Handling Class Imbalance Using Swarm Intelligence Techniques, Hybrid Data and Algorithmic Level Solutions

This research focuses mainly on the binary class imbalance problem in data mining. It investigates the use of combined approaches of data and algorithmic level solutions. Moreover, it examines the use of swarm intelligence and population-based techniques to combat the class imbalance problem at all levels, including at the data, algorithmic, and feature level. It also introduces various solutions to the class imbalance problem, in which swarm intelligence techniques like Stochastic Diffusion Search (SDS) and Dispersive Flies Optimisation (DFO) are used. The algorithms were evaluated using experiments on imbalanced datasets, in which the Support Vector Machine (SVM) was used as a classifier. SDS was used to perform informed undersampling of the majority class to balance the dataset. The results indicate that this algorithm improves the classifier performance and can be used on imbalanced datasets. Moreover, SDS was extended further to perform feature selection on high dimensional datasets. Experimental results show that SDS can be used to perform feature selection and improve the classifier performance on imbalanced datasets. Further experiments evaluated DFO as an algorithmic level solution to optimise the SVM kernel parameters when learning from imbalanced datasets. Based on the promising results of DFO in these experiments, the novel approach was extended further to provide a hybrid algorithm that simultaneously optimises the kernel parameters and performs feature selection

Evolutionary Computation

This book presents several recent advances on Evolutionary Computation, specially evolution-based optimization methods and hybrid algorithms for several applications, from optimization and learning to pattern recognition and bioinformatics. This book also presents new algorithms based on several analogies and metafores, where one of them is based on philosophy, specifically on the philosophy of praxis and dialectics. In this book it is also presented interesting applications on bioinformatics, specially the use of particle swarms to discover gene expression patterns in DNA microarrays. Therefore, this book features representative work on the field of evolutionary computation and applied sciences. The intended audience is graduate, undergraduate, researchers, and anyone who wishes to become familiar with the latest research work on this field

Effects of elastic-based exercise interventions on oxidative stress, bone health, body composition, neuromuscular strength and physical function in older women: training intensity and modality as key exercise programming parameters

Antecedentes El envejecimiento de la población mundial es reconocido por la Organización Mundial de la Salud (OMS) como un problema principal debido a las discapacidades y comorbilidades relacionadas con este proceso, siendo las mujeres el género más afectado. Debido al deterioro y las consecuencias asociadas al envejecimiento, la actividad física y el ejercicio han demostrado ser estrategias eficaces para reducir el impacto del envejecimiento. Sin embargo, todavía se desconoce qué tipo de programa de entrenamiento podría ser el más eficaz para revertir los cambios deletéreos relacionados con la edad en mujeres mayores. En este sentido, el tipo de intensidad del entrenamiento y la modalidad de ejercicio son dos parámetros clave de entrenamiento en la programación de programas y, como tales, podrían inducir diferentes adaptaciones. Además, el tipo de dispositivo de entrenamiento también es un factor principal y puede actuar como barrera o facilitador en la participación de los adultos mayores en actividades físicas y programas de ejercicio. Objetivos Los objetivos genrales de la presente tesis doctoral fueron: - Correspondiente al proyecto uno: examinar y comparar los efectos a medio (16 semanas) y a largo plazo de un programa de entrenamiento de fuerza elástica de 32 semanas a intensidad alta y moderada sobre el estrés oxidativo, la salud