Часы или нагрудный датчик? Как ФПГ влияет на ВСР

Диаграмма ниже сопоставляет два сигнала для одних и тех же ударов: сверху электрокардиограмма электрокардиограмма ЭКГ Запись электрической активности сердца с помощью электродов на коже. RR-интервалы, полученные по ЭКГ, — эталонный метод измерения ВСР. Подробнее: ЭКГ (ЭКГ) нагрудного датчика, снизу фотоплетизмограмма ( ФПГ ФПГ ФПГ Оптический метод: свет направляют в кожу и улавливают пульсацию крови при каждом ударе сердца. Большинство часов, колец и приложений с камерой телефона оценивают по ней ВСР. Подробнее: ФПГ , PPG) часов.

1. Время распространения пульсовой волны: волна достигает запястья через доли секунды после зубца R.
2. Время распространения меняется с дыханием и артериальным давлением, поэтому PP-интервал не равен в точности своему RR-интервалу.
3. Разброс времени: округлую волну можно привязать к основанию, к самому крутому подъёму или к вершине, и каждый вариант даёт чуть другое время удара.
4. Низкая частота дискретизации: при 25 отсчётах в секунду датчик видит одну точку каждые 40 мс, поэтому время пика округляется.

Две кривые одна над другой для одних и тех же ударов. Верхняя — ЭКГ с высоким острым зубцом R на каждый удар; скобки между зубцами подписаны «RR-интервал». Нижняя — ФПГ с плавной округлой пульсовой волной на каждый удар. Каждая волна начинается через короткое время после своего зубца R; эта задержка, время распространения пульсовой волны, чуть отличается у каждого удара. На одной волне закрашенная полоса охватывает основание, самый крутой подъём и вершину — точки, которые детектор может принять за момент удара. На другой волне точками отмечены отсчёты медленного датчика с шагом 40 мс, и ни один не приходится точно на вершину. Скобки между вершинами пульсовых волн подписаны «PP-интервал».

Люди часто спрашивают, измеряют ли часы или кольцо вариабельность сердечного ритма (ВСР) так же хорошо, как нагрудный датчик. Коротко: в покое близко, а при движении хуже. Эта страница объясняет почему, шаг за шагом: как носимое устройство превращает вспышки света в список интервалов между ударами, где на каждом шаге появляется ошибка по времени и какие числа ВСР она меняет сильнее всего. Это подробный разбор к сравнению на странице как измеряют ВСР. Саму пульсовую волну и другие величины, которые измеряет датчик ФПГ, разбирает материал ФПГ: как часы считывают пульс.

Перейти к интерактивной модели

Два сигнала от одного удара

Нагрудный датчик — по сути, маленький электрокардиограф. Два электрода улавливают электрическую волну, которая проходит по сердечной мышце непосредственно перед сокращением. На записи каждый удар даёт высокий узкий пик, зубец R, который поднимается и опускается за сотые доли секунды. Его вершину легко привязать ко времени, поэтому промежуток от одного зубца R до следующего, RR-интервал RR-интервал RR-интервал Время от одного удара сердца до следующего, измеренное в миллисекундах между зубцами R на ЭКГ. ВСР рассчитывают по ряду таких интервалов. Подробнее: RR-интервал , точно фиксирует, когда сработал водитель ритма водитель ритма Синусовый узел Естественный водитель ритма сердца — небольшой участок клеток, который запускает каждый нормальный удар. Без влияния нервов он срабатывает примерно 100 раз в минуту; в покое блуждающий нерв удерживает частоту ниже. Подробнее: Синусовый узел сердца (Task Force, 1996).

Часы или кольцо используют ФПГ, оптический датчик. Свет направляют в кожу, а фотодиод измеряет, сколько его возвращается. Когда удар гонит кровь в мелкие сосуды под датчиком, поглощается чуть больше света, и датчик видит один плавный горб на удар. Промежуток между горбами — это интервал от пульса до пульса (PP-интервал), а его изменчивость — вариабельность пульса вариабельность пульса Вариабельность пульса Изменчивость времени между ударами пульса, которую оптически измеряют часы, кольца и камеры телефонов. В покое она близко следует за ВСР, а при движении расходится с ней. Подробнее: Вариабельность пульса (PRV).

