Herzfrequenzvariabilität - Heart rate variability
Die Herzratenvariabilität ( HRV ) ist das physiologische Phänomen der Variation des Zeitintervalls zwischen den Herzschlägen. Sie wird durch die Variation im Beat-to-Beat-Intervall gemessen.
Andere verwendete Begriffe sind: "Zykluslängenvariabilität", "R-R-Variabilität" (wobei R ein Punkt ist, der dem Peak des QRS-Komplexes der EKG- Welle entspricht; und RR ist das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Rs) und "Herzperiode Variabilität".
Zu den zur Erkennung von Schlägen verwendeten Methoden gehören: EKG, Blutdruck, Ballistokardiogramme und das Pulswellensignal, das von einem Photoplethysmograph (PPG) abgeleitet wird. Das EKG gilt als überlegen, weil es eine klare Kurvenform bietet, die es einfacher macht, Herzschläge auszuschließen, die nicht vom Sinusknoten stammen . Der Begriff "NN" wird anstelle von RR verwendet, um die Tatsache hervorzuheben, dass die verarbeiteten Schläge "normale" Schläge sind.
Klinische Bedeutung
Es wurde gezeigt, dass eine reduzierte HRV ein Prädiktor für die Mortalität nach Myokardinfarkt ist, obwohl andere gezeigt haben, dass die für das Überleben eines akuten Myokardinfarkts relevanten Informationen der HRV vollständig in der mittleren Herzfrequenz enthalten sind. Eine Reihe anderer Ergebnisse und Zustände können ebenfalls mit einer modifizierten (normalerweise niedrigeren) HRV in Verbindung gebracht werden, einschließlich kongestiver Herzinsuffizienz , diabetischer Neuropathie , Depression nach Herztransplantation , Anfälligkeit für SIDS und schlechtem Überleben bei Frühgeborenen sowie Schwere der Müdigkeit in Chronisches Müdigkeitssyndrom .
Psychologische und soziale Aspekte
Im Bereich der Psychophysiologie besteht Interesse an HRV . HRV steht beispielsweise im Zusammenhang mit emotionaler Erregung. Es wurde festgestellt, dass die Hochfrequenzaktivität (HF) unter Bedingungen von akutem Zeitdruck und emotionaler Belastung und erhöhtem Angstzustand abnimmt, vermutlich im Zusammenhang mit fokussierter Aufmerksamkeit und motorischer Hemmung. Es hat sich gezeigt, dass die HRV bei Personen, die sich mehr Sorgen machen, reduziert wird. Bei Personen mit posttraumatischer Belastungsstörung (PTSD) ist die HRV und ihre HF-Komponente (siehe unten) reduziert, während die niederfrequente (LF)-Komponente erhöht ist. Darüber hinaus zeigten PTSD-Patienten keine LF- oder HF-Reaktivität auf die Erinnerung an ein traumatisches Ereignis.
Die neuroviszerale Integration ist ein Modell der HRV, das das zentrale autonome Netzwerk als Entscheidungsträger der kognitiven, verhaltensbezogenen und physiologischen Regulation in Bezug auf ein Emotionskontinuum betrachtet. Das neuroviszerale Integrationsmodell beschreibt, wie der präfrontale Kortex die Aktivität in limbischen Strukturen reguliert, die die Aktivität des parasympathischen Nervensystems (PSNS) unterdrücken und die Schaltkreise des sympathischen Nervensystems (SNS) aktivieren. Variationen im Output dieser beiden Zweige des autonomen Systems produzieren HRV und Aktivität im präfrontalen Kortex kann daher die HRV modulieren.
Die HRV ist das Maß für die inkonsistenten Lücken zwischen jedem Herzschlag und wird als Index für verschiedene Aspekte der Psychologie verwendet. HRV soll ein Index für den Einfluss sowohl des parasympathischen Nervensystems als auch des sympathischen Nervensystems sein. Verschiedene Aspekte der Psychologie repräsentieren das Gleichgewicht dieser beiden Einflüsse. Zum Beispiel zeigt eine hohe HRV eine angemessene Emotionsregulation, Entscheidungsfindung und Aufmerksamkeit, und eine niedrige HRV spiegelt das Gegenteil wider. Das parasympathische Nervensystem arbeitet schnell, um die Herzfrequenz zu senken, während das SNS langsam arbeitet, um die Herzfrequenz zu erhöhen, und dies ist wichtig, da es für die verschiedenen oben genannten psychischen Zustände gilt. Zum Beispiel kann jemand mit hoher HRV eine erhöhte parasympathische Aktivität widerspiegeln, und jemand mit niedriger HRV kann eine erhöhte sympathische Aktivität widerspiegeln.
