Was ist eine Spiroergometrie?
Die Spiroergometrie (auch Ergospirometrie genannt) ist ein diagnostisches Verfahren, das die Lungen- und Herz-Kreislauf-Funktion unter körperlicher Belastung misst. Sie wird sowohl in der Medizin als auch in der Sportwissenschaft eingesetzt, um die Leistungsfähigkeit von Lunge, Herz und Muskeln zu bewerten. Der Test erfolgt typischerweise auf einem Laufband oder Fahrradergometer, während die Patientin/Sportlerin oder der Patient/Sportler eine Atemmaske trägt, die den Gasaustausch (Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe) misst. Gleichzeitig werden Herzfrequenz, Blutdruck und zusätzliche Parameter erfasst.
Wozu eine Spiroergometrie?
In der Medizin wird die Spiroergometrie vor allem genutzt, um die Funktion von Herz, Lunge und Stoffwechsel zu überprüfen. Sie dient zur Diagnose und Überwachung von Erkrankungen wie:
- Herzkrankheiten (z.B. Herzinsuffizienz, koronare Herzkrankheit)
- Lungenerkrankungen (z.B. Asthma, COPD)
- Stoffwechselstörungen (z.B. Diabetes)
Durch die genaue Erfassung des Sauerstoffverbrauchs (VO₂) und der Kohlendioxidabgabe (VCO₂) sowie der Atem- und Herzfrequenz kann die Untersuchung zeigen, ob eine Funktionsstörung vorliegt, wie der Körper auf Belastung reagiert und wo mögliche Einschränkungen bestehen. Auch die Belastbarkeit von Patienten nach Herzinfarkten oder bei chronischen Erkrankungen kann so überwacht und der Erfolg von Behandlungen beurteilt werden.
Das sogenannte „Zahnradmodell“ zeigt, wie der Körper bei körperlicher Anstrengung Sauerstoff aufnimmt und Kohlendioxid abgibt. Es beschreibt den Weg dieser Atemgase von der Umgebungsluft bis in die Muskelzellen und wieder zurück.
- Sauerstoff und Kohlendioxid: Sauerstoff wird durch die Atmung in die Lunge gebracht, gelangt von dort ins Blut und schließlich zu den Muskeln, wo er für die Energieproduktion genutzt wird. Gleichzeitig wird Kohlendioxid, ein Abfallprodukt der Energiegewinnung, über das Blut zur Lunge transportiert und ausgeatmet. Im Modell wird der Sauerstofffluss von rechts nach links dargestellt und der Kohlendioxidfluss umgekehrt.
- Drei zentrale Zahnräder: Das Modell konzentriert sich auf drei Hauptsysteme – die Lunge, das Herz und die Muskeln. Diese arbeiten wie Zahnräder zusammen. Unter erhöhter Anstrengung, steigt der Sauerstoffbedarf und diese Systeme müssen sich anpassen:
- Lunge: Die Atmung wird schneller und tiefer, um mehr Sauerstoff aufzunehmen.
- Herz: Es erhöht seine Schlagfrequenz, um das sauerstoffreiche Blut vermehrt zu den arbeitenden Muskeln zu pumpen.
- Muskeln: Sie nutzen den Sauerstoff zur Energiegewinnung und geben Kohlendioxid ab.
- Anpassungen des Körpers: Das Zahnradmodell veranschaulicht, wie der Körper bei steigender Belastung effizient reagiert und wie Herz, Lunge und Muskeln wie Zahnräder zusammenarbeiten:
- Herz: Es wird mehr Blut zu den arbeitenden Muskeln geleitet und gleichzeitig wird die Blutversorgung weniger wichtiger Organe, wie des Verdauungssystems verringert.
- Lunge: Die Atmung wird schneller und tiefer, um mehr Sauerstoff aufzunehmen und Kohlendioxid abzugeben. Diese Anpassungen helfen, die Muskeln optimal mit Sauerstoff zu versorgen.
- Muskulatur: Durch die verbesserte Durchblutung können die Muskeln ihre Leistung steigern und mehr Energie bereitstellen.
