Internat. Z. angew. Physiol. einschl. Arbeitsphysiol., Bd. 16, S. 464--471 (1957)

Aus dem Physiologischen Institut (Direktor: Prof. Dr. M. H. FIschEr) und dem Institut ffir Leibeserziehung der Freien Universit~t Berlin und der Sport~rztlichen

Hauptberatungsstelle Berlin

Untersuehungen iiber das Yerhalten der Herzsehlagfrequenz wiihrend und naeh kSrperliehen Leistungen

Die Herzseblagfrequenz yon 20--30jiihrigen untrainierten Miinnern bei submaximalen Leistungen yon 1 Watt bzw. 2 Watt/kg

KSrpergewieht am Handkurbelergometer

Von B. DRANSFELD und H. MELLEROWICZ

Mit 2 Textabbildv_agen

(Eingegangen am 22. Mdirz 1957)

Die Bestimmung der Herzschlagfrequenz (HF) ist noch immer die einfachste Untersuchungsmethode des Herzens w/s kSrperlicher Leistungen. Sic ist eine unblutige Methode, 1/~gt sieh ohne oder mit nur geringem Aufwand durchffihren, und methodische Fehler kSnnen k le in gehalten werden. Sie ist als Untersuehungsmethode geeignet, da die HF enge Beziehungen zur GrSge der kSrperlichen Leistung und zur Leistungs- f~higkeit des Kreislaufs aufweist.

LU~DG~E~T, der 1946 eine kritische Ubersicht fiber die Versuche gab, die k~rperhche Leistungsf~higkeit direkt oder indirekt durch einen oder eine Gruppe yon Tests zu bestimmen, bevorzugte als Untersuchungs- methode die Bestimmung der HF w~hrend verschiedener Leistungen. Schon lange bekannt ist die Trainingswirkung auf die I-IF (Gn-ftisTE~ sen). Die Senkung der Ruhe-HF durch kSrperliches Training ist hierbei als Ausdruck eines verringerten Herzminutenvolumens aufzufassen, welches dutch 0konomisierung des Gas- und Stoffwechsels in der Peripherie ermSglicht wird (MVLLER).

Die _~uderung der HF w~hrend und nach kSrperlieher Arbeit war daraufhin das Ziel zahlreicher Untersuchungen, die im wesentlichen das Verhalten eines Individuums und die daraus zu ziehenden Folgerungen betrafen. Wegen der breiten Sehwankungen normaler biologischer Regu- lationen so]] es deshalb das Ziel dieser Arbeit sein, an Untrainierten einer bestimmten Altersgruppe Durchsctmittswerte und Sehwankungsbreite der HF w~hrend bestimmter ergometrischer Leistungen in der Arbeits- und Erholungsphase festzustellen.

Um einen Vergleieh und eine Beurteflung der kSrperliehen Leistungs- f~higkeit einzelner Individuen zu ermSglichen, mug die kSrperliche Lei-

Verhalten der Herzschlagfrequenz w~hrend und nach kfrperlichen Leistungen 465

s tung genau dosierbar sein und auf Unterschiede des Kfrpergewichts ab- ges t immt werden. Die Ausgangsbedingungen der e inzelnen Versuehe miissen die gleiehen sein, und psyehische Einfl/isse auf die H F sind zu berfieksiehtigen.

Methodik Die Arbeitsun~ersuchungen wurden yon Janu~r bis Oktober 1956 an m/~nnliehen

Versuehspersonen zwisehen 20 und 30 Jahren durchgeffihrt, die naeh weitgehenden anamnestisehei1 und klinisehen Erhebungen herz- und kreislaufgesund waren. Keiner hatte Sieh in den letzten 2 Jahren bei einem Sportverein aktiv bet/~tigt oder regelmi~gig Sport getrieben, so dab alle Versuehspersonen sportmedizinisch als untrainiert zu bezeiehnen waren. Die Untersuehungen wurden zwischen 19 ur~d 14 Uhr bei einer I~aumtemperatur von 18 250C durehgeffihrt; die w~hrend der Untersuehungen beobachteten Sehwankungen von Luftdruek und relativer Luft- feuehtigkeit kormten vernaehl~ssigt werden, da sie die HF nur innerhalb der Fehler- breite ihrer Bestimmung ver~ndera (TIGERSTEgT).

