Come studiare la HRV: una guida per chi fa ricerca

Questa guida è per chi pianifica uno studio o una sperimentazione che usa la variabilità della frequenza cardiaca (HRV) come misura: un compito di stress in laboratorio, un esame o giorni di registrazione continua nella vita quotidiana. Si 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 chiude con una lista di controllo da seguire prima, durante e dopo la raccolta dei dati. Come leggere gli articoli sulla HRV lo spiega la lezione Come leggere studi sulla HRV e test dei dispositivi; questa pagina spiega come condurre uno studio.

Che cosa può indicare la HRV e che cosa no

La HRV è la variazione del tempo tra un battito e il successivo. Le misure usate dalla maggior parte degli studi sullo stress vengono da registrazioni brevi e riflettono soprattutto l’azione del nervo vago nervo vago Nervo vago Il nervo principale del sistema nervoso parasimpatico, che va dal tronco encefalico al cuore, ai polmoni e all'intestino. I suoi segnali rapidi al cuore determinano la maggior parte della HRV da battito a battito. Approfondisci: Nervo vago , il «freno» parasimpatico 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 che rallenta il cuore:

• RMSSD 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 , la radice quadrata della media dei quadrati delle differenze successive: quanto ogni intervallo tra due battiti differisce dal successivo, in millisecondi.
• lnRMSSD lnRMSSD lnRMSSD Il logaritmo naturale del RMSSD, senza unità di misura. Il logaritmo riduce la dispersione dei valori del RMSSD e rende più facile confrontare e analizzare le variazioni da un giorno all'altro. Approfondisci: lnRMSSD , il logaritmo naturale del RMSSD, che avvicina la sua distribuzione asimmetrica a una normale.
• Potenza HF Potenza 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), la variabilità alle frequenze del respiro, da 0,15 a 0,4 Hz nella definizione del gruppo di lavoro (Task Force) della Società Europea di Cardiologia e della North American Society of Pacing and Electrophysiology (Task Force, 1996).
• Aritmia sinusale respiratoria 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), l’accelerazione del cuore a ogni inspirazione e il rallentamento a ogni espirazione, che la potenza HF e il RMSSD in gran parte colgono.

Laborde e colleghi (2017) trattano queste misure come espressione del tono vagale cardiaco tono vagale cardiaco Tono vagale L'influenza continua del nervo vago sul cuore, che lo rallenta. Di solito si stima da misure della variabilità della frequenza cardiaca (HRV) come il RMSSD e la potenza HF. Approfondisci: Tono vagale e raccomandano di analizzarne una sola come principale: il RMSSD, una misura della RSA da picco a valle o la potenza HF. Shaffer e Ginsberg (2017) descrivono le basi di ciascuna.

Ciò che la HRV non indica è lo stress in sé. Una revisione del 2018 su 37 studi ha rilevato che la HRV cambiava in risposta allo stress nella maggior parte di essi, e il risultato più frequente era una minore attività parasimpatica (Kim e colleghi, 2018). Lo stesso calo si osserva dopo altri carichi. In circa 9 milioni di misurazioni mattutine raccolte da un’app per telefono, la HRV è scesa dopo il consumo di alcol, gli allenamenti intensi e le malattie, il che ha portato gli autori a definirla un indicatore sensibile ma non specifico dello stress (Altini e Plews, 2021).

Quattro fattori fanno variare la HRV indipendentemente dallo stress, e un disegno deve tenere conto di ciascuno:

• Respirazione. La frequenza e la profondità del respiro cambiano la RSA e la potenza HF, e possono così fare da fattore confondente quando le si usa come misure del tono vagale (Grossman e Taylor, 2007).
• Postura e movimento. Alzarsi in piedi, parlare e camminare cambiano la HRV. Grossman e Taylor descrivono la RSA come «profondamente influenzata» dall’attività fisica del momento, il che può falsare le stime del tono vagale.
• Frequenza cardiaca. Ogni misura comune della HRV aumenta quando l’intervallo tra i battiti si allunga, quindi un cuore più veloce tende a mostrare meno variabilità. De Geus e colleghi (2019) sostengono che la HRV non sia né semplicemente né uniformemente un sostituto della frequenza cardiaca, e chiudono con indicazioni per riportare le due insieme.
• Il rapporto LF/HF rapporto LF/HF 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 . Non misura un «equilibrio» tra i rami simpatico e parasimpatico (Billman, 2013). Non usarlo come indice di stress.

Tre disegni di studio

Tutti e tre i disegni condividono quelle che Laborde e colleghi (2017) chiamano le tre R della HRV: riposo (la fase basale), reattività (il cambiamento dalla fase basale all’evento) e recupero (il cambiamento dall’evento al periodo successivo).

Uno stressore di laboratorio: fase basale, compito, recupero

Il disegno più controllato porta le persone in laboratorio, registra una fase basale a riposo, applica uno stressore e registra il recupero. Lo stressore più noto è il Trier Social Stress Test (TSST): circa 10 minuti di preparazione, poi 10 minuti di discorso libero e calcolo mentale davanti a un pubblico. In sei studi ha fatto salire la frequenza cardiaca e ha portato il cortisolo salivare a valori pari a due-quattro volte quelli basali (Kirschbaum e colleghi, 1993). Si usano anche compiti più semplici, come il solo calcolo aritmetico a tempo o il lavoro al computer con stressori mentali aggiunti. In uno studio di questo tipo, 12 donne hanno svolto due volte lo stesso lavoro al computer, una volta con gli stressori aggiunti. La potenza HF è risultata più bassa nella sessione stressante che in quella di controllo ed è risalita in parte durante 8 minuti di riposo, mentre la pressione arteriosa in quel tempo non è tornata al livello di riposo (Hjortskov e colleghi, 2004).

