PPG: come l'orologio legge il polso

Un sensore PPG manda luce nella pelle e misura quanta ne ritorna. Ogni battito spinge sangue nella pelle e attenua un poco la luce, quindi il sensore vede un'onda per battito. Gli orologi misurano il tempo di queste onde per ricavare frequenza cardiaca, variabilità della frequenza cardiaca (HRV), ossigeno nel sangue e altro, e movimento, polso debole o un sensore lento possono falsare ognuno di questi valori.

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Da ricordare

  • La PPG è un sensore ottico. Un LED illumina la pelle e un fotodiodo misura la piccola increspatura della luce riflessa che ogni battito produce.
  • Un'onda di polso ha un picco sistolico, un'incisura dicrota e un picco diastolico. Arterie più rigide riempiono l'incisura; un'onda più lenta e più arrotondata è più comune con l'età.
  • La HRV di un orologio è in realtà variabilità della frequenza del polso (PRV). A riposo è vicina alla HRV ricavata dall'ECG; quando ti muovi, o il polso è debole, se ne allontana.
  • Movimento, mani fredde, un cinturino allentato, inchiostro scuro dei tatuaggi e una frequenza di campionamento bassa sono i motivi abituali per cui una misurazione PPG sbaglia.
  • Lo stesso sensore alimenta frequenza cardiaca, HRV, ossigeno nel sangue, frequenza respiratoria e avvisi di ritmo irregolare, ciascuno con i propri limiti.

Un sensore PPG 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 è la luce sul retro di un orologio o all’interno di un anello. Manda luce nella pelle e misura quanta ne ritorna, e ogni battito spinge un po’ di sangue in più nella pelle, che per un istante attenua la luce, quindi il sensore vede un’onda per battito. Tutto ciò che un orologio ti dice sul cuore, dalla frequenza cardiaca e dalla variabilità della frequenza cardiaca (HRV) all’ossigeno nel sangue e agli avvisi di ritmo irregolare, parte dai tempi e dalla forma di quelle onde.

Che cosa fa un sensore PPG

PPG sta per fotopletismografia: «foto» per la luce, «pletismo» per il volume. L’hardware è piccolo. Un diodo a emissione di luce (LED) illumina il tessuto e un fotodiodo misura la luce che ne esce. Il sangue assorbe la luce, quindi quando nel tessuto c’è più sangue, al fotodiodo arriva meno luce (Allen, 2007).

Ci sono due modi di disporre i componenti:

  • Trasmissione. Il LED e il fotodiodo stanno ai lati opposti di un polpastrello o di un lobo dell’orecchio. I pulsossimetri ospedalieri e le clip da dito funzionano così.
  • Riflessione. Il LED e il fotodiodo stanno uno accanto all’altro sulla stessa superficie, e il fotodiodo cattura la luce che torna indietro per diffusione. Così funzionano gli orologi, gli anelli e il trucco della fotocamera con il flash di un telefono (Allen, 2007).

Il colore della luce conta. La luce rossa e infrarossa penetra in profondità nel tessuto, ed è ciò che serve a un pulsossimetro. La luce verde è assorbita fortemente dal sangue e non va così in profondità, quindi al polso dà un segnale del battito più pulito e regge meglio il movimento. Per questo il retro della maggior parte degli orologi 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 illumina di verde per la frequenza cardiaca e passa al rosso e all’infrarosso solo per l’ossigeno nel sangue (Castaneda e colleghi, 2018; Charlton e colleghi, 2023).

Il segnale ha due parti. La maggior parte della luce che ritorna è un livello costante, detto componente DC, determinato da pelle, ossa e sangue sempre presente. Sopra di esso viaggia una piccola increspatura, la componente AC, che segue ogni battito. L’increspatura è una piccola frazione del totale, ed è per questo che l’elettronica del sensore deve amplificarla e che piccoli disturbi possono sommergerla (Allen, 2007).

La forma di un’onda di polso

Capovolgi l’increspatura in modo che più sangue sia verso l’alto, e ogni battito appare così.

