Psychosomatic response to acute emotional stress in healthy students

The multidimensionality of the stress response has shown the complexity of this phenomenon and therefore the impossibility of finding a unique biomarker among the physiological variables related to stress. An experimental study was designed and performed to guarantee the correct synchronous and concurrent measure of psychometric tests, biochemical variables and physiological features related to acute emotional stress. The population studied corresponds to a group of 120 university students between 20 and 30 years of age, with healthy habits and without a diagnosis of chronic or psychiatric illnesses. Following the protocol of the experimental pilot, each participant reached a relaxing state and a stress state in two sessions of measurement for equivalent periods. Both states are correctly achieved evidenced by the psychometric test results and the biochemical variables. A Stress Reference Scale is proposed based on these two sets of variables. Then, aiming for a non-invasive and continuous approach, the Acute Stress Model correlated to the previous scale is also proposed, supported only by physiological signals. Preliminary results support the feasibility of measuring/quantifying the stress level. Although the results are limited to the population and stimulus type, the procedure and methodological analysis used for the assessment of acute stress in young people can be extrapolated to other populations and types of stress

Measurement of acute psychological stress

La incidencia de la ansiedad, depresión, epilepsia, esclerosis múltiple, estrés patológico, así como otras enfermedades relacionadas con el estrés, ha aumentado significativamente en los últimos años, probablemente debido los cambios drásticos en el modo de vida actual. Según la OMS, los problemas tanto sociales como médicos asociados al estrés están claramente en aumento, afectando seriamente la salud mental y el bienestar no sólo de adultos, sino también de jóvenes y niños. Actualmente hay una mayor conciencia respecto al estrés, precisamente por la importancia que tiene desde el punto de vista médico, social y económico; pero también por las grandes lagunas de conocimiento que aún existen en todas las patologías y trastornos relacionados con el estrés. Es por ello que el estrés se ha convertido en una de las líneas de investigación de gran interés. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos realizados, no existe aún un método de medición científicamente validado, repetible y que pueda ser utilizado en la vida cotidiana. Una medida objetiva y fiable del nivel de estrés, podría ser utilizada para comparar la severidad del nivel de estrés en diferentes individuos o entre diferentes grupos de profesionales. Sería, además una herramienta crucial para la prevención, diagnóstico y tratamiento del estrés que ayudaría también en el estudio de muchas otras comorbilidades relacionadas. El estrés puede definirse como la alteración del equilibrio homeostático ante una amenaza específica para el cuerpo (estresor). En este sentido, el estrés no es más que la respuesta de defensa del individuo ante la amenaza percibida. La respuesta del estrés provoca diferentes reacciones fisiológicas en el cuerpo al trata de lidiar con el estresor. Estas reacciones se resumen de manera general como cambios en el sistema nervioso autónomo, una respuesta hormonal (eje suprarrenal adrenal) y un cambio de comportamiento y/o disminución de las capacidades cognitivas. Los métodos que se han propuesto hasta hoy para medir los diferentes aspectos que abarca el estrés dada su naturaleza multidimensional, se pueden agrupar en tres grupos: cuestionarios psicométricos, marcadores bioquímicos y marcadores fisiológicos. Aunque las muestras bioquímicas y los cuestionarios psicométricos son comúnmente utilizados como marcadores de estrés, los mismos no permiten una evaluación continua, ni siquiera regular del estrés. La hipótesis de esta tesis doctoral es que el nivel de respuesta del estrés ante un estresor psicológico puede determinarse a partir de un conjunto de parámetros fisiológicos, que pueden ser medidos de forma no invasiva y continuada. Por lo tanto, la metodología y el análisis de resultados presentados en esta tesis se centran en cuantificar objetivamente distintos componentes fisiológicos de la respuesta del estrés, entendiéndose como cuan cerca o lejos está un individuo de su estado de equilibrio homeostático. Con este fin, se desarrolló un estudio experimental para cuantificar el estrés psicológico y agudo en jóvenes sanos utilizando biomarcadores obtenidos de señales fisiológicas, que puedan medirse de forma continua y no invasiva. Se indujo un estrés agudo en 40 voluntarios aplicándoles una modificación del Test de Estrés Social de Trier (TSST), que es un protocolo ampliamente utilizado y bien documentado para inducir estrés en laboratorio. Se utilizaron test psicológicos estandarizados y marcadores bioquímicos