نوار پوشیدنی هوشمند برای تشخیص استرس Smart Wearable Band for Stress Detection
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : IEEE
- چاپ و سال / کشور: 2015
توضیحات
چاپ شده در مجله پنجمین کنفرانس بین المللی همگرایی و امنیت فناوری اطلاعات
رشته های مرتبط فناوری اطلاعات و ارتباطات، فناوری اطلاعات، کاربردهای ICT (مالتی مدیا)، سیستم های چندرسانه ای
۱٫ مقدمه استرس ذهنی یکی از مشکلات رو به رشد جامعه فعلی است. روز به روز بر تعداد افراد مبتلا به استرس ذهنی افزوده می شود. استرس واکنشی از بدن خودمان است که خودش را برای مقابله با شرایط دشوار آماده می کند. زمانی که فرد تحت فشار حاصله از استرس قرار می گیرد، سیستم عصبی وی با انتشار هورمون استرس واکنش نشان می دهد. این هورمون ها موجب می شوند تا بدن ما برای اقدامات اضطراری آماده شود. در شرایط خاص این هورمون ها خطرناک می شوند و موجب می شوند تا فرد در شرایط ابتلا به اختلال روانی جدی قرار بگیرد. تاثیرات طولانی مدت استرس می تواند مزمن باشد. اثر مزمن استرس موجب مشکلات بهداشتی همچون فشار خون بالا [۱]، بیماری های قلبی عروقی [۲] و مشکلات حافظه می شود. حس تنهایی و ناامیدی ممکن است منجر به خودکشی شود. افراد ممکن است کمتر توجه کنند که آیا آنها تحت استرس بالا هستند یا ممکن است بطور کلی به استرس حساسیت کمتری داشته باشند. فن آوری تشخیص استرس می تواند با بهبود آگاهی و درک بهتر از استرس به افراد کمک کند تا شناخت خوبی از استرس داشته باشند که در غیر اینصورت استرس ناشناس باقی می ماند. بخاطر هدف خودمان، دستگاه نوار هوشمندی را طراحی می کنیم تا سطوح مختلف رسانایی پوست را شناسایی کنیم و پیش بینی کنیم که آیا فرد تحت فشار است یا خیر. اما رسانایی پوست به تنهایی نمی تواند پیش بینی دقیقی از سطح استرس در فعالیت های روزمره داشته باشد. واکنش های فیزیولوژیکی ناشی از استرس توسط فعالیت های فیزیکی همچون دویدن، نبود خواب و غیره تحریک می شود. به منظور اندازه گیری دقیق سطح استرس، دسته بندی باید انجام شود. این نوار قادر به تشخیص استرس با آنالیز الگوهای مختلف مطابق با رسانایی پوست مانند فعالیت های ردیابی، کیفیت خواب و غیره است. بنابراین داده های جمع آوری شده از طریق بلوتوث به گوشی هوشمند کاربر منتقل می شود و به وب آپلود می شود که در آنجا در دسترس پزشک یا اعضای خانواده قرار می-گیرد. ۲٫مطابق آخرین پیشرفت ها فن آوری های متعددی برای شناخت سطح استرس وجود دارد. همچنین گزارش های متعددی درباره تاثیرات فیزیکی و تشخیص تغییرات فیزیکی وجود دارد که در نتیجه ی استرس ذهنی رخ می دهند. پارامترهایی که برای تشخیص استرس مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از تون عضلانی، قطر مردمک [۳]، تغییرات ضربان قلب [۴]، الکتروانسفالوگرافی یا نوار مغزی (EEG) به منظور اندازه گیری امواج مغزی مربوط به استرس [۵]، و کورتیزول [۶]، رسانایی پوست [۷، ۸]. دستگاه های پوشیدنی مراقبت های بهداشتی مبتنی بر اینترنت اشیاء (IoT) و نوارهای برازندگی در دسترس هستند که تغییرپذیری ضربان قلب برای اندازه گیری سطح استرس را استفاده می-کند. ضربان قلب می تواند در اکثر موارد تغییرات را نشان دهد. بعنوان مثال، افراد ممکن است در زمان ایستادن در مقایسه با زمان نشستن ضربان قلب بیشتری داشته باشند. در نتیجه استفاده از ضربان قلب بعنوان یک شاخص در تشیص استرس ذهنی می تواند منجر به دسته بندی نادرستی گردد. ضربان قلب، تغییرپذیری ضربان قلب (HRV) و فشار خون به منظور تحت نظارت قرار دادن فعالیت سیستم عصبی سمپاتیک و پاراسمپاتیک استفاده می شود. ریجکوته فرایند ارزیابی استرس کار با استفاده از فشار خون، ضربان قلب، و HRV را نشان می دهد [۹]. دیشمن و همکاران تمایز بین شرایط احساسی مختلف را با استفاده از تغییرات ضربان قلب نشان می دهند [۴]. رسانایی پوست پارامتر دیگر استفاده شده برای تشخیص استرس است. ترشح