心拍変動は、いかにしてノイズから「朝の数字」になったのか
1963年、 American Journal of Obstetrics and Gynecology 誌は、Edward HonとS. T. Leeの論文2本を続けて掲載しました。804〜813ページ、そして814〜826ページです。1本目は、死に向かう胎児の心電図についての論文でした。2本目は、胎児の死に先立って現れる心拍パターンについての論文でした。HonはYaleの産科医で、医師になる前は無線技師としての訓練を受けていました。分娩中の赤ちゃんの心拍を連続して記録できる、最初期のシステムのひとつを作ったのも彼です。
この研究をのちに振り返った総説は、どれもひとつの観察を指しています。胎児に苦しさの兆候が出る前に、まず変わったのは、ある拍動から次の拍動までの時間のわずかな変化でした。平均の心拍数は、まだ役に立つほどには動いていませんでした。異変は、拍数に表れる前に、拍と拍のあいだに表れていたのです。
200年以上ものあいだ、この小さな揺らぎは脚注にすぎませんでした。生理学者たちはそれを見て、測り、欠陥のように聞こえる名前をつけました。それが 洞性不整脈です。今日、同じ揺らぎは、多くの人が朝食前に確かめる数字になっています。これは、ノイズがシグナルになるまでの物語です。そして、病院の記録テープからあなたの手首に届くまでの途中で、何が失われたのかという物語でもあります。
馬と犬と、ひとつの脚注
最初の記録は、聴診器よりも古いものです。1733年、イギリスの聖職者で実験家のStephen Halesが Haemastaticksを出版しました。動物の血圧についての著作です。George Billmanによる歴史的な総説は、拍と拍の間隔と動脈の圧が呼吸に合わせて上がり下がりすることを最初に報告したのはHalesだとしています。観察の対象は、意識のある馬でした。
1847年、ドイツの生理学者Carl Ludwigはキモグラフを作りました。すすを塗ったドラムが回りながら、圧の波形を紙に描き出す装置です。彼は犬で、息を吸うと脈が速まり、吐くと遅くなることを記録しました。Billmanは、これを呼吸性洞性不整脈の最初の記録としています。あなたが眠っているあいだに、現代のセンサーが毎晩とらえているのと同じリズムです。
その後、およそ1世紀のあいだ、ほとんど何も起きませんでした。発見が間違っていたわけではありません。単に、面白くなかったのです。呼吸は脈をわずかに変える。健康な心臓は完璧な拍子を刻まない。生理学者たちはこれを、機械の性質のひとつと見なしました。坂道では少し違う音でうなる、車のエンジンのようなものです。
なぜ揺らぎはノイズに見えたのか
医学には、これを無視するもっともな理由がありました。歴史のほとんどの期間、脈とは「数」でした。時計を見ながら15秒数え、4倍する。数は平均であり、平均とは、平均されるもののあいだの違いを隠すように作られたものです。1分間に60拍とは、1秒ずつの同じ間隔が60回続くことかもしれません。呼吸のたびに10分の1秒ずつ伸び縮みする間隔のことかもしれません。手首に当てた指では、その違いはわかりません。
20世紀への変わり目のころに開発されたWillem Einthovenの弦線検流計による心電図は、1拍ごとを鋭いスパイクとして見えるようにしました。Einthovenが「R」と名づけた頂点です。初めて、2つの拍のあいだの間隔を、推測ではなく定規で測れるようになりました。しかし初期の心電計は大きく、据え置き型で、じっと横たわる患者を短時間記録するためのものでした。数秒分の記録紙が示すのは、診察室で安静にしている心臓です。1日を生きている心臓は示せません。
揺らぎが測定値になるには、2つのことが起きる必要がありました。誰かが、診察室の外で心臓を何時間も記録すること。そして誰かが、重要なことが起きているときに揺らぎが変わると示すことです。
85ポンドのバックパックを背負った物理学者
その1つ目は、Helena, Montanaから、しかも医師ではない人物からやってきました。Norman Jefferis Holterは、UCLAで物理学の、University of Southern Californiaで化学の修士号を取得していました。この技術の歴史をまとめた心臓専門医Harold Kennedyによれば、Holterは当初、直接触れずに神経を刺激する方法を研究していました。しかし、ボストンの心臓専門医Paul Dudley Whiteの訪問をきっかけに、より重要な問題は心臓だと確信します。
Holterは1947年にHelenaへ戻りました。1940年代後半、彼は共同研究者のJoseph Gengerelliとともに、心電図を初めて無線で送信しました。送信機を収めたバックパックの重さは約85ポンド（約39 kg）。被験者はそれを背負って運動しました。ばかげた代物でしたが、要点は証明されました。心臓の電気信号は、人と一緒に部屋の外へ出られるのです。
