Zur Modellierung der respiratorischen Arrhytmie

Abstract

Die respiratorische Sinus-Arrhythmie der Herzrate (RSA) ist ein Störfaktor bei der Erfassung kurzfristiger Herzraten-Änderungen. Es wird eine kybernetische Modellierung des Einflusses der Atmung auf die Herzrate entwickelt und in einer Analogrechner-Simulation der RSA realisiert, die für Echtzeit-Korrektur der Herzraten-Messung in psychophysiologischen Experimenten geeignet ist. Da rein lineare dynamische Modelle schlechte Anpassung an die physiologische Herzratenreaktion erbringen, wurde deren von Martin Clynes (1961, 1969) beschriebenen Abhängigkeit von der Atmungsrichtung („rein control“) in einem nichtlinearen Modell mit Gleichrichter durch Superposition zweier linearer Modelle realisiert. Dadurch konnte eine besonders genaue, individuell angepasste Simulation erreicht werden. Phasische Reaktionen der Herzrate, wie deren Orientierungsreaktion oder andere evozierter Herzratenreaktionen, können damit besser untersucht werden. Das bereinigte Herzratenmaß kann weiterhin als Echtzeitmaß des Entspannungszustandes, etwa bei systematischer Desensibilisierung, herangezogen werden. Besonderer Wert wurde weiter auf eine exakte nichtinvasive Atemvolumenbestimmung gelegt, durch welche die Probanden in psychotherapeutischem Setting möglichst wenig gestört sind. Die theoretischen Grundlagen der RSA-Extraktion und systemtheoretischer Modellierung werden dargestellt und diskutiert.

Respiratory sinus arrhythmia of heart rate (RSA) is a confounding factor in the measurement of short-term heart rate changes. A cybernetic modeling of the influence of respiration on heart rate is developed and implemented in an analog-computer simulation of RSA, which is suitable for real-time correction of heart rate measurements in psychophysiological experiments. Since purely linear dynamic models provide a poor match to the physiological heart rate response, their dependence on the direction of breathing ("rein control") described by Martin Clynes (1961, 1969) was realized in a non-linear model with a rectifier stage, by superposition of two linear models. This made it possible to achieve a particularly accurate, individually adapted simulation. Phasic reactions of the heart rate, such as its orienting response or other evoked heart rate responses, can thereby be better investigated. The adjusted heart rate signal can further be used as a real-time measure of stress relaxation, for example during systematic desensitization. Special emphasis was also placed on an exact, non-invasive technique for measuring breathing volume, by which clients are impeded as little as possible in a psychotherapeutic setting. The theoretical principles of RSA extraction and system-theoretical modeling are presented and discussed.