Для точности по времени важны три различия:

• Пульс приходит позже. Волна давления должна покинуть сердце и пройти по артериям. У 32 взрослых в положении полулёжа время от зубца R до основания пульсовой волны составило 126 мс на ухе и 269 мс на пальце (Block и коллеги, 2020). Запястье находится между ними, поэтому часы, вероятно, видят каждый пульс примерно через 150–300 мс после зубца R, в зависимости от человека и выбранной на пульсе точки. Этот диапазон — наша оценка, а не измеренное значение.
• Задержка меняется. Время распространения волны сокращается, когда давление растёт, и удлиняется, когда оно падает (Mukkamala и коллеги, 2015), и колеблется с дыханием. При дыхании в заданном темпе у 15 здоровых людей наибольшее изменение времени распространения у разных людей составляло от 7 до 23 мс (Drinnan и коллеги, 2001). Эти миллисекунды попадают в PP-интервалы, хотя сердце их не создавало.
• Пульс округлый. Зубец R поднимается и опускается за несколько десятков миллисекунд. Пульсовой волне нужно около десятой доли секунды только на подъём, а её вершина широкая и плоская. Привязать широкую вершину ко времени труднее, чем узкий пик.

Шаг за шагом: от света к числу ВСР

В каждом носимом устройстве работает какой-то вариант этой цепочки. Подробности производители не публикуют, поэтому воспринимайте шаги как общий метод, а не как описание какого-то одного продукта.

Диаграмма ниже показывает семь шагов, пронумерованных так же, как заголовки ниже, и то, что может пойти не так на каждом из них.

1. 1 Свет на входе, исходный сигнал на выходе Светодиод освещает кожу, а фотодиод считывает вернувшийся свет. Здесь теряется точность: Свободный ремешок, дневной свет, холодная кожа или тёмные чернила татуировки могут уменьшить рябь почти до уровня собственного шума датчика.
2. 2 Дискретизация Датчик снимает показания через равные промежутки — с заданной частотой дискретизации. Здесь теряется точность: Момент волны может совпасть только с одним из отсчётов, поэтому время каждой волны округляется.
3. 3 Фильтрация Быстрый шум сглаживается, медленный дрейф убирается. Здесь теряется точность: Сглаживание притупляет каждую волну; сдвиг, зависящий от её формы, смещает время удара.
4. 4 Поиск одной и той же точки на каждой волне Детектор отмечает время одной опорной точки: основания, самого крутого подъёма или пика. Здесь теряется точность: Шум сдвигает широкий плоский пик сильнее, чем крутой подъём.
5. 5 Ряд интервалов Время каждой волны вычитается из времени следующей: получается одно число на удар. Здесь теряется точность: Запоздавшая волна делает один интервал слишком длинным, а следующий — слишком коротким.
6. 6 Очистка и заполнение пропусков Пропущенные и ложные волны отбрасываются, заполняются или заменяются. Здесь теряется точность: Каждый заполненный или заменённый удар — это догадка, а способ редактирования меняет результат.
7. 7 Окно и число Прошивка выбирает участок данных, например короткие окна ночью или в покое, и применяет формулу. Здесь теряется точность: В коротких окнах меньше ударов, поэтому несколько плохих сильнее влияют на результат.

Сильнее всего страдают: RMSSD, pNN50, SD1, HF · Страдают меньше: средняя ЧСС, LF, SD2

Цепочка из семи шагов сверху вниз: свет на входе и исходный сигнал на выходе, дискретизация, фильтрация, поиск одной и той же точки на каждой пульсовой волне, ряд интервалов, очистка и заполнение пропусков, окно и число. Рядом с каждым шагом указана ошибка, которая может появиться именно здесь: слабая рябь из-за посадки, дневной свет, холодная кожа или чернила татуировки, округление до отсчётов, сглаженная пульсовая волна, шум, смещающий выбранную точку, запоздавшая волна, которая удлиняет один интервал и укорачивает следующий, удары, подставленные наугад и короткие окна. Полоса в конце сообщает, что сильнее всего страдают RMSSD, pNN50, SD1 и HF, а средняя ЧСС, LF и SD2 — меньше.

1. Свет на входе, сырой сигнал на выходе

Светодиод, на запястье обычно зелёный, освещает кожу, а фотодиод много раз в секунду считывает вернувшийся свет. Большая часть света возвращается неизменной; колебание от удара к удару составляет его малую долю, поэтому электроника его усиливает.

Что может пойти не так: неплотно застёгнутый ремешок, пробивающийся дневной свет, холодная кожа или тёмная краска татуировки могут уменьшить колебание так, что оно едва превышает собственный шум датчика. Подробнее об этом рассказывает материал ФПГ: как часы считывают пульс.

2. Дискретизация: часы датчика

Датчик видит не непрерывную волну. Он берёт отсчёты в фиксированные моменты, с некоторой частотой дискретизации. При 25 отсчётах в секунду моменты разделены 40 мс, при 64 — около 16 мс, при 500 — 2 мс. Пульс можно привязать только к одному из этих моментов, поэтому ошибка во времени каждого пульса может достигать половины шага: ±20 мс при 25 Гц и ±1 мс при 500 Гц.

