Impedanzkardiografie zur Erfassung individueller physiologischer Beanspruchung – Vergleich mit spiroergometrischen Messgrößen

Impedance Cardiography for Monitoring Individual Physiological Strain – Comparison with Spiroergometric Measures

Leonard Stratmann^a,b, Ulrich Rohde^a, Manuela Andrea Hoffmann^a,c-d

^a Institut für Präventivmedizin der Bundeswehr, Andernach und ASt ­Koblenz

^b Klinik IA für Innere Medizin,Bundeswehrzentralkrankenhaus Koblenz

^c Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

^d Medizincampus Koblenz der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Zusammenfassung

Die Überwachung der physiologischen Beanspruchung von Soldatinnen und Soldaten während der Erfüllung militärischer Aufgaben kann die Leistungsoptimierung unterstützen, zur Prävention von „non-battle injuries“ und Erkrankungen beitragen und eine schnellere medizinische Einschätzung im Notfall ermöglichen. Als Referenzmethode zur Erfassung der kardiopulmonalen und metabolischen Beanspruchung gilt die Ergospirometrie, deren Einsatz im militärischen Arbeitsalltag jedoch aufgrund ihrer eingeschränkten Praktikabilität limitiert ist. Die Impedanzkardiografie (ICG) ist ein potenziell feldtauglicher, nicht-invasiver Ansatz zur kontinuierlichen kardiovaskulären Überwachung.

21 gesunde männliche Soldaten absolvierten einen 6 km langen Belastungsmarsch mit einer Gesamtlast von rund 32 kg (Kampfbekleidung, ballistische Schutzweste und Zuladung) bei zwei Geschwindigkeiten (4,5 und 6,0 km/h), gefolgt von fünf 15-sekündigen Laufintervallen und einem Maximalbelastungstest bis zur Erschöpfung bei jeweils 13 km/h. Hierbei wurden die ­relative Sauerstoffaufnahme (rVO₂) mittels Ergospirometrie und der Cardiac Index (CI), das auf die Körperoberfläche normierte Herzzeitvolumen, mittels ICG simultan erfasst.

Die Ergebnisse zeigten einen starken gleichgerichteten Zusammenhang zwischen CI und rVO₂ (rs = 0,80; p < 0,001). Die mittlere Within-subject-Pearson-­Korrelation z-standardisierter Werte betrug r = 0,90 (SD = 0,07), was für einen gleichgerichteten individuellen Verlauf beider Methoden spricht. Es zeigte sich eine systematische Divergenz zwischen den Messwerten während der Pausen (Δz ≈ +0,45) im Vergleich zu den Marschphasen (Δz ≈ −0,19), das heißt, der Cardiac Index sank in den Pausen langsamer ab als die Sauerstoffaufnahme. Mittels ICG erhobene CI-Werte zeigten einen starken gleichgerichteten Zusammenhang mit der ergospirometrisch gemessenen Sauerstoffaufnahme und eine vergleichbare zeitliche Dynamik über alle Belastungsstufen hinweg. Die ICG zeigt sich damit als ein vielversprechender, nicht-invasiver Ansatz für das kontinuierliche kardiovaskuläre Belastungsmonitoring unter realistischen Einsatzbedingungen.

Schlüsselwörter: Impedanzkardiografie, Ergospirometrie, Sauerstoffaufnahme, Cardiac Index, militärischer Marsch, physiologisches Monitoring

Summary

Monitoring physiological strain in soldiers during military tasks can support performance optimisation and help prevent non-battle injuries and illness. Ergospirometry is an established reference method for assessing strain but is not practical for everyday military use. Impedance cardiography (ICG) represents a potentially field-deployable, non-invasive approach for continuous cardiovascular monitoring.

