Ogni valore di variabilità della frequenza cardiaca (HRV) nasce dagli stessi quattro passaggi: trovare ogni battito, misurare gli intervalli tra un battito e l’altro, eliminare i battiti errati e trasformare gli intervalli rimasti in un unico numero. Questa lezione li percorre uno per uno, con un calcolo che puoi fare su carta.
Nella lezione 2 hai visto l’immagine che sta dietro la HRV: una linea di intervalli tra battiti che sale e scende. Nella lezione 4 hai visto come un solo battito errato possa falsare il valore. Ora vedrai come un dispositivo passa dal battito del cuore al numero che compare sullo schermo.
Passaggio 1: trovare ogni battito
Il dispositivo deve prima sapere con esattezza quando avviene ogni battito. Ci sono due modi principali.
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 (fasce toraciche ed elettrocardiogrammi medici). Gli elettrodi sulla pelle captano il segnale elettrico del cuore. Ogni battito produce un picco alto e netto, chiamato onda R. Poiché il picco è così netto, il software può collocarlo nel tempo con grande precisione. Per questo l’ECG è il metodo di riferimento (gold standard) per la HRV.
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 (orologi, anelli e fotocamere dei telefoni). Un sensore ottico invia luce nella pelle e misura quanta ne ritorna. A ogni battito, un’ondata di sangue passa sotto il sensore e modifica il segnale. Il dispositivo registra il momento di ogni onda di polso, non quello di ogni impulso elettrico.
La pulsazione arriva al polso o al dito un istante dopo il battito del cuore. A rigore, quindi, i dispositivi ottici misurano 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 quella della frequenza cardiaca. A riposo, le due misure coincidono abbastanza bene per la maggior parte degli usi. Le misurazioni ottiche tendono a mostrare un po’ più di variabilità a breve termine rispetto all’ECG, in parte perché la respirazione influisce sulla pulsazione lungo il percorso fino alla pelle. La corrispondenza peggiora molto quando ti muovi. Le app che usano la fotocamera del telefono 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 basano sullo stesso principio; vedi la pagina La fotocamera del telefono può misurare la HRV?
Quanto spesso guarda il sensore
Un sensore non osserva il cuore di continuo. Scatta istantanee, molte volte al secondo. Il numero di istantanee al secondo è 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 , in hertz (Hz). Un dispositivo può collocare un battito solo su una delle sue istantanee, quindi il momento del battito viene arrotondato a quella più vicina.
L’arrotondamento all’istantanea più vicina sposta un battito al massimo di metà dell’intervallo tra due istantanee. A 1000 Hz le istantanee distano 1 ms, quindi un battito cade entro 0,5 ms dal suo momento reale; a 250 Hz, entro 2 ms. La fotocamera di un telefono scatta circa da 25 a 30 immagini al secondo, quindi ogni battito può essere sfalsato fino a 20 ms. Le linee guida di ricerca del 2024 indicano una cifra più prudente, un passo intero tra due istantanee (±1 ms a 1000 Hz, ±4 ms a 250 Hz), e raccomandano 1000 Hz (Quigley e colleghi, 2024).
Questo conta soprattutto per 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 . Il RMSSD misura la variazione da un intervallo al successivo, e gli errori di arrotondamento assomigliano esattamente a queste variazioni. Se ogni battito della registrazione di esempio di cinque minuti usata in questo corso viene collocato sulla più vicina di 25 immagini al secondo, il RMSSD risulta più alto del 31%, circa un terzo in più. Il software può recuperare gran parte di questa differenza stimando dove cadeva il picco del polso tra due immagini. La lezione 16, nel livello Analisi, ti permette di provare tu ogni frequenza di campionamento: Dall’elettrodo al numero: la catena del segnale.
Passaggio 2: misurare gli intervalli
Poi il dispositivo misura il tempo che passa da ogni battito al successivo, in millisecondi (ms). Sono gli 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 che hai incontrato nella lezione 1. Un breve elenco potrebbe essere questo:
810, 830, 790, 850, 820 ms
Sono cinque intervalli tra sei battiti. L’intervallo medio è 820 ms, che corrisponde a circa 73 battiti al minuto (bpm).
