Detectando o Batimento do Coração

Na busca de uma solução, tive antes que entender o funcionamento de uma série de coisas, inclusive como funcionam as cintas de monitoramento cardíaco, seus sistemas de captação, amplificação, filtragem, detecção, codificação e transmissão. Além disso, também estudei um pouco sobre o ECG e as diferentes maneiras de se perceber o batimento do coração. Não sou médico, nem engenheiro, nem cientista; sou um mero programador que gosta de xeretar, portanto, de antemão, peço desculpas pelas tolices que falei e falarei até o fim deste artigo e de futuros artigos correlatos. A seguir, irei expor o que entendi e como isso me direcionou ao longo da pesquisa e desenvolvimento da solução final. Somente ao fim de todos os artigos irei compilar e acrescentar as informações necessárias para se compor o projeto em si, de forma simples, direta e técnica do ponto de vista do hardware e software; antes disso, haverá muito blah-blah-blahh de minha parte.

Cintas de Monitoramento Cardíaco

O funcionamento das cintas de monitoramento cardíaco, pode ser descrito nos passos abaixo:

1. As cintas de monitoramento cardíaco captam a diferença de potencial (voltagem) que ocorre no momento da contração/relaxamento das células cardíacas como um todo.
2. Posteriormente o sinal captado é amplificado e filtrado. Este processo pode-se repetir várias vezes, até que o sinal possa ser utilizado no próximo estágio do circuito.
3. O sinal amplificado pode ser aplicado num microcontrolador ou mesmo enviado para algum circuito analógico de detecção de pico, por exemplo.
4. Dependendo da cinta de monitoramento, a informação sobre o batimento cardíaco poderá ser transmitida para algum monitor (relógio, computador, smartphone ou algum outro equipamento) utilizando-se uma das abordagens abaixo:
   • A cada batimento do coração um sinal é transmitido pela cinta de monitoramento para o equipamento receptor que fará a outra parte do monitoramento. Atualmente, vi que esta abordagem é a mais comum, ou seja, o coração bate, a cinta percebe isso e para notificar o equipamento receptor, envia um sinal que é interpretado, como: "o coração bateu".
   • Outra abordagem é a cinta transmissora perceber e acumular dois ou mais batimentos do coração, de modo que ela calcule a taxa de batimento do coração e já transmita essa informação para o receptor, como: "o coração está batendo a uma taxa de X batidas por minuto". Nesse caso, pode-se postergar o envio dessa informação de modo a enviá-la de tempos-em-tempos (caso do sistema Timex que envia de dois-em-dois segundos a taxa de batimento por minuto).

As vezes a cinta irá realizar a transmissão por algum processo que evite ou minimize a interferência com outros equipamentos, incluindo outras cintas de mesmo modelo. Há várias formas disso poder ser realizado e não irei listá-las aqui.

Sistemas de Transmissão

A cinta pode transmitir a informação do batimento cardíaco para o equipamento monitor utilizando-se diferentes meios físicos e lógicos, sendo que particularmente dois sistemas é de nosso interesse:

RF - radiofrequência, ou seja, ondas eletromagnéticas

Há diversas frequências que podem ser utilizadas e algumas vezes o sinal poderá ser ou não modulado, depende do modelo da cinta. Quando estiver modulado, algumas vezes a transmissão poderá ser digital. Sendo alguns deles:

1. Modulação FM para envio de dados digitais (não sei a faixa de frequência)
   Caso do Timex
2. Bluetooth (2.4GHz)
   Usado pela cinta Polar for Nokia, BioHarness da Zephyr, Spurty Chest Strap e FRWD B, por exemplo.
3. ANT+ (2.4GHz)
   Usado pela Garmin e Timex, dentre outras.
4. Demais sistemas de transmissão de alta-frequência
   Caso dos Garmin, alguns da Polar e outros muitas vezes utilizando a faixa de 2.4GHz, mas usando protocolos proprietários de cada fabricante e modelo de equipamento.

Vale ressaltar que a lista acima não tende a esgotar os sistemas RF em uso por monitores cardíacos, mas somente exemplificar o que é na verdade uma gigante variedade possível. E além da frequência de 2.4GHz, que é bastante utilizada por ser uma faixa para uso livre internacionalmente, outras faixas de frequências também são utilizadas.

