Wie alle Managementdisziplinen basiert auch das Trainingsmanagement auf einem Kreislauf aus Planung, Durchführung, Verifikation der Ergebnisse sowie der Optimierung des Trainings auf Grundlage der gemessenen Ergebnisse. Im Rahmen der Bestandsaufnahme bei der Trainingsplanung, aber insbesondere auch bei der laufenden Kontrolle der Trainingsergebnisse, kommen Messverfahren der Leistungsdiagnostik zum Einsatz, die insbesondere zur Bestimmung aerober und anaerober Schwellen eingesetzt werden.

SmO2 in der Leistungsdiagnostik

Klassische leistungsdiagnostische Verfahren, wie Spiroergometrie und Laktatdiagnostik, können in diesem Zusammenhang nur systematische, vermischte körperliche Gesamtzustände aufzeigen, nicht jedoch lokale momentane Zustände der aktiven Muskulatur.

Im Gegensatz dazu erlaubt die Nah-Infrarot Technologie (NIRS) eine nicht-invasive mobile Echtzeit-Messung der Sauerstoffsättigung in der Skelettmuskulatur und ermöglicht so die Erfassung von lokalen metabolischen Reaktionen. Darüber hinaus erlaubt das VIS-Verfahren Messungen im hautoberflächennahen Bereich und somit die Bestimmung weiterer Parameter.

Anhand der bisher vorliegenden Arbeiten [1-7] stellt die Erfassung der SmO2 über NIRS ein sinnvolles und vielversprechendes Verfahren zur Leistungsdiagnostik und Trainingssteuerung dar. Denn die Belastungsreaktion auf die innere Beanspruchung kann mittels SmO2 viel direkter und ohne zeitliche Verzögerung bestimmt werden als mit den klassischen Verfahren der Laktatdiagnostik und Spiroergometrie. Die genauen physiologischen Zusammenhänge sind zur Zeit noch Inhalt zahlreicher Forschungsstudien.

NIRS in Beziehung zur klassischen Laktatdiagnostik

Die Entstehung von Laktat bedingt ein sauerstoffarmes Milieu in den Mitochondrien der aktiven Muskulatur. Nur unter diesen Voraussetzungen läuft die Energiegewinnung weitgehend über die Milchsäuregärung ab, bei der große Mengen Kohlenhydrate anaerob verstoffwechselt werden. Das in den Zellen der Muskulatur während der Glykolyse gebildete Laktat diffundiert zeitlich verzögert über die Zellmembranen in den Blutkreislauf und wird erst ca. 2-3 min nach Beginn einer gleichbleibenden, niedrigen bis mittleren Belastung am Ohrläppchen per Blutentnahme als konstant vorhanden messbar. Die ermittelte Laktatkonzentration ist ein von vielen Faktoren (Bildungsrate, Eliminationsrate, Diffusionsrate, Verteilung, Enzymbesatz, Trainingszustand, Ernährungszustand u.v.m.) beeinflusster Parameter. Nimmt die körperliche Belastung über einen gewissen Grad (anaerobe Laktatschwelle genannt) zu, so kann zwischen der steigenden Laktatbildungsrate und der organisch limitierten Eliminationsrate kein Gleichgewicht mehr bestehen, folglich wird pro Zeiteinheit mehr Laktat im Blut akkumuliert. Es kommt (lastbezogen) zu einem überproportionalen Anstieg der Laktatkonzentration. Dieser übersäuerte Zustand führt dann nach einer gewissen, kurzen, individuellen Toleranzzeit zur muskulären Erschöpfung.

Um die Zeit als beeinflussenden Parameter zu eliminieren und die lastabhängige Höhe der Laktatkonzentration zu ermitteln, wird in der Laktatdiagnostik die Last eine gewisse Zeit lang konstant gehalten (ab 3 min). Nur so gewinnt man (zumindest unter aerober Belastung) tatsächlich einen auf die Last bezogenen Laktatwert. Diese Form der Diagnostik wird als Stufentest bezeichnet. Im Rampentest ermittelte Laktatwerte resultieren aufgrund ihrer unbekannten und individuell unterschiedlichen zeitlichen Entwicklungshistorie zu wenig aussagekräftigen Resultaten.

