Detrended fluctuation analysis of heart rate variability for exercise prescription and monitoring in healthy and heart failure populations

• Autores: Noemí Sempere Ruiz
• Directores de la Tesis: José Manuel Sarabia Marin (dir. tes.), Manuel Moya Ramon (dir. tes.), Eduardo Manuel Cervelló Gimeno (tut. tes.)
• Lectura: En la Universidad Miguel Hernández de Elche ( España ) en 2026
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Sylvain Laborde (presid.), Alejandro Javaloyes Torres (secret.), Thomas Grunwald (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Deporte y Salud por la Universidad Miguel Hernández de Elche
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• Resumen

  • Antecedentes: La determinación precisa de la intensidad del ejercicio es esencial para una prescripción y monitorización individualizadas. En la práctica cotidiana, especialmente en poblaciones generales y clínicas, la intensidad suele prescribirse mediante porcentajes fijos de valores máximos/pico o de reserva, un enfoque que no garantiza una carga interna homogénea. La ergoespirometría (CPET) con umbrales ventilatorios o de lactato se considera ampliamente el estándar de referencia. Sin embargo, el coste, la logística, la necesidad de personal especializado y la heterogeneidad en las definiciones limitan su uso generalizado. La monitorización continua en campo afronta barreras similares: aunque la frecuencia cardiaca (HR) es práctica y ampliamente utilizada, puede verse afectada por la deriva cardiovascular durante el ejercicio prolongado, mientras que el consumo de oxígeno (VO₂) y la concentración de lactato en sangre ([La⁻]), pese a que aportan información valiosa sobre la carga interna, no siempre resultan viables para sesiones prolongadas o en condiciones reales. La variabilidad de la frecuencia cardiaca (HRV) se ha propuesto como una solución potencial porque capta la interacción dinámica entre las ramas parasimpática y simpática del sistema nervioso autónomo. En concreto, el exponente de escalado a corto plazo alfa 1 del análisis de fluctuaciones sin tendencia de la HRV (DFA a1) se ha planteado como una alternativa accesible y no invasiva que refleja la organización del control autonómico–cardiorrespiratorio. La evidencia respalda su uso para la determinación de umbrales y la monitorización durante el ejercicio, pero persisten cuestiones clave. Por tanto, esta tesis doctoral examinó: a) la concordancia entre los umbrales derivados de DFA a1 y los umbrales ventilatorios y de lactato en adultos sanos no entrenados; b) su validez externa frente a los umbrales ventilatorios en pacientes con insuficiencia cardiaca crónica (CHF); c) la fiabilidad entre días de los umbrales derivados de DFA a1; y d) el comportamiento de DFA a1 durante ejercicio prolongado a carga constante en distintos dominios de intensidad y su utilidad para la monitorización y la prescripción.