Passaggio 3: ripulire l’elenco
Le registrazioni reali sono imperfette. Un dispositivo può:
- saltare un battito (un intervallo risulta lungo il doppio del dovuto)
- contare un battito che non c’era (un intervallo viene diviso in due intervalli brevi)
- rilevare un vero battito in più 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 nato al di fuori del 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 , un battito ectopico
- captare disturbi dovuti al movimento o a una fascia allentata
Ognuno di questi eventi crea un salto falso tra intervalli vicini. Come hai visto nella lezione 4, un solo salto di questo tipo può moltiplicare il RMSSD molte volte. Nelle registrazioni brevi, anche pochi battiti modificati (meno del 5% del totale) possono cambiare il risultato.
Perciò, prima del calcolo, il software ripulisce l’elenco in due fasi. Gli intervalli che restano, tra battiti normali, si chiamano intervalli NN Intervallo NN Un intervallo RR tra due battiti normali, in millisecondi, una volta tolti i battiti extra e gli errori di misurazione. La maggior parte delle misure di HRV si calcola dagli intervalli NN. Approfondisci: Intervallo NN («normal-to-normal», cioè tra battiti normali).
Prima si individuano gli intervalli errati. La regola più comune confronta ogni intervallo con quelli vicini e segnala quelli che se ne discostano di più di una soglia stabilita. Una regola rigida coglie anche gli errori piccoli, ma comincia a segnalare battiti veri; una regola permissiva lascia passare gli errori.
Poi si correggono. Il software elimina l’intervallo errato oppure lo sostituisce con un valore ricavato dagli intervalli corretti che lo circondano. La sostituzione mantiene in fase il ritmo della registrazione, cosa che conta per alcune misure; l’eliminazione è più semplice (Peltola, 2012).
Quanta correzione è troppa? Modificare anche meno del 5% degli intervalli può cambiare i risultati a breve termine, e molti studi scartano una registrazione con meno dell’80% di battiti normali (Peltola, 2012). La guida a Kubios, un programma di ricerca molto diffuso, raccomanda di tenere i battiti corretti sotto il 5% (Alcantara e colleghi, 2020).
La lezione 16 illustra i metodi di pulizia, li confronta su una registrazione di cinque minuti e ti lascia inserire un battito errato per poi ripulirlo tu.
Questo passaggio non lo vedi mai. L’app lo esegue in silenzio, con il proprio metodo e la propria soglia. È uno dei motivi per cui due dispositivi possono dare valori diversi per la stessa notte.
Passaggio 4: trasformare gli intervalli in un numero
Ora il calcolo. La principale misura di HRV a breve termine è il RMSSD, sigla di «root mean square of successive differences», cioè radice quadrata della media dei quadrati delle differenze successive. Il nome sembra difficile, ma si riduce a quattro piccoli passaggi, eseguiti nell’ordine inverso rispetto alle parole.
Prendiamo i nostri cinque intervalli:
| Intervallo (ms) | Differenza dall’intervallo precedente (ms) | Differenza al quadrato |
|---|---|---|
| 810 | ||
| 830 | +20 | 400 |
| 790 | −40 | 1600 |
| 850 | +60 | 3600 |
| 820 | −30 | 900 |
- Differenze successive. Sottrai ogni intervallo da quello che lo segue: +20, −40, +60, −30.
- Quadrato. Moltiplica ogni differenza per se stessa: 400, 1600, 3600, 900. Elevare al quadrato rende positivi tutti i valori, così un calo conta quanto un aumento. Inoltre dà più peso ai salti grandi.
- Media. Fai la media dei quadrati: 6500 ÷ 4 = 1625.
- Radice. Calcola la radice quadrata: √1625 ≈ 40.
Il RMSSD di questi cinque intervalli è circa 40 ms. In parole semplici, da un battito al successivo l’intervallo cambiava di circa 40 ms in un passo tipico.
Ora prova con un elenco più lungo. Il widget qui sotto calcola il RMSSD passo per passo su dieci battiti della registrazione di esempio del sito. Usa il pulsante per avanzare da un passaggio all’altro, oppure modifica un battito e guarda come si aggiorna ogni passaggio.
