Was ist HRV?

von Prof. Dr. Johannes Maucher Okt. 17, 2016 HRV , Technik , Gesundheit

Die kurze Antwort: Selbst bei einem konstanten Puls folgen die Herzschläge nicht nach einer konstanten Dauer aufeinander. Die Dauer zwischen den Herzschlägen variiert. Diese Varianz wird mit Herzratenvariabilität (HRV) bezeichnet. Je höher die Varianz der Intervalldauern, umso höher ist die HRV und umso erholter, fitter, gesünder ist man.


Das Beispiel:

Bei einem Puls von 60 Schlägen pro Minute ist der Abstand zwischen zwei Herzschlägen im Mittel eine Sekunde. Wenn zwischen den Herzschlägen tatsächlich immer die Dauer von einer Sekunde verstreichen würde, wäre die HRV gleich null. Dieser Fall ist im linken Teil der unten aufgeführten Abbildung dargestellt. Besser wären unterschiedliche Dauern zwischen den Herzschlägen, z.B. ... 1.3s, 1.1s, 0.9s, 0.8s, 0.9s,... Der Mittelwert wäre hier zwar auch eine Sekunde, aber die Varianz deutlich größer als 0 (rechter Teil der Abbildung).

Die ausführliche Antwort:

Das Autonome Nervensystem (ANS)

Das Autonome Nervensystem (ANS) heißt autonom, weil es der Teil des Nervensystems ist, der unseren willentlichen Kontrolle weitestgehend entzogen ist. Über das Autonome Nervensystem werden Funktionen gesteuert, die viel zu wichtig sind, als dass sie in die Kontrolle des Menschen gelegt werden könnten. Also beschloss die Natur die Kontrolle über wichtige Funktionen der Atmung, der Verdauung, des Stoffwechsel und des Herz-Kreislaufsystems selbst zu übernehmen.

 

Unterteilt ist das ANS in zwei Bereiche:

  • Das sympathische System sorgt dafür, dass wir in entsprechenden Situationen maximal leistungsfähig werden. Das sympathische System lässt das Herz schneller schlagen und sorgt für erhöhte Blutzufuhr zu Muskeln Herz und Gehirn. Es erhöht den Blutzuckerspiegel und hemmt gleichzeitig andere Funktionen wie Verdauung, Wachstum, Nierentätigkeit oder Insulinsekretion. 
  • Das parasympathische System sorgt für Erholung, Entspannung und Wiederherstellung der Kräfte nach starker Belastung. Dafür verringert es z.B. die Herzrate, regt zur Nahrungsaufnahme und Verdauung an und verbessert die Immunreaktivität.

Bei einem gesunden Menschen sollte ein harmonisches Gleichgewicht zwischen parasympathischer und der sympathischer Aktivierung herrschen. D.h. unter anderem, dass unser Körper sehr wohl in der Lage ist außergewöhnliche Leistung zu erbringen, aber nur wenn wir rechtzeitig dem parasympathischen System die Chance geben, Erholung und Regeneration anzustoßen. Eine Vielzahl physischer und psychischer Krankheiten wird dadurch verursacht, dass das parasympathische System nicht mehr rechtzeitig und ausreichend zum Einsatz kommt.

Die Analyse der HRV ermöglicht die Messung der parasympathischen und sympathischen Aktivierung und damit eine Früherkennung pathogener Zustände. 

Von der RR-Sequenz zu Indikatoren für Belastung, Gesundheit und Fitness

Es gibt verschiedene HRV Parameter. Einige dieser Parameter gelten als Indikatoren für die parasympathische, andere für die sympathische und wieder andere für die gesamte Aktivierung. Alle Parameter werden allerdings aus der selben Messreihe berechnet: Der Sequenz der RR-Intervalle. Das Messgerät muss also nur die Dauern zwischen den R-Zacken messen und die Sequenz all dieser Dauern (RR-Intervalle) an die Analysesoftware liefern. In der Abbildung unten sind zwei verschiedene Sequenzen mit jeweils 20 RR-Intervallen dargestellt. In der RR-Sequenz auf der linken Seite variiert die RR-Dauer gering im Vergleich zu der RR-Sequenz im rechten Teil der Abbildung. Entsprechend ist links die HRV eher gering, rechts eher hoch.

