Entwicklung einer objektorientierten Lactatleistungsdiagnostik-Software zur Ermittlung der individuellen anaeroben Schwelle mittels Dauertestverfahren

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Grundlagen
2.1 Medizinischer Hintergrund
2.1.1 Milchsäurebildung im Körper
2.1.2 Bedeutung des Parameters Lactat
2.1.3 Messbarkeit des Parameters Lactat
2.1.4 Lactatelimination im Körper
2.1.5 Leistungsdiagnostik im Sport
2.1.6 Der Stufentest
2.1.7 Bestimmung der anaeroben Schwelle im DL-Test
2.2 Softwaretechnische Grundlagen
2.2.1 Werkzeuge und Methoden moderner Softwareentwicklung
2.2.2 Softwareentwicklung nach dem V-Modell
2.3 Mathematische Grundlagen

3. Analyse der Aufgabenstellung
3.1 Objektorientierte Analyse
3.1.1 Pflichtenheft
3.1.2 OOA-Modell

4. Entwicklung des Lösungsansatzes
4.1 Lösungskonzept für den Optimierungsprozess
4.2 Optimierungsalgorithmen
4.3 Voraussetzungen für den Algorithmus
4.3.1 Verwendeter Algorithmus
4.3.2 Alternative Algorithmen
4.4 Entwurf der Software-Umgebung
4.4.1 Programmablauf
4.4.2 Einlesen und Speichern der Testdaten
4.4.3 Vorverarbeitung
4.4.4 Analyse der Messdaten eines Probanden
4.4.5 Das Benutzerfenster und die Module

5. Realisierung der Software
5.1 Implementierung
5.1.1 Datenstruktur
5.1.2 Die Klasse TStep
5.1.3 Die Klasse TStepList
5.1.4 Die Klasse Reporting
5.1.5 Das Unit Main
5.2 Aufbau der GUI
5.2.1 Die Probandendaten
5.2.2 Die Testdaten
5.2.3 Das Diagrammfenster
5.2.4 Der Report

6. Testen
6.1 Eingabe von Testdaten
6.2 Modultest
6.3 Systemtest
6.4 Vergleich des IANS-Wertes mit Ergebnissen diverser Schwellenwertmodelle

7. Validierung

8. Inbetriebnahme

9. Zusammenfassung und Ausblick

10. Literaturverzeichnis

11. Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Formelverzeichnis

Quellcodeverzeichnis

Erklärung

Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe und dass die Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt wurde.

Münster, den 13.06.08 ________________________

(Unterschrift)

Danksagung

Für die wissenschaftliche Unterstützung und hervorragende Betreuung möchte ich mich bei meinen Betreuern Prof. Dr. Schmittendorf, Prof. Dr. Anna und Herr Joachim Schonart (Geschäftsführer der Firma mesics gmbh) für die fachlichen Ratschläge und das regelmäßige Motivieren bedanken.

1. Einleitung

Heutzutage ist die moderne Sportmedizin ohne die Lactatmessung undenkbar. Die meisten leistungsdiagnostischen Verfahren verwenden die Blutlactatmessung zur Bestimmung der individuellen anaeroben Schwelle (IANS). Bereits vor 40 Jahren wurden verschiedene Testverfahren zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit entwickelt, die bei einer Steuerung der sportlichen Aktivitäten gemäß der individuellen Zielsetzung helfen sollten.

In der sportmedizinischen Leistungsdiagnostik und Trainingssteuerung sind die Lactatschwellen umstritten. Die unklare Begriffsabgrenzung führt zu einer Vielzahl existierender Schwellenmodelle. Daraus kann gefolgert werden, dass die Schwellengrenze nicht problemlos standardisiert auswertbar ist. Es existieren zurzeit ca. 15 evaluierte mathematische Schwellenmodelle. Jedes dieser Modelle liefert unterschiedliche Ergebnisse. Der Grund liegt in den zum Zeitpunkt der Evaluierung unterschiedlich vorliegenden Voraussetzungen. Diese sind teilweise systemabhängig. [12]

Um diese Ungenauigkeit zu vermeiden, wird in dieser Arbeit versucht, die IANS nicht nach den gängigen Schwellenwertmodellen, sondern nach der Dauerleistungsmethode (DL-Methode) zu bestimmen. Diese liefert nachweislich das genaueste Ergebnis und garantiert damit die professionellste Leistungsdiagnostik.

