Aikele, Peter: "Untersuchungen zur Entwicklung der kardiorespiratorischen Interaktion anhand gemeinsamer Rhythmen von Atmung und Herzaktion. Longitudinalstudie der ersten sechs Lebensmonate gesunder Säuglinge."

Aus dem Institut für Physiologie der Humboldt-Universität zu Berlin

Direktor Prof. Dr. P.B. Persson


DISSERTATION
"Untersuchungen zur Entwicklung der kardiorespiratorischen Interaktion anhand gemeinsamer Rhythmen von Atmung und Herzaktion. Longitudinalstudie der ersten sechs Lebensmonate gesunder Säuglinge."

zur Erlangung des akademischen Grades doctor medicinae (Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin

von Herrn Peter Aikele ,
geb. am 27.04.1967 in Dresden

Dekan: Prof. Dr. M. Dietel

Gutachter:
1. Prof. Dr. E. Schubert
2. Prof. Dr. D. Gmyrek
3. PD Dr. B. Schlüter

eingereicht im Dezember 1997

Datum der Promotion: 16.06.1998

Schlagwörter:
kardiorespiratorische Interaktion, respiratorische Sinusarrhythmie, Entwicklung, Säugling

Keywords:
cardiorespiratory interaction, respiratory sinus arrhythmia, development, infant

Abstrakt:

Die vorliegende Arbeit untersuchte die Entwicklung nieder- und hochfrequenter rhythmischer kardiorespiratorischer gesunder Säuglinge. An 15 Probanden erfolgten im Schlaf im ersten Lebenshalbjahr jeweils 13 Messungen mit EKG-Ableitung und induktionsplethysmographischer Registrierung der thorakalen Atemexkursion. Schlafstadienbezogen erfolgten: • die Messung der Amplitude der respiratorischen Sinusarrhythmie (RSA), • die Bestimmung der größten negativen Korrelation zwischen Atemsignal und Herzperiodendauer-Zeitreihe (Kreuzkorrelationskoeffizient, KKK) mit der dazugehörigen Phasenverschiebung mittels Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion und • die Auswertung der Kohärenzspektren von Atmung und Herzaktion. RSA und KKK im ruhigen Schlaf nehmen im Verlauf des ersten Lebenshalbjahres zu. Der Verlauf ist nicht geradlinig, sondern weist signifikante Minima in den ersten Lebenstagen und am Ende der dritten Lebenswoche auf. Die Phasenverschiebung zwischen Atmung und RSA zeigt im ruhigen Schlaf Maxima am 7. und 21. Lebenstag ohne deutlichen Trend innerhalb des Beobachtungszeitraumes. RSA und KKK sind vom ersten Lebenstag an mit Atemfrequenz und Herzfrequenz negativ korreliert. RSA und KKK sind schlafstadienabhängig. Im Gegensatz zum ruhigen Schlaf konnte im aktiven Schlaf weder eine meßbare RSA, noch ein signifikanter KKK gefunden werden. Im Kohärenzspektrum waren jedoch ab dem 150. Lebenstag auch im aktiven Schlaf signifikante gemeinsame Rhythmen im Atemfrequenzbereich nachweisbar. Mit Hilfe der Kohärenzspektren konnten gemeinsame niederfrequente Rhythmen in Atmung und Herzaktion nur in 5.1 % aller Messungen im ruhigen Schlaf und nur in 3.1 % im aktiven Schlaf nachgewiesen werden. Die untersuchten Parameter der Interaktion von Atmung und Herzfrequenz Neugeborener unterscheiden sich von denen Erwachsener in den Absolutwerten. Für RSA und Phasenverschiebung konnte zeigte sich jedoch, daß sich die Werte Erwachsener und Neugeborener nur an verschiedenen Punkten einer gemeinsamen "Arbeitskurve" befinden. Die Ergebnisse lassen auf eine schon zum Zeitpunkt der Geburt vorhandene Reife der kardiorespiratorischen Interaktion schließen.

