Orologio o fascia toracica? La PPG e i valori di HRV

Il diagramma qui sotto allinea i due segnali per gli stessi battiti: in alto l’ 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) di una fascia toracica, in basso 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) di un orologio.

1. Tempo di transito: la pulsazione arriva al polso una frazione di secondo dopo l’onda R.
2. Il tempo di transito cambia con la respirazione e la pressione arteriosa, quindi un intervallo PP non è una copia esatta del suo intervallo RR.
3. Dispersione dei tempi: un’onda arrotondata si può collocare nel tempo al suo piede, alla salita più ripida o al picco, e ognuno dà un istante del battito leggermente diverso.
4. Bassa frequenza di campionamento: a 25 campioni al secondo il sensore vede un punto ogni 40 ms, quindi l’istante del picco viene arrotondato.

Due tracciati, uno sopra l’altro, per gli stessi battiti. Quello in alto è un ECG con un’onda R alta e netta per ogni battito; le parentesi tra le onde R sono etichettate «intervallo RR». Quello in basso è una PPG con un’onda di polso morbida e arrotondata per ogni battito. Ogni pulsazione inizia poco dopo la sua onda R, e questo ritardo, il tempo di transito del polso, è un po’ diverso a ogni battito. Su una pulsazione un’area colorata copre il piede, la salita più ripida e il picco, i punti che un rilevatore può usare come istante del battito. Su un’altra pulsazione, alcuni punti indicano i campioni presi da un sensore lento, a 40 ms l’uno dall’altro, nessuno esattamente sul picco. Le parentesi tra i picchi delle pulsazioni sono etichettate «intervallo PP».

Molti 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 chiedono se un orologio o un anello misuri la variabilità della frequenza cardiaca (HRV) bene quanto una fascia toracica. La risposta breve è che a riposo i valori sono vicini, mentre peggiorano appena ti muovi. Questa pagina spiega perché, passo per passo: come un dispositivo indossabile trasforma gli impulsi di luce in un elenco di intervalli tra i battiti, dove entra l’errore di temporizzazione a ogni passaggio e quali valori della HRV quell’errore altera di più. È l’approfondimento dietro il confronto di come si misura la HRV. Per l’onda di polso in sé e per le altre cose che misura un sensore PPG, parti da PPG: come il tuo orologio legge il polso.

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Due segnali da un solo battito

Una fascia toracica è un piccolo ECG. Due elettrodi captano l’onda elettrica che attraversa il muscolo cardiaco subito prima che si contragga. Sul tracciato ogni battito produce un picco alto e stretto, l’onda R, che sale e scende in pochi centesimi di secondo. La sua cima è facile da collocare nel tempo, quindi l’intervallo tra un’onda R e la successiva, l’ intervallo RR intervallo 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 , è una registrazione precisa di quando si è attivato il 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 (il gruppo di lavoro, o Task Force, della Società Europea di Cardiologia e della North American Society of Pacing and Electrophysiology, 1996).

Un orologio o un anello usa la PPG, un sensore ottico. Una luce illumina la pelle e un fotodiodo misura quanta ne torna indietro. Quando un battito spinge sangue nei piccoli vasi sotto il sensore, viene assorbita un po’ più luce, e il sensore vede una gobba arrotondata per ogni battito. L’intervallo tra una gobba e l’altra è l’intervallo da pulsazione a pulsazione (PP), e la variazione di questi intervalli è la variabilità della frequenza del polso variabilità della frequenza del polso Variabilità della frequenza del polso Variazione del tempo tra una pulsazione e la successiva, misurata otticamente da orologi, anelli e fotocamere del telefono. A riposo segue da vicino la HRV, ma se ne allontana col movimento. Approfondisci: Variabilità della frequenza del polso (PRV).

Per la temporizzazione contano tre differenze:

• La pulsazione arriva più tardi. L’onda di pressione deve lasciare il cuore e percorrere le arterie. In 32 adulti in posizione reclinata, il tempo dall’onda R al piede della pulsazione era 126 ms all’orecchio e 269 ms al dito (Block e colleghi, 2020). Il polso sta a metà strada, quindi un orologio vede probabilmente ogni pulsazione da circa 150 a 300 ms dopo l’onda R, a seconda della persona e del punto misurato sulla pulsazione. Questo intervallo è una nostra stima, non un valore misurato.
• Il ritardo cambia. Il tempo di transito si accorcia quando la pressione sale e si allunga quando scende (Mukkamala e colleghi, 2015), e oscilla con il respiro. Durante la respirazione guidata in 15 persone sane, la variazione massima del tempo di transito andava da 7 a 23 ms a seconda della persona (Drinnan e colleghi, 2001). Quei millisecondi finiscono negli intervalli PP, ma il cuore non li ha mai prodotti.
• La pulsazione ha una cima arrotondata. L’onda R sale e scende in poche decine di millisecondi. L’onda di polso impiega circa un decimo di secondo solo per salire, e la sua cima è larga e piatta. Collocare nel tempo una cima larga è più difficile che collocare un picco stretto.

