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Wissenschaftlicher Hintergrund von ithlete

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Der Wissenschaftliche Hintergrund von ithlete

Unser Herz

Nur weil unser Herz schlägt, leben wir. Meistens still, manchmal heftig, pumpt das Herz von dem frühesten Stadium der Schwangerschaft an bis zum letzten Atemzug Blut durch unseren Körper. Ein fein austariertes und komplexes Regulationssystem. Es sorgt dafür, dass das Herz immer die richtige Menge Blut durch den Kreislauf schickt, ob wir nun schlafen, rennen, stehen, sitzen, nachdenken oder ob wir uns fürchten. Mehr noch, in der Evolution hatten diejenigen Lebewesen offenbar einen Vorteil, die Gefahren vorhersehen konnten und ihren Kreislauf bereits im Voraus auf Kampf und Flucht einstellen konnten.

Kein Wunder also, dass Herzschläge nicht nach dem Takt eines Metronoms aufeinander folgen. Im Gegenteil, gesund ist die ruhige Unregelmäßigkeit. Aus der Unregelmäßigkeit schlossen Ärzte bereits im Altertum auf innere Zustände. In der modernen Medizin blieb die feine Variabilität des Herzschlags länger unbeachtet. Eine der ersten klinischen Anwendungen war die Ableitung der kindlichen Herzschläge unter der Geburt. Jeder Geburtshelfer kennt das Verschwinden der Herzfrequenzvariabilität beim Ungeborenen als bedrohliches Alarmzeichen.

Die Maßeinheit des Herzens (der Herzschläge) ist ein Herzzyklus. Eine RR-Intervall (Schlag-zu-Schlag-Intervall) entspricht der Länge dieses Zyklus. Die Herzfrequenz („Puls“) ist umgekehrt proportional zum RR-Intervall. Eine niedrige Herzfrequenz bedeutet also ein längeres RR-Intervall und umgekehrt. Ein Puls von 60 Schlägen bedeutet theoretisch eine durchschnittliche RR-Intervallzeit von 1000ms, ein 70er Puls von 0,857ms) . Das RR-Intervall verändert sich aber mit jedem Schlag, mal mehr oder weniger (wie hier noch dargestellt wird), wobei wir auf der Pulsuhr nur die durchschnittliche Herzfrequenz sehen.

Physiologische Signale sind die komplexesten in der Natur, hinter denen sich wichtige klinische Informationen verbergen. Die unruhige Variabilität ist dabei das eigentliche wesentliche Signal.

Die klinische Kardiologie fokussierte in der Analyse des Herzrhythmus erst einmal vor allem auf die groben Unregelmäßigkeiten, die als Aussetzer oder zusätzliche Schläge in der EKG-Ableitung auffallen. Erst in den vergangenen Jahrzehnten wurde zunehmend die Bedeutung der Herzfrequenzvariabilität als Fenster zur Zustandsdiagnostik des vegetativen Nervensystems erkannt.

In Zeiten zunehmender psychischer Belastungen in der Arbeitswelt wächst die Bedeutung der Regulation des autonomen Nervensystems als Vermittler zwischen kognitiven und emotionalen Prozessen und Veränderungen in den biologischen Systemen.

Das autonome und vegetative Nervensystem

Der menschliche Körper besitzt zwei Nervensysteme: das somatische und das vegetative Nervensystem. Das vegetative Nervensystem (VNS) oder auch autonome Nervensystem (ANS) bildet zusammen mit dem somatischen Nervensystem das periphere Nervensystem. Die „Autonomie“ bezieht sich auf den Umstand, dass über das VNS biologisch festliegende, automatisch ablaufende innerkörperliche Anpassungs- und Regulationsvorgänge vermittelt werden, die deswegen vom Menschen willentlich nicht direkt beeinflusst werden können. Über das VNS regulierte Körperfunktionen wie Pulsrate, Blutdruck oder Muskeltonus werden indirekt alle Arten von will- und unwillkürlichen Aktivitäten beeinflusst.

