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Tout savoir sur la variabilité de fréquence cardiaque (VFC ou HRV)

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Si vous lisez régulièrement le site, et que vous vous intéressez de près aux métriques physiologiques des montres, il y a une donnée qui ne vous a pas échappé: la variabilité de la fréquence cardiaque. Abrégée VFC en français ou HRV pour Heart Rate Variability en anglais, cette donnée est désormais partout. Elle est mesurée par quasiment toutes les montres, en permanence. Lors du sommeil, pour estimer le niveau de récupération. Lors de l’activité sportive, pour estimer la VO2Max, lors d’exercices de relaxation pour estimer le rythme respiratoire. En se basant sur cette donnée, parfois corrélée à d’autres, elle permet à nos montres de sport de nous fournir des métriques d’entraînement intéressantes et souvent étonnamment justes. Mais d’où vient-elle, comment la mesure-t-on et que peut-elle réellement nous dire? Dans cet article, nous allons à la rencontre de notre corps, ou plus précisément à la rencontre de notre cœur!

Mesure de la variabilité de fréquence cardiaque sur la Garmin Forerunner 265

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A propos de cet article

J’ai écrit cet article en me basant essentiellement sur l’enregistrement du podcast de Nakan réalisé avec notre invité Cyril Besson du CHUV à Lausanne, expert dans le domaine du sport et de l’analyse de la variabilité de fréquence cardiaque. Les autres sources ont été les pages Wikipédia liées au cœur, à la variabilité de fréquence cardiaque et une étude scientifique réalisée sur la mesure de variabilité de fréquence cardiaque au moyen de capteurs optiques.

Le cœur, cet organe qui nous maintien en vie en permanence

L’entier de notre corps a besoin d’oxygène et de nutriments pour fonctionner. Cet oxygène et ces nutriments sont amenés à toutes les cellules du corps par le sang, pompé en permanence par des battements cardiaques. Notre cœur s’active dès la 6ème semaine du fœtus pour ne plus jamais s’arrêter jusqu’à notre mort. Au cours d’une vie, il bat donc entre 2 et 3 milliards de fois.

Le cœur est un muscle. Il répond, comme tous les autres muscles du corps, à des impulsions nerveuses, sous forme de signaux électriques. Il est capable de s’adapter, en battant à des fréquences basses (40 battements ou moins par minute pour les cœurs les plus sportifs au repos) à des fréquences très élevées (plus de 200 battements par minutes chez certaines personnes). La fréquence cardiaque au repos et la fréquence cardiaque maximale varie d’un individu à l’autre en fonction de la génétique, de l’âge, du sexe, de l’état de santé, du niveau d’entraînement ou de sédentarité et de plusieurs facteurs externes.

Contrairement à la plupart des autres muscles du corps, il n’est pas contrôlé par la conscience. Et c’est peut-être mieux comme ça. Vous ne risquez donc pas d' »oublier » de le faire battre. Avouez que ça serait moche… Et cette magie est liée à une partie spécifique du système nerveux, qui fonctionne indépendamment de la volonté.

On peut donc comparer le cœur à un moteur. Il possède un accélérateur et un frein, et ils peuvent être activés en fonction des besoins. Le corps a besoin de plus d’oxygène et de nutriments car on est en train de réaliser un effort physique: accélérateur. On se vautre dans le canapé avec un bon bouquin ou un test de nakan.ch: frein.

Le cœur, ce muscle qui n’est pas une machine

Mais l’analogie avec le moteur ne doit pas laisser penser que le cœur est une machine, réglée comme une horloge suisse… Car il ne l’est pas, bien au contraire. Les battements cardiaques ne sont pas réguliers. Et en réalité, on le verra plus loin, moins ils le sont et mieux c’est (dans une certaine mesure).

L’écart de temps entre les battements n’est jamais identiques. Si mon cœur était une machine et qu’il battait à 60 bpm, l’écart entre chaque battement serait d’une seconde pile, soit 1000ms. Mais ce n’est jamais le cas. Lorsqu’un cœur bat à 60bpm, l’écart entre ses battements est une fois de 960ms, une fois de 1060ms, une fois de 920ms, une fois de 1026ms… A la fin de la minute, cela fait bien 60bpm, mais l’écart a varié en permanence.

Cette information est intéressante pour appréhender la suite et la terminologie utilisée. Le temps qui s’écoule entre chaque battement est nommé intervalle R-R. La moyenne de l’écart entre chaque battement est la variabilité de fréquence cardiaque.