Emotionen ergeben sich aus der Zeit und dem Einfluss einer Situation auf eine Person. Die Fähigkeit, Emotionen zu regulieren, ist für das soziale Umfeld und das Wohlbefinden unerlässlich. HRV hat ein Fenster zu den physiologischen Komponenten bereitgestellt, die mit der emotionalen Regulation verbunden sind. Es hat sich gezeigt, dass die HRV die emotionale Regulation auf zwei verschiedenen Ebenen widerspiegelt, während sie sich ausruht und eine Aufgabe erledigt. Die Forschung legt nahe, dass eine Person mit einer höheren HRV in Ruhe angemessenere emotionale Reaktionen liefern kann als eine Person mit einer niedrigen HRV in Ruhe. Empirische Untersuchungen ergaben, dass die HRV eine bessere emotionale Regulation durch Personen mit einer höheren Ruhe-HRV widerspiegeln kann, insbesondere bei negativen Emotionen. Beim Erledigen einer Aufgabe unterliegt die HRV Veränderungen, insbesondere wenn Menschen ihre Emotionen regulieren müssen. Vor allem hängen individuelle Unterschiede mit der Fähigkeit zusammen, Emotionen zu regulieren. Nicht nur emotionale Regulierung ist notwendig, sondern auch Aufmerksamkeit.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass ein großer Teil der Aufmerksamkeitsregulation auf die standardmäßigen hemmenden Eigenschaften des präfrontalen Kortex zurückzuführen ist. Top-down-Prozesse aus dem präfrontalen Kortex liefern parasympathische Einflüsse, und wenn diese Einflüsse aus irgendeinem Grund aktiv sind, kann die Aufmerksamkeit darunter leiden. Zum Beispiel haben Forscher vorgeschlagen, dass HRV die Aufmerksamkeit indizieren kann. Zum Beispiel fand eine Gruppe von Forschern heraus, dass Gruppen mit hoher Angst und niedriger HRV eine schlechte Aufmerksamkeit haben. In Übereinstimmung mit dieser Forschung wurde auch vorgeschlagen, dass eine erhöhte Aufmerksamkeit mit einer hohen HRV und einer erhöhten Vagusnervaktivität in Verbindung gebracht wird. Die Vagusnervaktivität spiegelt die physiologische Modulation des parasympathischen und sympathischen Nervensystems wider. Die Aktivität hinter dem präfrontalen Kortex und dem parasympathischen und sympathischen Nervensystem kann die Herzaktivität beeinflussen. Allerdings sind nicht alle Menschen gleich betroffen. Eine systematische Überprüfung der HRV und der kognitiven Funktion legte nahe, dass die Ruhe-HRV individuelle Unterschiede in der Aufmerksamkeitsleistung vorhersagen kann. Auch in psychologischen Konzepten wie Aufmerksamkeit kann die HRV individuelle Unterschiede indizieren. Darüber hinaus konnte die HRV die Rolle von Aufmerksamkeit und Leistung indizieren und eine hohe HRV als Biomarker für erhöhte Aufmerksamkeit und Leistung unterstützen. Sowohl Emotionen als auch Aufmerksamkeit können Aufschluss darüber geben, wie die HRV als Index für die Entscheidungsfindung verwendet wird.
Entscheidungskompetenzen werden in mehreren Studien durch die HRV indiziert. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass sowohl Emotionen als auch Aufmerksamkeit mit der Entscheidungsfindung verbunden sind; zum Beispiel hängt eine schlechte Entscheidungsfindung mit der Unfähigkeit zusammen, Emotionen und Aufmerksamkeit zu regulieren oder zu kontrollieren und umgekehrt. Die Entscheidungsfindung wird durch eine niedrigere HRV negativ und durch eine höhere HRV positiv beeinflusst. Am wichtigsten ist, dass die HRV im Ruhezustand ein signifikanter Prädiktor für kognitive Funktionen wie die Entscheidungsfindung ist. Es wurde festgestellt, dass HRV, begleitet von einem psychologischen Zustand wie Angst, zu schlechten Entscheidungen führt. Eine Gruppe von Forschern fand beispielsweise heraus, dass eine niedrige HRV ein Index für eine höhere Unsicherheit ist, die zu einer schlechten Entscheidungsfindung führt, insbesondere bei solchen mit einem höheren Angstniveau. Die HRV wurde auch verwendet, um die Entscheidungskompetenz in einem Hochrisikospiel zu bewerten und erwies sich als ein Index für eine höhere sympathische Aktivierung (niedrigere HRV) bei Entscheidungen mit Risiko. HRV kann psychologische Konzepte wie die oben beschriebenen indizieren, um die Nachfrage nach Situationen zu beurteilen, die Menschen erleben.
Die polyvagale Theorie ist eine andere Möglichkeit, die Wege im autonomen Nervensystem zu beschreiben , die HRV vermitteln. Die polyvagale Theorie hebt drei Hauptordnungsprozesse hervor, die inaktive Reaktion auf eine Umweltbedrohung, die aktive Reaktion auf eine Umweltbedrohung und die Fluktuation zwischen dem Verbinden und Trennen bei einer Umweltbedrohung. Diese Theorie, wie auch andere, zerlegt die Herzfrequenzvariabilität basierend auf Frequenzbereichseigenschaften. Es legt jedoch mehr Wert auf die respiratorische Sinusarrhythmie und ihre Übertragung durch eine hypothetische neurale Bahn, die sich von anderen Komponenten der HRV unterscheidet. Es gibt anatomische und physiologische Hinweise auf eine polyvagale Kontrolle des Herzens.
Variation
Die Variation des Schlag-zu-Schlag-Intervalls ist ein physiologisches Phänomen. Der SA-Knoten empfängt mehrere verschiedene Eingaben und die momentane Herzfrequenz oder das RR-Intervall und ihre Variation sind die Ergebnisse dieser Eingaben.