Passo per passo: dalla luce al valore di HRV

Ogni dispositivo indossabile esegue una versione di questa catena. I produttori non ne pubblicano i dettagli, quindi considera i passaggi come il metodo generale, non quello di un prodotto in particolare.

Il diagramma qui sotto mostra i sette passaggi, numerati come i titoli che seguono, con ciò che può andare storto in ciascuno.

1. 1 Luce in ingresso, segnale grezzo in uscita Un LED illumina la pelle e un fotodiodo legge la luce che torna indietro. Qui si perde precisione: Un cinturino allentato, la luce del giorno, la pelle fredda o l’inchiostro scuro di un tatuaggio possono ridurre l’oscillazione fino a lasciarla appena sopra il rumore del sensore stesso.
2. 2 Campionamento Il sensore legge un valore a istanti fissi, determinati dalla frequenza di campionamento. Qui si perde precisione: Una pulsazione può essere collocata solo su un istante di campionamento, quindi l’istante di ogni pulsazione viene arrotondato.
3. 3 Filtraggio Il rumore rapido viene attenuato e la deriva lenta rimossa. Qui si perde precisione: Il livellamento smussa ogni pulsazione; uno sfasamento che dipende dalla sua forma sposta l’istante del battito.
4. 4 Trovare lo stesso punto su ogni pulsazione Il rilevatore colloca nel tempo un punto di riferimento: il piede, la salita più ripida o il picco. Qui si perde precisione: Il rumore sposta un picco ampio e piatto più di una salita ripida.
5. 5 La serie degli intervalli L’istante di ogni pulsazione viene sottratto a quello della successiva: un valore per battito. Qui si perde precisione: Una pulsazione rilevata in ritardo rende un intervallo troppo lungo e il successivo troppo corto.
6. 6 Pulizia e riempimento dei vuoti Le pulsazioni perse e quelle false vengono scartate, ricostruite o sostituite. Qui si perde precisione: Ogni battito ricostruito o sostituito è una stima, e il metodo di correzione cambia i risultati.
7. 7 La finestra e il valore Il firmware sceglie un tratto di dati, per esempio finestre brevi di notte o a riposo, e applica una formula. Qui si perde precisione: Le finestre brevi contengono meno battiti, quindi pochi battiti errati pesano di più.

Più colpite: RMSSD, pNN50, SD1, HF · Meno colpite: FC media, LF, SD2

Una catena di sette passaggi dall’alto in basso: luce in ingresso e segnale grezzo in uscita, campionamento, filtraggio, individuazione dello stesso punto su ogni pulsazione, serie degli intervalli, pulizia e riempimento dei vuoti, e infine la finestra e il valore. Accanto a ogni passaggio c’è l’errore che può entrare in quel punto: una debole oscillazione dovuta all’aderenza, la luce del giorno, la pelle fredda o l’inchiostro, l’arrotondamento agli istanti di campionamento, una pulsazione smussata, il rumore che sposta il punto scelto, una pulsazione in ritardo che allunga un intervallo e accorcia il successivo, battiti stimati, e finestre brevi. Una striscia finale indica che RMSSD, pNN50, SD1 e HF sono le misure più colpite, mentre la frequenza cardiaca media, LF e SD2 lo sono meno.

1. La luce entra, il segnale grezzo esce

Un LED, di solito verde al polso, illumina la pelle, e un fotodiodo legge la luce che torna molte volte al secondo. La maggior parte di quella luce torna invariata; l’increspatura da battito a battito ne è una piccola parte, quindi l’elettronica la amplifica.

Che cosa può andare storto: un cinturino allentato, la luce del giorno che filtra, la pelle fredda o l’inchiostro scuro di un tatuaggio possono ridurre l’increspatura finché supera appena il rumore proprio del sensore. PPG spiegata le tratta nel dettaglio.

2. Il campionamento: l’orologio interno

Il sensore non vede un’onda continua. Preleva un campione a istanti fissi, scanditi dalla frequenza di campionamento frequenza di campionamento Frequenza di campionamento Quante volte al secondo un sensore misura il segnale, in hertz (Hz). Determina con quale precisione si può collocare nel tempo ogni battito: circa ±1 ms a 1000 Hz, ±4 ms a 250 Hz e ±20 ms con una fotocamera a 25 Hz. Approfondisci: Frequenza di campionamento . A 25 campioni al secondo gli istanti distano 40 ms, a 64 circa 16 ms, a 500 distano 2 ms. Una pulsazione può essere collocata solo su uno di questi istanti, quindi il tempo di ogni pulsazione è sbagliato fino a mezzo passo: ±20 ms a 25 Hz e ±1 ms a 500 Hz.

