Wie aussagekräftig ist die VO2max-Bestimmung bei GPS-Sportuhren?

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Die neue Generation von GPS-Sportuhren besitzt immer häufiger eine Funktion für die Prognose der aktuellen relativen Sauerstoffaufnahme (rel. VO2max). Zur Erinnerung: Die rel. VO2max eine gewichtige Prädiktorvariable für der Abschätzung des Leistungsstandes eines Langstreckenläufers. Sie gilt als Bruttokriterium der Ausdauerleistungsfähigkeit. Sie gibt quasi die Sauerstoffverwertungskapazität  des Organismus wieder.

Der Goldstandard der VO2max-Bestimmung ist die Atemgasanalyse bei vollständiger Auslastung unter Laborbedingungen. In einem früheren Beitrag habe ich die medizinische Definition der VO2max erörtert:

“Die VO2max bildet das Maß für Sauerstoffzufuhr (Atmung, Gasaustausch in der Lunge), Sauerstofftransport (Herz-Kreislaufsystem) und Sauerstoffverwertung (Muskelzelle) im Ausbelastungszustand des Organismus ab (…).
Mathematisch wird sie aus dem Produkt des maximalen Herzminutenvolumens (HMVmax → max. Schlagvolumen x Hfmax l Blut/min) und der maximalen arteriovenösen Sauerstoffdifferenz (avO2max → Differenz des Sauerstoffgehalts zwischen arteriellem und venösem Blut ml O2/l Blut) gebildet. Sie wird in der Einheit l (O2)/min ausgedrückt.
Messtechnisch kann die VO2max über spirometrische Verfahren und auch indirekt über experimentell abgeleitete Formeln bestimmt werden.”

Die relative VO2max setzt die O2-Verwertung pro Minute ins Verhältnis zum Körpergewicht und wird demgemäß in ml/kg/min gemessen. Wie gelingt es nun GPS-Sportuhren die O2-Verwertungskapazität des Organismus ohne Atemgasanalyse und Ausbelastungszustand zu bestimmen?

Ein führender Messspezialist für mobile, sportbezogene Leistungsparameter, die Firma Firstbeat (u.a. Lieferant der Messtechnologie für Garmin, Suunto, Samsung), legt auf den hauseigenen Internetseiten die Messmethodik offen.

Im Fall der rel. VO2max-Bestimmung macht sich der Hersteller die bekannten (weitestgehend linearen) Zusammenhänge zwischen dem Anstieg der Laufgeschwindigkeit und der VO2max sowie zwischen dem Anstieg der Laufgeschwindigkeit und Herzfrequenz zunutze. Laufgeschwindigkeit und Herzfrequenz werden bekanntlich von der Sportuhr bestimmt.

Die Berechnung erfolgt in 4 Schritten:

  1. Grundlage für die Bewertung der Herzfrequenzdynamik sind die in der Uhr gespeicherten persönlichen Daten, das sind Alter, Geschlecht, Körpergewicht, Trainingserfahrung. Z. B. gilt statistisch: je älter der Sportler desto geringer fällt die Höhe maximale Herzfrequenz (HFmax) aus; oder: Frauen erreichen gegenüber Männern signifikant höhere maximale Herzfrequenzen (5 bis 10 Schläge/min). Die korrekte Eingabe der persönlichen Daten ist für die Berechnung der rel. VO2max essentiell.
  2. Mit Beginn der Trainingseinheit erfolgt die Messung von Herzfrequenz und Laufgeschwindigkeit.
  3. Der zugrundeliegende Algorithmus segmentiert die unterschiedlichen Herzfrequenz-und Laufgeschwindigkeitsbereiche in zuverlässige und nicht-zuverlässige Datenbündel. Das ist der grundlegende Kniff bei der Bestimmung der VO2max. Für die Berechnung ausgeschlossen werden unbrauchbare und verzerrend wirkende Laufsegmente, z.B. solche auf sehr weichen Untergründen (Merkmal: vergleichsweise hohe Herzfrequenzen bei relativ niedriger Laufgeschwindigkeit), Ampelphasen (Merkmal: plötzlicher Abfall der Laufgeschwindigkeit auf 0 m/s bei unveränderter und allmählich abfallender Herzfrequenz), Bergablaufen (Merkmal: vergleichsweise niedrige Herzfrequenz bei stabiler oder leicht erhöhter Geschwindigkeit) oder das Eintreten des cardiovascular drifts (natürliche Herzfrequenzanstieg durch zunehmend dominanten Fettstoffwechselanteil bei extensiven Läufen > 90 min). Je breiter das Geschwindigkeitsspektrum innerhalb eines Laufes, desto zuverlässiger fällt die Berechnung aus. Nachstehende Abbildung verdeutlicht die Vorgehensweise an weiteren Beispielen.
  4. Die brauchbaren Messdaten werden nun bei der Extrapolation der maximalen Herzfrequenz herangezogen. Die mit der Hfmax korrespondierende Laufgeschwindigkeit wird anhand des erfassten individuellen Verhältnisses zwischen Herzfrequenz und Laufgeschwindigkeit hochgerechnet. Die geschätzte Laufgeschwindigkeit bei HFmax ergibt wiederum einen wahrscheinlichen VO2max-Wert. Dividiert durch das Körpergewicht ergibt sich die relative maximale Sauerstoffaufnahme.
Quelle: http://www.firstbeat.com/userData/firstbeat/download/white_paper_VO2max_11-11-2014.pdf

