Validierung des PaddlePulse auf dem Wasser

Ist die vom PaddlePulse gemessene Leistung valide?
Eine metabolische Validierung auf dem Wasser

Die mechanische Leistung in Watt beschreibt, was ein Athlet tatsächlich produziert. Herzfrequenz und Blutlaktat bilden dagegen ab, was ihn diese Produktion intern kostet. Im Kanurennsport fehlt für die produzierte Leistung auf dem Wasser bislang ein anerkannter Goldstandard. Gesteuert wird stattdessen über Bootsgeschwindigkeit, Herzfrequenz, Schlagzahl oder Blutlaktat, und jede dieser Größen hat eigene systematische Schwächen. Die Bootsgeschwindigkeit hängt stark von Wind und Strömung ab, sodass dieselbe Geschwindigkeit sehr unterschiedliche mechanische Anforderungen bedeuten kann. Die Herzfrequenz reagiert verzögert, driftet bei langen Belastungen und wird von Temperatur, Hydratation oder Koffein beeinflusst (Achten & Jeukendrup, 2003).

Der PaddlePulse ist ein am Bootsrumpf montierter Sensor, der die Vortriebsleistung aus den Beschleunigungsphasen und Verzögerungsphasen des Kajaks ermittelt. Dabei stellt sich die Frage, ob die ausgegebenen Zahlen eine physikalisch reale Größe beschreiben. Da auf dem Wasser kein absoluter Goldstandard zur Verfügung steht, lässt sich die Validität nicht einfach durch den Abgleich mit einem anderen System wie etwa paddelbasierten Messgeräten abschließend klären. Die Validierung braucht deshalb eine Referenz, die vom Sensor vollständig unabhängig ist. Diese Rolle übernimmt der Stoffwechsel des Athleten selbst.

Warum die Sauerstoffaufnahme als Referenz taugt

Unterhalb jener Intensität, bei der die Sauerstoffaufnahme ihr Maximum erreicht, steht der Energiebedarf in einer proportionalen Beziehung zur erbrachten mechanischen Leistung. Jedes zusätzliche Watt erfordert einen proportional ansteigenden Sauerstoffumsatz. Genau auf dieser Eigenschaft beruhen die etablierten metabolischen Vorhersagegleichungen für Ergometerbelastungen (Sietsema et al., 2020; Ettema & Lorås, 2009a). Diese Regelmäßigkeit gilt allerdings nur in einem klar begrenzten Intensitätsbereich. Oberhalb der anaeroben Schwelle, also oberhalb von LT₂ beziehungsweise VT₂, kann eine langsame Komponente der Sauerstoffaufnahme (Slow Component) hinzukommen, und nahe der maximalen Sauerstoffaufnahme flacht die Beziehung ab. Der Linearitätstest bezieht sich deshalb primär auf jene Belastungsbereiche, in denen sich ein stabiles metabolisches Fließgleichgewicht einstellen kann.

Innerhalb dieses Bereichs ergibt sich ein Prüfkriterium, das ohne ein zweites technisches Messgerät auskommt. Ist das Sensorsignal proportional zur tatsächlich absolvierten Arbeit, dann muss die Auftragung der Steady-State-Sauerstoffaufnahme gegen die gemessene Leistung eine Gerade ergeben. Ein verrauschtes Signal würde eine diffuse Datenverteilung erzeugen, ein systematisch verzerrtes Signal eine gekrümmte Beziehung und ein beliebiges Signal überhaupt keinen erkennbaren Zusammenhang. Entscheidend ist dabei, dass die Sauerstoffaufnahme unabhängig vom Sensor erfasst wird. Sie reagiert ausschließlich auf die physikalisch geleistete Arbeit und lässt sich durch ein fehlerhaftes Leistungssignal nicht beeinflussen.

Testaufbau

An der Untersuchung nahmen zwei ehemalige Leistungssportler mit weiterhin hohem Leistungsniveau teil, Athlet 01 (männlich) und Athletin 02 (weiblich).

Tabelle 1 Anthropometrie, maximale Sauerstoffaufnahme und Wirkungsgrade

Der Bruttowirkungsgrad setzt die mechanische Leistung ins Verhältnis zur gesamten Stoffwechselrate. Der Nettowirkungsgrad zieht zuvor den Ruheumsatz ab. Beide Angaben umfassen die Spannweite über alle Belastungsstufen der Wassereinheit.

