HRV : définitions et utilisation dans l'entraînement

8/11/2023
Entraînement

Introduction

À priori, si vous lisez ces quelques lignes, c’est que vous avez déjà entendu parler de HRV ou de VFC, ou que vous avez envie de connaître ce qui se cache derrière ces acronymes de 3 lettres (VFC = Variabilité de la Fréquence Cardiaque ou HRV = Heart Rate Variability). Il s'agit bien de la même mesure et nous utiliserons l'appellation "VFC" dans cet article. Découverte dans les années 1980 et utilisée dans un premier temps en médecine, la VFC s’est étendue dans plusieurs domaines comme la gestion du stress en entreprise (prévention du burnout) ou la mesure de l’état de forme/fatigue d’un athlète. D’abord utilisée dans le sport de haut niveau, la VFC est rapidement devenue accessible aux sportifs amateurs et confirmés grâce au développement des applications smartphones et des objets connectés (montres, cardiofréquencemètre…).

Technique devenue incontournable depuis quelques années, cet outil vous permet de mieux gérer la planification des entraînements et le suivi de l'état de forme/fatigue. En effet, une fois bien maîtrisé, l'outil VFC vous permettra d’atteindre votre pic de forme le jour de la compétition mais, surtout, vous aidera à ne pas tomber en surentraînement.

Pour mieux comprendre la VFC et l'ensemble des paramètres qui y sont associés, rien de mieux que d’y aller étape par étape ! Au cours de cet article, nous allons donc commencer par la base en décrivant les indices de VFC actuellement disponibles sur Nolio. Nous reviendrons dans de futurs articles sur la mise en œuvre avec le protocole de mesure mais surtout sur la partie interprétation des résultats en lien avec vos charges d’entraînement.

Qu'est-ce que la VFC ?

La VFC se base sur les intervalles de temps qui séparent chaque battement cardiaque. En effet, bien que votre Fréquence Cardiaque (FC) semble stable lorsque vous êtes au repos, il existe des écarts entre chaque battement si on l'observe de manière très précise (écarts en millisecondes). Chaque intervalle est appelé RR, chaque R correspondant au pic de votre coeur, comme ce que l'on peut retrouver sur un électrocardiogramme. Une VFC faible indique une faible variation de temps entre chaque onde R (intervalle RR régulier), à l'inverse d'une VFC élevée. Ensuite, après la récolte de cette donnée, on applique des formules de calcul permettant d'obtenir des indices temporels et fréquentiels. La liste des indices présentée dans cet article n'est pas exhaustive.

La fréquence cardiaque et les intervalles RR sont régulés en permanence par le Système Nerveux Autonome (SNA). Il est composé de deux branches ou systèmes, la branche sympathique et parasympathique. Le système sympathique est souvent décrit comme facilitant les réponses de "combat ou fuite" dans des situations stressantes. En effet, il accélère la fréquence cardiaque, augmente la pression artérielle, dilate les bronches et libère du glucose à partir des réserves énergétiques pour préparer le corps à une réaction rapide. En revanche, le système parasympathique, qui est l'autre composante du système nerveux autonome, favorise les réponses de "repos et digestion". Il ralentit la fréquence cardiaque, diminue la pression artérielle, et stimule la digestion et les processus métaboliques associés à la restauration et à la conservation de l'énergie.

Les indices temporels

Moyenne HR – Heart Rate

C’est tout simplement votre fréquence cardiaque moyenne ! En effet, lorsque vous faites un enregistrement de VFC, nous sauvegardons tous vos battements cardiaques et nous calculons votre fréquence moyenne en Battements Par Minute (BPM). Cela est simple mais il est toujours intéressant de suivre votre fréquence cardiaque de repos au fur et à mesure de vos cycles d’entraînements.

Moyenne RR

C’est exactement la même chose que votre fréquence cardiaque moyenne mais vue par le « prisme » de la VFC. En effet, dans le domaine de la VFC, l’unité de mesure principale est la milliseconde (ms). Lorsqu’on calcule notre fréquence cardiaque de repos, on peut également l’exprimer en millisecondes en faisant la moyenne de tous les intervalles RR de la séquence d’analyse. On a donc : RR (en ms) = 60000/HR.

