Effects of two endurance training protocols (High ­Intensity Interval Training = HIIT versus Polarized Training = POL) on endurance capacity, heart rate at rest and heart rate variability (HRV) in young sport students

Auswirkungen zweier Ausdauertrainingsprotokolle (High Intensity Interval Training = HIIT versus Polarized Training = POL)
auf die Ausdauerleistungsfähigkeit, die Ruheherz­frequenz und die Herz­frequenz­­variabilität (HRV) bei jugendlichen Freizeit­sportlern

Bossmann Thomas, Forstner Rea, Oesterle Paul, Beck Paul, Köhnlein Julia
Johannes-Kepler-Gymnasium, Weil der Stadt, Germany

Summary

The goal of the present study was the analysis of the effects of two endurance training interventions (HIIT versus POL) over a period of 5 weeks on 16/17 year old sport major students. The study was integrated in regular P.E. lessons.
In addition to the training load, daily changes of easily measurable cardiologic parameters were monitored in order to assess their validity in predicting endurance performance.
The students conducted 12 training sessions in two groups. With pre- and post-tests the endurance capacity was determined via Luc Léger’s shuttle run test.
Heart rate parameters were measured within a time period of one week prior to and after the intervention.
Running performance improved in the HIIT group significantly by 6.5% (p < 0.05), but remained constant in the POL group (+2,4%).
Those students who improved their endurance performance by at least 5% simultaneously had a significantly (p < 0.05) increased HRV (rMSSD +11%). Participants who could not improve their persormance by 5% showed a significantly (p < 0.05) decreased HRV (rMSSD –8%).
The HIIT group improved their endurance capacity with only 47% of training time compared to the POL group.
HRV was, in contrast to resting heart rate, a valid predictor of endurance capacity.

Zusammenfassung

Ziel der vorliegenden Studie war die Analyse der Effekte zweier Ausdauertrainingsinterventionen (HIIT versus POL) über einen Zeitraum von 5 Wochen im Rahmen des Sport­unterrichts eines Sport-Leistungskurses mit 16-jährigen Schülerinnen und Schülern. Zudem sollten die Veränderungen täglich messbarer kardiologischer Parameter vor dem Hintergrund zu erwartender Leistungsverbesserungen untersucht werden.
Die Schüler/innen absolvierten in zwei Gruppen je 12 Trainingseinheiten. In Pre- und Posttests wurden die Leistungsparameter mittels Pendellauf-Test nach Luc Léger ermittelt. In einwöchigen Messphasen vor und nach der Intervention wurden täglich Ruhe-Herzfrequenz sowie Herzfrequenzvariabilität aufgezeichnet.
Die Laufleistung verbesserte sich bei der HIIT-Gruppe signifikant um 6,5% (p < 0.05) und erreichte bei der POL- Gruppe kein signifikantes Niveau (+2,4%).
Teilnehmer/innen, die eine Leistungssteigerung von mindestens 5% erzielten, wiesen eine signifikant (p < 0.05) um 11% erhöhte Herzfrequenzvariabilität auf, bei Teilnehmer/innen, die keine 5%igen Verbesserungen erreichten, erniedrigte sich die Herzfrequenzvariabilität signifikant (p < 0.05) um 8%.
Die HIIT-Gruppe erzielt mit einer Belastungszeit von lediglich 47% im Gegensatz zur POL-Gruppe eine signifikante Leistungssteigerung.
Die Herzfrequenzvariabilität konnte im Gegensatz zur Ruhe-Herzfrequenz den Trainingsstatus adäquat abbilden.