Quanto costa: ogni intervallo PP porta con sé l’arrotondamento della pulsazione a ciascuna estremità. Da solo quell’errore è piccolo rispetto a un intervallo di 900 ms, ma la HRV è fatta di variazioni da 10 a 50 ms, quindi l’arrotondamento può essere una parte rilevante di ciò che si misura. Dall’elettrodo al valore lo svolge con numeri reali.

3. Il filtraggio

Prima di cercare le pulsazioni, il firmware leviga il segnale (un filtro passa-basso) per eliminare il rumore veloce, e rimuove la deriva lenta (un filtro passa-alto) causata da respiro, posizione e pressione sul sensore.

Quanto costa: la levigatura elimina il rumore ma smussa anche la forma di ogni pulsazione, e un filtro che non è simmetrico nel tempo sposta ogni pulsazione della stessa quantità. Uno spostamento costante non conta per gli intervalli; uno che dipende dalla forma di ciascuna pulsazione sì.

4. Trovare lo stesso punto su ogni pulsazione

Il rilevatore sceglie un punto di riferimento, il punto fiduciale, su ogni pulsazione e ne misura il tempo. Le scelte più comuni sono tre:

• Il piede, dove la pulsazione comincia a salire. Prendere il campione più basso non è affidabile, perché il minimo è piatto. Il metodo usuale traccia una tangente lungo la salita ripida e trova dove incontra il livello del minimo che la precede: il metodo dell’intersezione delle tangenti.
• Il punto di salita più ripida, il massimo della derivata prima.
• Il picco, la cima dell’onda.

Il diagramma qui sotto li segna tutti e tre su una singola pulsazione.

1. Il piede: dove la tangente alla salita ripida incontra il livello del minimo che la precede, il metodo dell’intersezione delle tangenti.
2. Il punto più ripido della salita: il disturbo sposta pochissimo nel tempo un fronte ripido.
3. Il picco: vicino a una sommità ampia e piatta, un po’ di disturbo può spostare il campione più alto di diversi millisecondi.

Un’unica onda di polso continua. Una linea tratteggiata corre lungo il minimo prima della pulsazione, e una seconda linea tratteggiata lungo la salita ripida; dove si incrociano è indicato il piede. Un punto a metà della salita indica il tratto più ripido, con una barra cortissima che lo attraversa. Un punto sulla sommità arrotondata indica il picco, con una barra molto più larga, a mostrare che il disturbo può spostare l’istante del picco molto di più.

La salita più ripida di solito è la più stabile, perché il rumore sposta pochissimo nel tempo un fronte ripido. Il picco è il meno stabile: vicino a una cima larga e piatta, un po’ di rumore può spostare il campione più alto di diversi millisecondi, e il picco si sposta anche quando la forma della pulsazione cambia con il respiro o con la pressione. Le prove concordano. In uno studio con tilt test (test su lettino basculante) che registrava la PPG di dito e fronte insieme a un ECG, il centro della salita, il massimo della derivata prima e l’intersezione delle tangenti hanno dato gli intervalli PP più vicini agli intervalli RR, mentre il picco e il semplice punto del piede concordavano meno di tutti (Peralta e colleghi, 2019). Uno studio sul lobo dell’orecchio che confrontava sei metodi ha indicato come migliore l’intersezione delle tangenti, con una differenza quadratica media dall’intervallo RR di 5,69 ms (Hemon e Phillips, 2015). Lo stesso gruppo di idee spiega un risultato dei lavori sulla pressione arteriosa senza bracciale: premere più forte il sensore sposta la temporizzazione del picco circa il doppio di quella del piede (Block e colleghi, 2020, che citano un loro studio precedente).

A questo punto l’interpolazione aiuta. Invece di usare l’istante più vicino al punto di riferimento, il rilevatore adatta una piccola curva ai campioni intorno e legge il punto tra un istante e l’altro. Per una pulsazione larga, che copre diversi campioni, recupera la maggior parte della precisione temporale persa.

5. La serie di intervalli

Si sottrae ogni tempo di pulsazione dal successivo e si ottiene la serie PP: un valore per battito, in millisecondi. Ogni errore dei passaggi da 1 a 4 è ormai dentro questi valori. Una pulsazione misurata 5 ms in ritardo rende un intervallo troppo lungo di 5 ms e il successivo troppo corto di 5 ms.

