Ergospirometrie

Die Ergospirometrie ist, ähnlich wie der allseits bekannte Laktattest oder auch der Conconi-Test eine Untersuchung zur Leistungsdiagnostik. Hierbei handelt es sich um eine Kombination aus der Spirometrie und der Ergometrie, die kardiologische und pneumologische Parameter berücksichtigt und bewertet.

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Beim Begriff der Spirometrie handelt es sich um die Bezeichnung für die Möglichkeiten der medizinischen Untersuchung des Atems, während der Begriff der Ergometrie für die Messung der muskulären Leistungspotenziale und damit der Feststellung der körperlichen Leistungsfähigkeit eines Menschen bzw. eines Sportlers steht. So misst man im Zuge der Spirometrie grundsätzlich die Lungenfunktion im Zusammenhang mit pulmonalen Faktoren wie der Vitalkapazität oder der sog. „Einsekundenkapazität“. Die Ergometrie hingegen konzentriert sich auf Messungen, die sich auf die körperliche Leistungsfähigkeit beziehen

Dabei sind insbesondere kardiovaskuläre Parameter wie EKG-Werte, der Blutdruck und der Puls von großer Bedeutung. Durch die Kombination dieser beiden Verfahren im Rahmen der Ergospirometrie offenbart sich die medizinische Möglichkeit, die Testperson bzw. den Sportler hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit mit enormer Präzision beschreiben zu können. Letzten Endes soll die Ergospirometrie als Methode der Leistungsdiagnostik die Frage nach dem maximalen Leistungspotenzial eines Sportlers (z.B. eines Fußballspielers) beantworten, sowie die mit der Leistung des Sportlers zusammenhängenden Organe wie Herz und Lunge als auch andere leistungsspezifisch bedeutende Elemente wie den Kreislauf oder die Muskeln der Testperson in einem fachlichen Zusammenhang darstellen können.

Die Historie der Ergospirometrie

Bereits seit mehr als 200 Jahren sind in der Medizin Vorläufer der Ergospirometrie vorhanden. So wurden nachweislich 1789 bereits erste Versuche unternommen, die menschliche Atmung zu messen und bereits ca. 60 Jahre später sind erste Analysen der sog. Exspirationsluft, die beim Ausatmen entsteht, vorgenommen worden. In den 1920er-Jahren entstand dann die Disziplin der klinischen bzw. der medizinischen Leistungsdiagnostik unter anderem mit dem Ziel, die maximale Sauerstoffaufnahme eines Menschen genauer zu erforschen. Seit den 50er- und 60er-Jahren wurde diesbezüglich auch auf Methoden, die man heute der Spirometrie bzw. der Ergospirometrie zuordnen kann, zurückgegriffen, weshalb man die „Nachfolger“ dieser Analysemethoden als optimierte Versionen betrachten darf. Auch heute versucht man die Methodik der Ergospirometrie immer weiter zu verbessern.

Der Ablauf einer Ergospirometrie

Der Ergospirometrie-Test wird im Gegensatz zum klassischen Laktattest auf dem Laufband oder auf dem Ergometer absolviert. Dies ist schon allein der Tatsache geschuldet, dass an der Testperson verschiedene Messinstrumente angebracht werden müssen, wie z.B. eine luftdicht abschließende Maske, die auf Mund und Nase gesetzt wird und über eine Messsonde mit der Raumluft verbunden ist, um die Atemgase möglichst präzise darstellen zu können. Weitere Messparameter sind bspw. die Herzfrequenz, der Blutdruck, die Atemfrequenz sowie der Atemfluss, die Atemgase (genauer: Sauerstoff und Kohlendioxid) sowie ein EKG, das die Herzaktionen aufzeichnet. Das Beisein und die Kontrolle eines Arztes ist dabei nicht nur wegen der Messinstrumente notwendig, sondern zur Überwachung der Werte sowie des Zustandes des Sportlers auch mehr als empfehlenswert. Der Test an sich wird, je nach Ausführung, meist mit einer Dauer von acht bis zehn Minuten eingestuft, wonach sich diverse Nachbeobachtungen anschließen können, ehe alle Daten auf dem Computer zusammengeführt und ausgewertet werden können. Während des Tests kommt es ähnlich wie beim Laktattest zu einer stufenweisen Erhöhung der Intensität, die meist durch computergesteuerte Rahmenprogramme gesteuert werden.

