La variabilità della frequenza cardiaca (HRV) ha due storie. In Occidente nasce dall’osservazione di un parroco sul respiro e passa per i laboratori di fisiologia e i reparti di cardiologia, fino a uno standard del 1996 che ogni dispositivo indossabile segue ancora. In Unione Sovietica nasce dalla medicina spaziale, una storia raccontata nella pagina HRV e medicina spaziale sovietica: breve storia. Questa pagina segue la linea occidentale, soprattutto come l’ha esposta George Billman nella sua revisione storica del 2011 (Billman, 2011).
Prima dell’ECG: un polso che segue il respiro
I medici sentono il polso fin dall’antichità, ma non potevano misurarne i tempi. Billman fa risalire le prime misure accurate del polso al 1707, quando andò in vendita un orologio con una lancetta dei secondi che si Indice di stress di Baevsky Un valore senza unità di misura, ricavato dall'istogramma degli intervalli tra i battiti. Sale quando il ritmo diventa più regolare e meno variabile, cosa che Baevsky leggeva come tensione nella regolazione dell'organismo. Approfondisci: Indice di stress di Baevsky poteva fermare, l’«orologio per il polso del medico». Con questo strumento il reverendo Stephen Hales, ecclesiastico e sperimentatore inglese, notò nel 1733 che il polso cambiava con il respiro. Quel ritmo, il cuore che accelera quando si inspira e rallenta quando si espira, è l’ aritmia sinusale respiratoria Aritmia sinusale respiratoria Il normale aumento della frequenza cardiaca quando inspiri e il suo calo quando espiri. Dipende dal nervo vago e costituisce buona parte della HRV a riposo. Approfondisci: Aritmia sinusale respiratoria (RSA), e resta la parte più grande della HRV a breve termine.
Carl Ludwig, fisiologo tedesco, la registrò nel 1847 con il suo chimografo, un tamburo rotante che tracciava pressione arteriosa e respirazione su carta affumicata. La ricostruzione storica di Gernot Ernst colloca in quella registrazione la probabile scoperta della HRV (Ernst, 2017). L’ elettrocardiogramma ECG Una registrazione dell'attività elettrica del cuore, ottenuta con elettrodi sulla pelle. Gli intervalli RR ricavati dall'ECG sono il metodo di riferimento per misurare la HRV. Approfondisci: ECG seguì nel 1895 (Billman, 2011), e fece di ogni battito un picco netto sulla carta. Per i sessant’anni successivi, però, misurare a mano gli intervalli tra migliaia di battiti era un lavoro enorme che nessuno aveva motivo di fare.
Gli anni 1960: i computer e i nascituri
Negli anni 1960 cambiarono due cose. L’elaborazione digitale del segnale rese possibile misurare ogni battito in una registrazione lunga, e i medici trovarono un motivo per interessarsene. Nel 1965 Hon e Lee riferirono che la sofferenza fetale era preceduta da cambiamenti negli intervalli tra i battiti, prima che cambiasse la frequenza cardiaca media RR medio Il tempo medio tra i battiti in una registrazione, in millisecondi. La frequenza cardiaca è lo stesso valore capovolto: 60.000 diviso per l'RR medio. Approfondisci: RR medio . Billman lo considera il primo uso clinico della HRV. L’idea che la variazione porti informazioni che la media nasconde è la radice di tutto il campo.
Negli anni 1970 la stessa idea arrivò agli adulti. La HRV fu usata per individuare danni ai nervi che controllano il cuore nelle persone con diabete, e fu collegata alla sopravvivenza dopo un infarto (Billman, 2011). Entrambi gli usi si basavano su una lettura semplice: un cuore che non varia più è un cuore che ha perso il controllo nervoso.
