OPTIMIERUNG DER ATMUNG VERBESSERUNG DER SAUERSTOFFAUFNAHME UND KOHLENDIOXIDABGABE DURCH OPTIMIERUNG DER ALVEOLAREN KONTAKTZEIT BEI FREIZEITSPORTLERN IMPROVEMENT OF THE OXYGEN UPTAKE AND CARBON DIOXIDE DELIVERY BY OPTIMIZATION OF THE ALVEOLAR TIME OF CONTACT WITH LEISURE SPORTSMEN Diplomarbeit zur Erlangung des Magistergrades im Interfakultären Fachbereich für Sport- und Bewegungswissenschaften/USI der Universität Salzburg eingereicht von Martin Dürl Gutachter: Univ. Prof. Mag. Dr. Erich Müller Salzburg, den 3. November 2010
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OPTIMIERUNG DER ATMUNG
VERBESSERUNG DER SAUERSTOFFAUFNAHME UND KOHLENDIOXIDABGABE
DURCH OPTIMIERUNG DER ALVEOLAREN KONTAKTZEIT BEI FREIZEITSPORTLERN
IMPROVEMENT OF THE OXYGEN UPTAKE AND CARBON DIOXIDE DELIVERY BY
OPTIMIZATION OF THE ALVEOLAR TIME OF CONTACT WITH LEISURE SPORTSMEN
Diplomarbeit
zur Erlangung des Magistergrades
im Interfakultären Fachbereich für
Sport- und Bewegungswissenschaften/USI
der Universität Salzburg
eingereicht von
Martin Dürl
Gutachter: Univ. Prof. Mag. Dr. Erich Müller
Salzburg, den 3. November 2010
I
Eigenmächtigkeitserklärung
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst
und mich keiner unerlaubten Hilfsmittel bedient habe. Alle verwendeten Quellen
wurden zitiert und als solche kenntlich gemacht.
Salzburg, im November 2010 ….................................
Martin Dürl
II
Danksagung
Vorweg möchte ich Fr. Univ. Profin. Maga. Drin. Susanne Ring-Dimitriou
danken für die klärenden Gespräche in der Planungsphase dieser
Untersuchung.
Mein besonderer Dank gilt Hr. Univ. Prof. Mag. Dr. Erich Müller, dem
Betreuer dieser Diplomarbeit, der mir den freien Zugang zu den
Laboreinrichtungen zur Bearbeitung dieses Themas ermöglichte und mir durch
hilfreiche Hinweise bezüglich der Methodik und Literatur die Forschung
erleichterte.
Mag. Christoph Gonaus war für die Einschulung in die Messgeräte aber
auch für die Planung des Belastungsprotokolls überaus wichtig, wie auch Maga.
Monika Stadlmann immer helfend im Ausdauerlabor zur Seite stand.
Diese Arbeit wäre nicht zustande gekommen ohne die selbstlose und
erfrischende Unterstützung aller Probandinnen und Probanden, die aus meinem
Familien- und Freundeskreis, aus dem Umfeld der FH-Salzurg und den SALK
aber auch über Mundpropaganda zur Untersuchung fanden. Nur durch die
verbindliche Einhaltung der Test- und Schulungstermine war es überhaupt
möglich die Untersuchung in diesem Zeitraum in vorliegender Weise
durchzuführen. Danke!
Danken möchte ich auch meinen Kolleginnen und Kollegen des
Studiengangs Physiotherapie, die nicht nur als Testpersonen teilnahmen,
sondern mir auch halfen durch ihre Flexibilität mit den knappen Zeitressourcen
auszukommen.
Meinem Freund Dr. Helmut Mantl möchte ich für die unermüdliche
Fehlersuche in der finalen Phase dieser Arbeit danken.
Den Grundstein für das gesamte Sportstudium parallel zum beruflichen
Alltag legte meine Frau Elisabeth mit ihrer Zustimmung vier Jahre
gemeinsames Leben mit Einschränkungen zu teilen.
Meiner Mutter verdanke ich den Einstieg in das Thema Atem, sie befasste
2.3 HERZ-KREISLAUF-SYSTEM......................................................................................................142.3.1 Spezielle Anatomie und Physiologie des Lungen-Kreislaufs....................................17
2.3.2 Einschränkungen der Leistungsfähigkeit..................................................................19
2.3.3 Beziehungen und Abhängigkeiten von Atemminutenvolumen, Atemfrequenz,
Herzfrequenz, maximaler Sauerstoffaufnahme und peripherem Laktat...........................20
2.3.4 Die Rolle der Atemparameter im Ausdauersport.....................................................22
2.3.5 Atemfrequenz und Dauer des Atemzyklus.................................................................23
2.5.8 Atemäquivalent für Sauerstoff..................................................................................32
2.5.9 Atemäquivalent für Kohlendioxid.............................................................................32
2.6 ATEMSCHULUNG....................................................................................................................332.6.1 Ziele der Atemschulung............................................................................................34
6.7 NICHT HYPOTHESEN RELEVANTE ERGEBNISSE.............................................................................756.7.1 Atemäquivalent für Sauerstoff...................................................................................75
6.7.2 Atemäquivalent für Kohlendioxid.............................................................................77
7.7 NICHT HYPOTHESENRELEVANTE PARAMETER...............................................................................937.7.1 Atemäquivalent für Sauerstoff...................................................................................93
7.7.2 Atemäquivalent für Kohlendioxid..............................................................................93
CON Control (Kontrollgruppe [sinngemäß, Anm. des Autors])
DL Diffusionskapazität
DPG Diphosphoglycerat
ebd. ebenda
H0 Null-Hypothese
Hb Hämoglobin
HF Herzfrequenz
JGAS Diffusionsstrom
K Krogh-Diffusionskoeffizient
KZA Kurzzeitausdauer
LA Laktat
LZA Langzeitausdauer
max Maximum
min Minimum
MZA Mittelzeitausdauer
P Power (Leistung)
PCO2 Partialdruck des Kohlendioxids
PO2 Partialdruck des Sauerstoffs
POL Polen
Q Perfusionsquotient
RER Respiratorischer Quotient
RET Respiratoric Endurance Test (Respiratorischer Ausdauer-
VII
test)
RMET Resperatoric Muscle Endurance Training (Respiratorisches
Muskel-Ausdauer-Training)
RQ Respiratorischer Quotienten
S. Seite
s. siehe
SA Schnelligkeitsausdauer
V. Vena
VA Alveolare Ventilation
VCO2 Kohlendioxidabgabe
VE Atemzeitvolumen
VO2 Sauerstoffaufnahme
VO2max Maximale Sauerstoffaufnahme
�PGAS Partialdruckdifferenz des diffusiblen Gases
VIII
Abstrakt
Ziel der Untersuchung
In dieser Untersuchung sollte die Wirksamkeit einer Atemschulung zur
Optimierung der alveolaren Kapazität in der Bewegung eruiert werden. Getestet
wurde am Laufband des Ausdauerlabors des Interfakultären Fachbereichs
Sport- und Bewegungswissenschaft/USI der Universität Salzburg.
Fragestellung
Können durch eine Atemschulung im Sinne einer Kurzeitintervention die
Herzfrequenz und die Atemfrequenz gesenkt werden, das
Atemminutenvolumen, das Atemzugvolumen, die Abgabe von Kohlendioxid und
die Aufnahme von Sauerstoff erhöht werden?
Methode
Bei den Versuchspersonen handelte es sich um sechzehn
Freizeitsportlerinnen und fünfzehn Freizeitsportler (min. 22,3 Jahre; max. 72,7
Jahre). Ausschlusskriterien für die Teilnahme an der Untersuchung waren eine
relative VO2max größer als 60 ml/kg/min bei den Probandinnen und eine
relative VO2max größer als 80 ml/kg/min bei den männlichen Probanden. Alle
Testpersonen nahmen an den Atemschulungen teil. Die Testpersonen wurden
drei mal mit demselben Belastungsprotokoll, einem Rampen-Test, am Laufband
ausbelastet. Das kürzeste Intervall zwischen den Tests war mehr als drei Tage
und das längste kürzer als fünfzehn Tage. Zwischen dem zweiten und dem
dritten Test erhielten die Testpersonen die Atemschulung.
Getestet wurde auf dem Laufband HP Cosmos. Dabei wurde zur Gewinnung
der spiroergometrischen Daten die Messeinheit nSpire ZAN 600 CPET und die
Pulssensoren der Firma Polar verwendet.
Ergebnisse
Durch die Atemschulung zur Optimierung der alveolaren Kapazität konnten
der Mittelwert der Herzfrequenzen sehr signifikant um 2,19% (3,85/min, ±
15,39/min), der Atemfrequenzen nicht signifikant um 3,65% (1,65/min, ±
7,76/min) verringerte werden. Der Mittelwert der VE blieb gleich. Ebenfalls
konnte der Mittelwert der VT tendenziell um 3,46% (0,08l/Atemzug, ±
0,45l/Atemzug), der VCO2 sehr signifikant um 4,49% (0,15l/min, ± 0,96l/min),
IX
der relVO2max sehr signifikant 4,47% (1,88ml/(kg*min) ± 9,29ml/(kg*min))
erhöht werden.
Schlussfolgerung
Die alveolare Kapazität, gemessen an der VO2 und der VCO2, kann durch
eine gezielte Atemschulung verbessert werden.
X
Abstract
The purpose of the study
The purpose of this study was to examine the efficiency of a breath-training
to optimize the alveolar capacity in movement. The test was carried out at the
endurance laboratories of the Interfacultative Department of Sports- and
Movement-Faculty/USI of the University of Salzburg.
Question
Is there an alternative way lowering heart- and breath-frequency as well as
increasing breath-, inspiration- and tidal-volume and intensifying the exhaling of
Carbondioxid and the uptake of Oxygen with the help of short term intervention
in breath education?
Methods of research
16 female and 15 male persons (min. 22,3 years; max. 72,7 years) took part
in the study. Criterion for exclusion was a relative VO2max higher than 60
ml/kg/min with females and a relative VO2max higher than 80 ml/kg/min with
males. All test-persons attended the breath-training. All persons were tested
three times with the same ramp test protocol to maximum effort on the treadmill.
The shortest interval between the test was more than three days and the
longest was shorter than fifteen days. The breath education was located
between test 2 and test 3. The test was carried out on the treadmill HP Cosmos.
To get the spiroergonomical data the measure-unit nSpire ZAN 600 CPET and
the pulse-sensors by Polar company were used.
Results
By optimizing the alveolar capacity the arithmetic mean of heart-frequency
could be lowered highly significant by 2,19% (3,85/min, ± 15,39/min). Breath-
frequency was not lowered significantly by 3,65% (1,65/min, ± 7,76/min). The
arithmetic mean of the VE did not change. Mean of VT increased tendentiously
by 3,46% (0,08l/breath, ± 0,45l/breath), as well highly significant increase of
VCO2 by 4,49% (0,15l/min, ± 0,96l/min) and highly significant increase of
relVO2max by 4,47% (1,88ml/(kg*min) ± 9,29ml/(kg*min)).
XI
Conclusion
The alveolar capacity at VO2max peak related to VO2 and VCO2 can be
increased by well-directed breath education.
XII
1 Einleitung
1 Einleitung
Viele Jahre lang wurden das Laktat und die Atemparameter bei Ausdauer-
sportlern untersucht. Dabei stand meist die Trainierbarkeit der metabolischen
Komponenten im Vordergrund. Erst in den neunziger Jahren des letzten Jahr-
hunderts begann man der Atmung vermehrte Aufmerksamkeit zu schenken. Ei-
nerseits wurde über ein Training der Atemmuskulatur versucht die Atemparame-
ter zu verbessern (Boutellier, Büchel, Kundert & Spengler, 1992), andererseits
wurde an der Atmung im Sinne eines koordinativen Trainings gearbeitet (Strel-
zov, 2004). Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit Letzterem.
Die Atmung ist die einzige unbewusste vegetative Vitalfunktion des menschli-
chen Körpers auf die unser Bewusstsein zeitweise regelnd eingreifen kann. Die
meiste Zeit unseres Lebens atmen wir unbewusst und reagieren auf veränderte
Leistungsanforderungen. Dabei ist die Variabilität unserer Atmung auf die ver-
schiedensten Situationen des täglichen Lebens zu reagieren bemerkenswert.
Diese unterschiedlichsten Atemmuster, vom tiefen Atmen während des Schlafes
über das Luft-Anhalten beim Apnoe-Tauchen über das erschöpfend tiefe Atmen
beim Berglauf bis hin zur hechelnden Atmung beim Hyperventilieren, zeigen wie
wichtig es sein kann die richtig Atmung zum richtigen Zeitpunkt einzusetzen.
In der vorliegenden Arbeit sollen das Atemverhalten und die Herzfrequenz im
Bereich der maximalen Sauerstoffaufnahme erläutert werden. Die speziellen
Anforderungen an die Atmung, aufgeteilt auf Ventilation, Perfusion und Diffusi-
on, werden im Theorieteil dargestellt. Die in der Literatur zu diesem Thema ver-
fügbaren Untersuchungen beziehen sich entweder auf Einzelfallstudien oder
sehr kleine Gruppen. Auch stammen die Werte überwiegend von Leistungs-
sportlern und geben so nur ein begrenztes Bild der Zusammenhänge und Wirk-
mechanismen wieder.
Diese Arbeit stellt die Atmung und ihre Parameter einer Gruppe von Freizeit-
sportlern mit einer breiten Altersstreuung in den Vordergrund um eine Ver-
gleichsbasis für andere Untersuchungen zu bieten. Dabei wird die Atemschu-
1
1 Einleitunglung im Sinne einer Kurzzeitintervention beschrieben und die Veränderungen
untersucht.
Eine Darstellung der Ergebnisse und deren Interpretation zeigt das Potential
einer Optimierung der Atmung durch Verbesserung der alveolaren Kapazität auf
und führt zu Möglichkeiten eines konsekutiven Untersuchungsansatzes.
Zusammenfassend kann gesagt werden, das sich mit der Optimierung der al-
veolaren Kapazität ein lohnendes Untersuchungsgebiet eröffnet.
2
2 Theoretischer Hintergrund
2 Theoretischer Hintergrund
Dieses Kapitel soll einen kurzen und auf die Thematik abgestimmten
Überblick über die motorische Ausdauer, das Atemsystem, das
Herzkreislaufsystem, die Ergospirometrie und die Atemschulung geben. Da für
die vorliegende Untersuchung vorwiegend der Austausch von Sauerstoff und
Kohlendioxid in der Lunge relevant sind, wird die verwendete Terminologie
erklärt. Ebenfalls werden die beteiligten relevanten körperlichen Strukturen in
ihrem Aufbau und ihrer Funktion beschrieben.
2.1 Motorische Ausdauer
Die motorische Ausdauer wird definiert als die Fähigkeit, die es ermöglicht
eine bestimmte Leistung über einen möglichst langen Zeitraum aufrecht zu
erhalten (Martin, Carl & Lehnertz, 1993). sie wird auch als die
Ermüdungswiderstandsfähigkeit des gesamten Organismus beziehungsweise
einzelner Teilsysteme definiert (Frey, 1977). Gaisl hat 1979 im Journal
Leistungssport in ihrem Artikel Der Aerob-anaerobe Übergang und seine
Bedeutung für die Trainingspraxis dargelegt, dass die allgemeine
(Muskel-)Ausdauer mehr als ein Siebtel bis ein Sechstel der gesamten
Skelettmuskulatur umfasst und vor allem durch das Herz-Kreislauf-
Atmungssystem und die periphere Sauerstoffausnutzung limitiert wird (Gaisl,
1979). Folglich kann man nicht �nur� von der Ausdauerleistungsfähigkeit
3
Abbildung 1: Schematische Darstellung der verschiedenen Formen von Ausdauer-leistungsfähigkeit (aus: Hollmann & Hettinger 1980, S. 304 in Weineck, 2004b, S.144)
2 Theoretischer Hintergrundsprechen. Daher erscheint es sinnvoll eine Einteilung nach verschiedenen
Kriterien zu verwenden.
In seinem Buch Optimales Training gliedert Weineck (2004) die Ausdauer,
wie in Abbildung 1 dargestellt, in ihre Erscheinungsformen auf und unterteilt sie,
je nach Betrachtungsweise, in verschiedene Arten. Unter dem Aspekt des
Anteils an beteiligter Muskulatur unterscheidet er die allgemeine und lokale
Ausdauer, unter dem Aspekt der Sportartspezifität die allgemeine und spezielle
Ausdauer, unter dem Aspekt der muskulären Energiebereitstellung die aerobe
und anaerobe Ausdauer, unter dem Aspekt der Zeitdauer die Kurz-, Mittel- und
Langzeitausdauer und unter dem Aspekt der beteiligten motorischen
Hauptbeanspruchungsformen die Kraft-, Schnellkraft- und
Schnelligkeitsausdauer (Weineck, 2004a).
