligung in die Studie Ausschlußkriterien: bestehende oder nicht ausgeschlossene Schwangerschaft interkurrente Erkrankungen, die für den Zeitraum der Studie oder dauernd Tauchuntauglichkeit begründen Rücknahme der Einwilligung Kein Proband muß aufgrund dieser Kriterien ausgeschlossen werden, wegen terminlicher Schwierigkeiten fallen zwei Probanden aus Alter, Größe und Gewicht Mit 31 Probanden werden alle geplanten Versuche durchgeführt. Die Tabelle zeigt Durchschnitts- und Minimal-Maximalwerte für die Parameter Alter, Größe und Gewicht getrennt nach Geschlecht. n Alter: Jahre Größe: cm Gewicht: kg w 3 28 (17-41) 165,3 ( ) 61 (50-70) m 28 39,9 (26-62) 180,2 ( ) 79,1 (65-95) Tabelle 1: Anthropometrische Angaben, in Klammern Minimal- und Maximalwerte. 11

13 2.1.2 Blutdruck Unter ihnen befinden sich zwei manifeste Hypertoniker (Probanden Nr. 2 und 31) nach den Kriterien der DEUTSCHEN LIGA ZUR BEKÄMFUNG DES HOHEN BLUTDRUCKES (1999), drei weitere (Nr. 12, 13 und 29) sind beobachtungsbedürftig. Medikamente irgendeiner Art nimmt keiner der Probanden. n RRsys: mmhg RRdia: mmhg w (91-117) 74 (70-81) m ( ) 81 (65-94) Tabelle 2: Ruheblutdruckwerte aller Probanden, in Klammern Minimal- und Maximalwerte. 2.2 Methoden Spiroergometrie an Land (im folgenden trocken genannt) Die Spiroergometrie (LÖLLGEN 1990) ist ein Verfahren zur Messung der kardiopulmonalen Antwortreaktion auf eine definierte und stufenweise angehobene Belastungseingangsgröße. Sie wird durchgeführt mit einem Spiroergometer (Jäger EOS-Sprint) mit Pneumotachograph und angeschlossenem drehzahlunabhängigen Ergometer (Jäger ER 900) mit Wirbelstrombremse. Über ein Y-Ventil wird Raumluft eingeatmet, die Expirationsluft wird über den Pneumotachographen in einen Mischbeutel geleitet, aus dem sich das System alle 15 Sekunden ein Probe zieht und dieses auf O 2 - und CO 2 -Konzentration analysiert. Der respiratorische Quotient RQ=VCO 2 /VO 2 liegt in Ruhe bei etwa 0,8 und steigt bei Belastung durch respiratorische Kompensation einer zunehmenden metabolischen Azidose an. RQ=1 wird als anaerobe Schwelle bezeichnet. Der Blutdruck wird jede Minute durch ein systemintegriertes RR-Gerät gemessen und die Frequenz kontinuierlich über einen 3-Kanal-EKG-Monitor (Hellige Servomed) registriert. Belastet wird im Sitzen in 3-Minuten-Stufen von je 50 Watt bis zum Erreichen der Ausbelastungskriterien (Pulsfrequenz 220 minus Lebensalter, Leveling-off der O 2 -Aufnahme) oder bis zum Auftreten etwaiger Abbruchkriterien Spiroergometrie im Wasser (im folgenden nass genannt) Die Untersuchung findet in einem Hallenbad im drei Meter tiefen Becken statt. Das Ergometer steht am Beckenrand (Abb. 24) und wird durch ein zweites, im Becken stehendes mecha- 12

14 nisches Ergometer (Abb. 31) auf dem der Proband sitzt, angetrieben. Die Kraftübertragung erfolgt über eine wassergeschmierte - also fettfreie - Edelstahlkette auf eine Zwischenwelle, die kardanisch in einem mit der Badeleiter verschraubten Bock aufgehängt ist. Diese treibt über eine mit einem Kardangelenk versehene Welle das Ergometer an, welches selbst mehr als zwei Meter vom Wasser entfernt ist. In der Mitte der Aluminiumwelle ist eine Kunststoffmuffe zur elektrischen Trennung eingesetzt (Abb. 30). Die Versuchsperson trägt ein 10-Liter-Presslufttauchgerät (PTG) auf dem Rücken und atmet über einen handelsüblichen zweistufigen Lungenautomaten (Fa. Sherwood Typ Brut ), dessen Membran sich in etwa 1,7 m unter der Wasseroberfläche befindet (Abb ). Der Druck an der Membran des Atemreglers ist entsprechend der Tiefe 1,17 bar. Die Exspirationsluft wird aufgefangen und beiderseits über je ein Ventil nach DROSTE et al.