Herzfrequenzvariabilität (HRV) in Sportuhren & Wearables

Als Herzfrequenzvariabilität oder Herzratenvariabilität (HRV=Heart Rate Variability) bezeichnet man die Fähigkeit des Herzens, die zeitlichen Abstände zwischen den Herzschlägen zu verändern. Es geht also nicht um die Anzahl der Herzschläge pro Minute, sondern um die Zeitspanne zwischen zwei aufeinander folgenden Herzschlägen. Hersteller wie Garmin, Polar, Suunto und viele andere integrieren HRV-Funktionen in ihre Sport- und Pulsuhren und leiten daraus zahlreiche Aussagen über den Fitnesszustand ab.

Ein Sportler, der seine HRV regelmäßig misst und gut kennt, kann seinen Fitnesszustand besser einschätzen, sein Training gezielter steuern und Verletzungen vermeiden. Zu den wichtigsten Aussagen, die HRV-Messungen und -Analysen für Sportler liefern können, gehören Aussagen über Regeneration, Erholung, Stress oder auch Über- und Untertraining. Im Folgenden erklären wir, warum dies mit Wearables überhaupt möglich ist und wie sie zu ihren Ergebnissen kommen. Außerdem zeigen wir, was die Herzfrequenzvariabilität ausmacht, was bei der Messung zu beachten ist und wie der Stand der Technik bei modernen Sportuhren und Wearables ist.

Herzfrequenzvariabilität: Schwankungen willkommen

Die zeitlichen Abstände zwischen den Herzschlägen werden als RR-Intervall (oder NN-Intervall) bezeichnet, wobei das „R“ von den sogenannten R-Zacken eines Herzschlages stammt. Das RR-Intervall variiert zeitlich, was grundsätzlich für ein normales und gesundes Herz spricht. Auch in Ruhe. RR-Intervalle können auch von einigen Puls- und Fitnessuhren sowie Smartwatches gemessen und ausgewertet werden.

Sie können die HRV auch ganz praktisch beobachten. Fühlen Sie Ihren Puls und atmen Sie mehrmals tief ein und aus. Beim Ausatmen wird der Puls langsamer, die Abstände zwischen den Schlägen werden länger. Beim Einatmen wird der Puls schneller, die RR-Abstände werden kürzer.

Die natürlichen Schwankungen können bis zu 100 Millisekunden betragen. Dadurch kann sich das Herz flexibel an unterschiedliche Situationen im Alltag und beim Sport anpassen. Die individuelle HRV und ihre Schwankungen sind abhängig von Alter, Geschlecht und erblicher Veranlagung. Mit zunehmendem Alter nimmt die Variabilität ab. Auch Stress kann dazu führen, dass die HRV weniger stark schwankt und ist somit ein weniger gutes Zeichen.

HRV in Sportuhren, Pulsuhren und Wearables

Stand der Dinge

Funktionen und Features, die auf HRV-Messungen basieren, finden sich zunehmend in Wearables wie Sport- und Fitnessuhren. Einige Apps versuchen sogar, die HRV mit Hilfe der Smartphone-Kamera zu messen. Die HRV sowie weitere Daten aus Herzfrequenzmessungen werden von den Wearables genutzt, um den Nutzer mit Informationen zu VO2max, Stresslevel, Erholungszustand des Herz-Kreislauf-Systems, Laufprognosen und Laktatschwelle zu versorgen oder auch Erholungsratschläge und eine bessere Einschätzung der Schlafqualität zu realisieren.

Diese Wearables sind natürlich kein Ersatz für zugelassene Medizinprodukte und nicht so genau wie die Geräte eines entsprechend ausgerüsteten Spezialisten. Es stellt sich daher die Frage, wie genau HRV-Messungen mit Hilfe von Smartphones, Sportuhren, Fitnessarmbändern oder HR-Brustgurten tatsächlich sind und ob man sie auch ohne professionelle Hilfe selbst durchführen und von den Ergebnissen profitieren kann.

