OSA 3: Fysiologiset mittaukset stressin pitkäkestoisessa seurannassa

Stressin vaikutuksia voidaan mitata monella tavalla ja myös kliiniseen käyttöön soveltuvia menetelmiä löytyy useita. Laboratorio-olosuhteissa tehdyissä mittauksissa saadaan monipuolista ja tarkkaa tietoa. Mutta koska emme asu laboratoriossa, niiden avulla on vaikea tavoittaa arkielämän tapahtumista johtuvia stressitason vaihteluja.

Laboratoriomittaukseen soveltuvia stressinseurannan menetelmiä on ollut saaatavilla vuosikymmenien ajan. Näitä ovat esimerkiksi monilla tarkoilla sensoreilla tehtävä syke- ja sykevälinvaihtelun mittaus, erikoisosaamista vaativat mittaukset (sydänsähkökäyrän ja verenpaineen pitkäaikaisrekisteröinnit, autonomisen hermoston testit) sekä biokemialliset määritykset (hormonaaliset ja immunologiset määritykset verestä, syljestä, virtsasta).

Nämä mittaustavat palvelevat sairaaloita ja tutkimuslaitoksia, mutta eivät anna kattavaa kuvaa henkilön stressitasosta normaaliarjessa. Ylikuormitustilat kehittyvät pitkän ajan kuluessa, ja kroonistuneesta stressistä palautuminen voi viedä viikkoja tai kuukausia. Stressin pitkäaikaiseen fysiologiseen mittaukseen tarvitaan käyttäjäystävällisiä ja normaaliarkeen sopivia menetelmiä.

Kannettavat laitteet soveltuvat pitkäkestoiseen mittaukseen

Pitkäkestoista stressin mittausta voidaan tehdä vain kannettavilla laitteilla, joista ei koidu käyttäjälleen kohtuutonta vaivaa. Aktiivisuus- ja muut hyvinvointimittarit ovat tuoneet mahdollisuuden ymmärtää omaa fysiologiaa jokaisen ulottuville. Osa mittareista tekee päätelmiä myös käyttäjän stressitasosta.

Kliinisessä käytössä olevia fysiologisia mittausmenetelmiä stressin viikkoja tai kuukausia kestävään seurantaan ei vielä ole. Tällä hetkellä jatkuvaa ja pitkäaikaista stressin seurantaa voi tehdä sykevälivaihtelua tai ihon sähkönjohtavuutta mittaamalla.

Sykevälivaihtelu

eng. heart rate variability (HRV)

Terve sydän ei syki jatkuvasti samaan tahtiin. Sykevälivaihtelu tarkoittaa peräkkäisten sydämenlyöntien välisen ajan variaatiota. Sykeväli vaihtelee levossa kymmenistä jopa sataan millisekuntia.

Sykevälivaihtelu on kehon keino säädellä optimaalista verenkiertoa erityisesti aivoihin. Mitä enemmän vaihtelua lyöntien välissä on, sitä suurempi on parasympaattisen hermoston aktiivisuus – eli elimistön palauttavat toiminnot tekevät tehtäviään hyvin. Esimerkiksi pakene tai taistele -reaktio aktivoi sympaattisen hermoston, ja parasympaattinen toiminta menee pois päältä. Tällöin sykevälivaihtelu pienenee sydämen takoessa jatkuvasti samaa tahtia, sillä taistelussa pyritään pysymään hengissä eikä hienosäätämään kehon toimintoja.

Sydämen sykevälivaihteluun vaikuttavat eniten ikä, sukupuoli ja syketaajuus. Mitä korkeampi ikä ja leposyke, sitä pienempi vaihtelu. Sykevälivaihteluun vaikuttavat lisäksi mm. henkinen ja fyysinen stressi, tupa­kointi, alko­holi ja kah­vi, yli­paino, veren­paine, ve­ren rasvap­ro­fiili, soke­riarvot, tuleh­dus­te­kijät, masennus ja ahdis­tu­neisuus. Myös pe­rimä vai­kuttaa ­sy­ke­vä­li­vaih­teluun voimak­kaasti. Yksi­löl­linen vaih­telu on suur­ta, sik­si syke­vä­li­vaih­te­lulle ei voi asettaa sel­keitä raja-ar­voja. Mittauksissa tärkeää on huomioida lepo ja rasitus: kun syke kohoaa fyysisessä kuormituksessa korkealle, sykevälivaihtelu pienenee.

