Design and development of a wearable device for the acquisition of stress-related physiological data

According to the American Institute of Stress, 43% of adults in 2024 reported increased anxiety compared to the previous year. Traditional methods for evaluating stress rely either on self-reported questionnaires—which are subjective and qualitative—or on biomarker analysis, which is invasive and unsuitable for daily use. A wearable device capable of continuously monitoring physiological signals associated with stress could offer a promising solution for quantitative, real-life stress assessment. This thesis presents the design, development, and preliminary testing of a wrist-worn wearable device capable of measuring galvanic skin response (GSR), heart rate (HR), and skin temperature (SKT)—physiological parameters known to vary with stress levels. The development process included sensor selection, printed circuit board (PCB) design and fabrication, embedded firmware implementation, and the creation of a custom 3D-printed case to ensure wearability. The device communicates via Bluetooth Low Energy (BLE), allowing real-time data transmission and user-defined configuration of sampling settings. BLE communication also facilitates future integration into the RespirHò Body Sensor Network, which currently includes devices for monitoring respiratory parameters and environmental pollutants. The system was evaluated through 21 acquisition sessions involving healthy volunteers, using protocols designed to elicit both stress and relaxation states. These sessions included tests with both an early breadboard prototype and the final wearable device. Data were visually analyzed to assess physiological plausibility. For three participants, GSR measurements from the final device were compared against a gold-standard system to evaluate signal consistency. The results demonstrate the device’s ability to capture stress-related physiological responses. Future work will focus on full integration into the RespirHò network and on comprehensive validation against gold-standard measurements of GSR, HR, and SKT using a dedicated stress-assessment protocol.

Secondo l’Istituto Americano dello Stress, nel 2024 il 43% degli adulti ha dichiarato di sentirsi più ansioso rispetto all’anno precedente. I metodi tradizionali per la valutazione dello stress si basano su questionari autovalutativi—che sono soggettivi e qualitativi— o sull’analisi di biomarcatori, che è invasiva e non compatibile con un utilizzo quotidiano. Un dispositivo indossabile capace di monitorare continuamente segnali fisiologici associati allo stress potrebbe offrire una soluzione promettente per la determinazione quantitativa dello stress in condizioni reali. Questa tesi presenta il design, lo sviluppo e i test preliminari di un dispositivo da polso indossabile capace di misurare la risposta galvanica della pelle (GSR), la frequenza cardiaca (HR) e la temperatura della pelle (SKT)— parametri fisiologici noti per variare in relazione ai livelli di stress. La fase di sviluppo ha previsto la selezione dei sensori, il design e la fabbricazione di un circuito stampato (PCB), l’implementazione di un firmware per microcontrollore e la realizzazione di una custodia stampata 3D e personalizzata per assicurare l’indossabilità. Il dispositivo comunica via Bluetooth Low Energy (BLE), permettendo la trasmissione dei dati in tempo reale e la configurazione personalizzata dei parametri di campionamento da parte dell’utente. La comunicazione BLE facilita inoltre una futura integrazione nel RespirHò Body Sensor Network, che attualmente include dispositivi per il monitoraggio di parametri respiratori e inquinanti ambientali. Il sistema è stato valutato attraverso 21 sessioni di acquisizione condotte su soggetti sani, utilizzando protocolli progettati per indurre sia stati di stress che di rilassamento. Queste sessioni di acquisizione hanno riguardato sia test con un primo prototipo su breadboard che il dispositivo finale. I dati sono stati analizzati qualitativamente per valutarne la plausibilità fisiologica. Per tre soggetti, i segnali GSR misurati dal dispositivo finale sono stati confrontati con un sistema di riferimento gold-standard per valutare la consistenza dei segnali. I risultati confermano la capacità del dispositivo di rilevare le risposte fisiologiche correlate con lo stress. Le attività future si concentreranno sull’integrazione nel RespirHò network e sulla completa validazione con misurazioni gold-standard di GSR, HR e SKT, usando un protocollo su misura per la valutazione dello stress.