Kurze Geschichte der HRV im Westen

Die westliche Forschung zur Herzfrequenzvariabilität (HRV) reicht von Stephen Hales, der 1733 bemerkte, dass sich der Puls mit der Atmung ändert, über Carl Ludwigs erste Aufzeichnung 1847 bis zur klinischen Ära, die in den 1960er-Jahren mit der Überwachung des Fetus begann. Die Spektralanalyse kam 1981, der Zusammenhang mit der Sterblichkeit nach Herzinfarkt 1987 und gemeinsame Standards 1996. Seitdem kamen nichtlineare Parameter, HRV-gesteuertes Training und Wearables für Verbraucher hinzu. Diese Seite zeichnet diese Linie nach; eine eigene Seite behandelt die sowjetische Linie der Raumfahrtmedizin.

Auf dieser Seite 6 Abschnitte

Das Wichtigste in Kürze

  • Hales bemerkte 1733, dass der Puls mit der Atmung schwankt; Ludwig zeichnete den Rhythmus 1847 auf; das EKG kam 1895.
  • Die klinische Ära begann in den 1960er-Jahren mit der Überwachung des Fetus, wo Veränderungen der Abstände von Schlag zu Schlag einer fetalen Notlage vorausgingen, bevor sich die Durchschnittsfrequenz änderte.
  • 1981 zeigte die Arbeitsgruppe um Akselrod, dass das sympathische und das parasympathische System bei unterschiedlichen Frequenzen des Herzfrequenzspektrums ihre Spuren hinterlassen.
  • 1987 fand die Arbeitsgruppe um Kleiger, dass Überlebende eines Herzinfarkts mit einem SDNN unter 50 ms mit 5,3-mal höherer Wahrscheinlichkeit starben als solche mit einem SDNN über 100 ms.
  • Die Standards der Task Force von 1996 legten die Messgrößen, Bänder und Aufzeichnungsregeln fest, die bis heute in jeder App gelten.

Die Herzfrequenzvariabilität (HRV) hat zwei Geschichten. Im Westen führte sie von der Beobachtung eines Pfarrers zur Atmung über Physiologielabore und Kardiologiestationen bis zu einem Standard von 1996, dem jedes Wearable noch heute folgt. In der Sowjetunion entstand sie aus der Raumfahrtmedizin; davon erzählt die Seite HRV in der sowjetischen Raumfahrtmedizin. Diese Seite folgt der westlichen Linie, größtenteils so, wie George Billman sie in seiner historischen Übersichtsarbeit von 2011 dargestellt hat (Billman, 2011).

Vor dem EKG: ein Puls, der dem Atem folgt

Ärztinnen und Ärzte fühlen seit der Antike den Puls, konnten ihn aber nicht zeitlich messen. Billman datiert die ersten genauen Pulszählungen auf das Jahr 1707, als eine Uhr mit anhaltbarem Sekundenzeiger, die „Pulsuhr für Ärzte“, in den Verkauf kam. Mit ihr bemerkte Stephen Hales, ein englischer Pfarrer und Experimentator, 1733, dass sich der Puls mit der Atmung ändert. Dieser Rhythmus, bei dem das Herz beim Einatmen schneller und beim Ausatmen langsamer schlägt, heißt respiratorische Sinusarrhythmie Respiratorische Sinusarrhythmie Der normale Anstieg der Herzfrequenz beim Einatmen und ihr Abfall beim Ausatmen. Sie wird vom Vagusnerv gesteuert und macht einen großen Teil der HRV in Ruhe aus. Mehr zu Respiratorische Sinusarrhythmie . Er macht bis heute den größten Teil der kurzfristigen HRV aus.

Carl Ludwig, ein deutscher Physiologe, zeichnete diesen Rhythmus 1847 mit seinem Kymographen auf, einer rotierenden Trommel, die Blutdruck und Atmung auf berußtes Papier schrieb. In Gernot Ernsts Geschichte gilt diese Aufzeichnung als wahrscheinliche Entdeckung der HRV (Ernst, 2017). Das Elektrokardiogramm 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 folgte 1895 (Billman, 2011) und machte jeden Herzschlag zu einer scharfen Spitze auf Papier. Die Abstände zwischen Tausenden Schlägen von Hand zu messen, war in den folgenden sechzig Jahren allerdings mühsamer, als es irgendjemandem genützt hätte.

