Statistical Machine Learning for Automatic Assessment of Physical Activity Intensity Using Multi-axial Accelerometry and Heart Rate

This work explores the automatic recognition of physical activity intensity patterns from multi-axial accelerometry and heart rate signals. Data collection was carried out in free-living conditions and in three controlled gymnasium circuits, for a total amount of 179.80 h of data divided into: sedentary situations (65.5%), light-to-moderate activity (17.6%) and vigorous exercise (16.9%). The proposed machine learning algorithms comprise the following steps: time-domain feature definition, standardization and PCA projection, unsupervised clustering (by k-means and GMM) and a HMM to account for long-term temporal trends. Performance was evaluated by 30 runs of a 10-fold cross-validation. Both k-means and GMM-based approaches yielded high overall accuracy (86.97% and 85.03%, respectively) and, given the imbalance of the dataset, meritorious F-measures (up to 77.88%) for non-sedentary cases. Classification errors tended to be concentrated around transients, what constrains their practical impact. Hence, we consider our proposal to be suitable for 24 h-based monitoring of physical activity in ambulatory scenarios and a first step towards intensity-specific energy expenditure estimators

Gender differences and inequalities in the habits of physical activity of the adult population in Spain

Proyecto I+D+i DEP19801: Gender differences and inequalities in the habits of physical activity of the adult population in Spain

Gender differences and inequalities in the habits of physical activity of the adult population in Spain

Proyecto I+D+i DEP19801: Gender differences and inequalities in the habits of physical activity of the adult population in Spain

Biomarkers of physical activity and exercise.

Tradicionalmente, los biomarcadores han sido de interés en las ciencias del deporte para medir el rendimiento, el progreso en el entrenamiento y para identificar el sobreentrenamiento. Durante los últimos años, cada vez hay mayor interés en evaluar los efectos relacionados con la salud que se producen en el organismo debidos a una actividad física regular y al deporte. El valor o la concentración de un biomarcador depende de muchos factores, como el grado de entrenamiento, el grado de fatiga y del tipo, la intensidad y la duración del ejercicio, aparte de la edad y del sexo. La mayor parte de los biomarcadores se miden en sangre, orina y saliva. Una de las principales limitaciones que presentan los biomarcadores bioquímicos es la falta de valores de referencia adaptados específicamente para deportistas y personas físicamente activas. Las concentraciones pueden variar considerablemente de los valores de referencia normales. Por lo tanto, es importante adaptar los valores de referencia siempre y cuando sea posible y controlar a cada sujeto regularmente, con el fin de establecer su propia escala de referencia. Otros biomarcadores útiles son la composición corporal (específicamente masa muscular, masa grasa, peso), la condición física (capacidad cardiorrespiratoria, fuerza, agilidad, flexibilidad), frecuencia cardíaca y presión arterial. Dependiendo de la finalidad, será conveniente analizar uno o varios biomarcadores. Para esta revisión, profundizaremos en los biomarcadores que se emplean para evaluar condición física, fatiga crónica, sobreentrenamiento, riesgo cardiovascular, estrés oxidativo e inflamación.

Effects of dietary restriction combined with different exercise programs or physical activity recommendations on blood lipids in overweight adults

Background and aim: Many exercise studies, although generally showing the beneficial effects of supervised aerobic, resistance or combined exercise on blood lipids, have sometimes reached equivocal conclusions. The aim of this study is to evaluate the impact of different programs that combined exercise and dietary restriction on blood lipids versus a clinical practice intervention for weight loss, in overweight adults. Methods: For this study 66 subjects participated in a supervised 22 weeks training program, composed of three sessions per week and they were randomized in three groups: strength training (S; n = 19), endurance training (E; n = 25), a combination of E and S (SE; n = 22). Eighteen subjects served as physical activity group (PA) that followed a clinical intervention consisted of physical activity recommendations. All groups followed the same dietary treatment, and blood samples were obtained for lipids measurements, at the beginning and end of the study. Results: Lipid profile improved in all groups. No significant differences for baseline and post-training values were observed between groups. In general, SE and PA decreased low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C) values (p menor que 0.01). S decreased triglyceride levels (p menor que 0.01) and E, SE, and PA decreased total cholesterol levels (p menor que 0.05, p menor que 0.01 and p menor que 0.01, respectively). Conclusions: These results suggest that an intervention program of supervised exercise combined with diet restriction did not achieved further improvements in blood lipid profile than diet restriction and physical activity recommendations, in overweight adults. (Clinical Trials gov number: NCT01116856).

