Die Herzfrequenzvariabilitätsanalyse (HFVA) hat sich rasch zu einem vielseitigen Instrument für Sportler und Trainer entwickelt. In diesem Artikel erklärt Alan Ruddock, warum die HRVA ein effizientes Werkzeug darstellt. Darüber hinaus liefert er eine Schritt-für-Schritt Anleitung für alle Sportler, die die HRVA als Monitoring-Tool einsetzen wollen, um ihr Trainingsergebnis zu steigern.
Bei den Ausdauersportarten gibt es verschiedene „Ausdauermarker“ für das Monitoring der Sportler, die Beurteilung der Trainingswirkung und die Festlegung der Trainingsintensität. Die am häufigsten verwendeten Parameter sind die ventilatorische Schwelle (ventilatory threshold – VT) und der respiratorische Kompensationspunkt (respiratory compensation point – RCP). Um diese Ausdauermarker zu bestimmen, müssen die Sportler normalerweise einen ansteigenden Belastungstest bis zur gewollten Erschöpfung absolvieren. Diese Tests werden in der Regel in sportphysiologischen Labors durchgeführt.
Bestimmung und Analyse
Für die Bestimmung der VT und des RCP verwendet man kardiopulmonale Gasanalyse-Geräte. Diese messen kontinuierlich die Sauerstoff- und Kohlendioxid-Konzentration, sowie die unter der Belastung ein- und ausgeatmete Luft. Mit zunehmender Belastungsintensität nehmen die Laktat- und die Wasserstoffion-Produktion zu. Und während der Körper versucht, die Wasserstoffproduktion zu „puffern“, steigt die Kohlendioxid-Konzentration. Das physiologische System reagiert darauf mit erhöhter Ventilation, um das Kohlendioxid auszuscheiden.
Die Schwelle, an der eine schnelle Ansammlung von Laktat im Blut auftritt und zu einer erhöhten Ventilation führt, ist für Sportwissenschaftler sehr wichtig: In verschiedenen Studien wurde nämlich nachgewiesen, dass zwischen diesen Markern und der Ausdauerleistung eine starke Korrelation besteht. So ist z. B. die Laufgeschwindigkeit eines Sportlers bei einer Laktat-Konzentration von 2,5 mmol/L-1 sehr aussagekräftig in Bezug auf die Laufleistung bei Langstreckenwettkämpfen, wie z. B. dem 10.000-m-Lauf und Marathonlauf.(1)
Die Bestimmung der Blutlaktat-Schwelle und der ventilatorischen Schwelle durch Laborprotokolle mithilfe teurer Geräte ist sehr aufwendig. Daher ist auch das Testen einer großen Anzahl von Sportlern äußerst problematisch. Im Vergleich dazu stellt die HFVA eine kostengünstige und nicht-invasive Methode zur Bestimmung der ventilatorischen Schwelle dar.
Die HFVA lässt auch Aussagen über den Einfluss des autonomen Nervensystems (ANS) auf die Herzreaktion zu. Die Herzfrequenzvariabilität basiert auf der Dauer des Zeitintervalls zwischen den „R-Zacken“ des „QRS-Komplexes“ im Elektro-Kardiogramm (siehe Abb. 1).
Das autonome Nervensystem funktioniert unbewusst oder unwillkürlich und regelt verschiedene Körperfunktionen. Es besteht aus Sympathikus und Parasympathikus. Die Aktivität der sympathischen Nerven führt zur Verengung der Blutgefäße, Abnahme der Darmaktivität, Kontraktion der Schließmuskeln und Erhöhung der Herzfrequenz. Die Erregung der parasympathischen Nerven hat die entgegengesetzte Wirkung. Im Herzgewebe liegen die sympathischen Nervenenden im Myokard, während die parasympathischen Nerven im Sinusknoten, im Vorhof-Myokard und Atrioventrikularknoten liegen. Diese Nerven kontrollieren gemeinsam die Herzfrequenz und die Kontraktionskraft.