ósea, la composición corporal, la fuerza muscular y la función física en mujeres mayores. Este objetivo general se logró mediante varios objetivos específicos. - Correspondiente al proyecto dos: analizar y comparar los efectos de los programas de entrenamiento multi-componente, de potencia y tradicional de fuerza a alta intensidad utilizando dispositivos de resistencia elástica sobre biomarcadores de estrés oxidativo, salud ósea, riesgo cardiovascular, composición corporal, fuerza muscular y función física en mujeres mayores durante 20 semanas de entrenamiento. Este objetivo general se logró mediante varios objetivos específicos. Los objetivos específicos pertenecientes al proyecto uno fueron los siguientes: - 1. Objetivo específico (OE) 1: Investigar los efectos a medio plazo (16 semanas) de la intensidad del entrenamiento (alta vs moderada) en programas de entrenamiento de fuerza con bandas elásticas sobre biomarcadores de estrés oxidativo a través de la evaluación del impacto en el daño del ácido deoxirribonucleico (ADN) (8-oxo-2-desoxiguanosina [8-oxo-dG] en orina), peroxidación de lípidos (F2 -isoprostanos [8-iso-P], malondialdehído [MDA]), oxidación de proteínas (carbonilos de proteínas), estado redox de tiol (glutatión reducido [GSH], glutatión oxidado [GSSG], ratio GSSG/GSH) y enzimas antioxidantes (catalasa [CAT], glutatión peroxidasa [GPx] y superóxido dismutasa [SOD]) en mujeres mayores. - 2. OE2: Determinar los efectos a medio (16 semanas) y a largo plazo (32 semanas) de la intensidad del entrenamiento (alta vs moderada) en programas de entrenamiento de fuerza que utilizan bandas elásticas sobre la remodelación ósea mediante la evaluación de los biomarcadores de formación ósea (propéptido aminoterminal del procolágeno tipo I [P1NP], fosfatasa alcalina ósea [FAo]), reabsorción (forma β-isomerizada del telopéptido C-terminal del colágeno tipo I [β-CTx]) y el equilibrio de ambos procesos (relación FAo / β-CTx) en mujeres mayores. - 3. OE3: Evaluar los efectos a largo plazo (32 semanas) de la intensidad del entrenamiento (alta vs moderada) en los programas de entrenamiento de fuerza que utilizan bandas elásticas sobre la salud ósea mediante la evaluación de la densidad mineral ósea de area (aDMO) y la puntuación T de la columna lumbar (segmentos L1-L4 y L2-L4 y vértebras individuales L1, L2, L3 y L4) y el fémur proximal (cuello femoral, trocánter, intertrocánter, triángulo de Ward y cadera total) junto con 1,25 hydroxyvitamina D (25OHD), sodio (Na), potasio (K), y biomarcadores de cloro (Cl) en mujeres mayores. - 4. OE4: Determinar los efectos a largo plazo (32 semanas) de la intensidad del entrenamiento (alta frente a moderada) en los programas de entrenamiento de fuerza que utilizan bandas elásticas sobre el riesgo de fractura mediante la evaluación del impacto en la probabilidad de 10 años de una fractura osteoporótica mayor y en la probabilidad a 10 años de una fractura de cadera en mujeres mayores. - 5. OE5: Analizar los efectos a largo plazo (32 semanas) de la intensidad del entrenamiento (alta vs moderada) en programas de entrenamiento de fuerza que utilizan bandas elásticas sobre la composición corporal mediante la evaluación de la masa corporal total, masa grasa total, masa libre de grasa total, y porcentaje total de masa grasa en mujeres mayores. - 6. OE6: Investigar los efectos a largo plazo (32 semanas) de la intensidad del entrenamiento (alta frente a moderada) en programas de entrenamiento de fuerza con bandas elásticas sobre la fuerza muscular de las extremidades superiores e inferiores mediante la evaluación de la fuerza isocinética de la flexio-extension de rodilla y codo así como de la abducción y aducción de cadera a 60º/s y 180º/s en mujeres mayores. - 7. OE7: Determinar los efectos a largo plazo (32 semanas) de la intensidad del entrenamiento (alta vs moderada) en los programas de entrenamiento de fuerza que utilizan bandas elásticas sobre la función física mediante la evaluación del impacto en la fuerza-resistencia de las extremidades superiores (test flexo-extensiones de codo durante 