Energiförbrukning och fysisk aktivitet bland unga elitidrottare en tillämpning av kontinuerlig hjärtfrekvensregistrering

Transkript

1 Energiförbrukning och fysisk aktivitet bland unga elitidrottare en tillämpning av kontinuerlig hjärtfrekvensregistrering Att med noggrannhet mäta fysisk aktivitet och total energiförbrukning utanför laboratoriet och över flera dygn har länge ansetts som komplicerat. Det finns emellertid idag metoder som möjliggör noggranna mätningar av fysisk aktivitet och total energiförbrukning utanför laboratoriet och över flera dygn. Det förefaller därför troligt att vi inom en snar framtid kommer att ha mer och bättre information om energiförbrukning och variationer i energiförbrukning under olika typer av träning bland idrottsmän. Än återstår dock att närmare lära känna dessa metoder. I det följande redovisar vi några resultat från en studie av skridskoåkare, i vilken dessa metoder tillämpats och testats. Ulf Ekelund Agneta Yngve eric poortvliet PrevNut vid Novum, Stockholms läns landsting och Karolinska institutet Många idrottsgrenar är förknippade med en hög energiförbrukning som måste motsvaras av ett lika högt energiintag för att individen ska vara i energibalans. Det anses allmänt att beräkningar av den totala energiförbrukningen från kostregistreringar underskattar den verkliga förbrukningen även om några studier visat på motsatsen. Detta förhållande har bland annat bidragit till att det idag rekommenderas att energiförbrukningen ska bestämmas med andra metoder än kostregistreringar. Alternativt att en kostregistrering kompletteras med någon metod för bestämning av den totala energiförbrukningen och/eller den fysiska aktiviteten (1). De svårigheter som föreligger med att mäta total energiförbrukning och fysisk aktivitet både bland idrottare och i befolkningen i stort bidrar säkert till att kunskapsunderlaget om energibehov och förbrukning bland idrottare, och särskilt unga idrottare, är bristfälligt (2). Av samtliga de metoder som hittills utvecklats för bestämning av fysisk aktivitet eller total energiförbrukning tillhör aktivitetsregistrering med accelerometer och kontinuerlig hjärtfrekvensregistrering två av de mest lovande. Detta om vi bortser från den precisa men komplicerade och dyra metoden med dubbelmärkt vatten. Vi har i tidigare visat att en accelerometer (Computer Science and Application s Inc.) är tillförlitlig för bestämning av total fysisk aktivitet bland barn (3) och unga idrottare under en period med frivillig träning, i huvudsak löpning (4). Metoden med aktivitetsregistrering med hjälp av accelerometer har dock sina begränsningar eftersom den inte tillförlitligt registrerar all typ av fysisk aktivitet. Detta visade sig då vi jämförde resultaten med avseende på total fysisk aktivitet från accelero- 29

2 Bild 1. En av deltagarna i studien före bestämning av syreupptagningsförmågan med portabel spirometri under ett simulerat tävlingslopp. Foto: Ulf Ekelund 30 metern med dubbelmärktvatten metoden under en period som i huvudsak bestod av teknik- och styrketräning. Det visade sig också att energiförbrukningen vid olika specifika aktiviteter som till exempel inlines, cirkelträning, skridskoimitationer på slideboard och styrketräning med vikter, var signifikant lägre då denna beräknades från accelerometerdata i jämförelse med hjärtfrekvensdata (4). Kontinuerlig hjärtfrekvensregistrering har i flera studier visat sig ge resultat som på gruppnivå är jämförbara med dubbelmärktvatten metoden med avseende på total energiförbrukning. En förutsättning för att total energiförbrukning ska kunna beräknas, från hjärtfrekvensregistreringen, är att varje individ individuellt kalibreras för sambandet mellan hjärtfrekvens och energiförbrukning under olika aktiviteter i laboratoriet. Trots en sådan individuell