Вы наверняка слышали рассуждения о ненадежности и псевдонаучности таких функций спортивных часов, как измерение уровня стресса, времени восстановления организма или эффекта спортивных занятий. Бытует мнение, что эти показатели не поддаются количественному исчислению и их измерение — лишь маркетинговый ход производителей гаджетов.
В данной статье мы постараемся убедить вас в обратном и рассказать, как частота пульса и его колебания могут помочь отслеживать состояние вашего организма.
Измерять частоту сердечных сокращений начали еще во времена Древней Греции. Первый график ЭКГ был записан в конце 19 века. Ученые тех времен регистрировали частоту сердечных сокращений, но не обращали особого внимания на их неравномерность.
Сердце здорового человека сокращается с переменной частотой. Между 1-ым и 2-ым сокращением может пройти 1 секунда, между 2-ым и 3-им — 0.9 секунды, а между последующими двумя — 1.1 секунды. В данном случае средняя ЧСС составит 54 уд/мин.
Следовательно, говоря о ЧСС 60 уд/мин, мы имеем в виду среднее арифметическое за минуту.
Именно эта неравномерность ЧСС и называется вариабельностью сердечного ритма (пульса).
Вариабельность сердечного ритма (ВСР, англ. HRV — Heart Rate Variability) — это понятие, которое используется в науке и медицине для описания колебаний частоты сердечных сокращений.
Функция Статус ВСР в часах Garmin Vivoactive 5
Если вариабельность низкая, значит, промежутки между сердечными сокращениями более-менее одинаковые. Если же эти интервалы сильно разнятся, вариабельность считается высокой.
Неужели такая незначительная разница в длине интервалов между сокращениями сердца может действительно рассказать что-то о нашем состоянии? Да, она очень показательна. Углубимся в причины вариабельности пульса.
Человеческий организм удивителен. Он может существовать и функционировать "на автопилоте", даже когда человек находится без сознания. Это возможно за счет автономной нервной системы.
По аналогии с любым современным устройством наш организм оснащен множеством различных датчиков. В их число входят барорецепторы (упрощенно — датчики давления), тактильные механорецепторы (датчики сенсорных ощущений), проприорецепторы (датчики растяжения), датчики ускорения, механорецепторы вестибулярного аппарата и т.д.
Мозг постоянно считывает показания этих датчиков и направляет соответствующие команды в другие системы и органы тела.
Передача информации осуществляется по "проводам" (в человеческом теле их роль выполняют нервы) с помощью электросигналов (импульсов). Как только импульс достигает окончания нерва, происходит выброс специального химического вещества (нейромедиатора). Именно на эти нейромедиаторы и реагируют рецепторы клеток:
На основе полученного нейромедиатора клетка может корректировать свое поведение.
Приведем пример. В клетках сердечной мышцы содержатся мускариновые рецепторы, которые срабатывают на ацетилхолин. При контакте с ним замедляется ритм сердечных сокращений.
И наоборот, адренорецепторы настроены на прием адреналина и норадреналина, веществ, выбрасываемых в моменты стресса, и в этом случае пульс ускоряется. Так мозг управляет частотой пульса, отправляя клеткам сигналы, преобразуемые в тот или иной нейромедиатор.
Автономная нервная система (НС), управляющая функционированием внутренних систем и органов без участия воли человека, подразделяется на симпатическую и парасимпатическую.
Симпатическая НС подключает режим выживания. Если в организм проникает какой-то инородный микроорганизм, человек встречается с агрессивной собакой или его отчитывает начальник, активируется симпатический отдел автономной нервной системы и организм переходит в "боевой режим".
Для такого состояния характерно учащение пульса, повышение артериального давления, перенаправление кровоснабжения к рукам и ногам, повышение содержания сахара в крови (для притока сил), ослабление иммунитета (организм больше заинтересован в том, чтобы выжить сейчас, а не в безопасности в долгосрочной перспективе) и т.д.
Благодаря данной ветке автономной НС организм расслабляется и восстанавливается. При активации парасимпатической ветки симпатическая "деактивируется". И наоборот.
При включении парасимпатической ветки происходит замедление пульса (сердцу дается передышка), снижение артериального давления, перенаправление крови обратно к внутренним системам организма, восстановление работы ЖКТ для восполнения запаса нутриентов, дыхание становится более глубоким и т.д.
Для того, чтобы человеческое сердце сокращалось, участия мозга и нервной системы не требуется.