SDNN - Standard Deviation of the NN interval

Premier indice de VFC à proprement parler, le SDNN est exprimé en millisecondes. Mathématiquement parlant, il nous offre une information sur la répartition des valeurs autour de la valeur centrale (RR moyen). D’un point de vue physiologique, les auteurs s’accordent à dire que l’indice SDNN reflète la variabilité globale d’un individu.

RMSSD - Root Mean Square of Successives Differences of R-R intervals

Le RMSSD est le marqueur temporel le plus « connu » et utilisé, en particulier si l’on se réfère à la littérature scientifique dans le domaine de la physiologie de l’exercice. Exprimé en millisecondes, il se calcule en faisant la racine carrée de la moyenne des différences au carré des intervalles RR successifs. Les auteurs s’accordent à dire qu’il représente également l’activité parasympathique de notre système nerveux autonome. Le RMSSD est actuellement le marqueur temporel le plus fiable pour suivre son état de forme/fatigue, jour après jour, dans le cas d’un suivi à long terme. En effet, de nombreux travaux ont démontré à la fois son intérêt comme marqueur de la forme (ou fatigue), mais également son intérêt comme marqueur robuste dans le cas de mesures effectuées en autonomie à la maison.

Les indices fréquentiels

La totalité des indices fréquentiels s’obtiennent à partir d’un traitement mathématique d’une séquence d’intervalle RR brute exprimée en millisecondes permettant de représenter le même signal dans le domaine des fréquences. Sans entrer dans les détails trop techniques, plusieurs méthodes de traitement du signal peuvent être utilisées mais, globalement, il faut faire une interpolation (linéaire, cubique sline…) suivie d’une transformée de Fourier (avec une fenêtre de hanning…) ou en ondelette. Dans le domaine fréquentiel, le signal est représenté sous forme de densité spectrale de puissance avec des fréquences sur l’axe des abscises (en Hertz Hz) et des amplitudes sur l’axe des ordonnées (en millisecondes²).

La puissance totale

La puissance totale (TP pour Total Power) correspond à « l’aire sous la courbe » de la densité spectrale de puissance. D’après le théorème de Parseval, il existe une conservation de l’énergie entre les domaines temporels et fréquentiels qui se traduit par l’égalité de la variance et de la puissance totale du signal. Plus concrètement, le marqueur fréquentiel TP est mathématiquement égal au marqueur temporel SDNN² (variance) mais cette équation ne peut se vérifier en pratique puisqu’elle dépend de la méthode de traitement du signal utilisée. Nous pouvons constater que l’indice TP est fortement corrélé au marqueur temporel SDNN et qu’ils évolueront donc dans le même sens dans le cas d’un suivi d’un athlète sur une saison complète.

VLF - Very Low Frequency

Cet indice représente l’énergie comprise dans la bande de fréquence allant de 0 Hz à 0,04 Hz. Physiologiquement, les VLF reflètent des mécanismes de régulation à long terme comme la thermorégulation ou la régulation hormonale. Les difficultés d’interprétation des VLF font qu'elles ne sont que très rarement considérées au sein des analyses de variabilité de la fréquence cardiaque.

LF - Low Frequency

Cet indice représente l’énergie comprise dans la bande de fréquence allant de 0,04 Hz à 0,15 Hz. Exprimés en millisecondes², les LF reflètent avant tout l’activité sympathique de notre système nerveux autonome. En effet, certains auteurs ont observé que sous l’effet d’injection d’inhibiteurs du sympathique comme le propranolol, il y avait un effondrement de l’énergie fréquentielle des LF. Néanmoins, l’interprétation des LF comme reflet unique de l’activité sympathique du système nerveux autonome reste controversée puisque la majorité des auteurs soutiennent que les LF seraient modulés à la fois par les branches sympathiques et parasympathiques de notre système nerveux autonome. Nous pouvons aussi souligner que, pour une meilleure interprétation, les LF sont souvent exprimés en unité normalisée tel que LFnu (en %) = LF/(LF+HF)

