سنسورهای ارزان‌قیمت با بوی بدن، استرس را تشخیص می‌دهند

پژوهشگران گام بزرگی در مسیر رصد بدون تماس و غیرتهاجمی استرس با نشان دادن این‌که تغییرات کوچک در ترکیب شیمیایی نفس، عرق، پوست و حتی ادرار فرد می‌توانند با استفاده از سنسورهای VOC (ترکیبات اسید هیدروژنی قابل تبخیر) کم‌هزینه و قابل تولید در مقیاس وسیع، به طور قابل اعتماد شناسایی شوند، بر آن گشتند. این پیشرفت، که در مطالعه مشترک دانش‌پژوهان دانشگاه مانیه و Technische Hochschule Mannheim منتشر شد، قدرت قدرتمند این سنسورهای ارزان را با داده‌های ضربان قلب و پاسخ پوست ترکیب می‌کند تا الگوریتمی برای تشخیص استرس تولید کند که دقت ۷۷٫۳٪ در محیط آزمایشگاهی دارد.

پژوهش از یک مرور حاشیه‌سنجی نظام‌مند شروع شد که ۶۱۰ مقاله علمی را غربال کرده و به ۱۶ مطالعه که تأثیر حالات عاطفی، به ویژه استرس، بر پروفایل VOC در مختلف نواته‌های بدنی را بررسی می‌کرد، محدود شد. مرور نشان داد که چهار خانواده شیمیایی که به‌طور مداوم در طول استرس تغییر می‌کنند، شامل آلدئیدها، کتون‌ها، اسیدهای چرب و ترکیبات حاوی گوگرد هستند. اگرچه هر فرد دارای اثر انگشت VOC خود است، الگوهای کلی در این خانواده‌ها به اندازه کافی قوی بودند تا به‌عنوان بیومارکرهای حالت احساسی عمل کنند.

از نظریه به عمل پیش رفتند؛ تیم از دو سنسور کم‌هزینه محبوب – BME688 از Bosch و ENS160 از Sensirion – استفاده کرد تا مقادیر کل VOC (TVOC) را در زمان واقعی ضبط کنند. شرکت‌کنندگان در تست استرس اجتماعی ترینر، یک آزمون کلاسیک روان‌شناختی که شامل صحبت در جمع و محاسبات ذهنی است، و همچنین یک وظیفه استروپ قرار گرفتند. در حین انجام، پژوهشگران همزمان تغییرات ضربان قلب، تنوع ضربان قلب (HRV)، پاسخ پوست (GSR) و خواندن‌های TVOC را ثبت کردند.

تحلیل داده با استفاده از دسته‌بندی Random‑Forest که بر پایه یک مدل ۵‑fold cross‑validation آموزش داده شد، انجام شد. الگوریتم ترکیبی سیگنال‌های فیزیولوژیک و داده‌های TVOC، دقت ۷۷٫۳٪ در تشخیص حالت‌های استرس‌دار مقابل آرام را نشان داد. قابل توجه است که سنسورهای VOC ۲۴٫۹٪ از قدرت پیش‌بینی را ارائه می‌دادند، که ارزش آن‌ها حتی در یک سیستم چندریاستی را برجسته می‌ساخت. هنگامی که مدل بر روی داده‌های «leave‑one‑subject‑out» آزمایش شد، دقت به ۶۵٫۳٪ کاهش یافت، که یادآور شدید تنوع فردی می‌شود که در کاربردهای آینده باید با کالیبراسیون شخصی‌سازی شده برطرف شود.

مطالعه همچنین رابطه‌ی زمانی بین اوج VOC و پاسخ فیزیولوژیک را بررسی کرد. بسیاری از شرکت‌کنندگان تا ۳۰–۸۰ ثانیه‌گی‌میان بین افزایش ضربان قلب و افزایش مقادیر TVOC، تأخیر را نشان دادند، که نشان می‌دهد VOC می‌تواند یک شاخص تأخیری اما پایدار از استرس باشد. نویسندگان استدلال می‌کنند که این تأخیر برای رصد زمان واقعی قابل قبول است، به شرطی که دستگاه به طور مستمر نمونه‌گیری کند و مدل داخلی خود را به‌روز رسانی کند.

محدودیت‌های این کار صادقانه مورد بحث قرار گرفته‌اند. نویسندگان اشاره می‌کنند که عوامل محیطی مانند دما، رطوبت و کیفیت هوا می‌توانند خواندن‌های VOC را مختل کنند و پروتکل استانداردی برای جمع‌آوری نمونه و پردازش داده‌ها قبل از استقرار گسترده ضروری است. همچنین نیاز به گروه‌های نمونه بزرگتر – حداقل پنجاه شرکت‌کننده – برای اعتبارسنجی یافته‌ها و پالایش الگوریتم‌های کالیبراسیون ذکر می‌شود.

به‌دنبال آینده، تیم تصور می‌کند که در آینده دستگاهی کوچک مانند یک ساعت دست یا پچ می‌تواند وضعیت عاطفی کاربر را در طول روز پیگیری کند، بازخورد فوری در مورد سطوح استرس ارائه دهد و بینش‌های عملی – مانند توصیه به یک تمرین تنفس کوتاه یا یک وقفه ذهن‌آگاهی – را قبل از اینکه استرس به حادیت بپرسد، پیشنهاد کند. علاوه بر این، مراکز بهداشتی می‌توانند این دستگاه‌ها را برای رصد روان‌پزشکی بیماران در زمان واقعی ادغام کنند و مداخله‌ی زودهنگام برای شرایطی مانند اختلالات اضطرابی یا استرس پس از سانحه را تسهیل کنند.

به‌طور خلاصه، این پژوهش نشان می‌دهد که سنسورهای VOC ارزان‌قیمت، در ترکیب با معیارهای فیزیولوژیک استاندارد، می‌توانند راهی عملی، غیرتهاجمی و نسبتاً دقیق برای تشخیص استرس ارائه دهند. دروازه‌ی نسل بعدی از فناوری‌های پوشیدنی تأثیرگذار در حال باز شدن است.

منبع: https://quantumzeitgeist.com/77-3-percent-detection-accuracy-stress-achieves-low-cost-volatile-organic-compound-sensors/