Beide absolvierten fünf getrennte Testeinheiten.

• Test 01 bis 03: Sprints über 15 s sowie All-Out-Belastungen über 1, 3 und 6 min. Sie dienten ausschließlich dem Leistungs-Dauer-Profil, die Details dazu behandeln wir in einem eigenen Beitrag.
• Test 04 und 05: Stufentests im Labor und auf dem Wasser. Nach 5 min Warm-up folgten Belastungsstufen von 240 s mit 120 s Pause, dann 10 min aktive Erholung, abschließend ein Rampentest mit 60-s-Stufen bis zur Ausbelastung.

Die Belastungsstufen wurden aus den Tests 01 bis 03 abgeleitet. Aus den maximalen Belastungen über verschiedene Zeiträume entsteht das Leistungs-Dauer-Profil, aus dem die Critical Power geschätzt wird. Diese Schätzung legte den Bereich des Stufentests fest.

Tabelle 2 Leistungs-Dauer-Profil aus den Tests 01 bis 03

Tabelle 3 Belastungsvorgaben der metabolischen Tests

Abbildung 1. Ablauf der metabolischen Diagnostik mit Warm-up, Stufentest und abschließendem Rampentest. Die roten Pfeile markieren die Zeitpunkte der Blutlaktatentnahme.

Die Stufendauer von 240 s ist der Kern des Designs. Nur eine ausreichend lange Stufe erlaubt es der Sauerstoffaufnahme, ein Plateau zu erreichen. Nur dieses Plateau lässt sich eindeutig einer mechanischen Leistung zuordnen. Ein reiner Rampentest wäre zeitsparender, erreicht jedoch nie ein metabolisches Fließgleichgewicht. Die Sauerstoffaufnahme liefe der mechanischen Belastung dauerhaft hinterher. Der Rampentest steht deshalb als separater Block am Ende und dient ausschließlich der Bestimmung der maximalen Sauerstoffaufnahme (V̇O_2max).

Die Atemgasanalyse erfolgte Atemzug für Atemzug mit einem portablen MetaMax 3B. Die Herzfrequenz wurde mit einem Polar H10 Brustgurt sowie einem Polar Verity Sense Armband als Absicherung erfasst. Die Blutentnahme erfolgte minimalinvasiv aus dem zuvor hyperämisierten und sterilisierten Ohrläppchen, die Analyse enzymatisch-amperometrisch mit einem Biosen S-Line. Zusätzlich wurde die Körperzusammensetzung (Fettfreie Masse, Körperfett) mittels bioelektrischer Impedanzanalyse (BIA, Nutri Duplex) bestimmt.

Woher die Sauerstoffwerte kommen

Ein einzelner Atemzug ist ein stark verrauschtes Signal. Der Weg zum Messpunkt verläuft in vier Schritten:

1. Bereinigen: Ausreißer im Atemzug-Signal werden statistisch gefiltert und entfernt.
2. Modellieren: An jede Belastungsstufe wird das exponentielle Anstiegsmodell der Sauerstoffaufnahme angepasst.
3. Ablesen: Der Steady-State-Wert (V̇O_2ss) wird aus dem Modellmittelwert der letzten 60 Sekunden abgeleitet.
4. Gewichten: Präzisere Stufen fließen mit einem höheren statistischen Gewicht in die abschließende Regression ein.

Die zugehörige mechanische Leistung wird über exakt dasselbe Zeitfenster gemittelt, sodass Zähler und Nenner stets denselben physiologischen Zustand beschreiben.

Ergebnisse der Wassertests

Beide Athleten hielten die vorgegebenen Zielleistungen präzise. Die Darstellung der Steady-State-Sauerstoffaufnahme gegen die vom Sensor gemeldete Leistung ergibt bei beiden eine saubere Gerade über den gesamten ausgewerteten Bereich.

Abbildung 2. Zeitverlauf der Wassereinheit von Athlet 01. Die linke Achse beschreibt die Sauerstoffaufnahme (hellblau) und die Kohlendioxidabgabe (rot), die rechte Achse die Herzfrequenz (grün), die Schlagzahl (violett), die Leistung (schwarz) und das Blutlaktat (dunkelrote Punkte, für die Darstellung mit 10^-1 skaliert). Alle Verlaufskurven sind gleitende Mittelwerte.

