VO2max I HFmax I avO2max I HMVmaxI HRmax - Ist unsere nächste Bestzeit kalkulierbar?

Seit meinem Post über den Garmin Forerunner 235 (FR235) lässt mich ein bestimmtes Thema einfach nicht mehr los! Kann eine GPS-Pulsuhr, ohne aufwendige Tests, wertvolle Hinweise über die aktuelle Leistungsfähigkeit bereitstellen. Im Garmin FR235-Post (garmin-forerunner-235-der-laufberater am handgelenk) hatte ich angedeutet, dass ich als Naturwissenschaftler, an der Genauigkeit der Ergebnisse, leichte Zweifel habe. 

Hinter den Kalkulationsprogrammen steht das finnische Unternehmen Firstbeat Technologies Ltd., welches ihre Technik diversen Herstellern von Fittnesarmbändern  & Pulsuhren zur Verfügung stellt. Es wird (auch von Garmin) immer wieder darauf hingewiesen, dass der wissenschaftliche Background, auf der Homepage des Unternehmens genau publiziert vorliegt. Dies habe ich mir mal genauer angesehen!

Es handelt sich dabei um ein sogenanntes "White-Paper". Eine Publikation, die genauso aufgebaut ist, wie Studienveröffentlichungen, welche in wissenschaftlichen Journalen abgedruckt werden. Es handelt es sich um eine englischsprachige Publikation des Unternehmens. Der Unterschied zu einer "echten" Publikation besteht darin, dass der Studienaufbau, die Datenaufnahme und die wissenschaftliche Korrektheit wahrscheinlich nicht von unabhängigen Wissenschaftlern überprüft wurden.

Titel: Automated Fitness Level (VO2max) Estimation with Heart Rate and Speed Data

Bereits der Titel verrät, dass die Kalkulation auf den Messgrößen (Herzfrequenz & Geschwindigkeit) basiert. Im folgenden erhält man, wie in wissenschaftlichen Publikationen üblich, eine Zusammenfassung,  Einleitung, Methodenbeschreibung, Diskussion & Literaturteil

In der vorliegenden Publikation wird eine Methode beschrieben, welche ohne festes Protokoll (unkontrolliert) den individuellen VO2max bei normalen Trainingsläufen (>10Minuten!!) kalkuliert. Dabei werden bekannte Beziehungen der Laufgeschwindigkeit zur Herzfrequenz bzw. zum VO2max-Wert in einen hinterlegten Algorithmus (Rechenschritt) einbezogen. Ein Unterschied zur standardisierten Messmethode besteht darin, dass die individuelle maximale Herzfrequenz (HFmax) nicht ermittelt wird, sondern aus empirischen Datenquellen (altersabhängigen Tabellen f. Männer und Frauen) stammt. Auf mögliche Fehlerquelle, durch diese Ungenauigkeit, wird von den Autoren ausführlich hingewiesen und Lösungen angeboten(siehe unten.

Definition"Die aerobe Fitness steht in Beziehung zu der individuellen Möglichkeit eines Sportlers, dynamische, normale bis intensive körperliche Aktivitäten mit großen Muskelgruppen über einen längeren Zeitraum durchzuführen"

Die maximale Sauerstoff-Aufnahmekapazität stellt die ausschlaggebende Größe für eine ausdauernde sportliche Tätigkeit dar. Der VO2max Wert ist dabei als Obergrenze anzusehen, da es unmöglich ist, längere Zeit oberhalb dieses Wertes Leistungen zu erbringen.

Als "Goldstandard" der Aeroben Fitness-Level-Messung wird der VO2max in der Einleitung ausführlich diskutiert. Dieser Wert entspricht der maximalen Sauerstoff-Aufnahmekapazität, welche ein Individuum, während einer Minute in hochintensiver Aktivität (z.b. Laufen) erreichen kann. 

Definition:  Der VO2max wird normalerweise direkt mittels Analyse der Atemgase (O2/CO2) im Labor (Spiroergometrie), bei maximaler körperlichen Intensität ermittelt. Man unterscheidet zwischen der Bezeichnung VO2max, der maximalen Menge Sauerstoff je Minute, mit der Einheit (L/min) und der auf das Körpergewicht bezogene relativen VO2max, der maximalen Sauerstoffmenge je Minute und kg Körpergewicht, mit der Einheit (ml/kg/min) unterschieden.