Sykevälivaihtelu on ilmiönä tunnettu 1960-luvulta asti ja terveydenhuollossakin sitä on käytetty jo pitkään. Tarkin tapa mittaukseen on sydänsähkökäyrä (elektrokardiogrammi eli EKG). Hyvinvointikäyttöön on tarjolla useita erilaisia laitteita, joista rinnasta mittaavat, esim. pannat tai liimattavat sensorit ovat tarkimpia. Ranteesta tai sormesta tehtynä mittauksen tarkkuus kärsii liikkeestä erityisesti korkeilla syketaajuuksilla.

Mittauksessa sydänkäyrältä lasketaan perättäisten jaksojen saman vaiheen välinen aika. Yleensä mitataan perättäisten R-piikkien (sydämen vasemman kammion supistuminen) välistä aikaa, R-R -intervallia. Sykevaihtelun analysoinnissa käytetään matemaattisia menetelmiä. Kehittyneellä algoritmiikalla sykevälivaihtelusta voidaan tehdä päätelmiä henkilön psyykkisestä ja fyysisestä kuormituksesta.

Sy­dämen syke­vä­li­vaih­telu on le­vossa ja rentou­tu­neena suur­ta, kun ih­minen on nuori, ter­ve, hyvä­kun­toinen ja -voin­tinen. Alhainen sykevälivaihtelu perusterveellä aikuisella voi antaa indikaatiota stressistä.

Ihon sähkönjohtavuuden muutos

eng. electrodermal activity (EDA), galvanic skin response (GSR), skin conductance response (SCR)

Sykevälivaihtelua pidempään tunnettu ilmiö on ihon sähkönjohtavuuden muutos. Psykologisten tekijöiden vaikutuksen ihon sähkönjohtavuuteen löysivät lähes samaan aikaan ranskalainen neurologi Féré (1888) ja venäläinen fysiologi Tarchanoff (1889). Ensimmäiset havainnot oli tehnyt jo kymmenen vuotta aiemmin ranskalainen terapeutti Vigouroux. Ilmiön lukuisista nimeämiskäytännöistä on englanniksi vakiintunut termi electrodermal activity (EDA).

Ihon sähkönjohtavuuden fysiologia

Ihon sähkönjohtavuus kasvaa, kun hikirauhasten kautta ihon pinnalle nousee hikeä. Sympaattinen autonominen hermosto aktivoi ihon pienet hikirauhaset (eccrine sweat glands) osana pakene tai taistele -reaktiota. Tämä tekee ihon sähkönjohtavuuden ilmiöstä tärkeää stressin seurannan kannalta. Se on erityisen merkittävää sillä ihon sähkönjohtavuutta säätelee autonomisen hermoston eri puolista vain sympaattinen osa. Parasympaattinen puoli ei vaikuta tähän toisin kuin muihin tahdosta riippumattomiin toimintoihin (1).

Ihon sähkönjohtavuuden mittaus

Mittaamiseen on kautta aikojen ollut tarjolla paljon laitteita, joilla voidaan tehdä laboratoriotason mittausta. Yleensä mittaus tehdään kämmenestä tai sormenpäistä elektrodeilla, jotka on johtimin yhdistetty vahvistimeen.

Käsittelemätön signaali on hyvin herkkä liikkeelle, joten useimmissa testiasetelmissa henkilön pitää olla liikkumatta. Tämä on aiemmin rajoittanut mittauksen laboratorioihin.