30 segundos [30seg-FC]) y extremidades inferiores (test de levantarse y sentare de la silla durante 30 segundos [30seg-LS]), parámetros de equilibrio dinámico (test de “time up and go [TUG]) y resistencia aeróbica (test de seis minutos marcha [6MM]) en mujeres mayores. - 8. OE8: Evaluar y analizar el estado cognitivo (MMSE), el nivel de las actividades básicas de la vida diaria (ABVDs; índice de Barthel) y actividades instrumentales de la vida diaria (AIVDs; escala de Lawton y Brody), así como datos socioeconómicos, de salud y de estilo de vida generales como posibles variables de confusión. - 9. OE9: Identificar las diferencias en los parámetros mencionados en OE1 a OE7 al final de la intervención en función de la intensidad de entrenamiento empleada. - 10. OE10: Determinar la efectividad y seguridad de los programas de entrenamiento de fuerza a intensidad alta y moderada intensidad supervisados y progresivos realizados con bandas elásticas a través de la evaluación de las tasas de asistencia, cumplimiento y eventos adversos reportados por las mujeres mayores participantes. Los objetivos específicos pertenecientes al proyecto dos fueron los siguientes: - 1.OE1: Comparar los efectos de la modalidad de entrenamiento (multi-componente vs entrenamiento de potencia) en un período de intervención de 20 semanas utilizando resistencia elástica sobre biomarcadores de estrés oxidativo mediante la evaluación del impacto en el daño del ADN (8-oxo-dG en orina), peroxidación de lípidos (8-iso-P), estado redox del tiol (proporciones de glutatión total, GSH, GSSG, GSSG GSH y GSH/GSSG) y enzimas antioxidantes (GPx y SOD) en mujeres mayores. - 2. OE2: Determinar los efectos de la modalidad de entrenamiento (multi-componente vs entrenamiento de fuerza) en un período de intervención de 20 semanas utilizando resistencia elástica sobre la remodelación ósea mediante la evaluación de biomarcadores de formación ósea (osteocalcina [OC]) y resorción ósea (β- CTx) en mujeres mayores. - 3. OE3: Evaluar los efectos de la modalidad de entrenamiento (multi-componente, de potencia o entrenamiento tradicional de fuerza a alta intensidad) en un período de intervención de 20 semanas utilizando resistencia elástica sobre la salud ósea mediante la evaluación de aDMO y puntuación T de la columna lumbar (segmentos L1-L4 y L2-L4 y vértebras individuales L1, L2, L3 y L4) y el fémur proximal (cuello femoral, trocánter, intertrocánter, triángulo de Ward y cadera total) en mujeres mayores. - 4. OE4: Determinar los efectos de la modalidad de entrenamiento (multi-componente, de potencia o entrenamiento traditional de fuerza a alta intensidad) en un período de intervención de 20 semanas utilizando resistencia elástica sobre el riesgo de fractura mediante la evaluación del impacto en los parámetros de probabilidad de fractura osteoporótica mayor y probabilidad de fractura de cadera en 10 años en mujeres mayores - 5. OE5: Analizar los efectos de la modalidad de entrenamiento (multi-componente, de potencia o entrenamiento traditional de fuerza a alta intensidad) en un período de intervención de 20 semanas utilizando resistencia elástica sobre el riesgo cardiovascular mediante evaluación de la circunferencia de la cintura (CC). , circunferencia de la cadera (CCA), índice cintura-cadera (ICCA) e índicecintura-altura (ICA) en mujeres mayores. - 6. OE6: Investigar los efectos de la modalidad de entrenamiento (multicomponente, de potencia o entrenamiento de tradicional de fuerza a alta intensidad) en un período de intervención de 20 semanas utilizando resistencia elástica sobre la composición corporal a través de la evaluación de la masa corporal total, total masa grasa, masa libre de grasa total y porcentaje total de masa grasa en mujeres mayores. - 7. OE7: Determinar los efectos de la modalidad de entrenamiento (multicomponente, de potencia o entrenamiento tradicional de fuerza de alta intensidad) en un período de intervención de 20 semanas utilizando resistencia elástica sobre la fuerza muscular de los miembros superiores e inferiores mediante la evaluación de