Messung psychischer Belastungen mit der Herzratenvariabilität ein Ausblick Prof. Dr. Irina Böckelmann 1, Dr. Stefan Sammito 1,2 1 Bereich Arbeitsmedizin der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg 2 Kommando Sanitätsdienst der Bundeswehr, Referat Wehrmedizinische Forschung 9. Bundesweiter Betriebsärztetag, vom 23.02.13 bis 24.02.13 in Osnabrück
Gliederung Einleitung Physiologische Grundlagen Herzratenvariabilität (HRV) und HRV-Analyse Einflussfaktoren auf HRV Anwendungsfeld: Messung psychischer Belastungen Qualitätssicherung von Studienergebnissen 2
Einleitung Gliederung Einleitung Physiologische Grundlagen Herzratenvariabilität (HRV) und HRV-Analyse Einflussfaktoren auf HRV Anwendungsfeld: Messung psychischer Belastungen Qualitätssicherung von Studienergebnissen 3
Einleitung Das Phänomen der Variabilität Die Variabilität ist in der belebten Natur das Normale, die Starrheit das Pathologische. Wiederkehrender Rhythmus in der Natur. Auch der menschliche Organismus hat eine biologische Gesetzmäßigkeit. Anpassung der Regelsysteme des Körpers an äußerliche Gegebenheiten in der Umgebung des Menschen Steuerung durch eine Vielzahl von komplexen Regelkreisen. Das perfekte Zusammenspiel all dieser Regelkreise ermöglicht ein Leben im Gleichgewicht. 4
Das Phänomen der variablen Herzschlagfolge Einleitung Metronom Herzschlag Uhrwerk 24h-EKG-Aufnahme liegend in der Nachtsphase 5
Physiologische Grundlagen Gliederung Einleitung Physiologische Grundlagen Herzfrequenzvariabilität (HRV) und HRV- Analyse Einflussfaktoren auf HRV Anwendungsfeld: Messung psychischer Belastungen Qualitätssicherung von Studienergebnissen 6
Physiologische Grundlagen Zweizügige Führung des autonomen / vegetativen NS Ruhe Propranolol HR HR Atropin HR Blockadeversuche (Eckoldt, 1975): Sympathikusblockade mittels Propranolol Vagusblockade mittels Atropin 7
Physiologische Grundlagen Zweizügige Führung des autonomen / vegetativen NS SA a [ms] 50 Ruhe 20 10 5 2 DLG - Sympathikus + 60 70 80 90 100 110 120 130 HR [min -1 ] 8
HRV / HRV-Analyse Gliederung Einleitung Physiologische Grundlagen Herzratenvariabilität (HRV) und HRV-Analyse Einflussfaktoren auf HRV Anwendungsfeld: Messung psychischer Belastungen Qualitätssicherung von Studienergebnissen 9
HRV / HRV-Analyse HRV ist ein Maß für die Variation des Zeitabstandes zwischen zwei R- Zacken (RR-Intervall) 10
HRV / HRV-Analyse HRV kennzeichnet die kurz-, mittel- und langfristigen Schwankungen der Herzperiodendauer gilt als Marker der Funktionalität kardiovaskulärer Regelkreise und als eine Messgröße der neurovegetativen Aktivität und Funktion des Herzens liefert Informationen über den Beanspruchungsgrad des HKS und zusätzlich über die Qualität der Herz- Kreislaufregulation kann ein Gesamteindruck der Balance zwischen Leistungsbereitschaft (Sympathikus) und Regeneration (Parasympathikus) geben 11
HRV / HRV-Analyse HRV als sympathovagale Balance Normale HRV Ruhe, Erholung trophotroper Zustand Einfluss des Parasympathikus Einfluss des Sympathikus Stress, Anspannung ergotroper Zustand Große HRV = größere Anpassungsfähigkeit auf sich ändernde Lebensbedingungen 12
