Zusammenfassung Bei der Erfassung der Herzschlagfrequenz kann es bei einigen Geräten zu zahlreichen Datenartefakten kommen. Ziel unserer Studie war die Validierung eines funklosen Brustgurtsystems (BGS) im Labor und in zwei Fahrzeugen gegenüber einem funkübertragenden Pulsuhrsystem (PUS) und einem mittels Kabel übertragenden System (KÜS). 20 gesunde Probanden wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das PUS insbesondere in gepanzerten Fahrzeugen zu deutlichen Ausfällen (57,4 %) gegenüber dem BGS (9, 7%) neigt. Beide Geräte zeigen eine akzeptable Korrelation (r > 0,8, p < 0,01) mit dem KÜS. Schlussfolgernd scheint ein BGS für Untersuchungen, bei denen ein KÜS nicht verwendet werden kann, geeigneter als ein PUS zu sein. Schlüsselwörter
· Herzschlagfrequenzmessung
· Offline-Methode
· Beanspruchungsparameter
· Felduntersuchungen
· Field study
· Heart rate
· Offline processing
· Strain parameter
1 Einleitung
Die Herzschlagfrequenz (HSF), die neben anderen kardiophysiologischen Größen die Leistung des Herzens beschreibt, stellt den zentralen Parameter für die Beurteilung des Aktivitätszustandes des Kreislaufs dar.1 Hierbei wird als Herzschlagfrequenz die Anzahl der Herzaktionen pro Minute bezeichnet. Dieser Parameter wird für die Analyse der Beanspruchung von körperlichen und psychischen Belastungen verwendet und zählt zu den meistbenutzten diagnostischen Parametern2,3 und zusammen mit ihren Variabilitätsmaßen (Herzschlagfrequenzvariabilität) als Risikomarker für Herz-Kreislauf-Erkrankungen.4,5
Es gibt in der internationalen Forschung verschiedene Online- und Offline-Verfahren, um die Herzaktivität zu erfassen.1 Bei Online-Erfassungsmöglichkeiten handelt es sich um die gleichzeitige Registrierung der Herzaktivität durch die Übertragung der Daten mithilfe von Elektroden, die dann direkt mit dem Registriergerät verbunden sind. Der Untersuchungsleiter kann die Daten bzw. die Verläufe auf einem Monitor kontinuierlich betrachten bzw. verfolgen. Bei den Offline-Erfassungsmöglichkeiten wird eine Speichertechnik eingesetzt, bei der die Elektroden mit dem Festwertspeicher verbunden werden. Diese Verfahren wurden weitestgehend bereits unter Ruhebedingungen und unter körperlicher Belastung validiert.6 Jedes Messverfahren hat der Leitlinie der Deutschen Gesellschaft für Arbeits- und Umweltmedizin e.V. (DGAUM) nach drei Gütekriterien zu erfüllen: Nichtinvasivität, Robustheit und Rückwirkungsfreiheit.1 In jüngster Vergangenheit wurde darüber hinaus ein Schwerpunkt auf die Validitätsprüfung der Herzratenvariabilität solcher mobiler Messverfahren gelegt.7-14
Gerade für Felduntersuchungen in der Arbeitsmedizin sind Offline-Geräte von besonderem Interesse.5 Solche mobilen Offline-Geräte zur Messung, z. B. direkt am Arbeitsplatz, sollten dabei möglichst einfach, klein und portabel sein, um den Probanden so gering wie möglich im Feldversuch zu beeinträchtigen, auf überflüssige Kabel verzichten und dennoch eine möglichst umfassende Auswertung ohne Einschränkung möglich machen.9 Hierzu eignen sich insbesondere tragbare Herzschlagfrequenzmessgeräte in Form von Pulsuhren (z. B. Polar® S810i), die die oben aufgeführten Merkmale