Passen Herzfrequenzreserve-Zonen zu echten Stoffwechselschwellen?

Formeln zur Herzfrequenzreserve (Heart Rate Reserve, HRR), die nach der Karvonen-Methode berechnet werden, liefern auf Populationsebene eine grobe Schätzung der metabolischen Belastungsstufen, stimmen jedoch oft nicht exakt mit individuellen ventilatorischen Schwellen und Blutlaktatschwellen überein [2, 17]. Während Gruppenmittelwerte vorhersehbare Muster aufweisen, variieren die individuellen Schwellenherzfrequenzen je nach Fitnesslevel, Geschlecht und Gesundheitszustand erheblich [8, 11, 19]. Das strikte Festhalten an standardmäßigen HRR-Prozentwerten führt bei Athleten und klinischen Populationen häufig dazu, dass in höheren oder niedrigeren Stoffwechselbereichen trainiert wird als beabsichtigt [8, 14, 17].

Das Drei-Bereiche-Modell des Stoffwechsels

Die Ausdauerphysiologie unterteilt die Leistung in drei primäre metabolische Intensitätsbereiche, die durch zwei physiologische Grenzpunkte voneinander getrennt sind [19]:

1. Moderater Bereich: Belastungen unterhalb der ersten ventilatorischen Schwelle (VT1) oder der ersten Laktatschwelle (LT1) [19]. In diesem Bereich bleibt das Blutlaktat nahe dem Ruhewert (häufig definiert als ein Anstieg von weniger als 0,5 mM über dem Ausgangswert), und die Fettoxidation ist erhöht [5, 17].
2. Schwerer Bereich: Belastungen zwischen der ersten metabolischen Schwelle (LT1/VT1) und der zweiten metabolischen Schwelle (LT2/VT2, Critical Power oder Critical Velocity) [19]. Das Blutlaktat steigt über den Ausgangswert an (häufig als Anstieg von $\ge$1,5 mM über dem Ruhewert definiert), stabilisiert sich jedoch bei gleichmäßiger Anstrengung und nähert sich dem maximalen Laktat-Steady-State (MLSS) an [3, 17].
3. Extremer Bereich: Belastungen zwischen der zweiten metabolischen Schwelle und der maximalen Sauerstoffaufnahme ($\dot{V}{\text{O}}_2\text{max}$), die durch einen kontinuierlichen, nicht stabilisierbaren Laktatanstieg und rasche Ermüdung gekennzeichnet sind [3, 19].

Elite-Ausdauersportler absolvieren typischerweise etwa 80 % ihres Trainingsvolumens im moderaten Bereich (Zone 2 und darunter), um den Fettstoffwechsel zu optimieren, die mitochondriale Effizienz aufzubauen und Muskelglykogen zu schonen [5].

Durchschnittliche HRR-Werte vs. individuelle Streuung

Die Karvonen-Formel berechnet die Zielherzfrequenz, indem ein Prozentsatz der Herzfrequenzreserve zur Ruheherzfrequenz addiert wird: $\text{Target HR}={\text{HR}}_{\text{rest}}+\text{intensity fraction}\times ({\text{HR}}_{\text{max}}-{\text{HR}}_{\text{rest}})$ [2]. Die Einbeziehung der Ruheherzfrequenz hilft zwar, den parasympathischen Grundtonus zu berücksichtigen, dennoch weichen standardisierte prozentuale Zonen häufig von direkt gemessenen physiologischen Werten ab [2].

In kontrollierten Radsportstudien zeigen Gruppenmittelwerte eine solide Übereinstimmung zwischen HRR und metabolischen Schwellen. In einer Kohorte von 33 aerob trainierten Radsportlern (mittlere $\dot{V}{\text{O}}_2\text{max}$: 62,1 $\pm$ 4,6 ml·kg⁻¹·min⁻¹) entsprachen die physiologischen Grenzwerte folgenden Durchschnittswerten [3]:

• VT1: 184 $\pm$ 36 W (66 $\pm$ 9 % HRR) [3]
• MLSS (Subgruppe von $n=14$): 256 $\pm$ 31 W [3]
• VT2: 298 $\pm$ 36 W (88 $\pm$ 6 % HRR) [3]
• $\dot{V}{\text{O}}_2\text{max}$: 390 $\pm$ 34 W (100 % HRR) [3]

Basierend auf Stufentests (Rampen von 25 W·min⁻¹) ergaben sich fünf Trainingszonen: R0 (53–62 % HRR), R1 (62–71 % HRR), R2 (74–86 % HRR), R3 (86–99 % HRR) und R3+ (100 % HRR) [3].

Breiter angelegte Metaanalysen zeigen jedoch, dass die individuellen Schwellenpositionen drastisch um diese Mittelwerte streuen [17]. In einer Metaanalyse über 25 Studien mit 412 Läufern umfassten die individuellen Herzfrequenzen an den physiologischen Schwellen enorme Spannweiten [17]:

• LT1-Bereich: 65 % bis 90 % HRR (oder 69 % bis 94 % ${\text{HR}}_{\text{max}}$) [17]
• LT2-Bereich: 73 % bis 95 % HRR (oder 80 % bis 98 % ${\text{HR}}_{\text{max}}$) [17]

Aufgrund dieser Streuung kann eine pauschale Vorgabe wie 75 % HRR einen Läufer sicher unterhalb der LT1 im moderaten Bereich halten, während ein anderer bereits deutlich über der LT1 im schweren Bereich trainiert [17, 19]. Um ohne Labordiagnostik mit 95%iger Sicherheit unterhalb der LT1 zu bleiben, müsste ein Athlet unter 65 % HRR (oder unter 70 % ${\text{HR}}_{\text{max}}$) trainieren [17].

