Die HRV

Messung psychischer
Belastungen mit der
Herzratenvariabilität – ein
Ausblick
Prof. Dr. Irina Böckelmann1, Dr. Stefan Sammito1,2
1Bereich Arbeitsmedizin der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg
2Kommando Sanitätsdienst der Bundeswehr, Referat Wehrmedizinische
Forschung
9. Bundesweiter Betriebsärztetag, vom 23.02.13 bis 24.02.13 in Osnabrück
Gliederung

Einleitung

Physiologische Grundlagen

Herzratenvariabilität (HRV) und HRV-Analyse

Einflussfaktoren auf HRV

Anwendungsfeld: Messung psychischer
Belastungen

Qualitätssicherung von Studienergebnissen
2
Einleitung
Gliederung

Einleitung

Physiologische Grundlagen

Herzratenvariabilität (HRV) und HRV-Analyse

Einflussfaktoren auf HRV

Anwendungsfeld: Messung psychischer
Belastungen

Qualitätssicherung von Studienergebnissen
3
Einleitung
Das Phänomen der Variabilität

Die Variabilität ist in der belebten Natur das Normale, die
Starrheit das Pathologische.

Wiederkehrender Rhythmus in der Natur.

Auch der menschliche Organismus hat eine biologische
Gesetzmäßigkeit.

Anpassung der Regelsysteme des Körpers an äußerliche
Gegebenheiten in der Umgebung des Menschen

Steuerung durch eine Vielzahl von komplexen
Regelkreisen.

Das perfekte Zusammenspiel all dieser Regelkreise
ermöglicht ein Leben im Gleichgewicht.
4
Einleitung
Das Phänomen der variablen
Herzschlagfolge
Metronom
24h-EKG-Aufnahme
≠ Herzschlag ≠
Uhrwerk
liegend in der Nachtsphase
5
Physiologische Grundlagen
Gliederung

Einleitung

Physiologische Grundlagen

Herzfrequenzvariabilität (HRV) und HRVAnalyse

Einflussfaktoren auf HRV

Anwendungsfeld: Messung psychischer
Belastungen

Qualitätssicherung von Studienergebnissen
6
Physiologische Grundlagen
Zweizügige Führung des autonomen /
vegetativen NS
Ruhe
HR
Propranolol
HR 
Atropin
HR 
Blockadeversuche (Eckoldt, 1975):
Sympathikusblockade mittels Propranolol
Vagusblockade mittels Atropin
7
Physiologische Grundlagen
Zweizügige Führung des autonomen /
vegetativen NS
SAa
[ms]
Ruhe
50
20
10
5
DLG
2
60
70
80
90
100
Sympathikus
110
120
+
130
HR [min-1]
8
HRV / HRV-Analyse
Gliederung

Einleitung

Physiologische Grundlagen

Herzratenvariabilität (HRV) und HRV-Analyse

Einflussfaktoren auf HRV

Anwendungsfeld: Messung psychischer
Belastungen

Qualitätssicherung von Studienergebnissen
9
HRV / HRV-Analyse
HRV
… ist ein Maß für die Variation des Zeitabstandes zwischen zwei RZacken (RR-Intervall)
10
HRV / HRV-Analyse
HRV

… kennzeichnet die kurz-, mittel- und langfristigen
Schwankungen der Herzperiodendauer

… gilt als Marker der Funktionalität kardiovaskulärer
Regelkreise und als eine Messgröße der neurovegetativen
Aktivität und Funktion des Herzens

… liefert Informationen über den Beanspruchungsgrad des
HKS und zusätzlich über die Qualität der HerzKreislaufregulation

