Herzratenvariabilität (HRV) in 10-Sekunden-Standard-EKG für die Diagnostik der kardialen autonomen Neuropathie (CAN)

Abstract

Objective: My scientific work aimed at establishing a methodologically strong basis for the usability of the most common parameters of heart rate variability (HRV) analysis in ultra-short ECG recordings of down to 10 seconds and revealing their potential for the diagnostic assessment of cardiac autonomic neuropathy (CAN). Therefore, the reliability of HRV parameters from ultra-short ECG in comparison to short (300-second-)ECG was assessed and the retainment of HRV differences between individuals from a control group and individuals with definitive CAN (dCAN) in ultra-short ECG was examined. Methods: A representative population of visitors of a diabetes screening clinic in Albury (Australia) was examined for dCAN and 20-minute-ECG were recorded. The commonly used HRV parameters SDNN, RMSSD, Low Frequency (LF) and High Frequency (HF) were selected for reliability assessment, comparing HRV values derived from various ultra-short ECG lengths (10 – 150 seconds) to short 300-second-ECG using robust methodology. The results of the two extraction methods Lomb-Scargle-Periodogram (LSP) and Fast-Fourier-Transform (FFT) for the calculation of LF and HF were compared. Additionally, the overall ability of ultra-short HRV parameters to separate 76 controls from 11 individuals with dCAN was examined by calculating nonparametric areas under the receiver operating characteristic curve (AUC). Results: All examined HRV parameters can be considered reliable in ultra-short ECG if at least 60 seconds of recording are available. RMSSD and HF show good reliability even from 20-second-ECG. Furthermore, RMSSD can be used to separate controls and persons with dCAN from 10-second-ECG with excellent distinctness while SDNN and HF retain almost excellent discriminability from the shortest ECG length assessed. Whether LSP or FFT are used for the extraction of HRV parameters does not seem to make a clinically relevant difference in ultra-short ECG. Conclusions: My work has revealed a great potential for the use of ultra-short HRV analysis in general. It has managed to ascertain the reliability and utility of some of its most common parameters, especially RMSSD and HF. In addition, the calculation of RMSSD, SDNN and HF from standard 10-second-ECG provides relevant information for the discrimination of people with and without dCAN. Based on these findings, the development of a distinct diagnostic test for CAN relying on ultra-short HRV analysis seems like an achievable goal for the near future, given the establishment of age- and sex-specific reference values.

Zielsetzung: Das Ziel meiner Arbeit bestand in der Generierung von Evidenz für die Nutzbarkeit der gängigsten Methoden der Herzratenvariabilitäts-(HRV-) Analyse in EKG von weniger als 5 Minuten Länge, sogenannten ultra-kurzen EKG. Darüber hinaus sollte das Potential ultra-kurzer HRV-Marker für die Diagnostik der kardialen autonomen Neuropathie (CAN) erfasst werden. Insbesondere die Anwendung von HRV in klinisch allgegenwärtigen 10-Sekunden-EKG sollte hierbei im Fokus stehen. Es wurde in einer Studie die Zuverlässigkeit von HRV-Parametern aus ultra-kurzen EKG untersucht und zugleich die Unterscheidbarkeit von Personen mit gesicherter CAN (dCAN) und Kontrollpersonen anhand ultra-kurzer HRV-Marker bestimmt. Methoden: Für Teilnehmende eines Diabetes-Screening-Angebots der DiabHealth-Clinic in Albury (Australien) erfolgten eine klinische Untersuchung auf CAN sowie eine 20-minütige EKG-Aufzeichnung. Für die gängigen HRV-Parameter SDNN, RMSSD, Low Frequency (LF) und High Frequency (HF) wurden anhand eines robusten statistischen Algorithmus die Reliabilität in verschiedenen ultra-kurzen EKG-Längen (10 – 150 Sekunden) gegenüber der 300-Sekunden-Referenzlänge untersucht. Für die Extraktion der LF und HF wurden die Verfahren Lomb-Scargle-Periodogram (LSP) und schnelle Fourier-Transformation (FFT) vergleichend genutzt. Die Unterscheidbarkeit von 76 Kontrollpersonen und 11 Personen mit dCAN anhand ihrer ultra-kurzen HRV-Werte wurde mithilfe der Berechnung von Flächen unterhalb einer Receiver-Operating-Characteristic-Kurve (AUC) quantifiziert. Ergebnisse: Für alle betrachteten HRV-Parameter können in ultra-kurzen EKG ermittelte Werte als zuverlässige Surrogate ihrer 300-Sekunden-Referenzwerte betrachtet werden, sofern EKG von mindestens 60 Sekunden Länge für die Berechnung genutzt werden. Für RMSSD und HF verhalten sich Werte hierbei sogar in 20-Sekunden-EKG als zuverlässige Surrogate. Zusätzlich konnte für RMSSD eine exzellente Unterscheidbarkeit von Personen mit und ohne dCAN anhand von 10-Sekunden-EKG gezeigt werden, wobei sich die Ergebnisse für SDNN und HF nur minimal schlechter darstellten. Zwischen den Verfahren LSP und FFT zeigte sich kein klinisch relevanter Unterschied in ultra-kurzen EKG-Aufzeichnungen. Schlussfolgerungen: Meine Arbeit zeigt ein großes Potential für die Nutzung von HRV-Methoden in ultra-kurzen EKG auf. Es konnte die Zuverlässigkeit einiger der am häufigsten verwendeten HRV-Parameter in EKG bis hinunter zur klinisch relevantesten EKG-Länge von 10 Sekunden gezeigt werden, insbesondere für RMSSD und HF. Darüber hinaus ließ sich ein klinischer Nutzen von RMSSD-, SDNN- und HF-Werten aus 10-Sekunden-EKG für die Unterscheidung zwischen Kontrollpersonen und Personen mit dCAN nachweisen. Durch die Resultate der Arbeit rückt die Etablierung eines auf ultra-kurzen EKG basierenden, HRV-gestützten diagnostischen Tests für die Untersuchung auf CAN einen entscheidenden Schritt näher.