Das VNS ist das oberste Regulationszentrum im Körper für alle Organe und Organsysteme. Durch Regulation kann der Organismus trotz zahlreicher Einflüsse und Störwirkungen (Reize) aus der Umwelt und dem Inneren des Körpers seine Funktionsfähigkeit aufrecht erhalten und sogar optimieren. Daraus lässt sich logisch schließen: wenn ein übergeordnetes System (das VNS) untergeordnete Systeme (z.B. Herzfrequenz/Puls) steuert und reguliert, ist der Funktionszustand des übergeordneten Systems der wichtigste diagnostische Parameter.

Sympathikus und Parasympathikus sind die vegetativen Nervenverbindungen zum Herz. Sie innervieren das Erregungsleitungssystem und auch die Herzkranzgefäße.

Der Sympathikus stellt das wichtigste und unentbehrliche Aktivierungssystem des menschlichen Organismus dar, dessen Wirkungsweise jedoch auch mit zahlreichen Gesundheitsrisiken behaftet ist. Dagegen ist der Parasympathikus der wichtigste zurzeit bekannte Schutzmechanismus des Körpers gegenüber Überforderungen und stressbedingten Gesundheitsgefährdungen. Außerdem ist er ein Garant der körperlichen Fitness und Leistungsfähigkeit. Ein abgestimmtes Wechselspiel von Sympathikus und Parasympathikus ist somit entscheidend dafür, dass unser Herz auf wechselnde Belastungen optimal reagieren kann. Insofern ist eine hohe HRV Ausdruck eines gesunden und anpassungsfähigen Organismus, wohingegen eine Herzfrequenzstarre ein Hinweis auf einen gestressten oder kranken hinweist.

Dr. J. D. Hahn-Godeffroy beschreibt die Bedeutung des vegetativen Nervensystems für die Gesundheit so:

„Das Vegetativum, dieses autonome Nervensystem, bestehend aus Sympathikus und Parasympathikus, aus den Nerven der Tagesanpassung, der fröhlichen Aktivität einerseits, des Rennens, der Leistung (Sympathikus) - und andererseits der Erhaltung, der Erholung, der Muße, des Regenerationsschlafes aller erschöpften Organe (Parasympathikus), dieses Vegetativum bestimmt unser Leben, unser Glücklichsein."


Da das VNS ein autonomes System ist, welches die ständige Anpassung aller Körperfunktionen auf innere und äußere Reize sicherstellt, kommt der exakten Analyse diese Regulationssystem sowie einer darauf aufbauenden Therapie (Reizsteuerung) eine überragende Bedeutung zu.

Es stellt sich daher nur die Frage, über welchen Messwert sich der Funktionszustand des VNS am besten diagnostizieren lässt.

Die HRV

Wir betrachten es normalerweise als ein gutes Zeichen, wenn unser Herz schön gleichmäßig schlägt, was bedeutet, das die Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden Herzschlägen (RR-Intervalle) weitestgehend konstant sind. Sicherlich verändert sich die Schlaggeschwindigkeit des Herzens generell in Abhängigkeit davon, ob wir aktiv oder entspannt sind. Dies ist eine alltägliche Beobachtung, die wir permanent machen können. Dennoch würde es uns wundern und vermutlich auch ängstigen, wenn wir feststellen würden, dass unabhängig davon, wie hoch die Schlaggeschwindigkeit des Herzens gerade ist, die Abstände zwischen einzelnen, unmittelbar aufeinanderfolgenden Herzschlägen ständig variiert, so dass das Herz permanent abwechselnd schneller und langsamer schlägt.

Und doch ist dies glücklicherweise die Realität, zumindest bei den meisten von uns, denn wir wissen in der Zwischenzeit, dass eine starre Abfolge des Herzschlags ohne zeitliche Variation ein durchaus ernst zu nehmender Risikofaktor für unsere Gesundheit, Fitness und Stressresistenz ist. Dieses Phänomen ist in jüngster Zeit unter den Bezeichnungen Herzraten-, Herzschlag-, aber meistens als Herzfrequenzvariabilität, kurz HRV, bekannt und populär geworden.