Automatic physical activity pattern recognition and meal intake modelling in type 1 diabetes for their inclusion in artificial pancreas systems

La diabetes comprende un conjunto de enfermedades metabólicas que se caracterizan por concentraciones de glucosa en sangre anormalmente altas. En el caso de la diabetes tipo 1 (T1D, por sus siglas en inglés), esta situación es debida a una ausencia total de secreción endógena de insulina, lo que impide a la mayoría de tejidos usar la glucosa. En tales circunstancias, se hace necesario el suministro exógeno de insulina para preservar la vida del paciente; no obstante, siempre con la precaución de evitar caídas agudas de la glucemia por debajo de los niveles recomendados de seguridad. Además de la administración de insulina, las ingestas y la actividad física son factores fundamentales que influyen en la homeostasis de la glucosa. En consecuencia, una gestión apropiada de la T1D debería incorporar estos dos fenómenos fisiológicos, en base a una identificación y un modelado apropiado de los mismos y de sus sorrespondientes efectos en el balance glucosa-insulina. En particular, los sistemas de páncreas artificial –ideados para llevar a cabo un control automático de los niveles de glucemia del paciente– podrían beneficiarse de la integración de esta clase de información. La primera parte de esta tesis doctoral cubre la caracterización del efecto agudo de la actividad física en los perfiles de glucosa. Con este objetivo se ha llevado a cabo una revisión sistemática de la literatura y meta-análisis que determinen las respuestas ante varias modalidades de ejercicio para pacientes con T1D, abordando esta caracterización mediante unas magnitudes que cuantifican las tasas de cambio en la glucemia a lo largo del tiempo. Por otro lado, una identificación fiable de los periodos con actividad física es un requisito imprescindible para poder proveer de esa información a los sistemas de páncreas artificial en condiciones libres y ambulatorias. Por esta razón, la segunda parte de esta tesis está enfocada a la propuesta y evaluación de un sistema automático diseñado para reconocer periodos de actividad física, clasificando su nivel de intensidad (ligera, moderada o vigorosa); así como, en el caso de periodos vigorosos, identificando también la modalidad de ejercicio (aeróbica, mixta o de fuerza). En este sentido, ambos aspectos tienen una influencia específica en el mecanismo metabólico que suministra la energía para llevar a cabo el ejercicio y, por tanto, en las respuestas glucémicas en T1D. En este trabajo se aplican varias combinaciones de técnicas de aprendizaje máquina y reconocimiento de patrones sobre la fusión multimodal de señales de acelerometría y ritmo cardíaco, las cuales describen tanto aspectos mecánicos del movimiento como la respuesta fisiológica del sistema cardiovascular ante el ejercicio. Después del reconocimiento de patrones se incorpora también un módulo de filtrado temporal para sacar partido a la considerable coherencia temporal presente en los datos, una redundancia que se origina en el hecho de que en la práctica, las tendencias en cuanto a actividad física suelen mantenerse estables a lo largo de cierto tiempo, sin fluctuaciones rápidas y repetitivas. El tercer bloque de esta tesis doctoral aborda el tema de las ingestas en el ámbito de la T1D. En concreto, se propone una serie de modelos compartimentales y se evalúan éstos en función de su capacidad para describir matemáticamente el efecto remoto de las concetraciones plasmáticas de insulina exógena sobre las tasas de eleiminación de la glucosa atribuible a la ingesta; un aspecto hasta ahora no incorporado en los principales modelos de paciente para T1D existentes en la literatura. Los datos aquí utilizados se obtuvieron gracias a un experimento realizado por el Institute of Metabolic Science (Universidad de Cambridge, Reino Unido) con 16 pacientes jóvenes. En el experimento, de tipo ‘clamp’ con objetivo variable, se replicaron los perfiles individuales de glucosa, según lo observado durante una visita preliminar tras la ingesta de una cena con o bien alta carga glucémica, o bien baja. Los seis modelos mecanísticos evaluados constaban de: a) submodelos de doble compartimento para las masas de trazadores de glucosa, b) un submodelo de único compartimento para reflejar el efecto remoto de la insulina, c) dos tipos de activación de este mismo efecto remoto (bien lineal, bien con un punto de corte), y d) diversas condiciones iniciales. ABSTRACT Diabetes encompasses a series of metabolic diseases characterized by abnormally high blood glucose concentrations. In the case of type 1 diabetes (T1D), this situation is caused by a total absence of endogenous insulin secretion, which impedes the use of glucose by most tissues. In these circumstances, exogenous insulin supplies are necessary to maintain patient’s life; although caution is always needed to avoid acute decays in glycaemia below safe levels. In addition to insulin administrations, meal intakes and physical activity are fundamental factors influencing glucose homoeostasis. Consequently, a successful management of T1D should incorporate these two physiological phenomena, based on an appropriate identification and modelling of these events and their corresponding effect on the glucose-insulin balance. In particular, artificial pancreas systems –designed to perform an automated control of patient’s glycaemia levels– may benefit from the integration of this type of information. The first part of this PhD thesis covers the characterization of the acute effect of physical activity on glucose profiles. With this aim, a systematic review of literature and metaanalyses are conduced to determine responses to various exercise modalities in patients with T1D, assessed via rates-of-change magnitudes to quantify temporal variations in glycaemia. On the other hand, a reliable identification of physical activity periods is an essential prerequisite to feed artificial pancreas systems with information concerning exercise in ambulatory, free-living conditions. For this reason, the second part of this thesis focuses on the proposal and evaluation of an automatic system devised to recognize physical activity, classifying its intensity level (light, moderate or vigorous) and for vigorous periods, identifying also its exercise modality (aerobic, mixed or resistance); since both aspects have a distinctive influence on the predominant metabolic pathway involved in fuelling exercise, and therefore, in the glycaemic responses in T1D. Various combinations of machine learning and pattern recognition techniques are applied on the fusion of multi-modal signal sources, namely: accelerometry and heart rate measurements, which describe both mechanical aspects of movement and the physiological response of the cardiovascular system to exercise. An additional temporal filtering module is incorporated after recognition in order to exploit the considerable temporal coherence (i.e. redundancy) present in data, which stems from the fact that in practice, physical activity trends are often maintained stable along time, instead of fluctuating rapid and repeatedly. The third block of this PhD thesis addresses meal intakes in the context of T1D. In particular, a number of compartmental models are proposed and compared in terms of their ability to describe mathematically the remote effect of exogenous plasma insulin concentrations on the disposal rates of meal-attributable glucose, an aspect which had not yet been incorporated to the prevailing T1D patient models in literature. Data were acquired in an experiment conduced at the Institute of Metabolic Science (University of Cambridge, UK) on 16 young patients. A variable-target glucose clamp replicated their individual glucose profiles, observed during a preliminary visit after ingesting either a high glycaemic-load or a low glycaemic-load evening meal. The six mechanistic models under evaluation here comprised: a) two-compartmental submodels for glucose tracer masses, b) a single-compartmental submodel for insulin’s remote effect, c) two types of activations for this remote effect (either linear or with a ‘cut-off’ point), and d) diverse forms of initial conditions.