…kann ein Gesamteindruck der Balance zwischen
Leistungsbereitschaft (Sympathikus) und Regeneration
(Parasympathikus) geben
11
HRV / HRV-Analyse
HRV als sympathovagale Balance
Normale
HRV
Ruhe, Erholung
trophotroper Zustand
Einfluss des
Parasympathikus
Stress, Anspannung
ergotroper Zustand
Einfluss des
Sympathikus
Große HRV = größere Anpassungsfähigkeit auf sich
ändernde Lebensbedingungen
12
HRV / HRV-Analyse
Wissenschaftliches Interesse an HRV
0,12
Anzahl der Publikationen zur HRV
Publications on HRV
(% of medical publications in Medline)
Medline
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
8000
6000
4000
hrv+stress
hrv
2000
0
1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000
Year
Moser (2005) Österr Forum Arbmed 1:12-17
Sammito (2011)
13
HRV / HRV-Analyse
Analysebereich
Variabilitätsmaß
Andere
Bezeichnung
Messeinheit
Erklärung
Zeitbereich
MeanRR
AvgRR, RRMW
[ms]
Mittelwert aller RR-Intervalle im gewählten Zeitbereich;
nur zu deskriptiven Zwecken von Interesse, da diese maßgeblich von
der Herzschlagfrequenz (HSF) abhängig ist (hohe HSF  niedriger
MeanRR, niedrige HSF  hoher MeanRR)
SDNN
RRSD, SD, SDRR
[ms]
Standardabweichung der RR-Intervalle im Messzeitbereich;
ist ein frequenzunabhängiger Indikator für die Höhe der
Gesamtvariabilität
(hohe SDNN  hohe HRV,
niedrige SDNN  niedrige HRV)
RMSSD
R-MSSD, rMSSD,
[ms]
Root Mean Square of Successive Differences;
Ist die Quadratwurzel des quadratischen Mittelwertes der Summe aller
Differenzen sukzessiver RR-Intervalle;
Parameter der Kurzzeitvariabilität;
Zur Betrachtung des parasympathischen Einflusses
[%]
Prozentsatz aufeinanderfolgender RR-Intervalle, die mehr als 50 ms
voneinander abweichen;
ein hoher pNN50-Wert bedeutet hohe spontane Änderungen der
Herzfrequenz
pNN50
Frequenzbereich
Phasenbereich
LF
B-Band
[ms2]
Low Frequency Power, Leistungsdichtespektrum im Frequenzbereich
von 0,04 bis 0,15 Hz;
daran ist sowohl der Sympathikus als auch der Parasympathikus
beteiligt, wobei der Anteil des Sympathikus überwiegt.
HF
C-Band, respiratorische Sinusarrhythmie,
Atmungsband
[ms2]
High Frequency Power, Leistungsdichtespektrum im Frequenzbereich
von 0,15 bis 0,40 Hz;
zeigt ausschließlich den parasympathischen Stimmungsanteil
LF/HF
Quotient aus LF und
HF; LF/HF-Ratio
SD1
SDQ, SDw, stdb
[ms]
Die Standardabweichung der Punktabstände zum Querdurchmesser
quantifiziert die spontane (kurzzeitige) Variabilität.
SD2
SDL, SD-längs, stda
[ms]
Die Standardabweichung der Punktabstände zum Längsdurchmesser
beschreibt langfristige HRV-Änderungen.
Quotient der sympatho-vagalen Balance; als Wert des
Zusammenspiels von Parasympathikus (HF) und Sympathikus (LF)
LF/HF ↑ = Sympathikus ↑
LF/HF ↓ = Parasympathikus ↑
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Zeitbereich
Variabilitätsmaß
MeanRR
Standardabweichung der RR-Intervalle
(=SDNN)
SDNN
RMSSD
pNN50
LF
HF
LF/HF
SD1
SD2
• dient als Streuungsmaß aller RRIntervalle im Messzeitbereich
• Indikator für die Höhe der
Gesamtvariabilität, spiegelt den
autonomen Tonus insgesamt wider
(hohe SDNN  hohe HRV,
niedrige SDNN  niedrige HRV)
• Einheit: [ms]
• Weitere Bezeichnung: RRSD, SD,
SDRR
15
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Zeitbereich
Variabilitätsmaß
MeanRR
SDNN
Root Mean Square of Successive
Differences
(=rMSDD)
RMSSD
pNN50
LF
HF
LF/HF
SD1
SD2
• ist die Quadratwurzel des quadratischen
Mittelwertes der Summe aller
Differenzen sukzessiver RR-Intervalle
• Parameter der Kurzzeitvariabilität;
• zur Betrachtung des parasympathischen
Einflusses
• Einheit: [ms]
• Weitere Bezeichnung: r-MSSD, rMSSD
16
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Zeitbereich
Variabilitätsmaß
pNN50
