Psychological correlates of performance, injury and illness in Two Oceans Ultramarathon athletes

Includes bibliographical references.Background: It is well accepted that psychological factors play an important role in athletic performance, illness and injury. Yet, few studies have investigated the effects of psychological factors on performance, illness and injury in endurance athletes. While general psychological traits of athletes and the non-athletic population has been described in the past, the specific relationship between psychological factors and their effects on performance in ultra-marathon athletes has not been fully described. Further, unlike their influence in the general population, the influence these psychological factors may have on the onset of injury and illnesses in an athletics population is not as well known. The availability of psychometric instruments that have shown potential when applied specifically to athletic population is promising for application in this area of research. Objective: The aim of this study was to describe the relationship between the psychological factors (personality traits, resilience and general psychological distress scores) and athletic performance and susceptibility to injuries and illnesses prior to the race in a cohort of ultra-marathon runners participating in the 2009 Two Oceans 56 km road ultra-marathon

Prediction and structure of triathlon performance in recreational and elite triathletes

Die Sportart Triathlon kombiniert die drei Ausdauersportarten Schwimmen, Radfahren und Laufen, die nacheinander ohne Pause ausgeführt werden und in eine Gesamtwettkampfzeit münden. Die Olympische Distanz über 1.5 km Schwimmen, 40 km Radfahren und 10 km Laufen stellt die am meisten verbreitete Wettkampfdistanz dar, sowohl im Amateur- als auch im Profi-Bereich. Als Ausdauer determinierte Sportart erfordert Triathlon, wie auch die drei Einzeldisziplinen, spezifische physiologische Anforderungen. Zahlreiche weitere Bereiche wie die Anthropometrie der Athletinnen und Athleten, psychologische Voraussetzungen und vieles mehr können ebenfalls leistungsdeterminierend sein. Es ist davon auszugehen, dass selbst die einzelnen Streckenlängen im Triathlon – neben der Olympischen Distanz existieren noch die kürzere Sprint- sowie die längere Halb- und Langdistanz – jeweils spezifische Charakteristika mit sich bringen, die durch eine angepasste Vorbereitung und Trainingsgestaltung vorbereitet werden können. Die Bestimmung solch leistungsrelevanter Parameter einer Sportart oder einer sportlichen Leistung werden im Bereich der Trainingswissenschaft als Struktur der sportlichen Leistung zusammengefasst und bilden die Grundlage für wissenschaftlich fundierte Aussagen zur Trainingsgestaltung, Talentauswahl und vielem mehr. Eng damit verbunden ist die Prognose sportlicher Leistung, die auf Basis der identifizierten Parameter und deren Quantifizierung mittels einer aktuellen leistungsdiagnostischen Untersuchung eine Prognose der tatsächlichen Wettkampfleistung bspw. in Form einer Gesamtwettkampfzeit ermöglichen kann. Die Verknüpfung dieser beiden Aspekte – die Prognose und die Struktur der sportlichen Leistung in der Sportart Triathlon – bilden den Kern der vorliegenden Dissertation, wobei sowohl Amateur- als auch Profi-Sportler in den Fokus genommen wurden. Die Dissertation umfasst acht Kapitel. Nach einem kurzen Vorwort und einer allgemeinen Einführung in die Thematik (Kapitel 1) liefert Kapitel 2 den theoretischen und methodischen Hintergrund. Insbesondere werden die Besonderheiten, Rahmenbedingungen und Voraussetzungen der Sportart Triathlon, der aktuelle Forschungsstand in den Bereichen der Prognose und Struktur sportlicher Leistung sowie die in dieser Thesis verwendeten methodischen Ansätze näher