Abstract:

In the present paper the development of rhythmic cardiorespiratory interactions in low and high frequency ranges were investigated in healthy infants. Data come from a longitudinal study of 14 infants, who were examined for 13 times during sleep during the first 6 months of live. The electrocardiogram and the thoracic respiratory effort were recorded. For quiet and active sleep the following parameters of cardiorespiratory interaction were analysed: • the amplitude of respiratory sinus arrhythmia (RSA), • the highest negative correlation (KKK) and the corresponding phase delay between respiratory signal and time series of heart period duration by means of calculating the cross correlation function and • the coherence in the low and high frequency range. RSA and KKK increase in the first 6 months of live. The course is not linear and has maxima in the first days and at the end of third week. The phase delay shows maxima at 7th and 21st day. RSA and KKK are negatively correlated with the respiratory rate and the heart rate from the first day of life up to the 6th month of life. RSA and KKK depend on sleep state. In opposition to quiet sleep in active sleep neither a measurable RSA nor a significant KKK were found. Contrary, the coherence spectra showed common rhythms in the frequency range of the respiratory rate in the 5th and 6th month during active sleep. In the low frequency range common rhythms were observed only seldom, i.e. in 5.1 % of all measurements during quiet sleep and in 3.1 % during active sleep. The analysed parameters of cardiorespiratory interaction of newborns are different from that of adults regarding the absolute values. However the data suggest that the values of newborns and adults represent only different adjustments of a comparable control system. The results indicate a mature cardiorespiratory interaction in healthy newborns.


Seiten: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [13] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100]

Inhaltsverzeichnis

Titelseite"Untersuchungen zur Entwicklung der kardiorespiratorischen Interaktion anhand gemeinsamer Rhythmen von Atmung und Herzaktion. Longitudinalstudie der ersten sechs Lebensmonate gesunder Säuglinge."
1 Einleitung
2 Hypothesen
3 Methoden
3.1.Probanden
3.2.Meßplatz und Durchführung der Messungen
3.2.1.Meßplatz
3.2.2.EKG - Registrierung
3.2.3.Registrierung der Atmung
3.2.4.Registrierung von Vigilanzkriterien
3.2.5.Durchführung der Longitudinalstudie
3.3.Auswertung
3.3.1.Klassifikation der Schlafstadien
3.3.2.Signalaufbereitung
3.3.3.Auswahl der Rohdaten
3.3.4.Messung der RSA
3.3.5.Die Bestimmung der größten negativen Kreuzkorrelation zwischen Atmung und Herzperiodendauer-Zeitreihe und deren Phasenverschiebung
3.3.6.Die Berechnung der Kohärenzspektren
3.3.7.Die Ermittlung von Herz- und Atemfrequenz
3.3.8.Die statistische Auswertung
4 Ergebnisse
4.1.Die Respiratorische Sinusarrhythmie
4.1.1.Die Entwicklung der Respiratorischen Sinusarrhythmie im ersten Lebenshalbjahr im ruhigen Schlaf
4.1.2.Die Untersuchung der RSA im ruhigen Schlaf auf mögliche Einflußgrößen
4.1.3.Die Entwicklung der Respiratorischen Sinusarrhythmie im ersten Lebenshalbjahr im aktiven Schlaf
4.2.Die Kreuzkorrelation zwischen Atmung und Herzfrequenz
4.2.1.Die Entwicklung der größten negativen Kreuzkorrelation im ersten Lebenshalbjahr im ruhigen Schlaf
4.2.2.Die Untersuchung des Kreuzkorrelationskoeffizienten zwischen Atmung und Herzfrequenz im ruhigen Schlaf auf mögliche Einflußgrößen
4.2.3.Die Entwicklung der größten negativen Kreuzkorrelation zwischen Atmung und Herzaktion im ersten Lebenshalbjahr im aktiven Schlaf
4.3.Die Phasenverschiebung zwischen Atmung und Herzaktion
4.3.1.Die Entwicklung der Phasenverschiebung im ersten Lebens-halbjahr im ruhigen Schlaf
4.3.2.Die Untersuchung der Phasenverschiebung im ruhigen Schlaf auf mögliche Einflußgrößen
4.3.3.Die Entwicklung der Phasenverschiebung im ersten Lebenshalbjahr im aktiven Schlaf
4.4.Die Entwicklung der Kohärenzspektren von Atmung und mittels Splinefunktion interpolierter HPD-Zeitreihe
4.4.1.Die Entwicklung der Kohärenz des HF-Maximums im ersten Lebenshalbjahr im ruhigen und aktiven Schlaf
4.4.2.Die Entwicklung der Frequenz des HF-Maximums im ersten Lebenshalbjahr im ruhigen und aktiven Schlaf
4.4.3.Die Entwicklung der Kohärenz und der Frequenz des LF-Maximums im ersten Lebenshalbjahr im ruhigen und aktiven Schlaf
5 Diskussion
5.1.Die Entwicklung der Stärke der Interaktion von Atmung und Herzfrequenz im hochfrequenten Bereich
(respiratorische Sinusarrhythmie, größter negativer Kreuz-korrelationskoeffizient, HF-Maximum des Kohärenzspektrums)
5.2.Die Entwicklung der Phasenverschiebung zwischen Atmung und Herzaktion
5.3.Die Entwicklung der rhythmischen Interaktion im nieder-frequenten Bereich (LF-Maximum des Kohärenzspektrums)
6 Zusammenfassung
Bibliographie 7. Literaturverzeichnis
Danksagung
Selbständigkeitserklärung
Lebenslauf
Anhang A Publikationsliste

