Jeder Wert der Herzfrequenzvariabilität (HRV) entsteht in denselben vier Schritten: jeden Herzschlag finden, die Abstände zwischen den Schlägen messen, die fehlerhaften Schläge aussortieren und aus den übrigen Abständen eine einzige Zahl bilden. Diese Lektion geht jeden Schritt durch, mit einer Rechnung, die Sie auf Papier nachvollziehen können.
In Lektion 2 haben Sie das Bild hinter der HRV gesehen: eine Linie aus Abständen zwischen Schlägen, die auf und ab schwingt. In Lektion 4 haben Sie gesehen, wie ein einziger fehlerhafter Schlag die Zahl verfälschen kann. Jetzt sehen Sie, wie ein Gerät von Ihrem Herzschlag zu der Zahl auf Ihrem Bildschirm kommt.
Schritt 1: jeden Herzschlag finden
Zuerst muss ein Gerät genau wissen, wann das Herz jeweils schlägt. Dafür gibt es zwei Hauptwege.
EKG EKG Eine Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Herzens mit Elektroden auf der Haut. RR-Intervalle aus dem EKG sind die Referenzmethode für die Messung der HRV. Mehr zu EKG (Brustgurte und medizinische EKGs). Elektroden auf der Haut nehmen das elektrische Signal des Herzens auf. Jeder Schlag erzeugt eine hohe, scharfe Zacke, die R-Zacke. Weil die Zacke so scharf ist, kann die Software sie sehr genau zeitlich bestimmen. Deshalb ist das EKG der Goldstandard für die HRV.
PPG PPG Ein optisches Verfahren: Licht wird in die Haut gestrahlt, und ein Sensor erfasst den Pulsschlag des Blutes bei jedem Herzschlag. Die meisten Uhren, Ringe und Smartphone-Kamera-Apps schätzen so die HRV. Mehr zu PPG (Uhren, Ringe und Smartphone-Kameras). Ein optischer Sensor strahlt Licht in die Haut und misst, wie viel zurückkommt. Mit jedem Herzschlag strömt Blut stoßweise unter dem Sensor vorbei und verändert das Signal. Das Gerät erfasst den Zeitpunkt jeder Pulswelle statt jedes elektrischen Schlags.
Die Pulswelle erreicht Handgelenk oder Finger einen Moment nach dem Herzschlag. Streng genommen messen optische Geräte also die Pulsratenvariabilität Pulsratenvariabilität Schwankung der Zeit zwischen Pulsschlägen, optisch gemessen von Uhren, Ringen und Smartphone-Kameras. In Ruhe folgt sie der HRV eng, bei Bewegung entfernt sie sich von ihr. Mehr zu Pulsratenvariabilität (PRV) und nicht die Herzfrequenzvariabilität. In Ruhe stimmen beide für die meisten Zwecke gut genug überein. Optische Messwerte zeigen tendenziell etwas mehr kurzfristige Variabilität als das EKG, teils, weil die Atmung den Puls auf seinem Weg zur Haut beeinflusst. Bei Bewegung wird die Übereinstimmung deutlich schlechter. Kamera-Apps für das Smartphone arbeiten nach demselben Prinzip; siehe Kann eine Smartphone-Kamera die HRV messen?
Wie oft der Sensor hinsieht
Ein Sensor beobachtet Ihr Herz nicht ununterbrochen. Er macht Momentaufnahmen, viele Male pro Sekunde. Die Zahl der Momentaufnahmen pro Sekunde ist die Abtastrate Abtastrate Wie oft pro Sekunde ein Sensor das Signal misst, in Hertz (Hz). Sie bestimmt, wie genau sich jeder Herzschlag zeitlich erfassen lässt: etwa ±1 ms bei 1.000 Hz, ±4 ms bei 250 Hz und ±20 ms bei einer 25-Hz-Kamera. Mehr zu Abtastrate , in Hertz (Hz). Ein Gerät kann einen Schlag nur einer seiner Momentaufnahmen zuordnen; der Zeitpunkt eines Schlags wird also auf die nächstgelegene gerundet.