la fuerza isocinética de la flexo-extension de rodilla y codo así como la abducción y aducción de la cadera a 60º/sy 180º/s en mujeres mayores. - 8. OE8: Evaluar los efectos de la modalidad de entrenamiento (multicomponente, de potencia o entrenamiento tradicional de fuerza de a alta intensidad) en un período de intervención de 20 semanas utilizando resistencia elástica en la función física mediante la evaluación del impacto en la fuerza-resistencia de las extremidades superiores (30seg-FC) e inferiores (30seg-LS), potencia de las extremidades inferiores (test de levantarse y sentarse de la silla cinco veces [5SLS] y prueba cronometrada de subir escaleras), equilibrio proactivo (test de alcance funcional [PAF]) y dinámico (TUG), así como la resistencia aeróbica (6MM) en mujeres mayores. - 9. OE9: Evaluar y analizar el estado cognitivo (MMSE), nutricional (registro de dieta de 3 días), síntomas de ansiedad (escala general de severidad y deterioro de la ansiedad [Overall anxiety severity and impairment scale, OASIS]), síntomas de depresión (escala general de severidad y deterioro de la depresión [Overall depression severity and impairment scale, ODSIS]) ; el nivel de actividad física (Cuestionario Global de Actividad Física [GPAQ]), las ABVDs (índice de Barthel) y las AIVDs (escala de Lawton y Brody); y los datos socioeconómicos, de salud y de estilo de vida generales como posibles variables de confusión. - 10. OE10: Identificar las diferencias en los parámetros mencionados de OE1 a OE8 al final de la intervención según la modalidad de entrenamiento empleada. - 11. OE11: Determinar la eficacia y seguridad de los programas de entrenamiento multi-componente, de potencia y tradicional de fuerza a alta intensidad supervisados y progrevivos tradicionales realizados con resistencia elástica a través de la evaluación de las tasas de asistencia, cumplimiento y eventos adversos reportados por las mujeres mayores participantes. Metodología La presente tesis doctoral está compuesta por dos proyectos/estudios en los que participaron voluntariamente dos cohortes diferentes de mujeres mayores (primer proyecto: 93 sujetos de 60-88 años [69,93 ± 6,27]; segundo proyecto: 136 sujetos de 60-82 años [67,97 ± 4,77]). En el primer proyecto, los sujetos fueron asignados aleatoriamente a un programa de entrenamiento de fuerza progresivo con bandas elásticas de alta intensidad (AI; n = 39), moderada (M; n = 31), o a un grupo de control (C; n = 23) durante 32 semanas. En el segundo proyecto, los participantes fueron asignados aleatoriamente a un programa de entrenamiento multi-componente (MT; n = 34), potencia (P; n = 34), tradicional de fuerza a de alta intensidad (T; n = 34) o a un grupo control (C; n = 34) durante 20 semanas, donde la característica común entre las tres modalidades de ejercicio era el uso de bandas elásticas como material de entrenamiento. En el primer proyecto, los grupos de entrenamiento realizaron un programa de fuerza progresivo con bandas elásticas dos veces por semana, compuesto por tres a cuatro series de seis (AI) o 15 (M) repeticiones, incluyendo seis ejercicios de cuerpo entero con una tasa de esfuerzo percibido de 6-7 (primeras cuatro semanas) y 8-9 (resto de las semanas) en la escala OMNI-RES. El grupo de control recibió instrucciones de continuar con su vida normal. En el segundo proyecto el grupo P y T realizaron el mismo entrenamiento en términos de ejercicios (seis ejercicios de cuerpo) y series (de tres a cuatro series por ejercicio), dos veces por semana, usando ambos bandas elásticas, pero el grupo P desplazó la carga a máxima velocidad en la fase concéntrica mientras que el grupo T utilizó 2 s para realizar la fase concéntrica y 2s para la fase excéntrica. Asimismo, el grupo P realizó 12 (en las primeras dos semanas para consolidar la técnica) y 10 (para el resto del programa) repeticiones submáximas en cada serie con un esfuerzo percibido de tres-cuatro (muy bajo) en la escala OMNI-RES en la primera repetición, lo que equivale al 40-60% una repetición máxima (1 RM) (baja carga o baja intensidad) y