Bestimmung der ventilatorischen Schwelle mithilfe der HFV
Zur Erklärung der engen Verbindung zwischen der HFV und der Ventilation wurden verschiedene Theorien aufgestellt. Wahrscheinlich erkennt das autonome Nervensystem Änderungen beim Blutdruck, der Zellchemie, der Kraftsensoren, des lokalen Gewebestoffwechsels und der zirkulierenden Hormone. Dies bewirkt eine entsprechende Reaktion über den Sympathikus oder den Parasympathikus, um die Homöostaste aufrechtzuerhalten.
Die meisten Studien zum Thema „HFV und Training“ beschäftigen sich mit der Theorie der respiratorischen Sinusarrhythmie (RSA). Dabei handelt es sich um eine Interaktion zwischen der Atmung und dem Herz-Kreislauf-System, wobei Herzschlag und Blutdruck im Rhythmus mit der Atmung variieren. Die Übereinstimmung zeigt sich in der Herzfrequenzvariabilität. Die R-R-Intervalle sind während des Einatmens verkürzt und während des Ausatmens verlängert.
Beim Einatmen ist die Aktivität des kardialen Parasympathikus stark herabgesetzt. Der R-R-Abstand nimmt ab. Im Gegensatz dazu erreicht der kardiale Parasympathikus beim Ausatmen die maximale Aktivität, und der R-R-Abstand nimmt zu.(2) Diesen Mechanismus kann man spüren: Beim Einatmen merkt man, wie die Atemmuskeln kontrahieren, denn dies wird vom sympathischen Nervensystem gesteuert. Beim Ausatmen fühlt man sich entspannter, denn dabei sind die parasympathischen Nerven dominant. Dieser Zusammenhang von Atmung und HFV veranlasste einige Sportwissenschaftler dazu, zu untersuchen, ob man mithilfe der HFV die ventilatorischen Schwellen bestimmen kann.
Wissenschaftliche Untersuchungen zur HFV
Interessierte Leser finden detaillierte Erläuterungen zur Bearbeitung/Analyse von HFV-Daten in den HFV Standards und Richtlinien für die klinische Anwendung.(3)
HFV und ventilatorische Schwellen stellen ein relativ neues Forschungsgebiet dar. In den späten 80er Jahren wurden die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen durchgeführt, in denen die ventilatorische Schwelle mittels der Atemfrequenz (Atemzüge pro Minute) ermittelt wurde.(4) Ventilatorische Schwellen wurden seither mit Hilfe verschiedener Methoden mit ausreichender Zuverlässigkeit ermittelt.
Kürzlich untersuchten französische Wissenschaftler den Zusammenhang zwischen der HFV und der ventilatorischen Schwelle.(5) An dieser Studie nahmen sowohl Sportler als auch inaktive Probanden teil. Bei der HFV-Methode zeigte sich eine hohe Übereinstimmung mit einer Methode der Gasanalyse, die ebenfalls zur Feststellung der ventilatorischen Schwellen verwendet wird: Die anhand der Gasanalyse ermittelten Punkte für die ventilatorische Schwelle stimmten weitestgehend mit denen überein, an denen die HFV-Methode die ventilatorische Schwelle auswies. Daraus zogen die Forscher den Schluss, dass die HFV ein nützliches Tool für die Ermittlung der ventilatorischen Schwellen bei sportlich aktiven wie bei sportlich inaktiven Menschen darstellt.
Zur Feststellung der ventilatorischen Schwellen wurden in manchen Studien auch andere HFVA-Methoden verwendet. Und trotz der von diesen Studien abweichenden Analyse-Methoden stellte man fest, dass die HFV-Analyse ein zuverlässiges Instrument für die Bestimmung der ventilatorischen Schwellen sein kann.
Ein Team aus Frankreich testete in einer Feldstudie mit französischen Profifußballern, ob die ventilatorischen Schwellen durch die HFV-Analyse ermittelt werden können.(6) Dazu machten die Teilnehmer ansteigende Belastungstests. Für die Aufzeichnung der R-R-Intervalle wurde ein handelsüblicher Herzfrequenzmesser vom Typ Polar S810 verwendet. Die Analyse der Daten ergab, dass bei der HFV-Analyse die VT um 0,25 kmh-1 und der RCO als um 0,5 kmh-1 zu gering beurteilt wurden. Statistisch gesehen zeigten sich bei der Bestimmung der Schwellen keine signifikanten Unterschiede zwischen der HFV-Methode und der Gasanalyse. Die Forscher folgerten daraus, dass die Studie einen Fortschritt im Bereich der Sportphysiologie darstellt. Die Trainer haben nun die Möglichkeit, die ventilatorischen Schwellen bei Sportlern mithilfe von kostengünstigen Herzfrequenzmessern zu bestimmen.
