Im Elektrokardiogramm wird die elektrische Aktivität des Herzmuskels aufgezeichnet. Neben EEG, EMG und EOG ist das EKG Bestandteil der Ableitungen einer Polysomnographie. Die Polysomnographie sieht in der Regel lediglich eine 1-Kanal-EKG-Ableitung vor. Bei der Anwendung des EKGs in der internistisch-kardiologischen Diagnostik des Herz-Kreislauf-Systems werden 12 und mehr Ableitungen aufgezeichnet.
Im Elektrokardiogramm wird die elektrische Aktivität des Herzmuskels aufgezeichnet. Neben EEG, EMG und EOG ist das EKG Bestandteil der Ableitungen einer Polysomnographie („Polysomnographie und Hypnogramm“). Die Polysomnographie sieht in der Regel lediglich eine 1-Kanal-EKG-Ableitung vor. Bei der Anwendung des EKGs in der internistisch-kardiologischen Diagnostik des Herz-Kreislauf-Systems werden zwölf und mehr Ableitungen aufgezeichnet.
Messverfahren
Grundlagen
Die Ableitung des EKGs erfolgt in der Regel an der Körperoberfläche. Der Potenzialverlauf auf der Hautoberfläche ist das Ergebnis der summierten Aktivität der Herzmuskelzellen. Die einzelnen Herzmuskelzellen sind zu einer selbstständigen Erregungsbildung in der Lage. Sie werden normalerweise über das Erregungsbildungs- und Erregungsleitungssystem am Herzen mit Sinusknoten, AV-Knoten, His-Bündel und Purkinje-Fasern aktiviert. Für die Ableitung des EKGs am Körper stehen standardisierte Ableiteprogramme zur Verfügung: die Extremitätenableitungen nach Einthoven (Ableitung I, II, III) und die Extremitätenableitungen nach Goldberger (aVR, aVL, aVF). Für die Brustwandableitungen gibt es die Ableitungen nach Nehb, die aus einer Verlagerung der Einthoven-Ableitungen entstanden sind (I, II, III), die orthogonalen Frank-Ableitungen (X, Y, Z) und die unipolaren Brustwandableitungen nach Wilson (V1–V6 sowie erweiterte Ableitungspunkte). Die Referenzelektrode besteht hierbei aus einem Zusammenschluss der Extremitätenelektroden. Abgelesen und ausgewertet werden aus dem EKG die P-Welle, der QRS-Komplex, die ST-Strecke und die T-Welle sowie charakteristische Abstände zwischen den Wellen. Sie entsprechen direkt dem zeitlichen Verlauf der Erregungsausbreitung und Erregungsrückbildung am Herzen. Aus dem diagnostischen EKG mit sechs oder zwölf Ableitungen kann der Lagetyp bestimmt werden, und es können Störungen der Erregungsleitung erkannt werden. Für das Langzeit-EKG gibt es spezielle Ableitungsprogramme mit zwei oder mehr Kanälen. Die Kanäle sind so festgelegt, dass sie einen Rückschluss auf den Vektor des Erregungsverlaufs erlauben und so auch die Bewertung der ST-Strecke ermöglichen.
In der „Kardiorespiratorischen Polysomnographie“ erfolgt nur eine bipolare EKG-Ableitung, die nicht genau festgelegt ist und oft eine Variation der Ableitung II oder V2 darstellt. Diese Elektrodenpositionen werden gewählt, um bei der Ableitung eine große R-Zacke zu erzielen. Das EKG ist erforderlich, um unter diagnostischen und therapeutischen Bedingungen beim schlafenden Patienten eine kontinuierliche Überwachung der vitalen Funktionen zu ermöglichen. Daher ist in der Regel eine akustische und/oder optische Alarmfunktion an das EKG gekoppelt.