Die Herzfrequenzvariabilität wird direkt und längerfristig vom Zustand des vegetativen Nervensystems beeinflusst. Die HRV-Werte geben daher nicht nur den akuten Zustand während der Messung wider, sondern auch das sich in der Vergangenheit aufgebaute Ergebnis aus Spannung und Entspannung (Stress und Erholung, Training und Regeneration).

Kurze Geschichte der HRV

Die Beschäftigung mit dem menschlichen Herzschlag und seiner Variabilität  hat nicht nur in der chinesischen Medizin, wo der Pulsdiagnostik eine wichtige Rolle zukommt, eine lange Tradition. Auch in der westlichen medizin finden sich bereits frühe Hinweise auf die Beschäftigung mit dem Herzschlag. So wurden bereits im 2. Jahrhundert vor der Zeitrechnung Galen von Pergamon mindestens 18 Bücher über den Puls geschrieben, wovon sich 8 mit der Analyse des Pulses für die Diagnose und Vorhersage von Erkrankungen befasst haben (Bedford, 1951; Boylan, 2007).

Die ersten Hinweise darauf, dass sowohl das Schlag-zu-Schlag Intervall des Pulses als auch der arterielle Druck permanent variieren, stammen von Stephen Hales (1733). Ebenso auch die noch heute gültige Erkenntnis, dass die Variation vom Atemzyklus abhängig ist (siehe unten: RSA).

Während diese frühen Befunde als erste Hinweise auf die Existenz des Phänomens der HRV gewertet werden können, war lange Zeit unklar, worauf die mit der Atemtätigkeit zusammenhängende Variation des Pulses zurückzuführen ist. Donders (1868( war der Erste, der diese Veränderungen als Folge einer atmungsabhängigen Aktivierung des Vagus Nervs interpretierte. Eine Auffassung, die etwas später auch von Hering (1910) vertreten wurde, der auf die Bedeutung von Atmungsvariationen als funktionalen Test der vagalen Herzkontrolle hinwies.  

Der entscheidende Durchbruch und die Anerkennung als verlässliches und valides Messverfahren der autonom-nervösen Regulationsprozesse gelang der HRV aber erst drei Jahrzehnte später im Zusammenhang mit der Gründung einer gemeinsamen Task Force durch die European Society of Cardiology und die North American Society of Pacing and Electrophysiology im Jahre 1996. Die war mit renommierten Wissenschaftlern aus den Bereichen Mathematik, Ingenieurwesen, Physiologie und Klinische Medizin besetzt und hatte das Ziel, die physiologischen Grundlagen der HRV-Analyse zu untersuchen, die Validität der Messverfahren des autonomen Nervensystems zu überprüfen, Mess-Standards festzulegen und erfolgversprechende klinische Anwendungen zu erforschen.

In der Zwischenzeit sind über 3000 Forschungsarbeiten zu diesem innovativen Messverfahren veröffentlicht worden, die in der überwiegenden Anzahl konsistente und eindrucksvolle Belege dafür bieten, dass das Verfahren neue Möglichkeiten zur nicht-invasiven Erfassung und quantitativen Beschreibung des Funktionszustandes des VNS bietet, die deutlich über die bislang verfügbaren diagnostischen Möglichkeiten hinausgehen und neue Anwendungsfelder eröffnen.

Bislang existierten überhaupt keine Verfahren, die eine nicht-invasive Messung der Gesamtregulationsfähigkeit und Flexibilität des VNS und des Funktionszustandes der parasympathischen Regulationsfähigkeit ermöglichen. Insbesondere Letzterer ist jedoch in seiner Bedeutung für weite Bereiche der Präventionsdiagnostik kaum zu überschätzen.