RMSSD passo dopo passo
Dieci battiti, ogni numero in vista
RMSSD di questi 10 intervalli è 26,9 ms.
Passaggio 5 di 5
Passaggio 1 di 5 Parti dagli intervalli
Battito 1 880 ms Battito 2 826 ms Battito 3 812 ms Battito 4 823 ms Battito 5 848 ms Battito 6 877 ms Battito 7 880 ms Battito 8 866 ms Battito 9 828 ms Battito 10 815 ms 10 intervalli tra 11 battiti, in millisecondi.
Passaggio 2 di 5 Sottrai ogni intervallo dal successivo
Battito 2 − battito 1 −54 ms Battito 3 − battito 2 −14 ms Battito 4 − battito 3 +11 ms Battito 5 − battito 4 +25 ms Battito 6 − battito 5 +29 ms Battito 7 − battito 6 +3 ms Battito 8 − battito 7 −14 ms Battito 9 − battito 8 −38 ms Battito 10 − battito 9 −13 ms Il segno più indica che il cuore ha rallentato per un battito, il segno meno che ha accelerato.
Passaggio 3 di 5 Eleva al quadrato ogni differenza
Differenza 1 2916 Differenza 2 196 Differenza 3 121 Differenza 4 625 Differenza 5 841 Differenza 6 9 Differenza 7 196 Differenza 8 1444 Differenza 9 169 Somma 6517 Il quadrato rende positivo ogni valore e dà più peso ai cambiamenti grandi.
Passaggio 4 di 5 Fai la media dei quadrati
6517 ÷ 9 724,11 Passaggio 5 di 5 Calcola la radice quadrata
√724,11 26,9 ms RMSSD 26,9 ms
Con JavaScript attivo, i passaggi compaiono uno alla volta e i battiti si possono modificare.
Una riga di dieci intervalli tra battiti modificabili, in millisecondi, poi il calcolo di RMSSD in passaggi numerati: Parti dagli intervalli; Sottrai ogni intervallo dal successivo; Eleva al quadrato ogni differenza; Fai la media dei quadrati; Calcola la radice quadrata. L’ultimo passaggio indica RMSSD pari a 26,9 ms. I pulsanti Indietro e Avanti permettono di spostarsi tra i passaggi.
Accanto al RMSSD vedrai spesso una seconda misura, il 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 . È la deviazione standard di tutti gli intervalli e mostra quanto si disperdono attorno alla loro media. Per i nostri cinque intervalli, il SDNN è circa 22 ms. La lezione 6 confronta le due misure.
Approfondisci La formula del RMSSD in simboli
Indica gli intervalli come RR₁, RR₂, … RRₙ. Le differenze successive sono dᵢ = RRᵢ₊₁ − RRᵢ, e sono n − 1.
RMSSD = √( (d₁² + d₂² + … + dₙ₋₁²) ÷ (n − 1) )
Con i nostri cinque intervalli, n − 1 = 4 differenze, quindi dividiamo per 4 la somma dei quadrati (6500). Il software reale esegue questo calcolo sugli intervalli NN ripuliti, con i propri metodi di pulizia e di media, quindi il suo risultato può non coincidere esattamente con un calcolo a mano.
Il SDNN usa invece la distanza di ogni intervallo dall’intervallo medio: eleva al quadrato ogni distanza, somma i quadrati, dividi per n − 1 e calcola la radice quadrata. Per 810, 830, 790, 850 e 820, le distanze da 820 sono −10, +10, −30, +30 e 0. I quadrati sommano 2000, e √(2000 ÷ 4) ≈ 22 ms.
Quanto deve durare la registrazione
Finora abbiamo usato cinque intervalli. Le registrazioni vere ne contengono molti di più, e la durata conta.
Nella ricerca, lo standard abituale per una registrazione di HRV a breve termine è di 5 minuti. Una durata inferiore si definisce a brevissimo termine. Le registrazioni di 24 ore sono lo standard per la HRV a lungo termine, usata soprattutto nella ricerca medica.