kalibrering är det inte troligt att de aktiviteter som genomförs i laboratoriet till fullo kan efterlikna den dynamik varmed hjärtfrekvens och energiförbrukning varierar i dagliga livet. Vidare förutsätter hjärtfrekvensmetoden att en individuell hjärtfrekvens (ofta kallad HF FLEX) definieras. Denna hjärtfrekvens används sedan, under registreringen, för att särskilja vila från fysisk aktivitet. Det är inte heller troligt att en enskild hjärtfrekvens (HF FLEX) distinkt kan skilja vila från aktivitet under alla de aktiviteter som det dagliga livet utgörs av. Dessa är de två huvudorsaker som bidrar till att metoden inte kan användas för att bestämma energiförbrukning på individnivå. Vidare har den så kallade HF FLEX definierats olika i olika studier och det är möjligt att definitionen av HF FLEX varierar med undersökningsgrupp. Än återstår således en del arbete för att lära känna metoden. Trots detta måste ändå metoden anses som en av de bättre objektiva metoderna för att bestämma fysiskt aktivitetsmönster och total energiförbrukning under flera dygn. Vi har mer ingående använt den kontinuerliga hjärtfrekvensregisteringen, och även testat den. Vi kommer i det följande att redovisa några resultat från en studie av unga skridskoåkare där vi beräknat energiförbrukning och studerat fysiskt aktivitetsmönster med hjälp av kontinuerlig hjärtfrekvensregistering under olika träningsperioder. Under två av dessa perioder jämfördes också resultat från hjärtfrekvensregistreringen med resultat från dubbelmärktvatten metoden.

3 Metod Uppläggning och försökspersoner Under tre olika tillfällen inom loppet av 5 månader genomfördes kontinuerlig hjärtfrekvensregistering under 3-8 dygn på en grupp unga idrottsmän (skridskoåkare). De tre tillfällena valdes för att avspegla olika träningsperioder. Det första tillfället var en period direkt efter avslutad tävlingssäsong (vår). Denna period bestod enbart av frivillig träning, företrädesvis löpning. Det andra tillfället var ett tredagars träningsläger (försommar). Lägret genomfördes som distansträning på cykel. Under de tre dagarna tillryggalades distanser från 130 till 200 km per dag. Vid det tredje tillfället var träningen inriktad på teknik- och styrketräning. Denna träningsperiod inträffade tidsmässigt precis före den första träningen på is (höst). Vid samtliga tre tillfällen föregicks hjärtfrekvensregistreringarna av en individuell kalibrering för sambandet mellan hjärtfrekvens och energiförbrukning. Under den första och tredje perioden bestämdes också total energiförbrukning med dubbelmärktvatten metoden. Undersökningsgruppen bestod av åtta manliga skridskoåkare. Samtliga var vid undersökningstillfället studerande vid idrottsgymnasiet i Eskilstuna. Typen och omfattningen av all träning registrerades i träningsdagbok. Maximal syreupptagningsförmåga Maximal syreupptagningsförmåga bestämdes med indirekt kalorimetri i samband med varje träningsperiod. Bestämningarna genomfördes under ett successivt ökande arbete på ergometercykel till utmattning. Ventilation och gaskoncentrationen i utandningsluften bestämdes med ett portabelt ergospirometer-system (Cosmed K4, Cosmed Srl. Rom). Hjärtfrekvensen registrerades med Polar Vantage NV (Polar Electro OY, Kempele) och laktatkoncentrationen i helblod bestämdes 3 minuter efter avslutat arbete med fotometer (Dr Lange, Göttingen). Samtliga individer uppnådde de i förväg uppställda kriterierna för maximalt arbete. Dubbelmärkt vatten metoden TEE bestämdes med dubbelmärkt vatten metodik under två av träningsperioderna (vår och höst). Metoden har beskrivits översiktligt i en tidigare artikel i detta nummer (6). Kortfattat, efter ett urinprov för att fastställa kroppens bakgrundsinnehåll de bägge stabila isotoperna syre-18 och deuterium ( 2 H) gavs en individuellt uppvägd dos av de bägge