Вариабельность сердечного ритма и стресс: как её меряют

Здоровое сердце бьётся неровно. Даже в полном покое соседние промежутки между сокращениями различаются на десятки миллисекунд, и эта неровность не дефект, а след работы вегетативной регуляции. Разброс промежутков и называют вариабельностью сердечного ритма: в психофизиологии его читают как косвенную меру того, насколько напряжены механизмы адаптации. Ниже разберём, из чего считаются показатели времени и спектра, откуда взялся индекс напряжения Баевского и почему у метода так много оговорок. Калькулятор сразу под этим абзацем считает SDNN, RMSSD и pNN50 по любому ряду интервалов и показывает, что делает с ними один пропущенный удар.

Откуда берётся вариабельность сердечного ритма

Собственный ритм задаёт синусовый узел, клетки которого сами себя деполяризуют (механизм разобран в статье про автоматию сердца и проводящую систему). На этот ритм непрерывно накладываются два противоположных влияния: блуждающий нерв замедляет, симпатические волокна ускоряют. Подробности двойной иннервации - в разборе нервной регуляции деятельности сердца; для вариабельности важно, что влияния различаются по скорости. Ацетилхолин действует за доли секунды и быстро разрушается, поэтому парасимпатика меняет длину отдельного интервала. Норадреналин работает через вторичные посредники, поэтому симпатические сдвиги видны только как медленные волны.

Измеряемая величина проста: расстояние между вершинами соседних зубцов R на электрокардиограмме, то есть интервал RR, выраженное в миллисекундах. Если из ряда исключены экстрасистолы и артефакты, оставшиеся интервалы называют NN, и все показатели строго говоря считаются по ним. Ряд из сотни таких чисел и есть исходные данные анализа: вариабельность сердечного ритма при стрессе изучают именно как изменение статистики этого ряда, а не как изменение одной лишь частоты пульса.

Показатели времени: SDNN, RMSSD и pNN50

Первая группа показателей считается прямо по ряду интервалов. Общий разброс описывает стандартное отклонение:

$\text{SDNN} = \sqrt{\frac{1}{N-1}\sum_{i=1}^{N}\left(RR_i - \overline{RR}\right)^2}$

Быстрые перепады от удара к удару описывает корень из среднего квадрата разностей соседних интервалов:

$\text{RMSSD} = \sqrt{\frac{1}{N-1}\sum_{i=1}^{N-1}\left(RR_{i+1} - RR_i\right)^2}$

Третий показатель, pNN50, это доля пар соседних интервалов, отличающихся больше чем на 50 мс.

Рассчитать для своей задачи

Разберём ряд из восьми интервалов, который стоит в калькуляторе по умолчанию: 820, 875, 905, 880, 842, 812, 836, 881 мс. Их сумма 6851 мс, средний интервал 856,375 мс, отсюда средняя частота сокращений $60000 / 856{,}375 = 70{,}1$ уд/мин. Сумма квадратов отклонений от среднего равна 7789,875 мс², делим на $N-1 = 7$ и извлекаем корень: SDNN = 33,4 мс. Разности соседних интервалов равны 55, 30, −25, −38, −30, 24 и 45 мс, сумма их квадратов 9495 мс², значит RMSSD = 36,8 мс. Модуль разности больше 50 мс только у одной пары из семи, поэтому pNN50 = 14,3 %.

Две тонкости, на которых спотыкаются в курсовых. Первая: SDNN сильно зависит от длительности записи, на пяти минутах и на сутках это разные показатели. Вторая: часть программ делит сумму квадратов на $N$, а не на $N-1$, и на коротких рядах разница видна в первом знаке. RMSSD, наоборот, устойчив к длине записи и почти целиком отражает парасимпатическое влияние.

Спектральный анализ: LF, HF и спорное отношение

Ряд интервалов можно разложить на частоты. Стандарт Task Force 1996 года выделяет четыре диапазона: ультранизкие частоты ниже 0,003 Гц, очень низкие 0,003–0,04 Гц, низкие (LF) 0,04–0,15 Гц и высокие (HF) 0,15–0,4 Гц. Мощность каждого выражают в мс².