Das Runden auf die nächste Momentaufnahme verschiebt einen Schlag höchstens um die Hälfte des Abstands zwischen zwei Momentaufnahmen. Bei 1.000 Hz liegen die Momentaufnahmen 1 ms auseinander, und ein Schlag landet höchstens 0,5 ms neben seinem wahren Zeitpunkt; bei 250 Hz höchstens 2 ms daneben. Eine Smartphone-Kamera nimmt etwa 25 bis 30 Bilder pro Sekunde auf; jeder Schlag kann also um bis zu 20 ms danebenliegen. Die Forschungsleitlinien von 2024 nennen vorsichtiger den ganzen Abstand zwischen zwei Momentaufnahmen (±1 ms bei 1.000 Hz, ±4 ms bei 250 Hz) und empfehlen 1.000 Hz (Quigley u. a., 2024).
Am wichtigsten ist das für den RMSSD RMSSD Quadratwurzel aus dem Mittelwert der quadrierten Differenzen aufeinanderfolgender Intervalle: eine HRV-Messgröße in ms, die zeigt, wie stark sich jeder Herzschlagabstand vom nächsten unterscheidet. Spiegelt vor allem die Vagusaktivität wider. Mehr zu RMSSD . Der RMSSD misst die Veränderung von einem Abstand zum nächsten, und Rundungsfehler sehen genau wie solche Veränderungen aus. Wenn Sie jeden Schlag der Fünf-Minuten-Beispielaufzeichnung dieses Kurses auf das nächste von 25 Bildern pro Sekunde runden, liegt der RMSSD 31 % zu hoch, also um etwa ein Drittel. Die Software kann einen großen Teil dieses Fehlers ausgleichen, indem sie schätzt, wo der Pulsgipfel zwischen zwei Bildern lag. In Lektion 16 in der Stufe für Analysierende können Sie jede Abtastrate selbst ausprobieren: Von der Elektrode zur Zahl.
Schritt 2: die Abstände messen
Als Nächstes misst das Gerät die Zeit von jedem Schlag zum nächsten, in Millisekunden (ms). Das sind die RR-Intervalle RR-Intervall Die Zeit von einem Herzschlag zum nächsten, gemessen in Millisekunden zwischen den R-Zacken eines EKG. Die HRV wird aus einer Folge dieser Intervalle berechnet. Mehr zu RR-Intervall , die Sie in Lektion 1 kennengelernt haben. Eine kurze Liste könnte so aussehen:
810, 830, 790, 850, 820 ms
Das sind fünf Abstände zwischen sechs Schlägen. Der durchschnittliche Abstand beträgt 820 ms; das entspricht etwa 73 Schlägen pro Minute (S/min).
Schritt 3: die Liste bereinigen
Echte Aufzeichnungen sind unsauber. Ein Gerät kann:
- einen Schlag übersehen (ein Abstand ist doppelt so lang, wie er sein sollte)
- einen Schlag zählen, der nicht da war (ein Abstand wird in zwei kurze geteilt)
- eine echte Extrasystole Extrasystole Ein Herzschlag, der nicht vom normalen natürlichen Schrittmacher des Herzens ausgeht und meist zu früh kommt. Extrasystolen sind häufig, verzerren die HRV aber, wenn man sie nicht entfernt oder korrigiert. Mehr zu Extrasystole erfassen, also einen zusätzlichen Schlag, der nicht vom natürlichen Schrittmacher des Herzens ausgeht
- Störungen durch Bewegung oder einen locker sitzenden Gurt aufnehmen
Jedes dieser Ereignisse erzeugt einen falschen Sprung zwischen benachbarten Abständen. Wie Sie in Lektion 4 gesehen haben, kann ein solcher Sprung den RMSSD um ein Vielfaches erhöhen. In kurzen Aufzeichnungen können schon wenige bearbeitete Schläge (weniger als 5 % aller Schläge) das Ergebnis verändern.
Bevor die Software rechnet, bereinigt sie die Liste deshalb in zwei Schritten. Die übrigen Abstände zwischen normalen Schlägen heißen NN-Intervalle NN-Intervall Ein RR-Intervall zwischen zwei normalen Herzschlägen in Millisekunden, das nach dem Entfernen von Extrasystolen und Messfehlern übrig bleibt. Die meisten HRV-Messgrößen werden aus NN-Intervallen berechnet. Mehr zu NN-Intervall („normal-to-normal“).
Zuerst die fehlerhaften Abstände finden. Die übliche Regel vergleicht jeden Abstand mit seinen Nachbarn und markiert jeden, der sich um mehr als einen festgelegten Betrag von ihnen unterscheidet. Eine strenge Regel fängt kleine Fehler ab, beginnt aber, echte Schläge zu markieren; eine lockere lässt Fehler durch.