Dieses DL-Verfahren ist ein sehr zeit- und kostenintensives Verfahren und wird daher aus ökonomischen Gründen derzeit nur im Spitzensport zur Überprüfung von Diagnostiken angewendet. Eine Software zur Berechnung der IANS im DL-Test existiert auf dem Markt nicht.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll die „Entwicklung einer objektorientierten Lactatleistungsdiagnostik-Software zur Ermittlung der individuellen anaeroben Schwelle mittels Dauertestverfahren“ bearbeitet und abgeschlossen werden.

Die Software kann dann Sportwissenschaftlern im Spitzensport als Werkzeug zur Bestimmung der IANS mit höchstmöglicher Genauigkeit dienen.

2. Grundlagen

2.1 Medizinischer Hintergrund

2.1.1 Milchsäurebildung im Körper

In den Muskelzellen erfolgt die Energiebereitstellung durch Adenosin­-triphosphat (ATP), das nur in geringen Mengen in den Zellen gespeichert werden kann. Bei einer Muskelbelastung werden die energiereichen Phosphate schnell verbraucht und für die Regeneration dieser Energie­lieferanten muss gesorgt werden. [15]

Bei sehr starker muskulärer Belastung reicht der Sauerstoff für die erforderlich hohe Abbaurate der Fette nicht mehr aus. Demgemäß ist eine erhebliche Energieflussrate pro Zeiteinheit erforderlich, die überwiegend durch die anaerobe Glykolyse geleistet wird. Ohne Sauerstoff wird hierbei das Muskelglykogen über Glucose zu Milchsäure abgebaut, deren Salz als Lactat bezeichnet wird. [3, 15]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Einfacher Überblick zur Energiebereitstellung in der Muskelzelle [15]

2.1.2 Bedeutung des Parameters Lactat

Die Energieversorgung unseres Körpers erfolgt grundsätzlich über die Muskelzellen. Befindet sich der Körper im Ruhezustand oder wirkt auf ihn keine wesentliche muskuläre Belastung, so verläuft die Energiebereitstellung hauptsächlich über den "aeroben" Stoffwechsel. Für die bestehenden Anforderungen des Körpers ist die normale Atmung des gesunden Menschen ausreichend. In diesem Zustand wird Lactat nur in geringen Mengen produziert und in gleicher Höhe wieder abgebaut. Die ausbalancierte Lactatkonzentration von ca. 0,6 – 1,7 mmol/l, auch Ruhewert genannt, ist von individuellen Faktoren abhängig. Der Ruhewert kann durch verschiedene Faktoren, zum Beispiel durch Sport, Ernährung, Infektionen oder Stress, beeinflusst werden. [11, 17]

Bei erhöhten Belastungen benötigt der Körper mehr Energie und der Anteil des "anaeroben" Stoffwechsels nimmt zu. Die Lactatproduktion ist vom anaeroben Stoffwechsel abhängig. Folglich ist zu sagen, dass mit der Steigerung des anaeroben Anteils im Stoffwechsel auch eine höhere Lactatproduktion einhergeht. Bei verstärkter Belastung wird deutlich mehr Lactat produziert als abgebaut und die Lactatwerte steigen zeitbezogen deutlich an. [17]

Das Verhältnis von körperlicher Aktivität und Lactatproduktion ist abhängig von der individuellen aeroben Energiegewinnung. Dies kann zum Beispiel durch gezieltes Training positiv beeinflusst werden. Lactat ist für den Körper lebenswichtig, da es u.a. in die Skelettmuskulatur eingebaut wird und in einer Remetabolisierungsphase (Glykoneogenese) dem Gehirn als lebenswichtiges Substrat zur Verfügung gestellt wird. Hohe Lactatwerte sind dagegen als gesundheitsgefährdend zu beurteilen. Erreichen die Lactatwerte eine hohe Konzentration im Körper, bedeutet dies eine Übersäuerung des Stoffwechsels und dies kann zur Schädigung der Muskelzellen führen. [12, 17]

