Spiroergometrie – Ausführung und Auswertung

Eine Spiroergometrie ist ein Ausdauerleistungstest, welcher vorzugsweise auf einem Ergometer oder Laufband durchgeführt wird. Hierbei trägt der Proband eine Atemmaske, durch welche seine Ausatemgase analysiert werden.

Die Spiroergometrie vom Ursprung bis heute

1896 bis 1924

  • Bis 1896: vielfache Versuche von Wissenschaftlern zur Messung der Atemgase bei körperlicher Betätigung.
  • 1896: Das erste Fahrradergometer der Welt ist vermutlich von dem Franzosen Bouny 1896 in Paris entwickelt worden.
  • 1912: Entwicklung der Atemgasanalyse. John Scott Haldane (1860 – 1936) entwickelt eine Analysetechnik zur Messung von Gasen in der Luft. Die Analytik ist sehr exakt, benötigte aber große Probenmengen, ein hoch qualifiziertes Laborteam und reichlich Zeit.
  • 1924: Hugo Wilhelm Knipping (1895 – 1984) entwickelt einen Spirografen zur Grundumsatz Bestimmung.

1924 bis 1949

  • 1924 – 1929: Etwa zu dieser Zeit beschäftigen sich Kliniker und Physiologen vermehrt mit dem Gasstoffwechsel in Ruhe und unter Belastung, wobei ein Handkurbelergometer zusammen mit einem Spirografen die ersten Messungen im Sinne einer Spiroergometrie ermöglichen. Die technische Entwicklung läuft dabei parallel zur physiologischen Erkenntnis. Die folgenden erarbeiteten und geprägten (historischen) Begriffe sind uns weniger vertraut, beinhalten aber für uns weiterhin höchst relevante und entscheidende physiologische Eckpunkte:
    • „Vita Maxima“ heute: maximale O2-Aufnahme (VO2max bzw. VO2peak)
    • „Vita Minima“ heute: O2-Aufnahme in völliger Ruhe (Grundumsatz)
    • Leistungstest nach dem „Prinzip der kleinen Wattstufen“ heute: am ehesten Rampenprotokoll
    • „Atemgrenzwert“ heute: MVV (maximal voluntary ventilation).
  • Begriffe, die auch jetzt noch – allerdings meist mit anglosächsischer Nomenklatur – verwandt werden, wurden gleichfalls in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts erarbeitet:
    • Atemreserve (1929)
    • Atemäquivalent (1932)
    • Respiratorische Ruheinsuffizienz und Belastungsinsuffizienz (1937)
    • Spirografisches O2-Defizit (1937)
  • 1947: Verbesserung der Atemgasanalyse. Per Fredrik Scholander (1905 – 1980) veröffentlicht eine Verbesserung der Analytik von Scott Haldane (siehe 1912). In kurzer Zeit (5 – 10 Minuten) kann nun an kleinen Proben die Gasanalyse durchgeführt werden.

1950 bis 1979

  • Ab 1950: In dieser Zeit vertieft sich die technische Zusammenarbeit der Kliniker und Physiologen mit der Hamburger Firma A. Dargatz. Die Ergometertechnik wird optimiert und Messsysteme zur Erfassung hoher Leistungen (3 L, später 5 L VO2) werden in der Deutschen Sporthochschule in Köln installiert. Die so gewonnene Erkenntnis aus der Sportmedizin führt zur Beschreibung der Beziehung von Ventilation und O2-Aufnahme und des Laktat-Stoffwechsels.

AUSWERTUNG EINER SPIROERGOMETRIE MIT DER 9 FELDER GRAFIK NACH WASSERMANN.

  • Ein Begriff, der heute im Zentrum unserer Aufmerksamkeit steht, wird seinerzeit als „PoW“ = Punkt des optimalen Wirkungsgrades der Atmung geprägt; wir sprechen heute von der AT (anaerobic threshold = aerob-anaerobe Schwelle).
  • 1965: Karlman Wasserman entwickelt das bekannte Konzept der drei ineinandergreifenden Zahnräder als Metapher für die Interaktion von Ventilation, Zirkulation und Stoffwechsel.
  • 1973: Arbeiten an der breath-by-breath-Methode von Karlman Wasserman und William L. Beaver
  • 1978: Entwicklung der 9-Felder-Grafik (9-FG) von Karlman Wasserman.
  • 1986: Beschreibung der V-slope-Methode durch Karlman Wasserman und William L. Beaver

1980 bis heute

  • 1980 – heute: Die Spiroergometrie mit allen ihren wissenschaftlichen und technischen Facetten hat – wie dargestellt – auch deutsche Wurzeln. Insbesondere hat die Sportmedizin (W. Hollmann und seine Schule in Köln, basierend auf den Vorgaben von H. W. Knipping) entscheidend dazu beigetragen. Eine Standardisierung der Spiroergometrie wurde bei internationalen Symposien der RWTH Aachen (Meyer-Erkelenz) erarbeitet und 1980 publiziert.
  • Auf Initiative von Karlman Wasserman etabliert sich derzeit eine internationale Arbeitsgruppe, genannt ISEIRE (International Society of Exercise Intolerance Research and Education). Die Spiroergometrie-Arbeitsgruppe mit Einbindung in die Deutsche Gesellschaft für Pneumologie (DGP) und die Deutsche Gesellschaft für Kardiologie (DGK) wird als „German Chapter“ dabei mitwirken.

