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Einführung in die Herzfrequenzanalyse

Grundlage der Messung:

Die Herzfrequenz des Menschen gibt an, wie oft pro Minute sein Herz schlägt. Dieser Wert ist von vielen Faktoren abhängig. Einerseits vom Alter, aber auch von der momentanen Belastung und der generellen körperlichen Fitness. Der Zeitabstand zwischen zwei Herzschlägen ist dezent unregelmäßig, das bedeutet, er zeigt Variationen. Diese Erkenntnis ist sehr wichtig bei der Analyse der Herzfrequenz, da hierbei dieses Zeitintervall zwischen den Schlägen exakt gemessen wird.

Nur mithilfe eines EKGs ist eine genaue Detektion der R-Zacke (markanter Ausschlag des EKGs), sowie die Messung des Zeitabstands (RR-Abstand) zwischen den R-Zacken möglich. Lediglich ein kleiner Teil der im Handel erhältlichen Pulsuhren beherrscht diesen Messmodus. Die meisten Pulsuhr-Modelle berechnen lediglich einen Durchschnittspuls, da sie zu wenig Speicherkapazität haben, um eine Messung vollständig abzubilden.

Wahl des richtigen Protokolls:

Abhängig von der individuellen Fragestellung muss man sich intensiv mit der Auswahl des geeigneten Messprotokolls befassen. Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Messarten:

A) Messung unter Belastung

B) Ruhemessung

C) Passive und aktive Lageänderung

A) Messung unter Belastung:

Zur Beurteilung der körperlichen Leistungsfähigkeit sind Messungen unter körperlicher Belastung besonders interessant. Der Belastungstest wird Fahrradergometer oder am Laufband durchgeführt. Mit der Einheit Watt kann sehr einfach die abgegebene mechanische Leistung gemessen werden. Für wenige Sekunden kann ein Profisportler bis maximal 1000 Watt leisten. Über mehrere Stunden kann der Körper je nach Trainingszustand eine Dauerleistung zwischen 50 und 300 Watt abgeben. Um die gemessenen Werte leichter vergleichen zu können, dividiert man die abgegebene Leistung durch das Körpergewicht des Probanden. Mit diesem Normierung sind Atlethen mit unterschiedlichen Körpergewicht erst zu vergleichen. Die Messung der biometrischen Daten unter Belastung ist für die Leistungsdiagnostik von zentraler Bedeutung. Von besonderem Interesse sind mechanische Leistung [WATT], Herzfrequenz, Herzfrequenzvariablität, Schlagvolumen, Blutdruck, Atemvolumina und Sauerstoffaufnahme.

Generell gibt es zwei Möglichkeiten, um eine Messung der Belastung durchzuführen:

a) stufenweise Steigerung der Leistung

b) konstante Leistung über die Messdauer

a) Stufenweise Steigerung der Leistung:

Am Fahrradergometer oder Laufband wird stufenweise die Leistung gesteigert bis die Abbruchkriterien erfüllt werden. Bei gesunden Menschen, speziell bei Sportlern, wird die Messung meist bis zur vollständigen körperlichen Ausbelastung durchgeführt. Körperliche Ausbelastung bedeutet, dass der Proband die Messung aufgrund von Erschöpfung abbrechen muss oder nicht in der Lage ist, die Leistung weiter zu steigern. Dieser Stufentest darf nur nach genauer vorheriger medizinischer Untersuchung und nur unter ärztlicher Aufsicht erfolgen. Vor allem bei untrainierten und älteren Personen sowie Personen mit Grundkrankheiten können unter starken Belastungen Komplikationen auftreten (Bewusstlosigkeit, Herzfinfarkt, Herzrhythmusstörungen, Herzstillstand Lungenödeme etc.)

1. Korrelation der Herzvariabilitäts- und der Lactatkurve:

   Die Korrelation zwischen biometrischen Daten und der abgegebenen Leistung ist besonders aussagekräftig. Im Idealfall werden mehrere Messungen über den Zeitraum einer Trainingsperiode durchgeführt und miteinander verglichen. Wenn die Leistungen unterschiedlicher Athleten miteinander verglichen werden sollen, so muss in jedem Fall eine Normierung auf Watt pro Kilogramm durchgeführt werden. Als Zusatzinformation ist eine Lactat-Messung für jede gemessene Leistungsstufe von Vorteil.Durch den Vergleich der Lactatkurve mit der Herzratenvariabilitätskurve ist auch eine exakte Schätzung der anaeroben Schwelle ohne blutige Lactat-Messung mithilfe der Herzratenvariabilität möglich.

   Die individuelle Herzvariablitätskurve kann mit der statistisch allgemein bekannten Lactatkurve verglichen werden. Dadurch ist eine exakte Schätzung der anaeroben Schwelle auch ohne Blutabnahme möglich.

