VO2Max є потужним показником довголіття: кожні 1 мл/кг/хв збільшення VO2 max знижує ризик смерті на 9 відсотків. VO2Max зазвичай визначають з використанням респіраторної маски та інтенсивних вправ, таких як бігова доріжка або їзда на велосипеді. Але переносні пристрої, такі як Apple Watch, оцінюють кардіофітнес (їхню версію VO2 max) із точністю до 1,2 мл/кг/хв, не потребуючи маски та інтенсивних фізичних вправ. Як вони це роблять?
У цій статті пояснюється наукова основа визначення VO2 max, як працює кардіофітнес-алгоритм Apple Watch (на основі опублікованих подробиць із статей 2021 і 2023 років), а також конкретні дані дослідження, які використовувалися для підтвердження його точності.
Початок: як VO2Max вимірюється в лабораторії
Перш ніж розбиратися в тому, як алгоритм Apple Watch оцінює VO2Max, ми повинні спочатку визначити, як насправді VO2Max вимірюють в лабораторії.
VO? Max визначається як максимальний об’єм O? (кисню), який організм може використати під час інтенсивних тренувань. Це виміряно під час серцево-легеневого тесту з навантаженням (CPET). Під час CPET ви носите респіраторну маску під час виконання вправ (наприклад, їзди на велосипеді або бігової доріжки) на постійно зростаючій інтенсивності. Зі збільшенням інтенсивності роботи ваше тіло споживає більше O? (кисню), викидає більше CO? (вуглекислого газу), і ваше серцебиття підвищується.
У якийсь момент інтенсивність тренування стає настільки високою, що м’язам потрібно більше кисню, ніж ваше серце і легені можуть забезпечити. Тоді ваші м’язові клітини змушені переходити з аеробного режиму на анеробний, так що CO? продовжує збільшуватися, а O? перестає рости. Принаймні, це «ідеалізована» тестова ситуація — на практиці O? може фактично не вийти на плато, і тест може завершитися, коли співвідношення CO? до O? досягає 1,1, коли пацієнт відчуває задишку, коли на ЕКГ є ознаки напруги тощо.
Весь цей процес створює діаграму з дев’яти панелей, яка показує різні комбінації спожитого O?, викинутого CO?, інтенсивність фізичного навантаження (у Вт), частота серцевих скорочень, частота дихання, насичення крові киснем і так далі.
На панелі 3 ви можете побачити, як O? (червоний) і CO? (синій) зростають із збільшенням інтенсивності вправ (чорний). Приблизно через 11 хвилин дві лінії розходяться (це анаеробний поріг). Панель 5 показує, що частота серцевих скорочень збільшується приблизно пропорційно O?.
Кардіофітнес – це оцінка VO2Max від Apple Watch
Як би ви це зробили, якби ви хотіли оцінити VO2Max без фактичного вимірювання O? і CO?? Ви можете використовувати два факти:
- Частота серцевих скорочень і O? пропорційні: у міру збільшення частоти серцевих скорочень ви споживаєте більше кисню.
- Ви можете оцінити роботу (у ватах), якщо знаєте темп і масу тіла людини.
У медичній літературі було запропоновано різні методи, і, як ми побачимо, алгоритм Apple виглядає більш згладженою версією тих, що використовують нейронні мережі в поєднанні з біофізичними звичайними диференціальними рівняннями (ODE).
Кардіо-фітнес-тест Rockport: простий метод з 1987 року
У 1987 році для оцінки VO2 Макс було запропоновано тест на фізичну ходьбу Rockport. Піддослідні виконували кілька тестів ходьби на 1 милю якомога швидше. Було вказано частоту серцевих скорочень і час завершення у лінійну регресію, яка дала цю формулу для розрахунку VO2Max на основі ваги, віку, статі кожного суб’єкта найшвидший час і пульс:
VO2max = 6,9652 + (0,0091 вага) – (0,0257 вік) + (0,5955 стать) – (0,2240 раз) – (0,0115 * частота серцевих скорочень)
Точність була хорошою (r=0,92 у початковому дослідженні). Як ми побачимо в наступному розділі, Apple, здається, використовує аналогічну наукову основа, але з більш згладженим алгоритмом.
Apple Watch оцінює кардіофітнес за допомогою частоти серцевих скорочень і GPS як вхідних даних
Apple Watch вимагає двох речей для оцінки кардіофітнесу:
- Тренування на свіжому повітрі для ходьби/бігу/пішого туризму на рівній поверхні (5% або менше).
