Frequenzanalyse der HRV, klar erklärt

Ein Spektrum teilt die Variabilität der Schlagfolge nach Rhythmen auf: wie viel in langsamen Wellen steckt und wie viel in der Atemwelle. Dafür braucht es vier Entscheidungen (Neuabtastung, Trendbereinigung Trendbereinigung Trendbereinigung Das Entfernen der langsamen Drift aus einer Folge von Schlagabständen, bevor ein Spektrum berechnet wird, damit sich die Drift nicht als falsche Leistung in den tiefsten Frequenzen niederschlägt. Mehr zu Trendbereinigung , Fenster und Methode), und jede verändert die Werte. Deshalb kommen zwei Programme bei derselben Aufzeichnung zu unterschiedlichen Ergebnissen. Diese Lektion geht die Kette an der Beispielaufzeichnung durch und zeigt dann die wichtigste Störgröße: die Atemfrequenz Atemfrequenz Atemfrequenz Atemzüge pro Minute. Die Atmung allein verändert schon die HRV: Langsames, tiefes Atmen vergrößert die Schwankung; unter etwa 9 pro Minute wandert sie vom HF- ins LF-Band. Mehr zu Atemfrequenz .

Die Beispielaufzeichnung wurde eigens dafür erstellt. Ihre 341 Intervalle enthalten eine Atemwelle bei 0,25 Hz (15 Atemzüge pro Minute, 35 ms hoch), eine Blutdruckwelle bei 0,10 Hz (15 ms), eine langsame Drift bei 0,02 Hz (10 ms) und 6 ms zufälliges Rauschen von Schlag zu Schlag. Eine gute Analyse sollte diese drei Wellen in diesen drei Bändern finden.

Was ein Spektrum ist

Jede schwankende Folge lässt sich als Summe von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen schreiben. Das Spektrum gibt an, wie viel Varianz jede Frequenz trägt, in ms² pro Hz. Addiert man das Spektrum zwischen zwei Frequenzen, erhält man die Leistung dieses Bandes in ms²:

$$P_{\mathrm{band}} = \int_{f_1}^{f_2} S(f)\,\mathrm{d}f$$

Lesen Sie es so: die Fläche unter dem Spektrum zwischen der unteren und der oberen Grenze des Bandes. Addiert man alle Bänder, erhält man, abgesehen von den Anteilen, die die Trendbereinigung entfernt hat, die Varianz der Folge, den quadrierten SDNN SDNN SDNN Die Standardabweichung aller NN-Intervalle einer Aufzeichnung, in Millisekunden. Sie misst die Gesamtvariabilität, und ihr Wert hängt stark von der Dauer der Aufzeichnung ab. Mehr zu SDNN . Die Task Force der European Society of Cardiology und der North American Society of Pacing and Electrophysiology (1996) legte die Bänder fest: ULF ULF ULF-Leistung Die Varianz der Herzschlagintervalle unterhalb von 0,003 Hz, in ms²: Rhythmen, die langsamer sind als ein Zyklus alle 5 Minuten, darunter der Tag-Nacht-Wechsel. Messbar nur aus einer 24-Stunden-Messung. Mehr zu ULF-Leistung unterhalb von 0,003 Hz, VLF VLF VLF-Leistung Die Varianz der Herzschlagabstände im Band von 0,003 bis 0,04 Hz, in ms²: Rhythmen, die sich alle 25 Sekunden bis 5 Minuten wiederholen. Nötig sind mindestens 5 Minuten Aufzeichnung; am besten beurteilt man sie über 24 Stunden. Mehr zu VLF-Leistung 0,003 bis 0,04 Hz, LF LF LF-Leistung Varianz der Herzschlagabstände im Band 0,04 bis 0,15 Hz, in ms²: Rhythmen, die sich alle 7 bis 25 Sekunden wiederholen. Früher als Sympathikus-Maß gedeutet, heute umstritten. Mehr zu LF-Leistung 0,04 bis 0,15 Hz und HF HF HF-Leistung Die Varianz der Herzschlagabstände im Frequenzband von 0,15 bis 0,40 Hz, in ms²: dem Bereich der normalen Atmung. Bei einer Atmung von 9 bis 24 Atemzügen pro Minute spiegelt sie vor allem die Vagusaktivität wider. Mehr zu HF-Leistung 0,15 bis 0,4 Hz. So geben es Shaffer und Ginsberg (2017) wieder, die als VLF-Untergrenze 0,0033 Hz angeben. Kubios verwendet standardmäßig dieselben LF- und HF-Grenzen und lässt VLF bei 0 beginnen.