عرق در شرایط استرس مقاومت پوست را کاهش و رسانایی پوست را افزایش میدهد. این نوع از نسانات و تغییرات در رسانایی پوست به منظور اندازه گیری سطح استرس مورد استفاده قرار می گیرد. شتز و همکاران واکنش های مختلف رسانایی پوست از بار شناختی و استرس بسیار موثر را بصورت دقیق دسته بندی می کنند [۸]. هرماندز و همکاران تماسهای موفقیت آمیز و غیر موفقیت آمیز در محیط مرکز تماس را با استفاده از ویژگی رسانایی پوست متمایز میکنند [۷]. مخیری و همکاران شرایط استرسدار و بدون استرس را با استفاده از سیگنال های فیزیلوژیکی چند موداله همچون قطر مردمک، الکتروکاردیوگرام، و فوتوپلتیسموگرافی طبقه بندی می کنند [۳]. همچنین رسانائی پوست دارای سایر کاربردهای پزشکی همچون کنترل صرع است به این دلیل که دست های مرطوب ممکن است نشانه ای از حمله صرع باشد. رسانایی پوست در ترکیب با دمای پوست ممکن است به منظور توسعه حقیقت متر استفاده شود [۱۰] چون زمانی که فردی دروغ می گوید دستانش سرد می شود و مقاومت پوست کم می شود. همچنین، در طی یک سال گذشته طراحی و توسعه حسگر پوشیدنی مبتنی بر سیستم برای مونیتورینگ بهداشت توجهات جالبی را از سوی جامعه علوم و صنعت به خود جلب کرده است [۱۱]. این دستگاه ها راه حل های غافلگیر کننده کم هزینه ای را در هر زمان و در هر مکان برای مونیتورینگ بهداشت توسط انواع مختلفی از حسگرهای فیزیولوژیکی، ماژول های انتقال و قابلیت های پردازش ارائه می کنند. تعداد زیادی از تولید کنندگان مانند فیلیپس، نلکور، نونین و اجیلنت و غیره در حال ارائه دستگاه های پوشیدنی مراقبت های بهداشتی کوچک هستند. برای مثال پولار و اومران یک کمربند پوشیده قفسه سینه برای تحت نظارت قرار دادن ضربان قلب و یک ساعت مچی را برای نمایش اندازه گیری استفاده می کنند [۱۱]. blufitbottle یک بطری آب است که سوابق نوشیدن آب را ثبت می کند در حالی که سلامت کاربر و هیدراته حفظ می شود. Aircasting یک پلتفرم برای ثبت، نقشه برداری و اشتراک گذاری داده های محیطی و بهداشت با استفاده از گوشی های هوشمند و دستگاه های مونیتورینگ مشتری است.
رشته های مرتبط فناوری اطلاعات و ارتباطات، فناوری اطلاعات، کاربردهای ICT (مالتی مدیا)، سیستم های چندرسانه ای
۱٫ مقدمه استرس ذهنی یکی از مشکلات رو به رشد جامعه فعلی است. روز به روز بر تعداد افراد مبتلا به استرس ذهنی افزوده می شود. استرس واکنشی از بدن خودمان است که خودش را برای مقابله با شرایط دشوار آماده می کند. زمانی که فرد تحت فشار حاصله از استرس قرار می گیرد، سیستم عصبی وی با انتشار هورمون استرس واکنش نشان می دهد. این هورمون ها موجب می شوند تا بدن ما برای اقدامات اضطراری آماده شود. در شرایط خاص این هورمون ها خطرناک می شوند و موجب می شوند تا فرد در شرایط ابتلا به اختلال روانی جدی قرار بگیرد. تاثیرات طولانی مدت استرس می تواند مزمن باشد. اثر مزمن استرس موجب مشکلات بهداشتی همچون فشار خون بالا [۱]، بیماری های قلبی عروقی [۲] و مشکلات حافظه می شود. حس تنهایی و ناامیدی ممکن است منجر به خودکشی شود. افراد ممکن است کمتر توجه کنند که آیا آنها تحت استرس بالا هستند یا ممکن است بطور کلی به استرس حساسیت کمتری داشته باشند. فن آوری تشخیص استرس می تواند با بهبود آگاهی و درک بهتر از استرس به افراد کمک کند تا شناخت خوبی از استرس داشته باشند که در غیر اینصورت استرس ناشناس باقی می ماند. بخاطر هدف خودمان، دستگاه نوار هوشمندی را طراحی می کنیم تا سطوح مختلف رسانایی پوست را شناسایی کنیم و پیش بینی کنیم که آیا فرد تحت فشار است یا خیر. اما رسانایی پوست به تنهایی نمی تواند پیش بینی دقیقی از سطح استرس در فعالیت های روزمره داشته باشد. واکنش های فیزیولوژیکی ناشی از استرس توسط فعالیت های فیزیکی همچون دویدن، نبود خواب و غیره تحریک می شود. به منظور اندازه گیری دقیق سطح استرس، دسته بندی باید انجام شود. این نوار قادر به تشخیص استرس با