스펙트럼은 박동 시계열의 변동을 리듬별로 나눕니다. 느린 파동에 얼마나 있고 호흡 파동에 얼마나 있는지를 보여 줍니다. 스펙트럼을 만들려면 리샘플링, 추세 제거 추세 제거 스펙트럼을 계산하기 전에 박동 간격 시계열에서 느린 드리프트를 없애는 작업입니다. 드리프트가 가장 낮은 주파수에 가짜 파워로 쌓이는 것을 막습니다. 추세 제거 더 알아보기 , 분석 구간, 방법의 네 가지를 정해야 하고, 각각이 수치를 바꾸기 때문에 같은 기록을 두 프로그램에 넣으면 결과가 다릅니다. 이 레슨은 교육용 기록으로 이 과정을 따라간 뒤, 가장 중요한 교란 요인인 호흡수를 보여 줍니다.
교육용 기록은 이 목적에 맞게 만들었습니다. 간격 341개에 0.25 Hz의 호흡 파동(분당 15회, 높이 35 ms), 0.10 Hz의 혈압 파동(15 ms), 0.02 Hz의 느린 드리프트(10 ms), 박동마다의 무작위 잡음 6 ms가 들어 있습니다. 좋은 분석이라면 이 세 파동을 이 세 대역에서 찾아야 합니다.
스펙트럼이란
흔들리는 시계열은 주파수가 서로 다른 사인파의 합으로 쓸 수 있습니다. 스펙트럼은 각 주파수가 분산을 얼마나 담고 있는지를 ms²/Hz로 보여 줍니다. 두 주파수 사이의 스펙트럼을 더하면 그 대역의 파워가 ms²로 나옵니다.
대역의 아래 경계와 위 경계 사이에서 스펙트럼 아래의 면적이라고 읽으면 됩니다. 모든 대역을 더하면, 추세 제거기가 없앤 부분을 빼고 시계열의 분산, 즉 SDNN의 제곱이 됩니다. 유럽심장학회와 북미 심박조율·전기생리학회의 태스크포스(Task Force, 1996)는 대역을 ULF ULF 파워 0.003 Hz 미만에서 심장 박동 간격의 분산으로, 단위는 ms²입니다. 낮밤 리듬을 포함해 5분에 한 번보다 느린 리듬이며, 24시간 기록에서만 잴 수 있습니다. ULF 파워 더 알아보기 (극저주파) 0.003 Hz 미만, VLF VLF 파워 0.003~0.04 Hz 대역에서 심장 박동 간격의 분산으로, 단위는 ms²입니다. 25초에서 5분 주기로 반복되는 리듬이며, 최소 5분 기록이 필요하고 24시간에 걸쳐 읽는 것이 가장 좋습니다. VLF 파워 더 알아보기 (초저주파) 0.0030.04 Hz, LF LF 파워 0.04~0.15 Hz 대역, 곧 7~25초마다 반복되는 리듬에 들어가는 심장 박동 간격의 분산이며 단위는 ms²입니다. 한때 교감신경 활동으로 읽혔지만 지금은 논란이 있습니다. LF 파워 더 알아보기 (저주파) 0.040.15 Hz, HF HF 파워 0.15~0.40 Hz 대역, 곧 일반적인 호흡 범위에 들어가는 심장 박동 간격의 분산이며 단위는 ms²입니다. 호흡이 분당 9~24회일 때는 주로 미주신경 활동을 반영합니다. HF 파워 더 알아보기 (고주파) 0.15~0.4 Hz로 정했고, Shaffer와 Ginsberg(2017)가 이를 그대로 옮겼습니다(이들은 VLF의 하한을 0.0033 Hz로 씁니다). Kubios는 기본값으로 같은 LF와 HF 경계를 쓰고 VLF는 0에서 시작합니다.
