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Herzratenvariabilität

Als Herzfrequenzvariabilität oder Herzratenvariabilität (HRV) wird die Fähigkeit eines Organismus (Mensch, Säugetier) bezeichnet, die Frequenz des Herzrhythmus zu verändern. Auch im Ruhezustand treten spontan Veränderungen des zeitlichen Abstandes zwischen zwei Herzschlägen auf. Über autonome physiologische Regulationswege passt ein gesunder Organismus die Herzschlagrate beständig momentanen Erfordernissen an. Körperliche Beanspruchung oder psychische Belastung hat deswegen bekanntlich in der Regel eine Erhöhung der Herzfrequenz zur Folge, die bei Entlastung und Entspannung normalerweise wieder zurückgeht. Dabei zeigt sich eine höhere Anpassungsfähigkeit an Belastungen in einer größeren Variabilität der Herzfrequenz. Unter chronischer Stressbelastung ist beides dagegen wegen der beständig hohen Anspannung, die dafür typisch ist, mehr oder weniger eingeschränkt und infolgedessen reduziert.

Anfänge und aktueller Stand der HRV-Forschung

Wang_ShuheBereits im 3. Jahrhundert erkannte der chinesische Arzt Wang Shu-he (auch Wang Shu-ho oder Wang Hsi), dass ein variabler Herzschlag ein Zeichen für Gesundheit sei. Er dokumentierte dies in seinen Schriften „Mai Ching"/„The Knowledge of Pulse Diagnosis" (heute ein „Puls-Klassiker"). Gerne werden ihm in diesem Zusammenhang auch die Worte „Wenn das Herz so regelmäßig wie das Klopfen eines Spechtes oder das Tröpfeln des Regens auf dem Dach wird, wird der Patient innerhalb von 4 Tagen sterben." in den Mund gelegt. Da es jedoch noch keine Messinstrumente wie beispielsweise Stethoskop oder EKG gab, musste der Arzt sich sehr sensibel auf die Erfassung des Zusammenspiels der Körpersignale eines Patienten einstellen, um eine Krankheit daraus diagnostizieren zu können. Aktuell existiert ein breites Forschungsspektrum zur Herzfrequenzvariabilität, das vorwiegend auf drei Bereiche konzentriert ist:

  • Klinischer Bereich: Risikostratifizierung und Gesundheitsprognose mit Parametern der HRV
  • Rehabilitative Medizin: klassische und nichtlineare HRV-Methoden für die Prognose- und Leistungsobjektivierung
  • Stressmedizin und Psychophysiologie: HRV-Biofeedback
  • Zur Leistungsdiagnostik und Belastungssteuerung wurden im Bereich der Sport- und Trainingswissenschaften neue Methoden entwickelt.

In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Biofeedback-Techniken und Geräte entwickelt, um die Variabilität der Herzfrequenz zu messen. Dabei wurde besonderes Gewicht auf die Messung der Koppelung von Herz und Atmung gelegt, um so den Grad der Kohärenz/Synchronisation von Herzrhythmus und Atemfrequenz bestimmen zu können.

Synchronisation und chaotischer Verlauf von Atemrhythmus und Herzfrequenz sind bei diesen Biofeedback-Verfahren bildlich oder akustisch darstellbar. Die Messung des Pulses erfolgt dabei mit Hilfe eines Brustgurtes oder eines Ohrclips, wobei die Daten dabei auf spezielle Weise ausgewertet werden. Festgestellt wurde, dass bei so komplexen Reaktionen wie Liebe oder Dankbarkeit, die mit der emotionalen Reaktion der Freude verbunden sind, eine messbare Synchronisation der Rhythmen von Herz und Atmung (Respiratorische Sinusarrhythmie) erfolgt. Diese Balance zwischen Atmung und Herzschlag verschwindet jedoch bei Reaktionen wie Hetze („Stress"), Ärger oder Angst, die mit vermehrter Ausschüttung von Stresshormonen einhergehen. Von den USA ausgehend werden in den letzten Jahren zunehmend Forschungen unternommen, um festzustellen, inwieweit Kohärenz von Herz und Atmung trainierbar ist und welche Therapieerfolge mit unterschiedlichen Einstellungen erreicht werden können. Dabei werden Biofeedback-Techniken eingesetzt und in verschiedenen Variationen das emotionale Erleben der Trainees zusätzlich oder alternativ gezielt zu beeinflussen gesucht. Dabei werden spezielle musikalische Kompositionen eingesetzt,  Atemtechniken, Achtsamkeitsübungen, Tranceinduktionen oder gelenkte Imaginationen mit Konzentration auf Herz und Atmung in Verbindung mit der Aktivierung besonders positiver, etwa liebevoller Reaktionen. Das HRV-Biofeedback wird als Coaching-Methode oder komplementärmedizinische Methode schon länger in der verhaltenstherapeutisch orientierten Psychotherapie genutzt. Nach Studien in den USA sind dadurch Depressionen, Herzerkrankungen, Asthma, Angststörungen und Schlaflosigkeit günstig beeinflussbar. Die Verbesserung der Kohärenz von Atmung und Herz kann auch beim Abbau von Anspannungen helfen, bei der Bewältigung von Stress und Angst, und dazu beitragen, im Alltag gelassener zu reagieren. HRV-Biofeedback wird seit einiger Zeit erfolgreich in der betrieblichen Gesundheitsförderung eingesetzt. Mitarbeiter können individuell und in kurzer Zeit Entspannungs- und Konzentrationsfähigkeit verbessern. Die autonome Balance, gemessen an der HRV, nimmt zu und das individuelle Stressempfinden sinkt.