erfüllen. Die elektrischen Signale des Herzens werden über einen Brustgurt mit integrierten Elektroden erfasst und an die Herzschlagfrequenzuhr per Funk gesendet. Später besteht die Möglichkeit, die in der Uhr gespeicherten Daten am Computer auszuwerten. Besonders in der Feldforschung bei der Messung mit solchen funkübertragenden Pulsuhr-Systemen kommt es aber im Bereich von elektromagnetischen Feldern wie Stromleitungen15 oder innerhalb von Fahrzeugen zu massiven Datenartefakten bis hin zur Nicht-Auswertbarkeit der Herzschlagfrequenzen.16 In einer eigenen Pilotuntersuchung zur Betrachtung der Belastungen bei Soldaten im Auslandseinsatz kam es bei der Messung von Herzschlagfrequenzen im gepanzerten Fahrzeug besonders unter Motorbetrieb zu massiven Datenartefakten.16 Daher wurde bisher bei Fragestellungen mit Störungsquellen auf kabelgebundene Aufzeichnungsgeräte zurückgegriffen, welche jedoch mit einer erhöhten Beeinträchtigung des Probanden einhergehen. Das Aufkommen neuer Technologien, hier im Besonderen von Brustgurtsystemen mit direkter Speicherung der Daten im Brustgurt ohne Notwendigkeit einer Funkübertragung zu einer externen Uhr (z. B. Suunto Memory Belt), könnte hier die bekannten Probleme von funkübertragenden Pulsuhr-Systemen bei gleichzeitigem hohem Komfort und geringer Beeinträchtigung des Probanden lösen.
Ziel unserer Studie war daher die Validierung eines funklosen Brustgurtes (Suunto Memory Belt) und einer funkübertragenden Pulsuhr (Polar® S810i) zur Herzschlagfrequenzmessung unter Laborbedingungen und in Fahrzeugen ohne und mit Motorbetrieb gegenüber einem mittels Kabel übertragenden System als Referenzstandard (Schiller MT-101).
2 Methodik
20 gesunde freiwillige Probanden ohne kardiale Vorerkrankungen (13 männlich, 7 weiblich, 24,3 ± 3,7 Jahre alt) nahmen an dieser Studie nach vorangegangener Aufklärung und ärztlichem Gespräch teil. Jeder Proband absolvierte eine 40-minütige Versuchsdurchführung in randomisierter Reihenfolge an drei unterschiedlichen Tagen unter (1) Laborbedingungen (auf einer Trage in einem Gebäude), (2) auf einer Trage in einem stehenden Rettungswagen (Opel Movano, RTW) sowie (3) auf einer Trage in einem gepanzerten stehenden Sanitätsfahrzeug der Bundeswehr (Mannschaftstransportwagen [MTW] M113 KrKw). Bei allen drei Bedingungen erfolgte die Untersuchung ohne Nutzung von weiteren medizinischen Geräten. Siehe hierzu auch Abbildung 1. Soweit möglich, wurden die Versuchsdurchführungen zur Einhaltung eines gleichen Biorhythmus immer zur gleichen Tageszeit durchgeführt. In jeder Versuchsdurchführung wurden vom Probanden alle drei Herzschlagfrequenz-Messgeräte gleichzeitig getragen. Das Anlegen der Geräte erfolgte in folgender Reihenfolge: Zunächst wurde der Suunto Memory Belt befestigt (weiter als Brustgurtsystem gekennzeichnet) und mittels Fixomull® Stretch fixiert, danach retrograd der Brustgurt der funkübertragenden Uhr Polar® S810i (sog. Pulsuhrsystem) und anschließend ein kabelgebundenes EKG-Aufzeichnungsgerät der Firma Schiller (MT-101) über vier Brustelektroden (Abbildung 2). Das Gewicht aller drei Geräte ist minimal (Suunto Memory Belt 61 g, Polar® S810i 112 g, Schiller MT-101 200 g).