Die Herzfrequenz wird als Anzahl Schläge pro Minute bestimmt. Sie gibt Aufschluss über den aktuellen Aktivierungszustand, der über das „Autonomes Nervensystem“ mit Sympathikus und Parasympathikus geregelt wird. Die mittlere Herzfrequenz hängt stark vom physischen Trainingszustand und vom Alter und Geschlecht der Personen ab. Sie variiert beim Gesunden von Schlag zu Schlag. Diese Herzfrequenzvariation ist ebenfalls vom physischen Trainingszustand und vom Alter abhängig und wird durch Inspiration und Exspiration modifiziert. Sie zeigt charakteristische Veränderungen mit den Schlafstadien und mit pathologischen autonomen oder motorischen Ereignissen im Schlaf. Daher kann sie in der Schlafmedizin zu diagnostischen Zwecken genutzt werden.
Aufzeichnung
Das EKG wird mit einem elektrophysiologischen Verstärker, der denen für EEG, EOG und EMG sehr ähnlich ist, abgeleitet. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass das EKG-Signal um den Faktor 10–1000 größere Spannungswerte aufweist und der Verstärker daher deutlich weniger empfindlich sein muss. Folglich ist das EKG im Vergleich zu EEG, EOG und EMG weniger artefaktanfällig. Es muss zwar auch beim EKG auf geringe Hautübergangswiderstände geachtet werden, um Einstreuungen von 50 Hz durch die Stromversorgung gering zu halten. Die Impedanzen sind aber nicht so kritisch für die Signalqualität wie bei dem EEG-Signal.
Wenn ein digitalisiertes EKG für die internistisch/kardiologische EKG-Diagnostik herangezogen wird, ist eine Abtastrate von mindestens 500 Hz erforderlich (Bailey et al. 1990). Eine Abtastrate von 1000 Hz ist erforderlich, wenn detaillierte quantitative Ausmessungen am EKG vorgenommen werden, wie die Bestimmung sogenannter Spätpotenziale. Auch für die Amplitudenauflösung gibt es Empfehlungen, um insbesondere Änderungen der ST-Strecke quantitativ exakt zu bestimmen. Eine Auflösung von 10 μV/Bit sollte nicht unterschritten werden.
Für die Messung des EKGs zum Zweck der Bestimmung der Herzfrequenz liegen weitere Empfehlungen vor (Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology 1996). Hierbei wird besonders auf die Genauigkeit der Bestimmung des Intervalls zwischen zwei aufeinander folgenden Herzschlägen, des R-R-Intervalls, geachtet. Um die R-R-Intervalle mit einer Genauigkeit von einer Millisekunde zu bestimmen, ist eine Abtastrate von 1000 Hz erforderlich. Die Empfehlungen verlangen als Minimum eine Abtastrate von 500 Hz.
Da das EKG der Kardiorespiratorischen Polysomnographie nicht für eine qualitative EKG-Diagnostik eingesetzt und meistens nur die Herzfrequenz bestimmt wird, wurde eine niedrigere Abtastrate von 200 Hz gewählt, um die erfasste Datenmenge zu begrenzen (Berry et al. 2014). Bei einer Abtastrate von 200 Hz wird alle 5 ms das EKG gemessen. Als Konsequenz ist eine aus dem EKG berechnete Herzfrequenz auf ±5 ms genau bestimmt. Diese Wahl der Abtastrate für das EKG ermöglicht bei Schlafuntersuchungen in der klinischen Praxis, in pragmatischer Vorgehensweise die gleiche Abtastrate wie für EEG, EOG und EMG zu verwenden. Die Anforderung an die Amplitudenauflösung für das EKG ist im Schlaflabor kein technisches Problem, da für das EEG-Signal eine höhere Amplitudenauflösung gefordert wird. Die Amplitudenauflösung braucht auch nicht weiter beachtet zu werden, da aus einem 1-Kanal-EKG keine quantitative Auswertung von Strecken beziehungsweise Wellen erfolgen kann.