Dies wird normalerweise unter Laborbedingungen in einem direkten Prozess mittels Atemgasanalyse (Spiroergometrie) ermittelt. Regelmässige Messungen zur Steuerung des Trainings sind jedoch für Amateursportler nicht (leicht) verfügbar (leistungsdiagnostik-fur-jedermann). Daneben stehen ungenauere, indirekte Protokolle zur Kalkulation des VO2max zur Verfügung. Die vorgestellte Methode soll mittels einer GPS-Pulsuhr dem Hobby-Läufer in diesem Punkt unterstützen. Die Autoren weisen darauf hin, dass man für die genauen Messungen im Labor einen hohen Aufwand (Ausrüstung, trainiertes Personal) benötigt und diese Dienstleistungen mitunter sehr teuer sind.

aus: Automated Fitness Level (VO2max) Estimation with Heart Rate and Speed Data - Firstbeat

Tabelle: Beispiele Sauerstoffbedarf bei verschiedenen Aktivitäten

aus: Automated Fitness Level (VO2max) Estimation with Heart Rate and Speed Data - Firstbeat

Firstbeat argumentiert folgendermaßen: 

• Es gibt eine lineare Beziehung zwischen Sauerstoffaufnahme und Laufgeschwindigkeit!

Für die Kalkulation des VO2max sind folgende Punkte notwendig:

1. Background-Info des Läufers (Gewicht, Alter)
2. Man benötigt eine Sportuhr, welche Herzfrequenz & Geschwindigkeit aufzeichnet.
3. Die Daten werden nach verschiedenen Herzfrequenzbereichen und nach Vertrauenswürdigkeit segmentiert.
4. Alle vertrauenswürdige Daten werden für die Kalkulation der VO2max anhand von linearen und nicht linearen (unverständlich??) Abhängigkeiten zwischen der individuellen Herzfrequenz und Laufgeschwindigkeit herangezogen.

Mit einer GPS-Pulsuhr (Forerunner 235) hat man die Plattform Herzfrequenz und Laufgeschwindigkeit zu erfassen. In den Einstellungen finden sich weitere wichtige persönliche Daten, die der Nutzer selbst eingegeben hat. Dazu gehört das Körpergewicht, welches für die Festlegung der relativen VO2max von Bedeutung ist. Bei falschen Eintragungen entstehen natürlich Ungenauigkeiten. Empirische Daten aus Tabellen (ungenaue / nicht individuell!) liefern die alters,- und geschlechtsspezifischen Werte. 

Datenauslese für die Genauigkeit!
Eine "Kniff" für die Messung im normalen Trainingsablauf muss jedoch noch erwähnt werden. Die vielen Daten, welche die GPS-Uhr im Training erhebt, werden in "vertrauenswürdige" und "nicht vertrauenswürdige" unterteilt. Das hört sich im ersten Moment an, wie das Sprichwort: "Traue nur den Statistiken, die du selbst gefälscht hast!" Nach einen genauen Hinsehen versteht man jedoch recht schnell, warum bestimmte Datenbündel für die Kalkulation der VO2max nicht wertvoll sind.

Zu den "aussortierten Daten" gehört z.B. der Stopp an einer roten Ampel, bergab laufen am steilen Berg, starker (natürlicher) Anstieg der Herzfrequenz bei sehr langen Trainingseinheiten (cardiovascular Drift)  oder  Daten bei schlechtem GPS-Empfang (Tunnel). Alle weiteren Daten während des Laufs (schnelles Laufen, langsames Laufen, unterschiedliche Geschwindigkeit, bergauf oder bergab) werden vollständig in die Kalkulation übernommen!

aus: Automated Fitness Level (VO2max) Estimation with Heart Rate and Speed Data - Firstbeat

