VO2Max является мощным показателем долголетия: каждые 1 мл/кг/мин увеличение VO2 max снижает риск смерти на 9 процентов. VO2Max обычно определяют с использованием респираторной маски и интенсивных упражнений, таких как беговая дорожка или езда на велосипеде. Но переносные устройства, такие как Apple Watch, оценивают кардиофитнес (их версию VO2 max) с точностью до 1,2 мл/кг/мин, не требуя маски и интенсивных физических упражнений . Как они это делают?

В этой статье объясняется научная основа определения VO2 max, как работает кардиофитнес-алгоритм Apple Watch (на основе опубликованных подробностей из статей 2021 и 2023 годов), а также конкретные данные исследования, которые использовались для подтверждения его точности.

Начало: как VO2Max измеряется в лаборатории

Прежде чем разбираться в том, как алгоритм Apple Watch оценивает VO2Max, мы должны сначала определить, как на самом деле VO2Max измеряют в лаборатории.

VO? Max определяется как максимальный объем O? (кислорода), какой организм может использовать во время интенсивных тренировок. Это измерено во время сердечно-легочного теста с нагрузкой (CPET). Во время CPET вы носите респираторную маску при выполнении упражнений (например, езды на велосипеде или беговой дорожки) на постоянно растущей интенсивности. С увеличением интенсивности работы ваше тело потребляет больше O? (кислорода), выбрасывает больше CO? (углекислого газа), и ваше сердцебиение повышается.

В какой-то момент интенсивность тренировки становится столь высокой, что мышцам нужно больше кислорода, чем ваше сердце и легкие могут обеспечить. Тогда ваши мышечные клетки вынуждены переходить из аэробного режима на анеробный, так что CO? продолжает увеличиваться, а O? перестает расти. По крайней мере, это «идеализированная» тестовая ситуация на практике O? ли фактически не выйти на плато, и тест может завершиться, когда соотношение CO? к O? достигает 1,1, когда пациент испытывает одышку, когда на ЭКГ имеются признаки напряжения и т.п.

Весь этот процесс создает диаграмму из девяти панелей, которая показывает разные комбинации потребленного O?, выброшенного CO?, интенсивность физической нагрузки (в Вт), частота сердечных сокращений, частота дыхания, насыщение крови кислородом и так далее.

На панели 3 вы можете увидеть, как O? (красный) и CO? (синий) возрастают с увеличением интенсивности упражнений (черный). Приблизительно через 11 минут две линии расходятся (это анаэробный порог). Панель 5 показывает, что частота сердечных сокращений увеличивается примерно пропорционально O?.

Кардиофитнес – это оценка VO2Max от Apple Watch

Как вы это сделали, если бы вы хотели оценить VO2Max без фактического измерения O? и CO?? Вы можете использовать два факта:

1. Частота сердечных сокращений и O? пропорциональны: по мере увеличения частоты сердечных сокращений вы потребляете больше кислорода.
2. Вы можете оценить работу (в ваттах), если знаете темп и массу тела человека.

В медицинской литературе были предложены различные методы, и, как мы увидим, алгоритм Apple выглядит более сглаженной версией использующих нейронные сети в сочетании с обычными биофизическими дифференциальными уравнениями (ODE).

Кардио-фитнес-тест Rockport: простой метод с 1987 года

В 1987 году для оценки VO2 Макс был предложен тест на физическую ходьбу Rockport. Испытуемые выполняли несколько тестов ходьбы на 1 милю как можно скорее. Была указана частота сердечных сокращений и время завершения в линейную регрессию, которая дала эту формулу для расчета VO2Max на основе веса, возраста, пола каждого субъекта самое быстрое время и пульс:

VO2max = 6,9652 + (0,0091 вес) — (0,0257 возраст) + (0,5955 пол) — (0,2240 раз) — (0,0115* частота сердечных сокращений)

Точность была хорошей (r=0,92 в начальном исследовании). Как мы увидим в следующей главе, Apple, кажется, использует аналогичную научную основу, но с более сглаженным алгоритмом.

