Eine stufenförmige Spiroergometrie stellt eine Belastungsuntersuchung dar, um die cardiopulmonale Leistungsfähigkeit des Probanden zu bestimmen. Höhenbedingungen schränken die Leistungsfähigkeit ein. Im Gegensatz zu Anpassungsreaktionen an chronische Hypoxie wurden die Reaktionen auf akuten Sauerstoffmangel noch sehr wenig erforscht.
Ziel dieser Arbeit war es, aufgrund der divergierenden Beobachtungen einzelner Studien, herauszufinden, wie sich einzelne physiologische Parameter auf einer simulierten Höhe von 3500m verändern. Ein weiteres Ziel dabei ist, den Zusammenhang zwischen den einzelnen Schwellen (LTP1, LTP2, HRTP und VTP) zu prüfen und auch das Knickverhalten der Herzfrequenzleistungskurven zu untersuchen.
Methode: 10 männliche Probanden absolvierten 2 maximale stufenförmige Spiroergometrien am Fahrradergometer – unter Normoxie (20,93% O2) und unter normobaren Hypoxiebedingungen (14,1% O2) in einer Hypoxiekammer. Unterschiede und Zusammenhänge zwischen beiden Umgebungsbedingungen wurden geprüft.
Ergebnis: Die Leistung und die Sauerstoffaufnahme sind unter Sauerstoffmangelbedingungen signifikant reduziert, wobei die anaerobe Kapazität erhalten bleibt. Des Weiteren wurde ein hochsignifikanter Zusammenhang zwischen Pmax und ΔPmax sowie VO2max und ΔVO2max gefunden. Trainierte Probanden weisen demnach einen größeren Verlust der VO2max und dadurch auch der Pmax auf. Die einzelnen Schwellen konnten unter Hypoxie als reproduzierbar gefunden werden, wodurch das Konzept der Dreiphasigkeit der Energiebereitstellung auch unter Sauerstoffmangelbedingungen bestätigt wurde. Es zeigt sich des Weiteren eine Änderung des Knickverhaltens, wobei diese vom Herzfrequenzverlauf unter Normoxie abhängig ist und auf Unterschiede der ß1-Rezeptoren hinweist.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Die Atmung
2.1. Anatomie des Atmungsapparates
2.1.1. Lungen- und Atemvolumina
2.2. Physiologie der Atmung
2.2.1. Funktionen der Atmung
2.2.2. Grundlagen des Gasaustausches in der Lunge
2.2.2.1. Luftzusammensetzung – Luftdruck – Partialdruck
2.2.3. Details beim Gasaustausch in den Alveolen
2.2.4. Die Sauerstoffbindungskurve
2.2.4.1. Sauerstoffaufnahme in der Lunge
2.2.4.2. Sauerstoffabgabe im Gewebe
2.2.4.3. Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve
2.2.4.4. Linksverschiebung der Sauerstoffbindungskurve
2.2.5. Regulation der Atmung
3. Die Spiroergometrie
3.1. Dreiphasigkeit der Energiebereitstellung
3.2. Gemessene Parameter und deren Verläufe
3.2.1. Leistung – P [W]
3.2.2. Herzfrequenz - HF [1/min]
3.2.2.1. Positives Knickverhalten der HFLK
3.2.2.2. Linearer Verlauf der HFLK
3.2.2.3. Negatives Knickverhalten der HFLK
3.2.2.4. Schlagvolumen – Herzminutenvolumen
3.2.3. Laktat – La [mmol/l]
3.2.4. Spirometrische Parameter
3.2.4.1. Atemfrequenz - AF [1/min]
3.2.4.2. Atemzugvolumen – VT [l]
3.2.4.4. Sauerstoffaufnahme – VO2 [l/min]
3.2.4.5. Kohlendioxidabgabe – VCO2 [l/min]
3.2.4.6. Respiratorischer Quotient – RQ [-]
3.2.4.7. Atemäquivalent für Sauerstoff – EqO2 [-]
3.2.4.8. Atemäquivalent für Kohlendioxid – EqCO2 [-]
3.2.4.9. Sauerstoffpuls - VO2/HF [ml]
4. Hypoxie – Sauerstoffmangelbedingungen
4.1.1. Luftzusammensetzung, Luftdruck und Partialdruck in der Höhe
4.1.2. Hypoxiebedingungen
4.1.2.1. Hypobare Hypoxie
4.1.2.2. Normobare Hypoxie
4.1.2.3. Prinzip einer normobaren Hypoxiekammer
4.1.2.4. Akute Hypoxie
4.1.2.5. Chronische Hypoxie
4.1.2.6. Höhenadaptation - Höhenakklimatisation
4.2. Einfluss akuter Hypoxie auf den menschlichen Organismus
4.2.1. Leistung
4.2.2. Herzfrequenz
4.2.3. Laktat
4.2.4. Spirometrische Parameter
4.2.4.1. Atemfrequenz
4.2.4.2. Atemzugvolumen
4.2.4.3. Atemminutenvolumen
4.2.4.4. Sauerstoffaufnahme
4.2.4.5. Sauerstoffsättigung
4.2.4.6. Kohlendioxidabgabe