トランジスタが、バックパックを小さくしました。1961年、Holterはその成果を Science誌に発表しました。活動中の人の心電図を長時間にわたって連続記録できる携帯型テープレコーダーと、長いテープを臨床医がすばやく見直せるように考えられた再生方法です。彼はこの発明をBruce Del Marに託し、その会社が最初の臨床用システムを開発しました。この種の記録は、今も「ホルター心電図」と呼ばれています。
Holterの1961年の論文は、活動中の人の心臓を記録することについてのもので、変動性についてのものではありません。しかし彼の記録装置は、変動性の研究に必要な素材を生み出しました。ごく普通の1日から得られる、数万もの拍動間隔です。
拍と拍のあいだに耳を澄ませた産科医
Edward Honの人生は、まるでこの問題のために用意されたかのようです。Neonatology on the Webの人物紹介によれば、彼は1917年、Guangzhou近くの村で、オーストラリア系中国人の家庭に生まれ、オーストラリアのTenterfieldで育ちました。1942年には、シドニーのMarconi School of Wirelessで修了証を得ています。その後カリフォルニアで医学を学び、産科の研修のためにYaleへ進みました。そこで彼は電子工学の研究室を提案し、YaleはMarkle Scholarの助成でそれを支えました。
1958年、彼は分娩中の胎児心電図を連続して記録するシステムを報告しました。続いて、Leeとの1963年の論文が出ます。1996年の国際基準とBillmanの総説がともに伝える彼らの観察は、拍と拍の間隔の変化が、心拍数そのもののはっきりした変化よりも先に現れる、というものでした。Honがこれを生理学の一般原理と考えていたのか、分娩室での実用的な警告サインとだけ見ていたのかは、記録からはわかりません。発表された彼の仕事は実用的なものでした。彼は子宮収縮中の心拍パターンを分類し、その分類は今も胎児モニタリングの土台になっています。
彼の仕事は、Roberto Caldeyro-BarciaやKonrad Hammacherの仕事とあわせて、1968年の最初の商用胎児モニターにつながりました。その後、連続モニタリングは多くの病院で日常的なものになります。のちの試験は、その日常的な使用が転帰をどれほど改善したのかに疑問を投げかけました。よいシグナルが、次に何をすべきかについてのよい判断につながるとは限りません。HRVは、この教訓を何度も学び直しています。
脚注から、朝の数字へ
拍動間隔をめぐる250年
ベッドサイドの検査から、パワースペクトルへ
1970年代を通じて、揺らぎは診療の場で役立ちはじめました。EdinburghのDavid Ewingらは、糖尿病のある人のための簡単なベッドサイド検査を開発しました。患者が深く呼吸する、立ち上がる、あるいは気道を閉じた状態でいきむ。そのとき拍動間隔がどれだけ変わるかを、臨床医が測ります。変化が小さければ、心臓を制御する神経が正常に反応していないことが示唆されました。検査は安く、すばやく、好奇心の対象を臨床の道具に変えました。
1978年、M. M. Wolf率いるオーストラリアのグループが、冠動脈疾患集中治療室に入院した176人の患者を調べました。そのうち73人には、入院時の拍動間隔のばらつきから測った洞性不整脈がありました。このグループでは、院内での死亡が少なかったのです。小さな研究でした。それでも、古い脚注が、臨床医には無視できない転帰と初めて結びつけられた研究でした。
そこへ技術者たちがやってきます。1981年、MITのSolange Akselrodらは、短い論文を Science 誌に発表し、心拍の揺らぎにパワースペクトル解析を当てはめました。パワースペクトルは、入り組んだ信号を、遅いリズム、中くらいのリズム、速いリズムに仕分けます。プリズムが光を分けるのと同じです。呼吸に合わせた速い揺らぎは、主に迷走神経を反映します。副交感神経系の主要な「ブレーキ」です。より遅い揺らぎには、さまざまな影響が混ざっています。初めて、揺らぎが神経系そのものの読み取り値のように見えたのです。
この最後の一文こそ、のちに最も大きな修正を必要としました。あとでまた触れます。
それを有名にした数字
1987年、Robert Kleiger、J. Philip Miller、J. Thomas Bigger、Arthur Mossは、心拍変動を循環器学で有名な用語にした論文を発表しました。対象は、急性心筋梗塞を生き延びた約800人です。それぞれに24時間のホルター記録がありました。研究者たちはそこから、1日を通じたすべての正常な拍動間隔の標準偏差を計算しました。この指標は今、SDNNと呼ばれています。
