Вариабельность пульса для «чайников». Как фитнес-трекеры определяют состояние организма?

В этот раз мы поговорим об одном уникальном физиологическом явлении, которое позволило даже таким простым и доступным устройствам, как фитнес-браслеты, анализировать, казалось бы, невозможное.

До сих пор многие пользователи считают глупостью такие показатели фитнес-трекеров, как нагрузка на организм, уровень стресса, ресурс или энергия, время восстановления, эффект тренировки и пр.

Ну правда, как можно по пульсу определить депрессию или стресс? Очевидно же, что всё это рассчитано на самых неграмотных и доверчивых пользователей, не так ли?

Если вы думаете так же и даже не представляете, каким образом обычный пульс или его вариабельность (что бы это ни значило) может рассказать о состоянии организма, тогда эта статья станет для вас исчерпывающим ответом.

Но перед тем, как перейти к сути, мне бы очень хотелось выразить огромную благодарность тем, кто уже решил поддерживать наш проект на Patreon. Это очень многое значит для меня лично и для нашей небольшой команды. Данная статья вышла во многом благодаря вашей поддержке!

Что такое вариабельность пульса и о чем она может рассказать?

Люди научились измерять пульс еще в Древней Греции, а первая электрокардиограмма появилась в 1895 году¹. Но при подсчете количества сердечных сокращений в минуту от ученых ускользала одна очень важная деталь — неравномерность сердцебиения.

Сердце здорового человека никогда не сокращается с постоянной частотой. Если бы мы считали промежутки времени между каждым конкретным сокращением, то каждый раз получали бы новый результат.

К примеру, если между первым и вторым сокращениями прошла ровно 1 секунда, то можно сказать, что пульс в этот момент равнялся 60 ударам/мин., так как за 60 секунд оно сократилось бы 60 раз. Но если между вторым и третьим сокращениями прошло 0.9 секунды, тогда пульс равен уже 66 ударам/мин. (60/0.9 = 66). А если между следующими ударами прошло 1.1 секунды, тогда пульс составил 54 удара в минуту (60/1.1 = 54).

Поэтому, когда мы считаем свой пульс и получаем значение 60 ударов/мин., на самом деле мы узнаем среднее арифметическое всех значений пульса в каждый конкретный момент, скажем, за минуту (60, 54, 66, 59, 68 ударов и т.д.).

Такой разброс значений пульса или такое неравномерное сердцебиение и называется вариабельностью пульса.

Если интервалы между сокращениями сердца отличаются незначительно, то мы говорим о низкой вариабельности пульса. Если же разброс интервалов большой, то речь идет о высокой вариабельности.

Но какое значение имеют такие небольшие отличия в длительности интервалов между ударами сердца? Неужели такая мелочь может о чем-то нам рассказать?

Да, может. И прежде чем мы поговорим о самом процессе измерения вариабельности пульса часами/браслетом, очень важно понять природу данного явления.

Мы — биороботы?

Наше тело — удивительная вещь. Оно устроено таким образом, чтобы жить «на автопилоте» без подключения сознания. Даже если человек впадет в кому, будучи ребенком, он может при определенной поддержке дожить до старости, так и не придя в сознание².

Подобное возможно благодаря автономной нервной системе.

На самом деле, между смартфоном и нашим организмом очень много общего. Наше тело, как и любой сложный гаджет, буквально напичкано всевозможными датчиками. Это датчики давления (барорецепторы), сенсорные датчики (тактильные механорецепторы), датчики растяжения (проприорецепторы), акселерометр, гироскоп (вестибулорецепторы) и множество других.

Мозг непрерывно ведет опрос всех этих сенсоров и автоматически реагирует на любые изменения, посылая определенные команды клеткам и внутренним органам.

Такой обмен информацией происходит точно так же, как и в любом гаджете — при помощи «проводов» и обычного электричества, только провода здесь называются нервами.

Электрический сигнал (нервный импульс) от мозга идет по нерву, доходит до его окончания и на конце выпускается химическое вещество под названием нейромедиатор. А на клетках есть специальные рецепторы, реагирующие на определенные нейромедиаторы:

Когда клетка получает нейромедиатор, она изменяет свое поведение.

