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Correlation properties of heart rate variability during endurance exercise: A systematic review
(2020)
Background
Non‐linear measures of heart rate variability (HRV) may provide new opportunities to monitor cardiac autonomic regulation during exercise. In healthy individuals, the HRV signal is mainly composed of quasi‐periodic oscillations, but it also possesses random fluctuations and so‐called fractal structures. One widely applied approach to investigate fractal correlation properties of heart rate (HR) time series is the detrended fluctuation analysis (DFA). DFA is a non‐linear method to quantify the fractal scale and the degree of correlation of a time series. Regarding the HRV analysis, it should be noted that the short‐term scaling exponent alpha1 of DFA has been used not only to assess cardiovascular risk but also to assess prognosis and predict mortality in clinical settings. It has also been proven to be useful for application in exercise settings including higher exercise intensities, non‐stationary data segments, and relatively short recording times.
Method
Therefore, the purpose of this systematic review was to analyze studies that investigated the effects of acute dynamic endurance exercise on DFA‐alpha1 as a proxy of correlation properties in the HR time series.
Results
The initial search identified 442 articles (351 in PubMed, 91 in Scopus), of which 11 met all inclusion criteria.
Conclusions
The included studies show that DFA‐alpha1 of HRV is suitable for distinguishing between different organismic demands during endurance exercise and may prove helpful to monitor responses to different exercise intensities, movement frequencies, and exercise durations. Additionally, non‐linear DFA of HRV is a suitable analytical approach, providing a differentiated and qualitative view of exercise physiology.
Aim: Measurements of Non-linear dynamics of heart rate variability (HRV) provide new possibilities to monitor cardiac autonomic activity during exercise under different environmental conditions. Using detrended fluctuation analysis (DFA) technique to assess correlation properties of heart rate (HR) dynamics, the present study examines the influence of normobaric hypoxic conditions (HC) in comparison to normoxic conditions (NC) during a constant workload exercise.
Materials and Methods: Nine well trained cyclists performed a continuous workload exercise on a cycle ergometer with an intensity corresponding to the individual anaerobic threshold until voluntary exhaustion under both NC and HC (15% O2). The individual exercise duration was normalized to 10% sections (10–100%). During exercise HR and RR-intervals were continuously-recorded. Besides HRV time-domain measurements (meanRR, SDNN), fractal correlation properties using short-term scaling exponent alpha1 of DFA were calculated. Additionally, blood lactate (La), oxygen saturation of the blood (SpO2), and rating of perceived exertion (RPE) were recorded in regular time intervals.
Results: We observed significant changes under NC and HC for all parameters from the beginning to the end of the exercise (10% vs. 100%) except for SpO2 and SDNN during NC: increases for HR, La, and RPE in both conditions; decreases for SpO2 and SDNN during HC, meanRR and DFA-alpha1 during both conditions. Under HC HR (40–70%), La (10–90%), and RPE (50–90%) were significantly-higher, SpO2 (10–100%), meanRR (40–70%), and DFA-alpha1 (20–60%) were significantly-lower than under NC.
Conclusion: Under both conditions, prolonged exercise until voluntary exhaustion provokes a lower total variability combined with a reduction in the amplitude and correlation properties of RR fluctuations which may be attributed to increased organismic demands. Additionally, HC provoked higher demands and loss of correlation properties at an earlier stage during the exercise regime, implying an accelerated alteration of cardiac autonomic regulation.