Чего это стоит: в каждом PP-интервале есть ошибка округления пульсов на обоих концах. Сама по себе эта ошибка мала рядом с интервалом 900 мс, но ВСР состоит из изменений в 10–50 мс, поэтому округление может составлять большую долю измеряемого. Урок от электрода к числу разбирает это на реальных числах.

3. Фильтрация

Прежде чем искать пульсы, прошивка сглаживает сигнал (фильтр низких частот), чтобы убрать быстрый шум, и убирает медленный дрейф (фильтр высоких частот), вызванный дыханием, позой и давлением на датчик.

Чего это стоит: сглаживание убирает шум, но и размывает форму каждого пульса, а фильтр, несимметричный во времени, сдвигает все пульсы на одну и ту же величину. Постоянный сдвиг для интервалов не важен; сдвиг, зависящий от формы каждого пульса, важен.

4. Поиск одной и той же точки на каждом пульсе

Детектор выбирает на каждом пульсе один ориентир, опорную точку, и фиксирует его время. Обычно выбирают одну из трёх:

• Основание, где пульс начинает расти. Брать самый низкий отсчёт ненадёжно, потому что дно плоское. Обычно проводят касательную вдоль крутого подъёма и находят, где она пересекает уровень предшествующего дна: метод пересечения касательных.
• Самая крутая точка подъёма, максимум первой производной.
• Вершина, верхняя точка волны.

Диаграмма ниже отмечает все три на одном пульсе.

1. Основание: точка, где касательная к крутому подъёму пересекает уровень впадины перед ним (метод пересекающихся касательных).
2. Самая крутая точка подъёма: шум почти не сдвигает крутой фронт по времени.
3. Пик: возле широкой плоской вершины небольшой шум способен сдвинуть самый высокий отсчёт на несколько миллисекунд.

Одна плавная пульсовая волна. Пунктирная линия идёт вдоль впадины перед волной, вторая пунктирная линия — вдоль крутого подъёма; место, где они пересекаются, отмечено как основание. Точка на середине подъёма отмечает самый крутой участок, поперёк неё проходит очень короткая полоса. Точка на округлой вершине отмечает пик, поперёк неё проходит гораздо более широкая полоса: шум может сдвинуть время пика намного сильнее.

Точка самого крутого подъёма обычно самая стабильная, потому что шум почти не сдвигает крутой склон по времени. Вершина наименее стабильна: возле широкой плоской верхушки небольшой шум может сместить самый высокий отсчёт на несколько миллисекунд, а ещё вершина смещается, когда форма пульса меняется с дыханием или давлением. Данные это подтверждают. В исследовании с пассивной ортостатической пробой на поворотном столе, где ФПГ пальца и лба записывали вместе с ЭКГ, середина подъёма, максимум первой производной и пересечение касательных давали PP-интервалы, ближе всего подходящие к RR-интервалам, а вершина и простая точка основания совпадали хуже всего (Peralta и коллеги, 2019). В исследовании на мочке уха сравнили шесть методов и признали лучшим пересечение касательных: среднеквадратичная разность с RR-интервалом составила 5,69 мс (Hemon и Phillips, 2015). Тот же набор идей объясняет результат из работ по измерению давления без манжеты: если сильнее прижать датчик, время вершины сдвигается примерно вдвое больше, чем время основания (Block и коллеги, 2020, со ссылкой на их более раннее исследование).

На этом шаге помогает интерполяция. Вместо ближайшего к ориентиру момента детектор подгоняет небольшую кривую по отсчётам вокруг него и считывает ориентир между моментами. Для широкого пульса, занимающего несколько отсчётов, это возвращает большую часть потерянной точности.

5. Ряд интервалов

Вычтите время каждого пульса из времени следующего, и получится ряд PP: одно число на удар, в миллисекундах. Все ошибки шагов 1–4 теперь внутри этих чисел. Пульс, определённый на 5 мс позже, делает один интервал на 5 мс длиннее, а следующий — на 5 мс короче.

6. Очистка и заполнение пропусков

Часть пульсов прибор пропускает — при движении или когда преждевременное сокращение преждевременное сокращение Эктопическое сокращение Сокращение сердца, которое возникает вне обычного водителя ритма и обычно приходит раньше срока. Эктопические сокращения встречаются часто, но искажают ВСР, если их не убрать или не исправить. Подробнее: Эктопическое сокращение выбрасывает слишком мало крови. А иногда он находит ложные пульсы: шаг или подёргивание выглядят как удар. Прежде чем что-то считать, прошивке нужно исправить ряд. Типичные правила: отбросить пульс, пришедший невозможно скоро после предыдущего, заполнить длинный пропуск равномерно расставленными ударами и заменить интервал, слишком отличающийся от соседних, локальным средним. Стандарты ВСР требуют обработать аномальные удары и артефакты артефакты Артефакт Ошибка в записи сердечного ритма: пропущенный, лишний или неточно отмеченный удар, часто из-за движения или плохого контакта датчика. Артефакты могут сильно исказить показатели ВСР. Подробнее: Артефакт до анализа (Task Force, 1996), а сам способ редактирования меняет результаты (Peltola, 2012). Удаление интервалов соединяет удары, которые никогда не были соседними; заполнение сглаживает ряд.