Respiratorische Sinusarrhythmie (RSA)

Die RSA ist eine atemabhängige Unregelmäßigkeit der Herzschläge (im EKG) im Ruhezustand, die aufgrund der rhythmischen Beeinflussung des Herzens durch die Atmung zustande kommt. In der Tat kommt es durch mehrere physiologische Prozesse zu einer Beschleunigung der RR-Intervalle während des Einatmens und zu einer Entschleunigung beim Ausatmen. Im Alter und bei Krankheit nimmt dieser Effekt signifikant ab.

Analyse der HRV

Die HRV-Analyse versucht, die autonome Regulation durch Quantifizierung der Rhythmusvariabilität des Sinusknotens zu beurteilen.

Obwohl im Allgemeinen von „der“ HRV gesprochen wird, sollte dies nicht darüber hinwegtäuschen, dass dabei stets auf konkrete HRV-Indizes, die z.T. ganz unterschiedliche HRV-Komponenten erfassen, Bezug genommen wird. Man unterscheidet methodisch vor allem zwischen zeitbezogenen und frequenzbezogenen Parametern.

Die Analyse der HRV liefert wertvolle Informationen über den Funktionszustand der beiden Teilsysteme des autonomen Nervensystems (siehe oben). Für die Diagnose werden je nach Fragestellung ausgesuchte zeit- und frequenzbezogene Parameter herangezogen, die selbst unterschiedliche Messmethoden und –designs erfordern (Länge der Messungen, Genauigkeit, Aktivitätsniveau etc).

Als Berechnungsgrundlage für beide Parameterbereiche reicht die Erfassung der RR-Intervalle grundsätzlich aus, da alle Indizes aus den RR-Intervallen hergeleitet werden können. Aus diesem Grund ist auch die mobile und einfache Messung mittels handelsüblicher Brustgurte heute möglich, weil sie die notwendigen EKG-Signale oder auch RR-Intervalle in qualitativ ausreichender Form abtasten und übermitteln können.

Eine besondere Bedeutung für die Früherkennung gesundheitlicher Gefährdungen kommt insbesondere Parametern der parasympathischen Aktivität (rMSSD, HF) oder des sympathisch-parasympathischen Regulationsgleichgewichtes (LF/HF) zu. Schaut man nur auf die Erholungsfähigkeit bzw. den Erholungszustand, so muss man zuvorderst auf das parasympathische System schauen, da dies das System der Regeneration, De-Aktivierung, Wiederherstellung und des Wiederaufbaus ist.

Die HRV im Zeitverlauf kann sich als Folge sportlicher Aktivitäten aber auch bestimmter Erkrankungen (z. B. Diabetes mellitus) sowie aufgenommener Neurotoxica (z. B. Alkohol, Schwermetalle, organische Lösemittel) langfristig verändern. Kurzfristige Änderungen sind als Beanspruchungsantwort auf einwirkende Belastungen (physische, psychische, physikalische Umweltfaktoren u. a.) bekannt.

Die HRV ist ein unabhängiger Funktionsausdruck des ANS und als Summe aller genetischen und konditionellen Einzelkomponenten des Menschen so individuell wie der Fingerabdruck. Gleichzeitig nimmt eine Reihe von Faktoren Einfluss auf die HRV. Wie zuvor beschrieben, werden diese Einflüsse vor allem durch die Wirkungen von Sympathikus und Parasympathikus vermittelt. Im Einzelnen können das sein:

    • Genetik

      • HRV-Parameter sind in einem relativ hohen Maße genetisch beeinflusst
      • Unterschiede nehmen aber mit dem Alter ab und die Bedeutung des Lebensstils nimmt zu
    • Alter

      • stärkste natürliche Einflussfaktor auf die HRV
      • HRV nimmt im Jugendalter zu (bei gleichzeitiger Abnahme der Herzfrequenz) und mit fortschreitendem Alter ab (am raschesten die Parameter des Parasympathikus, man spricht auch von einer „Alterstarre“ des Herzens)
    • Gender