Die Versuchspersonen waren ausgesehlafeIt, die letzte kleine Mahlzeit lag min- destens 21/2 Std zurfiek, und es hatte keine stark beanspruehende k6rperliehe oder geistige Arbei~ zwisehen morgendliehem Aufstehen und der Arbeitsuntersuchung stattgefunden. Naeh 10 rain Kfrperruhe auf einer bequemelt Liege wurde der Ruhe- puls fiber I min gez~hlt und ansehliel3end im Stehen n~eh psyehiseher Beruhigung m~d Erkl~ren yon Apparatur und Arbeitsaufg~be der Ausgangspulswert bestimmt.

:Die Leistung wurde an einem Dynamoergometer t fiir beidarmige Kurbelarbeit bestimmt, dessen 3 Stufell-Sehaltung die Wahl eines optimalen Drehzahlbereiehes far Leistungen yon 30--300 W ermfglichte. Die Kurbelhfhe betrug 100 cm, die Kurbell~nge 30 era. In der Erholungszeit ruhten die Versuchspersonen wieder ent- spannt auf einer Liege.

Um eine ungehinderte und genaue Pulsz~hlung aueh w~hrend der Arbeit durch- [iihren zu kfnnen, wurde das verl~ngerte Membranende eines Phonendoskops mit einem breiten, um die Brnst gefiihrten Gummigurt fiber der Herzspitze gehalten. Die Vitalkapazi~t war dabei nieht eingesehr~nkt. Die HF wurde nach der mit der Stoppuhr gemessenen Zeit ffir 10 Herzperioden w~hrend der Leistungs- und Erholungszeit yon je 6 min als ~Iinutenfrequenz (MF) bei angenommen gleieh- bleibender Sehlagfolge bereehnet, und zwar in der ersten Arbeits- und Erholungs- mirmte mit 15, sonst mit 30 sec Abstand.

Da die Ableseungenauigkeit der Stoppukr 1/~ 0 see betrug, muff mit einem Meg- fehler -con ~ ~/20 sec gerechnet werden. Bei Uim, eehnung der gemessenen Zeiten in Mi~lutenfrequenzen ist der reine methodisehe Fehler in den einzelnen Frequenz- bereiehen irffolge der Hyperbelfunktion versehiedem er betr~gt bei einer MF yon 60 + 0,5, bei 100 ~ 1, bei 140 ~ 2 und bei 180 ~ 3. tIinzu kommt der subjektive Fehler, der dureh Driieken der Stoppuhr in versehiedenert Phasen der tIerzaktior~ hervorgerufen wird. Er l~Bt sich bei einiger Ubung auf die Hi~lfte des me~hodisehen Fehlers erniedrigen, so dab daml der Gesamtfehler bei einer erreehneten MF yon 180 mit + 5 Pulsen am grfl3ten ist und damit • 2,8~o betr~gt.

Ergebnisse Es wurden insgesamt 200 Arbei tsversuche mi t Le is tungen yon 1 W/kg

in Gruppe I und 2 W/kg Kfrpergewieh t in Gruppe I I fiber 6 rain dureh- geffihrt. I n Gruppe I f anden 83 Versuehe bei der Ergometers tufe I I mi t

1 Firma Laukner.

466 B. DRANSFELD und H. MELLEROWICZ:

durchschnittlich 31,4 U/min und 17 bei Stufe I mit 38,9 U/min s tar t (mittlere Drehzahl 32,7 U/rain). 79 Versuche in Gruppe I I wurden in der Ergometerstufe I I I mit durchschnittlich 31,1 U/rain durchgefiihrt, 21 Versuche in Stufe I I m i t 38,2 U/rain (mittlere Drehzahl 32,6 U/rain). Signifikante Unterschiede der H F bei diesen verschiedenen Umdrehungs- zahlen innerhalb der gleichen Gruppe lagen nicht vor.

Vor der Mittelwertsberechnung wurden in Gruppe I die Leistungen bis 67 W und ab 68 W und in Gruppe I I bis 135 W und ab 136 W von- einander getrennt, um festzustellen, ob bei den gewghlten Leistungen ein Vergleich zwischen schweren und leichten Versuchspersonen erlaubt ist. Eine {~bersicht der aufgerundeten Mittelwerte yon Alter, GrSl~e, Ge- wicht, Leistung und l~uhepuls gibt die nachfolgende Tabelle.