6. Pulizia e riempimento delle lacune

Alcune pulsazioni vengono perse, durante il movimento o quando un battito prematuro battito prematuro 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 spinge fuori troppo poco sangue. Altre volte il firmware trova false pulsazioni, quando un passo o una contrazione muscolare sembra un battito. Il firmware deve riparare la serie prima di calcolare qualsiasi cosa. Le regole tipiche scartano una pulsazione che arriva troppo presto dopo la precedente per essere reale, riempiono una lacuna lunga con battiti equidistanti e sostituiscono un intervallo troppo diverso dai vicini con una media locale. Gli standard sulla HRV richiedono di trattare i battiti anomali e gli 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 prima dell’analisi (Task Force, 1996), e lo stesso metodo di correzione modifica i risultati (Peltola, 2012). Eliminare intervalli unisce battiti che non sono mai stati vicini; riempirli leviga la serie.

Quanto costa: ogni battito riempito o sostituito è un’ipotesi, di solito regolare, e quindi riduce la variazione da battito a battito nel punto in cui si trova. Anche le lacune fanno danno. In 20 volontari sani, gli intervalli tra i battiti dell’Apple Watch avevano in media cinque lacune per registrazione, ciascuna di circa 6,5 secondi. Le misure nel dominio del tempo non erano influenzate in modo significativo, ma 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 e HF 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 risultava significativamente più bassa (Hernando e colleghi, 2018).

7. La finestra e il valore

Infine il firmware sceglie quale tratto di dati usare e applica una formula. La maggior parte degli orologi e degli anelli non calcola la HRV da ogni battito della giornata. Prende brevi finestre di notte o a riposo, ne fa la media e riporta un solo valore; ogni marca sceglie in modo diverso, come descrivono la HRV per dispositivo e la lezione su perché i dispositivi non concordano. Le finestre brevi contengono meno battiti, quindi pochi battiti errati pesano di più.

Sei fonti di errore di temporizzazione

Ognuno dei disegni qui sotto corrisponde a una delle sei cause dell’elenco numerato che segue.

1. 1 Campionamento

   Ogni pulsazione viene arrotondata all’istante di campionamento più vicino, con uno scarto fino a metà del passo.

2. 2 Il punto di riferimento

   Una sommità ampia e piatta si sposta facilmente con il disturbo; una salita ripida no.

3. 3 Tempo di transito

   Respirazione, pressione arteriosa e postura cambiano il ritardo tra cuore e sensore da un battito all’altro.

4. 4 Movimento

   I movimenti di braccio e polso producono oscillazioni molto più grandi della pulsazione.

5. 5 Una pulsazione debole

   La pulsazione si riduce mentre il rumore del sensore resta uguale, quindi ogni punto di riferimento oscilla di più.

6. 6 Battiti mancati e in più

   Ognuno impone una correzione, e ogni correzione è una stima.

Sei piccoli schizzi. 1, Campionamento: punti su una pulsazione, distanti alcune decine di millisecondi; nessuno cade sul picco, quindi il più vicino è sfasato di una frazione di passo. 2, Il punto di riferimento: una pulsazione con un’ampia estensione sulla sommità piatta e una stretta sulla salita ripida, a mostrare di quanto lo stesso disturbo sposta nel tempo ciascun punto. 3, Tempo di transito: picchi dell’ECG sopra le onde di polso; il ritardo da ogni picco alla sua pulsazione è un po’ diverso a ogni battito. 4, Movimento: un tratto senza movimento, con piccole pulsazioni,, poi oscillazioni molto più grandi della pulsazione. 5, Una pulsazione debole: una pulsazione piccola e disturbata sotto il contorno tratteggiato di una forte, con una dispersione più ampia per l’istante di ogni battito. 6, Battiti mancati e in più: segni sopra le pulsazioni individuate; una pulsazione piccola non ha il segno, e un sussulto tra due battiti ne riceve uno in più.

Ogni passaggio visto sopra aggiunge il proprio errore. Raggruppati per causa:

1. Campionamento. L’arrotondamento di ogni pulsazione all’istante più vicino, fino a metà dell’intervallo tra gli istanti. Uno studio pilota che ha ridotto la frequenza di campionamento di una PPG registrata a 10.000 campioni al secondo non ha osservato differenze significative rispetto alla HRV da ECG in nessuna misura sopra i 25 Hz. Sotto quel valore, il pNN50 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 era il primo a cedere (a 20 Hz e meno) e poi il 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 (a 15 Hz e meno), mentre l’intervallo medio e la potenza VLF potenza 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 e LF reggevano a tutte le frequenze provate (Choi e Shin, 2017). Uno studio su 57 registrazioni di cinque minuti ha tracciato un limite più severo: il RMSSD restava entro il 5% del valore a 1000 Hz fino a 50 campioni al secondo senza interpolazione e fino a 20 con l’interpolazione; la frequenza media del polso restava entro lo 0,05% a 5 campioni al secondo (Béres e Hejjel, 2021).
2. Il punto di riferimento. Un picco largo e piatto è facile da spostare per il rumore; una salita ripida no (Peralta e colleghi, 2019).
3. Il tempo di transito. Respiro, pressione arteriosa e posizione cambiano il ritardo dal cuore al sensore battito per battito (Drinnan e colleghi, 2001; Mukkamala e colleghi, 2015). Questo aggiunge una variabilità che viene dai vasi. Alcuni ricercatori la considerano un difetto della PRV; altri un’informazione in più sulla circolazione (Mejía-Mejía e colleghi, 2020).
4. Il movimento. I movimenti del braccio e del polso spostano il sensore e smuovono il sangue, producendo oscillazioni molto più grandi della pulsazione. In uno studio su dispositivi indossabili di consumo e da ricerca, l’errore della frequenza cardiaca durante l’attività era in media del 30% più alto che a riposo (Bent e colleghi, 2020), e la HRV, che ha bisogno di ogni battito, ne risente molto più della frequenza cardiaca.
5. Una pulsazione debole. Mani fredde, un dispositivo poco aderente o un basso flusso di sangue alla pelle riducono l’ampiezza della pulsazione mentre il rumore del sensore resta lo stesso. Ogni punto di riferimento allora ha più jitter (errore casuale di temporizzazione). In uno studio sull’esposizione al freddo, la PRV ricavata da dito e alluce rispondeva in modo diverso dalla HRV da ECG, più della PRV ricavata dall’orecchio (Mejía-Mejía e colleghi, Frontiers in Physiology, 2020).
6. Battiti persi e battiti in più. Ognuno impone una riparazione, e ogni riparazione è un’ipotesi (Peltola, 2012; Hernando e colleghi, 2018).

Prova tu: un battito, due sensori

Il grafico interattivo qui sotto è un modello didattico di questi passaggi. Cinque minuti di battiti sintetici a riposo vengono misurati due volte: da un ECG e da un sensore da polso simulato che vede un’onda di polso circa 200 ms più tardi, la campiona, la leviga, trova un punto su ogni pulsazione e pulisce la serie. Da entrambe si calcolano poi tutti i parametri della HRV, con lo stesso codice del calcolatore HRV di questo sito.

ECG e PPG, battito per battito

Battiti sintetici, non una registrazione

Fascia toracica (ECG) sopra, orologio (PPG) sotto Onda R Punto temporizzato Ricostruito

ECG PPG

0 s 5 s

Ritardo, dall’onda R al punto temporizzato

327 ms

Escursione del ritardo in 5 min

28 ms

Passo temporale

±7,8 ms

Battiti corretti

0

A 64 Hz, con il punto «picco», ogni intervallo tra pulsazioni differisce dal corrispondente intervallo dell’ECG di 7,8 ms (DS). Il RMSSD risulta +11,4% e la potenza HF +20,7%, mentre la frequenza cardiaca media risulta 0,0%.

Frequenza di campionamento 64 Hz, un campione ogni 15,6 ms 255064100128250500

Punto temporizzato su ogni pulsazione

Piede Salita più ripida Picco

Effetto della respirazione sul tempo di transito

Assente Tipico Marcato

Movimento

Assente Lieve Camminata

Intensità della pulsazione

Normale Debole (mani fredde)

Interpola tra i campioni

Primi cinque battiti

Battito	RR da ECG ms	PP da PPG ms	Differenza ms
1	859	859	0
2	863	875	12
3	840	828	−12
4	799	813	14
5	822	813	−9

Cinque minuti, PPG a confronto con l’ECG

Parametro	ECG	PPG	Differenza
FC media bpm	68,1	68,1	0,0%
SDNN ms	35,6	36,9	+3,7%
RMSSD ms	30,0	33,4	+11,4%
pNN50 %	9,4	9,1	−3,1%
SD1 ms	21,2	23,6	+11,4%
SD2 ms	45,6	46,5	+1,9%
LF ms²	422	427	+1,1%
HF ms²	334	403	+20,7%
LF/HF	1,26	1,06	−16,2%
DFA α1	0,91	0,87	−4,6%
SampEn	1,97	1,93	−1,7%

Le barre partono dal centro e si fermano a ±50%. L’ambra indica che l’orologio rileva un valore più alto dell’ECG, il verde più basso. Le righe ambra nella tabella dei battiti sono state ricostruite o ricollocate nel tempo dalla correzione automatica.

I controlli funzionano con JavaScript attivo.