آنالیز الگوهای مختلف مطابق با رسانایی پوست مانند فعالیت های ردیابی، کیفیت خواب و غیره است. بنابراین داده های جمع آوری شده از طریق بلوتوث به گوشی هوشمند کاربر منتقل می شود و به وب آپلود می شود که در آنجا در دسترس پزشک یا اعضای خانواده قرار می-گیرد. ۲٫مطابق آخرین پیشرفت ها فن آوری های متعددی برای شناخت سطح استرس وجود دارد. همچنین گزارش های متعددی درباره تاثیرات فیزیکی و تشخیص تغییرات فیزیکی وجود دارد که در نتیجه ی استرس ذهنی رخ می دهند. پارامترهایی که برای تشخیص استرس مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از تون عضلانی، قطر مردمک [۳]، تغییرات ضربان قلب [۴]، الکتروانسفالوگرافی یا نوار مغزی (EEG) به منظور اندازه گیری امواج مغزی مربوط به استرس [۵]، و کورتیزول [۶]، رسانایی پوست [۷، ۸]. دستگاه های پوشیدنی مراقبت های بهداشتی مبتنی بر اینترنت اشیاء (IoT) و نوارهای برازندگی در دسترس هستند که تغییرپذیری ضربان قلب برای اندازه گیری سطح استرس را استفاده می-کند. ضربان قلب می تواند در اکثر موارد تغییرات را نشان دهد. بعنوان مثال، افراد ممکن است در زمان ایستادن در مقایسه با زمان نشستن ضربان قلب بیشتری داشته باشند. در نتیجه استفاده از ضربان قلب بعنوان یک شاخص در تشیص استرس ذهنی می تواند منجر به دسته بندی نادرستی گردد. ضربان قلب، تغییرپذیری ضربان قلب (HRV) و فشار خون به منظور تحت نظارت قرار دادن فعالیت سیستم عصبی سمپاتیک و پاراسمپاتیک استفاده می شود. ریجکوته فرایند ارزیابی استرس کار با استفاده از فشار خون، ضربان قلب، و HRV را نشان می دهد [۹]. دیشمن و همکاران تمایز بین شرایط احساسی مختلف را با استفاده از تغییرات ضربان قلب نشان می دهند [۴]. رسانایی پوست پارامتر دیگر استفاده شده برای تشخیص استرس است. ترشح عرق در شرایط استرس مقاومت پوست را کاهش و رسانایی پوست را افزایش میدهد. این نوع از نسانات و تغییرات در رسانایی پوست به منظور اندازه گیری سطح استرس مورد استفاده قرار می گیرد. شتز و همکاران واکنش های مختلف رسانایی پوست از بار شناختی و استرس بسیار موثر را بصورت دقیق دسته بندی می کنند [۸]. هرماندز و همکاران تماسهای موفقیت آمیز و غیر موفقیت آمیز در محیط مرکز تماس را با استفاده از ویژگی رسانایی پوست متمایز میکنند [۷]. مخیری و همکاران شرایط استرسدار و بدون استرس را با استفاده از سیگنال های فیزیلوژیکی چند موداله همچون قطر مردمک، الکتروکاردیوگرام، و فوتوپلتیسموگرافی طبقه بندی می کنند [۳]. همچنین رسانائی پوست دارای سایر کاربردهای پزشکی همچون کنترل صرع است به این دلیل که دست های مرطوب ممکن است نشانه ای از حمله صرع باشد. رسانایی پوست در ترکیب با دمای پوست ممکن است به منظور توسعه حقیقت متر استفاده شود [۱۰] چون زمانی که فردی دروغ می گوید دستانش سرد می شود و مقاومت پوست کم می شود. همچنین، در طی یک سال گذشته طراحی و توسعه حسگر پوشیدنی مبتنی بر سیستم برای مونیتورینگ بهداشت توجهات جالبی را از سوی جامعه علوم و صنعت به خود جلب کرده است [۱۱]. این دستگاه ها راه حل های غافلگیر کننده کم هزینه ای را در هر زمان و در هر مکان برای مونیتورینگ بهداشت توسط انواع مختلفی از حسگرهای فیزیولوژیکی، ماژول های انتقال و قابلیت های پردازش ارائه می کنند. تعداد زیادی از تولید کنندگان مانند فیلیپس، نلکور، نونین و اجیلنت و غیره در حال ارائه دستگاه های پوشیدنی مراقبت های بهداشتی کوچک هستند. برای مثال پولار و اومران یک کمربند پوشیده قفسه سینه برای تحت نظارت قرار دادن ضربان قلب و یک ساعت مچی را برای نمایش اندازه گیری استفاده می کنند [۱۱]. blufitbottle یک بطری آب است که سوابق نوشیدن آب را ثبت می کند در حالی که سلامت کاربر و هیدراته حفظ می شود. Aircasting یک پلتفرم برای ثبت، نقشه برداری و اشتراک گذاری داده های محیطی و بهداشت با استفاده از گوشی های هوشمند و دستگاه های مونیتورینگ مشتری است.