Des weiteren unterscheidet Weineck (2004):�Bei der aeroben Ausdauer
steht ausreichend Sauerstoff zur oxidativen Verbrennung der Energieträger zur
Verfügung, bei der anaeroben Ausdauer ist die Sauerstoffzufuhr aufgrund der
hohen Belastungsintensität - sei es über eine hohe Bewegungsfrequenz oder
über einen vermehrten Krafteinsatz - zur oxidativen Verbrennung unzureichend,
4
Abbildung 2: Verschiedene Ausdauerfähigkeiten im Zusammenhang mit derEnergiebereitstellung, dem Umfang und der Intensität der Belastungen. SA =Schnelligkeitsausdauer, KZA = Kurzzeitausdauer, MZA = Mittelzeitausdauer, LZA =Langzeitausdauer (aus: Weineck, 2004b, S. 142)
2 Theoretischer Hintergrunddie Energie wird anoxidativ bereitgestellt. Da es in der Sportpraxis in den
meisten Fällen nicht zu einer reinen oxidativen bzw. anoxidativen
Energiebereitstellung, sondern zu einer belastungs- und intensitätsabhängigen
Mischung beider Formen kommt hat sich im Bereich der allgemeinen Ausdauer
eine Unterteilung in Kurzzeit-, Mittelzeit- und Langzeitausdauer als sinnvoll
erwiesen.�(Weineck, 2004a, S. 141). Diese Einteilung (s. Abbildung 1)wurde
von Weineck aus Gründen der Vereinfachung getroffen, da immer mehrere
Faktoren einen Einfluss auf die Leistung haben. Die wissenschaftliche
Beschäftigung mit dem Herz-Kreislauf-Atmungssystem führt zu einer
Abgrenzung von der lokalen Muskelausdauer. Wie Gaisl (1977) definieren auch
Haber & Pont (1977) die lokale Muskelausdauer durch eine Beteiligung von
weniger als ein Siebtel bis ein Sechstel der Gesamtmuskelmasse. Weiters
stellen sie fest, dass die lokale Muskelausdauer neben der allgemeinen
Ausdauer in besonderem Masse durch die spezielle Kraft, die anaerobe
Kapazität und die durch diese limitierten Kraftformen, wie Schnelligkeits-, Kraft-
und Schnellkraftausdauer, sowie durch die Qualität der disziplinspezifischen
neuromuskulären Koordination (Technik) bestimmt wird (Haber & Pont, 1977).
Die allgemeine Ausdauer wird im Gegensatz zur speziellen Ausdauer von den
oben genannten Autoren als von der Sportart unabhängig definiert. Obwohl seit
einigen Jahren die Messung der Ausdauerfähigkeit kontroversiell diskutiert wird
(Röcker & Dickhut, 1994) zieht man zur Operationalisierung der allgemeinen
Ausdauerfähigkeit im anaeroben Bereich im deutschen Sprachraum meist die
Messung des Laktats oder eine Kombination von Spiroergometrie und
Laktatmessung heran.
Ein weiterer Faktor der die physische Ausdauer beeinflusst und mit in die
Überlegungen zur Messung der Ausdauerfähigkeit einbezogen werden kann ist
die (...) �kognitiv-psychische (geistig-seelische) Widerstandsfähigkeit gegen
Ermüdung bei lang anhaltenden oder sich ständig wiederholenden
Belastungen, zum anderen die Fähigkeit, sich nach Belastungen relativ rasch
zu erholen� (Grosser, Starischka & Zimmermann, 2008, S. 93).
5
2 Theoretischer Hintergrund
2.2 Atemsystem
Die Atmung ist ein wichtiger Faktor für die allgemeine Ausdauer, weil sie den
Gasaustausch ermöglicht. Dabei wird Sauerstoff aus der Luft in das Blut und
Kohlendioxid aus dem venösen Blut in die Luft abgegeben. Dieser Vorgang wird
als äußere Atmung bezeichnet, während der Transport von Sauerstoff aus dem
arteriellen Blut in die Zelle und die Abgabe von Kohlendioxid aus der Zelle an
das venöse Blut als innere Atmung bezeichnet wird (Gosselink, 2000).
Für einen optimalen Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid müssen
immer mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Der Kohlendioxidpartialdruck
ist der wichtigste für die Regulation der Atmung. Die Messung erfolgt zentral an
den Chemosensoren der Medulla oblongata und peripher im Glomus caroticum
und Glomus aorticum unter und über dem Aortenbogen. Das Atemzentrum mit
Sitz im Hirnstamm, das die von den peripheren Sensoren kommenden Impulse
verarbeitet, wird funktionell in ein Einatemzentrum und ein Ausatemzentrum
differenziert. Diese beiden Zentren regulieren die Atmung, auch wenn von den
Sensoren keine Impulse kommen. Die Atmung unterliegt als einzige vitale
Funktion auch dem Willen, dessen Sitz im Kortex ist.
Es gibt aber auch noch Rezeptoren in der Lunge selber. Diese Rezeptoren
schützen die Lunge vor einer Überdehnung während der Inspiration durch eine
verlängerte Exspiration, vor giftigen Gasen und kalter Luft durch
Gefäßverengung, Bronchienverengung und Hyperpnoe. Außerdem gibt es noch
Rezeptoren in der Alveolarwand auf Höhe der Kapillare, die auf Stoffe in der
Lungenzirkulation, aber auch auf die Überfüllung der Lungenkapillaren und eine
Zunahme des Interstitiums reagieren (Gosselink, 2000).
6
2 Theoretischer Hintergrund
2.2.1 Ventilation
Die Ventilation
bezeichnet das Ausmaß
der Belüftung der
Lungen und damit der
Alveolen. Wie viel
Atemluft in die Lungen
gelangt hängt zum Teil
von anatomisch
individuellen
Gegebenheiten ab, aber
auch von der
Atemmuskulatur.
Grundsätzlich
unterscheidet man
zwischen Residualvolumen und Vitalkapazität die in Summe die Totalkapazität
ergeben (s. Abbildung 2). Dabei kann das Residualvolumen, das nicht mit der
Spirometrie erfasst werden kann mit der Heliumeinwaschmethode bestimmt
werden (Golenhofen, 2006). Wie in Abbildung 3 dargestellt ergibt die Summe
aus exspiratorischem Reservevolumen, Atemzugvolumen und inspiratorischem
Reservevolumen die Vitalkapazität (Shier, Butler & Lewis, 2004). Die residuale
funktionelle Kapazität setzt sich wiederum aus Residualvolumen und
bestimmen vier Faktoren die Diffusion von Sauerstoff aus den Alveolen in das
gemischtvenöse Blut: Die Partialdruckdifferenz zwischen Alveolarluft und
Kapillarblut, die Länge beziehungsweise Dicke der Diffusionsstrecke (das
Sauerstoffmolekül muss die alveolarkapilläre Membran, das Plasma des
Kapillarblutes, die Membran des Erythrozyten und die intrazelluläre Flüssigkeit
des Erythrozyten durchwandern), Größe der Diffusionsfläche und der
Diffusionskoeffizient D, der proportional zur Löslichkeit des Gases ist.
Der Diffusionskoeffizient D lässt sich aus dem Fick-Diffusionsgesetz
errechnen (Larsen, 2006). Im Normalfall kann der Austausch der Gase
zwischen Erythrozyt und alveolarer Luft in 0,3 Sekunden erfolgen. Nach
Gosslink (2000) können in 100 ml Blut circa 20,8 ml Sauerstoff transportiert
werden.
Bei einer untrainierten Person werden 20 � 24 Liter Blut, bei
ausdauertrainierten Personen 36 � 40 Liter Blut pro Minute transportiert
(Eigenbrod ET AL., 2003). Das entspricht bei untrainierten Personen 4,2 � 5,2
11
Abbildung 6: Respiratorische Passage und Gasaustauschfunktion der Alveolen(aus: Gosselink, 2000)
2 Theoretischer HintergrundLiter Sauerstoff pro Minute und bei ausdauertrainierten Personen 7,5 � 8,3 Liter
Sauerstoff pro Minute.
Dietl und Deetjen (2008) definieren die Diffusionskpazität als das
Gasvolumen, das pro Minute bei einer Partialdruckdifferenz von 1 mmHg
diffundiert. Für den Sauerstoff wird der Partialdruck vom Einatmen bis zu den
Mitochodrien immer geringer, für das Kohlendioxid verhält es sich umgekehrt.
Sie erklären den Gasaustausch folgendermaßen: �Die pro Zeit diffundierte
Gasmenge (Diffusionsstrom JGas) verhält sich direktproportional zur
Partialdruckdifferenz des diffusiblen Gases (�PGas) und wird durch das erste
Fick'sche Diffusionsgesetz beschrieben:
J Gas=K×Fd× P� Gas
.
K wird als Krogh-Diffusionskoeffizient bezeichnet und ist eine
Materialkonstante, die vom Diffusionsmedium, von der Temperatur und Art und
Größe der diffundierenden Moleküls abhängt.� (Dietl & Deetjen, 2008). Die
Autoren führen weiter aus, wenn man das Fick'sche Diffusionsgesetz umformt
und beide Seiten durch �PGas dividiert und K und F zu einer lungenspezifischen
Konstante für ein bestimmtes Gas zusammenfasst, sich daraus die
Diffusionskapazität DL ergibt:
J Gas / P� Gas=K�F /d=DL
.
2.2.3 Perfusion
Die Perfusion bezeichnet den Vorgang der Blutzufuhr aus dem Körper in die
Lungen und die Blutabfuhr aus den Lungen in den Körper auf Höhe der
alveolokapillären Membran. Dabei ist die regionale Perfusion von der
Körperhaltung und der Sauerstoffspannung im Blut abhängig, also variabel, wie
in Abbildung 4 dargestellt. Die Perfusion wird durch die lokale
Sauerstoffspannung reguliert. In den tieferen Lungenabschnitten, die besser
durchblutet sind, ist der Druck etwas höher als in den höheren
Lungenabschnitten, was zu unterschiedlichen Gasaustauschraten in den
verschiedenen Abschnitten der Lungen führen kann. Die Hüfner-Zahl gibt an,
12
2 Theoretischer Hintergrunddass ein Gramm Hämoglobin 1,34ml Sauerstoff binden kann. Mit Hilfe der
Hüfner-Zahl lässt sich die maximale Sauerstoffbindungskapazität des Blutes
errechnen. Bei einer durchschnittlichen Hämoglobinkonzentration von 160g
Hämoglobin pro Liter beim Mann und 140g Hämoglobin pro Liter bei einer Frau
erhält man in die folgende Formel eingesetzt die Werte 214ml Sauerstoff pro
Liter Blut für den Mann und 188ml Sauerstoff pro Liter Blut für die Frau (Dietl &
Deetjen, 2008).
x g Hb / l�1,34mlO 2/g Hb= y ml O2 /l Blut .
Das entspricht in etwa den von Kunz (2003) und Larsen (2006)
angegebenen Werten. Durch eine erhöhte Leistungsanforderung an den Körper
wird der Sauerstoffbedarf größer. Als Reaktion durch eine vermehrte
Herzaktivität steigt die Fließgeschwindigkeit des Blutes. Fließt das Blut aber zu
schnell durch den Muskel, sodass das Myoglobin den Sauerstoff nicht mehr
vom Hämoglobin übernehmen kann, kehrt das venöse Blut mit einer hohen
Sauerstoffsättigung zur Alveole zurück. Für eine verminderte Sauerstoff-
entkopplung können mehrere Stoffwechselfaktoren als Ursache genannt
werden. Die vier wichtigsten sind:
� Wärme
� Wasserstoffkonzentration
� Partialdruck des Kohlendioxids
� erythrozytäre Konzentration von 3,2 Diphosphoglycerat (DPG)
Aber auch beim Übergang des Sauerstoffes aus der Alveolarluft zu den
Erythrozyten kann ein Mangel an Sauerstoff im Blut aus einer für den
Austausch zu kurzen Kontaktzeit resultieren (Dietl & Deetjen, 2008).
13
2 Theoretischer Hintergrund
Das unterstreicht die Wichtigkeit des Verhältnisses von Ventilation und
Perfusion, die idealer Weise gut aufeinander abgestimmt sein sollten
(Gosselink, 2000).
2.3 Herz-Kreislauf-System
Das Herz-Kreislauf-System besteht aus einem geschlossenen System
elastischer Röhren, in denen das Blut lebenswichtige Substanzen befördert.
Das Herz-Kreislauf-System ist auch von entscheidender Bedeutung für die
Thermoregulation des Menschen. Man unterteilt den Kreislauf in einen kleinen
Kreislauf, den Lungenkreislauf und einen großen Kreislauf, den Körperkreislauf.
Der Motor, der die beiden Kreisläufe in Bewegung hält ist das Herz. Da die
Blutgefäße die vom Herzen weg führen Arterien genannt werden und
diejenigen, die zum Herz führen Venen, enthält die Arteria pulmonalis �venöses�
Blut und die Venae pulmonales mit Sauerstoff angereichertes Blut.
14
Abbildung 7: Sauerstoffpartialdruck, PPA = Druck im Alveolarraum, PA
= Druck in der Ateria pulmonalis, PPV = Druck in der Vena pulmonalis(aus: Spo Medial, Zugriff am 17.08.2010 unter http://www.dshs-koeln.de/imb/spomedial/content/e866/e2442/e3862/e3896/e3925/index_ger.html ).
2 Theoretischer HintergrundDie Anzahl der vom Herz durchgeführten Kontraktion in einer Minute, also
die Herzfrequenz, beträgt 60 � 70 Schläge pro Minute. Dabei werden circa 90
ml Blut pro Kontraktion durch das Herz ausgeworfen, das sogenannte
Schlagvolumen, welches unter Belastung stark erhöht werden kann. Das drückt
sich dann auch im Herzzeitminutenvolumen aus, dem Produkt von
Schlagvolumen und Herzfrequenz. Das Herzzeitminutenvolumen kann von fünf
bis sechs Litern pro Minute in Ruhe bis zu 25 Liter pro Minute erhöht werden.
Da sich das Herz aber nicht vollständig kontrahieren kann bleibt ein
Restvolumen an Blut, das endsystolische Volumen, im Herz. Das
enddiastolische Volumen kann aus der Summe von endsystolische Volumen
(Restvolumen) und Schlagvolumen errechnet werden. Die Ejaktionsfraktion, als
ein Parameter für die Leistungsfähigkeit des Herzens, wird aus dem Verhältnis
von enddiastolischem Volumen und Schlagvolumen berechnet.
Es werden vier Phasen der Herzarbeit unterschieden, zwei in der Systole
und zwei in der Diastole:
Systole
� Anspannungsphase
� Austreibungsphase
Diastole
� Entspannungsphase
� Füllungsphase
Wie bei der Skelettmuskulatur ist die Vordehnung des Herzmuskels
entscheidend für die Spannung, die bei der Kontraktion entsteht. Jedoch ist hier
die Überlappung der Aktin- und Myosinfilamente nicht von Bedeutung, sondern
eine erhöhte Leitfähigkeit der Zellmembran für Kalziumionen (Wehrstein, 2000).
Die Steuerung der Herzfunktionen unterliegt aber auch der ständigen
Beeinflussung durch das vegetative Nervensystem, wobei die Herzkammern
vorwiegend durch den Sympathikus kontrolliert werden. Eine Verstärkung
dieser Wirkung findet zusätzlich noch durch die Freisetzung von Adrenalin und
Noradrenalin aus dem Nebennierenmark statt. Die indirekte Wirkung des
Parasympathikus auf die Herzkammern erfolgt großteils durch die Hemmung
der Ausschüttung von Noradrenalin. Aber auch andere Faktoren beeinflussen
die Ruheherzfrequenz, wie Körperhaltung, Umweltfaktoren und kardiovaskuläre
15
2 Theoretischer HintergrundKondition. Vor Beginn einer beabsichtigten höheren Leistung kann es auf Grund
einer antizipatorischen Reaktion, deren Ursache neurohumorale Effekte sind,
zu einem Anstieg der Herzfrequenz kommen. Dieser überhöhte Pulswert kann
aber bei gleichmäßig leichter Belastung innerhalb von zwei bis drei Minuten
abgebaut werden. Jedoch bei progredienter Steigerung der Belastung kommt
es zu einer analogen Steigerung des Pulses unter neuraler Kontrolle.
Entsprechend nimmt die Aktivität des Sympathikus zu während der Vagus in
seiner Aktivität abnimmt. Es ist von der Intensität abhängig ob die Herzfrequenz
ein steady state erreichen kann oder nicht (Reybrouck, 2007).
Ein weiterer Faktor der die Herzfrequenz beeinflusst ist das Alter. Schon in
der Studie von Rodeheffer (1984) wurde nachgewiesen, dass sich
Herzfrequenzen bei submaximalen Belastungen und zunehmendem Alter
verändern. Die Abnahme der Herzfrequenz der älteren Personen gegenüber
den jüngeren Personen bei gleicher Belastungsintensität kann auf eine
verminderte Sensibilität der �-Rezeptoren des Herzens, also auf eine geringere
Empfindlichkeit für Noradrenalin zurückgeführt werden. Ein weiterer
Unterschied besteht zwischen Männern und Frauen. Frauen haben eine
durchschnittlich höhere Herzfrequenz als Männer bei gleicher Belastung und
gleicher Sauerstoffaufnahme (Rodeheffer ET AL., 1984).
Bei zunehmender Leistungsanforderung, besonders für den Bereich von
50% � 90% der maximalen Sauerstoffaufnahme, steht die Herzfrequenz in
linearer Beziehung mit der Sauerstoffaufnahme. Über 170 Schlägen pro Minute
kann meistens ein asymptotischer Anstieg der Herzfrequenz beobachtet werden
(Reybrouck, 2007).
16
2 Theoretischer Hintergrund
2.3.1 Spezielle Anatomie und Physiologie des Lungen-
Kreislaufs
Der in Abbildung 8 dargestellte Lungenkreislauf ist mit dem Gesamtkreislauf
in Serie geschaltet, sodass ihn das gesamte Körperblut durchströmt. Das
Gefäßnetz im kleinen Kreislauf hat sehr kurze Abschnitte. Die Gefäßwände sind
sehr dünn um einen leichteren Gasaustausch zu ermöglichen. Die Bauweise
der Lunge bewirkt einen niedrigeren peripheren Widerstand. Der höhere
kolloidosmotische Druck des Plasmas bewirkt eine Drainage der Lungen. Durch
die geringe Stabilisierung der Lungenkapillaren kommt es bei der Einatmung zu
einem Anstieg des Blutvolumens in den Lungen.