1 2 3 4 1,00 s
  1. Picco sistolico
  2. Incisura dicrota
  3. Picco diastolico
  4. Intervallo tra pulsazioni, da un picco sistolico al successivo
Due onde di polso come le vede un sensore PPG. Ogni battito produce un picco sistolico (1), poi l’incisura dicrota (2) e un picco diastolico più piccolo (3), perché l’onda di pressione si riflette dalla parte inferiore del corpo. Un orologio misura il tempo da un picco sistolico al successivo (4) per ottenere l’intervallo tra una pulsazione e l’altra. Un modello didattico, non una registrazione.

Un’onda continua con due pulsazioni. Ogni pulsazione sale ripida fino a un picco sistolico, scende in un piccolo avvallamento detto incisura dicrota, risale fino a un picco diastolico più basso e poi torna alla linea di base. L’intervallo tra i due picchi sistolici è indicato come 1,00 secondi.

Ogni battito disegna gli stessi tre punti di riferimento (Elgendi, 2012):

  1. Picco sistolico. Il cuore si contrae e manda un’onda di pressione lungo le arterie. Il volume di sangue nella pelle sale in fretta fino al suo picco.
  2. Incisura dicrota. La valvola aortica si chiude e l’onda proveniente dal cuore si spegne. Il volume comincia a scendere.
  3. Picco diastolico. L’onda di pressione si riflette dalle diramazioni e dalla parte bassa del corpo e arriva come una seconda gobba, più piccola, prima che il volume si stabilizzi.

Gli algoritmi raramente lavorano sulla curva grezza. Ne individuano dei punti: il piede, dove l’onda comincia a salire, il picco, il punto di salita più ripida, e il momento e l’altezza dell’incisura e del picco diastolico. Un metodo diffuso prende la derivata seconda dell’onda, che trasforma le curve dolci in picchi netti indicati con a, b, c, d ed e, e ne confronta le dimensioni (Elgendi, 2012; Takazawa e colleghi, 1998).

Come cambia l’onda con l’età, la rigidità e la forma fisica

L’onda riflessa è la parte interessante. In un’arteria giovane ed elastica l’onda di pressione viaggia lentamente, quindi la riflessione torna tardi e arriva come una gobba diastolica separata, con un’incisura netta davanti. In un’arteria più rigida l’onda viaggia più in fretta, la riflessione torna prima e si fonde con l’onda principale, e l’incisura si riempie.

I medici lo avevano notato molto prima dei dispositivi indossabili. Nel 1973 Dawber e colleghi classificarono le onde del polso arterioso in quattro classi, da un’incisura distinta all’assenza di incisura, in uno studio sulla malattia coronarica (Dawber e colleghi, 1973). Un’incisura netta è il riscontro abituale nelle persone con arterie sane ed elastiche (Elgendi, 2012).

Studi successivi l’hanno quantificato. Millasseau e colleghi hanno misurato il tempo dal picco sistolico al picco diastolico e hanno diviso per esso l’altezza della persona, ottenendo un indice di rigidità. In 87 adulti senza sintomi, tra i 21 e i 68 anni, l’indice cresceva con l’età e seguiva la velocità dell’onda di pressione lungo l’aorta, la misura standard della rigidità delle grandi arterie. Hanno descritto anche un indice di riflessione, l’altezza della gobba diastolica come frazione del picco sistolico, che risponde ai farmaci che cambiano il tono delle arterie (Millasseau e colleghi, 2002; Millasseau e colleghi, 2006). Il gruppo di Takazawa è partito invece dalla derivata seconda e ha combinato i picchi da a a e in un «indice di invecchiamento», (b − c − d − e)/a, che saliva con l’età in 600 persone (Takazawa e colleghi, 1998).

La forma fisica tira dall’altra parte. In 146 volontari sani tra i 21 e i 96 anni la rigidità arteriosa cresceva con l’età, ma a qualsiasi età era minore nelle persone con una capacità aerobica più alta, e gli uomini tra i 54 e i 75 anni allenati alla resistenza avevano arterie meno rigide degli uomini sedentari della stessa età (Vaitkevicius e colleghi, 1993). In un altro studio, gli uomini di mezza età e anziani allenati alla resistenza avevano arterie centrali più elastiche, con una compliance più alta dal 20 al 35%, rispetto a uomini meno attivi della stessa età, e quando 20 uomini sedentari hanno iniziato un esercizio aerobico regolare, soprattutto camminate, per tre mesi, la compliance delle loro arterie è salita a un livello simile (Tanaka e colleghi, 2000).