Die 1960er-Jahre: Computer und das Ungeborene

In den 1960er-Jahren änderten sich zwei Dinge. Die digitale Signalverarbeitung machte es möglich, jeden Schlag einer langen Aufzeichnung zu vermessen, und die Medizin fand einen Grund, sich dafür zu interessieren. 1965 berichteten Hon und Lee, dass einer Notlage bei ungeborenen Kindern Veränderungen der Abstände zwischen den Herzschlägen vorausgingen, bevor sich die durchschnittliche Herzfrequenz änderte. Billman wertet das als die erste klinische Anwendung der HRV. Die Idee, dass die Schwankung Informationen trägt, die der Durchschnitt verbirgt, ist die Wurzel des ganzen Fachgebiets.

In den 1970er-Jahren erreichte dieselbe Idee die Erwachsenen. Bei Menschen mit Diabetes nutzte man die HRV, um Schäden an den Nerven nachzuweisen, die das Herz steuern, und sie wurde mit dem Überleben nach einem Herzinfarkt in Verbindung gebracht (Billman, 2011). Beide Anwendungen beruhten auf einer einfachen Deutung: Ein Herz, dessen Rhythmus nicht mehr schwankte, hatte seine nervliche Steuerung verloren.

1981 bis 1987: das Spektrum und die Überlebenden

1981, das Spektrum. Solange Akselrod und ihre Arbeitsgruppe am MIT veröffentlichten in Science eine kurze Arbeit, die zeigte, dass die Leistungsspektralanalyse der Herzfrequenzschwankungen die Beiträge des Nervensystems nach Frequenz trennen konnte. Das sympathische und das parasympathische System lieferten frequenzspezifische Beiträge zum Spektrum, und das Renin-Angiotensin-System, ein Hormonsystem, das den Blutdruck steuert, prägte den langsamen Peak bei etwa 0,04 Hz (Akselrod u. a., 1981). Billman führt sie unter den wegweisenden Studien auf, nach denen das Fachgebiet schnell wuchs. Sie ist der Ursprung der Bänder 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 , 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 und 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 in der Detailansicht Ihrer App.

1986, das Verhältnis. Massimo Pagani und seine Arbeitsgruppe in Mailand untersuchten 57 gesunde Menschen im Liegen, auf dem Kipptisch in aufrechter Position, beim Atmen im Takt eines Metronoms und unter Betablockern sowie wache Hunde, deren sympathische Herznerven durchtrennt waren. Sie fanden zwei Hauptpeaks, einen im hohen Frequenzbereich bei etwa 0,25 Hz und einen im niedrigen Frequenzbereich bei etwa 0,1 Hz, und schlugen das Verhältnis der beiden als Marker der sympathovagalen Balance vor: in Ruhe etwa 3,6, in aufrechter Position auf dem Kipptisch etwa 21 (Pagani u. a., 1986). Das LF/HF-Verhältnis 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 wurde zur meistzitierten und später umstrittensten Zahl der HRV; der Glossareintrag zum LF/HF-Verhältnis erklärt, warum.

1987, die Überlebenden. Robert Kleiger und seine Arbeitsgruppe werteten 24-Stunden-Langzeit-EKGs (Holter) von 808 Menschen aus, die einen Herzinfarkt überlebt hatten; aufgezeichnet wurden sie etwa 11 Tage nach dem Infarkt. Von allem, was gemessen wurde, hatte die HRV, definiert als Standardabweichung aller normalen Schlagabstände, den stärksten Zusammenhang mit der Sterblichkeit in den folgenden 31 Monaten. Wer einen 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 unter 50 ms hatte, starb mit 5,3-mal höherer Wahrscheinlichkeit als jemand mit einem SDNN über 100 ms, und der Zusammenhang blieb bestehen, nachdem man dafür adjustiert hatte, wie gut das Herz pumpte (Kleiger u. a., 1987). Diese Studie machte die HRV zu einem Werkzeug der Kardiologie, und ihre Zahl wird bis heute zuerst zitiert; die Seite HRV und Langlebigkeit ordnet sie ein.