de estrés como la referencia de los niveles de estrés inducido. Se propuso un enfoque multivariable para la medición del estrés, que incluyó, como biomarcadores de estrés, parámetros derivados de la temperatura cutánea periférica (manos) y central (mejilla), la variabilidad de la frecuencia cardíaca y el fotopletismograma de pulso. Los resultados obtenidos muestran que, en las condiciones dadas, el estrés puede ser evaluado cuantitativamente y continuamente a partir de biomarcadores obtenidos de manera no invasiva. Ya que se pudo realizar una medición continua del estrés cada un minuto. Así, basándose en este enfoque, podría surgir un método de monitoreo del estrés en un futuro cercano. Finalmente, a partir de los resultados del estudio experimental y la revisión bibliográfica, se propone un conjunto de requerimientos y directrices para el desarrollo de un sistema de medida del estrés, delineando las especificaciones del sistema para monitorearlo en la vida cotidiana. Este estudio también aborda algunas consideraciones claves y retos a enfrentar este campo.The incidents of anxiety, depression, epilepsy, multiple sclerosis, pathological stress, as well as other different stress related diseases have significantly increased in recent years and it is most probably due to dramatic changes in the daily lifestyle of citizens. The social and medical problems associated to stress are clearly on the rise and seriously affecting mental health and wellbeing not only in adults but also in young adults and children, according to the WHO (World Health Organization). There is currently an increased awareness of stress, specifically with regards to its medical, social and economic importance; and also, because there are several stress-related comorbidities that remain largely understudied. Therefore, stress has become one of the significant focal points of research interest. Despite the efforts made, a scientifically supported, repeatable and usable in daily life measurement method of stress is still not available. An objective and reliable measurement of stress level could be used to compare the level of stress’ severity in different individuals or between different sets of professionals. It would also be a crucial tool for the prevention, diagnosis and treatment of several diseases. Stress can be defined as the disturbance of the homeostatic balance when facing a specific threat to the body (a stressor) that provokes a stress response. The stress response is the body’s attempt to deal with the stressor triggering the different reactions that can be broadly summarised as changes in the autonomous nervous system, a hormonal response (adrenal pituitary adrenal axis) and a behavioural change and/or a decrease in cognitive skills. The methods that have been proposed until now for measuring the different aspects of stress considering its multidimensional quality, can be gathered in three groups: psychometric tests, biochemical markers, and physiological markers. Although biochemical samples and psychometric questionnaires are commonly used stress markers, they do not allow continuous or even regular stress assessment. Therefore, the hypothesis of this PhD thesis is that the stress response level due to a psychological stressor can be determined from a set of physiological parameters, which can be noninvasively and continuously measured. Consequently, the methodology and analysis of results presented are focused on objectively quantifying the physiological component of the stress response level, which can be understood as how close or far an individual is from his/her state of homeostatic balance. To this end, an experimental study was developed to quantify acute psychological stress in healthy young people using biomarkers from physiological signals, which can be continuously and noninvasively measured. An acute stress response was induced to 40 volunteers by applying a modification of the Trier Social Stress Test (TSST), a widely used and documented protocol for lab-induced stress. Standard psychological tests and biochemical stress markers were used as references for stress levels. A multivariable approach to stress measurement is proposed, which includes as stress biomarkers features derived from finger and face temperature, heart rate variability and pulse photoplethysmogram. The results obtained show that, under the given conditions, stress can be assessed and measured quantitatively and continuously from noninvasive biomarkers, as continuous stress measurement was performed every 1 minute. Based on this approach, a stress monitoring method could emerge in the near future. Finally, based on the findings from the experimental study and literature review presented in this thesis, a set of guidelines for the development of a stress measurement system were suggested to delineate the specifications for a stress monitoring system in daily life conditions. Also, some key considerations and challenges of this emerging area of study are addressed