nunca sobrepasó el valor de seis al final de las 10 repeticiones. El grupo T realizó seis repeticiones submáximas equivalentes al 85% de una 1RM a un valor de seis a siete en las primeras cuatro semanas y de ocho a nueve en las 16 semanas restantes. El entrenamiento multi-componente estuvo compuesto por ejercicios de equilibrio, fuerza, aeróbicos, flexibilidad y coordinación en la misma sesión y se realizó también dos veces por semana. En ambos estudios se evaluó el estrés oxidativo, la salud ósea, la composición corporal, la fuerza neuromuscular y la función física. El estado de estrés oxidativo se evaluó en productos de ADN (8-oxo-dG en orina en ambos proyectos), lípidos (8-iso-P en ambos proyectos; MDA en el primer proyecto), y proteínas (proteínas carboniladas en el primer proyecto), junto con enzimas antioxidantes (SOD y GPx en ambos proyectos; CAT en el segundo proyecto) y estado redox tiol (GSH, GSSG, ratio GSSG/GSH en ambos proyectos; glutatión total y ratio GSH/GSSG en el segundo proyecto) . La salud ósea estuvo compuesta por medidas aDMO y puntuación T de la columna lumbar (segmentos L1-L4, L2-L4 y vértebras individuales L1, L2, L3, L4, en ambos proyectos ), fémur proximal (cuello femoral, trocánter, área intertrocantérea , triángulo de Ward y cadera total en ambos proyectos) evaluados por absorciometría dual de rayos X (DXA), riesgo de fractura (probabilidad en 10 años de una fractura osteoporótica mayor y probabilidad en 10 años de fractura de cadera) y finalmente biomarcadores óseos de formación ósea (P1NP en ambos proyectos, FAo en el primer proyecto y OC en el segundo proyecto), reabsorción ósea (β-CTx en ambos proyectos) y relación entre ambos (FAo/β- CTx en el primer proyecto).La composición corporal (la masa corporal total, la masa grasa corporal total, la masa libre de grasa corporal total y el porcentaje total de grasa corporal) se midió en ambos proyectos por DXA mientras que en el segundo proyecto también se evaluó el riesgo cardiovascular a través de medidas antropométricas (CC, CCA, ICCA, ICA). Además, la fuerza neuromuscular de las extremidades superiores (músculos flexores y extensores del codo) e inferiores (abductores y aductores de cadera junto con músculos flexores y extensores de rodilla) se evaluó mediante dinamometría isocinética a bajas (60 °/s) y altas (180 °/s) velocidades en ambos proyectos. Finalmente, la función física se midió usando varias pruebas funcionales y baterías ampliamente utilizadas en la literatura como los tests 30seg-LS y 30seg-FC para evaluar la fuerza/resistencia de las extremidades inferiores y superiores (usado en ambos proyectos), el tes TUG para evaluar el equilibrio dinámico/agilidad (usado en ambos proyectos), la prueba de 6MM para evaluar la resistencia aeróbica (usado en ambos proyectos), el test 5SLS, subir escaleras, la velocidad de ascensión de escaleras (VAE) y la potencia de ascensión de escaleras (PAE) para la fuerza muscular de las extremidades inferiores (utilizada en el segundo proyecto), así como la PAF para el equilibrio proactivo (utilizada en el segundo proyecto). Los datos se analizaron a través del enfoque de intención de tratar (IDT) y análisis por protocolo (APP) en ambos proyectos. Después de aplicar las pruebas de Kolmogorov-Smirnov y Levene para analizar la distribución y homogeneidad de los datos, los datos no distribuidos normalmente se transformaron utilizando el logaritmo natural (log10). Se utilizó un análisis de varianza de dos vías (ANOVA) para medidas repetidas seguidas de correcciones de Bonferroni para examinar los efectos de tiempo, grupo e interacciones. Además también se aplicó un análisis de covarianza de dos vías (ANCOVA) para medidas repetidas utilizando los valores basales y la edad como covarianzas. También se calcularon los tamaños del efecto d de Cohen (TE) y el porcentaje delta (Δ%). Los datos se presentan como media ± desviación típica (DT) junto con los intervalos de confianza (IC) del 95%. La significación estadística se estableció en p ≤ 0,05. Para el análisis estadístico se utilizó el software comercial