O sistema de recepção para cintas que transmitam via rádiofrequência, são os convencionais para RF, mas variando desde simples receptores FM a sofisticados mecanismos de divisão de frequência. Ressaltando que posteriormente ao receptor RF, se encontra etapas decodificadoras características de cada solução.

Modulação de campo magnético

Este meio de transmissão cria um campo magnético e o modula de modo a transmitir a informação da cinta para o equipamento monitor. Com certeza, é a forma mais popular e ainda em uso existente, apesar de estar sendo substituída pela transmissão em RF, principalmente dados os atuais avanços dos últimos anos em relação a transmissão de dados via RF utilizando-se pouca energia.

Os equipamentos que utilizam a modulação de campo magnético, geralmente o fazem numa frequência de 5KHz ou 5,4KHz. A sequência de pulsos é breve e ocorre a cada batida do coração - para cada batida do coração, uma sequência de pulsos é enviada. A frequência da sequência de pulsos é de 5KHz e terá duração de 7ms a 13ms, mas isso poderá variar conforme o equipamento. Os equipamentos de ginástica de acadêmia que dão suporte ao uso da cinta de monitoramento cardíaco, geralmente exigem que a cinta utilize este esquema de transmissão, incluindo a frequência de 5KHz. Procurei saber se existe alguma norma ou especificação que padronize isto para os diferentes equipamentos de ginástica e cintas, mas não pesquisei o suficiente para concluir se há ou não normas sobre isto. o certo é que as cintas comerciais que utilizam este esquema de transmissão são compatíveis com esses equipamentos.

No caso das cintas da Polar com transmissores do tipo coded (codificado), estes, além de enviar um pulso a cada batida do coração, também, nos milissegundos posteriores, enviam duas outras sequências de pulsos. A ideia dos transmissores Polar coded é que a diferença de tempo entre a emissão das três sequências de pulsos para cada batida de coração deve ser variável em relação a diferentes transmissores, ou seja, cada transmissor coded enviará suas três sequências em tempos diferentes um do outro. Dessa forma, poderá um equipamento receptor de monitoramento poderá reconhecer que um dado conjunto de sinais é de uma determinada cinta e descartar os que não forem. Para isso, é necessário que inicialmente se utilize a cinta de monitoramento com o equipamento receptor de modo a estar longe de outras cintas transmissores, dessa forma o equipamento monitor poderá calcular a diferença de tempos entre as três sequências de pulsos do equipamento que se está utilizando e memorizar estes tempos para que posteriormente, quando se utilizar a cinta em ambiente onde haja outras cintas transmitindo, se possa identificar quais sequências de pulsos devem ser consideradas e quais não pelo equipamento receptor (relógio de monitoramento).

A vantagem deste sistema de campo magnético modulado, é que, na prática, ele não sofre interferência considerável dos sistemas de RF. Além disso, qualquer material não-metálico é praticamente transparente para o campo magnético e isto inclui o corpo humano e a água.

Eu fiquei de certa forma surpreso quando descobri que havia este sistema de transmissão. Note que se a transmissão fosse realizada via RF, o comprimento da onda de rádio seria de 60Km!!! Para quem conhece de eletrônica ou mesmo física básica, tem noção que isso é totalmente fora da faixa de rádio frequência comumente utilizado. Além disso, no caso de RF, quanto maior a onda, maior a energia necessária para criá-la. Também no caso de uma onda de comprimento de 60Km, a antena transmissora, por mais engenhosa que fosse, seria um tanto grande - eu creio. A bateria dessas cintas de monitoramento, duram entre meses a alguns anos, ou seja, essas cintas consomem pouca energia. Logo, quando se diz que a transmissão dessas cintas é realizada a 5KHz, se percebe que a transmissão não é via RF, mas nesse caso, via um simples campo magnético - no caso, que se faz oscilar a 5KHz, ou seja, se "liga" e "desliga" um campo magnético eletricamente formado.

Detectando o Campo Magnético Oscilante

É possível observar o sinal que a cinta de monitoramento emite para o aparelho receptor. Para tanto, será necessário o uso de uma cinta transmissora que realize a transmissão a 5KHz. Se for usar uma cinta Polar, opte por alguma que seja do tipo uncoded, ou seja, o tipo mais simples que tem. Caso utilize uma cinta Polar do tipo coded, deve-se levar em conta que esta transmite três sequências de pulsos ao invés de somente uma única sequência por batida do coração.