Twenty-one healthy male soldiers completed a 6 km loaded march carrying a total load of approximately 32 kg (combat uniform, ballistic protective vest, and additional load) at two speeds (4.5 and 6.0 km/h), followed by five 15-second running intervals and a maximal exercise test to exhaustion, both at 13 km/h. We recorded relative oxygen uptake (rVO2) via ergospirometry and cardiac index (CI, cardiac output normalised to body surface area) via ICG simultaneously. CI and rVO₂ showed a strong concordant relationship (rs = 0.80; p < 0.001). The mean within-subject Pearson correlation of z-standardised values was r = 0.90 (SD = 0.07), indicating a concordant individual course for both methods. We observed a systematic divergence between the values during pauses (Δz ≈ +0.45) compared to marching phases (Δz ≈ −0.19); i.e., the cardiac index declined more slowly than oxygen uptake during pauses. CI values obtained via ICG showed a strong concordant relationship with ergospirometrically measured oxygen uptake and comparable temporal dynamics across all load stages. ICG thus represents a promising, non-invasive approach for continuous cardiovascular strain monitoring under realistic operational conditions.

Keywords: impedance cardiography; ergospirometry; oxygen uptake; cardiac index; military marching; physiological monitoring

Einleitung und Hintergrund

Die Überwachung der physiologischen Beanspruchung von Soldatinnen und Soldaten während militärischer Einsätze und Übungen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ein kontinuierliches Monitoring kann über eine individualisierte Trainingssteuerung zur Leistungsoptimierung ­beitragen, die Prävention sog. „non-battle injuries” und internistischer Erkrankungen unterstützen und im Verletzungsfall eine unmittelbare medizinische Einschätzung ermöglichen [3][5].

Die Ergospirometrie gilt als etablierte Referenzmethode zur Erfassung von Beanspruchung im Kontext der Arbeits- und Sportmedizin sowie der Leistungsphysiologie, da sie sowohl die aerobe Kapazität als auch den Energieumsatz auf respiratorischer Ebene erfasst [2]. Der praktische Einsatz der Ergospirometrie im Feld ist jedoch durch mehrere Faktoren limitiert:

• eingeschränktes Sichtfeld,
• Diskomfort für die tragende Person,
• Beeinträchtigung des Trink- und Essverhaltens sowie
• Fehlen eines unmittelbaren medizinischen Beurteilungsparameters.

Alternative feldtaugliche Ansätze stützen sich häufig allein auf die Herzfrequenz, die jedoch nur einen Teilaspekt der kardiovaskulären und metabolischen Beanspruchung widerspiegelt [1].

Die Impedanzkardiografie (ICG) bietet einen potenziell feldtauglichen, nicht-invasiven Ansatz zur kontinuierlichen kardiovaskulären Überwachung. Das Verfahren misst die thorakale elektrische Bioimpedanz mittels sechs Elektroden (zwei am Hals, vier am Thorax) [8]. Hierzu werden geringe, nicht wahrnehmbare Wechselströme durch den Thorax geleitet. Die Änderungen der Impedanz spiegeln Änderungen des aortalen Blutflusses wider. Aus diesen Impedanzsignalen lässt sich das Schlagvolumen ableiten; durch Multiplikation mit der Herzfrequenz ergibt sich das Herzzeitvolumen (Cardiac Output) [4]. Normiert auf die Körperoberfläche, resultiert der Cardiac Index (CI), der zentrale Parameter dieser Studie (Vgl. Abbildung 1).

Abb. 1: Von der Ableitung der Thoraximpedanz zum Cardiac Index (CI) (Bildrechte: L. Stratmann et al.;Abb. enthält Bildausschnitte aus den „Instructions For Attaching Leads“ (Manatec Biomedical/Physioflow). Verfügbar unter: physioflow.com/software.php [Letzter Zugriff: 1. September 2026])

Die vorliegende Untersuchung ist nach Kenntnis der Autoren die erste Studie, die ICG unter ballistischer Schutzausrüstung und bei hoher externer Zuladung unter militärtypischer Belastung einsetzt – ein praxisrelevanter Anwendungsfall für Feldstudien [7].

