使用步频自适应呼吸声在野外引导 locomotor-respiratory coupling 的定制智能手机应用程序

摘要

运动-呼吸耦合（LRC）可能对跑步者具有优势，但实际执行可能较为困难。我们提出了一种在智能手机上实现的定制化解决方案，可为跑步者提供个性化的指导，帮助其达到运动-呼吸耦合状态。

摘要

尽管跑步是最受欢迎的竞技和休闲活动之一，但估计有20%至40%的跑步者可能遭受呼吸功能受限的困扰。其中部分跑步者可能通过呼吸技巧来提升运动表现或缓解呼吸不适。一种这样的技巧是运动-呼吸耦合（locomotor-respiratory coupling, LRC），即呼吸与步伐在频率和相位上的同步。研究表明，LRC可能通过“步伐驱动的气流”提高通气效率，一些专家认为该方法还可用于调节运动节奏或增强积极情绪状态。然而，若无指导或辅助，该技巧可能难以掌握。本文提出了一款名为RunRhythm的定制智能手机应用程序，用于提供与步伐同步的声音引导，以实现LRC。该设计基于既往证据，表明声音引导具有有效性，并整合了多项功能以提高用户依从性和个性化程度。初步结果显示，该应用程序是一种有前景且高效的方法，适用于在实地运动中开展LRC相关研究。本文还讨论了该工具的使用建议及进一步开发方向，以推动这一概念的发展，惠及更广泛人群。

引言

跑步或许是最广受欢迎的锻炼方式之一，部分原因在于其易于开展以及对身心健康具有广泛的益处^1,2。然而，许多希望开始跑步的人在启动或维持跑步习惯方面存在困难。这可能与呼吸困难有关，据估计，20%至40%的跑步者会受到此类问题影响^3,4,5。理论上，使用特定的呼吸技术可能减轻运动诱发的呼吸急促，但具体方法、风险和益处尚不明确。尽管提高体能和/或在静息状态下进行缓慢呼吸可能缓解运动期间的呼吸不适^6,7，但这些方法需要数周甚至数月才能显现效果。一些研究推测，在运动过程中直接应用呼吸技术可能在产生即时效果方面更为有效⁸，尽管相关研究仍十分有限。要以有效的干预形式开展此类研究，可能需要借助能够提供个性化指导的数字工具。

运动-呼吸耦合（LRC）是一种同步现象，表现为呼吸与运动在频率和/或相位上同步。在跑步等特定运动中，LRC表现为呼吸频率（BR）与步频（SR）之间存在整数比关系，同时足部触地与呼吸起始之间存在相位锁定（即恰好在吸气时迈步）。LRC可由自主控制产生，也可自动出现，并可能随着运动训练而成为一种习得行为⁹。人类会自然地将步态与干扰性听觉噪音（包括呼吸声）同步，可能是为了减少听觉刺激，这表明LRC具有进化上的现象学基础¹⁰。一些研究报告指出，LRC有助于提高运动经济性和运动表现，并减轻呼吸困难^{11,12,13,14,15}；但也有研究报道其生理益处甚微^16,17,18。任何潜在的生理益处可能与"步幅驱动气流"有关：每次足部触地时，腹腔内容物会产生向下的动量（即"内脏活塞"），当这一过程与吸气或呼气起始同步时，可对通气产生叠加效应。

Daley 等人¹⁹在跑步机跑步期间测量了通气流量和冲击力，并推测由步态驱动的气流可贡献高达总通气量的10-12%。他们还报告称，这种机制可能加快通气转换速度。其他神经机械机制可能与此现象相互作用⁹。尽管内脏活塞效应源于精确的相位耦合，但频率耦合可能具有独立价值，尤其对于初学者跑者而言。呼吸频率（BR）在不同运动强度下与运动负荷密切相关²⁰。由于步频（SR）通常较为稳定且与跑步速度相关²¹，步频-呼吸耦合（LRC）可能有助于提升自我感知能力，并便于在整个跑步过程中轻松调节呼吸频率（BR），从而控制运动强度。最后，非对称比例的步频-呼吸耦合（例如每呼吸一次对应5:1的步数）可能有助于预防运动相关的短暂性腹痛（"侧腹痛"）。每年有大多数跑者会经历这种短暂但令人分心且疼痛的症状²²，常导致其不得不中止跑步。关于侧腹痛病因的一种理论认为，同侧脚着地时重复呼吸可能刺激膈神经。因此，采用非对称比例的步频-呼吸耦合使呼吸交替发生在不同腿上，可能有助于避免该问题。