Dal 1981 al 1987: lo spettro e i sopravvissuti
1981, lo spettro. Solange Akselrod e colleghi al MIT pubblicarono su Science un breve articolo che mostrava come l’analisi dello spettro di potenza delle fluttuazioni della frequenza cardiaca potesse separare per frequenza i contributi del sistema nervoso. Il sistema simpatico Sistema nervoso simpatico Il ramo «attacco o fuga» del sistema nervoso autonomo. Accelera il cuore e lo fa pompare con più forza, ma agisce troppo lentamente per determinare le variazioni della HRV da un battito all'altro. Approfondisci: Sistema nervoso simpatico e quello parasimpatico Sistema nervoso parasimpatico Il ramo «riposo e digestione» del sistema nervoso autonomo. Rallenta il cuore, soprattutto tramite il nervo vago, e determina gran parte della variazione battito a battito della HRV. Approfondisci: Sistema nervoso parasimpatico davano contributi specifici per frequenza allo spettro, e il sistema renina-angiotensina, un sistema ormonale che regola la pressione arteriosa, determinava il picco lento vicino a 0,04 Hz (Akselrod e colleghi, 1981). Billman lo elenca tra gli studi pionieristici dopo i quali il campo crebbe rapidamente. È all’origine delle bande LF Potenza LF La varianza degli intervalli tra i battiti nella banda da 0,04 a 0,15 Hz, in ms²: ritmi con un periodo da 7 a 25 secondi. Un tempo letta come attività simpatica, lettura oggi contestata. Approfondisci: Potenza LF (bassa frequenza), HF Potenza HF La varianza degli intervalli tra i battiti compresa nella banda da 0,15 a 0,40 Hz, in ms²: la fascia di frequenze della respirazione normale. Riflette soprattutto l'attività vagale quando si respira da 9 a 24 volte al minuto. Approfondisci: Potenza HF (alta frequenza) e VLF Potenza VLF La varianza degli intervalli tra i battiti nella banda da 0,003 a 0,04 Hz, in ms²: ritmi con un periodo da 25 secondi a 5 minuti. Richiede almeno 5 minuti di registrazione e si legge meglio su 24 ore. Approfondisci: Potenza VLF (frequenza molto bassa) che compaiono nella schermata avanzata della tua app.
1986, il rapporto. Massimo Pagani e colleghi a Milano analizzarono 57 persone sane sdraiate, inclinate in posizione quasi eretta, con la respirazione guidata da un metronomo e in terapia con beta-bloccanti, più cani coscienti con i nervi simpatici cardiaci recisi. Individuarono due picchi principali, uno ad alta frequenza vicino a 0,25 Hz e uno a bassa frequenza vicino a 0,1 Hz, e proposero il rapporto tra i due come indicatore del bilancio simpatovagale Rapporto LF/HF La potenza LF divisa per la potenza HF, senza unità di misura. Era stato proposto come indicatore del bilancio tra sistema simpatico e parasimpatico, ma la ricerca mostra che non riesce a misurarlo in modo affidabile. Approfondisci: Rapporto LF/HF : circa 3,6 a riposo, circa 21 durante l’inclinazione in posizione quasi eretta (Pagani e colleghi, 1986). Il rapporto LF/HF divenne il valore più citato e, più tardi, il più discusso della HRV; la voce del glossario su LF/HF ne spiega il motivo.
1987, i sopravvissuti. Robert Kleiger e colleghi analizzarono i nastri Holter di 24 ore di 808 persone sopravvissute a un infarto, registrati circa 11 giorni dopo. Di tutto ciò che fu misurato, la HRV, definita come la deviazione standard di tutti gli intervalli tra battiti normali, aveva il legame più forte con la morte nei 31 mesi successivi. Chi aveva un SDNN SDNN La deviazione standard di tutti gli intervalli NN di una registrazione, in millisecondi. Misura la variabilità complessiva e il suo valore dipende molto dalla durata della registrazione. Approfondisci: SDNN inferiore a 50 ms aveva una probabilità di morire pari a 5,3 volte quella di chi superava i 100 ms, e il legame restava valido dopo aver tenuto conto di quanto bene il cuore pompasse (Kleiger e colleghi, 1987). Questo studio fece della HRV uno strumento della cardiologia ed è ancora il numero che si cita per primo; la pagina HRV e longevità: gli studi sulla mortalità lo inquadra nel contesto.
