Cadence lock: por que o relógio mostra a sua cadência em vez da frequência cardíaca

Cena conhecida: você começa os intervalados, acelera — e o relógio mostra 178 batimentos por minuto. Você olha para o segundo campo da tela: cadência 178. Mais um tiro — frequência 180, cadência 180. A coincidência é perfeita e suspeita, porque ela nunca é assim. Isso é o cadence lock — o modo de falha mais comum da medição óptica de frequência cardíaca. E a raiz dele não está em um firmware ruim, e sim na física.

O sinal útil vive a um fio de distância do ruído

O medidor óptico de frequência cardíaca (fotopletismografia, PPG) ilumina a pele com um LED e capta com um fotodiodo a luz retroespalhada. O sinal é composto por duas partes.

Componente DC — o fundo grande e lento: a absorção da luz pela pele, pelo osso, pelos músculos, pelo sangue venoso e pela parte não pulsátil do sangue arterial. Componente AC — a pulsação minúscula no ritmo do coração: na sístole o volume de sangue arterial aumenta, a absorção cresce; na diástole, cai.

E aqui está o número-chave, do qual decorre todo o resto: a componente AC representa apenas 1–2% da absorção total de luz. A razão entre AC e DC é chamada de índice de perfusão — é, essencialmente, uma medida da força do sinal útil. No punho ele é baixo: há poucos vasos, eles ficam profundos e, por isso, o punho é desde o início um lugar «ruidoso».

O sentido prático é simples. O sinal útil fica no topo de um fundo enorme e ocupa uns poucos por cento dele. Qualquer perturbação de amplitude comparável o encobre. É exatamente nisso que o PPG difere, em princípio, da cinta peitoral: o ECG mede o potencial elétrico do coração diretamente, em vez de tentar enxergar uma ondulação de dois por cento na luz refletida.

O impacto atinge o sinal por três frentes ao mesmo tempo

A aterrissagem do pé e a onda de choque que sobe pelo membro criam não uma interferência, mas várias simultaneamente.

Deslocamento do sensor em relação à pele. A cada impacto, um sensor mal encostado escorrega microscopicamente. Mudam a geometria «LED — tecido — fotodiodo», o ângulo de incidência e o comprimento do caminho óptico; pela fresta entra luz externa. Esse é o mais poderoso dos mecanismos — e o único que você controla totalmente apertando a pulseira.

Oscilação da pressão de contato. O impacto modula a força de aperto, e dela depende o volume do leito vascular sob o sensor. Aqui há uma sutileza: a amplitude da onda de pulso é máxima quando a pressão transmural está próxima de zero — ou seja, quando a pressão externa é aproximadamente igual à pressão arterial média e a parede do vaso fica «aliviada». As oscilações de pressão de cada passada deslocam o ponto de operação ao longo da curva não linear de complacência, e a forma da onda de pulso começa a dançar no ritmo dos passos.

Sangue venoso. Em repouso, o sangue venoso pertence ao fundo imóvel. Com a trepidação, o leito venoso complacente começa a oscilar em volume — surge uma pulsação parasita, sincronizada não com o coração, mas com o movimento.

Além disso, a própria onda de choque modula o fluxo sanguíneo no leito microcirculatório sob o sensor. Ou seja, distorce-se não apenas a óptica, mas também o objeto medido. E todas essas interferências têm a mesma frequência — a frequência da passada.

Por que isso não se resolve com algoritmo

A maioria dos algoritmos busca a frequência cardíaca no domínio da frequência: pegam uma janela do sinal, calculam o espectro e escolhem o pico dominante.

Agora faça as contas. Uma cadência de 160–190 passos/min corresponde a 2,7–3,2 Hz. Uma frequência cardíaca de 160–190 batimentos por minuto corresponde aos mesmos 2,7–3,2 Hz. Ambos os sinais ainda têm uma estrutura harmônica rica. Quando os picos se aproximam, o algoritmo vê dois máximos vizinhos, e o pico do movimento é quase sempre mais alto — afinal, o sinal útil representa 1–2%, enquanto a interferência mecânica do impacto é potente. O algoritmo honestamente pega o pico maior e trava na cadência.

Trata-se de uma limitação de princípio, não de uma falha de desenvolvimento: quando duas grandezas têm fisicamente a mesma frequência, nenhum método espectral em um único canal consegue separá-las. Subtrair o espectro da cadência subtrai junto a frequência cardíaca.

Já foram inventadas muitas formas de enfrentar isso — acelerômetro como sinal de referência, filtragem adaptativa, subtração espectral, os algoritmos TROIKA e JOSS (erro médio declarado de 2,34 e 1,28 batimento por minuto, respectivamente), sensores multicanal e multicomprimento de onda. A luz verde de cerca de 525 nm é usada justamente porque penetra pouco e oferece melhor relação AC/DC do que a vermelha e a infravermelha. Tudo isso funciona — enquanto a frequência cardíaca e a cadência forem distinguíveis. No ponto em que elas coincidem, o ponto cego permanece para todos.

É frustrante que esse ponto esteja exatamente onde os dados são mais necessários: nas velocidades de limiar e de intervalado. Ao acelerar, cresce simultaneamente a potência do sinal de impacto e a frequência cardíaca se aproxima da cadência.