Um die Güte der Messmethode zu bestimmen, wurde die VO2max bei ca. 80 Läufern im Rahmen von 2.700 Trainingsläufen über einen Zeitraum von 6 bis 9 Monaten (Marathonvorbereitung) gemessen und mit je 4 klassischen , zeitlich gleichmäßig verteilten Labormessungen in diesem Zeitraum verglichen. 95 % der Messergebnisse unterschieden sich nicht signifikant von den Labormessungen.

Die durchschnittliche absolute Abweichung lag bei 3,5 ml/kg/min. Damit ist die Methode deutlich genauer und zuverlässiger als alternative submaximale Testverfahren mit 10-15 % Fehlerquote (z.B. submaximaler Stufentest auf dem Laufband). Beim Radfahren wird die Methode jedoch etwas ungenauer (8 % Fehlerquote).

Mit der Kenntnis über den Brechungsweg der rel. VO2max wird deutlich, dass im Trainingsalltag 2 Fehlerquellen die Validität der Ergebnisse beeinflussen:

  1. Echte HFmax: Der Algorithmus berechnet die HFmax über eine Formel, die Alter und Geschlecht berücksichtigt. Der Hersteller gibt an, dass die tatsächliche VO2max dadurch leicht unterschätzt wird. Durch manuelle Eingabe der im Labor oder Wettkampf ermittelten HFmax lässt sich die Berechnung korrigieren, so dass der Messfehler auf unter 5 % sinkt. Eine um 15 Schlägen / min unterschätzte HFmax führt zur einem 9-prozentigen Fehler bei der Berechnung der VO2max, eine Überschätzung von 15 Schlägen / min geht mit einem Fehler von 7 % einher.
  2. Stabile Umgebungsbedingungen: Die ermittelten rel. VO2max-Werte sollten nur unter annähernd identischen Laufbedingungen verglichen werden. Wetter, Höhenlage und Untergrund haben einen Einfluss auf das Verhältnis von Laufgeschwindigkeit und Herzfrequenz. Hier betrifft das jene Segmente, die nicht automatisch für die Berechnung ausgeschlossen werden. Die Ausmaß der Abweichung ist dadurch eingeschränkt.

Fazit: Die Berechnung der rel. VO2max mittels GPS-Sportuhr (mit Firstbeat-Technologie) erfolgt vergleichsweise zuverlässig und liefert einen guten Anhaltspunkt über die aktuelle Leistungsfähigkeit – ohne den vollständige Ausbelastungszustand erreichen zu müssen. Inwieweit der VO2max-Werte mit der Wettkampfzeit-Prognose korreliert (hier gibt es reichlich einschlägige Tabellen), hängt vor allem von der erreichten Geschwindigkeit an der VO2max ab. Diese hängt wiederum maßgeblich von der Laufökonomie eines Sportlers ab. Insofern ist die rel. VO2max eine Kennzahl unter Weiteren, um den Leistungsstand eines Läufers gut zu beurteilen.

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