MTRS - Multiple Trigonometrisch Regressive Spektralanalyse

Das autonome Nervensysten (ANS) spielt eine wesentliche Rolle für die Steuerung aller Organe des menschlichen Organismus. Insbesondere das Herz-Kreislauf-System wird täglich den unterschiedlichsten Belastungen unterworfen (z.B. Ruhe, sitzen, liegen, stehen, Stress u.a.). Für  viele Krankheiten lassen sich ihre Ursachen auf Störungen des autonomen Nervensystems zurückführen (Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes, Stoffwechselerkrankungen und viele andere). Zu speziellen Untersuchungen dieses autonomen Nervensystems gibt es eine Reihe nicht invasiver Untersuchungen mit dem Ziel, die Reaktion der Herzfrequenz und des Blutdruckes auf unterschiedliche Belastungen hin zu untersuchen (Orthostase, metronomische Atmung, Valsolva Manöver u.a.). Die Auswertungen erfolgen dabei mit speziellen mathematischen Algorithmen und Verfahren. Ein sehr präzises und effektives Verfahren für diese Auswertungen ist die Trigonometrisch Regressive Spektralanalyse (TRS).

Was versteht man unter Spektralanalyse von RR-Intervallen?

RR-Intervalle sind unterschiedlich lange Zeitintervalle, die rhythmischen aber auch nicht rhythmischen Schwankungen unterworfen sind. Eine Spektralanalyse transformiert diese rhythmische Schwankungen in frequenzabhängige Oszillationen.

Was gibt es für Probleme?

Die am meisten eingesetzte Spektralanaysetechnik ist die Fourieranalyse. Diese Analyse setzt aber äquidistant abgetastetete Messwerte voraus. RR-Intervalle sind nicht äquidistant und es sind auch keine Messwerte im Sinn einer Signalanalyse. Zwischen zwei RR-Intervallen gibt es keine weiteren Intervalle. Aus diesem Grund wurden und werden alternative Analysealgorithmen entwickelt.

Die TRS Lösung dieses Problems

Jedes RR-Intervall hat zwei Parameter, den Zeitpunkt des Intervallendes und die Intervalllänge selbst. Beide Werte sind aber nicht voneinander unabhängig. TRS dreht ebenfalls wie die Fourieranalyse die Intervalle am Ende um 90 Grad. Diese gedrehten Intervalle werden aber nicht verbunden, sondern mittels einer trigonometrischen Funktion regressiv behandelt. Diese Regression erfolgt im Sinne einer maximalen Angleichung an die Intervalle, mit anderen Worten, die Summe der Abweichungsquatrade muss minimiert werden.

Eigenschaften von TRS

  • Benutzung realer Zeitpunkte und Intervalllängen, damit entfällt die Problematik der Interpolation (resampling)
  • Gleitender Übergang an den Frequenzbandgrenzen
  • Kurze lokale Datensegmente von 15s bis 60s, die in einem globalen Datensegment mehrfach zeitlich verschoben werden können
  • Stationäre oder nicht stationäre Analysen sind möglich
  • Automatische Erzeugung von Frequenz-Zeit-Diagrammen
  • Oszillationen sind rein physiologischer Art
  • Berechnung der Baroreflex Sensitivität
  • Drei simultane Blutdruckmessungen (z.B. Finometer und Colin) sind auswertbar
  • Auswertung kompletter Untersuchungsserien
  • TRS ist eine rein statistische Spektralanalyse
  • Fehlerhafte Werte können markiert werden