MeanRR
SDNN
RMSSD
pNN50
LF
HF
LF/HF
SD1
• Prozentsatz aufeinanderfolgender RRIntervalle, die mehr als 50 ms
voneinander abweichen
• ein hoher pNN50-Wert bedeutet hohe
spontane Änderungen der Herzrate
• Einheit: [%]
SD2
17
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Frequenzbereich
Variabilitätsmaß
MeanRR
SDNN
RMSSD
pNN50
LF
HF
LF/HF
SD1
SD2
Low Frequency Power
(=LF)
• Leistungsdichtespektrum
• bezieht sich auf den Frequenzbereich
von 0,05 – 0,15 Hz,
• daran ist sowohl der Sympathikus als
auch der Parasympathikus beteiligt,
wobei der Anteil des Sympathikus
überwiegt. Bei Langzeit-Aufzeichnungen
gibt dieser Bereich jedoch Information
über die sympathische Aktivität.
• Einheit: [ms2]
Periodendauer 20 - 7 s
3 bis 8,5 Schwingungen pro
Minute
18
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Frequenzbereich
Variabilitätsmaß
MeanRR
High Frequency Power
(=HF)
SDNN
RMSSD
pNN50
LF
HF
LF/HF
SD1
SD2
• Leistungsdichtespektrum
• bezieht sich auf den Frequenzbereich
von 0,15 – 0,40 Hz
• zeigt ausschließlich den
parasympathischen bestimmten
Stimmungsanteil
• Atmungsband
• Einheit: [ms2]
Periodendauer 7 - 2,5 s
8,5 bis 24 Schwingungen
pro Minute
19
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Frequenzbereich
VariabilitätsMaß
MeanRR
Quotient aus LF und HF
(=LF/HF)
SDNN
RMSSD
pNN50
LF
HF
LF/HF
• als Wert des Zusammenspiels von
Parasympathikus (HF) und
Sympathikus (LF)
• sympatho-vagale Balance
SD1
SD2
LF/HF ↑ = Sympathikus ↑
LF/HF ↓ = Parasympathikus ↑
20
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Frequenzbereich
Modelle der sympatho-vagalen Balance
Quelle: Mück-Weymann 2003
21
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Phasenbereich
Poincaré-Plot
Lorenz-Plot
Recurrence-Plot
Scatter-Plot
Return Map
Streudiagramm
Quelle: Hottenrott 2001
22
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Phasenbereich
Variabilitätsmaß
MeanRR
SDNN
SD1
• Kurzzeitvariabilität
• Einheit: [ms]
RMSSD
pNN50
Poincaré Plot (Streudiagramm)
LF
HF
LF/HF
SD1
SD2
Quelle: Hottenrott 2001
23
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Phasenbereich
Variabilitätsmaß
MeanRR
SDNN
SD2
• Langzeitvariabilität
• Einheit: [ms]
RMSSD
pNN50
Poincaré Plot (Streudiagramm)
LF
HF
LF/HF
SD1
SD2
Quelle: Hottenrott 2001
24
HRV / HRV-Analyse
HRV-Analyse im Phasenbereich
Kammerflimmern
Esperer, HD: Neue Methoden
zur Detektion und Differenzierung
von kardialen Arrhythmien.
Habil.schrift, Otto-v.-Guericke-Univ.
Magdeburg, Med. Fak., 2002
Die Interpretation der Musterabweichung des Plots bleibt Kardiologen überlassen.
25
HRV / HRV-Analyse
Klinische Beispiele
Patient HM:
Patient KF:
Patient GT:
gehäufte SVES und VES z.T.
in Couplet- u. Tripletform
AV Block II °
(Wenckebach)
VHF bis 14.30 Uhr,
danach SR
HRV / HRV-Analyse
Vor- und Nachteile der Phasenraumanalyse
Vorteile:
 gute Visualisierung komplexer Vorgänge (anschauliche Grafik),
 keine strenge Voraussetzung der lückenlosen Zeitreihe,
 robust gegenüber Artefaktüberlagerung und Extrasystolen
(gut geeignet bei Patienten mit hoher Prävalenz von VES u. SVES)
Nachteil:
 nur das Gesamtschwingungsverhalten wird erkannt, keine
Differenzierung der einzelnen Schwingungsgeneratoren möglich
27
HRV / HRV-Analyse
Weitere Methoden /neuere Entwicklungen
 Zero-Crossing-Verfahren
 zirkuläre und nichtzirkuläre Autokorrelationsfunktionen
 modulierte autoregressive Verfahren
 Wavelet-Transformation (auch für nicht stationäre Signale und
kurzer Analysedauer)
 Trigonometrische Regressive Spektralanalyse (TRS)
 Cluster-Spektralanalyse
 Lyapunov-Exponent
 Cholmogorov-Entropie
 fraktale Dimensionen und
 weitere moderne Verfahren der Chaosforschung
28
Einflussfaktoren
Gliederung