Messverfahren

Das EKG ist nach wie vor zentrales Diagnoseverfahren in der Kardiologie. Aus ihm lässt sich eine sog. Zeitreihe der RR-Intervalle bestimmen. Die Schwankung dieser Zeitreihe lässt sich mit Hilfe verschiedener Verfahren hinsichtlich ihrer Stärke, Zeitskala oder innerer Muster quantifizieren. Eine einfache statistische Größe zur Bestimmung der Streuung ist die Standardabweichung der RR-Intervalle. Man unterscheidet heute drei Bereiche (Domänen), die zur Analyse der Herzfrequenzvariabilität genutzt werden:
 

  • Zeitbereich (z. B. Standardabweichung der RR-Intervalle)
  • Frequenzbereich (z. B. Spektrum der Herzfrequenzvariabilität)
  • nichtlinearer Bereich (z. B. Poincaré-Plots)

 

Spektralanalyse

Hinsichtlich ihrer Zeitskala lassen sich die Schwankungen der Herzfrequenz durch Verfahren der Spektralanalyse näher charakterisieren. In jüngerer Zeit werden auch komplexe empirische Parameter, wie z. B. die fraktale Dimension herangezogen. Die Spektralanalyse ist ein sehr genaues Verfahren zur Feststellung der Frequenzanteile, aus denen sich die Variabilität der Herzfrequenz zusammensetzt. Sie gibt beispielsweise Auskunft über die Kopplung von Atmung und Herzschlag (also deren Kohärenz) im entspannten Zustand. Sind Atmung und Herzschlag gut gekoppelt, ergibt die Spektralanalyse einen eindeutigen Peak (Spitzenwert). Das betreffende Mess-Spektrum wird in der HRV-Forschung in drei Frequenzbänder aufgeteilt, LF (low frequency), MF (middle frequency) und HF (high frequency), teilweise zuzüglich eines vierten Frequenzbandes: ULF (ultra low frequency). Diese Frequenzen repräsentieren

  • VLF: peripher-zentrale Thermoregulation
  • LF: Oszillationen des Baroreflexes
  • HF: Respiratorische Sinusarrhythmie

 

HistogrammEine weitere Darstellungsform der Herzratenvariabilität ist das Histogramm. In einem Verlaufsdiagramm einer Biofeedback-Messung wird gezählt, wie viele der Herzschläge in eine bestimmte Klasse fallen. Bei größerer HRV verteilen sich die Herzschläge gleichmäßiger über möglichst viele Klassen. Unter starker Belastung verschiebt sich die vegetative Balance und die HRV schränkt sich auf wenige Klassen ein. Zahlreiche Studien benutzen Poincaré- oder Lorenz-Plot zur Analyse der HRV mittels zwei- oder mehrdimensionaler Punktwolkendarstellungen. Bekannt sind verschiedene Bezeichnungen für die Darstellung sukzessiver NN-Abstände: Poincaré-, Lorenz-, Recurrence- und Scatter-Plot sowie Return Maps. Bei dieser relativen Messung bezieht sich jeder folgende Messwert auf den vorhergehenden, wobei im einfachsten Fall einer 2-dimensionalen Darstellung die NN-Zeitreihe auf sich selbst abgebildet wird. Zur Vermeidung von Fehleinschätzungen der Bedeutung verschiedener Parameter der HRV wurden von „Task Force of the European Society of Cardiology" und „The North American Society of Pacing and Electrophysiology" Richtlinien festgelegt zur Durchführung und Interpretation von HRV-Analysen. Die verwendete Messmethode in IMRS-Systemen entspricht exakt der Beschreibung des Histogramms. Mit Hilfe eines photoplethysmografischen Sensors am Ohr werden Pulsschläge aufgenommen und mittels eines genau definierten Algorhythmus daraus die HRV ermittelt. Auf Basis der Ergebnisse werden die Magnetfeldintensitäten des iMRS im Minutentakt an das Messergebnis dynamisch angepasst.

 

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