Due tracciati dei primi 5 secondi: un ECG con un’onda R alta e stretta per ogni battito e, sotto, un PPG con una pulsazione arrotondata per ogni battito che inizia circa 200 millisecondi dopo ogni onda R. Linee tratteggiate scendono da ogni onda R e piccoli segni indicano il punto temporizzato su ogni pulsazione. Gli indicatori mostrano il ritardo medio dall’onda R a quel punto, quanto il ritardo varia, il passo temporale del sensore e quanti battiti sono stati corretti automaticamente. Una tabella elenca i primi cinque intervalli tra battiti dell’ECG e del PPG e la loro differenza in millisecondi. Una seconda tabella elenca undici parametri di HRV calcolati su cinque minuti di entrambi, con la differenza del PPG in percentuale e una piccola barra. Con le impostazioni iniziali (64 Hz, il picco, nessuna interpolazione, respirazione tipica, movimento assente) le differenze sono: FC media 68,1 sull’ECG, 68,1 sul PPG, 0,0%; SDNN 35,6 sull’ECG, 36,9 sul PPG, +3,7%; RMSSD 30,0 sull’ECG, 33,4 sul PPG, +11,4%; pNN50 9,4 sull’ECG, 9,1 sul PPG, −3,1%; SD1 21,2 sull’ECG, 23,6 sul PPG, +11,4%; SD2 45,6 sull’ECG, 46,5 sul PPG, +1,9%; LF 422 sull’ECG, 427 sul PPG, +1,1%; HF 334 sull’ECG, 403 sul PPG, +20,7%; LF/HF 1,26 sull’ECG, 1,06 sul PPG, −16,2%; DFA α1 0,91 sull’ECG, 0,87 sul PPG, −4,6%; SampEn 1,97 sull’ECG, 1,93 sul PPG, −1,7%. Un cursore imposta la frequenza di campionamento da 25 a 500 Hz. I pulsanti di opzione scelgono il punto temporizzato su ogni pulsazione, l’effetto della respirazione sul tempo di transito, il movimento e l’intensità della pulsazione, e una casella attiva l’interpolazione tra i campioni.

Che cosa provare:

• Parti da 64 Hz sul picco. RMSSD e HF risultano più alti di una quota che va da circa un decimo a circa un quinto; la frequenza cardiaca media 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 non cambia.
• Scendi a 25 Hz. Il RMSSD sale di un terzo o più, pNN50 e HF lo seguono e il DFA α1 DFA α1 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 scende. Ora attiva l’interpolazione e guarda tornare indietro la maggior parte della differenza.
• Passa dal picco alla salita più ripida o al piede, a 250 Hz. L’errore degli intervalli si riduce.
• Imposta l’effetto del respiro su forte, lasciando tutto il resto ideale. La sola oscillazione del tempo di transito gonfia RMSSD e HF mentre la LF resta dov’è.
• Scegli «Camminata». Il firmware perde e inventa battiti, il sistema di pulizia tira a indovinare, e tutte le misure da battito a battito si sfaldano, mentre la frequenza cardiaca media resta entro pochi decimi di punto percentuale.

Il modello è una semplificazione. I sensori reali filtrano in modo diverso, il tempo di transito reale varia in modi più complessi e le regole di pulizia reali sono riservate. Considera i suoi valori come direzioni e ordini di grandezza, non come una previsione per il tuo dispositivo.

Quali parametri della HRV ne risentono, e perché

Il grafico qui sotto condensa la tabella che segue più avanti in questa sezione: più i segmenti sono pieni, più l’errore di temporizzazione della PPG altera quella misura.

Misura Molto bassa Alta

Dominio del tempo

• Frequenza cardiaca media : Molto bassa
• SDNN (5 minuti o più) : Da bassa a moderata (meccanismo)
• RMSSD : Alta (meccanismo)
• pNN50 : Alta e imprevedibile (meccanismo)

Diagramma di Poincaré

• SD1 : Alta (meccanismo)
• SD2 : Bassa (meccanismo)

Dominio della frequenza

• Potenza HF : Alta
• Potenza LF : Bassa per il jitter, moderata per le lacune (meccanismo)
• LF/HF : Da moderata ad alta (meccanismo)

Non lineari

• DFA α1 : Moderata (meccanismo)
• Entropia campionaria e approssimata : Moderata, direzione variabile (meccanismo)

Sensibilità Limite superiore di un intervallo Non raggiunto

Un grafico con una riga per ogni misura di HRV, raggruppate in dominio del tempo, diagramma di Poincaré, dominio della frequenza e misure non lineari. Ogni riga ha una barra di quattro segmenti, da sensibilità molto bassa ad alta, e le parole della tabella per quella riga.

Due idee spiegano la maggior parte della tabella qui sotto.