Einleitung

Physiologische Grundlagen

Herzratenvariabilität (HRV) und HRV-Analyse

Einflussfaktoren auf HRV

Anwendungsfeld: Messung psychischer
Belastungen

Qualitätssicherung von Studienergebnissen
29
Einflussfaktoren
Einflussfaktoren auf die HRV
(mod. nach Hottenrott 2007)
30
Einflussfaktoren
Wichtig
Confounderausschaltung
Confoundereinbeziehung
HRV-Daten
Wertung
HRV-Daten
Filter (Confounder)
Wertung
Confounder
Keine HRV-Analyse
ohne ausreichende Confoundereinbeziehung bzw.
Berücksichtigung !!!
31
Anwendung
Gliederung

Einleitung

Physiologische Grundlagen

Herzraten (HRV) und HRV-Analyse

Einflussfaktoren auf HRV

Anwendungsfeld: Messung psychischer
Belastungen

Qualitätssicherung von Studienergebnissen
32
Anwendung
Die HRV



als Indikator für psychophysische Zustände des
Organismus (Mück-Weymann 2004)
als Indikator für Einschränkungen organismischer
Adaptations- und Anpassungsfähigkeit für
biopsychosoziale Fragestellungen (Mück-Weymann 2004)
als Indikator der psychischen Beanspruchung (Kalsbeek &
Ettema 1963, Luczak & Laurig 1973, Mulder G 1980, Egelund 1982, 1985, Aasman et
al. 1987, Böckelmann et al. 2003, Pfister et al. 2006)

als Beanspruchungsindikator an Arbeitsplätzen (z.B. bei
Einführung neuer Informations- und Kommunikationstechnologien, HMD-Nutzer, Komfort) (Roggentin 2010)
33
Anwendung
HRV beim kardiochirurgischen Eingriff
Group A: LF/HF-Ratio des erfahrenden Herzchirurgen bei der Arbeit
Group B: LF/HF-Ratio des erfahrenden Herzchirurgen bei der Supervision eines unerfahrenen
Chirurgen
[Song et al. 2009]
34
Anwendung
HRV beim intraoperativen Stress
35
Anwendung

Stressanalyse und Stressbewältigung über HRVBiofeedback-Methoden

Analyse der Schlafstörungen
36
Anwendung

Grad der Entspannung oder Anspannung
Streudiagramme eines Erwachsenen bei
entspanntem Zustand
Streudiagramme eines Erwachsenen bei
gestresstem Zustand
Anwendung

Objektivierung von Entspannungseffekten mit Hilfe
der HRV
Streudiagramme einer Marathonsiegerin
beim Marathon-Lauf
2 Tage danach
eine Woche danach
38
Anwendung
Stress als Risikofaktor für KHK
Chronischer Stress
chronische (Über-)Aktivierung
des sympathischen
Nervensystem
Kardiale Erkrankung
39
Qualitätssicherung
Gliederung

Einleitung

Physiologische Grundlagen

Herzraten (HRV) und HRV-Analyse

Einflussfaktoren auf HRV

Anwendungsfeld: Messung psychischer
Belastungen

Qualitätssicherung von Studienergebnissen
40
Qualitätssicherung
Messung der HRV

Voraussetzungen:



Nichtinvasivität (Oberflächenelektroden!)
Robustheit (insbesondere bei Felduntersuchungen)
Rückwirkungsfreiheit (klein, wenig störend, das
Verfahren darf das Messergebnis selbst nicht
beeinflussen)
41
[Frauendorf H et al. 2005, Leitlinie DGAUM, Pfister et al. 2007]
Qualitätssicherung
Störungen
[mod. nach Sammito 2008]
42
Qualitätssicherung
43
Qualitätssicherung
Qualitätssicherung
von Studienergebnissen (I)

Immer vorher ein Ruhe-EKG schreiben (Psychologen,
Arbeitswissenschaftler missachten dies des Öfteren)

Wahl des Transformationsalgorithmus (AR, FFT)

Anwendungsvoraussetzung der verwendeten
frequenzanalytischen Verfahren, Gewährleistung der
Stationarität der RR-Zeitreihe bei Spektralanalyse

Kriterien der Parametergewinnung (Ordnung des
autoregressiven Modells, Definition der Frequenzbänder)
44
Qualitätssicherung
Qualitätssicherung
von Studienergebnissen (II)

gewählte Messdauer (Länge der Analysesequenz) bzw. die
zugrunde gelegte Datenmenge für die Auswertung (min. 5
min.)