Measurement of acute psychological stress /

Bibliografia.La incidencia de la ansiedad, depresión, epilepsia, esclerosis múltiple, estrés patológico, así como otras enfermedades relacionadas con el estrés, ha aumentado significativamente en los últimos años, probablemente debido los cambios drásticos en el modo de vida actual. Según la OMS, los problemas tanto sociales como médicos asociados al estrés están claramente en aumento, afectando seriamente la salud mental y el bienestar no sólo de adultos, sino también de jóvenes y niños. Actualmente hay una mayor conciencia respecto al estrés, precisamente por la importancia que tiene desde el punto de vista médico, social y económico; pero también por las grandes lagunas de conocimiento que aún existen en todas las patologías y trastornos relacionados con el estrés. Es por ello que el estrés se ha convertido en una de las líneas de investigación de gran interés. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos realizados, no existe aún un método de medición científicamente validado, repetible y que pueda ser utilizado en la vida cotidiana. Una medida objetiva y fiable del nivel de estrés, podría ser utilizada para comparar la severidad del nivel de estrés en diferentes individuos o entre diferentes grupos de profesionales. Sería, además una herramienta crucial para la prevención, diagnóstico y tratamiento del estrés que ayudaría también en el estudio de muchas otras comorbilidades relacionadas. El estrés puede definirse como la alteración del equilibrio homeostático ante una amenaza específica para el cuerpo (estresor). En este sentido, el estrés no es más que la respuesta de defensa del individuo ante la amenaza percibida. La respuesta del estrés provoca diferentes reacciones fisiológicas en el cuerpo al trata de lidiar con el estresor. Estas reacciones se resumen de manera general como cambios en el sistema nervioso autónomo, una respuesta hormonal (eje suprarrenal adrenal) y un cambio de comportamiento y/o disminución de las capacidades cognitivas. Los métodos que se han propuesto hasta hoy para medir los diferentes aspectos que abarca el estrés dada su naturaleza multidimensional, se pueden agrupar en tres grupos: cuestionarios psicométricos, marcadores bioquímicos y marcadores fisiológicos. Aunque las muestras bioquímicas y los cuestionarios psicométricos son comúnmente utilizados como marcadores de estrés, los mismos no permiten una evaluación continua, ni siquiera regular del estrés. La hipótesis de esta tesis doctoral es que el nivel de respuesta del estrés ante un estresor psicológico puede determinarse a partir de un conjunto de parámetros fisiológicos, que pueden ser medidos de forma no invasiva y continuada. Por lo tanto, la metodología y el análisis de resultados presentados en esta tesis se centran en cuantificar objetivamente distintos componentes fisiológicos de la respuesta del estrés, entendiéndose como cuan cerca o lejos está un individuo de su estado de equilibrio homeostático. Con este fin, se desarrolló un estudio experimental para cuantificar el estrés psicológico y agudo en jóvenes sanos utilizando biomarcadores obtenidos de señales fisiológicas, que puedan medirse de forma continua y no invasiva. Se indujo un estrés agudo en 40 voluntarios aplicándoles una modificación del Test de Estrés Social de Trier (TSST), que es un protocolo ampliamente utilizado y bien documentado para inducir estrés en laboratorio. Se utilizaron test psicológicos estandarizados y marcadores bioquímicos de estrés como la referencia de los niveles de estrés inducido. Se propuso un enfoque multivariable para la medición del estrés, que incluyó, como biomarcadores de estrés, parámetros derivados de la temperatura cutánea periférica (manos) y central (mejilla), la variabilidad de la frecuencia cardíaca y el fotopletismograma de pulso. Los resultados obtenidos muestran que, en las condiciones dadas, el estrés puede ser evaluado cuantitativamente y continuamente a partir de biomarcadores obtenidos de manera no invasiva. Ya que se pudo realizar una medición continua del estrés cada un minuto. Así, basándose en este enfoque, podría surgir un método de monitoreo del estrés en un futuro cercano. Finalmente, a partir de los resultados del estudio experimental y la revisión bibliográfica, se propone un conjunto de requerimientos y directrices para el desarrollo de un sistema de medida del estrés, delineando las especificaciones del sistema para monitorearlo en la vida cotidiana. Este estudio también aborda algunas consideraciones claves y retos a enfrentar este campo.The incidents of anxiety, depression, epilepsy, multiple sclerosis, pathological stress, as well as other different stress related diseases have significantly increased in recent years and it is most probably due to dramatic changes in the daily lifestyle of citizens. The social and medical problems associated to stress are clearly on the rise and seriously affecting mental health and wellbeing not only