Abbildung 3. Athlet 01 auf dem Wasser. Die hellblaue Gerade zeigt die lineare Regression der Steady-State-Sauerstoffaufnahme gegen die Sensorleistung, die gepunkteten und gestrichelten Feinlinien die krummlinigen Modelle von Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe. Die dunkelroten Punkte zeigen den exponentiellen Laktatanstieg, von dem die Sauerstoffaufnahme auf dieser Achse unberührt bleibt. Grüne Kreuze und violette Dreiecke sind Herzfrequenz und Schlagzahl, beide für die rechte Achse mit 10^-1 skaliert.

Abbildung 4. Zeitverlauf der Wassereinheit von Athletin 02, Darstellung wie in Abbildung 2.

Abbildung 5. Athletin 02 auf dem Wasser, Darstellung wie in Abbildung 3. Der lineare Zusammenhang besteht bis an das metabolische Limit. Die oberste Stufe liegt sichtbar unterhalb der Geraden, weil dort die maximale Sauerstoffaufnahme bereits erreicht war. Diese Stufe geht deshalb nicht in die lineare Regression ein und ist im Diagramm halbtransparent dargestellt.

Tabelle 4 Parameter der linearen V̇O₂-Leistungs-Beziehung

Der PaddlePulse-Sensor erzeugt unter Freiwasserbedingungen ein Signal, dessen Zusammenhang mit der Stoffwechselrate des Athleten so eng ist wie auf einem stationären Ergometer. Die verbleibenden Abweichungen der einzelnen Stufen von der Geraden (maximaler relativer Fehler) bewegen sich in derselben Größenordnung wie die Messunsicherheit der Atemgasanalyse selbst.

Die mechanische Effizienz als zweiter Prüfstein

Die Linearität belegt, dass das Sensorsignal proportional zur tatsächlich verrichteten Arbeit ist. Sie sagt jedoch nichts darüber aus, ob die ausgegebenen Wattwerte auch die richtige Größenordnung treffen. Eine Gerade bleibt nämlich eine Gerade, wenn die Leistungsachse um einen konstanten Faktor gestaucht oder gestreckt wird. Ein systematisch falsch skaliertes Signal würde den Linearitätstest also bestehen. Geprüft ist damit die Proportionalität, offen bleibt der Maßstab. Genau diese Lücke schließt der Steigungswirkungsgrad, denn die Steigung der Geraden beziffert unmittelbar die zusätzlichen Sauerstoffkosten pro zusätzlichem Watt.

Für den Steigungswirkungsgrad beim Kajakpaddeln existieren bislang keine belastbaren Referenzwerte, sodass sich die hier gemessenen Werte um 16 Prozent nicht gegen eine etablierte Spanne prüfen lassen. Eine Einordnung erlauben jedoch die Bruttowirkungsgrade, für die es kajakspezifische Untersuchungen gibt. Bei zwölf Elite-Sprintkanuten auf dem Kajakergometer wurde ein Bruttowirkungsgrad von 10,1 ± 1,1 Prozent an der maximalen Sauerstoffaufnahme berichtet (Gomes et al., 2012). Die hier gemessenen 8,6 bis 13,3 Prozent liegen in derselben Größenordnung. Für das Paddeln auf dem Wasser wurden aus dem Schleppwiderstand des Bootes mechanische Wirkungsgrade von etwa 4 bis 6 Prozent abgeleitet (Pendergast et al., 1989). Dieser Wert ist allerdings nicht direkt vergleichbar, weil er ausschließlich die tatsächlich in Vortrieb umgesetzte Widerstandsleistung als Nutzarbeit ansetzt und deshalb systematisch niedriger ausfällt.