Gruppe I Bis 67 W Ab 68 W Gesamt

Gruppe II Bis 135 W Ab 136 W Gesamt

Zahl Alter GrSl3e wichtGe" stungLei" l~uhepuls s I P

29 71

100

22 J. 22 J. 22 J.

172 cm 178 cm 177 cm

63 kg 72 kg 70 kg

62 W 67/min 76 65/min

72 W 65/rain

I

_+ 6,5s 50--70%

40 22J. 175cm 64kg 126W 66/min 60 23J. 178cm 74kg 149W 65/rain

100 23 J. 177 cm i 70kg 140 W 65/rain ~5,91 30--50%

Die Abweichung der durchschnittlichen MF yon leichten gegenfiber schweren Versuchspersonen war wghrend der Versuchsdauer in beiden Gruppen nicht signifikant. Die MF der ]eichten Versuchspersonen mit der geringeren Leistung lag sogar etwas hSher mit maximalen Differenzen yon 3 Herzsch]ggen/min in Gruppe I und 5 in Gruppe I I , was etwa der Fehlerbreite der Methode cntspricht.

Fiir Arbeits- und Erholungszeit wurden aus dem Gesamtmit telwert jedcr Gruppe ffir Minutenabstgnde die Standardabweichungen nach der

W z berechnet und fiir die Zeiten 0 rain, 30 sec, 6 und ( X ) 2

Formel s = n

12 rain die ttgufigkeitsverteilungen der Einzelergebnisse gezeichnet. :Nach dem Berechnen der Binomialverteilung aus Mittelwert und Standard- abweichung liel~en sich mit dem x2-Verfahren yon PEA~SO~ beide ver- g]eichcn 1. Dabei gibt der Wert P die Wahrscheinlichkeit in Prozent an, mit der die Abweichung yon der Nm~n~lverteflung zufgllig ist (Abb. 1 u. 2).

Um festzustellen, ob die Mel~punkte im steilert Anstieg der H F wghrend der ersten Arbeitsminute und im steilen Abfall in der ersten Erholungs-

1 Tube]lea aus: LI~DE~, A .... Statistische ~ethoden", 2. Aufl. Basel 1951, und YULE, G. V. u. M. G. KENDALL, Aa Introduction to the Theory of Statistics, 14. Aufl. London 1950.

V e r h a l t e n d e r H e r z s c h l a g f r e q u e n z w ~ h r e n d u n d n a c h k S r p e r l i c h e n L e i s t u n g e n 4 6 7

minute ausreichend dicht liegen, wurde bei 10 Versuchspersonen jeder Gruppe in diesen Zeiten fortl~ufend ein EKG geschrieben und n~ch den R-Zacken die Herzperiodendauer gemessen. D~bei land sich, da{~ die in m~nchen Fi~llen fiberschiel~ende zentrale Herzbeschleunigung bei Arbeits- beginn nach sp~testens 8 sec beendet ist und dann die HF an die Erforder- nisse der Peripherie mit kurvenfSrmigem Anstieg angepal~t wird. Die HF-Senkung in der ersten Erholungsminute erfolgt ebenso kurverLfSrmig, so d ~ die Messung im 15 sec-Abstand den Verlauf geniigend genau gibt.

Besprechung der Ergebnisse 1. Das Verhalten der Leistungs-HF. Zur Beurteilung der Ausgangslage

ffir die Arbeitsversuche ist es notwendig, die HF in Ruhe und im Stehen in beiden Grupl0en gegenfiberzustellen. Aus der Tabelle und dem Kurven-

:$o

7qO

73O

720

70O

7O

Z5

~0

15

"/6

5

0

_=i : : D ' ......

!a [ .o~176 I _--~liii~ -*.~ ......... , ....