Wie inzwischen einige Arbeiten und wissenschaftliche Studien, wie z.B. diese, zeigen, sind die Wearables gar nicht so schlecht. Und zwar unabhängig von der verwendeten Technologie, seien es optische Pulssensoren (Stichwort: Photoplethysmographie (PPG)), die Smartphone-Kamera oder ein klassischer HR-Brustgurt. Solche Studien sind zwar nicht so zahlreich wie die Studien und Arbeiten zur Genauigkeit der Herzfrequenzmessung mit optischen Pulsmessern in Wearables, aber sie nehmen zu. Es zeigt sich, dass die Wearables immer besser werden.

Herzfrequenzvariabilität in Garmin, Suunto und weiteren Uhren

Mehrere Hersteller von Sportuhren setzen die HRV-Mess- und Analyseverfahren des finnischen Spezialisten Firstbeat Technologies Oy ein. Dazu gehören beispielsweise Garmin (z. Bsp. Vivoactive 3, Forerunner 645, Fenix 5, Fenix 6 und mehr), Huawei, Jabra, Samsung, Sony oder auch Suunto.

Firstbeat realisiert unter anderem aus den Werten der HRV-Messung verschiedene Funktionen. Dazu gehören VO2max, Stress, Erholung, Trainingseffekt, Schlafqualität, Laktatschwelle und vieles mehr. Je nach Hersteller, Modell und Preisklasse sind diese Features in entsprechender Anzahl auf den Wearables verfügbar.

Bieten die Hersteller den Zugriff auf die Rohdaten an, können Drittanbieter darauf zugreifen und eigene Apps und Services anbieten. Bei Garmin ist dies beispielsweise über den Garmin App-Store Connect IQ möglich, der Apps zur Verfügung stellt, die auf kompatible Garmin-Uhren geladen werden können.

Herzfrequenzvariabilität in Polar Uhren

Auch der Hersteller Polar Electro bietet bei einigen seiner Modelle, wie z.B. dem Polar V800 oder der neuere Polar Vantage, einen orthostatischen Test und eine Recovery Pro genannte Funktion an. Beide Funktionen basieren auf Herzfrequenz- und HRV-Daten, die mit Hilfe von Polar HR-Brustgurten (z.B. Polar H7 oder auch Polar H10) ermittelt werden. Ein Export der Messdaten ermöglicht zudem die Auswertung mit anderen Apps oder Tools. Diese Arbeit zeigt, dass mit einer Polar Sportuhr und dem Polar H7 HR-Brustgurt verlässliche und mit einem EKG vergleichbare Messdaten und damit eine hohe Genauigkeit erzielt werden können.

Mit der Ignite Fitnessuhr stößt Polar in neue Bereiche vor. Im Mittelpunkt der Ignite steht die nächtliche Aufzeichnung von Schlaf und HRV während des Schlafs. Die so gewonnenen Daten dienen als Grundlage für den allgemeinen Gesundheitszustand. Darauf aufbauend werden Tipps und Vorschläge für die tägliche Trainingsgestaltung gegeben.

Herzfrequenzvariabilität in Apple Smartwatches

Auch Apple integriert HRV-Messungen in seine Apple Watch und führt in der Health App millisekundengenaue Protokolle. Allerdings erfolgen die Messungen nur automatisch (oder mit Hilfe der „Breathe“-App) und laut Protokoll offenbar nicht nach einem festen Schema. Das bedeutet, dass man mit den Daten selbst nicht viel anfangen kann. Wahrscheinlich sind sie auch nicht aussagekräftig, da die Daten nicht vergleichbar sind oder aus Messungen stammen, bei denen sich der Träger bewegt oder andere Störfaktoren die Messung beeinflussen. Dass HRV-Daten, die während körperlicher Aktivität gewonnen werden, nicht zuverlässig genug sind, zeigt z.B. folgende Arbeit.

