пульсовая волна

Фитнес-браслеты и часы не измеряют вариабельность сердечного ритма! Неужели всё это — обман?

Оценка этой статьи по мнению читателей:
5
(30)

Для непосвященного человека, заголовок статьи может показаться совсем неинтересным и вовсе неважным. Что вообще такое вариабельность сердечного ритма? Почему всё — обман? И какое отношение к этому показателю имеют все фитнес-трекеры?

На самом деле, даже если вы ни разу не слышали о вариабельности сердечного ритма (ВСР), то скорее всего, используете одну или несколько функций на своем фитнес-трекере, основанных именно на вариабельности.

Если среди всех смарт-часов и фитнес-браслетов, которые мы обозревали на dR, вариабельность непосредственно отображается только на Apple Watch, то у других производителей на основе этого показателя работают такие популярные функции, как:

  • Измерение уровня стресса
  • Измерение максимального потребления кислорода (VO2max)
  • Определение нагрузки на организм
  • Расчет времени восстановления организма
  • Учет сна
  • Оценка качества дыхания и мн. др.

Как видите, вариабельность сердечного ритма — это один из ключевых показателей, от которого зависят многие полезные фитнес-функции. И в дальнейшем их будет становиться только больше, так как основным источником вариабельности сердечного ритма является автономная нервная система. А эта система отвечает за функционирование всего организма.

Но я всё чаще встречаю в интернете, особенно на форумах, популярную точку зрения или даже авторитетное заявление о том, что ни один фитнес-трекер физически не способен измерять вариабельность сердечного ритма. Соответственно, все эти функции — не более чем баловство.

Так ли это на самом деле? Если вариабельность можно измерить только на электрокардиограмме, значит, производители часов и браслетов обманывают нас, подсовывая совершенно бесполезные функции?

Надеюсь, эта статья даст исчерпывающие ответы на эти вопросы.

Что такое вариабельность сердечного ритма?

Для того чтобы кровь могла циркулировать по всему организму, нам нужен «насос», который бы непрерывно толкал ее по сосудам. И таким насосом является сердце.

Думаю, каждый из нас видел, как интересно оно сокращается. Сжатие происходит в строго определенной последовательности в разных частях:

Вначале сердце должно «втянуть» кровь из вен в одну из своих пустых камер (правую), затем вытолкнуть ее в легкие для очистки от углекислого газа и обогащения кислородом, после чего из легких протолкнуть в другую камеру (левую), а уже оттуда — вытолкнуть в артерии, чтобы она прошла по всему организму и снова через вены попала в правую камеру.

Когда такой цикл завершается, мы говорим, что сердце сократилось один раз, то есть, произошло одно сердцебиение. Затем всё повторяется заново. И так примерно 100 тысяч раз в день. Каждый день.

А теперь позвольте задать очень простой вопрос. Если сердце сокращается 60 раз за 60 секунд, сколько времени проходит между каждым сокращением?

Правильный ответ — сколько угодно. Например, между первым и вторым сокращениями может пройти полсекунды, между вторым и третьим — полторы секунды, а между третьим и четвертым — секунда. Итого, за 3 секунды мы насчитали 3 удара, но вариабельность сердечного ритма при этом была очень высокой.

Из этого примера можно сделать такой вывод:

Вариабельность сердечного ритма — это изменение интервала между последовательными сердцебиениями

Если разница по времени между сокращениями большая (как в нашем примере), то это здорово. Если же сердце сокращается через ровные промежутки времени (например, ровно каждую секунду) — это очень плохо. В таком случае мы говорим, что вариабельность очень низкая. То есть, промежутки времени между ударами не отличаются между собой по длительности.

Чтобы понять, почему это так, нужно вначале разобраться, что вообще заставляет наше сердце биться.

Это заслуга синусового узла — скопления уникальных клеток, которые способны без всякой причины (без участия мозга и влияния нервов) сами по себе генерировать электрические импульсы с определенной периодичностью.

Находится синусовый узел вот здесь:

синусовый узел

Именно с этой точки начинается сердцебиение. Вы можете еще раз посмотреть анимацию выше и заметить, что именно эта область сжимается первой при возникновении электрического импульса.

Затем импульс волнообразно проходит по всему сердцу, вызывая последовательное сокращение мышц в других его частях.