1. Adattamento almeno 5 min
2. Linea di base 5 min
3. Preparazione 10 min
4. Discorso e aritmetica 10 min
5. Recupero almeno 10 min
6. Riposo
7. Reattività
8. Recupero

Una linea del tempo di cinque fasi, proporzionate alla loro durata: assestamento di almeno 5 minuti, fase basale di 5 minuti, preparazione di 10 minuti, discorso e calcolo di 10 minuti e recupero di almeno 10 minuti. Una seconda riga le raggruppa: il riposo comprende assestamento e fase basale, la reattività comprende la preparazione e il discorso con il calcolo, e il recupero comprende l’ultima fase.

Quanto devono durare le fasi:

• Assestamento. Laborde e colleghi (2017) chiedono che le persone mantengano la postura del test per almeno 5 minuti prima dell’inizio della fase basale. La posizione abituale è da seduti, con le ginocchia ad angolo retto.
• Fase basale. Cinque minuti sono lo standard a breve termine (Task Force, 1996). Jennings e colleghi (1992), che hanno misurato frequenza cardiaca e pressione arteriosa in 48 giovani uomini, osservano che nemmeno 20 minuti di riposo garantiscono una fase basale stabile, e hanno giudicato accettabilmente stabili le fasi basali a riposo di 10 minuti. La loro fase basale «vanilla», un semplice compito di riconoscimento dei colori poco impegnativo, ha dato risultati pari o migliori rispetto al semplice riposo.
• Finestre del compito. Il lnRMSSD su 1 minuto ha una buona affidabilità (Laborde e colleghi, 2017). La potenza HF richiede almeno circa 1 minuto e la potenza LF potenza 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 circa 2 (Task Force, 1996). Confronta finestre della stessa durata: i valori ricavati da registrazioni di durata diversa non sono intercambiabili (Shaffer e Ginsberg, 2017).
• Recupero. Nessuna linea guida ne fissa la durata, quindi scegline una abbastanza lunga da vedere il ritorno e dichiarala in anticipo. La pressione arteriosa può impiegare più tempo della HRV: nello studio di Hjortskov, la HRV era in parte risalita dopo 8 minuti di riposo, ma la pressione arteriosa non era tornata ai valori di riposo.

Parlare cambia la respirazione, quindi la HRV durante un discorso riflette in parte il discorso stesso: registra la respirazione e leggi la finestra del discorso con cautela. Una sessione di controllo con gli stessi tempi e la stessa postura ma senza stressore, in ordine controbilanciato, separa l’effetto dello stressore da quello di restare seduti 40 minuti in laboratorio.

Uno stressore della vita reale: gli esami

Gli esami sono uno stressore che gli studenti affrontano comunque, senza alcuna manipolazione da parte dei ricercatori. Non si può assegnare a caso chi sostiene un esame né quando, quindi ogni partecipante fa da controllo a sé stesso: si misura la stessa persona alla stessa ora del giorno, nella stessa postura, in giorni con e senza esame.

1. Settimane prima Linea di base a riposo, a ora e posizione fisse
2. Giorno prima Misura serale, poi il sonno della notte
3. Giorno dell’esame Prima, durante se possibile, e dopo
4. Giorni dopo Misure di recupero
5. Settimane dopo Una seconda linea di base, lontano dagli esami

Una fila di cinque punti su una linea: settimane prima, una misurazione basale a riposo a un’ora e in una postura stabilite; il giorno prima, una misurazione serale e poi il sonno notturno; il giorno dell’esame, evidenziato, con misurazioni prima, durante se possibile e dopo; giorni dopo, misurazioni di recupero; settimane dopo, una seconda misurazione basale lontano dagli esami.

Ogni punto risponde a una domanda diversa. La misurazione basale di settimane prima fa da riferimento. La sera e la notte precedenti mostrano l’effetto dell’attesa e come ha dormito la persona, e il sonno di per sé fa variare la HRV. Le misurazioni subito prima, durante e dopo l’esame danno reattività e recupero. Una seconda misurazione basale settimane dopo, lontano dagli esami, separa l’esame dai cambiamenti lenti nel corso di un semestre o di una stagione, dato che una sola misurazione basale consente soltanto un confronto prima e dopo.