Para meus testes, inicialmente eu utilizei a cinta Polar coded que acompanha o RS300X e posteriormente, a vendemos e acabei conseguindo comprar uma Polar T31 uncoded usada, mas em bom estado e por um bom preço - custou R$ 78,00 no ML, já com o frete - e ainda veio com um conta giros do Polar S150 para a bike. Aqui em Brasília, numa feira que é conhecida como "Feira do Paraguay", mas que rebatizada - hipocritamente - para "Feira dos Importados", pode-se comprar a cinta transmissora Polar T31 non-coded por preços que variam entre R$ 85 a R$ 130. Mas como mencionei antes, qualquer cinta compatível de 5KHz, serve.

Para se perceber um campo magnético oscilante, pode-se utilizar uma simples bobina feita com fios. O campo magnético oscilante irá induzir uma pequena corrente elétrica na bobina. Para se ter ideia, dez voltas de fio comum encapado ou esmaltado enrolados numa caneta, já é suficiente para se detectar o campo magnético que é produzido pelas cintas de monitoramento cardíaco que utilizam este meio de transmissão. Faça o teste, enrole dez ou vinte voltas de fio encapado numa caneta ou lapis, ligue as duas extremidades do fio a um osciloscópio ou multímetro e aproxime ao máximo a bobina da cinta de monitoramento cardíaco. Lembre-se que a cinta só irá sinalizar o batimento do coração, ou seja, gerar o campo magnético oscilante a 5KHz durante um período de 5ms a 13ms, se você estiver usando essa cinta no peito, como normalmente faria. Na dúvida, utilize seu aparelho monitor (relógio usado com a cinta) para te indicar se a cinta está realmente transmitindo. Quando a cinta transmitir, você verá no osciloscópio um padrão senoidal de ondas com as características já mencionadas. No multímetro, verá uma pequena variação de tensão para cada batida do coração. Nota: se estiver usando uma cinta como as da Polar do tipo coded, poderá ver três sequências de pulsos no osciloscópio, ao invés de uma única por batida. As cintas codificadas da Polar irão atrapalhar a visualização do funcionamento do conceito de indução aqui descrito se usar um multímetro ao invés do osciloscópio - preferencialmente, use algum osciloscópio.

Se acaso não estiver detectando nada no osciloscópio, mesmo tendo certeza que a cinta está transmitindo, tente reposicionar a bobina ao longo do transmissor. Deixe a bobina o mais próximo possível do transmissor. Se mesmo assim não detectar nada, enrole o fio esmaltado ao redor do próprio transmissor da cinta e utilize uma fita adesiva para manter o fio devidamente enrolado - 20 a 30 espiras são suficientes. Comigo, de ambas as formas funcionaram, mas no fim, para não ter problema com a recepção quando estivesse usando a cinta e também para não aumentar o volume da cinta, preferi enrolar o fio diretamente em torno do transmissor da cinta.

Se for experiente com eletrônica analógica, amplificadores operacionais e filtros, com certeza ficará feliz em saber que poderá montar um receptor para sua cinta de monitoramento utilizando ampop ou preferencialmente, amplificadores de instrumentação ou mesmo tentando utilizar alguns JFET com amplificadores operacionais.

Também há vários projetos para recepção do sinal emitido pelas cinta de monitoramento que podem ser encontrados na web, veja alguns:

• The MAXQ Microcontroller in Action: Designing a Bicycle Computer with the MAXQ2000
• HRM Receiver
• Intelligent Heart Rate Monitor
• Heart Rate Recorder

Polar Heart Rate Module - RMCM01

De todos os circuitos de recepção, com certeza, o mais fácil de se fazer, é utilizando o módulo RMCM01 da própria Polar. Este módulo receptor é um SOC - ele contém tudo o que é necessário para se captar o sinal transmitido por uma cinta de monitoramento cardíaco da Polar que transmita em 5KHz. O único componente externo que é requerido, é um cristal de 32KHz. Este módulo funciona tanto com as cintas coded como com as non-coded.

Quero muito testar este chip, mas não tive oportunidade (dinheiro) para fazê-lo. Este tipo de componente eletrônico não se encontra no Brasil e deve ser importado. Se acaso houver alguém que queira gentilmente ceder uma ou duas amostras deste chip, ficarei feliz de testá-lo e publicar o resultado dos testes aqui :)

Outras Formas de Detecção do Campo Magnético

Não cheguei a testar, mas creio ser possível utilizar um transistor de efeito hall com o objetivo de detectar o campo magnético.

A continuar.... (estou escrevendo)