In der letzten Zeit entstanden viele neue Anwendungen in der Lactatmessung, zum Beispiel in der Geburtsmedizin beim Verlauf des Geburtsprozesses zur Einschätzung und zur frühzeitigen Erkennung von Geburtsrisiken oder in der Notfallmedizin und Intensivmedizin für die frühzeitige Erkennung von Organversagen und anderen allgemeinen gesundheitlichen Problemen. [17]

2.1.3 Messbarkeit des Parameters Lactat

Die durch muskuläre Beanspruchung entstehende Lactatkonzentration im Muskel führt durch Diffusion zu einer zeitverzögerten Zunahme der Lactat­konzentration im Blutkreislauf. Diese Lactatkonzentration ist nach kurzer Zeit (etwa 30 sec.) messbar und wird auch als Lactatwert oder Lactatspiegel bezeichnet. [17]

Das Lactat wird aus den belasteten Muskelanteilen über die Blutbahn in Richtung Herz transportiert. Die gemessene Lactatkonzentration ist die Differenz aus der Bildungsrate von Lactat in den Mitochondrien der Muskulatur und der Eliminationsrate z.B. durch Leber und Nieren. Die ideale Ermittlung charakteristischer Messwerte wäre die lungenarterielle Blutentnahme. Dort vermischt sich die Lactatmenge aus dem gesamten Körper zur unverfälschten Konzentration. Da eine gemischt-venöse oder arterielle Blutabnahme im Sport aus praktischen Gründen nicht erfolgen kann, erfolgt stattdessen die Abnahme von Kapillarblut aus dem Ohrläppchen oder aus der Fingerbeere. Die Entnahme von Blut aus den Fingerkuppen eignet sich aufgrund der wesentlich höheren Anzahl von Schweißdrüsen weit weniger als die Abnahme am Ohrläppchen. Vor der Messung muss die Stelle sorgfältig mit Wasser gesäubert werden, um eine möglichst geringe Einflussnahme von äußeren Fremdstoffen zu verhindern. Zum Beispiel muss der Schweiß sorgsam entfernt werden, um die Messung nicht zu verfälschen. Weiterhin sollte deshalb noch eine Probe als Gegenprobe durch eine zweite Person aus dem Ohrläppchen entnommen werden, falls die Möglichkeit dafür besteht. [16, 17, 21]

Die gemessenen Lactatkonzentrationen hängen von der Masse und der Art aktiver Arbeitsmuskulatur ab. Daraus folgt, dass je nach Sportart und Intensität sowie Art der Belastung verschieden hohe Lactatkonzentrationen zu erwarten sind. [16, 17]

2.1.4 Lactatelimination im Körper

Lactat kann vom Körper auf unterschiedliche Weise abgebaut werden. Wenn der Energiestoffwechsel wieder über die Zellatmung erfolgen kann, wird das Lactat in seine Vorstufe, das Pyruvat, zurückverwandelt und in den Kraftwerken der Zelle, den Mitochondrien, oxidiert. Zum Teil wird das Lactat über die Blutbahn in weniger belastete Muskelzellen und in Organe wie Leber oder Herz transportiert und wird dort abgebaut oder dient zur Wiederherstellung des Glykogens. Die Abbaurate des Lactates im Blut kann den Wert bis zu 0,5 mmol/l pro Minute erreichen. Deutlich langsamer wird das Lactat abgebaut, wenn die Muskelzellen in der Erholungsphase inaktiv bleiben. [15]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Einfache Darstellung des Lactatabbaus (Glyconeogenese) [15]

2.1.5 Leistungsdiagnostik im Sport

In der Leistungsdiagnostik sind die Leistungsfähigkeit eines Probanden, seine körperliche Belastungsfähigkeit zum Testzeitpunkt sowie die individuellen Veränderungen des Körpers von Interesse. In einer kontrollierten Trainingssteuerung kann damit eine Unter- und vor allem Überbelastung erkannt und verhindert werden. [3]