Ursachen für Abweichungen zwischen HR-Formeln und Stoffwechselschwellen

Mehrere Faktoren erklären, warum formelbasierte Modelle der Herzfrequenzreserve nicht verlässlich mit den echten Laktat- und Gaswechsel-Schwellen übereinstimmen:

1. Inhärente Schätzfehler bei ${\text{HR}}_{\text{max}}$

Standardformeln zur altersbasierten Schätzung der maximalen Herzfrequenz weisen Fehlerbereiche von $\pm$10 bis 12 Schlägen pro Minute auf [2]. Bereits 1999 stellten Meyer und Kollegen fest, dass ein Training bei fixen 85 % der ${\text{HR}}_{\text{max}}$ zu individuellen Belastungsintensitäten führte, die zwischen 87 % und 116 % der individuell gemessenen anaeroben Schwellen der Athleten streuten [2].

2. Aerobe Fitness und nicht-lineare Schwellenverschiebungen

Der Zusammenhang zwischen aerober Kapazität und Schwellenlage ist über verschiedene Fitnesslevel hinweg nicht einheitlich [11]. In einer gepoolten Studie mit 863 Teilnehmern zeigte die Sauerstoffaufnahme an der VT relativ zur Sauerstoffaufnahmereserve (VT%$\dot{V}{\text{O}}_2\text{R}$) einen U-förmigen Verlauf [11]. Der Tiefpunkt lag bei etwa 43 % $\dot{V}{\text{O}}_2\text{R}$ bei Personen mit einer $\dot{V}{\text{O}}_2\text{peak}$ um 40 ml·kg⁻¹·min⁻¹, während die durchschnittliche VT%$\dot{V}{\text{O}}_2\text{R}$ bei Teilnehmern mit den niedrigsten und höchsten $\dot{V}{\text{O}}_2\text{peak}$-Werten auf etwa 75 % anstieg [11].

3. Geschlechterunterschiede

Feste Zielschwellen verhalten sich bei Männern und Frauen nicht identisch [19]. In einer Kohorte von 165 Freizeitläufern wiesen Läuferinnen an der LT1 signifikant höhere relative Herzfrequenzen, $\dot{V}{\text{O}}_2$ und Laufgeschwindigkeiten auf als Läufer ($p<0,001$). Dies unterstreicht, dass einheitliche Herzfrequenzvorgaben die metabolische Belastung zwischen den Geschlechtern ungenau widerspiegeln [19].

4. Klinische Populationen und chronotrope Inkompetenz

Die Diskrepanz zwischen festen Herzfrequenzrichtlinien und physiologischen Schwellen ist bei klinischen Kohorten besonders ausgeprägt [8, 14]. In einer Studie an 350 Probanden klassifizierten standardmäßige richtlinienbasierte Intensitätsbereiche die VT1 bei 67,1 % (frühere Richtlinien) bzw. 79,6 % (ESC-Richtlinien 2020) der Herzpatienten fälschlicherweise als hohe statt als moderate Intensität ein; bei gesunden Inaktiven lag die Trefferquote dagegen bei 90 % und bei Leistungssportlern bei 93,9 % [8].

In ähnlicher Weise lagen bei 18 Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz die aus 40–70 % HRR abgeleiteten Zielherzfrequenzen signifikant über den gemessenen Schwellenwerten. Dies birgt das Risiko, ein Training im schweren oder extremen Bereich oberhalb der ventilatorischen Schwelle oder des respiratorischen Kompensationspunkts zu verordnen [14]. Die gemessene ${\text{HR}}_{\text{max}}$ lag bei diesen Patienten um 12 % unter den altersvorhergesagten Werten – selbst nach Anwendung standardmäßiger Beta-Blocker-Korrekturen [14].

Praktische Alternativen und Orientierungspunkte

Wenn keine direkte Spiroergometrie (zur Bestimmung von VT1/VT2) oder Laktatdiagnostik verfügbar ist, bieten verschiedene Alternativen eine verlässliche Annäherung an die physiologischen Übergänge:

• Subjektives Belastungsempfinden (RPE): Über unterschiedlichste Fitnesslevel hinweg – von Untrainierten bis hin zu Spitzenathleten – liegt die VT trotz stark abweichender absoluter Watt- oder Geschwindigkeitswerte konstant bei einem mittleren Borg-RPE-Wert von 12,5 $\pm$ 0,93 [11].
• Herzfrequenzvariabilität (HRV): Die nicht-lineare HRV-Analyse mittels Detrended Fluctuation Analysis (DFA $\alpha 1$) erfasst Veränderungen der fraktalen Korrelationseigenschaften, die von etwa 1,5 bei niedriger Belastung auf etwa 0,75 im Bereich von VT1/LT1 absinken [22, 23]. Bei Elite-Triathleten und männlichen Läuferkohorten zeigte der Schwellenwert von DFA $\alpha 1=0,75$ eine sehr hohe Übereinstimmung mit LT1 und VT1 mit mittleren Differenzen von nur 1,7 bis 2,0 Schlägen pro Minute [22, 23].
• Leistungsbasierte Ankerpunkte: Bei Freizeitläufern liefern Schätzungen anhand fester Geschwindigkeiten geringere Fehlerquoten zur Bestimmung von LT1 und LT2 als die reine Herzfrequenz oder das Belastungsempfinden – allerdings erhöht das bloße Schätzen statt des direkten Messens der Maximalgeschwindigkeit die Schwellenungenauigkeit [19].