在现代社会，心理健康逐渐成为人们关注的焦点，特别是在新冠疫情之后，压力相关的心理障碍如焦虑和抑郁的显著增加，使得对心理健康意识和有效评估方法的需求日益迫切。然而，尽管对此有着越来越多的认识，但如何有效应对这些心理健康挑战的资源和能力仍然不足。现代社会迫切需要创新方法来理解、监测和管理压力。
尽管精神压力在全球范围内普遍存在，但心理压力评估的方法大多局限于主观调查和临床问卷，这些传统方法虽然提供了洞察力，但耗时且需要大量后续随访，为医生和心理健康从业人员带来了重大负担。依赖自我报告的数据可能因个人感知和记忆偏差而导致不准确，且可能因个人的心理抵触而延误诊断。鉴于压力及其表现形式的高度个体化，迫切需要更客观、可靠和可扩展的方法来评估精神压力水平，以补充现有的基于问卷的评估方法。
加州理工学院医学工程系高伟教授与博士生许昌浩、博士后宋宇等人通过结合生理与生化数据的多模态电子皮肤，实现长时间连续监测与心理压力的精准评估。该皮肤非侵入性地监测人体汗液中的三个生命体征（脉搏波形、皮肤电反应和皮肤温度）和六个分子生物标志物（葡萄糖、乳酸、尿酸、钠离子、钾离子和铵）。作者开发了一种制备电化学传感器的通用方法，该方法依赖于类似的复合材料来稳定和保护传感器接口。由此产生的传感器提供超过 100 小时的长期汗液生物标志物分析，具有很高的稳定性。作者发现，电子皮肤可以在24小时和不同的日常活动中提供连续的多模式理化监测。在机器学习管道的帮助下，我们还表明，该平台可以以 98.0% 的准确率区分三个压力源，并以 98.7% 的置信度量化心理压力反应。
电子皮肤作为一种柔性可穿戴平台，由模仿人类皮肤的各种传感器和材料组成。由于精神压力表现为复杂的生物学反应，涉及神经系统、内分泌系统和免疫系统——这种多面性并不完全被现有商业可穿戴设备中的物理传感器捕捉，因此商业可穿戴设备通常无法提供对压力的全面视角，忽略了生理和心理因素之间的相互作用以及压力反应的个体差异。电子皮肤中的多模态传感弥补了这一空白，通过同时测量更广泛的生理和生化信号提供了更细致和全面的压力评估。这一进步有望弥合可观察的心理压力症状与潜在的多模态生物标记物之间的关联，促进更准确和个性化的精神压力评估方法，实现可穿戴技术临床与商业应用的一大飞跃。
图1：用于心理健康监测的电子皮肤CARES平台。
为了有效地收集稳健可信的多模态数据，该电子皮肤(CARES) 解决了长期连续佩戴中传感器稳定性的关键挑战。对于物理传感器，主要关注是其对日常佩戴运动的界面噪音的敏感性，因运动产生的失真信号可能严重影响数据准确性。CARES平台通过设计确保与皮肤稳定、紧密贴合的界面，减少了运动对传感器读数的影响。同时，对于生化传感器，平台解决了长久以来在体液中维持信号稳定性的挑战。通过研究传感器的底层机理，研究人员通过添加与替代传统材料，开发设计出新的生化传感器制备工艺。这些重新开发的传感器实现了在汗液中超过100小时的长期稳定监测，并可以在日常活动期间以及在受控压力研究时提供连续的24小时以上的多模态物理化学监测。
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为了有效分析多模态数据，研究人员设计了机器学习架构，实现压力检测、压力类型分类和焦虑水平预测等等关键任务。CARES平台收集的多模态物理化学数据表明，我们可以准确分析人体对不同类型压力源的反应，展示了人工智能在将多模态数据转化为精确、量化的心理健康监测方面的巨大潜力。
图3：基于机器学习对心理压力的精准评估。
作者通过结合多模态物理化学数据与机器学习，实现了对长时间连续监测与心理压力的精准评估。这一技术不仅预示着心理健康的客观和定量分析成为可能，更是在个性化医疗领域内，为以AI为驱动的可穿戴电子产品的未来发展和广泛商业应用铺平了道路。通过这种创新，我们能够更好地理解和管理个人的压力和焦虑，为全球公共卫生贡献重要力量。
【参考文献】
https://www.nature.com/articles/s41928-023-01116-6
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