Effects of physical exercise and hydration on homocysteine concentrations in physically active male adults = Efectos del ejercicio físico y la hidratación sobre las concentraciones de homocisteína en varones físicamente activos

La presente tesis analiza el efecto del ejercicio físico agudo y la hidratación sobre las concentraciones de homocisteína total (tHcy) y su relación con los parámetros implicados en el metabolismo de la homocisteína como el folato, la vitamina B12, y la creatina en una muestra de varones jóvenes físicamente activos. El trabajo se basa en los resultados del estudio realizado en la Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte de la Universidad Politécnica de Madrid. Para el cual se contó con un total de 29 voluntarios sanos físicamente activos de la Comunidad de Madrid. Los principales resultados de esta tesis son: a) Las concentraciones de tHcy aumentaron después del ejercicio agudo tanto tras una prueba de intensidad máxima (VO2max) como una submáxima (65 % of VO2max) en varones físicamente activos independientemente de las sus concentraciones basales de tHcy. b) Las concentraciones de tHcy disminuyeron 2 h después del ejercicio físico aeróbico submáximo tras aplicar un protocolo de hidratación con una bebida para deportistas. c) Un adecuado protocolo de hidratación durante el ejercicio físico agudo previno el aumento de las concentraciones de tHcy hasta 2 h después del ejercicio. d) Las concentraciones de tHcy aumentaron a las 6 h tras la finalización del ejercicio únicamente en los test en los que no se siguió un protocolo de hidratación durante el ejercicio físico. e) A las 24 h tras el ejercicio, las concentraciones de tHcy volvieron a los niveles basales independientemente de si se aplicó un protocolo de hidratación durante el ejercicio o no. f) Es necesario aclarar si existen mecanismos subyacentes relacionados con el riesgo cardiovascular debido al aumento transitorio de las concentraciones de tHcy inducidas por el ejercicio agudo. Se necesitan más estudios que analicen la relación entre las concentraciones de tHcy después del ejercicio físico agudo y la implicación de la creatina, vitamina B12 y folato como parámetros relacionados en el metabolismo de la homocisteína. El efecto agudo del ejercicio físico aumenta las concentraciones de tHcy por encima de los valores recomendados; sin embargo, un adecuado protocolo de hidratación mantiene las concentraciones a niveles basales y previene el posterior aumento en una muestra de varones adultos físicamente activos. ABSTRACT The current thesis analyzes the effect of exercise and hydration on total homocysteine (tHcy) concentrations and the relationship with the implicated parameters, like folate, vitamin B12, and creatine in physically active male adults. The work is based on the results of the study conducted at the Faculty of Physical Activity and Sport Sciences of the Technical University of Madrid. A total of 29 physically active voluntary healthy males from the Region of Madrid were recruited. The main outcomes of this thesis are: a) tHcy concentrations increased after acute exercise with both, maximal (VO2max) and submaximal (65 % of VO2max) tests in physically active male subjects independently of their baseline tHcy status. b) After 2 h of rehydration with a sport drink, tHcy concentrations, which had previously increased during an acute exercise, decreased significantly, although they didn´t recover to baseline values. c) An adequate hydration protocol during acute aerobic submaximal exercise prevents the increase of tHcy concentrations and maintains these concentrations at baseline up to 2 h post-exercise. d) Serum tHcy concentrations increased after submaximal exercise when the hydration protocol during exercise was not applied. Furthermore, tHcy concentrations reached maximal values 6 h after the end of exercise. e) At 24 h, tHcy concentrations recovered baseline values independently whether or not there was a hydration protocol during exercise. f) There is a need to clarify the underlying mechanisms related to cardiovascular risk due to the transient increase of tHcy concentrations induced by acute exercise. Further research analayzing the relationship between tHcy concentrations after acute exercise and the implication of creatine, vitamin B12 and folate as related parameters in the homocysteine metabolism is needed. Finally, tHcy concentrations increased above the recommended values after an acute aerobic submaximal exercise; nevertheless, a good hydration protocol maintains tHcy concentrations at baseline and prevents the further increase in a sample of physically active male adults.

