Do eletrodo ao número: a cadeia do sinal

Todo número de variabilidade da frequência cardíaca (VFC) é o fim de uma cadeia. Um sensor registra um sinal, um relógio de amostragem o amostra, um programa encontra cada batimento, uma etapa de limpeza remove os batimentos que não são normais, e o que sobra é a série NN a partir da qual toda medida é calculada. Cada elo acrescenta um erro próprio, e as escolhas feitas em cada elo explicam por que dois programas podem discordar sobre um mesmo registro.

Os níveis 1 a 3 trataram a maior parte dessa cadeia como uma caixa-preta. Este nível a abre. Os cálculos desta aula usam o registro de exemplo: cinco minutos de batimentos em repouso, 341 intervalos, média de 881 ms (68 batimentos por minuto), RMSSD RMSSD RMSSD Raiz quadrada da média dos quadrados das diferenças sucessivas: medida de VFC calculada a partir de quanto cada intervalo entre batimentos difere do seguinte, em milissegundos. Reflete principalmente a atividade vagal. Mais sobre RMSSD de 33,4 ms, SDNN SDNN SDNN O desvio padrão de todos os intervalos NN de um registro, em milissegundos. Mede a variabilidade global, e o valor depende muito da duração do registro. Mais sobre SDNN de 28,7 ms. O mesmo registro aparece nas aulas 17 a 19.

Elo 1: o sinal, elétrico ou óptico

Um ECG ECG ECG Um registro da atividade elétrica do coração, feito com eletrodos na pele. Os intervalos RR obtidos por ECG são o padrão de referência para medir a VFC. Mais sobre ECG registra a tensão elétrica entre eletrodos na pele. Cada batimento produz um pico agudo, a onda R, cujo ápice dá uma marca de tempo nítida. Uma cinta peitoral é um ECG de dois eletrodos com a detecção feita na própria cinta.

Um traçado de eletrocardiograma com quatro picos altos, os picos R. Os intervalos entre eles estão marcados como 0,98; 1,06; 0,95 segundos; portanto, não há dois intervalos iguais.

Um sensor de PPG PPG PPG Método óptico que emite luz sobre a pele e registra a pulsação do sangue a cada batimento. A maioria dos relógios, anéis e aplicativos que medem pela câmera do celular usa esse método para estimar a VFC. Mais sobre PPG , a luz verde ou vermelha de um relógio, anel ou câmera do celular, mede quanta luz o sangue sob a pele absorve. Cada batimento envia uma onda de pressão pelas artérias, e o sensor a vê como uma elevação larga que chega depois do batimento, quando a onda já percorreu as artérias. A elevação não tem borda nítida, e o atraso entre o batimento e a elevação muda com a rigidez dos vasos, a postura e a temperatura. Por isso o intervalo entre dois pulsos não é exatamente o intervalo entre dois batimentos. As diretrizes de 2024 publicadas na Psychophysiology descrevem a razão sinal-ruído da PPG como muito menor do que a do ECG, com concordância em repouso “boa a aceitável” e pior durante a atividade física, variando entre os dispositivos (Quigley e colaboradores, 2024). O resultado é a variabilidade da frequência de pulso variabilidade da frequência de pulso Variabilidade da frequência de pulso Variação do tempo entre as pulsações, medida de forma óptica por relógios, anéis e câmeras de celular. Acompanha de perto a VFC em repouso, mas se afasta dela durante o movimento. Mais sobre Variabilidade da frequência de pulso (PRV, na sigla em inglês), uma parente próxima da VFC. O nosso guia sobre PPG explica a onda, o sensor e o que pode dar errado.

1. Pico sistólico
2. Incisura dicrótica
3. Pico diastólico
4. Intervalo entre pulsos, de um pico sistólico ao seguinte

Uma onda suave com dois pulsos. Cada pulso sobe de forma abrupta até um pico sistólico, desce até uma pequena depressão chamada incisura dicrótica, sobe de novo até um pico diastólico mais baixo e volta à linha de base. O intervalo entre os dois picos sistólicos está marcado como 1,00 segundos.