Ziel war es, die Eignung der ICG zur Erfassung der individuellen Beanspruchung während eines militärischen Marsches zu evaluieren und die physiologische Plausibilität der Methode im Vergleich zur Ergospirometrie zu beurteilen.

Methodik

Ethik

Die Studie wurde von der Landesärztekammer Rheinland-Pfalz ethisch positiv bewertet (Bearbeitungsnummer 2024–17745). Alle Teilnehmer erteilten eine schriftliche Einwilligungserklärung nach vorheriger ausführlicher Studieninformation.

Teilnehmer

21 gesunde männliche Soldaten nahmen an der Studie teil. Die anthropometrischen Merkmale sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tab. 1: Anthropometrische Daten der Studienteilnehmer (n = 21)

Ausrüstung

Die Teilnehmer trugen jeweils rund 32 kg Gesamtlast, bestehend aus einheitlicher Kampfbekleidung aus dem Kampfbekleidungssatz der Streitkräfte und realistischer Zuladung, die an der MOBAST-Schutzweste und am Hüftgurt verstaut war.

Protokoll

Das Protokoll bestand aus einem 6 km langen Laufbandmarsch im Messwiederholungsdesign bei zwei Geschwindigkeiten (4,5 km/h und 6,0 km/h), unterteilt in vier 1,5-km-Abschnitte (Q1–Q4). Im Anschluss folgten eine zweiminütige Pause und ein Intervalltest mit 5 Sprints über 15 s bei 13 km/h mit intermittierenden 15 s-Pausen. Nach dem fünften Sprint folgten eine zweiminütige Pause und ein Maximalbelastungstest bis zur Erschöpfung bei ebenfalls 13 km/h. Die Untersuchungen fanden bei standardisierten Umweltbedingungen in einer Klimasimulationskammer bei 25 °C und 60 % relativer Feuchte statt.

Messungen

Über das gesamte Protokoll wurden simultan die relative Sauerstoffaufnahme (rVO₂, ml/kg/min) mittels Ergospirometrie als Referenzmethode sowie der CI(l/min/m²) mittels ICG erfasst.

Geräte

Ergospirometrie: Metamax 3B (Cortex Biophysik GmbH, Leipzig, Deutschland) [9], Mittelungsintervall 5 Sekunden.

ICG: Physioflow Enduro PF-07 (Manatec Biomedical, Petit Ebersviller, Frankreich) [6], Mittelungsintervall 10 Sekunden.

Statistische Analyse

Die statistische Auswertung erfolgte mit SPSS Statistics, Version 29,0 (IBM Corp., Armonk, NY, USA). Zunächst wurde die Spearman-Rangkorrelation zwischen CI und rVO₂ über alle 9 Belastungsstufen (vgl. Tabelle 2) und Belastungsintensitäten berechnet, um den grundsätzlichen bivariaten Zusammenhang zu beurteilen. Die rangbasierte Spearman-Korrelation wurde aufgrund nicht normalverteilter Messwerte und ihrer Robustheit gegenüber Ausreißern gegenüber der Pearson-Korrelation bevorzugt. Anschließend wurden beide Messwerte z-standardisiert (zCI und zrVO₂), um Anpassungsreaktionen unabhängig von den Absolutwerten zu vergleichen. Zwischen den z-standardisierten Werten wurden anschließend Within-subject-Pearson-Korrelationen für jeden Teilnehmer berechnet. Zuletzt wurde die Differenz Δz = zCI − zrVO₂ je Belastungsstufe (Mittelwert, SD) ermittelt, um systematische Divergenzmuster zwischen den beiden Methoden zu identifizieren. Boxplot-Darstellungen (Abbildung 3) verwenden, abweichend von der tabellarischen Übersicht (Tabelle 2, Mittelwerte), den robusteren Median als Lagemaß.

