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 5. Ergebnisse der linearen und nichtlinearen Analyse

5.1. Die Kenngrößen der Zeitreihe der instantanen Herzfrequenz und der Respirogramme

5.1.1. Die Ausprägung der Herzfrequenz im Schlafen und Wachen

Die Zeitreihen der IHR innerhalb der drei Vigilanzstadien unterscheiden sich deutlich voneinander hinsichtlich der Höhe der Amplitude ihrer Fluktuationen. Sowohl Amplitude als auch Frequenz der IHR -Variabilität variieren in voneinander differenzierbarer Intensität im Wachzustand, nonREM- und REM-Schlaf.

Innerhalb des ruhigen Wachzustandes ist erkennbar, daß die hochfrequenten Fluktuationen der IHR als Kennzeichen der respiratorischen Sinusarrhythmie ( RSA ) stärker variieren als im nonREM-Schlaf. Der Unterschied beruht auf einer stärkeren Variation der Amplitude. Die niederfrequenten Fluktuationen der IHR sind gut erkennbar ( Abb. 5.1.1A oben). Rhythmen verschiedener Frequenz überlagern einander.

Im nonREM-Schlaf verhalten sich die Oszillationen der IHR regelmäßiger. Die Amplitude der RSA schwankt lediglich geringfügig und Unterbrechungen des gleichförmigen Rhythmus sind selten. Die niederfrequenten Schwankungen der IHR sind hier variabler, ihr rhythmischer Charakter ist dennoch gut sichtbar ( Abb. 5.1.1A Mitte).

Im Gegensatz hierzu finden sich im REM-Schlaf äußerst unregelmäßige Muster der IHR . Obwohl auch diese Abschnitte eine RSA erkennen lassen, wechselt deren Ausprägung zwischen gering und stark, oft auch sprunghaft. Noch unübersichtlicher ist die Variabilität niederfrequenter Fluktuationen: Periodendauer und Amplitude schwanken deutlich erkennbar ( Abb. 5.1.1A unten)


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Abb. 5.1.1A: Zeitreihen der IHR eines Probanden (14jähriger Knabe) aus dem Wachzustand (oben), dem nonREM-Schlaf (Mitte) und dem REM-Schlaf (unten). Die Darstellungen links entsprechen den Originalzeitreihen, die mittleren repräsentieren den gleitenden Mittelwert über 10 Werte, um die niederfrequenten Fluktuationen zu offenbaren. Die Darstellung rechts ergab sich nach Subtraktion der gleitenden Mittelwerte von der Originalzeitreihe und Erhöhung um den Mittelwert der Zeitreihe - niederfrequente Fluktuationen wurden somit entfernt. Die RSA ist allein sichtbar.

Die mittlere Herzfrequenz zeigt eine intensive Anpassung an den endogenen Schlaf-Wach-Zyklus. Sie erreicht die signifikant höchsten Werte innerhalb des Wachzustandes (1.29 ± 0.19 Hz, Mittelwert ± Standardabweichung). Während des Schlafes sind deutlich niedrigere Werte zu finden. Im nonREM-Schlaf ist die mittlere Herzfrequenz am niedrigsten (1.09 ± 0.15 Hz). Innerhalb der REM-Phasen steigt die Herzfrequenz geringfügig, aber signifikant an (1.11 ± 0.14 Hz). Sie bleibt jedoch deutlich unterhalb der im Wachzustand gefundenen Werte. Der Box-Whiskers-Darstellung ( Abb. 5.1.1B ) ist zu entnehmen, daß sich die Herzfrequenzen der 42 Probanden in allen drei Vigilanzstadien symmetrisch um den Mittelwert verteilen, der ungefähr auf dem Medianwert zu liegen kommt.

Abb. 5.1.1B: Darstellung der Verteilung der mittleren Herzfrequenzen aller Probanden innerhalb der drei Vigilanzstadien. Alle Stadien können signifikant voneinander abgegrenzt werden.


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5.1.2. Die Atmungsfrequenz während des Schlafes und des Wachzustandes

Innerhalb des ruhigen Wachzustandes sind die Atmungsexkursionen variabler ausgeprägt als innerhalb des nonREM-Schlafes. Der Rhythmus der Atmung läßt Variationen der Amplitude erkennen ( Abb. 5.1.2A links). Im Vergleich der Zeitreihen treten die RSA der IHR -Zeitreihe und der Atmungsrhythmus aufeinander abgestimmt auf, jedoch variiert die Amplitude der RSA deutlich intensiver.

Im nonREM-Schlaf präsentieren die Respirogramme eine äußerst regelmäßige Atmung, die Frequenz variiert kaum und Amplitudenmodulationen bleiben klein ( Abb. 5.1.2A Mitte).