Auswerteverfahren, Bewertung
Aus dem diagnostischen EKG werden die P-Welle, die Q-, R- und S-Zacke, die ST-Strecke und die T-Welle abgelesen, ausgemessen und bewertet. Sie geben den Erregungsverlauf am Herzen wieder. Für jede Welle gibt es Normalwerte bezogen auf Dauer und Amplitude. Mit einem diagnostischen EKG mit sechs oder zwölf Ableitungen kann der Lagetyp des Herzens bestimmt werden, und es können Störungen der Erregungsleitung abgelesen und damit am Herzen lokalisiert werden. Aus dem 1-Kanal-EKG der Kardiorespiratorischen Polysomnographie können Hinweise auf das Vorliegen von Herzrhythmusstörungen erhalten werden, ohne diese differentialdiagnostisch mit einem internistisch/kardiologischen Anspruch quantifizieren zu können. Die Herzfrequenz und die Herzfrequenzvariabilität können mit hoher Genauigkeit über lange Zeiträume bestimmt werden, sofern die technischen Voraussetzungen – wie eine hohe Abtastrate des EKGs – ausreichend berücksichtigt wurden.
Für Langzeit-EKG-Systeme gibt es mikroprozessorgestützte Aufnahmesysteme und computergestützte Auswertesysteme. Es werden die aufgetretenen „Herzrhythmusstörungen“ klassifiziert und deren Häufigkeit bzw. ihr gehäuftes zeitliches Auftreten angegeben. Da zwei bis drei Ableitungen aufgenommen werden, ist eine gute, wenn auch nicht ganz umfassende internistisch/kardiologische Diagnostik möglich.
In der Kardiorespiratorischen Polysomnographie wird nur eine EKG-Ableitung aufgezeichnet. Die Auswertung beschränkt sich damit auf eine einfache Erkennung von Herzrhythmusstörungen ohne internistisch/kardiologische Differentialdiagnostik (Abb. 1). Diese einfache Bewertung ist für die Fragestellungen der Kardiorespiratorischen Polysomnographie ausreichend. Außerdem ermöglicht das in der Polysomnographie mitlaufende EKG die problemlose Erkennung von Artefakten der elektrischen Herzaktivität im EEG.
Abb. 1
Die Abbildung zeigt drei Beispiele eines 1-Kanal-EKGs. In (a) ist ein normales physiologisches EKG, in (b) eine ventrikuläre Extrasystole zwischen normalen Herzschlägen und in (c) Kammerflattern dargestellt. Kammerflattern geht unbehandelt in Kammerflimmern über, das zum Herztod führt
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Das EKG ist bei der Kardiorespiratorischen Polysomnographie von besonders herausragender Bedeutung, weil es als vitaler Überwachungsparameter kontinuierlich am Monitor dargestellt wird. Häufig ist mit dem EKG ein Alarm für die Herzfrequenz verbunden, der beim Unter- und Überschreiten von einstellbaren Grenzwerten (z. B. 40 und 120 Schläge pro Minute) akustisch und optisch ausgelöst wird. Von vitaler Bedeutung ist die Erfassung von Asystolien, die sowohl bei kardialen Vorerkrankungen als auch in Verbindung mit Schlafstörungen auftreten können. Sofern sie im Zusammenhang mit Schlafstörungen auftreten, sind diese Asystolien gelegentlich an Schlafstadien, besonders an den REM-Schlaf, gebunden. Das EKG wird zusammen mit der Überwachung der Sauerstoffsättigung eingesetzt, um lebensbedrohliche Situationen im Schlaflabor rechtzeitig zu erkennen. Dabei geht es nicht nur um bradykarde Herzrhythmusstörungen, die im Zusammenhang mit Hypoxämiephasen auftreten können, sondern auch um Tachykardien, die durch Phasen mit lang anhaltendem Sauerstoffmangel im Schlaf, beispielsweise infolge Hypoventilation, bedingt sein können.