beleuchtet. Da der Einsatz unterschiedlicher Methoden ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit darstellt wird deren Einsatz in den drei Studien (Kapitel 4 bis 6) ausführlicher vorbereitet: die explorative Faktorenanalyse und der Dominanz-Paar-Vergleich als Verfahren zur Vorselektion leistungsrelevanter Parameter, die multiple lineare Regression und künstliche neuronale Netze zur Prognose der individuellen Gesamtwettkampfzeit sowie die Strukturgleichungsanalyse als Verfahren zur Berechnung eines Strukturgleichungsmodells der sportlichen Leistung im Triathlon. Nach der Ableitung der Fragestellungen und der Darstellung der Ziele der vorliegenden Thesis (Kapitel 3), liefern die Forschungsarbeiten in den drei darauffolgenden Kapiteln Erklärungsansätze hierzu. Die Studie in Kapitel 4 liefert erste Erkenntnisse und weist Leistungsparameter nach, die zur Prognose der individuellen Wettkampfleistung von Amateur-Triathleten über die Sprintdistanz dienen. Hierbei wurden anthropometrische, physiologische und trainingsbezogene Parameter im Rahmen einer Leistungsdiagnostik unter Laborbedingungen unmittelbar vor einem Triathlon Wettkampf erfasst und statistische Zusammenhänge zur erbrachten Wettkampfleistung hergestellt. Drei Modelle zur Prognose der Wettkampfleistung konnten mittels linearer Regression berechnet und dabei leistungsrelevante Parameter identifiziert werden. Das auf dem physiologischen Parameter Blutlaktatkonzentration nach 18 min bei 200 W auf einem Fahrradergometer aufbauende Prognosemodel liefert die höchste Varianzaufklärung (R² = 0.71), gefolgt von den Modellen basierend auf den anthropometrischen Parametern Beinlänge und Armspannweite (R² = 0.67) und dem trainingsbezogenen Parameter Trainingsumfang im Schwimmen (R² = 0.41). Nachgewiesen werden konnte, dass dies selbst bei kleinen Stichproben möglich ist und Hinweise zur Trainingsgestaltung und zur Wettkampfeinteilung liefern kann, insbesondere im Amateur-Bereich jedoch mit einer stark eingeschränkten Generalisierbarkeit verbunden sein dürfte. Eine Herausforderung bei größeren Studien dürfte daher die vergleichbare Erfassung der Gesamtwettkampfzeit als abhängige Variable darstellen. Die Studie in Kapitel 5 untersucht auf Basis der vorangegangenen Erfahrungen die Prognose der Gesamtwettkampfzeit von Profi-Triathleten über die olympische Distanz. Hierbei wurden die routinemäßig durchgeführten leistungsdiagnostischen Untersuchungen von Triathleten, die in der Vorbereitung auf die olympischen Sommerspiele im Jahr 2012 durch das Institut für Angewandte Trainingswissenschaft in Leipzig getestet wurden, analysiert und für die Berechnungen der Prognosemodelle verwendet. Dem hohen Maß an Standardisierung der Testungen mit einer großen Anzahl an erfassten Parametern stand die Notwendigkeit der Normalisierung der Gesamtwettkampfzeiten gegenüber. Dies war notwendig, da die Profi-Triathleten an unterschiedlichen Wettkämpfen teilgenommen hatten, zwar überwiegend über dieselbe Streckenlänge jedoch mit unterschiedlichsten Streckenprofilen, Teilnehmerfeldern, klimatischen Bedingungen, etc. Im Vergleich zur bisherigen Literatur konnten mit zwei unterschiedlichen Ansätzen – multiple Regressionen für lineare und künstliche neuronale Netze für nichtlineare Zusammenhänge zwischen Parametern und Gesamtwettkampfzeit – gute Ergebnisse für Prognosemodelle auf Basis anthropometrischer und physiologischer Parameter erzielt werden. Beide Ansätze lieferten je zwei Prognosemodelle. Die lineare Regression führt zu R² = 0.41 auf Basis anthropometrischer Parameter (prädiktiv: Beckenbreite und Schulterbreite) und zu R² = 0.67 auf Basis physiologischer Parameter (prädiktiv: maximale Atemfrequenz, Laufgeschwindigkeit bei 3-mmol·L-1 Blutlaktatkonzentration und maximale Blutlaktatkonzentration). Basierend