- Äußere und innere Atmung: Das Modell erklärt auch den Unterschied zwischen äußerer Atmung (Sauerstoffaufnahme in der Lunge) und innerer Atmung (Energieproduktion in den Zellen). Der Unterschied zwischen beiden ist also, dass die äußere Atmung den Gasaustausch zwischen der Lunge und der Außenwelt beschreibt, während die innere Atmung den Prozess innerhalb der Zellen meint, bei dem Sauerstoff zur Energiegewinnung genutzt wird.
In der Sportwissenschaft dient die Spiroergometrie dazu, die Leistungsfähigkeit von Athlet:innen zu analysieren und das Training gezielt zu steuern. Sie bietet wertvolle Informationen über die individuelle Ausdauer, über Stoffwechselprozesse während der Belastung und die Anpassung des Herz-Kreislauf-Systems. Wichtige Parameter, die dabei gemessen werden, sind:
Je höher die VO₂max, desto besser ist die Kapazität des Körpers, Sauerstoff für die Energiegewinnung zu nutzen.
Die Spiroergometrie hilft dabei, den Bereich zu bestimmen, an dem der Körper von der aeroben Energiegewinnung (vermehrt Fettverbrennung) zur anaeroben (reine Kohlenhydratnutzung) übergeht.
Durch die kontinuierliche Messung der Herzfrequenz und der Atemgase kann man feststellen, wie effizient das Herz-Kreislauf-System arbeitet und wie der Stoffwechsel auf unterschiedliche Belastungen reagiert.
Die Spiroergometrie ist sowohl in der Medizin als auch im Sport der Goldstandard in der Leistungsdiagnostik. Sie ermöglicht es, Gesundheitsprobleme frühzeitig zu erkennen, die Leistungsfähigkeit gezielt zu steigern und individuelle Trainingsprogramme optimal zu gestalten.
Wer profitiert von einer Spiroergometrie?
Patienten mit Herz-, Lungen- und Stoffwechselerkrankungen: Menschen mit Herzproblemen (z.B. Herzinsuffizienz) oder Atemwegserkrankungen (z.B. COPD, Asthma) nutzen die Spiroergometrie zur Diagnose und Therapieanpassung. Auch bei Stoffwechselstörungen, wie Diabetes, hilft sie, die körperliche Belastbarkeit zu bewerten.
Leistungssportler und ambitionierte Freizeitsportler: Ausdauersportler (Läufer:innen, Radfahrer:innen) und Teamsportler:innen verwenden den Test zur Messung der VO₂max, der aeroben Schwelle und zur Trainingsoptimierung.
Personen in der Rehabilitation: Nach Verletzungen oder Operationen hilft die Spiroergometrie, den Rehabilitationsfortschritt zu überwachen und die Belastbarkeit gezielt zu steigern.
Freizeitsportler und Personen mit Gewichtsproblemen: Sie profitieren durch eine gezielte Anpassung von Trainingsplänen, um die Fitness zu verbessern oder den Fettstoffwechsel zu optimieren.
Ältere Menschen: Bei älteren Personen unterstützt der Test das Monitoring der körperlichen Leistungsfähigkeit und hilft, altersbedingte Einschränkungen frühzeitig zu erkennen und durch Lebensstilmaßnahmen entgegenzuwirken.
Unterschied zwischen einer sportwissenschaftlichen und einer medizinischen Spiroergometrie?