Die Auswertung und Bewertung der Herzfrequenz und der Herzfrequenzvariabilität nimmt bei der Kardiorespiratorischen Polysomnographie eine wichtige Rolle ein (Penzel et al. 2015). Als physiologische Variable integriert die Herzfrequenz die Einflüsse des Sympathikus und Parasympathikus. Veränderungen des autonomen Systems können aus dem nicht invasiv und relativ einfach messbaren Signal Herzfrequenz sehr gut ermittelt werden. Die mittlere Herzfrequenz sinkt mit dem Einschlafen ab und erreicht die niedrigsten Werte im Tiefschlaf mit dem Schlafstadium N3. Im REM-Schlaf ist die mittlere Herzfrequenz wieder höher mit Werten, die zwischen dem Leichtschlaf Stadium N1 und dem Wachen liegen. Diese Änderungen der Herzfrequenz sind so charakteristisch, dass sie mit zur Bewertung des Schlafes und der Schlafstadien herangezogen werden können. Die Herzfrequenzvariabilität ändert sich ebenfalls erheblich mit den Schlafstadien. Sie nimmt mit dem Einschlafen ab und ist speziell im Tiefschlaf durch die „Atmung“ moduliert. Man nennt diese Variabilität respiratorische Sinusarrhythmie. Im REM-Schlaf ist die Herzfrequenzvariabilität parallel zum schwankenden Sympathikotonus am größten. Es finden sich unregelmäßige Anstiege und Abfälle der Herzfrequenz, die in Schlag-zu-Schlag-Korrelationsanalysen ein ausgeprägt korreliertes Verhalten zeigen, wie es für streng regulierte Systeme charakteristisch ist.
Die Herzfrequenz zeigt auch charakteristische Veränderungen bei den Schlafstörungen, die mit ausgeprägten Änderungen der autonomen Funktion einhergehen. So findet sich bei den „Schlafbezogene Atmungsstörungen“ meistens eine zyklische Variation der Herzfrequenz. Die besteht parallel zum Auftreten der Apnoen und Hypopnoen in einer relativen Bradykardie und parallel zu den sehr kurzen, nur wenige Atemzüge dauernden kompensatorischen Hyperventilationen in einer relativen Tachykardie (siehe „Diagnostik der Schlafbezogenen Atmungsstörungen“). Diese zyklischen Variationen der Herzfrequenz sind so typisch, dass sie mit Erfolg diagnostisch zum Erkennen Schlafbezogener Atmungsstörungen eingesetzt werden können (Penzel et al. 2002). Es finden sich auch zyklische kurze Anstiege der Herzfrequenz bei periodischen Beinbewegungen („Periodic Limb Movement Disorder (PLMD)“), die aber in ihrem zeitlichen Verlauf naturgemäß synchron zu den Bewegungsstörungen auftreten und daher ein meist gut abgrenzbares Muster aufweisen. Bei Patienten mit „Psychophysiologische Insomnie“ findet sich im Schlaf oft eine erhöhte Herzfrequenz als Ausdruck des auch im Schlaf bleibend erhöhten Sympathikotonus.
Die Regulation der Herzfrequenz wurde in den letzten Jahren mit Methoden der statistischen Physik (sogenannte Chaosforschung) untersucht. Diese Methoden analysieren die Kopplung von einem Herzschlag zum nächsten, um nach der Theorie des Random Walk festzustellen, inwieweit ein Herzschlagintervall vom vorhergegangenen abhängt. Es zeigte sich, dass im Tiefschlaf jedes Herzschlagintervall weitgehend unabhängig vom vorhergegangenen ist und die mittlere Herzfrequenz um einen metabolisch bestimmten Mittelwert schwankt. Im REM-Schlaf dagegen verhalten sich die Herzschlagintervalle sehr stark gekoppelt, die ausgeprägten Schwankungen der Herzfrequenz folgen einer starken inneren Regulation, ähnlich wie im Wachzustand (Abb. 2) (Penzel et al. 2015).