auf den jeweils fünf relevantesten Parametern einer Vorselektion führen künstliche neuronale Netze zu R² = 0.43 auf Basis anthropometrischer Parameter und R² = 0.86 auf Basis physiologischer Parameter. Der Vorteil neuronaler Netze gegenüber der linearen Regression liegt dabei in der Möglichkeit nichtlineare Zusammenhänge abzubilden. Im Gegensatz zur durchgeführten Studie mit Amateur-Triathleten stellen die Profi-Triathleten eine sehr homogene Stichprobe dar, die der Grundgesamtheit des deutschen Nationalkaders sehr nahekommt, weshalb die Ergebnisse und insbesondere die identifizierten Leistungsparameter eine höhere Generalisierbarkeit aufweisen, wenn auch für einen sehr kleinen Kreis an Athleten. Insbesondere zur Ableitung von wichtigen Merkmalen für Athletinnen und Athleten in Nachwuchskadern liefern die Ergebnisse wertvolle Hinweise auf potentiell relevante anthropometrische Voraussetzungen sowie auf leistungsrelevante und durch Training beeinflussbare physiologische Parameter. Die dritte Studie (Kapitel 6) nutzt die Ergebnisse der erstellten Prognosemodelle aus Kapitel 5, um trotz des Vorhandenseins einer kleinen Stichprobe ein Strukturmodell der sportlichen Leistung im Triathlon über die olympische Distanz zu entwickeln. Hierbei konnten schlussendlich drei gültige Modelle erstellt werden, die einen ersten wichtigen Schritt zur wissenschaftlich fundierten Aufklärung der Leistungsstruktur im olympischen Triathlon liefern. Insbesondere das Modell, das die Erfahrung von professionellen Trainern in der Vorauswahl an Parametern nutzt, liefert als gut einzustufende Modellparameter, die im Einklang zu den Erkenntnissen der zuvor erstellten Prognosemodelle und des Strukturmodels basierend auf theoretischen Überlegungen und einschlägiger Literatur stehen. Als relevant einzustufende Parameter sind hier sowohl anthropometrische (Körpergewicht, BMI, fettfreie Körpermasse) als auch physiologische (relative maximale Sauerstoffaufnahme, Laufgeschwindigkeit bei 3-mmol/l Blutlaktatkonzentration, maximale Laufgeschwindigkeit in einem spezifischen Mobilisationstest) Kenngrößen zu nennen. Als Limitation ist der Einsatz einer kleinen Stichprobe zu nennen, da dies bei der Berechnung von Strukturmodellen von Nachteil sein kann, bei der Verwendung von Daten von Profi-Athleten jedoch unvermeidbar ist. Die entwickelten Modelle sind aus mathematisch-statistischer Sicht eindeutig bestimmt, müssen jedoch durch weitere Datensätze ergänzt werden, um umfassendere Modelle zu ermöglichen. Kapitel 7 liefert schließlich eine allgemeine Diskussion der Forschungsergebnisse und einen Ausblick auf zukünftige Studien. Die Befunde der drei durchgeführten Studien werden zusammengeführt und mit dem bisherigen Wissensstand abgeglichen, um eine umfassendere Betrachtung leistungsrelevanter Parameter der Sportart Triathlon sowie der eingesetzten methodischen Ansätze der multiplen Regression, künstlicher neuronaler Netze sowie der Strukturanalyse vorzunehmen. Die vorliegende Dissertation liefert im Wesentlichen sowohl in der Fachliteratur bereits als leistungsrelevant identifizierte Parameter aber auch bisher weniger betrachtete jedoch als potentiell relevant einzustufende Leistungsparameter. Als wesentliches Ergebnis der Dissertation muss der Einsatz der angewendeten Methoden im Kontext der trainingswissenschaftlichen Leistungsdiagnostik gesehen werden, da dies bisher wenig verbreitet ist. Wissend um die Einschränkung kleiner Stichproben, welche im Profi-Bereich unvermeidbar sind, werden die möglichen Potentiale für zukünftige Studien deutlich und zeigen somit ein spannendes und bedeutsames zukünftiges Forschungsfeld und Implikationen für sich anschließende Studien auf. Die Dissertation schließt mit einer allgemeinen Zusammenfassung (Kapitel 8) der vorliegenden Arbeit

