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Spiroergometrie

Synonym: Ergospirometrie, engl.: cardiopulmonary exercise testing (CPX)

Definition

Die Spiroergometrie ist ein medizinisches Verfahren, welches eine Kombination aus Spirometrie und Ergometrie darstellt. Dabei bedeutet Ergo soviel wie Arbeit. Die Ergometrie ist also dadurch gekennzeichnet, dass der Proband körperliche Arbeit leistet während bestimmte Vitalparameter aufgezeichnet werden. Spiro bedeutet soviel wie Atmen. Das heißt die Spirometrie dient der Messung von Lungenvolumina und setzt diese miteinander in Beziehung.

Ziel der Spiroergometrie ist es, die Funktion von Herz und Lunge (kardiopulmonale Leistungsfähigkeit) sowie des Stoffwechsels in Ruhe, unter ansteigender Belastung und bei höchstmöglicher Belastung zu testen.

Die Spiroergometrie ist somit ein Verfahren, das in der Sport- und Leistungsmedizin Anwendung findet, aber auch in der Kardiologie, Pulmologie und Arbeitsmedizin. Es dient als nicht-invasive objektive Messung der körperlichen Leistungsfähigkeit.

Physiologie

Je mehr Leistung der Körper erbringt, desto mehr Sauerstoff (ver)braucht er. Dabei braucht der Körper in jeder Lebenslange Energie. Die gewinnt er zu einem großen Teil aus dem Abbau von Zucker (Glucose), der sogenannten Glykolyse. Bei moderater körperlicher Belastung befindet sich der Körper im Modus der aeroben Energiegewinnung. Es ist genug Sauerstoff vorhanden um Kohlenhydrate (Zucker) vollständig zu verstoffwechseln, der Zucker wird dabei zu seinen Endprodukten abgebaut.

Steigt die Belastung so weit an, dass die Muskulatur und der Rest der Körpers mehr Sauerstoff brauchen, als geliefert werden kann, so wird die anaerobe Schwelle, auch Laktatschwelle genannt, überschritten und der Körper befindet sich im Modus der anaeroben Energiegewinnung. Immer noch werden Kohlenhydrate verstoffwechselt, sie können jedoch nicht mehr bis zum Endprodukt abgebaut werden sondern nur bis zum Abbaustoff Laktat. Laktat wird zwar auch vor Erreichen der anaeroben Schwelle schon produziert jedoch in geringeren Mengen.

Leistungen, die im anaeroben Bereich erbracht werden, sind nur über einen kurzen Zeitraum, meist im Rahmen weniger Minuten, zu leisten während Leistungen im aeroben Bereich Ausdauerleistungen sind, zum Beispiel bei einem Marathonläufer.

Die Sauerstoffbereitstellung sowie die Leistungserbringung im aeroben und anaeroben Bereich spielen in der Spiroergometrie eine zentrale Rolle.

Ablauf der Untersuchung

Der Proband leistet bei der Untersuchung körperliche Arbeit in der Regel entweder auf einem Fahrradergometer oder auf einem Laufband. Es gibt jedoch, insbesondere bei der Spiroergometrie mit Leistungssportlern, auch andere Geräte, so zum Beispiel Ruder- oder Kanuergometer. Dabei wird die Leistung die erbracht werden soll in der Regel immer weiter gesteigert, dies geschieht individuell an die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Probanden angepasst.Die Steigerung erfolgt entweder stufenweise (Stufenverfahren) oder kontinuierlich (Rampenverfahren).

Währenddessen trägt der Proband eine Atemmaske, die zum Einen die Atemvolumina und zum Anderen den Anteil von Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) in der Atemluft misst. Zusätzlich wird über angelegte Elektroden ein Elektrokardiogramm (EKG) abgeleitet, das unter anderem die Herzfrequenz pro Minute darstellt.

Je nach Fragestellung kann zusätzlich der Blutdruck gemessen werden. Auch ein Messen von Laktat-Werten und Blutgasen kann erfolgen, hierfür wird dem Probanden Blut in der Regel etwas Kapillarblut am Ohrläppchen abgenommen.