Die wichtigsten Inputfaktoren sind das sympathische und parasympathische Nervensystem (PSNS) sowie humorale Faktoren . Die Atmung führt zu Herzfrequenzwellen, die hauptsächlich über das PSNS vermittelt werden, und es wird angenommen, dass die Verzögerung in der Barorezeptor- Feedback-Schleife zu 10-Sekunden-Wellen der Herzfrequenz führen kann (verbunden mit Mayer- Blutdruckwellen), aber dies bleibt umstritten .
Faktoren, die den Input beeinflussen, sind Baroreflex , Thermoregulation , Hormone , Schlaf-Wach-Rhythmus , Mahlzeiten, körperliche Aktivität und Stress .
Eine verringerte PSNS-Aktivität oder eine erhöhte SNS-Aktivität führt zu einer verringerten HRV. Insbesondere Hochfrequenz-(HF)-Aktivität (0,15 bis 0,40 Hz) wurde mit der PSNS-Aktivität in Verbindung gebracht. Eine Aktivität in diesem Bereich ist mit der respiratorischen Sinusarrhythmie (RSA) verbunden, einer vagal vermittelten Modulation der Herzfrequenz, so dass sie während der Inspiration ansteigt und während der Exspiration abnimmt. Über die physiologischen Inputs der niederfrequenten (NF) Aktivität (0,04 bis 0,15 Hz) ist weniger bekannt. Obwohl früher angenommen wurde, dass sie die SNS-Aktivität widerspiegeln, wird heute allgemein akzeptiert, dass sie eine Mischung aus SNS und PSNS widerspiegelt.
Phänomene
Es gibt zwei Hauptschwankungen:
- Respiratorische Arrhythmie (oder respiratorische Sinusarrhythmie ). Diese Herzfrequenzvariation ist mit der Atmung verbunden und verfolgt die Atemfrequenz über einen Frequenzbereich getreu nach.
- Niederfrequente Schwingungen. Diese Herzfrequenzvariation ist mit Mayer-Wellen (Traube-Hering-Mayer-Wellen) des Blutdrucks verbunden und hat normalerweise eine Frequenz von 0,1 Hz oder einer 10-Sekunden-Periode.
Artefakt
Fehler bei der Lokalisierung des momentanen Herzschlags führen zu Fehlern bei der Berechnung der HRV. Die HRV ist sehr empfindlich gegenüber Artefakten und Fehler von nur 2 % der Daten führen zu unerwünschten Verzerrungen bei den HRV-Berechnungen. Um genaue Ergebnisse zu gewährleisten, ist es daher wichtig, Artefakt- und RR-Fehler angemessen zu verwalten, bevor HRV-Analysen durchgeführt werden.
Ein robustes Management von Artefakten, einschließlich RWave-Identifizierung, Interpolation und Ausschluss, erfordert ein hohes Maß an Sorgfalt und Präzision. Dies kann in großen Studien mit Daten, die über einen langen Zeitraum aufgezeichnet werden, sehr zeitaufwändig sein. Softwarepakete sind in der Lage, Benutzer mit einer Vielzahl von robusten und getesteten Artefakt-Management-Tools zu unterstützen. Diese Softwareprogramme enthalten auch einige automatisierte Funktionen, aber es ist wichtig, dass ein Mensch jede automatisierte Artefaktverwaltung überprüft und entsprechend bearbeitet.
Analyse
Die am weitesten verbreiteten Verfahren lassen sich unter Zeitbereich und Frequenzbereich gruppieren. Eine gemeinsame europäische und amerikanische Arbeitsgruppe beschrieb 1996 Standards für HRV-Messungen. Andere Methoden wurden vorgeschlagen, wie nichtlineare Methoden.
Zeitbereichsmethoden
Diese basieren auf den Beat-to-Beat- oder NN-Intervallen, die analysiert werden, um Variablen wie:
- SDNN, die Standardabweichung von NN-Intervallen. Wird oft über einen Zeitraum von 24 Stunden berechnet. SDANN, die Standardabweichung der durchschnittlichen NN-Intervalle, berechnet über kurze Zeiträume, normalerweise 5 Minuten. SDANN ist daher ein Maß für Veränderungen der Herzfrequenz aufgrund von Zyklen von mehr als 5 Minuten. SDNN spiegelt alle zyklischen Komponenten wider, die für die Variabilität im Erfassungszeitraum verantwortlich sind, und repräsentiert daher die Gesamtvariabilität.
- RMSSD (" Root Mean Square of Sukzessive Differenzen "), die Quadratwurzel des Mittelwerts der Quadrate der aufeinanderfolgenden Differenzen zwischen benachbarten NNs.
- SDSD (" Standardabweichung der aufeinander folgenden Differenzen "), die Standardabweichung der aufeinander folgenden Differenzen zwischen benachbarten NNs.
- NN50, die Anzahl der Paare aufeinanderfolgender NNs, die sich um mehr als 50 ms unterscheiden.
- pNN50, der Anteil von NN50 geteilt durch die Gesamtzahl der NNs.
- NN20, die Anzahl der Paare aufeinanderfolgender NNs, die sich um mehr als 20 ms unterscheiden.
- pNN20, der Anteil von NN20 geteilt durch die Gesamtzahl der NNs.