目前很少有研究报告如何支持跑步者进行步频-呼吸协调（LRC）。至少有两项研究采用了类似生物反馈的方法^14,23，而更多研究则使用了简单的口头指导^24,25。尽管这些方法在短期内促进LRC方面显示出一定潜力，但它们高度标准化，且需要专业设备，因此可能不适用于实地应用，大多数跑步者也难以获得。然而，声音引导是一个自然的选择，因为人类会本能地将动作与可预测的听觉事件（如节拍器或音乐）同步²⁶。因此，相关应用在设计时应充分考虑声音节奏和结构在运动学习背景下的作用。虽然简单、恒定节奏的音频易于预测，且在促进节律同步方面有效，但它与健康跑步者步频和呼吸节律天然存在的非线性特征相矛盾^27,28。改变跑步者偏好的呼吸节律（SR）可能会降低跑步经济性²⁹，或改变损伤风险因素³⁰。因此，声音指令应能够实时持续调整，以跟随跑步者的实际呼吸节律³¹。

我们最近提出了一种概念，将上述建议整合到一个简单、用户友好的定制智能手机应用程序中³²。第一版应用程序允许在整个跑步过程中设定单一的步频-呼吸比（LRC）。该程序利用手机自带的步频（SR）算法，向应用程序实时提供步频信息。随后，系统会发出与步伐同步的声音提示，指示跑者何时呼气和吸气：吸气时发出高音调提示音，呼气时发出低音调提示音。所设定的LRC比值来源于一次无呼吸指导的对照测试。我们发现，在户外亚极量跑步过程中，使用该应用程序进行指导后，LRC从原来的26.3 ± 10.7%显著提高至69.9 ± 20.0%。该方案及应用程序的局限性包括需要较长的适应期、样本量有限以及声音提示持续不断。因此，我们开发了该应用程序的新版本，以改善用户体验，并支持在实地运动中进行更广泛的测试与实验。该应用程序命名为 RunRhythm，因其设计目的是帮助跑者在跑步过程中找到并保持节奏。下文中将简称为 该应用程序。

本报告旨在介绍一种新型数字化工具及方法学途径，该工具可为涉及专业或业余跑步者的研究提供直观且适用于野外环境的步频（LRC）指导。该应用程序是一款正处于 Android 设备测试阶段的研究级应用。应用程序的核心功能包括步频（SR）检测与步频（LRC）指导。当检测到跑步状态时，应用程序将根据用户界面中选定的设置生成呼吸声。应用程序通过手机加速度计计算步频（SR），采用两种算法之一：设备制造商内置的出厂步频算法，或应用程序开发商自定义的步频算法。两种算法均可持续实时输出步频数据，并通过自适应窗口的移动平均法进行平滑处理。窗口大小动态调整，以平衡响应速度与异常值平滑效果。最终实现步频（SR）的实时动态更新。

由于该应用程序通过设备的运动来计算步频（SR），因此手机在身体上的放置位置至关重要。大多数默认的步频算法对位置不敏感，因此在跑步时可放置于身体任何部位以获得准确的步频值。此处实现的自定义算法也具有相同的特性。然而，将手机牢固地放置在更接近身体质心的位置，可能会提高步频检测的稳定性，从而改善应用程序输出的声音质量。初步测试表明，具有单维度振荡的放置方式（例如在胸部口袋或腰包中垂直上下运动）可能优于具有二维运动的放置方式（例如在大腿口袋或臂带中摆动）。