Tre studi mostrano la gamma dei disegni. Lucini e colleghi (2002) hanno esaminato studenti universitari poco prima di un esame e di nuovo 3 mesi dopo, durante le vacanze. Il giorno dell’esame l’intervallo tra i battiti era più breve, la pressione arteriosa più alta, una misura normalizzata a bassa frequenza più alta e il guadagno del baroriflesso guadagno del baroriflesso Baroriflesso Il riflesso che stabilizza la pressione arteriosa battito dopo battito tramite la frequenza cardiaca. Il suo ritardo innato la fa oscillare ogni 10 secondi circa: il ritmo a 0,1 Hz della potenza LF. Approfondisci: Baroriflesso più basso, e il cortisolo salivare era di 5,6 contro 2,4 ng/mL. Dimitriev e colleghi (2016) hanno registrato per 5 minuti, in posizione sdraiata, 96 studenti in due giorni diversi, una volta a riposo e una volta subito prima di un esame orale. Prima dell’esame la frequenza cardiaca era in media di 83 contro 72 battiti al minuto, e il SD1 SD1 SD1 e SD2 Due misure della dispersione dei punti in un diagramma di Poincaré, in millisecondi. SD1 è la larghezza e segue la variabilità a breve termine, come il RMSSD; SD2 è la lunghezza e segue la variabilità complessiva. Approfondisci: SD1 e SD2 , l’equivalente del RMSSD nel diagramma di Poincaré diagramma di Poincaré Diagramma di Poincaré Grafico a dispersione di ogni intervallo tra due battiti rispetto al successivo, in ms su entrambi gli assi. La forma della nuvola di punti mostra subito la variabilità a breve termine e complessiva. Approfondisci: Diagramma di Poincaré , di 26 contro 36 ms. Il calo del SD1 è rimasto anche dopo la correzione statistica per la frequenza cardiaca, mentre quelli del SDNN 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 e della potenza HF no. Hammoud e colleghi (2018) hanno monitorato 90 studenti per 4 ore, 1 prima, 2 durante e 1 dopo un esame finale, senza alcuna registrazione in un giorno più tranquillo. Il SDNN raggiungeva il valore più alto nell’ora successiva all’esame, e il RMSSD era più alto dopo l’esame che durante. La frequenza cardiaca toccava il valore più alto nell’ora precedente l’esame, trascorsa nelle consuete attività che precedono una prova, e il più basso durante l’esame.

Giorni di registrazione continua con marcatori di eventi e diari

Il disegno più realistico registra ogni battito per uno o più giorni mentre le persone svolgono le loro attività di tutti i giorni. Gli eventi si annotano in due modi: con marcatori di eventi, la pressione di un pulsante o un inserimento nell’app nel momento in cui qualcosa accade, e con la valutazione ecologica momentanea (EMA), brevi questionari sul telefono, più volte al giorno, su umore, preoccupazione, attività o caffeina.

Battiti da una fascia ECG

Movimento

Marcatori di eventi

Richieste del diario

Sonno

Giorno 1Giorno 2Giorno 3

Cinque corsie su tre giorni, con le notti in ombra. La corsia dei battiti è una linea continua, più alta durante le notti. La corsia del movimento ha barre di altezza variabile di giorno e nessuna di notte. La corsia dei marcatori di eventi ha qualche segno verticale ogni giorno. La corsia del diario ha cinque punti ogni giorno, circa ogni tre ore dalla mattina alla sera. La corsia del sonno ha un blocco ogni notte.

Due studi mostrano che cosa può far emergere questo disegno. Brosschot e colleghi (2007) hanno fatto tenere a 52 persone sane un diario orario per un giorno mentre un elettrocardiogramma 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 (ECG) ambulatoriale registrava il cuore. Stressori e preoccupazione si accompagnavano a una frequenza cardiaca più alta e a una HRV più bassa durante la veglia, gli effetti si protraevano nel sonno della notte seguente, e la durata della preoccupazione mediava l’effetto degli stressori. Verkuil e colleghi (2016) hanno fatto un passo in più con 32 persone: una breve calibrazione ha stabilito come il RMSSD di ciascuna calasse con il movimento, e nelle 24 ore successive si sono cercati periodi di almeno 7,5 minuti in cui il RMSSD calava più di quanto il movimento spiegasse. Quei periodi si accompagnavano a preoccupazione, umore meno positivo e più tensione, ma non al numero di eventi stressanti riferiti.

Il movimento è il problema principale dei dati della vita quotidiana. L’attività fisica cambia molto la RSA (Grossman e Taylor, 2007): un disegno che registra il movimento può distinguere una risposta allo stress da una passeggiata, mentre uno che non lo fa rischia di misurare quanto fossero attive le persone.

La catena di misura

Ogni valore di HRV di uno studio passa per la stessa catena. Un errore in qualsiasi passaggio si ripercuote sulla statistica.

1. 1 Sensore Fascia toracica ECG o Holter; orologio o anello PPG
2. 2 Intervalli RR Il tempo tra un battito e l’altro, in ms
3. 3 Correzione degli artefatti Trovare, correggere e contare i battiti errati
4. 4 Finestre Meno di 5 min, 5 min o 24 h
5. 5 Misure RMSSD, lnRMSSD, potenza HF
6. 6 Statistica Variazione nella stessa persona, modelli misti

Tenere costante o registrare respirazione, postura, ora del giorno, caffeina, alcol, esercizio recente, fase del ciclo mestruale, farmaci

Sei passaggi numerati in fila: sensore, una fascia toracica ECG o un Holter, oppure un orologio o anello PPG; intervalli RR, il tempo tra i battiti in millisecondi; correzione degli artefatti, individuare, correggere e contare i battiti errati; finestre, meno di 5 minuti, 5 minuti o 24 ore; misure, RMSSD, lnRMSSD e potenza HF; statistica, cambiamento nella stessa persona e modelli misti. Sotto di essi, una banda elenca ciò che va tenuto costante o registrato: respirazione, postura, ora del giorno, caffeina, alcol, esercizio recente, fase del ciclo mestruale e farmaci.

