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Beschreibung Fitness-Observer

Grundlagen
Der Fitness Observer ist ein zum Patent angemeldetes Untersuchungsverfahren zur Erfassung der kardiovagalen Erholung und Regenerationsfähigkeit nach akuter körperlicher Belastung.

Bislang erfolgt die Beurteilung der Erholungsfähigkeit des Herz-Kreislaufsystems nach körperlicher Belastung im Wesentlichen anhand der Bestimmung der Herzraten-Erholungszeit. Hierbei werden Geschwindigkeit und Ausmaß gemessen, mit der sich die Herzschlaggeschwindigkeit nach Beendigung einer akuten körperlichen Belastung wieder verlangsamt und dem Ausgangsniveau annähert. Dieses Verfahren ist durchaus bewährt und sowohl in den Bereichen der sportmedizinischen wie auch der klinischen Anwendung akzeptiert. So hat es sich in zahlreichen Untersuchungen als unabhängiger Prädiktor des Mortalitätsrisikos bei Patienten mit Herzinsuffizienz und anderen chronischen Herzproblemen erwiesen. Außerdem hat es weitreichende Anerkennung gefunden als Indikator der körperlichen Fitness und des Trainingszustandes bei gesunden Probanden und Leistungssportlern.

In den letzten Jahren weisen jedoch verschiedene klinische wie auch experimentelle Untersuchungen darauf hin, dass vermutlich die Messung der auf der isolierten Bestimmung der parasympathischen Aktivität basierenden kardiovagalen Erholungszeit das effizientere Maß darstellt.

Dies ist im Wesentlichen dadurch bedingt, dass die Erholung der kardialen Aktivität und damit auch der Herzrate nach einer Belastungssituation, vor allem jedoch im ganz frühen Stadium unmittelbar nach Beendigung der Belastung, zum weitaus überwiegenden Teil auf eine De-Inhibition des Parasympathikus zurückzuführen ist. Dieser ist während einer anstrengenden akuten Belastung nahezu vollständig inhibiert, was auch zu einem entsprechenden Anstieg der Herzrate während der Belastungsphase beiträgt. Unmittelbar nach Ende der Belastung kommt es zu einer Aufhebung dieses Inhibitionsmechanismus und die parasympathische Aktivität steigt rasch wieder an, was zu einem entsprechenden Rückgang der Herzschlaggeschwindigkeit führt.

Demgegenüber erhält man mit der üblichen Bestimmung der Herzrate kein reines parasympathisches Maß, da diese zu einem nicht bekannten Teil auch sympathisch determiniert ist und auf einer komplexen Interaktion zwischen sympathischen und parasympathischen Einflüssen basiert. Es hat sich in mehreren experimentellen Untersuchungen gezeigt, dass die parasympathische Reaktivierung nach körperlicher Belastung wesentlich schneller erfolgt als die Reaktivierung des sympathischen Systems und dass sie deswegen die Hauptursache der Herzraten-Erholung bildet. Dies trifft insbesondere auf die ersten Sekunden und Minuten nach Belastungsende zu, der Zeitphase, die von größter Bedeutung für die Beurteilung der körperlichen Fitness und kardialen Regenerationsfähigkeit ist. Darüber hinaus ist auch zu bedenken, dass in der Zwischenzeit wissenschaftliche Untersuchungen keinen Zweifel mehr daran lassen, dass entgegen den früheren Auffassungen in allererster Linie dem Funktionszustand des parasympathischen (nicht des sympathische n )

Systems die mit weitem Abstand größte Bedeutung für die Regulation des Gesundheits- und Fitnesszustandes eines Individuums zukommt.

Die Mehrzahl der Untersuchungen, die sich bisher mit der kardiovagalen (parasympathischen) Erholung nach körperlicher Belastung befasst haben, haben hierzu Verfahren angewendet, die der Situation nicht optimal angepasst waren. So hat die Verwendung traditioneller zeitanalytischer Methoden (RMSSD) den Nachteil, dass die Zeitauflösung der Verlaufskurve zu gering ist und daher die Entwicklung der kardiovagalen Erholung nicht exakt genug nachvollzogen werden kann.

Die Verwendung traditioneller spektralanalytischer Verfahren (Fast Fourier Transformation, FFT) verbietet sich aus einem anderen Grund. Obgleich die FFT eine hochvalide und reliable Methode zur Bestimmung des parasympathischen Tonus in Ruhephasen ist, bei denen sich die Herzschlaggeschwindigkeit nicht gravierend verändert, ist sie ungeeignet, die parasympathische Erholung nach körperlicher Belastung zu bestimmen, wo sich die Herzrate dramatisch verändert. Die FFT analysiert relativ lange Zeitbereiche, die mehrere Perioden des interessierenden Frequenzbandes beinhalten müssen und setzt voraus, dass das in Frage kommende Signal stationär ist. Daher erlaubt sie keine valide kontinuierliche Messung von Zeitverläufen, die durch schnelle und bedeutsame Veränderungen der Power des zu erfassenden Frequenzbands (High Frequency,HF-power) charakterisiert sind, wie dies für die Post-Belastungsphase zutrifft.

Das zum Patent angemeldete Verfahren des Fitness Observer arbeitet daher mit einer Variationsform der Complexen Demodulationsmethode (CDM). Diese ermöglicht eine kontinuierliche Messung der Power des HF-Frequenzbandes und erlaubt die Erfassung von beliebig schnellen Veränderungen des parasympathischen Aktivierungniveaus in der Post-Belastungsphase. Die CDM ist eine nichtlineare zeitanalytische Methode, die zur Analyse von Zeitverläufen mit nichtstationären und unstabilen Oszillationen geeignet ist und liefert unmittelbare Amplituden und Frequenzbestimmungen als eine Funktion der Zeit für Oszillationen in einem interessierenden Frequenzband.

