Eine ausreichend hohe körperliche Leistungsfähigkeit ist für viele Berufsgruppen von elementarer Bedeutung für die Bewältigung der täglichen Arbeitsanforderungen. Zwar ist mit ca. 3,8 Mio. Beschäftigten in verschiedenen Berufsfeldern (Bauwirtschaft, Landwirtschaft, Bergbau etc.) jeder 11. Arbeitnehmer in einem Tätigkeitsfeld beschäftigt [1], in dem eine hohe körperliche Leistungsfähigkeit zum Berufsbild gehört. In der Arbeitsmedizin stellen jedoch jene mit gleichzeitig hoher körperlicher Gefährdung bei nicht ausreichend körperlicher Leistungsfähigkeit eine besonders zu betreuende Gruppe dar. Dies umfasst Angehörige der Berufsfeuerwehren, Kräfte der Sicherheitsorgane (Polizei, Militär) und Beschäftigte in Arbeitsfeldern mit Gefährdungen aufgrund des Arbeitsumfeldes (z. B. Arbeiten in großer Höhe, unter Atemschutz, unter besonderen klimatischen Bedingungen). So wird u. a. für Tätigkeiten unter extremer Hitze- und Kältebelastung, für Taucharbeiten mit Atemgasversorgung sowie für Arbeiten, die das Tragen von Atemschutzgeräten der Gruppen 2 und 3 bedingen, eine Pflichtvorsorge gemäß der Verordnung zur arbeitsmedizinischen Vorsorge (ArbMedVV; [2]) und für die letztgenannten eine wiederkehrende Eignungsuntersuchung nach z. B. Feuerwehrdienstvorschrift (FwDV) 7 bzw. FwDV 8 vorgeschrieben [3, 4].

Der mögliche Umfang der arbeitsmedizinischen Vorsorge inkl. eventueller Untersuchungen ist spätestens seit der Novellierung der ArbMedVV individuell an den Probanden anzupassen, „Kochrezepte“ sind weder mit den rechtlichen Vorgaben, noch mit den aktuellen wissenschaftlichen Empfehlungen vereinbar. So stellt die (Fahrrad‑)Ergometrie gerade für die oben aufgeführten Berufsfelder eine häufig diskutierte Untersuchungsmethode zur Feststellung der körperlichen Leistungsfähigkeit und im Rahmen der Diagnostik kardialer Erkrankungen dar.

Methode

Auf Basis einer selektiven Literaturrecherche unter Einbeziehung von Empfehlungen aus Leitlinien und Lehrbüchern zur Fahrradergometrie ist es das Ziel dieses Übersichtsartikels, dass der Leser im Anschluss die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen der Fahrradergometrie für den Einsatz im Rahmen der arbeitsmedizinischen Vorsorge und Eignungsuntersuchung kennt.

Wissenschaftliche Empfehlungen

National und international existieren Empfehlungen der jeweiligen Fachgesellschaften zur Durchführung der Ergometrie, welche zumeist von den kardiologischen bzw. sportmedizinischen Fachgesellschaften publiziert wurden (u. a. [5,6,7,8]). Gerade für den deutschsprachigen Raum datieren diese jedoch auf die Jahre 2000 (Deutsche Gesellschaft für Kardiologie [7]) bzw. 2006 (Österreichische Kardiologische Gesellschaft [8]) und wurden seitdem nicht mehr aktualisiert. Darüber hinaus besteht für den Arbeits- und Betriebsmediziner die Möglichkeit, in entsprechenden Lehrbüchern, Übersichtsartikeln und Positionspapieren weitergehende Empfehlungen und Informationen zum Einsatz der (Spiro‑)Ergometrie zu finden [9, 25,26,27].

Es gilt beim Einsatz der Fahrradergometrie zu berücksichtigen, dass die insbesondere von klinischen Fachgebieten herausgegebenen Empfehlungen den Einsatz dieser Untersuchungsmethode zur Prognoseabschätzung sowie zur Therapie- und Interventionsüberwachung im Rahmen einer Krankheit betrachten, ferner zur Diagnostik latenter Erkrankungen und im Besonderen im sport- bzw. rehabilitationsmedizinischen Kontext [10]. Darüber hinaus wird diese, zumeist eher sekundär, zur Einschätzung der Belastbarkeit bzw. zur Leistungsdiagnostik mit Trainingsberatung, -kontrolle und -steuerung eingesetzt [10].