Die Kette, Entscheidung für Entscheidung

Neuabtastung. Die NN-Folge hat einen Wert pro Schlag; ihre Punkte liegen also zeitlich ungleichmäßig. Die schnelle Fourier-Transformation braucht Werte in einem regelmäßigen Takt. Üblich ist, einen kubischen Spline durch die Schläge zu legen und ihn mit 4 Hz abzutasten; das ist die Standardeinstellung von Kubios (Kubios HRV User’s Guide, 2021), und die Arbeitsgruppe um Quigley (2024) nennt 4 Hz „allgemein bevorzugt“ und verlangt, dass die Methode angegeben wird.

Trendbereinigung. Eine langsame Drift, etwa vom Zurechtsetzen auf dem Stuhl oder von einer Temperaturänderung, ist kein Rhythmus, aber die Transformation zählt sie als Leistung im sehr niedrigen Frequenzbereich und verteilt sie auf benachbarte Bänder. Eine Trendbereinigung entfernt sie. Die einfachste zieht eine Gerade ab. Standard in Kubios ist das Smoothness-Priors-Verfahren der Arbeitsgruppe um Tarvainen (2002), ein zeitvarianter Hochpassfilter, dessen Glätte ein Parameter λ festlegt; laut Handbuch entfernt seine Standardeinstellung den größten Teil dessen, was unter 0,04 Hz liegt, also das VLF-Band (Kubios HRV User’s Guide, 2021). Die Rechenbibliothek dieser Website verwendet λ = 500. Jedes Programm bereinigt den Trend anders, und manche gar nicht.

Stationarität Stationarität Stationarität Die Annahme, dass die Rhythmen einer Aufzeichnung von Anfang bis Ende gleich bleiben. Frequenzmaße wie LF und HF setzen sie voraus; eine Aufzeichnung, die sich zwischendurch ändert, verletzt sie. Mehr zu Stationarität . Spektralmethoden setzen voraus, dass sich Mittelwert und Varianz der Folge während des Fensters nicht ändern. Herzschläge halten sich nie ganz daran. Die Arbeitsgruppe um Quigley (2024) schreibt, die Trendbereinigung könne einen driftenden Mittelwert behandeln, eine sich ändernde Varianz lasse sich aber nicht auf dieselbe Weise entfernen, und nennt kurze Abschnitte als ein Mittel; sie merkt auch an, dass bei den gewöhnlichen Anwendungen von LF und HF selbst große Verstöße gegen diese Annahme möglicherweise wenig ausmachen. Die Arbeitsgruppe um Catai (2020) verlangt, das Stationaritätskriterium anzugeben. Die Arbeitsgruppe um Laborde (2017) rät, eine 24-Stunden-Messung als Folge von 5-Minuten-Abschnitten zu analysieren und nicht als ein Fenster, das die Annahme der Stationarität verletzen würde.

Fenster und Methode. Drei Schätzverfahren sind gebräuchlich.

• Das Welch-Periodogramm (FFT): Man zerlegt die neu abgetastete Folge in überlappende Segmente, gewichtet jedes mit einer Fensterfunktion, etwa dem Hann-Fenster, transformiert jedes und mittelt die quadrierten Beträge. Kubios verwendet standardmäßig ein Fenster von 300 Sekunden mit 50 % Überlappung. Die Rechenbibliothek dieser Website nutzt Segmente von 64 Sekunden mit 50 % Überlappung. Sie glätten das Spektrum stärker und sind ein kleiner Grund dafür, dass die Werte hier von denen von Kubios abweichen. Das Ergebnis ist eine zackige, aber ehrliche Schätzung, bei der kein Modell gewählt werden muss.
• Autoregressive (AR) Modellierung: Man passt ein Modell an, das jeden Abtastwert aus den vorherigen vorhersagt, und liest das Spektrum aus dem Modell ab. Sie liefert eine glatte Kurve mit klaren Gipfeln, weshalb die Arbeitsgruppe um Laborde (2017) sie für HF empfiehlt, mit einer Modellordnung von mindestens 16 bei kurzen Aufzeichnungen; die Standardordnung von Kubios ist 16, und die Arbeitsgruppe um Catai (2020) nennt 8 bis 20 als üblichen Bereich. Die Ordnung ist eine Wahl, und das Spektrum hängt von ihr ab. Diese Website beschreibt AR-Spektren, berechnet sie aber nicht.
• Das Lomb-Scargle-Periodogramm: Es arbeitet direkt mit den ungleichmäßigen Zeitpunkten der Schläge, ohne Neuabtastung und ohne Schritt zur Trendbereinigung, um den Preis einer andersartigen Glättung. Kubios bietet es als Alternative an.