Je nach Bedarf der Analyse gibt es verschiedene Programme, die auch individuell angepasst werden können. In der Regel erhöht sich die Intensität der Belastungsstufe in einem Ein- bis Zwei-Minuten-Takt, wobei sich die Belastungserhöhungen in einem Rahmen von 10 bis 50 Watt abspielen können. Bei Tests auf dem Laufband können zusätzlich Steigungen („bergauf“) miteingebaut und die Belastung auf diese Weise kontinuierlich erhöht werden. Um einen möglichst genauen Rückschluss auf das Zusammenspiel zwischen Muskulatur und den anderen leistungstechnisch bedeutsamen Elementen des Körpers (Herz, Lunge, etc.) zu erreichen, empfiehlt es sich je nach Sportart und deren spezifischer muskulärer Belastung zwischen dem Laufband- und dem Ergometertest zu wählen. Während für laufintensive Sportarten wie Fußball ein Laufbandtest zu empfehlen wäre, sollten professionellere Radfahrer oder auch Rudersportler eher auf einem Ergometer getestet werden.

Welche Ergebnisse liefert die Ergospirometrie?

In erster Linie hat die Ergospirometrie genauso wie andere Methoden der Leistungsdiagnostik wie der Laktattest oder der Conconi-Test das Ziel, die sog. „anaerobe Schwelle“ zu ermitteln. Hierbei ist es wichtig, die Bereiche des aeroben und des anaeroben Trainings zu unterscheiden. Während der Muskulatur im aeroben Trainingsbereich noch genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, wird im anaeroben Bereich bereits vermehrt Glucose abgebaut. Im gleiche Zuge steigt die Bildung von Laktat in den Muskelzellen, das als Stoffwechselprodukt bei intensiven Belastungen des Körpers entsteht. Laktat ist ein Salz der Milchsäure und sorgt dafür, dass insbesondere Leistungssportler wie Fußballprofis eine hochintensive Belastung über einen gewissen Zeitraum über die „eigentliche“ Erschöpfung hinaus fortführen können, ehe der Muskel als Reaktion auf die Blockade der ATP-Spaltung verkrampft.

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Die Spaltung des Adenosintriphosphats (kurz ATP) liefert einen Großteil der benötigten Energie in die Muskelzellen und wird mit einer steigenden Laktatmenge durch einen Protonenüberschuss in den Muskelzellen blockiert, was letztlich zu einer erhöhten Laktatbildung in der Muskulatur und schließlich auch zum Verkrampfen des Muskels führt. Das Laktat erschwert also das reibungslose Weiterarbeiten der Muskulatur in den Zuständen einer intensiven körperlichen Belastung. Daher wird die „Grenze“ bzw. der Schwellenwert zwischen aeroben Bereich und anaeroben Bereich auch als „Dauerleistungsgrenze“ bezeichnet.

Eine Besonderheit der Ergospirometrie ist dabei, dass sie durch die zusätzliche Messung der Atemgase auch den Sauerstoffverbrauch und den Anfall von Kohlendioxid eines Sportlers während der Belastung ermittelt und mit zu solchen Vergleichen dienenden Referenzwerten abgleichen kann. Durch diese „erweiterte“ Analysemethode kann die Ergospirometrie auch auf bestimmte, leistungseinschränkende Erkrankungen hinweisen. So liefert die Ergospirometrie nicht nur konkrete Hinweise auf eine bestehende Erkrankung, sondern auch eine Tendenz, ob diese Erkrankung kardialer oder pulmonaler Herkunft ist. Zudem können, insbesondere durch das EKG, auch diverse Fehler der Herzfunktion erkannt werden, wie z.B. eine Herzschwäche (Herzinsuffizienz), eine Erkrankung der Herzkranzgefäße (koronare Herzkrankheit) oder Herz-Rhythmus-Störungen. Die Ergospirometrie erlaubt es dahingehend auch, herzbedingte Einschränkungen von lungenbedingten zu unterscheiden.

Wie gelangt die Ergospirometrie zu seinen Ergebnissen?

Diese Frage bezieht sich unter anderem auf den im oberen Abschnitt bereits angeschnittenen Faktor der anaeroben Schwelle. Denn die Ergospirometrie ermittelt neben der anaeroeben Schwelle, die sich aus Blutwerten ermitteln lassen, auch kardiovaskuläre und pulmonale Parameter. Durch eine intensive körperliche Belastung erhöht sich einerseits der Stoffwechsel des Sportlers, andererseits natürlich auch der Energiebedarf, da die arbeitende und unter Belastung stehende Muskulatur mit Energie versorgt werden muss. Um wiederum innerhalb der Muskelzellen Energie erzeugen zu können, wird zuerst Sauerstoff benötigt, der über die Lungen in die Blutlaufbahn und befindlich in kleinen Blutkörperchen durch die Adern zum Muskel transferiert wird. Gelingt dieser Transfer nicht reibungslos, spricht man im medizinischen Fachjargon von einer Anämie, einer sogenannten Blutarmut.