Brutto- und Nettowirkungsgrad fallen mit 8,6 bis 13,3 beziehungsweise 10,6 bis 14,2 Prozent systematisch niedriger aus als der Steigungswirkungsgrad, weil sie die nicht vortriebswirksamen Grundkosten in den Quotienten einrechnen (siehe Tabelle 1). Die drei Maße sind daher nicht ineinander überführbar und auch nicht als gleich zu erwarten. Entscheidend ist, dass alle drei in einem Bereich bleiben, der für Oberkörperarbeit plausibel ist, und dass sie deutlich unter den Werten von Sportarten wie dem Radsport liegen. Dort liegen typische Bruttowirkungsgrade bei 19 bis 22 Prozent, Nettowirkungsgrade bei 19 bis 24 Prozent und Delta-Wirkungsgrade im Bereich von 23 bis 28 Prozent (vgl. Ettema & Lorås, 2009a; Francescato et al., 1995).

Ein systematisch über- oder unterschätzendes Sensorsignal würde unmittelbar zu unplausiblen Wirkungsgraden führen. Zu hoch ausgewiesene Wattwerte würden rechnerisch eine mechanische Effizienz implizieren, die beim Paddeln nicht erreichbar ist. Die ermittelte Konstanz im Bereich von 16 Prozent deutet hingegen darauf hin, dass der Sensor die erbrachte Arbeit in einem korrekten physikalischen Maßstab quantifiziert. Damit ist nicht nur die Form der Beziehung belegt, sondern auch ihr Maßstab.

Der Achsenabschnitt als Maß der Bewegungsökonomie

Der Schnittpunkt der Regressionsgeraden mit der y-Achse beziffert die rechnerische Sauerstoffaufnahme bei null Watt Vortriebsleistung. In dieser Größe bündeln sich die physiologischen Kosten, die nicht direkt in den Vortrieb fließen, etwa Ruheumsatz, Atemarbeit, Rumpfstabilisierung, Stabilisierung des Bootes sowie die Leerarbeit der Paddelbewegung, also das Beschleunigen und Abbremsen von Armen, Rumpf und Paddel, das selbst keinen Vortrieb erzeugt (vgl. Francescato et al., 1995). Auf dem Wasser lag dieser Sauerstoffbedarf bei null Vortriebsleistung bei 769 beziehungsweise 946 ml/min.

Dieser extrapolierte Wert ist allerdings mit einer gewissen statistischen Unsicherheit behaftet (Standardfehler von 144 bzw. 124 ml/min). Eine weitere Belastungsstufe bei sehr geringer Intensität hätte den Verlauf im unteren Bereich noch präziser verankert und die Schätzung weiter geschärft. Dennoch bietet der Achsenabschnitt einen wertvollen quantitativen Ansatz, um die Bewegungsökonomie desselben Athleten im zeitlichen Verlauf objektiv zu vergleichen.

Gegenprobe im Labor

Auf dem Kajakergometer steht eine mechanische Referenz zur Verfügung, sodass sich die Messung ein zweites Mal prüfen lässt. Auch dort verläuft die Sauerstoffaufnahme streng linear zur gemessenen Leistung, mit vergleichbaren Steigungen und Wirkungsgraden wie auf dem Wasser (siehe Tabelle 4).

Abbildung 6. Zeitverlauf der Laboreinheit von Athlet 01 auf dem Kajakergometer, Darstellung wie in Abbildung 2. Die schwarze Leistungskurve zeigt das auf die Ergometerskala umgerechnete Sensorsignal.

Abbildung 7. Athlet 01 im Labor, Darstellung wie in Abbildung 3. Die lineare Beziehung bestätigt sich auf dem Ergometer mit noch geringerer Streuung als auf dem Wasser.

Abbildung 8. Zeitverlauf der Laboreinheit von Athletin 02, Darstellung wie in Abbildung 6.

Abbildung 9. Athletin 02 im Labor, Darstellung wie in Abbildung 3.

Auffällig ist ein systematischer Unterschied der Leistungsskala zwischen Wasser und Ergometer. Dieser Befund ist physikalisch schlüssig und kein Messfehler. Auf einem fixierten Ergometer entfällt die hydrodynamische Gleitphase des Bootes komplett. Der Widerstand eines Schwungrads folgt gänzlich anderen Gesetzmäßigkeiten als ein Bootskörper im Wasser. Der Zusammenhang bleibt in sich streng linear. Die Umrechnung erfordert auf einem stationären Ergometer lediglich einen gerätespezifischen Kalibrierungsfaktor.