Abbildung 2: HFV und ventilatorische Schwellen
Training und Erholungsphasen steuern
Trotz dieser Studien gibt es immer noch keine einheitlichen oder einfachen und objektiven Methoden für die Bestimmung der ventilatorischen Schwellen mittels der HFV-Analyse. Neu ist jedoch, dass, trotz technischer Schwierigkeiten bei der Bestimmung der ventilatorischen Schwelle mittels der HFV-Methode, die HFVA dennoch eine einfache und effiziente Methode darstellt, Erholungsphase und Training zuverlässiger zu steuern, als dies durch bloße subjektive Wahrnehmung möglich ist.
Diese Methode basiert auf folgendem Prinzip: Die Aktivität des parasympathischen Nervensystems ist reduziert, wenn die Sportler sich in einem Übertrainingszustand (Overreaching oder Overtraining) befinden oder sich von einer Trainingseinheit erholen. Ein Training ist nur dann effizient, wenn der Körper sich von der vorherigen Trainingseinheit erholt hat. Liegt jedoch zu viel Zeit zwischen 2 Trainingsperioden, nimmt der Trainingserfolg langsam wieder ab. Das parasympathische Nervensystem soll daher mithilfe der HFV überwacht werden. Mit dieser Methode können Trainer und Sportler den autonomen Funktionsstatus bestimmen und die Trainingseinheiten individuell auf sich zuschneiden, wenn sie dies befolgen:
– verminderte Aktivität des parasympathischen Nervensystems – Reduzierung der Trainingsbelastung
– erhöhte Aktivität des parasympathischen Nervensystems – Steigerung der Trainingsbelastung
Auf diesem Gebiet leisteten finnische Forscher Pionierarbeit. Sie wiesen nach, dass mithilfe dieser Methode in einem 4-wöchigen Training – bestehend aus Laufeinheiten bei geringerer Intensität (65 % der maxHF [maximale Herzfrequenz]über 40 Minuten) bzw. hoher Intensität (85 % der maxHF über 30 Minuten) – die VT, die maximale Sauerstoffaufnahme (VO2max) und die Laufgeschwindigkeit bei VO2max gesteigert werden können.(7) Die Wissenschaftler teilten 30 Freizeitläufer im Alter zwischen 22 und 40 Jahren in 3 Gruppen ein. Jeweils 10 Probanden kamen in eine HFV-Gruppe (HFV), eine Trainingsgruppe (TRA) und eine Kontrollgruppe (KON).
– In der HFV-Gruppe fanden täglich HFV-Messungen statt. Vor Beginn des Trainings hielt die HFV-Gruppe eine 10-tägige Ruhephase ein. In dieser Zeit wurden HFV-Baseline-Messungen durchgeführt. Fiel der HFV-Wert während der Trainingsintervention unter den errechneten Referenzwert, wurde die Trainingsbelastung reduziert.
– Die Teilnehmer der TRA-Gruppe führten ein zuvor konzipiertes Standard-Trainingsprogramm aus. Die HFV wurde nicht gemessen.
– In der KON-Gruppe wurde nicht trainiert
Die Studie ergab bei der HFV-Gruppe eine signifikante Erhöhung des VO2max (von 56–60 mls/kg/min-1), der maximalen Laufgeschwindigkeit bei VO2max (von 15,5–16,4 kmh-1) und der Laufschnelligkeit an der VT (von 12,0–12,7 kmh-1). Demgegenüber konnten die Teilnehmer der TRA-Gruppe lediglich die Laufgeschwindigkeit bei VO2max signifikant verbessern. Die Teilnehmer der HFV-Gruppe trainierten mehr bei geringerer Intensität als die TRA-Gruppe. Hieraus schlossen die Forscher, dass bei einer geringeren HFV ein kleiner Trainingsreiz von Vorteil sein kann, um ein positives Ergebnis im Ausdauertraining zu erzielen.