4.2.4.7. Respiratorischer Quotient
4.2.4.8. Atemäquivalent für Sauerstoff
4.2.4.9. Atemäquivalent für Kohlendioxid
4.3. Zusammenfassender Überblick
5. Methodik der Studie
5.1. Probanden
5.2. Studiendesign
5.3. Auswertung und Analyse
6. Ergebnisse
6.1. Leistung
6.2. Herzfrequenz
6.3. Laktat
6.3.1. Laktat pro Watt
6.4. Atemfrequenz
6.5. Atemzugtiefe
6.6. Ventilation
6.7. Sauerstoffaufnahme
6.7.1. Sauerstoffverbrauch pro Watt
6.7.2. Sauerstoffpuls
6.8. Kohlendioxidabgabe
6.9. Respiratorischer Quotient
6.10. Atemäquivalent für Sauerstoff
6.11. Atemäquivalent für Kohlendioxid
6.12. Vergleich der Schwellen LTP2, HRTP, VTP
6.13. Zusammenfassender Überblick
7. Diskussion
7.1. Vergleich mit der Literatur
7.2. Physiologische Zusammenhänge zwischen den Parametern
7.3. Kritik an der eigenen Studie
7.4. Schlussfolgerung und weiterer Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Auswirkungen akuter normobarer Hypoxie auf physiologische Kenngrößen bei stufenförmigen Fahrradergometerbelastungen. Das primäre Ziel ist es, Diskrepanzen in der existierenden Literatur zu klären, Übereinstimmungen und Unterschiede in physiologischen Anpassungsreaktionen aufzuzeigen und die Reproduzierbarkeit spezifischer Schwellen unter Sauerstoffmangelbedingungen zu prüfen.
- Analyse physiologischer Anpassungen an akute Sauerstoffmangelbedingungen.
- Untersuchung von Leistung, Herzfrequenz, Laktat und spirometrischen Parametern im Stufentest.
- Vergleich von Normoxie- und Hypoxiebedingungen hinsichtlich der Schwellen (LTP1, LTP2, HRTP, VTP).
- Evaluierung des Einflusses des Trainingsstatus auf die Hypoxie-Adaptation.
- Überprüfung der Reproduzierbarkeit von Schwellen unter Hypoxie.
Auszug aus dem Buch
4.2.1. Leistung
Im Bereich der sportlichen Leistungsfähigkeit unter akuten Hypoxiebedingungen sind sich verschiedenste Autoren einer Leistungseinbuße einig und so weist beispielsweise Marées (2003, S.595) darauf hin, dass die Leistung ab einer Belastungsdauer von mehr als 2 Minuten reduziert ist. Diese verringerte Leistung führen Brooks et al. (2005, S.542) auf die verminderte Sauerstoffaufnahme in Sauerstoffmangelbedingungen zurück und betonen, dass sportliche Leistungen, welche einen hohen aeroben Anteil an der Gesamtenergieversorgung benötigen, reduziert sind.
Viele andere Autoren sind sich auch in der Leistungseinbuße unter Hypoxiebedingungen einig, trotz der Tatsache, dass die einzelnen Studien in unterschiedlichen Umgebungsbedingungen durchgeführt wurden. Dies lässt darauf schließen, dass es für die Leistungseinschränkung nicht von Bedeutung ist ob eine leichte oder starke Hypoxie vorherrscht. Die Stärke der Sauerstoffmangelbedingungen haben jedoch Auswirkungen auf die Höhe der Reduzierung der Maximalleistung. So schreiben Mollard et al. (2007a) von einer Maximalleistungseinbuße von -3,3% (auf einer simulierten Höhe von 1000 m) bis -27,9% (4500 m).
Um einen Einblick in unterschiedliche Studien und die dabei beobachteten Änderungen der Parameter zu geben, folgt ein kurzer Auszug aus den einzelnen Studien.
Verschiedenste Autoren wie Angermann et al. (2006), Benoit et al. (1997), Friedmann et al. (2004,2005), Grataloup et al. (2007), Kato et al. (2004), Mollard et al. (2007a), Ozcelik und Kelestimur (2004b) und Peltonen et al. (2001) sind sich bezüglich der Leistungseinbuße (Reduzierung der Maximalleistung) in akuter Hypoxie einig, wobei Mollard et al. (2007a) darüber hinaus auf einen wichtigen Unterschied zwischen trainierten und untrainierten Probanden hinweisen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die Relevanz von Höhentraining und akuter Hypoxie, thematisiert bestehende Diskrepanzen in der Forschung und definiert das Ziel, physiologische Anpassungen und Schwellenwerte unter Hypoxie zu untersuchen.
