Kehon reaktiot ärsykkeisiin, kuten stressiin, ovat yksilöllisiä ja monivivahteisia. VTT:n tutkijat etsivät tutkimushankkeessa uusia, entistä tarkempia keinoja tulkata ja mitata kehon reaktioita, kuten stressihormoneita, silmänliikkeitä tai sykettä. Nyt erilaiseen stressiin reagoinnista on kerätty huipputarkkaa mittausdataa, jonka hyödyntäminen on vasta alussa.
Lue tiivistelmä
- Tutkimuksessa kerätty laaja datasetti tarjoaa pohjan puolustusvoimien, koulutussektorin ja laitevalmistajien innovaatioiden kehittämiselle, keskittyen muun muassa stressin ja kognitiivisen tilan reaaliaikaiseen seurantaan.
- Erikoistutkijat Johanna Närväinen ja Kati Pettersson työskentelevät akateemisen tutkimuksen ja käytännön soveltamisen rajapinnassa edistäen terveysteknologian kehitystä ja ymmärrystä ihmisen fysiologisista reaktioista erilaisiin stressitekijöihin.
Tiivistelmä on tekoälyn tekemä ja ihmisen tarkistama.
Kun tutkittava henkilö upottaa kätensä jääpaloilla täytettyyn vesikulhoon, syttyy akuutti stressireaktio. Toisenlaisen stressireaktion saattaa aiheuttaa kinkkinen matematiikan tehtävä tai yleisön edessä esiintyminen.
Suomen Akatemian rahoittaman nelivuotisen tutkimuksen tavoitteena on kehittää menetelmiä, jotka pystyvät erottamaan stressin muodot toisistaan. Tutkimuksessa hyödynnetään ihmisestä tehtyjä mittauksia ja taustatietoja sekä erilaisia mittareita ja kehon reaktioita.
”Hyödynnämme koneoppimista, jonka avulla voidaan tunnistaa henkilön tila erilaisten fysiologisten signaalien sekä näiden signaalien ja ärsykkeiden välisen viiveen perusteella. Esimerkiksi pelkästä sykkeestä ei vielä voi tietää, onko henkilö optimaalisesti kuormittunut vai ylikuormittunut”, erikoistutkija Kati Pettersson kuvailee.
Kun mallinnus onnistuu tarkasti ja silti käytännössä reaaliaikaisesti, voidaan rakentaa järjestelmiä, jotka tukevat ihmisen toimintakykyä ja tiedonkäsittelyä erityisesti vaativissa ympäristöissä. Tällaisia ovat esimerkiksi puolustus- ja turvallisuusalat.
Erikoistutkija Johanna Närväisen alaa ovat muun muassa aivokuvantaminen ja lääketieteellinen fysiikka. Hän kertoo, että kehon reaktiot olivat tässä tutkimuksessa pääroolissa:
”Aivot pystyvät vaihtamaan tilaa nopeasti, esimerkiksi siirtymään tehtävästä toiseen, mutta kehon reaktiot, kuten kortisolitasot ja myös sykkeen lasku, tapahtuvat hitaammin. Tutkimuksessa tarkastelimme, miten erilaiset tilat, kuten matemaattiseen tehtävään keskittyminen tai kipua aiheuttava kylmävesikoe, näyttäytyvät pitkäkestoisina tiloina ja kuinka niistä palautuminen tapahtuu. Lisäksi selvitettiin, mitä tapahtuu, kun näitä tiloja vaihdellaan nopeammin ja miten ihmiset palautuvat niistä.”
Tutkijat kehittivät myös uusia mittausmenetelmiä, kuten hikilaastareita ja biokemiallisia sensoreita, sekä printatun elektroniikan ratkaisuja. Tekniikat, joilla dataa voidaan kerätä ilman, että käyttäjän tarvitsee pukea ylleen erillisiä mittalaitteita, ovat kiinnostava kehityssuunta.
“Esimerkiksi tilaan integroidut sensorit, kuten tuoleihin rakennetut mittarit ja tilaa tarkkailevat tutkat, tarjoavat keinoja kognitiivisen tilan ja stressin jatkuvan seurantaan aidossa toimintaympäristössä”, Närväinen kertoo.
Flow-tila, väsymys vai kyllästyminen?
Silmänliikkeiden havainnointi on yksi tapa mitata stressiä. Kati Pettersson on erikoistunut tutkimaan silmänliikkeitä ja pään alueelta mitattavia asioita, jotka vaikuttavat ihmisen toimintakykyyn. Hän kertoo, että tutkittavien silmänliikkeitä seurattiin videopohjaisella menetelmällä, jossa silmää kuvataan kahden infrapunakameran avulla. Silmää mitattiin myös sähköisellä elektro-okulografia (EOG) -menetelmällä. Se tarjoaa arvokasta tietoa esimerkiksi silmän räpäytyksistä, niiden lukumääristä sekä kestoista, jotka voivat kertoa tehtävän vaikeudesta tai kivusta.
”Silmänliikkeiden analysointi mahdollistaa myös henkilön käyttämän strategian arvioinnin: stressaantuneena, ylikuormittuneena tai väsyneenä katse saattaa kohdistua kapeammalle alueelle, kun taas rennon tarkkaavaisena havainnointi ulottuu laajemmalle. Näin voidaan esimerkiksi erotella positiivinen flow-tila ja paniikkistressi toisistaan”, Pettersson kuvailee.