Die Arbeitsgruppe um Quigley (2024) berichtet, dass FFT- und AR-Spektren „meist zu im Wesentlichen gleichwertigen Ergebnissen führen“, dass verschiedene Schätzungen der atemgekoppelten Variabilität untereinander mit über 0,80 korrelieren und dass die Wahl auf praktischen und theoretischen Gründen beruht. So sieht die Beispielaufzeichnung aus, wenn sie vier Ketten der Rechenbibliothek dieser Website durchläuft:

Die erste Zeile ist die Standardkette, Smoothness-Priors-Trendbereinigung vor Welch; die Lomb-Scargle-Zeile verzichtet ganz auf Neuabtastung und Trendbereinigung. Alle vier finden den Atemgipfel bei 0,25 Hz und die Blutdruckwelle nahe 0,10 Hz. LF und HF stimmen auf wenige Prozent überein, die Verhältnisse deshalb auch: LF/HF LF/HF LF/HF-Verhältnis LF-Leistung geteilt durch HF-Leistung, ohne Einheit. Es sollte das Gleichgewicht zwischen Sympathikus und Parasympathikus abbilden, doch die Forschung zeigt, dass es das nicht verlässlich messen kann. Mehr zu LF/HF-Verhältnis beträgt 0,19 für die drei Welch-Ketten und 0,20 für Lomb-Scargle, und die normierten Einheiten sind in jeder Kette gleich, LF n.u. n.u. Normierte Einheiten LF- oder HF-Leistung als Prozentsatz ihrer Summe (LF + HF) statt in ms². Beide ergeben zusammen immer 100 und enthalten daher gemeinsam nur eine einzige Information. Mehr zu Normierte Einheiten 16 % und HF n.u. 84 %. Bei VLF gehen die Ketten auseinander: Die Smoothness-Priors-Trendbereinigung entfernt fast alles davon, die Gerade und die Lomb-Methode behalten es. Bei einer kurzen, gleichmäßigen Aufzeichnung wie dieser kommt es auf die Methode weniger an als auf die Einstellungen; bei einer driftenden entscheiden die Trendbereinigung und das Fenster über die langsamen Bänder. Das ist der schlichte Grund, warum zwei Programme voneinander abweichen.

Den Rhythmus zerlegen

Fünf Minuten der Beispielaufzeichnung

Leistung bei jeder Frequenz, Hz Atmung

VLFLFHF

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

ULF

braucht 24 h

VLF

3 ms²

LF

120 ms²

HF

635 ms²

Gesamt

758 ms²

LF (n.u.)

15,9

HF (n.u.)

84,1

LF/HF

0,19

Peakfrequenz

0,250 Hz, HF

In Ruhe, 15 Atemzüge pro Minute (0,250 Hz), 5 Minuten, Welch-Verfahren nach der Trendbereinigung. Der Atemgipfel liegt bei 0,250 Hz im HF-Band, mit der Blutdruckwelle bei etwa 0,1 Hz als kleinerem LF-Peak. LF/HF beträgt 0,19.

In Ruhe Unter Stress Mit Drift Extrasystolen

Atemfrequenz 15 Atemzüge pro Minute Aufzeichnungsdauer 5 Minuten

Welch (FFT) Lomb–Scargle

Zuerst trendbereinigen (Smoothness Priors, λ = 500)

Die Bedienelemente funktionieren, wenn JavaScript aktiviert ist.

Ein Liniendiagramm der Leistung über der Frequenz von 0 bis 0,5 Hz, mit den schattierten Bändern VLF (0,003–0,04 Hz), LF (0,04–0,15 Hz) und HF (0,15–0,4 Hz) und einer Markierung bei der Atemfrequenz. Anzeigen nennen ULF, VLF, LF, HF und Gesamtleistung in ms², LF und HF in normierten Einheiten, das LF/HF-Verhältnis und die Peakfrequenz. Danach folgt ein Satz, der erklärt, was sich geändert hat. Bedienelemente: ein Regler für die Atemfrequenz von 5 bis 20 Atemzügen pro Minute, ein Regler für die Aufzeichnungsdauer, ein Kontrollkästchen für die Trendbereinigung, Schaltflächen für Welch oder Lomb–Scargle und vier Schaltflächen für eine Aufzeichnung in Ruhe, unter Stress, mit Drift oder mit Extrasystolen.