Dann die Fehler korrigieren. Die Software löscht entweder den fehlerhaften Abstand oder ersetzt ihn durch einen Wert, der aus den guten Abständen ringsum berechnet wird. Beim Ersetzen bleibt die zeitliche Abfolge der Aufzeichnung erhalten, was für manche Messgrößen wichtig ist; das Löschen ist einfacher (Peltola, 2012).
Wie viel Korrektur ist zu viel? Schon wenn weniger als 5 % der Abstände bearbeitet werden, können sich Kurzzeitergebnisse verändern, und viele Studien verwerfen eine Aufzeichnung mit weniger als 80 % normalen Schlägen (Peltola, 2012). Die Anleitung zu Kubios, einem weit verbreiteten Forschungsprogramm, empfiehlt, korrigierte Schläge unter 5 % zu halten (Alcantara u. a., 2020).
Lektion 16 benennt die Bereinigungsverfahren, vergleicht sie an einer Fünf-Minuten-Aufzeichnung und lässt Sie einen fehlerhaften Schlag einbauen und selbst bereinigen.
Diesen Schritt sehen Sie nie. Ihre App erledigt ihn unbemerkt, mit ihrer eigenen Methode und Schwelle. Das ist ein Grund, warum zwei Geräte für dieselbe Nacht unterschiedliche Zahlen liefern können.
Schritt 4: aus den Abständen eine Zahl machen
Jetzt zur Rechnung. Die wichtigste Kurzzeit-Messgröße der HRV ist der RMSSD, kurz für das englische „root mean square of successive differences“, die Quadratwurzel des Mittelwerts der quadrierten Differenzen aufeinanderfolgender NN-Intervalle. Der Name klingt kompliziert, doch es sind nur vier kleine Schritte, die man in umgekehrter Reihenfolge der englischen Wörter ausführt.
Nehmen wir unsere fünf Abstände:
| Abstand (ms) | Differenz zum vorigen Abstand (ms) | Quadrat der Differenz |
|---|---|---|
| 810 | ||
| 830 | +20 | 400 |
| 790 | −40 | 1.600 |
| 850 | +60 | 3.600 |
| 820 | −30 | 900 |
- Aufeinanderfolgende Differenzen. Ziehen Sie jeden Abstand vom nächsten ab: +20, −40, +60, −30.
- Quadrieren. Multiplizieren Sie jede Differenz mit sich selbst: 400, 1.600, 3.600, 900. Das Quadrieren macht jeden Wert positiv, ein Abfall zählt also so viel wie ein Anstieg. Außerdem gewichtet es große Sprünge stärker.
- Mittelwert. Mitteln Sie die Quadrate: 6.500 ÷ 4 = 1.625.
- Wurzel. Ziehen Sie die Quadratwurzel: √1.625 ≈ 40.
Der RMSSD für diese fünf Abstände beträgt etwa 40 ms. In einfachen Worten: Von einem Schlag zum nächsten änderte sich der Abstand bei einem typischen Schritt um etwa 40 ms.
Probieren Sie es nun an einer längeren Liste. Das Widget unten berechnet den RMSSD Schritt für Schritt aus zehn Schlägen der Beispielaufzeichnung dieser Website. Drücken Sie „Weiter“, um die Schritte durchzugehen, oder ändern Sie einen beliebigen Schlag und sehen Sie zu, wie sich alle Schritte anpassen.
RMSSD Schritt für Schritt
Zehn Schläge, jede Zahl sichtbar
RMSSD aus diesen 10 Intervallen: 26,9 ms.
Schritt 5 von 5
Schritt 1 von 5 Mit den Intervallen beginnen
Schlag 1 880 ms Schlag 2 826 ms Schlag 3 812 ms Schlag 4 823 ms Schlag 5 848 ms Schlag 6 877 ms Schlag 7 880 ms Schlag 8 866 ms Schlag 9 828 ms Schlag 10 815 ms 10 Intervalle zwischen 11 Schlägen, in Millisekunden.