La prima è che l’errore di temporizzazione è per lo più casuale da una pulsazione all’altra. Una pulsazione misurata con un po’ di ritardo rende un intervallo più lungo e il successivo più corto, quindi l’errore cade in pieno sulle differenze da battito a battito. Se il tempo di ogni pulsazione è sbagliato di una quantità casuale con deviazione standard σ, ogni differenza successiva è sbagliata di un errore con varianza 6σ², e il RMSSD cresce all’incirca così:

$$\text{RMSSD}_{\text{PPG}}^2 \approx \text{RMSSD}_{\text{ECG}}^2 + 6\sigma^2$$

Si legge così: il rumore di temporizzazione al quadrato si somma al RMSSD al quadrato. Con σ = 5 ms, 6σ² vale 150 ms². Un RMSSD reale di 30 ms risulta allora circa 32 ms, più alto dell’8%; un RMSSD reale di 15 ms risulta circa 19 ms, più alto di quasi il 30%. Lo stesso errore di temporizzazione conta di più per chi ha una HRV bassa. Questa formula è una nostra derivazione dalla definizione di RMSSD, supponendo errori indipendenti, ed è un meccanismo, non un risultato pubblicato.

La seconda idea riguarda la frequenza. L’errore casuale nei tempi delle pulsazioni diventa un errore rapido, a zig-zag, negli intervalli, che in uno spettro cade soprattutto nella banda ad alta frequenza, quella in cui vive la variazione legata al respiro. I ritmi lenti, come la banda LF, e le derive lente ne risentono appena.

«Meccanismo» indica un ragionamento basato su come è costruita la misura, non un risultato misurato. In pratica la pulizia fatta dal firmware e la scelta della finestra contano spesso quanto il sensore, quindi un dispositivo può andare peggio o meglio di quanto prevede questa tabella.

Che cosa dicono le prove

Le statistiche di concordanza in parole semplici

Gli studi di validazione confrontano un dispositivo con un riferimento, di solito un ECG, sulle stesse persone nello stesso momento. La sola correlazione è ingannevole, perché due metodi possono salire e scendere insieme e tuttavia differire di molto (Bland e Altman, 1986). Il riepilogo consueto è un’analisi di Bland–Altman:

• Il bias medio è la differenza media tra il dispositivo e il riferimento. Un bias di +3 ms significa che il dispositivo, in media, dà valori più alti di 3 ms.
• I limiti di concordanza sono l’intervallo in cui cade il 95% delle singole differenze, cioè il bias più o meno circa due deviazioni standard. Limiti ampi significano che, anche senza un bias medio, una singola misurazione può essere molto sbagliata.

Molti studi sui dispositivi indossabili riportano anche l’errore percentuale assoluto medio (MAPE) e un coefficiente di concordanza (CCC); li spiega la HRV per dispositivo.

A riposo e durante il sonno

I corpi fermi danno i risultati migliori.

• Una revisione di studi che confrontavano PRV e HRV ha giudicato la PRV abbastanza precisa a riposo, anche se molti studi hanno rilevato una certa sovrastima della variabilità a breve termine, che gli autori hanno attribuito all’azione del respiro sulla circolazione (Schäfer e Vagedes, 2013).
• In 17 giovani su un lettino basculante, le misure di PRV e HRV non differivano in modo significativo e avevano una correlazione sopra 0,97; le differenze rimaste riguardavano soprattutto la banda HF (Gil e colleghi, 2010).
• La PRV ha funzionato bene come sostituto della HRV in persone sane a riposo, con correlazioni sopra l’82%, ma meno bene dopo l’esercizio e in persone con malattie cardiache, soprattutto per le misure nel dominio della frequenza (Pinheiro e colleghi, 2016).
• Di notte, rispetto a un ECG con fascia toracica, in 13 adulti sani, con 536 notti in tutto: l’Oura Ring Gen 4 aveva un CCC di 0,99 e un MAPE del 5,96% per il RMSSD, l’Oura Gen 3 0,97 e 7,15%, il WHOOP 4.0 0,94 e 8,17%, il Garmin Fenix 6 0,87 e 10,52%, e il Polar Grit X Pro 0,82 e 16,32% (Dial e colleghi, 2025).
• In 35 adulti sani a casa, un anello Oura ha misurato con precisione la frequenza cardiaca notturna e il RMSSD, sia in finestre di 5 minuti sia come media notturna, a giudizio degli autori, anche se il suo RMSSD era in media circa 15 ms sotto quello dell’ECG. SDNN, pNN50 e HF erano accettabili solo come medie notturne, mentre LF e LF/HF avevano un errore alto in entrambi i casi (Cao e colleghi, 2022).
• In 53 adulti in un laboratorio del sonno, il WHOOP 3.0, il cui produttore ha fornito gli intervalli tra i battiti grezzi, concordava quasi perfettamente con l’ECG (correlazione intraclasse 0,99, sottostima media di 4,5 ms). Apple Watch, Polar e Oura, con la loro elaborazione, avevano una buona concordanza (da 0,63 a 0,67), e un test Garmin di 3 minuti eseguito da svegli aveva una concordanza scarsa (0,24). Diversi dispositivi sovrastimavano i valori bassi di HRV e sottostimavano quelli alti (Miller e colleghi, 2022).

