Determination of peak oxygen uptake, the anaerobic threshold and efficiency in Paralympic sitting sports - With emphasis on the influence of test mode and protocol

Abstract

SUMMARY Endurance exercise performance is mainly determined by peak oxygen uptake (VO2peak), percentage of VO2peak used at the anaerobic threshold and efficiency. Furthermore, a high VO2peak increases tolerance for higher training volumes and reduces recovery times between training sessions. However, there is lack of knowledge on how to assess endurance exercise performance in sport-specific modes in athletes with disabilities competing in different Paralympic sitting sports disciplines. For sitting Para cross-country skiers, Para biathletes and Para ice hockey players, the upper-body poling mode (UBP) may be the most sport-specific. Therefore, the main aim of the studies conducted in the course of this PhD was to determine VO2peak, the anaerobic threshold and efficiency in Paralympic sitting sports, with emphasis on the influence of test mode and protocol on these factors. Initially, a systematic literature review (Paper I) was conducted, including a metaanalysis to investigate differences in VO2peak between Paralympic sitting sports and a pooleddata analysis to investigate the effect of age, sex, body-mass, disability and test mode on VO2peak. Thereafter, three experimental studies (Paper II - IV) were conducted using the UBP mode. In the three experimental studies, VO2peak and efficiency were compared between the UBP and the arm crank ergometry (ACE) mode (Paper II), the test-retest reliability of physiological parameters was investigated in the UBP mode (Paper III), and aerobic and anaerobic thresholds were investigated in the UBP mode (Paper IV). The main findings were that differences in VO2peak values between Paralympic sitting sports were fairly well reflected by the sport-specific demands and therefore, highest in sports with continuously high physical efforts such as Para cross-country sit skiing. In wheelchair athletes, being a man, not being tetraplegic or having an amputation compared to being paraplegic and testing in the wheelchair ergometry or wheelchair treadmill mode compared to the ACE mode was favourable for high VO2peak (Paper I). VO2peak did not differ between restricted UBP and restricted ACE, whereas VO2peak was lower in the paraplegic participants compared to the able-bodied cross-country skiers. Furthermore, exercise efficiency was lower in restricted UBP compared to restricted ACE (Paper II). In the UBP mode, the relative testretest reliability of VO2peak during a 1-min, a 3-min and an incremental upper-body poling test was high in able-bodied cross-country skiers. However, VO2peak was significantly higher during a 3-min closed-end and an open-end incremental test compared to a 1-min closed-end test (Paper III). When testing Para ice hockey players in the UBP mode, the physiological outcome parameters identified at the ventilatory threshold were significantly higher than the ones identified with fixed methods at the first lactate threshold, even though both are used to determine the aerobic threshold. In comparison, the outcome parameters at the respiratory compensation threshold and the second lactate threshold, which both determine the anaerobic threshold, and the ones identified at the ventilatory threshold were closely located. Furthermore, continuous linear and curvilinear (i.e. no-breakpoint) models fitted the gas exchange data of most Para ice hockey players during UBP better than breakpoint models (Paper IV). Overall, the findings of the studies conducted during this PhD show that participating in endurance sports with continuously high movement demands, being a man, not being tetraplegic or having an amputation, as well as testing in a wheelchair treadmill or wheelchair ergometer mode are favourable for high absolute and body-mass VO2peak values. Movement differences between UBP and ACE do not seem to have an impact on VO2peak when the upperbody is restricted, but the discontinuous power production in UBP leads to lower efficiency. Compared to able-bodied participants, spinal-cord injury related limitations negatively impact on VO2peak but not on efficiency in paraplegic participants. In UBP, both the 3-min and an incremental test are reliable VO2peak tests. Furthermore, the ventilatory threshold and first lactate threshold cannot be used interchangeably to identify the aerobic threshold. The close location of the ventilatory threshold, the respiratory compensation threshold and the second lactate threshold does not allow us to distinguish the aerobic and anaerobic threshold, indicating the presence of only one threshold in athletes with a disability exercising in UBP. In addition, it is questionable if clear breakpoints exist in the gas exchange data of athletes with a disability during UBP.