Due cautele. Questi studi sulla forma fisica hanno misurato la rigidità direttamente, con sensori di pressione ed ecografia al collo e alla gamba, non con un orologio. E gli indici del profilo PPG cambiano per motivi che con le arterie non c’entrano: dove si trova il sensore, quanto preme, la temperatura della pelle e la luce ambientale li fanno variare, e così i farmaci che agiscono sui vasi (Charlton e colleghi, 2023; Millasseau e colleghi, 2006). Descrivono bene i gruppi. Non sono un esame della tua età vascolare, e nessun orologio può dirti quanto sono allenate le tue arterie dalla forma di un’onda di polso.

Prova tu: leggi un’onda di polso come fa un orologio

Il grafico interattivo qui sotto è un modello didattico, non una registrazione. Ogni onda è la somma di due curve a campana, una per l’onda sistolica e una per la riflessione, che è un modo standard di costruire una PPG sintetica per provare gli algoritmi (Tang e colleghi, 2020). Un semplice rilevatore trova poi i picchi, misura gli intervalli tra loro e calcola il 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 , come farebbe un’app.

Leggere le pulsazioni come fa un orologio

Un modello didattico, non una registrazione

Intervalli individuati 1010 · 1040 · 980 · 960 · 1010 · 1040 · 980 ms

Frequenza delle pulsazioni
60 bpm
RMSSD, misurato
45 ms
RMSSD, reale
42 ms

A 100 Hz i campioni distano 10 ms e il rilevatore individua ogni battito, quindi il RMSSD risulta 45 ms, entro 3 ms dal valore reale del modello, 42 ms.

Un’incisura dicrota ben visibile e un’onda diastolica distinta (indice di riflessione pari a 0,50): il quadro di arterie elastiche.

I cursori funzionano con JavaScript attivo.

Otto secondi di un segnale di pulsazioni inventato, letto come lo legge un orologio. I segni indicano le pulsazioni individuate da un semplice rilevatore; il grafico sotto riporta l’intervallo tra una pulsazione e l’altra, con gli intervalli reali del modello tratteggiati. Muovi i cursori per vedere come la rigidità arteriosa, un segnale debole, il movimento e una bassa frequenza di campionamento influiscono sul valore. Un modello didattico, non una registrazione.

Un grafico a linee di 8 secondi di un segnale PPG sintetico, con un rilievo per ogni battito. Brevi segni indicano le pulsazioni individuate. Un secondo grafico riporta come linea l’intervallo tra le pulsazioni individuate, con gli intervalli reali del modello come linea tratteggiata. I valori mostrati sono la frequenza delle pulsazioni, il RMSSD degli intervalli individuati e il RMSSD reale, seguiti da una frase che spiega l’eventuale differenza e da una frase che descrive la forma di ogni pulsazione. Cinque cursori regolano rigidità arteriosa, frequenza cardiaca, intensità del segnale, movimento e frequenza di campionamento, e una casella attiva l’interpolazione tra i campioni.

Prova queste impostazioni una dopo l’altra. Aumenta la rigidità e guarda sparire l’incisura. Riduci l’intensità del segnale, come farebbero delle mani fredde, finché il rilevatore perde dei battiti. Aggiungi movimento e guarda gli intervalli impazzire. Poi imposta la 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 Hz: ogni battito viene ancora trovato, ma il RMSSD cambia, perché il momento di ogni picco è noto solo con l’approssimazione di 40 ms.