   

2. Verhalten der Herzfrequenz unter Belastung:
   
   Mit steigender Belastung erhöht sich die Herzfrequenz unter gleichzeitiger Abnahme der Herzfrequenzvariabilität. Die körperliche „Ausbelastung“ stellt die Leistungsgrenze des Organismus dar. Diese Leistungsgrenze wird durch zwei Faktoren maßgeblich beeinflusst:die Leistungsfähigkeit des Herzens und die Leistungsfähigkeit der betreffenden Muskelgruppe. Entweder kann das Herz nicht mehr Blut zur Muskulatur transportieren oder die Skelettmuskulatur (z.B Beinmuskulatur) kann die Kraft nicht steigern oder halten.
   
   
   b) Konstante Leistung über die Messdauer:
   Bei dieser Messmethode wird die abgegebene Leistung am Ergometer oder Laufband über die gesamte Messdauer konstant gehalten. Je nach Trainings- bzw. Allgemeinzustand des Probanden und der Vorgabe der zu liefernden Leistung, passt sich der Körper der Vorgabe an. Liegt die eingestellte Leistung über dem individuellen Dauerleistungsniveau, erhöhen sich kontinuierlich die Herzfrequenz, Sauerstoffaufnahme, Lactatwerte und andere wichtige Leistungsmerkmale. Nach relativ kurzer Zeit ist der Organismus erschöpft.
   
   
   

   Liegt die geforderte Leistung unter dem individuellen Dauerleistungsniveau, erhöhen sich anfänglich die Parameter (z.B. Herzfrequenz, Sauerstoffaufnahme usw.).Nach einer kurzen Adaptionsphase stabilisieren sich jedoch alle Parameter und erhöhen sich nicht weiter. In diesem Bereich kann der Körper stundenlang diese Leistung abgeben.
    

   Dieses Messprotokoll findet sehr selten Anwendung in der Leistungsdiagnostik, da der erforderliche Zeitaufwand sehr hoch ist und erst der Vergleich mit anderen Messungen zu unterschiedlichen Leistungsausgaben Aussagekraft bringt.

   B) Ruhemessung:

   Die aussagekräftigste und einfachste Messmethode findet in körperlicher Ruhe statt. Meist findet die Messung immer zur gleichen Uhrzeit (vorzugsweise in der Früh) statt. Durch die Fixierung der Uhrzeit lassen sich Verfälschungen durch tageszeitlich bedingte Rhythmen oder Nahrungsaufnahme ausschließen. Es stellt die technisch einfachste Variante dar, da Fehlmessungen während des körperlichen Ruhezustandes deutlich seltener auftreten als in Bewegung.

   Interpretation der Herzfrequenzdaten:

   Die durchschnittliche Herzfrequenz eines gesunden Menschen beträgt zwischen 50 und 100 Schlägen pro Minute. Säuglinge und Kinder haben eine deutlich höhere Herzfrequenz. Körperliches Training erhöht das Schlagvolumen des Herzens, das bedeutet, dass der Herzmuskel durch das Training zunimmt und somit pro Herzschlag mehr Blut transportieren kann. Dadurch sind im Ruhezustand weniger Herzschläge notwendig, um den Körper ausreichend mit Nährstoffen und Sauerstoff zu versorgen. Ausdauersportler weisen Ruhe-Herzschlagfrequenzen von 35 bis 45 Schlägen auf.

   Bei gesunden Menschen ohne Herzrhythmusstörungen ist eine niedrige Herzfrequenz in Kombination mit einer hohen Herzratenvariabilität positiv zu bewerten.

   Grippale Infekte mit Fieber können die Herzfrequenz (1/min) um 10 Schläge pro Grad erhöhen.

   Kleinste Änderungen der Herzratenvariabilität lassen sich mithilfe einer Spektralanalyse sichtbar machen. Änderungen im vegetativen Nervensystem sind so leicht zu erkennen. Dieses Verfahren wird speziell bei Übertraining als Überwachung eingesetzt. Dies ist eine sehr exakte Messmethode, um die Frequenzanteile, aus denen sich die Variabilität der Herzfrequenz zusammensetzt, festzustellen. Im Ruhezustand kann man beispielsweise ausweisen, wie Atmung und Herzschlag miteinander gekoppelt sind. Die Spektralanalyse ergibt einen eindeutigen Peak (Spitzenwert), wenn Atmung und Herzschlag kohärent sind.

