Unbehaun, Axel: » Die vegetative Kontrolle der Herzfrequenz und ihre Koordination mit dem respiratorischen System untersucht im Schlafen und Wachen innerhalb der Pubertät: Eine zeitreihenanalytische Studie «

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Kapitel 3. Probanden und Untersuchungsmethoden zur Studie

3.1. Die Probanden: 42 gesunde Kinder im Übergang zum Erwachsenenalter

Für die Untersuchung der vegetativen Ansteuerung des Herzens und der kardiorespiratorischen Beziehung während des Schlafes und Wachens wurden 42 Schüler des Berliner Gymnasiums “Heinrich Hertz“ ausgewählt. Das Alter der teilnehmenden Probanden, 11 Mädchen und 31 Knaben lag zwischen 12 und 15 Lebensjahren. Wie die erhobene Anamnese und eine allgemeinmedizinische Untersuchung ergab, waren alle Kinder zum Zeitpunkt der Studie gesund. Als Ausschlußkriterien galten:

Kinderkrankheiten, Allergien, frühere Krankenhausaufenthalte und familienanamnestische Besonderheiten wurden dokumentiert. Nach eigenen Angaben nahmen die Probanden zur Zeit der Studie keine auf Herz-Kreislauf- und Atmungssystem wirkende Medikamente ein und konsumierten weder Alkohol noch Tabak.

Da sportliches Training nicht nur die morphologischen Parameter des Herzens sondern auch Schlagfrequenz und deren Variabilität beeinflußt, galt sportliche Betätigung über mehr als vier Stunden in einer Woche außerhalb des Schulunterrichts als weiteres Ausschlußkriterium.

Insbesondere innerhalb der Pubertät bestehen Differenzen zwischen kalendarischem und biologischen Alter. Im Rahmen der medizinischen Untersuchung wurde deshalb auch das biologische Alter nach sexuellen Reifezeichen<2> [ 106 ] und anhand des Körperbau-Entwicklungsindex, einer anthropometrischen Methode aus der Sportmedizin [ 6 ], geschätzt ( Abb. 3.1 ). Durchgeführt wurde die allgemeinmedizinische Untersuchung ebenso wie die Einschätzung des biologischen Alters am sportmedizinischen Institut der Humboldt-Universität zu Berlin von Herrn Oberarzt Dr. med. Volker Schwarz.


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Abb. 3.1: Altersverteilungen für das Gesamtprobandengut (n=42). Erkennbar sind Unterschiede zwischen dem kalendarischen Alter (oben) und dem anhand morphometrischer Größen geschätzten Körperalters (Mitte), wobei das biologische Alter höher liegt als das kalendarische Alter. Diese Divergenz ist als Ausdruck des Akzelerationsprozesses zu sehen. Dargestellt ist weiterhin die Verteilung des an sexuellen Reifezeichen bestimmten biologischen Alters (unten).


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Die Altersbestimmung aufgrund morphologischer Charakteristika offenbart, daß innerhalb der Pubertät eine große interindividuelle Variabilität im Entwicklungsstand besteht. Mittels Altersbestimmung nach sexuellen Reifezeichen wird deutlich, daß sich circa 70 % der Probanden innerhalb der Pubertät befinden. Ungefähr 20 % haben ihre sexuelle Entwicklung abgeschlossen; lediglich circa 10 % stehen vor dem Eintritt in die Pubertät. Die biologischen Altersmaße gestatten die Auftrennung des relativ eng gehaltenen kalendarischen Zeitintervalls.

Es bestehen signifikante Korrelationen (alpha < 0.05) zwischen kalendarischem Alter (13.92 ± 0.81 Jahre, Mittelwert ± Standardabweichung) und Alter nach Körperbau-Entwicklungsindex (15.36 ± 2.15 Jahre) sowie zwischen kalendarischem Alter und dem aus sexuellen Reifezeichen geschätzten Entwicklungsstadium (2.62 ± 0.91; 1 = Präpubertät, 2 = 1. Pubertätsphase, 3 = 2. Pubertätsphase, 4 = Postpubertät).

Für die Teilnahme an der Studie erklärten sowohl die Probanden als auch die Sorgeberechtigten ihr schriftliches Einverständnis. Alle mit der Datenerhebung verbundenen Maßnahmen am Probanden wurden der Ethikkommission der Charité zur Prüfung vorgelegt und von dieser genehmigt (Votum vom 9.12.1993, Vorgang 157). Das Projekt wurde von der Berliner Senatsverwaltung für Schule, Berufsbildung und Sport unterstützt.