(2000) auf Oberflächendruck herabgesetzt und über einen Schlauch mit 4 cm-durchmesser zum Spirometer geleitet. Dieses umgebungsdruck-gesteuerte Ausatemventil (Abb. 35 und 36) öffnet zum Raum b, wenn der Druck im Raum a (vom Lungenautomaten kommend ) höher ist als der Umgebungsdruck p c. Der Druck p a schwankt je nach Atemphase. Der Raum b führt die Ausatemluft dem Spirometer zu. In ihm herrscht Oberflächendruck (1 bar). Nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte (p v = k oder p v = p v ) ist das an der Oberfläche gemessene Volumen V E um den Faktor 1,17 größer als das geatmete. Die CO 2 - Ausatemfraktion FECO 2, die das Gerät misst, ist vor und nach Druckminderung in demselben Maße vermindert. Der O 2 -Verbrauch wird berechnet aus der Differenz der O 2 -Fraktion aus Umgebungsluft und Exspirationsluft. Der Atemvorgang des Tauchers findet unter erhöhtem Druck p statt; auch die Partialdrücke sind entsprechend erhöht. Der Verbrauch einer bestimmten Anzahl von O 2 -Molekülen bedingt dabei einen geringeren Abfall der O 2 -Fraktion (=O 2 -Partialdruck) als bei Atmung unter normobaren Bedingungen. Der Wert V E muß also um den Faktor 1 + T korrigiert werden, die Werte VO 2 und VCO 2 jedoch nicht. Der Blutdruck wird über ein automatisches Langzeit-Blutdruckgerät (BOSO-TM-2420) gemessen, das nach der Korotkoff-Methode arbeitet (Abb. 32). Die beiden unabhängigen Mikrofone sind mit Silikon-Ummantelung gegen Wasser abgedichtet. Bei Fehlfunktion ist der Manschettendruck durch ein Überdruckventil auf 300 mm Hg begrenzt. Das Gerät selbst sitzt in einem unten offenen Plexiglasgehäuse, der Schlauch zur Manschette tritt unten aus. Das Meßintervall beträgt zwei Minuten. Das Gerät führt vor jeder Messung eine Umgebungsdruckmessung als Nullabgleich durch. Das Gehäuse wird mit einer höhenverstellbaren Bebände- 13

15 rung und Bleigewichten so eingestellt, daß sich die Wasseroberfläche im Kasten genau in Höhe der Manschettenmitte befindet. Damit ist der Umgebungsdruck für Sensor und Manschette gleich. Eine Höhendifferenz von 10 cm würde den Messwert um 7,6 mm Hg verfälschen. Da ein direktes Auslesen der Daten nicht möglich ist, wird das Display des Gerätes durch eine ebenfalls im Plexiglaskasten befindliche CCD-Kamera abgelesen und kann auf einem Monitor am Beckenrand vom Untersucher kontrolliert werden. Die Werte werden im Gerät gespeichert und später ausgedruckt. Herzfrequenz und EKG werden wieder auf dem EKG-Monitor registriert. Die Elektroden auf der Haut sind mit Klebefolie gegen das umgebende Wasser isoliert (Abb. 33). Während des Versuchs befindet sich ein Sicherheitstaucher mit PTG direkt vis-a-vis der Versuchsperson und sichert diese (Abb. 40). Der Kontakt zum Untersucher am Beckenrand wird durch einen auf das Wasser aufgelegten Plexiglas-Sichtkasten