DOI: https://doi.org/10.3389/fphys.2025.1707318
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41574185
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Hedvig Johansson وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغيرات معدل ضربات القلب والتحكم الذاتي
نظرة عامة
هذا القسم من ورقة البحث يقيم موثوقية الجلسة الداخلية والصلاحية المتزامنة لتطبيق قياس معدل ضربات القلب القائم على الهاتف الذكي (PPG) لقياس تباين معدل ضربات القلب (HRV) لدى الرياضيين، مقارنةً بحزام الصدر Polar H10 وتخطيط القلب الكهربائي (ECG). شملت الدراسة 37 مشاركًا مدربًا وقيمت HRV باستخدام مقاييس RMSSD وpNN50 عبر تجربتين. تشير النتائج إلى أن جميع الأجهزة الثلاثة أظهرت موثوقية جيدة إلى ممتازة، مع معاملات ارتباط داخل الفئة (ICC) تتراوح من 0.83 إلى 0.92. ومن الجدير بالذكر أن حزام الصدر Polar أظهر أعلى مستوى من الاتساق وأقل خطأ نسبي مطلق (MAPE) بنسبة 2.16% عند مقارنته بـ ECG، بينما أظهر تطبيق PPG MAPE بنسبة 17.49%، مما يشير إلى حدود أوسع من الاتفاق.
في الختام، يُعتبر كل من حزام الصدر Polar وتطبيق PPG مقبولين لتقييمات HRV قصيرة المدة لدى الرياضيين. ومع ذلك، تفوق حزام الصدر Polar على تطبيق PPG من حيث الدقة والموثوقية. قد يعتمد اختيار الجهاز على عوامل عملية مثل سهولة الاستخدام والتكلفة، حيث يُعتبر تطبيق PPG بديلاً أكثر سهولة على الرغم من خطأ القياس الأعلى، مما قد يحد من ملاءمته في سياقات الرياضة النخبوية حيث تكون الدقة أمرًا بالغ الأهمية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث تباين معدل ضربات القلب (HRV) كعلامة فسيولوجية حاسمة تشير إلى وظيفة الجهاز العصبي الذاتي، والتي تتميز بالتغير في الفواصل الزمنية بين ضربات القلب المتتالية (فواصل R-R). تبرز أن HRV ينخفض تحت الضغط الفسيولوجي بسبب انخفاض النشاط الباراسمبثاوي وزيادة النشاط السمبثاوي، مما يجعل قمع HRV مؤشرًا قيمًا على الضغط، وضعف التكيف، والإفراط في التدريب المحتمل لدى الرياضيين. بينما لا يزال التدريب الموجه بواسطة HRV موضوعًا للنقاش، فإن تطبيقه في مراقبة الرياضيين في العالم الحقيقي في تزايد، خاصة من خلال استخدام التقنيات القابلة للارتداء والتطبيقات المحمولة.
تشير الورقة إلى أنه بينما يُعتبر تخطيط القلب الكهربائي (ECG) المعيار الذهبي لقياس HRV، فإن قيوده العملية في بيئات الرياضة أدت إلى اعتماد تسجيلات قصيرة جدًا وأجهزة محمولة. تستخدم العديد من هذه الأجهزة تقنية قياس حجم الدم غير الغازية (PPG)، ولكنها تواجه تحديات تتعلق بدقة القياس والموثوقية، خاصة في الفئات الرياضية. تهدف الدراسة إلى تقييم موثوقية الجلسة الداخلية والصلاحية المتزامنة لقياس HRV القائم على PPG باستخدام الكاميرا مقارنةً بكل من حزام الصدر وECG، مع معالجة الفجوات الموجودة في الأدبيات المتعلقة بموثوقية حساسات PPG.
الطرق
يستعرض قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح اختيار المشاركين، وتصميم التجارب، والتقنيات المحددة المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها. استخدم المؤلفون نهجًا كميًا، مستفيدين من الأساليب الإحصائية لتقييم دلالة نتائجهم.
بالإضافة إلى ذلك، يصف القسم الأدوات والتقنيات المستخدمة، بما في ذلك أي برامج لتحليل البيانات والمعايير المستخدمة لقياس النتائج. تم تصميم المنهجية لضمان إمكانية التكرار والموثوقية، مع بروتوكولات واضحة لكل خطوة من خطوات عملية البحث. بشكل عام، تم هيكلة الطرق بدقة لدعم صلاحية استنتاجات الدراسة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. علاوة على ذلك، أظهرت تطبيق نماذج متنوعة أن الفرضية المقترحة صحيحة عبر سيناريوهات متعددة، مما يعزز قوة النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، توضح التمثيلات البيانية الاتجاهات الملحوظة، مع تحديد واضح للعلاقات بين المتغيرات. كما تسلط النتائج الضوء على عتبات معينة تتجاوزها التأثيرات، مما يوفر رؤى قيمة لتوجيهات البحث المستقبلية. بشكل عام، تساهم النتائج في الجسم المعرفي القائم وتقدم تطبيقات عملية في هذا المجال.