Gegenwärtig unterstützte Messsysteme

Baroreflex-Sensitivität

Die Schätzung der Baroreflex-Sensitivität (BRS) ist heute ein anerkanntes prognostischen Werkzeug nicht nur in der Kardiologie. Es gibt eine Reihe nicht invasiver Methoden und Algorithmen, die die spontanen Fluktuationen der Herzfrequenz und des Blutdruckes messen und evaluieren (Laude et al, 2004). Mit der hier vorgestellten TRS-Technik kann gleichzeitig die Baroreflex-Sensitivität berechnet werden. Ein Hauptvorteil besteht darin, dass auch kurze Messzeiten von 30 Sekunden bis 1 Minuten auswertbar sind, und dass die hohe Anzahl von Einzelmessungen eine hohe statistische Zuverlässigkeit der Ergebnisse garantiert. Zahlreiche Referenzen belegen die bisherige erfolgreiche Anwendung dieser innovativen Technik.
Die Berechnung der Baroreflex-Sensitivität (BRS) basiert auf den Oszillationen der RR Intervalle und des Blutdruckes mittels multipler trigonometrisch regressiver Spektralanalyse (MTRS). Da diese Spektralanalyse die Fluktuationen beider Parameter optimal als Sinusschwingungen beschreibt, kann die Baroreflex Sensitivität zwischen zwei kohärenten Schwingungspaaren analog zur Sequenztechnik berechnet werden. Diese Methodik kann damit als statistische Verallgemeinerung dieser empirischen Sequenztechnik betrachtet werden.
Der Nachteil, dass es keine steigenden und fallenden Sequenzen gibt, wird durch die sehr große Anzahl von Einzelwerten (MTRS) ausgeglichen. Die Zuverlässigkeit der Einzel-BRS-Werte kann mittels des Verhältnisses der Varianzreduktionen beider Parameter geschätzt werden. Es können BRS-Werte für das LF-Band, für das HF-Band und die die Gesamt-Baroreflex-Sensitivität berechnet werden. Eine Evaluierung dieser Methodik erfolgte in der EuroBaVar Studie von Laude et al. (2004).

Publikationen

  • The trigonometric regressive spectral analysis—a method for mapping of beat-to-beat recorded cardiovascular parameters on to frequency domain in comparison with Fourier transformation. Rüdiger H, Klinghammer L, Scheuch K. Computer Methods and Programs in Biomedicine 58 (1999), 1–15.

  • Spontaneous baroreflex sensitivity in children and young adults calculated in the time and frequency domain. Rüdiger H, Bald M. Autonomic Neuroscience: Basic and Clinical 93 (2001), 71–78.

    Untersuchungen zur Stabilität der Herzfrequenzvariabilität im Kindes- und Jugendalter unter standardisierten Bedingungen im Schlaf (S4) – Test of Stability of Heart Rate Variability with Standardized Conditions at Childhood and Young Adults during Sleep Stage 4. Günther R, Paditz E, Rüdiger H, Koch R, Friebel D, Scheuch K. Somnologie 5 (2001), 145-152.
  • Sympathetic and parasympathetic activation in heart rate variability in male hypertensive patients under mental stress. Ruediger H, Seibt R, Scheuch K, Krause M, Alam S. Journal of Human Hypertension 18 (2004), 307–315.

    Comparison of various techniques used to estimate spontaneous baroreflex sensitivity (the EuroBaVar study). Laude D, Elghozi J-L, Girard A,  Bellard E, Bouhaddi M, Castiglioni P, Cerutti C, Cividjian A, Di Rienzo M, Fortrat J-O, Janssen B,  Karemaker J.M., Leftheriotis G, Parati G,  Persson P.B. Porta A, Quintin L, Regnard J, Rüdiger H; Stauss H.M. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol  286 (2004), R226–R231.
  • Untersuchung zur Genauigkeit der Abtastung von EKG-Signalen für eine nachfolgende Spektral-analyse kontinuierlich gemessener RR-Intervalle im Schlaflabor - Assessment of Accuracy of ECG Signal Sampling for Spectral Analysis of Beat-to-Beat Recorded R-R Intervals in a Sleep Laboratory. Rüdiger H, Henke S,  Paditz E, Ziemssen T, Süß M, Süß F. Somnologie 10 (2006), 53–60.

  • Veränderung der Herzfrequenzvariabilität, der Blutdruckvariabilität und der Baroreflexsensitivität tagsüber und im Schlaf bei Kindern mit obstruktivem Schlafapnoesyndrom - Nocturnal and Diurnal Regulation of Heart Rate Variability, Blood Pressure, and Baroreflex Sensitivity in Children with Obstructive Sleep Apnoea Syndrome. Weller D,  Paditz E, Rüdiger H, Hoyer A,  Schütze P, Scheuch K. Somnologie 10 (2006), 130–137.

    Stress and Managers Performance: Age-Related Changes in Psychophysiological Reactions to Cognitive Load. Schapkin  S.A., Freude G, Erdmann U, Ruediger H. Engin. Psychol. and Cog. Ergonomics, HCII 2007, LNAI 4562, (2007) 417–425.

