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Herz-Raten- Variabilität Stressanalyse (HRV-Messung)

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Herzratenvariabilität – Zeitliche Variabilität der Herzfrequenz

Die zeitliche Variabilität der Herzschlagintervalle bzw. Herzratenvariabilität oder HRV beschreibt die Veränderungen der Herzfrequenz von einem Schlag zum nächsten. Die HRV wird durch periodische Variationen der R-R Intervalle (Intervalle zwischen 2 aufeinanderfolgenden Erregungsspitzen des vorderen Herzdrittels) im HRV-EKG gemessen. (Siehe Abbildung 1) Diese Variationen treten als Folge des Zusammenspiels von Sympathikus und (vagalem) Parasympathikus* auf.

Abbildung 1: Zeitliche Variabilität der Herzfrequenz. Im Herzratenvariabilitäts-Elektrokardiogramm wird das Zeitintervall zwischen 2 aufeinanderfolgenden RR-Zacken (in ms) gemessen. Der R-Zacken gilt als Aktivitätszeichen des Sinusknotens.

Eine hohe Variabilität der R-R-Intervalle spricht für ein ausgewogenes autonomes System mit gesunder, wechselnder vegetativer Aktivität. Eine reduzierte HRV liefert Hinweise auf krankhafte Vorgänge.

* Der Sympathikus und der Parasympathikus (und das Darmnervensystem) bilden gemeinsam das autonome Nervensystem oder ANS. Das ANS ist ein selbständiges oder autonom gesteuertes dynamisches System, das verschiedene automatische Körperfunktionen bestimmt (z.B. die Regulation der Herzfrequenz und des Blutdrucks). Es ist ebenso an der automatischen, unbewussten Steuerung der Atmung, Verdauung und Pupillenbewegung beteiligt (Erweiterung der Pupille und Verschmälerung bei sympathischer bzw. parasympathischer Aktivität).

Die Geschichte der Herzratenvariabilität

Die Herzratenvariabilität hat eine in der Geschichte weit zurückreichende Vergangenheit. 300 Jahre v. Chr. hat Herophilos erkannt, dass ‚Venen und Arterien erkennbar verschieden sind, und dass die Arterien rhythmisch pulsieren’. Herophilos war wohl der erste Mensch, der eine Herzrate mittels Zeitmessung mit einer Klepsydra oder Wasseruhr gemessen hat. (siehe Bild 1)

Bild 1 - Klepsydra

Ein weiterer einflussreicher Wissenschaftler und Physiker, der mindestens 18 Bücher über den Puls geschrieben hat, war Galenos von Pergamon (131-200 n. Chr.). Er nutzte den Puls zur Erstellung von Diagnosen und für Krankheitsprognosen. Pulsdiagnostik dominierte die Medizin für beinahe sechzehn Jahrhunderte - vom Mittelalter und der Renaissance bis hin zur Neuzeit.

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Galenos war auch der Erste, der die Auswirkungen beschrieb, die Anstrengungen auf den Puls haben. In seinem Buch ‚Der Puls für Anfänger’ schrieb er:

Anstrengungen, die gemässigt ausgeführt werden, haben einen enorm grossen, raschen und häufigen Puls zur Folge. Grosse Anstrengungen, die die Kapazitäten eines Menschen übersteigen, machen den Puls kleiner, schwächer, rasch und extrem häufig.

Im achtzehnten Jahrhundert ermöglichte eine geniale Erfindung von John Floyer (1649-1734) eine genauere Messung des Pulses - die physische Puls-Uhr. Mit ihrer Hilfe konnten ‚der natürliche Puls und dessen Anomalitäten und Defekte während einer Krankheit’ (Floyer, 1707) gemessen werden. Floyer schrieb zwei Bände über seine Erkenntnisse, und seine Erfindung ist der Beginn der Entwicklung und besseren Verfügbarkeit genauer Messmittel, die die Tabellarisierung von Puls und Atmung ermöglichten. Rev. Stephen Hales (1677-1761) war der Erste, der die Variabilität zwischen zwei Herzschlägen erkannte und der die Beeinflussbarkeit des Arteriendruckes während des Atemzyklus’ schilderte.