Im Training Schritt für Schritt einsetzen
Bei der von finnischen Wissenschaftlern verwendeten Methode zur Anpassung der Trainingsintensität mittels der HFV, handelt es sich um ein relativ einfaches Verfahren, das Sie ohne Weiteres auch für Ihr eigenes Ausdauertraining einsetzen können. Hierzu benötigen Sie einen Polar-Herzfrequenzmesser (HF-Messer), mit dem Sie die R-R-Intervalle aufzeichnen können (RS800–Serie, S810–Serie), sowie die Polar Precision Performance SW 4.0 Software, die Sie sich unter http://www.faq.polaruhren.info kostenlos downloaden können. Darüber hinaus benötigen Sie ein Tabellenkalkulationsprogramm, z. B. Microsoft Excel.
1. Schritt – Zunächst müssen Sie das HF-Messgerät so einstellen, dass R-R-Daten aufgezeichnet werden. Befolgen Sie hierzu die Anleitung in der Gebrauchsanweisung. Vor der Trainingssteuerung mittels der HFV müssen Sie eine (trainingsfreie) Ruhephase einhalten, um die Baseline-Werte in Ruhe ermitteln zu können. Diese Ruhephase sollte 7–10 Tage dauern.
Legen Sie fest, wann es losgehen soll, und beginnen Sie mit dem Aufzeichnen der Daten. Die beste Zeit für die Aufzeichnung der HFV ist am Morgen, direkt nach dem Aufwachen und dem Entleeren der Blase. Die Messung der parasympathischen Aktivität ist um diese Zeit am zuverlässigsten, weil die Wahrscheinlichkeit einer Beeinflussung durch äußere Faktoren, z. B. durch körperliche Aktivität, Nahrungsaufnahme oder psychologische Stressfaktoren, dann am geringsten ist. Wenn Sie Ihre morgendliche HF regelmäßig messen, sollten Sie mit der Aufzeichnung erst 5 Minuten nach dem Aufstehen beginnen, damit Ihre HFV-Messung nicht vom parasympathischen Nervensystem „überflutet“ wird.
2. Schritt – Nachdem Sie die HFV-Daten aufgezeichnet haben, importieren Sie sie in die Polar Precision Performance SW 4.0 Software. Zeigen Sie die Daten als „Kurve der HF-Werte“ (curve of the HR valus) an und klicken Sie dann mit der rechten Taste, um sich die „Kurveneigenschaften“ (curve properties) anzeigen zu lassen. Ändern Sie unter HF das HF-Format auf „R-R-Intervalle (ms)“ (R-R Intervals (ms)). Dann werden Ihre R-R-Intervalle angezeigt.
3. Schritt – Im „Editmenü“ (edit menu) wählen Sie das gesamte Training aus, dann klicken Sie mit der rechten Taste auf die Graphik und im Dialogfenster „Fehlerkorrektur“ (Error Correction) an. Wählen Sie nun „OK“, um Fehler im R-R-Verlauf zu beseitigen.
4. Schritt – Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Grafik, und wählen Sie die Option „Info wählen“ (Selection Info). Es öffnet sich ein Dialogfenster mit Informationen zum HFV-Messwert. Suchen Sie den Wert „HF (0,15–0,40 Hz)“, und notieren Sie ihn. Wir nehmen für den nächsten Schritt einmal an, Ihr HF-Wert läge bei 321,94.
5. Schritt – Jetzt berechnen Sie den natürlichen Logarithmus des HF-Wertes. Hierzu öffnen Sie das Microsoft Excel-Programm und geben in eine Zelle den Befehl „Ln(321,94)“ ein. Das Ergebnis ist der Wert für das Protokoll von HF (HF Ln) von 5,77 ms2. Sie arbeiten hier natürlich mit Ihren eigenen HF-Daten. Setzen Sie dazu ganz einfach den von der Polar-Software anhand Ihrer eigenen Daten errechneten Wert für HF (0,15–0,40 Hz), wie im oben gezeigten Beispiel, ein.