Hier hat sich einmal jemand ausführlich mit der Apple Watch in Bezug auf die HRV beschäftigt. Dass die Apple Watch aber generell in der Lage ist, sehr genaue HRV-Messungen aufzuzeichnen, zeigt diese Studie. Die Rohdaten, die mit Hilfe der App „Atmen“ sowie per XML-Datei ausgelesen werden können, wurden mit den Messdaten eines Polar H7 HR Gurtes verglichen. Die Ergebnisse sind aus Sicht der Autoren zufriedenstellend. Allerdings wird bemängelt, dass es Messlücken gibt, die die Ergebnisse verfälschen können.

Herzfrequenzvariabilität in Fitbit Trackern

Kaum ein anderer Hersteller bietet und erklärt so viele Informationen zum Schlaf und stellt die gewonnenen Daten so gut dar wie Fitbit. Dies ist seit langem eine der großen Stärken der Fitbit-Tracker.

Nach eigenen Angaben schätzt Fitbit die Schlafzyklen anhand von Daten, die aus Bewegungs- und Herzfrequenzmustern gewonnen werden. Bewegungsmuster können zum Beispiel sein, dass man sich eine Stunde lang nicht bewegt hat. Oder die Dauer von Bewegungen, wie sie zum Beispiel beim „Umdrehen“ auftreten. Während des Schlafs verfolgen neuere Fitbit-Tracker auch die HRV, um den Übergang zwischen Leicht-, Tief- und REM-Schlafphasen besser zu erkennen. Zum Beispiel bei der Fitbit Sense 2 oder Versa 4.

Stressmessung: Ernst gemeint oder Quatsch?

Viele fragen sich, wie ein Wearable den Stress eines Benutzers messen kann. Um diese Fähigkeit zu verstehen, müssen wir etwas weiter ausholen. Der Grund dafür ist, dass unser vegetatives Nervensystem (VNS), auch autonomes Nervensystem (ANS) genannt, unter anderem den Herzschlag und die Atmung steuert. Das VNS ist direkt und bewusst praktisch nicht steuerbar und arbeitet vollautomatisch im Hintergrund unseres Körpers. Je nach Situation und Gemütszustand sendet es unterschiedliche Signale an unsere Organe.

Das VNS ist zweigeteilt und besteht aus Sympathikus und Parasympathikus:

• der Sympathikus dominiert im VNS und schlägt Alarm, wenn man sich in einer Stresssituation befindet. Die Herzfrequenz steigt, die HRV sinkt (kürzere Abstände zwischen den Herzschlägen: kürzere RR-Intervalle) und schlägt schließlich in einem regelmäßigeren Rhythmus. Ein Zeichen für Stresseinflüsse, Belastung oder Regenerationsprozesse.
• der Parasympathikus ist eher aktiv, wenn der Körper entspannt und erholt ist. Die Herzfrequenz sinkt und die HRV steigt. Die Abstände zwischen den Herzschlägen werden größer, die RR-Intervalle länger. Allerdings in einem eher unregelmäßigen Rhythmus. Wir erinnern uns: Das ist ein gutes Zeichen für unseren Gemütszustand und ein gesundes Herz.

Sportuhren und andere Wearables können also indirekt die Stressbelastung messen und Aussagen über körperliche Ausgeglichenheit, Belastung und Regeneration machen. Die in den Apps angezeigten Werte sollten natürlich immer kritisch hinterfragt werden. Denn diese stehen und fallen mit der Messgenauigkeit der Geräte und Sensoren.

