LFパワー

LF（低周波）パワーは、心拍間隔の分散のうち0.04〜0.15 Hzの帯域に入る量で、単位はms²です。およそ7〜25秒ごとに繰り返すゆっくりした波にあたります。

この指標がある理由

周波数解析は、間隔の上下を速さの異なるリズムに分けます。音楽で低音と高音を分けるのに少し似ています。1996年、欧州心臓病学会と北米ペーシング・電気生理学会のタスクフォース（Task Force）は四つの帯域を定めました。低周波帯域は、同じ周期の血圧の波に追従する、心拍数の約0.1 Hzの波を捉えるためのもので、長い間、 交感神経 交感神経 交感神経系 自律神経系のうち「闘争・逃走反応」を担う系統です。心臓を速く、強く拍動させますが、作用が遅すぎて、拍ごとの心拍変動（HRV）を左右することはできません。 交感神経系についてさらに詳しく （「闘争・逃走反応」）の活動の指標と読まれてきました。のちの研究は、この読み方を支持していません。Goldsteinらは2011年に、LFパワーは交感神経トーンではなく、血圧を安定させる回路である圧受容器反射の機能を反映すると結論しました。Billmanの2013年のレビューは、LFと交感神経活動の関係が極めて乏しいと報告しています。この帯域には、神経系の両方の系統が関わります。

計算式

$$\mathrm{LF} = \int_{0.04}^{0.15} P(f)\,\mathrm{d}f$$

パワースペクトル密度$P(f)$（単位はms²/Hz）を、0.04〜0.15 Hzのすべての周波数$f$にわたって足し合わせます。$P(f)$は間隔の系列のスペクトルから得ます。系列を4 Hzでリサンプリングし、トレンドを除去して、Welch法で変換します（自己回帰モデルで推定する方法や、拍の時刻から直接Lomb–Scargleペリオドグラムを使う方法もあります）。結果は分散なので、単位はms²です。

計算例

リズムを分解する

教材用の記録から5分間

周波数（Hz）ごとのパワー 呼吸

VLFLFHF

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

ULF

24時間分の記録が必要

VLF

3 ms²

LF

120 ms²

HF

635 ms²

トータルパワー

758 ms²

LF n.u.

15.9

HF n.u.

84.1

LF/HF

0.19

ピーク

0.250 Hz, HF

休息十分、1分あたり15回（0.250 Hz）、5分、Welch法（トレンド除去後）。 呼吸のピークはHF帯の0.250 Hzにあり、約0.1 Hzの血圧の波が、LF帯の小さなピークになっています。LF/HFは0.19です。

休息十分 ストレス状態 ドリフトあり 異所性拍動あり

呼吸数 1分あたり15回 記録時間 5分

Welch法（FFT） Lomb–Scargle法

先にトレンドを除去する（smoothness priors法、λ = 500）

JavaScriptをオンにすると操作できます。

0〜0.5 Hzの周波数に対するパワーの折れ線グラフです。VLF帯（0.003〜0.04 Hz）、LF帯（0.04〜0.15 Hz）、HF帯（0.15〜0.4 Hz）に色が付き、呼吸周波数の位置に印があります。表示欄には、ULF、VLF、LF、HF、トータルパワー（ms²）、正規化単位のLFとHF、LF/HF比、ピーク周波数が表示され、何が変わったかを説明する文が続きます。操作は、1分あたり5〜20回の呼吸数スライダー、記録時間スライダー、トレンド除去のチェックボックス、WelchまたはLomb–Scargleのボタン、そして休息十分、ストレス状態、ドリフトあり、異所性拍動ありの記録を選ぶ4つのプリセットボタンです。

教材用の記録の五分間のLFパワーは120 ms²で、HFパワーは635 ms²、呼吸のピークは0.250 Hzにあります。呼吸数を毎分7回まで下げると、ピークはLF帯域の中の0.116 Hzに移り、LFパワーは3462 ms²に上がり、HFは19 ms²に下がります。神経系は何も変わっていません。変わったのは呼吸です。

何で変わるか

安静時は、圧受容器反射と血圧の波です。ほかに、呼吸が毎分約9回（0.15 Hz）より遅くなると、呼吸のリズム全体がこの帯域に入ります。立ち上がるとLFは上がります。記録時間も関わり、Task Forceは、LF帯域を扱うには約2分が必要としています。Task Forceの表では、定常状態での仰臥位5分間の記録で1,170 ± 416 ms²とされ、この値は概算だと断っています。Nunanらがまとめた短時間記録の値は、平均519 ms²です。

誤解しやすい場面

「交感神経」として読んだときは、いつも誤解のもとになります。ゆっくりした呼吸の練習でLFが上がるのは、呼吸のピークが帯域の端を越えたためです。毎分6回で呼吸している人は、深くリラックスしていても、大きなLFパワーを示します。絶対値は分布が大きく偏っているため、大きな値の人が数人いるだけで平均が引き上げられます。論文では、対数や、 正規化単位 正規化単位 正規化単位（n.u.） LFパワーまたはHFパワーを、ms²ではなく、二つの合計（LF + HF）に対する割合で表したもの。二つは足すと必ず100になるため、合わせて一つの情報しか持ちません。 正規化単位（n.u.）についてさらに詳しく （n.u.）での割合を報告することが多くあります。同じ記録でも、リサンプリング周波数、 トレンド除去 トレンド除去 トレンド除去 スペクトルを計算する前に、拍の間隔の系列からゆっくりしたずれを取り除くこと。そのずれが、最も低い周波数に偽のパワーとして積み上がるのを防ぎます。 トレンド除去についてさらに詳しく 、ウィンドウの長さが推定値を変えるため、二つのプログラムでLFの値が異なることがあります。

どこで目にするか

Task Forceの名称はLFで、ms²と正規化単位で示されます。Kubios HRVはLFピーク周波数、ms²の絶対パワー、その対数、%の相対パワー、n.u.の正規化パワーを出力します。Elite HRVはLFをms²で示し、周波数の値を正確に出すには少なくとも5分の記録が必要としています。HRVアプリのLF、HF、VLF、nuは何を意味しますか？は、典型的なアプリの画面を読み解きます。