과정을 결정별로 따라가기
리샘플링. NN 간격 NN 간격 추가 박동과 측정 오류를 제거한 뒤, 정상 박동 두 개 사이의 RR 간격을 밀리초로 나타낸 값입니다. 심박변이도(HRV) 지표 대부분은 NN 간격으로 계산합니다. NN 간격 더 알아보기 시계열은 박동마다 값이 하나이므로 점들의 시간 간격이 고르지 않습니다. 고속 푸리에 변환에는 일정한 시계 위의 값이 필요합니다. 표준 해법은 박동을 지나는 큐빅 스플라인을 맞추어 4 Hz로 읽는 것이며, 이것이 Kubios의 기본값입니다(Kubios HRV User’s Guide, 2021). Quigley 연구진(2024)은 4 Hz를 “일반적으로 선호된다”고 하며 방법을 보고하라고 요구합니다.
추세 제거. 의자에 자리 잡거나 체온이 바뀌면서 생기는 느린 드리프트는 리듬이 아니지만, 변환은 이를 초저주파 파워로 세고 이웃 대역으로 퍼뜨립니다. 추세 제거기가 이를 없앱니다. 가장 간단한 방법은 직선을 빼는 것입니다. Kubios의 기본값은 Tarvainen 연구진(2002)의 smoothness priors 방법으로, 매끄러움을 매개변수 λ로 정하는 시간 가변 고역 통과 필터입니다. 안내서에 따르면 기본 설정은 0.04 Hz 아래, 즉 VLF 대역에 있는 것 대부분을 제거합니다(Kubios HRV User’s Guide, 2021). 이 사이트의 라이브러리는 λ = 500을 씁니다. 프로그램마다 추세 제거 방식이 다르고, 아예 하지 않는 프로그램도 있습니다.
정상성 정상성 기록 속 리듬이 처음부터 끝까지 같은 상태로 유지된다는 가정입니다. LF와 HF 같은 주파수 지표에 필요하며, 도중에 상태가 바뀐 기록은 이 가정을 깹니다. 정상성 더 알아보기 . 스펙트럼 방법은 분석 구간 동안 시계열의 평균과 분산이 변하지 않는다고 가정합니다. 심장 박동은 이 가정을 좀처럼 따라 주지 않습니다. Quigley 연구진(2024)은 추세 제거로 변하는 평균은 다룰 수 있지만 변하는 분산은 같은 방식으로 없앨 수 없다고 말하며, 해법의 하나로 짧은 구간을 제안합니다. 또 LF와 HF의 일반적인 용도에서는 가정이 크게 어긋나도 크게 문제가 되지 않을 수 있다고도 지적합니다. Catai 연구진(2020)은 정상성 기준을 보고하라고 요구합니다. Laborde 연구진(2017)은 24시간 기록을 하나의 분석 구간으로 보지 말고 5분 구간들로 나누어 분석하라고 권하는데, 하나로 보면 정상성 가정이 깨지기 때문입니다.
분석 구간과 방법. 흔히 쓰는 추정기는 세 가지입니다.
- Welch 주기도(FFT): 리샘플링한 시계열을 겹치는 구간으로 자르고, 각 구간에 Hann 같은 창을 씌워 변환한 뒤 크기의 제곱을 평균합니다. Kubios는 기본값으로 300초 창에 50% 중첩을 씁니다. 이 사이트의 라이브러리는 64초 구간에 50% 중첩을 써서 스펙트럼이 더 매끄러워지며, 수치가 Kubios와 조금 다른 이유의 하나입니다. 결과는 울퉁불퉁하지만 정직한 추정이며 고를 모형이 없습니다.
- 자기회귀(AR) 모형: 각 표본을 이전 표본들로 예측하는 모형을 맞춘 뒤 모형에서 스펙트럼을 읽습니다. 피크가 깔끔한 매끄러운 곡선이 나오며, 그래서 Laborde 연구진(2017)은 HF에 이 방법을 권하고 짧은 기록에서는 모형 차수를 16 이상으로 두라고 합니다. Kubios의 기본 차수는 16이고, Catai 연구진(2020)은 흔한 범위로 8~20을 제시합니다. 차수는 선택이며 스펙트럼은 차수에 따라 달라집니다. 이 사이트는 AR 스펙트럼을 설명하지만 계산하지는 않습니다.
- Lomb-Scargle 주기도: 고르지 않은 박동 시각을 그대로 다루므로 리샘플링도 추세 제거 단계도 없으며, 대신 다른 종류의 평활이 일어납니다. Kubios가 대안으로 제공합니다.