Elo 2: o relógio de amostragem

Um gravador digital lê o sinal a uma taxa fixa, a taxa de amostragem taxa de amostragem Taxa de amostragem Quantas vezes por segundo um sensor mede o sinal, em hertz (Hz). Define a precisão com que cada batimento é marcado: cerca de ±1 ms a 1.000 Hz, ±4 ms a 250 Hz e ±20 ms em uma câmera de 25 Hz. Mais sobre Taxa de amostragem , em amostras por segundo (Hz). Entre duas amostras nada se sabe, por isso um pico só pode ser situado na grade de amostras. O erro de temporização de um único batimento é de cerca de metade do intervalo entre as amostras:

$$\Delta t \approx \frac{1}{2 f_s}$$

Leia assim: um segundo dividido pela taxa de amostragem é o intervalo entre as amostras, e a metade disso é a distância máxima entre um pico verdadeiro e a amostra mais próxima: ±0,5 ms a 1.000 Hz, ±2 ms a 250 Hz. Um intervalo tem duas pontas, então o erro dele pode chegar a um intervalo inteiro. Quigley e colaboradores (2024, seção 3.1) citam o intervalo inteiro como a precisão da detecção da onda R, ±1 ms a 1.000 Hz e ±4 ms a 250 Hz, um valor cauteloso, e recomendam 1.000 Hz. Quanto ao valor que o documento de padrões da Sociedade Europeia de Cardiologia e da Sociedade Norte-Americana de Estimulação e Eletrofisiologia (Task Force, 1996) recomenda, as interpretações divergem: Catai e colaboradores (2020), ao citá-lo, consideram 250 a 500 Hz a faixa ideal, enquanto Peltola (2012) entende que ele pede pelo menos 500 a 1.000 Hz. Laborde e colaboradores (2017) aconselham pelo menos 125 Hz, com 500 Hz como piso conservador quando a oscilação respiratória é pequena, e observam que interpolar o pico entre as amostras permite baixar ainda mais a taxa.

O erro pesa em proporção à variabilidade que ele esconde. Veja o registro de exemplo com cada batimento marcado no tique mais próximo de relógios cada vez menos precisos, o mesmo modelo que o gráfico interativo abaixo usa:

A última linha é uma câmera de celular a 25 quadros por segundo, sem interpolação entre os quadros. Com um RMSSD de 33,4 ms, uma grade de 4 ms quase não muda nada. Uma grade de 40 ms eleva o RMSSD em 31%, porque cada intervalo carrega o arredondamento dos dois batimentos e o RMSSD conta esses saltos falsos. Os saltos falsos têm o mesmo tamanho em qualquer pessoa, por isso pesam mais em um coração tranquilo: se cada oscilação do registro for reduzida a um terço, com um RMSSD real de 11,1 ms, a mesma câmera lê 28,3 ms. É por isso que os aplicativos de câmera e de relógio interpolam o pico entre os quadros em vez de usar o tempo bruto do quadro; no gráfico interativo, mude para a onda de pulso e ative a interpolação para ver quanto isso recupera.

Com que precisão o instante de cada batimento é medido

O registro de exemplo, reamostrado

Intervalo antes de cada batimento, primeiros 60 segundos 780–980 ms; a linha tracejada mostra os instantes reais

Resolução temporal

±0,5 ms

RMSSD, medido

33,4 ms

RMSSD, real

33,4 ms

SDNN

28,7 ms

pNN50

8,2 %

A 1.000 Hz, o instante de cada batimento é medido ao milissegundo mais próximo. O RMSSD coincide com o valor verdadeiro.

Taxa de amostragem 1000 Hz, uma amostra a cada 1 ms 10005002501005025

Formato de cada batimento

Pico de ECG (estreito) Onda de pulso (larga)

Interpolar entre as amostras para refinar o instante de cada batimento

Os controles funcionam quando o JavaScript está ativado.

Uma linha do intervalo entre batimentos nos primeiros 60 segundos do registro de exemplo, com os instantes reais em linha tracejada e os do dispositivo em linha contínua. Indicadores mostram a resolução temporal em milissegundos, o RMSSD medido e o real, o SDNN e o pNN50. Um controle deslizante define a taxa de amostragem de 1.000 a 25 Hz, dois botões de opção escolhem um pico de ECG estreito ou uma onda de pulso larga, e uma caixa de seleção ativa a interpolação entre as amostras. A 1.000 Hz os números coincidem; a 25 Hz, sem interpolação, o RMSSD fica cerca de um terço acima do valor real.

