Als Herzfrequenzvariabilität (kurz HFV) oder Herzratenvariabilität (, HRV) wird die Variation der Zeiten zwischen aufeinanderfolgenden regulären Herzschlägen bezeichnet. Die Herzfrequenzvariabilität ist ein Indikator für die Fähigkeit, die Herzfrequenz den körperlichen und mentalen Anforderungen anzupassen. Maße für die Herzfrequenzvariabilität lassen sich statistisch im Zeitbereich als Streumaße (Mittelwert, Standardabweichung, Varianz) oder spektral im Frequenzbereich (niedrigfrequent, hochfrequent) ableiten; eine dritte Möglichkeit bieten nicht-lineare Methoden (z. B. Poincaré-Abbildung, Fluktuationsanalyse).
Über autonome physiologische Regulationswege passt ein gesunder Organismus die Herzschlagrate beständig momentanen Erfordernissen an. Körperliche Beanspruchung oder psychische Belastung hat deswegen in der Regel eine Erhöhung der Herzfrequenz durch vagale Disinhibierung 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.Petra Wirz: Kardiovaskuläre Aktivität II. Herzratenvariabilität UNI 2004, Folien/Methoden der Psychobiologie
mini|hochkant=1.3|Unauffälliges Ruhe-EKG: Beim Gesunden variiert die Frequenz des Herzschlages.
Anfänge und aktuelle Bereiche der HRV-Forschung Bereits im 3. Jahrhundert nach Christus erkannte der chinesische Arzt Wang Shu-he (auch Wang Shu-ho oder Wang Hsi), dass ein variabler Herzschlag ein Zeichen für Gesundheit ist. Er dokumentierte dies in seinen Schriften Mai Ching ().
In der modernen Medizin wurde die Bedeutung der HRV zuerst Mitte der 1960er Jahre bei der Untersuchung an Föten beschrieben.
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.
Physiologie der Herzratenvariabilität Zur Bewertung der Herzratenvariabilität wird der Abstand zwischen regulären Herzschlägen beurteilt, d. h. im normalen Sinusrhythmus, ohne Herzrhythmusstörungen. Gemessen wird dabei der Abstand der R-Zacken im Elektrokardiogramm (EKG), dem RR- oder NN-Intervall. Die Bezeichnung NN betont, dass es sich um normale Herzschläge handelt (und vermeidet eine Verwechslung mit der Blutdruckangabe RR nach Riva-Rocci). Die RR-Intervalle sind im Regelfall nicht gleich lang, sondern unterliegen Schwankungen. Die Quantifizierung dieser Schwankungen bezeichnet man als Herzfrequenz- oder Herzratenvariabilität (HRV).
Alternativ zum EKG lässt sich die Herzrate weniger genau durch Blutdruckmessungen, ein Ballistokardiogramm (BCG) oder ein Photoplethysmogramm (PPG) bestimmen.
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, während parallel dazu Körperfunktionen reduziert werden, die vom Vagus reguliert werden, wie etwa die Verdauung. Grob vereinfachend kann man sagen, dass der Sympathikus die Teilsysteme (Kreislauf, Muskulatur, Zucker) für Angriff und Flucht aktiviert, der Vagus im Gegenzug die hierfür erforderlichen Ressourcen aufbauen hilft, wenn sich der Mensch in einem entspannten Ruhezustand befindet. 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.
Das bedeutet, dass ein effizienter Wechsel zwischen Sympathikus und Parasympathikus erfolgt, um Stressreaktionen schnell abzuschwächen und sich schnell zu erholen, sowie im Ruhezustand die maximale Energieeffizienz zu erreichen.
Messverfahren mini|Spektralanalyse mini|Histogramm Aus einem EKG lässt sich eine Zeitreihe an RR-Intervallen bestimmen. Im Vergleich zum normalen Elektrokardiogramm, bei dem die Kurvenform diagnostische Bedeutung hat, geht es bei der Messung der Herzratenvariabilität um die zeitliche Auflösung der RR-Abstände. Gängige Maße wurden 1996 von einer Gruppe aus der European Society of Cardiology und der North American Society of Pacing and Electrophysiology erarbeitet. Danach werden Analysen in drei Bereiche (Domänen) unterschieden: Zeitbereich (z. B. Standardabweichung der RR-Intervalle) Frequenzbereich (z. B. Spektrum der Herzfrequenzvariabilität) nichtlinearer Bereich (z. B. Poincaré-Abbildungen). Allgemeingültige Zahlenwerte sind für die verschiedenen Messgrößen nicht gegeben. Sie hängen u. a. vom Alter und Geschlecht des Patienten ab.
Einzelne Studien haben nach Alter und Geschlecht Perzentile ausgegeben, z. B. 24-Stunden-Werte für 7146 Büroarbeitende (supplement Tabelle 2).