   C) Aktive oder passive Lageänderung (Kipptischuntersuchung):

   Bei einer Lageänderung sind die Regulationsmechanismen des Körpers gefordert. Durch ein aktives Nachregeln des Nervensystems,gelingt es, alle Organe und Gehirn ausreichend zu versorgen. Besonders das Zentralnervensystem (Gehirn) ist besonders auf Blutdruckschwankungen empfindlich. Jeder hat schon die Erfahrung gemacht, dass ein schnelles Aufstehen oft mit einem kurzem Schwindeln verbunden ist. Sobald der systolische Blutdruck unter 90 sinkt kommt es zu einer vorübergehenden Minderversorgung des Gehirns.

   Diese Methode findet in der klinischen Medizin Einsatz bei der Abklärung von Synkopen (plötzliche Bewusstlosigkeit). Der Patient liegt gesichert auf einem speziellen Untersuchungstisch, der nach 15-minütiger Liegephase um 75° „aufgekippt“. Dabei kommt es zu einem Versacken des Blutes in die tiefen Beinvenen (venöses Pooling) und somit zu einem kurzzeitigen Blutdruckabfall. Menschen mit gestörten Regelmechanismen oder unter Einfluss von Medikamenten können in diesen Situationen nicht ausreichend gegensteuern und werden leicht bewusstlos. Bei gesunden Menschen passt sich der Körper jedoch rasch der neuen Situation an, ohne bewusstlos zu werden.

   Speziell langjährige, schlecht eingestellte Diabetiker weisen ein geschädigtes autonomes Nervensystem auf, daher kommt es häufig zu Ohnmachten mit Sturz (orthostatische oder vasovagale Synkope).

   
   Analyse der Daten

Nach Auswahl des geeigneten Messprotokolls können die Messungen miteinander verglichen werden. Besonderes Augenmerk sollte darauf gelegt werden, dass jede Messung standardisiert durchgeführt wird. Dazu zählt auch, dass die Messungen jeweils zur gleichen Tageszeit erfolgen sollen, um den Einfluss tageszeitlich bedingter Rhythmen (zirkadiane Schwankungen z.B. veränderter Cortisolspiegel) zu reduzieren. Vor der Messung sollte in jedem Fall eine Ruhezeit eingeplant werden. Es können bereits 15 bis 30 Minuten ausreichen, um die Messfehler deutlich zu reduzieren. Diese Phase soll ausschließlich der Entspannung dienen, daher müssen sämtliche emotionalen Handlungen (dazu zählen auch Gespräche und Telefonate) vermieden werden. Die Herzfrequenz ist ein sehr sensibler Parameter. Nahrungsaufnahme, koffeinhältige Getränke, grippale Infekte und Medikamente (z.B. spezielle Blutdruckmedikamente wie Betablocker) können den Herzschlag maßgeblich beeinflussen.

Die ideale Vorgehensweise ist, mehrere Messungen eines Probanden über einen längeren Zeitraum miteinander zu vergleichen. Dadurch lassen sich individuelle Trends besser erkennen. Zu Dokumentationszwecken ist es ratsam, jede einzelne Messung in einem standardisierten Tabellenblatt (z.B. MS Excel oder OpenOffice) festzuhalten.

Optimal ist das Einrichten eines Grafikobjekts für jeden untersuchten Parameter auf einem gesonderten Tabellenblatt. Selbst kleinste Veränderungen über eine lange Periode können so sichtbar gemacht werden.

Herzratenvariabilität

Definition: Die Herzfrequenzvariabilität bezeichnet die Eigenschaft des Herzens die Frequenz ständig zu verändern. Diese kleinen Frequenzanpassungen entstehen infolge eines komplexen Regelsystems. Das menschliche Herz und das autonome Nervensystem bilden ein System mit der Aufgabe den Organismus mit den notwendigen Stoffen optimal zu versorgen.

Das menschliche Herz ist eine komplexe Pumpe, die den Körper mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. Je nach Bedarf muss das erforderliche Blutvolumen (caridiac oputput) angepasst werden. Das autonome Nervensystem mit dem Vagus und Sympathicus nehmen Einfluss auf die Oszillationen im Herzen. Durch diese Regelnanpassungen kommt die Herzratenvariabilität zu Stande.Ein variabler Herzschlag ist somit ein Zeichen für Gesundheit.

Folgende Faktoren üben einen großen Einfluss auf die Herzratenvariabilität aus:

• physische und psychische Belastungen

• Trainingszustand (Fitness)

• Atmung

• Medikamente

• Genussmittel (wie z.B. Nikotin und Koffein)

• Alter

Ohne externe Einflüsse des autonomes Nervensystem würde das Herz mit einer exakten Frequenz schlagen. Die Herzratenvariabilität würde sehr gering ausfallen. Im Herz befinden sich mehrere Oszillatoren ,die die Frequenz vorgeben. Fällt einer oberste Oszillatoren aus übernimmt der nächste im Reizleitungssystem mit stark reduzierter Frequenz das Kommando.