Lesen Sie mehr zum Thema: Sportmedizinische Untersuchungsmethoden

Messwerte

Während der Untersuchung geht es vor allem um die Bestimmung von Atemgasen. Direkt gemessen werden die Atemfrequenz (AF), das Atemminutenvolumen (AMV), die Kohlenstoffdioxidabgabe (VCO2) und die Sauerstoffaufnahme (VO2).

Aus den genannten Größen werden bei der Spiroergometrie weiterhin der respiratorische Quotient (RQ = VCO2/VO2) und die maximale Sauerstoffaufnahme (VO2max) berechnet.

Hierbei bedeuten die Messwerte das folgende:

  • Das Atemminutenvolumen bezeichnet das pro Minute ein- und wieder ausgeatmete Volumen. Bei einer Atemfrequenz von durchschnittlich 12 bis 14/min und einem Atemvolumen von etwa 600 ml pro Atemzug liegt das Atemminutenvolumen eines Erwachsenen bei etwa 8000 ml.
  • Die Sauerstoffaufnahme bezeichnet die Menge an Sauerstoff, die der Körper pro Zeiteinheit aus der Einatemluft entnimmt. Sie steigt mit zunehmender körperlicher Belastung, da der Körper hierbei mehr Sauerstoff benötigt als in Ruhe.
  • Die maximale Sauerstoffaufnahme (VO2max) beschreibt die maximale Menge an Sauerstoff die pro Zeiteinheit aus der Einatemluft entnommen wird, sie entspricht also der Sauerstoffausschöpfung unter maximaler Belastung. Bei untrainierten Personen beträgt sie 3-3,5 l/min, bei Trainierten steigt sie auf bis zu 5-6 l/min an. Da dieser Wert jedoch stark von der körperlichen Konstitution abhängt, wird er inzwischen zumeist bezogen auf Kilogramm Körpergewicht angegeben. So beträgt der Normwert für einen jungen Mann 44-50 ml/kg Körpergewicht. Spitzensportler erreichen Werte bis zu 95 ml/kg Körpergewicht.
  • Der respiratorische Quotient wird berechnet aus Kohlenstoffdioxidabgabe geteilt durch die Sauerstoffaufnahme, also VCO2/VO2. Er kann Auskunft über den Anteil der Kohlenhydrat- oder Fettverbrennung geben. Der RQ beträgt bei reiner Fettverbrennung 0,7, bei reiner Kohlenhydratverbrennung 1. Bei hoher Belastungsintensität übersteigt die CO2-Abatmung die O2-Aufnahme, der RQ steigt auf 1,1. Ein RQ von 1,1 ist somit Zeichen für eine Ausbelastung, also das Erreichen der maximal möglichen körperlichen Belastung.

Anaerobe Schwelle

Mittels der Spiroergometrie kann des Weiteren die anaerobe Schwelle, auch Laktatschwelle genannt, bestimm werden.

Dies ist der Punkt, an dem der Körper bei Leistungserbringung seinen Energiebedarf nicht mehr nur mittels aeroben Energiegewinnung decken kann, er muss nun auch Kohlenhydrate (Zucker) ohne den Zusatz von Sauerstoff abbauen, wobei Laktat entsteht.

Wird eine Leistung oberhalb der aneroben Schwelle erbracht, so kann diese nicht lange durchgehalten werden während eine Belastung unterhalb der aneroben Schwelle eine lange Belastbarkeit möglich macht, so zum Beispiel bei Marathonläufern.

Die anaerobe Schwelle kann beispielsweise festgestellt werden, indem eine Blutprobe aus dem Ohrläppchen entnommen und der Laktatspiegel gemessen wird. Ab einem Wert von etwa 4 mmol/l wird die anerobe Schwelle erreicht, wobei dieser Wert individuell stark schwanken kann. Die Laktatkonzentration in Ruhe liegt in der Regel bei 1-2 mmol/l.

Respiratorischer Kompensationspunkt

Das Erreichen der aneroben Schwelle kann beispielsweise auch anhand des respiratorischen Kompensationspunktes abgeschätzt werden.

Ab diesem Punkt wird bei weiterhin zunehmender körperlicher Belastung deutlich mehr CO2 abgeatmet als zuvor. Dies liegt darin begründet, dass bei anaerober Energiegewinnung vermehrt Laktat ensteht, es kommt zu einer Übersäuerung (Azidose). Diese führt zu einer Verstärkung des Atemantriebes (Hyperventilation).