Description
I. INTRODUCTION Mental stress is one of the growing problems of the present society. The number of people experiencing mental stress is increasing day by day. Stress is a response of our body to prepare itself to face difficult situations. When a person goes under stress, his nervous system responds by releasing stress hormones. These hormones make our body ready for emergency actions. In certain situation it become dangerous and can put a person in serious mental disorder. Long term effects of stress can be chronic. Chronic effect of the stress causes health problems like hypertension [1], cardiovascular diseases [2] and memory problems. The sense of loneliness and hopelessness may lead people to suicide. People may be less likely to notice whether they are under high stress or may be generally less sensitive to stress. Stress detection technology could help people better understand and relieve stress by increasing their awareness of heightened level of stress that would otherwise go undetected. For this objective we have designed a smart band device in order to detect different conductance levels of the skin and predict whether the person is under stress or not. But skin conductance alone cannot accurately predict the stress level in everyday activities. Physiological responses caused by stress can also be provoked by physical activities like running, lacking of sleep etc. In order to accurately measure the stress level, classification should be made. This band will be capable of detecting stress by analyzing different parameters in accordance with skin conductance like activities tracking, sleep quality etc. The collected data is then transmitted to user’s smart phone via Bluetooth and upload to web from where it can be accessible by doctor or family members. II. STATE OF THE ART There exist several technologies for recognition of stress level. There are also several reports on physical effects and on the detection of physical changes occurring as a result of mental stress. Parameters that can be used for stress detection are, muscle tone, pupil diameter [3], heart rate variability [4], Electroencephalography (EEG) to measure stress related brain waves [5] and cortisol [6], skin conductance [7 8]. IOT based wearable health care devices and fitness bands are available that uses heart rate variability to measure stress level. The heart rate can show variation in most cases. For example, people may have higher heart rate when standing than when sitting. Hence using heart rate as an indicator to detect mental stress may lead to misclassification. Heart rate, HRV and blood pressure can be used to monitor the activity of sympathetic and para-sympathetic nervous system. Vrijkotte demonstrated the process of evaluation of work stress using blood pressure, heart rate and HRV [9]. Dishmen et al. Showed distinction between different emotional situations using heart rate variations [4]. Skin conductance is another parameter used for stress detection. The sweat secretion in stress condition decrease the skin resistance and increase skin conductance. This type of fluctuation in skin conductance can be used to measure stress level. Setz et al. accurately classified different responses of skin conductance automatically from cognitive load and stress very efficiently [8]. Hermandaz et al. differentiated stressful and non-stressful calls at the call center environment using skin conductance feature [7]. Mokhayeri et al. classified stressed and relax conditions by using multi-modal physiological signals like pupil diameter, electrocardiogram and photoplethysmogram [3]. Skin conductance has also other medical applications such as epilepsy control because sweaty hands may be a symptom of epileptic attack. Skin conductance in combination with skin temperature can also be use to develop truth meter [10] because when a person lies his hands become cold and is skin resistance become low. Besides this, the design and development of wearable sensor based system for health monitoring has acquired great attention in the scientific community and industry during last year [11]. These devices provides low cost unobtrusive solutions for continuous any time, any place health monitoring by comprising of different types of physiological sensors, transmission modules and processing capabilities. A lot of manufacturers like Philips, Nellcor, Nonin and Egilent etc are providing small wearable health care devices. For example Polar and Omron uses a chest worn belt for heart rate monitoring and wrist watch for measurement display [11]. Blufitbottle is a water bottle that keeps records of drinking water while keeping the user healthy and hydrated. Aircasting is a platform for recording, mapping and sharing health and environmental data using smart phones and custom monitoring devices.