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3.2. Studiendesign und Meßtechnik

Die Studie wurde so angelegt, daß sie es den Kindern so weit wie möglich gestattete, ihrem gewohnten Tagesablauf zu folgen. Es wurde bewußt darauf verzichtet, die Datenerhebung unter Laborbedingungen durchzuführen - tagsüber erfolgte sie in der Schule, am Abend und über die Nacht im Hause der Probanden. Die jeweils fünf Minuten umfassenden Messungen begannen am Morgen zwischen 7 und 8 Uhr und wurden stündlich wiederholt. Die Messungen erfolgten in entspannter, liegender Position; es wurde auf die strikte Einhaltung von Ruhebedingungen sowohl fünf Minuten vor als auch während der Messung geachtet. Für die Untersuchung wurde ein Schultag gewählt, an dem möglichst kein Sportunterricht erteilt wurde. Über ihren Tagesablauf gaben die Teilnehmer der Studie in einem Tagebuch Auskunft. Innerhalb der Schulzeit von 8 Uhr bis 14-16 Uhr bestanden nahezu identische äußere Zeitgeber; mit einer Frühstückspause zwischen 9.30 und 10 Uhr sowie einer Mittagspause von 11.30 bis 12.15 Uhr. Der Nachmittag und Abend wurde von den Probanden individuell unterschiedlich verbracht, lediglich schwere körperliche Betätigung oder Sport wurden nicht zugelassen. Ebenso wurde die Zeit des Zubettgehens gemäß des gewohnten Tagesablaufs frei gewählt, lag aber bei allen Probanden zwischen 20 und 22.15 Uhr. In der Nacht wurde im zeitlichen Abstand von zehn Minuten gemessen. Einmal am Meßtag wurde der Blutdruck des Probanden protokolliert.

Die Untersuchung endete am darauffolgenden Morgen und währte somit für jeden Probanden 24 Stunden.

Für die Datenregistrierung stand ein portables Mehrkanalmeßgerät für polygraphische Untersuchungen zur Verfügung (PhysioLogger, med-NATIC GmbH München), welches sowohl die Meßwerterfassung als auch deren Speicherung übernahm.

Das Elektrokardiogramm wurde nach Nehb A von der vorderen Thoraxwand abgeleitet und mit 1024 Hz abgetastet. Das Meßgerät ermittelte aus der Spannungskurve des Elektrokardiogramms die R-Zacke und speicherte die zeitliche Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden R-Zacken. Die Auflösung betrug hierbei eine Millisekunde.

Die Respirogramme von Thorax und Abdomen wurden mittels zweier dehnbarer Atemgürtel nach dem piezoelektrischem Prinzip registriert und mit 100 Hz digitalisiert (vgl. Abb. 3.2 ). Die gespeicherten Meßwerte sind Spannungswerte, die einer relativen Umfangsänderung von Thorax und Abdomen entsprechen.

Um den Schlaf in REM und nonREM-Phasen klassifizieren zu können, wurden während der Nacht das Elektrookulogramm und das Aktogramm der nichtdominanten oberen Extremität erfaßt und mit einer Abtastrate von 10 Hz aufgezeichnet. Die Hauttemperatur im Bereich der Regio hypochondriaca dextra wurde einmal pro Sekunde gemessen.


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Abb. 3.2: Schematische Darstellung der Messung am Probanden. Gespeichert wurden die aus dem Elektrokardiogramm bestimmten zeitlichen Differenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden R-Zacken, das thorakale und abdominale Respirogramm sowie die Hauttemperatur im Bereich der Regio hypochondriaca dextra. Zusätzlich wurden in der Nacht der horizontale Vektor des Elektrookulogramms und die Bewegungsaktivität der nichtdominanten oberen Extremität registriert. Eine Messung umfaßte eine fünf Minuten währende kontinuierliche Datenaufzeichnung.


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3.3. Die Klassifikation der Schlafphasen

Der Schlafstadien wurden anhand des Elektrookulogramms und des Aktogramms in REM- und nonREM-Phasen klassifiziert:

Tab. 3.3: Kriterien zur Zuordnung nächtlicher Messungen zu wach, REM- und nonREM-Schlaf, in Anlehnung an Jovanovic, 1971, sowie Gopal und Haddad, 1981.

Kriterium\Stadium

Wach

REM-Phasen

nonREM-Phasen

“rapid eye

movements“

Kontinuierlich

episodisch

keine

Amplitude der “rapid

eye movements“

Hoch

Niedriger, aber über die Nacht zunehmend

null

Frequenz der “rapid

eye movements“

Hoch

niedriger, aber über die Nacht zunehmend

null

myoklonische Zuckungen

Wechselnd

häufig

selten

Die Messungen wurden entweder dem REM- oder dem nonREM-Schlaf zugeordnet. Übergänge von einem ins andere Stadium wurden ebenso wie Meßreihen mit Lageveränderungen des Probanden oder mit periodischer Atmung und Seufzern gesondert bezeichnet. Diese Abschnitte, nächtliches Erwachen, nicht zu klassifizierende Stadien oder nichtstationäre Zeitreihen wurden von der weiteren Auswertung ausgeschlossen. Hierzu zählten 33.7 ± 12.2 % (Mittelwert ± Standardabweichung) der Messungen. Insgesamt wurden 22.2 ± 9.8 % der Meßabschnitte pro Proband für den REM-Schlaf und 47.7 ± 8.1 % für den nonREM-Schlaf ausgewertet, vgl. Abb. 3.3 . Diese Schlafarchitektur entspricht den für die betrachtete Altersgruppe angegebenen Normwerten [ 84 ].