Dagegen offenbart die Atmung während des REM-Schlafes unregelmäßige Muster. Hier schwankt die Frequenz stärker und auch die Intensität der Atmungsexkursionen variiert deutlich sichtbar (vgl. Abb. 5.1.2A rechts). Vergleicht man die Respirogramme mit der dazugehörenden IHR -Zeitreihe, so wird deutlich, daß Atmungsmuster und RSA der IHR unabhängiger voneinander ausgeprägt sind, als dies in beiden anderen Vigilanzstadien zu beobachten ist.

Abb. 5.1.2A: Thorakale Respirogramme eines Probanden (14jähriger Knabe) aus dem Wachzustand (links), dem nonREM- (Mitte) und REM-Schlaf (rechts). Relative Änderungen der Ausdehnung des Thorax innerhalb einer Zeitreihe können beurteilt werden, jedoch können die Amplituden der drei Stadien nicht verglichen werden, da die Messungen nicht nach dem Atmungszugvolumen geeicht wurden. Die Respirogramme wurden synchron mit den unter Abb. 5.1.1A gezeigten IHR-Zeitreihen am selben Probanden aufgenommen.

Obwohl die mittlere Atmungsfrequenz aus dem Frequenzbereich bestimmt wurde, ist es doch sinnvoll, sie mit diesem Abschnitt darzustellen. Die Einstellung von fresp zeigt eine Abhängigkeit vom Vigilanzstadium. Sie ist signifikant am höchsten innerhalb des ruhigen Wachzustandes (0.28 ± 0.04 Hz). Innerhalb des Schlafes liegt sie niedriger, wobei kein Unterschied zwischen nonREM-Schlaf (0.26 ± 0.03 Hz) und REM-Phasen (0.25 ± 0.02 Hz) nachgewiesen werden konnte. Es besteht eine ausgeprägte interindividuelle Variabilität in der Atmungsfrequenz, die am stärksten im Wachzustand ( Abb. 5.1.2B ). Die Verteilungen der Atmungsfrequenzen, die mit den Box-Whiskers-Diagrammen beurteilt werden können, sind weniger symmetrisch als dies für die IHR gezeigt wurde. Der Bestimmung von fresp lagen die thorakalen Respirogramme zugrunde. Wird anhand der abdominalen


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Respirogramme die Atmungsfrequenz ermittelt, so finden sich nahezu identisch Werte, ohne statistische Differenzen.

Abb. 5.1.2B: Box-Whiskers Diagramme zur Darstellung der Verteilung der Mittelwerte der Atmungsfrequenz der Probanden innerhalb der untersuchten Stadien. Die Werte des Wachzustandes sind signifikant höher als in beiden Schlafphasen.


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5.2. Spektrale Kenngrößen der instantanen Herzfrequenz innerhalb der drei Vigilanzstadien

Für jedes der drei Vigilanzstadien ergibt sich ein typischer Leistungsverlauf in den IHR -Spektren.

Die Leistungsspektren des Wachzustandes ähneln denjenigen aus dem REM-Schlaf mit einer niedrigen aber breiten Leistungsspitze im HF -Band. Innerhalb des LF -Bereichs erreicht die Leistung jedoch nicht die Dominanz wie im REM-Schlaf. Hier finden sich häufig zweigipflige Leistungsverläufe um 0.1 Hz ( Abb.5.2A oben).

Innerhalb des nonREM-Schlafes ist der hohe und schmale, meist alle anderen überragende Leistungsgipfel im HF -Bereich auffällig. Seine Lage im Spektrum stimmt sehr gut mit der Atmungsfrequenz überein. Er ist spektraler Ausdruck der RSA . Oberhalb des Gipfels finden sich in Abhängigkeit von dem Muster der IHR -Zeitreihe Leistungsgipfel harmonischer Schwingungen, deren Leistung aber sehr gering ausfällt. Unterhalb von 0.2 Hz, jener Grenze, die den LF - vom HF -Bereich trennt, finden sich zahlreiche, miteinander verschmolzene Gipfel. In einem Teil der Fälle läßt sich ein niederfrequenter von einem mittelfrequenten Teil abgrenzen. Variabel ausgeprägt, findet sich ein Gipfel im Bereich von 0.07 bis 0.15 Hz. Allerdings erreichen Leistungsspitzen im LF -Band nie die dominante Form des HF -Gipfels ( Abb.5.2A Mitte).

Mit dem REM-Schlaf vollzieht sich eine Umgestaltung im Leistungsverlauf des Spektrums. Der HF -Leistungsgipfel verliert stark an Höhe, nimmt aber an Breite zu. Die LF -Leistung dominiert deutlich das Spektrum. Hier verschmelzen einzelne Gipfel zu einem “Gebirge“, in welchem einzelne Minima deutlich über null liegen. Betrachtet man den Trend, so nimmt die Leistung mit zunehmender Frequenz ab. Im Frequenzbereich um 0.1 Hz finden sich ein oder mehrere Gipfel ( Abb.5.2A unten).