Sensore

Un ECG colloca nel tempo ogni battito in base all’onda R, il picco netto del segnale elettrico del cuore, ed è il riferimento per la HRV; la Task Force (1996) indica come campo ottimale da 250 a 500 campioni al secondo. Una fascia toracica è un ECG a derivazione singola e funziona bene per le sessioni di laboratorio e per i giorni di registrazione; un Holter clinico aggiunge derivazioni e revisione battito per battito. Orologi e anelli usano la fotopletismografia fotopletismografia PPG Metodo ottico che manda luce nella pelle e registra la pulsazione del sangue a ogni battito. La maggior parte degli orologi, degli anelli e delle app con la fotocamera del telefono lo usa per stimare la HRV. Approfondisci: PPG (PPG), che misura invece i tempi dell’onda di polso nella pelle. Una revisione di studi che confrontavano i due metodi ha giudicato abbastanza accurate a riposo le misure ricavate dalle pulsazioni, ma attività fisica e alcuni stressori mentali peggioravano la concordanza, spesso in misura inaccettabile (Schäfer e Vagedes, 2013). Per un compito di stress è una scelta poco adatta; la pagina Orologio o fascia toracica? La PPG e i valori di HRV passa in rassegna gli errori passo per passo.

Intervalli RR e correzione degli artefatti

Il sensore fornisce una serie di intervalli RR serie di intervalli RR Tacogramma Grafico a linea degli intervalli tra i battiti in ordine di tempo, un punto per battito, in ms. Mostra la variabilità della frequenza cardiaca (HRV) come una linea ondulata, non come un solo valore. Approfondisci: Tacogramma , i tempi tra battiti successivi. Battiti mancati, battiti in più e battiti ectopici 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 (battiti anticipati che non nascono dal pacemaker naturale del cuore pacemaker naturale del cuore Nodo senoatriale Il pacemaker naturale del cuore: un piccolo gruppo di cellule da cui parte ogni battito normale. Lasciato a sé, genera circa 100 impulsi al minuto; a riposo il nervo vago mantiene la frequenza più bassa. Approfondisci: Nodo senoatriale ) falsano le misure, e le registrazioni brevi ne risentono più di quelle lunghe. I metodi di correzione eliminano, interpolano o filtrano i battiti errati, e la scelta cambia i valori di HRV; di quanto dipende dal contesto, dal metodo, dalla misura, dalle persone e dalla durata della registrazione (Peltola, 2012). Scegli il metodo e una soglia di esclusione per la quota di battiti corretti prima di vedere i risultati, e riporta la quota di battiti corretti in ogni registrazione. La pagina Artefatti e battiti in più: perché la HRV sbaglia mostra che aspetto hanno gli errori.

Finestre

• Ultra-brevi, meno di 5 minuti. In 3387 adulti a riposo, un solo ECG di 10 secondi dava già un RMSSD valido, e 2 minuti concordavano quasi perfettamente con registrazioni da 4 a 5 minuti; il RMSSD reggeva meglio del SDNN a ogni durata (Munoz e colleghi, 2015). Questo valeva a riposo; una finestra del compito deve comunque stare dentro il compito.
• Brevi, lo standard di 5 minuti (Task Force, 1996).
• Lunghe, nominalmente 24 ore, che colgono il ritmo giorno-notte ritmo giorno-notte Ritmo circadiano L'orologio di 24 ore del corpo. Di notte la frequenza cardiaca è più bassa e la HRV vagale più alta che di giorno: le misurazioni sono confrontabili solo se fatte alla stessa ora. Approfondisci: Ritmo circadiano e si usano per misure diverse (Task Force, 1996).

Usa una sola durata di finestra per ogni confronto.

Misure

Per le finestre brevi le misure nel dominio del tempo, come il RMSSD, sono la scelta più sicura. Il RMSSD era valido già da 10 secondi a riposo (Munoz e colleghi, 2015), mentre la potenza HF richiede circa un minuto (Task Force, 1996), e il RMSSD è meno legato della potenza HF alla respirazione (Laborde e colleghi, 2017). La potenza HF presuppone che la frequenza respiratoria frequenza respiratoria Frequenza respiratoria Quanti respiri fai al minuto. Da sola fa variare la HRV: un respiro più lento e profondo amplia l'oscillazione tra i battiti, che sotto circa 9 respiri al minuto passa dalla banda HF alla LF. Approfondisci: Frequenza respiratoria resti dentro la sua banda: sotto circa 9 respiri al minuto (0,15 Hz) l’onda del respiro passa nella banda LF, ed è così che la respirazione lenta gonfia la potenza LF. La lezione Analisi in frequenza, senza confusione lo spiega passo per passo, e la lezione RMSSD, SDNN e lnRMSSD spiegati illustra le misure nel dominio del tempo.