La variabilità della frequenza del polso non è proprio la HRV

A rigore, la HRV si misura dal segnale elettrico del cuore in un ECG 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 , come gli intervalli tra le onde R. Un sensore PPG vede invece l’onda di pressione che il battito genera, e quell’onda impiega del tempo ad arrivare al polso o al dito. Il ritardo, detto tempo di transito del polso, non è costante. Cambia con la pressione arteriosa, con la postura, con il tono delle arterie e un poco a ogni respiro. Quindi l’intervallo tra due onde del polso è l’intervallo tra due battiti più la variazione del tempo di transito, e la variabilità che misuri con un orologio è la 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, non la HRV (Mejía-Mejía e colleghi, 2020; Yuda e colleghi, 2020).

In pratica i due valori concordano bene quando non ti muovi. Una revisione degli studi che hanno confrontato PPG ed ECG ha giudicato la PRV un sostituto accettabile della HRV a riposo, con una tendenza a dare valori un po’ più alti per le misure a breve termine come il RMSSD, che gli autori hanno ricondotto alla respirazione che agisce sulla circolazione. Durante l’attività fisica e alcuni compiti mentali la concordanza peggiorava molto, a volte fino a livelli inaccettabili (Schäfer e Vagedes, 2013). Yuda e colleghi si spingono oltre e sostengono che la PRV porti informazioni in più sui vasi sanguigni, quindi andrebbe trattata come una misura a sé e non come una copia della HRV (Yuda e colleghi, 2020).

Per il tuo andamento questo significa due cose. Una misurazione a riposo con un buon orologio, anello o app con la fotocamera è una stima ragionevole della tua HRV. E un orologio e una fascia toracica non concorderanno mai al millisecondo, nemmeno sugli stessi battiti.

Che cosa può andare storto

Ogni valore PPG si basa sul trovare il picco giusto al momento giusto. Ecco i modi abituali in cui questo fallisce.

Movimento

Muovere il braccio sposta il sensore sulla pelle e fa ondeggiare il sangue, il che aggiunge al segnale oscillazioni molto più grandi del polso. In uno studio su 53 persone che indossavano sei dispositivi, l’errore sulla frequenza cardiaca era in media del 30% più alto durante l’attività che a riposo, e la differenza maggiore la facevano il tipo di attività e il modello del dispositivo (Bent e colleghi, 2020). Il movimento ritmico è il caso peggiore, perché una cadenza di 160 passi al minuto assomiglia a una frequenza cardiaca di 160 (Zhang e colleghi, 2015).

Un polso debole: mani fredde e scarsa perfusione

Il freddo restringe i piccoli vasi della pelle, quindi al sensore arriva meno sangue e l’increspatura si riduce mentre il rumore del sensore resta lo stesso. La revisione di Allen elenca la temperatura della pelle e la perfusione tra i principali fattori che cambiano la dimensione dell’onda di polso (Allen, 2007). Una misurazione con la fotocamera fatta in una stanza fredda può fallire del tutto.

Pressione di contatto e luce ambientale

Il sensore deve aderire in piano e con fermezza. Se è troppo allentato, la luce del LED esce, quella del giorno entra e il segnale deriva quando il cinturino si sposta. Se è troppo stretto, la pressione schiaccia i piccoli vasi e appiattisce l’onda di polso (Allen, 2007; Charlton e colleghi, 2023).

Colore della pelle e tatuaggi

La melanina assorbe la luce, quindi la pelle più scura ne restituisce meno. Se questo cambia le misurazioni è stato studiato soprattutto per la frequenza cardiaca, e le prove sono contrastanti. Lo studio sulle 53 persone citato sopra ha misurato il colore della pelle e non ha rilevato alcuna differenza statisticamente significativa nella precisione della frequenza cardiaca tra le tonalità (Bent e colleghi, 2020). Una revisione sistematica del 2023 ha individuato dieci studi con 469 persone in tutto: quattro riportavano una precisione minore sulla pelle più scura, quattro non rilevavano alcun effetto e due erano misti, e poche persone con la pelle più scura erano state testate (Koerber e colleghi, 2023). Per l’ossigeno nel sangue il quadro è più chiaro. Nelle cartelle di un ospedale statunitense, quando il pulsossimetro indicava valori dal 92 al 96%, un esame del sangue mostrava un ossigeno sotto l’88% nell’11,7% delle misurazioni nei pazienti neri e nel 3,6% in quelli bianchi; un insieme di dati di più ospedali ha dato il 17,0% e il 6,2% (Sjoding e colleghi, 2020). Considera la SpO2 di un orologio una guida approssimativa e la frequenza cardiaca il valore più affidabile.