Definition

Die quantitative Messung und Beurteilung der körperlichen Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit von Gesunden und Kranken wird als Ergometrie verstanden [9]. Die Ergometrie erfolgt mit einer definierten Belastung, soll reproduzierbar, dosierbar, vergleichbar und objektiv sein. Die Ergometrie setzt, wie eine vergleichbare Labormethode, ein standardisiertes Vorgehen mit Qualitätskontrolle voraus. In der Arbeitsmedizin haben sich fahrradergometrische Untersuchungen etabliert, es existieren darüber hinaus aber grundsätzlich eine beliebige Anzahl weiterer Möglichkeiten, die den aufgeführten Qualitätskriterien entsprechen und je nach Anwendungsfall des jeweiligen Fachgebiets bzw. der Fragestellung auch geeigneter sein können (z. B. Kletterstufe, Laufbandergometrie, Armkurbelergometer, Schwimmergometrie etc.). Darüber hinaus werden im internationalen Vergleich erschwerend unterschiedliche Methoden eingesetzt. So ist beispielhaft die Laufbandergometrie mittels entsprechender Protokolle in den USA deutlich etablierter als die Fahrradergometrie [11].

Voruntersuchung

Vor der Durchführung einer Fahrradergometrie gilt es, eine ausführliche Anamnese beim Probanden durchzuführen, welche insbesondere die unten aufgeführten Kontraindikationen ausschließt und die aktuelle Medikation umfasst sowie den Probanden über Ablauf und medizinischer Absicht der Ergometrie aufzuklären. Die Aufklärung sollte schriftlich erfolgen [9, 27]. Vor Beginn der eigentlichen Belastung ist der Ruhe-Blutdruck zu bestimmen sowie ein Ruhe-EKG durchzuführen und ärztlich zu beurteilen [9, 27]. Ferner sollte eine klinische Untersuchung mit mindestens Auskultation des Herzens und der Lunge erfolgen [9, 27]. Bei auffälligen klinischen oder elektrokardiographischen Befunden sollte vor einem Belastungstest eine weitergehende kardiologische Abklärung (u. a. mittels echokardiographischer Untersuchung) vorausgehen [27]. Die Probanden sollten einen empfohlenen Mindestabstand von 2 h zur letzten Mahlzeit und zu schweren körperlichen Belastungen einhalten und 12 h vor der Ergometrie keinen Alkohol oder Nikotin konsumiert haben [9, 27]. Durchgeführte (auch >2 h) schwere körperliche Tätigkeiten beeinträchtigen die Aussagekraft der Ergometrie hinsichtlich der absoluten maximalen Leistungsfähigkeit, da diese grundsätzlich nur im ausgeruhten und erholten Zustand erreicht wird.

Es bestehen relative und absolute Kontraindikationen für die Durchführung einer Belastungsuntersuchung, die vor der Ergometrie ausgeschlossen werden sollten (Tab. 1). Gerade im arbeitsmedizinischen Bereich als elektive Maßnahme unter leistungsdiagnostischer Fragestellung und bei ggf. nur geringer regelmäßiger Erfahrung in der Durchführung der Untersuchung sollte auch an die relativen Kontraindikationen ein strenger Maßstab angesetzt werden. Ferner muss der Durchführende zwingend Erfahrungen in der notfallmedizinischen Behandlung möglicher Komplikationen einschließlich des Herz-Kreislauf-Stillstandes inklusive der apparativen und medikamentösen Ausstattung besitzen [10].

Tab. 1 Kontraindikationen zur Ergometrie. (Mod. nach [9, 27])
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Untersuchungsprogramm

Früher zumeist als Untersuchungsprotokoll bezeichnet, hat sich der Begriff Untersuchungsprogramm inzwischen durchgesetzt. Hierbei sollten bei einem Stufenprogramm folgende Aspekte berücksichtigt werden [9, 27]:

  • die Gesamtdauer der Belastung sollte zwischen 10 und 12 min umfassen, längere Belastungsphasen bergen das Risiko einer zunehmenden Überhitzung des Probanden, kürzere sind nur eingeschränkt auswertbar,