Ergebnisse

Die Spearman-Korrelation zwischen CI und rVO₂ über alle 375 Messpaare (wiederholte Messungen der 21 Teilnehmer über den Studienverlauf) war hochsignifikant und stark ausgeprägt (rs(375) = 0,80; p < 0,001). Da die Messpaare aus wiederholten Messungen derselben Teilnehmer stammen und damit nicht vollständig unabhängig sind, kann der p-Wert dieser gepoolten Korrelation tendenziell zu klein ausfallen. Der Zusammenhang ist daher vor allem im Sinne eines starken gleichgerichteten Zusammenhangs zu interpretieren. Die LOESS-geglättete Trendlinie (LOESS: Locally Estimated Scatterplot Smoothing, Glättungsfaktor 50 %) bestätigte einen klaren, konsistenten positiven Zusammenhang zwischen CI und Sauerstoffaufnahme über das gesamte Belastungsspektrum hinweg (Abbildung 2).

Abb. 2: Spearman-Korrelation von CI und rVO₂; LOESS Trendlinie (Glättungsfaktor 50 %) (Bildrechte: L.Stratmann et al.)

Die z-standardisierten Mittelwerte beider Methoden zeigten über alle Belastungsstufen hinweg und bei beiden Marschgeschwindigkeiten einen sehr ähnlichen Verlauf. Es kam zu einem Anstieg mit zunehmender Belastungsintensität, einem Abfall während der Pausen und zu Höchstwerten beim Maximalbelastungstest (vgl. Tabelle 2). Die Streuung (± SD) nahm mit steigender Intensität deutlich zu, insbesondere während der Intervall- und Maximalbelastungsphasen.

Die mittlere Within-subject-Pearson-Korrelation zwischen zCI und zrVO₂ betrug r = 0,90 (SD = 0,07), was vor allem als Hinweis auf einen gleichgerichteten individuellen Verlauf zwischen ICG und Ergospirometrie zu werten ist. Tabelle 2 zeigt die Mittelwerte und Standardabweichungen der standardisierten Werte je Belastungsstufe: beide Signale beginnen niedrig, steigen über die Marschabschnitte an, fallen während der Pausen ab, erreichen während der Intervalle und des Maximalbelastungstests ihre Höchstwerte und zeigen anschließend eine Erholung.

Die Differenzwerte Δz (zCI − zrVO₂) lagen über alle Belastungsstufen hinweg im Median nahe null, was auf eine insgesamt gute Übereinstimmung beider Methoden hindeutet (Abbildung 3). Es zeigte sich jedoch ein systematisches Divergenzmuster: Während der Pausen betrug Δz ≈ +0,45 (gemittelt über Pause I und Pause II, vgl. Tabelle 2), d. h. der CI sank langsamer ab als die Sauerstoffaufnahme. Während der Marschphasen betrug Δz ≈ −0,19 (gemittelt über die Marschabschnitte Q1–Q4, vgl. Tabelle 2), d. h. die standardisierte Sauerstoffaufnahme lag geringfügig über dem standardisierten CI.

Diskussion

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die ICG individuelle Verläufe des CI mit hoher Verlässlichkeit abbildet und einen starken gleichgerichteten Zusammenhang mit der ergospirometrisch gemessenen Sauerstoffaufnahme sowie eine vergleichbare zeitliche Dynamik aufweist. Die hohe Within-subject-Korrelation (r = 0,90) ist dabei vor allem als Hinweis auf einen gleichgerichteten individuellen Verlauf zu werten und weniger als formaler Nachweis der Übereinstimmung oder Austauschbarkeit beider Methoden; dies spricht für eine gute individuelle Nachverfolgbarkeit des CI-Verlaufs durch ICG. Die geringere, jedoch weiterhin substanzielle Querschnittskorrelation (rs = 0,80) bestätigt die grundsätzliche physiologische Plausibilität des Verfahrens.

Da rs (Querschnittsanalyse aller Messpaare) und r (Within-subject-Analyse standardisierter Werte) methodisch unterschiedliche Fragestellungen beantworten, sind beide Koeffizienten nicht direkt miteinander vergleichbar. Angesichts des explorativen Charakters dieser Studie sollten die Ergebnisse in konfirmatorischen Folgeuntersuchungen – etwa mittels Repeated-Measures-Korrelation oder Mixed-Effects-Modellen – weiter abgesichert werden.

