Zur Beziehung zwischen der akzelerometrisch erfassten Körperbeschleunigung und der Herzfrequenz beim Pferd

Zur Ermittlung des Energieverbrauches bei Mensch und Tier stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Im Jahre 1780 nutzte Lavoisier die Schmelzwassermenge, um den Energieverlust eines Meerschweinchens zu berechnen. Das Tier saß in einem von Eis umgebenen Kalorimeter, die von ihm abgegebene Wärme brachte das Eis zum Schmelzen. Derzeit sind die indirekte Kalorimetrie, die den Energieumsatz über den im Respirationsversuch gemessenen Gaswechsel von O2 und CO2 sowie die im Harn ausgeschiedene Stickstoffmenge bestimmt, und die Isotopendilutionsmethode, die mit der unterschiedlichen Ausscheidungsrate von markierten Wasserstoff- (2H) und Sauerstoff- (18O) Atomen im Urin arbeitet, der „Goldstandard“ für die Bestimmung des Energieverbrauchs. Seit einigen Jahren bis heute steht die Herzfrequenzmethode in der Diskussion. Sie nutzt die Beziehung zwischen Herzfrequenz und Sauerstoffverbrauch zur Ermittlung des Energieumsatzes. Alle genannten Methoden haben Vor- und Nachteile, insbesondere für den einfachen und schnellen täglichen Einsatz sowie bei Langzeitstudien. Deshalb werden Alternativen gesucht. Diese Dissertation untersucht die Beziehung zwischen der akzelerometrisch erfassten dreidimensionalen Körperbeschleunigung und der Herzfrequenz beim Pferd in verschiedenen Gangarten. Dabei wird die Herzfrequenz als Vergleichs- und Bezugsgröße verwendet. Sie stellt das direkte Bindeglied zum Sauerstoffverbrauch und damit Energieaufwand dar. Es wurden drei Versuchsvarianten durchgeführt. Die Pferde gingen an der Hand, „geführt“, liefen frei in einem umzäunten Oval, „freilaufend“, oder wurden „geritten“. Bei den beiden Varianten „geführt“ und „freilaufend“ kamen jeweils dieselben vier Pferde zum Einsatz, die Variante „geritten“ absolvierten fünf andere Tiere. Die Versuche folgten verschiedenen Schemata mit den Gangarten Schritt, Trab und, zum Teil, Galopp. Bei allen Versuchen wurden parallel die dreidimensionale Körperbeschleunigung mit einer Frequenz von 32 Hz sowie die Herzfrequenz gemessen. Die Pulsuhr speicherte im kleinstmöglichen Intervall von fünf Sekunden. Nach Aufbereitung der Beschleunigungsrohdaten wurde letztendlich der dynamische Anteil der dreidimensionalen Beschleunigung in Form von „fünf-Sekunden-Mittelwerten“ berechnet. Anschließend wurden diese Beschleunigungswerte über die Regressionsanalyse mit den Originalwerten der Herzfrequenz in Beziehung gesetzt. Dabei wurden die Übergangsphasen zwischen den Gangarten ausgenommen, da die beiden Parameter hier ein sehr unterschiedliches und zeitversetztes Verhalten zeigen. Bei der Analyse der Gangarten Schritt und Trab konnte gut mit dem Modell der einfachen linearen Regression (y = a + bx) gearbeitet werden, mit Hinzukommen der dritten Gangart, Galopp, erwies sich das Modell der polynomialen Regression (y = a + bx + cx²) von Vorteil. Die Stärke des Zusammenhanges der beiden Größen wurde durch den Korrelationskoeffizienten r angezeigt. Bei differenzierter Betrachtung der Versuchsvarianten und der einzelnen Pferde erreichte r Werte von 0,86 bis 0,94, bei zusammenfassender Betrachtung aller Pferde einer Versuchsvariante Werte zwischen 0,82 und 0,87, stets bei signifikanter Korrelation (p < 0,05). Somit kann für die Parameter Herzfrequenz und Beschleunigung ein signifikanter und starker Zusammenhang beschrieben werden. Sie verhalten sich dabei nicht proportional zueinander. