Assessment of stress level by multi-parametric wearable devices : relevance of the different physiological signals

Stress is becoming more common in modern society and its impact on health is worrying. Maladaptive stress responses can cause chronic stress and adverse health effects. The present study aims to evaluate stress levels using noninvasive wearable devices and identifying the most relevant signals. Four biosignals were mostly considered: HRV and Respiratory signal registered by a sensorized shirt developed by L.I.F.E. Italia Srl.; GSR and PPG registered by a prototypal device. The study involved 40 healthy participants who underwent a protocol comprising rest and short-term stress phases using cognitive tasks to stimulate the sympathetic response and induce cumulative stress. Furthermore, a 4-hour real-life context protocol was conducted with 15 volunteers. The assessment of the physiological response to stress involved the extraction of stress related features from each biosignal. The obtained dataset was considered both in absolute terms to assess changes in stress level and differential terms to see the trend of stress variation with respect to previous phase. Inter-subject repeatability showed the trend in each phase, was in concordance with the trend found in literature. Inferential statistic was performed in order to draw conclusions about a larger population using Friedman test (>2 groups) and Wilcoxon test (2 groups) in order to test hypotheses. The accomplished aims regarding the absolute dataset were to detect differences between 3 extracted clusters; investigate whether the three stress tasks exhibited varying types and efforts of stress; and evaluate differences across each phase of the protocol. Regarding the differential one, it is noteworthy to mention the ability of the data on identifying Increasing and Decreasing periods of stress levels. The analysis, indicated all the signals are valuable for a continuous stress detection process. GSR resulted the most significative signal, confirming the literature. The protocol did not involve any verbal communication, effectively achieving the goal of enhancing the significance of the respiratory signal. The results yielded by the HRV demonstrated that an ultra-short-term analysis is equally valid, while PPG was successfully integrated in a wearable device offering continuous measurements. The study can be extended in real use case scenario using the available acquisition

Lo stress sta diventando sempre più comune nella società moderna con un impatto preoccupante sulla salute. Le risposte disadattive possono causare stress cronico ed effetti negativi sulla salute. Questo studio ha lo scopo di valutare i livelli di stress utilizzando dispositivi indossabili non invasivi ed identificare i segnali più rilevanti. Sono stati presi in considerazione principalmente quattro segnali fisiologici: HRV ed il segnale respiratorio registrati da una maglietta sensorizzata sviluppata da L.I.F.E. Italia Srl; GSR e PPG registrati da un dispositivo prototipale. Sono stati reclutati 40 volontari sani che hanno svolto un protocollo composto da fasi di riposo e stress utilizzando compiti cognitivi per stimolare la risposta simpatica e indurre stress cumulativo. Inoltre, è stato condotto un secondo protocollo in contesto di vita reale consistente di 4 ore con 15 volontari. La risposta fisiologica allo stress è stata valutata estraendo dei parametri legati allo stress da ciascun segnale biologico. Il set di dati ottenuto è stato analizzato si in termini assoluti per valutare le variazioni dei livelli di stress, sia in termini differenziali per osservare la tendenza della variazione dello stress rispetto alla fase precedente. La ripetibilità inter-soggetto ha evidenziato che la tendenza del cambiamento tra le fasi è stata coerente con quella riportata dalla letteratura scientifica. Successivamente, sono state eseguite analisi statistiche inferenziali tramite l’utilizzo dei test come Friedman (>2 gruppi) e Wilcoxon (2 gruppi), al fine di testare le ipotesi formulate e trarre conclusioni valide per una popolazione più vasta. Gli obiettivi raggiunti riguardanti il dataset assoluto erano quelli di rilevare le differenze tra 3 cluster estratti; indagare se le tre fasi di stress mostravano tipi e sforzi di stress diversi; e valutare le differenze tra ogni fase del protocollo. Per quanto riguarda quello differenziale, è importante sottolineare la capacità dei dati di identificare periodi di aumento e diminuzione dei livelli di stress. L'analisi ha indicato in fine che tutti i segnali sono preziosi per un processo continuo di rilevamento dello stress. Il GSR è risultato il segnale più significativo, confermando la letteratura. È stato possibile migliorare la significatività del segnale respiratorio, avendo stilato un protocollo senza nessuna comunicazione verbale. I risultati ottenuti dall'HRV hanno dimostrato che un'analisi “ultra-short” è altrettanto valida rispetto al “gold-standard”. Inoltre, il PPG è stato integrato con successo in un dispositivo indossabile offrendo misurazioni continue. Lo studio può essere esteso in uno scenario di utilizzo in vita reale utilizzando le acquisizioni disponibili.