Bemerkenswert ist das systematische Divergenzmuster der Signale während der Pausenphasen. Entgegen der Erwartung, dass sich das Herzzeitvolumen schneller an veränderte Anforderungen anpasst als die Sauerstoffaufnahme, zeigte sich in den vorliegenden Daten das ­Gegenteil: rVO₂ reagierte rascher auf die Belastungsreduktion als CI [10]. Eine mögliche Erklärung liegt im vergleichsweise langen Mittelungsintervall der verwendeten ICG-Software von 10 s gegenüber dem kürzeren Mittelungsintervall von 5 s der Ergospirometrie, sodass die beobachtete Divergenz eher einem methodischen Artefakt als einem physiologischen Unterschied entsprechen könnte. Diese Annahme sollte in weiterführenden Untersuchungen mit höher aufgelösten Messintervallen überprüft werden.

Die zunehmende Streuung der z-standardisierten Werte bei hoher Belastungsintensität weist zudem auf eine wachsende interindividuelle Variabilität hin, die vermutlich durch unterschiedliche Fitnesslevel und individuelle physiologische Obergrenzen bedingt ist. Dies deutet darauf hin, dass absolute ICG-Werte bei Spitzenbelastungen zwischen Individuen weniger vergleichbar sind, während die individuelle zeitliche Dynamik weiterhin gut abgebildet wird.

Limitationen

Die Studie weist einige Einschränkungen auf. Zum einen nahmen ausschließlich männliche Soldaten teil, sodass die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Soldatinnen aufgrund abweichender Anthropometrie und kardiovaskulärer Reaktionsmuster nicht gesichert ist. Zum anderen kam es bei einzelnen Teilnehmern im Verlauf der Untersuchung, insbesondere bei vermehrtem Schwitzen in späteren Belastungsphasen, zu einem Einbruch der Ableitungsqualität des ICG-Signals, was während der laufenden Messung nicht korrigierbar war. Dies dürfte zumindest teilweise zu der beobachteten Zunahme der Standardabweichung (SD) in den späteren Belastungsstufen (vgl. Abbildung 3 und Tabelle 2) beigetragen haben und schränkt die Interpretierbarkeit der ICG-Messung bei hoher Belastungsintensität ein. Darüber hinaus wurde das Protokoll auf einem Laufband und damit unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt, sodass die Übertragbarkeit auf reale Geländemärsche mit unebenem Untergrund im Einsatz nur eingeschränkt möglich ist. Zudem stammen die 375 analysierten Messpaare aus wiederholten Messungen von n = 21 Teilnehmern und sind daher nicht vollständig unabhängig, was dazu führen kann, dass der p-Wert der gepoolten Spearman-Korrelation tendenziell zu klein ausfällt. Robustere Verfahren wie Repeated-Measures-Korrelationen oder Mixed-Effects-Modelle könnten dies in Folgestudien berücksichtigen. Schließlich ist die Stichprobengröße (n = 21) trotz ausreichender statistischer Aussagekraft für die Within-subject-Analyse relativ klein.

Abb.3: Boxplots der Differenzwerte Δz (zCI − zrVO2) je Belastungsstufe. Die Box zeigt den Interquartilsbereich (25.–75. Perzentil) mit dem Median als horizontale Linie, die Whisker den Wertebereich innerhalb des 1,5-fachen Interquartilsabstands. Kreise und Sterne kennzeichnen Ausreißer bzw. Extremwerte. (Bildrechte: L.Stratmann et al.)

Folgeuntersuchungen sollten insbesondere die Ursachen der beobachteten Divergenz während Ruhephasen im Kontext unterschiedlicher physiologischer Expositionen sowie bei variierenden Mittelungsintervallen der ICG-Software weiter aufklären.

