Sportmedizin. Leistungsdiagnostik: Spiroergometrie. Dr. med. Birgit Friedmann, Abteilung Innere Medizin VII: Sportmedizin

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1 Sportmedizin Leistungsdiagnostik: Spiroergometrie Dr. med. Birgit Friedmann, Abteilung Innere Medizin VII: Sportmedizin Spiroergometrie zur Objektivierung der kardiopulmonalen Leistungsfähigkeit Leistungssportler Freizeitsportler Patienten Ableitung von Trainingshinweisen 1

2 Ansteigende Belastungsprotokolle Stufentest Rampentest Leistung (Watt) 3 2 Leistung (Watt) Belastungsdauer (min) Belastungsdauer (min) Sportmedizin: Spiroergometrie Gemessene Parameter: - Ergometrie und zusätzlich: - AMV (VE) - VO 2 - VCO 2 Berechnete Parameter: - VCO 2 /VO 2 (RQ = Respiratorischer Quotient) - VE/VO 2 (EQO 2, ventilatorisches Äquivalent für O 2 ) - VE/VCO 2 (EQCO 2, ventilatorisches Äquivalent für CO 2 ) - VO 2 /Herzfrequenz (O 2 Puls, Sauerstoffpuls) 2

3 Sportmedizin: Spiroergometrie Messung mit Hilfe einer Atemmaske oder eines Mundstücks Spiroergometrie: Marktübersicht Stationäre Geräte Tragbare Systeme 3

4 Sportmedizin: Spiroergometrie Vorbereitungen für eine Spiroergometrie Umgebungsbedingungen Betriebstemperatur des Geräts Kalibration Kalibration Gasanalysatoren Kalibration Flow Sensor Kalibrationsprotokolle Vorbereitung Ergometer Vorbereitung Patient / Sportler Qualitätssicherung Sportmedizin: Spiroergometrie Messprinzipien Delaykorrektur Delay << Delay ok Delay >> 4

5 Anpassungsreaktionen des Körpers an Belastung Stoffwechsel Herz-Kreislauf-System Atmung Leistungsdiagnostik im Leistungssport Untersuchungen im Ergometrielabor: Möglichst sportartspezifische Belastung Stufenweise ansteigende Spiroergometrien zur Ermittlung der maximalen Leistungsfähigkeit und der Ausdauergrenze: Kontinuierliches EKG-Monitoring Kontinuierliche Messung von Atemminutenvolumen, VO 2, VCO 2 Messungen der Laktatkonzentration im Kapillarblut Untersuchungen unter Trainings- und Wettkampfbedingungen: Feldstufentests auf der Laufbahn, im Wasser, auf dem Wasser,... Bestimmung der Herzfrequenz Messung der Laktatkonzentration im Kapillarblut (Kontinuierliche Messung von Atemminutenvolumen, VO 2, VCO 2 ) 5

6 Fahrrad- und Handkurbelergometer Laufbandergometer 6

7 Radtest, Walking, (Skilanglauf) Ruderergometer 7

8 Kanuergometer Leistungsdiagnostik für Patienten Untersuchungen im Ergometrielabor: Wahl der Belastungsart (Fahrrad- oder Laufbandergometer) mit dem Ziel, eine kardiopulmonale Ausbelastung zu erreichen Stufenweise ansteigende Spiroergometrien zur Ermittlung der maximalen Leistungsfähigkeit (und der Ausdauergrenze): Kontinuierliches EKG-Monitoring Kontinuierliche Messung von Atemminutenvolumen, VO 2, VCO 2 (Messungen der Laktatkonzentration im Kapillarblut) 8

9 Leistung [Watt] Fahrradspiroergometrie Laktat 5 * * * * * * * * * * Zeit [min] EKG VO 2, VCO 2, AMV Subjektiver Anstrengungsgrad nach Borg 6 7 sehr, sehr leicht 8 9 sehr leicht 1 11 leicht mäßig anstrengend anstrengend sehr anstrengend sehr, sehr anstrengend 2 9