SR 数据被输入至一个集成的声音引擎（见 材料表）。仅当系统检测到SR时，才会播放步声音频 > 0. 当步频超过预设阈值（由后端设置确定，参见方案第3.6节；例如120）时，应用程序判定用户正在跑步，并触发呼吸引导声音的启动。随后，该实时步频值将持续用于设定步频和呼吸引导声音的节奏，直至 "跑动" SR 值保持不变。当 SR > 阈值，生成的声音默认与SR的节奏相匹配。例外情况是当后端设置 "声音节奏" 会根据后端设置（方案第3.5节）进行调整。例如，当设定上限为180时，即使跑者初始步频为185，声音节拍也不会超过180；当其步频降至175时，声音节拍将随之降至175，并在预设范围内持续动态调整。如方案第3.5步所述，这些滑块允许用户或研究人员设定声音节拍（bpm）的最小值和最大值。该应用程序允许在跑步前或跑步过程中选择或更改不同的步频-呼吸比（LRC，步数:呼吸），每个呼吸周期内的步数可设置为2至9步；例如，2:3的比例表示每次吸气2步，每次呼气3步。

根据用户反馈和早期实验室实验，设计了不同的"声音环境"，旨在为具有多样化音乐偏好的更多跑者提供愉悦的听觉体验³³。这些声音环境将不同的声音与实时步频、指导性呼吸阶段以及背景环境噪声相对应。脚步声为简单的节拍，以每次触地（即右步和左步）的节奏播放。呼吸声则融合了多种声音元素，根据所选的LRC比率以更慢的节奏播放。可选的声音环境包括：部落风——自然且富有器乐感，呼吸转换和脚步声清晰有力；舒缓风——轻柔且受海洋启发，转换平滑，脚步声柔和；活力风——电子感强且富有驱动力，转换清晰，脚步声响亮；极简风——简单平滑，仅包含呼吸声（无脚步声）。

旁白功能根据关于LRC熟悉度的最佳实践研究结果，添加了简单的语音提示。该功能在运行开始时提供一系列指导，并在此后每5分钟重复一次。首先，提示所选的LRC比例；接着，在前三个呼吸周期中，语音提示会与声音信号同步，说明预期的呼吸阶段；随后提醒使用者 "找到你的步频，并跟随节拍迈步。" 每次运行均整合了运行前和运行后的问卷，以将主观感受数据添加到每次运行中。主观活力简表³⁴ 要求跑步者从0到10对自身感受进行单一项评分。疲劳量表采用0-10评分，要求用户评估其当前的疲劳程度。最后，采用0-10量表对当前经历的呼吸困难程度进行评分。所有这些量表均在每次跑步前后进行评估。仅在跑步结束后，用户需对其跑步强度体验进行评分（即：轻度、中度、高强度、间歇性）。用户可在跑步过程中通过屏幕界面或耳机控制按钮调整LRC比例和节奏时序。这有助于增强用户在跑步过程中的自主感，并支持个体适宜性的探索。此外，可能需要根据跑步过程中的实际情况（如爬坡、疲劳等）快速调整该比例。本方案包含使用该应用程序进行跑步的操作说明，以及后续针对不同类型研究方案（即：室内、室外、干预性、横断面研究）中应用该应用程序的建议。

方案

本研究已获得萨尔茨堡大学伦理委员会的伦理批准（参考编号：GZ 13/2021），所有参与者均签署了知情同意书。

1. 开始使用 RunRhythm

1. 让参与者填写一份预先问卷，内容包括人口统计学信息以及跑步、运动和呼吸训练经历。
2. 将应用程序下载至运行 Android 8.0 或更高版本的正常智能手机上。
   ​注意：封闭式用户测试和应用程序下载仅对已获批准的 Google Play 账户用户开放，其电子邮件地址需被列入批准用户列表。测试为邀请制。访问权限申请请发送至通讯作者。
3. 在用户首次使用应用程序前，确认其已观看教程（图1）。