Das Flächenintegral der Leistung, TP , erreicht die höchsten Werte innerhalb des REM-Schlafes, es ist niedriger innerhalb des Wachzustandes und am kleinsten in den nonREM-Phasen (vgl. Tab. 5.2 und Abb.5.2A ). Die Unterschiede zwischen den Vigilanzstadien sind signifikant. Aus den Box-Whisker-Diagrammen wird deutlich, daß die Verteilung der Werte fast symmetrisch zu nennen ist ( Abb. 5.2B ).


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Abb. 5.2A: Leistungsspektren der IHR aus dem Wachzustand, nonREM- und REM-Schlaf (von oben nach unten). Typische Leistungsverläufe sind dargestellt (14jähriger Knabe). Die Kreisdiagramme stellen Mittelwerte für das Gesamtprobandengut dar. Der Flächeninhalt entspricht der Gesamtleistung (TP). Die Verteilung auf LF- und HF-Bereich ist angegeben.


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Tab. 5.2: Mittelwerte ± Standardabweichung der Parameter der IHR-Spektren in allen drei Vigilanzstadien.

Parameter \ Stadium

Wach

NonREM

REM

TP [10-3 Hz2]

3.70 ± 2.03

1.93 ± 1.24

5.41 ± 2.35

HF [10-3 Hz2]

1.20 ± 0.95

0.92 ± 0.76

1.41 ± 1.04

LF [10-3 Hz2]

2.59 ± 1.45

1.01 ± 0.67

3.99 ± 1.54

relHF

0.32 ± 0.12

0.49 ± 0.14

0.24 ± 0.09

relLF

0.68 ± 0.12

0.51 ± 0.14

0.76 ± 0.09

q = LF / HF

3.19 ± 1.84

1.43 ± 0.87

5.09 ± 3.20

Abb. 5.2B: Box-Whiskers-Diagramme zur Darstellung von Verteilungen der Kenngrößen der IHR-Spektren des Gesamtprobandengutes in allen drei Vigilanzstadien.

Werden die beiden Komponenten von TP - HF und LF - getrennt analysiert, so wird deutlich, daß diese zum einen in Abhängigkeit vom Vigilanzstadium stehen, zum anderen


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unterschiedlichen Anteil an TP haben ( Abb.5.2A ). LF erreicht die höchsten Werte innerhalb der REM-Phasen, im nonREM-Schlaf liegt der Wert deutlich darunter. Der Wachzustand ist durch höhere LF -Werte charakterisiert, die aber deutlich unter jenen des REM-Schlafes bleiben. Die Werte differieren signifikant. Weniger deutliche Aussagen können über HF getroffen werden: Sie ist innerhalb des nonREM-Schlafes signifikant am geringsten. Keine statistisch abgesicherten Differenzen lassen sich aus dem Vergleich von REM-Schlaf und Wachzustand treffen. Die Verteilung der Werte ist weniger symmetrisch als dies für TP gezeigt werden konnte.

Aus dem Verhalten von TP und beiden Komponenten, LF und HF , ergeben sich die Relativwerte, relLF und relHF , sowie der Quotient q=LF/HF. Innerhalb des REM-Schlafes drückt sich die Dominanz von LF im Spektrum wie folgt aus: relLF erreicht die höchsten Werte, relHF ist am kleinsten und folglich ist q innerhalb dieser Schlafphase am größten. Diese Konstellation ist statistisch signifikant.

Die Differenzen zwischen beiden Schlafphasen hinsichtlich relLF , relHF und q sind größer als zum Wachzustand. Innerhalb des nonREM-Schlafes erreicht relHF den größten Wert, während relLF und q am kleinsten sind; die Unterschiede zu beiden anderen Schlafphasen sind statistisch signifikant.

Die Werte aus dem Wachzustand ordnen sich im Vergleich zum Schlaf wie folgt ein:

relHFREM < relHFwach < relHFnonREM

relLFnonREM < relLFwach < relLFREM

qnonREM < qwach < qREM

Die Verteilungen der Werte erreichen nicht vollständig symmetrische Formen.

Für die Beurteilung von HF ist deren Beziehung zu fresp zu berücksichtigen. Es wurde deshalb überprüft, ob Korrelationen zwischen folgenden Mengen bestehen:

(fresp; HF)

(fresp; ln HF)

(ln fresp; ln HF)

Für keine der drei Kombinationen konnte eine Korrelation zwischen HF und fresp nachgewiesen werden, was insofern von Bedeutung ist, als die gefundenen HF -Differenzen zwischen den Vigilanzstadien unabhängig von fresp diskutiert werden können.