6. Schritt – Nachdem Sie ihre Baseline-Werte ermittelt haben, müssen Sie die Standardabweichung von diesen Werten berechnen. Geben Sie hierzu „=STDEV“ in Excel ein, und wählen Sie alle ermittelten HF-Ln-Werte Ihrer Baseline/Ruhephase. Dann berechnen Sie die durchschnittlichen HF-Ln-Werte und subtrahieren die berechnete Standardabweichung davon. Das Ergebnis entspricht dem täglichen Referenzwert für ein HFV-kontrolliertes Training. Berechnen Sie nun für jeden Folgetag die durchschnittliche Abweichung und die Standardabweichung aller HF-Ln-Werte. Sie erhalten für jeden Tag einen gleitenden Referenzwert.
7. Schritt – Wenn Sie Ihren HFV-Wert nach der Baseline-Phase aufzeichnen (d. h. wenn Sie mit dem Training beginnen), müssen Sie die HF-Ln- Werte wie oben beschrieben umrechnen. Liegt Ihr HF-Ln-Wert über dem Referenz-(Baseline-)Wert, ist Ihr Körper wahrscheinlich ausgeruht genug und bereit für einen hochintensiven Trainingsreiz. Liegt der HF-Ln unterhalb des Referenzwertes, müssen Sie den Trainingsreiz verringern. In Abbildung 3 ist die Excel-Ansicht der Daten dargestellt.
Schlussfolgerung
Die Analyse der HFV ist eine Methode zur nicht-invasiven Untersuchung des parasympathischen und sympathischen Nervensystems. Erschienene Artikel in der wissenschaftlichen Literatur zeigen, dass die HFVA für Sportler, Trainer und Sportwissenschaftler ein vielseitiges Instrument sein kann. Wissenschaftler haben mit der HFVA zwar eine einfache und valide Methode zur Bestimmung der ventilatorischen Schwellen in Feldstudien geschaffen, doch die entsprechende Methodik fehlt noch. Sportler und Trainer können die HFV-Analyse jedoch nutzen, um ihr Ausdauertraining zu steuern, indem sie die Aktivität des parasympathischen Nervensystems messen und den Erholungszustand bestimmen. Diese Methode wurde von finnischen Forschern erfolgreich getestet. Und mit etwas Übung profitieren auch Sie davon im Training!
Alan Ruddock arbeitet in der wissenschaftlichen Forschung im Bereich Sportphysiologie an der Sheffield Hallam University, England
Quellenangaben
1) Journal of Applied Physiology. 1985, Bd. 58 (4), S. 1281–1284.
2) Journal of Applied Physiology. 1975, Bd. 39 (5), S. 801–805.
3) Circulation. 1996. Bd. 93 (5), S. 1043–1046.
4) International Journal of Sports Medicine. 1989, Bd. 10 (3), S. 192–196.
5) British Journal of Sports Medicine. 2005, Juli Ausgabe 39 (7), S. 448–452.
6) International Journal of Sports Medicine. 2007, April, Bd. 28 (4), S. 287–294.
7) European Journal of Applied Physiology. 2007, Dezember Ausgabe 101 (6), S. 74–751.
Fachsprache:
Ventilatorische Schwelle – die Belastungsintensität, bei der der erste nichtlineare Anstieg der Atmungstätigkeit und der Sauerstoffaufnahme erfolgt
Respiratorischer Kompensationspunkt – die Belastungsintensität, bei der infolge eines Anstiegs der CO2- Produktion eine Hyperventilation einsetzt
Autonomes Nervensystem (oder viszerales Nervensystem) – Teil des peripheren Nervensystems, der als Kontrollsystem agiert und verschiedene physiologische Körperfunktionen reguliert
Ventilation – eine Messgröße für das gesamte ein- und ausgeatmete Gasvolumen (Atemvolumen)
Myokard – Muskelgewebe des Herzens
Sinusknoten – der natürliche Schrittmacher des Herzens
Atrioventrikularknoten – spezielles Herzgewebe, das elektrische Impulse weiterleitet
Homöostase – die Aufrechterhaltung eines stabilen inneren Gleichgewichts innerhalb eines Organismus
Natürlicher Logarithmus – eine rechnerisch abgeleitete Zahl, die in der Statistik häufig eingesetzt wird, um eine zuverlässigere Auswertung von Daten zu erreichen