图 1：应用教程。RunRhythm 在首次打开时提供入门教程，内容包括关于运动-呼吸耦合的详细说明、展示应用程序工作方式的动画，以及使用提示。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 基本功能

1. 使用水平切换按钮选择所需的声音景观（图2B）。
   注意：此设置仅可在运行开始前更改。
2. 使用向上或向下切换按钮调整所需的LRC比率（每次吸气步数:每次呼气步数）（图2A），并通过锁定图标锁定该比率。当屏幕锁定后，可使用兼容耳机的seek功能（）上下调节比率。
   注意：比率锁定功能可在调节过程中保持恒定的比率差。例如，若锁定2:3，则向上切换将使比率为3:4（保持每次呼气比吸气多1步）。
3. 使用界面上的三档切换按钮更改时间性设置（图2C）。当屏幕锁定后，可使用兼容耳机的播放与暂停功能（）进行控制。
   注意：时间性模式可在全程引导（始终开启）、中等引导（开启1分钟/关闭5分钟）和无引导之间切换。
4. 通过界面右下角的切换按钮开启或关闭旁白功能（图2D和图5A）。
5. 点击开始运行以启动。首次使用时，请点击允许，以授权设备记录运动与位置信息。
6. 每次运行前后，通过点击数字完成屏幕上的问卷，数字对应跑者当前的感受（图3）。

图2：主应用程序界面。（A）用户可通过界面上的旋转控件更改运动-呼吸耦合比率，范围为2至9。每个数值代表每次呼吸阶段的步数；例如，2:3表示每次吸气2步：每次呼气3步。锁定图标可用于固定比率差值；例如，当锁定在2:3时，向上调整会将比率变为3:4（保持每次呼气比吸气多1步的差值）。（B）音景选择功能允许用户从四种预设的声音层次中进行选择：部落风、舒缓风、电子风和极简风。（C）节律性切换功能允许用户从三种预设的引导频率中选择：完整、中等和关闭。（D）语音旁白开关允许用户开启或关闭语音提示。请点击此处查看此图的放大版本。

图3：运动前与运动后问卷。 每次运动开始和结束时均会显示相同的问卷，必须完成问卷才能开始或结束运动。请点击此处查看该图的放大版本。

3. 后端设置

注意：通过点击主界面右上角的三个点，可以更改影响应用程序功能的关键参数。默认值反映了推荐设置，但可根据需要进行修改。此屏幕（图4）包含以下设置：

图 4：后端设置。 后端设置包括自动暂停、步态检测开关以及标识码。(A) 声音节奏阈值设置允许精确选择限定生成声音引导节奏的步频阈值范围。例如，选择下限阈值为 155、上限阈值为 180，可确保声音引导节奏不会超出区间 [155, 180]，无论实际检测到的步频（SR）如何。默认值为 [0, 200]。请点击此处查看该图的放大版本。