Einordnung und methodische Grenzen

Die Kombination interner und externer Daten deckt systematische Limitationen rein feldbasierter Verfahren auf:

• Überschätzung der Critical Power: Ohne Erschöpfungstests von über zwölf Minuten Dauer schätzt das Modell die CP zu hoch, hier 209 W bzw. 144 W. Der Abgleich mit Laktat- und Atemgasdaten macht das sichtbar.
• Spezifik der Laktatproduktion: Bei reiner Oberkörperarbeit ist eine geringere Muskelmasse aktiv, was grundsätzlich für höhere Laktatwerte sorgt. Fixe mmol-Schwellen sind hier oft wenig valide.
• Fehlende Werte im Niedrigintensitätsbereich: Eine zusätzliche Belastungsstufe bei sehr geringer mechanischer Leistung wäre retrospektiv äußerst wertvoll gewesen. Sie hätte nicht nur die Bestimmung des Achsenabschnitts für die V̇O₂-Regression präziser verankert, sondern auch die exakte Berechnung der ersten Laktatschwelle (LT₁) und der ersten ventilatorischen Schwelle (VT₁) deutlich verbessert.

Hinweis. Die hier nur kurz angerissenen Themen behandeln wir in eigenen Beiträgen ausführlich. Geplant sind Artikel zu den Critical-Power-Tests und dem Leistungs-Dauer-Profil sowie zu den verschiedenen Laktatschwellen und Ventilationsschwellen im Kanurennsport.

Praktischer Nutzen

• Trainingsvorgaben werden überprüfbar: Eine Vorgabe wie 3 min bei 200 W ist eine exakte Lastvorgabe, deren metabolische Antwort bekannt ist und sich im Nachgang über Herzfrequenz und Laktat kontrollieren lässt.
• Bewegungsökonomie wird messbar: Steigung und Achsenabschnitt trennen quantitativ, wie groß der Anteil der metabolischen Energie ist, der in den Vortrieb fließt, und welcher Anteil in Stabilisierung und Technikverlusten verpufft.
• Leistungsmodelle lassen sich korrigieren: Erst der physiologische Abgleich mit metabolischen Daten zeigt, wann und wie stark ein kurzer Feldtest die Schwelle überschätzt.

Fazit

Über einen breiten Leistungsbereich steigt die Steady-State-Sauerstoffaufnahme streng linear mit der vom PaddlePulse gemeldeten Leistung an, sowohl auf dem Wasser als auch auf dem Kajakergometer. Die daraus abgeleiteten Sauerstoffkosten entsprechen einem Steigungswirkungsgrad von rund 16 Prozent und liegen damit in einem Bereich, der für die Oberkörperarbeit beim Kajakpaddeln plausibel ist und sich mit den vorhandenen kajakspezifischen Wirkungsgraddaten deckt.

Beide Befunde zusammen beantworten die Ausgangsfrage. Der Sensor misst eine Größe, die proportional zur tatsächlich verrichteten mechanischen Arbeit ist, und er misst sie im korrekten Maßstab. Die Leistungsmessung beschreibt, was der Athlet erzeugt, die Physiologie beschreibt, was ihn diese Arbeit kostet. Erst beide Größen gemeinsam stellen sicher, dass das geplante Training auch dem absolvierten Training entspricht.

Anhang: Schwellenwerte der Wassereinheit

Die folgenden Tabellen dokumentieren der Vollständigkeit halber alle berechneten Schwellen der Freiwassereinheit. Da die einzelnen Konzepte auf sehr unterschiedlichen Annahmen beruhen und teils erheblich voneinander abweichen, wird zusätzlich ein gewichteter Konsenswert ausgewiesen, der die Konzepte nach Modellgüte und physiologischer Individualisierung abstimmt.

Tabelle A1 Blutlaktatschwellen, aufsteigend sortiert

Tabelle A2 Ventilatorische Schwellen aus dem Rampentest

Die Rohwerte stammen aus dem Rampentest mit 60-s-Stufen. Da die Sauerstoffaufnahme einer ansteigenden Belastung mit einer individuellen Verzögerung folgt, erscheint jede in einer Rampe bestimmte Schwelle bei einer leicht zu hohen Leistung. Der kinetikkorrigierte Wert rechnet diese Verzögerung anhand der individuell gemessenen Zeitkonstante heraus.

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