Das EKG (Elektrokardiogramm) ist eine Methode zur Erfassung der vom Herzen erzeugten elektrischen Signale. Damit lässt sich der Grad der physiologischen Erregung einer Person bestimmen, aber es kann auch dazu dienen, den psychischen Zustand einer Person besser zu verstehen.

Im Folgenden werden wir uns mit der Bedeutung der physiologischen Erregung für Emotionen, der Physiologie des Herzens, den Möglichkeiten zur Messung dieser Aktivität und den relevanten Parametern befassen.

Inhalt:

Physiologie und Funktion des Herzens

Bevor wir uns eingehender mit den Grundlagen des EKG befassen, wollen wir uns zunächst mit den Grundlagen der Herzphysiologie und -funktion beschäftigen:

Das Herz besteht aus vier Kammern. Die beiden oberen Kammern (der linke und der rechte Vorhof) dienen als Einlass in das Herz, während die beiden unteren Kammern (die linke und die rechte Herzkammer) als Pumpkammern fungieren, die das Blut in den Körper pumpen.
Das Blut gelangt nach seiner Rückkehr aus den Lungen oder anderen Körperregionen in die oberen Vorhöfe und wird von dort in die unteren Herzkammern gepumpt, bevor es wieder hinausgepumpt wird (zu dem Zielort, der sich vom vorherigen unterscheidet).
Der Herzkreislauf ist daher in einen „Kreislauf“ unterteilt – ein Teil verläuft durch die Lunge (der Lungenkreislauf) und der andere durch den Körper (der Körperkreislauf).
Diese Kreisläufe sorgen dafür, dass das Blut entweder in der Lunge mit Sauerstoff angereichert wird oder diesen Sauerstoff an andere Teile des Körpers weiterleitet, wo er benötigt wird.
Der Herzzyklus bezeichnet einen vollständigen Herzschlag, von der anfänglichen Einfüllung der Vorhöfe mit Blut bis zur Entleerung der Herzkammern. Die Frequenz des Herzzyklus wird als Herzfrequenz (Schläge pro Minute oder bpm) angegeben.
Das Herz arbeitet automatisch – es ist selbstanregend (dies ist eine Besonderheit im Vergleich zu anderen Muskeln im Körper, die zur Erregung nervöse Reize benötigen).
Die rhythmischen Kontraktionen des Herzens erfolgen spontan, reagieren jedoch empfindlich auf nervliche oder hormonelle Einflüsse, insbesondere auf die Aktivität des sympathischen (anregenden) und des parasympathischen (beruhigenden) Nervensystems.

Emotionale Erregung

Das Herz arbeitet nicht isoliert. Es kann zwar eigenständig funktionieren, unterhält jedoch zahlreiche tiefe und komplexe Verbindungen zum Gehirn, das seinen Rhythmus je nach den momentanen Bedürfnissen des Körpers steuern kann. Die Aktivität des Herzens kann auch mit dem Gehirn interagieren und letztlich beeinflussen, wie wir uns fühlen.

Eine wegweisende Studie von Schacter und Singer aus dem Jahr 1962[1] zeigte, wie dies abläuft. Den Teilnehmern wurde mitgeteilt, dass ihr Sehvermögen nach der Einnahme von Vitaminen getestet werden würde – für die Teilnehmer schien es sich um eine recht einfache medizinische Studie zu handeln. Stattdessen erhielten sie entweder Epinephrin (auch bekannt als Adrenalin) oder ein Placebo.

Ihnen wurde dann gesagt, dass die Wirkung des Medikaments der von Adrenalin entspreche, oder dass sie möglicherweise leichte Beschwerden verspüren würden, oder es wurde ihnen gar nichts gesagt.

Adrenalin ist dafür bekannt, das zentrale Nervensystem zu aktivieren, die Herzfrequenz zu erhöhen, eine Pupillenerweiterung zu bewirken und insgesamt einen Zustand erhöhter Wachsamkeit herbeizuführen (wenn Sie schon einmal einen „Adrenalinstoß“ erlebt haben, dann wissen Sie, wie sich diese Auswirkungen anfühlen). Die Teilnehmer wurden anschließend in einen Warteraum gebracht, in dem sich eine Person befand, die ebenfalls zu warten schien. Bei dieser Person handelte es sich jedoch um einen von den Forschern engagierten Schauspieler, der vorgab, wütend oder glücklich zu sein.

Die „wütenden“ oder „fröhlichen“ Bedingungen bestanden aus Routinen, die der Schauspieler ausführte (so lautet beispielsweise Schritt fünfzehn der „fröhlichen“ Bedingung: „Stooge [der Schauspieler] legt den Hula-Hoop-Reifen beiseite und setzt sich mit den Füßen auf den Tisch. Kurz darauf kehrt der Versuchsleiter in den Raum zurück.“), die darauf abzielten, den emotionalen Zustand des Teilnehmers zu beeinflussen.