| Sportwissenschaftliche Spiroergometrie | Medizinische Spiroergometrie | |
|---|---|---|
| Zielsetzung | Leistungsdiagnostik, Optimierung des Trainingsplans, Fokus auf Schwellen & VO2max | Diagnostik von Atemwegs-, Herz- und Stoffwechselerkrankungen, Therapieplanung |
| Durchführung | Fortlaufende Belastungssteigerung auf Laufband oder Ergometer bis zur subjektiven Erschöpfung | Kontrollierte Belastungssteigerung, EKG-Überwachung, Anpassung bei Risiken, ärztliche Überwachung |
| Messgrößen | VO2max, aerobe/anaerobe Schwelle, Herzfrequenz, Leistung, Stoffwechsel | EKG, Blutdruck, Atemeffizienz, Sauerstofplus |
| Anwendungsbereich | Steigerung der Fitness und Leistungsfähigkeit, Verbesserung der Trainingseffizienz, keine medizinische Fragestellung | Patienten mit Atemwegs- oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen, chronisch Kranke, Übertraining und Burnout, Long Covid |
| Ergebnisse und Interpretation | Ergebnisse zur Trainingsoptimierung, detailliserte Leistungsanalyse | Ergebnisse zur Diagnose und Therapieplanung, Bewertung der Herz-Lungen-Funktion |
9-Felder-Grafik nach Wasserman
Die Ventilation beschreibt die Atmung in ihrer Gesamtheit – also wie viel Luft pro Minute durch Ein- und Ausatmen bewegt wird. Sie setzt sich zusammen aus der Atemfrequenz (wie oft man pro Minute atmet) und dem Atemzugvolumen (wie viel Luft pro Atemzug bewegt wird).
Bei leichter Belastung atmet man meist ruhig und tief – die Ventilation ist entsprechend moderat. Mit steigender Intensität nimmt sowohl die Atemfrequenz als auch das Atemzugsvolumen zu, um den steigenden Sauerstoffbedarf des Körpers zu decken und gleichzeitig Kohlendioxid effektiv auszuscheiden.
Ein wichtiger zusätzlicher Parameter ist die sogenannte Atemreserve (%AR) – sie gibt prozentuell an, wie weit man vom maximal möglichen Atemvolumen entfernt ist. Gesunde Menschen verfügen auch bei hoher Belastung in der Regel über eine ausreichende Atemreserve. Bei Atemwegserkrankungen kann diese Reserve jedoch stark eingeschränkt sein – was die körperliche Leistungsfähigkeit deutlich begrenzt. Bei sehr guten Sportlerinnen und Sportlern ist allerdings auch oft zu vermerken, dass die komplette Lunge vollständig ausbelastet und die gesamte Atemreserve ausgeschöpft werden kann.
Dieses Feld beschreibt die Reaktion von Herz und Kreislaufsystem auf körperliche Anstrengung. Die Herzfrequenz (HF) zeigt, wie oft das Herz pro Minute schlägt und der Sauerstoffpuls (VO₂/HF) gibt an, wie viel Sauerstoff pro Herzschlag transportiert wird.
Mit Beginn einer Belastung steigt die Herzfrequenz, um die Muskulatur besser mit Sauerstoff zu versorgen. Gleichzeitig erhöht sich in der Regel das Schlagvolumen, also die Menge an Blut, die das Herz pro Schlag auswirft. Der Sauerstoffpuls ist dabei ein indirektes Maß für die Pumpleistung des Herzens und die Effizienz des Sauerstofftransports im Körper. Ein auffällig niedriger oder stagnierender Sauerstoffpuls kann auf eine eingeschränkte Herzfunktion oder eine unzureichende Sauerstoffaufnahme hinweisen.
Dieses Feld zeigt, wie viel Sauerstoff der Körper während der Belastung aufnimmt und wie viel Kohlendioxid er gleichzeitig abgibt – also die zentralen Prozesse des Energiestoffwechsels.
Mit zunehmender körperlicher Aktivität steigt die Sauerstoffaufnahme, weil die Muskulatur mehr Energie benötigt. Gleichzeitig fällt vermehrt Kohlendioxid als Stoffwechselprodukt an, das über die Lunge abgeatmet wird.
Ein wesentlicher Kennwert ist hier die VO₂max – die maximale Sauerstoffaufnahme unter Belastung. Sie stellt ein zentrales Maß für die Ausdauerleistungsfähigkeit dar. Je höher dieser Wert, desto effizienter kann der Körper bei maximaler Anstrengung Sauerstoff verwerten. Angegeben wird die VO₂max üblicherweise in Millilitern Sauerstoff pro Minute und Kilogramm Körpergewicht (ml/min/kg).