Illustration de la variabilité de fréquence cardiaque sur la page Wikipédia

Sur l’exemple ci-dessus, on remarque trois intervalles R-R (859, 793 et 726ms), la variabilité entre le battement 1 et 2 et donc de 66ms (859-793) et de 67ms entre les battements 2 et 3 (793-726).

Le système nerveux autonome

Le cœur est donc comme un moteur qui peut accélérer ou ralentir, avec un accélérateur et un frein. Et il est contrôlé par une partie de notre système nerveux que l’on nomme système nerveux autonome (parfois abrégé SNA en français). Comme son nom l’indique, cette partie du système nerveux agit de son propre chef. On ne le contrôle pas de manière consciente.

On peut contrôler les mouvements de nos doigts, par exemple. Bouger l’index, puis le pouce. Les faire se rejoindre. Mais on ne contrôle pas les battements du cœur. Comme on ne contrôle pas sa digestion, sa transpiration ou même, dans une certaine mesure, sa respiration.

C’est donc le système nerveux autonome qui contrôle les battements du cœur. Et dans le système autonome, il y a deux branches essentielles qui vont interagir pour que le tout fonctionne: le système orthosympathique, souvent simplement nommée système sympathique, et le système parasympathique.

Les systèmes sympathique et parasympathique

Le système sympathique a une fonction d’activation. C’est lui qui contrôle l’accélérateur du cœur, et qui rend ses battements plus réguliers. C’est également lui qui active la dégradation des carburants du corps. En gros, c’est lui qui décide d’envoyer des palettes de glycogène vers vos muscles quand vous piquez un sprint.

Le système parasympathique a une fonction de modération. Il calme le jeu. C’est lui qui contrôle le frein du cœur, et qui rend ses battements plus irréguliers. C’est lui qui régule l’homéostasie, ou l’équilibre du corps. Il contribue à la récupération, et c’est lui qui reconstitue les stocks de glycogène après que le système sympathique en a livré plusieurs palettes.

On a donc deux systèmes qui agissent en permanence. Les deux systèmes sont toujours présents, agissant chacun de leur côté. Parfois, l’un prend le dessus. Parfois c’est l’autre. Par exemple, si on part pour un entraînement de course à pied, le système sympathique va prendre le dessus: appuyer sur l’accélérateur, accélérer les battements cardiaques, augmenter la livraison d’oxygène et de glycogène.

Si on se couche dans son lit et qu’on s’endort, c’est le système parasympathique qui prend le dessus. Il abaisse la fréquence cardiaque, il gère la reconstitution des stocks de glycogène et entame les travaux de reconstruction des muscles abîmés lors de l’entraînement.

L’équilibre entre les deux systèmes bouge continuellement: l’un accélère, l’autre freine, et ceci en permanence. C’est ce qui contribue au fait que, battement après battement, le cœur bat, mais de manière irrégulière.

La VFC, le détecteur de mensonges intégré au corps humain

Ainsi, il est presque impossible de tricher avec la variabilité de fréquence cardiaque. Le nom du patron qui s’affiche sur le téléphone qui se met à sonner: le système sympathique est en action. La variabilité de fréquence cardiaque diminue. Une bonne douche et un pyjama chaud et confortable après une longue journée: le système parasympathique domine. La variabilité de fréquence cardiaque augmente.

Un ECG à une dérivation sur la Vantage V3: un outil fiable et pratique pour mesurer la VFC

Fait intéressant: l’interaction entre les deux systèmes et tellement réactive qu’il est possible de détecter sur quelques battements cardiaque si l’on est en phase d’inspiration ou d’expiration. En effet, d’après plusieurs études, il est possible de détecter les changement de l’activité parasympathique en particulier lors de respirations profondes ou de faible fréquences respiratoires. C’est d’ailleurs le mécanisme utilisé par les montres pour mesurer la fréquence respiratoire durant le sommeil, durant un effort, ou encore durant des exercices de respiration.

Les premières recherches sur la VFC dans les années 60

C’est dans les années 60 que les premières recherches sont effectuées dans les domaines de l’obstétrique et de la cardiologie. On se rend compte, grâce à l’avancée des techniques de mesure que la différence de temps entre les battements cardiaques peut être interprétée pour déceler des changements dans l’état de santé des patients. Certaines études démontrent assez rapidement des corrélations entre la baisse de la variabilité de fréquence cardiaque et l’occurrence de diabète, d’hypertension ou simplement de fatigue.

Un cœur qui bat de manière plus irrégulière est donc le signe d’un corps en meilleure santé, bien reposé. Et un cœur qui varie beaucoup, c’est à dire dont l’amplitude de variabilité est grande s’adapte plus facilement à toutes les situations de la vie.

