Сердцебиение, думаю, отслеживается иным образом. Можно попробовать по мышечной активности глазодвигательных мышц, в принципе... Или поищите людей, которые профессионально изучают сон и спросите у них как.
Вам следует смотреть в сторону следующих трех терминов: интерполяция, экстраполяция, аппроксимация. Тривиальным примером будет построение уравнения прямой по двум точкам, это уже аналитическая геометрия.
Можно: термопара дает ЭДС, она усиливается (или нет), идет на АЦП, с которого RPi берет данные. Наверное как-то так. Использование именно термопары, кстати, принципиально? Может датчик с цифровым интерфейсом подойдет?