Quigley 연구진(2024)은 FFT와 AR 스펙트럼이 “대체로 사실상 동등한 결과로 이어진다”고 보고합니다. 호흡과 관련된 변동의 서로 다른 추정치도 서로 0.80 넘게 상관되며, 선택은 실용적, 이론적 근거에 달려 있다고 합니다. 이 사이트의 라이브러리에서 네 가지 과정으로 교육용 기록을 분석한 결과는 다음과 같습니다.
| 과정 | VLF (ms²) | LF (ms²) | HF (ms²) |
|---|---|---|---|
| Welch, smoothness priors | 3 | 120 | 635 |
| Welch, 직선 제거 | 51 | 123 | 636 |
| Welch, 추세 제거 없음 | 51 | 123 | 636 |
| Lomb-Scargle, 원래 박동 | 55 | 124 | 630 |
첫 줄은 Welch 앞에 smoothness priors 추세 제거를 하는 기본 과정이고, Lomb-Scargle 줄은 리샘플링과 추세 제거를 아예 건너뜁니다. 네 가지 모두 호흡 피크를 0.25 Hz에서, 혈압 파동을 0.10 Hz 부근에서 찾습니다. LF와 HF는 몇 퍼센트 이내로 일치하므로 비도 그렇습니다. LF/HF 비 LF/HF 비 LF 파워를 HF 파워로 나눈 값이며 단위가 없습니다. 교감신경계와 부교감신경계 사이의 균형을 가늠하는 지표로 제안되었지만, 연구에서는 그 균형을 신뢰할 수 있게 측정하지 못하는 것으로 나타났습니다. LF/HF 비 더 알아보기 (저주파/고주파 파워의 비)는 Welch 세 가지에서 0.19, Lomb-Scargle에서 0.20이고, 정규화 단위는 모든 과정에서 같아서 LF n.u. 정규화 단위 LF 또는 HF 파워를 ms²가 아니라 둘의 합(LF + HF)에 대한 백분율로 나타낸 값입니다. 둘을 더하면 항상 100이 되므로 두 값은 합쳐서 정보 하나를 담습니다. 정규화 단위 더 알아보기 16%, HF n.u. 84%입니다. 과정이 갈리는 곳은 VLF입니다. smoothness priors 추세 제거기는 거의 전부 없애고, 직선 제거와 Lomb 방법은 남깁니다. 이 기록처럼 짧고 안정적인 기록에서는 방법보다 설정이 덜 중요하고, 드리프트가 있는 기록에서는 추세 제거기와 분석 구간이 느린 대역을 좌우합니다. 두 프로그램의 결과가 다른 단순한 이유가 이것입니다. 내 기록을 Kubios와 이 사이트의 계산기에 나란히 넣어 보려면, RR 변환기로 Garmin, Polar, Movesense에서 내보낸 파일을 Kubios 텍스트와 일반 CSV로 저장할 수 있습니다.
리듬을 성분별로 나누기
교육용 기록 5분
- ULF
- 24시간 필요
- VLF
- 3 ms²
- LF
- 120 ms²
- HF
- 635 ms²
- 총 파워
- 758 ms²
- LF n.u.
- 15.9
- HF n.u.
- 84.1
- LF/HF
- 0.19
- 피크
- 0.250 Hz, HF
충분한 휴식, 호흡 분당 15회(0.250 Hz), 기록 시간 5분, 추세 제거 후 Welch 방법. 호흡 피크는 HF 대역의 0.250 Hz에 있고, 약 0.1 Hz의 혈압 파동이 더 작은 LF 피크로 나타납니다. LF/HF는 0.19입니다.
JavaScript를 켜면 조작 도구가 작동합니다.