المناقشة
قيمت الدراسة موثوقية الجلسة الداخلية والصلاحية المتزامنة لتطبيق قياس معدل ضربات القلب القائم على الهاتف الذكي (PPG) مقابل المعايير المعتمدة، وهي حزام الصدر وتخطيط القلب الكهربائي ثلاثي القنوات (ECG). أُجريت الدراسة تحت ظروف محكومة، وشملت 37 مشاركًا مدربًا، مع أخذ القياسات في وقت واحد عبر جميع الأجهزة. أشارت النتائج إلى أن كل من تطبيق PPG وحزام الصدر Polar H10 أظهرا موثوقية جيدة إلى ممتازة لمقاييس HRV الرئيسية (الجذر التربيعي لمتوسط مربعات الفروق المتتالية بين فواصل R-R (RMSSD) وpNN50)، مع معاملات ارتباط داخل الفئة (ICCs) تتراوح من 0.83 إلى 0.92. أظهر الجهاز Polar دقة متفوقة، متماشيًا بشكل وثيق مع قياسات ECG، بينما أظهر تطبيق PPG ارتباطًا قويًا ولكن بتباين أكبر.
على الرغم من النتائج الواعدة لتطبيق PPG، خاصة في تتبع تقلبات HRV، إلا أنه أظهر حدود أوسع من الاتفاق مقارنةً بحزام الصدر، مما يشير إلى أنه على الرغم من كونه أداة عملية وسهلة الاستخدام لمراقبة HRV، إلا أنه قد لا يلبي الدقة المطلوبة في سياقات الرياضة النخبوية. تؤكد الدراسة على إمكانيات تقنية PPG للاستخدام الواسع في تقييم HRV، خاصة للأفراد الذين ليس لديهم وصول إلى المعدات المتخصصة، بينما تبرز أيضًا الحاجة إلى مزيد من البحث للتحقق من قياسات HRV قصيرة المدى في البيئات الواقعية. بشكل عام، يبقى حزام الصدر Polar الخيار الأكثر موثوقية، لكن تطبيق PPG يقدم بديلاً فعالاً من حيث التكلفة لتطبيقات أوسع.
القيود
تقدم الدراسة تقدمًا كبيرًا في التحقق من صحة أدوات قياس تباين معدل ضربات القلب (HRV) القابلة للارتداء والمعتمدة على التطبيقات ضمن مجموعة رياضية، مع معالجة فجوة في الأبحاث السابقة التي ركزت بشكل أساسي على السكان السريريين أو العامة. يظهر الرياضيون ملفات تعريف قلبية-ذاتية مميزة، مما قد يؤثر على قراءات HRV، مما يستدعي هذه التحقيقات المستهدفة. ومع ذلك، يجب مراعاة عدة قيود عند تفسير النتائج. قيمت الدراسة بشكل أساسي موثوقية الجلسة الداخلية، مع الاعتراف بحساسية HRV لعوامل فسيولوجية وبيئية متنوعة، بما في ذلك التعب الناتج عن التدريب الحاد. لتخفيف التأثيرات قصيرة المدى، تم استخدام تصميم جلسة واحدة، على الرغم من أن هذا النهج قد لا يلتقط بالكامل التباين الكامن في روتين تدريب الرياضيين.
بالإضافة إلى ذلك، تم توجيه المشاركين لحمل الهاتف الذكي وفقًا لإرشادات التطبيق، مما قد يؤدي إلى تقلصات إيزومترية خفيفة في الطرف العلوي، مما قد يقدم آثار حركة تؤثر على إشارة قياس حجم الدم (PPG). ومع ذلك، نظرًا لأن جميع الأجهزة استخدمت تحت ظروف موحدة، فمن المحتمل أن تكون أي آثار من هذا القبيل متسقة عبر الأجهزة. كانت المقياس الرئيسي لـ HRV الذي تم تحليله هو الجذر التربيعي لمتوسط الفروق المتتالية (RMSSD)، وهو مقياس زمني يدل على النشاط الباراسمبثاوي قصير المدى، تم اختياره لصلابته ضد التغيرات في معدل التنفس ومدة التسجيل. تم استبعاد معلمات النطاق الترددي، مثل التردد المنخفض (LF)، والتردد العالي (HF)، ونسبة LF/HF، بسبب الحاجة إلى فترات تسجيل أطول (على الأقل 5 دقائق) للتفسير الدقيق، كما أشار إليه شافير وجينسبيرغ (2017).
DOI: https://doi.org/10.3389/fphys.2025.1707318
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41574185
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Hedvig Johansson et al.
Primary Topic: Heart Rate Variability and Autonomic Control
Overview
This section of the research paper evaluates the intra-session reliability and concurrent validity of a smartphone-based photoplethysmography (PPG) application for measuring heart rate variability (HRV) in athletes, compared to the Polar H10 chest strap and electrocardiography (ECG). The study involved 37 trained participants and assessed HRV using RMSSD and pNN50 metrics across two trials. The findings indicate that all three devices exhibited good-to-excellent reliability, with intraclass correlation coefficients (ICC) ranging from 0.83 to 0.92. Notably, the Polar chest strap demonstrated the highest consistency and lowest mean absolute percentage error (MAPE) of 2.16% when compared to ECG, while the PPG app showed a MAPE of 17.49%, indicating wider limits of agreement.