HF - High Frequency

Cet indice représente l’énergie comprise dans la bande de fréquence allant de 0,15 Hz à 0,4 Hz. Également exprimées en millisecondes², les oscillations HF sont majoritairement liées à l’action du nerf vague sur le cœur puisqu’elles disparaissent après blocage par injection d’atropine. Aussi, tous les auteurs s’accordent à dire que la puissance des HF reflète l’activité parasympathique du système nerveux autonome. De la même manière que pour les LF, nous pouvons souligner que pour une meilleure interprétation, les HF sont souvent exprimés en unité normalisée tel que HFnu (en %) = HF/(LF+HF).

A noter que VLF + LF + HF = TP. Autrement dit, la puissance totale correspond à la somme des 3 bandes de fréquences !

Ratio LF/HF

Ce marqueur s’obtient tout simplement en divisant les LF par les HF et il s’exprime sans unité. Il représente la balance sympathovagale de notre système nerveux autonome et il dispose d’une certaine popularité dans la littérature puisqu’il permet de montrer immédiatement quelle est la bande de fréquence dominante. Dans le domaine du sport, plusieurs travaux ont montré son lien avec l’état de forme (ou fatigue) d’un athlète. Toutefois, nous soulignerons que ce ratio, malgré sa popularité, entretient une certaine confusion, en particulier via l’impact de la fréquence de respiration adoptée par l’athlète pendant la mesure.

(HF + LF) / FC

Ce marqueur est un mix entre le domaine fréquentiel et la fréquence cardiaque. C’est un indicateur secondaire dont les augmentations (ou valeurs élevées) semblent corrélées à une dominante parasympathique alors que les diminutions (ou valeurs basses) semblent corrélées à une dominante orthosympathique.

MPF - Mean Power Frequency

Cet indicateur s’exprime en Hertz et représente la fréquence médiane du spectre de puissance total [0 Hz - 0,4 Hz]. En d’autres termes, il y a autant d’énergie comprise avant cette fréquence et après cette fréquence. L’évolution de ce marqueur au cours du temps permet de savoir si l’on va plutôt vers une dominante parasympathique (augmentation du MPF) ou sympathique (diminution du MPF).

LF pic

LF pic se base sur le même principe que le marqueur MPF mais il est calculé uniquement sur la bande des basses fréquences [0,04 Hz - 0,15 Hz]. Certains auteurs l’utilisent pour estimer la « richesse » du signal basses fréquences. S’il est proche d’une des deux bornes (0,04 Hz ou 0,15 Hz), cela se traduit par un signal « pauvre » avec une concentration d’énergie uniquement sur une zone des LF. À l’inverse, si la valeur est proche du milieu de la bande des basses fréquences (0,10 Hz), cela se traduit par un signal plus riche et équitablement réparti sur toute la bande de fréquence.

HF pic

Idem que pour LF pic, HF pic est calculé uniquement sur la bande des hautes fréquences [0,15 Hz - 0,4 Hz]. Certains auteurs l’utilisent pour estimer la « richesse » du signal hautes fréquences. S’il est proche d’une des deux bornes (0,15 Hz ou 0,4 Hz), cela se traduit par un signal « pauvre » avec une concentration d’énergie uniquement sur une zone des HF. À l’inverse, si la valeur est proche du milieu de la bande des hautes fréquences (0,27 Hz), cela se traduit par un signal plus riche et équitablement répartit sur toute la bande de fréquence.

À noter que ces deux derniers marqueurs (LF pic et HF pic) ne doivent pas être interprétés dans le cas d’un athlète présentant une forte arythmie sinusale respiratoire (forte interaction entre la fréquence de respiration et la variabilité de la fréquence cardiaque). En effet, ce phénomène physiologique totalement naturel (en particulier chez les sportifs d’endurance !) conduit à une concentration de la majorité de l’énergie spectrale du signal fréquentiel de VFC autour de la fréquence de respiration. Les deux derniers marqueurs seront donc ininterprétables et il sera préférable de se concentrer sur le marqueur suivant (RSA).