1996: die Standards

Mitte der 1990er-Jahre nutzten Hunderte Arbeiten Dutzende Definitionen. 1996 veröffentlichte eine Task Force der European Society of Cardiology und der North American Society of Pacing and Electrophysiology gemeinsame Standards: die Parameter im Zeitbereich (SDNN, 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 , pNN50 pNN50 Der Anteil benachbarter NN-Intervalle, die sich um mehr als 50 Millisekunden unterscheiden. Er bildet wie der RMSSD schnelle, vagal bestimmte Veränderungen ab, aber als Anteil und nicht als Größe. Mehr zu pNN50 und andere), die Frequenzbänder ( 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 , VLF, LF, HF), Aufzeichnungsdauern von 5 Minuten und 24 Stunden und die Regel, dass nur Abstände zwischen normalen Schlägen zählen, wobei Extrasystolen 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 zuerst entfernt werden (Task Force, 1996). Ernst hält fest, dass die meisten Messungen und Berechnungen seit 1996 diesen Standards folgen. Wenn Ihr Ring den RMSSD der Nacht anzeigt, nutzt er eine Definition, die für 24-Stunden-Aufzeichnungen im Krankenhaus geschrieben wurde.

Genauer betrachtet Was die Standards klärten und was nicht

Die Task Force klärte Definitionen, Einheiten und Aufzeichnungsregeln und gab vorsichtige Deutungen dazu, was die einzelnen Parameter bedeuten: RMSSD und HF-Leistung als überwiegend vagal, LF als Mischung mit einem Beitrag des Baroreflexes und das LF/HF-Verhältnis als grobes Maß für das Gleichgewicht. Nicht geklärt hat sie Normwerte für die Allgemeinbevölkerung, die Bedeutung der VLF-Leistung und die Frage, ob LF überhaupt sympathische Aktivität misst. Diese Streitfragen zogen sich durch die folgenden zwei Jahrzehnte, und die Glossareinträge zur LF-Leistung und zur HF-Leistung halten fest, wo sie heute stehen.

Nach 1996: nichtlineare Parameter, Sportlerinnen und Sportler, Wearables

Nichtlineare Parameter. Forschende liehen sich Werkzeuge aus der Physik, um die Gestalt der Schlagreihe zu beschreiben statt ihrer Streuung: trendbereinigte Fluktuationsanalyse DFA α1 Der kurzfristige Skalierungsexponent der trendbereinigten Fluktuationsanalyse. Nahe 1 haben die Schläge auf jeder Skala ein Gedächtnis; nahe 0,5 verhalten sie sich wie Rauschen. α2 ist dieselbe Steigung über längere Abschnitte. Mehr zu DFA α1 , Entropie, Poincaré-Plots. 2015 prüfte ein gemeinsames Positionspapier europäischer und asiatisch-pazifischer Kardiologiegruppen sie und kam zu dem Schluss, dass sie das technische Verständnis des Signals vertieft hatten, ihr Erfolg bei der Entwicklung neuer klinischer Werkzeuge aber begrenzt geblieben war (Sassi u. a., 2015).

HRV-gesteuertes Training. In den 2000er-Jahren nutzte die Sportwissenschaft die HRV, um zu beobachten, wie Athletinnen und Athleten mit Belastung zurechtkamen. 2007 machte eine finnische Studie die Morgenmessung zu einer Entscheidungsgrundlage: 26 mäßig trainierte Männer wurden auf eine Gruppe mit festem Plan, eine HRV-gesteuerte Gruppe, die nur dann hart lief, wenn die HRV am Morgen normal oder ansteigend war, und eine Kontrollgruppe aufgeteilt. Beide Trainingsgruppen wurden schneller, und die HRV-gesteuerte Gruppe steigerte ihre maximale Sauerstoffaufnahme von 56 auf 60 ml/kg/min (Kiviniemi u. a., 2007). Die Seite HRV und Training verfolgt diesen Faden weiter.