Die verstärkte Atmung wiederum führt zu einer stärkeren Abatmung von CO2, was in der Spiroergometrie in der Atemluft gemessen werden kann. Der RCP ist damit also nicht ganz äquivalent zur anaeroben Schwelle sondern kennzeichnet einen Punkt kurz vor Erreichen der aneroben Schwelle.

Ist der RCP erreicht, so ist die Sauerstoffausschöpfung noch nicht maximal sondern submaximal. Dieser Bereich wird als Dauerleistungsgrenze bezeichnet. Eine Belastung in diesem Bereich kann fortgeführt werden, ohne dass rasch eine muskuläre Ermüdbarkeit eintritt.

Abbruchkriterien

Die Spiroergometrie findet breite Anwendung bei der Arbeit mit Hochleistungssportlern.

Doch auch im klinischen Alltag mit Patienten, gerade in der Kardiologie (Herzfachgebiet) und Pulmologie (Lungenfachgebiet), findet sie Anwendung. Gerade hier muss umso mehr auf potentielle Leistungseinschränkungen des Patienten und etwaige Anzeichen für körperliche Überbeanspruchung geachtet werden.

Zu den Abbruchkriterien während einer Spiroergometrie zählen unter anderem, dass der Patient / Proband ein plötzliches Engegefühl in oder einen Druck auf der Brust (Angina pectoris) angibt oder sich im EKG Zeichen der Minderdurchblutung des Herzens (Ischämien) oder Herzrhythmusstörungen zeigen. Auch Zeichen der respiratorischen Insuffizienz, sowie Kaltschweißigkeit oder Schwindel sollten einen Abbruch der Untersuchung herbeiführen.

Kontraindikationen

Die Spiroergometrie ist eine Untersuchung, die mit einer erheblichen körperlichen Beanspruchung einhergeht. Insofern muss zuvor geprüft werden, ob der Patient an einer Erkrankung leidet, die eine solche Belastung nicht zulässt. Hierzu zählen:

Bei Patienten, die zwar chronisch krank jedoch noch mittelschwer belastbar sind, muss die Belastung natürlich individuell an deren Belastbarkeit angepasst werden.

Lesen Sie mehr zu diesem Thema unter: Chronisch krank

Indikationen

Neben der Arbeit mit (Hochleistungs)sportlern, die eine Indikation für sich ist, gibt es auch im klinischen Alltag sinnvolle Indikationen für die Durchführung einer Spiroergometrie.

Beispielsweise zur genaueren Abklärung von Luftnot (Dyspnoe), vor Herz- und Lungenoperationen um die aktuelle Belastbarkeit festzustellen und um diese gegebenenfalls mit den Ergebnissen im Anschluss an die Operation zu vergleichen, im Rahmen von medizinischen Gutachten zur Einschätzung der Leistungsfähigkeit bei Patienten mit Berufskrankheiten sowie zur Beurteilung des Erfolges von Medikamenten oder Trainingstherapie bei herz- oder lungenkranken Patienten.

Kosten

Die Kosten für die spiroergometrische Untersuchung sind pauschal nicht ohne Weiteres zu ermitteln.

Hier wird auf ein Beispiel aus dem Buch "Kursbuch Spiroergometrie: Technik und Befundung verständlich gemacht, R. Kroidl, S. Schwarz, B. Lehnigk, 2010" Bezug genommen.

Der Autor führt hier für eine Praxis in der die spiroergometrische Untersuchung durchgeführt wird, folgende Kosten auf: Für einen gesetzlich Krankenversicherten belaufen sich die Kosten für eine einzelne Untersuchung auf 40,25 Euro, für einen Privatversicherten auf 162,69 Euro und für einen Patienten, der über die Berufsgenossenschaft versichert ist auf 123,70 Euro.

Weiterführende Informationen

Hier finden Sie weitere hilfreiche Informationen zum Thema Ausdauerdiagnostik

Qualitätssicherung durch: Dr. Nicolas Gumpert      |     Letzte Änderung: 24.04.2018
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