Durch die entstehende Sogwirkung wird der venöse Rückstrom vermehrt
und das rechte Herz gefüllt. Bei der Exspiration kehren sich diese Vorgänge
um. Bei normaler Atmung spielen diese Mechanismen nur eine geringe Rolle.
Erst wenn die Atmung zum Beispiel durch erhöhte Anstrengung forciert wird
kommt dieser Effekt zum Tragen (Wehrstein, 2000).
17
Abbildung 8: Lungenkreislauf (Zugriff am 17.08.2010 unterhttp://www.lungenhochdruck.ch/php/news1.php?aktion=detail&id=256)
2 Theoretischer HintergrundWie unter Punkt 2.2.3 dargestellt, ist die regionale Sauerstoffspannung von
der Körperhaltung aber auch von der Perfusion und der Ventilation abhängig.
Diese Unterschiede können über das Verhältnis von alveolärer Ventilation (VA)
und dem Perfusionsquotienten (Q) ausgedrückt werden und sind in Abbildung 7
präsentiert. Da es bei der Erhaltung der Homöostase des Kreislaufs und dessen
Regulation nicht nur darum geht Sauerstoff und Kohlendioxid zu transportieren,
hängt die lokale Durchblutung der verschiedenen Körperabschnitte und Organe
von mehreren Faktoren ab. Hierbei spielt die Veränderung der Gefäßweite
durch neurogene, myogene, lokal-chemische endokrine und endotheliale
Einflüsse eine wichtige Rolle.
Für die Lungenkappillaren wird aber noch ein spezieller Mechanismus
wirksam. Kommt es in Abschnitten der Lunge zu einem Sauerstoffmangel führt
das zur Vasokonstriktion und damit zu einer Verschiebung der Durchblutung zu
einem anderen Abschnitt, der besser belüftet wird. Dieser Mechanismus
gewährleistet eine bessere Sauerstoffaufnahme durch die besser ventilierten
Abschnitte der Lunge (Wehrstein, 2000).
18
Abbildung 9: Verteilung der Ventilation und Perfusion der Lungenbasis zurLungenspitze in aufrechter Haltung. Das Verhältnis der Ventilation und Perfusion(VA/Q) nimmt von der Lungenbasis zur Lungenspitze zu. VA = alveoläre Ventilation,Q = Perfusionsquotient (aus: Gosselink, 2000, S. 58)
2 Theoretischer Hintergrund
2.3.2 Einschränkungen der Leistungsfähigkeit
Das Atmungssystem des Menschen wurde lange Zeit nicht als
leistungslimitierend erachtet. Erst Studien Anfang der neunziger Jahre des
letzten Jahrhunderts zeigten, dass das Zwerchfell, das als Hauptmuskel der
Einatmung angesehen wird, schon nach einer Belastung von 10 bis 30 Minuten
signifikant ermüden kann (Johnson ET AL., 1993); (Mador ET AL., 1993). Nicht nur
eine Schwäche der Atemmuskulatur kann leistungslimitierend wirken, sondern
auch andere Faktoren können sogar bei gesunden Menschen die Leistung
beeinträchtigen. Nach Wassermann ET AL. (2005) wird das maximale
Leistungsvermögen durch das schwächste Glied in der Kette der
physiologischen Prozesse begrenzt. Diese Kette reicht von der Ventilation über
den Gastransport, die Erzeugung von Muskelkraft, die neuromuskuläre
Funktion, psychophysische Vorgänge von Ermüdung bis hin zur Dyspnoe.
Reybrouck&Gosselink (2007) nennen sechs Faktoren die die Leistungsfähigkeit
einschränken können:
� Kardiozirkuläre Einschränkungen
� V / P Mismatch
� Ventilatorische Einschränkung
� Eingeschränkte Sauerstoffaufnahme
� Periphere Muskelschwäche
� Psychogene Einschränkung
Eine kardiozirkulatorische Einschränkung besteht dann, wenn die
altersspezifische maximale Herzfrequenz erreicht wird, oder das Blutlaktat auf
über 9 mmol/l ansteigt. Bei gesunden Personen kann diese Einschränkung
durch Training der konditionellen Fähigkeiten soweit verbessert werden, dass
die eingeschränkte Belastbarkeit nicht auf eine Störung der Lungenfunktion
zurückgeführt werden kann (Dekhuijzen, Folgering & van Herwaarden, 1991).
Die Dysbalance zwischen Belastung und Belastbarkeit der Atempumpe
bewirkt eine ventilatorische Einschränkung. Dabei versteht man unter Belastung
den Atemwegswiderstand, die Compliance der Lunge und der Thoraxwand. Die
Belastbarkeit ist gekennzeichnet durch Kraft und Ausdauer der Atemmuskulatur,
19
2 Theoretischer HintergrundElekrtolyte, Ernährungszustand und ventilatorischen Drive (Gosselink &
Reeybrouck, 2007).
Wenn die Leistungsfähigkeit durch die unzureichende Sauerstoffaufnahme
beeinträchtigt wird, äußert sich dies in einer isolierten Senkung des arteriellen
Sauerstoffdruckes. Andererseits kann aber auch eine um mehr als 2 kPa
erhöhte Sauerstoffdifferenz zwischen alveolarem und arteriellem Blut als
Zeichen für einen Mangel gesehen werden. Ebenso besteht auch die
Möglichkeit, dass sich sowohl eine Senkung des arteriellen Sauerstoffdruckes
als auch eine um mehr als 2kPa erhöhte Sauerstoffdifferenz zeigen
(Wasserman ET AL., 2005). Auf die Ursachen der verminderten
Sauerstoffaufnahme wurde in den vorangegangenen Abschnitten hingewiesen
(s. Ventilation, S. 7; Diffusion, S. 9; Perfusion, S. 12).
Der Vollständigkeit halber muss aber auch auf andere Autoren verwiesen
werden, die meinen, dass auch eine Muskelschwäche der peripheren
respiratorischen Skelettmuskulatur eine Ursache für eine verminderte
Leistungsfähigkeit sein kann (Gosselink, Troosters & Decramer, 1996), wie
auch psychogene Faktoren die Leistungsfähigkeit auf Grund von endogenen
aber auch exogenen Faktoren mindern können.
2.3.3 Beziehungen und Abhängigkeiten von
Atemminutenvolumen, Atemfrequenz, Herzfrequenz,
maximaler Sauerstoffaufnahme und peripherem Laktat
In den Sportwissenschaften dienen die in der Überschrift genannten Begriffe
in der einen oder anderen Zusammenstellung der Beschreibung und
Überprüfung der Ausdauerleistungsfähigkeit von Sportlern. Dabei scheint das
Atemminutenvolumen in vielen Zusammenstellungen auf, jedoch wird der
Atemfrequenz meist nur geringe Wichtigkeit eingeräumt. Die Atemfrequenz als
ein bestimmender Faktor für das Atemminutenvolumen kann einerseits in der
Frequenz sehr stark variieren anderseits kann auch der Rhythmus und das
Verhältnis zwischen Einatmung und Ausatmung große Unterschiede aufweisen.
In den meisten leistungsdiagnostischen Belastungsprotokollen, die zur
Ermittlung eines Trainingszustandes verwendet werden, wird diese Tatsache
20
2 Theoretischer Hintergrundnicht berücksichtigt. Der besondere Einfluss der Atemfrequenz, der Atemtiefe
und des Verhältnisses der Einatemdauer zur Ausatemdauer soll deshalb in
dieser Arbeit näher betrachtet werden.
Die Herzfrequenz wird durch viele Faktoren beeinflusst (s. Punkt 2.3.2). An
dieser Stelle sei erwähnt, dass bei zunehmender Leistungsanforderung,
besonders für den Bereich von 50% � 90% der maximalen Sauerstoffaufnahme,
die Herzfrequenz in linearer Beziehung mit der Sauerstoffaufnahme steht. Über
170 Schlägen pro Minute kann meistens ein asymptotischer Anstieg der
Herzfrequenz beobachtet werden (Reybrouck, 2007).
Weitere Parameter die häufig zur Bestimmung der Ausdauerleistung
herangezogen werden sind die maximale Sauerstoffaufnahme und das
periphere Laktat. Die maximale Sauerstoffaufnahme und die relative maximale
Sauerstoffaufnahme werden in den Punkten 2.5.6 und 2.5.7 beschrieben. An
dieser Stelle sei nur vermerkt, dass die relative maximale Sauerstoffaufnahme
(rel VO2max) einen stabilen Parameter zur Messung der Leistungsfähigkeit der
allgemeinen Ausdauer darstellt, wie auch durch diese Messung wieder bestätigt
wurde. Bei einem gleichmäßigem Belastungsanstieg steigt die
Sauerstoffaufnahme bis zu einem Plateau an. Der höchste Punkt dieses
Plateaus wird in der Literatur meist als VO2max oder VO2-Peak bezeichnet.
Das Laktat wurde über viele Jahre als der Parameter zur
Leistungsbestimmung im Ausdauerbereich herangezogen, neuere Erkenntnisse
lassen es aber in einem ganz anderen Licht erscheinen. Laktat ist das Ergebnis
multifaktorieller Prozesse im Körper, das heißt, dass die Blutlaktatkonzentration
nicht nur durch die Glykolyse-Rate sondern auch durch die Effizienz des
Laktattransports bestimmt wird. Speziell wenn es um die Trainingssteuerung
geht, bei der die Schwellenwerte als Punkte besonderer Bedeutung
herangezogen werden ist die Aussagekraft einer solchen Interpretation zu
hinterfragen. Das soll aber nicht heißen, dass das Laktat bedeutungslos wäre,
denn es spielt eine wichtige Rolle als Signalmolekül und ist außerdem ein
wichtiger Energieträger und Energielieferant für die oxidative
Energiebereitstellung und Hauptvorläufer für die Glukoneogenese. Laktat wird
neuerdings auch wie ein Hormon betrachtet (Lactormon). Angesichts dieser
21
2 Theoretischer HintergrundUnsicherheiten sollten in der Leistungsdiagnostik immer mehrere Parameter zur
Bestimmung der Leistung verwendet werden (Wahl, Bloch & Mester, 2009).
2.3.4 Die Rolle der Atemparameter im Ausdauersport
Nicht nur die Rolle des Laktats sondern auch die Rolle der Atmung und ihrer
Parameter wird divergent diskutiert. Strelzov (2004) meint, dass die aktuelle
funktionelle Kondition eines Läufers abhängig ist von der Sauerstoffversorgung
der arbeitenden Muskulatur, während die Ruheherzfrequenz eines Sportlers die
Fähigkeit zur Erholung, seine Gesundheit und die Fähigkeit zum durchhalten
der folgenden Belastung widerspiegelt. Für die Ausbildung eines kapillaren
Gefäßnetzes zur Kultivierung der allgemeinen Ausdauer meint er, sei die Zone
zwischen aerober und anaerober Schwelle wichtig. Weineck (2004) hält den
konstant erhöhten Blutdruck, der beim Laufen auftritt - etwa 160 mmHg
systolisch � bei einer Mindestdauer von 30 Minuten, für den maßgeblichen
Faktor zur Aussprossung neuer Kapillargefäße und damit zu einer sogenannten
vermehrten Kapillarisierung (Weineck, 2004a). Andere Autoren meinen, dass
die Ausdauer auf der metabolischen Kapazität der Arbeitsmuskulatur und der
Transportkapazität des Blutkreislaufsystems basiert und dabei dem
Herzleistungsvermögen die größte Bedeutung zukommt (Martin ET AL., 1993).
Unbestreitbar ist jedoch, dass der Körper den Sauerstoff braucht um die
Stoffwechselvorgänge aufrecht erhalten zu können. Außerdem muss der
Sauerstoff zu den Organen transportiert werden und das durch die
metabolischen Vorgänge entstandene Kohlendioxid muss ebenfalls Richtung
Lunge entsorgt werden.
Da aber bei einer intensiven Bewegungsaktivität die Blutzirkulation um das
Drei- bis Vierfache gesteigert wird und bis zu 30 l/min betragen kann, Werte die
bei einer Laufgeschwindigkeit von 3 bis 4 m/s (10,8 km/h bis 14,4 km/h)
auftreten, kann das kapillare Netz nur ungenügend ausgebildet sein. �Wenn
also der Läufer seine Geschwindigkeit steigert, gelangt das sauerstoffreiche
Blut nicht in die Gefäße und in die Muskeln� (Strelzov, 2004, S. 24). Wie in
Kapitel 2.3.1 auf S. 17 dargelegt transportiert das Hämoglobin als
Oxyhämoglobin den Sauerstoff von den Kapillaren der Lunge zur arbeitenden
Muskulatur. Dabei läuft die Reaktion, bei der Sauerstoff der Einatemluft an das
22
2 Theoretischer HintergrundHämoglobin gebunden wird, in ca. 0,8 Sekunden ab. Strelzov folgert weiter,
dass bei Berücksichtigung der Ein- und Ausatemzeit von 0,6 bis 0,8 Sekunden,
ein respiratorischer Zyklus mit einer Dauer von 1,4 bis 1,6 Sekunden die
Sauerstoffsättigung des kardiovaskulären und muskulären Systems sichert.
Umgerechnet auf eine Minute ergibt das eine Atemfrequenz von 38 bis 43
Atemzyklen / min, die beim schnellen Gehen oder langsamen Laufen erreicht
werden. Wird jedoch die Geschwindigkeit erhöht steigt auch die Frequenz der
Atmung wobei die Tiefe der Atemzüge abnimmt. Bei einer Geschwindigkeit von
4 bis 5 m/s (14,4 bis 18 km/h) oder einer Atemfrequenz von 46 bis 55
Atemzyklen pro Minute, wobei eine Einatemdauer von 0,55 bis 0,65 Sekunden
berücksichtigt wird, zeigen sich erste Anzeichen von Ermüdung (Strelzov,
2004). Durch die verminderte Verweildauer der Atemluft in den Lungen und die
erhöhte Fließgeschwindigkeit des Blutes in den Lungenkapillaren kann die
optimale Sauerstoffversorgung der arbeitenden Muskulatur nicht mehr aufrecht
erhalten werden (s. Atemsystem, S. 6). Bei einer Atemfrequenz von 56 bis 85
Atemzyklen pro Minute, einer Einatmungsdauer von 0,35 bis 0,54 Sekunden,
das entspricht einer Laufgeschwindigkeit von 5,3 bis 6,7 m/s (19 bis 24 km/h),
wird die Differenz zwischen Sauerstoffaufnahme und Ventilation noch viel
größer. Als Reaktion auf diesen Mechanismus steigt die Laktatkonzentration im
Blut stark an. Bei einer Laufgeschwindigkeit über 6,7 m/s (über 24 km/h) bzw.
einer Atemfrequenz die 85 Atemzyklen pro Minute übersteigt und einer
Einatmungsdauer von 0,3 Sekunden, wird den Lungen viel Luft zu geführt,
jedoch reicht die Zeit nicht mehr aus um genug Sauerstoff zu binden. Die
anaeroben Energiequellen können die arbeitende Muskulatur noch für zwei bis
fünf Minuten versorgen. Danach ist der Läufer jedoch gezwungen die
Geschwindigkeit auf Grund der exponentiellen Anhäufung von Laktat zu
drosseln. So kann es auch vorkommen dass ein Läufer wegen eines
Bronchialspasmus den Lauf abbrechen muss (Strelzov, 2004).
2.3.5 Atemfrequenz und Dauer des Atemzyklus
Nach Strelzov stehen die Atemfrequenz und die Dauer der Atemzyklen in
einer logarithmischen Beziehung zueinander, die er wie folgt definiert: Die
Abhängigkeit der Atemfrequenz von der Dauer des Atemzyklus für
23
2 Theoretischer Hintergrundunterschiedliche Laufgeschwindigkeiten ist in logarithmischen Koordinaten in
einer geraden Linie zur x-Achse unter einem Winkel von 45° geneigt. Diese
Gerade wird durch folgende Gleichung beschrieben:
y=1,78� x
wobei y der Dezimallogarithmus der Atemfrequenz und x der
Dezimallogarithmus der Dauer des Atemzyklus ist.� (Strelzov, 2004, S. 24). Für
Strelzov (2004) belegen die negativen y Werte ein Totalversagen des
Atmungssystems bei mehr als 61 Atemzyklen pro Minute. Durch die
herabgesetzte Diffusionsleistung in den Lungenkapillaren (s. Atemsystem, S.6)
kommt es aber auch zu einer Anhäufung von Kohlendioxid im Körper. Durch die
Stimulierung der kohlenstoffsensiblen Chemorezeptoren in den Atemzentren
(ebd., S. 6) und damit einer weiteren Stimulierung der Atmung, kann nun eine
negative Kettenreaktion ausgelöst werden. Die Kohlendioxidanreicherung
bewirkt eine Beschleunigung der Atmung. Der Sauerstoff der Atemluft kann
nicht mehr in dem Maß aufgenommen werden, wie er benötigt wird und das
Kohlendioxid steigt so stark an, dass eine weitere Bewegung im Sinne einer
Laufaktivität unmöglich wird. Zusätzlich kann noch eine konvulsive Atemweise,
nach Beendigung des Laufes, den Blutlaktatspiegel deutlich erhöhen, obwohl
dieser ja so schnell wie möglich gesenkt werden sollte (Strelzov, 2004).