Apple Watch оценивает кардиофитнес с помощью частоты сердечных сокращений и GPS в качестве входных данных

Apple Watch требует двух вещей для оценки кардиофитнеса:

• Тренировка на свежем воздухе для ходьбы/бега/пешего туризма на ровной поверхности (5% или менее).
• Частота сердечных сокращений должна увеличиться более чем на 30% от частоты сердечных сокращений в покое. Например, если частота сердечных сокращений в покое составляет 60 ударов в минуту, а максимальная частота пульса – 180 ударов в минуту, вам нужно достичь частоты сердечных сокращений 96 ударов в минуту или выше, чтобы получить оценку VO2Max.

Они свидетельствуют о том, что они оценивают как работу, так и реакцию сердечного ритма на физические упражнения — сродни фундаментальной науке на тест Рокпорта.

Оценка VO2Max с помощью физиологических ODE и нейронных сетей

В 2023 году исследователи из Apple опубликовали статью об использовании биофизических обычных дифференциальных уравнений (ODE) для оценки пригодности с помощью переносных устройств, а также репозиторий с открытым кодом с некоторыми нейронными сетями Torch. Это дает представление о том, как современные алгоритмы глубокого обучения можно использовать для усовершенствования базовых научных знаний теста Rockport.

Статья начинается с определения частоты сердечных сокращений и кислородной реакции на физическую нагрузку с помощью набора обычных дифференциальных уравнений (ODE) :

Здесь I(t) – это интенсивность тренировки в момент времени t, f(I(t)) – мгновенная потребность в кислороде, D(t) – потребность в кислороде в момент времени t, и HR(t) – частота сердечных сокращений у момент времени t. А, В, альфа, бета – это изученные параметры.

Первое уравнение показывает нам, как потребность в кислороде изменяется с течением времени, чтобы соответствовать мгновенной потребности от интенсивности тренировки. Второе уравнение говорит нам, как ускорить частоту сердечных сокращений до темпа, необходимого для удовлетворения потребности в кислороде. Он включает факторы, описывающие, насколько быстро может адаптироваться сердце (A), насколько трудно достичь максимального пульса (бета) и сколько времени требуется для отдыха до частоты сердечных сокращений в покое (альфа).

Фитнес каждого человека в определенное время характеризуется семью физиологическими параметрами: A, B, альфа, бета, f, HRmin и HRmax.

Вместо того, чтобы непосредственно оценивать эти параметры, исследователи научили нейронную сеть , которая прогнозирует состояние человека. вся реакция сердечного ритма на физическую нагрузку с учетом латентного вектора z. В документе не указана размерность z, но в открытый код z является 32-мерным вектором. Они научили дополнительные нейронные сети предусматривать каждый физиологический параметр как функцию этого скрытого фактора: A(z), B(z), альфа(z) и т.д.

Потом эти физиологические характеристики были введены в линейную регрессию для прогнозирования VO2 Max. Ошибка была около 5% (неплохо). Что интересно, так это то, что модель интерпретируется в результате прохождения через физиологическое ODE. Например, можно увидеть очевидную корреляцию между прогнозируемыми значениями A, B, альфа и бета и VO2 Max на графиках ниже:

Кардиофитнес-алгоритм Apple Watch подтвержден в исследовании с участием 221 участника

Сама Apple провела исследование для проверки своего алгоритма, в котором приняли участие 534 участников для разработки и 221 для проверки. Ее алгоритм был удивительно точным со средней погрешностью от 1,2 до 1,4 мл/кг/мин и коэффициентом надежности (ICC) около 0,86–0,89.

Вы можете увидеть график фактического VO2Max (ось x) и оценку Apple Watch (ось y). Это очень хорошо!