Так вот, синусовый узел генерирует электрические импульсы через ровные промежутки времени без какого-либо вмешательства. Но ведь мозг также должен иметь контроль над таким важнейшим параметром, как сердцебиение, не так ли?

Действительно, к синусовому узлу подключены «провода» (нервные окончания) автономной нервной системы для вмешательства мозга в работу сердца. И именно это вмешательство мы наблюдаем в виде изменения интервала между ударами сердца.

Другими словами, анализируя, как сильно и как часто изменяется продолжительность этих интервалов, мы можем анализировать вмешательство автономной нервной системы в работу сердца. А это уже позволяет оценивать стресс и другие важные параметры. Об этом у нас есть подробная и интересная статья.

Как на самом деле измеряется вариабельность сердечного ритма?

Не нужно быть гением, чтобы ответить на этот вопрос. Достаточно просто посчитать, сколько миллисекунд проходит между каждым сокращением сердца. А затем остается взять квадратный корень из среднего значения квадратов последовательных различий.

Согласен, последнее предложение было лишним.

Хотя именно это делает компания Apple в своих Apple Watch, когда показывает в качестве вариабельности сердечного ритма всего одну цифру за день, например, 53 мс, как на этом скриншоте:

Вариабельность пульса

Мы не будем сейчас разбирать, что значит эта цифра, хорошо это или плохо. Просто важно понимать, что измерять вариабельность в теории очень просто — достаточно засекать промежутки времени между каждым сердцебиением.

Но как это делать? Самый очевидный ответ — измерять электрическую активность сердца. То есть, смотреть, как проходит электрический импульс по сердцу, прикрепив к телу электроды. Ведь мы знаем, что этот импульс, проходя по сердцу, точно будет вызывать сокращение мышц. А значит, считая интервалы между электрическими импульсами, мы будем считать интервалы между сокращениями сердца.

Именно это и делает ЭКГ (электрокардиограмма). Она не показывает нам пульс, течение крови по артериям и т.п. Всё, что отображается на ЭКГ — это движение электрических импульсов по сердцу. Чем выше напряжение, тем выше отклоняется график от прямой линии и чем быстрее этот импульс возрастает или затухает, тем резче линия на графике поднимается или опускается.

Вот небольшая анимация, которая показывает электрическую активность сердца (распространение электрического импульса показано красным цветом) и соответствующий график ЭКГ:

Именно на ЭКГ можно максимально точно посчитать вариабельность сердечного ритма, так как мы непосредственно анализируем работу сердца, а точнее, прохождение электрических импульсов по нему.

Все эти отклонения линии на графике мы называем зубцами и каждый такой зубец мы называем определенной буквой (P, Q, R, S, T). Для анализа вариабельности (длительности интервалов между ударами) мы выбираем самый большой зубец, который называем буквой R:

вариабельность сердечного ритма на ЭКГ

На этом рисунке показана хорошая вариабельность сердечного ритма, так как между каждым последовательным электрическим импульсом (= сокращением сердца) проходит разное время.

Вроде бы всё понятно, но как быть с фитнес-браслетами и смарт-часами? Ведь даже Apple Watch или Galaxy Watch (с поддержкой ЭКГ) не используют этот датчик для определения вариабельности пульса.

Фитнес-трекеры не измеряют вариабельность сердечного ритма!

И это правда. Если ЭКГ показывает электрическую активность сердца, то фитнес-трекеры при помощи светодиодов измеряют объем крови в сосудах, показывая пульс (как именно это работает?). Соответственно, на «графиках пульса» ЭКГ и фитнес-трекера показываются совершенно разные процессы и сравнивать напрямую эти картинки нельзя.

Вариабельность сердечного ритма (HRV) измеряется по ЭКГ, а с помощью фитнес-браслета мы можем определить лишь вариабельность пульса (PRV).

Показатель PRV (вариабельность пульса) всегда считался альтернативой HRV (вариабельности сердечного ритма), так как по сути они отображают одно и то же — разницу во времени между последовательными сокращениями сердца.

Когда электрический импульс проходит по сердцу и оно сжимается, выбрасывая порцию крови в аорту, спустя примерно 100 миллисекунд фитнес-браслет на запястье регистрирует пульсовую волну (увеличение объема крови в сосудах).