Die Beziehungen und Abhängigkeiten von Atemminutenvolumen,
Herzfrequenz, Atemfrequenz, maximaler Sauerstoffaufnahme und peripherem
Laktat wurden im Februar 1992 am Zentralen Wissenschaftlichen
Forschungsinstitut / Moskau in einem Experiment mit fünf Meistern des Sports
und der internationalen Klasse, deren Spezialdisziplin die Laufstrecken von 800
m bis 1500 m waren, in einem Experiment untersucht. Dabei wurden die
Atemfrequenz, die Herzfrequenz, das Atemminutenvolumen und die
Laktatkonzentration in einem Stufenprotokoll gemessen. Beginnend bei 3 m/s
und einer Dauer von drei Minuten pro Stufe, wurde ohne Unterbrechung um 0,5
m/s bis 5,5m/s gesteigert. Nach vier Tagen Schulung in der neuen Atemtechnik
und bei Beibehaltung des normalen Trainings, wurde die Untersuchung
wiederholt. Trotz der Kürze des dazwischenliegenden Zeitraumes, konnte eine
Erhöhung der Oxigenierung des Blutes um 30% bis 40% erreicht werden. Es
kam zu einer Abnahme der Atemfrequenz um 30% bis 35%, das
24
2 Theoretischer HintergrundAtemminutenvolumen nahm um 10% bis 20% und das Blutlaktat um 25% bis
%50 ab (ebd.). Die Werte wurden von Nelubova, O. Wie in der folgenden
Tabelle 1 ersichtlich zusammengefasst und von Strelzov (2004) publiziert.
Vergleich zweier verschiedener Atmungsweisen
Laufbandge-
schwindigkeit
AMV
(Liter)
HF
(pro Min.)
AF
(pro Min.)
LA
(mmol/Liter)
m/s km/h NAT NEW NAT NEW NAT NEW NAT NEW
3,0 10,8 35,5 35,5 118,0 111,0 33,0 21,0 2,5 1,4
3,5 12,6 44,7 38,7 129,0 122,0 36,0 21,0 1,9 1,5
4,0 14,4 57,3 46,7 143,0 135,0 44,0 27,0 2,4 1,4
4,5 16,2 64,7 57,0 158,0 145,0 47,0 30,0 2,6 1,6
5,0 18,0 81,0 72,7 167,0 160,0 52,0 34,0 6,9 3,7
5,5 19,8 110,0 99,1 173,0 168,0 57,0 39,0 9,0 5,1
Tabbelle 1: Vergleich zweier verschiedener Atmungsweisen. Erklärung: NAT-„natürliche“ bzw. übliche Atemtechnik, New- „neue“ bzw. andere Atemtechnik; AMV= Atemminutenvolumen, HF = Herzfrequenz, AF = Atemfrequenz, LA = Laktat;(aus: Nelubova, O. in Strelzov, 2004, S. 25.).
Zwei polnische Marathonläufer, L. Beblo und G. Gaidus, beschlossen 1996
die neue Atemtechnik zu erlernen. Der Test bestand aus einem 12 km Lauf der
von beiden in einer Kilometerschnittzeit von 3 min 20 s absolviert wurde.
Gemessen wurde die Herzfrequenz während des Laufes und das Blutlaktat
direkt nach Beendigung des Laufes. Drei beziehungsweise fünf Tage später
wurde der Test wiederholt, wobei es zu einer deutlichen Verminderung des
Blutlaktats kam. Auch die Herzfrequenz konnte, wie in Tabelle 2 dargestellt,
deutlich herabgesetzt werden.
25
2 Theoretischer Hintergrund
Datum Atmungs
-weise
Zeit /
km
[min]
Herzfrequenz [Schläge / Min.] gemessen beim
Lauf über 12 km in den entsprechenden
Teilabschnitten
Laktat
[mmol /
l]
1 2 3 4 5 12
08.05.96 NAT 03:20 165 168 172 174 172 171 9,4
11.05.96 New 03:20 159 162 165 169 165 169 5,2
14.05.96 New 03:20 154 154 153 160 162 165 3,7
Tabelle 2: Herzfrequenz und Laktatkonzentration bei L. Beblo / POL während desLaufens mit verschiedenen Atmungstechniken (aus: Strelzov, 2004, S. 25)
Strelzov (2004) betont noch, dass L. Beblo bei 1 km in 3:00 Minuten mit der
optimierten Atemtechnik genau die gleiche Atemfrequenz und den gleichen
Energieverbrauch wie vor der Umstellung mit der �natürlichen Atmung� damals
aber mit einer Zeit von 4:20 Minuten hatte.
2.4 Spiroergometrie
Die Spiroergometrie oder auch Ergospirometrie setzt sich inhaltlich aus zwei
Komponenten zusammen. Die Ergometrie ist eine exakte Methode zur
Erfassung und Dosierung der physischen Leistung. Die Spirometrie dient, unter
Verwendung der Spirographie, der Aufzeichnung des respiratorischen
Gasstoffwechsels. 1929 wurden Spirometrie und Ergometrie von Knipping zu
einem standardisierten Verfahren zusammengeführt (Hollmann & Strüder,
2009). Mit der Spiroergometrie lassen sich die wichtigen
Herzkreislaufparameter während einer Belastung aufzeichnen und
anschließend auswerten. Dabei können unterschiedliche Ergometer verwendet
werden, jedoch ist es sinnvoll sich an der Erfolgssportart zu orientieren. Für
diese Untersuchung wurde das Laufband gewählt, da alle Probandinnen und
Probanden angaben gelegentlich bis regelmäßig in ihrer Freizeit zu laufen. Das
Laufband ermöglicht es, die Geschwindigkeit und die Dauer nach einem vorher
festgelegten Protokoll zu regulieren und bietet in Kombination mit der
spirometrischen Erfassung der Atemluft und der Ableitung der Herzfrequenz
mittels Sensoren die Möglichkeit einer quantitativen und qualitativen
Bestimmung der Leistung des Herzkreislaufsystems (Hollmann & Prinz, 1994).
26
2 Theoretischer HintergrundEs können die fraktionierten Anteile von Sauerstoff und Kohlendioxid der
ausgeatmeten Luft sowie das Volumen der ausgeatmeten Luft mit Hilfe einer
Atemmaske und den entsprechenden Sensoren abgeleitet werden (Macfarlane,
2001). Zusammen mit der aufgezeichneten Herzfrequenz können aus diesen
drei Parametern weitere wichtige Variablen berechnet werden (Fletcher ET AL.,
2001). Moderne Geräte können diese Werte im Sinne einer breath-by-breath
Analyse aufzeichnen und die entsprechenden Variablen sofort errechnen
(Macfarlane, 2001); (Winter ET AL., 1994). Eine errechnete Standardmessgröße
ist dabei die Sauerstoffaufnahme bei Maximalleistung (VO2max [l/(kg/min)]. Sie
wird nach dem Fick'schen Gesetz aus dem Produkt des
Herzzeitminutenvolumens und der arteriovenösen Sauerstoffdifferenz gebildet.
Die maximale Sauerstoffaufnahme, die als ein objektives Maß der körperlichen
Leistungsfähigkeit gilt, definiert das obere Limit des kardiopulmonalen Systems
(Gibbons ET AL., 1997). Obwohl es Formeln zur Berechnung der VO2max aus
der fahrradergometrischen Leistung in Watt oder der Belastungsdauer in
Minuten am Laufband gibt, sind diese berechneten Werte auf Grund
mannigfaltiger Einflussfaktoren starken Streuungen unterworfen (Myers ET AL.,
1991). Direkt gemessene Werte sind daher berechneten Werten vorzuziehen
(Fleg ET AL., 2000); (Gibbons ET AL., 1997).
2.5 Untersuchungsrelevante Parameter
In diesem Unterkapitel werden die für diese Untersuchung ausgewählten
Parameter, unter Berücksichtigung der Relevanz in den Sportwissenschaften
dargestellt.
2.5.1 Herzfrequenz
Die Herzfrequenz (HzF oder HR) wird sehr häufig in der Trainingspraxis als
Maß für Intensität und Belastung herangezogen. Da ein linearer
Zusammenhang zwischen Belastungsintensität und Herzfrequenz besteht, kann
die Herzfrequenz auch als Gradmesser für die Belastung verwendet werden
(Janssen, 2003). Darüber hinaus gibt es auch eine konstante Beziehung
zwischen Herzfrequenz und Sauerstoffaufnahme, die durch den Sauerstoffpuls
ausgedrückt wird (Wasserman ET AL., 2005). Die Herzfrequenz hat aber auch
27
2 Theoretischer Hintergrundeine Verbindung mit der maximalen Sauerstoffaufnahme. Sie (die
Herzfrequenz) steigt bis zu etwa 90% der Belastungsfähigkeit linear an und
erreicht somit kurz vor der maximalen Sauerstoffaufnahme ihren Höchstwert
(Hollmann & Strüder, 2009).
Im Breitensport ist die Herzfrequenzmessung zur Bestimmung der
Trainingsintensität sehr beliebt, da die Messung der Pulsfrequenz und
Einstellung von vorgegebenen Frequenzbereichen sehr einfach zu handhaben
ist.
2.5.2 Atemfrequenz
Die Atemfrequenz (AF oder BR)wird so gut wie nie als Wert zur Bestimmung
der Ausdauerfähigkeit verwendet. Eigentlich dient sie nur zur Berechnung des
Atemminutenvolumens und aller davon abgeleiteten Parameter. Die
Ruheatemfrequenz liegt normal im Bereich von zwölf bis 16 Atemzügen pro
Minute (Edel, 1993). Bei Bewegung, also wenn die arbeitende Muskulatur mehr
Sauerstoff braucht, nimmt die Atemfrequenz zu. Wie in 2.3.3 auf Seite 20
beschrieben, ist dieser Anstieg der Atemfrequenz aber oberhalb von 38 � 43
Atemzügen pro Minute hinsichtlich der Sauerstoffversorgung nicht mehr optimal
(Strelzov, 2004).
Andererseits meint Hollmann (2009), dass sich die Atemfrequenz, bei einer
Belastung im allgemein aeroben Bereich, durch die Vorgabe eines höheren
Rhythmus mittels eines Metronoms, über einen längeren Zeitraum durchhalten
lässt. Dabei kommt es zu einer Verminderung der Atmungstiefe. Aber auch
Hollmann (2009) stellt fest, dass die erhöhte Atemfrequenz nicht die Abflachung
der Atmung kompensieren kann.
2.5.3 Atemminutenvolumen
Alle atemmechanischen Parameter, zu denen auch das
Atemminutenvolumen (VE) zählt, können nicht dazu verwendet werden den
Trainingszustand zu bewerten. So gibt es auch keine Abhängigkeit zwischen
der ventilatorischen Compliance und der Leistungsfähigkeit. Für ein gegebenes
Atemminutenvolumen weisen sowohl Ausdauer-Trainierte wie auch Untrainierte
bei Belastung gleich hohe Werte der Atemarbeit auf (Milic-Emili, Petit &
28
2 Theoretischer HintergrundDeroanne, 1962). Unter normalen Bedingungen stellt die Ventilation für
gesunde Personen keinen die Leistung limitierenden Faktor dar (Hollmann &
Strüder, 2009).
2.5.4 Atemzugvolumen
Das Atemzugvolumen oder auch tidal volume (VT) beschreibt das
Luftvolumen, das während der Ruheatmung bewegt wird (Gosselink, 2000). Der
Wert für das Atemzugvolumen in Ruhe beträgt ungefähr 0,5 Liter. Bei erhöhter
Leistungsanforderung nimmt das Atemzugvolumen auf Kosten des
exspiratorischen und des inspiratorischen Reservevolumens zu (Pfender,
2003). Für eine leistungsdiagnostische Beurteilung muss das Atemzugvolumen
immer im Zusammenhang mit der Atemfrequenz, aber auch anderen
atemspezifischen Parametern gesehen werden.
2.5.5 Kohlendioxidabgabe
Die Kohlendioxidabgabe (VCO2) beschreibt diejenige Menge an CO2 , die
aus dem Blut über die Alveolen eliminiert wird. Gemessen wird die Menge an
Kohlendioxid entweder in Liter oder ml pro Minute [l/min oder ml/min] (Löllgen,
Gitt & Erdmann, 2010). Das in der Peripherie des Körpers gebildete
Kohlendioxid muss über den Blutweg zu den Alveolen der Lunge hin
abtransportiert werden. Die Vorgänge der Perfusion, Diffusion und Ventilation
die dabei durchlaufen werden, wurden schon unter Punkt 2.2 (S. 6)
beschrieben. Die ausgeatmete Luft wird wie in Punkt 2.5.6 (S. 30) beschrieben
einer Volumensmessung und einer elektronischen Gasanalyse mittels eines
Infrarot-Kohlendioxid-Analysators zugeführt.
In Kombination mit einem polygraphischen Sauerstoffanalysator und einem
Massenspektrographen kann die ausgeatmete Luft in sogenannten Mischboxen
gespeichert und einer kontinuierlichen Messung, der breath-by-breath-Analyse
zugeführt werden. Durch die ständige Berechnung können die Werte auf dem
Bildschirm eines Computers einerseits als sich ständig aktualisierender Graph
oder als digitaler Wert dargestellt und gespeichert werden (Gosselink, Haas &
Reybrouck, 2000).
29
2 Theoretischer Hintergrund
2.5.6 Sauerstoffaufnahme
Die Sauerstoffaufnahme (VO2), gemessen in Liter oder Milliliter pro Minute
[l/min oder ml/min], kennzeichnet jene Menge an Sauerstoff die der Körper der
Umgebungsluft pro Minute entnehmen und dem eigenen Stoffwechsel zuführen
kann. Dabei wird der Wert standardisiert durch die STPD-Bedingungen
(Standard-Temperatur von 0°Celsius, Druck 760mmHg und Luftfeuchtigkeit von
0%). Die Mengenbestimmung erfolgt über die Messung der Ausatemluft wobei
die Differenz zur gemessenen Einatemluft berechnet wird. Dies geschieht in der
Regel mittels eines Douglas-Sacks, der zur Mengenbestimmung dient. Die
Sauerstoffkonzentration der Ausatemluft wird durch elektronische
In Kombination mit einem Infrarot-Kohlendioxid-Analysator und einem
Massenspektrographen kann die ausgeatmete Luft in sogenannten Mischboxen
gespeichert und einer kontinuierlichen Messung, der breath-by-breath-Analyse
zugeführt werden. Die Werte können wie unter 2.5.5 (S. 29) beschrieben
dargestellt und gespeichert werden (Gosselink ET AL., 2000).
2.5.7 Maximale Sauerstoffaufnahme
Nach Janssen (2003) wird die maximale Sauerstoffaufnahme bei maximaler
Belastung, die mindestens zwei Minuten aber nicht länger als fünf Minuten
dauert gemessen, und in Liter pro Minute angegebenen. Durch den Einfluss
eines Trainings kommt es zu einer Erhöhung der maximalen
Sauerstoffaufnahme. Weiter folgert Janssen (2003), dass die maximale
Sauerstoffaufnahme nicht länger als fünf Minuten gehalten werden kann und
daher kein gutes Maß für die Leistungsfähigkeit des Ausdauersportlers ist. Die
anaerobe Laktatschwelle stellt ein viel besseres Maß für die Leistungsfähigkeit
dar, weil sie über einen längeren Zeitraum ohne Erhöhung vom
Ausdauersportler gehalten werden kann (Janssen, 2003).
Gosselink & Reybrouck definieren die maximale Sauerstoffaufnahme als
diejenige, die unter Belastung, ungeachtet einer weiteren Steigerung der
Belastungsintensität in einem Zeitintervall von 30 Sekunden kleiner als 1 ml /
min / kg ist. An diesem Punkt wird die maximale Sauerstoffaufnahme als
30
2 Theoretischer Hintergrundleveling off bezeichnet. Wie in Abbildung 9 ersichtlich erreicht sie, auch
während verschiedener Arten der Ergometrie, ein Plateau, obwohl die
mechanische Leistung noch weiter gesteigert wird (Gosselink & Reeybrouck,
2007).
Weineck (2004) sieht auch einen linearer Zusammenhang zwischen der
maximalen Sauerstoffaufnahme und Zunahme des Blutvolumens.
Für Personen, die Ausdauer trainieren, kann mit Sicherheit angenommen
werden, dass die maximale Sauerstoffaufnahme höher ist als für untrainierte
Personen. Dabei steigen die Laktatschwellen und die maximale
Sauerstoffaufnahme annähernd um den gleichen Betrag. Die maximale
Sauerstoffaufnahme differiert allerdings bei normalen Testpersonen sehr stark
und ist von vielen Faktoren abhängig. Diese Faktoren sind Alter, Geschlecht,
Körpergröße, fettfreie Körpermasse, alltägliches Aktivitätsniveau und Übungstyp
(Wasserman ET AL., 2005).