La variabilité de fréquence cardiaque est une donnée très individuelle. On ne peut pas dire qu’une VFC de 70ms est un signe de bonne santé. Ca le sera peut-être chez une personne, mais pas chez une autre… Donc avant de mesurer la VFC pour tirer des conclusions, il faut apprendre. En mesurant régulièrement sur une longue période la variabilité pour établir une référence individuelle à laquelle on pourra comparer les données mesurées ultérieurement.

Le domaine sportif s’empare de la mesure de VFC

L’intérêt de la mesure de variabilité de fréquence cardiaque dans le domaine sportif est plus récent. Mais aujourd’hui, cette donnée est omniprésente dans les algorithme de suivi sportif des montres et autres appareils de suivi de la performance.

Données de VFC sur les montres Suunto Race et Suunto Vertical

Différentes méthodes de calcul existent pour obtenir une donnée de variabilité de fréquence cardiaque, tout comme il existe différents protocoles de mesure. Pour commencer, concentrons-nous sur la méthode RMSSD (Root Mean Square of the Successive Differences), qui calcule la racine carrée moyenne des écarts successifs entre les battements cardiaques. On reviendra plus tard plus en détail sur les méthodes de calcul. C’est la plus utilisée dans les algorithmes de montres de sport.

Plusieurs marques de montres de sport se sont mises à utiliser la variabilité de fréquence cardiaque pour fournir de plus en plus de données. Depuis, d’autres dispositifs utilisent cette mesure: montres, compteurs cyclistes, bagues connectées comme la Oura Ring ou encore bracelet de suivi de santé comme le Whoop.

La variabilité de fréquence cardiaque au cœur des algos de votre montre

Aujourd’hui, la variabilité de fréquence cardiaque est utilisée pour une multitude de mesures très diverses. Les montres de sport utilisent (la liste n’est pas exhaustive) la VFC pour fournir des données de:

  • Estimation de la VO2Max
  • Estimation du seuil lactique
  • Fréquence respiratoire à l’effort et au repos
  • Niveau de stress
  • Ressources ou de Body Battery
  • Qualité du sommeil
  • Qualité de la récupération
  • FTP cycliste

Il existe des moments particulièrement intéressants pour mesurer la VFC. Ces moments ne sont pas forcément les mêmes en fonction de ce que l’on cherche à mesurer. Par exemple, on mesurera la VFC après un entraînement pour mesurer la réactivation du système parasympathique, c’est à dire le temps que met le système parasympathique à reprendre le dessus sur le système sympathique. Si il est court, la récupération est bonne et rapide. Si il est plus long, le corps est plus fatigué…

On mesurera la VFC au réveil le matin pour avoir une bonne estimation du niveau de récupération. Les montres mesurent même cette variabilité de fréquence cardiaque durant la période de sommeil.

Comment tirer profit de la mesure de variabilité de fréquence cardiaque en tant que sportif

Voilà donc pour la théorie. Mais en pratique, comment l’utiliser? Il y a seulement quelques années, la variabilité de fréquence cardiaque était réservée à des sportifs qui utilisaient des protocoles précis pour la mesurer. Si fixer à un horaire, à une routine bien ancrée dans le quotidien. Aujourd’hui, la plupart des montres de la gamme moyenne ou supérieure des grandes marques du big 4 (Garmin, Suunto, Polar et Coros) fournissent des solutions « clé en main » pour la mesure de la VFC. Il suffit simplement de porter la montre et elle s’occupe de tout.

RMSSD: la méthode de calcul qui fait consensus

La recherche sur la variabilité de fréquence cardiaque a permis de trouver un nombre significatif d’informations que l’on peut tirer de cette mesure. Et en fonction de ce que l’on cherche, on n’applique pas les mêmes méthodes de calcul sur les données brutes de variabilité de fréquence cardiaque.

La plupart des montres et applications sportives utilisent RMSSD comme méthode de calcul, mais il en existe d’autres. Voici les acronymes que vous pouvez rencontrer dans la mesure de VFC:

  • RMSSD: C’est une méthode assez « générique » qui donne un aperçu général de l’état du système nerveux autonome, utilisé par la majorité des algorithmes de mesure de VFC pour les sportifs.
  • LnRMSSD: C’est la méthode RMSSD ci-dessus, à laquelle on applique un logarithme naturel pour mettre en évidence la distribution normale.
  • SDNN: Utilisé sur des périodes de temps prolongées, permet d’avoir des données plus détaillées sur l’influence des différentes composantes du SNA.
  • NN50 ou PNN50: Méthode qui se concentre sur l’isolation des paires d’intervalles R-R qui diffèrent de plus de 50ms. Permet d’analyser le fonctionnement du système parasympathique.