1996: gli standard
A metà degli anni 1990 centinaia di articoli usavano decine di definizioni. Nel 1996 un gruppo di lavoro (Task Force) della Società Europea di Cardiologia e della North American Society of Pacing and Electrophysiology pubblicò standard condivisi: le misure nel dominio del tempo (SDNN, RMSSD RMSSD Radice quadrata della media dei quadrati delle differenze successive: misura della HRV, in ms, di quanto ogni intervallo tra battiti differisce dal successivo. Riflette soprattutto l'attività vagale. Approfondisci: RMSSD , pNN50 pNN50 Percentuale di intervalli NN contigui che differiscono per più di 50 millisecondi. Segue le variazioni rapide di origine vagale, come il RMSSD, ma come quota e non come ampiezza. Approfondisci: pNN50 e altre), le bande di frequenza ( ULF Potenza ULF La varianza degli intervalli tra i battiti sotto 0,003 Hz, in ms²: ritmi più lenti di un ciclo ogni 5 minuti, compreso il ciclo giorno-notte. Si misura solo con una registrazione di 24 ore. Approfondisci: Potenza ULF , VLF, LF, HF), registrazioni di 5 minuti e di 24 ore, e la regola che contano solo i battiti normali, con i battiti ectopici Battito ectopico Un battito che nasce fuori dal pacemaker naturale del cuore e di solito arriva in anticipo. È comune, ma altera la HRV se non viene eliminato o corretto. Approfondisci: Battito ectopico rimossi prima (Task Force, 1996). Ernst osserva che dal 1996 la maggior parte delle misurazioni e dei calcoli ha seguito questi standard. Quando l’anello riporta il RMSSD della notte, usa una definizione scritta per nastri ospedalieri di 24 ore.
Approfondisci Che cosa hanno stabilito gli standard e che cosa no
La Task Force stabilì definizioni, unità e regole di registrazione, e diede letture caute di ciò che ogni misura significa: RMSSD e HF come soprattutto vagali, LF come una miscela con un contributo del baroriflesso, e il rapporto LF/HF come un indice approssimativo di equilibrio. Non stabilì valori normali per la popolazione generale, il significato della VLF, né se la LF misuri davvero l’attività simpatica. Quelle discussioni attraversarono i due decenni successivi, e le voci del glossario del sito sulla potenza LF e sulla potenza HF riportano a che punto sono.
Dopo il 1996: misure non lineari, atleti e dispositivi indossabili
Misure non lineari. I ricercatori presero in prestito strumenti dalla fisica per descrivere la forma della serie di battiti anziché la sua dispersione: analisi delle fluttuazioni detrendizzate DFA α1 L'esponente di scala a breve termine dell'analisi delle fluttuazioni detrendizzate. Vicino a 1, i battiti hanno memoria a ogni scala; vicino a 0,5 si comportano come rumore. α2 è la stessa pendenza su tratti più lunghi. Approfondisci: DFA α1 , entropia, diagrammi di Poincaré. Nel 2015 un documento di consenso congiunto di gruppi di cardiologia europei e dell’area Asia-Pacifico le passò in rassegna e concluse che queste misure avevano approfondito la comprensione tecnica del segnale, ma avevano avuto un successo limitato nel produrre nuovi strumenti clinici (Sassi e colleghi, 2015).
Allenamento guidato dalla HRV. Già negli anni 2000 i ricercatori di scienze dello sport usavano la HRV per osservare come gli atleti reggevano il carico. Nel 2007 uno studio finlandese trasformò la misurazione del mattino in una decisione: 26 uomini moderatamente allenati furono divisi in un gruppo con programma fisso, un gruppo guidato dalla HRV che correva forte solo quando la HRV del mattino era ai valori abituali o in aumento, e un gruppo di controllo. Entrambi i gruppi di allenamento diventarono più veloci, e il gruppo guidato dalla HRV portò il consumo di ossigeno di picco da 56 a 60 ml/kg/min (Kiviniemi e colleghi, 2007). La pagina HRV e allenamento: usarla per guidare le sedute segue questo filone.
Dispositivi indossabili. Le fotocamere dei telefoni, le fasce toraciche abbinate alle app e poi anelli e orologi hanno portato un valore di HRV notturno a milioni di persone dagli anni 2010. La loro precisione varia: rispetto a un ECG medico, una combinazione di fascia e app era entro circa il 4% sul RMSSD e un anello entro circa il 7%, mentre un’app che usa la fotocamera del telefono sbagliava di oltre il 100% (Stone e colleghi, 2021). Le misure sono quelle della Task Force; i sensori sono nuovi. La pagina Come misurare la HRV: sensori, tempi, precisione spiega in che cosa differiscono.
Le due linee si incontrano
La linea sovietica partì separatamente all’inizio degli anni 1960, con Parin e Baevsky che usavano gli intervalli tra battiti per giudicare come i cosmonauti reggessero lo stress, e produsse misure proprie come l’indice di stress. Dagli anni 1990 studi congiunti di ricercatori russi, americani e tedeschi sulla Mir e sulla Stazione Spaziale Internazionale hanno unito le due tradizioni, e le rassegne russe citano gli articoli occidentali visti sopra. Questa storia è raccontata nella pagina HRV e medicina spaziale sovietica: breve storia.