Рассчитать для своей задачи

Диапазон HF совпадает с частотой обычного дыхания и почти полностью порождён дыхательной аритмией: на вдохе тонус блуждающего нерва падает и интервалы укорачиваются, на выдохе растут. Поэтому HF считают надёжным индексом парасимпатической активности. С диапазоном LF сложнее. Его долго трактовали как симпатический, а отношение LF/HF - как симпатовагусный баланс, но LF формируется барорефлексом при участии обеих ветвей и плохо связан с прямыми измерениями симпатической активности. Поэтому в методической литературе отношение LF/HF уже не считают весами между двумя отделами: это скорее описательная характеристика формы спектра.

Есть и техническая ловушка. Если испытуемый дышит медленнее девяти вдохов в минуту, дыхательная волна уходит из диапазона HF в диапазон LF, и картина переворачивается без всякого изменения регуляции. Поэтому в эксперименте частоту дыхания либо задают метрономом, либо регистрируют и учитывают при разборе.

Индекс напряжения Баевского

В отечественной традиции используют показатели вариационной пульсометрии. Ряд интервалов раскладывают в гистограмму с шагом 50 мс и берут три числа: моду $Mo$ (центр самого населённого класса, в секундах), амплитуду моды $AMo$ (долю интервалов в этом классе, в процентах) и вариационный размах $MxDMn$ (разность максимального и минимального интервала, в секундах). Индекс напряжения регуляторных систем считается так:

$\text{ИН} = \frac{AMo}{2 \cdot Mo \cdot MxDMn}$

Для того же ряда из восьми интервалов $Mo = 0{,}825$ с, в класс 800–850 мс попали четыре значения из восьми, то есть $AMo = 50\ \%$, а размах $MxDMn = 0{,}093$ с. Подстановка даёт $\text{ИН} \approx 326$ усл. ед. Смысл формулы прозрачен: чем плотнее интервалы сгрудились вокруг моды и чем уже размах, тем сильнее централизован ритм. Ориентиры, которые приводит сам Баевский, - десятки единиц в покое, сотни при выраженном напряжении.

Слабое место видно из той же формулы: размах в знаменателе определяется всего двумя числами ряда, поэтому один выброс меняет значение в разы. Родственный простой показатель вегетативного тонуса, считающийся по пульсу и давлению, разобран в статье про индекс Кердо.

Протокол записи и артефакты

Классический протокол короткой записи: пять минут регистрации после пяти минут спокойного сидения, без разговоров, еды и кофеина, в фиксированной позе и в одно и то же время дня. Частота дискретизации 250–1000 Гц: иначе вершина R определяется грубо и прибор вносит в ряд собственный шум.

Рассчитать для своей задачи

Артефакты для этого метода разрушительны. Пропущенный удар склеивает два интервала в один длинный, ложное срабатывание детектора, наоборот, делит интервал пополам. Переключите в калькуляторе тумблер качества записи: на том же ряду из восьми интервалов один пропущенный удар поднимает SDNN с 33,4 до 299,2 мс, а RMSSD с 36,8 до 460,9 мс. Никакой физиологии в этих числах нет. Поэтому перед расчётом ряд просматривают глазами, помечают экстрасистолы, а исправленные участки либо интерполируют, либо исключают вместе с окном вокруг них. Практическое правило исследовательских работ: если правки затронули больше нескольких процентов интервалов, показатели быстрых изменений по такой записи не считают.

Что меняется при стрессе

Типичная картина острой умственной нагрузки: частота сокращений растёт, RMSSD и мощность HF падают, SDNN снижается умеренно, а доля медленных волн увеличивается. В калькуляторе это видно на готовых записях. Покой сидя даёт SDNN 42,8 мс, RMSSD 41,5 мс и индекс напряжения 144 усл. ед. Счёт в уме под контролем времени - SDNN 18,3 мс, RMSSD 10,3 мс, индекс 729 усл. ед. Обратите внимание на соотношение: при нагрузке RMSSD падает сильнее SDNN, потому что первым уходит быстрый вагусный компонент.

