Deep Learning Models Predict Dynamic Oxygen Uptake Responses from Wearable Sensor Data during Moderate‐ and Heavy‐Intensity Exercise
Notice bibliographique
Résumé
Wearable technologies and artificial intelligence have enabled continuous and non‐intrusive cardiorespiratory monitoring. Machine learning techniques, such as random forest (RF) and long short‐term memory (LSTM) models, have been used to predict the oxygen uptake (V̇O 2 ) response to exercise, but their abilities to track V̇O 2 during changes in work rate lack precision. Here, we propose using a sequential deep learning model based on temporal convolutional networks (TCN) to estimate V̇O 2 from wearable sensor data. Twenty‐two healthy adults (9 females, age: 26±5 yr, peak V̇O 2 : 42±6 ml·min ‐1 ·kg ‐1 ) completed a 25 W·min ‐1 ramp cycling test to exhaustion, and a combination of 3 different pseudorandom binary sequence (PRBS) cycling tests to simulate non‐constant work rate exercise ranging from low to moderate, low to heavy, and ventilatory threshold to heavy‐intensity exercise, respectively. Breath‐by‐breath V̇O 2 was measured using a portable metabolic device, and wearable sensor data were simultaneously collected using a Hexoskin® sensor shirt. Work rate, heart rate, percent heart rate reserve, estimated minute ventilation, and breathing rate were used as model inputs to predict instantaneous V̇O 2 . Participant data were split into 3 groups to train (n=10), validate (n=7), and test (n=5) the newly proposed TCN model and previously reported RF and LSTM models. Repeated measures Bland‐Altman analysis (bias; 95% limits of agreement) revealed that the TCN model (‐1 ml·min ‐1 ; ‐237 to 235 ml·min ‐1 ) was more accurate at estimating the dynamic V̇O 2 responses to ramp and PRBS exercise than the LSTM (‐10 ml·min ‐1 ; ‐321 to 301 ml·min ‐1 ) and RF models (62 ml·min ‐1 ; ‐259 to 383 ml·min ‐1 ), despite containing fewer trainable parameters (63% and 97% reduction vs. LSTM and RF, respectively). These results suggest that the TCN model is more accurate and efficient at estimating V̇O 2 than other previously used machine learning models across a wide range of exercise intensities. Our findings are an important step in the development of a framework to non‐intrusively assess aerobic fitness levels and energy expenditure during real‐life situations outside of the laboratory without cumbersome equipment.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».