Technological applications for human health and performance across different environments

Abstract

The aim of this thesis was to explore the intersection of technology and its application in optimizing human performance and protecting health under various environmental conditions. Comprising six chapters, the research investigated the use of wearables, artificial intelligence, and data analytics in varying scenarios, from challenging work environments to endurance sports in extreme conditions. The first study utilized machine learning algorithms to analyze the impact of weather parameters on peak performance during endurance running events. It established that weather conditions significantly influence performance and recommended thorough evaluation of weather parameters and adoption of heat mitigation strategies. Using similar machine learning techniques, the research delved into assessing the critical factors that contribute to the risk of heat strain during work and leisure activities. The analysis identified work duration and body mass index as significant factors influencing individuals' exposure to heat stress. The thesis further delved into improving the comfort of bicyclists by developing an adaptive model for monitoring head thermal comfort in helmets. A SmartHelmet prototype, equipped with sensors, was created to ensure continuous data streaming and precise comfort prediction. In a move to more extreme conditions, a case report analyzing the impact of high altitude on sleep quality and heart rate variability in a Mt. Everest climber revealed a progressive reduction in sleep quality and heart rate variability at altitudes above 5500m. Finally, a new web tool was developed, complying with ISO 7933:2018 standards, to estimate heat strain under various environmental conditions. In summary, this thesis significantly enhanced the understanding of how technological innovations can optimize human performance and protect health in diverse environmental conditions, laying the groundwork for future research and technological advancements in these domains.

Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να εξερευνήσει τη συμβολή της τεχνολογίας στη προάσπιση της υγείας και την βελτίωση της απόδοσης των ανθρώπων κατά την έκθεση σε διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες. Αποτελείται από έξι κεφάλαια, που αναλύουν την εφαρμογή των φορητών συσκευών, της τεχνητής νοημοσύνης και της ανάλυσης δεδομένων σε διάφορες καταστάσεις και ομάδες, όπως εργαζόμενοι και αθλητές. Στην αρχική μελέτη, η μηχανική μάθηση χρησιμοποιήθηκε για να αναλύσει την επίδραση των καιρικών παραμέτρων στην αθλητική απόδοση κατά τη διάρκεια μεγάλων αθλητικών διοργανώσεων σε δρομικά αγωνίσματα αντοχής. Διαπιστώθηκε ότι ο καιρός επηρεάζει σημαντικά την απόδοση των αθλητών και συνιστάτε η αξιολόγηση όλων των παραμέτρων του καιρού και η υιοθέτηση στρατηγικών μετριασμού της ζέστης κατά την διοργάνωση μεγάλων αθλητικών διοργανώσεων. Στη συνέχεια, η έρευνα χρησιμοποιώντας αντίστοιχες τεχνικές μηχανικής μάθησης, διερεύνησε τους κρίσιμους παράγοντες που συνεισφέρουν στον κίνδυνο εμφάνισης θερμικού στρες κατά τη διάρκεια της εργασίας. Από τα αποτελέσματα προέκυψε πως η διάρκεια της εργασίας και ο δείκτης μάζας σώματος αποτελούν τους πιο σημαντικούς παράγοντες εμφάνισης θερμικού στρες κατά την εργασία. Μετέπειτα, οι ερευνητικές προσπάθειες στράφηκαν στην χρήση αισθητήρων, ειδικότερα στη βελτίωση της θερμικής άνεσης των ποδηλατών μέσω της ανάπτυξης ενός μοντέλου για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας στο κεφάλι. Για αυτόν τον σκοπό, δημιουργήθηκε ένα πρωτότυπο "έξυπνο" κράνος, εξοπλισμένο με αισθητήρες, που διασφαλίζει την συνεχή παρακολούθηση με στόχο την ακριβή πρόβλεψη της θερμικής άνεσης. Μεταβαίνοντας σε πιο ακραίες συνθήκες, μια περιπτωσιολογική μελέτη διερεύνησε την επίδραση του υψόμετρου στην ποιότητα του ύπνου και την μεταβλητότητα του καρδιακού παλμού κατά την διάρκεια αναρρίχησης στο βουνό Έβερεστ. Τα ευρήματα έδειξαν ότι σε υψόμετρα πάνω από 5500 μέτρα, η ποιότητα του ύπνου και η μεταβλητότητα του καρδιακού παλμού σταδιακά μειώνονται. Ολοκληρώνοντας, αναπτύχθηκε ένα διαδικτυακό εργαλείο το FL-WebPHS. Ακολουθώντας τα πρότυπα ISO 7933:2018 είναι σε θέση να εκτιμήσει το θερμικό στρες σε διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες. Συνοπτικά, αυτή η διατριβή βελτίωσε σημαντικά την κατανόηση του πώς διάφορες τεχνολογίες μπορούν να βελτιστοποιήσουν την ανθρώπινη απόδοση και να προστατεύσουν την υγεία σε διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες, δημιουργώντας τα θεμέλια για μελλοντική έρευνα και τεχνολογικές εξελίξεις γύρω από αυτούς τους τομείς.