Das Reizleitungssystem ist ein ausgeklügeltes System für die Steuerung der Kontraktion der Herzmuskelzellen und zur Erzeugung der optimalen Herzfrequenz. Diese spezialisierten Herzmuskelzellen leiten die elektrischen Impulse zu den Muskelzellen und zu den Oszillatoren weiter. Das Reizleitungssystem besteht aus folgenden Elementen: AV Knoten, His Bündel, Rechter Schenkel, Linker Schenkel, Anteriores Faszikel, Posteriores Faszikel und Purkinje Fäden.

Die Herzfrequenzvariabilität ist nur in einem gewissen Rahmen physiologisch. Wird dieser Bereich entweder unter oder überschritten ist dies ein Ausdruck für ein krankhaftes Geschehen oder für einen Messfehler.

Ursachen für eine zu hohe Herzratenvariabilität:

• mechanische Messfehler: Durch mangelhaftes Aufliegen der Kontaktfläche der Elektroden am Körper kann ein Wackelkontakt entstehen, der vom Messgerät als Herzschlag interpretiert wird. Dieser Fehler tritt häufig bei Pulsuhren mit Gurtband auf. Im medizinischen Bereich wird dieser Messfehler durch das Verwenden von Elektrodengel (z.B. beim EKG) oder speziellen Klebelektroden reduziert.

• Extrasystolen: Sie gehören zu den häufigsten Herzrhythmusstörungen und treten speziell mit höherem Lebensalter öfter auf. Junge sportliche Menschen haben nur vereinzelt Extrasystolen. Meist werden sie gar nicht bemerkt oder lediglich als „Herzstolpern“ wahrgenommen. Bei gehäuftem Auftreten sollte jedoch ein Arzt konsultiert werden.

Ursachen für eine zu niedrige Herzratenvariabilität:

• koronare Herzkrankheit (Bradykardie): Bradykardie ist der medizinische Fachausdruck für eine verlangsamte Herztätigkeit (unter 60 Schläge pro Minute). Dies muss nicht unbedingt krankhaft bedingt sein. Viele Sportler haben z.B. im Ruhezustand eine deutlich langsamere Herzschlagfrequenz als die Durchschnittspopulation. Sofern die Herzschlagfrequenz unter körperlicher Anstrengung ansteigt, kann eine krankhafte Bradykardie ausgeschlossen werden.

Herzratenvariabilitätanalyse:

Statistische Analyse:

Für die Auswertung der Herzratenvariabilität stehen eine große Zahl an statistischen Verfahren zur Verfügung. Als Grundlage der Analyse dienen die RR-Intervalle (Abstand zwischen den R-Zacken). Mithilfe einfacher arithmetischer Operationen kann die Analyse durchgeführt werden. Tabellenkalkulationsprogramme wie z.B. OpenOffice Base oder MS Excel sind vollkommen ausreichend.

Eine Auflistung der gängigsten Verfahren finden Sie unter http://www.hrv24.de/HRV-Definitionen.htm

Spektralanalyse

Diese Analyse ist ein sehr exaktes Verfahren, um die Frequenzanteile (RR-Intervalle), aus denen sich die Variabilität der Herzfrequenz zusammensetzt, festzustellen. Die Kohärenz (Kopplung) zwischen Atmung und Herzschlag im Ruhezustand wird aufgezeigt. Wenn Atmung und Herzschlag gut gekoppelt sind, so zeichnet die Spektralanalyse einen eindeutigen Peak auf (Spitzenwert).

Mithilfe komplexer mathematischer Verfahren wie z.B. dem AR Filter (Algorithmus) oder FFT (schnelle Fourier-Transformationen) wird ein Frequenzspektrum berechnet. Somit können verborgene Informationen in RR-Zeitreihen (Intervallen) sichtbar gemacht werden. Gut darstellbar sind z.B. Biorhythmen. 

Das HR-Spektrum wird in folgende Frequenzbänder aufgeteilt:

Frequenzbänder	in Herz
UHF (ultra high frequency)	1,5 bis 0,4
HF (high frequency)	0,4 bis 0,15
LF (low frequency)	0,15 bis 0,04
VLF (very low frequency)	0,04 bis 0,03
ULF (ultra low frequency)	0 bis 0,003

Im Leistungssport muss der Frequenzbereich bis 1,5 Hz (UHF) aufgezeichnet werden, bei Messungen im Ruhezustand sind hingegen 0,5 Hz ausreichend.

Wiederholt man die Analyse in kurzen Zeitabständen, so erhält man ein 3D-Spektrum. Damit lassen sich zeitliche Verläufe sehr gut sichtbar machen.