Exercise and training prescription in endurance-type sports has a strong theoretical background with various practical applications based on threshold concepts. Given the challenges and pitfalls of determining individual training zones on the basis of subsystem indicators (e.g., blood lactate concentration, respiratory parameters), the question arises whether there are alternatives for intensity distribution demarcation. Considering that training in a low intensity zone substantially contributes to the performance outcome of endurance athletes and exceeding intensity targets based on a misleading aerobic threshold can lead to negative performance and recovery effects, it would be desirable to find a parameter that could be derived via non-invasive, low cost and commonly available wearable devices. In this regard, analytics conducted from non-linear dynamics of heart rate variability (HRV) have been adapted to gain further insights into the complex cardiovascular regulation during endurance-type exercise. Considering the reciprocal antagonistic behavior and the interaction of the sympathetic and parasympathetic branch of the autonomic nervous system from low to high exercise intensities, it may be promising to use an approach that utilizes information about the regulation quality of the organismic system to determine training-intensity distribution. Detrended fluctuation analysis of HRV and its short-term scaling exponent alpha1 (DFA-alpha1) seems suitable for applied sport-specific settings including exercise from low to high intensities. DFA-alpha1 may be taken as an indicator for exercise prescription and intensity distribution monitoring in endurance-type sports. The present perspective illustrates the potential of DFA-alpha1 for diagnostic and monitoring purposes as a “global” system parameter and proxy for organismic demands.
Die Ratifizierung der Behindertenrechtskonvention der Vereinten Nationen (UN-BRK) sowie die Empfehlung der Hochschulrektorenkonferenz (HRK) „Eine Hochschule für Alle“ im Jahre 2009 forderten die deutschen Hochschulen dazu auf, eine gleichberechtigte und diskriminierungsfreie Teilhabe von Studierenden mit studienerschwerender Beeinträch-tigung und chronischer Erkrankung (SmB) an der Hochschulbildung durch angemessene Vorkehrungen und geeignete Maßnahmen zur Herstellung von Barrierefreiheit sicherzustellen. In diesem Kontext wurde 2017 der Forschungs- und Praxisverbund „Inklusion an Hochschulen und barrierefreies Bayern“ von sechs bayerischen Hochschulen gegründet, in dessen Rahmen Einzelinitiativen, in Form von Forschungs- und Praxisprojekten, verfolgt wurden, die zur Entwicklung einer inklusionsorientierten Hochschule beitragen sollen. Die Julius-Maximilians-Universität widmete sich als eines der sechs Verbundmitglieder in einem Teilprojekt der Identifizierung zentraler Gelingensbedingungen inklusiver Hochschulbildung für SmB in Bayern. Hierzu wurden neben einer ausführlichen Analyse der nationalen und internationalen Befundlage ein empirischer Mixed-Methods-Ansatz genutzt. Dieser verknüpfte problemzentrierte qualitative Interviews mit bayerischen Beauftragten und Berater/innen für Studierende mit Behinderung und chronischer Erkrankung (n=13) sowie Lehrenden (n=20) unterschiedlicher Fakultäten zu deren themenspezifischen Qualifikationen und Einstellungen mit einer anschließenden quantitativen Erhebung bayerischer Hochschullehrender (n=807) an fünf Hochschulen, welche mit Hilfe einer dafür validierten deutschen Übersetzung eines etablierten themenspezifischen internationalen Befragungs-instruments durchgeführt wurde. Es ließen sich übergeordnet vier zentrale Gelingens-bedingungen für eine inklusionsorientierte Hochschulbildung identifizieren: (1) Ein adäquater Wissensstand in Bezug auf themenrelevante gesetzliche und beeinträchtigungs-bezogene Aspekte, (2) ein hinreichendes Maß an Sensibilität für und eine positive Einstellung zu SmB, (3) eine nachhaltige Förderung von themen- und adressatenspezifischen Weiterbildungen und (4) Netzwerkförderung. Als konkrete zugehörige Handlungs-empfehlungen lassen sich daraus ableiten: Die Stärkung von Beauftragten- und themen-relevanten Netzwerken, die nachhaltige Weiterbildungsförderung, die Berücksichtigung der besonderen Bedürfnisse von SmB im Rahmen des Qualitätsmanagements der Lehre, die besondere Sensibilisierung aller Akteur/innen für die Studieneingangsphase sowie die Schaffung themenspezifischer Informations- und Anreizsysteme für Professor/innen.