Например, в клетках сердца есть мускариновые рецепторы, которые реагируют на нейромедиатор под названием ацетилхолин. Как только этот нейромедиатор связывается с данным рецептором, происходит замедление сердечного ритма.

Есть на клетках и адренорецепторы, которые реагируют на адреналин и норадреналин, ускоряющие сердцебиение. Таким образом, мозг может контролировать пульс, посылая по нервам сигналы, которые на конце «превращаются» в один из этих нейромедиаторов.

Я специально уделяю этому вопросу много внимания, чтобы вы в полной мере осознали суть такой метрики, как вариабельность сердечного ритма. Поэтому наберемся немного терпения и углубимся еще сильнее.

Две ветки автономной нервной системы

Автономная нервная система, контролирующая без нашего сознания работу всех внутренних органов, делится на два отдела: симпатический и парасимпатический.

Первый отдел (симпатический) переводит организм в состояние выживания. Не важно, что происходит с телом — проникновение вируса или бактерии, встреча со злой собакой или неприятный разговор с начальством — включается симпатическая ветка автономной нервной системы и переводит организм в «режим боя».

Это проявляется повышением давления и пульса, оттоком крови от внутренних органов к конечностям (чтобы атаковать угрозу или убежать от неё), увеличением уровня сахара в крови (для получения дополнительной энергии), снижением иммунитета (чтобы не тратить силы на безопасность в долгосрочной перспективе, когда нужно бороться за жизнь здесь и сейчас) и так далее.

Как именно устроен симпатический отдел нервной системы — совершенно не имеет никакого значения для понимания вариабельности. Нас интересует второй отдел — парасимпатический.

Парасимпатическая нервная система

Этот отдел отвечает за расслабление и восстановление организма. Когда активируется парасимпатическая система, симпатическая «отключается». И наоборот.

Парасимпатическая система замедляет сердечный ритм, тем самым снимая чрезмерное напряжение с сердечной мышцы и позволяя ей отдохнуть; снижает давление; перенаправляет кровоток к внутренним органам; возобновляет нормальную работу желудка, чтобы восстановить запас питательных веществ; делает дыхание более глубоким; приостанавливает воспалительные процессы, запущенные симпатической нервной системой и мн. др.

Механизм влияния парасимпатической системы на сердце

Нашему сердцу не нужен никакой контроль со стороны мозга и нервной системы для того, чтобы сокращаться.

Внутри сердца есть несколько скоплений определенных клеток, которые самопроизвольно генерируют электрический импульс с заданной частотой, что заставляет сердечную мышцу сжиматься, качая кровь.

Если мы полностью отключим сердце от нервной системы, оно начнет биться с частотой примерно 100 ударов/мин и не будет реагировать ни на физическую нагрузку, ни на расслабление.

Поэтому для управления пульсом к сердцу подключаются две нервные системы — симпатическая для ускорения и парасимпатическая для замедления сердцебиения.

Сам процесс управления мы уже рассмотрели — мозг посылает электрический сигнал по нужному нервному волокну, на конце которого выделяется определенный нейромедиатор. Клетки сердца соединяются с этим нейромедиатором и в зависимости от его типа изменяют свое поведение.

Что интересно, у пациентов, которым пересадили сердце, пульс не контролируется мозгом, так как современная медицина еще не научилась подключать донорское сердце к нервной системе.

Спустя какое-то время волокна симпатической нервной системы частично восстанавливаются и пульс может ускоряться под нагрузкой, но, к сожалению, парасимпатическая система навсегда теряет контроль и пульс уже не опускается ниже собственного ритма сердца — 100 ударов в минуту³. Разве что с возрастом собственный ритм сердца постепенно замедляется.

Парасимпатическая система и вариабельность пульса

К этому моменту важно осознавать следующее:

• За автоматическое управление организмом отвечает автономная нервная система;
• Автономная нервная система делится на две ветви: симпатическую и парасимпатическую;
• Симпатическая система переводит организм в режим выживания;
• Парасимпатическая система переводит организм в режим восстановления и отдыха;
• Когда работает одна ветвь, вторая — отключается.