    Métodos: Se realizaron tres estudios. El Estudio 1 empleó un diseño de medidas repetidas en adultos sanos no entrenados que completaron dos pruebas incrementales de escalones en cicloergómetro hasta el agotamiento. Se identificaron los umbrales ventilatorios (VT1, VT2), de lactato (LT1/LT2) y los umbrales derivados de DFA a1 (HRVT1, HRVT2), y se compararon en términos de potencia (PO), VO₂ y HR. Además, se evaluó la fiabilidad entre días. El Estudio 2 fue un estudio clínico transversal en pacientes con CHF que realizaron una CPET en rampa en un cicloergómetro. Los HRVTs se compararon con los VTs expresados en PO, VO₂ y HR. El Estudio 3 utilizó un diseño intrasujeto en adultos sanos no entrenados que comprendía una CPET incremental para la demarcación de dominios seguida de tres sesiones prolongadas a carga constante (moderado, pesado y severo). Se aplicó un enfoque de “isotime” (cuartiles Q0–Q4) para evaluar la evolución temporal de DFA a1, HR, VO₂ y [La⁻]. La utilidad prescriptiva se evaluó mediante métricas de tiempo en zona (porcentaje de tiempo y porcentaje de participantes) cuando las zonas se definieron por DFA a1 frente a umbrales basados en VO₂ y lactato. Se verificó la normalidad de los datos y la significación se estableció en p ≤ 0.05. La concordancia se examinó mediante comparaciones por pares, diferencias medias o de mediana, coeficientes de correlación (r de Pearson y rho de Spearman), coeficientes de correlación intraclase (ICC) y análisis de Bland–Altman. La fiabilidad se cuantificó con ICC, cambio medio y error típico. Los datos de evolución temporal se analizaron mediante un análisis de varianza (ANOVA) de medidas repetidas de dos factores, considerando el tiempo y la intensidad como factores intrasujeto, y mediante un ANOVA de un factor sobre los datos normalizados para comparar entre variables de carga interna. El tamaño del efecto se expresó como ω². Las comparaciones por pares se realizaron mediante pruebas post hoc con ajuste de Bonferroni y se reportaron las diferencias medias junto con los tamaños del efecto de Cohen (d). El tiempo pasado en cada zona objetivo se analizó con un ANOVA de un factor seguido de corrección de Bonferroni, utilizando los mismos índices de tamaño del efecto. Las diferencias en la asignación de zonas se evaluaron mediante la prueba de Friedman.

    Resultados: Los umbrales de HRV mostraron una concordancia significativa con los marcadores convencionales, con un rendimiento generalmente superior de HRVT2 respecto a HRVT1. En adultos sanos no entrenados, la correspondencia fue más fuerte cuando los umbrales se expresaron en PO (HRVT1 – VT1: r = 0.76; HRVT1 – LA 2.5: r = 0.93; HRVT2 – VT2: r = 0.92; HRVT2 – OBLA: r = 0.93). En CHF, la alineación más clara se encontró en VO₂ (HRVT1 – VT1: r = 0.67; HRVT2 – VT2: r = 0.88). Los HRVTs mostraron una fiabilidad entre días de moderada a excelente, nuevamente con la PO como la expresión con mejores resultados (HRVT1: ICC = 0.87; HRVT2: ICC = 0.97). Durante la sesión en cicloergómetro a carga constante, DFA a1 presentó dinámicas claramente dependientes del dominio y del tiempo: los valores se mantuvieron altos y relativamente estables en el dominio moderado pese a la deriva de la HR, pero disminuyeron con el tiempo en intensidades pesada y severa hacia ~0.75 y ~0.50 (y a menudo por debajo), respectivamente. DFA a1 covarió de forma inversa con %HR, %VO₂ y [La⁻], indicando cambios coordinados en la carga interna. En cuanto a la asignación de zonas, las zonas definidas por DFA a1 mantuvieron de forma más eficaz el dominio previsto en intensidad moderada (>94% del tiempo en zona y el mayor porcentaje de participantes en zona), mientras que en los dominios pesado y severo se observó mayor variabilidad interindividual y una deriva descendente continuada.

    Conclusiones: Los umbrales derivados de DFA a1 constituyen una opción práctica y no invasiva para la determinación de los dominios del ejercicio en adultos sanos y un sustituto clínicamente útil de VT2 en CHF, particularmente cuando la CPET no está disponible, lo que permite prescripciones más individualizadas en entornos con recursos limitados. Los HRVTs muestran una fiabilidad adecuada para la monitorización longitudinal. La expresión de los umbrales en PO debería priorizarse para la prescripción práctica debido a su mayor concordancia y fiabilidad. Como herramienta de monitorización, DFA a1 capta las dinámicas de la carga interna dependientes del tiempo y de la intensidad, apoyando el análisis en tiempo real y retrospectivo de la sesión. Parece especialmente adecuado como herramienta primaria de monitorización en el dominio moderado, actuando como marcador complementario junto a otras variables fisiológicas a intensidades más altas, y ofrece potencial como biomarcador de la durabilidad y de la tolerancia al ejercicio prolongado o de alta intensidad.