Wearables. Smartphone-Kameras, mit Apps gekoppelte Brustgurte und dann Ringe und Uhren brachten ab den 2010er-Jahren eine nächtliche HRV-Zahl zu Millionen von Menschen. Ihre Genauigkeit ist unterschiedlich: Gegenüber einem medizinischen EKG lag eine Kombination aus Gurt und App beim RMSSD um etwa 4 % und ein Ring um etwa 7 % daneben, während eine Smartphone-Kamera-App um mehr als 100 % abwich (Stone u. a., 2021). Die Messgrößen sind die der Task Force; neu sind die Sensoren. Wie sie sich unterscheiden, behandelt Wie die HRV gemessen wird.

Die zwei Linien treffen sich

Die sowjetische Linie begann getrennt davon in den frühen 1960er-Jahren, als Parin und Baevsky Abstände von Schlag zu Schlag nutzten, um zu beurteilen, wie Kosmonautinnen und Kosmonauten mit Belastung zurechtkamen, und brachte eigene Parameter wie den Stressindex Stressindex nach Baevsky Eine Zahl ohne Einheit, berechnet aus dem Histogramm der Herzschlagabstände. Sie steigt, wenn der Rhythmus gleichmäßiger und weniger variabel wird; Baevsky deutete das als Belastung der Regulation des Körpers. Mehr zu Stressindex nach Baevsky hervor. Ab den 1990er-Jahren führten gemeinsame russische, amerikanische und deutsche Studien auf der Mir und der Internationalen Raumstation die beiden Traditionen zusammen, und russische Übersichtsarbeiten zitieren die oben genannten westlichen Arbeiten. Diese Geschichte erzählt die Seite HRV in der sowjetischen Raumfahrtmedizin.

Häufige Fragen

Wer hat die Herzfrequenzvariabilität entdeckt?

Niemand in einem einzigen Schritt. Hales bemerkte 1733, dass sich der Puls mit der Atmung ändert, Ludwig zeichnete ihn 1847 auf, und die heute genutzten Messgrößen entstanden zwischen den 1960er-Jahren und 1996 in Kardiologie, Physiologie und Fetalmedizin. Das sowjetische Raumfahrtprogramm entwickelte ab den frühen 1960er-Jahren eine eigene Linie.

Warum ist 1996 so wichtig?

In jenem Jahr veröffentlichte eine Task Force der europäischen und der nordamerikanischen Kardiologiegesellschaft Standards dafür, wie man die HRV aufzeichnet, welche Messgrößen man berechnet, welche Frequenzbänder es gibt und wie man die Schläge bereinigt. Seitdem konnten alle Geräte und Studien dieselben Definitionen verwenden.

Seit wann nutzen Sportlerinnen und Sportler die HRV?

Die Sportwissenschaft begann in den 1990er- und 2000er-Jahren, Athletinnen und Athleten mit der HRV zu überwachen, und die ersten Studien, die eine Morgenmessung nutzten, um das Training jedes Tages festzulegen, erschienen 2007. Smartphone-Apps und Wearables brachten das Verfahren in den 2010er-Jahren zu Hobbyläuferinnen und -läufern.

Quellen

  1. Heart rate variability - a historical perspective Frontiers in Physiology, 2011
  2. Hidden Signals-The History and Methods of Heart Rate Variability Frontiers in Public Health, 2017
  3. Power spectrum analysis of heart rate fluctuation: a quantitative probe of beat-to-beat cardiovascular control Science, 1981
  4. Power spectral analysis of heart rate and arterial pressure variabilities as a marker of sympatho-vagal interaction in man and conscious dog Circulation Research, 1986
  5. Decreased heart rate variability and its association with increased mortality after acute myocardial infarction American Journal of Cardiology, 1987
  6. Heart rate variability: standards of measurement, physiological interpretation and clinical use Circulation (Task Force of the ESC and NASPE), 1996
  7. Advances in heart rate variability signal analysis: joint position statement by the e-Cardiology ESC Working Group and the European Heart Rhythm Association co-endorsed by the Asia Pacific Heart Rhythm Society Europace, 2015
  8. Endurance training guided individually by daily heart rate variability measurements European Journal of Applied Physiology, 2007
  9. Assessing the Accuracy of Popular Commercial Technologies That Measure Resting Heart Rate and Heart Rate Variability Frontiers in Sports and Active Living, 2021