Einatmen... Ausatmen…

Sitzen Sie derzeit? Entspannen Sie sich und atmen Sie normal. Achten Sie für 10 Sekunden auf Ihren Puls. Atmen Sie tief ein und spüren Sie, wie Ihr Puls sich beschleunigt. Halten Sie Ihren Atem für drei Sekunden an... und atmen Sie aus. Haben Sie bemerkt, wie Ihr Puls sich verlangsamt hat? Der Puls erhöht sich bei der Inhalation (beim Einatmen) und verlangsamt sich bei der Exhalation (beim Ausatmen). Dieses Phänomen wird von der Aktivität der Sinusknoten im Herzen bestimmt: Der Puls (oder der Rhythmus der Herzrate) wird vom sogenannten Sinusknoten im Herzen kontrolliert (siehe Bild 2).

Bild 2 – Schrittmacherzellen im Sinusknoten

Carl Ludwig (1816-1895) lieferte erste Aufzeichnungen über das Phänomen der sogenannten respiratorischen Sinusarrhythmie oder RSA. Dieser Knoten erhält Impulse vom autonomen Nervensystem (ANS). Das ANS ist das Nervensystem, das viele Vitalfunktionen kontrolliert und dessen Ursprung im zentralen Nervensystem (Gehirn und Rückenmark) liegt. Das ANS ist nicht typisch bewusst kontrolliert und sein Einfluss auf viele körperlich-biologischen Systeme (z.B. Verdauungssystem, Herzkreislauf System und reproduktives System) wird deshalb oft als unbeabsichtigt reguliert bezeichnet. Wenn sich Ihre Pupillen erweitern oder das Essen verdaut wird, aber auch bei der Regulierung der Herzrate und des Blutdrucks, sowie bei sexueller Erregung kontrolliert das ANS normalerweise unbeabsichtigt diese ‘Aktionen’. Das ANS ist in zwei gegensätzliche Untersysteme unterteilt: das sympathische Nervensystem (SNS) und das parasympathische Nervensystem (PNS). Generell (aber auch zu vereinfacht) gesagt aktiviert das SNS den Körper: es bereitet den Körper auf Kampf oder Flucht vor, das PNS hingegen entspannt den Körper: es aktiviert die Verdauung und ist an Entspannung, Ruhe oder Erholung beteilgt.

Fast zwei Jahrhunderte nach der Erfindung der physischen Puls-Uhr von John Floyer, im späten neunzehnten und frühen zwanzigsten Jahrhundert, entwickelte Willem Einthoven (1860-1927) das Elektrokardiogramm (EKG). Einthoven verwendete ein Galvanometer, um Veränderungen der elektrischen Ströme, die vom Herzen ausgehen, exakt zu messen. Nun war es möglich die Variationen zwischen zwei Herzschlägen auszuwerten. In den frühen 1960er Jahren führten kontinuierliche Weiterentwicklungen zum ambulanten EKG, womit längere Zeitfenster überwacht werden konnten (z.B. 24h Überwachung). Das Gerät wurde von Norman ‚Jeff’ Holter (1914-1983) 1961

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erfunden und darauffolgend wuchs das Interesse am Verständnis der Beziehung zwischen Herzschlag - Veränderungen im Herzintervall und bei Erkrankungen.

Variabilität ist das Gesetz des Lebens… (William Osler, Physiker und Lehrer, 1849-1919)