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5.3. Die Kohärenz von Spektren der Atmung und der instantanen Herzfrequenz im Schlafen und Wachen

Die Kohärenzspektren spiegeln in ihrer Form die Ähnlichkeit der Leistungsspektren von IHR und thorakalem Respirogramm wider. Werden die Kohärenzspektren innerhalb eines größeren Zeitraumes analysiert, so wird die hohe Konstanz derselben innerhalb eines Zustandes offensichtlich. Bei Kohärenzen im niederfrequenten Bereich herrscht eine erhebliche Variationsbreite vor und die Werte bleiben meist deutlich unter 0.5. Die Lage des höchsten Gipfels im Kohärenzspektrum, dessen Höhe den Parameter Cmax verkörpert, liegt am gleichen Frequenzort, an dem auch das Maximum im HF -Bereich des IHR -Spektrums zu finden. Es bestehen keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Parameter fresp und der Lage der Maxima sowohl im Kohärenzspektrum als auch im HF -Bereich des IHR -Spektrums, so daß die Atmungsfrequenz mit hinreichender Genauigkeit aus dem Frequenzort beider Maxima geschätzt werden könnte.

Abb. 5.3A: Kohärenzspektren aus dem nonREM-Schlaf, dem Wachzustand und den REM-Phasen (von hinten nach vorn, 14jähriger Knabe). Innerhalb des nonREM-Schlafes ist der Gipfel der Kohärenz mit 0.86 am höchsten. Während des Wachzustandes (0.74) und der REM-Phasen (0.51) sinkt Cmax ab.


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Der Parameter Cmax spiegelt in eindrucksvoller Weise eine deutliche Abhängigkeit vom Vigilanzstadium wider. Innerhalb des nonREM-Schlafes erreicht Cmax seinen höchsten Wert (0.80 ± 0.07). Der Wert ist im Wachzustand (0.64 ± 0.09) deutlich niedriger und am kleinsten in den REM-Phasen (0.52 ± 0.11). Dabei lassen sich alle drei Stadien signifikant voneinander abgrenzen (vgl. Abb. 5.3A und Abb. 5.3B ).

Abb. 5.3B: Die Verteilungen der Mittelwerte von Cmax für das Gesamtprobandengut im Schlafen und Wachen. Die drei Vigilanzstadien lassen sich signifikant voneinander abgrenzen.


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5.4. Das Tonusdiagramm

Anhand der Beziehung TP = f(IHR) lassen sich die untersuchten drei Vigilanzstadien sichtbar voneinander abgrenzen ( Abb. 5.4 ). Jene Bereiche, die sich überdecken, sind bezogen auf die Gesamtmenge der Wertepaare klein. Der Wachzustand kommt dabei am weitesten rechts zu liegen, bedingt durch die höheren mittleren Herzfrequenzwerte. Beide Schlafstadien liegen auf der linken Seite, wobei die hohen TP -Werte innerhalb des REM-Schlafes, diese Phase die anderen Vigilanzstadien überragen lassen. Der nonREM-Schlaf liegt bezüglich Wachzustand und REM-Schlaf am weitesten unten im Tonusdiagramm.

Abb. 5.4: Tonusdiagramm zur Einschätzung der Intensität der vegetativen Ansteuerung des Herzens. Das Lage des Zentrums der Ellipsen ist gegeben durch den Mittelwert der Herzfrequenz (Abszisse) und der Gesamtleistung TP (Ordinate) für das Gesamtprobandengutes innerhalb eines Vigilanzstadiums. Der horizontale Radius der Ellipsen entspricht der Standardabweichung der Herzfrequenz, der vertikale Radius kennzeichnet die Standardabweichung von TP.


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5.5. Ergebnisse der nichtlinearen Methoden

5.5.1. Darstellung der Herzfrequenz im dreidimensionalen Phasenraum

Naturgemäß kann die Herzfrequenz lediglich im dreidimensionalen Phasenraum graphisch dargestellt werden. Da es die Rekonstruktionsmethode gestattet, auch eine höhere Zahl an Dimensionen zu berechnen, können verschiedene Dimensionen zu einem dreidimensionalen Gebilde kombiniert werden, dabei werden jedoch lediglich “Ausschnitte“ des vollständigen Phasenraumgebildes gezeigt. Die folgenden Ausführungen beschreiben einige typische Strukturen, die nach Rekonstruktion der Herzfrequenz sichtbar werden.

Häufig bilden die Trajektorien ein Gebilde, welches an ein Donut erinnert und Torus genannt wird. Die Bahnen umkreisen ein Zentrum, das nur von wenigen Trajektorien durchkreuzt wird ( Abb. 5.5.1A ). Der Torus weist teilweise “Einbeulungen“ oder Vorwölbungen auf. In einigen Bereichen des Gebildes verlaufen die Trajektorien dichter aneinander gedrängt, an anderen liegen die Systembahnen weiter auseinander. Wenige Trajektorien entfernen sich kurzzeitig vom Torus.