Чего это стоит: каждый заполненный или заменённый удар — догадка, обычно гладкая, поэтому она снижает изменчивость от удара к удару там, где стоит. Пропуски вредят и сами. У 20 здоровых добровольцев в записи интервалов Apple Watch в среднем было пять пропусков на запись, каждый длиной около 6,5 секунды. Показатели временной области значимо не изменились, но мощность LF мощность LF Мощность LF Дисперсия интервалов между ударами в диапазоне 0,04–0,15 Гц, в мс²: ритмы, повторяющиеся каждые 7–25 секунд. Раньше её считали показателем симпатической активности, но теперь это оспаривают. Подробнее: Мощность LF и HF HF Мощность HF Дисперсия интервалов между ударами в диапазоне от 0,15 до 0,40 Гц, в мс²: это диапазон обычного дыхания. Отражает в основном вагусную активность при частоте дыхания от 9 до 24 вдохов в минуту. Подробнее: Мощность HF была значимо ниже (Hernando и коллеги, 2018).

7. Окно и число

Наконец, прошивка выбирает участок данных и применяет формулу. Большинство часов и колец считают ВСР не по всем ударам за день. Они берут короткие окна ночью или в покое, усредняют их и сообщают одно значение; у каждой марки свой выбор, как описывают страница ВСР по устройствам и урок о том, почему устройства расходятся. В коротких окнах ударов меньше, поэтому несколько плохих весят больше.

Шесть источников ошибки по времени

Каждый рисунок ниже соответствует одной из шести причин в нумерованном списке после него.

1. 1 Дискретизация

   Время каждой волны округляется до ближайшего отсчёта, ошибка — до половины шага между отсчётами.

2. 2 Опорная точка

   Широкий плоский пик шум сдвигает легко, крутой подъём — почти нет.

3. 3 Время распространения

   Дыхание, давление и положение тела меняют задержку от сердца до датчика от удара к удару.

4. 4 Движение

   Движения руки и запястья дают размахи, намного превышающие пульсовую волну.

5. 5 Слабый пульс

   Волна уменьшается, а шум датчика остаётся прежним, поэтому любая опорная точка дрожит сильнее.

6. 6 Пропущенные и лишние удары

   Каждый из них требует исправления, а каждое исправление — это догадка.

Шесть небольших эскизов. 1. Дискретизация: точки на одной пульсовой волне с шагом в несколько десятков миллисекунд; ни одна не попадает на пик, поэтому ближайшая отстоит от него на часть шага. 2. Опорная точка: одна волна с широким отрезком на плоской вершине и узким на крутом подъёме — видно, насколько один и тот же шум сдвигает каждую точку по времени. 3. Время распространения: зубцы ЭКГ над пульсовыми волнами; задержка от каждого зубца до его волны чуть различается от удара к удару. 4. Движение: спокойный участок с небольшими волнами, затем размахи, намного больше самой волны. 5. Слабый пульс: маленькая зашумлённая волна под пунктирным контуром сильной, с более широким разбросом момента, к которому привязан каждый удар. 6. Пропущенные и лишние удары: метки над найденными волнами; у одной небольшой волны метки нет, а на подёргивание между двумя ударами поставлена лишняя.

Каждый шаг выше добавляет свою ошибку. По причинам:

1. Дискретизация. Округление времени каждого пульса до ближайшего отсчёта: ошибка достигает половины промежутка между отсчётами. В пилотном исследовании ФПГ, записанную с частотой 10 000 отсчётов в секунду, прореживали, и при частоте выше 25 Гц ни один показатель значимо не отличался от ВСР по ЭКГ. Ниже первым терял точность pNN50 pNN50 pNN50 Процент пар соседних NN-интервалов, которые различаются более чем на 50 миллисекунд. Как и RMSSD, отражает быстрые вагусные изменения, но выражается долей, а не величиной. Подробнее: pNN50 (при 20 Гц и ниже), затем RMSSD RMSSD RMSSD Среднеквадратичное значение разностей соседних NN-интервалов: показатель ВСР в миллисекундах, построенный на том, насколько каждый интервал между ударами отличается от следующего. В основном отражает активность блуждающего нерва. Подробнее: RMSSD (при 15 Гц и ниже), тогда как средний интервал, мощность VLF мощность VLF Мощность VLF Дисперсия интервалов между ударами в диапазоне от 0,003 до 0,04 Гц, в мс²: ритмы с периодом от 25 секунд до 5 минут. Нужна запись не короче 5 минут, а надёжнее всего оценивать её за 24 часа. Подробнее: Мощность VLF и LF держались при каждой проверенной частоте (Choi и Shin, 2017). Исследование 57 пятиминутных записей обозначило более жёсткий предел: RMSSD оставался в пределах 5 % от значения при 1000 Гц до 50 отсчётов в секунду без интерполяции и до 20 с ней; средняя частота пульса оставалась в пределах 0,05 % при 5 отсчётах в секунду (Béres и Hejjel, 2021).
2. Ориентир. Широкую плоскую вершину шуму легко сдвинуть, крутой подъём — нет (Peralta и коллеги, 2019).
3. Время распространения. Дыхание, давление и поза от удара к удару меняют задержку от сердца до датчика (Drinnan и коллеги, 2001; Mukkamala и коллеги, 2015). Это добавляет изменчивость, идущую от сосудов. Одни исследователи видят в этом недостаток PRV, другие — дополнительные сведения о кровообращении (Mejía-Mejía и коллеги, 2020).
4. Движение. Движения руки и запястья сдвигают датчик и гоняют кровь, вызывая колебания, намного превышающие пульсовые. В исследовании потребительских и исследовательских носимых устройств ошибка пульса во время активности в среднем была на 30 % выше, чем в покое (Bent и коллеги, 2020), а ВСР, которой нужен каждый удар, страдает намного сильнее пульса.
5. Слабый пульс. Холодные руки, неплотная посадка или малый кровоток в коже уменьшают пульс, тогда как шум датчика остаётся прежним. Тогда каждый ориентир дрожит сильнее. В исследовании воздействия холода PRV с пальца руки и ноги отличалась от ВСР по ЭКГ сильнее, чем PRV с уха (Mejía-Mejía и коллеги, Frontiers in Physiology, 2020).
6. Пропущенные и лишние удары. Каждый из них требует исправления, а каждое исправление — догадка (Peltola, 2012; Hernando и коллеги, 2018).

Попробуйте сами: один удар, два датчика

Модель ниже — учебная версия этих шагов. Время пяти минут синтетических ударов в покое определяется дважды: по ЭКГ и по имитации датчика на запястье, который видит пульсовую волну примерно на 200 мс позже, дискретизирует её, сглаживает, находит одну точку на каждом пульсе и очищает ряд. Затем по обоим рядам рассчитываются все параметры ВСР тем же кодом, что и в калькуляторе ВСР на этом сайте.

ЭКГ и ФПГ, удар за ударом

Синтетические удары, а не запись

Сверху — нагрудный датчик (ЭКГ), снизу — часы (ФПГ) Зубец R Опорная точка Заполнено

ECG PPG

0 с 5 с

Задержка от зубца R до опорной точки

327 мс

Размах задержки за 5 мин

28 мс

Шаг времени

±7,8 мс

Исправлено ударов

0

При 64 Гц и привязке к точке «пик» каждый интервал между пульсовыми волнами отличается от интервала по ЭКГ на 7,8 мс (СКО). Расхождение с ЭКГ: RMSSD +11,4%, мощность HF +20,7%, средняя ЧСС 0,0%.

Частота дискретизации 64 Гц, один отсчёт каждые 15,6 мс 255064100128250500

Опорная точка на каждой волне

Основание Крутой подъём Пик

Влияние дыхания на время распространения

Нет Обычное Сильное

Движение

Без движения Слабое Ходьба

Сила пульса

Обычный Слабый (холодные руки)

Интерполяция между отсчётами

Первые пять ударов

Удар	RR по ЭКГ мс	PP по ФПГ мс	Разница мс
1	859	859	0
2	863	875	12
3	840	828	−12
4	799	813	14
5	822	813	−9

Пять минут: ФПГ в сравнении с ЭКГ

Показатель	ECG	PPG	Разница
Средняя ЧСС уд/мин	68,1	68,1	0,0%
SDNN мс	35,6	36,9	+3,7%
RMSSD мс	30,0	33,4	+11,4%
pNN50 %	9,4	9,1	−3,1%
SD1 мс	21,2	23,6	+11,4%
SD2 мс	45,6	46,5	+1,9%
LF мс²	422	427	+1,1%
HF мс²	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%

Полоски идут от центра и обрезаются на ±50 %. Янтарный цвет означает, что часы показывают больше, чем ЭКГ, зелёный — меньше. Янтарные строки в таблице ударов были заполнены или пересчитаны при очистке.