31
Abbildung 10: Ermittlung der maximalen Sauerstoffaufnahme währendverschiedener Arten der Ergometrie (aus: Reybrouck, 1975 in Gosselink &Reeybrouck, 2007)
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
Arme und BeineBeine
Arme
Belastung [Watt]
Sa
ue
rsto
ffau
fna
hm
e [l
/min
]
2 Theoretischer HintergrundNach Hollmann ET AL. (2009) �..wird vor allem an jenen Untersuchungstellen,
die nicht gleichzeitig Forschungsarbeit betreiben, die maximale
Sauerstoffaufnahme als Ausdruck der Ausdauerleistungsfähigkeiten betrachtet:
Je höher der Wert für die maximale Sauerstoffaufnahme, desto höher wird das
Das Atem-Äquivalent für Sauerstoff ist definiert als das Verhältnis von
Atemzeitvolumen (VE) zur Sauerstoffaufnahme (VO2) (Meyer, 2007). Als
Ruhequotient für die Ergospirographie erdacht von Knippping und Moncrieff
(1932), ist es eines der wertvollsten Kriterien zur Beurteilung einer individuellen
Belastungssituation. Wird der Quotient größer als 30 � 35, weist das auf eine
Erreichung der individuellen Leistungsgrenze hin, jedoch abhängig von Alter,
Geschlecht und Trainingszustand. Ein geringer Wert bei submaximaler
Belastung spricht für hohe Belastungsreserven (Hollmann, Strüder, Predel &
Tagarakis, 2006). Das Atem-Äquivalent gilt auch als Maß für die Ökonomie der
Atmung. Ein kleines Atem-Äquivalent weist auf eine ökonomische Atmung hin,
da nur wenig Atemvolumen notwendig ist um einen Liter Sauerstoff auf zu
nehmen. In Ruhe benötigen wir ungefähr 25 Liter eingeatmete Luft um einen
Liter Sauerstoff in den Körper aufnehmen zu können. Mit steigender
körperlicher Belastung wird die Atmung unökonomischer. Bei vermehrter
körperlicher Arbeit benötigen wir 30 � 40 Liter Luft um einen Liter Sauerstoff
aufnehmen zu können (Pfender, 2003).
2.5.9 Atemäquivalent für Kohlendioxid
Das Atem-Äquivalent für Kohlendioxid ist definiert als das Verhältnis von
Atemzeitvolumen(VE) zur Kohlendioxidabgabe (VCO2) und beschreibt, wie viel
Liter Luft eingeatmet werden müssen, damit ein Liter Kohlendioxid ausgeatmet
werden kann. Auch das Atem-Äquivalent für Kohlendioxid nimmt wie das Atem-
Äquivalent für Sauerstoff unter Belastung ab. An der anaeroben Schwelle
jedoch kommt es im Gegensatz zum Atem-Äquivalent des Sauerstoffs zu
keinem Anstieg, weil die Ventilation, durch das Kohlendioxid stimuliert, ansteigt.
32
2 Theoretischer HintergrundDie ventilatorische Effizienz kann als dimensionsloser Wert aus dem Verhältnis
von Atemzeitvolumen (VE) zu Atem-Äquivalent für Kohlendioxid (VCO2)
bestimmt werden (Löllgen ET AL., 2010).
Der respiratorische Quotient (RQ), der für diese Untersuchung nicht relevant
ist, gibt das Verhältnis von ausgeatmetem Kohlendioxid zu eingeatmetem
Sauerstoff wieder.
RQ=CO2 Abgabe [l /min]
O 2 Aufnahme[ l /min]
Die ausschließliche Verbrennung von Fettsäuren ergibt einen
respiratorischen Quotienten von 0,70. Bei der Verwertung von Proteinen steigt
der RQ auf 0,81 und wird bei ausschließlicher Verwertung von Kohlehydraten
1,00. In Ruhe, geht man von einer gemischten Ernährung aus, ergibt sich eine
RQ-Wert von ungefähr 0,85 (Hollmann ET AL., 2006).
2.6 Atemschulung
Die Sonderstellung der Atmung durch ihre zum Teil bewusste Steuerbarkeit,
im Gegensatz zu allen anderen unbewußt vegetativen Prozessen, wurde
bereits im Altertum erkannt. In frühen Hochkulturen wurde empirisch versucht,
die Atmung für körperliche sowie seelisch-geistige Sphären nutzbar zu machen.
�...besonders auch religiöse Kulturbestrebungen Indiens, Chinas, Ägyptens,
Griechenlands (Schule der Pneumatiker) wurden die den Menschen zu Gebote
stehenden Mächte der Atmung, der Eigenart der einzelnen Völker gemäß,
bewusst gewürdigt und gepflegt.� (Schmitt, 1981), S. 1).
Atemschulung, sofern sie überhaupt im Ausdauertraining berücksichtigt wird,
erfolgt meist im Liegen, Sitzen, Stehen oder bei moderater Bewegung. Der
Schwerpunkt liegt dabei in der Synchronisation von Atmung und Bewegung und
/ oder im Verhältnis Einatmung zu Ausatmung. Durch die bewusste
Beeinflussung der Atmung in einem leistungsfordernden Bereich kann ein
eventuell entscheidend aerober Vorteil ermöglicht werden.
Die Atemschulung ist die Intervention der Wahl bei dieser Untersuchung.
Allen Versuchspersonen wurde in drei Schulungseinheiten á 30 � 45 Minuten
versucht eine ökonomische Atemtechnik zu vermitteln um diese dann im
33
2 Theoretischer HintergrundAusgangstest anzuwenden. Dabei wurde der Zeitraum zwischen Beginn der
Atemschulung und den Ausgangstests möglichst gering gehalten um einen
Trainingseffekt auszuschließen.
2.6.1 Ziele der Atemschulung
Das Ziel der Schulung der Atmung war die alveolare Kapazität zu
verbessern. Dies sollte über folgende Veränderungen der Atmung erfolgen:
� Verlängerung der Inspiration bezogen auf die Einatemzeit
� Vertiefung der Inspiration bezogen auf das Einatemvolumen pro Atemzug
� Lenkung des Atemstromes innerhalb des Körpers
� Optimierung der Atemfrequenz
� Umsetzen der erlernten Atemtechnik in moderater Bewegungsaktivität
� Umsetzen der erlernten Atemtechnik beim Laufen im aeroben Bereich
� Umsetzen der erlernten Atemtechnik bei kurzzeitiger Beanspruchung im
anaeroben Bereich
� Umsetzen der erlernten Atemtechnik bei Beanspruchung im anaeroben
Bereich.
Mittels einer ökonomisierten Atmung im anaeroben Belastungsbereich sollte
mit dieser Untersuchung gezeigt werden, dass die maximale
Sauerstoffaufnahme pro Kilogramm Körpergewicht pro Minute bei den
Versuchspersonen auch ohne Ausdauertraining erhöht werden kann. Ebenfalls
sollte gezeigt werden, dass durch die geschulte Atemtechnik die Herzfrequenz
im Bereich der VO2max gesenkt werden kann.
Über die Konzentration auf die Atmung und die damit verbundene
Körpererfahrung sollten die Testpersonen auch erkennen, dass es viele
verschiedene Atemmuster gibt, die entsprechend der jeweiligen Anforderung
genutzt werden können.
2.6.2 Nicht-Ziele
Es war kein Ziel die Ausdauer durch ein gezieltes Lauftraining zu
verbessern. Ebenfalls war es kein Ziel die Atemmuskulatur durch Widerstände
entweder beim Ein- oder Ausatmen zu trainieren. Ebenso war es kein Ziel die
Stoffwechsellage der Muskulatur durch gezielte Ernährung zu beeinflussen.
34
2 Theoretischer HintergrundDie neu erlernte Atemtechnik wurde nicht als die Atemtechnik für jede
Lebenslage vorgestellt, sondern die Probanden wurden explizit darauf
hingewiesen, dass die spezielle Atemtechnik, die in der Schulung erlernt wurde,
nur für bestimmte Leistungsanforderung geeignet ist.
Ein weiteres Nicht-Ziel war es, die Atemfrequenz über die Schrittlänge zu
beeinflussen.
2.6.3 Stufen der Atemschulung
Die Probanden und Probandinnen erhielten eine dreistufige Atemschulung.
In der ersten Stufe sollte eine Vertiefung und Lenkung des Atemstromes
innerhalb des Körpers erreicht werden. Dies bedeutete für viele der Teilnehmer
und Teilnehmerinnen eine völlig neue Wahrnehmung der Atmung und damit
auch ein etwas verändertes Körpergefühl.
Ziel der zweiten Stufe war es, die Atemfrequenz willentlich zu steuern und
eine konstante Frequenz von 38 � 43 Atemzüge pro Minute zu halten. Die für
diesen zweiten Schritt erforderliche Konzentration bedeutete für manche der
Probanden und Probandinnen eine große Herausforderung.
In der dritten Stufe sollte die vertiefte Atmung mit einer Frequenz von 38 �
43 Atemzügen pro Minute unter steigender körperlicher Ausdauerbelastung
gehalten werden können. Die Atemschulung wurde unter Ausnutzung der
Kontaktatmung und der Visualisation von Abläufen innerhalb des Körpers in den
Räumlichkeiten des Interfakultären Fachbereiches Sport- und
Bewegungswissenschaft / USI der Universität Salzburg, und den
Räumlichkeiten der Schule für allgemeine Gesundheits- und Krankenpflege /
Bildungszentrum des Landeskrankenhauses Salzburg - Universitätsklinikum der
PMU durchgeführt. Der Übungsleiter korrigierte die Versuchspersonen während
der Atemschulung verbal und taktil. Aufbau und Struktur der Atemübungen sind
im Methodik-Teil dieser Arbeit ersichtlich (s. Punkt 5.1.9, S. 57).
Durch die Atemschulung konnten aber auch einige vorhandene Defizite in
der Ruheatmung der Testpersonen ausgeglichen werden, deren sie sich meist
nicht bewusst waren.
35
3 Forschungsstand
3 Forschungsstand
In diesem Kapitel werden die aktuellen Erkenntnisse der Wissenschaften zu
den für diese Untersuchung relevanten Themen zusammengefasst und unter
Berücksichtigung der Relevanz in den Sportwissenschaften dargestellt. Für die
Studie von Nelubova (1992) und Beblo (1996) wird an dieser Stelle
ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Abschriften bzw. Übersetzungen der
russischen Orginalstudien weder in deutscher noch in englischer Sprache zur
Verfügung standen. Die maßgebliche Quelle ist die Übersetzung von Dr. Peter
Tschiene des ersten Teils des russischen Artikels von Alexander Strelzov aus
Minsk publiziert im Journal Leistungssport 2004 Heft 1 Seite 23 � 25.
3.1 Nelubova (1992)
Als Experiment wurde die neue Atemtechnik das erste Mal 1992 in Moskau
durchgeführt. Im Februar 1992 wurde das Experiment das zweite Mal am
Zentralen Wissenschaftlichen Forschungsinstitut in Moskau mit fünf Meistern
des internationalen Sports, deren Spezialisierung im Bereich 800m bis 1500m
lag, wiederholt. In der ersten Serie wurden die Herzfrequenz, Atemfrequenz,
das Atemminutenvolumen und die Laktatkonzentration am Laufband bei
Geschwindigkeiten von 3,0 � 3,5 � 4,0 � 4,5- 5,0- 5,5 m/s gemessen. Nach drei
Minuten Dauer wurde ohne Unterbrechung in die jeweils höhere
Geschwindigkeitsstufe hoch geschalten. Innerhalb von vier Tagen im Zeitraum
vom 6. - 9. Februar 1992 wurden die Versuchspersonen innerhalb des
normalen, geplanten Trainings in der neuen Atemtechnik unterwiesen. In
diesem Zeitraum wurde innerhalb des Trainings die übliche Atmung durch die
neue Atemtechnik ersetzt. Am 10. Februar 1992 wurde die zweite Serie an
Messungen durchgeführt, jetzt aber mit der neuen Atemtechnik. Durch die neue
Atemtechnik kam es zu einer Steigerung der Oxigenisierung um 30 bis 40% im
Vergleich zur üblichen Atmung, zu einer Abnahme der Atemfrequenz um 30
-35%, zu einer Abnahme des Atemminutenvolumen um10 bis 20% und zu einer
Abnahme des Blutlaktats um 25 � 50% (s. Tabelle 3, S. 38). Potentiell waren
36
3 Forschungsstandalle Versuchspersonen bereit für eine höhere Leistung, jedoch konnte diese
noch nicht realisiert werden wie in Tabelle 1 (s. S. 25) ersichtlich ist (Strelzov,
2004).
3.2 Beblo (1996)
Im Jahr 1996 haben zwei führende Marathonläufer, L. Beblo und G. Gaidus
an einem Versuch auf der Laufbahn im Stadion teilgenommen. Dabei liefen sie
am 08.05.1996 zwölf Kilometer mit einer Kilometerschnittzeit von drei Minuten
und zwanzig Sekunden mit der üblichen oder normalen Atmung. Dabei wurde
die Herzfrequenz während des ganzen Laufes gemessen und eine Blutprobe
sofort nach Beendigung des Laufes zur Bestimmung des Serumlaktats
gezogen. Die Wiederholung dieses Testlaufes drei Tage nach Beginn der
Atemschulung in derselben Kilometerschnittzeit, brachte eine beeindruckende
Reduzierung des Laktats um 45% und eine Reduzierung der Herzfrequenz um
3,3%. Am 14.05.1996, wurde der Test noch einmal durchgeführt, wobei die
Herzfrequenz um 7,8% und das Laktat um 61,2% gegenüber dem
Ausgangswert gesenkt werden konnte (Strelzov, 2004).
37
3 Forschungsstand
Unter-suchung
Jahr AnzahlProban-
den
Methode Relevante Ergebnis-se
Nelubova 1992 5 Spiroergom. Test
am Laufband; Test -
Re-Test
VO2 + 30 – 40%, AF – 30
– 35%, VE – 10-20%, BL –
25 - 50%
Beblo 1996 2 Laufbahn 12kmin in
3'20“; Test – Re-Test -
Re-Test
HzF – 3,3% und 7,8% BL
– 45% und – 61,2%
Weiss,
Ring,
Müller
2001 2 Vergleich Gehen
5km/h und Qigong
- Atemfrequenz
+ Atemzugvolumen
+ Dauer Atemzyklus
- Atemminutenvolumen
+ Sauerstoffaufnahme
- Kohlendioxidabgabe
Ziegler 2002 11 30s - Wingate-Test AP + 8,94 W/kg
BL + 1 mmol nach Testende
Verges,
Boutellier,
Spengler
2008
(1992 -
2006)
135 5 von 9 Studien
randomisiert + Kon-
trollgruppen
+ Ausdauer Atemmusku-
latur, + Ausdauer Schwim-
men, + Ausdauer Radfahren
VE + 3,3%, VT + 3,8%,
Tabelle 3: Untersuchungen, die die normale oder übliche Atmung mit einerdifferenten Atmung vergleichen. VO2 = Sauerstoffaufnahme [l/min]; AF =Atemfrequenz [1/min]; AP = Average Power [W/kg]; VE = Atemminutenvolumen[l/min]; BL = Blutlaktat [mmol/l]; HzF = Herzfrequenz [1/min]
3.3 Ziegler (2002)
Mit der Atmung und einer durch sie herbeigeführten Leistungssteigerung
beschäftigte sich auch Arwed Ziegler. Er untersuchte elf männliche Probanden,
wobei sich die Gruppe aus untrainierten Studenten, Gelegenheitssportlern, zwei
mal wöchentlich trainierenden Rugby-Spielern und einem Amateur-Radfahrer
mit täglichem Training zusammensetzte. Es wurde ein 30 Sekunden-Wingate-
Test durchgeführt, der von jedem Probanden drei mal absolviert werden
musste. Test 1 (Vortest) und Test 2 dienten zum Vergleich der Ausgangswerte
38
3 Forschungsstandeinerseits und um die Reliabilität des Test andererseits zu überprüfen. Der dritte
Test unterschied sich von den beiden vorangegangenen durch eine 15-minütige
Hyperventilationsphase nach dem Aufwärmen und vor dem Wingatetest. Auf
dem Fahrrad sitzend hyperventilierten die Probanden im Takt eines Metronoms.
Das Metronom gab eine Atemfrequenz von 25 Atemzügen pro Minute vor. Der
petCO2 in mmHg konnte auf dem Bildschirm des Spirometer durch den
Probanden abgelesen werden. Die Probanden mussten ihre Atemtiefe so
regeln, dass sie nach drei Minuten den Wert des petCO2 von circa 40 mmHg
auf 20 mmHg gesenkt hatten. Acht Minuten nach Beginn der Hyperventilation
wurde eine Blutprobe entnommen um das Laktat zu bestimmen. Die weiteren
Zeitpunkte für die Laktatmessung sowie der zeitliche Ablauf der Tests können
aus Abbildung 11 und Abbildung 12 entnommen werden.
39
Abbildung 11: Ablauf des Wingatetestes mit Darstellung der einzelnen Phasen(Ruhe, Warming up = Warm. up, Wingatetest = Win, Nachbelastungsphase) mitZeitdauer in Minuten (`), sowie der Abnahmezeitpunkte „Ruhe“ „vor Wingate“(„vor Win“) und nach Testende in Minuten (aus: Ziegler, 2002, S. 24)
3 Forschungsstand
Die Ergebnisse zeigten signifikante Unterschiede zwischen Test 2 und Test
3. �Die durchschnittliche Leistung (Average Power) konnte signifikant (p=0,006)
von 8,53±0,57 W/kg auf 8,94±0,77 W/kg gesteigert werden. Auch für die
geringste Leistung (Minimum Power) wurde eine signifikante Steigerung
(p=0,045) ermittelt. Die höchste Leistung (Peak Power) stieg tendenziell
(p=0,099) von 12,28±0,99 W/kg auf 12,58±0,92 W/kg, der Leistungsabfall
(Power Drop) hingegen veränderte sich nicht zwischen den Tests. Die Messung
der Laktatwerte zeigte nach dem Hyperventilationstest signifikant um 1mmol/l
höhere Werte als im Vergleichstest� (Ziegler, 2002, S. 74).