      • bis zum Alter von 30 Jahren sind alle HRV-Werte bei Frauen niedriger als bei Männern
      • diese Unterschiede werden später geringer und verschwinden nach dem 50. Lebensjahr
    • Entzündungen (entzündliche Erkrankungen)

      • alle Herz-Kreislauf-Risikofaktoren wirken sich über eine „schleichende Entzündung“ des Körpers auf die HRV aus
      • daher hohe Bedeutung für „Entzündungshemmer“ wie Entspannung, körperliche Bewegung, Ernährung, Medikamente
    • Rauchen

      • unmittelbare Wirkung auf das ANS
      • Abhängige weisen tagsüber verminderte parasympathische Aktivität auf (und höhere HF)
    • Koffein

      • die Aufnahme einer moderaten Menge an Koffein wird mit einer Verbesserung der HRV assoziiert (es gab bisher keine Hinweise auf Arrhythmien oder Gewöhnung)
      • Verbesserung ist Folge einer verstärkten Parasympathikusaktivität mit einer gleichzeitigen Abnahme der Sympathikusaktivität
    • Alkohol

      • beeinträchtigt vor allem abends die Aktivierung des Parasympathikus, was eine abgeschwächte RSA, die erst im Laufe der Nacht zurückkommt, und eine nur langsam absinkende nächtliche Pulsrate verursacht
      • höhere Alkoholmengen bewirken eineen kompletten Verlust der Regulationsfähigkeit
    • Adipositas

      • führt unabhängig vom Vorliegen eines Diabetes zur Abnahme des Parasympathikus
    • Internistische Erkrankungen (z.B. Herzinsuffizienz, Bluthochdruck, Diabetes)

        • der am besten untersuchte Bereich (im Zusammenhang mit der HRV)
        • Bedeutung der HRV als unabhängiger Parameter für das Herz-Kreislauf-Risiko ist dadurch belegt
        • sogar bei Gesunden ist eine verringerte HRV ein prognostisch ungünstiger Parameter

Die HRV ist das Spiegelbild eines funktionierenden, aber auch eines gestörten vegetativen Nervensystems, dem Regelkreis aller menschlichen Vorgänge (sowohl auf hormoneller als auch auf Stoffwechselebene). Insbesondere die so häufigen Herz-Kreislauf und Stoffwechsel-Erkrankungen, aber auch viele weitere, führen über eine pathologische HRV zu unterschiedlichen und verschieden schweren Störungsbildern.

In der klinischen und pathophysiologischen Diagnostik wird die Durchführung und Auswertung von 24-Stunden-EKG’s bevorzugt. In dem Monitoring des aktuellen Zustandes der Erholung, Fitness und parasympathischen Adaptionsfähigkeit reichen Kurz- (5-20 min) bis Ultrakurzmessungen (30 sec bis 5 min) völlig aus.

Das Interesse an der Herzfrequenzvariabilität und deren Analyse hat sich in den letzten Jahren stark entwickelt. Vor allem hat die Verfügbarkeit von Konsumententechnologien und Miniatursensoren die mobile Anwendung unterstützt. Eine essentielle Voraussetzung für eine schnelle Penetration im Bereich des Sports.

Vor allem seine vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, seine einfache und zeitsparende Anwendbarkeit und sein nicht-invasiver Charakter haben neben seiner empirisch zweifelsfrei nachgewiesenen Validität zur Verbreitung des Verfahrens auch auf diesem Gebiet beigetragen.

ithlete und HRV

ithlete war bei seiner Einführung im Jahre 2009 die erste Applikation, die das alt- und neubewährte Konzept der Herzfrequenzvariabilität und seiner Analyse mit der moderne Mobiltelefontechnologie verband und so für den individuellen Nutzer nutzbar machte. Was früher nur unter Laborbedingungen und mit hohem Geräteaufwand zur Verfügung stand, davon kann heute jeder Interessierte auf einfach, preiswerte und mobile Weise profitieren.