Третья запись показывает, почему выводы делать рано: после подъёма из положения сидя SDNN 20,1 мс, RMSSD 13,6 мс, индекс 581 усл. ед. - числа как при стрессе, хотя психологически ничего не произошло, изменилась только поза. Именно поэтому ВСР в психофизиологии используют во внутрисубъектных схемах: фон и нагрузка у одного человека в одной позе.

Стоит помнить и о разнице временных шкал: вегетативный ответ разворачивается за секунды, а гормональное звено - за десятки минут (о нём в разборе гормонов коры надпочечников). Снижение RMSSD на минуте задания и рост кортизола через полчаса относятся к разным этажам одной реакции. Сама по себе активация не равна вреду: где проходит граница, обсуждается в статье про эустресс и дистресс.

Ограничения метода

• Неспецифичность. На показатели влияют возраст, тренированность, поза, температура, кофеин, фаза дыхания и время суток. Снижение RMSSD само по себе не указывает на причину.
• Огромный межиндивидуальный разброс. У двух здоровых людей RMSSD в покое может отличаться в несколько раз, поэтому сравнение с чужой нормой бессмысленно, сравнивают человека с самим собой.
• Зависимость от прибора и алгоритма. Разная частота дискретизации, фильтры и чистка артефактов дают несовпадающие числа.
• Нестационарность. Спектральный анализ предполагает неизменную регуляцию за окно записи, а в эксперименте она меняется как раз в момент интереса.
• ВСР не измеряет эмоцию. Метод регистрирует состояние вегетативной регуляции, а приписывание конкретного переживания остаётся интерпретацией исследователя.

Частые ошибки

• Считать SDNN и RMSSD по записям разной длительности и сравнивать их между собой.
• Оставлять в ряду экстрасистолы и пропуски: один артефакт меняет RMSSD на порядок.
• Трактовать отношение LF/HF как прямую меру симпатовагусного баланса.
• Забывать про дыхание: медленное дыхание переносит дыхательную волну из HF в LF.
• Путать интервал RR и частоту сокращений: связь обратная и нелинейная, среднее по частотам не равно частоте по среднему интервалу.

FAQ

Какие значения SDNN и RMSSD считаются нормальными? Для пятиминутных записей в покое у взрослых обычно приводят SDNN порядка 30–70 мс и RMSSD порядка 20–60 мс, но разброс очень велик и сильно зависит от возраста и способа записи. В исследовательской работе корректнее опираться не на чужие нормы, а на собственный фон испытуемого.

Чем RMSSD отличается от SDNN? SDNN описывает общий разброс интервалов и включает медленные волны, RMSSD строится на разностях соседних интервалов и отражает быстрые изменения. Поэтому RMSSD считают показателем парасимпатического влияния, а падение RMSSD при сохранном SDNN говорит, что ушёл именно быстрый вагусный компонент.

Достаточно ли данных с фитнес-браслета? Оптические датчики на запястье дают сглаженный пульсовой сигнал, и погрешность определения момента удара сопоставима с самой вариабельностью. Для быстрых показателей нужен ряд RR с электрокардиограммы или нагрудного датчика.

Коротко

Вариабельность сердечного ритма - разброс интервалов RR, порождённый противоположными по скорости влияниями блуждающего нерва и симпатических волокон на синусовый узел. Показатели времени считаются прямо по ряду: SDNN описывает общий разброс, RMSSD и pNN50 - быстрые перепады от удара к удару. Спектральный анализ делит мощность на диапазоны: HF надёжно связан с парасимпатикой, а трактовка LF/HF как симпатовагусного баланса считается устаревшей. Индекс напряжения Баевского собирается из моды, её амплитуды и размаха и растёт при централизации ритма, но неустойчив к выбросам. Практический вывод один: числа имеют смысл только при чистом ряде, фиксированном протоколе, учтённом дыхании и сравнении человека с самим собой, а связь вариабельности сердечного ритма со стрессом остаётся косвенной и неспецифичной.