- Частота серцевих скорочень повинна збільшитися більш ніж на 30% від частоти серцевих скорочень у спокої. Наприклад, якщо частота серцевих скорочень у стані спокою становить 60 ударів на хвилину, а максимальна частота пульсу – 180 ударів на хвилину, вам потрібно досягти частоти серцевих скорочень 96 ударів на хвилину або вище, щоб отримати оцінку VO2Max.
Вони свідчать про те, що вони оцінюють як роботу, так і реакцію серцевого ритму на фізичні вправи — схоже за фундаментальною наукою на тест Рокпорта.
Оцінка VO2Max за допомогою фізіологічних ODE і нейронних мереж
У 2023 році дослідники з Apple опублікували статтю про використання біофізичних звичайних диференціальних рівнянь (ODE) для оцінки придатності за допомогою переносних пристроїв, а також репозиторій з відкритим кодом із деякими нейронними мережами Torch. Це дає уявлення про те, як сучасні алгоритми глибокого навчання можна використовувати для вдосконалення базових наукових знань тесту Rockport.
Стаття починається з визначення частоти серцевих скорочень і кисневої реакції на фізичне навантаження за допомогою набору звичайних диференціальних рівнянь (ODE) :
Тут I(t) – це інтенсивність тренування в момент часу t, f(I(t)) – миттєва потреба в кисні, D(t) – потреба в кисні в момент часу t, і HR(t) – частота серцевих скорочень у момент часу t. А, В, альфа, бета – це вивчені параметри.
Перше рівняння показує нам, як потреба в кисні змінюється з часом, щоб відповідати миттєвій потребі від інтенсивності тренування. Друге рівняння говорить нам, як прискорити частоту серцевих скорочень до темпу, необхідного для задоволення потреби в кисні. Він включає фактори, які описують, наскільки швидко серце може адаптуватися (A), наскільки важко досягти максимального пульсу (бета) і скільки часу потрібно для відпочинку до частоти серцевих скорочень у спокої (альфа).
Фітнес кожної людини в певний час характеризується сімома фізіологічними параметрами: A, B, альфа, бета, f, HRmin і HRmax.
Замість того, щоб безпосередньо оцінювати ці параметри, дослідники навчили нейронну мережу , яка прогнозує стан людини. вся реакція серцевого ритму на фізичне навантаження з урахуванням латентного вектора z. У документі не вказано розмірність z, але в відкритий код z є 32-вимірним вектором. Вони навчили додаткові нейронні мережі передбачати кожен фізіологічний параметр як функцію цього прихованого фактора: A(z), B(z), альфа(z) тощо.
Потім ці фізіологічні параметри були введені в лінійну регресію для прогнозування VO2 Max. Помилка була близько 5% (непогано). Що цікаво, так це те, що модель інтерпретується в результаті проходження через фізіологічне ODE. Наприклад, ви можете побачити очевидну кореляцію між прогнозованими значеннями A, B, альфа та бета та VO2 Max на графіках нижче:
Кардіофітнес-алгоритм Apple Watch підтверджено в дослідженні за участю 221 учасника
Сама Apple провела дослідження для перевірки свого алгоритму, у якому взяли участь 534 учасники для розробки та 221 для перевірки. Її алгоритм був напрочуд точним із середньою похибкою від 1,2 до 1,4 мл/кг/хв і коефіцієнтом надійності (ICC) близько 0,86–0,89.
Ви можете побачити графік фактичного VO2Max (вісь x) і оцінку Apple Watch (вісь y). Це дуже добре! 
Однак алгоритм має обмеження для людей з певними захворюваннями та тих, хто приймає певні ліки. Apple з власного звіту:
Інші захворювання також можуть знизити точність VO2 максимальні оцінки на Apple Watch. До них належать захворювання або пристрої, які відокремлюють частоту серцевих скорочень від рух або фізичні вправи (наприклад, біль, аритмії, кардіостимулятори або серцево-допоміжні пристрої); медичний умови, які сильно обмежують толерантність до фізичних навантажень, не дозволяючи пацієнтам досягти частоти серцевих скорочень, близьких до прогнозована максимальна частота серцевих скорочень (наприклад, захворювання периферичних артерій); і медичні умови, які значно ускладнюють пересування, наприклад, захворювання скелета або нервово-м’язової системи, що спричиняє ходу неефективність (наприклад, розсіяний склероз або дитячий церебральний параліч).
За матеріалами: empirical health
The post Як Apple Watch оцінює VO2Max з точністю до 1,2 мл/кг/хв без бігової доріжки appeared first on .