Fyysisen suorituskyvyn mittaaminen Juha Peltonen LitT, dos. (liikuntafysiologia) Helsingin Liikuntalääketieteen keskus: Helsingin urheilulääkäriasema Urheilulääketieteen säätiö & Liikuntalääketieteen yksikkö Kliininen laitos Helsingin yliopisto Tämän tapaamisen sisältöä Fyysinen suorituskyky Aerobinen suorituskyky ja siihen vaikuttavat tekijät maksimaalinen hapenottokyky (VO 2max) Hengitys- ja verenkiertoelimistön vasteet lihastyölle Suorituskyvyn mittaamisen yleiset periaatteet Suorituskyvyn mittaamiseen käytettävät menetelmät erityisesti epäsuora Åstrandin menetelmä VO 2max:n arvioimiseksi Kurssidemon perusteet SUORITUSKYKY Työ (J), teho (W), loppuaika, nopeus Sukupuoli Ikä Kehonrakenne Terveys Harjoitusadaptaatio Psyyke Asenteet Motivaatio Akuutti kuormitus: teho kesto tekniikka hyötysuhde Huoltojärjestelmät: Ravinto: Hapenotto: - saanti - ventilaatio - varastot - sydän - käyttö - veri Ympäristö: korkeus ilmanpaine lämpötila tuuli melu saasteet Energiaa tuottavat järjestelmät FYYSINEN SUORITUSKYKY 1
Kestävyyttä määräävät fysiologiset osatekijät Maksimaalinen aerobinen ja anaerobinen teho - VO 2max - Laktinen teho - Alaktinen teho Hyötysuhde - Tekniikka - Taloudellisuus Pitkäaikainen kestävyys - AerK, AnK Mukailtu H Ruskon alkuperäisen mallin (1984) mukaan Hapenottokykyyn vaikuttavat fysiologiset tekijät 5. Keskushermosto 6. Ääreishermosto 1. Hengitys O 2 diffuusio Ventilaatio Alveolaarinen V A /Q Hb - O 2 affiniteetti 2. Keskeisverenkierto Sydämen minuuttitilavuus (syke, iskutilavuus) Arteriaalinen verenpaine Veritilavuus Hemoglobiinimassa ja -konsentraatio Muokattu LB Rowellin (1986) mallin pohjalta 3. Ääreisverenkierto Virtaus inaktiivisiin kudoksiin Lihasten veren virtaus Lihasten kapillaaritiheys O 2 diffuusio Lihasten vaskulaarinen konduktanssi O 2 ekstraktio Hb - O 2 affiniteetti. 4. Lihasten metabolia Entsyymit ja oksidatiivinen potentiaali Energiavarastot Myoglobiini Mitokondriot (koko ja määrä) Lihasmassa ja solutyyppi Substraattien jakelu Elimistön vasteita rasitukseen päähuomio hapenkulutuksessa Figure 1. A. Schematic representation of the systems - pulmonary-cardiovascular-muscle - that must operate in coordination to transport oxygen (O 2) to the contracting myocytes and facilitate the evolution of carbon dioxide (CO 2). B. Expanded detail to show the "final frontier" in the pathway for O 2 from the atmosphere to its site of use in the mitochondria. White arrows show the pathway for O 2 and project from the red blood cell (erythrocyte, EC) in the capillary into the myocyte and toward the mitochondria (mi). (Reprinted from Weibel, ER. The Pathway for Oxygen. Harvard Press, London, 1984). 2
Liikunta lisää energiantuottoa ja kulutusta Energiantuottomekanismit toimivat samanaikaisesti Niiden absoluuttinen ja suhteellinen osuus on riippuvainen kuormituksen intensiteetistä ja kestosta Hughson et al. (2001) Regulation of oxygen consumption at the onset of exercise. Exerc Sport Sci Rev, 29, 129-133. Fysiologisten vasteiden nousu työn edellyttämälle tasolle vaatii aikaa VO 2 :n ja sykkeen aikavakio (τ) on noin 30-50 s, kun työteho on alle laktaatti-/anaerobisen kynnyksen. Kuormakohtaisen steady staten saavuttamiseen kuluu aikaa tällaisilla työtehoilla 3 5 min Tarvitaan riittävän pitkä kuorman kesto, jotta mm. syke ja VO 2 ehtivät saavuttamaan työn edellyttämän tason. Casaburi R et al. J Appl Physiol 67: 547-555, 1989 Kuorman pituus ja siitä saatu syke 160 140 1 63% vasteesta 2 87% vasteesta 3 95% vasteesta 4 98% vasteesta 6 99.9% vasteesta Syke (krt/min) 120 100 80 60 40 0 100 200 300 400 500 600 700 Aika (s) 3