3.4 Verges, Boutellier & Spengler (2008)
Samuel Verges, Urs Boutellier, Christina M. Spengler haben in ihrem Artikel
�Effect of respiratory muscle endurance training on respiratory sensations,
respiratory control and exercise performance A 15-year experience� neun
Studien die sich mit dem Atemmuskeltraining befassen kritisch analysiert. Es
konnte nachgewiesen werden, dass das Respiratorische Muskel Ausdauer
Training (RMET) die Ausdauer der Atemmuskulatur, die Ausdauer für das
Schwimmen und Radfahren verbessern kann. Jedoch konnte nicht geklärt
werden ob diese Resultate eine Folge einer verminderten Wahrnehmung
ungünstiger Atemempfindungen und / oder eine Veränderung der Ausatmung
waren. Diese Ergebnisse stützen sich auf die Untersuchung von 135
40
Abbildung 12: Ablauf des Hyperventilations-Wingatetestes mit Darstellung dereinzelnen Phasen (Ruhe, Warming up = Warm. up, Hyperventilation, Wingatetest =Win, Nachbelastungsphase) mit Zeitdauer in Minuten (`), sowie derAbnahmezeitpunkte „Ruhe“ „vor Wingate“ („vor Win“ = 8’) und nach Testende inMinuten (aus: Ziegler, 2002, S. 24)
3 ForschungsstandTestpersonen. Eine tabellarische Zusammenfassung dieser Untersuchungen ist
in Abbildung 13 dargestellt.
3.5 Weiss, Ring & Müller (2001)
Einen Pilotversuch starteten Weiss, Ring & Müller (2001) indem sie die
Atemparameter einer Probandin und eines Probanden zwischen dem Herz-
Qigong des DAOYIN YANGSHENG GONG und dem normalen Gehen auf
einem Laufband bei einer Geschwindigkeit von 5 km/h verglichen. Die im
Folgenden dargestellten Werte gelten für die Probandin außerhalb und für den
Probanden innerhalb der Klammer.
Die Atemfrequenz beim Qigong war um 7,32 (2,26) Atemzüge / min niedriger
als beim Gehen, das durchschnittliche Atemzugvolumen stieg dabei um 0,73
(0,1) l. Die Dauer eines Ein- und Ausatemzyklus verlängerte sich um 4,92 (0,56)
Sekunden. Insgesamt wurde beim Qigong um 3,33 (2,33) l/min weniger Luft
ventiliert, wobei die Sauerstoffaufnahme beim Qigong um 34,57 (-104,18)
ml/min erhöht (verringert) und die Kohlendioxidabgabe um -24,4 (-70,95) ml/min
41
Abbildung 13: Zusammenfassung von neuen Studien unter Berücksichtigungder Autoren, Anzahl der Probanden, Trainingscharateristika, durchgeführte Testsvor und nach dem Training. RMET = respiratory muscle endurance training;CON = control; maximal pressures, maximal inspiratory and expiratory pressuremeasurement; RET = respiratory endurance test; incremental cycling, maximalincremental cycling test; CET = cycling endurance test (aus: Verges, Boutellier &Spengler, 2008, S. 2).
3 Forschungsstandvermindert (erhöht) war. Die Werte für das Atemäquivalent des Sauerstoffs und
des Kohlendioxids, -6,88 (-1,44) und -4,4 (-0,74), reduzierten sich beim Qigong.
Parameter Probandin Proband
Atemfrequenz [1/min] -7,32/min -2,26/min
Atemzugvolumen [l] +0,73 l +0,1 l
Dauer Atemzyklus [s] +4,92 s +0,56 s
Atemminutenvolumen[l/min]
-3,3 l/min -2,33 l/min
Sauerstoffaufnahme[ml/min]
+34,57 ml/min +104 ml/min
Kohlendioxidabgabe[ml/min]
-24,4 ml/min -70,95 ml/min
Atemäquivalent für Sauer-stoff [dimensionslos]
-6,88 -1,04
Atemäquivalent für Koh-lendioxid [dimensionslos]
-4,4 -0,74
Tabelle 4: Unterschiede in den respiratorischen Werten zwischen Gehen bei 5 km/hund Qigong; die Werte geben die Differenz Qigong - Gehen wieder (aus: Weiss, Ring& Müller, 2001)
Die in Tabelle 4 dargestellten Werte fassen die für den Vergleich mit dieser
Studie wichtigen Parameter zusammen. Schlussfolgerung dieser Untersuchung
ist, dass die Atmung beim Qigong ökonomischer ist als beim normalen Gehen
mit 5km/h. Der Beweis für diese Behauptung wird durch die gesteigerten Werte
der Sauerstoffaufnahme bei gleichbleibender Ventilation erbracht. Hinsichtlich
der Wirkung auf den Körper durch die andren Atemparameter konnte kein
Ergebnis benannt werden.
42
3 Forschungsstand
3.6 Zusammenfassung der Ergebnisse der Studien
Alle fünf Studien zeigen, dass durch eine veränderte, vertiefte Atemtechnik,
sei es beim Laufen oder dem der Bewegung angepassten Atmen beim Qigong,
oder durch Training der Atemmuskulatur, eine Veränderung der Atemparameter
und des Laktats erreicht wird. Da die gemessenen Parameter der Studien
variieren (s. Tabelle 3) sind die Werte der Studien, die mit den Werten dieser
Arbeit verglichen werden sollen im Folgenden entsprechend den in Kapitel 4
formulierten Hypothesen aufgeführt.
� Die Herzfrequenz wird herabgesetzt
� Die Atemfrequenz wird herabgesetzt
� Das Atemmiutenvolumen bleibt gleich
� Das Atemzugvolumen steigt / bleibt gleich
� Kohlendioxidabgabe nimmt ab
� Sauerstoffaufnahme nimmt zu
Blutlaktat in mmol/l und Leistung in W/kg wurden in dieser Aufstellung nicht
berücksichtigt, da sie nicht Teil der untersuchten Parameter dieser Studie
waren.
43
3 Forschungsstand
3.7 Forschungsdefizit und Aufgabenstellung
Die Literaturrecherche für diese Arbeit zeigte, dass es zwar einige
Untersuchungen bezüglich einer neuen Atemtechnik gibt, diese jedoch zum Teil
unvollständig oder mangelhaft im deutschen oder englischen Sprachraum
publiziert worden sind. Außerdem wurden bei den in Kapitel 3 genannten
Untersuchungen die spirometrischen Werte nur teilweise berücksichtigt. Der
Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Darstellung der Herzfrequenz und
der Veränderung des Blutlaktates.
Wie einige aktuelle Untersuchungen zeigen (Wahl ET AL., 2009) wird dem
Blutlaktat als Kennzeichner der Schwellen nicht mehr diese Bedeutung
beigemessen. Andere Funktionen des Blutlaktates wie zum Beispiel die
Substratfunktion stehen derzeit mehr im Interesse der sportwissenschaftlichen
Forschung.
Aber auch die Erforschung der Schwellen mittels der Spiroergometrie, liefert
nur wenige Untersuchungen, die sich mit der Atemmechanik auf alveolarer
Ebene auseinandersetzen, da hier meist das Training der Atemmuskulatur im
Vordergrund steht (Boutellier ET AL., 1992), (Markov ET AL., 2001).
Aus den oben genannten Argumenten ist das wissenschaftliche Defizit
ersichtlich und es ergibt sich die Notwendigkeit für diese Arbeit. Das Fehlen von
spiroergometrischen Daten, bei der Umstellung der Atmung im
Belastungsbereich der maximalen Sauerstoffaufnahme und damit auch das
Fehlen von Vergleichswerten, die eine Abschätzung des Effektes erlauben
würden, erfordert ein exploratives Vorgehen für eine Untersuchung. Diesem
Fakt wurde im Design der Untersuchung (s. Kapitel 5, S. 46) Rechnung
getragen.
44
4 Hypothesenformulierung
4 Hypothesenformulierung
H01: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich der Herzfrequenz bei Belastungen im Bereich der maximalen
Sauerstoffaufnahme.
H02: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich der Atemfrequenz bei Belastungen im Bereich der maximalen
Sauerstoffaufnahme.
H03: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich des Atemminutenvolumens bei Belastungen im Bereich der
maximalen Sauerstoffaufnahme.
H04: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich des Atemzugvolumens bei Belastungen im Bereich der maxi-
malen Sauerstoffaufnahme.
H05: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich der Kohlendioxidabgabe bei Belastungen im Bereich der ma-
ximalen Sauerstoffaufnahme.
H06: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich der relativen maximalen Sauerstoffaufnahme bei Belastun-
gen im Bereich der maximalen Sauerstoffaufnahme.
45
5 Untersuchungsmethodik
5 Untersuchungsmethodik
Aus der Literatur konnten für den gewählten Untersuchungsbereich keine
Effektgrößen als Anhalt gefunden werden. Daher wurde, um eventuell sehr
kleine Effekte nicht zu übersehen, eine Gruppengröße von 31 Personen
gewählt. Die Belastungsprotokolle für die spiroergometrische Untersuchung
wurden in Zusammenarbeit mit den Fachkräften des Ausdauer-Labors des
Fachbereichs Sport- und Bewegungswissenschaften der Universität Salzburg,
namentlich Maga. Monika Stadlmann und Mag. Christoph Gonaus,
zusammengestellt. Dabei wurde einerseits für den Test relevante Literatur als
auch die Erfahrung der vorher genannten miteinbezogen. Vor dem Beginn der
Testreihe wurden noch zwei Personen, die sich in ihrer sportlichen Aktivität und
im Geschlecht unterschieden, mit dem entwickelten Testprotokoll vorab
getestet, um einerseits die Bandbreite der gewonnen Daten im Vorfeld besser
abschätzen zu können aber auch andererseits das Testprotokoll noch
nachzujustieren.
Alle Testpersonen, bis auf eine Abbrecherin, haben sich dreimal demselben
Test unterzogen und konnten die Testreihe so beenden, dass jeweils drei
vollständige Datensätze aufgezeichnet werden konnten. Im Anschluss an die
Tests wurden die Daten statistisch aufgearbeitet.
5.1 Datengewinnung
5.1.1 Stichprobe
Bei den Versuchspersonen handelte es sich um sechzehn
Freizeitsportlerinnen und fünfzehn Freizeitsportler, älter als zwanzig Jahre. Das
Durchschnittsalter der Frauen betrug 41,9 ±14,5 Jahre (min. 23,0 Jahre; max.
72,7 Jahre), das der Männer 42,1 ± 15,1 Jahre (min. 22,3 Jahre; max. 66,8
Jahre). Es konnte folgende Verteilung hinsichtlich der Altersgruppen durch die
Auswahl der Testpersonen erreicht werden:
46
5 Untersuchungsmethodik
Altersgruppe in Jahrzehnten Alter Frauen Alter Männer
20 bis 29,9 Jahre
23,2 22,4
26,7 24,6
28,6 25,6
28,9 28,7
30 bis 39,9 Jahre
31 30,8
33,7 31,1
34,1 37,2
38,3
39,4
40 bis 49,9 Jahre
43 42,4
47,2 43,7
45,4
50 bis 59,9 Jahre
50,8 51,5
51,9 58,4
60 und mehr Jahre
61,7 61,7
61,9 62,4
72,8 67
Tabelle 5: Schichtung der Stichprobe nach Lebensjahrzehnten
Es wurde sowohl die Gruppe der Frauen als auch die der Männer auf
Normalverteilung mit Hilfe des Kologmorov-Smirnov-Tests (Lilliefors-Test)
hinsichtlich des Alters überprüft, wobei eine mögliche Normalverteilung
festgestellt werden konnte. Dennoch entspricht die Stichprobe einer
Klumpenstichprobe (cluster sample), bezogen auf das Merkmal Alter.
Die Durchschnittsgröße der Probandinnen betrug 168,6 ± 5,9 cm (min 162,0
cm; max 183,0 cm), die der Probanden 179,9 ± 7,6 cm (min 168 cm; max 194
47
5 Untersuchungsmethodikcm). Das Durchschnittsgewicht der weiblichen Testpersonen beim ersten Test
betrug 62,1 ± 5,8 kg (min 53 kg; max 72,5 kg), das der männlichen
Testpersonen 81,9 ± 7,7 kg (min 72,5 kg; max 101,0 kg). Von den weiblichen
Versuchspersonen waren zum Zeitpunkt der Untersuchung vier von sechzehn
(25,0%) Raucherinnen, von den männlichen Versuchspersonen waren vier von
fünfzehn (26,7%) Raucher, das heißt 25,8% aller 31 Versuchspersonen gaben
an zu rauchen. Zehn von sechzehn Probandinnen und acht von fünfzehn
Probanden bestätigten schon einmal eine Laufbandergometrie durchgeführt zu
haben.
Ausschlusskriterien
Ausschlusskriterien für die Teilnahme an der Untersuchung waren eine
relative VO2max größer als 60 ml/kg/min bei den Probandinnen und eine
relative VO2max größer als 80 ml/kg/min bei den männlichen Probanden. Beim
Eingangstest wurden in einem anamnestischen Gespräch Risiken und
Beschwerden der Versuchspersonen abgeklärt und im Formular
Einwilligungserklärung (Anhang II, S. 111) vermerkt. Folgende Punkte wurden in
Anlehnung an den am Ausdauerlabor des Fachbereichs Sport- und
Bewegungswissenschaften der Universität Salzburg verwendeten
Erhebungsbogen als weitere Ausschlusskriterien für die Untersuchung
berücksichtig:
• Träger oder Trägerin eines Herzschrittmachers
• Operation an Herz oder Kopf
• Chronisches orthopädisches Problem (Hüfte, Knie, Fußgelenk)
6 ErgebnisseDer Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist sehr signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,002%. Die Power des Tests zeigt einen starken
Effekt mit � = 0,86 zwischen Test 2 und Test 3.
Abbildung 18 zeigt die Mittelwerte der Herzfrequenzen zum Zeitpunkt der
maximalen Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen vor der Intervention, die als
Atemschulung durchgeführt wurde, in Test 2. Die Mittelwerte der
Herzfrequenzen zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme aller
Testpersonen nach der Intervention sind in Test 3 zusammengefasst. Auf der y-
Achse des Graphen ist die Herzfrequenz (HR [b/min]) aufgetragen. Die Werte
werden als Boxplot dargestellt, wobei die äußeren Grenzen die durch die
Querstriche der Fühler (whisker) gekennzeichnet sind, die Minimal- und die
Maximalwerte jeder Messung wiedergeben. Die Box selber enthält die mittleren
zwei Quartile der Werte, zusammen 50% aller Werte. Der Querstrich, der die
Box in eine obere und untere Hälfte teilt, stellt den Median der Messung dar.
Die eckige Klammer mit den zwei Sternen symbolisiert, dass der Unterschied
der Mittelwerte beider Messungen sehr signifikant ist. Die Zahlenwerte für
Abbildung 18 sind in Tabelle 10 zusammengefasst.
64
Abbildung 18: Vergleichder mittlerenHerzfrequenz von Test 2und Test 3. Test 2 zeigt dieWerte vor derAtemschulung und Test 3zeigt die Werte nach derAtemschulung. HR =Herzfrequenz gemessen inSchlägen pro Minute; * *= sehr signifikant.
* *
6 Ergebnisse
6.2 Atemfrequenz
Der Mittelwert der Atemfrequenz der Testpersonen verringerte sich unter
Verwendung der neuen Atemtechnik absolut um 1,59 Atemzüge pro Minute, das
entspricht einer Reduktion um 3,68%. Dabei beträgt der errechnete
Standardfehler bei Test 2 1,70 Atemzüge und bei Test 3 1,40 Atemzüge pro
Minute. Die Standardabweichung, beträgt ± 9,47 Atemzüge pro Minute für Test
2 und ± 7,76 Schläge pro Minute für Test 3. Die minimalen und maximalen
Werte der Atemfrequenz für Test 2 betragen 26,12 (min.) und 63,21 (max.)
Atemzüge pro Minute, für Test 3 liegen die Werte bei 28,29 (min.) und 54,35
(max.) Atemzüge pro Minute.
Die Prüfung auf Normalverteilung mittels des Kolmogorov-Smirnov-Tests
(Lilliefors-Test) ergibt für die Werte der Atemfrequenz für alle drei Tests eine
mögliche Normalverteilung.
Die Überprüfung der Reliabilität mittels Berechnung der Pearson-Korrelation
zwischen Test 1 und Test 2 ergibt mit r = 0,75 eine hohe Korrelation.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist nicht signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,194%. Die Power des Tests zeigt einen
schwachen Effekt mit � = 0,34 zwischen Test 2 und Test 3.
65
Tabelle 11:Deskriptive Statistikfür die gemessenenAtemfrequenzwerte inAtemzügen proMinute undKorrelation zwischenTest 1 und Test 2
Abbildung 19 zeigt die Mittelwerte der Atemfrequenzen zum Zeitpunkt der
maximalen Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen vor der Intervention, die als
Atemschulung durchgeführt wurde, in Test 2. Die Mittelwerte der
Atemfrequenzen zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme aller
Testpersonen nach der Intervention sind in Test 3 zusammengefasst. Auf der y-
Achse des Graphen ist die Atemfrequenz (BF [1/min]) aufgetragen. Die Werte
werden als Boxplot dargestellt, wobei die äußeren Grenzen die durch die
Querstriche der Fühler (whisker) gekennzeichnet sind, die Minimal- und die
Maximalwerte jeder Messung wiedergeben. Die Box selber enthält die mittleren
zwei Quartile der Werte, zusammen 50% aller Werte. Der Querstrich, der die
Box in eine obere und untere Hälfte teilt, stellt den Median der Messung dar.
Die Zahlenwerte für Abbildung 19 sind in Tabelle 11 zusammengefasst.
66
Abbildung 19:Vergleich der mittlerenAtemfrequenz von Test 2und Test 3. Test 2 zeigtdie Werte vor derAtemschulung und Test3 zeigt die Werte nachder Atemschulung. BF= Atemfrequenzgemessen in Schlägenpro Minute
6 Ergebnisse
6.3 Atemminutenvolumen
Der Mittelwert der Atemminutenvolumina der Testpersonen zeigte beim
dritten Test eine Abnahme von 0,17 Liter pro Minute, das entspricht einer
Reduktion von 0,002%.
