Урок 5 из 20 · Уровень 1: Основы

Как измеряют ВСР: от ударов к числу

Любое число ВСР получают в четыре шага: находят каждый удар, измеряют промежутки между ними, отбрасывают плохие удары и превращают оставшиеся промежутки в число. В уроке разобран каждый шаг, а расчёт можно повторить на бумаге.

Содержание 6 разделов

Главное

  • Любое число ВСР получают из промежутков между ударами, которые датчик засекает, делая много отсчётов в секунду.
  • Низкая частота дискретизации, например 25 Гц у камеры, добавляет ложные скачки, которые завышают RMSSD.
  • Плохие удары сначала нужно найти и удалить или заменить расчётными значениями; если исправлено больше примерно 5 %, это тревожный признак.
  • RMSSD стабилизируется за одну-две минуты; SDNN продолжает расти с длительностью записи, поэтому записи разной длины смешивать нельзя.
После урока вы сможете
  • Описать, как нагрудный датчик (ЭКГ) и часы или кольцо (ФПГ) находят удар сердца.
  • Вычислить RMSSD вручную по пяти промежуткам между ударами.
  • Объяснить, как частота дискретизации и коррекция ударов меняют результат.
  • Назвать, какая длительность записи нужна каждому показателю и почему нельзя смешивать записи разной длины.

Любое число ВСР получают в четыре шага: находят каждый удар, измеряют промежутки между ударами, отбрасывают плохие удары и превращают оставшиеся промежутки в одно число. В уроке разобран каждый шаг, а расчёт можно повторить на бумаге.

В уроке 2 вы увидели картину, на которой строится ВСР: линию промежутков между ударами, которая колеблется вверх и вниз. В уроке 4 вы увидели, как один плохой удар может исказить число. Теперь посмотрим, как устройство превращает удары сердца в число на экране.

Шаг 1: найти каждый удар

Сначала устройству нужно точно знать, когда происходит каждый удар. Для этого есть два основных способа.

ЭКГ ЭКГ Запись электрической активности сердца с помощью электродов на коже. RR-интервалы, полученные по ЭКГ, — эталонный метод измерения ВСР. Подробнее: ЭКГ (нагрудные датчики и медицинская ЭКГ). Электроды на коже улавливают электрический сигнал сердца. Каждый удар даёт высокий острый зубец — зубец R. Поскольку зубец такой острый, программа может засечь его время очень точно. Поэтому ЭКГ — эталонный метод для ВСР.

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 (часы, кольца и камеры телефонов). Оптический датчик направляет свет в кожу и измеряет, сколько его возвращается. С каждым ударом сердца под датчиком проходит порция крови и меняет сигнал. Устройство засекает время каждой пульсовой волны, а не электрического удара.

Пульсовая волна достигает запястья или пальца чуть позже удара сердца. Поэтому, строго говоря, оптические устройства измеряют 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), а не вариабельность сердечного ритма. В покое они согласуются достаточно хорошо для большинства целей. Оптические измерения, как правило, показывают чуть больше краткосрочной изменчивости, чем ЭКГ, отчасти потому, что дыхание влияет на пульс по дороге к коже. При движении совпадение становится гораздо хуже. Приложения с камерой телефона работают по тому же принципу; см. материал может ли камера телефона измерить ВСР.

Как часто датчик «смотрит»

Датчик не следит за сердцем непрерывно. Он снимает отдельные отсчёты, много раз в секунду. Число отсчётов в секунду — это частота дискретизации Частота дискретизации Сколько раз в секунду датчик измеряет сигнал, в герцах (Гц). От неё зависит точность определения момента каждого удара: около ±1 мс при 1000 Гц, ±4 мс при 250 Гц и ±20 мс у камеры с частотой 25 Гц. Подробнее: Частота дискретизации , в герцах (Гц). Устройство может поместить удар только на один из своих отсчётов, поэтому время удара округляется до ближайшего.