0~0.5 Hz의 주파수별 파워를 나타낸 선 그래프로, VLF(0.003~0.04 Hz), LF(0.04~0.15 Hz), HF(0.15~0.4 Hz) 대역에 음영이 표시되어 있고 호흡 주파수에 표시가 있습니다. 수치 표시에는 ULF, VLF, LF, HF, 총 파워(ms²), 정규화 단위의 LF와 HF, LF/HF 비, 피크 주파수가 나오고, 그 뒤에 무엇이 바뀌었는지 설명하는 문장이 이어집니다. 조작 도구는 분당 5~20회의 호흡수 슬라이더, 기록 시간 슬라이더, 추세 제거 확인란, Welch와 Lomb–Scargle 버튼, ‘충분한 휴식’, ‘스트레스 상태’, ‘드리프트 있음’, ‘이소성 박동 있음’ 기록의 프리셋 버튼 네 개입니다.
대역과 그것이 뜻한다고 주장되는 것
| 대역 | 경계 | 최소 필요 기록 | 주장되는 근원 |
|---|---|---|---|
| ULF | 0.003 Hz 미만 | 24시간 | 일주기 리듬 일주기 리듬 몸의 24시간 시계입니다. 밤에는 낮보다 심박수가 낮고 미주신경 활동을 반영하는 심박변이도(HRV)는 높으므로, 측정값은 같은 시간대에 측정했을 때에만 비교할 수 있습니다. 일주기 리듬 더 알아보기 , 체온, 대사. 자율신경의 몫은 논란 중 |
| VLF | 0.003~0.04 Hz | 5분, 24시간 권장 | 불확실. 체온 조절, 호르몬, 심장 자체의 신경 |
| LF | 0.04~0.15 Hz | 2분 | 안정 시 압수용체 반사 압수용체 반사 심박수를 바꿔 박동마다 혈압을 안정시키는 반사입니다. 이 반사에는 지연이 있어 약 10초마다 심박수가 오르내리며, 이것이 LF(저주파) 파워의 0.1 Hz 리듬입니다. 압수용체 반사 더 알아보기 (혈압) 파동. 자율신경의 두 갈래 모두 기여 |
| HF | 0.15~0.4 Hz | 1분 | 호흡이 전하는 미주신경 활동 미주신경 긴장도 미주신경이 심장에 지속적으로 미치는 영향으로, 심장을 느리게 합니다. 보통 RMSSD나 HF 파워 같은 심박변이도(HRV) 지표로 추정합니다. 미주신경 긴장도 더 알아보기 ( 호흡성 동성부정맥(RSA) 호흡성 동성부정맥 숨을 들이쉴 때 심박수가 오르고 내쉴 때 내려가는 정상적인 변화입니다. 미주신경이 일으키며 안정 시 심박변이도(HRV)의 상당 부분을 이룹니다. 호흡성 동성부정맥 더 알아보기 ) |
최소 기록 시간과 주장되는 근원은 Shaffer와 Ginsberg(2017)를 따랐습니다. 기록 시간의 배경에는 대역에서 가장 느린 주파수의 주기가 약 열 번 들어가야 한다는 Task Force(1996)의 규칙이 있고, Laborde 연구진(2017)과 Quigley 연구진(2024)이 이를 다시 말합니다. Quigley 연구진은 간격이 1000 ms 이하인 보통의 성인은 30초만으로도 쓸 수 있는 HF를 얻을 수 있다고 덧붙입니다. Heathers(2014)는 LF에 대해 더 엄격합니다. 0.04 Hz의 주기 열 번에는 250초가 걸리므로, LF에 기반한 모든 것(정규화 단위와 LF/HF 포함)에는 최소 5분이 필요하다고 주장하며, 열 주기 규칙 자체가 분석적으로 도출된 적이 없는 것 같다고도 지적합니다.
정규화 단위(n.u.)는 LF와 HF를 둘의 합으로 나누어, 각각 두 대역을 합친 것에서 차지하는 몫이 되게 합니다.