Die Bänder und was sie angeblich bedeuten

Die Mindestlängen und die angeblichen Quellen folgen Shaffer und Ginsberg (2017). Hinter den Längen steht eine Regel der Task Force (1996), die die Arbeitsgruppen um Laborde (2017) und Quigley (2024) wiederholen: Eine Aufzeichnung sollte etwa zehn Zyklen der langsamsten Frequenz des Bandes enthalten. Die Arbeitsgruppe um Quigley fügt hinzu, dass typische Erwachsene mit Intervallen von 1.000 ms oder weniger aus 30 Sekunden einen brauchbaren HF-Wert erhalten können. Heathers (2014) ist bei LF strenger: Zehn Zyklen bei 0,04 Hz dauern 250 Sekunden. Deshalb argumentiert er, dass alles, was auf LF beruht, normierte Einheiten und LF/HF eingeschlossen, mindestens 5 Minuten braucht, und er merkt an, dass die Zehn-Zyklen-Regel selbst offenbar nie analytisch hergeleitet wurde.

Normierte Einheiten teilen LF und HF durch ihre Summe, sodass beide als Anteil an der Summe der zwei Bänder erscheinen:

$$\mathrm{LF\,nu} = \frac{\mathrm{LF}}{\mathrm{LF}+\mathrm{HF}}\times 100, \qquad \mathrm{HF\,nu} = \frac{\mathrm{HF}}{\mathrm{LF}+\mathrm{HF}}\times 100, \qquad \frac{\mathrm{LF}}{\mathrm{HF}} = \frac{\mathrm{LF\,nu}}{\mathrm{HF\,nu}}$$

Lesen Sie es so: der Anteil von LF an LF plus HF, der Anteil von HF und das Verhältnis zwischen beiden. Alle drei drücken dieselbe Tatsache aus: LF n.u. ist 100 minus HF n.u., und LF/HF = 0,6 ist dasselbe wie LF n.u. = 37,5 % (Heathers, 2014). Eine Arbeit, die zwei davon als getrennte Befunde angibt, hat einen Befund doppelt berichtet. Unter den Studien von 2012, die Heathers untersuchte und die normierte Einheiten oder LF/HF verwendeten, taten genau das 59 %, und das LF/HF-Verhältnis war weniger präzise als jede der beiden normierten Einheiten. Manche Programme, darunter Kubios, beziehen n.u. stattdessen auf die Gesamtleistung Gesamtleistung Gesamtleistung Summe der Leistung in allen Bändern des Spektrums, in ms²: die Varianz der Herzschlagabstände. Bei einer 5-Minuten-Aufzeichnung ist sie VLF + LF + HF; über 24 Stunden kommt ULF hinzu. Mehr zu Gesamtleistung minus VLF, was andere Werte ergibt; ein Bericht sollte sagen, welche Definition er verwendet. In der Beispielaufzeichnung beträgt LF n.u. 16 % und LF/HF 0,19. Das zeigt, dass die Atemwelle dominiert, sagt aber nichts darüber, welcher Nerv was getan hat.

Lektion 14 behandelte, warum LF/HF kein Maß für die „sympathovagale Balance“ ist (Billman, 2013). Die Arbeitsgruppe um Quigley (2024) geht weiter: Das Konstrukt eines bipolaren Gleichgewichts sei „nicht mehr haltbar“, und weder LF/HF noch LF sollten als Maß für die sympathische Aktivität verwendet werden. Geben Sie die absoluten Leistungen an; nutzen Sie das Verhältnis, wenn überhaupt, als Beschreibung der Form des Spektrums.

Die Störgröße Atmung

Das HF-Band setzt voraus, dass Sie zwischen 9- und 24-mal pro Minute atmen, denn 0,15 bis 0,4 Hz sind 9 bis 24 Zyklen pro Minute (Shaffer und Ginsberg, 2017). Atmen Sie langsamer als 9-mal pro Minute, rutscht die Atemwelle nach LF. Der vagale Antrieb hat sich nicht geändert; das Band, in dem er landet, schon.

Die Beispielaufzeichnung macht das genau nachvollziehbar. Das interaktive Diagramm oben baut sie mit einer frei wählbaren Atemfrequenz nach; alle anderen Anteile und das Rauschen bleiben unverändert. Sein Modell bildet auch nach, was langsames Atmen bei einem echten Menschen bewirkt: Der Ausschlag der Atmung wächst, je näher das Tempo 6 pro Minute kommt, von 35 ms bei 15 pro Minute auf 91 ms bei 6. Stellen Sie das Diagramm auf 15 und dann auf 6 Atemzüge pro Minute, dann zeigt es diese Werte:

Die Atemwelle erscheint jetzt als LF, HF ist fast verschwunden, HF n.u. ist von 84 % auf 0,4 % gefallen, und LF/HF ist von 0,19 auf 252,7 gestiegen, eine Zahl, die jeder „Gleichgewichts“-Wert als extreme sympathische Dominanz bezeichnen würde. Der größere Ausschlag ist nicht der Grund, warum das Verhältnis kippt. Hält man den Ausschlag bei 35 ms und atmet 6-mal pro Minute, erreicht LF/HF trotzdem 69,3, während der RMSSD auf 19,5 ms fällt, weil sich eine langsame Welle von einem Schlag zum nächsten wenig ändert. Das Band, in dem die Welle landet, verschiebt das Verhältnis; die Größe des Ausschlags entscheidet nur, um wie viel.