Также мы разобрались, что чем активнее парасимпатическая система влияет на сердце, тем сильнее снижается пульс. Если полностью отключить парасимпатическую систему, ритм сердца выровняется до 100 ударов в минуту, дальнейшее повышение пульса зависит от симпатической системы.

Так каким же образом вариабельность пульса может говорить нам о состоянии какой-либо из этих систем?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать еще одну важную деталь — время отклика сердца на влияние парасимпатических импульсов измеряется в миллисекундах. Таким образом, стимуляция парасимпатического нерва приводит к немедленному ответу в виде замедления или ускорения пульса (в зависимости от увеличения или уменьшения интенсивности парасимпатического сигнала).

Другими словами, разная длительность интервалов между ударами сердца связана не со случайным характером пульса, а именно с непосредственным влиянием на работу сердца парасимпатической нервной системы.

Почему именно парасимпатической? Потому что сердце откликается на стимуляцию симпатической системы с большой задержкой (от 5 секунд⁴). Более того, даже очень короткий симпатический импульс, длительностью менее 1 секунды, будет продолжать влиять на пульс еще в течение 5-10 секунд.

Поэтому симпатическая нервная система не влияет на вариабельность пульса от удара к удару и мы можем по кратковременному замеру вариабельности сердечного ритма оценить работу парасимпатической нервной системы.

Чем это влияние значительнее, тем сильнее разброс по длительности интервалов. И наоборот, если тонус парасимпатической системы снижен, вариабельность пульса будет незначительной, что однозначно говорит о стрессовой ситуации (болезни, депрессии, переживаниях, инфекции — не важно).

Именно вариабельность пульса является золотым стандартом для оценки работы парасимпатической системы или, точнее, блуждающего нерва⁵.

Вагус — ключевой нерв в теле человека?

Если вы внимательно дочитали текст до этого места, то понимаете, что вариабельность пульса кардинально отличается от самого пульса, так как позволяет оценивать не работу сердца, а состояние парасимпатической нервной системы, которая влияет на работу сердца.

Но в действительности это не совсем так. Вариабельность пульса позволяет сделать оценку состояния всего организма, косвенно включая работу печени, поджелудочной железы, селезенки, иммунной системы, состояния голосовых связок и многое другое⁵.

Неподготовленному читателю это может показаться абсурдом, но это действительно так.

Всё дело в том, что волокна парасимпатической нервной системы являются частью блуждающего нерва или вагуса.

Блуждающий нерв — это длинный отросток, выходящий из ствола мозга и проходящий через всё тело, соединяя практически все внутренние органы человека:

Когда мы говорили о молниеносном влиянии парасимпатической системы на сердце, речь шла именно о влиянии блуждающего нерва. Это блуждающий нерв подключается к сердцу своими парасимпатическими волокнами и управляет замедлением сердцебиения.

Также блуждающий нерв подключен к голосовым связкам, легким, желудку, кишечнику, почкам, селезенке, половым органам и т.д.

Более 80% нервных волокон блуждающего нерва служат для сбора информации (это так называемые афферентные нервы). Такая информация поступает от самых разнообразных датчиков, начиная от хеморецепторов, собирающих данные об уровне углекислого газа и pH всех жидкостей, до сенсоров, перечисленных в начале статьи.

Остальные 20% нервных волокон блуждающего нерва служат для управления клетками и органами. То есть, сигнал в этих волокнах распространяется в обратную сторону — от мозга к клеткам и такие нервы называются эфферентными.

Основным нейромедиатором блуждающего нерва является ацетилхолин — мощное противовоспалительное средство (по сути, главное в организме). Управление воспалительными процессами — это вообще одна из важнейших задач блуждающего нерва.

Перечислить все функции этого нерва в рамках статьи просто невозможно, но если говорить вкратце, то блуждающий нерв отвечает за⁵:

• Глотательный и рвотный рефлексы
• Чувство сытости, голода и желание съесть определенный продукт («что-то жаренной картошки захотелось» — сигнал блуждающего нерва).
• Уровень пищеварительных ферментов, желчи и сахара
• Управление кровяным давлением и почками
• Управление популяцией бактерий в кишечнике
• Активацию и деактивацию иммунной системы
• Уровень кислорода и степень расширения легких
• И многое другое

Работа парасимпатической системы — это работа блуждающего нерва. Когда мы при помощи вариабельности пульса оцениваем парасимпатическую систему, мы оцениваем также и тонус блуждающего нерва, так как эти вещи по сути — одно и то же (парасимпатические нервы являются частью блуждающего нерва).