Controlli

Laborde e colleghi (2017) elencano ciò che va tenuto costante o registrato prima di una sessione:

• Sonno. Una notte di sonno regolare prima della sessione, annotando gli orari abituali in cui si va a letto e ci si sveglia.
• Esercizio. Nessun allenamento intenso il giorno prima. Dopo l’esercizio il freno vagale ritorna per fasi, nei primi 90 minuti e poi nell’arco di un massimo di 48 ore (Stanley e colleghi, 2013).
• Cibo e bevande. Nessun pasto, caffè, tè o altra bevanda con caffeina nelle 2 ore precedenti, e nessun alcol nelle 24 ore precedenti.
• Ora del giorno. La stessa ora per ogni sessione e per ogni partecipante.
• Postura. La stessa postura per tutto il tempo, mantenuta per almeno 5 minuti prima della fase basale.
• Respirazione. Registrala invece di imporne il ritmo. Laborde e colleghi sconsigliano di correggere di routine la HRV per la respirazione quando le persone respirano al proprio ritmo. Osservano che la respirazione guidata può modificare la potenza HF in modi difficili da prevedere e può interferire con un compito, e chiedono ai ricercatori di verificare che la respirazione resti tra 9 e 24 respiri al minuto, la banda HF.
• Farmaci. Annota ogni farmaco che agisce sul cuore.
• Ciclo mestruale. Una metanalisi di 37 studi e 1004 persone ha rilevato un’attività vagale più bassa nella fase luteale che in quella follicolare (d = −0,39) e raccomanda di registrare o controllare la fase del ciclo (Schmalenberger e colleghi, 2019).

Ogni valore successivo viene confrontato con la misurazione nella fase basale a riposo che queste regole producono, quindi applica alla fase basale lo stesso rigore che applichi al compito.

HRV continua con marcatori di eventi

Una giornata di finestre da 5 minuti è difficile da leggere così com’è, perché ci sono dentro tutte le cose accadute quel giorno. La media agganciata agli eventi allinea le finestre attorno a ogni marcatore di uno stesso tipo, da un certo tempo prima del marcatore a un certo tempo dopo, e ne fa la media. L’effetto dell’evento sulla HRV si somma da un evento all’altro; ciò che accade in momenti casuali si annulla nella media. È la stessa idea della risposta evocata mediata nell’EEG, applicata alla frequenza cardiaca.

Una registrazione, tre marcatori

Allineati al marcatore e mediati

Prima Marcatore Dopo

Media

Due grafici. Il primo è una linea ondulata su sei ore con tre linee verticali di marcatore; dopo ogni marcatore la linea scende e risale lentamente, e una banda in ombra copre da 30 minuti prima a 90 minuti dopo ciascun marcatore. Il secondo grafico ha una linea verticale di marcatore a un quarto della larghezza, con un’area in ombra prima, tre linee sottili e una spessa. Tutte le linee sono piatte prima del marcatore, calano subito dopo e risalgono nel resto del grafico. Le etichette dicono prima, marcatore e dopo.

Prova con tre giornate inventate di una persona che studia nella settimana degli esami. La vista dell’intera giornata mostra frequenza cardiaca e RMSSD con ogni esame, passeggiata e caffè segnati. Scegli un marcatore per agganciarvi le finestre.

Allineare le finestre ai marcatori

Un modello didattico, non una registrazione

Mostra

Giornate intere Inizio esame Fine esame Passeggiata Caffè

RMSSD in finestre di 5 minuti (ms) Esame Passeggiata Caffè

204060

Frequenza cardiaca (bpm)

6080100

Giorno 1Giorno 2Giorno 3

Finestre d’esame

28 ms

Tutte le altre finestre

38 ms

Altre finestre, senza passeggiate

42 ms

Frequenza cardiaca e RMSSD, r

−0,89

Nei tre giorni le finestre d’esame hanno in media 28 ms contro 38 ms di tutte le altre, 27% al di sotto. Togliendo le passeggiate e i 45 minuti successivi a ciascuna, le altre finestre hanno in media 42 ms, e le finestre d’esame risultano 34% al di sotto. Le passeggiate abbassano l’RMSSD perché il corpo si muove, e così nascondevano parte dell’effetto dell’esame. La correlazione sull’intera giornata tra frequenza cardiaca e RMSSD, r = −0,89, mescola passeggiate ed esami in un solo numero.

RMSSD in finestre di 5 minuti (ms) Singoli eventi Media

204060

Frequenza cardiaca (bpm)

6080100

30 min prima Marcatore 90 min dopo

30 minuti prima

39 ms

Prima ora dopo

28 ms

Variazione

−29%

Allineato a «Inizio esame» e mediato su 3 eventi: l’RMSSD era 39 ms nei 30 minuti prima e 28 ms nella prima ora dopo, 29% al di sotto. Il calo inizia prima del marcatore, mentre lo studente aspetta, e dura quanto l’esame.

I pulsanti funzionano con JavaScript attivo.

Due grafici a linee con tre giornate affiancate: in alto l’RMSSD in millisecondi, in basso la frequenza cardiaca in battiti al minuto, un punto ogni 5 minuti. Bande ombreggiate segnano tre esami di 90 minuti e sei passeggiate di 45 minuti; punti segnano sei caffè. Una fila di pulsanti passa a una vista allineata all’evento, che allinea le finestre da 30 minuti prima a 90 minuti dopo ogni marcatore scelto, disegna ogni evento come linea sottile e la loro media come linea spessa, con il livello dei 30 minuti precedenti come linea tratteggiata. Indicatori e una frase danno i numeri della vista mostrata.