isotoperna på kvällen innan undersökningsperiodens början. Denna varade i tio dagar vid de bägge tillfällena (vår och höst) och två urinprov insamlades från dag ett, sex och tio. Urinproven analyserades med avseende på elimineringshastigheten hos isotoperna. Dosering, analysoch beräkningsförfarande genomfördes enligt tidigare beskrivning (7). Individuell kalibrering Beräkning av total energiförbrukning från hjärtfrekvensregistreringen utgår från att samtliga individer genomför en individuell kalibrering för sambandet mellan hjärtfrekvens och energiförbrukning. Energiförbrukningen bestäms med indirekt kalorimetri och hjärtfrekvensen med EKG eller pulsur. Mätningarna genomförs under vila och vid olika aktiviteter med varierande intensitet. Energiförbrukning och hjärtfrekvens mättes i denna studie under följande aktiviteter: liggande, sittande och stående vila samt gång med en hastighet motsvarande 4.5 km. h -1 och 6.5 km. h -1, löpning motsvarande 10 km. h -1 samt ergometercykling motsvarande 120 watt och 180 watt. De passiva aktiviteterna (liggande, sittande och stående) föregicks av ca. 30 minuters liggande vila och genomfördes minst tre timmar efter senaste måltid. Samtliga mätningar pågick i 6 minuter och ett medelvärde för energiförbrukning och hjärtfrekvens beräknades för de tre sista minuterna. HF FLEX definierades som medelvärdet av hjärtfrekvensen under vila (liggande, sittande och stående) och den lägsta hjärtfrekvensen vid fysisk aktivitet (gång). Total energiförbrukning (TEE) beräknades som energiförbrukningen (EE) under sömn vilken likställdes med beräknad basalmetabolism (BMR), energiförbrukningen i vila för varje minut som HF FLEX HF och energiförbrukningen i fysisk aktivitet beräknad från den individuella kalibreringen för varje minut som HF > FLEX HF. TEE = EE under sömn + EE under vila + EE under aktivitet Kroppssammansättning Storleken på den fettfria kroppsvikten respektive mängden kroppsfett beräknades efter bestämning av kroppens totalvatteninnehåll med deuterium ( 2 H) utspädning. Dessa bestämningar genomfördes under den första och tredje perioden. Vid samtliga tre perioder beräknades också fettfri kroppsvikt och fettvikt med hjälp av hudvecksmätning (För ytterligare beskrivning av antropometriska metoder hänvisas till annan artikel i detta nummer). Medel ± SD Min Max Längd (m) 1.79 ± Vikt (kg) 75.7 ± Fettfri vikt (kg)a 66.0 ± Kroppsfett (%) 12.8 ± a beräknad från totalvatteninnehåll Tabell 1. Längd, vikt och kroppssammansättning hos unga skridskoåkare (n = 8) Träningsperiodens huvudsakliga innehåll Frivillig träning Distanscykling Teknik / Styrka > 50% VO2max 39 ± ± ± 23 > 70% VO2max 12 ± ± ± 6 Tabell 2. Fysisk aktivitet hos unga skridskoåkare (n=8) under tre olika träningsperioder (3 8 dygn) uttryckt som antal minuter per dag i två olika intensitetsnivåer 31

4 Vidare beräknades, för varje individ, den hjärtfrekvens som motsvarade 50% respektive 70% av maximal syreupptagningsförmåga. Dessa hjärtfrekvenser användes för att under registreringsperioden bestämma tiden som tillbringas i fysisk aktivitet motsvarande dessa intensitetsnivåer. BMR beräknades från prediktionsformler och fysisk aktivitetsnivå (PAL = physical activity level) beräknades som TEE / BMR. Figur 1. Total energiförbrukning (TEE) beräknad från kontinuerlig hjärtfrekvensregistrering under tre olika träningsperioder hos unga skridskoåkare (n = 8). Medelvärdet för TEE under perioden med distanscykling var signifikant högre jämfört med de två andra perioderna. Statistiska beräkningar En eventuell effekt av träningsperiod (vår, försommar, höst) med avseende på VO 2max, TEE, PAL och tid i fysisk aktivitet motsvarande 50% respektive 70% av VO 2max analyserades med variansanalys. En eventuell effekt av individ, träningsperiod (vår, höst) och metod (DLW, HF) på