Viime aikoina puettavan teknologian kehitys on tuonut parannuksia myös ihon sähkönjohtavuuden seurantaan. Kehittyneet algoritmit ja signaalinkäsittely ovat pystyneet kompensoimaa liikeartefaktoja, ja puettavia ihon sähkönjohtavuuden mittareita on tullut markkinoille.

Kannettavuus on kiinnostavaa sekä psykologian että kliinisen käytön näkökulmasta (2). Psykologian piirissä kannettavat sensorit sallivat mittaukset henkilön normaalissa elämänpiirissä, mikä tuo arviointiin uutta näkökulmaa. Etuna on tutkimusprojektien kannalta lisäksi kannettavien laitteiden kohtuullinen kustannus.

Mittausyksikkö, parametrit ja mittauksen tarkkuus

Ihon sähkönjohtavuuden mittaus rekisteröi resistanssin eli sähköisen vastuksen (mittayksikkö ohmi) käänteisarvon konduktanssin (mittayksikkö siemens) kahden ihon pisteen välillä (3). Signaalilla on kaksi komponenttia: hitaasti muuttuva ihon johtavuustaso (skin conductance level, SCL) ja piikkimäinen ihon johtavuusvaste (skin conductace response, SCR), jonka amplitudi ja esiintymistiheys kertovat henkisestä vireystilasta (1). Ihon sähkönjohtavuuden muutos ei kerro henkilön tunnetilasta, eli vireystilan nousu voi johtua yhtä hyvin innostuksesta, paniikista kuin ärsyyntymisestä.

Mittaustarkkuus riippuu käytettävästä laitteesta, ympäristöstä sekä mistä kohtaa kehoa mitataan. Kämmenistä ja jalkapohjista saadaan paras vaste (4). Ikä ja sukupuoli vaikuttavat ihon sähkönjohtavuuden arvoihin jonkin verran. Ulkoinen lämpötila ja henkilön liikkeet vaikuttavat mittaussignaaliin, jota pitää oikeiden johtopäätösten tekemiseksi käsitellä.

Ihon sähkönjohtavuuden mittaus saadaan hyvin tarkaksi myös kannettavassa muodossa. Sitä voi jo tällä hetkellä tehdä kenttätutkimuskelpoisilla laitteilla.

Sovellutukset

Ihon sähkönjohtavuudella on paljon kliinisiä ja käytännön sovellutuksia, joista tunnetuin lienee valheenpaljastustesti. Psykologian tutkimuksessa ilmiön mittausta on sovellettu sen löytämisestä lähtien, myöhemmin esimerkiksi peli- ja käyttäjätutkimuksessa ja huippu-urheilussa.

 

Seuraavassa artikkelissamme kerromme, miten Moodmetric-älysormus mittaa ihon sähkönjohtavuutta.

Lähteet:
(1) Electrodermal Activity (Boucsein, 2012)

(2) Feasibility of an Electrodermal Activity Ring Prototype as a Research Tool (Torniainen, Cowley, Henelius, Lukander, Pakarinen, 2015)

(3) A short review and primer on electrodermal activity in human computer interaction applications (Benjamin Cowley, Jari Torniainen, 2016)

(4) Electrodermal Activity Sensor for Classification of Calm/Distress Condition (Zangróniz et al., 2017)

Moodmetric-mittauksen tieteellinen tausta ja käytännön sovellutukset käydään läpi viisiosaisessa sarjassa
  1. OSA 1: Pakene-tai-taistele -reaktio
  2. OSA 2: Pitkittynyt stressi – aivot tulkitsevat meidän olevan jatkuvassa vaarassa
  3. OSA 3: Fysiologiset mittaukset stressin pitkäkestoisessa seurannassa
  4. OSA 4: Moodmetric-älysormuksen toiminta ja mittausdatan tulkinta
  5. OSA 5: Moodmetric-mittaus ennakoivan työterveyshuollon välineenä 

 

Ihon sähkönjohtavuuden mittaus tuo uutta tietoa urheilijan harjoittelun tueksi

Huippu-urheilussa erilaisia mittareita on käytetty pitkään valmennuksen apuna. Puettava elektroniikka on tehnyt seurannan helpoksi myös kuntoilijoille.