- EBC („ geschätzter Atemzyklus “), der Bereich (max-min) innerhalb eines sich bewegenden Fensters einer bestimmten Zeitdauer innerhalb des Untersuchungszeitraums. Die Fenster können sich selbstüberlappend bewegen oder streng unterschiedliche (sequentielle) Fenster sein. EBC wird häufig in Datenerfassungsszenarien bereitgestellt, in denen HRV-Feedback in Echtzeit ein primäres Ziel ist. Es wurde gezeigt, dass EBC, die aus PPG über sequentielle und überlappende Fenster von 10 Sekunden und 16 Sekunden abgeleitet wurde, stark mit SDNN korreliert.
Geometrische Methoden
Die Reihe von NN-Intervallen kann auch in ein geometrisches Muster umgewandelt werden, wie zum Beispiel: Geometrische Maße HRV-Dreiecksindex: Integral der Dichteverteilung / Maximum der Dichteverteilung maximaler HRV-Dreiecksindex = Anzahl aller NN-Intervalle / maximale Anzahl. Abhängig von der Länge des Behälters -> Angabe der Behältergröße + relative Unempfindlichkeit gegenüber der analytischen Qualität der Serie von NN-Intervallen - Notwendigkeit einer angemessenen Anzahl von NN-Intervallen zur Erzeugung des geometrischen Musters (in der Praxis 20 min bis 24 h) - nicht geeignet um kurzfristige Veränderungen der HRV zu beurteilen
- die Stichprobendichteverteilung der NN-Intervalldauern;
- Stichprobendichteverteilung von Unterschieden zwischen benachbarten NN-Intervallen;
- ein Streudiagramm jedes NN-(oder RR-)Intervalls mit dem unmittelbar vorangehenden NN-(oder RR-)Intervall – auch „Poincare-Plot“ oder (anscheinend irrtümlich) ein „Lorenz-Plot“ genannt;
und so weiter. Anschließend wird eine einfache Formel verwendet, die die Variabilität auf der Grundlage der geometrischen und/oder grafischen Eigenschaften des resultierenden Musters beurteilt.
Frequenzbereichsmethoden
Frequenzbereichsverfahren weisen Frequenzbänder zu und zählen dann die Anzahl der NN-Intervalle, die jedem Band entsprechen. Die Bänder sind typischerweise Hochfrequenz (HF) von 0,15 bis 0,4 Hz, Niederfrequenz (LF) von 0,04 bis 0,15 Hz und die sehr niedrige Frequenz (VLF) von 0,0033 bis 0,04 Hz.
Es stehen mehrere Analysemethoden zur Verfügung. Die spektrale Leistungsdichte (PSD) liefert mit parametrischen oder nichtparametrischen Verfahren grundlegende Informationen über die Leistungsverteilung über die Frequenzen. Eine der am häufigsten verwendeten PSD-Methoden ist die diskrete Fourier-Transformation . Verfahren zur Berechnung von PSD können allgemein als nichtparametrisch und parametrisch klassifiziert werden. In den meisten Fällen liefern beide Methoden vergleichbare Ergebnisse. Die Vorteile der nichtparametrischen Verfahren sind (1) die Einfachheit des verwendeten Algorithmus ( in den meisten Fällen schnelle Fourier-Transformation [FFT]) und (2) die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die Vorteile parametrischer Verfahren sind (1) glattere Spektralanteile, die unabhängig von vorgewählten Frequenzbändern unterschieden werden können, (2) einfache Nachbearbeitung des Spektrums mit automatischer Berechnung von nieder- und hochfrequenten Leistungsanteilen mit einfacher Identifikation der zentralen Frequenz jeder Komponente und (3) eine genaue Schätzung der PSD selbst bei einer kleinen Anzahl von Abtastwerten, bei denen das Signal stationär bleiben soll. Der grundlegende Nachteil parametrischer Verfahren ist die Notwendigkeit, die Eignung des gewählten Modells und seine Komplexität (dh die Ordnung des Modells) zu überprüfen.
Neben klassischen FFT-basierten Methoden zur Berechnung von Frequenzparametern ist das Lomb-Scargle-Periodogramm ein geeigneteres PSD-Schätzverfahren . Die Analyse hat gezeigt, dass das LS-Periodogramm eine genauere Schätzung der PSD als FFT-Methoden für typische RR-Daten liefern kann. Da es sich bei den RR-Daten um ungleichmäßig abgetastete Daten handelt, besteht ein weiterer Vorteil des LS-Verfahrens darin, dass es im Gegensatz zu FFT-basierten Verfahren verwendet werden kann, ohne dass die RR-Daten erneut abgetastet und Trends entfernt werden müssen.
Um Artefakte zu vermeiden, die bei der Berechnung der Leistung eines Signals entstehen, das einen einzelnen Spitzenwert hoher Intensität enthält (z. B. verursacht durch einen arrhythmischen Herzschlag), wurde alternativ das Konzept der „momentanen Amplitude“ eingeführt, das auf die Hilbert-Transformation der RR-Daten.