Элементы управления работают при включённом JavaScript.

Две кривые на первых 5 с: ЭКГ с одним высоким узким зубцом R на удар и под ней ФПГ с одной округлой пульсовой волной на удар, которая начинается примерно через 200 мс после каждого зубца R. Пунктирные линии идут вниз от каждого зубца R, короткие метки отмечают точку, время которой определено на каждой волне. Ниже выведены средняя задержка от зубца R до этой точки, размах задержки, шаг времени датчика и число ударов, исправленных при очистке. В таблице перечислены первые пять интервалов между ударами по ЭКГ и по ФПГ и их разность в миллисекундах. Во второй таблице — одиннадцать показателей ВСР по пяти минутам обеих записей, с разницей для ФПГ в процентах и небольшой полоской. При исходных настройках (64 Гц, пик, без интерполяции, обычное дыхание, без движения) различия такие: Средняя ЧСС: 68,1 по ЭКГ, 68,1 по ФПГ, разница 0,0%; SDNN: 35,6 по ЭКГ, 36,9 по ФПГ, разница +3,7%; RMSSD: 30,0 по ЭКГ, 33,4 по ФПГ, разница +11,4%; pNN50: 9,4 по ЭКГ, 9,1 по ФПГ, разница −3,1%; SD1: 21,2 по ЭКГ, 23,6 по ФПГ, разница +11,4%; SD2: 45,6 по ЭКГ, 46,5 по ФПГ, разница +1,9%; LF: 422 по ЭКГ, 427 по ФПГ, разница +1,1%; HF: 334 по ЭКГ, 403 по ФПГ, разница +20,7%; LF/HF: 1,26 по ЭКГ, 1,06 по ФПГ, разница −16,2%; DFA α1: 0,91 по ЭКГ, 0,87 по ФПГ, разница −4,6%; SampEn: 1,97 по ЭКГ, 1,93 по ФПГ, разница −1,7%. Ползунок задаёт частоту дискретизации от 25 до 500 Гц. Переключатели выбирают опорную точку на каждой волне, влияние дыхания на время распространения, движение и силу пульса, а флажок включает интерполяцию между отсчётами.

Что можно попробовать:

• Начните с 64 Гц и вершины. RMSSD и HF завышаются примерно на одну десятую — одну пятую; средний пульс не меняется.
• Снизьте частоту до 25 Гц. RMSSD вырастает на треть и больше, за ним растут pNN50 и HF, а DFA α1 DFA α1 DFA α1 Краткосрочный скейлинговый показатель детрендированного флуктуационного анализа. Около 1 — удары связаны «памятью» на всех масштабах, около 0,5 — ведут себя как шум. α2 — тот же наклон на более длинных участках. Подробнее: DFA α1 падает. Теперь включите интерполяцию, и большая часть ошибки исчезнет.
• Переключитесь с вершины на самый крутой подъём или основание при 250 Гц. Ошибка интервала уменьшится.
• Поставьте дыхание «сильное» при всех остальных идеальных настройках. Одно лишь колебание времени распространения завышает RMSSD и HF, а LF остаётся на месте.
• Выберите ходьбу. Прошивка пропускает и придумывает удары, очистка додумывает, и все показатели от удара к удару разваливаются, а средний пульс остаётся в пределах нескольких десятых процента.

Модель упрощена. Настоящие датчики фильтруют иначе, настоящее время распространения меняется сложнее, а настоящие правила очистки не раскрываются. Воспринимайте её числа как указание направления и примерного масштаба, а не как прогноз для вашего устройства.

Какие параметры ВСР страдают и почему

График ниже кратко передаёт таблицу, которая идёт дальше в этом разделе: чем больше заполненных сегментов, тем сильнее ошибка по времени ФПГ сдвигает показатель.

Показатель Очень низкая Высокая

Временной анализ

• Средняя ЧСС : Очень низкая
• SDNN (запись от 5 минут) : От низкой до умеренной (механизм)
• RMSSD : Высокая (механизм)
• pNN50 : Высокая и непредсказуемая (механизм)

Диаграмма Пуанкаре

• SD1 : Высокая (механизм)
• SD2 : Низкая (механизм)

Частотный анализ

• Мощность HF : Высокая
• Мощность LF : Низкая к дрожанию, умеренная к пропускам (механизм)
• LF/HF : От умеренной до высокой (механизм)

Нелинейные показатели

• DFA α1 : Умеренная (механизм)
• Выборочная и приближённая энтропия : Умеренная, направление меняется (механизм)

Чувствительность Верхняя граница диапазона Не достигнута

Диаграмма с отдельной строкой для каждого показателя ВСР; строки сгруппированы по временному анализу, диаграмме Пуанкаре, частотному анализу и нелинейным показателям. В каждой строке полоса из четырёх сегментов — от очень низкой до высокой чувствительности — и слова из таблицы для этой строки.