Hierbei mangelt es entweder an rotem Blutfarbstoff, dem sog. Hämoglobin oder an roten Blutkörperchen, den sog. Erythrozyten, was zu erhöhter Müdigkeit, Schwindel oder einem starken Leistungsabfall führen kann. Kann der Muskel mit ausreichend Sauerstoff versorgt werden, ist dies in erster Linie dem Herzen zu verdanken. Das Herz agiert in diesem Transfer als eine Art Pumpe, die den Blutfluss in unserem Körper antreibt. Der erfolgreiche Bluttransfer ist letztlich der Grund, wieso der Muskel den bei intensiver Belastung dringend benötigten Sauerstoff erhält. Innerhalb des beanspruchten Muskels wird dann Energie gewonnen, indem bestimmte Nährstoffe sowie der zum Muskel transportierte Sauerstoff, der auch dafür sorgt, dass Kohlenhydrate, Fette oder Proteine aus Muskeln und Zellmembranen für den Leistungssport erfolgreich umgesetzt werden, verbrannt werden. Aus diesem Prozess entsteht der Abfallstoff Kohlendioxid, der durch unsere Blutlaufbahn zur Lunge transportiert und letzten Endes ausgeatmet wird.

Je intensiver die Belastung für unseren Körper und unsere Muskulatur ist, desto höher ist der Bedarf an Sauerstoff und desto höher ist folglich auch die Kohlendioxidproduktion und -Ausstoßung. Erreicht die Belastung jedoch ein gewisses Level, können die Blutkörperchen die Muskeln nicht mehr mit ausreichend Sauerstoff versorgen, weshalb es in der Folge zu einem relativen Sauerstoffmangel in den beanspruchten Muskelzellen kommt. Hier verläuft dann auch die Grenze zwischen den aeroben und anaeroben Trainingsbereichen, wie sie im oberen Abschnitt bereits beschrieben worden sind. Da die Muskeln weiterhin mit Energie versorgt werden müssen, jedoch nur begrenzt mit Sauerstoff versorgt werden, sucht unser Körper nach anaeroben, d.h. nicht-sauerstofflastigen Energiequellen. Genau an diesem Punkt durchläuft die beanspruchte Muskulatur des Sportlers den Ablauf, der bereits beschrieben wurde. In ihm reichert sich immer mehr Laktat an, was zu einer „Übersäuerung“ der Muskulatur führt und den Fußballer letztlich an sein Leistungsmaximum bringt.

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VO2max – Kennzahl der aeroben Leistungsfähigkeit

Nachdem die anaeroben Trainingsbereiche bereits relativ ausführlich erklärt worden sind, soll dieser Abschnitt im Zusammenhang mit der Ergospirometrie vor allem die aerobe Leistungsfähigkeit genauer unter die Lupe nehmen. Die wichtigste Kennzahl für die aerobe Leistungsfähigkeit nennt sich dabei „VO2max“ und beschreibt die maximale Sauerstoffaufnahme bei maximaler Belastung des Leistungssportlers. Das Besondere an der VO2max ist, dass sie sich eigentlich kaum trainieren bzw. durch Training nur sehr eingeschränkt erhöhen lässt. Zudem sinkt sie bei Erwachsenen ca. alle acht bis zwölf Jahre um einige Prozentpunkte. Auch über den VO2max lassen sich präzise Rückschlüsse auf die Fitness und den aktuellen Trainingsstand eines Fußballers oder eines anderen Leistungssportlers schließen. So kann über den prozentualen Auslastungsgrad der VO2max bei Erreichen der anaeroben Schwelle gemessen werden, wie „fit“ die Testperson ist bzw. wie hoch seine Schwellenwerte sind.

Im Idealfall liegt die anaerobe Schwelle bei ca. 85% des VO2max, Werte von unter 80% lassen darauf schließen, dass die Fitness der Testperson noch weit unter seinem Potenzial liegt. Die anaerobe Schwelle, bei der die Muskulatur des Sportlers nicht mehr mit genügend Sauerstoff versorgt werden kann und die schließlich dann die Produktion und Anlagerung von Laktat verursacht, wird im Untersuchungsprotokoll der Testperson durch eine simple aber wichtige Messung sichtbar: Der Sportler atmet in den Schwellenbereichen mehr Kohlendioxid ein, als er Sauerstoff ausatmet. Atmet die Testperson nun mehr Kohlendioxid ein als sie Sauerstoff ausatmet, erreicht der Sportler den sogenannten respiratorischen Kompensationspunkt, auch RCP genannt, und beginnt in der Folge zu einem gewissen Grade zu hyperventilieren. Eine unkontrollierte Atmung sowie die Überschreitung des Schwellenwerts sind zwei hauptsächliche Erkennungsmerkmale der Ergospirometrie, die auf eine deutliche Überbelastung und die Überschreitung des aeroben Leistungsoptimums der Testperson schließen lassen.

Bildquelle:
StefanBartenschlager / www.fotolia.de