В сердце имеется специальный тип клеток, с определенной частотой генерирующих электроимпульс, отвечающий за сжатие сердечной мышцы и перекачку крови.
Если "отключить" сердце от нервной системы, оно перейдет в режим работы на частоте около 100 ударов в минуту, не реагируя при этом на повышение или понижение физической нагрузки.
Именно для этого к сердцу подключены два отдела нервной системы. Симпатический отдел ускоряет пульс, парасимпатический — замедляет его.
Каким же образом вариабельность ЧСС сигнализирует нам, в каком состоянии находится та или иная ветка автономной нервной системы?
Для понимания этого важна еще одна особенность — сердце реагирует на импульсы парасимпатической ветки в течение миллисекунд. То есть при активации парасимпатического нерва пульс ускоряется или замедляется моментально.
Иными словами, отличия в длине промежутков между сокращениями сердечной мышцы вызваны не хаотичным характером пульса, а влиянием на сокращения сердца парасимпатической НС.
Почему речь здесь только о парасимпатической системе? Все просто: на активацию симпатического отдела сердце отвечает со значительным опозданием (более пяти секунд). И даже после окончания непродолжительного (менее секунды) симпатического импульса на протяжении еще какого-то времени (до 10 секунд) сердце будет управляться именно им.
Поэтому вариабельность ЧСС не связана с работой симпатической НС. Значение вариабельности пульса может рассказать нам о работе именно парасимпатического отдела.
Чем больше парасимпатическая система управляет нашим сердцем, тем выраженнее колебания интервалов между сокращениями. И наоборот, если эти промежутки отличаются незначительно, значит, тонус парасимпатической НС снижен, что является симптомом стрессового состояния организма (заболевания, инфекции, депрессии и т.д.).
Поэтому вариабельность ЧСС используют для диагностики состояния парасимпатической НС, а точнее — блуждающего нерва.
Итак, мы сделали вывод, что вариабельность сердечных сокращений позволяет нам оценить работу парасимпатической ветки НС, управляющей частотой ударов сердца.
Но этим все не ограничивается. Благодаря вариабельности ЧСС можно оценить общее состояние всего тела, включая печень, поджелудочную железу, иммунитет и даже голосовые связки.
Причина этого кроется в том, что парасимпатическая НС состоит из волокон, входящих в состав вагуса (блуждающего нерва). Он представляет собой длинный отросток, берущий начало в стволе мозга, проходящий по всему телу и соединяющий почти все системы и органы человеческого тела:
Говоря о моментальном воздействии парасимпатической системы на сердечную мышцу, имеется в виду именно воздействие вагуса. Он присоединен к сердечной мышце специальными волокнами и замедляет сокращения сердца. Также данный нерв соединен с голосовыми связками, кишечником, легкими, селезенкой, репродуктивными органами, почками и т.д.
Основная часть (80%) волокон вагуса используются для сбора данных (их еще именуют афферентными нервами) от различных рецепторов, например, от хеморецепторов, отвечающих за сбор информации об уровне содержания СО2 и рН в жидкостях организма.
Остальная часть нервных волокон вагуса управляет органами и клетками человеческого тела. По ним сигнал идет в обратном направлении, и они известны как эфферентные нервы.
Одной из главных функций блуждающего нерва является управление процессами воспаления в организме с помощью своего основного нейромедиатора — ацетилхолина.
В принципе арсенал блуждающего нерва чрезвычайно разнообразен. Он отвечает за включение и отключение иммунной системы, за многие рефлексы, за ощущение голода и насыщения, за содержание кислорода в крови и уровень раскрытия легких, за контроль количества бактерий в ЖКТ и т.д.
По сути, функционирование парасимпатического отдела НС — это функционирование именно вагуса. И, давая оценку состоянию парасимпатической системы на основе вариабельности ЧСС, мы имеем в виду именно состояние блуждающего нерва.
Импульсы симпатической ветки НС проходят совсем по другим волокнам. То есть при включении симпатического отдела вагус деактивируется, и постепенно его тонус уменьшается. Но если он активирован постоянно, снижается тонус симпатической НС, и это тоже нехороший симптом.
Еще хуже то, что у автономной нервной системы нет возможности отличить, какая угроза действительно существует, а какую нарисовало ваше воображение.
Мозг особо не разбирается, чего именно вы испугались — дикого зверя или предстоящего экзамена. Для него это два идентичных по сути события, и реагировать на них он тоже будет одинаково.