Publications on HRV (% of medical publications in Medline) Anzahl der Publikationen zur HRV Wissenschaftliches Interesse an HRV HRV / HRV-Analyse Medline 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 8000 6000 4000 2000 hrv+stress hrv 0,02 0 0 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 Year Moser (2005) Österr Forum Arbmed 1:12-17 Sammito (2011) 13
HRV / HRV-Analyse Zeitbereich Analysebereich Frequenzbereich Phasenbereich Variabilitätsmaß Andere Bezeichnung Messeinheit Erklärung MeanRR AvgRR, RRMW [ms] Mittelwert aller RR-Intervalle im gewählten Zeitbereich; nur zu deskriptiven Zwecken von Interesse, da diese maßgeblich von der Herzschlagfrequenz (HSF) abhängig ist (hohe HSF niedriger MeanRR, niedrige HSF hoher MeanRR) SDNN RRSD, SD, SDRR [ms] Standardabweichung der RR-Intervalle im Messzeitbereich; ist ein frequenzunabhängiger Indikator für die Höhe der Gesamtvariabilität (hohe SDNN hohe HRV, niedrige SDNN niedrige HRV) RMSSD R-MSSD, rmssd, [ms] Root Mean Square of Successive Differences; Ist die Quadratwurzel des quadratischen Mittelwertes der Summe aller Differenzen sukzessiver RR-Intervalle; Parameter der Kurzzeitvariabilität; Zur Betrachtung des parasympathischen Einflusses pnn50 [%] Prozentsatz aufeinanderfolgender RR-Intervalle, die mehr als 50 ms voneinander abweichen; ein hoher pnn50-wert bedeutet hohe spontane Änderungen der Herzfrequenz LF B-Band [ms 2 ] Low Frequency Power, Leistungsdichtespektrum im Frequenzbereich von 0,04 bis 0,15 Hz; daran ist sowohl der Sympathikus als auch der Parasympathikus beteiligt, wobei der Anteil des Sympathikus überwiegt. HF LF/HF C-Band, respiratorische Sinusarrhythmie, Atmungsband Quotient aus LF und HF; LF/HF-Ratio [ms 2 ] High Frequency Power, Leistungsdichtespektrum im Frequenzbereich von 0,15 bis 0,40 Hz; zeigt ausschließlich den parasympathischen Stimmungsanteil Quotient der sympatho-vagalen Balance; als Wert des Zusammenspiels von Parasympathikus (HF) und Sympathikus (LF) LF/HF = Sympathikus LF/HF = Parasympathikus SD1 SDQ, SDw, stdb [ms] Die Standardabweichung der Punktabstände zum Querdurchmesser quantifiziert die spontane (kurzzeitige) Variabilität. SD2 SDL, SD-längs, stda [ms] Die Standardabweichung der Punktabstände zum Längsdurchmesser beschreibt langfristige HRV-Änderungen.
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Zeitbereich Variabilitätsmaß MeanRR SDNN Standardabweichung der RR-Intervalle (=SDNN) RMSSD pnn50 LF HF LF/HF SD1 SD2 dient als Streuungsmaß aller RR- Intervalle im Messzeitbereich Indikator für die Höhe der Gesamtvariabilität, spiegelt den autonomen Tonus insgesamt wider (hohe SDNN hohe HRV, niedrige SDNN niedrige HRV) Einheit: [ms] Weitere Bezeichnung: RRSD, SD, SDRR 15
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Zeitbereich Variabilitätsmaß MeanRR SDNN RMSSD pnn50 LF HF LF/HF SD1 SD2 Root Mean Square of Successive Differences (=rmsdd) ist die Quadratwurzel des quadratischen Mittelwertes der Summe aller Differenzen sukzessiver RR-Intervalle Parameter der Kurzzeitvariabilität; zur Betrachtung des parasympathischen Einflusses Einheit: [ms] Weitere Bezeichnung: r-mssd, rmssd 16
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Zeitbereich Variabilitätsmaß MeanRR SDNN RMSSD pnn50 LF HF LF/HF SD1 pnn50 Prozentsatz aufeinanderfolgender RR- Intervalle, die mehr als 50 ms voneinander abweichen ein hoher pnn50-wert bedeutet hohe spontane Änderungen der Herzrate Einheit: [%] SD2 17