Schritt 2 von 5 Jedes Intervall vom nächsten abziehen
Schlag 2 − Schlag 1 −54 ms Schlag 3 − Schlag 2 −14 ms Schlag 4 − Schlag 3 +11 ms Schlag 5 − Schlag 4 +25 ms Schlag 6 − Schlag 5 +29 ms Schlag 7 − Schlag 6 +3 ms Schlag 8 − Schlag 7 −14 ms Schlag 9 − Schlag 8 −38 ms Schlag 10 − Schlag 9 −13 ms Plus bedeutet, dass das Herz bei einem Schlag langsamer wurde; Minus bedeutet, dass es schneller wurde.
Schritt 3 von 5 Jede Differenz quadrieren
Differenz 1 2916 Differenz 2 196 Differenz 3 121 Differenz 4 625 Differenz 5 841 Differenz 6 9 Differenz 7 196 Differenz 8 1444 Differenz 9 169 Summe 6517 Das Quadrieren macht jeden Wert positiv und gibt großen Veränderungen mehr Gewicht.
Schritt 4 von 5 Die Quadrate mitteln
6517 ÷ 9 724,11 Schritt 5 von 5 Die Quadratwurzel ziehen
√724,11 26,9 ms RMSSD 26,9 ms
Mit aktiviertem JavaScript erscheinen die Schritte nacheinander, und die Schläge lassen sich ändern.
Eine Reihe von zehn bearbeitbaren Herzschlagintervallen in Millisekunden, dann die Berechnung von RMSSD in nummerierten Schritten: Mit den Intervallen beginnen; Jedes Intervall vom nächsten abziehen; Jede Differenz quadrieren; Die Quadrate mitteln; Die Quadratwurzel ziehen. Der letzte Schritt lautet RMSSD 26,9 ms. Die Schaltflächen „Zurück“ und „Weiter“ wechseln zwischen den Schritten.
Oft sehen Sie daneben eine zweite Messgröße, den 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 . Er ist die Standardabweichung aller Abstände und zeigt, wie breit sie um ihren Durchschnitt gestreut sind. Für unsere fünf Abstände beträgt der SDNN etwa 22 ms. Lektion 6 vergleicht die beiden.
Genauer betrachtet Die RMSSD-Formel in Symbolen
Schreiben Sie die Abstände als RR₁, RR₂, … RRₙ. Die aufeinanderfolgenden Differenzen sind dᵢ = RRᵢ₊₁ − RRᵢ, und es gibt n − 1 davon.
RMSSD = √( (d₁² + d₂² + … + dₙ₋₁²) ÷ (n − 1) )
Bei unseren fünf Abständen ist n − 1 = 4 Differenzen, wir teilen die Summe der Quadrate (6.500) also durch 4. Echte Software rechnet das mit bereinigten NN-Intervallen, mit eigener Bereinigung und Mittelung; ihr Ergebnis muss deshalb nicht genau mit einer Handrechnung übereinstimmen.
Der SDNN geht stattdessen davon aus, wie weit jeder Abstand vom mittleren Abstand entfernt liegt: Quadrieren Sie jede dieser Abweichungen, addieren Sie sie, teilen Sie durch n − 1 und ziehen Sie die Quadratwurzel. Für 810, 830, 790, 850 und 820 betragen die Abweichungen von 820 −10, +10, −30, +30 und 0. Die Quadrate summieren sich zu 2.000, und √(2.000 ÷ 4) ≈ 22 ms.
Wie lange die Aufzeichnung dauern sollte
Bisher haben wir fünf Abstände verwendet. Echte Aufzeichnungen nutzen viel mehr, und die Länge spielt eine Rolle.
In der Forschung ist der übliche Standard für eine Kurzzeit-HRV-Aufzeichnung 5 Minuten. Kürzere Aufzeichnungen gelten als ultrakurz. 24-Stunden-Aufzeichnungen sind der Standard für die Langzeit-HRV, die vor allem in der medizinischen Forschung verwendet wird.
Der RMSSD bleibt auch bei kurzen Aufzeichnungen verlässlich. In einer Studie mit 70 gesunden Erwachsenen stimmte der RMSSD aus nur 1 Minute oder sogar 10 Sekunden gut mit dem 5-Minuten-Wert überein. Beim SDNN war das nicht so. Eine viel größere Studie mit 3.387 Erwachsenen kam zum selben Ergebnis: Ein einziges 10-Sekunden-EKG lieferte einen gültigen RMSSD, das Mitteln dreier 10-Sekunden-Abschnitte war besser, und 2 Minuten stimmten fast perfekt mit einer Aufzeichnung von 4 bis 5 Minuten überein.