TEE testades med variansanalys. Post-hoc analyser genomfördes med Tukey test. En statistiskt säkerställd skillnad ansågs föreligga om P < Figur 2. Exempel på en hjärtfrekvensregistrering under en dags distanscykling. Linjen markerar den hjärtfrekvens (HF) som motsvarar 50% av den undersökta individens maximala syreupptagningsförmåga. Figur 3. Total energiförbrukning (TEE) mätt med dubbelmärktvatten (DLW) och kontinuerlig hjärtfrekvensregistrering (HR) vid två olika perioder med varierande träningsinnehåll (n = 8). Det förelåg ingen statistiskt säkerställd skillnad mellan metoderna. Resultat Försökspersonernas fysiska karaktäristik redovisas i Tabell 1. Då det inte förelåg någon skillnad mellan perioderna med avseende på kroppssammansättning redovisas endast data från den första perioden. Den maximala syreupptagningsförmågan uttryckt i relation till kroppsvikten var signifikant högre (P < 0.05) vid det sista mättillfället (67.7 ± 4.1 ml. kg. min -1 ) i jämförelse med det första tillfället (64.0 ± 2.5 ml. kg. min -1 ). Individuella förändringar varierade från 1.6 ml. kg. min 1 till 7.2 ml. kg. min -1. TEE var signifikant högre under tredagarsperioden som innefattade distanscykling i jämförelse med de två övriga perioderna (Figur 1). Under denna period uppgick TEE till 30.8 ± 6.1 MJ.d -1. Skillnaden i TEE var i det närmaste obefintlig mellan perioden som innebar frivillig träning (vår) och teknik/styrketränings perioden (höst). TEE var 17.7 ± 3.6 MJ.d -1 och 17.4 ± 2.6 MJ.d -1 för de två perioderna. Den totala fysiska aktiviteten uttryckt som ett PAL värde var också signifikant högre (3.7 ± 0.6) under distanscyklingen i jämförelse med perioden som innebar frivillig träning (2.1 ± 0.3) och perioden med teknik/ styrketräning (2.1 ± 0.3). Tiden i fysisk aktivitet, i detta fall träning, uttryckt i minuter per dag motsvarande 50% respektive 70% av 32

5 VO2max redovisas i Tabell 2. Den genomsnittliga tiden i aktivitet med en intensitet motsvarande 50% av VO2max var under distanscyklingen 231 ± 71 minuter per dag. Med andra ord, individerna var aktiva med en intensitet motsvarande minst ansträngande i storleksordningen 4 timmar per dag under tre dagar. I Figur 2 redovisas hjärtfrekvensen för en av individerna under en dags distanscykling. Hjärtfrekvensen var > 135 slag per minut (= 50% av VO2max ) under 341 minuter. Det förelåg ingen signifikant periodeller metodeffekt för TEE. Beräknad TEE från hjärtfrekvensregistreringen och uppmätt med dubbelmärktvatten metodik från två av träningsperioderna (vår, höst) redovisas i Figur 3. Individuella beräknade värden från HF-metodiken varierade mellan 9% till 24% i jämförelse med uppmätta värden från dubbelmärktvatten metoden. Diskussion Jämförelse DLW och HF metoderna Vi fann att resultaten avseende TEE beräknade från hjärtfrekvensmetoden överensstämde med de uppmätta referensvärdena från dubbelmärktvatten metoden. Detta förhållande påverkades inte av att de studerade individerna bedrev markant olika typer av träning under de bägge perioderna. Den första perioden med frivillig träning kännetecknades av löpträning och till viss del cykelträning medan den andra perioden inkluderade teknikoch styrketräning. Under perioden med löpträning var all träning kontinuerlig medan teknik- och styrketräningsperioden också innehåll delar av intermittent arbete. Den totala träningstiden var högre under den andra perioden. Trots detta förelåg det inte någon skillnad mellan perioderna med avseende på TEE vilket indikerar att av den totala träningstiden under period två inkluderades också vilotid på grund av det till delar förekommande intermittenta aktiviteterna. Resultaten tyder också på att de kalibreringsaktiviteter (gång, cykling och löpning) som vi använde, och som ligger till grund för beräkningen av energiomsättningen