Die ventilatorische Effizienz beschreibt, wie viel Atemarbeit notwendig ist, um das produzierte Kohlendioxid abzuatmen. Sie ist damit ein Maß für die Effektivität der Atmung bei Belastung.
Eine hohe Effizienz bedeutet, dass mit vergleichsweise wenig Atemvolumen viel Kohlendioxid abgegeben werden kann. Bei einer geringen Effizienz muss deutlich mehr geatmet werden, um denselben Effekt zu erzielen – was auf eine Einschränkung im respiratorischen oder kardiovaskulären System hindeuten kann.
Besonders aussagekräftig ist dieser Parameter zur Bestimmung der aeroben und anaeroben Schwellen. Diese markieren den Punkt, an dem der Körper von einer sauerstoffreichen (aeroben) in eine sauerstoffarme (anaerobe) Energiegewinnung wechselt – mit deutlich verändertem Atemverhalten.
Dieses Diagramm zeigt, wie der Sauerstoffverbrauch des Körpers mit der Herzfrequenz zusammenhängt, also wie gut das Herz unter Anstrengung arbeitet.
Eine stabile Beziehung zwischen VO₂ und HF deutet auf eine gesunde Herz-Kreislauf-Funktion hin. Bei Abweichungen – etwa bei einem abflachenden Anstieg – kann eine eingeschränkte Herzkraft oder eine unzureichende Sauerstoffnutzung der Muskulatur vorliegen.
Dieses Diagramm zeigt, wie der Sauerstoffverbrauch des Körpers mit der Herzfrequenz zusammenhängt, also wie gut das Herz unter Anstrengung arbeitet.
Die VE/VCO₂-Slope beschreibt, wie stark die Atemarbeit (VE) im Verhältnis zur Kohlendioxidproduktion (VCO₂) mit zunehmender Belastung ansteigt. Eine flache Steigung steht für eine effiziente Atmung – eine steile Steigung weist auf eine verminderte Atemökonomie hin.
Dieser Parameter ist ebenfalls bedeutsam für die Bestimmung der anaeroben Schwelle. Die anaerobe Schwelle ist der Punkt, an dem der Körper nicht mehr genug Sauerstoff liefern kann, um die Energienachfrage vollständig aerob (also sauerstoffabhängig) zu decken. Ab diesem Punkt wechselt der Körper in einen anaeroben Stoffwechsel, wodurch mehr Kohlendioxid entsteht. Dieser Anstieg zeigt sich in einer steileren Steigung der V̇E/V̇CO₂-Kurve, da der Körper jetzt mehr atmen muss, um das Kohlendioxid abzuführen. Durch das Erkennen dieser Veränderung in der Steigung lässt sich bestimmen, wann der Körper seine Grenze des effizienten Sauerstoffverbrauchs erreicht und anfängt, „sauerstofflos“ zu arbeiten, was die Schwellenbestimmung genauer macht.
Dieses Diagramm stellt grafisch dar, wie sich Atemfrequenz und Atemtiefe im Belastungsverlauf verändern. Bei leichter Aktivität atmet man tief und ruhig – bei intensiver Anstrengung wird die Atmung schneller und oft auch flacher.
Das Atemmuster gibt Aufschluss darüber, wie ökonomisch die Atmung unter Belastung abläuft und ob möglicherweise Atemmusterstörungen vorliegen, etwa bei chronischen Lungenerkrankungen oder untrainierter Atmung.
Der Respiratorische Austauschquotient (RER) beschreibt das Verhältnis von ausgeatmetem Kohlendioxid (CO₂) zur aufgenommenen Sauerstoffmenge (O₂). Er zeigt an, ob der Körper überwiegend Fett oder Kohlenhydrate zur Energiegewinnung nutzt:
- RER ≈ 0,7: Fettverbrennung dominiert
- RER ≈ 1,0: Kohlenhydratverbrennung dominiert
- RER > 1,0: Hinweis auf sehr hohe Belastung und anaerobe Stoffwechselvorgänge
Während einer Stufentestung kann so ermittelt werden, in welchem Bereich du am effektivsten Fett verbrennst – der sogenannte FatMax-Bereich. Dieser Bereich kennzeichnet außerdem auch den Wert, bei dem der Körper absolut gesehen die meiste Energie aus den Fettdepots nutzt.