Alternativ bietet sich ein neu verwendeter HRV-Index an, der von den Wavelet-Entropiemaßen abhängt. Die Wavelet-Entropiemaße werden unter Verwendung eines in der Literatur definierten dreistufigen Verfahrens berechnet. Zuerst wird der Wavelet-Paketalgorithmus unter Verwendung der Daubechies 4 (DB4)-Funktion als Mutter-Wavelet mit einer Skala von 7 implementiert. Sobald die Wavelet-Koeffizienten erhalten sind, wird die Energie für jeden Koeffizienten wie in der Literatur beschrieben berechnet. Nach Berechnung der normalisierten Werte der Wavelet-Energien, die die relative Wavelet-Energie (oder die Wahrscheinlichkeitsverteilung) darstellen, werden die Wavelet-Entropien unter Verwendung der von Shannon gegebenen Entropiedefinition erhalten.
Nichtlineare Methoden
Angesichts der Komplexität der Mechanismen, die die Herzfrequenz regulieren, ist davon auszugehen, dass die Anwendung der HRV-Analyse basierend auf Methoden der nichtlinearen Dynamik wertvolle Informationen liefert. Obwohl von chaotischem Verhalten ausgegangen wurde, haben strengere Tests gezeigt, dass die Herzfrequenzvariabilität nicht als ein niedrigdimensionaler chaotischer Prozess beschrieben werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Anwendung chaotischer Globals auf die HRV den Diabetesstatus vorhersagt. Die am häufigsten verwendete nichtlineare Methode zur Analyse der Herzfrequenzvariabilität ist die Poincaré-Darstellung . Jeder Datenpunkt repräsentiert ein Paar aufeinanderfolgender Schläge, die x-Achse ist das aktuelle RR-Intervall, während die y-Achse das vorherige RR-Intervall ist. Die HRV wird quantifiziert, indem mathematisch definierte geometrische Formen an die Daten angepasst werden. Andere verwendete Methoden sind die Korrelationsdimension , symbolische Dynamik, nichtlineare Vorhersagbarkeit, punktweise Korrelationsdimension, trendbereinigte Fluktuationsanalyse , angenäherte Entropie, Stichprobenentropie , Multiskalen-Entropieanalyse, Stichprobenasymmetrie und Speicherlänge (basierend auf inverser statistischer Analyse). Es ist auch möglich, weitreichende Korrelationen geometrisch darzustellen.
Langzeitkorrelationen
Es wurde festgestellt, dass Sequenzen von RR-Intervallen langfristige Korrelationen aufweisen. Ein Manko dieser Analysen ist jedoch der Mangel an Anpassungsstatistiken, dh es werden Werte abgeleitet, die eine ausreichende statistische Genauigkeit aufweisen können oder nicht. Während verschiedener Schlafphasen wurden verschiedene Arten von Korrelationen gefunden.
Kreuzkorrelation mit anderen Systemen
Die Frage, wie Herzschlagrhythmen mit anderen physiologischen Systemen wie Lunge und Gehirn korrelieren, wurde von Bashan et al. Es wurde festgestellt, dass während des Wach-, Leicht- und REM-Schlafs die Korrelation zwischen Herzschlag und anderen physiologischen Systemen hoch ist, während sie im Tiefschlaf fast verschwinden.
Dauer und Umstände der EKG-Aufzeichnung
Zeitbereichsverfahren werden Frequenzbereichsverfahren vorgezogen, wenn Kurzzeitaufzeichnungen untersucht werden. Dies liegt daran, dass die Aufzeichnung mindestens das 10-fache der Wellenlänge der niedrigsten interessierenden Frequenzgrenze sein sollte. Daher ist eine Aufzeichnung von ungefähr 1 Minute erforderlich, um die HF-Komponenten der HRV zu beurteilen (dh eine untere Grenze von 0,15 Hz entspricht einem Zyklus von 6,6 Sekunden, sodass 10 Zyklen ~60 Sekunden benötigen), während mehr als 4 Minuten benötigt werden, um die die NF-Komponente (mit einer unteren Grenze von 0,04 Hz).
Obwohl Zeitbereichsmethoden, insbesondere die SDNN- und RMSSD-Methoden, verwendet werden können, um Aufzeichnungen von langer Dauer zu untersuchen, ist ein wesentlicher Teil der langfristigen Variabilität Tag-Nacht-Unterschiede. Daher sollten Langzeitaufzeichnungen, die mit Zeitbereichsmethoden analysiert werden, mindestens 18 Stunden an auswertbaren EKG-Daten enthalten, die die ganze Nacht umfassen.
Physiologische Korrelate der HRV-Komponenten
Autonome Einflüsse der Herzfrequenz
Obwohl die kardiale Automatität verschiedenen Herzschrittmachergeweben eigen ist, werden Herzfrequenz und -rhythmus weitgehend vom autonomen Nervensystem gesteuert. Der parasympathische Einfluss auf die Herzfrequenz wird durch die Freisetzung von Acetylcholin durch den Vagusnerv vermittelt. Muskarinische Acetylcholinrezeptoren reagieren auf diese Freisetzung hauptsächlich durch eine Erhöhung der K+-Leitfähigkeit der Zellmembran. Acetylcholin hemmt auch den durch Hyperpolarisation aktivierten "Schrittmacher"-Strom. Die "Ik-Zerfall"-Hypothese schlägt vor, dass die Depolarisation des Schrittmachers aus einer langsamen Deaktivierung des verzögerten Gleichrichterstroms Ik resultiert, der aufgrund eines zeitunabhängigen einwärts gerichteten Hintergrundstroms eine diastolische Depolarisation verursacht. Umgekehrt legt die "If-Aktivierung"-Hypothese nahe, dass If nach Beendigung des Aktionspotentials einen langsam aktivierenden Einwärtsstrom liefert, der über dem abklingenden Ik vorherrscht, wodurch eine langsame diastolische Depolarisation eingeleitet wird.
