Kopplung von Atmung und Herzschlag zur Unterscheidung von Schlafstadien

Einleitung: Eine Kopplung zwischen Atmung und Herzschlag ist als respiratorische Sinusarrhythmie bekannt. Die R-R Intervalle werden während der Einatmung kürzer und während der Ausatmung länger. Respiratorische Sinusarrhythmie findet man auch beim Schnarchen und bei Schlafapnoe. Bei schlafbezogenen Atmungsstörungen findet sich über die respiratorische Sinusarrhythmie hinaus eine Kopplung von Atmung und Herzschlag, die über die intrathorakalen Druckschwankungen vermittelt sind und zudem die Amplitude der R-Zacke im EKG modulieren.

Methode: Wir haben kardiorespiratorische Polysomnographien von 112 gesunden Probanden zur Auswertung herangezogen. Die Polysomnographien waren im Rahmen der SIESTA Studie aufgezeichnet worden. Die Auswertung bezog sich auf ein EKG und drei Atmungssignale, bestehend aus oronasalen Luftfluss, thorakaler und abdominaler Atmungsanstrengung. Aus den R-Zacken Variationen wurde ein Atmungssignal berechnet und mit den drei anderen Atmungssignalen verglichen [1]. Anschließend wurde die Kopplung zwischen Herzschlag und Atmung für die verschiedenen Schlafstadien mithilfe der Hilbert Transformation berechnet.

Ergebnisse: Die Rekonstruktion der Atmung aus dem EKG erwies sich für die meisten gesunden Probanden als zuverlässig. Die Rekonstruktion war dann gut, wenn es eine geringe Variabilität in der Atemfrequenz gab. Mit der rekonstruierten Atmung wurde für alle 112 Probanden die Kopplung zwischen Atmung und berechnet. Es zeigte sich dass nur ein geringer Teil der Nacht (bis zu 7% im Median) eine ausgeprägte Kopplung aufwies. Entscheidend ist die Wahl des Kriteriums für ausgeprägte Kopplung. Wir haben dafür die zeitliche Dauer der Kopplung benutzt und variiert. Im non-REM Schlaf finden sich 6 mal häufiger Phasen enger Kopplung als im REM Schlaf. Das Stadium Wach liegt dazwischen.

Zusammenfassung: Das Ausmaß der Kopplung kann helfen einen zusätzlichen Prädiktor für die Ausprägung schlafbezogener Atmungsstörungen zu liefern. Denn dieser Parameter trägt eine Aussage über die Beeinträchtigung der Atmungsregulation im Schlaf.

Danksagung: Das Projekt wurde von der Europäischen Union im Rahmen des DAPHNET (2006–2009) durchgeführt.

Literatur:

[1] Bartsch R, Kantelhardt JW, Penzel T, Havlin S. Experimental Evidence for Phase Synchronization Transitions in the Human Cardiorespiratory System. Phys. Rev. Lett. 98, 054102 (2007).