sichergestellt. Alle beteiligten Personen sind gut vertraut mit der in der Sporttaucherei üblichen Zeichensprache (nach VDST). Der Proband trägt einen Hosenträgerbleigurt mit 10 kg Gewicht und ist auf dem Sattel mit einem Beckengurt festgeschnallt. Er trägt Neoprenfüßlinge; die Pedale des Ergometers haben Schlaufen. Zu Beginn des Versuchs wird bis zum Erreichen des steady-states die Ruhe- Sauerstoffaufnahme gemessen. In der ersten Belastungsstufe tritt der Proband gegen den Innenwiderstand des Systems ohne zusätzliche Last auf dem Ergometer mit 50U/min. Diese Stufe ist in den nass -Diagrammen mit 0 Watt bezeichnet. Die Belastung wird in 30- Watt-Schritten von drei Minuten Dauer bis zum Erreichen der Ausbelastungskriterien oder bis zum Auftreten etwaiger Abbruchkriterien durchgeführt. Die Wassertemperatur beträgt während der Versuche, die im Verlauf von 6 Wochen durchgeführt wurden, zwischen 26 und 28 C Blutdruckmessung im Freitauchgang (im folgenden TG genannt) Die Tauchgänge werden im Bernsteinsee in Stüde, Kreis Gifhorn durchgeführt; die Größe des Sees beträgt etwa 300 x 400 m, die maximale Tiefe etwa 15 m. Der Sandgrund trägt einen spärlichen Bewuchs überwiegend aus Algen, selten Wasserpest oder ähnliche Pflanzen. Die Sicht beträgt je nach Witterung, Jahreszeit und Tiefe 2 bis 6 m, stellenweise auch deutlich darunter. Die Temperatur am Grund liegt während der Versuche zwischen 4 und 10 Celsius. Die Entfernung zwischen Parkplatz und Ufer beträgt etwa 300 m, die Hälfte davon über abschüssigem Sand (Abb. 43). Die Ausrüstung eines Trockentauchers wiegt etwa 45 kg, sodaß der Weg zum und vor allem vom Ufer eine erhebliche körperliche Belastung darstellt. 14

16 Die Blutdruckmessung erfolgt mit zwei oben beschriebenen BOSO-TM2420- Langzeitblutdruckmessern, eingestellt auf 5-min Intervalle (Abb. 41). Getaucht wird mit jeweils zwei Probanden im Trockenanzug (Neopren oder Trilaminat) und dem Untersucher im Nassanzug. Alle Probanden hatten wenigstens 20 Trockentauchgänge im eigenen Trockentauchanzug, so daß eine Verfälschung der Ergebnisse durch mangelhafte Gewöhnung ausgeschlossen werden kann. Alle Tauchgänge werden nach demselben Kompaßkurs (Abb. 42) und mit Hilfe eines einfachen Geschwindigkeitsmessers (Abb. 46) nach Th. Braun in etwa gleicher Geschwindigkeit von 1 km/h getaucht. Sie dauern ca. 40 min (35-50 min). Die RR- Messgeräte messen zehn Sekunden vor der Blutdruckmessung den Umgebungsdruck und führen einen Nullabgleich durch. Beide Geräte arbeiten simultan. 15 Sekunden vor dem Nullabgleich nehmen die Probanden auf Zeichen des Untersuchers Grundkontakt auf. Damit ist eine Höhenänderung nach Null-Abgleich ausgeschlossen. Eine Tiefenänderung von einem Meter während der Messung würde 76 mmhg Blutdruck-Fehlmessung entsprechen. Durch den Grundkontakt wird unvermeidlich Sediment aufgewirbelt. Dadurch geht in 13 Fällen der notwendige Partner-Sichtkontakt verloren, so daß Suchaufstiege erforderlich werden. Diese bedingen jeweils etwa fünf Minuten Zeitverlust. Die Zeit und der fehlerhafte Messwert werden in diesen Fällen aus dem Messprotokoll gestrichen. Durch ein Leck eines Tauchanzuges wurde ein RR-Gerät schwer beschädigt. Der Tauchgang und die Messreihe wurden wiederholt. Mit dreizehn der Probanden wird ein weiterer Tauchgang durchgeführt, um den Einfluß einer spürbar höheren Belastung durch erhöhtes Tempo (1,5 km/h) auf den Blutdruck zu untersuchen. Es wird derselbe Kurs getaucht; die Tauchgänge sind dementsprechend etwas kürzer (30-40 min). 