Hartslagdynamiek: PPG-meting, herstelkinetiek en autonome regulatie

Niveauaanduiding: VWO 4 of 5 — passend bij het domein Regulatie (autonome zenuwstelsel, hormonen, homeostase, cardiovasculaire fysiologie).

Inleiding

De hartslagfrequentie is een fysiologisch signaal dat de integratie van het autonome zenuwstelsel, de hormoonhuishouding en de cardiovasculaire capaciteit weergeeft. Na inspanning herstelt de hartslag met een tweefasige exponentiële kinetiek: een snelle parasympathisch gedomineerde fase (τ₁ ≈ 1 min) gevolgd door een langzamere sympathisch-hormonale fase (τ₂ ≈ 10–20 min). In dit practicum kwantificeert u deze kinetiek, bepaalt u de tijdconstantes via lineaire regressie op de logaritmische herstelcurve en interpreteert u de resultaten vanuit de autonome regulatie.

Leerdoelen

Na afloop van dit practicum kunt u:

• de PPG-methode beschrijven en de fysiologische basis van het meetsignaal uitleggen;
• een exponentiële herstelcurve kwantificeren via logaritmische linearisatie;
• een tweefasige exponentiële kinetiek onderscheiden en de twee tijdconstantes bepalen;
• de bijdrage van parasympathicus en sympathicus aan de hartslagherstelkinetiek beschrijven;
• een foutenpropagatie uitvoeren voor de tijdconstante τ.

Achtergrondinformatie

De fotoplethysmografie (PPG) berust op de absorptie van licht door hemoglobine in de bloedvaten van de vingertop. Elke hartslag stuurt een bolus bloed door de capillairen, waardoor de lichtabsorptie periodiek toeneemt. De camera registreert de helderheidsverandering; de periode tussen opeenvolgende pieken geeft de hartcyclustijd T en daarmee HF = 60/T (bpm).

De hartslagherstelkinetiek na inspanning wordt beschreven door:

HF(t) = HF_rust + A₁·e^(−t/τ₁) + A₂·e^(−t/τ₂)

De eerste term (τ₁ ≈ 1 min) reflecteert de snelle parasympathische heractivering via de n. vagus. De tweede term (τ₂ ≈ 15 min) reflecteert de langzame verwijdering van catecholaminen (adrenaline, noradrenaline) uit de bloedbaan. Voor schoolpractica is de tweecomponenten-analyse soms te complex; een enkelvoudige exponentiële fit op de eerste 5 minuten is dan een goede benadering.

Bij logaritmische linearisatie: ln(HF − HF_rust) = ln(A) − t/τ. De richtingscoëfficiënt is −1/τ.

Benodigde laboratoriumapparatuur

• smartphone met Phyphox-app (camera-PPG);
• stopwatch;
• optioneel: gecalibreerde pulsoximeter voor ijking van de PPG-methode.

Veiligheid

Leerlingen met hartaandoeningen, astma of andere relevante aandoeningen overleggen vooraf met de docent. Standaardinspanning: 3 minuten squats of snel traplopen. Stop onmiddellijk bij klachten. Kijk niet direct in de ingeschakelde flitser.

Werkwijze

Deel 1 — PPG-ijking

1. Open Phyphox → Camera. Leg de wijsvinger zachtjes op de lens; flitser moet aanstaan.
2. Meet de rusthartslag gedurende 2 minuten. Noteer alle individuele waarden per 15 seconden.
3. Bereken het gemiddelde en de standaardafwijking σ_HF.
4. Vergelijk indien beschikbaar met een pulsoximeter. Bereken de systematische afwijking.

Deel 2 — Herstelcurve

1. Voer 3 minuten intensieve inspanning uit (squats, traplopen).
2. Stop. Meet de hartslag elke 30 seconden gedurende 15 minuten. Gebruik Phyphox met intervalmeting (30 s per meting).
3. Noteer t (s) en HF (bpm).

Dataverwerking

1. Bereken HF(t) − HF_rust. Plot ln(HF − HF_rust) vs t.
2. Pas een lineaire fit toe op de eerste 3 minuten (τ₁-fase) en op de periode 5–15 minuten (τ₂-fase).
3. Bepaal τ₁ en τ₂ uit de twee richtingscoëfficiënten.
4. Voer een foutenpropagatie uit voor τ₁.

