健康水平可以通过可穿戴设备准确预测——不需要锻炼
剑桥大学的研究人员开发了一种方法，可以在可穿戴设备上准确测量整体健康状况，比目前的消费级智能手表和健身监测器更可靠，而且佩戴者不需要锻炼。
通常情况下，测试是为了准确测量vo2max -一个关键的整体测量健身心脏病和死亡风险的一个重要预测因素需要昂贵的实验室设备，而且主要仅限于精英运动员。这种新方法使用机器学习来预测最大摄氧量(vo2max)——身体在日常活动中进行有氧运动的能力，而不需要GPS测量等上下文信息。
在迄今为止同类研究中规模最大的一项研究中，研究人员收集了1.1万多名芬兰研究参与者的活动数据可穿戴式传感器七年后，一部分参与者再次接受了测试。研究人员利用这些数据开发了一个预测最大耗氧量的模型，然后对第三组进行了标准的实验室运动测试。与基于实验室的测试相比，该模型显示出较高的准确性，并优于其他方法。
目前市场上的一些智能手表和健身监测器声称可以提供最大摄氧量的估计值，但由于支持这些预测的算法没有公布，而且随时都可能发生变化，因此目前尚不清楚这些预测是否准确，也不清楚锻炼制度是否会随着时间的推移对个人的最大摄氧量产生任何影响。
剑桥大学开发的模型是稳健的，透明的，并提供准确的预测基于心率和加速度计数据。由于该模型还可以检测随时间的健康变化，它也可以用于估计整个人群的健康水平，并确定生活方式趋势的影响。研究结果发表在该杂志上数字医学．
最大摄氧量被认为是体能测试的“金标准”。例如，职业运动员在运动到精疲力竭时，通过测量他们的耗氧量来测试他们的最大摄氧量。在实验室里还有其他测量健康的方法，比如运动测试的心率反应，但这些都需要像跑步机或运动自行车这样的设备。此外，剧烈运动对某些人来说也是一种风险。
“最大摄氧量不是健康的唯一衡量标准，但它对耐力很重要，是糖尿病、心脏病和其他死亡风险的有力预测指标，”来自剑桥大学医学研究中心流行病学部门的合著者索伦·布拉奇博士说。“然而，由于大多数最大摄氧量测试都是在身体健康的人身上进行的，所以很难从那些身体不健康、可能有心血管疾病风险的人那里得到测量结果。”
“我们想知道是否有可能使用可穿戴设备的数据准确预测最大摄氧量，这样就不需要进行运动测试了，”剑桥大学计算机科学与技术系的联合主要作者迪米特里斯·斯帕西斯博士说。“我们的核心问题是，可穿戴设备能否在野外测量健康状况。大多数可穿戴设备提供心率、步数或睡眠时间等指标，这些指标是健康状况的代表，但与健康状况没有直接联系健康结果．"
这项研究是两个部门之间的合作:来自MRC流行病学部门的团队提供了人口健康和心肺健康方面的专业知识，以及来自Fenland研究(英格兰东部一项长期的公共健康研究)的数据，而来自计算机科学与技术部门的团队提供了用于移动和可穿戴数据的机器学习和人工智能方面的专业知识。
这项研究的参与者穿着可穿戴设备连续六天。传感器每秒收集60个值，在处理之前产生大量数据。“我们必须设计一个算法管道和合适的模型，可以压缩大量的数据，并使用它做出准确的预测，”Spathis说。“数据的自由生活性质使这种预测具有挑战性，因为我们试图用嘈杂的低水平数据(可穿戴传感器)预测高水平的结果(健身)。”
研究人员使用了一种被称为深度神经网络的人工智能模型，从原始传感器数据中处理和提取有意义的信息，并从中预测VO2max。除了预测之外，训练过的模型还可以用于识别特别需要与适应度相关的干预的亚人群。
研究人员将芬兰研究中11059名参与者的基线数据与7年后2675名原始参与者的随访数据进行了比较。第三组来自英国生物银行验证研究的181名参与者进行了基于实验室的VO2max测试，以验证算法的准确性。在基线(82%的一致性)和后续测试(72%的一致性)中，机器学习模型与测量的VO2max分数有很强的一致性。
“这项研究完美地展示了我们如何利用流行病学、公共卫生、机器学习以及信号处理，”共同主要作者Ignacio Perez-Pozuelo博士说。
研究人员表示，他们的研究结果证明了可穿戴设备是如何准确测量健康的，但如果要相信商用可穿戴设备的测量结果，透明度还需要提高。
布拉奇说:“从原则上讲，许多健身监测器和智能手表都能测量最大摄氧量，但很难评估这些说法的有效性。”“这些模型通常不会公布，算法也会定期变化，这让人们很难确定自己的适合度是真的提高了，还是只是用不同的算法估计出来的。”
斯帕西斯说:“你智能手表上与健康和健身有关的一切都是估计值。“我们对我们的模型是透明的，我们大规模地做了。我们表明，结合噪声数据和传统生物标志物，我们可以获得更好的结果。此外，我们所有的算法和模型都是开源的，每个人都可以使用。”
“我们已经证明，你不需要在实验室进行昂贵的测试来获得真正的健康测量-我们每天使用的可穿戴设备也可以同样强大，如果它们背后有正确的算法，”计算机科学与技术系的资深作者塞西莉亚·马斯科洛教授说。“心脏健康是一个非常重要的健康指标，但直到现在我们还没有办法大规模测量它。这些发现可能会对人口健康这样我们就可以超越身体质量指数(BMI)等较弱的健康指标。”