Hengitysvasteita nousevan kuormituksen aikana 2 1 3 Romer LM et al. In: ACSM s Advanced Exercise Physiology, 2012, p. 251. Valtimoveren O 2 -kyllästeisyys (SaO 2 ) rasituksessa Säilyy lepotasolla tai lähellä sitä normaalikuntoisilla henkilöillä maksimaalisessakin rasituksessa SaO 2 :n laskua (EIAH) esiintyy terveillä hyväkuntoisilla henkilöillä Lievä: SaO 2 93-95% (tai 3-4% alle levon) Kohtalainen: SaO 2 88-93% Voimakas: SaO 2 <88% Syyt: Riittämätön hyperventilaatio Alveolaari-arteriaali O 2 -eron ((A-a)O 2 ) kasvu Veren lämpötilan nousu ja ph:n lasku SaO 2 :n 3% lasku on raja-arvo sen päälle tuleva jokainen 1% SaO 2 lasku VO 2max laskee 1-2% Sydämen minuuttitilavuus CO 6 L/min VO 2 1 L/min VO 2max 45,9 ml/kg/min VO 2max 63.5 ml/kg/min CO = HR SV MIEHET VO 2max 37.0 ml/kg/min VO 2max 52.1 ml/kg/min NAISET Ogawa et al. Circulation 86:494-503, 1992 4
Työtehon, sykkeen ja iskutilavuuden väliset yhteydet Teho, syke ja iskutilavuus: perinteinen malli Neljä erilaista sydämen iskutilavuuden vastetta nousevaan kuormitukseen Moore RL, Brown DA. In: ACSM s Advanced Exercise Vella CA, Robergs RA Br J Sports Med 2005;39:190-195 Physiology, 2012, p. 314. CO = HR SV Minuuttitilavuus (L/min) = syke (bpm) iskutilavuus (ml) Verenkierron jakautuminen levossa ja maksimaalisessa rasituksessa kolmella eri koehenkilöryhmällä Sydämen minuuttitilavuuden (Q) kasvu ja verivolyymin uudelleen jakautuminen Tavoitteena hapen, ravinteiden, hormonien jne kuljetus aktiivisiin kudoksiin ja aineenvaihduntatuotteiden (esim. CO 2, laktaatti, H + ) kuljetus niistä pois sekä lämmönsäätely. Minuuttitilavuus (CO) kasvaa 3-7 kertaiseksi siirryttäessä levosta maksimirasitukseen. Esim. 6 l/min 25 l/min 40 l/min. CO:n kasvu on seurausta sykkeen (HR) ja iskutilavuuden (SV) kasvusta. Verivirta suunnataan inaktiivisista kudoksista aktiivisiin. Esim luurankolihasten osuu verivirrasta levossa on noin 15 % ja kovassa rasituksessa > 70 %. Rowell LB. Human Circulation Regulation During Physical Stress, p. 240, 1986 Verenpainevaste dynaamiseen nousevaan työhön BP mean = CO T S P R Rowell LB. Human Circulation Regulation During Physical Stress, p. 225, 1986 5
Valtimo-laskimo happiero (a-v)o 2 [O 2 ] ero valtimoveren ja sekoittuneen laskimoveren välillä ~ 3 kertaiseksi levosta maksimaaliseen rasitukseen lepo: ~ 25% valtimoveren O 2 :sta ekstrahoidaan maksimirasitus: ~ 85% valtimoveren O 2 :sta ekstrahoidaan Kardiovaskulaariset vasteet dynaamisessa työssä kolmella ryhmällä, joiden VO 2max arvot eroavat selvästi Suorituskyky ja VO 2max Rowell LB (1986) 6
Suorituskykytestien kohderyhmät ja tavoitteet Vakioidulla menetelmällä suoritettu suuria lihasryhmiä, hengitys- ja verenkiertoelimistöä sekä energiametaboliaa kuormittava tutkimus Kilpaurheilijat Tuloksen maksimointi Lajinomaiset testit Tarkat tulokset harjoittelun suunnittelua varten Kuntoilijat Perusominaisuuksien testaus riittävällä tarkkuudella Liikuntaohjeet ja motivointi Potilaat Sairauksien diagnostiikka Hoidon vaikuttavuuden arviointi Terveyden ylläpito ja kohentaminen Toimintakyvyn parantaminen Kuormituskokeet tarkoituksen mukaan Kestävyystestien laatukriteerit PÄTEVYYS (validiteetti) - mittaako testi sitä, mitä sen pitäisi mitata? - uuden testin validiteetista saadaan käsitys vertaamalla sen tuloksia sellaisen testin tuloksiin, jonka tiedetään olevan pätevä LUOTETTAVUUS (reliabiliteetti) - tulosten