Der Gasaustausch zeigt, wie effizient deine Lunge Sauerstoff ins Blut überträgt und Kohlendioxid aus dem Körper entfernt – gerade unter steigender Belastung.
Anhand der Messwerte von PetO₂ (Sauerstoff-Partialdruck in der Ausatemluft) und PetCO₂ (Kohlendioxid-Partialdruck) lässt sich erkennen, wie gut die Lungenfunktion ist und ob der Körper mit Sauerstoff ausreichend versorgt wird.
Der Gasaustausch ist entscheidend für die Bestimmung der aeroben und anaeroben Schwellen. Diese Schwellen geben an, bis zu welcher Intensität der Körper effizient Sauerstoff nutzen kann (aerobe Schwelle) und ab wann er zunehmend auf einen weniger effizienten, sauerstoffarmen Stoffwechsel umstellt (anaerobe Schwelle). Ein starker Anstieg von Kohlendioxid bei gleichzeitigem Rückgang des Sauerstoffanteils in der Ausatemluft signalisiert die Grenze der Sauerstoffverwertung.
In der sportwissenschaftlichen Spiroergometrie liegt der Schwerpunkt auf der Bewertung der körperlichen Leistungsfähigkeit und der gezielten Trainingssteuerung. Die Hauptziele umfassen die Bestimmung der maximalen Sauerstoffaufnahme (V̇O₂max), die Ermittlung der aeroben und anaeroben Schwellen sowie die Analyse der Effizienz von Atmung und Kreislauf während intensiver körperlicher Belastung. Diese Daten ermöglichen die Festlegung individueller Trainingszonen, die für die Optimierung der Ausdauer und Leistungssteigerung von entscheidender Bedeutung sind.
Typische Parameter zur Schwellenbestimmung und Leistungsdiagnostik
Die Messung der Atemfrequenz und des Atemvolumens, angepasst an die Belastung. Während des Trainings passen sich diese Werte an die gestiegene Anstrengung an und geben Rückschlüsse darauf, wie der Körper die Ventilation bei steigendem Sauerstoffbedarf steuert.
Diese beiden Werte geben Aufschluss über die Sauerstoffaufnahme und die CO₂-Abgabe während des Trainings. Die V̇O₂-Spitze dient der Ermittlung der maximalen Sauerstoffaufnahme (V̇O₂max), einem zentralen Maß für die maximale Leistungsfähigkeit. Gleichzeitig hilft die V̇CO₂-Messung in der Analyse des anaeroben Übergangs, da sich das CO₂-Ansteigen in Relation zur V̇O₂ an den Schwellen verändert.
Die ventilatorische Effizienz beschreibt, wie ökonomisch die Atmung mit der zunehmenden Belastung funktioniert. Hier wird die V̇E/V̇CO₂-Slope analysiert, deren Anstiegsverhalten zur Bestimmung der anaeroben Schwelle beiträgt. Eine steilere Steigung signalisiert den Übergang in den anaeroben Bereich und den Beginn einer weniger effizienten Kohlendioxidabgabe.
Dieses Feld zeigt, wie gut dein Herz-Kreislauf-System arbeitet, indem es die Beziehung zwischen der Menge an aufgenommenem Sauerstoff und der Herzfrequenz betrachtet. Wenn die Belastung steigt, nimmt dein Körper mehr Sauerstoff auf, und dein Herz schlägt schneller, um den erhöhten Bedarf zu decken. An der sogenannten „zweiten Schwelle“ passiert Folgendes: Die Herzfrequenz steigt weiter an, obwohl der Anstieg der Sauerstoffaufnahme allmählich abflacht. Dieser Punkt zeigt an, dass dein Körper beginnt, verstärkt auf anaerobe Energiequellen zurückzugreifen, da die Sauerstoffversorgung nicht mehr ausreichend ist, um die Belastung vollständig zu decken.