in adults but also in young adults and children, according to the WHO (World Health Organization). There is currently an increased awareness of stress, specifically with regards to its medical, social and economic importance; and also, because there are several stress-related comorbidities that remain largely understudied. Therefore, stress has become one of the significant focal points of research interest. Despite the efforts made, a scientifically supported, repeatable and usable in daily life measurement method of stress is still not available. An objective and reliable measurement of stress level could be used to compare the level of stress' severity in different individuals or between different sets of professionals. It would also be a crucial tool for the prevention, diagnosis and treatment of several diseases. Stress can be defined as the disturbance of the homeostatic balance when facing a specific threat to the body (a stressor) that provokes a stress response. The stress response is the body's attempt to deal with the stressor triggering the different reactions that can be broadly summarised as changes in the autonomous nervous system, a hormonal response (adrenal pituitary adrenal axis) and a behavioural change and/or a decrease in cognitive skills. The methods that have been proposed until now for measuring the different aspects of stress considering its multidimensional quality, can be gathered in three groups: psychometric tests, biochemical markers, and physiological markers. Although biochemical samples and psychometric questionnaires are commonly used stress markers, they do not allow continuous or even regular stress assessment. Therefore, the hypothesis of this PhD thesis is that the stress response level due to a psychological stressor can be determined from a set of physiological parameters, which can be noninvasively and continuously measured. Consequently, the methodology and analysis of results presented are focused on objectively quantifying the physiological component of the stress response level, which can be understood as how close or far an individual is from his/her state of homeostatic balance. To this end, an experimental study was developed to quantify acute psychological stress in healthy young people using biomarkers from physiological signals, which can be continuously and noninvasively measured. An acute stress response was induced to 40 volunteers by applying a modification of the Trier Social Stress Test (TSST), a widely used and documented protocol for lab-induced stress. Standard psychological tests and biochemical stress markers were used as references for stress levels. A multivariable approach to stress measurement is proposed, which includes as stress biomarkers features derived from finger and face temperature, heart rate variability and pulse photoplethysmogram. The results obtained show that, under the given conditions, stress can be assessed and measured quantitatively and continuously from noninvasive biomarkers, as continuous stress measurement was performed every 1 minute. Based on this approach, a stress monitoring method could emerge in the near future. Finally, based on the findings from the experimental study and literature review presented in this thesis, a set of guidelines for the development of a stress measurement system were suggested to delineate the specifications for a stress monitoring system in daily life conditions. Also, some key considerations and challenges of this emerging area of study are addressed

SPARE: A Spectral Peak Recovery Algorithm for PPG Signals Pulsewave Reconstruction in Multimodal Wearable Devices

The photoplethysmographic (PPG) signal is an unobtrusive blood pulsewave measure that has recently gained popularity in the context of the Internet of Things. Even though it is commonly used for heart rate detection, it has been lately employed on multimodal health and wellness monitoring applications. Unfortunately, this signal is prone to motion artifacts, making it almost useless in all situations where a person is not entirely at rest. To overcome this issue, we propose SPARE, a spectral peak recovery algorithm for PPG signals pulsewave reconstruction. Our solution exploits the local semiperiodicity of the pulsewave signal, together with the information about the cardiac rhythm provided by an available simultaneous ECG, to reconstruct its full waveform, even when affected by strong artifacts. The developed algorithm builds on state-of-the-art signal decomposition methods, and integrates novel techniques for signal reconstruction. Experimental results are reported both in the case of PPG signals acquired during physical activity and at rest, but corrupted in a systematic way by synthetic noise. The full PPG waveform reconstruction enables the identification of several health-related features from the signal, showing an improvement of up to 65% in the detection of different biomarkers from PPG signals affected by noise