Anschließend mussten die Teilnehmer einen Fragebogen darüber ausfüllen, wie sie sich fühlten. Es zeigte sich, dass die emotionalen Zustände der Teilnehmer durch das Verhalten des Schauspielers beeinflusst wurden – diejenigen, die sich in der „glücklichen“ oder „wütenden“ Situation befanden, gaben an, glücklicher oder wütender zu sein als diejenigen in den Kontrollgruppen. Außerdem empfanden sie diese Emotion stärker, nachdem sie eine Dosis Adrenalin erhalten hatten.

Doch es gab eine überraschende Wendung: Die Teilnehmer führten ihre Gefühle selten auf die Droge oder die Darbietung des Schauspielers zurück, sondern gaben an, sie hätten einfach einen guten oder schlechten Tag gehabt, was nichts mit dem Experiment zu tun habe. Dies deutete darauf hin, dass sich die Teilnehmer (und Menschen im Allgemeinen) der Formbarkeit ihrer emotionalen Zustände weniger bewusst sind und die Ursachen für ihre Beeinflussung falsch zuordnen.

Warum erwähnen wir das? Dieses Experiment und viele andere seitdem zeigen, wie physiologische Erregung mit emotionaler Erregung zusammenhängen kann, doch die Gründe für unseren emotionalen Zustand lassen sich oft schwerer ergründen.

Vor diesem Hintergrund bietet die Überwachung physiologischer oder emotionaler Erregung mithilfe von Biosensoren eine objektive Alternative zu den ansonsten subjektiven Schlussfolgerungen, zu denen Menschen unweigerlich gelangen. Da die Herzaktivität eng mit der Erregung verbunden ist, eignet sie sich hervorragend, um mentale Zustände genauer zu verstehen.

Aber wie lässt sich der Herzschlag aufzeichnen und für die Analyse und Auswertung bereitstellen? Und was bedeuten die Ergebnisse? Das wollen wir herausfinden.

Wie misst man die Herzaktivität?

Die Herzaktivität kann auf zwei Arten aufgezeichnet werden:

1. Elektrokardiographie (EKG)

Das EKG zeichnet die elektrische Aktivität auf, die durch Depolarisationen des Herzmuskels (eine negative Veränderung der elektrischen Ladung) entsteht und sich in Form pulsierender elektrischer Wellen zur Haut ausbreitet. Obwohl die elektrische Ladung tatsächlich sehr gering ist, lässt sie sich mit auf der Haut angebrachten EKG-Elektroden zuverlässig erfassen (in Mikrovolt oder uV).

Die vollständige EKG-Ausstattung umfasst mindestens vier Elektroden, die auf der Brust oder an den vier Extremitäten (rechter Arm, linker Arm, rechtes Bein und linkes Bein) angebracht werden. Es gibt auch Varianten dieser Anordnung, um flexiblere und weniger invasive Aufzeichnungen zu ermöglichen. So ist es beispielsweise möglich, die Elektroden nur an den Unterarmen und Beinen anzubringen. EKG-Elektroden sind in der Regel Nasssensoren, was bedeutet, dass sie die Verwendung eines leitfähigen Gels erfordern, um die Leitfähigkeit zwischen Haut und Elektroden zu erhöhen.

2. Photoplethysmographie (PPG).

Im Verlauf des Herzzyklus steigt und sinkt der Blutdruck im gesamten Körper – sogar in den äußeren Hautschichten und den kleinen Blutgefäßen der Haut. Dieser periphere Blutfluss lässt sich dann mithilfe optischer Sensoren messen, die an der Fingerspitze, am Ohrläppchen oder an anderem Kapillargewebe angebracht werden.

Das Gerät verfügt über eine LED, die Licht in das Gewebe sendet und erfasst, wie viel Licht entweder absorbiert oder zur Fotodiode (einem lichtempfindlichen Sensor) reflektiert wird. Wenn das Blut in das Gewebe pulsiert, wird mehr Licht absorbiert – wenn das Blut aus dem Gewebe abfließt, wird mehr Licht reflektiert. PPG-Clips verwenden Trockensensoren und lassen sich im Vergleich zu EKG-Aufbauten viel schneller anbringen, wodurch das Gerät relativ einfach zu bedienen und für die Teilnehmer etwas weniger störend ist.

Relevante Herzparameter

Durch die Aufzeichnung von Herzfrequenzdaten erhalten Sie Zugriff auf die folgenden Parameter, die im Hinblick auf den Erregungszustand eines Teilnehmers interpretiert werden können:

Herzfrequenz (HF). Die HF gibt die Häufigkeit eines vollständigen Herzschlags von seiner Entstehung bis zum Beginn des nächsten Schlags innerhalb eines bestimmten Zeitfensters an. Sie wird üblicherweise in Schlägen pro Minute (bpm) angegeben. Die HF kann mithilfe von EKG- und PPG-Sensoren erfasst werden. Eine erhöhte HF deutet in der Regel auf eine erhöhte Erregung hin.

Inter-Beat-Intervall (IBI). Das IBI ist der Zeitabstand zwischen einzelnen Herzschlägen und wird in der Regel in Millisekunden (ms) gemessen. In der Regel wird für die Analyse das RR-Intervall herangezogen.