Anche l’inchiostro scuro dei tatuaggi assorbe la luce. Le indicazioni di Apple stessa dicono che inchiostro, disegno e saturazione di alcuni tatuaggi possono bloccare la luce del sensore e rendere inaffidabili le misurazioni (Apple Support).

Frequenza di campionamento e interpolazione

Un sensore legge la luce un numero fisso di volte al secondo. A 25 campioni al secondo un picco si può collocare solo con l’approssimazione di 40 ms, e la HRV si costruisce su differenze di qualche decina di millisecondi. In uno studio pilota che ha ridotto la frequenza di campionamento di registrazioni PPG a 10 kHz, le misure di PRV non differivano in modo significativo dalla HRV ricavata dall’ECG a 25 Hz e oltre, mentre il RMSSD cominciava a differire a 15 Hz o meno (Choi e Shin, 2017). Uno studio del 2021 su 57 registrazioni di cinque minuti ha fissato il limite più in alto: 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 RMSSD restavano entro il 5% del valore a 1 kHz fino a 50 campioni al secondo senza interpolazione, e fino a 10 e 20 campioni al secondo quando la posizione del picco veniva interpolata tra i campioni (Béres e Hejjel, 2021). Pochi produttori dicono con che frequenza campiona il loro sensore.

Battiti in più e fibrillazione atriale

Un 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 meno sangue di uno normale, quindi la sua onda di polso è piccola e il rilevatore spesso la perde. Il dispositivo vede allora un intervallo lungo invece di due brevi. Gli standard sulla HRV del gruppo di lavoro (Task Force) della Società Europea di Cardiologia e della North American Society of Pacing and Electrophysiology dicono che i battiti in più e gli intervalli intorno a essi vanno eliminati prima di calcolare qualsiasi valore di HRV (Task Force, 1996), perché un solo battito collocato male può cambiare il risultato (Laborde e colleghi, 2017). Nella fibrillazione atriale gli intervalli sono irregolari battito dopo battito, e la PRV smette di significare ciò che di solito significa; è questa irregolarità che cercano gli avvisi dell’orologio descritti più avanti.

Che cosa ricavano gli orologi dalla PPG

Un solo segnale alimenta molti valori. Ogni algoritmo qui sotto ha un proprio metodo e propri limiti.

Rilevamento dei battiti e frequenza cardiaca. L’approccio più semplice trova ogni picco o piede e conta. Durante l’esercizio molti orologi passano invece a un approccio in frequenza: cercano nel segnale il ritmo regolare più forte nell’arco di pochi secondi e usano l’accelerometro per cancellare il ritmo che corrisponde ai passi. TROIKA, un noto metodo di questo tipo, ha raggiunto un errore medio di 2,34 battiti al minuto in 12 persone che correvano fino a 15 km/h (Zhang e colleghi, 2015). La frequenza cardiaca è il valore PPG più difficile da sbagliare gravemente, perché l’errore su un picco cambia pochissimo una media su 10 secondi.

HRV, in realtà PRV. L’app elenca gli intervalli tra i picchi, scarta quelli che sembrano sbagliati e applica una formula come il RMSSD. Poiché un solo picco collocato male cambia molto il RMSSD, la maggior parte dei produttori misura durante il sonno e scarta i tratti con movimento. Per le formule, vedi come si misura la HRV.

Ossigeno nel sangue (SpO2). Il sangue ricco e quello povero di ossigeno assorbono in modo diverso la luce rossa e infrarossa. Il sensore confronta la dimensione dell’increspatura del polso ai due colori, un «rapporto di rapporti», e la converte in percentuale con una curva ricavata da volontari (Allen, 2007). La distorsione legata al colore della pelle citata sopra sta in questo passaggio.

