Quantification of Physical Activity and Sleep Behaviors with Wearable Sensors : Analysis of a large-scale real-world heart rate variability dataset

Puettavia mittalaitteita, kuten älykelloja, voidaan käyttää arjessa oman terveydentilan, fyysisen kunnon, terveyskäyttäytymisen sekä hyvinvoinnin seuraamiseen. Puettavien mittalaitteiden käyttö on nykyisin suosittua, ja kuluttajat mittaavat niillä yleensä liikuntaa ja unta. Puettavien mittalaitteiden keräämä mittausaineisto on esimerkki arkielämän aineistoista (real-world data), jotka voivat tarjota käytännönläheisiä havaintoja terveydestä ja hyvinvoinnista. Arkielämässä kerättyjen aineistojen hyödyntäminen tutkimustarkoituksiin on kuitenkin haastavaa, sillä kuluttajat käyttävät puettavia mittalaitteita vapaaehtoisesti arkielämän olosuhteissa. Siksi aineiston käsittelyssä on otettava huomioon aineiston keräyksen kontrolloimattomat tutkimusasetelmien ulkopuoliset olosuhteet, jotka aiheuttavat mittausaineistoon tyypillisesti epätarkkuutta ja puutteellisuutta sekä otospopulaation valikoituneisuutta. Puettavien mittalaitteiden tuottamille jatkuva-aikaisille aineistoille ei myöskään toistaiseksi ole vakiintuneita käsittelytapoja. Näiden tekijöiden vuoksi puettavien mittalaitteiden keräämiä aineistoja käytetään nykyisin vielä vain vähän tutkimuksissa, vaikka ne voivat tarjota uusia havaintoja terveyskäyttäytymisestä ja hyvinvoinnista. Väitöstyössä hyödynnetään puettavan sydämen sykevälivaihtelua mittaavan laitteen tuottamaa arkielämän suurta aineistoa määrittämään liikuntaan ja uneen liittyvää käyttäytymistä. Liikunta ja uni ovat tärkeitä terveyskäyttäytymisen tekijöitä, ja väitöstyössä tutkitaan erityisesti liikunnan määrittämisen menetelmiä, liikuntakäyttäytymisen ajallista vaihtelua, sekä liikunnan, alkoholin nauttimisen ja muiden elämäntapojen vaikutusta uneen. Lisäksi väitöstyön tavoitteena on arvioida puettavien mittalaitteiden tuottamien suurten arkielämän aineistojen ja niiden hyödyntämisen soveltuvuutta tieteellisen tutkimukseen sekä osoittaa näiden aineistojen tarjoamia uusia havaintoja ja näkökulmia terveydestä ja hyvinvoinnista. Väitöstutkimuksen aineistona käytettiin 52 273 suomalaisen työntekijän tunnisteettomia arkielämässä tehtyjä sydämen sykevälivaihtelun mittauksia, jotka oli alun perin tehty osana terveyttä edistävää ja ennaltaehkäisevää terveydenhuoltoa. Aineisto on kerätty Firstbeat Technologies Oy:n toimesta, joka kehittää ja tarjoaa sykevälivaihtelun analyysimenetelmiä liikunnan, stressin ja palautumisen arviointiin. Aineisto sisälsi kolmipäiväisiä jatkuva-aikaisia mittauksia sydämen sykevälivaihtelusta sekä itseraportointeja nautitusta alkoholin määrästä sekä työ- että nukkumisajoista. Väitöstyössä liikunnan määrittämisessä hyödynnettiin sykevälivaihteluun perustuvaa hapenoton arviota. Unta arvioitiin autonomisen hermoston säätelyn kautta käyttäen perinteisiä sykevälivaihtelumuuttujia sekä uudenlaisia sykevälivaihteluun perustuvia palautumismuuttujia. Väitöstyön tulokset pohjautuvat sekä perinteisiin tilastollisiin että koneoppimisen menetelmiin. Liikuntakäyttäytymisessä havaittiin ajallista vaihtelua: liikunnan määrä oli korkein viikonloppuisin sekä alkuvuonna. Kun liikuntaa arvioitiin absoluuttisella hapenotolla, liikunnan määrä oli korkeampi miehillä kuin naisilla, ja nuoremmilla kuin vanhemmilla sekä normaalipainoisilla kuin lihavilla henkilöillä. Toisaalta kun liikunnan määrää arvioitiin ottaen huomioon henkilöiden kuntotaso, erot liikunnan määrässä henkilöiden välillä pieneni huomattavasti. Lisäksi liikuntakäyttäytymisellä havaittiin olevan yhteys uneen. Päivällä harrastettu liikunta näytti heikentävän autonomisen hermoston parasympaattista säätelyä unen aikana, mutta säännöllinen liikunta näytti lisäävän parasympaattista säätelyä ja palautumista unen aikana. Unen aikaisen autonomisen hermoston säätelyn kannalta tärkein tekijä oli kuitenkin päivän aikana nautittu alkoholi. Jo 1–2 alkoholiannosta heikensi autonomisen hermoston parasympaattista säätelyä unen aikana ja tämä säätely heikkeni sitä enemmän, mitä useampia alkoholiannoksia päivän aikana nautittiin. Painoon suhteutettu, sama alkoholimäärä näytti vaikuttavan autonomisen hermoston säätelyyn enemmän nuoremmilla kuin vanhemmilla henkilöillä, mutta samalla tavalla sekä paljon että vähän liikuntaa harrastavilla henkilöillä, ja sekä miehillä että naisilla. Monet väitöstyön tulokset tukevat aiempia tutkimustuloksia, kuten esimerkiksi havainnot suuremmasta liikunta-aktiivisuudesta viikonloppuisin, miesten, nuorten ja normaalipainoisten suuremmasta liikuntamäärästä absoluuttisella hapenottomäärällä mitattuna, sekä liikunnan ja alkoholin yhteydestä autonomisen hermoston säätelyyn unen aikana. Toisaalta väitöstyössä havaittiin esimerkiksi myös alkoholin nauttimisen ja henkilön taustatekijöiden yhteisvaikutuksia autonomisen hermoston säätelyyn, joita ei ole voitu aiemmin tutkia pienten tutkimuspopulaatioiden vuoksi. Kokonaisuudessaan väitöstyö osoittaa, että puettavien mittalaitteiden tuottamat arkielämän aineistot soveltuvat tieteelliseen tutkimukseen ja tulokset tukevat aiempia tutkimustuloksia, mutta tarjoavat myös uusia havaintoja sekä näkemyksiä. Tosielämän tieto voikin parantaa terveyskäyttäytymisen ja hyvinvoinnin tuntemusta, erityisesti niiltä osin, joihin perinteiset tutkimusasetelmat eivät sovellu. Käytännössä tosielämän havaintoja ja tietoa voidaan käyttää havainnollistamaan käyttäytymisen vaikutusta terveyteen ja hyvinvointiin, sekä tukemaan terveyskäyttäytymisen muutosta entistä henkilökohtaisemmin ja kohdennetummin.