Herzfrequenzvariabilität (HRV). Die HRV drückt die natürliche Schwankung der IBI-Werte von Herzschlag zu Herzschlag aus. Die HRV steht in engem Zusammenhang mit emotionaler Erregung: Es wurde festgestellt, dass sie unter Bedingungen von akutem Zeitdruck und emotionalem Stress abnimmt (was bedeutet, dass der Herzschlag gleichmäßiger wird).

Es wurde zudem festgestellt, dass die HRV bei Personen, die von einer höheren Häufigkeit und Dauer täglicher Sorgen berichten [2], sowie bei Patienten mit posttraumatischer Belastungsstörung (PTBS) [3] deutlich verringert ist. Für die IBI- und HRV-Analyse werden EKG-Sensoren empfohlen, da diese empfindlicher auf bestimmte Signalmerkmale reagieren, die PPG-Sensoren nicht erfassen können.

Um diese fundierten Erkenntnisse nutzen zu können, ist es entscheidend, die Grundlagen der EKG-Untersuchung zu verstehen. Entdecken Sie den umfassenden Leitfaden zur EKG-Untersuchung (Elektrokardiographie), um Ihre Herzdatenanalyse zu optimieren.

Um schnell und anschaulich zu verstehen, wie die elektrische Aktivität Ihres Herzens überwacht und ausgewertet wird, sehen Sie sich unsere visuelle EKG-Infografik an.

Warum sollte man das EKG mit anderen Sensoren kombinieren?

Natürlich liefern Daten, die ausschließlich auf der Herzfrequenz basieren, wertvolle Einblicke in die unbewusste Erregung als Reaktion auf emotional aufgeladene Reize. Allerdings lassen Daten, die sich ausschließlich auf EKG- oder PPG-Daten stützen, nicht erkennen, ob die Erregung auf positive oder negative Reizinhalte zurückzuführen war.

Warum? Die Veränderung der Herzfrequenz ist nämlich identisch. Sowohl positive als auch negative Reize können zu einer erhöhten Erregung führen, die wiederum Veränderungen der Herzfrequenz auslöst.

Mit anderen Worten: Während EKG/PPG ideale Messgrößen zur Erfassung emotionaler Erregung sind, können sie die emotionale Valenz, also die Richtung einer Emotion, nicht aufzeigen. Das wahre Potenzial von EKG/PPG-Techniken entfaltet sich erst, wenn diese Sensoren mit anderen Datenquellen wie der Gesichtsausdrucksanalyse, dem EEG und dem Eye-Tracking kombiniert werden.

Wenn Sie mehr über das EKG erfahren möchten und darüber, was das Herz über das Befinden eines Menschen aussagt, laden Sie sich unten unseren Taschenführer herunter.

Literaturverzeichnis

[1] Schacter, S., & Singer, J. (1962). Kognitive, soziale und physiologische Determinanten des emotionalen Zustands. Minneapolis: Psychological Review.

[2] Brosschot, J. F., Dijk, E. V. & Thayer, J. F. (2007). Tägliche Sorgen stehen im Zusammenhang mit einer geringen Herzfrequenzvariabilität während der Wachphase und der darauf folgenden nächtlichen Schlafphase. International Journal of Psychophysiology, 63(1), 39–47. doi:10.1016/j.ijpsycho.2006.07.016

[3] Tan, G., Dao, T. K., Farmer, L., Sutherland, R. J. & Gevirtz, R. (2010). Herzfrequenzvariabilität (HRV) und posttraumatische Belastungsstörung (PTBS): Eine Pilotstudie. Angewandte Psychophysiologie und Biofeedback, 36(1), 27–35. doi:10.1007/s10484-010-9141-y

Weiterführende Literatur

Möchten Sie mehr über EKG erfahren? Werfen Sie einen Blick auf unsere Liste mit Literaturempfehlungen, um mehr über die Aufzeichnung und Analyse von Herzdaten zu erfahren.

Dutton & Aron (1974). Hinweise auf eine gesteigerte sexuelle Anziehungskraft unter Bedingungen hoher Angst. Journal of Personality and Social Psychology 30: 510–517. (Link)
Nickel & Nachreiner (2003). Sensitivität und Diagnostik der 0,1-Hz-Komponente der Herzfrequenzvariabilität als Indikator für die mentale Arbeitsbelastung. Human Factors 45 (4): 575–590. (Link)
Jönsson (2007). Respiratorische Sinusarrhythmie als Funktion der Zustandsangst bei gesunden Personen. International Journal of Psychophysiology 63 (1): 48–54. (Link)
Brosschot, Van Dijk & Thayer (2007). Tägliche Sorgen stehen im Zusammenhang mit einer geringen Herzfrequenzvariabilität während der Wachphase und der darauf folgenden nächtlichen Schlafphase. International Journal of Psychophysiology 63 (1): 39–47. (Link)
Hagit et al. (1998). Analyse der Herzfrequenzvariabilität bei Patienten mit posttraumatischer Belastungsstörung als Reaktion auf einen traumabezogenen Auslöser. Biological Psychiatry 44.