Elo 3: encontrar cada batimento

O programa de detecção marca um ponto em cada batimento. Em um ECG, esse ponto é o topo da onda R, encontrado por regras de altura e de inclinação e depois refinado ajustando uma curva às amostras ao redor do pico, para que a marca de tempo possa cair entre amostras. Em uma PPG, o ponto é o pé da onda, o pico ou o ponto mais inclinado da subida, e a escolha muda os intervalos em alguns milissegundos.

As diretrizes concordam que a detecção automática deve ser seguida de uma inspeção do traçado. Quigley e colaboradores (2024) descrevem a detecção “seguida de inspeção visual interativa”, e Laborde e colaboradores (2017) aconselham gravar o próprio ECG em vez de confiar nos intervalos que uma cinta ou um relógio apresenta, para que os batimentos possam ser conferidos. Um dispositivo de consumo pula essa etapa. É um dos motivos pelos quais um protocolo de pesquisa pode confiar nos números que obtém, e um relógio não.

Elo 4: a limpeza, com os métodos nomeados

Três coisas podem dar errado em uma série de batimentos. Uma detecção perdida deixa um intervalo cerca de duas vezes mais longo do que os vizinhos. Uma detecção extra divide um intervalo em dois curtos. Um batimento prematuro batimento prematuro Batimento ectópico Batimento que se origina fora do marca-passo natural do coração e costuma chegar antes da hora. É comum, mas distorce a VFC se não for removido ou corrigido. Mais sobre Batimento ectópico (ectópico), que vem do coração e não do programa, dá um intervalo curto seguido de uma pausa compensatória longa. Os três precisam ser encontrados e tratados, porque as medidas supõem que todo intervalo é um batimento normal. O artigo Artefatos e batimentos extras mostra a forma que cada um deixa e as causas cotidianas por trás deles.

Veja o que um batimento prematuro faz. O intervalo número 171 do registro de exemplo era de 910 ms, seguido de 877 ms. Se esse batimento chegar cedo, a 60% do intervalo, o intervalo passa a 546 ms, e o intervalo seguinte absorve o resto, 1241 ms. O tempo total não muda. As medidas, sim:

“Par excluído” remove os dois intervalos perturbados; “par interpolado” substitui os dois pela média dos vizinhos, 909 ms; a regra da mediana local é a que a calculadora deste site usa, e aqui ela descartou 2 intervalos, 0,6% do registro. Um batimento em 341 elevou o RMSSD em três quartos, porque o RMSSD eleva cada salto ao quadrado e um salto de 695 ms pesa mais do que centenas de saltos de 20 ou 30 ms. Laborde e colaboradores (2017) citam a mesma lição de Berntson e Stowell: um único batimento cardíaco faz diferença. Os métodos para lidar com isso têm nomes, e quem publica resultados deve usá-los.

Exclusão. Remove os intervalos ruins e fecha a lacuna. É tolerável para o SDNN, mas une dois intervalos que nunca foram vizinhos, e por isso as medidas de diferenças sucessivas e o espectro enxergam um degrau falso. Peltola (2012) descreve a forma de degraus que a exclusão deixa e os componentes falsos de LF LF Potência LF A variância dos intervalos entre batimentos que cai na banda de 0,04 a 0,15 Hz, em ms²: ritmos que se repetem a cada 7 a 25 segundos. Já foi lida como atividade simpática, leitura hoje contestada. Mais sobre Potência LF e HF HF Potência HF A variância dos intervalos entre os batimentos que cai na banda de 0,15 a 0,40 Hz, em ms²: a faixa da respiração normal. Reflete principalmente a atividade vagal quando a respiração é de 9 a 24 por minuto. Mais sobre Potência HF que ela acrescenta, e a considera inadequada para as bandas lentas.

Interpolação. Substitui os intervalos ruins por valores calculados a partir dos vizinhos: a média deles (grau zero), uma reta (linear) ou uma curva suave que passa pelos pontos ao redor (spline cúbica). Ela preserva o número de batimentos e o momento deles, de que os espectros precisam. O custo é que ela age como um filtro passa-baixa: todo trecho interpolado é mais suave do que batimentos reais, e há relatos de que preenchimentos lineares e por spline elevam a potência LF e a potência VLF potência VLF Potência VLF Variância dos intervalos entre batimentos na banda de 0,003 a 0,04 Hz, em ms²: ritmos que se repetem a cada 25 s a 5 min. Exige ao menos 5 minutos de registro e é melhor avaliada em 24 horas. Mais sobre Potência VLF (Peltola, 2012). Salo e colaboradores, citados na mesma revisão, preferiram a interpolação à exclusão para o RMSSD e o pNN50.