10 Ausbelastungskriterien 9 % der maximalen Herzfrequenz (22 Lebensalter) Plateau der VO 2 -Kurve RQ? 1.1 Laktat? 8 mmol/l Borg-Skala? 16 Abbruchkriterien Angina pectoris Ischämiezeichen im EKG Arrhythmien (Komplexe ES, AV-Block II oder III) Blutdruckabfall systolisch > 1 mmhg gegenüber Ausgangswert Zeichen einer Durchblutungsstörung: Cyanose, Blässe Respiratorische Insuffizienz Koordinationsstörung, Verwirrung, Schwindel Hypertensive Blutdruckwerte (> 25 mmhg syst. und/oder 115 mmhg diast.) 1

11 Absolute Kontraindikationen Floride systemische oder kardiale Infektion Instabile Angina pectoris oder Myokardinfarkt Schwere Aortenstenose Schwere Herzinsuffizienz Akute respiratorische Insuffizienz Akute Thrombose der unteren Extremitäten mit oder ohne Lungenembolie Maximale Sauerstoffaufnahme (VO 2 max) Männer: Jahre: 44-5 ml/kgkg Ab 3 Jahre: - 1 %/Jahr Läufer (Spitzensportler): ca ml/kgkg Skilangläufer: 9-95 mk/kgkg Frauen: Jahre: ml/kgkg Ab 3 Jahre: - 1 %/Jahr Läuferinnen: ca. 7 ml/kgkg Skilangläuferinnen bis 77 ml/kgkg - Schwere Herzinsuffizienz: < 14 ml/kgkg 11

12 Ergebnis einer Fahrradspiroergometrie eines Nachwuchsradsportlers Ruhe Belastung Erholung p [Watt] Dauer [min] 3: 3: 3: 3: 3: 3: 3: 3: 1: 3: 5: HF [1/min] VO 2 [ml/min] VO 2/kg [ml/kg] Laktat [mmol/l] pmax: 4 Watt =4.67 Watt/kg, VO 2 max: 4.64 l/min = 65.8 ml/kgkg?min, max. AMV: 159 l/min, max. RQ: 1.12, Anstrengungsgrad nach Borg: 18 Fahrradspiroergometrie: Werte des Probanden/der Probandin Ruhe Belastung Erholung p [Watt] Dauer [min] 1: 3: 5: HF [1/min] VO 2 [ml/min] VO 2/kg [ml/kg] Laktat [mmol/l] pmax: Watt =..Watt/kg, VO 2 max:.l/min =..ml/kgkg?min, max. AMV:.l/min, max. RQ:., Anstrengungsgrad nach Borg: VE/VO 2 max:..ve/vco 2 max:. 12

13 Auswertung der Fahrradspiroergometrie eines Nachwuchsradsportlers Herzfrequenz [min -1 ] Laktat [mmol/l] VO 2 [ml/kg*min] Leistung [Watt] Ventilatorische Schwelle 5 4 VO 2 [ml/min] AMV [l/min] 13

14 Auswertung der Fahrradspiroergometrie eines Nachwuchsradsportlers Herzfrequenz [min -1 ] Laktat [mmol/l] VO 2 [ml/kg*min] Leistung [Watt] Trainingshinweise für einen Nachwuchsradsportler Intensität Trainingsform %Schwelle Watt Puls (1/min) Entwicklungsbereich Grundlagenausdauer II Grundlagenausdauer I Regeneration < 6 < 18 <

15 Trainingshinweise für den Probanden/die Probandin Intensität Trainingsform %Schwelle Watt Puls (1/min) Entwicklungsbereich 1 Grundlagenausdauer 9 II Grundlagenausdauer 7-8 I Regeneration < 6 Sportmedizin: Spiroergometrie Atemäquivalente Wassermanet al. Principles of exercise testing and interpretation

16 Laufbandspiroergometrie v [km/h] Laktat * 6 * * * * * * * Zeit [min] EKG VO 2, VCO 2, AMV Ergebnis einer Laufbandspiroergometrie eines Langstreckenläufers der deutschen Spitzenklasse Ruhe Belastung Erholung V [Km/h] Dauer [min] HF [1/min] VO 2 [ml/min] VO 2/kg [ml/kg] Laktat [mmol/l] : 3: 3: 3: 3: 3: 3: 1: 1: 3: 5: vmax: 2.67 km/h = 5.74 m/s, VO 2 max: 4.5 l/min = 72.3 ml/kgkg, max. AMV: 149 l/min, max. RQ:

17 Laktatleistungskurve, Herzfrequenz und VO 2 bei einem Mittelund Langstreckenläufer der deutschen Spitzenklasse Puls [1/min] Laktat [mmol/l] Laktat Puls VO 2 Zeit [min] v [km/h] VO 2 [ml/min] Trainingshinweise für einen Mittel- und Langstreckenläufer der deutschen Spitzenklasse Intensität Trainingsform % Schwelle Km/h Min/min Puls (1/min) Tempo-DL :4 172 Intensiver DL :5 165 Extensiver DL :5 4: Regeneration < 8 <13.1 > 4:35 <

18 Laktatleistungskurven unterschiedlich trainierter Sportler Laktat [mmol/l] km/h Motorsport, 17 J. 5.4 ml/kg*min Tennis, 16 J ml/kg*min 14. km/h 17.9 km/h Läufer, 26 J ml/kg*min 2 Zeit [min] v [km/h] Laktatleistungskurven unterschiedlich trainierter Sportler Laktat [mmol/l] ? Motorsport, 17 J. 5.4 ml/kg*min 13.4 km/h Tennis, 16 J ml/kg*min Läufer, 26 J ml/kg*min km/h Zeit [min] v [km/h] 18

19 Laktatleistungskurven unterschiedlich trainierter Sportler Laktat [mmol/l] km/h 13.2 km/h 16.5 km/h Zeit [min] v [km/h] Beispiel für den Trainingplan eines Mittel- und Langstrecklers Tag Mo Di Mi Do Fr Sa So Training I 15 km extensiver 8 km intensiver 8 km regen. 8 km extensiver 1 km regen. 12 km intensiver 2 km extensiver Training II Training I Training II x2 m (Schwelle) 1 km regen. 8 km intensiver x4 m (95% Schwelle) Athletik 6 km regen. Fahrtspiel (DL mit Temposteiger.) 1 km extensiver Athletik km regen. oder km intensiver 15 km extensiver Athletik Athletik

20 Beispiel eines Trainingsplans für einen Mittel- und Langstreckenläufer Tag Mo Di Mi Do Fr Sa So Training 8 1 km extensiver 2x5 m Wetkampf -tempo 6 km regen. 2 3 x 2/3m > Wettkampftempo 2 3 min. regen. Vorlauf Endlauf Trainingshinweise für Freizeitsportler Intensität (% der Scwellenbelastung) Laufen Rad Belastungsdauer (min) Laufen Rad Laufen Bezeichnung Rad Tempo-DL Entwicklung % 45-6 Intensiver DL Extensiver DL GA2 GA1 < 8 < 6 3 Regeneration 2

21 Ausdauerbelastungen auf dem Fahrradergometer mit Intensitäten von 85%, 95%, 1% und 15% der individuellen anaeroben Laktatschwelle % 95% 1% 15% Laktat [mmol/l] Zeit [min] nach Urhausen et al., Int. J. Sports Med. 14, 1993 Fettverbrennung bei Belastung Kalorienverbrauch in 3 min [kcal] RQ =.85 KH 5% Fett 5% RQ =.9 KH 67% Fett 33% VO 2 = 1.5 l/min VO 2 = 2.25 l/min (~5% max) (~75% max) 21

22 Beeinflussung des Verlaufs der Laktatleistungskurve durch unterschiedliche Kostformen Kohlenhydratreiche Kost Mischkost Fett-Eiweiß-Diät 12 Laktat [mmol/l] nach Maassen u. Busse, Eur.J. Appl. Physiol. 58, 1989 Leistung [Watt] - Spiroergometrie Zusammenfassung Belastungsuntersuchung unter standardisierten Bedingungen Messung der Ventilationsparameter (und Laktatbestimmung) Objektivierung der kardiopulmonalen Leistungsfähigkeit Ableitung konkreter Trainingshinweise DD Dyspnoe 22