2.3 Signifikanzen, Gerätefehler Bei der Auswertung der Ergometriedaten werden die in der jeweils ersten Minute der einzelnen Belastungsstufen gemessenen Werte für Blutdruck, Herzfrequenz und Sauerstoffaufnahme verworfen, um Fehler durch Einschwingen zu vermeiden. Der VO 2 -Wert zu jedem Blutdruck- und Frequenzwert wird aus fünf Einzelmessungen (entsprechend einer Minute) gemittelt. Für den statistischen Vergleich (Abb. 18, 21 und 25) werden durch Interpolation für jeden einzelnen Probanden für nass- und trocken-blutdruck- und Herzfrequenzwerte bei 0 W, 50 W usw. bis 200 Watt bestimmt 15

17 Falls die Werte aller Probanden in einer Belastungsstufe normalverteilt sind (Shapiro-Wilks- W-Test), werden nass und trocken über den t-test verglichen, wobei Signifikanz bei p<0,05 angenommen wird. Falls einer der Partner nicht normalverteilt ist, wird der Wilcoxon-Test für gepaarte Stichproben durchgeführt; als signifikant soll hier ebenfalls p<0,05 angesehen werden. Der Messfehler des Ergometers ER 900 beträgt 2% oder ±3 Watt (Werksangabe), für das integrierte Blutdruckmessgerät Fa. Ergoline liegt eine Vergleichsmessreihe der Physikalisch- Technischen Bundesanstalt mit auskultierten Werten und Angabe der Mittelwerte der Differenzen vor: 5,5 mmhg systolisch. und 2,3 mmhg diastolisch. CLARK et al. (1991) geben den Messfehler des BOSO-Langzeitblutdruckmessers mit ±3 mmhg oder 2% an. Der Messfehler der EOS-Sprint-Gasanalyse wird mit 3% oder 40 ml für VO 2 und 3% oder 30 ml für VCO 2 angegeben (ESCHENBACHER 2000). 2.4 Vorsichtsmaßnahmen Medizinischer Teil Bei der Ergometrie trocken stehen mit Defibrillator, Intubationsbesteck und entsprechenden Medikamenten die üblichen Notfallvorkehrungen zur Verfügung. Der Untersucher hat hinreichende intensivmedizinische Erfahrung. Bei der Belastung im Hallenbad sitzt ein Sicherungstaucher mit PTG der Versuchsperson gegenüber, beobachtet diese und stellt die Kommunikation mit dem Untersucher sicher (Abb. 40). Die Versuchsanordnung kann vom Untersucher durch einen auf das Wasser aufgelegten Plexiglaskasten beobachtet werden. Die oben beschriebenen Rettungsmittel sind vorhanden; die Gabe von normobarem Sauerstoff (Konstant-Flow-Sauerstoff-Ventil, Fa. Weimann, bis 15 l/min) ist möglich. Außer den genannten Personen ist ein vom VDST (Verband Deutscher Sporttaucher) ausgebildeter Übungsleiter mit der Qualifikation Sicherheit und Rettung anwesend. Bei den Freitauchgängen sind keine untersuchungsbedingten zusätzlichen Gefahren zu erwarten. Ein Notfallkoffer, normobarer Sauerstoff und ein Mobiltelefon zur Aktivierung der Rettungskette stehen bereit. 16

