关键词:
最大摄氧量
心率变异性
普通大学生
机器学习
遗传算法
摘要:
研究目的:当前我国慢性病防控形势严峻,且面临年轻化趋势,普通大学生慢性病防控面临重大挑战。有氧运动已被证实对普通大学生的慢性病的防控有积极作用,但仍需要设定个性化运动强度以避免运动强度过大产生的不利影响。最大摄氧量(Maximal oxygen uptake,VO2max)是评定心肺耐力的金标准,可作为制定有氧运动强度的指标。然而,直接测试法评定VO2max受到设备以及人员限制难以大范围开展,通过心率间接评定VO2max准确性不高。许多研究发现无论是静息时还是恢复时的心率变异性(Heart rate variability,HRV)均与VO2max显著相关,且许多研究联合HRV构建机器学习模型预测VO2max,但尚未有研究应用HRV指标构建机器学习模型预测普通男女大学生的VO2max。因此本研究旨在应用遗传算法(Genetic algorithm,GA)优化的机器学习方法联合静息时以及功率自行车运动后恢复时HRV预测普通男女大学生的VO2max,为基于HRV的可穿戴设备预测VO2max提供理论依据,并更好地指导普通大学生进行有氧运动以预防慢性病。此外希冀通过本研究完善功率自行车预测VO2max的指标。
研究方法:招募并筛选出符合标准的普通大学生120人,男女生各60人。实验分为数据采集以及模型构建。1)数据采集:静息状态应用polar V800与H10心率带(芬兰)测量10min RR间隔,然后应用ergoline功率自行车(德国)和Cosmed K5(意大利)便携式气体代谢分析仪测量并分析得到VO2max,运动结束后应用polar V800与H10心率带(芬兰)测量10min RR间隔,之后选择静息时与恢复时5~10min RR间隔并应用Matlab R2021b软件提取时域、频域以及非线性指标;2)模型构建,根据7:3的比例随机划分训练集以及测试集,在训练集中应用SPSS 25.0进行Spearman相关性分析以及多重共线性检验,之后用得到的特征构建未应用GA算法进行特征选择的支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)以及应用GA算法进行特征选择的SVR(即GA优化的SVR),最后应用均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)以及平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)在测试集中评估模型性能。
研究结果:
(1)经过Spearman相关性初步筛选特征,多重共线性分析后得到静息时全部特征为Max_RR,Mean_RR,Min_RR,SDNN,RMSSD,NN50,p NN50,TRI,TINN,HF,r HF,HF_nu,SD1,SD2,DFAα1,RET,ENTR,Lmean以及性别。
(2)经过Spearman相关性初步筛选特征,多重共线性分析后得到恢复时全部特征为Max_RR,Median_RR,Min_RR,RMSSD,NN50,TINN,r VLF,HF,LF,LF/HF,HF_nu,TF,SD1,SD2,DFAα1,DFAα2以及性别。
(3)GA算法选择的最佳特征组合为:静息时:Max_RR,Mean_RR,Min_RR,SDNN,RMSSD,p NN50,HF,HF_nu,ENTR,Lmean以及性别;恢复时:Max_RR,Min_RR,RMSSD,HF,LF,HF_nu,SD1,DFAα1,DFAα2以及性别。
(4)模型以及结果:
GA优化的SVR模型性能更好,构建的模型分别为:
静息时:VO2max=0.8261×Max_RR+0.6155×Mean_RR+0.5847×Min_RR+1.7936×SDNN+0.5115×RMSSD+0.0726×p NN50-0.0519×HF+1.4297×HF_nu+0.3614×ENTR+1.6256×Lmean+3.7887×性别(男=0.971,女=-1.018)+35.2248;最优超参数为惩罚参数C=0.4642,ε=1.3775,核函数为线性核;RMSE=3.9767,MAE=3.4404。
恢复时:VO2max=0.8535×Max_RR+0.1181×Min_RR+2.5670×RMSSD+0.3391×HF-0.0429×LF+0.2155×HF_nu+0.1081×SD1+2.1607×DFAα1-1.6245×DFAα2+2.5785×性别(男=0.971,女=-1.018)+35.7195;最优超参数为惩罚参数C=0.4642,ε=0.3996,核函数为线性核;RMSE=4.0253,MAE=3.2886。
研究结论:
(1)应用GA算法优化的SVR算法分别得到功率自行车测试静息时及恢复时预测普通大学生VO2max的最佳特征组合,其中,静息