Die Steigung der V̇E/V̇CO₂-Kurve dient als weiterer Parameter zur Schwellenbestimmung. In einem effizient arbeitenden System ist die Steigung flach, steigt jedoch mit zunehmender Belastung, was den Übergang in die anaerobe Zone markiert. Eine Veränderung der Steigung signalisiert die anaerobe Schwelle und ermöglicht die Einschätzung der maximalen Kapazität.
Hier wird das Atemmuster und das Volumen der Atemzüge beobachtet, das sich während der Belastung verändert. Ein Anstieg der Atemfrequenz ohne entsprechendes Volumenwachstum deutet auf eine begrenzte Effizienz der Atmung hin.
Der RER gibt Aufschluss über die metabolischen Prozesse und kann bei der Schwellenbestimmung helfen. Typische Schwellenwerte um 1,0 deuten auf die Zunahme anaerober Stoffwechselvorgänge hin.
Die Analyse der Aufnahme von Sauerstoff und Abgabe von Kohlendioxid in den Lungen gibt Auskunft über die Gasaustauscheffizienz, die an den Schwellenpunkten abnimmt, wenn der Stoffwechsel zunehmend anaerob wird.
In der Sportmedizin wird die Spiroergometrie zur Diagnose und Überwachung von Herz-Kreislauf- und Lungenkrankheiten eingesetzt. Diese Untersuchung hilft, die Funktion von Herz und Lunge bei körperlicher Belastung zu beurteilen und Leistungseinschränkungen, wie sie bei Herzinsuffizienz, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und anderen Atemwegserkrankungen auftreten, abzuklären. Dabei werden verschiedene Felder und Parameter ausgewertet, die wichtige Hinweise über die Leistungsfähigkeit und die Belastbarkeit des Körpers geben:
Typische Parameter:
Dieser Wert beschreibt, wie gut der Körper Kohlendioxid beim Atmen abgeben kann, was besonders bei Patienten mit Herz- oder Lungenerkrankungen aufschlussreich ist. Eine flachere Steigung zeigt eine effizientere Atmung, während eine steilere Steigung auf eine eingeschränkte Atemfunktion hinweisen kann.
Der Sauerstoffpuls gibt an, wie viel Sauerstoff das Herz pro Schlag im Körper verteilt und zeigt so die Leistungsfähigkeit des Herzens. Ein niedriger Wert kann ein Hinweis auf eingeschränkte Herzfunktion sein, da das Herz weniger Sauerstoff pro Schlag liefert.
Dieses Feld beschreibt die Anpassung der Atmung an die Belastung. Es wird gemessen, wie oft und wie tief der Patient atmet. Eine stark erhöhte Atemfrequenz bei geringer Belastung kann z. B. auf eine reduzierte Atemkapazität hinweisen.
Hier wird gemessen, wie viel Sauerstoff der Körper aufnimmt und wie viel Kohlendioxid er abgibt. Bei eingeschränkter Herz- oder Lungenfunktion kann die Sauerstoffaufnahme bereits bei geringen Belastungen limitiert sein, was auf eine verminderte Leistungsfähigkeit hinweist.
Dieses Feld zeigt, wie gut das Herz-Kreislauf-System funktioniert. Wenn die Herzfrequenz bei nur geringem Anstieg der Sauerstoffaufnahme stark ansteigt, deutet das auf eine ineffiziente Sauerstoffversorgung und auf eine mögliche kardiale Einschränkung hin.
Diese Steigung zeigt, wie viel Atemarbeit nötig ist, um eine bestimmte Menge Kohlendioxid abzugeben. Eine ineffiziente Abgabe deutet auf eine eingeschränkte Atem- oder Herzkreislauffunktion hin.
Das Atemvolumen zeigt die Tiefe und das Muster der Atmung. Eine flache, schnelle Atmung bei Belastung ist oft ein Hinweis auf eine verminderte Atemreserve.
Der Gasaustausch in der Lunge zeigt, wie gut der Körper Sauerstoff aufnimmt und Kohlendioxid abgibt. Eine verminderte Effizienz hier kann auf eine Beeinträchtigung der Lungenfunktion hindeuten.