LF와 HF의 합에서 LF가 차지하는 몫, HF가 차지하는 몫, 그리고 둘 사이의 비라고 읽으면 됩니다. 셋은 하나의 사실입니다. LF n.u.는 100에서 HF n.u.를 뺀 값이고, LF/HF = 0.6은 LF n.u. = 37.5%와 같습니다(Heathers, 2014). 이 중 둘을 따로 된 결과로 보고한 논문은 결과 하나를 두 번 보고한 것입니다. Heathers가 조사한 2012년의 연구 가운데 정규화 단위나 LF/HF를 쓴 연구의 59%가 바로 그렇게 했고, LF/HF 비는 두 정규화 단위 어느 쪽보다도 정밀도가 낮았습니다. Kubios를 비롯한 일부 프로그램은 n.u.를 총 파워(TP)에서 VLF를 뺀 값을 기준으로 정의하는데, 그러면 수치가 달라지므로 보고서는 어느 쪽인지 밝혀야 합니다. 이 기록의 LF n.u.는 16%이고 LF/HF는 0.19입니다. 호흡 파동이 우세하다는 뜻일 뿐, 어느 신경이 무엇을 했는지는 알려 주지 않습니다.
레슨 14에서는 LF/HF가 ‘교감신경-미주신경 균형’의 지표가 아닌 이유를 다뤘습니다(Billman, 2013). Quigley 연구진(2024)은 한 걸음 더 나아가, 양극 균형이라는 개념은 “더는 유지될 수 없으며” LF/HF도 LF도 교감신경 교감신경계 자율신경계에서 ‘투쟁-도피 반응’을 맡는 갈래입니다. 심장을 빠르게 뛰게 하고 더 세게 수축시키지만, 작용이 느려서 박동 간 심박변이도(HRV)를 만들어 내지는 못합니다. 교감신경계 더 알아보기 활동의 지표로 쓰면 안 된다고 말합니다. 절대 파워를 보고하세요. 비는 쓴다면 스펙트럼의 모양을 묘사하는 용도로만 쓰세요.
호흡 교란 요인
HF 대역은 분당 924회로 호흡한다고 가정합니다. 0.150.4 Hz가 분당 9~24주기이기 때문입니다(Shaffer와 Ginsberg, 2017). 분당 9회보다 느리게 호흡하면 호흡 파동이 LF로 넘어갑니다. 미주신경의 구동은 바뀌지 않았고, 그것이 놓이는 대역이 바뀐 것입니다.
교육용 기록으로는 이를 정확히 보여 줄 수 있습니다. 위의 대화형 그래프는 다른 성분과 잡음은 그대로 두고 호흡 파동만 내가 고른 호흡수로 기록을 다시 만듭니다. 이 모형은 느린 호흡이 실제 사람에게 하는 일도 재현합니다. 호흡 속도가 분당 6회에 가까워질수록 호흡에 따른 흔들림이 커져서, 분당 15회에서 35 ms이던 것이 분당 6회에서는 91 ms가 됩니다. 그래프를 15회로 맞춘 뒤 6회로 맞추면 다음 수치가 나옵니다.
| 분당 호흡수 호흡수 분당 호흡 횟수입니다. 호흡수만으로도 심박변이도(HRV)가 달라집니다. 더 느리고 깊게 쉬면 박동 간 흔들림이 커지고, 분당 약 9회보다 느려지면 이 흔들림이 HF 대역에서 LF 대역으로 옮겨 갑니다. 호흡수 더 알아보기 | RMSSD RMSSD 연속한 NN 간격 차이의 제곱평균제곱근. 심장 박동 간격이 다음 간격과 얼마나 다른지를 밀리초 단위로 나타내는 심박변이도(HRV) 지표이며, 주로 미주신경 활동을 반영합니다. RMSSD 더 알아보기 (ms) | LF (ms²) | HF (ms²) | LF/HF |
|---|---|---|---|---|
| 15 | 33.4 | 120 | 635 | 0.19 |
| 6 | 39.4 | 4939 | 20 | 252.7 |
호흡 파동이 이제 LF로 읽히고, HF는 거의 사라졌으며, HF n.u.는 84%에서 0.4%로 떨어졌고, LF/HF는 0.19에서 252.7로 올랐습니다. 어떤 ‘균형’ 점수라도 극단적인 교감신경 우세라고 부를 수치입니다. 비를 뒤집는 것은 흔들림이 커진 것이 아닙니다. 흔들림을 35 ms로 고정하고 분당 6회로 호흡해도 LF/HF는 69.3에 이르고 RMSSD는 19.5 ms로 떨어집니다. 느린 파동은 한 박동에서 다음 박동으로 가는 사이에 거의 변하지 않기 때문입니다. 파동이 어느 대역에 들어가는지가 비를 움직이고, 흔들림의 크기는 얼마나 움직일지만 정합니다.