SPSS Versión 25.0. Resultados Respecto al estrés oxidativo, en el primer proyecto, tras 16 semanas de entrenamiento, el grupo M logró descensos significativos en 8-oxo-dG (-21,34%), 8-iso-P (-15,85%) y MDA (-19,12%) con TE moderados en todos ellos, mientras que el grupo AI mostró aumentos significativos en 8-oxo-dG (+60,49%; TE grande) y 8-iso-P- P (+24,40%; TE moderado). No se encontraron diferencias significativas por tiempo en las proteínas carboniladas. Se encontró una interacción significativa tiempo × grupo en MDA entre los grupos M y C. Después de aplicar el ANCOVA, se encontraron diferencias entre AI y M así como entre los grupos AI y C en 8-oxo-dG y entre M vs C en MDA. Además el grupo M mostró un aumento en los niveles de CAT (+5,40%; TE pequeño) (p ≤ 0,05) mientras que el grupo AI disminuyó significativamente el GPx (-8,95%; TE moderado) y GSH (-9,31%; TE moderado). En el segundo proyecto, después de 20 semanas, tanto los grupos MT como los P mejoraron el estado de estrés oxidativo al disminuir el 8-oxo-dG (MT: -48.56%, TE moderado; P: -65.79% , TE grande ) y 8-iso-P ( MT: -30,49%, TE moderado; P: -26,98% , TE pequeño). Además el grupo MT incrementó significativamente los valores de la enzima SOD (TE pequeño). Así mismo, se encontraron diferencias significativas entre los grupos P y C en 8-oxo-dG y entre ambos grupos experimentales y el grupo C en SOD. El grupo P también logró cambios positivos en el estado redox tiol (p ≤ 0,05) (aumento en el glutatión total, GSH el ratio GSSG/GSH y disminución en GSSG). Después de aplicar la ANCOVA, el grupo MT mostró una disminución significativa en GSSG y en el ratio GSSG/GSH. El TE de los cambios de estado de los tioles varió de pequeño a grande. En cuanto a la salud ósea, en el primer proyecto, después de 32 semanas tanto el grupo de AI como el grupo M lograron un aumento significativo de la aDMO de la columna lumbar total (M: +0,89%; AI: +1,12%) con TE trivial, pero solo el grupo AI mostró diferencias significativas con el grupo C. En el fémur proximal, tanto el grupo AI como el grupo M aumentaron (p ≤ 0,05) la aDMO del cuello femoral (M: +1,57%; AI: +1,39%), triángulo de Ward (M: +2,59%; AI: +2,47%), y cadera total (M: +1,13%; AI: +1,21%) mientras que el grupo AI también mejoró significativamente la aDMO del trocánter (+1,38%). Los TE fueron todos triviales no se encontraron diferencias significativas entre los grupos. Por otro parte, el riesgo de fractura de osteoporótica mayor o de fractura de cadera también se redujo (p ≤ 0,05) en ambos grupos. Los cambios en la aDMO se acompañaron de cambios significativos en los biomarcadores de formación y reabsorción ósea después de 16 semanas, como fue el caso de P1NP (M: +11,24%; AI: +8,23%), FAo (AI: + 4,68%), β- CTx (M: -6,65%; AI: -8,07%), y ratio FAo /β-CTx (M: +13,71%; AI : +9,58%) , así como también después de 32 semanas [P1NP (M: +19,76%; AI : +23,89%), FAo (M: +8,07%; AI: +9,95%), β- CTx (M: -7,24%; AI: -9,80%), y ratio FAo/β- CTx (M: +20,86 %; AI: +19,56%)] . En todos los parámetros la magnitud de los cambios se consideró trivial o pequeña. El ANCOVA reveló diferencias significativas entre los grupos AI y C en FAo, β-CTx y ratio FAo/ β-CTx, y entre ambos grupos de ejercicio en FAo. En el segundo proyecto, únicamente el grupo P mejoró significativamente la aDMO de la columna lumbar completa (+1,28%, TE triviales) y algunas zonas del fémur proximal, tales como el área intertrocantérea (+ 1,38%, TE triviales), triángulo de Ward (+4,66%, TE pequeños) y cadera total (+1,03%, TE triviales), sin diferencias entre los grupos, excepto entre los grupos P y C en el área intertrocantérea y la cadera total después de aplicar el ANCOVA. Todos los grupos de entrenamiento redujeron significativamente el riesgo de fractura y tanto los grupos MT como P mostraron adaptaciones positivas (p ≤ 0,05) en los biomarcadores óseos al aumentar la OC (MT: +16.37%, TE moderado; P: +24.82%, TE grande) y reducir el β- CTx (MT: - 9,05%, TE pequeño; P: - 8,76%, TE pequeño). En cuanto a la composición corporal, en el primer proyecto, el grupo