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass die Akzelerometrie für bestimmte Zielstellungen und unter bestimmten Voraussetzungen eine geeignete Methode ist, um den Energieaufwand von Pferden zu bestimmen. Sie ist schnell und meist störungsfrei durchzuführen und im Gegensatz zur Herzfrequenz nahezu unabhängig von emotionalen Einflüssen. Des Weiteren bietet die Akzelerometrie die Möglichkeit, die Ermittlung des Energieumsatzes mit einer Verhaltensanalyse zu kombinieren. Bedingungen für ihren Einsatz sind eine situationsspezifische und möglichst individuelle Kalibrierung, denn die Beschleunigungsmessung weist insofern Nachteile auf, als dass sie die Auswirkungen von zum Beispiel Bodenbeschaffenheit, Umwelteinflüssen oder das Tragen einer Last auf den Energieumsatz nicht berücksichtigt. Die parallele Erfassung von Herzfrequenz und Beschleunigung kann zum Beispiel zur Analyse und Kontrolle von Trainingserfolgen genutzt werden. Somit bringt die Kombination von Herzfrequenz- und Beschleunigungsmessung klare Vorteile.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Energiebewertung – Energiestufen 3 2.2 Nährstoffe und Verdaulichkeit 5 2.3 Energiebedarf 5 2.3.1 Erhaltungsbedarf 5 2.3.2 Leistungsbedarf 7 2.4 Ermittlung des Energieumsatzes 8 2.5 Sauerstoffpuls 12 2.6 Herzfrequenz – Sauerstoffverbrauch – Energieumsatz 14 2.7 Beschleunigungsmessung – Verhaltensanalyse bis hin zur Bestimmung des Energieumsatzes 29 3 Tiere, Material und Methoden 44 3.1 Versuchsvarianten 44 3.2 Tiere, Haltungsbedingungen, Trainingszustand 44 3.3 Versuchsorte 45 3.4 ergänzende Bemerkungen 45 3.5 Material und Technik 45 3.6 Versuchsdurchführung 46 3.7 Versuchsdesign 48 3.8 Versuchsauswertung 48 3.8.1 Zuordnung der Achsen x, y und z zu den Aufzeichnungskanälen des „Goldfinger“ 48 3.8.2 Messwerte – Herzfrequenz und Beschleunigung 49 3.8.2.1 Aufbereitung der Rohdaten 49 3.8.2.2 Vereinfachung des Datensatzes 50 3.8.2.3 Analyse der Teilbeschleunigungen 50 3.8.3 Bestimmung der Übergangsphasen 50 3.9 Statistik 51 4 Ergebnisse 54 4.1 Herzfrequenz- und Beschleunigungsmessung 54 4.1.1 Herzfrequenz während der Versuchsvorbereitung 54 4.1.2 Herzfrequenz und Beschleunigung bei Bewegung der Pferde an der Hand („geführt“) 55 4.1.3 Herzfrequenz und Beschleunigung bei freier Bewegung der Pferde („freilaufend“) 59 4.1.4 Herzfrequenz und Beschleunigung bei Bewegung der Pferde unter dem Reiter („geritten“) 60 4.1.5 Herzfrequenz und Beschleunigung im Vergleich zwischen den Versuchsvarianten 62 4.2 Beziehung zwischen Herzfrequenz und Beschleunigung 64 4.2.1 Besonderheit der Schrittphase2 71 4.3 Analyse der Übergangsphasen 74 4.4 Analyse der dreidimensionalen Beschleunigung 78 5 Diskussion 81 5.1 Diskussion der Fragestellung 81 5.2 Kritik der Methodik 82 5.2.1 Tiere und Versuchsdesign 82 5.2.2 Messtechnik 84 5.2.2.1 Herzfrequenzmessung 84 5.2.2.2 Beschleunigungsmessung 85 5.2.3 Herzfrequenz vor Versuchsbeginn 86 5.2.4 Herzfrequenz als Bezugsgröße 86 5.2.5 Datenreduktion 88 5.3 Herzfrequenz und Beschleunigung – Parameter zur Abbildung des Energieumsatzes 88 5.3.1 Vor- und Nachteile der Akzelerometrie 89 5.3.2 Charakteristika und Grenzen der Akzelerometrie 89 5.3.3 Übergangsphasen zwischen verschiedenen Leistungsanforderungen 90 5.4 Diskussion der Ergebnisse 92 5.4.1 Beziehung zwischen Herzfrequenz und Beschleunigung 94 5.4.1.1 Güte des Zusammenhangs von Herzfrequenz