На самом деле, это плохая новость, потому что дикий зверь вряд ли будет нападать на вас круглые сутки. А вот разные переживания могут будоражить нас постоянно. Если вы долгое время находитесь в состоянии выживания, ваш блуждающие нерв и все сопутствующие функции становятся все менее активными.
Если уровень стресса постоянно повышен в течение длительного времени (например, вы переусердствуете с тренировками или переживаете из-за финансов), ваша парасимпатическая НС атрофируется за ненадобностью.
Со временем парасимпатическая система начинает работать все менее эффективно даже в отсутствие стресса. Вообще при активном использовании блуждающего нерва его функции становятся все более эффективными (быстрее снижается уровень стресса, прокачивается иммунитет и т.д.).
Анализ вариабельности ЧСС состоит в точном измерении временных промежутков между ударами сердца.
Традиционно такие замеры производились с помощью ЭКГ (электрокардиограммы). На графике ЭКГ старт каждого сокращения сердечной мышцы можно легко определить по ярко выраженному пику:
ЭКГ, составленная на Samsung Galaxy Watch 4
Но работа современных спортивных часов (даже при наличии в них функции ЭКГ) основана на методике фотоплетизмографии (PPG).
То есть по сути спортивные трекеры отслеживают не электроактивность сердечной мышцы, а скорее — количество крови, перекачиваемой по сосудам. Кровеносные сосуды расширяются и сжимаются не резко и достаточно медленно (по крайней мере, с меньшей скоростью, чем электросигнал проходит по мышце).
Это объясняет более плавное нарастание и спад пульсовой волны. То есть каждый следующий интервал начинается на так отчетливо и внезапно:
Нельзя забывать и о качественных характеристиках оптического сигнала, фиксируемого датчиком часов. Запястье всегда находится в движении, может смещаться и сам трекер. Поэтому пиковая точка волны пульса может вообще затеряться в помехах и шуме.
Это значительно усложняет расчет вариабельности на основе фотоплетизмограммы, но благодаря новым алгоритмам, возможностям нейросетей и усовершенствованию датчиков, спортивные часы неплохо справляются с фиксацией пика волны пульса.
На данный момент мы установили следующее:
- Для человеческого тела очень вреден постоянный высокий уровень стресса (будь то спортивные перегрузки, хронические заболевания, волнение и т.д.);
- Если активируется симпатическая НС, блуждающий нерв, наоборот, отключается;
- Если вагус продолжительное время не задействован, это снижает его тонус и качество функционирования в будущем. То же самое характеризует и обратную ситуацию. Если вовремя не происходит расслабления и последующего восстановления, напряжение накапливается;
- Количественный анализ вариабельности ЧСС является самым эффективным способом оценить состояние блуждающего нерва;
- Спортивные часы измеряют вариабельность ЧСС путем анализа пульсовой волны на основе поглощения света кровью (чем больше излученного света возвращается на сенсор, тем меньше в данном сосуде крови и, соответственно, наоборот).
При этом стоит отметить еще один важный момент: значение вариабельности ЧСС не может ничего сказать о характере испытываемого стресса. Нельзя определить соотношение напряжения, вызванного физическими упражнениями или эмоциональными переживаниями — организм на все это реагирует одинаково.
Как же оценивается и отражается вариабельность сердечных сокращений?
За сутки сердце выполняет около 100 000 ударов. Промежутков между ними, соответственно, тоже около 100 000. Пользователю ни к чему весь этот объем данных.
Как правило, спортивные часы анализируют вариабельность ЧСС посредством одной из следующих метрик:
Оптический пульсометр в часах Polar Vantage V3
SDNN (standard deviation normal to normal) буквально означает "стандартное отклонение NN-интервалов". Ниже приводится алгоритм расчета данного показателя:
- Подсчет промежутков между сокращениями сердечной мышцы за определенный отрезок времени.
- Определение среднего арифметического от всех интервалов.
- Подсчет отклонения всех интервалов от среднего значения. Возведение данного отклонения в квадрат с целью исключения отрицательных значений.
- Расчет среднего отклонения промежутков от усредненного показателя. Производится путем сложения всех значений, полученных на предыдущем шаге, и деления данной суммы на число используемых интервалов.
- Извлечение квадратного корня из получившегося значения (процесс, обратный возведению в квадрат на шаге 3).
Так и выводится значение вариабельности ЧСС. Данный способ применяется, например, в часах Apple Watch.