Trotz mehr als einhundert Jahre langer und hingebungsvoller Untersuchungen war und ist die physiologische Grundlage für HRV nach wie vor relativ kontrovers und wird weiterhin aktiv untersucht. (1) Was genau verursacht die Variationen zwischen den Herzschlägen? Ludwig Traube (1818-1876) schlug dabei Ausstrahlung von zentralen respiratorischen Neuronen in kardiovaskuläre Zentren vor. Karl Ewald Hering (1834-1918) glaubte, dass sensible Fasern in den Lungen die Intervallveränderungen verursachen. Gleb von Anrep (1891-1955) und ihre Kollegen hielten 1936 fest, dass zentrale und periphere Mechanismen zu den Variationen in der Herzrate beitragen. Franciscus C. Donders (1818-1889) vermutete bereits 1868, dass der Nervus vagus (oder Vagus oder der zehnte Hirnnerv*) für die Aktivität der RSA oder für die Variationen verantwortlich ist. Die Aktivierung peripherer Herz-Vagusnerven zeigte überzeugende RSA und so war es Heinrich E. Hering (1866-1948) der 1910 schrieb, dass in Bezug auf die Atmung bekannt ist, dass eine nachweisliche Senkung der Herzrate ... indikativ für die Funktion der Vagi ist. Darauffolgende Studien mit Katzen, Ratten, Hunden, Pferden, Ponys und natürlich Menschen ergaben, dass eine Aktivierung der Vagalnerven stark mit RSA korrelieren. HRV und RSA sind nicht wirklich dasselbe, aber die Begriffe werden oft austauschbar verwendet. Beide Begriffe reflektieren die Veränderungen in der autonomen Herzregulation. Ein Grossteil der temporären Veränderungen der Herzrate geschehen synchron zur Atmung (die Herzrate erhöht sich während der Einatmung, demnach verkürzt sich das R-R-Intervall und die Herzrate verringert sich während der Ausatmung, folglich verlängert sich das R-R-Intervall). Heute ist bekannt, dass Rhythmuswechsel der Herzrate komplexe Interaktionen zwischen PNS, SNS, mechanischen und anderen Faktoren auf den Schrittmacherzellen im Sinusknoten reflektieren.

*Es gibt insgesamt 12 Hirnnerven, die paarig angelegt sind. Die Hirnnerven sind Nervenfaserbündel, die das Zentrale Nervensystem oberhalb des Rückenmarks verlassen. Bis auf den Nervus vagus (Nervus wird immer mit N. abgekürzt.), der bis in den Bauchraum reicht, versorgen die Hirnnerven den Kopfbereich und die Halsregion. Nerven haben oft sehr lange und umständliche Namen. Um den Umgang mit ihnen zu erleichtern, hat man sie der Reihe nach durchnummeriert. Eine weitere Unterscheidungsmöglichkeit richtet sich nach der Funktion der Hirnnerven. Die Nerven I / II und VIII sind sensorische Hirnnerven. Sie leiten Empfindungen aus den verschiedenen Sinnesorganen an das Gehirn weiter. Nerven III / IV / VI / XI und XII sind Hirnnerven, die willkürlich motorisch arbeiten. Nerven, die sowohl willkürlich motorisch, als auch sensorisch und parasympatisch arbeiten, werden als gemischte Hirnnerven bezeichnet. Zu ihnen gehören die Hirnnerven V / VII / IX und X.

HRV – Chaostheorie und der Schmetterlingseffekt

In den 1980er-Jahren liessen aufkommende Beweise darauf hindeuten, dass die Herzrate nicht ein Produkt eines regulären periodischen Oszillators ist, sondern ein komplexes non-lineares, dynamisches Verhalten aufweist. Dies führte zu analytischen Annäherungsversuchen basierend auf Chaostheorie und fraktaler Mathematik, um die HRV auszuwerten. In biologischen Systemen sorgt Chaos für Stabilität (sprich, Variation innerhalb der Limits) und Flexibilität (sprich, ein Einzelwert Y kann mit mehr als einer Einheit von X assoziiert werden), was einem Organismus ein optimales internes Umfeld ermöglicht, um sich hinsichtlich wechselnder externer Gegebenheiten anzupassen. 1963 war es Edward Lorenz, der als Erster a-periodisches Verhalten in einem Wettersimulationsmodell beschrieb und erkannte, dass äusserst kleine Veränderungen bei anfänglichen Konditionen total unterschiedliche Wettermuster auslösen können. Diese Beobachtung wurde unter dem Namen Schmetterlingseffekt bekannt: Ein Schmetterling, der seine Flügel in China schlägt, löst einen Tornado in Kansas aus (siehe Bild 4).