Eniten on mitattu sydämen sykettä ja analysoitu sykealueita. Sykemittarin kehitti australialainen fyysikko Robert Treffene 70-luvulla aluksi uinnin harjoitteluun. Suomessa sykemittarin keksi Polar Electron perustaja professori Seppo Säynäjäkangas, ja haki tälle patenttia vuonna 1975.

Sykkeen mittausta voi nykyisin tehdä valtavalla määrällä laitteita. Tarkimmat mittaavat edelleen rinnan alueelta, rintapannalla tai rintaan liimattavilla sensoreilla. Ranteesta mittaavat laitteet ovat mukavuutensa takia paljolti syrjäyttäneet rintapannat erityisesti kuntoilijoilla. Näidenkin tarkkuus on parantunut, mutta erityisesti korkeilla sykealueilla ranteesta tai sormesta mittaavien laitteiden tarkkuus kärsii.

Syke, sykevälinvaihtelu ja ihon sähkönjohtavuuden muutos

Sydämen sykkeen mittaus on erinomainen tapa ymmärtää fyysistä rasitusta. Sykkeestä saa erilaisilla algoritmeillä ymmärrystä myös palautumisesta, unesta ja stressistä.
Sykevälinvaihtelun mittaus on noussut viime vuosina paljon esille juuri palautumisen ja henkisen kuormituksen mittaamiseen. Tähän sisältyy kuitenkin haasteita, sillä korkealla syketaajuudella algoritmien on vaikea tulkita, mitä tapahtuu: onko kyse siitä, että henkilö paikallaan istuessaan jännittää (vaikkapa alkavaa tenttiä), vai onko kyse fyysisestä rasituksesta. Tässä ovat apuna kiihtyvyysanturit, jotka osaavat päätellä ollaanko liikkeessä vai paikallaan.

Ihon sähkönjohtavuuden muutoksen mittaus tuo mielenkiintoisen lisän urheilijoiden suorituskyvyn arvioimiseen. Mittaus ei kerro sydämen toiminnasta, vaan ihon hikirauhasten reaktioiden kautta sympaattisen hermoston aktivaatiosta. Iho on ainoa elin, joka on puhtaasti hermotettu sympaattiseen hermostoon. Ihon sähkönjohtavuuden mittaus reagoi erityisen herkästi emotionaaliseen ja kognitiiviseen kuormitukseen, ja se on ollut psykologien yli 100 vuotta hyödyntämä mittausmenetelmä. Vasta viime vuosina se on ollut saatavilla myös kuluttajalaitteissa.

Moodmetric-älysormus mittaa ihon sähkönjohtavuutta ja se soveltuu erinomaisesti pitkäaikaiseen mittaukseen, kun halutaan nähdä mistä yksilön kokonaiskuormitus syntyy ja miten palautumista tapahtuu viikkojen, kuukausien tai jopa vuosien aikana.

Sekä huippu- että tavoitteellisessa urheilussa tarvitaan tietoa siitä, mitkä muut mahdolliset kuormituksen lähteet tai palautumisen haasteet vaikuttavat huippusuoritukseen. Esimerkiksi ammattiurheilijan kognitiivinen kuormitus on oletettavasti vähäisempää kuin samalla tasolla kisaavan urheilijan, joka käy töissä rahoittaakseen elämänsä ja urheilun. Tällöin ammattiurheilija voi treenata enemmän, sillä hänellä on paremmin aikaa palautumiseen. Urheilusuoritukseen ei vaikuta siis pelkästään fyysisen kuormituksen määrä vaan myös emotionaalinen ja kognitiivinen kuormitus.

Lue lisää: Moodmetric-mittaus tutkimusprojekteissa

Moodmetric osallistuu SMASH-urheilutapahtumaan 28-29. marraskuuta,
tule tapaamaan ja testaamaan älysormusta!

Yhteystiedot:
Niina Venho
[email protected]
040 710 4087