Überprüfung der Messmethode (Validierung)
Um die Genauigkeit ihres Verfahrens zu dokumentieren hat Firstbeat 79 Läufer in ihrer Marathonvorbereitung insgesamt 2690 aufgezeichnete Läufe absolvieren lassen. Im Untersuchungszeitraum ( 6 - 9 Monate ) wurden Ihre VO2max Werte 4x mal im Labor (klassisch) ermittelt. Laut Firstbeat liegt die Genauigkeit der GPS-Uhr basierten Messung gegenüber dem Standard bei 95%. Bei den allermeisten Messungen soll die Abweichung unter 3,5ml/kg/min gelegen haben. Weiterhin zeigt die Daten von Firstbeat, dass bei 75% der Trainingsläufe der VO2max bereits nach einem 2km Lauf kalkuliert werden konnte!!!

aus: Automated Fitness Level (VO2max) Estimation with Heart Rate and Speed Data - Firstbeat

Bekannte Fehlerquelle
Wie bereits erwähnt, ist die Firstbeat-Methode ein submaximaler Test. Die maximale Herzfrequenz (HRmax) wird nicht individuell ermittelt. Durch die Verwendung von alters,- und geschlechtsspezifischen empirischen Daten kann sich somit ein Fehler in die Kalkulation einschleichen. Die Auswirkung dieses Fehlers wurde bei dem Test mit 79 Läufern überprüft. 

Fitness Level (VO2max) Klassifikation Männer

Fitness Level (VO2max) Klassifikation Frauen

• werden insgesamt 15 Herzschläge zu wenig kalkuliert beträgt der Fehler bei der definierten VO2max bereits 9%
• werden insgesamt 15 Herzschläge zu hoch kalkuliert beträgt der Fehler der definierten VO2max 7%
• ist die maximale Herzfrequenz der Person bekannt und wurde diese manuell eingegeben reduziert sich der Fehler auf 5%

aus: Automated Fitness Level (VO2max) Estimation with Heart Rate and Speed Data - Firstbeat

Anhand aller erfasster bzw. kalkulierter Trainingswerte liefert die GPS-Pulsuhr mit dem Fristbeat-Verfahren sogar eine Vorhersage der möglichen persönlichen Bestzeit. Diese basiert jedoch allein auf dem kalkulierten VO2max-Wert!

Vorhersage der Bestzeit (Marathon/Halbmarathon/10km/5km/Meile

aus: Automated Fitness Level (VO2max) Estimation with Heart Rate and Speed Data - Firstbeat

Fazit: Die vorliegende Arbeit von Firstbeat erklärt anschaulich, auf welcher Grundlage man die Kalkulation der Leistungswerte, bei Sportlern und bei Fitnessbegeisterten vereinfachen möchte. Leider liegt diese Übersichtsarbeit nur in englischer Sprache vor. Definitiv ist die Arbeit keine Studie, die wissenschaftlich nachvollziehbar darstellt, dass diese Methode einen neuen Goldstandart definieren könnte. Vielmehr werden viele Daten vom Sportler gesammelt und damit anhand von linearen Zusammenhängen "Hochrechnungen" vorgenommen!
Die wissenschaftlich gesicherte Methode, mit Spiroergometrie und Analyse / Beratung beim Leistungsdiagnostiker, wird dem Amateur bzw. Hobbysportler sicherlich sehr aufwendig (und teuer) erscheinen. Zumal ein einmaliger Messwert im Jahr nun auch nicht die perfekte Unterstützung beim Training darstellt. Viele mögliche Fehlerquellen (falscher Sitz der Uhr am Handgelenk, Umgebungstemperatur, geringe Abweichung bei der Messung ohne Brustgurt, submaximaler Test, falsche persönliche Angaben) führen sicher  zu Ungenauigkeiten bei den ermittelten Daten. Sofern die VO2max-Daten der FR235 (bei allen Schwächen) halbwegs solide sind, könnten Sie durchaus  Hinweise für die Trainingssteuerung liefern. Mich persönlich interessiert nun, wie nah die Firstbeat-Kalkulation an den "Goldstandard" herankommt. 
Ich werde zur Prüfung in den nächsten Wochen eine professionelle Leistungsdiagnostik durchführen lassen und die bei mir persönlich ermittelten Ergebnisse der Garmin235 überprüfen.

http://der-laufgedanke.blogspot.de/2015/01/leistungsdiagnostik.html

schmeichelhafte Ergebnisse der kalkulierten VO2max bei der GARMIN235
(Screenshot Garmin App - Leistungsdaten)

Bis bald