Der Proband absolvierte in allen drei Versuchsaufbauten (Labor, RTW, MTW) folgende Untersuchungsschritte: zunächst jeweils abwechselnd zehn Minuten zu liegen, zu sitzen, zu liegen und erneut zu sitzen (Abbildung 3). Da es aus eigenen Erfahrungen Anzeichen für eine Beeinflussung der Datenqualität durch das in Betrieb befindliche Fahrzeug gibt, wurde bei den beiden Fahrzeugversuchen (im Rettungswagen und im Sanitätspanzer M113) zusätzlich nach den ersten 20 Minuten der zunächst ausgeschaltete Motor durch eine externe Person angeschaltet, sodass das Fahrzeug im Leerlauf lief. Eine synchrone Aufzeichnung aller drei Geräte wurde sichergestellt.
Im Anschluss an die Versuchsdurchführung wurden die Daten der Polar® S810i mittels Polar® Precision Performance SW Version 4.01.029, die des Suunto Memory Belt mit der Suunto Training Manager Version 2.3.0.15 und die Daten des Schiller MT-101 mittels Schiller MT-200 Holter-ECG Version 2.54 ausgelesen. Vor der Auswertung wurden die Daten einer visuellen Kontrolle auf Plausibilität unterzogen. Die Herzschlagfrequenzen wurden bei der Polar® S810i (Aufzeichnungsintervall: alle fünf Sekunden) und bei dem Suunto Memory Belt (Aufzeichnungsintervall: alle zehn Sekunden) übernommen. Mittels einer selbst erstellten externen Software wurden die vom Schiller MT-101 ermittelten R-R-Intervalle in HSF (alle fünf bzw. zehn Sekunden) umgerechnet und zum Vergleich mit den HSF-Daten der Polar® S810i bzw. des Suunto Memory Belt mittels SPSS Version 11.5.1 für Windows analysiert. Von der späteren Analyse wurden alle HSF ausgeschlossen, die durch Artefakte in der EKG-Aufzeichnung des kabelgebundenen EKG-Gerätes (Schiller MT-101) nicht verwertbar waren (hier als Goldstandard verwendet). Alle Herzschlagfrequenzwerte bei dem Pulsuhrsystem sowie bei dem Brustgurtsystem, die als Artefakte oder als Nullwerte gespeichert waren, sind durch manuelle Markierung sowohl durch visuelle Kontrolle wie durch direkten Vergleich mit den entsprechenden Herzschlagfrequenzwerten des Schiller-EKG als Fehlwert identifiziert worden. Statistisch wurde die Korrelation nach Pearson sowie der T-Test bei gepaarten Stichproben berechnet. Das Limit of Agreement (LoA) wurde nach Bland & Altmann17 ermittelt. Für die vorliegende Studie liegt ein positives Votum der Ethikkommission der Medizinischen Fakultät der Universität Magdeburg vor.
3 Ergebnisse
Es wurden jeweils drei Datensätze von 20 Probanden analysiert. Jeder Proband absolvierte in randomisierter Reihenfolge den gesamten Versuchsaufbau jeweils einmal, dadurch konnten für die spätere Auswertung 27.752 Herzschlagfrequenzwerte für das Pulsuhrsystem (Fünf-Sekunden-Speicherintervall) und 13.849 Herzschlagfrequenzwerte für das Brustgurtsystem (Zehn-Sekunden-Speicherintervall) erhoben werden. Abbildung 4 zeigt beispielhaft die Herzfrequenzverlauf eines Probanden im MTW-Versuch, mit entsprechenden physiologischen Reaktionen des Parameters bei Körperlagewechsel von liegend auf sitzend bzw. umgekehrt. Insgesamt konnten nach manueller Markierung von Fehlwerten 19.994 Werte bei dem Pulsuhrsystem (72,1 %) und 12.340 Werte bei dem Brustgurtsystem (89,1 %) als auswertbar definiert werden. Hierbei zeigte sich das Pulsuhrsystem insbesondere im gepanzerten MTW mit einer Auswertequote von 42,6 % aller Herzschlagfrequenzen gegenüber 93,9 % im RTW und 79,7 % unter Laborbedingungen als hoch artefaktanfällig. Das Brustgurtsystem zeigte diese große Artefaktanfälligkeit nicht (Auswertequote der HSF: 86,8 % unter Laborbedingungen, 90,2 % im RTW und 90,3 % im MTW). Eine detaillierte Übersicht bezogen auf die drei Versuchsaufbauten zeigt Tabelle 1.