und Beschleunigung 94 5.4.1.2 Modell zur Beschreibung der Beziehung von Herzfrequenz und Beschleunigung 95 5.4.2 Die drei Dimensionen der Beschleunigung 97 5.5 Fazit 99 6 Zusammenfassung 101 7 Summary 103 8 Literaturverzeichnis 105 9 Anhang 118 10 Danksagung 130There are different opportunities to determine the consumption of energy in humans and animals. In 1780 Lavoisier used the quantity of melt water to calculate the energy loss of a guinea pig. The guinea pig was located inside a calorimeter which was surrounded by ice. The emitted heat induced the melting of the ice. At present both, indirect calorimetry that estimates energy expenditure from respiratory measurements of oxygen consumption and carbon dioxide production plus the excretion of nitrogen with the urine and the DLW-method that uses the different urinary elimination rates of the isotopes 2H and 18O are the so called “golden standard” for the calculation of energy consumption. For several years until now there has been a discussion about the heart rate-method. This method uses the correlation between heart rate and oxygen consumption for the calculation of energy expenditure. All above mentioned methods have pros and cons, especially for simple and quick every day application and for long-term studies. Therefore alternatives are searched. This dissertation examines the relation between the accelerometricly measured three-dimensional body acceleration and the heart rate in horses at different gaits. The heart rate has been used for comparison and as a reference item. It directly relates the acceleration with the oxygen consumption and thus with the energy expenditure. There have been three variants of trials. Horses were led by the hand (HD), moved freely (MF) in an enclosed oval or were ridden (R). In the HD- and MF-trials the same four horses were used, for the R-trials five other horses came into action. The trials followed different schemes with the gaits of walk, trot and gallop. At every trial three-dimensional body-acceleration with a logging frequency of 32 Hz and heart rate were measured simultaneously. The heart rate meter stored the heart rate in the smallest possible intervals of five seconds. After processing the crude data the dynamic part of the three-dimensional acceleration was calculated in form of “five-second-means”. After that the regression analysis was used to relate these acceleration data to the original heart rate data. In this process the transitional phases between the gaits were excluded because there both parameters have a highly varying and time-shifted relation. The model of simple linear regression (y = a + bx) suited well for analysing walking and trotting. With adding the third gait gallop the model of polynomial regression (y = a + bx + cx²) became more favourable. The correlation coefficient r showed the strength of the correlation between both parameters. By the separate inspection of the variants of trials and the individual horses r reached values from 0,86 to 0,94; pooling all horses of each variant of trials yields r-values from 0,82 to 0,87, always with a significant correlation (p < 0,05). Hence a significant and strong correlation can be attributed to the parameters heart rate and acceleration. They are not proportional to each other. In conclusion one can say: for specific aims and under certain conditions the accelerometry is an appropriate method to assess