Der sympathische Einfluss auf die Herzfrequenz wird durch die Freisetzung von Adrenalin und Noradrenalin vermittelt. Die Aktivierung von β-adrenergen Rezeptoren führt zu einer cAMP-vermittelten Phosphorylierung von Membranproteinen und einem Anstieg von ICaL und von If. Das Endergebnis ist eine Beschleunigung der langsamen diastolischen Depolarisation.
Unter Ruhebedingungen herrscht der Vagustonus vor, und Variationen der Herzperiode hängen weitgehend von der Vagusmodulation ab. Die vagale und sympathische Aktivität interagieren ständig. Da der Sinusknoten reich an Acetylcholinesterase ist, ist die Wirkung eines Vagusimpulses nur kurz, da das Acetylcholin schnell hydrolysiert wird. Parasympathische Einflüsse übersteigen die sympathischen Effekte wahrscheinlich durch zwei unabhängige Mechanismen: eine cholinerg induzierte Reduktion der als Reaktion auf sympathische Aktivität freigesetzten Noradrenalin und eine cholinerge Abschwächung der Reaktion auf einen adrenergen Reiz.
Komponenten
Die RR-Intervallvariationen, die während Ruhebedingungen vorhanden sind, repräsentieren Schlag-für-Schlag-Variationen in kardialen autonomen Eingaben. Die efferente vagale (parasympathische) Aktivität trägt jedoch wesentlich zur HF-Komponente bei, wie in klinischen und experimentellen Beobachtungen autonomer Manöver wie elektrischer Vagusstimulation, Muskarinrezeptorblockade und Vagotomie gezeigt wird. Problematischer ist die Interpretation der NF-Komponente, die von einigen als Marker für die sympathische Modulation angesehen wurde (insbesondere wenn sie in normalisierten Einheiten ausgedrückt wird), heute jedoch bekannt ist, dass sie sowohl sympathische als auch vagale Einflüsse umfasst. So geht beispielsweise bei sympathischer Aktivierung die resultierende Tachykardie meist mit einer deutlichen Abnahme der Gesamtleistung einher, während bei vagaler Aktivierung das Gegenteil eintritt. Somit ändern sich die Spektralkomponenten in die gleiche Richtung und zeigen nicht an, dass LF sympathische Effekte getreu widerspiegelt.
Die HRV misst eher Schwankungen der autonomen Inputs zum Herzen als das mittlere Niveau der autonomen Inputs. Somit können sowohl ein Entzug als auch ein sättigend hohes Niveau an autonomem Input an das Herz zu einer verringerten HRV führen.
Bei mehreren kardiovaskulären und nichtkardiovaskulären Erkrankungen wurde über eine Verringerung der HRV berichtet.
Herzinfarkt
Eine erniedrigte HRV nach MI kann eine Abnahme der auf das Herz gerichteten Vagusaktivität widerspiegeln. HRV bei Patienten, die einen akuten Myokardinfarkt überlebt haben, zeigen eine Verringerung der Gesamt- und der individuellen Stärke der Spektralkomponenten. Das Vorhandensein einer Veränderung der neuralen Kontrolle spiegelt sich auch in einer Abschwächung der Tag-Nacht-Variationen des RR-Intervalls wider. Bei Post-MI-Patienten mit stark depressiver HRV verteilt sich der größte Teil der Restenergie im VLF-Frequenzbereich unter 0,03 Hz mit nur geringen atembedingten Schwankungen.
Diabetische Neuropathie
Bei einer mit Diabetes mellitus assoziierten Neuropathie, die durch eine Veränderung kleiner Nervenfasern gekennzeichnet ist, scheint eine Verringerung der Zeitbereichsparameter der HRV nicht nur einen negativen prognostischen Wert zu haben, sondern auch der klinischen Ausprägung der autonomen Neuropathie vorauszugehen. Bei Diabetikern ohne Hinweis auf eine autonome Neuropathie wurde auch über eine Verringerung der absoluten Kraft von LF und HF unter kontrollierten Bedingungen berichtet. In ähnlicher Weise können Diabetiker aufgrund der Verringerung der HRV von normalen Kontrollen unterschieden werden.
Herztransplantation
Bei Patienten mit einer kürzlich erfolgten Herztransplantation wurde über eine stark reduzierte HRV ohne eindeutige Spektralkomponenten berichtet. Es wird angenommen, dass das Auftreten diskreter Spektralkomponenten bei einigen Patienten die kardiale Reinnervation widerspiegelt. Diese Reinnervation kann bereits 1 bis 2 Jahre nach der Transplantation erfolgen und ist vermutlich sympathischen Ursprungs. Darüber hinaus weist auch eine Korrelation zwischen der Atemfrequenz und der HF-Komponente der HRV, die bei einigen transplantierten Patienten beobachtet wurde, darauf hin, dass ein nicht-neuronaler Mechanismus eine atembezogene rhythmische Schwingung erzeugen kann.