1. 打开 GPS 和 GPX 记录跑步距离、跑步速度和路线追踪。
   注意：开启时，会记录设备出厂输出的运行期间全球定位系统（GPS）坐标；关闭时，不进行任何记录。
2. 自动暂停 开启以获得最佳性能.
   注意：开启时，当检测到的速度接近 0 时，将停止 GPS 记录；关闭时，无论速度如何，均持续记录。
3. 使用耳机时，将耳机控制功能打开 带有音乐控制功能。
   注意：开启此功能时，允许兼容的耳机（有线或无线，带控制按钮）在运行过程中调节关键参数（参见步骤 2.4）。关闭此功能时，将禁用耳机控制按钮对应用程序参数的调节功能。
4. 系统步进检测： 更改此设置 当应用程序行为异常时，即声音节奏与步调节奏不匹配时。
   注意：开启时，此功能将对所有应用程序功能使用设备制造商的出厂超分辨率（SR）算法；关闭时，则使用应用程序开发者自定义的算法。由于不同设备的出厂SR检测性能因制造商参数（如芯片组）而异，因此可切换此设置以优化应用程序性能。
5. 声音节奏：设置声音节奏 滑块 至所需的SR阈值（图4A).
   注意：设置特定窗口（例如 160-180），以对生成声音的节奏设定下限和/或上限。最小下限值 = 0，最大上限值 = 200。
6. 最小运行步进速率： 调整此阈值 将任意整数 0-200 赋值以改变 SR
   用于激活LRC引导音的阈值。
   注意：该应用程序默认将 120 作为检测到“奔跑”并开始播放声音的跑步速率（SR）。
7. 启用呼吸反馈： 开启“开启”状态 用于核心应用功能。
   注意：开启时，在运行过程中可正常听到脚步声和呼吸声；关闭时，此设置将禁用所有呼吸声的生成，仅保留脚步声。该功能用于测试目的，或在仅需脚步声的情况下使用。
8. 重新开始介绍：点击 text 重新播放入门教程。
9. 数据保护：点击 text 以显示应用程序制造商的数据保护声明。
10. 标识符
    1. 安装ID：记录此值，该值代表此设备和应用程序构建的唯一标识符。每次运行后生成的日志文件中均会体现该标识符。
    2. 版本：记录此值，该值表示应用程序的构建版本。
    3. 制造商/型号：记录该值，该值代表设备的制造商品牌和型号标识符。

4. 使用应用程序运行

1. 开始跑步！
   1. 首先，当步调提示音启动时，请仔细聆听并跟随节拍迈步。随后，呼吸引导将被激活；请精确匹配吸气和呼气与提示音的节奏。
2. 跑步中界面：跑步过程中，使用屏幕界面上的切换按钮调整左右协调（LRC）比率和时序性（图5A）。
3. 跑步后报告：按下结束跑步以停止应用程序。系统将显示一个总结界面，呈现总距离、平均配速和平均步频等关键指标（图5B）。

图 5：跑步过程中及跑步结束后的界面。（A）跑步过程中，用户可使用简化的界面调整关键参数，包括运动-呼吸耦合比和时间性，同时显示当前的跑步速度和步频。（B）跑步结束后，摘要界面显示总距离、平均配速和平均步频等关键指标。请点击此处查看此图的放大版本。

5. 使用应用程序进行研究

注意：上述功能旨在最大限度地提升用户体验，并支持在不同情境下对LRC进行研究。以下步骤描述了如何将该应用程序整合到研究中，从最初的熟悉过程到运行后的应用日志记录。这些研究方法已通过萨尔茨堡巴黎-洛德龙大学伦理委员会（EK-GZ 29/2023）的审查，并获准用于人体实验。