  • im Rahmen arbeitsmedizinischer Untersuchungen sollte mit einer Anfangsbelastung von 50 W gestartet werden (in Abhängigkeit von der Sportanamnese ggf. auch höher, bis max. 100 W),

  • die Belastung sollte entweder stufenweise alle 2 min (Stufenbelastung) oder kontinuierlich (Rampenbelastung) gesteigert werden,

  • die Steigerung sollte in der Regel 25 W pro 2 min Stufe bzw. 25 W pro 2 min in einem Rampenprotokoll bis zur Ausbelastung betragen,

  • der Belastung wird eine 5‑minütige Vorphase ohne Belastung vorgeschaltet, als Ruhewerte werden die Messungen der letzten 3 min vor Belastungsbeginn herangezogen und

  • nach Belastungsabbruch ist eine mindestes 6‑minütige Nachbeobachtungsphase mit weiterhin kontinuierlicher EKG-Registrierung und regelmäßiger Messung von Blutdruck und Herzschlagfrequenz einzuplanen.

Stufen- vs. Rampentest

Grundsätzlich sind stufen- von rampenförmigen Belastungen im Rahmen der Fahrradergometrie zu unterscheiden. Während bei ersteren eine Belastungsstufe für eine gewisse Zeit (in der Regel 2 min) beibehalten wird (z. B. 50 W als 1. Stufe) und nach Ablauf dieser Zeit eine plötzliche Steigerung um eine vorher definierte Belastung (z. B. +25 W) erfolgt, welche wiederum für eine gewisse Zeit konstant vorliegt, wird bei der rampenförmigen Belastung kontinuierlich nach Einstellung der Anfangslast (ebenfalls zumeist 50 W) die Belastung gesteigert (Abb. 1).

Abb. 1
figure 1

Schematische Darstellung des Ablaufs einer Fahrradergometrie mittels Stufen- bzw. Rampenbelastung

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Um im Rahmen längerfristiger Betreuung sowohl intra- wie interindividuell vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, sind standardisierte Untersuchungsprogramme zu nutzen. Ein Vorteil von Untersuchungsprogrammen mit kurzer Stufendauer und kleinen Leistungssprüngen bzw. von rampenförmigen Leistungssteigerungen besteht darin, dass hier relativ schnell eine kardiozirkulatorische Ausbelastung möglich ist, die in der Arbeitsmedizin noch verbreitet PWC („physical working capacity“) genannt wird [10, 12]. Sie ist beim Rampentest leicht und nachvollziehbar zu berechnen. Ein möglicher Vergleich der Werte motiviert den Probanden, auch bei hohen Lasten weiterzutreten. Gleichzeitig kann bei einer Rampenbelastung durch größere Anstiegssteilheit (bei trainierten Männern z. B. 25 W/min statt 25 W alle 2 min) die Untersuchungsdauer reduziert werden [12]. Leistungsfähige Probanden mit Maximalbelastung von weit über 300 W werden dennoch länger als oben empfohlen belastet.

Demgegenüber wird in der Stufenbelastung durch die Stufendauer eine konstante Belastung erreicht, wodurch leistungsdiagnostische Aussagen (u. a. mittels Laktatwerte) erst sinnvoll ermöglicht werden.

Verhalten kardialer, metabolischer und respiratorischer Parameter

Während der Ergometrie kommt es während der Belastungssteigerung zur Erhöhung der Herzschlagfrequenz und der Herzauswurffraktion und damit zu einem Anstieg des Herzzeitvolumens, welches insbesondere in der Anfangsbelastung zunächst zu einer Ökonomisierung des Herzschlags führt. Gleiches trifft für die Atmung zu, die mit zunehmender Belastung sowohl in Atemtiefe als auch Atemfrequenz zunimmt. Während der systolische Blutdruck mit zunehmender Belastung deutlich ansteigt, nimmt der diastolische Blutdruck lediglich leicht zu, kann aber auch konstant bleiben. Im Rahmen der Energiebereitstellung wird zunächst noch ausreichend Sauerstoff in der Muskulatur zur Verfügung gestellt (aerobe Phase), mit zunehmender Belastung kann das kardiopulmonale System nicht mehr ausreichend Sauerstoff zur Verfügung stellen, und es wird zunehmend die Energiebereitstellung in der Muskulatur unter Laktatproduktion gewährleistet (anaerobe Phase).