Myokardiale Dysfunktion
Bei Patienten mit Herzinsuffizienz wurde durchweg eine verringerte HRV beobachtet. Bei dieser Erkrankung, die durch Anzeichen einer sympathischen Aktivierung wie schnellere Herzfrequenzen und hohe Werte an zirkulierenden Katecholaminen gekennzeichnet ist, wurde ein Zusammenhang zwischen Veränderungen der HRV und dem Ausmaß der linksventrikulären Dysfunktion berichtet. Während die Verringerung der Zeitbereichsmessungen der HRV mit der Schwere der Erkrankung parallel zu sein schien, scheint die Beziehung zwischen spektralen Komponenten und Indizes der ventrikulären Dysfunktion komplexer zu sein. Insbesondere bei den meisten Patienten mit einem sehr fortgeschrittenen Krankheitsstadium und einer drastischen Reduktion der HRV konnte trotz klinischer Symptome einer Sympathikusaktivierung keine LF-Komponente nachgewiesen werden. Dies spiegelt wider, dass, wie oben erwähnt, der LF den Herzsympathikustonus möglicherweise nicht genau widerspiegelt.
Leberzirrhose
Leberzirrhose ist mit einem verminderten HRV verbunden. Eine verringerte HRV bei Patienten mit Zirrhose hat einen prognostischen Wert und sagt die Mortalität voraus. Der Verlust von HRV ist bei dieser Patientenpopulation auch mit höheren proinflammatorischen Zytokinspiegeln im Plasma und einer beeinträchtigten neurokognitiven Funktion verbunden.
Sepsis
Bei Patienten mit Sepsis ist die HRV erniedrigt. Der Verlust der HRV hat bei Neugeborenen mit Sepsis sowohl diagnostischen als auch prognostischen Wert. Die Pathophysiologie einer verringerten HRV bei Sepsis ist nicht gut verstanden, aber es gibt experimentelle Beweise dafür, dass eine teilweise Entkopplung von Herzschrittmacherzellen von der autonomen neuralen Kontrolle eine Rolle bei einer verringerten HRV während einer akuten systemischen Entzündung spielen kann.
Tetraplegie
Patienten mit chronischen kompletten hoch zervikalen Rückenmarksläsionen haben intakte efferente vagale Nervenbahnen, die zum Sinusknoten gerichtet sind. Eine LF-Komponente kann jedoch in HRV- und arteriellen Druckvariabilitäten einiger Tetraplegiker nachgewiesen werden. Somit repräsentiert die LF-Komponente der HRV bei denen ohne intakte sympathische Eingänge zum Herzen eine Vagusmodulation.
Plötzlichen Herztod
Es wurde festgestellt, dass Opfer eines plötzlichen Herztodes eine niedrigere HRV hatten als gesunde Personen. Es kann beobachtet werden, dass die HRV vor der Entwicklung von SCD depressiv ist, was die Frage aufwirft, ob eine veränderte autonome Funktion bei der Entwicklung einer elektrischen Instabilität eine Rolle spielt oder nicht. HRV ist auch bei SCD-Überlebenden depressiv, die ein hohes Risiko für nachfolgende Episoden haben.
Krebs
Laut einer systematischen Überprüfung veröffentlichter Studien korreliert die HRV mit dem Krankheitsverlauf und dem Outcome von Krebspatienten. Patienten in frühen Krebsstadien haben eine signifikant höhere HRV im Vergleich zu Patienten in späteren Krebsstadien, was darauf hindeutet, dass die Schwere der Erkrankung die HRV beeinflusst. Zwischen den Krebsarten können unterschiedliche HRV-Bereiche beobachtet werden.
Schwangerschaft
HRV-Veränderungen treten bei gesunden Schwangerschaften sowie ähnliche Veränderungen bei Schwangerschaften mit Gestationsdiabetes auf, die niedrigere HRV-Mittelwerte beinhalten.
Stimmungs- und Angststörungen
Ein niedriger RMSSD, von dem angenommen wird, dass er den Vagustonus darstellt, wurde mit einer Major Depression in Verbindung gebracht. Niedrigere SDNN und erhöhte LF/HF wurden bei Patienten mit bipolarer Störung gefunden, und insbesondere bei solchen, die aufgrund einer größeren Anzahl von Episoden, Krankheitsdauer und ob eine Psychose aufgetreten war, durch eine größere Schwere der Erkrankung gekennzeichnet waren. Patienten mit PTSD hatten auch eine niedrigere HF, ein Maß für den Vagustonus.
Modifikationen durch spezifische Eingriffe
Interventionen, die die HRV erhöhen, können vor Herzsterblichkeit und plötzlichem Herztod schützen. Obwohl die Gründe für eine Änderung der HRV stichhaltig sind, birgt sie auch die inhärente Gefahr in sich, zu der ungerechtfertigten Annahme zu führen, dass eine Änderung der HRV direkt zu einem Herzschutz führt, was möglicherweise nicht der Fall ist. Trotz des wachsenden Konsenses, dass eine Erhöhung der Vagusaktivität von Vorteil sein kann, ist noch nicht bekannt, wie viel Vagusaktivität (oder HRV als Marker) zunehmen muss, um einen angemessenen Schutz zu bieten.