Значение 51 мс на снимке экрана выше — это значение SDNN, рассчитанное в пределах одних суток. При сниженной активности парасимпатического отдела НС (и вагуса) данное число уменьшается. Это признак высокого уровня напряжения или развивающегося заболевания.
Конечно, к снижению SDNN могут приводить и ряд других факторов, например, употребление кофе, алкогольных напитков, курение или чрезмерная физическая нагрузка.
Для анализа вариабельности ЧСС SDNN использует только Apple, поскольку это общая метрика, которая скорее характеризует баланс в работе парасимпатического и симпатического отделов НС.
SDNN никак не применяется в таких популярных функциях, как тренировочный эффект, уровень напряжения, степень нагрузки на организм и т.д. Для таких задач более актуален показатель RMSSD.
Просмотр данных ВСР на часах Suunto Race
RMSSD (root mean square of standard deviation) переводится как "квадратный корень из средней суммы квадратов разностей между смежными NN-интервалами". Звучит сложновато, но попробуем разобраться. Чем отличается RMSSD от SDNN?
Измерения SDNN занимают достаточно длительное время. Показатель RMSSD рассчитывается за относительно короткие промежутки времени. Цель — предотвратить влияние на вариабельность пульса всех побочных факторов, за исключением самой парасимпатической системы.
Соответственно, RMSSD в максимальной степени отображает эффективность и тонус блуждающего нерва.
Порядок расчета:
- Вычисление разницы между двумя последовательными промежутками. Повтор операции для всех последующих пар ударов сердца.
- Возведение каждого из значений в квадрат для исключения отрицательных значений.
- Расчет средней разницы путем сложения всех значений из шага 2 и деления суммы на число интервалов, зафиксированных в процессе измерения.
- Извлечение из полученного значения квадратного корня.
Получаем значение вариабельности ЧСС, рассчитанное на основе RMSSD. Именно оно отображает актуальный статус вагуса.
Используемый в спортивных часах показатель уровня стресса — это и есть RMSSD.
Во многих спортивных гаджетах используется натуральный логарифм от RMSSD. Цель этого — "сжать" обширный диапазон значений RMSSD.
На основе динамики Ln(RMSSD) (натурального логарифма от RMSSD) спортивные часы отображают динамику физического состояния пользователя:
Именно эта метрика часто применяется для определения эффекта от спортивных занятий.
Если проанализировать динамику Ln(RMSSD) за последовательные 7 дней, в результате получится характеристика Нагрузка (применяется в гаджетах Huawei Watch GT 3 и т.д.):
Еще один показатель, учитываемый при определении уровня стресса — pNN50. Это процентная доля следующих друг за другом интервалов с разницей в продолжительности более чем на 50 мс. Чем выше pNN50, тем лучше.
Если вкратце, норм не существует. Вариабельность представляет собой очень индивидуальный показатель, зависящий от многих факторов, начиная с климата и заканчивая вашим рационом. Соответственно и нормы могут сильно разниться.
Намного важнее следить за тем, как изменяется ваша вариабельность со временем. И чем дольше вы пользуетесь своими спортивными часами, тем точнее они будут определять уровень вашего стресса и остальные показатели на основе значения вариабельности ЧСС.
Сначала часы рассчитывают вашу личную норму вариабельности (усредненное значение), а уже потом анализируют отклонения фактических значений от данной нормы.
Если ваши часы непосредственно отображают вариабельность ЧСС (в SDNN или RMSSD), данные показатели можно смело применять при организации своих тренировок:
- Если вариабельность сильно превышает среднюю, рекомендуется высокоинтенсивная анаэробная нагрузка
- При средних значениях вариабельности легко можно переходить к легким аэробным нагрузкам
- Если вариабельность сильно ниже усредненного значения, лучше дать время вашему телу восстановиться без каких-либо физических нагрузок
Не будет лишним обозначить еще раз, что качество измерений любой функции с помощью оптического пульсометра в значительной мере определяется индивидуальными характеристиками вашего организма (давлением, тонусом кровеносных сосудов и кожного покрова, и даже наличием или отсутствием загара).
Следовательно, данный показатель актуален не всегда и далеко не для каждого.
Если вы хотите отслеживать вариабельность своего сердечного ритма, то умные часы ведущих мировых производителей Garmin, Suunto, Polar и Coros помогут вам получать точные данные и персонализированные рекомендации.
В подборке ниже — топовые модели часов, озвученных брендов, с продвинутым анализом ВСР, которые подскажут, когда вашему организму нужен отдых, а когда — интенсивная нагрузка.