Regras de limiar. Decidem quais intervalos substituir. A correção por limiar do Kubios HRV compara cada intervalo com uma mediana local e marca os que diferem em mais de um valor definido: 0,45 s no ajuste “very low” (muito baixo), 0,35 s em “low” (baixo), 0,25 s em “medium” (médio), 0,15 s em “strong” (forte) e 0,05 s em “very strong” (muito forte), ajustados à frequência cardíaca média frequência cardíaca média RR médio O tempo médio entre os batimentos em um registro, em milissegundos. A frequência cardíaca é o mesmo valor invertido: 60.000 dividido pelo RR médio. Mais sobre RR médio ; depois preenche os intervalos marcados por spline cúbica (guia do usuário do Kubios HRV, 2021). O ajuste importa, e conferi-lo também. Laborde e colaboradores (2017) mostram um registro em que a correção automática por limiar, mesmo em “very low”, marcou batimentos reais como artefatos artefatos Artefato Um erro em um registro de batimentos, como um batimento perdido, extra ou marcado no momento errado, muitas vezes causado por movimento ou por mau contato do sensor. Artefatos podem distorcer muito os valores de VFC. Mais sobre Artefato e deslocou uma medida vagal em 11%, e aconselham inspecionar o ECG em vez de confiar apenas na correção automática. A Calculadora de VFC deste site usa uma regra de faixa (300 a 2.000 ms) e uma regra da mediana local que descarta qualquer intervalo a mais de 25% da mediana dos vizinhos; na tabela acima, ela detectou os dois intervalos perturbados e mais nada. Descartar em vez de preencher é uma escolha feita para uma ferramenta que apresenta medidas no domínio do tempo; um espectro pediria o preenchimento.

Classificação automática de batimentos. Examina as diferenças entre intervalos sucessivos (a série dRR) em vez dos próprios intervalos. O método do Kubios, na edição Premium, define um limiar para cada batimento a partir do desvio quartil dos 90 batimentos ao redor multiplicado por 5,2, e depois procura as formas que um artefato deixa na série dRR: um batimento ectópico dá um padrão negativo-positivo-negativo ou positivo-negativo-positivo, um intervalo longo dá positivo-negativo e um curto, negativo-positivo. Os batimentos perdidos e os extras são encontrados comparando os intervalos com a mediana dos 10 ao redor (guia do usuário do Kubios HRV, 2021). Em registros com batimentos ectópicos atriais e ventriculares reais, o algoritmo publicado encontrou 96,96% deles, com especificidade de 99,94%. Com batimentos perdidos e extras simulados, o erro nas medidas de VFC depois da correção ficou abaixo de 2%, subindo para pouco menos de 8% nos menores deslocamentos de tempo (Lipponen e Tarvainen, 2019).

Duas regras de limiar diferentes aparecem nesta página; não confunda as duas. O gráfico interativo abaixo usa um limiar fixo, o nível “medium” do Kubios: ele marca um intervalo a mais de 250 ms da mediana dos dez vizinhos e deixa você escolher como preenchê-lo. A calculadora do site, usada na tabela acima, usa uma regra proporcional: descarta um intervalo a mais de 25% da mediana dos vizinhos. No registro de exemplo, com intervalos próximos de 881 ms, 25% são cerca de 220 ms, perto dos 250 ms fixos; com uma frequência cardíaca mais alta, e intervalos mais curtos, a regra proporcional passa a ser a mais rigorosa das duas.

Limpe um batimento ruim

O registro de exemplo, 341 intervalos

Intervalo antes de cada batimento, primeiros 60 segundos Sinalizado

Registro limpo Batimento perdido Batimento extra Batimento ectópico

Manter Excluir Média dos vizinhos Interpolação linear Spline cúbica

Sinalizados: 1 de 341 intervalos

Medida	Limpo	Batimento ruim	Corrigido
RMSSD (ms)	33,4	70,2	70,2
SDNN (ms)	28,7	51,7	51,7
pNN50 (%)	8,2	8,8	8,8
Potência LF (ms²)	120	1241	1241
Potência HF (ms²)	635	2314	2314

Um batimento perdido faz um intervalo ficar com cerca do dobro da duração dos vizinhos. Mantido, ele eleva o RMSSD de 33,4 para 70,2 ms, 2,1 vezes o valor verdadeiro, enquanto o SDNN muda menos.