Einleitung

Trainingsmethoden

In den letzten Jahren ist das (hoch)intensive Intervalltraining (HIIT) verstärkt in den Fokus von Forschungsprojekten gerückt. HIIT-Protokolle zeichnen sich durch eine möglichst hohe Belastungsintensität (> 95% der maximalen Herzfrequenz) über Belastungsintervalle von 15 Sekunden bis 4 Minuten aus [1,2]. Sie eignen sich daher insbesondere für Settings, in denen wenig Bewegungszeit zur Verfügung steht bzw. das Ausdauertraining mit anderen Trainingselementen verknüpft wird – wie es beispielsweise im Schulsport der Fall ist. Ausdauertraining stellt die konditionelle Basiskomponente in vielen Sportarten dar und bietet ein enormes Potenzial für einen kompetenz- und leistungsorientierten Einsatz im Sportunterricht. Leider werden in diesem Setting methodisch-didaktisch innovative Trainingsszenarien aus Zeit- und Platzgründen häufig vernachlässigt. Eine evidenzbasierte Überprüfung von HIIT-Methoden scheint gerade in Bezug auf den Schulsport angezeigt.
Trotz des im Vergleich zum moderat intensiven volumen­orientierten Training (VOT) deutlich geringeren Belastungsumfangs konnten in Vergleichsstudien bisher häufig ähnliche oder sogar bessere Trainingseffekte bei Kindern und Jugendlichen, aber auch bei älteren Personen und Ausdauersportlern erzielt werden [1–3]. In Spielsportarten wird daher mehr und mehr auf volumenorientierte Ausdauereinheiten zugunsten von motivierenden, spielnahen und hochintensiven Trainingsformen verzichtet.
In der leistungssportlichen Trainingspraxis werden häufig beide Trainingsmethoden miteinander kombiniert. Stöggl und Sperlich [2] definieren Trainingsmodelle, die Anteile von VOT und HIIT in einem Verhältnis von 80:20 miteinander kombinieren als POLARIZED Training (POL). In einer Studie (ebd.) konnten sie die Überlegenheit von POL gegenüber VOT und HIIT nachweisen, wählten dabei jedoch Trainingsprotokolle, die sich in vielen Variablen unterschieden und so eine Vergleichbarkeit der Gesamtbelastungsumfänge nicht gewährleisten konnten.
Ziel der vorliegenden Studie sollte es daher sein, zwei in Bezug auf die gewählte Gesamtbeanspruchung ähnlich gestaltete Trainingsprotokolle (HIIT versus POL) auf deren Wirksamkeit im Schulsportsetting zu überprüfen und miteinander zu vergleichen. Die zweite Ausrichtung der vorliegenden Untersuchung zielte auf die Analyse einfach messbarer und valider Parameter, die eine Verbesserung des aktuellen Leistungszustandes von Sportlern anzeigen können. Als geeignete Parameter gelten vor allem die Zeitbereichsparameter der Herzfrequenzvariabilität sowie die Ruheherzfrequenz [4].

Methoden

Teilnehmer

An der Studie nahmen 16 Schüler/innen (11 Mädchen und 5 Jungen) eines Sport-Leistungskurses des Johannes-Kepler-Gymnasiums in Weil der Stadt teil. Diese waren zum Untersuchungszeitpunkt zwischen 16 und 17 Jahre alt.

Experimenteller Aufbau

Die Studie begann mit einer einwöchigen Normwertbestimmung der Herzfrequenzvariabilität (rMSSD) und Ruheherzfrequenz. Der Trainingsintervention wurde ein Leistungstest (Pendellauf nach Luc Léger) vor- und nachgeschaltet. Eine zweite Phase der Normwertbestimmung schloss die Studie ab.

Normwertbestimmung

Die Messungen wurden unter identischen Bedingungen morgens nach dem Aufstehen durchgeführt. Aus Gründen der Praktikabilität und Durchführbarkeit wurden zweiminütige Messintervalle ausgewählt [5].
Nach Abschluss der Trainingsintervention wurde eine zweite Messphase auf identische Weise durchgeführt.

Leistungstests (Pre- und Post-Test)

Es wurde eine Laufstrecke von 20 Metern markiert, zwischen denen die Probanden hin und her laufen mussten. Dabei musste ein über Signaltöne vorgegebenes, sich steigerndes Tempo durchgehalten werden. Der Test begann mit einer Laufgeschwindigkeit von 8 km/h. Pro Minute wurde die Geschwindigkeit um 0,5 km/h erhöht. Diese Erhöhung wurde durch eine Verkürzung der Intervalle zwischen den Tonsignalen angezeigt.

Trainingsintervention

Die Teilnehmer absolvierten jeweils 12 Trainingseinheiten innerhalb eines Zeitfensters von 5 Wochen (2–3 Einheiten pro Woche). Sämtliche Teilnehmer konnten das Trainingsprogramm erfolgreich und verletzungsfrei beenden.

Folgende Trainingsprotokolle wurden den Trainingsgruppen zugeordnet:

Messinstrumente

Für die Messungen des rMSSD und der Ruheherzfrequenz wurden der Polar wearlink H7, welcher eine Datenübertragung per Bluetooth ermöglicht, sowie die Applikation elitehrv verwendet.

Resultate

Die Trainingsgruppe POL erreichte einen Leistungszuwachs von 2,4 %, der jedoch nicht signifikant ausfiel, t(7) = -1.0, p = 0.176, während die Trainingsgruppe HIIT einen signifikanten Leistungszuwachs von 6,5% erzielte, t(7) = -2.39, p = 0.024.