RSA - Respiratory Sinus Arrhythmia

Le marqueur RSA permet d’estimer l’arythmie sinusale respiratoire et donc, la capacité de l’athlète à entrer en « cohérence cardiaque ». Très concrètement, lorsque l’on inspire, on observe une diminution des intervalles RR (donc une augmentation de la fréquence cardiaque) pour favoriser les échanges gazeux avec de l’air « neuf » qui a une forte teneur en oxygène. À l’inverse, lorsque nous expirons, on observe une augmentation des intervalles RR (donc une diminution de la fréquence cardiaque) pour minimiser les échanges gazeux avec de l’air résiduel « vicié » encore présent dans les poumons et qui comporte une forte teneur en CO2. Un enchaînement d’accélérations et de décélérations cardiaques totalement corrélé aux cycles de respiration est appelé la « cohérence cardiaque » et est parfaitement visible sur le spectre fréquentiel d’un signal de VFC, via une concentration de l’énergie autour de la fréquence de respiration. Le marqueur RSA donne le pourcentage d’énergie concentré autour de la fréquence de respiration (bornes entre ± 0,04 Hz autour de la fréquence de respiration) par rapport à l’énergie totale du spectre (puissance totale). Plus l’indicateur sera élevé, meilleure sera la cohérence cardiaque de l’individu.

L'indice de forme Nolio

L’indice de forme Nolio se base sur les résultats des travaux de thèse de Damien Saboul, docteur en physiologie de l’exercice. Globalement, il peut être classé dans la catégorie des indices temporels de la VFC. Bien que sa valeur brute soit différente, il se rapproche du marqueur RMSSD avec des tendances similaires dans le cas d’un suivi à long terme avec de multiples mesures. Il a l’avantage d’être normalisé et individualisé, ce qui permet de voir immédiatement si l’on est globalement dans une période de forme (indice proche de 100) ou de fatigue (indice proche de 0) par rapport à notre période de référence, selon la VFC.

Sur la plateforme, vous avez le choix d'utiliser le protocole que vous souhaitez. En tant qu'entraîneur, vous pouvez également choisir le protocole de mesure pour vos sportifs.

Conclusion

Vous l’aurez compris, il existe une multitude d’indices de la VFC et il est parfois difficile de réussir à faire le tri entre tous. Nolio vous propose les indices les plus connus et utilisés dans le sport. Néanmoins, les avancées de la recherche scientifique permettront peut-être de proposer d'autres indices pertinents à l'avenir.

Etant donné que vous effectuez vos mesures en autonomie et non en laboratoire dans un univers totalement contrôlé, nous vous conseillons d‘opter pour un marqueur robuste et de respecter le même protocole d’une mesure à l’autre afin de pouvoir comparer vos valeurs entre elles. En effet, pour un même indice, il peut y avoir d'importantes différences de résultats si vous changez de protocole en cours de route (modification de la position couchée ou debout, respiration libre ou contrôlée, moment de la mesure…)

Et si, comme nous, vous êtes passionné des « datas », il y a fort à parier que vous allez vite adopter la VFC !

Enfin, si vous souhaitez en savoir plus sur la VFC et la charge d'entraînement, retrouvez le Webinar Nolio réalisé avec Maxim Frémeaux et Karoly Spy sur le sujet.

Cet article se base sur les travaux de :

Ben Lamine et al. (2004) (Individual differences in respiratory sinus arrhythmia)

Buchheit Martin (2014) (Monitoring training status with HR measures: do all roads lead to Rome?)

Saboul Damien (2013) (Apports de la variabilité de la fréquence cardiaque dans l'évaluation de la charge d'entraînement et le suivi d'athlètes : aspects méthodologiques et applications pratiques)

Task Force de la Société Européenne de Cardiologie (1996) (HRV - Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use)

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