Abbruchkriterien

Die Ergometrie sollte bei Erreichen einer der in Tab. 2 aufgezeigten Kriterien abgebrochen werden. Hierbei gilt analog zu den Kontraindikationen, dass bei arbeitsmedizinischen Untersuchungen der Maßstab der Abbruchkriterien eher strenger anzulegen ist.

Tab. 2 Abbruchkriterien von Belastungsuntersuchungen. (Mod. nach [9, 10])
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Als Ausbelastungskriterium kann die maximale Herzschlagfrequenz (Hfmax) mittels der Formel

$$\mathrm{Hf}_{\max } =207-0,7\times \text{ Alter}$$

ermittelt werden, bei deren Erreichen von einer Ausbelastung des Probanden ausgegangen werden kann [13, 14]. Alternativ kann bei sportlich aktiven Probanden die im Training ermittelte Hfmax herangezogen werden. Die Ausbelastung des Probanden sollte bei der Überprüfung der körperlichen Leistungsfähigkeit angestrebt werden, sofern vorher keine anderen Kriterien zum Abbruch zwingen.

Sensitivität und Spezifität zum Ausschluss einer koronaren Herzerkrankung

Die Ergometrie wird neben der klinischen Beurteilung und zur Feststellung der körperlichen Leistungsfähigkeit zum Ausschluss einer koronaren Herzerkrankung (KHK) als ergänzende Untersuchung herangezogen [15]. Hierbei gilt es zu berücksichtigen, dass aufgrund der reduzierten Sensitivität und Spezifität (gewichtetes Mittel: 68 % bzw. 77 % nach einer Metaanalyse basierend auf 147 Studien [16]) der diagnostische Stellenwert der Ergometrie im Vergleich zu anderen Testverfahren zur Diagnose einer KHK als Ursache von z. B. Brustbeschwerden eine geringere diagnostische Aussagekraft besitzt. So wird in der Nationalen Versorgungsleitlinie (NVL) KHK [15] davon ausgegangen, dass bei einer hohen Vortestwahrscheinlichkeit (>30 %, siehe hierzu beispielhaft Tab. 3) und einem negativen Belastungs-EKG die Nachtestwahrscheinlichkeit (falsch-negative Befunde in der Ergometrie) im Durchschnitt noch immer über 15 % liegt, sodass weitere Tests zum Ausschluss der KHK erforderlich bleiben. Aufgrund der geringen Sensitivität und Spezifität führt jedoch die Ergometrie auch bei Probanden mit nichtanginösen Brustbeschwerden (geringe Vortestwahrscheinlichkeit) zu einer hohen Anzahl falsch-positiver Befunde (Abb. 2) mit entsprechenden weitergehenden Untersuchungen, weshalb der Einsatz der Ergometrie zur singulären Vorsorge als KHK-Ausschluss (in der Arbeitsmedizin) nicht empfohlen werden kann. Der Betriebs- und Arbeitsmediziner sollte beim Verdacht auf eine KHK bei einem Probanden eine weiterführende Diagnostik beim zuständigen Hausarzt oder den entsprechend kardiologisch tätigen niedergelassen Internisten empfehlen. Weiterführende detaillierte Literatur hierzu findet sich bei Klingenheben und Kollegen [27].

Tab. 3 Vortestwahrscheinlichkeit hinsichtlich signifikanter koronarer Herzerkrankung (KHK) bei symptomatischen Patienten in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht. (Nach [17])
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Abb. 2
figure 2

Darstellung der falsch-positiven und falsch-negativen Ergometrieuntersuchungen für Männer (links) und Frauen (rechts) im Alter von 50–59 Jahren mit unklaren Brustbeschwerden (Vortestwahrscheinlichkeit 20 % bzw. 7 % nach [17])

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Ferner ist zu berücksichtigen, dass bei der Einnahme bestimmter Medikamente bereits das Ruhe-EKG eines Probanden verändert ist. So führen Digitalis-Präparate zu muldenförmigen ST-Senkungen bereits im Ruhe-EKG, wodurch die Aussagekraft der Ergometrie beeinträchtigt ist. Betablocker führen bekanntlich zur Verlangsamung des Herzschlags und können eine Ausbelastung des Probanden verhindern.