Die deutsche Hochschullandschaft ist spätestens seit 2009 aufgefordert eine gleichberechtigte und diskriminierungsfreie Teilhabe von Studierenden mit studienerschwerender Beeinträchtigung sicherzustellen. Die hiesige Monographie fasst diesbezüglich wesentliche Erkenntnisse aus einer im Rahmen des von 2017 bis 2019 vom bayerischen Landtag geförderten Forschungs- und Praxisverbundes „Inklusion an Hochschulen und barrierefreies Bayern“ durchgeführten Untersuchung an fünf bayerischen Hochschulen zusammen. Dabei werden zunächst zentrale Gelingensbedingungen inklusiver Hochschulbildung anhand eines empirischen Mixed-Methods-Ansatzes mit bayerischen Beauftragten und Berater/innen für Studierende mit Behinderung und chronischer Erkrankung sowie Lehrenden unterschiedlicher Fakultäten herausgearbeitet und mit vorwiegend internationalen themenspezifischen Befunden abgeglichen. Abschließend werden konkrete Handlungsempfehlungen abgeleitet, welche die Gestaltung einer inklusionsorientierten Hochschule zukunftsweisend unterstützen sollen.
Background
Exercise intensities are prescribed using specific intensity zones (moderate, heavy, and severe) determined by a ‘lower’ and a ‘higher’ threshold. Typically, ventilatory (VT) or blood lactate thresholds (LT), and critical power/speed concepts (CP/CS) are used. Various heart rate variability-derived thresholds (HRVTs) using different HRV indices may constitute applicable alternatives, but a systematic review of the proximity of HRVTs to established threshold concepts is lacking.
Objective
This systematic review aims to provide an overview of studies that determined HRVTs during endurance exercise in healthy adults in comparison with a reference VT and/or LT concept.
Methods
A systematic literature search for studies determining HRVTs in healthy individuals during endurance exercise and comparing them with VTs or LTs was conducted in Scopus, PubMed and Web of Science (until January 2022). Studies claiming to describe similar physiological boundaries to delineate moderate from heavy (HRVTlow vs. VTlow and/or LTlow), and heavy from severe intensity zone (HRVThigh vs. VThigh and/or LThigh) were grouped and their results synthesized.
Results
Twenty-seven included studies (461 participants) showed a mean difference in relative HR between HRVTlow and VTlow of − 0.6%bpm in weighted means and 0.02%bpm between HRVTlow and LTlow. Bias between HR at HRVTlow and VTlow was 1 bpm (limits of agreement (LoA): − 10.9 to 12.8 bpm) and 2.7 bpm (LoA: − 20.4 to 25.8 bpm) between HRVTlow and LTlow. Mean difference in HR between HRVThigh and VThigh was 0.3%bpm in weighted means and 2.9%bpm between HRVThigh and LThigh while bias between HR at HRVThigh and VThigh was − 4 bpm (LoA: − 17.9 to 9.9 bpm) and 2.5 bpm (LoA: − 12.1 to 17.1 bpm) between HRVThigh and LThigh.
Conclusion
HRVTlow seems to be a promising approach for the determination of a ‘lower’ threshold comparable to VTlow and potentially for HRVThigh compared to VThigh, although the latter needs further empirical evaluation. LoA for both intensity zone boundaries indicates bias of HRVTs on an individual level. Taken together, HRVTs can be a promising alternative for prescribing exercise intensity in healthy, male athletes undertaking endurance activities but due to the heterogeneity of study design, threshold concepts, standardization, and lack of female participants, further research is necessary to draw more robust and nuanced conclusions.
Abstract:
The aim of this study was the analysis of incidence and type of injury in German elite powerlifters. A total of n = 57 competitive athletes of the German powerlifting federation completed a retrospective survey regarding acute andoveruse injuries. With 224 total injuries, a mean incidence of 1.51 per 1.000 h or 0.49 per year was calculated. Most injuries affected the lower back (20.5%), elbow (11.2%), pelvic region (10.3) and the shoulder (9.8%). Regarding the type of injury acute inflammation (25.9%), muscle strains/sprains (20.5%) and skin lesions (13%) dominated. The mean incidence significantly declined with increasing age and training experience of the athlete. Athletes using a bench press shirt and various regenerative methods like sauna or swimming also showed decreased injury rates. There was no significant correlation between body weight, height or gender and injury incidence. Compared to other sports, the incidence of injuries and overuse syndromes is still low in powerlifting. Nonetheless, appropriate strategies in training, equipment, prevention and regeneration should be employed to protect the athlete from injury.