pysyvyyden mittari - antavatko peräkkäiset samoissa olosuhteissa tehdyt testit saman tuloksen OBJEKTIIVISUUS - testaajan toimilla ei saa olla vaikutusta tuloksiin VERTAILUARVOT - miten tulos sijoittuu saman ikäisten ja samaa sukupuolta olevien henkilöiden tulosten joukossa? - millainen kuntotaso on hyvä? MUUTOSHERKKYYS - kyky mitata kuntomuutosta - mikä on todellisen muutoksen suhde mittavirheeseen OPPIMINEN - oppimisella ei saa olla vaikutusta tulokseen KUORMITETTAVA SUURIA LIHASRYHMIÄ Nyt käsiteltävät testit suorituskyvyn ja VO 2max :n mittaamiseksi / arvioimiseksi Testi päättyy maksimitehoon Suora hengityskaasujen ja suorituskyvyn mittaus Maksimisuorituskyvyn ja VO 2max :n mittaus Testi pysyy submaksimaalisella alueella Åstrandin pp-ergometritesti Maksimisuorituskyvyn ja VO 2max :n arviointi 7
Tyypillinen rasituskoe Liikuntalääketieteen yksikössä Alveolaarinen kaasujenvaihto ja ventilaatio Sydämen syke ja minuuttitilavuus Verenpaine Verenkierron ääreisvastus Valtimoveren O 2 -saturaatio Aivo- ja lihaskudoksen happeutuminen Hb tiedossa O 2 jakelu ja ekstraktio Keuhkotuuletus ja alveolaarinen kaasujenvaihdunta: VO 2max :n mittaaminen Kaasukapillaari Virtausmittari Analyysi ja laskenta Kaasuanalysaattori Kurssidemo: F1 Fyysisen suorituskyvyn mittaaminen polkupyöräergometrialla Laitteiden tarkistus Kalibroinnit Esitiedot ja -tutkimukset Kokeen suoritus: Vaihe 1 (VO 2max :n arvionti) Vaihe 2 (Kliininen rasituskoe) Tulostus Viitearvoihin vertailu Palaute / lausunto Kiitos Liisa M. Peltoselle diapohjasta 8
Polkupyöräergometria Rasittaa suuria lihasryhmiä Laitteisto yksinkertainen, teknisesti helppo tehdä, kuormitustaso melko tarkka Kuormitus riippumaton kehon painosta Taustalla oletus että syke saavuttaa kullakin kuormitustasolla vakaan tason l. steady state n, jossa hapenotto on tasapainossa lihasten hapentarpeen kanssa että ihmisen maksimisyke on ikään sidottu ominaisuus molemmilla sukupuolilla 205 - ½ x ikä (220 - ikä) Kiitos Liisa M. Peltoselle diapohjasta Seurataan keskeisiä fysiologisia muuttujia ja oireita EKG (sydämen sähköinen toiminta) Syke (sykemittari) Verenpaine (autom. verenpainemittari) Hengitystiheys (visuaalisesti, auskultoimalla) Valtimoveren happikyllästeisyys (pulssioksimetri) Yleinen väsymys, väsymys jaloissa RPE, Borgin asteikko 6-20 Rintakipu Hengenahdistus Huimaus HUOM: Katso useasti polkijaa, älä tuijota pelkästään mittalaitteita! Pidä kirjaa mittauksista, oireista ja muista huomioista Kiitos Liisa M. Peltoselle diapohjasta KOKEEN SUORITUS Ennen koetta lepotilassa Syketiheys, hengitystiheys, verenpaine, hengityksen huippuvirtaus (PEF) Verryttele pari minuuttia polkemalla 0 W:n teholla tarkista satulan korkeus, ohjaustangon asento ja jalkojen kiinnitys polkimiin (mikä merkitys suorituksessa?) Vaihe 1 Aloituskuorma esitietojen perusteella Yleensä 1 2 W/kg, tai 75 W naisilla, 100 W miehillä Kuormituksen nosto esitietojen ja vasteiden perusteella, esim. 25 W/1 min Nostetaan kuormitusta 1 min välein kunnes syketaso n. 130/min poljetaan tavoitetasolla 6 minuuttia määritetään steady state syke, koettu kuormittuneisuus Borgin asteikolla, hengitystiheys kahden viimeisen minuutin aikana ja happikyllästeisyys Kiitos Liisa M. Peltoselle diapohjasta 9
