Comparison of the Validity and Generalizability of Machine Learning Algorithms for the Prediction of Energy Expenditure: Validation Study
Notice bibliographique
Résumé
BACKGROUND: Accurate solutions for the estimation of physical activity and energy expenditure at scale are needed for a range of medical and health research fields. Machine learning techniques show promise in research-grade accelerometers, and some evidence indicates that these techniques can be applied to more scalable commercial devices. OBJECTIVE: This study aims to test the validity and out-of-sample generalizability of algorithms for the prediction of energy expenditure in several wearables (ie, Fitbit Charge 2, ActiGraph GT3-x, SenseWear Armband Mini, and Polar H7) using two laboratory data sets comprising different activities. METHODS: Two laboratory studies (study 1: n=59, age 44.4 years, weight 75.7 kg; study 2: n=30, age=31.9 years, weight=70.6 kg), in which adult participants performed a sequential lab-based activity protocol consisting of resting, household, ambulatory, and nonambulatory tasks, were combined in this study. In both studies, accelerometer and physiological data were collected from the wearables alongside energy expenditure using indirect calorimetry. Three regression algorithms were used to predict metabolic equivalents (METs; ie, random forest, gradient boosting, and neural networks), and five classification algorithms (ie, k-nearest neighbor, support vector machine, random forest, gradient boosting, and neural networks) were used for physical activity intensity classification as sedentary, light, or moderate to vigorous. Algorithms were evaluated using leave-one-subject-out cross-validations and out-of-sample validations. RESULTS: The root mean square error (RMSE) was lowest for gradient boosting applied to SenseWear and Polar H7 data (0.91 METs), and in the classification task, gradient boost applied to SenseWear and Polar H7 was the most accurate (85.5%). Fitbit models achieved an RMSE of 1.36 METs and 78.2% accuracy for classification. Errors tended to increase in out-of-sample validations with the SenseWear neural network achieving RMSE values of 1.22 METs in the regression tasks and the SenseWear gradient boost and random forest achieving an accuracy of 80% in classification tasks. CONCLUSIONS: Algorithms trained on combined data sets demonstrated high predictive accuracy, with a tendency for superior performance of random forests and gradient boosting for most but not all wearable devices. Predictions were poorer in the between-study validations, which creates uncertainty regarding the generalizability of the tested algorithms.
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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 | 0,088 | 0,198 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,002 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,003 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,002 |
| Communication savante | 0,002 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,001 |
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 ».