Untersuchungsmethodik
Die Probanden werden zunächst einer körperlichen Belastungsphase unterzogen. Hierzu wird ihnen auf einem Fahrradergometer eine Tretleistung mit stufenweise ansteigender Wattzahl abverlangt. Während dieser Zeit wird die Herzaktivität mittels Brustelektroden abgeleitet, an ein EKG-Gerät weiter geleitet und von diesem zur weiteren Verarbeitung und Speicherung einem Computerprogramm zugeführt. Die Dauer der Belastungsphase beträgt maximal 4 Minuten. Der stufenweise Anstieg der Belastungsintensität wird mit einer Abfolge von 80 120 150 200 Watt so gewählt, dass die Anforderung dem unterschiedlichen Leistungsstand der Probanden gerecht wird. Um dies zu erreichen wird ein Abbruchkriterium definiert, das sich am Anstieg der Herzfrequenz orientiert. Die Belastung wird dann abgebrochen, wenn der Anstieg der Herzfrequenz gegenüber dem Ausgangswert ein bestimmtes Maß (z.B. Anstieg um 80%) erreicht hat. Wird bei vereinzelten Probanden dieser Wert nicht erreicht, wird die Belastungsphase nach 4 Minuten beendet.

Unmittelbar nach Ende der Belastung beginnt die Erholungszeit, die ebenfalls 4 Minuten dauert. Die Probanden bleiben während dieser Zeit in der gleichen Haltung auf dem Fahrradergometer sitzen, ohne sich zu bewegen oder zu sprechen.

Auswertung
Während der Erholungsphase wird die Veränderung der parasympathischen Aktivität kontinuierlich gemessen. Die artefaktkorrigierten Werte werden mittels der Complexen Demodulationsmethode (CDM) analysiert. Da nicht ausgeschlossen werden kann, dass alle Probanden unmittelbar nach Beendigung der Belastungsphase das gleiche parasympathische Aktivierungsniveau aufweisen (idealerweise einen Nullwert), werden alle während der Erholungsphase erhobenen parasympathischen Aktivierungswerte ausgangswertkorrigiert. Das heißt, es wird ein Differenzwert gebildet zwischen jedem während der Erholungsphase gemessenen Wert und dem parasympathischen Aktivierungswert, der unmittelbar nach Beendigung der Belastung erhoben wird, so dass die analysierten Werte tatsächlich Veränderungswerte darstellen, die für alle Probanden vergleichbar sind.

Zur Bestimmung der Effizienz der kardiovagalen Erholung werden die nachstehenden drei ausgangswertkorrigierten Reaktionsparameter analysiert:

peak response: die maximale parasympathische Aktivität, d.h. der Betrag der parasympathischen Aktivität in dem Zeitintervall mit der höchsten parasympathischen Aktivierung,
rise time: die Zeitdauer zwischen der Beendigung der Belastungsphase und dem Erreichen der peak response,
rise rate: die Anstiegsgeschwindigkeit, d.h. der Quotient aus peak response dividiert durch rise time.

Der aussagekräftigste Wert ist die rise rate. Daher wird die rise rate auch bevorzugt zur Beurteilung der kardiovagalen Erholungsreaktion auf Individualebene verwendet. Zur anschaulichen Darstellung und Interpretation der Befunde einer Einzelperson eignet sich das nachstehende Abbildungsschema (vgl. Abbildungen 1,2 und 3).

In diesem Auswerteschema wird die zeitliche Veränderung des parasympathischen Aktivierungsniveaus über den Verlauf der Erholungsphase hinweg dargestellt. Je früher und höher die Aktivierungskurve ansteigt, umso effizienter ist die kardiovagale Erholungsreaktion. Um einen schnellen Überblick zu erhalten, wurden Gradienten in die Abbildung eingezeichnet, die unterschiedlichen Anstiegsgeschwindigkeiten (rise rate) entsprechen und sich an den bisherigen empirischen Erfahrungen orientieren. So befindet sich die Verlaufskurve von Proband 1 im untersten Feld, was darauf hindeutet, dass seine kardiovagale Erholung gegenüber der Vergleichsstichprobe ungenügend ist. Demgegenüber befinden sich die Verlaufskurven der Probanden 2 und 3 im mittleren bzw. im obersten Feld, was ihre Erholungsreaktionen als gut bzw. als exzellent charakterisiert.

Unabhängig von diesem Auswerteschema lassen sich die Reaktionswerte eines Probanden natürlich auch mathematisch exakt berechnen, was sich insbesondere für Vergleichsstudien anbietet.

Außerdem bietet das Auswerteverfahren des Fitness Observer auch die Möglichkeit, die Daten auf traditionelle Weise über die Herzraten-Erholungszeit zu analysieren. Eine empirische Vergleichsuntersuchung des Zentrums für Neuropsychologische Forschung (ZNF) der Universität Trier an drei Gruppen unterschiedlich gut trainierter Probanden hat jedoch ergeben, dass die oben beschriebene Auswertung der kardiovagalen Erholung mittels CDM der Datenanalyse mittels Herzraten-Erholungszeit deutlich überlegen ist. Während sich bei der Analyse der Herzraten-Erholungszeit keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den unterschiedlich gut trainierten Gruppen ergaben, unterschieden sich die Gruppen, wie Abbildung 4 zeigt, bei der kardiovagalen Erholungsreaktion deutlich voneinander, wobei insbesondere die am wenigsten trainierte Gruppe eine extrem schlechte und verlangsamte Erholungsreaktion aufwies.