Bei denjenigen Probanden, welche eine mindestens 5%-ige Leistungssteigerung erzielen konnten (n=10), erhöhte sich der rMSSD-Wert in der an die Trainingsintervention anschliessenden zweiten Messphase im Mittel um 11%. Die Veränderungen waren signifikant, t(9) = -3.779, p = 0.002. Bei jenen Sportlern ohne Leistungsminderungen trat eine signifikante Verminderung des rMSSD-Wertes auf, t(4) = 3.063, p = 0.019.

Die Ruheherzfrequenz der gleichen Probanden zeigte sich allerdings im Mittel nach der Intervention sowohl bei den Teilnehmern mit, als auch bei denjenigen ohne Leistungssteigerungen unverändert.

Diskussion

Das Ziel der vorliegenden Studie war es, im Rahmen einer fünfwöchigen Trainingsintervention im Schulsport die Effekte von POLARIZED und HIIT-Training auf die Ausdauerleistungsfähigkeit jugendlicher Sportler/innen zu überprüfen. Zudem sollten die Veränderungen der Herzfrequenz und Herzfrequenzvariabilität bei denjenigen Teilnehmern mit mindestens 5%-igen Leistungssteigerungen analysiert werden, um zu überprüfen, ob diese einfach messbaren kardiologischen Parameter Leistungsanpassungen anzeigen können und somit für die Trainingssteuerung nutzbar sind.

Die wesentlichen Befunde lauten:

• Die Ausdauerleistungsfähigkeit der HIIT-Gruppe verbesserte sich vom Eingangs- zum Ausgangstest signifikant um 6,5%, bei einer um 53% geringeren Trainingszeit im Vergleich zur POL-Gruppe.
• Die Ausdauerleistungsfähigkeit der POL-Gruppe verbesserte sich lediglich um 2,4%, ohne dass die Veränderungen ein signifikantes Niveau erreichten.
• Die Ruheherzfrequenz zeigte sich im Mittel sowohl bei denjenigen TN mit Leistungssteigerungen von > 5%, als auch bei denjenigen TN mit Leistungsstagnationen (Verbesserung < 5%) konstant.
• Der rMSSD-Wert erhöhte sich im Mittel bei denjenigen Probanden mit mindestens 5%-igen Leistungssteigerungen signifikant um 11%.
• Der rMSSD-Wert verminderte sich im Mittel bei denjenigen Probanden mit Leistungsstagnationen (Verbesserung < 5%) signifikant um 8%.