In der Sequenz der gemessenen RR-Intervalle befinden sich häufig Messfehler und Artefakte. Diese müssen durch entsprechende Filter entfernt bzw. geglättet werden. Aus der gefilterten RR-Sequenz werden dann die HRV-Parameter berechnet. Grob können diese in zeitbezogene, frequenzbezogene und nichtlineare Parameter unterteilt werden. Wie die HRV-Parameter aus der RR-Sequenz berechnet werden ist mathematisch definiert. Wie allerdings aus den HRV Parametern durch entsprechende Analysetechniken aussagekräftige Indikatoren für physische und psychische Belastung, Krankeit und Fitness berechnet werden ist höhere Kunst. In diesem Block heben sich die verschiedenen HRV-Tools voneinander ab. In Spikee werden für die Analyse moderne Verfahren des maschinellen Lernens eingesetzt. Die Algorithmen in diesem Block lernen für jeden Nutzer ein jeweilig individuelles Modell. Spikee zieht also für die Berechnung der Indikatoren nicht pauschale Mittelwerte heran, sondern ausschließlich die gelernten individuellen Bereiche und Grenzen.

Die HRV Parameter und ihre Bedeutung

Zeitbezogene HRV Parameter

Die zeitbezogenen HRV Parameter sind einfache statistische Maße, die direkt auf der gesamten Sequenz der RR-Intervalle einer Messung berechnet werden.

 

Mittlere RR-Dauer ist der arithmetische Mittelwert über alle RR-Intervalle einer Messung in [ms] und wird wie folgt berechnet:

dabei bezeichnet RRi das i.te RR-Intervall und N ist die Anzahl aller RR-Intervalle der Messung.

 

Mittlere Herzfrequenz (= Puls): Aus dem Mittelwert der RR-Intervalle berechnet sich die mittlere Herzfrequenz in [Schläge/Minute] wie folgt:

Die zueinander reziproken Parameter mittlere RR-Dauer und mittlere Herzfrequenz zählen nicht zu den HRV-Parametern im engeren Sinne. Beide Werte werden schon lange und häufig als Indikator für die Belastung verwendet. Sie werden typisch während des Trainings gemessen, auf den Sportuhren als Puls angezeigt und als Maß für die Intensität der Belastung interpretiert. Da es sich bei beiden Parametern um Mittelwerte handelt, ist für ihre Bestimmung nicht wie im Fall der folgenden HRV-Parameter eine hohe zeitliche Messauflösung notwendig. Entsprechend werden diese Werte auch von vergleichsweise einfachen und billigen Geräten angezeigt und können heute hinreichend genau auch am Handgelenk gemessen werden - ein Brustgurt ist nicht zwingend erforderlich. 

Für alle im folgenden beschriebenen HRV-Parameter ist eine genaue Messung der RR-Intervalle und eine sogenannte Beat-by-Beat - Aufzeichnung notwendig.

 

SDNN ist die Standardabweichung der RR-Intervalle in [ms]. Die Standardabweichung beschreibt wie stark die einzelnen RR-Intervalle um deren Mittelwert streuen. Je stärker die Streuung umso höher die Standardabweichung. Umgekehrt wäre die Standardabweichung gleich 0, wenn alle Messwerte identisch wären. Der SDNN wird wie folgt berechnet:

Der SDNN gilt als Maß für die Gesamtaktivierung des ANS - also für die Summe aus sympathischer und parasympathischer Aktivierung. Anmerkung: Die Abkürzung SDNN steht für Standard Deviation of NN-Intervalls. In der Literatur werden die gefilterten RR-Intervalle manchmal als NN-Intervalle bezeichnet. In spikee wird wenn immer von RR-Intervallen die Rede ist, davon ausgegangen, dass diese schon entsprechend gefiltert sind.

 

RMSSD (Root Mean Sum of Squared Distance) in [ms] ist die Quadratwurzel des Mittelwerts über alle Quadrate der Differenzen aufeinanderfolgender RR-Intervalle, oder einfach als Formel:

Der RMSSD mißt die kurzzeitigen Veränderungen aufeinanderfolgender RR-Intervalle. Er gilt als fundiertes Maß für die parasympathische Aktivierung und wird häufig als Indikator für die Erholungsfähigkeit, Fitness und Gesundheit interpretiert. Umgekehrt weist ein reduzierter RMSSD auf physische Belastung (etwa nach einem intensiven Training), psychische Belastung (Stress) oder Krankheit (Grippe, Erkältung, Bluthochdruck, Diabetes, ..) hin.