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Frequenzbereich Variabilitätsmaß MeanRR SDNN RMSSD pnn50 LF HF LF/HF SD1 SD2 Low Frequency Power (=LF) Leistungsdichtespektrum bezieht sich auf den Frequenzbereich von 0,05 0,15 Hz, daran ist sowohl der Sympathikus als auch der Parasympathikus beteiligt, wobei der Anteil des Sympathikus überwiegt. Bei Langzeit-Aufzeichnungen gibt dieser Bereich jedoch Information über die sympathische Aktivität. Einheit: [ms 2 ] Periodendauer 20-7 s 3 bis 8,5 Schwingungen pro Minute 18
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Frequenzbereich Variabilitätsmaß MeanRR SDNN RMSSD pnn50 LF HF LF/HF SD1 SD2 High Frequency Power (=HF) Leistungsdichtespektrum bezieht sich auf den Frequenzbereich von 0,15 0,40 Hz zeigt ausschließlich den parasympathischen bestimmten Stimmungsanteil Atmungsband Einheit: [ms 2 ] Periodendauer 7-2,5 s 8,5 bis 24 Schwingungen pro Minute 19
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Frequenzbereich Variabilitäts- Maß MeanRR SDNN RMSSD pnn50 LF HF LF/HF SD1 SD2 Quotient aus LF und HF (=LF/HF) als Wert des Zusammenspiels von Parasympathikus (HF) und Sympathikus (LF) sympatho-vagale Balance LF/HF = Sympathikus LF/HF = Parasympathikus 20
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Frequenzbereich Modelle der sympatho-vagalen Balance Quelle: Mück-Weymann 2003 21
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Phasenbereich Streudiagramm Poincaré-Plot Lorenz-Plot Recurrence-Plot Scatter-Plot Return Map Quelle: Hottenrott 2001 22
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Phasenbereich Variabilitätsmaß MeanRR SDNN RMSSD pnn50 SD1 Kurzzeitvariabilität Einheit: [ms] Poincaré Plot (Streudiagramm) LF HF LF/HF SD1 SD2 Quelle: Hottenrott 2001 23
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Phasenbereich Variabilitätsmaß MeanRR SDNN RMSSD pnn50 SD2 Langzeitvariabilität Einheit: [ms] Poincaré Plot (Streudiagramm) LF HF LF/HF SD1 SD2 Quelle: Hottenrott 2001 24
HRV / HRV-Analyse HRV-Analyse im Phasenbereich Kammerflimmern Esperer, HD: Neue Methoden zur Detektion und Differenzierung von kardialen Arrhythmien. Habil.schrift, Otto-v.-Guericke-Univ. Magdeburg, Med. Fak., 2002 Die Interpretation der Musterabweichung des Plots bleibt Kardiologen überlassen. 25
HRV / HRV-Analyse Klinische Beispiele Patient HM: gehäufte SVES und VES z.t. in Couplet- u. Tripletform Patient KF: AV Block II (Wenckebach) Patient GT: VHF bis 14.30 Uhr, danach SR
HRV / HRV-Analyse Vor- und Nachteile der Phasenraumanalyse Vorteile: gute Visualisierung komplexer Vorgänge (anschauliche Grafik), keine strenge Voraussetzung der lückenlosen Zeitreihe, robust gegenüber Artefaktüberlagerung und Extrasystolen (gut geeignet bei Patienten mit hoher Prävalenz von VES u. SVES) Nachteil: nur das Gesamtschwingungsverhalten wird erkannt, keine Differenzierung der einzelnen Schwingungsgeneratoren möglich 27
HRV / HRV-Analyse Weitere Methoden /neuere Entwicklungen Zero-Crossing-Verfahren zirkuläre und nichtzirkuläre Autokorrelationsfunktionen modulierte autoregressive Verfahren Wavelet-Transformation (auch für nicht stationäre Signale und kurzer Analysedauer) Trigonometrische Regressive Spektralanalyse (TRS) Cluster-Spektralanalyse Lyapunov-Exponent Cholmogorov-Entropie fraktale Dimensionen und weitere moderne Verfahren der Chaosforschung 28