のちの総説のまとめによれば、SDNNが50ミリ秒未満の患者は、平均約31か月の追跡期間で、100ミリ秒を超える患者の約5.3倍の死亡率でした。結果ははっきりしていて、説明しやすく、Holterのテープを新しい種類のデータに変えました。
その数字が何だったのかを見てください。5分間の測定ではなく、丸1日の記録から得られたものです。アプリを確かめる健康な人ではなく、心筋梗塞を起こしたばかりの人から得られたものです。そしてそれは関連でした。変動性の低さは、リスクの高いグループの目印になっていたのです。この研究は、誰かのSDNNを上げれば何かが変わるのかを検証していません。2017年の総説で、Fred ShafferとJ. P. Ginsbergは、人を訓練してより高いSDNNの区分に移すことについて、まさにその問いを立て、答えを出さないままにしています。その問いは今も開かれたままです。
1996年：ルールブック
1990年代初めには、研究室ごとに、互いに比較できないさまざまな方法で「HRV」が測られていました。1996年、European Society of CardiologyとNorth American Society of Pacing and Electrophysiologyは、共同のタスクフォース報告を Circulation誌に発表しました。測定基準、生理学的解釈、臨床での使い方をまとめたものです。報告は指標を定義し、周波数帯域を定め、2種類の記録を示しました。約5分の短いものと、24時間の長いものです。
ルールブックは役目を果たしました。異なる研究室の結果を、ようやく比べられるようになったのです。しかし基準は、いつも2つのことを同時にします。測定を持ち運べるものにし、そして自らが記述するやり方を、唯一のやり方のように見せるのです。タスクフォースは主に、心電計による臨床記録のためにルールを書きました。30年たった今も、そのルールは一般向けデバイスが示すHRVの数字を形づくっています。
単純化で消えたもの
最も重要な修正は、生理学者たちから来ました。Billmanの2011年の総説は、問題をはっきりと示しています。HRVは間接的な指標です。心臓のペースメーカーに対する神経系の影響を反映しますが、神経の活動を直接測るものではありません。遅い「低周波」帯域が交感神経の「アクセル」を測るという考えは支持されず、よく知られたLF/HFの「バランス」比は、今では強く疑問視されています。呼吸中に心臓自身の組織が伸びることでさえ、神経の入力なしに間隔を変えることがあります。
部屋の中で最も大きな変数は、呼吸です。ゆっくり深い呼吸は、心拍に現れる呼吸のリズムを大きくします。ときには大幅に。Billmanは、ヒトを対象とした多くの研究が、記録中の呼吸の仕方を管理していなかったと指摘しています。ShafferとGinsbergはさらに、通常の範囲内で呼吸数を変えるだけで、平均心拍数をまったく変えずに、よく使われるHRV指標のひとつが動きうると付け加えています。
記録の長さも同じくらい重要です。ShafferとGinsbergは、同じ式を使っても、24時間の値、短時間の値、超短時間の値は互いに置き換えられないと述べています。長い記録には、仕事、食事、階段、睡眠を含む丸1日が入ります。短い記録がとらえるのは、静かなひとときだけです。安静時の短い値と24時間の値の相関は弱いのです。ですから、HRVを有名にした数字――心筋梗塞の生存者の1日分のSDNN――は、今ほとんどの人が目にしている数字ではありません。
どうやって手首に届いたのか
多くのウェアラブルに表示される数字は、Kleigerの数字のいとこであって、複製ではありません。たいていはRMSSD、つまり連続する拍動間隔の差の二乗平均平方根です。RMSSDが見るのは、ひとつの間隔が直前の間隔とどれだけ違うかだけです。そのため、主に迷走神経を反映する、呼吸に結びついた速い変化に敏感です。そして、24時間のSDNNを左右するゆっくりした変動には、あまり敏感ではありません。
計算例
心拍数は同じでも、心臓は違う：RMSSDが実際に数えているもの
スポーツが、RMSSDを日常生活に持ち込みました。2013年、Daniel Plews、Paul Laursenらは、エリート持久系アスリートについての論文を Sports Medicine誌に発表しました。彼らのグループは、朝に測ったRMSSDの対数を使って、アスリートがトレーニングにどう適応していくかを追いました。その論文とPlewsののちの博士論文を通じて得られた実用的な知見は、控えめで、役に立つものでした。どの1回の朝よりも、週平均のほうがはるかに多くを教えてくれたのです。週に数回の有効な測定があれば傾向は見え、低い日が1日あっても、それだけではほとんど意味がありませんでした。この考えがどう発展したかは、 HRVガイド・トレーニングの記事で書きました.