А вот симпатическая нервная система передает сигналы по совершенно другим нервным каналам и не имеет никакого отношения к блуждающему нерву и парасимпатике.

Соответственно, когда работает симпатическая нервная система, блуждающий нерв «отключается» и его тонус со временем снижается. Также и при чрезмерной постоянной активации блуждающего нерва, тонус симпатической системы снижается, что тоже плохо⁵.

Но гораздо хуже то, что автономная нервная система не способна отличать реальные угрозы от вымышленных.

Для нашего мозга нет большой разницы, что именно на нас нападает — дикое животное или «дикий» страх в ночь перед экзаменом. Это два одинаковых по сути события для нервной системы и она будет реагировать на них идентичным образом.

Это крайне плохо, так как в реальной жизни на нас не может нападать бешенная собака 24 часа в сутки, а вот различные неврозы, переживания, депрессии — запросто. И это заставляет организм находиться в режиме выживания слишком долго, что автоматически снижает активность блуждающего нерва и всех связанных с ним функций.

Когда человек находится длительное время в состоянии стресса, например, вызванного постоянными перетренировками или переживанием по поводу финансовой ситуации, блуждающий нерв (парасимпатическая система) теряет свой тонус за ненадобностью, словно атрофированные мышцы, которыми длительное время не пользовались.

В дальнейшем эффективность работы парасимпатики снижается, даже если стрессовая ситуация проходит. Но чем чаще и активнее используется блуждающий нерв, тем эффективнее становится его работа (подавление стресса, иммунные функции и пр.).

В заключение этой части еще раз повторю ключевую мысль — сегодня нет более точного теста, отражающего тонус и активность блуждающего нерва (парасимпатической нервной системы), чем анализ вариабельности пульса.

Как смарт-часы и фитнес-браслеты анализируют вариабельность пульса

Для точной оценки вариабельности пульса нужно очень точно посчитать интервалы времени в миллисекундах между каждым сокращением сердца.

Лучше всего с этой задачей традиционно справлялась электрокардиограмма. Одна из главных причин заключается в том, что на ЭКГ мы видим очень резкие и четкие пики, сообщающие о начале каждого нового сердечного сокращения (на самом деле оно начинается чуть раньше, но это совершенно не важно):

Определить такой резкий пик не составляет никакого труда даже для примитивного алгоритма. Но все фитнес-браслеты и смарт-часы (даже те, которые умеют делать ЭКГ) определяют вариабельность пульса при помощи фотоплетизмографии (PPG).

Другими словами, фитнес-трекеры не анализируют электрическую активность сердца, а отслеживают объем пульсирующей крови в сосудах. Расширение и сужение кровеносных сосудов происходит постепенно и гораздо медленней, чем распространение электрического сигнала по сердцу.

Соответственно, пульсовая волна нарастает и спадает плавно, что затрудняет точное определение начала следующего интервала:

Кроме того, качество оптического сигнала очень часто оставляет желать лучшего. Из-за артефактов, вызванных движениями трекера на запястье или самого запястья, иногда вообще невозможно увидеть пик пульсовой волны — он теряется в шуме.

Всё это очень затрудняло анализ вариабельности по фотоплетизмограмме, но с развитием алгоритмов (в том числе — фильтрации шума), появлением нейросетей и улучшением оптических датчиков, трекеры научились неплохо определять пик пульсовой волны.

Фактически, сегодня даже камера смартфона способна с высокой точностью определять вариабельность пульса в состоянии покоя⁶. Особенно, если речь идет о временнó‎м анализе вариабельности, а не частотном (об этом подробнее — дальше).

Расчет вариабельности пульса

Итак, мы выяснили, что:

• Очень плохо для организма находиться в постоянном стрессе (частые физические перегрузки, переживания, хронические болезни и т.п.);
• Когда включается симпатическая система, блуждающий нерв «отключается»;
• При длительном подавлении работы блуждающего нерва его тонус снижается и дальнейшая работа ухудшается. Справедливо и обратное. Также стресс имеет свойство накапливаться без адекватного расслабления/восстановления;
• Измерение вариабельности пульса — золотой стандарт в медицине для оценки тонуса блуждающего нерва;
• Фитнес-трекеры определяют вариабельность по анализу пульсовой волны, оценивая степень поглощения света кровью (чем меньше излученного света вернулось на датчик, тем больше крови в сосуде и наоборот).