1. 在使用应用程序讨论或指导LRC之前，需先进行个体化校准，以确定跑者的自然LRC比率。选择一个能够代表实际活动和研究背景的跑步任务，并在试验过程中记录步频（SR）和呼吸频率（BR）。根据两者的商值（SR/BR = LRC比率）计算最接近的整数LRC比率（例如，160/30 = 5.3，推荐比率为每呼吸5步）。
2. 将手机放置在紧贴身体的衣物口袋、腰包或臂带中。
3. 在户外跑步时使用耳机，以改善声音指令的传递效果，并启用耳机控制功能。或者，在与研究人员共同熟悉操作时，可使用蓝牙扬声器，以便共同跟随LRC指令。
4. 让跑者熟悉LRC及其应用程序。
   注意：尽管该应用程序本身无需研究人员协助即可使用，但出于研究目的，研究人员可向跑者解释LRC的概念、应用程序的功能、使用目的，并演示其操作方式。应采用Coates和Kowalchik³⁵提出的语言提示来介绍LRC。
   1. 首先让跑者在坐位或仰卧位进行有节奏的脚部轻敲，并按照指定比率（通常为2:2）同步呼吸。
   2. 在行走过程中重复该练习。
   3. 在原地跑步过程中重复该练习。
   4. 介绍应用程序，并简要描述其用户界面。
   5. 按照上述建议（第7.2节）将设备固定在跑者身体上。
   6. 点击开始跑步，并在原地开始跑步。
   7. 鼓励跑者以自己的节奏持续踏步，同时声音提示会自动调整以匹配其步频（SR）。
   8. 口头确认跑者是否能听到呼吸声音提示。
   9. 指导跑者根据声音提示进行呼吸。
   10. 持续跟随声音提示踏步和呼吸至少30-60秒。
   11. 使用不同的应用程序设置（如LRC比率、提示时序、语音播报）重复该过程，以确认理解正确。
   12. 让研究人员与跑者一起跑步，并通过蓝牙扬声器播放引导声音，以强化LRC的基本原理（图6）。
       注意：当应用程序检测到跑步步频（SR）时，声音提示将自动触发。步频声音会自动匹配用户的SR，但存在一定延迟。
5. 采用最小侵入式的传感器配置，以实现步态和呼吸的检测，从而确认跑者对LRC指令的依从性。
   注意：例如，Hexoskin智能衬衫可在跑步过程中准确测量步数和呼吸起始点，且对跑者的干扰极小³⁶。
6. 提示时序设置：建议将中等强度的引导提示与其他音乐应用程序结合使用，以便在应用程序静音的5分钟期间播放用户自己的音乐。
   注意：无引导模式仍会记录问卷、GPS和步频（SR）数据，这对某些研究目的可能具有帮助。
7. 日志记录：下载日志文件以获取包含时间戳的跑步数据和应用程序参数。
   注意：.csv格式的日志文件记录了关键的跑步元数据以及所有与应用程序的交互信息，包括：带时间戳的足部触地事件、所选LRC比率及其变化、以及问卷回答。这些文件存储在符合GDPR规范的服务器上，文件名包含应用程序的唯一ID、日期和时间。

图6：研究者熟悉化过程。 在研究环境中，建议主要研究者进行熟悉化，以确保对运动-呼吸耦合概念的理解以及正确使用该应用程序。请点击此处查看此图的放大版本。

结果

该应用程序是为此目的设计的第二代应用，旨在支持节律性呼吸协调（LRC）并提供音频呼吸引导体验。已有大量初步研究和一篇期刊论文验证了其有效性，并证实了良好的用户体验。在一项横断面研究中（引言中提及），研究人员考察了LRC指导的急性效应，结果发现，在17名新手跑者中，使用引导进行跑步显著提高了LRC³²。例如，其中一名参与者在吸气:呼气步数比为2:3（每呼吸周期5:1步）的情况下，LRC“依附性”（对整数比LRC比率依从性的量化指标）从7.9%提升至84.1%（图示）（图7）。整个组别的协调率从26.3 ± 10.7%（对照条件）提升至69.9 ± 20.0%（有LRC引导条件）。

讨论

该方法提出了首个基于证据、适用于实地教学的数字化工具，用于指导跑者学习呼吸-步频协调（LRC）。早期结果表明，该工具不仅能够有效帮助跑者快速学习并坚持LRC，还能实现长期教学与记忆保持。尽管随着跑步经验的增加，LRC可能自然形成，但初学者较难自发实现³⁷。巧合的是，这类人群尤其容易遇到参与障碍，包括体能较差和呼吸功能受限^38,39。其他人群，例如肥胖个体，可能从中获得更大益处，因为他们存在呼吸做功增加和软组织震动等问题^40,41,42；而LRC可能有助于解决这一双重问题。LRC可帮助这些个体以更少的不适感进行跑步，而此类应用程序等数字工具则为向更多此类跑者推广该技术提供了便捷途径。可以合理推测，在存在额外呼吸挑战的情境下，例如低氧环境、胸部负重以及超级马拉松中，LRC以及本应用程序可能具有...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
安卓智能手机	Samsung 或 Google		应用程序功能要求最低 Android 8.0 系统
FMOD engine	Firelight Technologies Pty Ltd		声音引擎
Hexoskin 智能体恤衫	Carré Technologies		可穿戴传感器上衣
适用于安卓系统的 RunRhythm 应用程序	adidas GmbH 和 abios GmbH