Fazit

Die ICG zeigte in dieser explorativen Studie einen starken gleichgerichteten Zusammenhang mit der ergospirometrisch gemessenen Sauerstoffaufnahme (mittlere Within-subject-Korrelation r = 0,90; SD = 0,07) sowie vergleichbare zeitliche Verläufe über alle untersuchten Belastungsstufen hinweg. Damit zeigt sich die ICG als ein potenziell praktikables, nicht-invasives Verfahren zur Überwachung der physiologischen Beanspruchung bei der Erfüllung militärspezifischer Aufgaben. Die Gründe für die beobachtete, stärker ausgeprägte Divergenz während Pausenphasen sollten im Kontext unterschiedlicher physiologischer Expositionen weiter untersucht werden.

Militärische Implikationen

Unter realistischen Einsatzbedingungen ermöglicht ICG ein kontinuierliches, individuelles kardiovaskuläres Monitoring – mit geringerer Beeinträchtigung von Sichtfeld, subjektivem Anstrengungsempfinden und Bewegungsfähigkeit im Vergleich zur Ergospirometrie. Dies spricht für die weitere Erprobung der Methode als eine Möglichkeit für feldtaugliches Beanspruchungsmonitoring.

Kernaussagen

• Die Impedanzkardiografie (ICG) wurde erstmalig unter militärischer Schutzausstattung bei Belastungsbedingungen in einer Studie eingesetzt.
• Der durch ICG ermittelte Cardiac Index korrelierte individuell hoch mit der ergospirometrisch ermittelten Sauerstoffaufnahme (r = 0,90).
• Die Dynamik des Cardiac Index und der relativen Sauerstoffaufnahme war über alle Belastungsstufen hinweg vergleichbar.
• ICG ist ein vielversprechendes, nicht-invasives Verfahren für das kontinuierliche Beanspruchungsmonitoring bei militärischen Belastungen.
• Künftige Studien sollten Soldatinnen, größere Stichproben sowie unterschiedliche militärische Belastungsformen und Geländebedingungen einschließen, um die Übertragbarkeit zu gewährleisten.

Literatur

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8. Sherwood A, Allen MT, Fahrenberg J, Kelsey RM, Lovallo WR, Van Doornen LJP. Methodological guidelines for impedance cardiography. Psychophysiology 1990;27(1):1–23. mehr lesen
9. Vogler AJ, Rice AJ, Gore CJ. Validity and reliability of the cortex metamax3b portable metabolic system. J. Sports Sci. 2010;28(7):733–742. mehr lesen
10. Yoshida T, Yamamoto K, Udo M. Relationship between cardiac output and oxygen uptake at the onset of exercise. Eur. J. Appl. Physiol. 1993;66(2):155–160. mehr lesen

Erklärung zum Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Finanzierung

Das Vorhaben wurde als Sonderforschungsvorhaben durch den Sanitätsdienst der Bundeswehr mit Bundesmitteln durchgeführt.

Manuskriptdaten

Zitierweise

Stratmann L, Rohde U, Hoffmann MA. Impedanzkardiografie zur Erfassung individueller physiologischer Beanspruchung – Vergleich mit spiroergometrischen Messgrößen. WMM 2026;70(11):534-539.

DOI: https://doi.org/10.48701/opus4-997

Für die Verfasser

Oberstabsarzt Leonard Stratmann

Klinik IA für Innere Medizin

Bundeswehrzentralkrankenhaus Koblenz

Rübernacher Str. 170, 56072 Koblenz

E-Mail: leonardstratmann@bundeswehr.org

Manuscript Data

Citation

Stratmann L, Rohde U, Hoffmann MA. [Impedance Cardiography for Monitoring Individual Physiological Strain – Comparison with Spiroergometric Measures]. WMM 2026;70(11):534-539.

DOI: https://doi.org/10.48701/opus4-997

For the Authors

Major (MC) Leonard Stratmann

Department IA of Internal Medicine

Bundeswehr Central Hospital Koblenz

Rübernacher Str. 170, D-56072 Koblenz

E-Mail: leonardstratmann@bundeswehr.org