이것이 레슨 13에서 기준선 기준선 같은 방식으로 몇 주 동안 측정한 값으로 만든, 내 평소 심박변이도(HRV) 수준과 범위입니다. 측정값을 다른 사람과 비교하는 것보다 내 기준선과 비교하는 편이 더 많은 것을 알려 줍니다. 기준선 더 알아보기 측정 중에는 호흡을 맞추지 말라고 한 규칙의 원리이며, 바이오피드백에서 만나게 될 공명 호흡의 원리이기도 합니다. 약 0.1 Hz의 파동은 LF 대역이 잡아내도록 만들어진 것입니다. 아래에서 해 보세요. 슬라이더가 호흡 속도를 정하고, 띠 그래프가 흔들림을 보여 주며, 표시창에는 마지막 30초의 RMSSD가 나옵니다.
숨 쉬며 심장 지켜보기
측정값이 아닌 교육용 모델
- 심박수
- 60 bpm
- RMSSD
- 46 ms
최근 30초
JavaScript를 켜면 이 그림이 움직입니다.
숨을 들이쉴 때마다 커지고 내쉴 때마다 작아지는 호흡 원이 있습니다. 그 아래의 심장 박동 띠에서는 음영이 있는 들숨 동안 박동이 가까워지고 날숨 동안 벌어지는 것이 보입니다. 띠 아래의 선은 박동 앞 간격을 나타내며, 들숨에는 내려가고 날숨에는 올라갑니다. 슬라이더로 속도를 분당 4~15회로 정하고, 수치 표시에는 최근 30초 동안의 심박수와 RMSSD가 나옵니다. 흔들림은 분당 6회쯤에서 가장 큽니다.
Laborde 연구진(2017)은 호흡을 맞추기보다 측정하고, 미주신경에 관한 결론을 낼 때마다 호흡수가 분당 9~24회 안에 있는지 확인하라고 권합니다. Quigley 연구진(2024)은 같은 사람 안에서 비교하는 설계에는 한발 더 나아가 호흡을 보정한 결과와 보정하지 않은 결과를 나란히 제시하라고 요구합니다. 요즘은 많은 웨어러블 기기가 박동 시계열 자체에서 호흡수를 추정하는데, 이는 HF 피크 피크 주파수 심박변이도(HRV) 스펙트럼의 한 대역에서 파워가 가장 높은 주파수이며 단위는 Hz입니다. HF 피크는 보통 호흡수이고, LF 피크는 보통 0.1 Hz 근처입니다. 피크 주파수 더 알아보기 주파수를 거꾸로 읽은 것입니다. 이 기록에서 0.25 Hz는 분당 15회 호흡입니다.
더 알아보기 재현할 수 있는 스펙트럼 보고서가 밝히는 것
Quigley 연구진(2024), Catai 연구진(2020), GRAPH 체크리스트(레슨 20)는 같은 목록으로 모입니다. 리샘플링 방법과 주파수, 추세 제거 방법, Welch 스펙트럼의 창 종류와 길이와 중첩 또는 AR 스펙트럼의 모형 차수와 적합 방법, 대역 경계, n.u.가 LF + HF를 기준으로 하는지 총 파워에서 VLF를 뺀 값을 기준으로 하는지, 단위(ms² 또는 그 로그값이며, 파워가 치우쳐 있어서 로그가 필요한 경우가 많습니다), 구간 길이와 정상성을 다룬 방법, 측정했거나 추정한 호흡수입니다. 이것이 주어지면 두 분석가가 같은 박동에서 같은 LF를 얻어야 합니다. 이것이 없으면 두 논문의 차이는 두 설정의 차이일 수 있습니다.
레슨 19는 같은 박동에 다른 질문을 합니다. 리듬마다 변동이 얼마나 있는지가 아니라, 변동이 얼마나 질서 있는지입니다.