Einflussfaktoren Gliederung Einleitung Physiologische Grundlagen Herzratenvariabilität (HRV) und HRV-Analyse Einflussfaktoren auf HRV Anwendungsfeld: Messung psychischer Belastungen Qualitätssicherung von Studienergebnissen 29
Einflussfaktoren auf die HRV (mod. nach Hottenrott 2007) Einflussfaktoren 30
Einflussfaktoren Wichtig Confounderausschaltung Confoundereinbeziehung HRV-Daten Filter (Confounder) HRV-Daten Wertung Wertung Confounder Keine HRV-Analyse ohne ausreichende Confoundereinbeziehung bzw. Berücksichtigung!!! 31
Anwendung Gliederung Einleitung Physiologische Grundlagen Herzraten (HRV) und HRV-Analyse Einflussfaktoren auf HRV Anwendungsfeld: Messung psychischer Belastungen Qualitätssicherung von Studienergebnissen 32
Anwendung Die HRV als Indikator für psychophysische Zustände des Organismus (Mück-Weymann 2004) als Indikator für Einschränkungen organismischer Adaptations- und Anpassungsfähigkeit für biopsychosoziale Fragestellungen (Mück-Weymann 2004) als Indikator der psychischen Beanspruchung (Kalsbeek & Ettema 1963, Luczak & Laurig 1973, Mulder G 1980, Egelund 1982, 1985, Aasman et al. 1987, Böckelmann et al. 2003, Pfister et al. 2006) als Beanspruchungsindikator an Arbeitsplätzen (z.b. bei Einführung neuer Informations- und Kommunikationstechnologien, HMD-Nutzer, Komfort) (Roggentin 2010) 33
HRV beim kardiochirurgischen Eingriff Anwendung Group A: LF/HF-Ratio des erfahrenden Herzchirurgen bei der Arbeit Group B: LF/HF-Ratio des erfahrenden Herzchirurgen bei der Supervision eines unerfahrenen Chirurgen [Song et al. 2009] 34
Anwendung HRV beim intraoperativen Stress 35
Anwendung Stressanalyse und Stressbewältigung über HRV- Biofeedback-Methoden Analyse der Schlafstörungen 36
Anwendung Grad der Entspannung oder Anspannung Streudiagramme eines Erwachsenen bei entspanntem Zustand Streudiagramme eines Erwachsenen bei gestresstem Zustand
Anwendung Objektivierung von Entspannungseffekten mit Hilfe der HRV Streudiagramme einer Marathonsiegerin beim Marathon-Lauf 2 Tage danach eine Woche danach 38
Anwendung Stress als Risikofaktor für KHK Chronischer Stress chronische (Über-)Aktivierung des sympathischen Nervensystem Kardiale Erkrankung 39
Qualitätssicherung Gliederung Einleitung Physiologische Grundlagen Herzraten (HRV) und HRV-Analyse Einflussfaktoren auf HRV Anwendungsfeld: Messung psychischer Belastungen Qualitätssicherung von Studienergebnissen 40
Qualitätssicherung Messung der HRV Voraussetzungen: Nichtinvasivität (Oberflächenelektroden!) Robustheit (insbesondere bei Felduntersuchungen) Rückwirkungsfreiheit (klein, wenig störend, das Verfahren darf das Messergebnis selbst nicht beeinflussen) [Frauendorf H et al. 2005, Leitlinie DGAUM, Pfister et al. 2007] 41
Qualitätssicherung Störungen [mod. nach Sammito 2008] 42
Qualitätssicherung 43
Qualitätssicherung von Studienergebnissen (I) Qualitätssicherung Immer vorher ein Ruhe-EKG schreiben (Psychologen, Arbeitswissenschaftler missachten dies des Öfteren) Wahl des Transformationsalgorithmus (AR, FFT) Anwendungsvoraussetzung der verwendeten frequenzanalytischen Verfahren, Gewährleistung der Stationarität der RR-Zeitreihe bei Spektralanalyse Kriterien der Parametergewinnung (Ordnung des autoregressiven Modells, Definition der Frequenzbänder) 44