Motivación, flow e intención de práctica físico-deportiva en estudiantes de educación física de España y Latinoamérica

A pesar de los innegables beneficios físicos y psicosociales que la práctica de actividad física tiene para la población en las últimas décadas se observa un importante descenso en el nivel de práctica de actividad física durante la adolescencia. La Educación Física (EF) es una asignatura presente en las primeras etapas educativas de los currículums de todos los países y supone para la población infantil y adolescente, durante el periodo de escolarización obligatoria, un entorno de contacto cotidiano con la actividad física y deportiva lo que explica el creciente interés que existe por investigar en este contexto y extraer conclusiones que puedan ayudar a revertir el proceso de progresivo abandono de la práctica en estas edades. El presente trabajo se centra en un periodo, la adolescencia, especialmente sensible al abandono de la práctica de actividad física. Apoyándonos en tres de los marcos teóricos más importantes de los últimos años - Teoría de Metas de Logro, Teoría de la Autodeterminación y Teoría del Flow - hemos realizado un diseño con tres estudios complementarios que nos permitan avanzar en el conocimiento de las variables que afectan a esta realidad. En el primero de los estudios, en el que participaron 3990 estudiantes de EF de España, Argentina, Colombia y Ecuador con edades comprendidas entre 12 y 18 años, se fijaron como objetivos el establecimiento de perfiles motivacionales en estudiantes de EF considerando las orientaciones motivacionales, la motivación intrínseca y el flow disposicional; la comprobación de la posible estabilidad de los perfiles establecidos en cuatro países diferentes; y el análisis de la relación entre los perfiles motivacionales establecidos con la práctica de actividad física realizada en la actualidad y la intención de ser activo en el futuro. Los resultados revelaron la existencia de tres perfiles motivacionales en los estudiantes: perfil de motivación baja-moderada, perfil de motivación de alta motivación con bajo ego y perfil de alta motivación. Se encontraron similitudes en los perfiles motivacionales obtenidos en los cuatro países analizados, sugiriéndose la posibilidad de que la lengua materna compartida pueda ser una variable de influencia en la existencia de patrones conductuales similares. La orientación al ego resultó ser un elemento diferenciador en la relación de los dos perfiles que mostraron niveles más altos de motivación intrínseca, flow disposicional y orientación a la tarea con las variables de práctica. Mayores niveles de orientación al ego determinaron mayores valores de práctica e intención de práctica. En el segundo estudio, en el que participaron 365 estudiantes de EF de España, Argentina y Colombia con edades comprendidas entre 12 y 16 años, se testó un modelo explicativo de la intención de ser físicamente activo en el futuro en estudiantes de EF poco motivados introduciendo el flow disposicional como variable explicativa junto a las orientaciones motivacionales y la motivación intrínseca. El modelo de ecuaciones estructurales testado muestra que tanto la orientación al ego como la orientación a la tarea y la motivación intrínseca predijeron el flow disposicional. No se encontró un efecto significativo de la orientación a la tarea sobre la motivación intrínseca, ni de esta sobre la intención de práctica de AFD en el futuro. El flow disposicional resultó ser un mediador entre ambas orientaciones motivacionales y dicha intención, adquiriendo un papel relevante en la predicción de la intención de realizar actividad física en el futuro en los sujetos con poca motivación hacia la clase de EF. En el último estudio, con una muestra de 53 estudiantes de EF pertenecientes a dos clases de segundo curso de ESO con edades comprendidas entre 13 y 15 años, se analizó el efecto de una intervención de apoyo a las NPB sobre la satisfacción de las mismas, la motivación intrínseca, la disposición a experimentar flow y la intención de ser físicamente activo en el futuro; estudiándose también el efecto de la misma sobre ciertas variables presentes en el proceso de enseñanza-aprendizaje tales como la diversión, el aprendizaje y el gusto hacia el contenido y la metodología empleada. La intervención resultó efectiva en la mejora de todas las variables motivacionales analizadas a excepción de la satisfacción de la necesidad de relaciones sociales, variable que podría ser más difícilmente modificable en tanto que los grupos de clase suelen permanecer estables a lo largo de esta etapa