Den kompletten Artikel mit historischen Fotografien finden Sie unter:
http://www.ag-spiroergometrie.de/fileadmin/AG_Spiroergometrie/Geschichte_der_Spiroergometrie.pdf

Anwendung der Spiroergometrie im Sport

Anwendungsschwerpunkte sind die:

  • Kardiologie
  • Pneumologie
  • Leistungsdiagnostik

Entsprechend besitzt diese Methode einen breiten Anwendungsbereich, der vom herzinsuffizienten oder lungenkranken Patienten bis hin zum Hochleistungssportler reicht. Denn neben der Feststellung der Leistungsfähigkeit können auch Trainingspläne für sportliche Aktivitäten erstellt und der Fortschritt von körperlichem Training überprüft und beurteilt werden.

Ablauf einer Spiroergometrie

Der Test für einen Sportler sollte sportartspezifisch erfolgen: Ein Läufer sollte mit einem Laufband, ein Radfahrer mit dem Ergometer getestet werden.

Je nach Fragestellung wird als ergometrische Belastungsform ein stufen- oder rampenförmiges Protokoll auf dem Laufband (Geh- oder Laufbelastung) oder Fahrradergometer gewählt. Anfangsleistung und Steigerungsschritte werden unter individuellen Gesichtspunkten festgelegt.

Die Testperson trägt während des Tests eine dicht sitzende Atemmaske, die mit einem sogenannten Flowmeter versehen ist. Über diese werden in einem Atemgasmessgerät (Spiroergometriegerät) die Atemvolumina bestimmt und Gasproben zur Messung der O2– und CO2– Konzentration entnommen.

Gleichzeitig erfolgt die Registrierung der Herzfrequenz über ein Belastungs-EKG. Bei Bedarf die Messung des Blutdrucks sowie die Bestimmung der Blutlaktatwerte und Blutgaswerte aus dem auf jeder Stufe am Ohrläppchen (oder Finger) entnommenen kleinen kapillaren Blutproben.

Die Dauer der Untersuchung selbst beträgt je nach Fragestellung und Ausdauer der Testperson ca. 15 Minuten. Nach Beendigung des Tests werden alle Daten in einem Computer zusammengeführt und ausgewertet.

Bei dem Test werden sehr viele Daten erhoben, die die Aussagekraft eines herkömmlichen Laktatstufentests weit übersteigt. Aufgrund der Menge und Komplexität der erhobenen Daten bei einer Spiroergometrie ist solch ein Test für einen Hobbysportler übertrieben, da dieser die Daten des Tests nicht signifikant umsetzen kann. Hier reicht ein Laktatstufentest (welcher auch viele relevante Daten liefert und auch von Profisportlern in Anspruch genommen wird) völlig aus.

Was bei einer Spiroergometrie untersucht wird

Bei der Spiroergometrie werden Kreislauf und Atmung (Ventilation) in Ruhe und unter Belastung ermittelt und bewertet.

Kreislauf

  • Blutdruck
  • Puls
  • EKG (u. a. Herzfrequenz)
  • Kreislaufanpassung
  • Blutgase
  • Blutlaktat

Atmung (Ventilation):

  • Atemminutenvolumen (VE)
  • Sauerstoffaufnahme (VO2)
  • Kohlendioxidabgabe (VCO2)
  • Atemfrequenz (AF)
  • Atemtiefe (VT)

Daraus errechnen sich weitere Parameter:

  • Respiratorischer Quotient (RQ = VCO/ VO2)
  • Atemäquivalent für O2 (AÄO2 = VE / VO2)
  • Atemäquivalent für CO2 (AÄCO2 = VE / VCO2)
  • Atemzugvolumen (AZV = VE / AF)

Damit lassen sich Aussagen über die tatsächliche Leistungsfähigkeit von Herz, Lunge und Kreislauf gewinnen. Zudem kann recht zuverlässig unterschieden werden, ob eine Einschränkung der Leistungsfähigkeit durch das Herz oder die Lunge verursacht wird. Daneben wird die Spiroergometrie zur Überprüfung des Atemgasaustauschs (Aufnahme von O2, Abgabe von CO2) eingesetzt.

Auswertung einer Spiroergometrie

Heute stehen Gasanalysatoren mit einer Analysezeit von 90 Millisekunden zur Verfügung. Diese versorgen den Tester unermüdlich, genau und reproduzierbar in quasi Echtzeit mit Messwerten. Damit ist eine Erfassung physiologischer Daten Atemzug für Atemzug (breath by breath) möglich.

Zusammen mit den Daten aus dem Kreislauf (Puls, EKG, Blutdruck), der Ventilation (Atemminutenvolumen [AMV], Atemtiefe [VT] und Atemfrequenz [AF]) kommt über 12 – 15 Minuten eine sehr große Datenmenge zusammen.

Diese ist ohne eine sinnvolle und grafische Aufbereitung nicht fassbar und beurteilbar. Dies wird erst durch die Verfügbarkeit schneller Computer mit schnellen Farbdruckern ermöglicht.

Die 9-FG  (ein Blatt mit einer 9-Felder-Grafik) ist ein international akzeptierter Standard zur Dokumentation und Analyse der Vielzahl über eine Belastungsdauer von ca. 15 Minuten erhobenen physiologischen Werte. Atemzug für Atemzug erhobene Parameter zur Kreislauf- und zur Atemregulation werden hier – heutzutage mit schnellen Rechnern und Farbdruckern – nicht nur tabellarisch, sondern vor allem grafisch aufgezeichnet, ähnlich wie wir dies vom EKG her kennen.

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