Большую часть таблицы ниже объясняют две идеи.

Первая: ошибка по времени в основном случайна от одного пульса к другому. Пульс, определённый чуть позже, делает один интервал длиннее, а следующий короче, поэтому ошибка ложится прямо на разности от удара к удару. Если время каждого пульса смещено на случайную величину со стандартным отклонением σ, то каждая последовательная разность содержит ошибку с дисперсией 6σ², и RMSSD растёт примерно так:

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

Читать это нужно так: квадрат шума времени прибавляется к квадрату RMSSD. При σ = 5 мс 6σ² равно 150 мс². При истинном RMSSD 30 мс прибор тогда покажет около 32 мс, на 8 % больше; при истинном RMSSD 15 мс — около 19 мс, почти на 30 % выше. Та же ошибка по времени сильнее сказывается у людей с низкой ВСР. Эта формула — наш вывод из определения RMSSD в предположении независимых ошибок, то есть механизм, а не опубликованный результат.

Вторая идея касается частоты. Случайная ошибка во времени пульсов превращается в быструю зигзагообразную ошибку интервалов, которая в спектре приходится в основном на высокочастотный диапазон, где находится вариабельность, связанная с дыханием. Медленные ритмы, такие как диапазон LF и медленные дрейфы, её почти не видят.

«Механизм» отмечает рассуждение о том, как устроен показатель, а не измеренный результат. На практике очистка в прошивке и выбор окна часто важны не меньше датчика, поэтому устройство может справляться хуже или лучше, чем предсказывает эта таблица.

Что говорят данные

Статистика согласия простыми словами

Валидационные исследования сравнивают устройство с эталоном, обычно с ЭКГ, на одних и тех же людях в одно и то же время. Одна только корреляция вводит в заблуждение: два метода могут расти и падать вместе и всё равно сильно расходиться (Bland и Altman, 1986). Обычная сводка — анализ Блэнда — Альтмана:

• Среднее смещение — средняя разность между устройством и эталоном. Смещение +3 мс означает, что устройство в среднем завышает на 3 мс.
• Границы согласия — диапазон, в который попадают 95 % отдельных разностей, то есть смещение плюс-минус примерно два стандартных отклонения. Широкие границы означают, что даже без среднего смещения любое отдельное показание может сильно отличаться.

Многие исследования носимых устройств приводят также среднюю абсолютную процентную ошибку (MAPE) и коэффициент конкордации (CCC); о них рассказывает страница ВСР по устройствам.

В покое и во сне

Лучшие результаты получаются, когда человек неподвижен.

• Обзор исследований, сравнивавших PRV с ВСР, нашёл PRV достаточно точной в покое, хотя во многих исследованиях кратковременная вариабельность оказывалась несколько завышенной, что авторы объяснили влиянием дыхания на кровообращение (Schäfer и Vagedes, 2013).
• У 17 молодых людей на поворотном столе показатели PRV и ВСР значимо не различались и коррелировали выше 0,97; оставшиеся различия были в основном в диапазоне HF (Gil и коллеги, 2010).
• PRV хорошо заменяла ВСР у здоровых людей в покое, с корреляциями выше 82 %, но хуже после нагрузки и у людей с болезнями сердца, особенно для частотных показателей (Pinheiro и коллеги, 2016).
• Ночью, в сравнении с ЭКГ нагрудного датчика, у 13 здоровых взрослых за 536 ночей: у Oura Ring Gen 4 CCC составил 0,99, а MAPE для RMSSD — 5,96 %, у Oura Gen 3 — 0,97 и 7,15 %, у WHOOP 4.0 — 0,94 и 8,17 %, у Garmin Fenix 6 — 0,87 и 10,52 %, у Polar Grit X Pro — 0,82 и 16,32 % (Dial и коллеги, 2025).
• У 35 здоровых взрослых дома кольцо Oura, по оценке авторов, точно измеряло ночной пульс и RMSSD и в 5-минутных окнах, и как ночное среднее, хотя его RMSSD в среднем был примерно на 15 мс ниже, чем по ЭКГ. SDNN, pNN50 и HF были приемлемы только как ночные средние, а у LF и LF/HF ошибка была высокой в обоих случаях (Cao и коллеги, 2022).
• У 53 взрослых в лаборатории сна WHOOP 3.0, производитель которого предоставил необработанные интервалы между ударами, согласовывался с ЭКГ почти идеально (внутриклассовый коэффициент корреляции 0,99, среднее занижение 4,5 мс). Apple Watch, Polar и Oura, использовавшие собственную обработку, показали хорошее согласие (0,63–0,67), а 3-минутный тест Garmin, сделанный в бодрствовании, — слабое (0,24). Несколько устройств завышали низкую ВСР и занижали высокую (Miller и коллеги, 2022).