educativa. Los alumnos de la condición experimental presentaron niveles más elevados de diversión, aprendizaje y gusto hacia el contenido y la metodología empleada. ABSTRACT Despite the undeniable physical and psychological benefits that physical activity has on health, a significant drop in the level of physical activity during adolescence has been observed over the last few decades. Physical education (PE) is present in the early stages of educational curricula of all countries, creating an environment in which children and adolescents can maintain daily contact with sport and physical activity during the period of compulsory education. There is thus a growing interest in research within this context, helping to draw conclusions aimed at reversing the progressive decline of physical activity in this age bracket. The work presented here focuses on adolescence – a period particularly sensitive when faced with declining rates of physical activity. Relying on three of the most important recent theoretical frameworks – Achievement Goal Theory, Self-Determination Theory and Flow Theory – we have carried out a design using three complementary studies that allow us to advance the understanding of variables affecting this reality. The first two studies employ a correlational methodology while the third follows a quasi-experimental design. The objectives of the first study, with the participation of 3990 PE students aged 12 to 18 from Spain, Argentina, Colombia and Ecuador, were: a) to establish motivational profiles in physical education students taking into consideration motivational orientations, intrinsic motivation and dispositional flow; b) to check the possible stability of the established profiles in the four countries; and c) to analyze the relationship between motivational profiles and both current levels of physical activity and intention to be physically active in the future. Results revealed the existence of three motivational profiles: low-moderate motivation profile, high motivation and low ego profile and high motivation profile. Similarities were found across the four countries, which presents the possibility that sharing the same mother tongue might influence the existence of similar behavioral patterns. Amongst the profiles that showed the highest levels of intrinsic motivation, dispositional flow and task orientation with practice variables, ego orientation became apparent as a differentiating element. Higher levels of ego orientation correlated with higher levels both in current level of physical activity and intention to be physically active in the future. In the second study, with the participation of 365 PE students aged 12 to 16 from Spain, Argentina and Colombia, an explanatory model of the intention to be physically active within the low-moderate motivation profile was tested, including dispositional flow as an influence variable together with motivational orientations and intrinsic motivation. The structural model equation in the low-moderate motivation profile shows some differences with respect to findings of similar studies using heterogeneous samples in motivational profiles. It was found that ego orientation, task orientation and intrinsic motivation predicted dispositional flow. No significant effects of task orientation on intrinsic motivation, or of intrinsic motivation on intention to be physically active in the future were found. Dispositional flow emerged as a mediator between both motivational orientations and intention, acquiring an important role in the prediction of future intentions to be physically active in adolescents who show low levels of motivation towards physical education. In the last of the three studies, with the participation of 53 PE students drawn from two classes in the second year of secondary education aged 13 to 15, the effect of an intervention to support basic psychological needs was tested against the satisfaction of these needs, intrinsic motivation, disposition to experience flow and intention to be physically active in the future. Alongside this, the aforementioned intervention was tested on certain variables present in the teaching-learning process such as fun, learning and taste for the activity and methodology. Supportive intervention was effective in improving all the motivational variables, except for the satisfaction of the relatedness variable, which may be more difficult to modify as class groups tend to remain stable throughout this educational state. Students in the experimental condition showed higher levels of fun, learning and taste for the content and methodology.