Verwerkingsvragen

1. Beschrijf het fysiologische mechanisme achter het PPG-signaal. Welke eigenschap van hemoglobine maakt de meting mogelijk?
2. Leid de logaritmische linearisatie af: laat zien dat ln(HF − HF_rust) lineair is in t voor een enkelvoudige exponentiële herstelcurve.
3. Bepaal τ₁ en τ₂ uit uw grafieken. Vergelijk met literatuurwaarden (τ₁ ≈ 1 min, τ₂ ≈ 10–20 min).
4. Beschrijf de neurochemische mechanismen achter τ₁ en τ₂. Welke neurotransmitters en hormonen zijn betrokken?
5. Voer de foutenpropagatie uit voor τ₁. Welke meetonzekerheid domineert: σ_HF of σ_t?
6. Een getrainde atleet heeft τ₁ ≈ 0,5 min. Wat zegt dit over zijn parasympathische tone? Hoe hangt dit samen met zijn rusthartslag?

Uitwerkingen

1. PPG-mechanisme:
   Hemoglobine absorbeert licht in het groen-gele bereik (peak bij ≈ 540 nm). Oxygemoglobine en deoxyhaemoglobine hebben vergelijkbare absorptie bij groen licht. Bij elke hartslag neemt het bloedvolume in de capillairen van de vingertop toe, waardoor de lichtabsorptie stijgt en de reflectie daalt. De camera registreert deze periodieke helderheidsverandering; de FFT of piekdetectie geeft de HF.
2. Logaritmische linearisatie:
   HF(t) − HF_rust = A·e^(−t/τ). Neem de natuurlijke logaritme: ln(HF − HF_rust) = ln A − t/τ. Dit is een lineaire functie van t met richtingscoëfficiënt −1/τ en y-asafsnijding ln A.
3. τ₁ en τ₂:
   Uit de grafiek: de ln-plot vertoont twee verschillende hellingen. De steilere helling (fase 0–3 min) geeft −1/τ₁; de flauwe helling (5–15 min) geeft −1/τ₂. Literatuurwaarden τ₁ ≈ 1 min, τ₂ ≈ 10–20 min; schoolresultaten liggen vaak bij τ₁ = 1–3 min en τ₂ = 8–20 min.
4. Neurochemische mechanismen:
   τ₁: snelle parasympathische heractivering. De n. vagus zendt acetylcholine naar de sinusknoop, dat via M₂-receptoren de If-stroom vermindert en de hartslagfrequentie verlaagt. τ₂: langzame klaring van catecholaminen (adrenaline via bijniermerg, noradrenaline via sympathische uiteinden) uit de bloedbaan. De halfwaardetijd van adrenaline in het plasma is circa 2 minuten; volledige klaring duurt langer.
5. Foutenpropagatie τ₁:
   σ_τ = σ_r.c./r.c.². Bij σ_HF = 3 bpm en HF − HF_rust ≈ 50 bpm: σ_lnHF = 3/50 = 0,06. Over 3 datapunten in 3 minuten: σ_r.c. ≈ 0,06/√3 × (1/1,5) ≈ 0,023 min⁻¹. τ₁ ≈ 1 min → σ_τ₁ ≈ 0,023 min. De hartslagmeetfout domineert; meer metingen per tijdstap verlagen σ_τ.
6. Atleet met τ₁ = 0,5 min:
   Een lage τ₁ duidt op een sterk basale parasympathische tone (vagale tone). Bij getrainde atleten is de parasympathische invloed op het hart chronisch verhoogd, wat ook hun lage rusthartslag verklaart. Een hogere vagale tone leidt tot snellere initiële hartslagherstel na inspanning.

Achtergrond

De hartslagvariabiliteit (HRV) — de variatie in de tijdsintervallen tussen opeenvolgende hartslagen — is een gevoeliger maat voor de autonome balans dan de HF alleen. Een hoge HRV duidt op een goede parasympathische tone en is geassocieerd met een betere cardiovasculaire gezondheid. Moderne smartwatches en fitness-apps gebruiken de PPG-methode om HRV continu te monitoren als indicator voor herstel, stress en slaapkwaliteit. De tijdconstante τ₁ die in dit practicum wordt bepaald, is direct gerelateerd aan de HRV-parameter rMSSD die in klinisch en sportonderzoek wordt gebruikt.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert pulsoximeters, bloeddrukmeetapparaten en fysiologisch onderwijsmateriaal voor practica in het voortgezet onderwijs.

Bekijk het assortiment biologie artikelen of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.