Mittels eines auf das Belastungsprofil abgestimmten Laktatschwellenwertmodells kann dann aus dem Stufentest die individuelle anaerobe Schwelle (LT2) ermittelt werden. Das erste sichtbare Einsetzen einer Laktatakkumulation wird als aerobe Laktatschwelle (LT1) bezeichnet. Auch diese kann im Test festgestellt werden.

Die Entnahme einer Laktatprobe stellt aufgrund ihres blutigen Eingriffs ein nicht ganz einfaches, risikobehaftetes und lästiges Unterfangen dar. Im Stufentest wird am Ende einer Belastungsstufe je ein Wert bestimmt. Daher basiert eine Laktatkurveninterpretation nur auf einer relativ geringen Menge von Messwerten. Die Laborwerte werden in einem chemischen Prozess im Messgerät ermittelt. Je nach Gerät fallen pro Messung Kosten zwischen 0,15 € – 1,50 € an. Die Geräte selbst schlagen mit Kosten zwischen 450 € – 7.000 € zu buche. Die Interpretation wird zudem nur über spezielle Softwareprodukte möglich. Eine aktive Trainingskontrolle ist mit Laktatmessungen nur sehr umständlich möglich.

Die Messung der Sauerstoffsättigung der aktiven Muskulatur erfolgt mittels NIRS unblutig, in-situ, verzögerungsfrei und kontinuierlich. OXY DR1 ist zudem von Jedermann einfach zu bedienen und es entstehen keine Verbrauchskosten.

Es stellt daher eine ideale Ergänzung der Laktatdiagnostik dar.

NIRS in Beziehung zur klassischen Spiroergometrie

In der klassischen Spiroergometrie werden verschiedene Atemparameter bestimmt (VO2, VCO2, Ventilationsraten u.v.m.). Je nach Zielsetzung wird dabei das Augenmerk auf verschiedene Entwicklungen unter Belastung gelegt. Für die Leistungsdiagnostik interessant ist vor allem – genau wie in der Laktatdiagnostik – die Position der aeroben und anaeroben Schwelle (aufgrund der Historie werden die Bezeichnungen zwar etwas verwirrend genutzt, man hat sich heute aber auf die ventilatorischen Schwellenbezeichnungen VT1 bzw. VT2 verständigt).

Es ist augenscheinlich, dass die Schwellen LT1 und VT1 sowie LT2 und VT2 in einem bestimmten physiologisch begründbarem Zusammenhang stehen: Ein hoher Laktatpegel im Blut bedingt eine vermehrte Abatmung von Kohlenstoffdioxid (CO2), es kommt zur Hyperventilation. In den Darstellungen der Parameter VCO2, VE gegen die Zeit/Last oder VO2 kommt es zum überproportionalen Anstieg von VCO2.

Die Spiroergometrie ist ein technisch und finanziell sehr aufwändiges Messverfahren, wenngleich – bei korrekter Durchführung – ein ultimatives Werkzeug um eine valide Gesamtaussage über belastungsinduzierte Reaktionen des Herzkreislaufsystems und auch der Lunge zu treffen. Die Spiroergometrie ist für die Diagnostik einer Person im Hinblick auf die Angabe von Trainingsintensitäten zwar ein probates Mittel, sie ist jedoch für die aktive Trainingskontrolle (Messung im Training) aufgrund der Kosten und der Komplexität der Mittel nicht einsetzbar.

Die Bestimmung der Sauerstoffsättigung (SmO2) mittels NIRS kann die Spiroergometrie um einen sehr wertvollen physiologischen Parameter ergänzen. Die Verwendung des pulsatilen Anteils der Messung im sichtbaren (VIS) und im Nah-Infrarotbereich (NIR) mittels OXY DR1 ermöglicht zudem die Ermittlung weiterer bedeutsamer Parameter wie PI (Pulsindex) und THI (Tissue Hemoglobin Index).