Das ist der Mechanismus hinter der Regel aus Lektion 13, bei einer Baseline-Messung nicht nach Takt zu atmen, und hinter der Resonanzatmung Resonanzatmung HRV-Biofeedback Eine Atemübung, bei der Sie Ihre Herzfrequenz live verfolgen und langsam atmen, oft mit etwa 6 Atemzügen pro Minute, damit das Auf und Ab der Herzfrequenz mit jedem Atemzug möglichst groß wird. Mehr zu HRV-Biofeedback , der Sie im Biofeedback begegnen werden: Eine Welle bei etwa 0,1 Hz ist genau das, was das LF-Band erfassen soll. Probieren Sie es unten aus; der Regler stellt das Tempo ein, der Streifen zeigt den Ausschlag, und die Anzeige gibt den RMSSD der letzten 30 Sekunden an.

Atmen Sie und beobachten Sie Ihr Herz

Ein Lehrmodell, keine Messung

Eingeatmet

Herzfrequenz

60 S/min

RMSSD

46 ms

Letzte 30 Sekunden

Weiter

Herzschläge Einatmen

Abstand vor jedem Schlag 0,85–1,15 s, längere Abstände liegen höher

Atemtempo 6 Atemzüge pro Minute

Dieses Bild bewegt sich, wenn JavaScript aktiviert ist.

Ein Atemkreis wird bei jedem Einatmen größer und bei jedem Ausatmen kleiner. Ein Streifen mit Herzschlägen darunter zeigt, wie die Schläge beim (schattierten) Einatmen enger zusammenrücken und beim Ausatmen auseinandergehen. Eine Linie unter dem Streifen zeigt den Abstand vor jedem Schlag: Er sinkt beim Einatmen und steigt beim Ausatmen. Ein Regler stellt das Tempo von 4 bis 15 Atemzügen pro Minute ein, und Anzeigen nennen Herzfrequenz und RMSSD der letzten 30 Sekunden. Die Schwankung ist bei etwa 6 Atemzügen pro Minute am größten.

Die Arbeitsgruppe um Laborde (2017) empfiehlt, die Atmung zu messen, statt sie zu takten, und zu prüfen, dass die Frequenz innerhalb von 9 bis 24 pro Minute bleibt, wann immer eine Schlussfolgerung über den Vagus gezogen wird. Die Arbeitsgruppe um Quigley (2024) geht für Untersuchungen innerhalb einer Person weiter und verlangt atmungsbereinigte und unbereinigte Ergebnisse nebeneinander. Viele Wearables schätzen die Atemfrequenz inzwischen aus der Schlagfolge selbst, und das ist nichts anderes als die HF-Peakfrequenz, umgekehrt gelesen: In der Beispielaufzeichnung entsprechen 0,25 Hz 15 Atemzügen pro Minute.

Genauer betrachtet Was ein reproduzierbarer Spektralbericht angibt

Die Arbeitsgruppen um Quigley (2024) und Catai (2020) und die GRAPH-Checkliste (Lektion 20) laufen auf eine Liste hinaus: das Neuabtastungsverfahren und die Rate; das Verfahren der Trendbereinigung; Fenstertyp, Länge und Überlappung bei Welch-Spektren oder Modellordnung und Anpassung bei AR-Spektren; die Bandgrenzen; ob n.u. LF + HF oder die Gesamtleistung (Total Power, TP) minus VLF verwendet; die Einheiten (ms² oder deren Logarithmus, der oft nötig ist, weil die Leistungen schief verteilt sind); die Länge der Abschnitte und wie mit der Stationarität umgegangen wurde; und die Atemfrequenz, gemessen oder geschätzt. Mit diesen Angaben sollten zwei Analysierende aus denselben Schlägen dasselbe LF erhalten. Ohne sie kann ein Unterschied zwischen zwei Arbeiten ein Unterschied zwischen zwei Einstellungen sein.

Lektion 19 stellt an dieselben Schläge eine andere Frage: nicht, wie viel Variabilität bei welchem Rhythmus liegt, sondern wie geordnet sie ist.