SUORITETTAVAT MITTAUKSET Vaihe 2 kuormituksen lisäys portaittain (n 3 min) korkeintaan RPE-asteikolle arvoon 17 Lisäys riippuu testattavan kunnosta Esim. hyväkuntoinen mies/nainen 40-50W Huonompi kuntoinen15-25 W/3 min naiset ja 25 W/3 min miehet määritetään syke, koettu kuormittuneisuus Borgin asteikolla, ja hengitystiheys viimeisen minuutin aikana ja valtimoveren happikyllästeisyys Kokeen jälkeen verenpaine välittömästi syke ja hengitystiheys 1. ja 3. minuutin aikana valtimoveren happikyllästeisyys PEF (10 min/20 min kokeen jälkeen) Kiitos Liisa M. Peltoselle diapohjasta TULOSTEN KIRJAAMINEN Täytä taulukko Arvioi maksimaalinen hapenottokyky Åstrandin menetelmällä (ohjeessa) Arvioi maksimaalinen hapenottokyky ekstrapoloimalla kolmen pisteen menetelmällä Kiitos Liisa M. Peltoselle diapohjasta Epäsuora pp-ergometritesti Käytä Åstrandin nomogrammia VO 2max :n ennustamiseen Kirjaa teho syke -parit koordinaatistoon, ekstrapoloi lineaarinen suora maksimisykkeeseen, katso sitä vastaava ennustettu maksimiteho, katso tai laske ennustettu VO 2max ACSM 1995 10
Määritä iän ja sukupuolen mukainen kuntoluokka normaaliväestön viitearvojen mukaan Shvartz E, Reibold RC. Aviat Space Environ Med 61:3-11, 1990 Testituloksen tulkinnan perusteet Tiedollinen ja taidollinen valmius Riittävästi tietoa testattavasta terveyskyselyt nykyiset liikuntatottumukset mahdollisuudet harrastaa liikuntaa motivoituneisuus liikunnan lisäämisen tarve Hapenottokyvyn arvioimisen taustalla olevia oletuksia - Menikö kaikki oikein? Oletus 1: VO 2 / teho suhde on lineaarinen ja vakio PYÖRÄILYN TEOREETTINEN HAPENKULUTUS ACSM s Guidelines for Exercise Testing and Prescription (2006): VO 2 = 11.02 (W) + lepo VO 2 (3.5 ml/kg/min) + 3.5 ml/kg/min Barstow & Molé. J Appl Physiol 71: 2099-2106, 1991 Työteho alle laktaatti- / anaerobisen kynnyksen VO 2 ~ 9-11 ml/w Työteho yli laktaatti- / anaerobisen kynnyksen VO 2 ~ 12-13 ml/w 11
Oletus 2: VO 2 ja syke kasvavat lineaarisesti työtehon noustessa ja maksimisykkeen arvo on luotettava 40 v nainen, 60 kg, ennustettu HRmax 180 bpm Jos todellinen HRmax 180 bpm VO 2max = 2.2 L/min = 37 ml/kg/min, KL 5 Jos todellinen HRmax 168 bpm VO 2max = 2.0 L/min = 33 ml/kg/min, KL 4 Jos todellinen HRmax 192 bpm VO 2max = 2.4 L/min = 40 ml/kg/min, KL 6 ACSM s Guidelines for Exercise Testing and Prescription (2006) Oletus 3: Työn hyötysuhde on vakio Burnley M & Jones AM. Eur J Sports Sci: 7, 63-79, 2007 Pyöräilyn hyötysuhde ~ 25%: Hyötysuhde 20-25 % Perrault H. Clin Invest Med 29:117-21, 2006. Hyötysuhde 20 30% Poole DC & Richardson RS. Sports Med 24: 308-320, 1997. VO 2max :n arvioinnin tarkkuus ppergometritestillä Mitatun ja arvioidun VO 2max :n korrelaatio välillä 0.59-0.95. Submaksimaalisissa testeissä arvioidun VO 2max :n on raportoitu poikkeavan mitatusta arvosta 7-27%. Virhettä lisäävät testin päättyminen liian matalalle teholle, liian lyhyet kuormitusportaat ja väärin arvioitu maksimisyke. Tarkkuutta voidaan parantaa lisäämällä kuormien lukumäärää ja käyttämällä tiedettyä maksimisykettä. VO 2max :n arviointi on tarkempaa maksimaalisessa testissä submaksimaaliseen testiin verrattuna, mutta myös riskit lisääntyvät. 12
Suora vai epäsuora testi? JOHTOPÄÄTÖKSET Suoran testin tarkkuus VO 2max :n mittaamiseksi on hyvin tehtynä ± 2% Oikein tehtynä epäsuorien testien tarkkuus VO 2max :n arvioimiseksi on n. ±15%. Tämä on usein riittävä tarkkuus Huolellisesti tehtynä epäsuorillakin testeillä voi hyvin seurata kuntomuutosta Epäsuorilla testeillä on hyvä panos:hyöty suhde Kun on tarve saada tarkka VO 2max arvo tai selvittää sen alenemisen syitä monipuolisesti, tarvitaan mittaamista Suorituskyvyn mittaamisella on pitkät perinteet n. 1900 1920-luku 1980-luku Kysymyksiä, kommentteja? 13