Silmänliikeanalyysin avulla voidaan havaita myös väsymystä – ei niinkään univajetta, vaan tehtävän aikaista kyllästymistä. Yhdistämällä silmänliiketietoa muihin parametreihin, saadaan vieläkin tarkempaa tietoa ihmisen tilasta. Esimerkiksi pupillin koko voi kertoa keskittymisen tasosta, samoin kuin ihon sähkönjohtavuus.
Ainutlaatuinen datasetti hyödyttää monia toimialoja
Tutkimuksessa kerättiin osallistujilta myös esimerkiksi kortisolia sisältäviä sylkinäytteitä sekä erittäin kattava taustadata koehenkilöstä ja -tilanteesta. Kertynyttä arvokasta tutkimustietoa voidaan jatkossa hyödyntää yhteistyöhankkeissa esimerkiksi puolustusvoimien kanssa ja käyttää uudelleen teknologian kehittyessä.
”Kun tiedämme, mitä fysiologisia signaaleja tulisi mitata, voidaan kerättyä aineistoa hyödyntää uusien menetelmien ja järjestelmien kehityksessä. Tutkimusaineisto on suunniteltu ja kerätty niin huolellisesti, että se palvelee pitkään, jopa viisi vuotta eteenpäin, ja mahdollistaa jatkokehityksen”, Närväinen sanoo.
Yksilön hyvinvointi ja kuormitustilojen ennaltaehkäisy säästää yhteiskunnan varoja ja luo bisnestä monella eri sektorilla. Laitevalmistajat, kuten Oura, hyödyntävät laajoja aineistoja entistä tarkempien sensorien ja algoritmien kehittämiseen. Turvallisuus- ja puolustus- (Def & Sec) sekä koulutussektorilla reaaliajassa tapahtuva stressin ja kognitiivisen tilan seuranta voi auttaa esimerkiksi erilasten simulaattorien kehityksessä. Kun tehtävien vaikeustasoa voidaan optimoida niin, ettei ne ole liian helppoja tai vaikeita, oppiminen tehostuu ja harjoittelumotivaatio pysyy yllä.
”Tulevaisuudessa esimerkiksi kortisolitason mittauksesta voi tulla arkipäivää, ja stressiä voidaan seurata osana laajempaa monitorointia. Vaikka ratkaisut eivät aluksi olisikaan suoraan kuluttajille, ne voivat olla tärkeitä sairaanhoidossa ja ammattilaisten työssä”, Pettersson muistuttaa.
Datan aarrearkku aukeaa
Tutkimuksen tärkein anti on akateeminen ja tieteellinen pohja, jonka varaan tulevaisuuden ratkaisut rakennetaan. Kyse ei ole vain siitä, miten fysiologisia tiloja mitataan, vaan siitä, miten niitä mallinnetaan ja ymmärretään kokonaisvaltaisesti. Suomen Akatemian jakama rahoitus on kriittisen tärkeä tällaisen hitaan perustutkimuksen mahdollistajana.
Tutkimushankkeessa pyörähtää käyntiin viimeinen vuosi, ja Johanna Närväinen kertoo tiimin jo odottavan innoissaan perehtymistä tutkimusdataan:
“Ensimmäiset kaksi vuotta keskityimme sensorien kehittämiseen, mutta tänä vuonna olemme vihdoin päässeet tekemään kokeellista tutkimusta. Kesän aikana teimme viimeiset mittaukset ja nyt on lopuillaan datan siivous- ja järjestelyvaihe. Tällä hetkellä käsissämme on todellinen aarrearkku täynnä tietoa, jota pääsemme pian tutkimaan syvemmin”
Tutustu asiantuntijoihimme
Johanna Närväinen on erikoistunut aivokuvantamiseen ja lääketieteelliseen fysiikkaan. VTT:llä erikoistutkijana toimiva Johanna on taustaltaan ydinfyysikko ja tutkinut sairaalaympäristössä monenlaista aivojen diagnostiikasta neuromarkkinointiin. Johanna on kiinnostunut ihmisen toiminnallisen tilan ja persoonallisuuden yhteyksistä. Hän on osallistunut muun muassa Nato-projekteihin, joissa on tutkittu sotilaiden reaktioaikoja niin laboratoriossa kuin kenttäolosuhteissakin. Johanna haluaa toimia sillanrakentajana akateemisen tutkimuksen ja käytännön yritysmaailman välillä sekä edistää terveysteknologian kilpailukykyä Suomessa.
Kati Pettersson on erikoistutkija, joka työskentelee VTT:llä lääketieteen tekniikkaan pureutuvan biofysiikan alalla. Häntä on aina kiinnostanut se, miten ihmiskeho ja -mieli toimivat yhteen. Hän on väitöskirjatyöhönsä liittyen kehittänyt silmänliikkeisiin perustuvan menetelmän, jonka avulla voidaan mitata hereilläoloaikaa laboratorion ulkopuolella. Hänen tavoitteenaan on, että tulevaisuudessa pystyttäisiin mittaamaan ja seuraamaan silmänliikkeitä monenlaisissa arkielämän tilanteissa. Jos tämä onnistuu, voitaisiin merkittävästi laajentaa ymmärrystä ihmisen visuaalisesta havainnoinnista ja ehkä jopa tunnistaa neurodegeneratiivisia sairauksia aiemmin. Tämä mahdollisuus innostaa ja ohjaa Katin työtä eteenpäin.