0 z 2 3 g : s 7 8 ,9 10 ::rnin zz

Abb. 1 a

M

,~ ~ 78 88 ~ fit 7"OT H/ TZT T57 ll/l cog YO~' 71g ~6" T3G 71/s TSg 7gg 95 55 Z 85 N TO5

0 ~ 30 ~j G ~ /Z ~

P= 50-YO% P=I0-30% P=:-70% P = 7O-:O%

Abb. 1 b Abb. 1 ~ u. b. a Mit te lwer te ( - - o - - ) und S t anda rdabwe ichungen ( . . . . , - - - - - - ) bei Leis tungen yon 1 W/kg ]~Srpergewicht. Abszisse : Versuchsdauer ; Ordinate : Minutenfrequenz . i r b e i t zwischen den Pfeilen. b I t~uf igkei t sver te i lungen der 1V~inutenfrequenzen zu b e s t i m m t e n Versuchszeiten. Abszisse: 5~[inutenfrequenz ; Ordina te : P rozen t der Gesamtzahl . P Wah r -

scheinl ichkeit der zufhlligen Abweichung yon der Norma lve r t e i l ung

beginn der Abb. 1 und 2 ersieht man die Ubereinstimmung. Der mittlere Ruhepuls beider Gruppen yon 65/rain entspricht untrainierten Versuchs- personen. Da die Abweichung yon der Normalverteflung mit 30--70%

468 B. ])I~A:NSFELI) u n d H . MELLEI~OWICZ:

Wahrscheinlichkeit zufglhg ist, batten 68 % aller Versuchspersonen einen Ruhepuls zwischen 58 und 72/rain. Die nnter 58/rain liegertden Puls- zahlen entsprechert einem besonders leistungsfghigen Kreislauf, der auch ohne KSrpertraining vorliegen kann. Xhnlich der Normalverteilung yon l~uhepulswerten einer Stichprobe liegen also 16% fiber 72 Pulsen/min.

180

17o

16"0 . . . . . . . . . . . . ., ~r. . . . . . . . <

1,50 ...... l . . . . . . " ' , .

.... " , --~I~*"'- '~ | . !i~\ii, j ~ .~

1#0130 i i~" I " ...- . . . . . . I - . . . . . . "~-- - I

, xo i / , . , , , _ i/i// 90 �9 ,

, , , , rq 70 eo I

0 l Z 3 4 t 5 s 8 3 10 l l m i n l 2

Abb. 2 a~

36 i %

20

75

7O

0 r - n

/r H I

~8 ~ 78 ~ 98 81 Yf 70f 71f 7.~ 137 71/7 757 7~ 131 1~7 75f 767 777 181 55 ~ 75 85 $5 105 0 ~ 30" 6" 15 ~

P = 5 - 7 0 % P = 50-70% P = s o - 7 0 % P = 3 0 - 5 0 % Abb, 2 b

Abb. 2 ~ u . b , W i e Abb. 1 a u. b bei L e i s t t m g e n Yon 2 W / k g K 6 r p e r g e w i c h t

Die mittlere I-IF ira Stehen vor Versuchsbeginn zeigt ffir beide Gruplaen ebenfalls gute Ubereinstimmung. Die Wahrscheinlichkeit ffir die zufgllige Abweichung yon einer Normalverteilung liegt in Gruppe I zwischen 50 und 70~o und Gruppe II zwischen 5 und 10%. Da die Grenze yon P mit 5% angegeben wird, ist also anzunehmen, dab 16% einer Stichprobe fiber dem Bereich der Standardabweichung yon 69--87 Pulsen/min liegea kSnnen.

Die Abb. 2 zeigt im Vergleich zu Abb. 1 in lgngerer Zeit den steileren Anstieg auf eine hShere HF, die abhgngig yon der Leistung ist. Der

Verh~lten der HerzscM~gfrequenz wghrend und n~ch k6rperlichelt Leistunge~l 469

sehnellste Anstieg der HF bei den vorliegenden submaximalen Leistungen erfolgt in D'bereinstimnlung mit anderen Autoren (TIITSO u. PEI~AP) innerhalb der ersten Arbeitsminute und zw~r bei Gruppe I bereits in 15 see., bei Gruppe II in 30 sec. Dann nimmt die Anstiegsgeschwindigkeit r~sch bis zur zweiten Arbeitsminute ~b und bleibt auf einem Minimum, dem Ermfidungsanstieg (Mt3LLEI~). Er begilmt in den beiden Gruppen in der zweiten bzw. dritten Arbeitsminute und betr~gt in Gruppe I 2,0 Pulse/min bei einer Ausgangs-MF yon 117, in Gruppe II 2,75 Pulse/rain bei einer Ausgangs-MF yon 140. Eine genaue Analyse der steilen HF- Anderungen soll im Zusammenhang mit M~ximalleistungen an anderer Stelle besproehen werden.