Variationen zu der einfachen Donut-Form bestehen häufig. Wird der Torus stärker zusammengedrückt, so kann das Zentrum kaum noch zu erkennen sein ( Abb. 5.5.1B ). Durch Faltung können Abknickungen in der Phasenraumfigur entstehen. Desweiteren kann eine Höhenzunahme des Donut gefunden werden, so daß er in ein schlauchförmiges Gebilde übergeht. Dieses Gebilde kann wiederum Wölbungen zeigen ( Abb. 5.5.1C ).

Wenngleich selten, so führten einige Phasenraumkonstruktionen der Herzfrequenz zu Figuren, deren Bahnen auf ein Zentrum zulaufen ( Abb. 5.5.1D ). Die Dichte der Trajektorien nimmt bei Annäherung an das Zentrum zu. Da der Eindruck entsteht, die Bahnen würden vom einem im Zentrum gelegenen Punkt angezogen, könnte dies als Punktattraktion gedeutet werden. Jedoch soll darauf verwiesen werden, daß in einer anderen Kombination der Dimensionen die Trajektorien durchaus andere Muster bilden können !

Die in den Abbildungen Abb. 5.5.1A - Abb. 5.5.1D dargestellten Phasenraumfiguren wurden aus den Herzfrequenzzeitreihen eines 14jährigen Knaben konstruiert. Typischerweise bleiben die Muster der Figuren nicht gleich, sondern sind von Zeitreihe zu Zeitreihe verschieden. Ebenso ist es nicht möglich einzelne Muster einem bestimmten Vigilanzstadium zuzuweisen. Dennoch findet man bestimmte Gebilde häufiger in einem Vigilanzstadium als andere. Innerhalb der nonREM-Phasen treten sehr häufig die regelmäßigeren Donut-Formen auf, derweil im Wachzustand als auch während des REM-


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Schlafes eine höhere Variabilität der Gestalt besteht. Bisweilen fällt es schwer, einen Torus zu erkennen.

Abb. 5.5.1A: Phasenraumfigur einer IHR-Zeitreihe aus dem nonREM-Schlaf. Eine regelmäßige Gestalt, einem Donut vergleichbar, ist zu erkennen.

Abb. 5.5.1B: Phasenraumfigur aus dem Wachzustand. Die Gestalt wirkt zusammengedrückt. Das Zentrum innerhalb der Donut-Form ist gerade noch erkennbar. Einzelne Trajektorien entfernen sich weiter von der Figur.

Abb. 5.5.1C: Phasenraumfigur aus dem Wachzustand. Der Torus wird im Gegensatz zu den oberen Darstellungen von der Seite gesehen, so daß ein Zentrum nicht erkennbar ist. Eine Höhenzunahme ist sichtbar, so daß die Figur eine schlauchförmige Gestalt andeutet, die in sich einen Bogen beschreibt (Pfeile).

Abb. 5.5.1D: IHR-Phasenraumfigur aus dem REM-Schlaf. Die Bahnen kreisen um ein Zentrum, von dem sie scheinbar angezogen werden. Einzelne Trajektorien beschreiben deutlich größere Bögen als die Mehrzahl der Bahnen.


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Während anhand der Phasenräume lediglich bestimmte Muster, die die Herzfrequenz in einem dreidimensionalen Raum bildet, betrachtet werden können, bieten die Parameter D2R-R und LLE quantitative Aussagen über die dem System zugrundeliegende Dynamik. Sie werden im folgenden besprochen.

5.5.2. Die Korrelationsdimension der Herzfrequenz und ihre Abhängigkeit vom Vigilanzstadium

Die ermittelten D2R-R -Werte sind in allen drei betrachteten Stadien niedrig und, da sie zu den rationalen Zahlen gehören, fraktal zu nennen.

Die höchste Komplexität erreicht die IHR innerhalb der Wachphasen mit dem D2R-R -Wert von 4.04 ± 0.35. Im nonREM-Schlaf liegen die Werte niedriger (3.80 ± 0.39) und innerhalb der REM-Phasen nimmt D2R-R die kleinsten Werte an (3.30 ± 0.41). Alle drei Stadien können signifikant voneinander abgegrenzt werden. Die Verteilung der Werte ist nahezu symmetrisch (vgl. Abb. 5.5.2 ).

Sowohl für jedes einzelne Stadium als auch für die Gesamtheit der Daten differieren D2R-R der Originalzeitreihen vom D2R-R -Wert der Surrogate-Daten signifikant. Daraus ist zu schließen, daß die ermittelte Komplexität eine deterministische Eigenschaft des Systems ist, die nicht durch stochastische Anteile erklärt werden kann.