Eine Auswertung der verwertbaren Herzschlagfrequenzwerte für die verschiedenen Versuchsaufbauten, aufgeteilt in zwei Zeitabschnitte (erste 20 min = Motor aus, zweite 20 min = Motor an) zeigte für die beiden Fahrzeuge, getrennt nach Pulsuhr- und Brustgurtsystem, keinen nennenswerten Unterschied zwischen diesen beiden Zeitabschnitten innerhalb eines Versuchsaufbaus (Abbildung 5).
Für die Validitätsprüfung wurden die auswertbaren Herzschlagfrequenzen des Pulsuhr- und des Brustgurtsystems mit dem kabelgebundenen EKG-Gerät verglichen. Für jeden Versuchsaufbau zeigten sich nur geringe Abweichungen (Tabelle 2) und eine signifikante Korrelation nach Pearson.
Aufgrund der hohen Fehlmessungen des Pulsuhrsystems gerade in gepanzerten Fahrzeugen (57,4 %) wurde im Weiteren eine einzelne Betrachtung mit Bezug zu der Lage der Probanden nur für das Brustgurtsystem durchgeführt.
Tabelle 3 zeigt eine genaue Aufschlüsselung der einzelnen Phasen des Versuchs für jeden Versuchsaufbau sowie das nach Bland & Altmann17 berechnete Limit of Agreement (LoA), diese liegen zwischen 93,57 % im MTW und 94,28 % unter Laborbedingungen.
Ein Bland-Altmann-Plot stellt dies für alle Versuche in Abbildung 6 dar.
Abbildung 7 zeigt eine grafische Darstellung der Verteilung der Herzschlagfrequenzen des Brustgurtsystems zu den Herzschlagfrequenzen des kabelgebundenen EKG-Gerätes. Die HSF zeigen einen guten Übereinstimmungsgrad in den drei Versuchsanordnungen (Labor: r = 0,873, RTW: r = 0,718, MTW: 0,872, gesamt: 0,837; jeweils p < 0,01). 4 Diskussion
Offline-Messverfahren der Herzschlagfrequenzmessung haben in der medizinischen Betrachtung der Leistung des Herzens einen hohen Stellenwert.1 Gerade in arbeitsmedizinischen Betrachtungen ist ein möglichst kleines und störungsunanfälliges Aufzeichnungsgerät von hoher Bedeutung.9 Die vielfällig für die HSF-Messungen eingesetzten Pulsuhrsysteme zeigen Messprobleme insbesondere im Bereich elektromagnetischer Felder15 bzw. wie aus eigenen Feldforschungen bekannt in gepanzerten Fahrzeugen,16 wobei eine gestörte Funkübertragung von Brustgurt zur datenspeichernden Pulsuhr die Ursache ist. Teilweise kommt es hierdurch zu massiven Datenartefakten bis hin zur Nicht-Auswertbarkeit ganzer Versuchsdurchführungen einzelner Probanden. Daher werden zumeist bei solchen Fragestellungen kabelgebundene EKG-Aufzeichnungsgeräte5 eingesetzt, die jedoch zu einer höheren Beeinträchtigung des Probanden führen können. Ziel dieser Studie war daher die Validierung eines kabel- und funklosen Brustgurtsystems (Suunto Memory Belt) für den Einsatz in handelsüblichen und gepanzerten Fahrzeugen gegenüber einem Pulsuhrsystem (Polar® S810i) und einem kabelgebundenen System (Schiller MT-101). Um eventuelle Beeinträchtigungen der Datenaufzeichnungen durch den laufenden Motor zu evaluieren, wurden alle Probanden in den Fahrzeugen mit bzw. ohne laufenden Motor untersucht.