18 2.4.2 Gerätesicherheit, TÜV Bei der Spiroergometrie trocken handelt es sich durchweg um ein Standardverfahren. Die Gerätesicherheit ist durch Wartung des Ergometers und Spirometers durch die Herstellerfirma entsprechend der Medizingeräteverordnung gegeben. Die Kraftübertragung vom mechanischen Ergometer im Wasser zur Wirbelstrombremse ist durch die oben beschriebene Kunststoffwelle elektrisch sicher vom Wasser getrennt. Übrige Geräte mit 220V-Anschluß sind: das Spiroergometer, der EKG-Monitor, der Blutdruckmonitor. Diese werden durch Wandschirme vor Spritzwasser geschützt und - soweit erforderlich - durch Trenntrafos vom Netz getrennt. Die Installation folgt den Vorgaben des Technischen Überwachungs-Vereins Hannover/Sachsen-Anhalt. Im Wasser selbst kommt nur Schwachstrom zur Anwendung: 9V-Akku des RR-Gerätes im Gehäuse. Die 12V-Leitung zur Kamera wird über einen Trenntrafo gespeist. Die EKG-Elektroden sind galvanisch vom Monitor entkoppelt, der seinerseits über ein Akku betrieben wird. Das Presslufttauchgerät ist handelsüblich und wird entsprechend der Druckbehälterverordnung gewartet und geprüft. Der Technische Überwachungsverein (TÜV) Hannover-Sachsen-Anhalt hat die Versuchsanordnung im Hallenbad unmittelbar vor Beginn der Versuche begutachtet und aus medizintechnischer Sicht keine Bedenken geäußert. 17

19 3 Ergebnisse 3.1 Ergebnisse der einzelnen Versuchsreihen Spiroergometrie trocken Abb. 1 zeigt die kumulative Anzahl der Probanden pro Leistungstufe sowohl im trocken- als Abb. 1: Zahl der Probanden, die eine bestimmte Leistung noch erbracht haben trocken nass Watt auch im nachfolgend diskutierten nass-versuch. Im trocken-versuch erreichten alle 31 Probanden die 150-Watt-Marke, 26 Probanden 200 W, 16 Probanden 250 Watt, 8 noch 300 Watt und zwei sogar die 350-Wattstufe. Dagegen sind im nass-versuch schon bei 57 Watt nur noch 29 Probanden vertreten, bei 88 Watt sind es 28, bei 119 Watt noch Watt leisten noch 14 Probanden und bei 180 Watt brechen die letzten 5 die Belastung ab. Bei den beiden unter 2.1 als manifeste Hypertoniker bezeichneten Probanden wird wegen kritischen Blutdruckanstieges die Belastung beendet, in allen übrigen Fällen wird bis zur muskulären Erschöpfung Abb. 2: Sauerstoffaufnahme auf den einzelnen Belastungsstufen, alle Probanden. Mittelwerte und Trendlinien der Mittelwerte. Trocken- Versuch 5 l/min VO 2 4 polynomische Trendlinie Watt l/min VO 2 4 lineare Trendlinie Watt

20 belastet. Andere Gründe (Dyspnoe, Thoraxschmerz, Herzrhythmusstörungen o.ä.) werden nicht beobachtet. Die Beziehung zwischen erbrachter Leistung und O 2 -Aufnahme ist streng linear, (Abb. 2: auch die polynomische Trendlinie ist linear). Die maximale O 2 -Aufnahme bei den ausbelasteten Probanden lag zwischen 1,78 l/min und 4,53 l/min. Dies zeigt die große Bandbreite der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Tauchern desselben Vereins, die regelmäßig und ganzjährig in heimischen Gewässern tauchen Spiroergometrie nass Die maximal erreichte Leistung im Schwimmbad ist mit 180 Watt etwa halb so groß wie im trocken- Versuch. Diejenigen Probanden mit hohen Leistungen im trocken- Versuch sind in den meisten Fällen auch nass höher belastbar.( Abb. 3) Abb. 3: Maximale Leistung der einzelnen Probanden in den beiden Ergometrieversuchen im Vergleich Watt trocken nass Probanden Auch hier wurde bei den beiden als manifeste Hypertoniker bezeichneten Probanden (Nr.2 und 31) der Versuch wegen des RR-Anstieges beendet, in allen anderen Fällen wurde bis zur Erschöpfung belastet. 19