Une base avant de tirer des conclusions

La variabilité de fréquence cardiaque est très individuelle, et elle évolue même avec le temps pour un même individu. Cela signifie qu’avant de prendre une mesure et d’en tirer des conclusions, il faut apprendre.

La Suunto Vertical a besoin de faire plusieurs mesures avant de fournir des données pertinentes issues de la VFC

C’est ce que que font quasiment tous les algorithmes des montres qui mesurent automatiquement la variabilité de fréquence cardiaque durant le sommeil. En général, il faut entre 20 et 60 mesures pour établir ce qui est nommé une « ligne de base ». C’est une référence sur le long terme. Elle fournit une fourchette de valeurs que l’on considère comme la « norme », avec une valeur basse et une valeur haute.

Ici, sur la Suunto Race, ma ligne de base a été définie entre 54 et 64ms.

Ensuite, on mesure chaque nuit la variabilité de fréquence cardiaque, et on fait une moyenne des 7 dernières nuits. On compare la moyenne de 7 dernières nuits à la ligne de base. Si on se trouve dans la fourchette, pas de problème particulier. Si on se trouve au-dessus ou au-dessous, cela peut signifier une fatigue, un problème de récupération ou un début de sur-entraînement.

Chaque marque a implémenté la VFC à sa propre sauce, et les valeurs changent un peu. On peut noter pour les marques qui fournissent des données sur leurs algorithmes:

  • Suunto: la ligne de base est effectuée sur 60 jours avec au moins 14 mesures, elle est comparée aux 7 dernières mesures.
  • Garmin: la ligne de base est effectuée sur au moins 3 semaines mais jusqu’à plusieurs mois, comparée aux 7 dernières mesures
  • Polar: la ligne de base est effectuée sur 28 jours, elle est comparée aux données de la dernière nuit.
  • Coros: la ligne de base est effectuée sur « quelques jours » (5 nuits pour les premières données) et comparé à la valeur de la dernière nuit.
  • Oura Ring: la base est effectuée sur 3 mois, elle est comparée aux 14 dernières nuits.

On le voit, chaque marque enrobe la variabilité de fréquence cardiaque de sa propre sauce. C’est également le cas sur la manière de mesurer la variabilité de fréquence cardiaque. Si les 5 marques ci-dessus semblent toutes utiliser le RMSSD, la période de mesure n’est pas forcément la même, ni les capteurs utilisés.

Par exemple, Polar mesure les 4 premières heures après l’endormissement. Oura mesure toute la nuit par blocs de 5 minutes. Les autres marques ne donnent pas de détails sur la méthode de mesure.

Lorsqu’on utilise le suivi « automatique » de la variabilité, la mesure est effectuée automatiquement par la montre à l’aide de son capteur cardio optique au poignet. Et il faut savoir qu’une étude scientifique a démontré la difficulté pour ces capteurs à mesurer la variabilité de fréquence cardiaque de manière fiable, en utilisant comme référence le capteur cardio de la fenix 6. En comparaison avec la ceinture pectorale Polar H10, la mesure était largement inférieure.

Tout cela mis bout à bout nous donne une information: il ne faut pas essayer de comparer des données issues d’un appareil avec les données d’un autre.

Quelques conseils pour établir sa première base de VFC

Si vous avez une montre sur laquelle vous avez la possibilité d’activer la mesure de VFC au quotidien, et que vous vous demandez à quel moment le faire, voici quelques conseils.

Sur la Forerunner 965: on voit bien la moyenne sur 7 jours, la ligne de base et la mesure de la dernière nuit.

Premièrement, il faudrait éviter de démarrer l’apprentissage au cours d’un programme d’entraînement exigeant, comme des phases intensives. Il est plus pertinent de démarrer l’apprentissage au début ou quelques jours avant de démarrer un programme d’entraînement.

Il est également pertinent de ne pas démarrer l’apprentissage lors d’une phase de maladie. Lorsqu’on est malade, la variabilité de fréquence cardiaque est notoirement plus basse qu’en temps normal.

Comparer un période courte avec la ligne de base

Comment comprendre les données affichées par le widget de la montre? Durant les premiers jours ou les premières semaines, la montre « apprend ». Elle établit une base de long terme individuelle. Lorsque cette base est suffisante, la montre compare deux données:

  • Les données cumulées sur une période courte (en général une semaine, parfois moins)
  • Les données de base de long terme

Et c’est là que la magie peut commencer: si les données de court terme se trouvent dans la plage établie sur le long terme, tout va bien. Le corps et le système nerveux fonctionne de manière normale. Mais si les données de court terme se situent en-dessous de la fourchette de la ligne de base, c’est le signe d’un stress sur le système nerveux autonome. Pour un sportif, cela peut être le signe d’un problème de récupération.