Однако алгоритм имеет ограничения для людей с определенными заболеваниями и принимающих определенные лекарства. Apple из собственного отчета:

Другие заболевания также могут снизить точность VO2 максимальных оценок на Apple Watch. К ним относятся заболевания или устройства, отделяющие частоту сердечных сокращений от движения или физические упражнения (например, боли, аритмии, кардиостимуляторы или сердечно-вспомогательные устройства); медицинские условия, сильно ограничивающие толерантность к физическим нагрузкам, не позволяя пациентам достичь частоты сердечных сокращений, близких к прогнозируемой максимальной частоте сердечных сокращений (например, заболевания периферических артерий); и медицинские условия, значительно усложняющие передвижение, например, заболевание скелета или нервно-мышечной системы, что влечет за собой неэффективность (например, рассеянный склероз или детский церебральный паралич).

По материалам: empirical health

Даже если у вас отличный смартфон, и вы хотели бы пользоваться им как можно дольше, вас заставят его изменить. Приблизительно через 5-7 лет нужные вам приложения перестанут запускаться, требуя свежей версии Android или iOS. К счастью, смартфоны относительно недороги и покупка нового не пробьет дыру в семейном бюджете. Другое дело – автомобили. Они стали так же зависимы от программной поддержки, но немногие могут позволить менять автомобили так часто, как смартфоны.

Пользователи испытывают неудобства от проблем с программной поддержкой их автомобилей. К примеру, Google заблокировал возможность подключать Google. некоторые смартфоны Android для автомобилей с Android Auto. А владельцы автомобилей Subaru Outback столкнулись с внезапной разрядкой аккумулятора, так как владельцы автомобилей их авто не могло подключиться к мобильной сети.

Проблема с мобильной сетью такой коснулась владельцев автомобилей Volkswagen, включая несколько моделей, изготовленных с 2014 по 2019 год, чьи автомобили могли получить доступ к службе Car-Net Volkswagen. Car-Net включает в себя дистанционный запуск, а также автоматические сервисные оповещения, экстренную помощь, противоугонные оповещения и удаленные автоматические оповещения о сбоях, среди других сетевых функций.

Только в этом году около 3000 владельцев Nissan Leaf в Великобритании получили уведомления от компании о том, что они лишатся доступа к подключенным сервисам и соответствующим программам после того, как страна закроет свою мобильную сеть 2G.

Жизненный цикл автомобиля определяет софт

Volkswagen далеко не единственный автопроизводитель, признающий, что ему нужно хорошо подумать о том, как сохранить его все более сложное автомобильное программное обеспечение в будущем.

В течение десятилетия автопроизводители восхваляли преимущества «программно-определяющего транспортно-определяющего транспортного определителя». средства» — автомобиля, который благодаря переосмысленной электрической архитектуре и компьютерной централизации может обновляться со временем.

Обещание – это «смартфон на колесах»: автомобиль, который автопроизводители могут продолжать улучшать после того, как владелец уедет из автосалона.

Но как долго? Современные телефоны могут получать до шести-восьми лет после даты покупки. Samsung и Google предоставляют обновление ОС Android и обновление безопасности в течение семи лет. Apple прекращает обслуживание продуктов через семь лет после прекращения продаж.

Пять-семь лет программных обновлений для смартфонов достаточно, ведь средняя продолжительность владения смартфоном составляет всего 2,8 года.

Такой термин чрезвычайно недостаточен в автомобильном мире, где средний возраст автомобилей на дорогах только растет. Средний возраст автомобиля в Европе составляет 11 лет, в Украине средний возраст превышает 23 года.

Это означает, что программное обеспечение для автомобилей, выходящих сегодня на дороги, должно работать — и, возможно, даже улучшаться — после 2035 года.

Это новая проблема для автомобильной промышленности. «Одной из замечательных вещей в автомобилестроении является то, что он развивается гораздо медленнее, чем потребительская электроника», — говорит Фил Амсруд, заместитель директора из автомобильного отдела исследовательской компании S&P Global Mobility.

Это дает производителям и поставщикам автомобилей достаточно времени, чтобы понять, как поддерживать свою продукцию, и гарантировать, что программное обеспечение остается актуальным и будет функционировать как минимум 15 лет.