Abb. 2
In (a) sind oben die über 30 s gemittelten Herzschlagintervalle über den als Hypnogramm aufgetragenen Schlafstadien zu sehen. Als unterste Linie ist die Standardabweichung der Herzschlagintervalle über jeweils 30 s dargestellt. In der (b) sind in einer doppelt logarithmischen Darstellung die Fluktuationen der Herzfrequenzintervalle über der Intervalldauer aufgetragen. Die unterschiedliche Steigung der Punkte für REM-Schlaf, Leichtschlaf und Tiefschlaf verdeutlicht die grundsätzlich verschiedene Regulation der Herzfrequenz als Schlag-zu-Schlag-Korrelation. Die Kurve der Punkte für den gesamten Schlaf fällt mit dem REM-Schlaf zusammen, was verdeutlicht, dass eine nicht nach Schlafstadien differenzierte Auswertung den Effekt der Schlafstadien maskieren würde
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Apparative Umsetzung, Geräte
Die elektrophysiologischen Verstärker der Polysomnographiegeräte lassen sich meistens wahlweise für die Signale EEG, EOG, EMG und EKG einstellen. Denn die elektrischen generellen Charakteristika dieser Signale sind ähnlich. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen in der Signalamplitude und -frequenz.
In der internistisch/kardiologischen EKG-Diagnostik werden EKG-Systeme eingesetzt, die zwar die Ableitung eines 6- oder 12-Kanal-EKGs erlauben, daneben jedoch keine weiteren Signale aufzeichnen können. Zudem sind diese Geräte meistens so konfiguriert, dass die Signalaufnahme nur für maximal einige Minuten kontinuierlich erfolgen kann. Eine besondere Variante sind EKG-Systeme, die für Belastungs-EKGs ausgelegt sind.
Für Langzeituntersuchungen des EKGs bieten viele Firmen Langzeit-EKG-Systeme mit unterschiedlicher Kanalanzahl und unterschiedlich umfangreicher Auswertesoftware an. Bei diesen Systemen wurden sowohl die Signalaufnahme als auch die nachfolgende Auswertung in großen multizentrischen Studien validiert (Sheffield et al. 1985). Die Langzeit-EKG-Systeme stehen für sich allein, d. h., sie können parallel zur Kardiorespiratorische Polysomnographie eingesetzt werden und im Normalfall nicht mit dieser verbunden werden.
Ambulant einsetzbare Systeme zur Erkennung Schlafbezogener Atmungsstörungen müssen gemäß den BUB-Richtlinien die Herz- oder Pulsfrequenz aufzeichnen. Die meisten Geräte zeichnen nur die Pulsfrequenz auf, die aus dem Fingerpuls der ebenfalls geforderten Pulsoxymetrie abgeleitet wird. Erheblich genauer ist jedoch eine aus dem EKG berechnete Herzfrequenz, da hierbei die R-R-Intervalle exakt aus dem originären elektrischen Signal am Herzen bestimmt werden. Es muss dann nicht, wie bei dem Pulssignal am Finger, über mehrere Herzschläge gemittelt werden. Es kann eine Schlag-zu-Schlag-Herzfrequenz aufgezeichnet und die tatsächlich vorliegende Herzfrequenzvariation bewertet werden. Den größten diagnostischen Nutzen erbringt eine komplette EKG-Signal-Aufzeichnung, selbst wenn sie nur den reduzierten Qualitätsansprüchen der Kardiorespiratorischen Polysomnographie folgt und als 1-Kanal-EKG die Qualitätsansprüche des diagnostischen quantitativen EKGs nicht erfüllen kann. Ein solches 1-Kanal-EKG ermöglicht aber eine exakte Bewertung der Herzfrequenz und ein Erkennen von Herzrhythmusstörungen in ihren wichtigsten Formen.