Округление до ближайшего отсчёта сдвигает удар самое большее на половину промежутка между отсчётами. При 1000 Гц отсчёты идут с шагом 1 мс, поэтому удар попадает в пределах 0,5 мс от истинного момента; при 250 Гц — в пределах 2 мс. Камера телефона делает около 25–30 кадров в секунду, так что время каждого удара может быть неточным на величину до 20 мс. Исследовательские рекомендации 2024 года приводят более осторожную оценку — целый шаг между отсчётами (±1 мс при 1000 Гц, ±4 мс при 250 Гц), и советуют 1000 Гц (Quigley и коллеги, 2024).

Сильнее всего это касается 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 . RMSSD измеряет изменение от одного промежутка к следующему, а ошибки округления выглядят точно так же, как такие изменения. Если время каждого удара пятиминутной учебной записи этого курса определить с точностью до ближайшего из 25 кадров в секунду, RMSSD окажется завышен на 31 %, то есть примерно на треть. Программа может вернуть значительную часть этой точности, оценив, где пик пульса пришёлся между двумя кадрами. В уроке 16 уровня «Аналитик» можно попробовать любую частоту дискретизации: от электрода к числу.

Шаг 2: измерить промежутки

Затем устройство измеряет время от каждого удара до следующего в миллисекундах (мс). Это RR-интервалы 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 , с которыми вы познакомились в уроке 1. Короткий список может выглядеть так:

810, 830, 790, 850, 820 мс

Это пять промежутков между шестью ударами. Средний промежуток равен 820 мс, что соответствует пульсу около 73 ударов в минуту.

Шаг 3: очистить список

Настоящие записи несовершенны. Устройство может:

  • пропустить удар (один промежуток выглядит вдвое длиннее, чем должен);
  • засчитать удар, которого не было (один промежуток разбивается на два коротких);
  • поймать настоящий лишний удар не от обычного водителя ритма — экстрасистолу ( эктопическое 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 );
  • уловить шум от движения или плохо прилегающего нагрудного ремня.

Каждая из этих помех создаёт ложный скачок между соседними промежутками. Как вы видели в уроке 4, один такой скачок может увеличить RMSSD во много раз. В коротких записях значение может изменить даже несколько исправленных ударов (менее 5 % от всех).

Поэтому перед расчётом программа очищает список в два этапа. Оставшиеся промежутки между нормальными ударами называют NN-интервалами («normal-to-normal»).

Сначала найти плохие промежутки. Обычное правило сравнивает каждый промежуток с соседними и помечает те, которые отличаются от них больше чем на заданную величину. Строгое правило ловит небольшие ошибки, но начинает помечать настоящие удары; мягкое пропускает ошибки.

Затем исправить их. Программа либо удаляет плохой промежуток, либо заменяет его значением, рассчитанным по соседним хорошим промежуткам. Замена сохраняет временную структуру записи, что важно для некоторых показателей; удаление проще (Peltola, 2012).

Сколько исправлений — это слишком много? Даже исправление менее 5 % промежутков может изменить краткосрочные результаты, и во многих исследованиях запись отбрасывают, если нормальных ударов в ней менее 80 % (Peltola, 2012). Руководство по Kubios, широко используемой исследовательской программе, рекомендует держать долю исправленных ударов ниже 5 % (Alcantara и коллеги, 2020).

Урок 16 называет методы очистки, сравнивает их на пятиминутной записи и позволяет добавить плохой удар и убрать его.

Вы этого шага не видите. Приложение выполняет его незаметно, по собственному методу и с собственным порогом. Это одна из причин, по которым два устройства могут давать разные числа за одну и ту же ночь.

Шаг 4: превратить промежутки в число

Теперь математика. Основной показатель краткосрочной ВСР — RMSSD, сокращение от английского «root mean square of successive differences», то есть «среднеквадратичное значение разностей соседних NN-интервалов». Название звучит сложно, но за ним всего четыре небольших шага, и выполняют их в порядке, обратном словам английского названия: разности (differences), квадрат (square), среднее (mean), корень (root).

Возьмём наши пять промежутков:

Промежуток (мс)Разность с предыдущим (мс)Квадрат разности
810
830+20400
790−401600
850+603600
820−30900
  1. Соседние разности. Вычтите каждый промежуток из следующего: +20, −40, +60, −30.
  2. Квадрат. Умножьте каждую разность на саму себя: 400, 1600, 3600, 900. Возведение в квадрат делает все значения положительными, поэтому спад учитывается так же, как подъём. Оно ещё и придаёт большим скачкам дополнительный вес.
  3. Среднее. Усредните квадраты: 6500 ÷ 4 = 1625.
  4. Корень. Извлеките квадратный корень: √1625 ≈ 40.