Abb. 5.5.2: D2R-R, Maß der Komplexität der IHR für die verschiedenen Vigilanzstadien. Sie differiert signifikant zwischen den Vigilanzstadien.


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5.5.3. Die Prädiktabilität der Herzfrequenz innerhalb verschiedener Vigilanzstadien

Der LLE der IHR -Zeitreihen ist in allen drei Vigilanzstadien positiv und liegt zwischen 0 und 1 bit/s.

Im Vergleich der drei Stadien zeigt der LLE eine geringe Abhängigkeit von der Vigilanz. Lediglich der Wachzustand mit 0.28 ± 0.10 bits/s und der nonREM-Schlaf mit 0.24 ± 0.09 bits/s zeigen LLE -Werte, die sich signifikant voneinander unterscheiden. Die REM-Phasen lassen sich weder gegen den Wachzustand noch gegen den nonREM-Schlaf abgrenzen. Die Variationsbreite ist groß ( Abb. 5.5.3 ).

Im Vergleich der LLE -Werte der Originalzeitreihen mit denjenigen der Surrogate-Daten wurden sowohl für die einzelnen Stadien getrennt als auch für die Gesamtheit der Daten signifikante Differenzen bestimmt. Die Prädiktabilität der Herzfrequenz ist niedrig, beruhend auf nichtlinearen Systemeigenschaften.

Abb. 5.5.3: Der LLE zeigt eine geringe Abhängigkeit vom Schlaf-Wach-Zyklus, wobei der Unterschied zwischen Wachzustand und nonREM-Schlaf signifikant ist.


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5.5.4. Die Korrelationsdimension der Atmung im Schlaf und Wachzustand

D2resp bleibt in allen drei Vigilanzstadien klein und liegt deutlich unterhalb der Dimension der IHR . Die erreichten Werte sind aufgrund ihrer rationalen Zahl fraktal zu nennen.

Parallel zu D2R-R erreicht auch D2resp innerhalb des ruhigen Wachzustandes die höchsten Werte (2.55 ± 0.37). Gegensätzliches Verhalten der Dimension von Atmung und IHR wird innerhalb des Schlafes deutlich. Im nonREM-Schlaf erreicht D2resp die niedrigsten Werte (1.73 ± 0.22) und steigt in den REM-Phasen wieder an (2.29 ± 0.30). Alle drei Vigilanzstadien können hinsichtlich D2resp signifikant gegeneinander abgegrenzt werden ( Abb. 5.5.4 ).

Die Ergebnisse der Originalzeitreihen differieren signifikant von jenen der Surrogate-Daten. Die ermittelte Komplexität stellt somit eine deterministische Eigenschaft des Systems dar. Sie ist nicht mit stochastischen Anteilen zu erklären.

Abb. 5.5.4: D2resp wird vom Vigilanzstadium geprägt. Die Werte in jedem der drei Stadien sind nahezu symmetrisch verteilt und gestatten eine signifikante Abgrenzung gegen die anderen beiden Vigilanzzustände.


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5.6. Die Stabilität der Parameter innerhalb der Vigilanzstadien

Innerhalb des ruhigen Wachzustandes zeigen sowohl die linearen als auch die nichtlinearen Kenngrößen der IHR eine meßbar stabile Einstellung über einen längeren Zeitraum hinweg; die Variationen der Parameter sind nicht signifikant. Lediglich für die Herzfrequenz selbst konnte eine Abnahme mit dem Übergang vom Nachmittag zum Abend nachgewiesen werden. Der Unterschied fällt jedoch wesentlich geringer aus als die Schlaf-Wach-Differenzen (vgl. Abb. 5.6 ). Folglich bestehen mit Ausnahme der Herzfrequenz keine signifikanten Unterschiede zwischen Vormittag (9.30-12.30 Uhr), Nachmittag (12.30-16.30 Uhr) und Abend (16.30-19.30 Uhr). Für Cmax als auch für fresp ließen sich keine Unterschiede feststellen.