Por que a canela é o pior lugar para o sensor

A carga de impacto diminui bruscamente de baixo para cima. Em medições simultâneas com sensores inerciais em jovens fundistas de elite a 14–16 km/h, obteve-se:

tíbia: 14 ± 3 … 16 ± 3 g;
sacro: 4 ± 1 … 5 ± 1 g (cerca de 32% da carga na canela);
escápula: 4 ± 1 g (cerca de 27%).

Ou seja, a canela recebe um impacto aproximadamente 3,5–4 vezes mais forte do que a cintura escapular, e quase três quartos da onda de choque são amortecidos no caminho para cima.

As causas são várias. Sobre a tíbia praticamente não há amortecedor muscular — a onda chega ao sensor sem atenuação, enquanto no braço a camada de tecidos moles é mais espessa. As frequências próprias dos tecidos moles das pernas ficam aproximadamente na faixa de 10–50 Hz, e o impacto as excita diretamente. E com a fadiga a capacidade de amortecimento dos músculos cai, e as acelerações na canela crescem no fim de uma prova longa.

Isso é confirmado por comparações diretas. Em uma validação independente de três sensores idênticos usados simultaneamente no punho, no antebraço e no braço, o braço superou de forma consistente as demais posições. O Polar Verity Sense de braço apresentou MAPE de cerca de 0,69% em corrida leve, enquanto para dispositivos de punho na corrida são típicos erros de outra ordem: em uma validação com pacientes cardíacos, a corrida resultou em MAE de 12,1 batimentos por minuto e MAPE de 8,5% — contra 3,8% na caminhada e os usuais 1–3 batimentos em repouso.

O que fazer com isso

Precisa de frequência cardíaca confiável — use cinta peitoral. O ECG mede a eletricidade do coração diretamente e, por princípio, não está sujeito ao cadence lock. Se para você importa uma precisão melhor que ±5 batimentos em movimento, não há alternativas.
Não suporta a cinta — coloque o sensor óptico no braço ou no antebraço. O impacto ali é várias vezes menor, o fluxo sanguíneo é mais estável, e o erro se aproxima do da cinta.
Nunca prenda um sensor óptico na canela. É a pior posição possível.
Se usa relógio — aperte a pulseira. Um contato firme elimina o principal mecanismo do artefato. Desloque o relógio um pouco acima do osso do punho e, no frio, aqueça o punho: a vasoconstrição reduz a perfusão e torna a trava mais provável.
Exiba a cadência ao lado da frequência cardíaca. Se os dois números se colarem — não dá para confiar nos dados.
Confira depois. Sobreponha o gráfico da frequência cardíaca ao da cadência. A coincidência das linhas em intervalados, acelerações e descidas é sinal de artefato, não de cardiodinâmica. Não deixe que treinos assim estraguem o cálculo de carga e recuperação.
Conheça a sua zona de risco. Se você tem cadência alta (cerca de 180) e frequência cardíaca de trabalho alta (cerca de 180) — está no grupo de risco elevado. Se elas estiverem separadas em frequência, o sensor óptico errará bem menos.

Ressalvas

Os valores absolutos da carga de impacto dependem da velocidade, da técnica de aterrissagem, do calçado, da superfície e do cansaço — o que se mantém estável aqui é a relação «canela muito maior que braço», não os números específicos. Praticamente não existem dados publicados confiáveis sobre acelerações de pico de impacto no punho, portanto a comparação entre punho e canela deve ser considerada qualitativa. Os algoritmos específicos dos fabricantes são fechados: os métodos descritos são a base científica publicada, não o conteúdo confirmado do firmware de alguém. E os valores de erro citados vêm de estudos específicos em populações específicas — eles mostram a ordem de grandeza e a diferença entre atividades, não uma constante universal.

O essencial

O sinal útil do PPG é apenas 1–2% da absorção total de luz; todo o resto é fundo.
O impacto gera três interferências de uma vez: deslocamento do sensor, oscilação da pressão de contato e pulsação do sangue venoso — e todas na frequência da passada.
Cadence lock é um problema de física: cadência de 160–190 e frequência cardíaca de 160–190 dão os mesmos 2,7–3,2 Hz, e separá-las por método espectral é impossível.
A canela recebe um impacto 3,5–4 vezes maior que o braço (14–16 g contra 4 g) — o pior lugar para o sensor óptico.
Hierarquia de soluções: cinta peitoral → braço ou antebraço → relógio bem apertado.
Diagnóstico: frequência cardíaca coincidiu com a cadência — os dados não são confiáveis.

Fontes: Ueberschär O. e cols. «Measuring biomechanical loads and asymmetries in junior elite long-distance runners through triaxial inertial sensors», Sports Orthopaedics and Traumatology, 2019, reproduzido na revisão de Sheerin K. e cols. «The measurement of tibial acceleration in runners», Gait & Posture. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0949328X19301449. Zhang Z., Pi Z., Liu B. «TROIKA: A General Framework for Heart Rate Monitoring Using Wrist-Type Photoplethysmographic Signals During Intensive Physical Exercise», IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 62(2):522–531, 2015. Zhang Z. «Photoplethysmography-Based Heart Rate Monitoring in Physical Activities via Joint Sparse Spectrum Reconstruction», IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 62(8):1902–1910, 2015. Cheng D. e cols., validação da fotopletismografia de punho, European Heart Journal — Digital Health, 6(5):1024, 2025.