Wie und wann sollte eine HRV-Messung durchgeführt werden

Während die Herzfrequenz am besten während des Trainings gemessen wird, um die Auswirkungen des Trainings auf das Herz-Kreislauf-System in Echtzeit zu beobachten, sollte eine HRV-Messung vergleichbar und unter immer gleichen Randbedingungen durchgeführt werden. Auch die Hardware sollte immer gleich sein. Nachfolgend weitere Hinweise:

• Messung morgens gleich nach dem Aufwachen durchführen. Möglichst zur selben Uhrzeit.
• für eine möglichst geräuscharme Umgebung sorgen
• während der Messung nicht sprechen
• Nikotin, Alkohol, schwere körperliche Aktivitäten am Vortag meiden

Auswertungen der HRV deuten und verbessern

An dieser Stelle können nur einige Hinweise zu HRV-Messdaten für gesunde Sportler gegeben werden. Um die Messdaten und Informationen zur Herzfrequenzvariabilität in den Apps selbst interpretieren und besser verstehen zu können, ist eine intensive Auseinandersetzung mit dem Thema notwendig. Viele Apps helfen jedoch bei der Einordnung der Daten und unterstützen bei der Durchführung der Tests. Im Zweifelsfall sollte immer fachlicher Rat eingeholt werden.

Eine vergleichsweise niedrige bzw. abnehmende HRV, d.h. kürzere Abstände zwischen zwei benachbarten Herzschlägen, resultiert aus einem schnell schlagenden Herzen und deutet z.B. auf einen schlechten Fitnesszustand, Stress, anhaltende Regeneration oder eine sich anbahnende Erkrankung hin.

Eine relativ hohe oder ansteigende HRV, d.h. längere Abstände zwischen zwei benachbarten Herzschlägen, ist in der Regel ein gutes Zeichen, da sie auf ein langsamer schlagendes Herz hinweist. Generell weist eine hohe HRV auf ein gesundes und leistungsfähiges Herz hin. Der Körper ist also erholter und entspannter, die Fitness besser. Die nächste intensive Trainingseinheit kann kommen.

Je nach Trainingsintensität und anderen Stressfaktoren verändert sich die HRV täglich. Bei chronischem oder häufigem Stress oder körperlicher Überanstrengung ist die HRV auch in Ruhe vergleichsweise niedrig. Auf Dauer ist eine niedrige HRV sehr belastend und es besteht die Gefahr, dass z.B. körperliche Gesundheitsprobleme auftreten.

Um die individuelle HRV zu verbessern, ist es im Allgemeinen notwendig, aktiv an der Lebensweise und den Trainingsmethoden zu arbeiten, die ausgewogen sein sollten. Das bedeutet unter anderem, dass nach intensiven Einheiten auch Erholungs- und Ruhephasen eingeplant werden sollten. Dabei helfen verschiedene Wearables mit Trainingsplanunterstützung und entsprechend gut gemachten Apps. Die Trainingsplanungsfunktion ist beispielsweise bei bestimmten Sportuhren von Garmin und Polar bereits integriert und im Lieferumfang enthalten.

Sehr ambitionierte Sportlerinnen und Sportler lassen sich auch von Sportmedizinern oder Sportwissenschaftlern beraten.

Herzfrequenzvariabilität: Weitere Vor- und Nachteile

• Vorteile
  • gehört zu den genauesten nicht-invasiven Möglichkeiten unter anderem Aussagen über das Herz-Kreislauf-System, Über- oder Untertraining, Regeneration oder Stressreaktionen zu erhalten
  • kann mit erschwinglichen Endverbrauchergeräten gemessen werden
  • täglich in kurzer Zeit durchführbar (ca. 2 bis 4 Minuten)
• Nachteile
  • in Bewegung oder während des Sports schwierig bis nicht messbar
  • Messung durch Sportuhren oder sonstigen Endverbrauchergeräten nicht so genau wie beim Spezialisten
  • tiefes Verständnis über die Messergebnisse nötig, um sie selbständig richtig einzuordnen und interpretieren zu können
  • wenige allgemeine Referenzwerte

Herzfrequenzvariabilität: Weiterführende Informationen

Wer sich mit dem Thema Herzfrequenzvariabilität intensiver beschäftigen möchte, findet zahlreiche allgemeine sowie besonders für Sportler empfehlenswerte Literatur:

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