Die Spiroergometrie 

in Arbeit

ist ein Verfahren, bei dem durch Messung des Volumens und der Konzentration der Atemgase  während einer definierten körperlichen Belastung die Reaktionen von Herz, Kreislauf sowie Atmung und Stoffwechsel untersucht und quantifiziert werden können. Lässt man die Arbeit weg, so kann man mit der Spirometrie und zusätzlicher Bestimmung der Atemgase einfach den Grundumsatz messen – ein Grund, warum Endokrinologen sich schon lange mit der Methodik beschäftigen.

im Einzelnen werden die folgenden Parameter während der Untersuchung fortlaufend erfasst:

  • Herzfrequenz   (beats/min)
  • RR syst und diast.   (mm Hg)
  • Atemfrequenz   (Atemzüge/min)
  • Atemzugvolumen   (ml / Atmenzug)
  • Atemminutenvolumen  (ml / min)
  • Sauerstoffaufnahme; VO2   (ml O2 / min)
  • CO2-Abgabe; VCO2   (ml CO2 / min)
  • Respiratorische exchange Rate (RER) 
    ml CO2 / min  /  ml O2 / min
  • endexpiratorischer O2; Pet O2   (mm Hg)
  • endexpiratorischer CO2-Druck;  Pet CO2   (mm HG)

Zusätzlich können weitere Parameter ermittelt werden. Uns interessieren im Folgenden:

  • VO2max: maximaler Sauerstoffverbrauch (ml / kg Körpergewicht); entspricht der maximalen Leistungsfähigkeit.
  • VT1 (ventilatory threshold 1): Die Ausatmung von CO2 steigt stärker als die Aufnahme von O2, der RER steigt an. Entspricht in Näherung der LT1 (der Laktatschwelle1)
  •  VT2 (ventilatory threshold 2 = RC-Punkt)  Der Anstieg des Atemminutenvolumens ist stärker, als der Anstieg der CO2-Ausatmung. (entspricht in Näherung der LT2 (der Laktatschwelle 2).
  • der RQ, der respiratorische Quotient, der sich aus dem Verhältnis von ausgeatmeter CO2 zu aufgenommenem O2 berechnet und Aufschluss darüber gibt, wieviel der verwendeten Energie aus der Oxidation von Glucose bzw. Fettsäuren entsteht.
    • Warum der RQ richtiger als RER (respiratory exchange rate) bezeichnet werden sollte, finden Sie hier.

Wie funktioniert die Spiroergometrie?

Die frühen Anfänge der Spiroergometrie reichen bis ins Ende des 19. Jahrhunderts. Mit dem Douglas-Sack, einem sehr großen Luftballon, mit dem der Gasaustausch gemessen wurde, hat der ältere der beiden Autoren noch seine ersten Grundumsatzuntersuchungen durchgeführt. Fehler in der Handhabung und bei der Kalkulation waren leicht zu erzielen!

Heute zieht der Proband eine gut schließende Plastik-Maske auf, die mit Messsensoren verbunden ist. Die Sensoren sind äußerst klein und die Aufzeichnung der daten erfolgt auf einen Handygroßem Gerät! Damit sind die Spiroergometer heute sogar problemlos im freien Gelände verwendbar.

© CORTEX Biophysik GMBH    Die heutigen Spiroergometer sind mittlerweile sogar amulant nutzbar und ermöglichen so vielfältige sportmedizinische und Stoffwechseluntersuchungen, zumindest, wenn man sie im Steady State des Laktat durchführt. s. Fettverbrennungspuls.

Hat man richtig geeicht, gibt es kein Leck, ist der Luftabschluss bei am Maskenende zugehaltenem Ausgang komplett, dann ist das Erzielen reproduzierbarer Ergebnisse auch auf dem Ergometer, sogar im Freien – keine Kunst mehr. Die  Interpretation der Messergebnisse insbesondere bei den verschiedenen medizinischen Fragestellungen erfordert aber für jedes der Fächer spezifische Erfahrungen!

Generell werden bei der Spiroergometrie zwei verschiedene Belastungsregime unterschieden:

  • die Rampenbelastung, bei der alle meist alle 30 Sekunden die Belastung in kleinen Schritten gesteigert wird,
  • die Stufenbelastung, in der eine definierte Steigerung alle 3 – 4 Minuten vorgenommen werden sollte, um näherungsweise jeweils ein Steady state zu erreichen.

Geht es bei einem Probanden um die Abklärung von Krankheiten, so sollte unbedingt ein EKG mit gemacht werden. Es gelten dafür eindeutige Ausschluss- und Abbruchkriterien.

Wozu dient die Spiroergometrie?