Bild 4

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Um das Ganze nicht zu verkomplizieren, die neuen non-linearen Messungen der HRV waren oft besser in deren Vorhersage der Sterblichkeit nach schädlichen kardiovaskulären Ereignissen wie Herzmuskelinfarkten und ebenso besser darin, tödliche Herzarhythmien vorherzusagen, im Vergleich zu traditionellen HRV- Messungsmethoden.

Anwendung der HRV- Messung

HRV-Messungen fanden ein breites Anwendungsfeld in athletischen Kreisen, da sie ein rasches und einfaches Messen der Erholung ermöglichen. Mitte der 1960er-Jahre wurden HRV Messungen als klinisches Hilfsmittel angewendet, um fetalen Stress zu erkennen. In der heutigen Zeit werden HRV-Messungen zusätzlich als einfache und effektive Messungen von krankmachendem Dauerstress genutzt.

Klinische Anwendung von HRV – HRV, fetale Herzüberwachung und Herzerkrankungen

Eine grosse Anzahl kardiovaskulärer Risikofaktoren und Erkrankungen sorgen nachweislich für eine Reduktion der Herzratenvariabilität (HRV), inklusive Diabetes, Rauchen, Übergewicht, Arbeitsstress, Bluthochdruck und Herzversagen. Schon 1915 belegten Eppinger und Hess, dass HRV-Messungen einen Einblick in die Anomalitäten während Krankheiten ermöglichen. Erste Nachweise einer klinischen Anwendung von HRV (speziell in der klinischen Kardiologie) folgten jedoch erst Mitte der 1960er-Jahre. Fetaler Stress konnte aufgrund einer Reduktion der HRV nachgewiesen werden, noch bevor eine Veränderung der durchschnittlichen Herzrate ersichtlich war. Fetale Herzüberwachung (Herzrate, Herzratenvariabilität, etc.) ist mittlerweile ein Pflegestandard und hat zu einer Reduktion der Sterblichkeit in Zusammenhang mit fetalem Dystress beigetragen. Die Beziehung zwischen HRV und der Sterblichkeit nach Herzmuskelinfarkten wurde von Wolf bewiesen (Wolf, 1978). Seine Beobachtungen wurden durch die Task Force of the European Society of Cardiology und der North American Society of Pacing and Electrophysiology bestätigt - sowie durch viele weitere klinische Studien diverser internationaler Untersuchungsgruppen. HRV reduziert sich bei Patienten, die sich von einem Herzmuskelinfarkt erholen. Patienten mit der grössten Reduktion der HRV sind jene mit dem grössten Risiko, eines plötzlichen Todes zu sterben. Die Reduktion der HRV nach Herzmuskelinfarkten wird deshalb als eine der wichtigsten unabhängigen Möglichkeiten anerkannt, die Sterblichkeit nach einem Infarkt vorherzusagen. HRV hat sich auch als bedeutendes Mittel zur Identifikation von Risikopatienten eines kardiovaskulären Schadensereignisses erwiesen.

Klinische Anwendung von HRV - HRV in der Physiotherapie: pulsfrequenzgesteuertes Ausdauertraining bei Patienten nach einem Schlaganfall

Eine randomisierte, kontrollierte Pilotstudie ging der Frage nach, ob ein dreiwöchiges pulsfrequenzgesteuertes Ausdauertraining die HRV bei Schlaganfallpatienten verbessern kann (2). Die Schlussfolgerungen zeigten keine HRV-Verbesserungen.