SAMMENDRAG En utholdenhetsprestasjon avhenger i hovedsak av et høyt peak oksygen opptak (VO2peak), prosentandelen av VO2peak ved anaerob terskel og arbeidsøkonomi. I tillegg vil en høy VO2peak øke toleransen for store treningsmengder samt redusere restitusjonstid i mellom treningsøkter. Derimot er kunnskapen om hvordan man tester idretts-spesifikk utholdenhet hos utøvere med ulike typer funksjonsnedsettelser og idretter begrenset. For sittende langrennsløpere, sittende skiskyttere og Para hockey spillere er overkroppsstaking trolig den mest idretts-spesifikke test-modaliteten. Hovedmålsettingene med studiene som har blitt gjennomført i denne doktorgraden har derfor vært å undersøke VO2peak, prosentandelen av VO2peak ved anaerob terskel, og arbeidsøkonomi i Paralympiske sittende idretter, med fokus på å forstå test-modalitetens og testprotokollens innvirkning på disse faktorene. En systematisk litteraturgjennomgang og Meta-analyse for å undersøke om det er forskjeller i VO2peak mellom ulike sittende Paralympiske idretter ble gjennomført. I tillegg, ble en Meta-regresjon benyttet for å se på effekt av alder, kjønn, kroppsvekt, funksjonsnedsettelse og test-modalitet på VO2peak (Paper I). Deretter ble tre eksperimentelle studier med bruk av overkroppsstaking som test-modalitet gjennomført: 1) VO2peak og arbeidsøkonomi under overkroppsstaking og håndsykling ble sammenlignet, 2) reliabilitet av fysiologiske variabler under overkroppsstaking ble undersøkt, og 3) ulike mål for aerob og anaerob terskel under overkroppsstaking ble sammenlignet (Paper II - IV). Hovedfunnene var at VO2peak i de forskjellige sittende Paralympiske idrettene gjenspeiler de idretts-spesifikke kravene og er derfor høyest i idretter med høye bevegelseskrav, som i langrennspigging. I idretter der utøvere konkurrerer i rullestol, er det å være mann, ikke tetraplegiker eller å ha en amputasjon istedenfor paraplegi, og å teste på en rullestol-ergometer eller på en rullestol-tredemølle sammenlignet med å teste på en håndsykkel, gunstig for en høy VO2peak (Paper I). VO2peak var ikke forskjellig mellom overkroppsstaking og håndsykling, mens VO2peak var lavere hos paraplegikere sammenlignet med funksjonsfriske langrennsløpere. Videre var arbeidsøkonomien dårligere under overkroppsstaking sammenlignet med håndsykling (Paper II). Under overkroppsstaking hos funksjonsfriske langrenns løpere er test-retest reliabiliteten for VO2peak ved en 1-min, 3-min og en inkrementell test høy. Derimot var VO2peak under den 3-min og inkrementelle testen signifikant høyere sammenlignet med 1-min testen (Paper III). Når Para hockey spillere ble testet under overkroppsstaking, var prosentdelen av VO2peak betydelig høyere på den ventilatoriske terskelen sammenlignet med den første laktat-terskelen. Videre var prosentandel av VO2peak på respiratorisk kompensasjons terskel og på andre laktatterskel relativt lik den på ventilatorisk terskel (Paper IV). Kort oppsummert, viser hovedfunnene av studiene gjennomført i denne doktorgraden at det er gunstig for en høy VO2peak å konkurrere i idretter med høye kontinuerlige bevegelseskrav, samt å være mann, ikke å være tetraplegiker eller å ha en amputasjon, og å teste på rullestol-ergometer eller rullestol-tredemølle. Ulikheter i bevegelsen mellom overkroppsstaking og håndsykling resulterte ikke i forskjeller i VO2peak, mens fysiologiske begrensninger knyttet til en paraplegi fører til en lavere VO2peak sammenlignet med verdiene vi finner hos funksjonsfriske langrennsutøverne. I tillegg var arbeidsøkomien dårligere i overkroppsstaking enn håndsykling, noe som ikke var forskjellig mellom paraplegikere og funksjonsfriske langrennsutøvere. Under overkroppsstaking er VO2peak reliabel både i en 3-min og en inkrementell test. I tillegg kan ventilatorisk terskel og første laktatterskel ikke bli brukt om hverandre for å identifisere aerob terskel. Ventilatorisk terskel, respiratorisk kompensasjons terskel og andre laktatterskel er veldig lik, noe som kan indikere at én og ikke to terskler eksisterer i utøvere med en funksjonsnedsettelse når de blir testet i en overkroppsmodalitet.