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 . La respirazione lascia sulla PPG tre segni: il livello di partenza del segnale sale e scende, le onde del polso si ingrandiscono e si riducono, e gli intervalli tra loro si allungano e si accorciano. Gli algoritmi ne estraggono uno o più e contano i cicli. Il movimento e uno scarso contatto del sensore alterano il segnale su cui si basano, e pochi sono stati testati su dati di persone alle prese con la loro giornata (Charlton e colleghi, 2018).

Avvisi di ritmo irregolare. L’orologio controlla in background gli intervalli tra le pulsazioni, in cerca dello schema caotico della fibrillazione atriale, e se più controlli concordano invia una notifica. Nell’Apple Heart Study su 419.297 persone, lo 0,52% ha ricevuto una notifica nell’arco di una mediana di 117 giorni. Dei 450 che hanno poi restituito un cerotto ECG leggibile, il cerotto mostrava fibrillazione atriale nel 34% dei casi, e quando una nuova notifica arrivava con il cerotto applicato, l’ECG mostrava fibrillazione atriale in quel momento l’84% delle volte (Perez e colleghi, 2019). Nel Fitbit Heart Study su 455.699 persone, l’1% ha avuto un rilevamento. Dei 1057 che hanno restituito un cerotto leggibile, il cerotto mostrava fibrillazione atriale nel 32,2% dei casi, e un nuovo rilevamento durante l’uso del cerotto corrispondeva a fibrillazione atriale all’ECG il 98,2% delle volte (Lubitz e colleghi, 2022). Una notifica è un invito a fare un ECG, non una diagnosi, e l’assenza di notifiche non è un via libera.

Pressione arteriosa senza bracciale. Ci sono due strade. Una misura il tempo dell’onda di pressione tra due punti, come un picco ECG al petto e un picco PPG al polso. Un’arteria più rigida e più sotto pressione conduce l’onda più in fretta, quindi un tempo di transito più breve suggerisce una pressione più alta, ma ogni persona ha bisogno di una calibrazione con un bracciale e il dispositivo va ricalibrato di tanto in tanto (Mukkamala e colleghi, 2015). L’altra strada legge la forma della singola onda PPG. Dal 2014 esiste uno standard IEEE per i dispositivi senza bracciale (IEEE 1708), che chiede effettivamente test su un aumento e su una diminuzione della pressione, ma gli esperti hanno fatto notare che lascia indefinito il modo in cui si producono quelle variazioni, quindi un dispositivo può superarlo senza dimostrare di seguire i tipi di variazione che contano (Mukkamala e colleghi, 2021). La Società Europea dell’Ipertensione dice che questi dispositivi non dovrebbero essere usati per decisioni cliniche finché non superano una validazione adeguata (Stergiou e colleghi, 2022).

«Età vascolare» e punteggi di stress. Alcune app trasformano l’indice di rigidità, l’indice di riflessione o l’indice di invecchiamento della derivata seconda in un’età vascolare, o mescolano la PRV con altri segnali in un punteggio di stress. Gli indici seguono effettivamente l’età nei gruppi, come mostrano gli studi sopra. Se il punteggio di una singola persona significhi qualcosa non è stato validato, e la stessa persona può ottenere un’età vascolare diversa premendo di più il sensore o scaldandosi la mano. Leggili come una curiosità.

PPG, ECG e fasce toraciche per la HRV

PPG al polso o ad anelloPPG con la fotocamera del telefonoFascia toracica (ECG)
Che cosa misura nel tempoL’onda di polso nella pelleL’onda di polso nel polpastrelloIl picco elettrico R del cuore
MisuraPRVPRVHRV
QuandoSonno, o misurazioni puntualiUna misurazione che avvii tuUna misurazione che avvii tu
Campioni al secondoRaramente pubblicatiLa frequenza dei fotogrammi della fotocamera, di solito 30 o 60Da 250 a 1000, l’intervallo consigliato dagli standard ECG
A riposoVicina all’ECGVicina all’ECG in uno studio su 29 personeIl riferimento da usare a casa
In movimentoInaffidabileNon utilizzabileBuona, se la fascia è bagnata e ben aderente
Battiti in piùSpesso non rilevatiSpesso non rilevatiVisibili ed eliminabili

Gli standard ECG chiedono da 250 a 500 campioni al secondo o più, e accettano una frequenza più bassa solo con l’interpolazione (Task Force, 1996). Il dato della fotocamera è la consueta frequenza dei fotogrammi di un telefono, e in uno studio su 29 persone a riposo il RMSSD di un’app con la fotocamera concordava bene con un ECG (Plews e colleghi, 2017). Un ECG clinico, con più derivazioni, resta il riferimento per tutti e tre. Le prove dispositivo per dispositivo sono nella pagina HRV su Oura, WHOOP, Garmin e Apple Watch.