Dabei beträgt der errechnete Standardfehler bei Test 2 5,07 Liter pro Minute
und bei Test 3 4,86 Liter pro Minute. Die Standardabweichung, beträgt ± 28,21
Liter pro Minute für Test 2 und ± 27,03 Liter pro Minute für Test 3. Die minimalen
und maximalen Werte der Atemminutenvolumina für Test 2 betragen 54,04
(min.) und 161,31 (max.) Liter pro Minute, für Test 3 liegen die Werte bei 57,05
(min.) und 163,40 (max.) Liter pro Minute.
Die Prüfung auf Normalverteilung mittels des Kolmogorov-Smirnov-Tests
(Lilliefors-Test) ergibt für die Werte der Atemminutenvolumina für alle drei Tests
eine mögliche Normalverteilung.
Die Überprüfung der Reliabilität mittels Berechnung der Pearson-Korrelation
zwischen Test 1 und Test 2 ergibt mit r = 0,90 eine hohe Korrelation.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist nicht signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,927%. Die Power des Tests zeigt einen
schwachen Effekt mit � = 0,02 zwischen Test 2 und Test 3.
67
Tabelle 12:Deskriptive Statistikfür die gemessenenAtemminutenvoluminain Liter pro Minuteund Korrelationzwischen Test 1 undTest 2
Test 2 Test 3Mittelwert 100,15 100,32Standardfehler 5,07 4,86Standardabweichung 28,21 27,03Minimum 54,04 57,05Maximum 161,31 163,40
Korrelation Test 1 und Test 2 0,90
Atemminutenvolumina
6 Ergebnisse
Abbildung 20 zeigt die Mittelwerte der Atemminutenvolumina zum Zeitpunkt
der maximalen Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen vor der Intervention, die
als Atemschulung durchgeführt wurde, in Test 2. Die Mittelwerte der
Atemminutenvolumina zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme aller
Testpersonen nach der Intervention sind in Test 3 zusammengefasst. Auf der y-
Achse des Graphen ist das Atemminutenvolumen (VE [l/min]) aufgetragen. Die
Werte werden als Boxplot dargestellt, wobei die äußeren Grenzen die durch die
Querstriche der Fühler (whisker) gekennzeichnet sind, die Minimal- und die
Maximalwerte jeder Messung wiedergeben. Die Box selber enthält die mittleren
zwei Quartile der Werte, zusammen 50% aller Werte. Der Querstrich, der die
Box in eine obere und untere Hälfte teilt, stellt den Median der Messung dar.
Die Zahlenwerte für Abbildung 20 sind in Tabelle 12 zusammengefasst.
68
Abbildung 20:Vergleich der Mittel-werte des Atemminuten-volumens von Test 2 undTest 3. Test 2 zeigt dieWerte vor der Atem-schulung und Test 3zeigt die Werte nach derAtemschulung. VE =Atemminutenvolumengemessen in Liter proMinute
6 Ergebnisse
6.4 Atemzugvolumen
Der Mittelwert der Atemzugvolumina der Testpersonen zeigte beim dritten
Test eine Zunahme von 0,08 Liter pro Atemzug, das entspricht einem Anstieg
von 3,46%.
Dabei beträgt der errechnete Standardfehler bei Test 2 und bei Test 3 0,08
Liter pro Atemzug. Die Standardabweichung, beträgt ± 0,47 Liter pro Atemzug
für Test 2 und ± 0,45 Liter pro Atemzug für Test 3. Die minimalen und
maximalen Werte der Atemzugvolumina für Test 2 betragen 1,43 (min.) und
3,57 (max.) Liter pro Atemzug, für Test 3 liegen die Werte bei 1,79 (min.) und
3,82 (max.) Liter pro Atemzug.
Die Prüfung auf Normalverteilung mittels des Kolmogorov-Smirnov-Tests
(Lilliefors-Test) ergibt für die Werte der Atemzugvolumina für alle drei Tests eine
mögliche Normalverteilung.
Die Überprüfung der Reliabilität mittels Berechnung der Pearson-Korrelation
zwischen Test 1 und Test 2 ergibt mit r = 0,92 eine hohe Korrelation.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist nicht signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,061%. Die Power des Tests zeigt einen
schwachen Effekt mit � = 0,49 zwischen Test 2 und Test 3.
69
Tabelle 13:Deskriptive Statistik fürdie gemessenen Atem-zugvolumina in Literpro Atemzug undKorrelation zwischenTest 1 und Test 2
Test 2 Test 3Mittelwert 2,31 2,39Standardfehler 0,08 0,08Standardabweichung 0,47 0,45Minimum 1,43 1,79Maximum 3,57 3,82
Korrelation Test 1 und Test 2 0,92
Atemzugvolumina
6 Ergebnisse
Abbildung 21 zeigt die Mittelwerte der Atemzugvolumina zum Zeitpunkt der
maximalen Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen vor der Intervention, die als
Atemschulung durchgeführt wurde, in Test 2. Die Mittelwerte der
Atemzugvolumina zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme aller
Testpersonen nach der Intervention sind in Test 3 zusammengefasst. Auf der y-
Achse des Graphen ist die Herzfrequenz (HR [b/min]) aufgetragen. Die Werte
werden als Boxplot dargestellt, wobei die äußeren Grenzen die durch die
Querstriche der Fühler (whisker) gekennzeichnet sind, die Minimal- und
Maximalwerte jeder Messung wiedergeben. Die Box selber enthält die mittleren
zwei Quartile der Werte, zusammen 50% aller Werte. Der Querstrich, der die
Box in eine obere und untere Hälfte teilt, stellt den Median der Messung dar.
Die Zahlenwerte für Abbildung 21 sind in Tabelle 13 zusammengefasst.
70
Abbildung 21:Vergleich der Mittel-werte der Atemzug-volumina von Test 2und Test 3. Test 2 zeigtdie Werte vor derAtem-schulung undTest 3 zeigt die Wertenach der Atem-schulung. VT =Atemzugvolumen ge-messen in Liter proAtemzug
6 Ergebnisse
6.5 Kohlendioxidabgabe
Der Mittelwert der Kohlendioxidabgabe der Testpersonen zeigte beim dritten
Test eine Zunahme von 0,15 Liter pro Minute, das entspricht einem Anstieg von
4,49%.
Dabei beträgt der errechnete Standardfehler bei Test 2 0,18 Liter pro Minute
und bei Test 3 0,17 Liter pro Minute. Die Standardabweichung, beträgt ± 0,99
Liter pro Minute für Test 2 und ± 0,96 Liter pro Minute für Test 3. Die minimalen
und maximalen Werte der Kohlendioxidabgabe für Test 2 betragen 1,76 (min.)
und 5,78 (max.) Liter pro Minute, für Test 3 liegen die Werte bei 1,91 (min.) und
5,76 (max.) Liter pro Minute.
Die Prüfung auf Normalverteilung mittels des Kolmogorov-Smirnov-Tests
(Lilliefors-Test) ergibt für die Werte der Kohlendioxidabgabe für alle drei Tests
keine Normalverteilung.
Die Überprüfung der Reliabilität mittels Berechnung der Pearson-Korrelation
zwischen Test 1 und Test 2 ergibt mit r = 0,94 eine sehr hohe Korrelation.
Da die Werte für die Kohlendioxidabgabe für alle drei Tests nicht normal
verteilt sind, wird der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem
Wilcoxon Signed Rank Test für zwei Mediane durchgeführt. Das Ergebnis ist
sehr signifikant bei einer zweiseitigen � - Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,001%.
Die Power des Tests zeigt einen mittleren Effekt mit � = 0,71 zwischen Test 2
und Test 3.
71
Tabelle 14:Deskriptive Statistikfür die gemesseneKohlendioxidabgabe inLiter pro Minute undKorrelation zwischenTest 1 und Test 2
Abbildung 22 zeigt die Mittelwerte der Kohlendioxidabgabe zum Zeitpunkt
der maximalen Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen vor der Intervention, die
als Atemschulung durchgeführt wurde, in Test 2. Die Mittelwerte der
Kohlendioxidabgabe zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme aller
Testpersonen nach der Intervention sind in Test 3 zusammengefasst. Auf der y-
Achse des Graphen ist die Kohlendioxidabgabe (VCO2 [l/min]) aufgetragen. Die
Werte werden als Boxplot dargestellt, wobei die äußeren Grenzen die durch die
Querstriche der Fühler (whisker) gekennzeichnet sind, die Minimal- und die
Maximalwerte jeder Messung wiedergeben. Die Box selber enthält die mittleren
zwei Quartile der Werte, zusammen 50% aller Werte. Der Querstrich, der die
Box in eine obere und untere Hälfte teilt, stellt den Median der Messung dar.
Die eckige Klammer mit den zwei Sternen symbolisiert, dass der Unterschied
der Mittelwerte beider Messungen sehr signifikant ist. Die Zahlenwerte für
Abbildung 22 sind in Tabelle 14 zusammengefasst.
72
Abbildung 22:Vergleich der Mittelwerteder Kohlendioxidabgabevon Test 2 und Test 3. Test2 zeigt die Werte vor derAtemschulung und Test 3zeigt die Werte nach derAtemschulung. VCO2 =Kohlendioxid gemessenin Liter pro Minute [l /min]
* *
6 Ergebnisse
6.6 Relative maximale Sauerstoffaufnahme
Der Mittelwert der relativen maximalen Sauerstoffaufnahme der
Testpersonen zeigte beim dritten Test einen Anstieg von 1,88 Milliliter pro
Kilogramm pro Minute, das entspricht einer Zunahme von 4,47%.
Dabei beträgt der errechnete Standardfehler bei Test 2 1,53 Milliliter pro
Kilogramm pro Minute und bei Test 3 1,67 Milliliter pro Kilogramm pro Minute.
Die Standardabweichung, beträgt ± 8,50 Milliliter pro Kilogramm pro Minute für
Test 2 und ± 9,29 Milliliter pro Kilogramm pro Minute für Test 3. Die minimalen
und maximalen Werte der relativen maximalen Sauerstoffaufnahme für Test 2
betragen 28,67 (min.) und 58,89 (max.) Milliliter pro Minute, für Test 3 liegen die
Werte bei 27,73 (min.) und 61,45 (max.) Milliliter pro Minute.
Die Prüfung auf Normalverteilung mittels des Kolmogorov-Smirnov-Tests
(Lilliefors-Test) ergibt für die Werte der relativen maximalen Sauerstoffaufnahme
für alle drei Tests eine mögliche Normalverteilung.
Die Überprüfung der Reliabilität mittels Berechnung der Pearson-Korrelation
zwischen Test 1 und Test 2 ergibt mit r = 0,97 eine sehr hohe Korrelation.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist sehr signifikant bei einer zweiseitigen -�
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,001%. Die Power des Tests zeigt einen starken
Effekt mit = 0,92 zwischen Test 2 und Test 3.�
73
Tabelle 15:Deskriptive Statistikfür die gemessenerelative maximaleSauerstoffaufnahmein Milliliter proKilogramm proMinute und dieKorrelation zwischen
Abbildung 23 zeigt die Mittelwerte der relativen maximalen
Sauerstoffaufnahme zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme aller
Testpersonen vor der Intervention, die als Atemschulung durchgeführt wurde, in
Test 2. Die Mittelwerte der relativen maximalen Sauerstoffaufnahme zum
Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen nach der
Intervention sind in Test 3 zusammengefasst. Auf der y-Achse des Graphen ist
die relativen maximalen Sauerstoffaufnahme (VO2max [ml/kg/min]) aufgetragen.
Die Werte werden als Boxplot dargestellt, wobei die äußeren Grenzen die durch
die Querstriche der Fühler (whisker) gekennzeichnet sind, die Minimal- und die
Maximalwerte jeder Messung wiedergeben. Die Box selber enthält die mittleren
zwei Quartile der Werte, zusammen 50% aller Werte. Der Querstrich, der die
Box in eine obere und untere Hälfte teilt, stellt den Median der Messung dar.
Die eckige Klammer mit den zwei Sternen symbolisiert, dass der Unterschied
der Mittelwerte beider Messungen sehr signifikant ist. Die Zahlenwerte für
Abbildung 23 sind in Tabelle 15 zusammengefasst.
74
Abbildung 23:Vergleich der Mittelwerteder relativen maximalenSauerstoffaufnahme vonTest 2 und Test 3. Test 2zeigt die Werte vor derAtemschulung und Test 3zeigt die Werte nach derAtemschulung. VO2max= relative maximaleSauerstoffaufnahmegemessen in Milliliterpro Kilogramm proMinute [ml / kg / min]
* *
6 Ergebnisse
6.7 Nicht Hypothesen relevante Ergebnisse
Die nachfolgenden Ergebnisse sind für die Evaluierung der Hypothesen
nicht relevant, jedoch tragen sie für die Klärung der Zusammenhänge zwischen
Atmung, Herzfrequenz und körperlicher Leistung bei.
6.7.1 Atemäquivalent für Sauerstoff
Der Mittelwert des Atemäquivalents für Sauerstoff der Testpersonen zeigte
beim dritten Test einen Abfall von 0,80 Liter Atemminutenvolumen pro Liter
Sauerstoffaufnahme, das entspricht einer Abnahme von 2,54%.
Dabei beträgt der errechnete Standardfehler bei Test 2 0,51 Liter
Atemminutenvolumen pro Liter Sauerstoffaufnahme und bei Test 3 0,66 Liter
Atemminutenvolumen pro Liter Sauerstoffaufnahme. Die Standardabweichung,
beträgt ± 2,83 Liter Atemminutenvolumen pro Liter Sauerstoffaufnahme für Test
2 und ± 3,68 Liter Atemminutenvolumen pro Liter Sauerstoffaufnahme für Test
3. Die minimalen und maximalen Werte des Atemäquivalents für Sauerstoff für
Test 2 betragen 27,16 (min.) und 39,65 (max.) Liter Atemminutenvolumen pro
Liter Sauerstoffaufnahme, für Test 3 liegen die Werte bei 22,08 (min.) und 40,30
(max.) Liter Atemminutenvolumen pro Liter Sauerstoffaufnahme.
Die Prüfung auf Normalverteilung mittels des Kolmogorov-Smirnov-Tests
(Lilliefors-Test) ergibt für die Werte des Atemäquivalents für Sauerstoff für alle
drei Tests eine mögliche Normalverteilung.
Die Überprüfung der Reliabilität mittels Berechnung der Pearson-Korrelation
zwischen Test 1 und Test 2 ergibt mit r = 0,37 eine sehr geringe Korrelation.
75
Tabelle 16:Deskriptive Statistikfür die errechnetenAtemäquivalente fürSauerstoff in LiterAtemminutenvolumenpro Liter Sauerstoff-aufnahme [l / l] unddie Korrelation
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist nicht signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,126%. Die Power des Tests zeigt einen
schwachen Effekt mit � = 0,40 zwischen Test 2 und Test 3. Abbildung 24 zeigt
die Mittelwerte der Atemäquivalente für Sauerstoff zum Zeitpunkt der
maximalen Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen vor der Intervention, die als
Atemschulung durchgeführt wurde, in Test 2. Die Mittelwerte der
Atemäquivalente für Sauerstoffe zum Zeitpunkt der maximalen
Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen nach der Intervention sind in Test 3
zusammengefasst. Auf der y-Achse des Graphen sind die Atemäquivalente für
Sauerstoff (Atemäquivalent für O2 [l/l]) aufgetragen. Die Werte werden als
Boxplot dargestellt, wobei die äußeren Grenzen die durch die Querstriche der
Fühler (whisker) gekennzeichnet sind, die Minimal- und die Maximalwerte jeder
Messung wiedergeben. Die Box selber enthält die mittleren zwei Quartile der
Werte, zusammen 50% aller Werte. Der Querstrich, der die Box in eine obere
und untere Hälfte teilt, stellt den Median der Messung dar. Die Zahlenwerte für
Abbildung 24 sind in Tabelle 16 zusammengefasst.
76
6 Ergebnisse
6.7.2 Atemäquivalent für Kohlendioxid
Der Mittelwert der Atemäquivalente für Kohlendioxid der Testpersonen
zeigte beim dritten Test einen Abfall von 1,21 Liter Atemminutenvolumen pro
Liter Kohlendioxidabgabe, das entspricht einer Abnahme von 4,19%.
Dabei beträgt der errechnete Standardfehler bei Test 2 und bei Test 3 0,51
Liter Atemminutenvolumen pro Liter Kohlendioxidabgabe. Die
Standardabweichung, beträgt ± 2,82 Liter Atemminutenvolumen pro Liter
Kohlendioxidabgabe für Test 2 und für Test 3. Die minimalen und maximalen
Werte des Atemäquivalents für Kohlendioxid für Test 2 betragen 24,73 (min.)
und 37,87 (max.) Liter Atemminutenvolumen pro Liter Kohlendioxidabgabe, für
Test 3 liegen die Werte bei 20,76 (min.) und 35,74 (max.) Liter
Atemminutenvolumen pro Liter Kohlendioxidabgabe.
Die Prüfung auf Normalverteilung mittels des Kolmogorov-Smirnov-Tests
(Lilliefors-Test) ergibt für die Werte des Atemäquivalents für Kohlendioxid für
Test 1 und Test 3 eine mögliche Normalverteilung. Die Werte für Test 2
bezüglich des Atemäquivalent für Kohlendioxids sind nicht normal verteilt.
Die Überprüfung der Reliabilität mittels Berechnung der Pearson-Korrelation
zwischen Test 1 und Test 2 ergibt mit r = 0,51 eine mittlere Korrelation.