Domänen Eine einfache statistische Größe zur Bestimmung der Streuung ist die Standardabweichung der RR-Intervalle im Zeitbereich.
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 (), LF (, mitunter auch als MF () bezeichnet) und HF (), teilweise zuzüglich eines vierten Frequenzbandes: ULF (). Diese Frequenzen repräsentieren HF, 0,15 – 0,4 Hz: Respiratorische Sinusarrhythmie LF, 0,04 – 0,15 Hz: Oszillationen des Baroreflexes VLF: peripher-zentrale Thermoregulation (vgl.B.M. Sayers: Analysis of heart rate variability. In: Ergonomics, 16, 1973, S. 17–32S. Akselrod, D. Gordon, J.B. Madwed, N.C. Snidman, D.C. Shannon, R.J. Cohen: Hemodynamic regulation: investigation by spectral analysis. In: Am J Physiol, 249, 1985, S. H867–875.C. van Ravenswaaij-Arts, L.A.A. Kollee, J.C.W. Hopman, G.B.A. Stoelinga, H.P. van Geijn: Heart Rate Variability. In: Annals of Internal Medicine 118(6), 1993, S. 436–447)
Die respiratorische Sinusarrhythmie – und damit die HF – werden gemeinhin als Marker parasympathischer Aktivität angesehen. Es wurde und wird teilweise postuliert, die LF sei das sympathische Gegenstück zur HF und der Quotient LF/HF somit ein geeigneter Marker für die autonome Balance zwischen Sympathikus und Parasympathikus. Mittlerweile ist dies hinreichend widerlegt, dennoch wird LF/HF weiterhin in aktuellen Publikationen als Kennwert sympathovagaler Balance aufgeführt.
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 gleichmäßiger über 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 RR-Abstände: Poincaré-, Lorenz-, Recurrence- und Scatter-Plot sowie Return Maps. Bei dieser Darstellung bezieht sich jeder folgende Datenpunkt auf den vorhergehenden, wobei im einfachsten Fall einer zweidimensionalen Darstellung die RR-Zeitreihe auf sich selbst abgebildet wird.HD Esperer, C Esperer, RJ. Cohen: Cardiac arrhythmias imprint specific signatures on lorenz plots. In: Ann Noninvasive Electrocardiol., 2008 Jan, 13(1), S. 44–60, PMID 18234006. Division of Cardiology, School of Medicine, Otto-von-Guericke-University, Magdeburg, Germany, and Division of Health Sciences and Technology, Harvard University, MIT, Cambridge, MA, USA.
Zur Vermeidung von Fehleinschätzungen der Bedeutung verschiedener Parameter der HRV wurden von und Richtlinien festgelegt zur Durchführung und Interpretation von HRV-Analysen.M. Malik et al.: Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. In: Circulation, 17, 1996, S. 354–381 Eine gute Übersicht bietet auch der Artikel.
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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, eines aus der zweiten Gruppe 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 starken Veränderungen der Herzratenvariabilität sind: Asphyxie bei NeugeborenenW.D. Ekert, B. Kohler: Cardiorespiratory studies in cerebral disease. In: Monatsschr Kinderheilkd, 122, 1974, S. 643–644 plötzlicher Herztod nach HerzinfarktR.E. Kleiger, J.P. Miller, Jr, J.T. Bigger, A.J.Moss: Decreased heart rate variability and its association with increased mortality after acute myocardial infarction. In: Am J Cardiol, 59, 1987, S. 256–262 (als prädiktiver Wert) AsthmaP.M. Lehrer, E.G. Vaschillo, B. Vaschillo, Shou-En Lu, D.L. Eckberg, R. Edelberg, W.J. Shih, Y. Lin, T.A. Kuusela, K.U.O. Tahvanainen, R.M. Hamer: Heart rate variability biofeedback increases baroreflex gain and peak expiratory flow. In: Psychosom Med, 65(5), 2003, S. 796–805 Traumapatienten, als prädiktiver Wert für die Mortalität, unabhängig von Mechanismus, Ort oder Schwere der Verletzung.W.P. Riordan, P.R. Norris, J.M. Jenkins, J.A. Morris: Early loss of heart rate complexity predicts mortality regardless of mechanism, anatomic location, or severity of injury in 2178 trauma patients. In: Journal of Surgical Research, 156(2), 2009, S. 283–289 Sepsis, schon vor klinischer Diagnosestellung der Sepsis beginnt die HRV abzufallen.S. Ahmad, T. Ramsay, L. Huebsch, S. Flanagan, S. McDiarmid, I. Batkin, L. McIntyre, S.R. Sundaresan, D.E. Maziak, F.M. Shamji, P. Hebert, D. Fergusson, A. Tinmouth, A.J.E. Seely: Continuous multi-parameter heart rate variability analysis heralds onset of sepsis in adults. PLOS ONE, 4(8), 2009, e6642
HRV in Stressmedizin und Psychophysiologie