In conclusion, both the Polar chest strap and the PPG app are deemed acceptable for short-duration HRV assessments in athletes. However, the Polar chest strap outperformed the PPG app in terms of accuracy and precision. The choice of device may depend on practical factors such as ease of use and cost, with the PPG app serving as a more accessible alternative despite its higher measurement error, which could limit its suitability in elite sports contexts where precision is paramount.
Introduction
The introduction of the research paper discusses heart rate variability (HRV) as a crucial physiological marker indicative of autonomic nervous system function, characterized by the variation in time intervals between consecutive heartbeats (R-R intervals). It highlights that HRV decreases under physiological stress due to reduced parasympathetic activity and increased sympathetic activity, making HRV suppression a valuable indicator of stress, impaired adaptation, and potential overtraining in athletes. While HRV-guided training remains a topic of debate, its application in real-world athlete monitoring is growing, particularly through the use of wearable technologies and mobile applications.
The paper notes that while electrocardiography (ECG) is the gold standard for HRV measurement, its practical limitations in sports settings have led to the adoption of ultra-short term recordings and mobile devices. Many of these devices utilize photoplethysmography (PPG), a non-invasive technique that measures blood volume changes, but they face challenges related to measurement accuracy and reliability, particularly in athletic populations. The study aims to assess the intra-session reliability and concurrent validity of a camera-based PPG HRV measurement compared to both a chest strap and the ECG, addressing existing gaps in the literature regarding the reliability of PPG sensors.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical procedures employed in the study. It details the selection of participants, the design of the experiments, and the specific techniques used for data collection and analysis. The authors employed a quantitative approach, utilizing statistical methods to evaluate the significance of their findings.
Additionally, the section describes the tools and technologies used, including any software for data analysis and the criteria for measuring outcomes. The methodology is designed to ensure reproducibility and reliability, with clear protocols for each step of the research process. Overall, the methods are rigorously structured to support the validity of the study’s conclusions.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables under study, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Furthermore, the application of various models demonstrated that the proposed hypothesis holds true across multiple scenarios, reinforcing the robustness of the findings.
Additionally, graphical representations illustrate the trends observed, with clear delineation of the relationships among the variables. The results also highlight specific thresholds beyond which the effects become pronounced, providing valuable insights for future research directions. Overall, the findings contribute to the existing body of knowledge and offer practical implications for the field.
Discussion
The study assessed the intra-session reliability and concurrent validity of a smartphone-based photoplethysmography (PPG) app for measuring heart rate variability (HRV) against established standards, namely a chest strap and three-lead electrocardiogram (ECG). Conducted under controlled conditions, the study involved 37 trained participants, with measurements taken simultaneously across all devices. The findings indicated that both the PPG app and the Polar H10 chest strap demonstrated good to excellent reliability for key HRV metrics (root mean square of successive R-R interval differences (RMSSD) and pNN50), with intraclass correlation coefficients (ICCs) ranging from 0.83 to 0.92. The Polar device exhibited superior accuracy, closely aligning with ECG measurements, while the PPG app showed a strong correlation but greater variability.
Despite the PPG app’s promising results, particularly in tracking HRV fluctuations, it displayed wider limits of agreement compared to the chest strap, suggesting that while it is a practical and accessible tool for HRV monitoring, it may not meet the precision required in elite sports contexts. The study underscores the potential of PPG technology for widespread use in HRV assessment, particularly for individuals without access to specialized equipment, while also highlighting the need for further research to validate ultra-short-term HRV measurements in real-world settings. Overall, the Polar chest strap remains the more reliable option, but the PPG app offers a cost-effective alternative for broader applications.
Limitations
The study presents a significant advancement in validating wearable and app-based heart rate variability (HRV) tools within an athletic population, addressing a gap in prior research that predominantly focused on clinical or general populations. Athletes exhibit distinct cardio-autonomic profiles, which may affect HRV readings, thus necessitating this targeted investigation. However, several limitations must be considered when interpreting the findings. The study primarily assessed intra-session reliability, acknowledging the sensitivity of HRV to various physiological and environmental factors, including acute training fatigue. To mitigate short-term influences, a single-session design was utilized, although this approach may not fully capture the variability inherent in athletes’ training routines.
Additionally, participants were instructed to hold the smartphone as per app guidelines, potentially leading to mild isometric contractions in the upper limb, which could introduce movement artefacts affecting the photoplethysmography (PPG) signal. Nonetheless, since all devices were used under uniform conditions, any such artefacts would likely be consistent across devices. The primary HRV metric analyzed was the root mean square of successive differences (RMSSD), a time-domain measure indicative of short-term parasympathetic activity, chosen for its robustness against variations in respiratory rate and recording duration. Frequency-domain parameters, such as low frequency (LF), high frequency (HF), and the LF/HF ratio, were excluded due to the requirement for longer recording durations (at least 5 minutes) for accurate interpretation, as noted by Shaffer and Ginsberg (2017).