最後の一歩は、センサーでした。ほとんどの手首型デバイスは、心臓の電気的なR波を読み取りません。皮膚越しに光で脈波を読み、その波から間隔を推定します。これは静止しているときに最もうまく働きます。だから多くのウェアラブルは、夜間のHRVを表示するのです。1963年からの一歩一歩が、測定を手軽にしました。そして一歩ごとに、その意味が最初に確立された条件から、少しずつ遠ざかっていきました。
この物語が実際に裏づけていること
正直に読めば、この歴史は3つの主張を支持し、4つ目を退けます。
第一に、揺らぎは本物の生理現象であり、装置のノイズではありません。Halesは馬で、Ludwigは犬でそれを見ました。現代のセンサーは、それをあなたの中に見ます。その速い部分は主に、心臓にかかる迷走神経のブレーキを反映し、呼吸に合わせて動きます。
第二に、揺らぎは平均より先に変わることがあります。それが分娩室でのHonの観察でした。そしてそれが、睡眠が短かった夜や、遅い時間の重い食事、あるいは 数杯のお酒 のあとで、安静時心拍数がほとんど動かないままHRVが下がりうる理由です。このシグナルは敏感です。でも、特異的ではありません。低い値が教えてくれるのは、何かが変わったということであって、何が変わったかではありません。
第三に、意味は方法によって決まります。24時間、5分、ひと晩は、それぞれ別の測定です。あなたの数字は、同じ方法で、同じ時間帯に測ったあなた自身の数字と比べるのがいちばんです。HRVは年齢とともに下がり、健康な人どうしでも大きく異なります。友人のスコアが高くても、あなたについてはほとんど何も語りません。
この歴史が支持しない主張は、いちばん売りやすい主張です。HRVが高いこと自体が目標であり、それを上げれば長生きできる、というものです。有名な死亡率の知見は心筋梗塞の生存者から得られたもので、しかも関連でした。健康な人のHRVを押し上げることが長期的な健康を変えると示した人は、まだいません。数字を「ブースト」すると約束する製品や計画には注意してください。HRVはあなたの回復を測る温度計であって、サーモスタットではありません。
この考え方のうえに作られているのが Agen Bandです。夜間のHRVは、光学センサーから計算される派生的な推定値で、あなた自身のベースラインに対する傾向として表示されます。気づきのためのウェルネスのシグナルであり、医療用の測定値ではなく、診断でもありません。詳しくはガイド 「レディネススコアは何を測っているのか」 で解説しています。心臓の持病がある場合や、気になる値が出た場合は、医師に相談してください。手首での推定値は、臨床検査ではありません。
まとめ
200年のあいだ、心拍と心拍のあいだの小さなばらつきは、間違った名前のついた脚注でした。85ポンドのバックパック、無線技師として訓練を受けた産科医、そしていくつかのスペクトル解析を経て、ようやく、間隔には平均が持たない情報があることが示されました。この歴史が教えるルールはひとつです。数字の価値は、それが答える問いの価値で決まります。今週は、1日ごとのHRVを気にしないでください。代わりに7日間の平均を見てください。低い日が出たら、前の日に何があったかを書き留めましょう。睡眠、お酒、きついトレーニング、移動、遅い食事。1か月もすれば、集団のグラフが教えてくれるよりも多くのことを、自分のパターンについて学べるはずです。 220マイナス年齢の公式 や 1日1万歩の目標と同じように、役に立つ数字とは、自分自身と比べる数字です。