Подытоживая всё вышесказанное, можно сделать еще один очевидный вывод: по вариабельности пульса невозможно определить тип стресса. То есть, невозможно сказать, какой процент стресса вызван умственным, физическим или эмоциональным напряжением, так как реакция организма на все стрессоры — примерно одна и та же.

Но как нам оценить и показать вариабельность пульса?

Ведь сердце сокращается за день около 100 тысяч раз, соответственно, мы получим около 100 тысяч различных по длительности интервалов. Согласитесь, было бы глупо показывать пользователю такой объем данных за день.

На самом деле, анализировать вариабельность можно как во временнó‎й области, так и частотной. Чтобы не перегружать статью большим объемом информации, рассмотрим только временну́ю область.

Чаще всего, фитнес-браслеты и смарт-часы рассчитывают вариабельность, используя один из следующих показателей:

• SDNN
• RMSSD
• pNN50

Кратко посмотрим, как они вычисляются.

SDNN

SDNN расшифровывается как стандартное отклонение NN-интервалов. Чтобы не объяснять подробно, что такое NN-интервалы или стандартное отклонение в статистике, я просто приведу алгоритм расчета данного показателя.

Вы можете вообще пропустить эту часть, так как она не имеет большого значения для понимания темы. Но если вам любопытно, тогда для расчёта SDNN:

1. Считаем интервалы между каждым сокращением сердца в течение определенного времени и получаем огромный набор данных (1, 1.1, 0.9, 0.8, 1.2, 0.85 секунды и так далее).
2. Определяем среднюю длительность всех интервалов и получаем одно число, например, 975 миллисекунд.
3. Считаем, насколько длительность каждого конкретного интервала отличается от средней длительности. Только разницу возводим в квадрат, чтобы исключить отрицательные значения (например, интервал 800 миллисекунд отличается от среднего 975 мс на -175 мс, но нам не нужны отрицательные значения и возведение числа -175 в квадрат избавит нас от минуса).
4. Теперь узнаем, насколько в среднем отличаются все интервалы от среднего значения, то есть, насколько большой разброс интервалов относительно среднего. Для этого суммируем полученные числа в пункте 3 и делим полученную сумму на количество всех интервалов.
5. Осталось лишь взять квадратный корень от полученного числа, так как в пункте 3 мы возводили значения в квадрат, а теперь нужно вернуть всё обратно.

Полученное число и есть вариабельность пульса. Описанный метод используется, в частности, на Apple Watch. Если у вас есть эти смарт-часы, то вы, вероятно, обращали внимание на вариабельность:

Цифра 51 мс на скриншоте — это и есть показатель SDNN, рассчитанный за конкретный день. Это число всегда снижается при снижении активности блуждающего нерва (или парасимпатической нервной системы) и говорит о наличии стресса в организме, разрастающейся инфекции или болезни.

Разумеется, это может говорить и о наличии более банальных стрессогенных факторов, вроде никотина, кофеина, перетренированности или алкоголя.

В основном никто, кроме Apple, не использует SDNN в качестве главного показателя вариабельности, так как это общий показатель, который говорит о балансе симпатической и парасимпатической систем в целом.

SDNN не применяется для расчета популярных функций, вроде нагрузки на организм, эффекта от тренировок, уровня стресса или количества энергии. Для всего этого используется RMSSD.

RMSSD

RMSSD — это квадратный корень из среднего значения квадратов последовательных различий между соседними NN-интервалами. Для неподготовленного человека это прозвучало как набор слов.

Опять-таки, мы не будем углубляться в статистику, поэтому я снова просто приведу алгоритм расчета данного показателя. Но перед этим важно понять ключевую разницу между RMSSD и SDNN.

SDNN измеряется в течение длительного промежутка времени, в то время как для расчета RMSSD используются короткие интервалы, чтобы исключить влияние всех факторов на вариабельность, кроме парасимпатической системы.