Au contraire, si la variabilité de fréquence cardiaque mesurée sur le court terme se situe au-delà de la fourchette de long terme, ce n’est pas nécessairement un excellent signal non plus. En matière de VFC, plus élevé ne signifie pas forcément meilleur. Les facteurs qui induisent une élévation inexpliquée peuvent être nombreux, et la science ne les a pas encore clairement tous expliqués.

Par exemple, en cas de sur-entraînement qui devient chronique, la VFC a tendance à devenir très élevée tout à coup. Cela survient lorsque le corps n’arrive plus à lutter contre le stress et « force » le corps à se mettre en récupération « forcée ».

Des mesures à répétition au-delà de la ligne de base peuvent aussi être dus à une mauvaise mesure lors de l’établissement de cette dernière. Dans ce cas, la ligne de base va continuer à évoluer automatiquement sur le long terme, mais cela peut prendre du temps…

Mais attention, il reste important de ne pas de fier sur la mesure d’une seule nuit, qui peut être influencée par trop de facteurs, et préférer se baser sur les mesures de plusieurs nuits consécutives…

Mesurer de manière plus précise sa VFC

La mesure au travers du capteur cardio optique a des limites. De plus, une partie des personnes ne souhaitent pas porter leur montre durant la nuit. Dans ce cas, il est possible de faire des mesures plus ponctuelles et plus précises. Voici quelques solutions qui existent actuellement sur le marché.

En tous les cas, la recommandation pour les mesures ci-dessous sont:

  • Mesurer la VFC de manière standardisée, au moins 3 fois par semaine. Idéalement le matin, au réveil.
  • Effectuer la mesure de préférence avec une ceinture thoracique, ou avec la fonction de mesure ECG intégré dans la montre. En général, c’est la ceinture Polar H10 qui est la plus recommandée.

L’app Elite HRV

A installer sur son smartphone iOS ou Android, et à utiliser avec une ceinture thoracique compatible. L’application Elite HRV s’intègre à des plateformes sportives comme TrainingPeaks et propose plusieurs protocoles de mesure.

L’app HRV 4 Training

Egalement disponible pour iOS ou Android, à utiliser avec une ceinture thoracique. HRV 4 Training propose dans les grandes lignes les mêmes focntionnalités que Elite HRV. Attention, l’app propose de mesurer la VFC au travers de la caméra et du flash de certains smartphones, est-il utile de dire que cette méthode de mesure est encore plus aléatoire que le cardio optique des montres… Heureusement, l’app propose d’utiliser une ceinture pour effectuer des mesures sérieuses!

Le test orthostatique des montres Polar

Depuis bien des années, Polar propose de mesurer la VFC au travers d’un test intégré à une partie de leurs montres de sport. Ce test est nommé test orthostatique, et effectue une mesure de 3 minutes (2min assis ou couché et 2min debout). Sur les montres de la marque, le test peut être effectué avec une ceinture compatible, ou sur la Polar Vantage V3 avec le capteur ECG intégré à la montre.

Le module ECG des montres Coros

Les montres Coros qui sont équipée d’un capteur ECG peuvent également effectuer un relevé de VFC sans utiliser de ceinture, et sans nécessité de la porter durant la nuit.

Aller plus loin dans la découverte des fonctions liées à la variabilité de fréquence cardiaque

Après avoir abordé la théorie de la mesure de la variabilité de fréquence cardiaque, voici quelques articles et liens vers d’autres articles du site liés à la mesure de variabilité de fréquence cardiaque dans les montres de sport:

Conclusion sur la mesure de variabilité de fréquence cardiaque

La mesure de la VFC est un outil formidable pour analyser de manière fine l’effet de l’entraînement, du stress et d’autres facteurs sur notre capacité à récupérer. C’est une mesure que tout sportif qui souhaite s’entrainer de manière intelligente et efficace devrait apprendre à utiliser et à interpréter.

Pour que la mesure, les données et leur interprétation soit pertinente, il est absolument nécessaire de comprendre comment les montres de sport fonctionnent pour mesurer ces données. En ce sens, j’espère que cet article aura pu apporter la lumière sur ces différents aspects, et qu’il vous permettra désormais d’utiliser cette donnée pour planifier encore plus finement vos semaines d’entraînement!

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