Il widget illustra tre punti che valgono anche per i dati reali:

• Un confronto sull’intera giornata mescola tutto il resto. Confrontare le finestre degli esami con tutte le altre finestre porta nel confronto le passeggiate, che abbassano il RMSSD perché il corpo si muove. Nel modello la differenza aumenta quando le passeggiate vengono escluse.
• Una correlazione sull’intera giornata è soprattutto movimento. Su tutte le finestre, frequenza cardiaca e RMSSD sono fortemente correlati, perché camminare li fa variare entrambi. Il numero fonde passeggiate ed esami e dice poco sia delle une sia degli altri.
• Eventi diversi hanno forme diverse. La passeggiata dà un calo profondo e breve; l’esame uno più piccolo che comincia prima del marcatore e dura quanto l’esame; il caffè, a cui il modello non attribuisce alcun effetto, resta piatto, anche se i singoli eventi di caffè oscillano comunque di qualche millisecondo. Quell’oscillazione è il motivo per cui un solo evento non basta.

In uno studio reale:

• Sincronizza gli orologi dell’ECG, dell’accelerometro e del telefono prima di registrare, e controllali alla fine.
• Registra i marcatori in tempo reale con un pulsante o un’app, e riconciliali con il diario in seguito. Un marcatore aggiunto dopo, a memoria, è preciso quanto la memoria.
• Fissa il tratto agganciato e la fase basale prima dell’analisi, per esempio da 30 minuti prima a 90 minuti dopo il marcatore, con i 30 minuti precedenti come fase basale.
• Segnala il movimento. Usa l’accelerometro o la frequenza cardiaca per contrassegnare le finestre con attività fisica, come hanno fatto Verkuil e colleghi (2016), e analizzale a parte oppure tienine conto con una correzione statistica.
• Tieni visibili i singoli eventi. Una media può nascondere un evento andato nella direzione opposta, o una passeggiata caduta dentro il tratto.
• Calcola la media prima entro ciascuna persona, poi tra le persone, oppure lascia che lo faccia un modello a effetti misti.

Analisi

Effetti nella stessa persona ed effetti tra persone

Le misurazioni ripetute portano due tipi di informazione: come le persone differiscono tra loro in media (tra persone) e come ciascuna cambia da un’occasione all’altra (nella stessa persona). I due effetti possono andare in direzioni opposte.

RMSSD (ms)

Minuti in movimento all’ora

• Persona A
• Persona B
• Persona C
• Tra persone: pendenza in salita
• In ogni persona: pendenza in discesa

Un grafico a dispersione del RMSSD in millisecondi rispetto ai minuti di movimento nell’ora. Tre gruppi di sei punti, uno per persona: la persona A con poca attività e RMSSD basso, la persona B nel mezzo, la persona C con molta attività e RMSSD alto. Una linea tratteggiata che passa per i tre centri dei gruppi sale da sinistra a destra. Dentro ogni gruppo, una linea continua del colore della persona scende da sinistra a destra.

L’esempio è inventato. Nei dati reali, un tratto che differisce tra le persone, come la forma fisica, può spingere in un senso mentre l’attività del momento nella stessa persona spinge nell’altro. Curran e Bauer (2011) mostrano come i dati longitudinali permettano di separare i due effetti, e osservano che molti studi non lo fanno. Grossman e Taylor (2007) formulano la versione HRV dello stesso punto: nella stessa persona la RSA e il controllo vagale sono spesso strettamente legati, mentre tra persone il legame può essere modesto.

La soluzione abituale è la centratura sulla media della persona: dividi ogni predittore ripetuto nella media della persona, che rappresenta l’effetto tra persone, e nella differenza di ciascuna occasione da quella media, che rappresenta l’effetto nella stessa persona. Inserisci entrambe nel modello.

Misure ripetute e modelli a effetti misti

Un modello a effetti misti, detto anche modello multilivello, è una regressione che dà a ogni persona una propria intercetta e, se serve, proprie pendenze, attorno alla media del gruppo. Usa ogni finestra, gestisce persone con un numero diverso di finestre o con finestre mancanti e stima insieme gli effetti nella stessa persona e quelli tra persone (Curran e Bauer, 2011). L’ANOVA a misure ripetute ne è un caso particolare che richiede dati completi e bilanciati. Per i dati agganciati agli eventi, le finestre sono annidate negli eventi, e gli eventi nelle persone.

Trasformazione logaritmica del RMSSD

Il RMSSD ha una distribuzione asimmetrica verso destra, e Laborde e colleghi (2017) raccomandano una trasformazione con il logaritmo naturale prima dell’analisi. Una differenza di lnRMSSD è vicina a un cambiamento proporzionale: una differenza di 0,10 corrisponde a una variazione di circa il 10%.

Cambiamento normalizzato rispetto alla fase basale

Reattività e recupero possono essere riportati come cambiamento assoluto o percentuale rispetto alla fase basale (Laborde e colleghi, 2017). Sulla scala logaritmica, la differenza rispetto alla fase basale è già un cambiamento proporzionale. Per confrontare gruppi, come un intervento contro un controllo, Vickers e Altman (2001) raccomandano come approccio generale l’analisi della covarianza: il valore al follow-up come esito, con il valore basale come covariata, invece di un semplice punteggio di cambiamento.

Frequenza cardiaca e respirazione

Riporta la frequenza cardiaca accanto a ogni risultato sulla HRV. De Geus e colleghi (2019) chiudono la loro revisione con indicazioni provvisorie su come riportare i dati, che riconoscono quanto siano strettamente legate la media e la variabilità dell’intervallo tra i battiti. Se correggi la HRV per la frequenza cardiaca, riporta il risultato con e senza la correzione. Registra la frequenza respiratoria in ogni finestra e indica se è rimasta dentro la banda HF.