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Probandendaten

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Versuchsaufbau
Abb. 2: ca. 2100 s langer Meßabschnitt mit markiertem typischem ruhigem und aktivem Schlaf mit Darstellung der instantanen Herzfrequenz in Hz (errechnet als Reziproke der Herzperiodendauern) und des Atemsignales in V
Abb. 3: Abschnitt mit 50 s ruhigen Schlafes
Abb. 4: Abschnitt mit 50 s aktiven Schlafes, man sieht das im Vergleich zu Abbildung 3 deutlich ungleichförmige Atemsignal und die größere Schwankungsbreite von Atemsignal und Herzfrequenz
Abb. 5: Bestimmung der RSA aus der HPD-Zeitreihe durch Mittelung der Amplitude von 30 aufeinanderfolgenden Schwingungen der HPD im Atemrhythmus
Abb. 6: Typisches Beispiel für ein Ergebnis der Berechnung der Kreuz-korrelationsfunktion für ruhigen Schlaf. Der als Kreuzkorrelations-koeffizient (KKK) festgelegte Punkt der größten negativen Kreuzkorrelation (A) beträgt -0,71. Die zugehörige Phasen-verschiebung (B) beträgt -0,5s).
Abb. 7: Typisches Beispiel für ein Ergebnis der Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion für aktiven Schlaf (keine signifikante Kreuzkorrelation)
Abb. 8: Ein Beispiel für Leistungsspektren von Atem-signal (x(f)) und mittels Splinefunktion interpolierter Herzfrequenz-Zeitreihe (y(f));
Abb. 9: Kohärenzspektrum mit Darstellung der berechneten Parameter Frequenz und Kohärenz des HF- und des LF-Maximums; gleicher Datenabschnitt wie Abbildung 8
Abb. 10: Die Entwicklung der RSA (in ms) im ersten Lebenshalbjahr; Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standardabweichung der Mittelwerte (Standard error of the mean, SEM)
Abb. 11: Die Entwicklung der RSA im ersten Lebenshalbjahr, individuelle Verläufe der 14 Probanden
Abb. 12: Die Entwicklung des prozentualen Anteils des SEM an der RSA; mit Regressionskurve (y=0,0074x+19,9; n=14)
Abb. 13: Die Entwicklung der RSA im ersten Lebenshalbjahr in % des Wertes des ersten Lebenstages; Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standardabweichung der Mittelwerte.
Abb. 14: Die Entwicklung der RSA im ersten Lebenshalbjahr in % des Wertes des 1. Lebenstages; individuelle Verläufe der 14 Probanden
Abb. 15: Die Entwicklung des prozentualen Anteils der mittleren RSA an der mittleren HPD im ersten Lebenshalbjahr in % der HPD; Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standardabweichung der Mittelwerte
Abb. 16: Die Entwicklung des prozentualen Anteils der mittleren RSA an der jeweiligen mittleren HPD in % der HPD, individuelle Verläufe der 14 Probanden
Abb. 17: Abhängigkeit der RSA von der Atemfrequenz mit Regressionskurve (y=887x-1,69; n=782)
Abb. 18: Entwicklung der Atemfrequenz im ersten Lebenshalbjahr mit einem Anstieg der Atemfrequenz bis 21. Lebenstag und nachfolgender Verringerung bis zum 180. Lebenstag. Darstellung der Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standardabweichung der Mittelwerte