 

pNN50 ist der Anteil aller Paare von aufeinanderfolgenden RR-Intervallen mit einer Differenz größer als 50ms. Für die Berechnung dieses Parameters bestimmt man die Anzal NN50 von Paaren aufeinanderfolgender RR-Intervalle mit einer Differenz > 50ms und teilt diesen Wert durch die Anzahl N-1 aller Paare von aufeinanderfolgenden RR-Intervallen:

Der pNN50 korreliert stark mit dem RMSSD und gilt ebenfalls als fundiertes Maß für die parasympathische Aktivierung.

 

Frequenzbezogene HRV Parameter

Für die Bestimmung der frequenzbezogenen HRV Parameter wird die gefilterte Sequenz der RR-Intervalle zunächst interpoliert, sodass in äquidistanten Zeitabschnitten (z.B. alle 250ms) ein Wert existiert. Diese interpolierte Sequenz wird dann Fourier-transformiert. Für die resultierende Repräsentation der Sequenz im Frequenzbereich wird dann das Leistungsdichtespektrum berechnet. Das Leistungsdichtespektrum gibt an wie stark welche Frequenzen in der Sequenz der RR-Intervalle vertreten sind. Das Leistungsdichtespektrum wird unterteilt in die 3 Bereiche

  • VLF (Very Low Frequency) von 0 bis 0.04Hz
  • LF (Low Frequency)  von 0.04 bis 0.15Hz
  • HF (High-Frequency unterteilt) von 0.15 bis 0.4Hz

Das Leistungsdichtespektrum einer 10-minütigen Ruhe-Messung ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Aus den 3 Bereichen des Leistungsdichtespektrums werden die frequenzbezogenen HRV Parameter wie folgt bestimmt:

HF-Leistung: Die HF Leistung in [ms2] ist die Fläche unter der Kurve im HF-Bereich des Leistungsdichtespektrum. In der Abbildung oben ist das die grüne Fläche. Die HF-Leistung beschreibt die kurzzeitigen (d.h. hochfrequenten) Veränderungen aufeinanderfolgender RR-Intervalle. Die HF-Leistung gilt als fundiertes Maß für die parasympathische Aktivierung und korreliert stark mit dem RMMSD. Entsprechend gilt die HF-Leistung als Indikator für Erholungsfähigkeit, Fitness und Gesundheit.

LF-Leistung: Die LF Leistung in [ms2] ist die Fläche unter der Kurve im LF-Bereich des Leistungsdichtespektrum (rote Fläche in der Abbildung). Die LF-Leistung beschreibt die längerfristigen (d.h. tieffrequenten) Veränderungen aufeinanderfolgender RR-Intervalle. In die LF-Leistung spielen sowohl sympathische als auch parasympathische Aktivierungen mit ein. Wobei davon ausgegangen wird, dass die sympathische Aktivierung einen größeren Teil beiträgt.

VLF-Leistung: Die LF Leistung in [ms2] ist die Fläche unter der Kurve im VLF-Bereich des Leistungsdichtespektrum (graue Fläche in der Abbildung). Die VLF-Leistung beschreibt die sehr langsamen Veränderungen aufeinanderfolgender RR-Intervalle und wird hauptsächlich von der sympathischen Aktivierung beeinflußt.

Gesamtleistung beschreibt die gesamte Leistung in [ms2]  über alle oben genannten Bänder hinweg und gilt als Maß für die Gesamtaktiverung des ANS.

LF/HF-Verhältnis: Beschreibt den Quotienten aus LF- und HF-Leistung. Dieses Verhältnis wird häufig als Indikator für die Balance zwischen sympathischer und parasympathischer Aktivierung betrachtet. Diese Sichtweise ist allerdings umstritten, weil unklar ist wie stark die sympathische Aktivierung zur LF-Leistung beiträgt.

Korrelation zwischen den HRV Parametern

Zwischen einigen der beschriebenen HRV-Parameter herrschen relativ starke Korrelationen, andere sind nahezu unabhängig voneinander. In der unten stehenden Abbildung sind in jedem Teilplot ca. 500 HRV-Ruhemessungen über jeweils zwei verschiedenen HRV-Parametern eingetragen. In der Diagonale ist die Verteilung der Werte über den jeweiligen Parameter geplottet. Gut zu erkennen ist z.B. die starke Korrelation zwischen RMSSD und HF-Leistung. Ausserdem korreliert der RMSSD mit dem SDNN - ein Beleg dafür, dass die parasympathische Aktivierung nicht nur in den RMSSD sondern auch in den SDNN einfließt.