Automated deep phenotyping of the cardiovascular system using magnetic resonance imaging

Across a lifetime, the cardiovascular system must adapt to a great range of demands from the body. The individual changes in the cardiovascular system that occur in response to loading conditions are influenced by genetic susceptibility, and the pattern and extent of these changes have prognostic value. Brachial blood pressure (BP) and left ventricular ejection fraction (LVEF) are important biomarkers that capture this response, and their measurements are made at high resolution. Relatively, clinical analysis is crude, and may result in lost information and the introduction of noise. Digital information storage enables efficient extraction of information from a dataset, and this strategy may provide more precise and deeper measures to breakdown current phenotypes into their component parts. The aim of this thesis was to develop automated analysis of cardiovascular magnetic resonance (CMR) imaging for more detailed phenotyping, and apply these techniques for new biological insights into the cardiovascular response to different loading conditions. I therefore tested the feasibility and clinical utility of computational approaches for image and waveform analysis, recruiting and acquiring additional patient cohorts where necessary, and then applied these approaches prospectively to participants before and after six-months of exercise training for a first-time marathon. First, a multi-centre, multi-vendor, multi-field strength, multi-disease CMR resource of 110 patients undergoing repeat imaging in a short time-frame was assembled. The resource was used to assess whether automated analysis of LV structure and function is feasible on real-world data, and if it can improve upon human precision. This showed that clinicians can be confident in detecting a 9% change in EF or a 20g change in LV mass. This will be difficult to improve by clinicians because the greatest source of human error was attributable to the observer rather than modifiable factors. Having understood these errors, a convolutional neural network was trained on separate multi-centre data for automated analysis and was successfully generalizable to the real-world CMR data. Precision was similar to human analysis, and performance was 186 times faster. This real-world benchmarking resource has been made freely available (thevolumesresource.com). Precise automated segmentations were then used as a platform to delve further into the LV phenotype. Global LVEFs measured from CMR imaging in 116 patients with severe aortic stenosis were broken down into ~10 million regional measurements of structure and function, represented by computational three-dimensional LV models for each individual. A cardiac atlas approach was used to compile, label, segment and represent these data. Models were compared with healthy matched controls, and co-registered with follow-up one year after aortic valve replacement (AVR). This showed that there is a tendency to asymmetric septal hypertrophy in all patients with severe aortic stenosis (AS), rather than a characteristic specific to predisposed patients. This response to AS was more unfavourable in males than females (associated with higher NT-proBNP, and lower blood pressure), but was more modifiable with AVR. This was not detected using conventional analysis. Because cardiac function is coupled with the vasculature, a novel integrated assessment of the cardiovascular system was developed. Wave intensity theory was used to combine central blood pressure and CMR aortic blood flow-velocity waveforms to represent the interaction of the heart with the vessels in terms of traveling energy waves. This was performed and then validated in 206 individuals (the largest cohort to date), demonstrating inefficient ventriculo-arterial coupling in female sex and healthy ageing. CMR imaging was performed in 236 individuals before training for a first-time marathon and 138 individuals were followed-up after marathon completion. After training, systolic/diastolic blood pressure reduced by 4/3mmHg, descending aortic stiffness decreased by 16%, and ventriculo-arterial coupling improved by 14%. LV mass increased slightly, with a tendency to more symmetrical hypertrophy. The reduction in aortic stiffness was equivalent to a 4-year reduction in estimated biological aortic age, and the benefit was greater in older, male, and slower individuals. In conclusion, this thesis demonstrates that automating analysis of clinical cardiovascular phenotypes is precise with significant time-saving. Complex data that is usually discarded can be used efficiently to identify new biology. Deeper phenotypes developed in this work inform risk reduction behaviour in healthy individuals, and demonstrably deliver a more sensitive marker of LV remodelling, potentially enhancing risk prediction in severe aortic stenosis

Sport Modalities, Performance and Health

Sport modalities are highly practiced in order to improve many aspects of human beings, including performance and health. The increasing interest in the quantitative and qualitative aspects of sport training is ascribable to the fact that several training systems and new methodologies are appearing in all sport modalities. These methodologies can have different effects on the organism depending on the degree of training.On the other hand, some of the main objectives in sport research are to describe match activity and to detect effective performance indicators. A better knowledge of players' performance adaptations and game dynamics during competition is extremely useful for optimizing the training process. The need to develop training methodologies according to actions occurring during the game is essential for each sport

The effects of an ultra-endurance event on heart rate variability and cognitive performance during induced stress in Ironman triathletes

Includes abstract.Includes bibliographical references (leaves 55-79).The effects of long-term participation in ultra-endurance exercise on the cardiovascular system have recently been the subject of much interest. It is well known that HRV, a marker of autonomic activity, is enhanced with long-term aerobic exercise training. However, after acute exercise, HRV is reduced, but recovers over time depending on the intensity of the prior bout of exercise. A limitation of previous research is that exercise bouts of only up to 120 minutes have been studied. A modified Stroop Task is a laboratory stressor to assess executive cognitive function by means of reaction time and accuracy. The resting HRV is directly related to these prefrontal neural functions, but the effect of an altered HRV on cognitive function has never been investigated. We determined the effects of an ultra duration (10 – 15 hours) exercise event on parameters of HRV and cognitive function during a Modified Stroop Task, 60 – 200 minutes after the 2007 South African Ironman Triathlon event (3,6km swim; 180 Km cycle; 42,2 Km run). 1 Female and 13 male competing triathletes (IRON; ages 33.7±7.9) and 7 control subjects (CON; 2 female and 5 males aged 42 ±4.5) completed a Modified Stroop Task before and after the event. The individual HRV parameters, heart rate (HR), respiratory frequency (RF), reaction time (RT) and % of mistakes made were recorded via the Biopac MP150WSW System (Goletta, California, USA). Data was transformed by auto regressive analyses (Biomedical signal analysis group, University of Kuopio, Finland) into LF (0.04 - 0.15 Hz) and HF (0.15 - 0.5 Hz) components. Additional calculations included %LF and %HF as well as the central or peak frequencies in both the LF and HF bands