Confronti multipli

Il software per la HRV riporta decine di misure, e uno studio ha più finestre e più fasi. Se le sottoponi tutte a test, qualcosa emergerà per caso. Indica in anticipo un solo esito primario, come il lnRMSSD dalla fase basale al compito. Per gli esiti secondari, controlla il tasso di false scoperte (false discovery rate), la quota attesa di falsi positivi tra i risultati dichiarati significativi (Benjamini e Hochberg, 1995), e definisci esplorativa ogni analisi scelta dopo aver visto i dati.

Dimensione del campione e dimensioni dell’effetto

Basa la dimensione del campione su un’analisi della potenza statistica con una dimensione dell’effetto ricavata da dati pilota o da disegni pubblicati simili. Lakens (2013) spiega come le dimensioni dell’effetto differiscano tra disegni entro i soggetti e tra i soggetti: in un disegno entro i soggetti la dimensione dell’effetto può includere la correlazione tra le misure ripetute, e Lakens sostiene che ciò si addice alle domande sul cambiamento nelle persone. Per farti un’idea di quanto spesso un effetto di una data dimensione emerga dalla variabilità da un giorno all’altro, prova l’esperimento della lezione Che cosa fa variare la HRV: i fattori principali.

Preregistrazione

Preregistrare significa mettere per iscritto le domande di ricerca e il piano di analisi prima di osservare i risultati, così da distinguere le previsioni messe alla prova dagli schemi trovati a posteriori (Nosek e colleghi, 2018). Per uno studio sulla HRV, registra la misura primaria, le finestre, le regole sugli artefatti artefatti Artefatto Un errore nella registrazione dei battiti, come un battito mancato, in più o collocato nel momento sbagliato, spesso per il movimento o lo scarso contatto del sensore. Può falsare molto la HRV. Approfondisci: Artefatto e la soglia di esclusione, le covariate e il modello. Le sperimentazioni cliniche vanno iscritte in un registro come ClinicalTrials.gov; gli esempi più avanti mostrano come vi compaiono gli esiti sulla HRV.

Che cosa hanno osservato gli studi pubblicati

Stress da esame

I due studi sugli esami che hanno confrontato l’esame con un periodo più tranquillo concordano nel dire che il cuore batteva più veloce prima dell’esame. Lucini e colleghi (2002) hanno osservato prima dell’esame, rispetto a 3 mesi dopo, un intervallo più breve tra i battiti, una pressione arteriosa più alta, una misura normalizzata a bassa frequenza più alta e un cortisolo più alto. Dimitriev e colleghi (2016) hanno rilevato subito prima dell’esame un SD1 più basso di circa il 29% e una potenza HF più bassa di circa il 45% rispetto al riposo, con una frequenza cardiaca più alta di circa 11 battiti al minuto. Hammoud e colleghi (2018) non avevano un giorno più tranquillo con cui confrontare, ma hanno rilevato il valore più alto del SDNN nell’ora successiva all’esame. I loro dati mostrano anche come il contesto confonda il quadro: la frequenza cardiaca toccava il valore più basso durante l’esame stesso, e la misura normalizzata HF raggiungeva allora il valore più alto. I campioni erano studenti di una sola università ciascuno, misure, posture e finestre differivano e nessuno studio seguiva un protocollo comune, quindi la dimensione dell’effetto resta da stabilire.

Stressori di laboratorio

Il TSST fa salire in modo affidabile frequenza cardiaca e cortisolo (Kirschbaum e colleghi, 1993), e nello studio di Hjortskov e colleghi (2004) la potenza HF era più bassa durante il lavoro al computer con stressori mentali aggiunti che durante lo stesso lavoro senza. Una metanalisi che ha combinato 12 articoli, con 758 volontari sani in totale, ha rilevato una potenza HF più bassa e un rapporto LF/HF più alto durante lo stress mentale acuto che a riposo (Castaldo e colleghi, 2015). Gli autori lo interpretano come attivazione simpatica e ritiro parasimpatico; il risultato sulla HF è coerente con una riduzione dell’attività vagale, mentre la parte sul rapporto LF/HF poggia su un rapporto che non misura l’ attività simpatica attività simpatica 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 (Billman, 2013).

Revisioni e metanalisi su stress e HRV

Kim e colleghi (2018) hanno passato in rassegna 37 pubblicazioni dal 2007 al 2017 che usavano la HRV come misura oggettiva dello stress psicologico e hanno rilevato che la HRV cambiava con lo stress nella maggior parte di esse, il più delle volte come minore attività parasimpatica. Nonostante il titolo, la revisione riassume gli studi uno per uno e non combina le dimensioni dell’effetto, quindi non offre alcuna cifra complessiva. Insieme a Castaldo e colleghi (2015), le prove sostengono la HRV come misura della risposta dell’organismo allo stress nei gruppi. Non sostengono la lettura del valore di una singola persona come livello di stress.

