Herzfrequenzvariabilität

Als Herzfrequenzvariabilität eng. Heart rate variability (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.^[1]

Anfänge und aktueller Stand der HRV-Forschung

Bereits 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.

Definition

Der Abstand zwischen zwei Herzschlägen wird meistens definiert als die Zeit zwischen dem Beginn zweier Kontraktionen der Herzkammern. Dieser Beginn der Kammerkontraktion erscheint im Elektrokardiogramm (EKG) als so genannte R-Zacke. Der Abstand zwischen zwei R-Zacken wird daher als RR-Intervall bezeichnet (um eine Verwechslung mit der Blutdruckangabe RR (nach Riva-Rocci) zu vermeiden, wird teilweise auch die Bezeichnung NN verwendet). Das RR-Intervall lässt sich als Kehrwert in die Herzfrequenz umrechnen (60 BPM ~ 1000 ms: 60 Beats per minute ~ 1000 Millisekunden RR-Abstand). Die RR-Intervalle sind im Regelfall nicht gleich lang, sondern unterliegen Schwankungen. Die Quantifizierung dieser Schwankungen bezeichnet man als Herzfrequenz- oder Herzratenvariabilität (HRV).

Physiologie der Herzratenvariabilität

Ein Herzschlag wird beim gesunden Individuum durch einen Impuls des Sinusknotens als zentralem Taktgeber des autonomen Erregungssystems des Herzens ausgelöst. Dieses steht seinerseits unter dem Einfluss des übergeordneten vegetativen Nervensystems, wobei über den Sympathikus ein aktivierender Einfluss ausgeübt wird, der u. a. eine Erhöhung der Herzfrequenz zur Folge hat. Körperliche und psychische Belastungen gehen mit einer Steigerung der Aktivität des Sympathikus einher, parallel zu der vom Vagus regulierte Körperfunktionen wie etwa Verdauung reduziert werden. Äußere Einflüsse (Reize), psychische Vorgänge (Gedanken) oder mechanische Abläufe (Atmung) greifen dabei komplex ineinander, können sich dabei aber je nach eigenem Gewicht auch unterschiedlich auf den Herzschlag auswirken.

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.

Im Vergleich zum normalen Elektrokardiogramm, bei dem die Kurvenform diagnostische Bedeutung hat, steht bei der Messung der Herzratenvariabilität die zeitliche Auflösung der RR-Abstände im Vordergrund. Beste Geräte erreichen heute bis zu 8000 Abtastwerte pro Sekunde, was eine zwanzigfach genauere Messung der Herzratenvariabilität als mit einem handelsüblichen Holter-EKG zulässt.^[2] Dadurch können Unterschiede bei älteren Menschen ebenso wie bei Stress valide durchgeführt werden.

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).

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, VLF (very low frequency), LF (low frequency, mitunter auch als MF (middle frequency) bezeichnet) 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

(vgl.^[3][4][5])

Eine 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 gleichmäßig 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 zweidimensionalen Darstellung die NN-Zeitreihe auf sich selbst abgebildet wird.^[6]

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.^[7]

Bedeutung

Da die Herzratenvariabilität ihren Ursprung in der Funktion des vegetativen Nervensystems hat, lassen sich prinzipiell Krankheiten erkennen, bei denen es darüber zu Auswirkungen auf den Herzschlag kommt. Dabei sind Erkrankungen zu unterscheiden, die direkt das autonome Nervensystem schädigen, und Krankheiten, die sich etwa über dauerhaft erhöhte Stoffwechselbeanspruchungen indirekt auf das autonome Nervensystem auswirken.

Ein Beispiel für die erste Gruppe von Krankheiten ist die diabetische Neuropathie, eins aus der anderen die koronare Herzkrankheit. Auch psychische Erkrankungen können über eine Erhöhung des Katecholaminspiegels und die Sympathikusaktivierung erkennbare Folgen auf die Herzaktivität haben; die Herzfrequenzvariabilität kann daher auch im Bereich der Neuropsychiatrie zu diagnostischen Zwecken herangezogen werden.

Weitere Erkrankungen mit Veränderungen der Herzratenvariabilität sind:

• Asphyxie bei Neugeborenen^[8]
• plötzlicher Herztod nach Herzinfarkt^[9] (als prädiktiver Wert)
• Asthma^[10]
• Traumapatienten, als prädiktiver Wert für die Mortalität, unabhängig von Mechanismus, Ort oder Schwere der Verletzung^[11]
• Sepsis, genauer gesagt schon vor klinischer Diagnosestellung der Sepsis beginnt die HRV, abzufallen^[12]

HRV in Stressmedizin und Psychophysiologie

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 bzw. 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.^[13] 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 Settings 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.^[14]

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.^[15][16][17]

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.^[18]

HRV-Training, DHEA und Depressionen

Eine Studie aus den USA lässt darauf schließen, dass sich nach einem Training von täglich 30 Minuten über einen Zeitraum von 4 Wochen, der Spiegel des so genannten Jugendhormons DHEA^[19] um durchschnittlich 100 Prozent erhöht hatte.