Quanto pesa il passaggio al metodo ottico dipende dal valore. Piccoli errori di temporizzazione in ogni pulsazione si sommano nelle misure battito a battito come il RMSSD, il 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 la 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 , mentre 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 cambia pochissimo. La pagina Orologio o fascia toracica? Che cosa fa la PPG ai valori della HRV passa in rassegna ogni fonte di errore, dà una tabella parametro per parametro e ha un grafico interattivo che misura gli stessi battiti con un ECG e con un sensore PPG.

Che cosa significa per le tue misurazioni

  • Confronta un dispositivo PPG solo con sé stesso. La sua HRV è PRV, misurata con tempi propri e filtri propri, quindi non coinciderà con una fascia o con un altro orologio. La lezione su perché i tuoi dispositivi danno HRV diverse ne mostra un esempio.
  • Per qualsiasi misurazione che avvii tu, resta immobile e al caldo, e indossa il cinturino aderente ma non stretto, come consigliano i produttori (Apple Support). Come fare una buona misurazione della HRV contiene la routine.
  • Fidati più delle misurazioni nel sonno che dei controlli puntuali di giorno. Le ore di quiete danno al rilevatore la migliore possibilità.
  • Considera un valore strano isolato come un problema del sensore, prima di tutto. Movimento, una mano fredda o un battito mancato ne spiegano la maggior parte.
  • Fidati della frequenza cardiaca, usa la HRV come andamento, la SpO2 come guida approssimativa, e l’età vascolare e i punteggi di stress come una curiosità.
  • Porta a un medico un avviso di ritmo irregolare per fare un ECG. Se hai sintomi, non prendere l’assenza di avvisi come una rassicurazione.
  • Se vuoi una HRV di qualità ECG a casa, la danno una fascia toracica e un’app gratuita. Vedi la HRV al polso è precisa come la fascia toracica? e la fotocamera del telefono può misurare la HRV?

Domande frequenti

La HRV di un orologio è precisa?

A riposo o nel sonno, di solito è vicina a quella dell'ECG. Gli studi che confrontano i sensori ottici con un ECG trovano una buona concordanza quando le persone stanno ferme, con una lieve tendenza a dare valori un po' più alti per la variabilità a breve termine. Durante il movimento la concordanza può crollare, ed è per questo che la maggior parte degli orologi misura la HRV mentre dormi.

Perché la HRV del mio orologio è diversa da quella della fascia toracica?

Per tre motivi. La fascia misura il tempo del picco elettrico del cuore; l'orologio misura il tempo di un'onda di pressione che arriva al polso una frazione di secondo dopo, e quel ritardo varia un poco da un battito all'altro. L'orologio campiona il segnale meno spesso, quindi il momento di ogni pulsazione è definito con meno precisione. E di solito i due misurano in momenti diversi e possono usare formule diverse.

Una fotocamera può misurare la HRV?

Sì, a riposo. Un polpastrello sull'obiettivo della fotocamera con il flash acceso dà un segnale PPG. In uno studio su 29 persone sane sedute e immobili, il RMSSD di un'app con la fotocamera dello smartphone concordava bene con un ECG. Devi restare immobile e al caldo, e i risultati variano da un'app all'altra.

Il colore della pelle influisce sulle misurazioni del mio orologio?