Beim Zugrundelegen des 1 s-Bereiches kann eine Versuchsperson als leistungsschwaeh bezeiehnet werden, die bei einer Leistung yon 1 W/kg KSrpergewicht fiber 6 min die HF yon 141/rain und bei Leistung yon 2 W/kg KSrpergewicht 165/rain fibersteigt. Eine Versuehsperson verffigt fiber einen leistnngsstarken Kreislauf, wenn ihre HF bei den gleiehen Leistungen l l l /min bzw. 137/min nicht fibersteigt.

2. Das Verhalten der Erholungs-HF. Die Beobachtungszeit wghrend der Erholung wurde in beiden Gruppen auf 6 min besehrgnkt, da ffir Reihennntersuehungen eine lgngere Versuchsdauer unzweekm~l~ig ist und die wesentlichsten Vergnderungen in den ersten Erholungsminuten auf- treten (KARI~ASCI~ U. Mt~LLEI~). Aus Abb. 1 und 2 geht hervor, daf3 der steilste Abfall n~ch der Leistung yon 1 W/kg in 1 rain erfo]gt und dann kontinuierlieh mit 2,2 Pnlsen/min bis unter den Ausg~ngswert im Stehen sinkt. N~ch der Leistung yon 2 W/kg erfolgt der steilste Abf~ll in 2 min und geht dann mit 2,5 Pu]sen/min gleiehm~f3ig welter, ohne jedoch n~ch 6 min den Ausg~ngswert zu erreichen. Abf~llgeschwindigkeit und HF nach gleiehen Erholungszeiten sind also proportional zur GrSl~e der Leistung.

Die auff~llig groi3en Streuungen in den ersten beiden Minuten nach Arbeitsende, besonders bei einer Leistung yon 2 W/kg KSrpergewieht, sind auf st~rkere Schwankungen der HF zurfiekzuffihren, die bei ver- tiefter Atmung auftreten.

Aus dem Vergleieh der zu den Zeiten 30 sec, 6 und 12 min gefundenen H~ufigkeitsverteflungen mit der NormMverteilung ergibt sieh, d~13 die P-Werte welt fiber der 5% -Grenze liegen, so dal~ kein Beweis gegen die zuf~llige Abweichung vorliegt.

Dgmit begrenzen die St~ndardabweiehungen den Bereich, in dem wghrend der Arbei~s- und Erholungsd~uer 68% der gefundenen HF liegen. In der Arbeitsperiode sehwankt die Stgndardabweichung bei beiden Gruppen zwischen =[= 11 und ~ 15. Sie ist grSl3er als die Standard- abweichungen in Ruhe und vor Arbeitsbeginn und zeigt damit die bei kSrperliehen Leistungen zunehmende Streuung der HF von Versuehs-

Intern~t. Z. ~ngew. Physiol., Bd. 16 32

470 B. DRANSFELD und H. MELLEROWICZ:

personen, die bei fiblicher klinischer Untersuchung des Kreislaufs als gleichwertig anzusprechen sind.

Die in einer Stichprobe der Gruppe I nach 6 rain Arbeitsdauer fiber 141/rain liegenden HF-Zahlen k5nnten als normal bezeichnet werden, wenn sie nur bei angen~hert 1/6 der Versuchspersonen auftreten. Der erhebiiche Unterschied zwischen Standardabweiehung bei K5rperruhe und der bei kSrperlicher Leistung wh'd jedoch Ausdruck daffir sein, dab bereits leistungsschwache Versuchspersonen und solche mit gut trainier- tern Kreislauf zur Berechnung herangezogen wurden und dadurch der 1 s-Bereieh welt mehr als 68% der Normalpersonen umfal~t. Die gleichen SchluSfolgerungen treffen ffir die Erholungszeit zu.