energy expenditure in horses. You can implement it quickly and mostly disturbance-free and in contrast to the heart rate it is nearly independent of emotional influence. Furthermore accelerometry gives the opportunity to combine the determination of the energy expenditure with the analysis of behaviour. A possibly individual and situation-specific calibration are the preconditions for its application. A setback of the accelerometry is that the effects of such factors like the condition of the ground, environmental influences or carrying weights are not taken into consideration. Simultaneous measurement of heart rate and body-acceleration can for example be used for analysing and controlling the success of training. Consequently there are clear advantages of combining the measurement of heart rate and acceleration.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Energiebewertung – Energiestufen 3 2.2 Nährstoffe und Verdaulichkeit 5 2.3 Energiebedarf 5 2.3.1 Erhaltungsbedarf 5 2.3.2 Leistungsbedarf 7 2.4 Ermittlung des Energieumsatzes 8 2.5 Sauerstoffpuls 12 2.6 Herzfrequenz – Sauerstoffverbrauch – Energieumsatz 14 2.7 Beschleunigungsmessung – Verhaltensanalyse bis hin zur Bestimmung des Energieumsatzes 29 3 Tiere, Material und Methoden 44 3.1 Versuchsvarianten 44 3.2 Tiere, Haltungsbedingungen, Trainingszustand 44 3.3 Versuchsorte 45 3.4 ergänzende Bemerkungen 45 3.5 Material und Technik 45 3.6 Versuchsdurchführung 46 3.7 Versuchsdesign 48 3.8 Versuchsauswertung 48 3.8.1 Zuordnung der Achsen x, y und z zu den Aufzeichnungskanälen des „Goldfinger“ 48 3.8.2 Messwerte – Herzfrequenz und Beschleunigung 49 3.8.2.1 Aufbereitung der Rohdaten 49 3.8.2.2 Vereinfachung des Datensatzes 50 3.8.2.3 Analyse der Teilbeschleunigungen 50 3.8.3 Bestimmung der Übergangsphasen 50 3.9 Statistik 51 4 Ergebnisse 54 4.1 Herzfrequenz- und Beschleunigungsmessung 54 4.1.1 Herzfrequenz während der Versuchsvorbereitung 54 4.1.2 Herzfrequenz und Beschleunigung bei Bewegung der Pferde an der Hand („geführt“) 55 4.1.3 Herzfrequenz und Beschleunigung bei freier Bewegung der Pferde („freilaufend“) 59 4.1.4 Herzfrequenz und Beschleunigung bei Bewegung der Pferde unter dem Reiter („geritten“) 60 4.1.5 Herzfrequenz und Beschleunigung im Vergleich zwischen den Versuchsvarianten 62 4.2 Beziehung zwischen Herzfrequenz und Beschleunigung 64 4.2.1 Besonderheit der Schrittphase2 71 4.3 Analyse der Übergangsphasen 74 4.4 Analyse der dreidimensionalen Beschleunigung 78 5 Diskussion 81 5.1 Diskussion der Fragestellung 81 5.2 Kritik der Methodik 82 5.2.1 Tiere und Versuchsdesign 82 5.2.2 Messtechnik 84 5.2.2.1 Herzfrequenzmessung 84 5.2.2.2 Beschleunigungsmessung 85 5.2.3 Herzfrequenz vor Versuchsbeginn 86 5.2.4 Herzfrequenz als Bezugsgröße 86 5.2.5 Datenreduktion 88 5.3 Herzfrequenz und Beschleunigung – Parameter zur Abbildung des Energieumsatzes 88 5.3.1 Vor- und Nachteile der Akzelerometrie 89 5.3.2 Charakteristika und Grenzen der Akzelerometrie 89 5.3.3 Übergangsphasen zwischen verschiedenen Leistungsanforderungen 90 5.4 Diskussion der Ergebnisse 92 5.4.1 Beziehung zwischen Herzfrequenz und Beschleunigung 94 5.4.1.1 Güte des Zusammenhangs von Herzfrequenz und Beschleunigung 94 5.4.1.2 Modell zur Beschreibung der Beziehung von Herzfrequenz und Beschleunigung 95 5.4.2 Die drei Dimensionen der Beschleunigung 97 5.5 Fazit 99 6 Zusammenfassung 101 7 Summary 103 8 Literaturverzeichnis 105 9 Anhang 118 10 Danksagung 13