Vergleich unterschiedlicher Ergometriemethoden

Grundsätzlich beschränkt sich die Ergometrie nicht alleine auf eine fahrradergometrische Belastungsüberprüfung. Verschiedene Belastungsformen lassen sich grundsätzlich nur eingeschränkt miteinander vergleichen, es besteht aber die Möglichkeit, die Sauerstoffaufnahme miteinander in Beziehung zu setzen (Tab. 4). Dies löst jedoch nicht das grundsätzliche Dilemma der eingeschränkten Übertragbarkeit der Ergometrie auf reelle Arbeitsbedingungen (s. unten).

Tab. 4 Vergleich der Sauerstoffaufnahme für unterschiedliche Belastungsformen, als Referenzgröße dient die ansteigende Laufbandbelastung. (Mod. nach [18])
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Übertragbarkeit auf reelle Arbeitsbedingungen

Jede Belastungsuntersuchung prüft die Reaktion des Körpers auf die jeweils getestete Belastung ab. Entsprechend wird mittels der Fahrradergometrie auch die fahrradergometrische körperliche Leistungsfähigkeit des Probanden getestet. Dies führt insbesondere bei Probanden, die viel Fahrrad fahren, zu einer Überschätzung der körperlichen Leistungsfähigkeit. Darüber hinaus gilt es insbesondere, zwischen der absoluten Ergometerleistung in Watt und der relativen Ergometerleistung in Watt pro Kilogramm Körpergewicht zu unterscheiden. Da im Rahmen der Fahrradergometrie der Einfluss des Körpergewichts reduziert wird, erzielen übergewichtige Probanden ein verhältnismäßig besseres Ergebnis [28]. Insgesamt ist die Übertragbarkeit der fahrradergometrischen körperlichen Leistungsfähigkeit auf die tatsächliche körperliche Leistungsfähigkeit am Arbeitsplatz eingeschränkt, was u. a. bei Feuerwehrleuten [19] und beim Vergleich der Fahrradergometrie mit einem militärischen Fitnesstest festgestellt wurde [20]. Bei Probanden, die unter leistungsdiagnostischer Indikation (Eignungsuntersuchung z. B. nach FwDV 7 [Atemschutz] oder 8 [Tauchen]) Schwierigkeiten mit der Fahrradergometrie haben, kann im Einzelfall auf berufsspezifische Ergometrieformen wie die Leiter- oder Flossenergometrie zurückgegriffen werden [3, 4]. Alternativ kann eine Spiroergometrie auf dem Fahrrad durchgeführt werden, wenn die Leistungsanforderungen im Beruf durch Messung der Sauerstoffaufnahme als Surrogatparameter z. B. mittels mobiler Spiroergometrie bestimmt worden sind [21, 22].

Komplikationsrate

Die Komplikationsrate für die Fahrradergometrie wird nach einer schon etwas älteren Publikation mit 18,4 Komplikationen auf 10.000 Untersuchungen angegeben [24]. Hierbei liegt die Rate der lebensbedrohlichen Komplikationen bei 1,5–5,2 pro 10.000 Untersuchungen und die des Todes der Probanden infolge der Durchführung der Ergometrie bei 0,2–0,4 auf 10.000 Untersuchungen [23, 24]. Es gilt jedoch zu berücksichtigen, dass 82 % der Komplikationen bei Patienten älter als 50 Jahre auftraten und 89 % der Komplikationen bei Patienten auftraten, die zugleich eine Herzerkrankung aufwiesen. Die Komplikationsrate bei Sportlern und bei Probanden jünger als 20 Jahre liegt dagegen bei 0 [23, 24].

Fazit für die Praxis

  • Die Fahrradergometrie kann – mit Einschränkungen – die körperliche Leistungsfähigkeit von Probanden ermitteln.

  • Die Übertragbarkeit auf die reellen Arbeitsbedingungen ist jedoch eingeschränkt.

  • Dem gegenüber steht die standardisierte und weit verbreitete Durchführbarkeit dieser Messmethode.

  • Die Fahrradergometrie besitzt bei der Detektion von kardiovaskulären Erkrankungen (insbesondere KHK) nur eine sehr eingeschränkte Aussagekraft.