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Abb. 3.3: Anteil der Meßabschnitte von jeweils fünf Minuten in den verschiedenen Schlafstadien an der Gesamtanzahl der Datenabschnitte in Box-Whiskers-Darstellung. Andere Abschnitte bezeichnen nächtliches Erwachen, Seufzer, periodische oder paradoxe Atmung, sowie Übergänge vom REM- zum nonREM-Schlaf oder umgekehrt. Diese Abschnitte sind Teil der nicht weiter ausgewerteten Zeitreihen.


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3.4. Die Aufbereitung der Daten: Aufstellen der Zeitreihe der instantanen Herzfrequenz, Fehlerkorrektur und Interpolation

Um die Auswertung der Daten vorzubereiten, wurden diese “Off-Line“ aus dem im Meßgerät integrierten Speichermedium nach dem Ende eines jeden Meßtages in einen Personalcomputer übertragen.

Aus den registrierten Abständen benachbarter R-Zacken (Ri+1-Ri) wurde die Zeitreihe der instantanen Herzfrequenz ( IHR ) wie folgt aufgestellt:

Werden die R-R-Werte in der Maßeinheit [s] eingesetzt, erhält man IHR in [Hz]. Wandert die Variable i von 1 bis zum Vorgänger derjenigen Zahl, die der Anzahl der R-R-Werte des Meßabschnitts entspricht, so ergibt sich die IHR als diskontinuierliche Funktion der Zeit mit variablen Zeitabständen zwischen benachbarten IHR -Werten. Es wird deutlich, daß sich vom Meßgerät nicht detektierte R-Zacken ebenso wie Extrasystolen in der IHR -Zeitreihe widerspiegeln. Da diese Ereignisse die Datenanalyse erheblich stören können, wurde die betroffene Zeitreihe unter Anwendung heuristischer Algorithmen korrigiert [ 67 ]. Dies war bei weniger als fünf Prozent der Zeitreihen notwendig; diejenigen Zeitreihen, die mehr als zwei solcher Ereignisse aufwiesen, wurden von der Auswertung ausgeschlossen.

Die sich anschließenden linearen Auswerteverfahren begründen sich auf der schnellen Fourier-Transformation. Voraussetzung für eine Anwendung dieser Methode ist die zeitliche Äquidistanz zwischen den IHR -Werten. Hierzu war es notwendig, die “Lücken“ zwischen den Datenpunkten der diskreten Zeitreihe durch Interpolation auszufüllen. Verwandt wurde die Methode der “Spline“-Interpolation, bei welcher kubische Funktionen in die Zeitreihe eingepaßt werden. Die vollständige “Spline“-Funktion S(t) mit den aus den Daten zu ermittelnden Faktoren b0, b1 und li kann wie folgt definiert werden [ 3 ]:

, wobei gelten soll

für t ge ti

für t < ti

Die erforderlichen äquidistanten Abstände zwischen den Daten entstanden nach Abtasten der stetigen Funktion mit einer Frequenz von 10 Hz. Es ergibt sich demzufolge eine neue IHR -Zeitreihe.


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Da die nichtlinearen Methoden auf kleine Änderungen der Ausgangsbedingungen empfindlich reagieren, wurden für die Ermittlung nichtlinearer Kenngrößen die Originalzeitreihen aufeinanderfolgender R-Zacken-Abstände, also der Herzperiodendauerwerte, verwendet. Im weiteren werden Originalzeitreihe und neu gebildete Zeitreihe mit dem Wort IHR -Zeitreihe beschrieben, wobei die erste den nichtlinearen Verfahren und die zweite den linearen Verfahren zugrunde liegen.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß einige Autoren bei der Berechnung der Leistungsspektren von der Zeitreihe der Herzperiodendauer ausgehen. Um die Resultate, die sich aus der weiteren Methodik ergeben, vergleichen zu können, muß der nichtlineare Zusammenhang

IHR = Herzperiodendauer -1

berücksichtigt werden [ 58 ]. Im Bereich niedrigerer Herzperiodendauerwerten führen kleine Änderungen derselben zu relativ größeren Änderungen der IHR als dies bei höheren Herzperiodendauern der Fall ist.

Die Respirogramme thorakaler und abdominaler Atmungsexkursionen bestanden aufgrund der Digitalisierung mit 100 Hz bereits aus äquidistanten Datenpunkten. Die zeitliche Synchronizität von IHR -Zeitreihe und dazugehörigen Respirogrammen war gegeben.


Fußnoten:
<2>

Beurteilt wurden Pubes-, Axillarbehaarung und Genitalentwicklung sowie Brustentwicklung, Hüftform und Zeitpunkt der Menarche beim Mädchen bzw. Entwicklungsstand von Larynx und Stimme beim Knaben.


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