Qualitätssicherung von Studienergebnissen (II) Qualitätssicherung gewählte Messdauer (Länge der Analysesequenz) bzw. die zugrunde gelegte Datenmenge für die Auswertung (min. 5 min.) Elimination von Artefakten, die bei körperlicher Tätigkeit im Vergleich zur Ruhemessung vermehrt auftreten Art der Datenvorbereitung und -filterung 45
Qualitätssicherung von Studienergebnissen (III) Qualitätssicherung Resampling (Wahl der Abtastfrequenz: 1000 Hz = millisekundengenau) Fensterung Die Interpretation der HRV sollte man bei der Softwareautomatisierten Auswertung auf der Grundlage von mehreren Parameter vornehmen. 46
Vergleichbarkeit von HRV-Ergebnissen Qualitätssicherung Um die Messungen an verschiedenen Personen, oder auch zu verschiedenen Zeiten vergleichen zu können, müssen die Einflussfaktoren berücksichtigt werden. Vergleichende HRV-Untersuchungen immer zur gleichen Tageszeit! 47
Vergleichbarkeit von HRV-Ergebnissen Qualitätssicherung Vergleiche von HRV-Parametern sind nur bei zeitgleicher Analysedauer durchzuführen! HRV aus long term Aufzeichnungen über 24h nicht mit short term Aufzeichnung von z. B. 5 Minuten vergleichen! Erst dann sind diese Vergleiche aussagekräftig! 48
Qualitätssicherung Kritik [ Nickel P, Eilers K, Seehase L, Nachreiner F (2002) Zur Reliabilität, Validität, Sensitivität und Diagnostizität von Herzfrequenz- und Herzfrequenzvariabilitätsmaßen als Indikatoren psychischer Beanspruchung. Z Arb Wiss 56:22-36] berechtigt, wenn nicht beachtet wird: HRV-Maße streuen stark inter- und intraindividuell ungenügende Confounderbeachtung bzw. -berücksichtigung keine ausreichende Probandenzahl für Arbeitsplatzbewertung Der rückwirkungsarmen, nichtinvasiven Methodik und der relativ einfachen Datenerfassung (EKG und nachfolgende Verarbeitung) steht eine relativ schwierige Interpretation gegenüber! 49
Qualitätssicherung HRV Leit-/Richtlinien Analyse der HRV im Zeitbereich (für 24h-Messung) Einheit Normwert (Mw ± StAbw) SDNN ms 141 ± 39 SDANN ms 127 ± 35 RMSSD ms 27 ± 12 Task Force of the European Society of Cardiology and HRV triangular index 37 ± 15 Analyse der HRV im Frequenzbereich (für 5-min-Messung) Total power ms² 3466 ± 1018 LF ms² 1170 ± 416 HF ms² 975 ± 20 LF/HF ratio 1,5 2,0 The North American Society of Pacing and Electrophysiology European Heart Journal (1996) 17, 354 381 Leitlinie der DGAUM Herzrhythmusanalyse in der Arbeitsmedizin 50
Qualitätssicherung Abschließende Bemerkungen Die HRV-Analyse ist ein etabliertes Verfahren (Kardiologie, Diabetologie, Endokrinologie, Neurologie, Intensivmedizin, Arbeitsphysiologie, Sportmedizin, Geburtsmedizin, Pharmakologie). Vor unkritischer Anwendung und unzureichender Einarbeitung muss gewarnt werden. Das Nutzen dieses Verfahrens zeigt neue Möglichkeiten der frühen Diagnostik / Risikoeinschätzung kardiovaskulärer Erkrankungen sowie lässt die Rückschlüsse auf die psychische Belastung ziehen. Die Zeit ist reif für eine breite Anwendung der HRV-Analyse in der (praktischen) Arbeits-/Betriebsmedizin! 51
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt IAM Tel.: 0391-67 15056 Fax: 0391-67-15083 Email: irina.boeckelmann@med.ovgu.de