Abb. 19: Entwicklung von RSA und AF im ersten Lebenshalbjahr. Je Proband und Meßtag Medianwerte von RSA und Atemfrequenz. Zum 21. Lebenstag hin zunehmende interindividuelle Streuung und Zunahme der mittleren Atemfrequenz bei gleichzeitig abnehmender mittlerer RSA, anschließend Abnahme von mittlerer Atemfrequenz und deren Streuung bei Zunahme der mittleren RSA
Abb. 20: Abhängigkeit der RSA von der Herzfrequenz mit Regressionskurve (y=2,6 ×1011 × x-4,82; n=782)
Abb. 21: Entwicklung der Herzfrequenz im ersten Lebenshalbjahr, Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standardabweichung der Mittelwerte (SEM)
Abb. 22: Entwicklung von RSA und Herzfrequenz (HR) im ersten Lebenshalbjahr. Je Proband und Meßtag Medianwerte von RSA und Herzfrequenz
Abb. 23: Abhängigkeit der RSA vom Quotient (Q) aus Herzfrequenz und Atemfrequenz mit Regressionskurve (y=4,75x1,17; n=782)
Abb. 24: Entwicklung des Quotienten aus Herz- und Atemfrequenz im ersten Lebenshalbjahr, Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standard-abweichung der Mittelwerte (SEM)
Abb. 25: Entwicklung von RSA und Q im ersten Lebenshalbjahr. Je Proband und Meßtag Medianwerte von RSA und Herzfrequenz
Abb. 26: Abhängigkeit der RSA am ersten Lebenstag vom Nabelschnur - pH, je Proband Medianwerte der RSA; mit Regressionskurve (y=68,1x -480; n=14)
Abb. 27: Abhängigkeit der AF am ersten Lebenstag vom Nabelschnur-pH, Medianwerte der AF je Proband, mit Regressionskurve
Abb. 28: Abhängigkeit der RSA am 3. und 5. Lebenstag vom Nabelschnur-pH, Medianwerte je Proband, mit Regressionskurven
Abb. 29: Die Entwicklung des Kreuzkorrelationskoeffizienten im ersten Lebenshalbjahr; Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standardabweichung der Mittelwerte (SEM)
Abb. 30: Die Entwicklung des KKK im ersten Lebenshalbjahr, individuelle Verläufe der 14 Probanden
Abb. 31: Die Entwicklung des prozentualen Anteils des SEM am Kreuzkorrelationskoeffizient; Mittelwerte aller Probanden
Abb. 32: Die Entwicklung des KKK im ersten Lebenshalbjahr in % des Wertes des 1. Lebenstages; Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standardabweichung der Mittelwerte.
Abb. 33: Die Entwicklung des KKK im ersten Lebenshalbjahr in % des Wertes des 1.Lebenstages, individuelle Verläufe der 14 Probanden
Abb. 34: Abhängigkeit des KKK von der Atemfrequenz mit Regressionskurve (y=-0,0085x - 0,67; n=782)
Abb. 35: Entwicklung von KKK und AF im ersten Lebenshalbjahr. Je Proband und Meßtag Medianwerte von KKK und Atemfrequenz
Abb. 36: Abhängigkeit des KKK von der Herzfrequenz, mit Regressionskurve (y=0,0044x - 0,90; n=782)
Abb. 37: Entwicklung von KKK und HR im ersten Lebenshalbjahr. Je Proband und Meßtag Medianwerte von KKK und Herzfrequenz
Abb. 38: Abhängigkeit des KKK von Q, mit Regressionskurve (y=-0,095x - 0,0088; n=782)
Abb. 39: Entwicklung von KKK und Q im ersten Lebenshalbjahr. Je Proband und Meßtag Mittelwerte von KKK und Q