RMSSD для этих пяти промежутков равен примерно 40 мс. Проще говоря, от удара к удару промежуток обычно менялся примерно на 40 мс.

Теперь попробуйте на более длинном списке. Виджет ниже шаг за шагом вычисляет RMSSD по десяти ударам из учебной записи сайта. Нажимайте «Далее», чтобы идти по шагам, или меняйте любой удар и смотрите, как обновляется каждый шаг.

RMSSD: шаг за шагом

Десять ударов, все числа на виду

Десять интервалов, мс (от 300 до 2000)

RMSSD (интервалов: 10) — 26,9 мс.

Шаг 5 из 5

  1. Шаг 1 из 5 Начать с интервалов

    Удар 1880 мс
    Удар 2826 мс
    Удар 3812 мс
    Удар 4823 мс
    Удар 5848 мс
    Удар 6877 мс
    Удар 7880 мс
    Удар 8866 мс
    Удар 9828 мс
    Удар 10815 мс

    Интервалов между 11 ударами: 10, в миллисекундах.

  2. Шаг 2 из 5 Вычесть каждый интервал из следующего

    Удар 2 − удар 1−54 мс
    Удар 3 − удар 2−14 мс
    Удар 4 − удар 3+11 мс
    Удар 5 − удар 4+25 мс
    Удар 6 − удар 5+29 мс
    Удар 7 − удар 6+3 мс
    Удар 8 − удар 7−14 мс
    Удар 9 − удар 8−38 мс
    Удар 10 − удар 9−13 мс

    Плюс означает, что на этом ударе сердце замедлилось; минус — что ускорилось.

  3. Шаг 3 из 5 Возвести каждую разность в квадрат

    Разность 12916
    Разность 2196
    Разность 3121
    Разность 4625
    Разность 5841
    Разность 69
    Разность 7196
    Разность 81444
    Разность 9169
    Сумма6517

    Возведение в квадрат делает все значения положительными и придаёт большим изменениям больший вес.

  4. Шаг 4 из 5 Усреднить квадраты

    6517 ÷ 9724,11
  5. Шаг 5 из 5 Извлечь квадратный корень

    √724,1126,9 мс

    RMSSD 26,9 мс

При включённом JavaScript шаги показываются по одному, а удары можно менять.

Расчёт показателя «RMSSD» по десяти ударам учебной записи, шаг за шагом. Измените любой удар — и обновятся все шаги.

Ряд из десяти редактируемых интервалов между ударами в миллисекундах, а ниже расчёт показателя «RMSSD» по нумерованным шагам: Начать с интервалов; Вычесть каждый интервал из следующего; Возвести каждую разность в квадрат; Усреднить квадраты; Извлечь квадратный корень. Последний шаг: RMSSD 26,9 мс. Кнопки «Назад» и «Далее» переключают шаги.

Рядом часто встречается второй показатель, SDNN SDNN Стандартное отклонение всех NN-интервалов записи, в миллисекундах. Показывает общую вариабельность; его значение сильно зависит от длительности записи. Подробнее: SDNN . Это стандартное отклонение всех промежутков, которое показывает, насколько они разбросаны вокруг среднего. Для наших пяти промежутков SDNN примерно равен 22 мс. Урок 6 сравнивает эти два показателя.

Подробнее Формула RMSSD в символах

Обозначим промежутки RR₁, RR₂, … RRₙ. Соседние разности равны dᵢ = RRᵢ₊₁ − RRᵢ, и их n − 1.

RMSSD = √( (d₁² + d₂² + … + dₙ₋₁²) ÷ (n − 1) )

Для наших пяти промежутков n − 1 = 4 разности, поэтому сумму квадратов (6500) мы делим на 4. Настоящие программы применяют эту формулу к очищенным NN-интервалам, используя собственные способы очистки и усреднения, поэтому результат может не совпасть с ручным расчётом в точности.