Indikationen
Das EKG wird bei jeder Kardiorespiratorischen Polysomnographie mit aufgezeichnet, um die Herzfrequenz und die Herzfrequenzvariabilität zu bewerten. Darüber hinaus kann das EKG Hinweise auf das Vorliegen von Herzrhythmusstörungen geben. Bei allen Störungen der autonomen Funktion und bei Verdacht auf eine Beteiligung des kardiovaskulären Systems am Krankheitsgeschehen ist die Aufzeichnung eines EKGs indiziert.
Liegen Fragestellungen vor, die eine Erfassung von Herzrhythmusstörungen erfordern, so ist parallel zur Polysomnographie ein Langzeit-EKG einzusetzen (Schuster 1990). Dieses zeichnet das EKG auf drei Kanälen auf, wobei die Ableitungen gemäß den speziellen Anforderungen eines diagnostischen Langzeit-EKGs gewählt werden. Langzeit-EKG-Systeme verfügen heute über in großen Studien validierte Auswertealgorithmen, die ein zuverlässiges Erkennen und Klassifizieren von Herzrhythmusstörungen erlauben.
Werden Herzrhythmusstörungen gefunden, so ist ein internistisch/kardiologisches EKG zur anschließenden Differentialdiagnostik erforderlich.
Grenzen der Methode
Das EKG-Signal kann bei Langzeitmessungen durch Bewegungsartefakte und durch Muskelartefakte gestört sein. Bei Lageänderungen des Körpers im Schlaf kann das EKG mitunter seine Form ändern, da sich die Ausrichtung der Herzachse verändert. Im EKG kann als Artefakt auch eine 50-Hz-Einstreuung gefunden werden. Diese lässt sich in den meisten Fällen durch eine Verbesserung der Elektrodenimpedanz und durch eine optimierte Wahl der Referenzelektrode beseitigen.
Bei der Kardiorespiratorischen Polysomnographie wird in der Regel das EKG mit nur einem Kanal aufgezeichnet. Ein 1-Kanal-EKG ermöglicht keine Diagnostik von Herzrhythmusstörungen, höchstens können Hinweise gewonnen werden, aus denen sich eine Indikation zu einem diagnostischen 12-Kanal-EKG oder zu einem diagnostischen Langzeit-EKG mit gewöhnlich drei Kanälen ergibt. Zudem ist die EKG-Ableitung bei der Kardiorespiratorischen Polysomnographie nicht ausreichend standardisiert. Das bedeutet, dass die EKG-Elektroden an sehr unterschiedlichen Orten geklebt werden und das daraus resultierende EKG nicht zwischen verschiedenen Schlaflaboren verglichen werden kann. Verglichen werden kann dagegen die aus dem EKG abgeleitete Herzfrequenz, die weitgehend unabhängig von der Art der Elektrodenableitung ist.
Die Herzfrequenz und die Herzfrequenzvariation verändern sich mit den Schlafstadien als Ausdruck der Änderungen der autonomen Funktionen. Jedoch lassen sich aus Herzfrequenz und Herzfrequenzvariation die Schlafstadien nicht eindeutig ableiten oder vorhersagen, da neben den Schlafstadien psychischer Stress und schlafbezogene motorische Aktivität starke Einflüsse auf den Sympathikotonus ausüben.
Bei Störungen der autonomen Funktionen, wie beim „Diabetes mellitus“ mit autonomer Neuropathie, kann die Herzfrequenzvariabilität eingeschränkt sein. Entsprechendes gilt auch für Patienten mit schwerer Arteriosklerose. Ein Herzschrittmacher kann eine Auswertung der Herzfrequenzvariabilität für die Diagnostik von Schlafstörungen unmöglich machen.
Literatur
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Penzel T, Garcia C, Glos M, Renelt M, Schöbel C, Kantelhardt JW, Bartsch RP, Müller A, Riedl M, Wessel N, Fietze I (2015) Herzfrequenz und EKG in der Polysomnographie. Somnologie 19:254–262CrossRef
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Sheffield LT, Berson A, Bragg-Remschel D et al (1985) Recommendations for standards of instrumentation and practice in the use of ambulatory electrocardiography. Circulation 71:626A–636APubMed
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