β-adrenerge Blockade
Die Daten zur Wirkung von β-Blockern auf die HRV bei Post-MI-Patienten sind überraschend spärlich. Trotz der Beobachtung statistisch signifikanter Steigerungen sind die tatsächlichen Veränderungen sehr bescheiden. Bei Hunden mit Post-MI bei Bewusstsein verändern β-Blocker die HRV nicht. Die unerwartete Beobachtung, dass die β-Blockade vor einem MI die HRV nur bei den Tieren erhöht, bei denen ein niedriges Risiko für tödliche Arrhythmien nach einem MI besteht, könnte neue Ansätze zur Post-MI-Risikostratifizierung nahelegen.
Antiarrhythmika
Für mehrere Antiarrhythmika liegen Daten vor. Es wurde berichtet, dass Flecainid und Propafenon, aber nicht Amiodaron, die Zeitbereichsmessungen der HRV bei Patienten mit chronischer ventrikulärer Arrhythmie verringern. In einer anderen Studie reduzierte Propafenon die HRV und die LF viel stärker als die HF. Eine größere Studie bestätigte, dass Flecainid, auch Encainid und Moricizin, die HRV bei Post-MI-Patienten verringerten, fand jedoch keine Korrelation zwischen der Veränderung der HRV und der Mortalität während der Nachuntersuchung. Daher können einige Antiarrhythmika, die mit einer erhöhten Mortalität verbunden sind, die HRV reduzieren. Es ist jedoch nicht bekannt, ob diese Veränderungen der HRV eine direkte prognostische Bedeutung haben.
Scopolamin
Niedrig dosierte Muskarinrezeptorblocker wie Atropin und Scopolamin können eine paradoxe Zunahme der vagalen Wirkungen auf das Herz hervorrufen, was durch eine Verringerung der Herzfrequenz nahegelegt wird. Darüber hinaus können Scopolamin und niedrig dosiertes Atropin die HRV deutlich erhöhen. Obwohl sich die Herzfrequenz proportional zur (niedrigen) Dosis von Atropin verlangsamt, variiert der Anstieg der HRV jedoch stark zwischen und innerhalb der einzelnen Personen. Dies legt nahe, dass HRV sogar für die Vagusaktivität zum Herzen ein begrenzter Marker sein kann.
Thrombolyse
Die Wirkung einer Thrombolyse auf die HRV (beurteilt durch pNN50) wurde bei 95 Patienten mit akutem MI berichtet. Die HRV war 90 Minuten nach der Thrombolyse bei den Patienten mit Durchgängigkeit der infarktbezogenen Arterie höher. Dieser Unterschied war jedoch nicht mehr erkennbar, wenn die gesamten 24 Stunden analysiert wurden.
Bewegungstraining
Sportliches Training kann die kardiovaskuläre Mortalität und den plötzlichen Herztod verringern. Es wird auch angenommen, dass regelmäßiges körperliches Training die autonome Kontrolle des Herzens verändert. Personen, die regelmäßig Sport treiben, haben eine „Trainingsbradykardie“ (dh niedrige Ruheherzfrequenz) und haben im Allgemeinen eine höhere HRV als Personen mit sitzender Tätigkeit.
Biofeedback
Die Technik, die als Resonanzatmungs- Biofeedback bezeichnet wird, lehrt, wie man unwillkürliche Herzfrequenzvariabilität erkennt und kontrolliert. Eine randomisierte Studie von Sutarto et al. bewertete die Wirkung von Resonanzatmungs-Biofeedback bei Herstellern; Depressionen, Angstzustände und Stress nahmen deutlich ab. Eine erste Gesamtmetaanalyse von Goessl VC et al. (24 Studien, 484 Personen, 2017) weist darauf hin, dass „HRV-Biofeedback-Training mit einer starken Reduzierung von selbst berichtetem Stress und Angst verbunden ist“, während er anmerkt, dass mehr gut kontrollierte Studien erforderlich sind.
Blasinstrumente
Eine Studie, die die physiologischen Auswirkungen des Spielens von Flöten der amerikanischen Ureinwohner untersuchte, fand einen signifikanten Anstieg der HRV, wenn sowohl tiefe als auch hohe Flöten gespielt wurden.
Normalwerte der Standardmaße
Obwohl es keine allgemein anerkannten Standardwerte für die HRV gibt, die für klinische Zwecke verwendet werden können, hat die Task Force der European Society of Cardiology and Heart Rhythm Society (ehemals North American Society of Pacing Electrophysiology) erste normative Werte für Standardmaße von HRV:
| Zeitbereichsanalyse von nominellen 24 Stunden | Spektralanalyse stationärer 5-Minuten-Aufzeichnung in Rückenlage | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Variable | Einheiten | Normalwerte (Mittelwert ± SD) | Variable | Einheiten | Normalwerte (Mittelwert ± SD) | |
| SDNN | Frau | 141±39 | Totale Kraft | ms 2 | 3466 ±1018 | |
| SDANN | Frau | 127±35 | LF | ms 2 | 1170±416 | |
| RMSSD | Frau | 27±12 | HF | ms 2 | 975±203 | |
| HRV-Dreiecksindex | 37±15 | LF | nu | 54±4 | ||
| HF | nu | 29±3 | ||||
| LF/HF-Verhältnis | 1,5-2,0 | |||||