Таким образом, именно RMSSD максимально точно и объективно отражает работу и состояние блуждающего нерва.

А рассчитывается этот показатель следующим образом:

1. Берем длительность двух последовательных интервалов и считаем разницу между ними. К примеру, если между первым и вторым сокращениями прошло 980 мс, а между вторым и третьим — 900 мс, тогда получаем значение -80 мс (900 — 980). Продолжаем считать разницу для всех последующих пар сердечных сокращений.
2. Как и в случае с расчетом SDNN, здесь также нужно избавиться от отрицательных значений, поэтому разницу каждой пары значений возводим в квадрат.
3. Теперь считаем среднюю разницу, для чего суммируем все значения, полученные в пункте 2, и делим на количество отслеженных интервалов за время измерения.
4. Мы получили среднюю разницу, но так как в пункте 2 мы возводили всё в квадрат, то возвращаемся обратно, взяв квадратный корень из полученного числа.

Это и есть вариабельность пульса, рассчитанная по RMSSD. Именно это число показывает текущее состояние блуждающего нерва, так как при его расчете брался короткий интервал времени.

Собственно, уровень стресса на фитнес-браслетах — это интерпретация RMSSD.

Также многие фитнес-трекеры используют натуральный логарифм от значения RMSSD. Делается это для того, чтобы «сжать» большой разброс значений RMSSD (например, от 20 до 200 мс) в более узкий диапазон — от 3 до 5.

К примеру, если вариабельность пульса (по RMSSD) составила 30 мс, то натуральный логарифм от 30 или Ln(30) = 3.4, а если вариабельность составила 150 мс, то Ln(150) = 5. Анализируя изменение Ln(RMSSD) или натурального логарифма от RMSSD, фитнес-трекеры показывают изменение физической формы пользователя:

Число 2.6 — это не обязательно Ln(RMSSD), но именно этот показатель часто используется для оценки эффекта тренировки.

Если же анализировать изменение Ln(RMSSD) за последние 7 дней, то мы получим такой показатель, как Нагрузка (используется на часах Huawei Watch GT 3 и многих других):

При расчете уровня стресса также может учитываться показатель pNN50. Это просто процент соседних интервалов, длительность которых отличается более чем на 50 миллисекунд. И чем этот процент выше, тем лучше.

Но закончить эту статью я бы хотел ответом на очень популярный вопрос:

Какая же норма вариабельности пульса?

Краткий ответ — нет никаких норм. Это крайне индивидуальный параметр, на который влияет масса переменных, включая климат и рацион питания. Поэтому нормы могут выглядеть совершенно по-разному, например, от 13 до 48 мс (RMSSD) в одном исследовании или 53-82 мс — в другом и т.д.

Здесь крайне важно следить только за динамикой своей вариабельности. И именно поэтому многие фитнес-трекеры рассчитывают уровень стресса, а также все остальные параметры на базе вариабельности пульса, тем лучше, чем дольше вы пользуетесь устройством.

То есть, трекер вначале определяет вашу норму вариабельности (среднее значение) и только затем начинает более точно интерпретировать отклонения текущих значений от рассчитанной нормы.

Если же ваш трекер (например, Apple Watch) прямо показывает вариабельность пульса (в SDNN или RMSSD), тогда можете использовать эти значения в своем тренировочном процессе:

• Если вариабельность значительно выше среднего значения, можете запланировать очень интенсивную анаэробную тренировку
• Если вариабельность в норме (средняя), тогда можно заняться легкой аэробной тренировкой
• Если же вариабельность значительно ниже среднего значения, тогда лучше дать организму время на восстановление сил, отдохнув от физических нагрузок

Ну и в завершение статьи напомню, что точность любой функции, основанной на показаниях оптического пульсометра, может сильно зависеть от индивидуальных особенностей (состояния кожи и сосудов, артериального давления и даже наличия загара).

Поэтому, к сожалению, данная метрика на фитнес-трекерах работает не всегда и не для всех пользователей.

Для читателей, поддерживающих Deep-Review, доступно продолжение этого материала! Как поддержать проект и получить доступ к закрытым материалам

Алексей, главред Deep-Review