Но «теперь, когда мы пытаемся сократить временные рамки автомобильной промышленности, чтобы выглядеть более похожим на потребителя, 15 лет будет сжато до 10 лет, пяти лет?» – говорит Амсруд.

Автопроизводители любят идею «программно-определенного транспортного средства», потому что они могут стать точкой входа в высокодоходный бизнес программного обеспечения. Клиент, чей автомобиль можно обновлять в любое время и в любом месте, также может быть клиентом, готовым платить за обновление своего автомобиля в любое время и в любое время.

В результате автопроизводители могут продолжать продавать новые услуги и подписки — системы вождения без рук, дистанционный запуск и улучшенные карты — людям, уже купившим их автомобили, пока эта машина на дороге.

Сегодня автопроизводители упрямо внедряют подписку, а автомобильное «железо». Вспомните предложение от BMW 2022 года, согласно которому водители должны были ежемесячно оплачивать функцию подогрева сидений. Не платишь – нет подогрева несмотря на наличие всех аппаратных компонентов в автомобиле.

Автоизделия растеряны: не знают, как долго поддерживать софт

Концепция «автомобилей, определяемых программным обеспечением», требует от автопроизводителей гарантировать, что аппаратное обеспечение сегодняшнего автомобиля сможет работать с новыми возможностями завтрашнего дня. Выключение мобильных сетей — выбор, в большинстве своем сделанный телекоммуникационными фирмами, а не автопроизводителями — демонстрирует, что это сложная задача, которую нужно продвигать вперед.

В письменном заявлении представитель Volkswagen Марк Гиллис сказал, что «несмотря на все наши усилия, мы еще не определили решение, которое соответствует нашим стандартам надежности и безопасности для автомобилей 3G». Он отказался комментировать дальнейшие решения, ссылаясь на продолжающиеся судебные процессы, но сказал, что компания считает, что 4G прекратится только после 2035 года, что означает, что большинство наших автомобилей 4G будут иметь возможность подключаться по меньшей мере в течение 10 лет.

Автомобильные эксперты говорят, что отрасль не взяла никаких значительных обязательств по поводу того, как долго она планирует продолжать обновлять новые автомобили с программным обеспечением.

И если транспортные средства теряют способность обновляться задолго до попадания на свалку, «владелец получает большой удар в стоимости перепродажи», — говорит Филипп Купман, изучающий транспортное программное обеспечение и безопасность как доцент Университета Карнеги-Меллона.

Рей Корнин является старшим вице-президентом и генеральным менеджером автомобильных процессоров NXP, нидерландской фирмы, являющейся одним из самых популярных поставщиков в автомобильной промышленности. Он прогнозирует, что будущее автомобильного программного обеспечения будет выглядеть немного похоже на настоящее.

«Автомобили будут определены и спроектированы на срок службы от 10 до 15 лет», — говорит он, а поддержка поставщиков, таких как NXP, продлится более 15-летнего рубежа. Но большинство обновлений завершится через пять-десять лет.

Компания EV Rivian рекламирует себя как компанию, занимающуюся программным обеспечением. Руководитель отдела программного обеспечения Васим Бенсаид говорит, что его решение по старению достаточно просто: автопроизводитель обсуждает со своими поставщиками, когда его аппаратное обеспечение больше нельзя будет обновлять.

«Сегодня запас, который мы запланировали в нашем аппаратном обеспечении с тем, что мы считаем лучшими практиками в мире программного обеспечения, мы оцениваем в семь лет», — говорит Бенсаид.

Итак, хотя это соответствует долговечности смартфонов, на практике это может означать, что продаваемые сегодня грузовики и внедорожники Rivian могут продолжать получать обновления программного обеспечения только до 2031 года. Однако водители не могут остаться в стороне; компания может продолжать оказывать поддержку существующему программному обеспечению по истечении семи лет.

Однако, несмотря на то, что это, возможно, самый решительный шаг по обновлениям, которые любой автопроизводитель обязался обновить, эксперты все еще скептически настроены и хотят, чтобы автопроизводители более четко представляли, когда и как они планируют обновлять свои автомобили.

По материалам: Wired