Wenn also die HF eines Untrainierten nach Leistungen yon 1 W und 2 W/kg K5rpergewieht nach 6 rain Erholung nicht unter 86/rain bzw. 97/rain abfiillt, spricht dieser Befund ffir eine Leistungsschw~che des Kreislaufs. Erholungspulszahlen nach 6 rain unter 64/min bzw. 73/rain kennzeichnen einen leistungsstarken Kreislauf.

Auf Grund dieser Untersuchungsergebnisse l~Bt sich die Leistungs- f~higkeit des Kreislaufs bei kleiner und mittlerer Leistung am Hand- kurbelergometer unter Beriicksichtigung anderer, die k5rperliche und kardiale Leistungsfahigkeit beeinflussender Faktoren bestimmen. Diese ergometrische Methodik gibt wesentlich genauere Aufschlfisse fiber die Leistungsf~higkeit des Kreislaufs als zahlreiche andere Funktions- priifungen, bei denen die Leistung nicht genau definierbar ist.

Die Dauer der ergometrischen Leistungsuntersuchung mit 1 W bzw. 2 W/kg K5rpergewicht kann auf 1--3 rain besehr~nkt werden. Sie gibt aueh bei kfirzerer Leistungsdauer praktisch him.eichend genaue Auf- schlfisse fiber die Leistungsverh~ltnisse des Kreislaufs, wenn die Ergeb- nisse nach dem vorliegenden Frequenzverlauf beurteilt werden.

Zusammenfassung Es wurden ergometrische Untersuehungen bei Leistungen yon 1 Watt

und 2 Watt/kg KSrpergewicht an je 100 20--30j~hrigen, untrainierten, kreislaufgesunden M~tnnern durchgeffihrt. W~hren4 der Arbeits- and Erholungszeit yon je 6 min konnte die Herzschlagfrequenz in Abst~nden yon 15 bzw. 30 sec auskultatoriseh mit einem verl~ngerten Phonendoskop und der Stoppuhr bestimmt werden.

Bei den gew~hlten Belastungen unterscheiden sich die leichten und schweren Versuchspersonen hinsichtlich der durchschnittlichen Herz- schlagfrequenzen zu gleichen Versuchszeiten nur innerhalb der Fehler- breite der )~ethode voneinander.

Die H~ufigkeitsverteilungen der gemessenen Frequenzen sind Normal- verteilungen ~hnlich, so dal] Aussagen fiber Mittelwerte und Standard- abweichungen gemacht werden kSnnen.

Verhalten der Herzschlagfrequenz w/~hrend und nach k6rperlichen Leistungen 471

U n t e r Ber/icksichtigung der S tandardabweichung werden ffir das Ende der Arbeits- und Erholungszei t in beiden Belas tungss tufen Grenz- werte der t terzsctdagfrequenz angegeben, bei deren tJber- oder Unter - schrei tung der Kreis]uuf als ]eistungsschwach bzw. ]eistungsstark zu bezeichnen is~.

Literatur AsMvssss, E., and M. NIELSEn: J. Clin. Invest. 83, 1146 (1954). - - ~STlCAI~D,

P. O. : Experimental Studies of Physical Working Capacity in Relation to Sex and Age. Kopenhagen 1952. - - CI{I~ISTENS~S, E. H. : Arbeitsphysiologie 4, 453 (1931). --COTTOn-, F. S., and D. ]3. DILL: Amer. J. Physiol. I l l , 554 (1935). --XA~RASCH, K., u. E. A. M~LLES.: Arbeitsphysiologie 14, 369 (1951). - - LUNDC~Elq, N. P. V. : Acts physiol, scand. (Stoekh.) 13, Suppl. 41 (1946). - - ~/[/]LLER, E. A.: Arbeits- physiologie 12, 92 (1942); 14, 271 (1950). - - SJSST~AZCD, T.: Dtsch. reed. Wschr. 1955, 963. - - TIGER~'~TEDT, t~. : Die Physiologie des Kreisl~ufs, Bd. II. ]3erlin und Leipzig 1921. - - TI:[TSO, M., u. A. PEEAs: Arbeitsphysio]ogic 9, 51 (1937). - - WAm~vsD, H. : Acts med. scand. (Stockh.) Suppl. 1948, 215.

Dr. ]3. DRANSF:ELD, ]3erlin-Dahlem, Lentzeallee 75, Physiologisches Institut der Freien Universit/it ]3erlin

32*