VIS/NIRS mittels OXY DR1 – ein neues Mittel zur Diagnostik und Trainingskontrolle

Das VIS/NIRS Verfahren des OXY DR1 ermittelt durch seine zweischichtige Technologie Parameter in hautoberflächennahen (VIS) Gebiete und der Zonen innerhalb des beanspruchten Muskelgewebes (NIR). Dabei werden die Parameter SmO2, THI, PR, HRV und PI mess- bzw. ableitbar. Wie oben erwähnt stellt SmO2 einen wirksamen Kontrollparameter des Sauerstoffgehaltes in der (günstigstenfalls) aktiven Muskulatur dar. Er wird in relativen Zahlenwerten angegeben. Mit zunehmender Beanspruchung der Muskulatur sinkt die relative SmO2 mit zwei meist deutlich sichtbaren Knickpunkten ab. Beide Knickpunkte korrelieren mit den entsprechenden Schwellen (LT1, LT2) in der Laktatdiagnostik und der Spiroergometrie (VT1, VT2).

fig 1

Darstellung eines Stufentests mit steigender Belastung (3 min Stufen) auf dem Radergometer (Watt = Orange, rechte Achse), Laktat (10 fach erhöht in mmol/l, grau) und SmO2 (blau=Prozent, linke Achse). Das zweimalige Abknicken der blauen Sättigungskurve fällt mit den ventilatorischen Schwellen zusammen und kann durch die Laktatkinetik ebenfalls bestätigt werden.

Quelle: Zentrum für Sportmedizin Münster, Dr. Andreas Greiwing, unveröffentlichte Daten

Die Relevanz des NIRS Messverfahrens für die Sportmedizin und des Leistungsmonitorings liegt in seiner hohen Praktikabilität. Es erlaubt aufgrund der bereits genannten Möglichkeit zur nicht-invasiven mobilen Echtzeit-Messung eine gezielte Trainingssteuerung. Für den Kraftsport heißt das, dass der Erschöpfungsstatus der aktiven Muskulatur stetig abgerufen und der Grad der Beanspruchung sofort vom Trainierenden angepasst werden kann, um Überlastungen zu vermeiden. Darüber hinaus lassen sich bei Verwendung mehrerer Sensoren Dysbalancen in der Muskulatur der jeweiligen Extremitäten feststellen.

Für sportmedizinische Analysen ist jedoch nicht nur der Wert SmO2 relevant. Vielmehr ist es die Überwachung einer Kombination von multiplen physiologischen Parametern, wie zum Beispiel Pulsrate, Respirationsrate, Pulsindex oder Gewebehämoglobinindex, die eine umfassende Leistungsdiagnostik zulässt. Bisher kann dies jedoch nur im institutionellen Rahmen mit Hilfe spezieller Diagnosegeräte vorgenommen werden. Hier ist eine Lücke ersichtlich, die durch weitere Fortschritte in der NIRS Technologie geschlossen werden kann. Die Bestimmung der Sauerstoffsättigung und deren Interpretation ist noch ein relativ junges wissenschaftliches Fachgebiet. Wir halten Sie hier über die aktuellen Forschungsergebnisse auf dem Laufenden.

Fazit

OXY DR1 stellt einen Quantensprung in der Leistungsdiagnostik dar und gibt unter anderem zuverlässig und reproduzierbar Antwort auf eine entscheidende Frage: Ab welcher Belastung arbeitet die aktive Muskelgruppe eines Athleten oder Patienten tatsächlich im anaeroben Bereich unter Sauerstoffmangelbedingungen? Und das nicht nur im Rahmen von Labortests im Rahmen der Trainingsplanung, sondern auch und insbesondere im Rahmen der fortlaufenden Zustands- und Erfolgskontrolle im Trainingsalltag. Als Ersatz oder Ergänzung zu aufwändigen traditionellen diagnostischen Verfahren wie Laktatmessung und Spiroergometrie bietet OXY DR1:

  • kontinuierliche, verzögerungsfreie und mobile Messungen ohne Unterbrechung der Belastung und somit eine große auswertbare Menge von Messdaten;
  • direkte, fortlaufende Messungen der Sauerstoffsättigung SmO2 im Muskel sowie Erhebung einer Reihe von weiteren Parametern wie Hämoglobinindex, Pulsrate, Pulsindex und Pulsratenvariabilität zur Betrachtung eines ganzheitlichen Bildes
  • ein nichtinvasives Messverfahren, das mit Hilfe der Nah-Infrarot Technologie (NIRS) eine muskelgruppenbezogene Aussage über die relative Sauerstoffversorgung der aktiven Muskulatur anzeigt;
  • ein einfaches System, gegen das die wiederholte Blutentnahme oder der Umgang mit unbehaglichen Masken ebenso umständlich erscheinen, wie die täglichen Herausforderungen mit der Gas- und Flusskalibrierung, der Desinfektion oder den zeitlich begrenzt einsetzbaren Gassensoren;
  • ein kostengünstiges, robustes System, das Athleten auch ohne Begleitung durch Dritte verwenden können und das Messungen ohne laufende Kosten erlaubt.

Das gesamte OXY DR1 Set für Leistungsdiagnostik besteht aus bis zu 4 Sensoren zur möglichen Arrayschaltung auf verschiedenen zu untersuchenden Muskelgruppen und einer professionellen Mess- und Auswertesoftware (Spiro/Laktat/SmO2). Im Training selbst reichen ein Smartphone oder Tablet sowie ein OXY DR1 Sensor um die Diagnostik durch mobile Echtzeit-Messungen zu verifizieren, sodass ein unmittelbares Feedback und somit eine gezielte Trainingssteuerung möglich wird.

Literatur

Mehrere Studien belegen bereits signifikante Zusammenhänge zwischen der Sauerstoffsättigung von bewegungsrelevanter Muskulatur und klassischen metabolischen Parametern wie den anaeroben Laktatschwellen:
1. Grassi, B., et al., Blood lactate accumulation and muscle deoxygenation during incremental exercise. J Appl Physiol (1985), 1999. 87(1): p. 348-55. 2. Bellotti, C., et al., Determination of maximal lactate steady state in healthy adults: can NIRS help? Med Sci Sports Exerc, 2013. 45(6): p. 1208-16.
2. Bellotti, C., et al., Determination of maximal lactate steady state in healthy adults: can NIRS help? Med Sci Sports Exerc, 2013. 45(6): p. 1208-16.
3. Snyder, A.C. and M.A. Parmenter, Using near-infrared spectroscopy to determine maximal steady state exercise intensity. J Strength Cond Res, 2009. 23(6): p. 1833-40.
4. Soller, B. R., et al., Noninvasive determination of exercise-induced hydrodgen ion threshold through direct optical measurement. J Appl Physiol (2008). 104(3): p. 837-44.
5. Zou, Fengmei, et al., Investigation of spectral interferences on the accuracy of broadband CW-NIRS tissue SO2 determination. Biomedical Optics Express, 2010. 1(3): p. 748-61.
6. Buchheit M, et al., Physiological responses to shuttle repeated -sprint running. Int J Sports Med, 2010. 31(6): p. 402-9.7. Wang LX, Yoshikawa T, Hara T, Nakao H, Suzuki T, Fujimoto S., Which common NIRS variable reflects muscle estimated lactate threshold most closely? Appl Physiol Nutr Metabol 31: 612–620, 2006.
7. Wang LX, Yoshikawa T, Hara T, Nakao H, Suzuki T, Fujimoto S., Which common NIRS variable reflects muscle estimated lactate threshold most closely? Appl Physiol Nutr Metabol 31: 612–620, 2006

*für einen Einzelsensor aus dem OXY DR1 Set