Fascia, anello, polso e fotocamera a confronto

In uno studio su cinque giovani adulti, con 148 prove a riposo rispetto a un ECG a più derivazioni, la stessa app ha dato un errore medio sul RMSSD del 4,10% con una fascia toracica Polar H10 e del 9,43% con la fotocamera del telefono. Un anello Oura aveva il 6,84%, e un altro sistema con fascia toracica, con un test di tre minuti, l’11,27% (Stone e colleghi, 2021). In 29 persone sane a riposo, la PPG da smartphone e una fascia toracica concordavano entrambe in modo accettabile con un ECG per il RMSSD (Plews e colleghi, 2017). Il sensore è un fattore tra diversi; contano anche la durata della registrazione e l’elaborazione. La HRV dal polpastrello tratta più in dettaglio fotocamere dei telefoni, clip da dito e anelli.

Con il movimento

Le fasce toraciche tengono. Giudicata rispetto al tracciato ECG grezzo, una fascia Polar H10 ha collocato correttamente nel tempo il 99,6% dei battiti in attività da leggere a intense, e il 99,4% durante l’esercizio ad alta intensità (Gilgen-Ammann e colleghi, 2019). I sensori ottici no: l’attività fisica e alcuni fattori di stress mentale hanno fatto concordare molto peggio PRV e HRV, spesso in modo inaccettabile (Schäfer e Vagedes, 2013). È il motivo principale per cui la maggior parte dei dispositivi indossabili misura la HRV durante il sonno.

Il dibattito online, in modo equo

Su internet due schieramenti discutono della HRV dei dispositivi indossabili.

«La PRV non è la HRV.» Questa parte ha ragione sulla fisica. Un dispositivo PPG misura le pulsazioni sulla pelle, e quel segnale contiene variazioni del tempo di transito, tono dei vasi e forma della pulsazione oltre al ritmo del cuore. Le revisioni concludono che la PRV non dovrebbe essere trattata come un sostituto valido della HRV in ogni situazione (Mejía-Mejía e colleghi, 2020), e la differenza aumenta con il movimento, lo stress, il freddo, l’esercizio e le malattie cardiache (Schäfer e Vagedes, 2013; Pinheiro e colleghi, 2016).

«A riposo la precisione basta.» Questa parte ha ragione sulla pratica. Per una persona sana e ferma, soprattutto se si fa la media su una notte, i migliori dispositivi restano in media entro pochi millisecondi dai valori di un ECG (Dial e colleghi, 2025), e questo è poco rispetto alle variazioni da una notte all’altra che la maggior parte delle persone segue.

Possono essere vere entrambe. La differenza conta quando:

• ti serve la precisione da battito a battito, come per le singole misurazioni brevi, il pNN50, la potenza HF o il DFA α1;
• misuri durante o subito dopo l’esercizio;
• il tuo ritmo è irregolare, con battiti in più frequenti o fibrillazione atriale, perché quei battiti spesso vengono persi o appianati;
• fai ricerca, o confronti valori tra dispositivi o con i valori normativi pubblicati.

Conta molto meno quando segui il tuo RMSSD notturno con lo stesso dispositivo, indossato allo stesso modo, notte dopo notte. Un dispositivo che dà ogni notte valori più alti di 3 ms ti mostra comunque in che direzione ti stai muovendo.

Che cosa fare

• Usa un solo dispositivo e confrontalo solo con se stesso. Ogni marca ha il proprio sensore, il proprio punto di riferimento, la propria pulizia e la propria finestra, quindi i valori assoluti di due dispositivi non sono intercambiabili.
• Leggi gli andamenti, non i singoli valori. Le medie notturne sono più affidabili di una singola misurazione breve.
• Usa una fascia toracica per le brevi misurazioni del mattino, per tutto ciò che riguarda l’esercizio e per la ricerca. Misura l’onda R elettrica e regge durante il movimento.
• Aiuta il sensore ottico. Indossalo aderente, non muoverti durante le misurazioni puntuali e scalda prima le mani fredde.
• Sii prudente con le misure più fini di un dispositivo indossabile. Considera approssimativi pNN50, HF, LF/HF e DFA α1 di un orologio.
• Se il battito ti sembra irregolare, rivolgiti a un medico. Nessuno dei due dispositivi è un ECG diagnostico.

Per un riepilogo delle prove in termini semplici, leggi la HRV al polso è precisa come quella con la fascia toracica?, e per sapere che cosa riporta ogni marca, la HRV per dispositivo.