То есть, оптический пульсометр видит пульс с небольшой задержкой. Если мы одновременно измерим ЭКГ и пульс фитнес-браслетом, то графики будут немного смещаться относительно друг друга:

сравнение экг и фотоплетизмограммы

Так в чем же проблема? Если оптический пульсометр смарт-часов или фитнес-браслета определяет каждое сокращение сердца, пусть и с небольшой задержкой (она вообще не играет никакой роли), тогда в чем сложность измерить вариабельность?

Конечно, если бы фитнес-браслет получал такую красивую пульсовую волну, как на картинке выше, то никаких проблем бы не было. Посчитать длительность интервалов по таким графикам вплоть до миллисекунды — сущий пустяк для процессора.

Проблема лишь в том, что браслет не может получить настолько чистый сигнал. Даже если вы будете соблюдать все правила, о которых я рассказывал здесь, чтобы фитнес-трекер максимально точно определял пульс, ошибок не избежать.

Пульсовая волна даже в идеале выглядит не в виде чередующихся горбиков, а вот так:

реальная пульсовая волна на фотоплетизмограмме

Именно самый высокий подъем (систолический пик) соответствует зубцу R на ЭКГ. И вариабельность пульса фитнес-браслеты измеряют по систолическим пикам, точнее, времени между ними.

Но обратите внимание, что после такого пика идет спад, а сразу за ним — небольшой подъем (дикротический зубец).

А теперь представьте, что хватит даже малейшего визуально неуловимого движения браслета на руке, чтобы внести помехи в сигнал и по ошибке незначительно увеличить дикротический зубец.

Вот, каким должен был быть график пульса без ошибок, вызванных движением браслета или сокращением мышц запястья:

чистая PPG без искажений

А вот, что вышло в реальности, когда во время второго сердцебиения в сигнал попала ошибка:

PPG с артефактом движения

Мы видим, что на второй волне дикротический зубец по ошибке стал чуть выше систолического пика. Это привело к тому, что разница во времени между первым и вторым сокращениями сердца увеличилась, а между вторым и третьим — сократилась. То есть, из-за одной «испорченной» волны мы получили два неверных значения вариабельности пульса.

И такие проблемы действительно встречаются, что влияет на точность работы всех функций, связанных с вариабельностью.

Кроме того, есть одно фундаментальное отличие ЭКГ от пульсометра браслета. ЭКГ измеряет электрическую активность и прекрасно «видит», откуда и куда направляются электрические импульсы. А фитнес-трекер не видит ничего, кроме периодического изменения объема крови в артериях.

Так вот, нередко бывают ситуации, когда источником пульса является не синусовый узел (который контролируется автономной нервной системой). ЭКГ увидит это и посчитает такой пульс, как результат деятельности автономной нервной системы. А вот браслету всё равно, откуда взялся пульс. Он посчитает любое изменение объема крови, как работу автономной нервной системы.

Тем не менее, все эти проблемы и ошибки незначительны, если мы говорим об измерении вариабельности в состоянии покоя. Есть научные исследования, которые утверждают, что даже смартфон со вспышкой достаточно точно измеряет PRV (вариабельность пульса), чтобы применять этот показатель в качестве альтернативы HRV (вариабельности сердечного ритма) для клинического использования!

Подведем итоги

В самой идее измерения фитнес-браслетами промежутков времени между последовательными сердцебиениями нет ничего странного или сверхъестественного.

Любой современный фитнес-трекер при правильном ношении довольно точно измеряет пульс. Этого уже достаточно для определения вариабельности пульса. Чтобы максимально исключить артефакты движения, смарт-часы замеряют вариабельность только в состоянии покоя.

Да, ошибки могут быть. Но не забывайте, что сигнал от фитнес-трекера проходит очень жесткую фильтрацию. Применяются различные алгоритмы для его очистки от ошибок. Используются показания акселерометра и гироскопа, чтобы вычитать малейшие движения из графика пульса.

Если ваш фитнес-браслет точно измеряет пульс, можно быть уверенным, что погрешность в определении вариабельности пульса незначительна, когда вы находитесь в состоянии покоя (а не во время физической активности). Это доказывают многие научные исследования.

Алексей, глав. ред. Deep-Review

 

P.S. Мы открыли Telegram-канал и сейчас готовим для публикации очень интересные материалы! Подписывайтесь в Telegram на первый научно-популярный сайт о смартфонах и технологиях, чтобы ничего не пропустить!

 

Понравилась статья? Поделитесь с другими:
  •  
  • 1
  •  
  • 1

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии...

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?