Alle drei hier untersuchten Geräte erfüllen das Gütekriterium Nichtinvasivität, die Erfassung der Herzaktivität erfolgt durch Oberflächenelektroden (Schiller MT-101-Gerät) bzw. durch ein Brustgurtsystem (Suunto Memory Belt und Polar® S810i). Das zweite Gütekriterium Robustheit ist hier für diese Fragestellung ebenfalls gegeben, so zeigen sich u. a. die Geräte für Felduntersuchungen in verschiedenen Sanitätsfahrzeugen als robust. Bei der Betrachtung des Gütekriteriums Rückwirkungsfreiheit (das Messverfahren darf die Messergebnisse selbst nicht beeinflussen) stellten sich bei den drei untersuchten Verfahren Unterschiede heraus. Die hier vorliegenden Daten bestätigen die aus eigenen Erfahrungen16 bekannte Problematik von Pulsuhrsystemen (hier Polar® S810i) bei Messungen der Herzschlagfrequenz in Fahrzeugen. Hierbei konnten wir jedoch nur ein deutliches Fehlmessverhalten in gepanzerten Fahrzeugen wie dem Mannschaftstransportwagen (MTW) M113 (57,4 % Fehlmessungen), jedoch nicht in dem Rettungswagen (6,1 % Fehlmessungen) feststellen. Diese Störanfälligkeit wird nicht durch den im Leerlauf befindlichen Motor beeinträchtigt. Wir vermuten, dass aufgrund der Ausrichtung des Rettungswagens auf Nutzung von medizinisch-technischem Gerät es auch hier zu erstaunlich geringen Fehlmessungen mit dem Pulsuhrsystem gekommen ist. Weitere Untersuchungen in handelsüblichen Fahrzeugen würden hier Aufschluss darüber bringen, ob es an dem Fahrzeugtyp (gepanzert vs. handelsüblich) oder nur aufgrund der DIN-Prüfung des Rettungswagens zu den geringen Fehlmessungsraten kam.
Das Brustgurtsystem (hier Suunto Memory Belt) zeigte dieses Phänomen der hohen Fehlmessungsrate jedoch nicht (9,7 % in gepanzerten Fahrzeugen vs. 9,8 % im Rettungswagen). Die Unterschiede zum kabelgebundenen EKG-Gerät zeigen sich mit insgesamt 0,34 Schlägen pro Minute als gering, eine hoch signifikante Korrelation von 0,837 und ein Limit of Agreement von 93,97 %.
Wir konnten mit der hier vorliegenden Studie zeigen, dass die von Pulsuhren bekannte Problematik bei der Messung der Herzschlagfrequenz in (gepanzerten) Fahrzeugen mit einem sog. Brustgurtsystem (hier: der Suunto Memory Belt), mit direkter Speicherung der Daten im Brustgurt, nicht feststellbar ist. Außerdem stellten wir fest, dass die Validität dieser Messmethode verglichen mit einem kabelgebundenen EKG-Gerät hoch ist.
Die hier vorliegenden Daten sind jedoch nur eingeschränkt verwertbar. So wurden 20 herzgesunde Probanden in ruhenden Lagen (sitzend und liegend) untersucht. Ob die Messungen des Brustgurtsystems auch bei herzkranken Probanden/Patienten oder bei Arbeits- bzw. Sportaktivitäten mit höherer Belastung und entsprechend hohen Herzschlagfrequenzen valide sind, können wir nicht aussagen. Hier besteht Bedarf an weiteren Untersuchungen, gerade auch mit einem entsprechenden Patientenkollektiv.
Dennoch hat sich für (arbeitsmedizinische) Untersuchungen am realen Arbeitsplatz, in denen Offline-Methoden zu Anwendung kommen können, der Suunto Memory Belt als ein störunanfälligeres, zugleich jedoch einfach zu bedienendes, verlässliches und für den Probanden als wenig störend empfundenes Aufzeichnungsgerät zur Messung der Herzschlagfrequenz herausgestellt.
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