DHEA wird in der Nebennierenrinde hergestellt und enzymatisch zu verschiedenen Hormonen umgebaut. In Untersuchungen war festzustellen, dass DHEA Abläufe im zentralen Nervensystem beeinflussen kann. Es wird vermutet, DHEA könne an Bindungsstellen koppeln, die für bestimmte Botenstoffe der Nerven vorgesehen sind (NMDA-, Sigma- und GABA-Rezeptoren) und deren Konzentration verändern, beispielsweise den Serotonin-Gehalt in bestimmten Hirnarealen erhöhen. Dabei zeichnet sich ein entsprechendes Wirkmuster wie auch bei Medikamenten mit anti-depressiver Wirkung ab.^[20]

HRV-Training bei Herzinsuffizienz

Die National Institutes of Health erteilten Luskin von der Stanford University Fördermittel zur Erforschung zur Schulung im HRV-Training bei Patienten mit schwerer Herzinsuffizienz. Die Patienten litten unter Atemnot, Müdigkeit, Ödemen und vielfach zusätzlich unter Ängsten und Depressionen. Nach sechswöchiger Behandlung hatte das Stressniveau der Gruppe, die gelernt hatte das HRV-Training einzusetzen, um 22 Prozent abgenommen und die Depression um 34 Prozent, während der körperliche Zustand in der Hinsicht, ohne Atemnot zu gehen, sich um 14 Prozent verbessert hatte. Es wurde jedoch keine Veränderung der HRV beobachtet.

Bei der Kontrollgruppe, in der konventionelle Mittel zur Anwendung kamen, hatten sich alle genannten Indikatoren gegenüber den Ausgangswerten verschlechtert.^[21]

Literatur

• Kuno Hottenrott (Hrsg.): Herzfrequenzvariabilität: Methoden und Anwendungen in Sport und Medizin. Schriften der dvs. Bd. 162. Czwalina, Hamburg 2006, ISBN 3-88020-480-2, hottenrott.info, Inhaltsverzeichnis (PDF) und Abstracts (PDF) der einzelnen Beiträge; dargestellt werden auch lineare und neuere, nicht-lineare Analysemethoden der Herzfrequenzvariabilität und deren physiologische Hintergründe mit Vor- und Nachteilen der einzelnen Verfahren.
• Kuno Hottenrott (Hrsg.): Trainingskontrolle mit Herzfrequenz-Messgeräten. Meyer & Meyer, Aachen 2006, ISBN 3-89899-173-3 (Leseprobe: Herzfrequenzvariabilität (PDF)). 
• M Mück-Weymann, T Loew, D Hager: Multiparametrisches Bio-Monitoring mit einem computerunterstützten System für psychophysiologische Diagnostik, psychophysiologisch gesteuerte Therapie und Biofeedback. In: Psycho, 5, 1996, S. 378–384.
• M Mück-Weymann: Die Herzratenvariabilität als globaler Adaptivitätsfaktor in psycho-neuro-kardialen Funktionskreisen. In: D Mattke (Hrsg.): Vom Allgemeinen zum Besonderen: Störungsspezifische Konzepte und Behandlung in der Psychosomatik. Verlag für Akademische Schriften, Frankfurt/Main 2002, S. 322–327.
• M Mück-Weymann: Körperliche und seelische Fitness im Spiegel der Herzfrequenzvariabilität. Reihe „Biopsychologie & Psychosomatik“, Band 10. Verlag Hans Jacobs, Lage 2003.
• Rollin McCraty, Mike Atkinson, William Tiller, Glen Rein, Alan D. Watkins: The Effects of Emotion on Short-Term Power Spectrum Analysis of Heart Rate Variability (PDF; 860 kB) In: The American Journal of Cardiology. 76, NO.4, 15. November 1995, S. 1089–1093
• Michael A. Cohen, J. Andrew Taylor: Short-term cardiovascular oscillations in man: measuring and modelling the physiologies. In: J. Physiol., 2002, 542, S. 669–683

Weblinks

• Deutschsprachige Informationen zur HRV
• Wolfgang Bossinger, Michael Mück-Weymann: Auswirkung von Stimme, Gesang und Atem auf die Herzratenvariabilität (HRV) mögliche musiktherapetische und gesundheitsfördernde Anwendungsbereiche. (PDF; 96 kB) 2005, S. 3. Universität Ulm, Abteilung Psychosomatische Medizin und Psychotherapie
• Josef Christian Arlt: Der Einfluß der Neuropeptide-Releasing-Hormon, Atriales-Natriuretisches-Peptid und Cholecystokinitetrapeptid auf das autonome Nervensystem, Hamburg 2004, DNB 974076996/34 (PDF). Die Dissertation beschreibt auf Seite 6 bis 23 die Geschichte der HRV, den Bezug zum Autonomen Nervensystem und den physiologischen Hintergrund, HRV-Analyseverfahren sowie einige Hintergrundstudien.
• E.A. Pfister, H. Rüdiger, K. Scheuch: Herzrhythmusanalyse in der Arbeitsmedizin. Leitlinien der Deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e. V. (DGAUM) Uni-Düsseldorf, Arbeitsgemeinschaft der Wissenschaftlichen Medizinischen Fachgesellschaften, 2001, Letzte Überarbeitung: 11/2006, Verabschiedet vom Vorstand der DGAUM: November 2006
• O. Hoos, B. Heidenreich, M. Betz, O. Stoll, K. Hottenrott: Effekte einer körperorientierten Entspannung auf HRV und Befindlichkeit. (PDF; 461 kB)
• M.Moser et al.: Heart Rate Variability as a prognostic tool in cardiology (PDF; 500 kB) erklärt die physiologischen Grundlagen der herzschützenden Funktion der Herzfrequenzvariabilität.

Einzelnachweise

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