Elimination von Artefakten, die bei körperlicher Tätigkeit im
Vergleich zur Ruhemessung vermehrt auftreten

Art der Datenvorbereitung und -filterung
45
Qualitätssicherung
Qualitätssicherung
von Studienergebnissen (III)

Resampling
(Wahl der Abtastfrequenz: 1000 Hz = millisekundengenau)

Fensterung

Die Interpretation der HRV sollte man bei der Softwareautomatisierten Auswertung auf der Grundlage von
mehreren Parameter vornehmen.
46
Qualitätssicherung
Vergleichbarkeit von HRV-Ergebnissen
 Um die Messungen an verschiedenen Personen, oder
auch zu verschiedenen Zeiten vergleichen zu können,
müssen die Einflussfaktoren berücksichtigt werden.
 Vergleichende HRV-Untersuchungen immer zur
gleichen Tageszeit !
47
Qualitätssicherung
Vergleichbarkeit von HRV-Ergebnissen

Vergleiche von HRV-Parametern sind nur bei
zeitgleicher Analysedauer durchzuführen!

HRV aus long term Aufzeichnungen über 24h nicht mit
short term Aufzeichnung von z. B. 5 Minuten
vergleichen!
Erst dann sind diese Vergleiche aussagekräftig!
48
Qualitätssicherung
Kritik
[ Nickel P, Eilers K, Seehase L, Nachreiner F (2002) Zur Reliabilität,
Validität, Sensitivität und Diagnostizität von Herzfrequenz- und
Herzfrequenzvariabilitätsmaßen als Indikatoren psychischer Beanspruchung.
Z Arb Wiss 56:22-36]
berechtigt, wenn nicht beachtet wird:
• HRV-Maße streuen stark inter- und intraindividuell
• ungenügende Confounderbeachtung bzw. -berücksichtigung
• keine ausreichende Probandenzahl für Arbeitsplatzbewertung
Der rückwirkungsarmen, nichtinvasiven Methodik und der relativ
einfachen Datenerfassung (EKG und nachfolgende Verarbeitung)
steht eine relativ schwierige Interpretation gegenüber!
49
Qualitätssicherung
Analyse der HRV im Zeitbereich (für 24h-Messung)
HRV Leit-/Richtlinien
Einheit
Normwert (Mw ±
StAbw)
SDNN
ms
141 ± 39
SDANN
ms
127 ± 35
RMSSD
ms
27 ± 12
HRV triangular
index

„Task Force of the European
Society of Cardiology“
and
37 ± 15
Analyse der HRV im Frequenzbereich (für 5-min-Messung)
Total power
ms²
3466 ± 1018
LF
ms²
1170 ± 416
HF
ms²
975 ± 20
LF/HF ratio
1,5 – 2,0
„The North American Society of Pacing and
Electrophysiology“
European Heart Journal (1996) 17, 354–381

Leitlinie der DGAUM „Herzrhythmusanalyse in der
Arbeitsmedizin“
50
Qualitätssicherung
Abschließende Bemerkungen



Die HRV-Analyse ist ein etabliertes Verfahren (Kardiologie,
Diabetologie, Endokrinologie, Neurologie, Intensivmedizin,
Arbeitsphysiologie, Sportmedizin, Geburtsmedizin,
Pharmakologie).
Vor unkritischer Anwendung und unzureichender
Einarbeitung muss gewarnt werden.
Das Nutzen dieses Verfahrens zeigt neue Möglichkeiten
der frühen Diagnostik / Risikoeinschätzung
kardiovaskulärer Erkrankungen sowie lässt die
Rückschlüsse auf die psychische Belastung ziehen.
Die Zeit ist reif für eine breite Anwendung
der HRV-Analyse in der
(praktischen) Arbeits-/Betriebsmedizin!
51
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
Kontakt
IAM
Tel.: 0391-67 15056
Fax: 0391-67-15083
Email: [email protected]