Im Verlauf des nonREM-Schlafes unterliegen die linearen Kenngrößen der IHR einer deutlichen Abhängigkeit von der Nachtzeit. Die Gesamtvarianz (TP), ebenso wie LF und relLF sind im ersten Intervall (21.30-0.30 Uhr) signifikant am niedrigsten, steigen mit fortschreitender Schlafdauer an und erreichen die signifikant höchsten Werte im dritten Intervall (3.30 - 6.30 Uhr). Die Varianz hochfrequenter Fluktuationen ( HF ) steigt im zweiten Drittel der Nacht an, während ihr relativer Anteil an der Gesamtvariabilität ( relHF ) über die Nacht signifikant abnimmt. Offensichtlich ist der Übergang vom vormitternächtlichen zum frühmorgendlichen Schlaf mit einer Angleichung dieser Parameter an die am Tage erreichten Werte verbunden. Der Quotient q=LF/HF nimmt über die Nacht zu, da LF während des nächtlichen nonREM-Schlafes stärker ansteigt als HF . Ebenso wie die spektralen Kenngrößen zeigt Cmax in den frühen Morgenstunden eine Angleichung an die Tageswerte, sie fällt signifikant im letzten Drittel der Nacht ab. Wenngleich innerhalb dieser Schlafphasen Entwicklungen sichtbar werden, so fallen die Differenzen deutlich niedriger aus als die bestehenden Unterschiede zwischen den drei Vigilanzstadien ( Abb. 5.6 ). Wird die Herzfrequenz selbst innerhalb der nonREM-Phasen analysiert, so konnte hier gezeigt werden, daß sie im zweiten Intervall (0.30-3.30 Uhr) geringfügig niedriger liegt als im ersten (21.30-0.30 Uhr). Parallel hierzu ist das Verhalten von fresp .

Wird die Ausprägung der Parameter in den drei Zeitintervallen innerhalb der REM-Phasen verglichen, so fallen in dieser Schlafphase die Variationen der linearen Parameter geringer aus als im nonREM-Schlaf. Lediglich die Herzfrequenz, TP , LF und HF zeigen mit fortschreitender Schlafzeit geringfügige, aber signifikante Anstiege. Die Anteile von LF und HF an der Gesamtvariabilität bleiben gleich.

Die nichtlinearen Kenngrößen der Herzfrequenz LLE und D2R-R bleiben über die Nacht konstant. Lediglich die Dimensionalität der Atmung D2resp zeigt in den frühen


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Morgenstunden eine signifikante Zunahme innerhalb der nonREM-Phasen und damit eine geringfügige Annäherung an die am Tage erreichten Werte. Zu beachten ist dabei, daß innerhalb dieses Zeitraumes der lineare Parameter Kohärenz absinkt.

Abb. 5.6(Teil1): Darstellung der Abhängigkeit der linearen Parameter der Herzfrequenz von der Tageszeit. Die Größe der Boxen beschreibt den Bereich Mittelwert (Mitte der Box) ± Standardabweichung (obere und untere Begrenzung). Innerhalb des Wachzustandes bezeichnet das Zeitintervall I den Vormittag, von 9.30 bis 12.30 Uhr, Intervall II enthält die Messungen des Nachmittages bis 16.30 Uhr und Intervall III charakterisiert den abendlichen Zeitraum bis 19.30 Uhr. REM I und nonREM I bezeichnen den Schlaf von 21.30 bis 0.30 Uhr, Intervall II bis 3.30 Uhr und Intervall III bis 6.30 Uhr.


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Abb. 5.6(Teil2): Darstellung der Abhängigkeit der nichtlinearen Parameter der Herzfrequenz sowie der Atmungsfrequenz und der Dimension der thorakalen Respirogramme von der Tageszeit. Die Größe der Boxen beschreibt den Bereich Mittelwert (Mitte der Box) ± Standardabweichung (obere und untere Begrenzung). Innerhalb des Wachzustandes bezeichnet das Zeitintervall I den Vormittag, von 9.30 bis 12.30 Uhr, Intervall II enthält die Messungen des Nachmittages bis 16.30 Uhr und Intervall III charakterisiert den abendlichen Zeitraum bis 19.30 Uhr. REM I und nonREM I bezeichnen den Schlaf von 21.30 bis 0.30 Uhr, Intervall II bis 3.30 Uhr und Intervall III bis 6.30 Uhr.


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5.7. Die Diskriminanzanalyse - zuverlässige Klassifikation des Vigilanzstadiums

Bisher wurde gezeigt, daß alle Parameter, lineare wie nichtlineare, zumindest zwischen zwei Vigilanzstadien signifikante Differenzen aufweisen. Daraus konnte aber nicht abgeleitet werden, ob sich allein aus der Betrachtung der Parameter Rückschlüsse auf das Vigilanzstadium, zu welchem die Werte gehören, treffen lassen.

Mittels Diskriminanzanalyse wurde getestet, wie exakt verschiedene Wertekombinationen die Klassifikation des Vigilanzstadiums gestatten und welcher Anteil einzelnen Parametern zukommt. Die höchste Treffsicherheit, Wertekombinationen dem entsprechenden Vigilanzzustand zuzuordnen, ist festzustellen, wenn die Parameter ( IHR , LF , HF , Cmax , D2R-R , LLE , fresp und D2resp ) einbezogen werden ( Tab. 5.7A und Abb. 5.7 ). Insgesamt wurden 92.7 % der Wertekombinationen exakt ihrem Vigilanzstadium zugeordnet.