Linee guida per la stesura dei resoconti

• La Task Force (1996) ha fissato le definizioni, le bande di frequenza e le durate di registrazione che la maggior parte dei lavori successivi usa.
• Laborde e colleghi (2017) danno raccomandazioni per pianificare, analizzare e riportare esperimenti sulla HRV in psicofisiologia; gran parte di questa pagina le segue.
• GRAPH (Quintana e colleghi, 2016) è una lista di controllo per i resoconti in quattro ambiti: chi ha partecipato, come sono stati raccolti i battiti, come sono stati preparati i dati e come è stata calcolata la HRV.
• Quigley e colleghi (2024) presentano linee guida di pubblicazione per gli studi su frequenza cardiaca e HRV in psicofisiologia, a partire dalla fisiologia e dai fondamenti della misura.

La lezione Come leggere studi sulla HRV e test dei dispositivi mostra come verificare un articolo con GRAPH.

Sperimentazioni registrate con la HRV come esito

Le iscrizioni nei registri descrivono che cosa uno studio prevede di misurare, non che cosa ha rilevato. Quattro voci su ClinicalTrials.gov mostrano come gli studi sullo stress e sugli esami impostano gli esiti sulla HRV:

• NCT06138457, lo studio ECOSTRESS (Ospedale universitario di Clermont-Ferrand): uno studio osservazionale su studenti di medicina che confronta la HRV nelle 24 ore del giorno di un esame clinico oggettivo strutturato (OSCE) con quella del giorno di un esame scritto tradizionale e di un giorno di controllo. La HRV è l’esito primario; sono previsti 100 studenti ed è in corso il reclutamento.
• NCT05380076 (Università Claude Bernard): 490 studenti di medicina sono stati assegnati a 6 minuti di mindfulness, mobilitazione delle risorse interiori, biofeedback cardiaco o un video di controllo prima di un OSCE. L’esito primario è la HRV rilevata da un sensore delle pulsazioni all’orecchio durante quei 6 minuti, il che ne fa una misura basata sulle pulsazioni. Lo studio è concluso.
• NCT02708979, StrEat (Università di Copenaghen): studenti misurati una settimana prima di un esame e di nuovo a quattro-cinque settimane di distanza dagli esami, con la HRV da un test respiratorio di un minuto come esito secondario. Il suo stato è sconosciuto.
• NCT05570721 (Università della Carolina del Nord a Chapel Hill): 41 donne di mezza età hanno svolto il TSST, con il RMSSD a riposo prima del compito e a 0, 10 e 20 minuti dopo come esiti secondari. Lo studio è concluso.

Una lista di controllo

Prima della raccolta dei dati

• Scrivi l’ipotesi in termini vagali, con una misura primaria (di solito il lnRMSSD), le sue finestre e il confronto.
• Fissa le regole sugli artefatti, la soglia di esclusione, le covariate e il modello, e preregistrali.
• Scegli un sensore ECG per compiti e vita quotidiana; se devi usare la PPG, verificala con un ECG nel tuo contesto.
• Stabilisci ora e postura della sessione, e pianifica una sessione di controllo o una seconda misurazione basale.
• Dai ai partecipanti le istruzioni su sonno, esercizio, cibo, caffeina e alcol, e prevedi di registrare farmaci e fase del ciclo mestruale.
• Calcola la dimensione del campione a partire da una dimensione dell’effetto nella stessa persona.

Durante la raccolta dei dati

• Lascia che ogni persona si assesti per almeno 5 minuti, poi registra una fase basale di 5 minuti nella stessa postura.
• Registra la respirazione e lascia che le persone respirino al proprio ritmo.
• Sincronizza gli orologi e registra i marcatori in tempo reale; annota tutto ciò che si discosta dal protocollo, come un caffè, una passeggiata o una telefonata.
• Osserva il segnale e annota lacune o tratti disturbati man mano che si presentano.

Dopo la raccolta dei dati

• Ispeziona ogni registrazione, correggi gli artefatti secondo la regola preregistrata, riporta la quota di battiti corretti e applica la soglia di esclusione.
• Calcola le misure in finestre della stessa durata e applica il logaritmo al RMSSD.
• Stima un modello a effetti misti con termini nella stessa persona e tra persone; riporta frequenza cardiaca e respirazione accanto alla HRV.
• Controlla il tasso di false scoperte per gli esiti secondari e definisci esplorative le analisi scelte dopo aver visto i dati.
• Riporta secondo GRAPH e Laborde e colleghi (2017), e condividi i dati dei battiti e il codice dove il consenso lo consente.

Usare gli strumenti di hrv.expert

• L’analizzatore HRV legge molte registrazioni insieme e scrive un unico CSV con tutte le misure. Corregge gli artefatti con le regole del sito o con i livelli di soglia di Kubios, riporta la quota di battiti corretti in ogni registrazione e scrive un paragrafo sui metodi con i riferimenti bibliografici per l’articolo. Le registrazioni sono analizzate nel browser e non viene caricato nulla. La pagina dei metodi elenca ogni algoritmo, l’articolo a cui si rifà e come sono stati verificati i suoi risultati.
• Il convertitore RR trasforma i file esportati da Garmin (FIT), dall’app Salute di Apple, da Polar o da Movesense in semplici file di intervalli RR intervalli RR Intervallo RR Il tempo da un battito del cuore al successivo, misurato in millisecondi tra le onde R di un ECG. La HRV si calcola a partire da una serie di questi intervalli. Approfondisci: Intervallo RR , CSV o testo Kubios, con un rapporto sulla qualità di ogni registrazione.