Dies ist besonders für die Leistungssportler zu empfehlen, die in einer kurzen Zeit die effektivsten Trainingsreize setzen wollen, ohne sich überzubelasten. [3]

Sportmediziner arbeiten mit Lactatdiagnostik, um den ihnen anvertrauten Sportlern eine effektive Trainingsempfehlung zu geben. So lassen sich die individuellen Belastungen optimal ermitteln und das Ergebnis wird über einen längeren Zeitraum kontrollierbar. Die Trainingsintensität wird meistens aus der IANS abgeleitet. Dazu existieren verschiedene trainingsmethodische Ansätze. [3,4]

2.1.6 Der Stufentest

In der Leistungsdiagnostik existieren bereits mehrere Verfahren.

Der gängige Stufentest kann auf dem Fahrrad oder auf dem Laufband durchgeführt werden. Bei der Fahrradergometrie wird hierbei die Leistung in Watt, auf dem Laufband in km/h oder mph gemessen. Die Belastung muss in einem regelmäßigen Intervall, einer steigenden Belastungsintensität sowie einer genügend langen Stufendauer (ca. 3 Minuten) erfolgen. Verbindet man die einzelnen Messwerte (Lactat und Herzfrequenz (HF)) in Abhängigkeit zum jeweiligen Belastungswert zu einer Kurve, spiegeln sich über deren Verlauf die individuelle Leistungsfähigkeit und der Zustand des Sportlers wider. [4, 16, 17]

Dadurch wird versucht, die körperliche Belastung zu bestimmen, ab der das Gleichgewicht von Lactatbildung und Lactatabbau vom Organismus nicht mehr hergestellt werden kann. Dieser so genannte Maximale Lactat-Steady-State (MaxLaSS) tritt bei ca. 4 mmol Lactat pro Liter Blutflüssigkeit ein. Eine Darstellung einiger anderer Schwellenwertmodelle findet sich im Anhang C. [2, 12, 14]

Hieraus ergibt sich die anaerobe Schwelle, die auch als Dauerleistungsgrenze bezeichnet wird. Bei jedem Menschen liegt diese Schwelle bei der Belastungsgrenze, die vom eigenen Leistungszustand abhängt. Sie wird daher als individuelle anaerobe Schwelle (IANS) bezeichnet. [12]

Die IANS repräsentiert die obere Grenze des aerob-anaeroben Übergangs, in der zusätzlich zu den aeroben Energielieferungsmechanismen auch die anaeroben Prozesse (anaerobe Glykolyse) eine wichtige Rolle spielen. [5, 12]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Blutlactatkonzentration (rote Punkte) bei steigender Belastung (Balken) in Abhängigkeit von der Zeit. Die durchgezogene rote Linie stellt den hypothetischen Verlauf der Lactatkonzentration dar. [23]

Wird der Stufentest nach wenigen Wochen des Trainings wiederholt, so werden zur Ableitung des künftigen Trainings mehrere Indikatoren untersucht. Eine flach verlaufende Lactatkurve spiegelt beispielsweise einen verbesserten aeroben Stoffwechsel wider. Steile Lactatkurven zeugen von einer geringen Lactattoleranz und damit einer niedrigen Belastungsfähigkeit. [12, 14]

2.1.7 Bestimmung der anaeroben Schwelle im DL-Test

Die anaerobe Schwelle wird auch hier mit der Messung des Blutlactatspiegels unter Belastung bestimmt. Dabei wird die Lactatkonzentration bei verschiedenen Belastungsintensitäten gemessen. Im Gegensatz zum normalen Stufentest sind jedoch die Stufenbelastungen länger und es erfolgen mehrere Messungen pro Belastung­sstufe (vergleiche Abbildung 3 und 4). Die Belastung, die gerade noch zu einem Lactat-Steady-State führt, zeigt die anaerobe Schwelle an. Dabei wird folgende Definition verwendet: „Das Maximale Lactat-Steady-State findet sich auf der Belastungsstufe, bei der der Lactatwert noch nicht mehr als 0,5 mmol/l pro ca. 10 Minuten ansteigt.“ [siehe Anhang A]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Ermittlung der MaxLaSS nach dem Dauerleistungstest (max. Lactat-Steady-State Test)-Verfahren [23]

Das schrittweise Herantasten an das MaxLaSS ohne vorherige Kenntnis des Leistungszustandes des Probanden kann zu einer sehr unökonomischen Messung führen, da die Einstiegslast bzw. die Laststeigerung zu hoch oder zu niedrig angesetzt werden kann.