Нагрудный датчик, кольцо, запястье и камера рядом

В одном исследовании с участием пяти молодых взрослых (148 измерений в покое в сравнении с многоканальной ЭКГ) одно и то же приложение давало среднюю ошибку RMSSD 4,10 % с нагрудным датчиком Polar H10 и 9,43 % с камерой телефона. У кольца Oura было 6,84 %, а у другой системы с нагрудным датчиком, по трёхминутному тесту, — 11,27 % (Stone и коллеги, 2021). У 29 здоровых людей в покое ФПГ смартфона и нагрудный датчик оба приемлемо согласовывались с ЭКГ по RMSSD (Plews и коллеги, 2017). Датчик — лишь один из нескольких факторов; значение имеют также длительность записи и обработка. О камерах телефонов, пальцевых клипсах и кольцах подробнее рассказывает материал ВСР с кончика пальца.

При движении

Нагрудные датчики справляются. Если судить по необработанной записи ЭКГ, нагрудный датчик Polar H10 правильно определил время 99,6 % ударов при занятиях от лёгких до тяжёлых и 99,4 % при высокоинтенсивной нагрузке (Gilgen-Ammann и коллеги, 2019). Оптические датчики — нет: физическая активность и некоторые виды психологического стресса заметно ухудшали согласие PRV с ВСР, часто до неприемлемого (Schäfer и Vagedes, 2013). Именно поэтому большинство носимых устройств измеряют ВСР во сне.

Спор в интернете: честный разбор

О ВСР с носимых устройств в интернете спорят два лагеря.

«PRV — это не ВСР». Эта сторона права в том, что касается физики. Устройство с ФПГ измеряет пульс на коже, и этот сигнал, помимо ритма сердца, несёт изменения времени распространения, тонус сосудов и форму пульса. Обзоры заключают, что PRV нельзя считать полноценной заменой ВСР во всех ситуациях (Mejía-Mejía и коллеги, 2020), а разрыв растёт при движении, стрессе, холоде, нагрузке и болезнях сердца (Schäfer и Vagedes, 2013; Pinheiro и коллеги, 2016).

«В покое достаточно близко». Эта сторона права в том, что касается практики. Для неподвижного здорового человека, особенно в среднем за ночь, лучшие устройства в среднем попадают в пределы нескольких миллисекунд от ЭКГ (Dial и коллеги, 2025), а это мало рядом с изменениями от ночи к ночи, за которыми следит большинство людей.

Оба утверждения могут быть верны одновременно. Разница важна, когда:

• вам нужна точность от удара к удару, например при отдельных коротких измерениях, pNN50, мощности HF или DFA α1;
• вы измеряете во время нагрузки или сразу после неё;
• ритм нерегулярен, с частыми экстрасистолами или фибрилляцией предсердий, потому что такие удары часто пропускаются или сглаживаются;
• вы занимаетесь исследованием либо сравниваете числа между устройствами или с опубликованными референсными значениями.

Гораздо меньше это значит, если вы следите за собственным ночным RMSSD на одном устройстве, которое носите одинаково, ночь за ночью. Устройство, которое каждую ночь завышает на 3 мс, всё равно показывает, в какую сторону вы движетесь.

Что делать

• Пользуйтесь одним устройством и сравнивайте его только с самим собой. У каждой марки свой датчик, ориентир, очистка и окно, поэтому абсолютные значения двух устройств не взаимозаменяемы.
• Смотрите на тенденции, а не на отдельные значения. Ночным средним можно доверять больше, чем одному короткому измерению.
• Для коротких утренних измерений, всего, что связано с нагрузкой, и для исследований берите нагрудный датчик. Он определяет время электрического зубца R и держится при движении.
• Помогите оптическому датчику. Носите его плотно, при разовых измерениях не двигайтесь, а холодные руки сначала согрейте.
• Осторожнее с тонкими показателями с носимых устройств. Считайте pNN50, HF, LF/HF и DFA α1 с часов приблизительными.
• Если сердцебиение кажется нерегулярным, обратитесь к врачу. Ни одно из этих устройств не заменяет диагностическую ЭКГ.

Краткий обзор данных простыми словами — в материале так ли точна ВСР с запястья, как с нагрудного датчика, а что показывает каждая марка — на странице ВСР по устройствам.