Tab. 5.7A: Klassifikation des Vigilanzstadiums anhand der Parameter IHR, LF, HF, Cmax, D2R-R, LLE, fresp und D2resp. Folgendes ist abzulesen: Klassifizierte Zuordnung der Wertekombinationen aus einem Stadium zu drei möglichen Stadien - in Zeilen. Die grau unterlegten Felder beinhalten jenen Anteil der Wertekombinationen, die exakt ihrem Schlafstadium zugeordnet werden konnten.

Aktuelles Stadium

Klassifizierte Stadienzugehörigkeit

Wach

NonREM

REM

Wach

87.5 %

5.0 %

7.5 %

NonREM

0.0 %

100.0 %

0.0 %

REM

8.8 %

0.0 %

91.2 %

Werden lediglich die IHR sowie die linearen Kenngrößen ihrer Variabilität zusammengefaßt, so sinkt der Anteil korrekt zugeordneter Wertekombinationen auf 76.2% ab. Noch niedriger fällt dieser Anteil aus (51.6 %), werden lediglich die nichtlinearen Parameter, LLE und D2R-R , betrachtet. Interessanterweise kann aber eine recht sichere Klassifikation des zugehörigen Vigilanzstadiums erreicht werden, wenn die für die kardiorespiratorische Koordination relevanten Parameter, Cmax , D2R-R und D2resp , kombiniert werden (84.9 %).

In der Analyse werden zwei kanonische Diskriminanzfunktionen berechnet. Die Parameter sind unterschiedlich mit den Funktionen korreliert ( Tab. 5.7B ). Werden nun die Mittelwerte der Parameter eines jeden Probanden in die Funktionen eingesetzt, so ist eine zweidimensionale Aufspaltung möglich. Hierbei lassen sich die drei Vigilanzstadium sehr


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gut voneinander abgrenzen ( Abb. 5.7 ).

Tab. 5.7B: Korrelationen zwischen den Parametern und den kanonischen Diskriminanzfunktionen. Die Parameter sind nach der Stärke der Korrelation geordnet. Jene Felder sind grau unterlegt, welche die größte absolute Korrelation zu einer der beiden Diskriminanzfunktion enthalten.

Parameter

Funktion 1

Funktion 2

Cmax

- 0.66

0.17

D2resp

0.52

0.50

LF

0.49

- 0.15

HF

0.09

- 0.02

D2R-R

- 0.20

0.56

IHR

0.10

0.44

fresp

0.03

0.31

LLE

0.07

0.11

Abb. 5.7: Zweidimensionale Aufspaltung nach Einsetzen der Parametermittelwerte eines jeden Probanden in die kanonischen Diskriminanzfunktionen. Es gelingt eine gute Klassifikation der Vigilanzstadien. Das Zentrum des Stadiums wird durch einen Kreis symbolisiert.


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5.8. Der Einfluß des Alters auf die untersuchten Parameter

Mittels Korrelationskoeffizienten wurde bestimmt, ob eine Abhängigkeit der einzelnen Parameter vom Alter der Probanden unter Berücksichtigung des Vigilanzstadiums nachzuweisen ist. Hierbei wurde festgestellt, daß mit Ausnahme der Herzfrequenz alle von ihrer Zeitreihe abgeleiteten linearen wie nichtlinearen Parameter innerhalb des Probandengutes weder mit dem kalendarischen noch mit dem biologischen Alter nach Körperbau-Entwicklungsindex (KEI) korreliert sind. Cmax , fresp und D2resp zeigen ebenfalls keinen signifikanten Entwicklungsgang. Deshalb wird auf eine graphische Darstellung dieser nicht signifikanten Zusammenhänge verzichtet. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen Herzfrequenz und kalendarischen Alter konnte für beide Schlafphasen gefunden werden (nonREM: k = -0.55; REM: k = -0.44). Die Korrelationskoeffizienten, welche die Beziehung von Herzfrequenz und KEI in den Schlafstadien bzw. im Wachzustand charakterisieren, ergaben in allen drei Vigilanzstadien signifikante Zusammenhänge und sind der Abb. 5.8 zu entnehmen. Die Korrelationskoeffizienten sind negativ, was einer Abnahme der Herzfrequenz mit fortschreitender körperlicher Entwicklung gleichkommt. Der Absolutwert des Korrelationsindex ist im nonREM-Schlaf am größten, im Wachzustand am kleinsten.

Abb. 5.8: Von allen untersuchten Parametern zeigt lediglich die Herzfrequenz eine Sensitivität gegenüber dem biologischen Alter der Probanden. Signifikante Korrelationen bestehen in allen drei Vigilanzstadien.Diskussion


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Wed Jun 23 13:36:42 1999