  • Influence of ECG Sampling Frequency on Spectral Analysis of RR Intervals and Baroreflex Sensitivity usingthe Eurobavar Data Set.  Ziemssen T, Gasch J,  Ruediger H. J Clin Monit Comput 22 (2008), 159-168.

    Baroreflex sensitivity and power spectral analysis in different extrapyramidal syndromes.  Friedrich  C., Rüdiger H, Schmidt C,  Herting B, Prieur S, Junghanns S, Schweitzer K,  Globas C, Schöls L,  Berg D, Reichmann H, Ziemssen T. J Neural Transm 115  (2008),1527–1536.

  • Acute autonomic effects of vitamins and fats in male smokers.  Wright C.I., Ruediger H,  Kroner C.I., Janssen B.J.A., Draijer R. European Journal of Clinical Nutrition 63 (2009), 246-252.

    Baroreflex Sensitivity and Power Spectral Analysis During Autonomic Testing in Different Extrapyra-midal Syndromes. Friedrich C, Rüdiger H, Schmidt C, Herting B, Prieur S, Junghanns S, Schweitzer K,  Globas C, Schöls L,  Berg D, Reichmann H, Ziemssen T. Movement Disorders 25 (2009), 315-324.

    Autonomic blood pressure control in children and adolescents with type 1 diabetes mellitus. Krause M, Rüdiger H, Bald M, Näke A, Paditz E. Pediatric Diabetes 10  (2009); 255–263.

  • Autonomic Function and Cerebral Autoregulation in Patients Undergoing Carotid Endarterectomy. Mense L, Reimann M, Rüdiger H, Gahn G, Reichmann H, Hentschel H, Ziemssen T. Circ J 74 (2010), 2139 – 2145.

    Trigonometric Regressive Spectral Analysis Reliably Maps Dynamic Changes in Baroreflex Sensitivity and Autonomic Tone: The Effect of Gender and Age. Reimann M, Friedrich C, Gasch J, Reichmann H, Rüdiger H, Ziemssen T. PLoS ONE 5(8): e12187. doi:10.1371/journal.pone.0012187 (2010).

    LDL apheresis improves deranged cardiovagal modulation in hypercholesterolemic patients. Reimann M, Julius U, Haink K, Lippold B, Tselmin S, Bornstein S.R., Reichmann H,Rüdiger H, Ziemssen T. Atherosclerosis 213 (2010), 212-217.

  • Determination of Baroreflex Sensitivity during the Modified Oxford Maneuver by Trigonometric Regressive Spectral Analysis. Gasch J, Reimann M ,Reichmann H, Rüdiger H, Ziemssen T. PLoS ONE 6(3): e18061. doi:10.1371/journal.pone.0018061 (2011).

    Autonomic responses to stress in Black versus Caucasian Africans: The SABPA Study. Reimann M, Hamer M, Schlaich M;  Malan N.T., Rüdiger H, Ziemssen T, MALAN L. Psychophysiology 49 (2011) 454-461.

  • Greater cardiovascular reactivity to a cold stimulus is due to higher cold pain perception in black Africans: the Sympathetic Activity and Ambulatory Blood Pressure in Africans (SABPA) study.  Reimann R, Hamer M, Schlaich M.P., Malan N.T., Ruediger H, Ziemssen T,Malan L. Journal of Hypertension 2012, 30: 2416-2424.
  • Trigonometric regressive spectral analysis: an innovative tool for evaluating the autonomic nervous system. Ziemssen T, Reimann  M, Gasch J, Rüdiger H. J Neural Transm 120 (2013) Suppl. 1, 27-33.
  • Time- and frequency-domain parameters of heart rate variability and sympathetic skin response in Parkinson’s disease. Maetzler W, Karam M, Fruhmann Berger M, Heger T, Maetzler C, Ruediger H, Bronzova J, Pita Lobo P, Ferreira J.J., Ziemssen  T, Berg D. J Neural Transm 122 (2014) 419-425.
  • Acute hyperlipidemia but not hyperhomocysteinemia impairs reflex regulation of the cardiovascular system. Reimann M, Rüdiger H, Weiss N, Ziemssen T. Atherosclerosis Supplements 18 (2015) 8-15.
  • Comparison of baroreflex sensitivity estimated from ECG R–R and intersystolic intervals obtained by finger plethysmography and radial tonometry.  Viehweg J, Reimann M, Gasch J, Rüdiger H,  Ziemssen T. J Neural Transm (2016) DOI 10.1007/s00702-016-1535-4.