Os botões funcionam quando o JavaScript está ativado.

Uma linha com o intervalo entre batimentos nos primeiros 60 segundos do registro de exemplo, com o artefato inserido como um pico, um círculo em cada intervalo sinalizado e a linha corrigida desenhada sobre ela. Uma tabela mostra o RMSSD, o SDNN, o pNN50, a potência LF e a potência HF do registro limpo, com o artefato mantido e depois da correção, além de quantos intervalos foram sinalizados. Um grupo de botões insere um batimento perdido, um batimento extra ou um batimento ectópico, ou restaura o registro limpo; outro escolhe o método de correção: manter, excluir, média dos vizinhos, interpolação linear ou spline cúbica. Um batimento perdido mantido dobra, mais ou menos, o RMSSD; todos os métodos o trazem de volta a poucos por cento do valor limpo.

Para saber mais Quanta edição é demais?

Não há um limite acordado. Peltola (2012) relata que a maioria dos pesquisadores exige pelo menos 80% de intervalos normais, que os estudos publicados editaram de 1% a 30% dos batimentos e que, em registros curtos, até menos de 5% de intervalos editados altera de forma mensurável o HF, o LF, o pNN50 e o RMSSD. Quigley e colaboradores (2024) pedem que os autores apresentem o número de batimentos excluídos ou substituídos e qualquer lacuna maior que 5 segundos, e que testem o efeito da edição sempre que ela passar de 1%. Catai e colaboradores (2020) pedem que se declare o número de batimentos omitidos e interpolados. Em um estudo que usou a VFC para encontrar um limiar de exercício, dois de 17 participantes foram excluídos por ectopia frequente e os trechos analisados tinham de 0% a 3% de artefatos (Rogers e colaboradores, 2021, citado na aula 19). A regra prática: um registro com mais de alguns por cento de batimentos corrigidos deve ser lido com desconfiança, seja o que for que o programa tenha feito com ele.

Elo 5: a série NN

O que sobrevive à limpeza é uma lista de intervalos entre batimentos sinusais normais, a série NN (Task Force, 1996). O rótulo “NN”, e não “RR”, deixa claro que restam apenas batimentos sinusais normais (Peltola, 2012); os aplicativos usam os dois rótulos sem muito rigor, e o Kubios chama essa mesma série de IBI IBI Intervalo RR O tempo de um batimento cardíaco ao seguinte, medido em milissegundos entre os picos R de um ECG. A VFC é calculada a partir de uma série desses intervalos. Mais sobre Intervalo RR (intervalo entre batimentos).

Duas propriedades dessa lista moldam tudo o que vem a seguir. A primeira: ela é indexada por batimento, não por tempo. O intervalo 100 aconteceu por volta de 88 segundos depois do início, o intervalo 200 por volta de 176 segundos, e um coração mais rápido coloca mais intervalos em um minuto. As medidas no domínio do tempo (aula 17) não são afetadas por isso. As medidas de frequência (aula 18) são, e é por isso que a série é reamostrada em um relógio regular antes de se fazer um espectro. A segunda: o comprimento dela depende da frequência cardíaca. Cinco minutos a 68 batimentos por minuto dão 341 intervalos; a 50 batimentos por minuto dariam cerca de 250. Uma regra expressa em batimentos e uma regra expressa em segundos não são a mesma regra.

O que isso significa para relógios, anéis e pulseiras

Um relógio, um anel e uma cinta peitoral na mesma pessoa seguem três cadeias diferentes: sensor diferente, taxa de amostragem diferente, ponto de detecção diferente e limpeza diferente, e nada disso é visível para você. A aula 8 listou os motivos pelos quais os dispositivos discordam; esta aula é o mecanismo por trás de dois deles. Quando um fabricante diz que a VFC medida pelo aparelho dele é “validada”, a pergunta é quais elos da cadeia foram testados e contra o quê. A aula 20 mostra como ler uma afirmação assim.

Em seguida, a aula 17 parte da série NN e passa por todas as medidas do domínio do tempo, geométricas e de Poincaré construídas sobre ela.