Daher wird dieser Test meist nur im Anschluss an einen kurzen Stufentest zur genaueren Analyse des Trainingszustandes (vorrangig bei Leistungssportlern) genutzt. [16]

2.2 Softwaretechnische Grundlagen

2.2.1 Werkzeuge und Methoden moderner Softwareentwicklung

Um den richtigen Funktionsablauf von Softwaresystemen in kurzfristigen Entwicklungszeiten einzuhalten, ist es notwendig, dass das Projekt in allen Phasen der Entwicklung methodisch und technisch möglichst gut durch ein passendes Hilfsmittel, z.B. durch ein CASE-Tool, unterstützt wird. [29, 30, 38]

Das Programm muss präzise auf Verbraucherwünsche und Verbraucher-anforderungen abgestimmt werden. Die Großprojekte werden nicht in einem einzigen Schritt fertig gestellt, sondern sie werden in mehreren Entwicklungsprozessen und in einzelnen Projektphasen unterteilt. [30, 37]

Um den Prozess der Softwareentwicklung strukturiert und steuerbar durchführen zu können, werden spezielle Vorgehensmodelle angewendet. Ohne ein strukturiertes Vorgehen könnten entscheidende Punkte ausgelassen oder in einer falschen Abfolge ausgeführt werden. Hierbei haben sich einige standardisierte Vorgehensweisen wie das Wasserfallmodell, das Spiralmodell oder das V-Modell als nützlich erwiesen. Um herauszufinden, was das Programm oder das Produkt können soll, werden die Verläufe in kleinere Projektphasen wie Anforderungsanalyse, Entwurf, Implementierung, Testen und Validierung aufgeteilt. Je nach Größe erfolgt eine immer feinere Unterteilung des Projekts. Die Produktqualität ist sowohl von der Projektkoordinierung als auch von der Analyse und dem Entwurf der Granulierung abhängig. Dadurch werden verbleibende Fehler nach der Auslieferung an den Kunden vermieden. [29, 30, 32]

Alle Modelle legen eine Systematik für eine geordnete Projektabwicklung fest. Damit wird eine für alle beteiligten Personen gemeinsame und verbindliche Sicht der auszuführenden Aktionen sowie die zeitliche Abfolge im Prozess definiert. [29, 30]

Eine große Akzeptanz findet hierbei das V-Modell. Bei diesem Modell werden nicht nur der Entwicklungsprozess, sondern auch die Prozesse der Wartung und Pflege beschrieben. So kann eine höhere Qualitätssicherung erlangt werden, indem jede Phase des Entwicklungsprozesses dokumentiert wird. Hier zeigt das V-Modell aber auch seinen Nachteil, welcher nach Balzert et al. darin besteht, dass es einen zu hohen Aufwand für das Projektmanagement erfordert und extrem dokumentenbasiert ist. [30, 38]

Generell können strukturierte oder objektorientierte Methoden zu einem erfolgreichen Softwareprojekt führen. Eine objektorientierte Methode allein ist kein Garant für den Erfolg. Wie in jedem Projekt müssen unabhängig von der Vorgehensweise und der verwendeten Technologie noch weitere Rahmen­bedingungen wie Personen oder Projektkontrolle genau auf das Projekt abgestimmt werden, um den Erfolg garantieren zu können. [29, 30, 31]

Eine objektorientierte Methode bietet aufgrund mehrerer Voraussetzungen heutzutage eine besonders gute Basis für erfolgreiche Softwareentwicklung. Der objektorientierter Ansatz lässt sich bei Verwendung entsprechender Techniken wie eine objektorientierte Programmiersprache bei allen Tätigkeiten eines Projekts verfolgen. Es kommt zu einer einheitlichen Betrachtung vom Problem bis zur Lösung. Die Methoden der Objektorientierung bieten unter anderem auch ein Fundament für qualitativ gute Implementierung. [30, 31]