Die Verbesserungen der Laufleistung der HIIT-Gruppe beim Pendellauf nach Luc Leger (+ 6,5%) bewegen sich im Rahmen der bisher dokumentierten mittleren Verbesserungen der Laufleistung in vergleichbaren Studien mit Kindern und Jugendlichen [1,6,7].
Viele der bisherigen Studien konnten eine Überlegenheit von HIIT-Protokollen im Vergleich zu volumenorientiertem Training dokumentieren [3]. Auch unsere Ergebnisse legen nahe, dass kurze, aber hochintensive Belastungsintervalle ähnliche oder höhere Leistungszuwächse induzieren können als ein nach der Dauermethode durchgeführtes Training.
Die von Stöggl und Sperlich [2] dokumentierte Überlegenheit eines POL-Trainings konnte in der vorliegenden Studie nicht bestätigt werden. Im Gegenteil zeigte sich vielmehr ein deutlich höherer Effekt des HIIT-Programms, obgleich dieses eine um mehr als 50% niedrigere Belastungszeit umfasste.
In Anbetracht der geringen Netto-Bewegungszeit im Sportunterricht von nur ca. 20–49% der zur Verfügung stehenden gesamten Unterrichtszeit [8] sowie häufig lediglich geringer bis moderater Belastungsintensitäten [9], zeigten sich die verwendeten HIIT-Protokolle als hocheffizient, alters­gerecht, motivierend sowie flexibel und einfach im Setting Schule einsetzbar. Die vorliegenden Befunde dokumentieren, dass durch HIIT-Intervalle trotz geringer Belas­tungs­umfänge signifikante Leistungssteigerungen erzielt werden können. Ein umfangreicherer Einsatz, z.B. im Bereich des Schulsports, scheint daher angezeigt.
Die vorliegenden Daten legen aus trainingswissenschaftlicher Sicht die Vermutung nahe, dass ein POL-Training weniger effizient ist, vor allem dann, wenn der Anteil an kurzfristig hochintensiven Inhalten zu gering bzw. das Training durch weitere Einheiten ergänzt wird, die umfangreiche und/oder moderat bis niedrig-intensive Anteile beinhalten.
Die zweite Ausrichtung der vorliegenden Studie zeigte, dass die Ruheherzfrequenz nicht geeignet ist, um signifikante Leistungssteigerungen anzuzeigen. Es müssten vermutlich deutlichere Leistungsanpassungen erreicht werden, um hier Veränderungen hervorzurufen.
Die Veränderungen der Herzfrequenzvariabilität bestätigten dagegen das Potenzial, Leistungsveränderungen deutlich sensibler und damit frühzeitiger anzeigen zu können. Dies könnte sich gerade bei engmaschig und regelmässig durchgeführten Messungen über 1–2 Minuten als nützlich erweisen, um Leistungstests zu ersetzen und Überbelastungen, respektive (motivationsfördernde) Leistungsverbesserungen und eine gute Trainingsverträglichkeit und Regenerationsfähigkeit, anzuzeigen. Bereits Kiviniemi et al. [10] konnten diesen Parameter erfolgreich in der Trainingssteuerung einsetzen.
Die Veränderungen des rMSSD waren sowohl bei der Gruppe mit Leistungssteigerungen (> 5%) als auch bei der Gruppe mit Leistungsstagnationen (< 5%) signifikant. Eine erhöhte Herzfrequenzvariabilität konnte bereits nach 5-wöchiger Trainingsintervention zuverlässig eine gesteigerte Ausdauerleistungsfähigkeit anzeigen. Es erscheint ebenso möglich, dass der Parameter bei auftretenden Überbelastungen frühzeitig erniedrigt ist, sodass Trainingsinhalte rechtzeitig angepasst werden können.
Die bisher zu diesem Parameter vorliegenden widersprüchlichen Untersuchungsergebnisse [11] könnten auf methodischen Unterschieden oder auch Fehlinterpretationen der Daten [5] beruhen. Für zukünftige Studiendesigns zu empfehlen sind daher kurzzeitige Messungen von 1–5 Minuten einfach zu interpretierender Zeitbereichsparameter (z.B. rMSSD) unter identischen Messbedingungen.
Offen bleibt, ob Veränderungen der Herzfrequenzvariabilität Steigerungen der maximalen Sauerstoffaufnahmefähigkeit bereits früher anzeigen können als nach 5-wöchigen Trainingsprogrammen. Bisherige Studien konnten kurzfristigere Anpassungen aufgrund von Überbelastungen jedenfalls bestätigen, sodass die Herzfrequenzvariabilität ein vielversprechender Parameter in der Trainingssteuerung zu sein scheint. Weitere Untersuchungen in diesem Bereich sind wünschenswert.

Korrespondenzadresse

Dr. Thomas Bossmann
Kaindlstrasse 32
D-70569 Stuttgart
tbossmann@gmx.de

Literaturverzeichnis

1. Engel, F.A., Wagner, M., Roth, A., Scharenberg, S., Bossmann, T., Woll, A., Sperlich, B. Hochintensives Intervalltraining im Sportunterricht. German Journal of Exercise and Sport Research 2018; 48(1):120–8. Verfügbar unter: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs12662-018-0492-5.
2. Stöggl T, Sperlich B. Polarized training has greater impact on key endurance variables than threshold, high intensity, or high volume training. Front Physiol 2014; 5:33. doi: 10.3389/fphys.2014.00033.
3. Wahl, P., Hägele, M., Zinner, C., Bloch, W., Mester, J. High Intensity Training (HIT) für die Verbesserung der Ausdauerleistungsfähigkeit von Normalpersonen und im Präventions- & Rehabilitationsbereich. Wien Medizinische Wochenschrift 2010; 160(23-24):627–36.
4. Meyer TF, Ferrauti A, Kellmann M, Pfeiffer M. Regenerationsmanagement im Spitzensport: REGman – Ergebnisse und Handlungsempfehlungen; 2016.
5. Buchheit M. Monitoring training status with HR measures: do all roads lead to Rome? Front Physiol 2014; 5:73. doi: 10.3389/fphys.2014.00073.
6. Baquet G, Berthoin S, Dupont G, Blondel N, Fabre C, van Praagh E. Effects of high intensity intermittent training on peak VO(2) in prepubertal children. Int J Sports Med 2002; 23(6):439–44. doi: 10.1055/s-2002-33742.
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8. Kühnis J, Eckert N, Mandel D, Imholz P, Egli S, Steffan M, Arquint L, Schürpf B. Zeitnutzung und Anstrengung im Sportunterricht: Befunde einer Querschnittsstudie auf der Primarstufe im Kanton Schwyz. Swiss Sports & Exercise Medicine, 65 (3), 54–59, 2017 2017; 65(3):54–9.
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