Das Nachwuchsförderzentrum für Juniorinnen in Unterfranken fördert talentierte Nachwuchspielerinnen zwischen neun und 15 Jahren. Es ist bayernweit das einzige Nachwuchsförderzentrum nur für Spielerinnen, das über eine wissenschaftliche Begleitung im sportwissenschaftlichen und pädagogisch-psychologischen Bereich verfügt. Es wurde im Frühjahr 2014 von vier Partnervereinen in der Region gemeinsam mit der Empirischen Bildungsforschung und dem Sportzentrum der Universität Würzburg sowie dem 1. FC Nürnberg Mädchen- und Frauenfußball gegründet.
Das Ziel ist es, talentierte Spielerinnen nach einem innovativen sportwissenschaftlichen Ansatz zu fördern und auf diese Weise die Chance des Übergangs in den Leistungssport für jede Spielerin zu erhöhen.
Hierzu werden die Spielerinnen jedes Jahr im Frühsommer für acht Wochen während des wöchentlichen Trainings gesichtet und mittels allgemeiner motorischer Tests einerseits sowie fußballspezifischer Tests andererseits auf ihre Eignung für eine Aufnahme in das NFZ hin geprüft.
Im sportartspezifischen Bereich wurden die Spielerinnen des Leistungskaders 2015/16 neben einem neu entwickelten Test, der die Fähigkeiten der Spielerinnen im Spielverlauf abbildet, auch mit Teilaufgaben der Testbatterie des Deutschen Fußball-Bundes konfrontiert (Höner & Roth, 2011, 2015).
Dieser Test des DFB dient seit geraumer Zeit dazu, den Leistungsstand der an DFB-Stützpunkten geförderten Spielerinnen und Spieler zu überprüfen und durch den Vergleich mit Normwerttabellen individuelle SpielerInnen-Profile zu erstellen.
Dieser Band berichtet die Ergebnisse der Leistungstests im NFZ für Juniorinnen nach den Kriterien des DFB und stellt die im NFZ entwickelte Leistungsdiagnostik NFZ-TestSpiel vor. Drei zentrale Befunde kristallisieren sich dabei heraus. Erstens nimmt die erste Generation der NFZ-Spielerinnen einen heterogenen Leistungsstand gemessen an den DFB-Kriterien ein. Dieser Befund relativiert sich aber zweitens, weil die Testbatterie des DFB durchaus Zweifel an deren Mess-Zuverlässigkeit aufkommen lässt und zudem Normwerte für Jahrgänge unterhalb der U11-Juniorinnen nicht existieren. Drittens erweist sich der im NFZ gewählte Ansatz vielversprechend, um die Spielfähigkeiten im Mädchenfußball über reale Spielsituationen, also als Prozessdiagnostik zu erfassen. Die vorgestellte NFZ-Leistungsdiagnostik erweist sich als in hohem Maße reliabel und ergibt erste Hinweise auf eine valide Messung individueller fußballspezifischer Kompetenzen.
In diesem Band werden die Bedingungen erfolgreicher Förderung von Mädchen im Breiten- und Leistungsfußball dargestellt. Den Schwerpunkt bilden motorische und psychsoziale Unterschiede bei Mädchen und Jungen ab der frühen Kindheit. Es handelt sich um einen Forschungsüberblick, in dem alle wissenschaftlichen Erkenntnisse zu körperlichen, sportlichen und psychosozialen Unterschiede zusammengefasst sind, die für den Breiten- und Leistungsfußball relevant sind.
Dabei kann deutlich gemacht werden, dass der Mädchenfußball über teilweise völlig verschiedene Voraussetzungen verfügt als der Jungenfußball, die sich nicht nur auf motorische Fähigkeiten beziehen, sondern auch auf die bislang kaum beachtete Persönlichkeitsentwicklung von Mädchen und Jungen.