Per la frequenza cardiaca le prove sono contrastanti. Una revisione del 2023 su dieci piccoli studi ne ha individuati quattro con una precisione minore sulla pelle più scura, quattro senza alcun effetto e due con risultati misti, e poche persone con la pelle più scura erano state testate. Per l'ossigeno nel sangue è stato dimostrato che i pulsossimetri ospedalieri si lasciano sfuggire più spesso i livelli bassi di ossigeno nei pazienti neri, quindi considera la SpO2 di un orologio una guida approssimativa.

Fonti

  1. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement Physiological Measurement, 2007
  2. The 2023 wearable photoplethysmography roadmap Physiological Measurement, 2023
  3. A review on wearable photoplethysmography sensors and their potential future applications in health care International Journal of Biosensors and Bioelectronics, 2018
  4. On the analysis of fingertip photoplethysmogram signals Current Cardiology Reviews, 2012
  5. Assessment of vasoactive agents and vascular aging by the second derivative of photoplethysmogram waveform Hypertension, 1998
  6. Determination of age-related increases in large artery stiffness by digital pulse contour analysis Clinical Science, 2002
  7. Contour analysis of the photoplethysmographic pulse measured at the finger Journal of Hypertension, 2006
  8. Characteristics of the dicrotic notch of the arterial pulse wave in coronary heart disease Angiology, 1973
  9. Effects of age and aerobic capacity on arterial stiffness in healthy adults Circulation, 1993
  10. Aging, habitual exercise, and dynamic arterial compliance Circulation, 2000
  11. How accurate is pulse rate variability as an estimate of heart rate variability? A review on studies comparing photoplethysmographic technology with an electrocardiogram International Journal of Cardiology, 2013
  12. Pulse rate variability in cardiovascular health: a review on its applications and relationship with heart rate variability Physiological Measurement, 2020
  13. Pulse rate variability: a new biomarker, not a surrogate for heart rate variability Journal of Physiological Anthropology, 2020
  14. Investigating sources of inaccuracy in wearable optical heart rate sensors npj Digital Medicine, 2020
  15. Accuracy of heart rate measurement with wrist-worn wearable devices in various skin tones: a systematic review Journal of Racial and Ethnic Health Disparities, 2023
  16. Racial bias in pulse oximetry measurement New England Journal of Medicine, 2020
  17. Photoplethysmography sampling frequency: pilot assessment of how low can we go to analyze pulse rate variability with reliability? Physiological Measurement, 2017
  18. The minimal sampling frequency of the photoplethysmogram for accurate pulse rate variability parameters in healthy volunteers Biomedical Signal Processing and Control, 2021
  19. TROIKA: a general framework for heart rate monitoring using wrist-type photoplethysmographic signals during intensive physical exercise IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2015
  20. Breathing rate estimation from the electrocardiogram and photoplethysmogram: a review IEEE Reviews in Biomedical Engineering, 2018
  21. Large-scale assessment of a smartwatch to identify atrial fibrillation New England Journal of Medicine, 2019
  22. Detection of atrial fibrillation in a large population using wearable devices: the Fitbit Heart Study Circulation, 2022
  23. Toward ubiquitous blood pressure monitoring via pulse transit time: theory and practice IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2015
  24. IEEE 1708-2014: IEEE standard for wearable cuffless blood pressure measuring devices IEEE Standards Association, 2014
  25. Evaluation of the accuracy of cuffless blood pressure measurement devices: challenges and proposals Hypertension, 2021
  26. Cuffless blood pressure measuring devices: review and statement by the European Society of Hypertension Working Group on Blood Pressure Monitoring and Cardiovascular Variability Journal of Hypertension, 2022
  27. PPGSynth: an innovative toolbox for synthesizing regular and irregular photoplethysmography waveforms Frontiers in Medicine, 2020
  28. Get the most accurate measurements using your Apple Watch Apple Support
  29. Comparison of heart-rate-variability recording with smartphone photoplethysmography, Polar H7 chest strap, and electrocardiography International Journal of Sports Physiology and Performance, 2017
  30. Heart rate variability: standards of measurement, physiological interpretation and clinical use Circulation (Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology), 1996
  31. Heart rate variability and cardiac vagal tone in psychophysiological research: recommendations for experiment planning, data analysis, and data reporting Frontiers in Psychology, 2017