Da die Spiroergometrie Auskunft über viele Funktionen unseres Körpers gibt, wird sie in vielen medizinischen Fachdisziplinen sowie in den Sportwissenschaften bei spannenden Fragestellungen angewandt.

  • Beurteilung der kardiopulmonalen Leistungsfähigkeit
  • Abklärung von Herzkrankheiten
  • Frage der Belastungshypertonie
  • Gas-Austausch-Störungen in der Lunge
  • Präoperative Leistungskontrolle
  • gutachterliche Leistungsanalyse
  • Stoffwechseluntersuchungen in Ruhe und unter Belastung
  • Trainingssteuerung bei Athlethen
  • Trainingssteuerung bei Sportwilligen

Auf die vielfältigen medizinischen Indikationen und Interpretationen soll in diesem Artikel nicht eingegangen werden. Dazu finden sich ausreichend viele Publikationen und Lehrbücher, sowie kompetentere Autoren, als uns!

Auf unserer Homepage möchten wir uns aber mit den Aspekten der Spiroergometrie bei Stoffwechseluntersuchungen und zur Trainingssteuerung im Sport auseinandersetzen.

Indirekte Kalorimetrie

Laut Wikipedia ist ein Kalorimeter (lat. calor :Wärme‘; metari, abmessen) ein Messgerät  zur Bestimmung der Wärmemenge, die bei physikalischen,  chemischen oder biologischen Prozessen freigesetzt oder aufgenommen wird. Man misst also, wieviel Wärme z.B. ein Mensch in einem umschlossenen, sehr aufwändig abgeschirmtem Raum an Wärme produziert.

Bei der indirekten Kalorimetrie wird der Kalorienverbrauch indirekt über den gemessenen Sauerstoffverbrauch berechnet. Bei Mensch und Tier kann man davon ausgehen, dass pro Liter Sauerstoff im Mittel 4,85 kcal  frei werden. Dabei macht es aber einen Unterschied, wieviel zum Zeitpunkt der Messung an Fetten ( 4,68 kcal/l O2 ), Eiweißen (4,8 kcal/l O2  ) oder Kohlenhydraten (5,05 kcal/l O2) zur Energiegewinnung verwendet werden; das kalorische Äquivalent ist also vom RER abhängig, vom Verhältnis aus ausgeatmetem CO2 / aufgenommenem O2 und kann nach der folgenden Formel mit größerer Genauigkeit berechnet werden:

  • Kal. Äquivalent = (1,233∗ RER + 3,85) kcal / l O2  
    Für diejenigen, die schon auf Joule umgestellt haben:
  • Kal Äquivalent = (5,14 ∗ RER + 16)  kJ / l O2.

Zum Respiratorischen Quotienten (RQ) bzw. zur respiratorischen Austausch Rate (RER, respiratory exchange rate)

Aus dem Verhältnis von ausgeatmetem CO2 zu aufgenommenem O2 kann (unter nicht Beachtung der Oxidation von Eiweißen) zurück geschlossen werden, wie hoch der Anteil an Glucose bzw. an Fettsäuren an der Energiegewinnung ist.

Wieso?
Bei der Oxidation von Glucose wird für 1 Mol CO2  je 1 Mol O2 benötigt, bei der Oxidation von Fettsäuren nur 0,7 Mol CO2 pro Mol O2 freigesetzt.

Glucose-Oxidation: C6H12O6 + 6 O2    à    6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP
gebildetes CO2 / aufgenommener O2 / = 1  (respiratorischer Quotient)

Fett-Oxidation: C15H31COOH + 23 O2   à    16 CO2 + 16 H2O + 129 ATP
gebildetes CO2 / aufgenommener O2 / = 16/23 = 0,7 (respiratorischer Quotient)

Aus dem Respiratorischen Quotienten kann entsprechend berechnet werden, wie hoch der Prozentsatz von Glucose bzw. Fettsäuren an der Energiebereitstellung ist.

Abb. 2: Zum Einfluss der Oxidation von Fettsäuren (gelb) und Glucose (blau) auf den RER.

Wie im Kapitel Fettverbrennungspuls und unter RER und Hyperventilation dargestellt, kann aus dem RER aber nur dann über den Anteil von Glucose und Fettsäuren an der Energiegewinnung geschlossen werden, wenn keine anderen Quellen für die Menge des ausgeatmeten CO2 vorliegen; ein Fakt, über den schon die Haupt-Protagonisten der Spiroergometrie in den 60er Jahren des vorigen Jahrhunderts berichtet haben, ohne allerdings den Anteil, den z.B. die Pufferung des Laktat durch eine vermehrte Abatmung von CO2 über die Lunge hat, zu quantifizieren, was wir unter dem Kapitel „Fettverbrennungspuls“ nachgeholt haben.

 

Spiroergometrie im Sport

Spiroergometrie und Laktat

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