Im Diskussionsteil der Studie wurde jedoch auf Literatur hingewiesen, die erkennbare Verbesserungen der Funktionalität des ANS, sowie Verbesserungen der HRV bei Schlaganfallpatienten durch Ausdauertraining nach achtwöchigem Trainingszeitraum belegt. Ein moderat-intensives Ausdauertraining scheint auf jeden Fall eine geeignete Intervention zur Verbesserung des autonomen Systems zu sein. Physiotherapie kombiniert mit Ausdauertraining in der Akut-/Subakutphase (0-6 Monate nach Erkrankung) hat einen signifikant grösseren Effekt auf die kardiopulmonale Ausdauer und Gehfähigkeit im Vergleich zu Physiotherapie ohne zusätzliches Ausdauertraining (3). Die Pilotstudie zur HRV in der Physiotherapie von Herr Glaser, PT Msc. (Sportphysiotherapie), S. Ring- Dimitriou, C. Bancher und M. Pinter gilt als erster Versuch, das ANS von Schlaganfallpatienten während eines 3-wöchigen, individuellen Ausdauertrainings zu beobachten. Zur Vertiefung der Ergebnisse wären ein längerer Trainingszeitraum und Folgeuntersuchungen sinnvoll. Die Autoren ziehen weitere Schlussfolgerungen:

1. ein frühes, gezieltes und regelmässiges Ausdauertraining kombiniert mit Physiotherapie beeinflusst den rehabilitativen Fortschritt bei Schlaganfallpatienten positiv.

2. Ausdauertraining soll leitliniengerecht (4) neben spezifischen physiotherapeutischen Interventionen implementiert werden, da in den ersten drei Monaten nach Erkrankung entscheidende Verbesserungen zu erwarten sind. (5)

Was man wissen sollte – HRV im Wesentlichen

Die zeitliche Variabilität der Herzschlagintervalle bzw. die Herzratenvariabilität oder HRV bezeichnet die Veränderungen zwischen zwei Herzschlägen einer Herzfrequenz (gemessen durch periodische Variationen der R-R Intervalle) im HRV-EKG als Folge des Zusammenspiels von Sympathikus und vagalem Parasympathikus.

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Die Faktoren, die Herzrate und HRV beeinflussen, sind individuell. Einige der individuellen Unterschiede sind mit dem Alter und der Grundausdauer in Verbindung zu bringen. Der Ruhepuls erhöht sich und die HRV verringert sich mit dem Alter. Ausserdem reduziert sich die HRV kontinuierlich während des gesamten Lebens. Der Ruhepuls sinkt mit verbesserter physischer Ausdauer und die Veränderungen der Herzrate während Ruhephasen und Training wiederspiegeln die Aktivität des Sinusknoten durch Einflüsse von SNS und PNS. Viele Krankheitsbilder in Zusammenhang mit dem Älterwerden und Stress wie Bluthochdruck, Diabetes und Herzversagen werden mit reduzierter HRV in Verbindung gebracht. Eine Reduktion der HRV ist bei Stressaufgaben, bei Patienten mit Angststörungen, bei Menschen mit zu wenig Schlaf (mit HRV kann Schlafapnoe gemessen werden) und Risiko-Diabetikern ersichtlich. Die Chronifizierung dieser Krankheiten erhöht das Risiko auf weitere Erkrankungen mit potenziell massiv schwächenden Folgen und demnach sehr schlechter Lebensqualität. Als Beispiele nennen wir neurologische Erkrankungen wie Demenz / Alzheimer. Zahlreiche Untersuchungen haben aufgezeigt, dass negative Emotionen die HRV senken und positive Emotionen (Gefühle der Dankbarkeit, Freude und Liebe) diese erhöhen können.

Literatur | Bibliographie

1. Eckberg D. L. The human respiratory gate. J. Physiol. 2003 (Lond.) 548, 339–352)

2. Glaser M. et al. : Pulsfrequenzgesteuertes Ausdauertraining bei Patienten nach Schlaganfall. Physioscience 2016; 12: 11-16

3. Eich H.J. et al. : Aerobic treadmill plus Bobath walking training improves walking in subacute stroke: a randomized controlled trial. Clinical Rehabilitation 2004: 18: 640-51

4. Mehrholz J. : Wichtig: Ausdauertraining nach Schlaganfall. Neurorehabiliation 2012; 4: 178-83

5. Kwakkel et al. : Understanding the pattern of functional recovery after stroke: facts and theories. Restorative Neurology and Neuroscience 2004; 22: 281-99