Modeling personalized heart rate response to exercise and environmental factors with wearables data
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Heart rate (HR) response to workout intensity reflects fitness and cardiorespiratory health. Physiological models have been developed to describe such heart rate dynamics and characterize cardiorespiratory fitness. However, these models have been limited to small studies in controlled lab environments and are challenging to apply to noisy—but ubiquitous—data from wearables. We propose a hybrid approach that combines a physiological model with flexible neural network components to learn a personalized, multidimensional representation of fitness. The physiological model describes the evolution of heart rate during exercise using ordinary differential equations (ODEs). ODE parameters are dynamically derived via a neural network connecting personalized representations to external environmental factors, from area topography to weather and instantaneous workout intensity. Our approach efficiently fits the hybrid model to a large set of 270,707 workouts collected from wearables of 7465 users from the Apple Heart and Movement Study. The resulting model produces fitness representations that accurately predict full HR response to exercise intensity in future workouts, with a per-workout median error of 6.1 BPM [4.4–8.8 IQR]. We further demonstrate that the learned representations correlate with traditional metrics of cardiorespiratory fitness, such as VO2 max (explained variance 0.81 ± 0.003). Lastly, we illustrate how our model is naturally interpretable and explicitly describes the effects of environmental factors such as temperature and humidity on heart rate, e.g., high temperatures can increase heart rate by 10%. Combining physiological ODEs with flexible neural networks can yield interpretable, robust, and expressive models for health applications.
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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 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 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 ».