under fysisk aktivitet (> FLEX HF), hade förmåga att på ett liknande sätt avspegla förhållandet mellan hjärtfrekvens och energiförbrukning trots markanta skillnader i träningsformer mellan perioderna. Total energiförbrukning under olika träningsformer Total energiförbrukning var i det närmaste identisk mellan perioden med frivillig träning och försäsongsträningsperioden (styrka, teknik). Värdet för total fysisk aktivitet (PAL) var identiskt mellan perioderna och indikerar en hög grad av fysisk aktivitet. Det kan tyckas att tiden i fysisk aktivitet, motsvarande ca 40 minuter per dag, och med en intensitet som motsvarade 50% av VO 2max inte är speciellt hög för den studerade gruppen. Det bör dock påpekas att detta är ett medelvärde över 8 dagars mätningar vilket också inkluderar ett antal dagar utan träning. Dessa regelbundet tränande ungdomar uppvisade en relativt låg grad av aktivitet under de dagar som inte inkluderade träning. Det förefaller därför som om en relativt hög aktivitet under träningsdagarna kompenserades med en motsvarade låg aktivitet under vilodagarna. Beräknat TEE var avsevärt högre under träningslägret som innebar distanscykling motsvarande 13 till 20 mil under tre dagar i jämförelse med de två övriga perioderna. Den totala energiförbrukningen under dessa tre dygn uppgick i genomsnitt till nästan 31 MJ per dygn, eller motsvarande 7400 kilokalorier. Dessa värden måste betraktas som extremt höga och är troligen inte möjliga att upprätthålla över en längre tidsperiod. Medelvärdet för PAL var 3.7 vilket i det närmaste är jämförbart med de värden som är uppmätta på skidåkare under träningsläger (9). De beräknade värdena förefaller dock inte orimliga med tanke på att nästan 4 timmar per dag tillbringades med en intensitet som motsvarade minst 50% av den maximala aeroba kapaciteten. Detta kan jämföras med PAL värdet och den totala rapporterade träningstiden i studien av skidåkarna som var 4.0 respektive 212 minuter per dag (9). Slutsats Beräkningen av total energiförbrukning från hjärtfrekvensmetoden tycks ge värden som på gruppnivå överensstämmer med de värden som uppmäts med dubbelmärktvatten metodiken. De redovisade resultaten tyder på en relativt liten variation i total energiförbrukning och fysisk aktivitet hos unga skridskoåkare vid en jämförelse mellan en frivillig träningsperiod och en teknik- och styrketräningsperiod. Den totala energiförbrukningen var däremot i storleksordningen 75% högre under ett tredagars träningsläger bestående av distanscykling. Referenser 1. B Torun, PSW Davies, MBE Livingstone, M Paolisso, R Sackett GB Spurr. Energy requirements and dietary energy recommendations for children and adolescents 1 to 18 years old. Euro J Clin Nutr, 50, Suppl. 1:37-81, JL Thompson. Energy balance in young athletes. Int J Sports Nutr, 8: , U Ekelund, M Sjöström, A Yngve, E Poortvliet, A Nilsson, K Froberg, N Wedderkopp, K Westerterp. Physical activity assessed by activity monitor and doubly labeled water in children. Med Sci Sports Exerc, 33: , U Ekelund, A Yngve, M Sjöström, K Westerterp. Field evaluation of the Computer Science and Application s Inc. activity monitor during running and skating training in adolescent atletes. Int J Sports Med, 21: , E Poortvliet, A Hurtig-Wennlöf. Kroppens sammansättning av betydelse för prestation. Svensk Idrottsforskning, nr 2, A Nilsson, A Hurtig-Wennlöf, U Ekelund. Objektiva metoder för bestämning av fysisk aktivitet. Svensk Idrottsforskning, nr K Westerterp, L Wouters, WD van Marken Lichtenbelt. The Maastricht protocol for the measurement of body composition and energy expenditure with labeled water. Obes Res, 3, Suppl. 1:49-57, A Sjödin, A Andersson, J Högberg, K Westerterp. Energy balance in cross-country skiers: a study using doubly labeled water. Med Sci Exerc Sports. 26: ,