In dieses Projekt wird die Vorgehensweise des V-Modells integriert und in dieser Diplomarbeit dokumentiert. Der beschriebene Lösungsansatz (siehe Kapitel 4) der entwickelten Anwendung wird aufgrund der betriebsinternen Verwendung der Entwicklungsumgebung Delphi auch in dieser Programmiersprache umgesetzt. Die Oberflächen lassen sich mit dieser Entwicklungsumgebung leichter visualisieren und ermöglichen somit eine weitere reibungslose Weiterentwicklung im Unternehmen.

In einer objektorientierten Programmierung werden Klassen definiert, deren Instanzen (Objekte) mit Eigenschaften und Methoden ausgestattet werden. Die Daten werden in einem Objekt gekapselt, um die Manipulation durch andere Objekte oder Funktionen zu vermeiden. Die Unterklasse kann auch von der Basisklasse abgeleitet werden und erbt dadurch alle Eigenschaften und Fähigkeiten der Basisklasse. [13, 30]

Im Kapitel 5 werden die für die Anwendung entwickelten Klassen übersichtlich dargestellt und erläutert.

Die softwaretechnischen Werkzeuge, die für dieses Projekt benutzt wurden, werden im Anhang B detaillierter dargestellt.

Ziel der Software ist, dem Diagnostiker ein Werkzeug zur Automatisierung der Blutlactatauswertung anzubieten. Dabei soll die Software auf dem Betriebssystem WINDOWS 2000 und höher lauffähig sein.

2.2.2 Softwareentwicklung nach dem V-Modell

Für die IT-Systementwicklung gibt es verschiedene Entwurfsansätze. Das V-Modell ist ein Vorgehensmodell, welches häufig bei der Systementwicklung eingesetzt wird. Es kann für die Entwicklung von Software, aber auch für die Entwicklung von Hardwaresystemen verwendet werden. Der Name bezieht sich auf die Form der graphischen Darstellung des Modells. Der Entwurf hat einen militärischen Ursprung und wurde durch den Bundesminister für Verteidigung als Entwicklungsstandard für die Softwareerstellung bei der Bundeswehr vorgeschrieben. Für die zivilen Projekte wird das V-Modell zur Anwendung empfohlen. Es definiert die in einem Projekt zu erstellenden Ergebnisse und beschreibt konkrete Vorgehensweisen für deren Erarbeitung. Ein methodisches Vorgehen nach dem standardisierten V-Modell erlaubt es, komplexe und umfangreiche Projekte zielgerecht durchzuführen. Die Projekte werden besser planbar und nachvollziehbar und erzielen verlässliche Ergebnisse, die sowohl für den Auftraggeber als auch den Auftragnehmer von Vorteil sind. Die notwendige Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Projektpartnern und auch ihren Aufgaben werden genau definiert. [19, 29]

Das Projekt wird in zwei Phasen zerlegt. Im absteigenden linken Teil der V-Form wird die erste Phase abgebildet. Dieser stellt die Aufgabenstellung und Entwicklung des Lösungsansatzes dar. Der aufsteigende rechte Teil der Grafik beschreibt die zweite Phase, die Realisierung und Validierung. [19, 29, 38]

Am oberen Rand der Grafik sind die einzelnen Phasen im zeitlichen Verlauf eines Entwicklungsprogramms abgebildet. Alle Bestandteile werden Stufe für Stufe aufgegliedert und verfeinert. [19]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: V-Modell [19]

Alle Anforderungen und Spezifikationen jeder Stufe der ersten Phase werden gegenüber der nächst höherer Stufe validiert. Alle Stufen des V-Modells müssen nachvollziehbar sein und nacheinander durchgeführt werden. In der zweiten Phase, der Realisierung und Validierung, werden die einzelnen Systemkomponenten umgesetzt, implementiert und getestet. Die Ergebnisse eines jeden Arbeitsschritts werden anhand der Spezifikationen der ersten Phase verifiziert. [19, 29]

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