2. Die Atmung: Dieses Kapitel erläutert die anatomischen und physiologischen Grundlagen der Atmung, einschließlich Gasaustausch, Partialdrücken und Regulation, um ein Verständnis für die Sauerstoffaufnahme unter Hypoxie zu schaffen.
3. Die Spiroergometrie: Das Kapitel beschreibt das Verfahren der Spiroergometrie, die Phasen der Energiebereitstellung sowie die relevanten gemessenen Parameter (Leistung, Herzfrequenz, Laktat, spirometrische Werte) und deren Verläufe.
4. Hypoxie – Sauerstoffmangelbedingungen: Hier werden die Grundlagen verschiedener Hypoxieformen erläutert, bestehende Literatur zu akuten Auswirkungen auf physiologische Kenngrößen zusammengefasst und die theoretischen Vorhersagen für die eigene Studie abgeleitet.
5. Methodik der Studie: Dieses Kapitel beschreibt das Studiendesign, die Charakteristika der Probanden, den Testablauf am Fahrradergometer unter Normoxie und normobarer Hypoxie sowie die statistischen Auswertungsmethoden.
6. Ergebnisse: Die Ergebnisse der Untersuchung werden für jeden physiologischen Parameter (Leistung, Herzfrequenz, Laktat, etc.) detailliert präsentiert, ergänzt durch grafische Darstellungen der Korrelationen und Gruppenvergleiche.
7. Diskussion: Abschließend werden die eigenen Ergebnisse mit der bestehenden Literatur verglichen, physiologische Zusammenhänge interpretiert, kritisch reflektiert und Schlussfolgerungen sowie Ausblicke für weitere Forschungen gegeben.
Schlüsselwörter
Spiroergometrie, Hypoxie, Leistungsdiagnostik, Sauerstoffaufnahme, Laktat, Herzfrequenz, Sportphysiologie, normobare Hypoxie, aerobe Kapazität, anaerobe Schwelle, Ventilation, Trainingsstatus, Leistungsfähigkeit, respiratorischer Quotient, Atemäquivalent.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit untersucht die Auswirkungen akuter Sauerstoffmangelbedingungen (Hypoxie) auf verschiedene physiologische Parameter des menschlichen Körpers während einer sportlichen Belastung auf dem Fahrradergometer.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Schwerpunkte liegen auf der Leistungsphysiologie unter Hypoxie, der Analyse von Herzfrequenz- und Laktatverläufen sowie der spirometrischen Erfassung von Atemparametern bei normobarer Hypoxie im Vergleich zur Normoxie.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Ziel der Arbeit ist es, Diskrepanzen in bisherigen Studien zu klären, physiologische Anpassungsmechanismen an akute Hypoxie zu identifizieren und zu untersuchen, ob bekannte Schwellenwerte (z.B. LTP1, LTP2) unter Hypoxie reproduzierbar sind.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es wurde eine empirische Studie durchgeführt, bei der 10 gesunde, sportliche Männer einen stufenförmigen Belastungstest (Stufentest) auf dem Fahrradergometer sowohl unter Normoxie als auch unter simulierter normobarer Hypoxie absolvierten.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische Aufarbeitung der Atmungsphysiologie und Spiroergometrie, eine Zusammenfassung des aktuellen Forschungsstandes zur Hypoxie, die detaillierte Methodik der eigenen Studie, die Präsentation der Messergebnisse sowie eine kritische Diskussion der Befunde.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Spiroergometrie, Hypoxie, Leistungsdiagnostik, Sauerstoffaufnahme, anaerobe Schwelle und sportphysiologische Anpassungen.
Wie unterscheidet sich die Leistungsfähigkeit trainierter von untrainierten Personen unter Hypoxie?
Die Studie zeigt, dass besser trainierte Personen sensibler auf Hypoxie reagieren und absolut sowie relativ gesehen eine größere Leistungseinbuße aufweisen als untrainierte Probanden.
Warum wird der Herzfrequenzknickpunkt (HRTP) in der Arbeit analysiert?
Die Analyse des HRTP dient dazu, zu prüfen, ob die in der Literatur beschriebene Abflachung der Herzfrequenzleistungskurve unter Hypoxie reproduzierbar ist und wie diese mit den Laktat- und ventilatorischen Schwellen korreliert.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor bezüglich des Konzepts der Dreiphasigkeit der Energiebereitstellung?
Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass das Konzept der Dreiphasigkeit der Energiebereitstellung auch unter akuten Hypoxiebedingungen Bestand hat, da die relativen Leistungswerte an den Schwellen LTP1 und LTP2 in beiden Milieus identisch sind.
- Quote paper
- Mario Frei (Author), 2011, Untersuchung physiologischer Kenngrößen bei stufenförmigen Fahrradergometerbelastungen unter Normoxie und normobarer Hypoxie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/323910