Der SDNN verhält sich anders, weil er die Streuung aller Abstände misst, langsame Veränderungen eingeschlossen. Eine längere Aufzeichnung erfasst langsamere Rhythmen, von Körperhaltung und Aktivität bis zum Tag-Nacht-Zyklus; der SDNN wächst also mit der Länge weiter. Ziehen Sie das Fenster unten an einem simulierten Tag von 5 Minuten auf 24 Stunden: Der RMSSD bewegt sich kaum; der SDNN verdreifacht sich fast.
Wie lange sollten Sie aufzeichnen?
Ein simulierter Tag, keine Person
- RMSSD
- 37,2 ms
- SDNN
- 29,7 ms
- Schläge im Fenster
- 327
In einem Fenster von 5 min beträgt der RMSSD 37,2 ms und der SDNN 29,7 ms. Das ist der Kurzzeitstandard.
Der Regler funktioniert, wenn JavaScript aktiviert ist.
Ein Diagramm von RMSSD und SDNN über der Aufzeichnungsdauer auf einer logarithmischen Achse von 10 Sekunden bis 24 Stunden. Die RMSSD-Linie bleibt bei jeder Dauer nahe 37 ms. Die SDNN-Linie liegt bis zu einigen Minuten nahe 30 ms und steigt bei 24 Stunden auf etwa 84 ms. Gestrichelte Markierungen zeigen die Mindestdauern: 1 Minute für das HF-Band, 2 Minuten für LF, 5 Minuten für den Kurzzeitstandard und das VLF-Band, 20 Minuten für DFA α2 und 24 Stunden für ULF und den Langzeit-SDNN. Ein Regler wählt die Fensterlänge, und Anzeigen nennen RMSSD, SDNN und die Anzahl der Schläge im Fenster.
Jede Messgröße braucht eine Mindestlänge:
| Messgröße | Kürzeste brauchbare Aufzeichnung | Quelle |
|---|---|---|
| RMSSD | 10 Sekunden bis 1 Minute; länger ist stabiler | Munoz 2015; Nussinovitch 2011 |
| SDNN | Mindestens 30 Sekunden, und nur bei gleicher Länge vergleichbar | Munoz 2015; Shaffer und Ginsberg 2017 |
| Langzeit-SDNN | 24 Stunden | Shaffer und Ginsberg 2017 |
Messgrößen, die die HRV in langsame und schnelle Rhythmen zerlegen, brauchen längere Aufzeichnungen; wie viel länger, darüber sind sich die Quellen nicht einig. Lektion 18 legt die Regeln dar und zeigt, wo sie sich unterscheiden.
Zahlen aus Aufzeichnungen unterschiedlicher Länge sollten nicht verglichen werden. Ein SDNN über 24 Stunden enthält Informationen über das Herzrisiko, die ein SDNN über 5 Minuten nicht enthält (Shaffer und Ginsberg, 2017).
Ringe und Uhren, die im Schlaf messen, wählen jeweils ihre eigenen Aufzeichnungsfenster und ihre eigene Art, sie zusammenzufassen. Auch deshalb unterscheiden sich ihre Zahlen; mehr dazu in Lektion 8.
Wo sich Fehler einschleichen
Die folgenden Probleme treten bei Schritt 1 oder Schritt 3 auf:
- Bewegung. Sie bringt Störungen in EKG und PPG, beim PPG am stärksten.
- Schlechter Kontakt. Bei einem locker sitzenden Gurt, einer losen Elektrode oder einem verrutschten Ring können Schläge verloren gehen.
- Extraschläge. Wenn die Bereinigung sie übersieht, schnellt der RMSSD in die Höhe.
- Sensortyp. Optische Sensoren messen den Puls und nicht den elektrischen Schlag; bei Aktivität weichen sie deshalb stärker vom EKG ab.
Wenn Sie Geräte vergleichen möchten, lesen Sie Ist die HRV am Handgelenk so genau wie mit einem Brustgurt? Einen Überblick über Methoden und Geräte gibt So messen Sie die HRV.
Damit ist Stufe 1 abgeschlossen. In der nächsten Lektion, RMSSD, SDNN und lnRMSSD, vergleichen Sie die wichtigsten HRV-Messgrößen und erfahren, welche Ihre App wahrscheinlich zeigt.