Il RMSSD regge bene nelle registrazioni brevi. In uno studio su 70 adulti sani, il RMSSD ricavato da appena 1 minuto, o anche da 10 secondi, concordava bene con il valore di 5 minuti. Il SDNN no. Uno studio molto più ampio, su 3387 adulti, è arrivato alla stessa conclusione: un solo ECG di 10 secondi dava un RMSSD valido, la media di tre tratti da 10 secondi era migliore, e 2 minuti concordavano quasi perfettamente con una registrazione da 4 a 5 minuti.
Il SDNN si comporta diversamente perché misura la dispersione di tutti gli intervalli, comprese le variazioni lente. Una registrazione più lunga include ritmi più lenti, dalla postura all’attività fino al ciclo giorno-notte, quindi il SDNN continua a crescere con la durata. Trascina la finestra qui sotto da 5 minuti a 24 ore su una giornata simulata: il RMSSD cambia pochissimo, il SDNN quasi triplica.
Quanto a lungo conviene registrare?
Un giorno simulato, non una persona
- RMSSD
- 37,2 ms
- SDNN
- 29,7 ms
- Battiti nella finestra
- 327
Su 5 min, il RMSSD è 37,2 ms e il SDNN 29,7 ms. Questo è lo standard a breve termine.
Il cursore funziona con JavaScript attivo.
Un grafico di RMSSD e SDNN in funzione della durata della registrazione, su un asse logaritmico da 10 secondi a 24 ore. La linea del RMSSD resta vicina a 37 ms a ogni durata. La linea del SDNN sta intorno a 30 ms fino a pochi minuti e sale a circa 84 ms a 24 ore. Segni tratteggiati indicano le durate minime: 1 minuto per la banda HF, 2 minuti per la LF, 5 minuti per lo standard a breve termine e per la banda VLF, 20 minuti per il DFA α2 e 24 ore per la ULF e per il SDNN a lungo termine. Un cursore sceglie la durata della finestra, e i valori mostrano RMSSD, SDNN e numero di battiti nella finestra.
Ogni misura richiede una durata minima:
| Misura | Registrazione utile più breve | Fonte |
|---|---|---|
| RMSSD | Da 10 secondi a 1 minuto; più lunga è più stabile | Munoz 2015; Nussinovitch 2011 |
| SDNN | Almeno 30 secondi, e confrontabile solo a pari durata | Munoz 2015; Shaffer e Ginsberg 2017 |
| SDNN a lungo termine | 24 ore | Shaffer e Ginsberg 2017 |
Le misure che separano la HRV in ritmi lenti e veloci richiedono registrazioni più lunghe, e le fonti non concordano su quanto più lunghe. La lezione 18 espone le regole e i punti in cui divergono.
I valori ricavati da registrazioni di durata diversa non vanno confrontati. Un SDNN di 24 ore contiene informazioni sul rischio cardiaco che un SDNN di 5 minuti non ha (Shaffer e Ginsberg, 2017).
Gli anelli e gli orologi che misurano durante il sonno scelgono ciascuno le proprie finestre di registrazione e il proprio modo di combinarle. È un altro motivo per cui i loro valori differiscono, come spiega la lezione 8.
Dove si insinuano gli errori
I problemi qui sotto compaiono al passaggio 1 o al passaggio 3:
- Movimento. Aggiunge disturbi sia all’ECG sia al PPG, e danneggia di più il PPG.
- Contatto scarso. Una fascia o un elettrodo allentati, o un anello che scivola, possono far saltare dei battiti.
- Battiti in più. Se la pulizia non li coglie, il RMSSD schizza verso l’alto.
- Tipo di sensore. I sensori ottici misurano le pulsazioni, non l’impulso elettrico, quindi durante l’attività si allontanano di più dall’ECG.
Se vuoi confrontare i dispositivi, leggi la pagina La HRV al polso è precisa come la fascia toracica? Per il quadro più ampio su metodi e dispositivi, vedi la pagina Come misurare la HRV: sensori, tempi, precisione.
Con questa lezione il livello 1 è concluso. Nella prossima, RMSSD, SDNN e lnRMSSD, confronterai le principali misure di HRV e scoprirai quale probabilmente mostra la tua app.