SDNN вместо этого использует расстояние каждого промежутка от среднего: возведите каждое расстояние в квадрат, сложите, разделите на n − 1 и извлеките квадратный корень. Для 810, 830, 790, 850 и 820 расстояния от 820 равны −10, +10, −30, +30 и 0. Сумма квадратов равна 2000, а √(2000 ÷ 4) ≈ 22 мс.

Как долго записывать

До сих пор мы брали пять промежутков. В настоящих записях их гораздо больше, и длина имеет значение.

В исследованиях обычный стандарт короткой записи ВСР — 5 минут. Всё, что короче, называют ультракороткой записью. 24-часовые записи — стандарт долговременной ВСР, которую используют в основном в медицинских исследованиях.

RMSSD хорошо работает на коротких записях. В исследовании 70 здоровых взрослых RMSSD всего по 1 минуте, а то и по 10 секундам хорошо совпадал со значением по 5 минутам. SDNN — нет. Гораздо более крупное исследование 3387 взрослых дало тот же результат: одна 10-секундная ЭКГ давала пригодный RMSSD, усреднение трёх 10-секундных участков было лучше, а 2 минуты почти идеально совпадали с записью длиной 4–5 минут.

SDNN ведёт себя иначе, потому что измеряет разброс всех промежутков, включая медленные изменения. Более длинная запись захватывает более медленные ритмы, от позы и активности до смены дня и ночи, поэтому SDNN продолжает расти с длительностью записи. Передвиньте окно ниже от 5 минут до 24 часов на смоделированных сутках: RMSSD почти не меняется, а SDNN вырастает почти втрое.

Как долго нужно записывать?

Смоделированные сутки, а не человек

RMSSD
37,2 мс
SDNN
29,7 мс
Ударов в окне
327

За 5 мин RMSSD равен 37,2 мс, а SDNN — 29,7 мс. Это краткосрочный стандарт.

Ползунок работает при включённом JavaScript.

RMSSD и SDNN в окнах от 10 секунд до 24 часов смоделированных суток; все окна начинаются в 7:00. RMSSD устанавливается за минуту-две; SDNN продолжает расти, потому что в длинных окнах помещаются более медленные ритмы. Отсюда правило Task Force: показатели по записям разной длины нельзя сравнивать.

График RMSSD и SDNN в зависимости от длительности записи на логарифмической оси от 10 секунд до 24 часов. Линия RMSSD при любой длительности остаётся около 37 мс. Линия SDNN до нескольких минут держится около 30 мс, а к 24 часам поднимается примерно до 84 мс. Пунктирные метки показывают минимальную длительность: 1 минута для диапазона HF, 2 минуты для LF, 5 минут для краткосрочного стандарта и диапазона VLF, 20 минут для DFA α2 и 24 часа для ULF и долговременного SDNN. Ползунок выбирает длину окна, а ниже выведены RMSSD, SDNN и число ударов в окне.

Каждому показателю нужна своя минимальная длина:

ПоказательСамая короткая пригодная записьИсточник
RMSSDОт 10 секунд до 1 минуты; чем длиннее, тем устойчивееMunoz 2015; Nussinovitch 2011
SDNNНе менее 30 секунд, и сравнивать можно только при одинаковой длинеMunoz 2015; Shaffer и Ginsberg 2017
SDNN на длительной записи24 часаShaffer и Ginsberg 2017

Показателям, которые разделяют ВСР на медленные и быстрые ритмы, нужны более длинные записи, и источники расходятся в том, насколько длиннее. В уроке 18 собраны эти правила и показано, в чём они не совпадают.

Числа из записей разной длительности сравнивать нельзя. SDNN за 24 часа несёт информацию о риске для сердца, которой нет у SDNN за 5 минут (Shaffer и Ginsberg, 2017).

Кольца и часы, которые измеряют во сне, сами выбирают окна записи и собственный способ их объединения. Это ещё одна причина расхождения их чисел, о чём рассказывает урок 8.