Da die Werte für die Kohlendioxidabgabe für Tests 2 nicht normal verteilt
sind, wird der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem Wilcoxon
Signed Rank Test für zwei Mediane durchgeführt. Das Ergebnis ist sehr
signifikant bei einer zweiseitigen � - Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,002%. Die
77
Tabelle 17:Deskriptive Statistikfür die errechnetenAtemäquivalente fürCO2 in Liter Atem-minutenvolumen proLiter Sauerstoffauf-nahme [l / l] und dieKorrelation zwischen
Abbildung 27 zeigt die Mittelwerte der respiratorischen Quotienten zum
Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen vor der
Intervention, die als Atemschulung durchgeführt wurde, in Test 2. Die
Mittelwerte der respiratorischen Quotienten zum Zeitpunkt der maximalen
Sauerstoffaufnahme aller Testpersonen nach der Intervention sind in Test 3
zusammengefasst. Auf der y-Achse des Graphen sind die respiratorischen
Quotienten (RER) aufgetragen. Die Werte werden als Boxplot dargestellt, wobei
die äußeren Grenzen die durch die Querstriche der Fühler (whisker)
gekennzeichnet sind, die Minimal- und die Maximalwerte jeder Messung
wiedergeben. Die Box selber enthält die mittleren zwei Quartile der Werte,
zusammen 50% aller Werte. Der Querstrich, der die Box in eine obere und
untere Hälfte teilt, stellt den Median der Messung dar. Die Zahlenwerte für
Abbildung 27 sind in Tabelle 17 zusammengefasst.
80
6 Ergebnisse
6.8 Hypothesenüberprüfung
H01: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich der Herzfrequenz bei Belastungen im Bereich der maxima-
len Sauerstoffaufnahme.
Wie auf S. 64 beschrieben zeigt die Abbildung den Vergleich der Mittelwerte
der Herzfrequenzen zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist sehr signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,002%. Die Null-Hypothese 1 (H01) muss
zugunsten der Alternativhypothese verworfen werden. Das heißt:
Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich von der natürlichen
Atmung bezüglich der Herzfrequenz bei Belastungen im Bereich der
maximalen Sauerstoffaufnahme. Durch die ökonomisierte Atmung kann die
Herzfrequenz zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme im Mittel
gesenkt werden. Da die Power des Tests auch einen starken Effekt mit � = 0,86
zwischen Test 2 und Test 3 zeigt, ist die Wahrscheinlichkeit für den � � Fehler
mit 0,14% anzunehmen.
81
Abbildung 27:Vergleich der mittlerenHerzfrequenz von Test 2und Test 3. Test 2 zeigtdie Werte vor derAtemschulung und Test 3zeigt die Werte nach derAtemschulung. HR =Herzfrequenz gemessenin Schlägen pro Minute.
* *p = 0,002
6 Ergebnisse
H02: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich der Atemfrequenz bei Belastungen im Bereich der maxima-
len Sauerstoffaufnahme.
Wie auf S. 66 beschrieben zeigt die Abbildung den Vergleich der Mittelwerte
der Atemfrequenzen zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist nicht signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,194%. Die Null-Hypothese 1 (H01) muss
zugunsten der Alternativhypothese angenommen werden. Das heißt:
Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der
natürlichen Atmung bezüglich der Atemfrequenz bei Belastungen im
Bereich der maximalen Sauerstoffaufnahme.
82
Abbildung 28:Vergleich der mittlerenAtemfrequenz von Test 2und Test 3. Test 2 zeigtdie Werte vor derAtemschulung und Test3 zeigt die Werte nachder Atemschulung. BF= Atemfrequenz ge-messen in Schlägen proMinute
p = 0,194
6 Ergebnisse
H03: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich des Atemminutenvolumens bei Belastungen im Bereich der
maximalen Sauerstoffaufnahme.
Wie auf S. 68 beschrieben zeigt die Abbildung den Vergleich der Mittelwerte
der Atem-minutenvolumina zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist nicht signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,927%. Die Null-Hypothese 1 (H01) muss
zugunsten der Alternativhypothese angenommen werden. Das heißt: Die
ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich des Atemminutenvolumens bei Belastungen im Bereich
der maximalen Sauerstoffaufnahme.
83
Abbildung 29:Vergleich der Mittel-werte des Atemminuten-volumens von Test 2 undTest 3. Test 2 zeigt dieWerte vor der Atem-schulung und Test 3zeigt die Werte nach derAtemschulung. VE =Atemminutenvolumengemessen in Liter proMinute
p = 0,927
6 Ergebnisse
H04: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich des Atemzugvolumens bei Belastungen im Bereich der ma-
ximalen Sauerstoffaufnahme.
Wie auf S. 70 beschrieben zeigt die Abbildung den Vergleich der Mittelwerte
der Atemfrequenzen zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist nicht signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,927%. Die Null-Hypothese 1 (H01) muss
zugunsten der Alternativhypothese angenommen werden. Das heißt: Die
ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich des Atemzugvolumens bei Belastungen im Bereich der
maximalen Sauerstoffaufnahme.
84
Abbildung 30:Vergleich der Mittel-werte der Atemzug-volumina von Test 2 undTest 3. Test 2 zeigt dieWerte vor der Atem-schulung und Test 3zeigt die Werte nach derAtemschulung. VT =Atemzugvolumengemessen in Liter proAtemzug
p = 0,061
6 Ergebnisse
H05: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich der Kohlendioxidabgabe bei Belastungen im Bereich der
maximalen Sauerstoffaufnahme.
Wie auf S. 72 beschrieben zeigt die Abbildung den Vergleich der Mittelwerte
der Kohlendioxidabgabe zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist sehr signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,001%. Die Null-Hypothese 1 (H01) muss
zugunsten der Alternativhypothese verworfen werden. Das heißt: Die
ökonomisierte Atmung unterscheidet sich von der natürlichen Atmung
bezüglich der Kohlendioxidabgabe bei Belastungen im Bereich der
maximalen Sauerstoffaufnahme. Durch die ökonomisierte Atmung kann die
Kohlendioxidabgabe zum Zeitpunkt der maximalen Sauerstoffaufnahme im
Mittel gehoben werden.
Da die Power des Tests einen mittleren Effekt mit � = 0,71 zwischen Test 2
und Test 3 zeigt, ist die Wahrscheinlichkeit für den � � Fehler mit 0,29%
anzunehmen.
85
Abbildung 31:Vergleich der Mittelwerteder Kohlendioxidabgabevon Test 2 und Test 3. Test2 zeigt die Werte vor derAtemschulung und Test 3zeigt die Werte nach derAtemschulung. VCO2 =Kohlendioxid gemessen inLiter pro Minute [l / min]
* *p = 0,001
6 Ergebnisse
H06: Die ökonomisierte Atmung unterscheidet sich nicht von der natürlichen
Atmung bezüglich der relativen maximalen Sauerstoffaufnahme bei Belastun-
gen im Bereich der maximalen Sauerstoffaufnahme.
Wie auf S. 74 beschrieben zeigt die Abbildung den Vergleich der Mittelwerte
der relativen maximalen Sauerstoffaufnahme zum Zeitpunkt der maximalen
Sauerstoffaufnahme.
Der Vergleich der Mittelwerte von Test 2 und Test 3 mit dem t-Test für
gepaarte Stichproben ist sehr signifikant bei einer zweiseitigen � -
Fehlerwahrscheinlichkeit von 0,001%. Die Null-Hypothese 1 (H01) muss
zugunsten der Alternativhypothese verworfen werden. Das heißt: Die
ökonomisierte Atmung unterscheidet sich von der natürlichen Atmung
bezüglich der relativen maximale Sauerstoffaufnahme bei Belastungen im
Bereich der maximalen Sauerstoffaufnahme. Durch die ökonomisierte
Atmung kann die Kohlendioxidabgabe zum Zeitpunkt der maximalen
Sauerstoffaufnahme im Mittel gehoben werden.
Da die Power des Tests auch einen starken Effekt mit = 0,92 zwischen�
Test 2 und Test 3 zeigt, ist die Wahrscheinlichkeit für den � Fehler mit 0,08%�
anzunehmen.
86
Abbildung 32:Vergleich der Mittelwerteder relativen maximalenSauerstoff-aufnahme vonTest 2 und Test 3. Test 2zeigt die Werte vor derAtemschulung und Test 3zeigt die Werte nach derAtemschulung. VO2max= relative maximaleSauerstoffaufnahme ge-messen in Milliliter proKilogramm pro Minute[ml / kg / min]
* *p = 0,001
7 Interpretation
7 Interpretation
7.1 Herzfrequenz
Die erste Erwähnung eines Vergleichs der Herzfrequenzen zwischen
normaler und ökonomisierten Atmung kann man in der Beschreibung des
Versuchs mit den zwei Ausdauerathleten aus Polen, L. Beblo und G. Gaidus,
finden. In der Beschreibung von Strelzov (2004) ist eine Abnahme von 3,3% der
Herzfrequenz angegeben. Dieser Wert bezieht sich auf nur eine Person, die
von ihrer Ausdauerfähigkeit weit über dem Ausdauerniveau und weit unter dem
Altersdurchschnitt der in dieser Studie untersuchten Personen steht. Ebenfalls
darf nicht vergessen werden, das mehr als die Hälfte der Versuchspersonen
dieser Testreihe Frauen waren. Dennoch liegen die Werte für die Reduktion des
Pulses nicht weit auseinander da die mittlere Pulsfrequenz in dieser Studie
durch die ökonomisierte Atmung um 2,19% gesenkt werden konnte. Explizit
heißt das, dass die Werte von L. Beblo, bezogen auf die Herzfrequenz, das
Ergebnis dieser Untersuchung bestätigen. Leider liegen für L. Beblo keine
Werte der maximalen Sauerstoffaufnahme vor. Es kann jedoch davon
ausgegangen werden, da ein Zusammenhang im submaximalen
Leistungsbereich zwischen der Herzfrequenz und der Sauerstoffaufnahme
besteht, dass eine Messung der VO2max ähnliche Werte erbracht hätte.
Auch wenn die Herzfrequenz in den anderen Studien die für den Vergleich
mit dieser Studie herangezogen wurden kein gemessener Parameter war kann
dennoch auf Grund der in Kapitel 2 dargelegten und wissenschaftlich
abgesicherten Fakten eine Übereinstimmung zwischen der recherchierten
Literatur und den Testergebnissen dieser Untersuchung gezeigt werden.
Erhärtet wird dies auch durch die Signifikanz (0,002%) und die Power (� = 0,86)
dieser Untersuchung.
87
7 Interpretation
7.2 Atemfrequenz
Der Vergleich der Werte der Atemfrequenzen der vorliegenden Studie mit
den recherchierten Studien zeigt ein uneinheitliches Bild, das jedoch bei
näherer Betrachtung der verschiedenen Ausgangssituationen klarer wird.
So wird im Versuch, der am Zentralen Wissenschaftlichen Forschungsinstitut
in Moskau mit fünf Meistern des internationalen Sports (1992) dokumentiert
wurde (Strelzov, 2004), eine Reduktion der Atemfrequenz um 30 � 35%
angegeben. Dagegen wurde von Weiss, Ring & Müller (2001) trotz einer
Vertiefung der Atmung, gekennzeichnet durch ein gesteigertes
Atemzugvolumen, ein verminderter Atemfrequenzwert gemessen.
In der vorliegenden Untersuchung waren die ermittelten Werte sehr
uneinheitlich, konnten jedoch durchschnittlich um 3,65% gesenkt werden. Diese
Ergebnis ist jedoch nicht signifikant (0,194%) und zeigte einen schwachen
Effekt (� = 0,34). Wenn man die Werte für die Atemfrequenz vor der
Atemschulung genauer betrachtet fällt auf, dass einige der Testpersonen schon
vor der Atemschulung eine Atemfrequenz zeigten, die entweder im optimalen
Bereich lag oder sogar darunter. Obwohl auch diese Testpersonen in der
Atemschulung und auch später in der Testsituation versuchten den optimalen
Atemrhythmus zu halten, dürfte es vermutlich schwieriger sein gleichzeitig die
Atmung zu vertiefen und den Atemrhythmus zu beschleunigen, als den
Atemrhythmus zu verlangsamen und die Atmung zu vertiefen. Diese Tendenz
wird bei einer Analyse der Einzelwerte erkenntlich.
Auch bei dem Experiment von Weiss, Ring & Müller (2001) wird ja einerseits
eine Verlängerung des Atemzyklus und dessen Widerspiegelung in der
Abnahme der Atemfrequenz angegeben und andererseits eine Erhöhung des
Atemzugvolumens. Bei dieser Untersuchung (Weiss ET AL., 2001) wurde jedoch
nicht im Bereich der maximalen Sauerstoffaufnahme sondern in einem sehr
niederen Intensitätsbereich getestet.
Die von Verges, Boutellier & Spengler (2008) zusammengefassten neun
Studien enthielten leider keine vergleichbaren Werte für die Atemfrequenzen,
obwohl in den Einzelstudien zum Teil die Atemzüge pro Minute angegeben
wurden. Die Veränderungen durch das Training der Atemmuskulatur bezüglich
88
7 Interpretationder Atemfrequenz waren in den Einzelstudien nicht signifikant (Boutellier ET AL.,
Erlernen des An-spannens und Ent-spannens derRumpfmuskulatur.Wahrnehmen derAtembewegung imBereich des Unter-bauches
ÜL (Übungs-leiter) überprüftvisuell ob eineAtembewegungsichtbar ist
ÜL legt seine Hände aufdie Hände der TN (Teilneh-merin oder des Teilneh-mers) und drückt die Hän-de beim Ausatmen leicht inRichtung Körpermitte bisder Einatemimpuls erfolgt.Wenn der Einatemimpulsder / des TN spürbar ist so-fort Druck reduzieren.
3 bis 4
2
Legen sie ihre
Händflächen seit-
lich vorne an ih-
ren Bauch und
versuchen sie
beim Einatmen
den Bauch nach
vorne und zur
Seite zu wölben.
Erlernen des An-spannens und Ent-spannens derRumpfmuskulatur.Wahrnehmen derAtembewegung imBereich des Unter-bauches und derFlanken
Visuelle undwenn notwendigtaktile Kontrolledurch den ÜL
ÜL legt seine Hände aufdie Hände der / des TNund drückt die Hände beimAusatmen leicht in Rich-tung Körpermitte bis derEinatemimpuls erfolgt.Wenn der Einatemimpulsder / des TN spürbar ist so-fort Druck reduzieren.
3 bis 4
3
Legen sie die
Handflächen an
ihre Flanken zwi-
schen Becken-
kamm und und
den untersten
Rippen und ver-
suchen sie ihre
Flanken beim
Einatmen in die
Hände zu wölben
Erlernen des An-spannens und Ent-spannens derRumpfmuskulatur.Wahrnehmen derAtembewegung imBereich der Flanken
Visuelle undwenn notwendigtaktile Kontrolledurch den ÜL
Wie in Übungschritt 1
Visualisierungshilfe:
Stellen sie sich einen anihrer Wirbelsäule befestig-ten Luftballon vor, der sichbeim Einatmen von derWirbelsäule aus zur Seitein die Flanken und nachvorne in den Bauchraumausdehnt und beim Ausat-men wieder Richtung Wir-belsäule schrumpft.
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4 Legen sie die
Handflächen an
ihren Rücken
zwischen Be-
ckenkamm und
den untersten
Erlernen des An-spannens und Ent-spannens derRumpfmuskulatur.Wahrnehmen derAtembewegung im
Visuelle undwenn notwendigtaktile Kontrolledurch den ÜL
Wie in Übungschritt 1
Visualisierungshilfe:
Stellen sie sich einen anihrer Wirbelsäule befestig-ten Luftballon vor, der sich
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Anhang
Übungs-schritt
VerbaleAufforderung
Ziel Kontrolledurch denÜbungsleiter
Hilfestellung, wenndas Übungsziel nicht
erreicht wird
Dauer[min]
Rippen und ver-
suchen sie ihren
unteren Rücken
beim Einatmen in
die Hände zu
wölben
Bereich des unterenRückens
beim Einatmen von derWirbelsäule aus in den un-teren Rücken, zur Seite indie Flanken und nach vor-ne in den Bauchraum aus-dehnt und beim Ausatmenwieder Richtung Wirbel-säule schrumpft.
Veränderte Ausgangs-stellung: Die Testpersonlegt den Oberkörper auf dieOberschenkel
5 Die Ausgangsstellung für das 2. Drittel der Übungseinheit war der Stand, wobei die Beine unge-fähr in der Breite des Beckens am Boden stehen. Die Wirbelsäule ist aufrecht, jedoch entspannt.Die Schultern hängen locker am Thorax, eventuell sogar leicht nach vorne geneigt, wie bei einemKleiderbügel.
Die Schritte 5 – 8 beinhalten dieselben verbalen Aufforderungen, Ziele, Kontrollen durch den ÜLund Hilfestellungen. Auch für diese Schritte wurde eine Zeit von 3 – 4 Minuten pro Stufe verwendet,also in Summe wieder 12 – 16 Minuten.
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9 Die Ausgangsstellung für das letzte Drittel der Übungseinheit war das Gehen im Raum im Spa-ziertempo.
Die Schritte 9 – 12 beinhalten dieselben verbalen Aufforderungen, Ziele, Kontrollen durch den ÜLund Hilfestellungen. Auch für diese Schritte wurde eine Zeit von 3 – 4 Minuten pro Stufe eingeplant,also in Summe wieder 12 – 16 Minuten.
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Tabelle 19: Aufbau der ersten Atemschulungseinheit. ÜL: Übungsleiter; TN:Teilnehmerin / Teilnehmer;