Abb. 41: Die Entwicklung der Phasenverschiebung zwischen HPD-Zeitreihe und Atemsignal im ersten Lebenshalbjahr; Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standardabweichung der Mittelwerte (SEM)
Abb. 42: Die Entwicklung der Phasenverschiebung zwischen HPD-Zeitreihe und Atemsignal im ersten Lebenshalbjahr, individuelle Verläufe der 14 Probanden, Medianwerte je Proband und Meßtag (Aufgrund der methodenbedingt auf 0,1s-Schritte beschränkten Genauigkeit der Bestimmung der Phasenverschiebung verlaufen in der grafischen Darstellung zum Teil Kurvenabschnitte mehrerer Probanden übereinander. Deshalb erscheint die Anzahl der Kurven in der Abbildung streckenweise geringer als 14)
Abb. 43: Die Entwicklung des prozentualen Anteils des SEM an der Phasenverschiebung; Mittelwerte aller 14 Probanden
Abb. 44: Zusammenhang von AF und Phasenverschiebung (Beschreibung siehe Text) mit Regressionskurve (y=-0,0018x-0,21; n=11)
Abb. 45: Die Entwicklung der Kohärenz des HF-Maximums im ersten Lebenshalbjahr; Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standardabweichung der Mittelwerte (SEM); ruhiger Schlaf. Die Grenze der Signifikanz der Kohärenz (0,53) ist durch eine gestrichelte Linie markiert
Abb. 46: Die Entwicklung der Kohärenz des HF-Maximums im 1. Lebens-halbjahr, Verläufe der 14 Probanden, ruhiger Schlaf
Abb. 47: Die Entwicklung der Kohärenz des HF-Maximums im ersten Lebenshalbjahr; Mittelwerte der 14 Probanden +/- der Standard-abweichung der Mittelwerte (SEM); aktiver Schlaf
Abb. 48: Die Entwicklung der Kohärenz des HF-Maximums im ersten Lebenshalbjahr; Verläufe der 14 Probanden; aktiver Schlaf
Abb. 49: Die Entwicklung der Frequenz des HF-Maximum im ersten Lebenshalbjahr; Mittelwerte der 14 Probanden (+/-SEM); ruhiger Schlaf
Abb. 50: Vergleich der Entwicklung von Frequenz des HF-Maximums und Atemfrequenz; Mittelwerte der 14 Probanden; ruhiger Schlaf
Abb. 51: Die Entwicklung der Frequenz des HF-Maximums im ersten Lebenshalbjahr; Verläufe der 14 Probanden; ruhiger Schlaf
Abb. 52: Die Entwicklung der Frequenz von HF-Maximum im ersten Lebenshalbjahr; Mittelwerte der 14 Probanden (+/-SEM); aktiver Schlaf
Abb. 53: Vergleich der Entwicklung von Frequenz des HF-Maximums und Atemfrequenz; Mittelwerte der 14 Probanden; aktiver Schlaf
Abb. 54: Die Entwicklung der Frequenz des HF-Maximums im 1. Lebens-halbjahr; Verläufe der 14 Probanden; aktiver Schlaf
Abb. 55: Vergleich der Ergebnisse von Angelone et Coulter und Patzak et al. mit den Ergebnissen der vorliegenden Studie für den Zusammenhang AF - RSA
Abb. 56: Vergleich der Ergebnisse von Angelone et Coulter und Patzak et al. mit den Ergebnissen der vorliegenden Studie (ruhiger Schlaf) für den Zusammenhang AF - Phasenverschiebung

[Titelseite] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [Bibliographie] [Danksagung] [Selbständigkeitserklärung] [Lebenslauf] [Anhang]

© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiDi DTD Version 1.1
a subset from ETD-ML Version 1.1
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Wed Nov 18 12:24:30 1998