Где возникают ошибки

Перечисленные ниже проблемы проявляются на шаге 1 или шаге 3:

  • Движение. Оно добавляет шум и в ЭКГ, и в ФПГ, но сильнее всего вредит ФПГ.
  • Плохой контакт. Плохо прилегающий нагрудный ремень или электрод либо сползающее кольцо могут пропускать удары.
  • Лишние удары. Если очистка их пропускает, RMSSD резко растёт.
  • Тип датчика. Оптические датчики измеряют пульс, а не электрический удар, поэтому при активности они сильнее расходятся с ЭКГ.

Если вы хотите сравнить устройства, прочитайте материал так ли точна ВСР с запястья, как с нагрудного датчика. О методах и устройствах в целом — в материале как измерять ВСР.

На этом уровень 1 завершён. В следующем уроке, RMSSD, SDNN и lnRMSSD, вы сравните основные показатели ВСР и узнаете, какой из них, скорее всего, показывает ваше приложение.

Практическое задание

Возьмите шесть промежутков между ударами: 900, 950, 880, 940, 910 и 930 мс. Рассчитайте RMSSD на бумаге по четырём шагам этого урока. (Ответ: около 50 мс. Разности: +50, −70, +60, −30 и +20.)

Проверьте себя

Ответьте верно на 3 из 5 вопросов (60 %), чтобы пройти тест и отметить урок выполненным. Попыток может быть сколько угодно: варианты ответов каждый раз перемешиваются, а засчитывается лучший результат.

Вопросы ниже можно прочитать и без JavaScript, но для проверки ответов он нужен.

Вопрос 1 Что на самом деле регистрирует оптический датчик на обратной стороне часов или кольца?
Вопрос 2 Почему приложения удаляют часть ударов перед расчётом ВСР?
Вопрос 3 Разности между соседними промежутками равны +10, −20 и +10 мс. Чему равен RMSSD?
Вопрос 4 Какова стандартная длина короткой записи ВСР в исследованиях?
Вопрос 5 Камера телефона записывает 25 кадров в секунду. Как это скажется на RMSSD, если не вносить поправку?

Карта курса
  1. Что на самом деле делает ваше сердце10 мин
  2. Что такое ВСР — на одной картинке9 мин
  3. Нервная система, которая стоит за ВСР13 мин
  4. Почему более высокая ВСР не всегда лучше11 мин
  5. Как измеряют ВСР: от ударов к числу (вы здесь)15 мин
  6. RMSSD, SDNN и lnRMSSD: простое объяснение13 мин
  7. ВСР и нормативные значения: возраст, пол, форма12 мин
  8. Почему устройства расходятся в оценке ВСР9 мин
  9. Как получить надёжное измерение ВСР11 мин
  10. Определение базового уровня ВСР и оценка тенденций12 мин
  11. Что меняет ВСР: самые важные факторы11 мин
  12. ВСР для тренировок и восстановления11 мин
  13. ВСР, стресс и дыхание15 мин
  14. Ограничения ВСР, мифы и тревожные признаки9 мин
  15. Итоговый тест по уровням 1–39 мин
  16. От электрода до числа: цепочка обработки сигнала18 мин
  17. Всё семейство показателей ВСР17 мин
  18. Частотный анализ без тумана17 мин
  19. Нелинейные показатели: DFA, энтропия и что они дают16 мин
  20. Как читать исследование ВСР или проверку устройства19 мин

Источники

  1. Publication guidelines for human heart rate and heart rate variability studies in psychophysiology—Part 1: Physiological underpinnings and foundations of measurement Psychophysiology, 2024
  2. Impact of Using Different Levels of Threshold-Based Artefact Correction on the Quantification of Heart Rate Variability in Three Independent Human Cohorts Journal of Clinical Medicine, 2020
  3. Heart rate variability and cardiac vagal tone in psychophysiological research: recommendations for experiment planning, data analysis, and data reporting Frontiers in Psychology, 2017
  4. 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
  5. An Overview of Heart Rate Variability Metrics and Norms Frontiers in Public Health, 2017
  6. Role of editing of R–R intervals in the analysis of heart rate variability Frontiers in Physiology, 2012
  7. 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
  8. Reliability of Ultra-Short ECG Indices for Heart Rate Variability Annals of Noninvasive Electrocardiology, 2011
  9. Validity of (Ultra-)Short Recordings for Heart Rate Variability Measurements PLOS ONE, 2015