Artículo de método

Aplicación personalizada para teléfonos inteligentes para guiar el acoplamiento locomotor-respiratorio en el campo utilizando sonidos respiratorios adaptables a pasos

DOI:

10.3791/66733

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27 de septiembre de 2024

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1Department of Sport and Exercise Science, Paris Lodron University of Salzburg, 2Department of Artificial Intelligence and Human Interfaces, Paris Lodron University of Salzburg, 3Salzburg Research Forschungsgesellschaft mbH, 4adidas AG

En este artículo

Resumen

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El acoplamiento locomotor-respiratorio (LRC) es potencialmente ventajoso para los corredores, pero puede ser difícil de realizar. Presentamos una solución personalizada implementada en un teléfono inteligente para individualizar y guiar a los corredores hacia LRC.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aunque correr es una de las actividades más populares para la competición y el ocio, se estima que entre el 20 y el 40% de los corredores pueden sufrir limitaciones respiratorias. Algunos de estos corredores pueden beneficiarse de técnicas de respiración para mejorar el rendimiento o aliviar las molestias respiratorias. Una de estas técnicas es el acoplamiento locomotor-respiratorio (LRC), una sincronización de frecuencia y fase de la respiración al paso. Los estudios han demostrado que la LRC puede beneficiar la eficiencia ventilatoria a través de "flujos impulsados por pasos", y algunos expertos han argumentado que podría usarse para estimular el ejercicio o aumentar los estados emocionales positivos. Sin embargo, puede ser difícil rendir sin entrenamiento u orientación. Aquí proponemos RunRhythm, una aplicación personalizada para teléfonos inteligentes para ofrecer una guía de sonido sincronizada por pasos para LRC. Este concepto se basa en la evidencia previa de que una buena orientación puede ser efectiva e integra características para maximizar la adherencia y la individualización. Los resultados preliminares muestran que esta aplicación es un método prometedor y eficaz, adecuado para la investigación sobre LRC en ejercicios de campo. Se discuten las recomendaciones para su uso y desarrollo posterior para desarrollar aún más este concepto en beneficio de una población más amplia.

Introducción

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Correr es quizás la forma de ejercicio más popular, en parte debido a su accesibilidad y a la variedad de beneficios para la salud física y mental 1,2. No obstante, muchos aspirantes a corredores luchan por iniciar o mantener los hábitos de carrera. Esto podría deberse a dificultades respiratorias, que afectan a un estimado del 20-40% de los corredores 3,4,5. Reducir la disnea inducida por el ejercicio es teóricamente posible con el uso de técnicas de respiración específicas, pero los métodos, riesgos y beneficios exactos de hacerlo no están claros. Si bien mejorar la condición física y/o la respiración lenta en reposo puede aliviar las molestias respiratorias durante el ejercicio 6,7, estas soluciones tardan semanas o meses en obtener beneficios. Algunas investigaciones han especulado que la implementación directa de técnicas de respiración durante el ejercicio puede ser más efectiva para producir beneficios agudos8, aunque tales investigaciones son limitadas. Es posible que se necesiten herramientas digitales que permitan la instrucción individualizada para realizar dichos estudios en un formato de intervención eficaz.

El acoplamiento locomotor-respiratorio (LRC) es un fenómeno de sincronización en el que la respiración y el movimiento están sincronizados en frecuencia y/o fase. En ejercicios específicos como correr, el LRC indica una relación entera entre la respiración (BR) y la frecuencia de paso (SR), así como el bloqueo de fase de la pisada con el inicio de la respiración (es decir, pisar exactamente con la inspiración). La LRC puede expresarse de forma volitiva o automática y puede surgir como una conducta aprendida con el entrenamiento físico9. Los seres humanos sincronizan naturalmente la marcha con los ruidos auditivos que interfieren (incluida la respiración), tal vez para reducir la estimulación auditiva, lo que sugiere que LRC tiene unafenomenología evolutiva. Algunos informes indican que la LRC beneficia la economía de movimiento y el rendimiento, y reduce la disnea 11,12,13,14,15. Algunos estudios reportaron beneficios insignificantes 16,17,18. Cualquier beneficio fisiológico podría estar relacionado con los "flujos impulsados por pasos": cada pisada crea un impulso descendente del contenido abdominal (el "pistón visceral"), que cuando se sincroniza con el inicio de la inhalación o exhalación puede ser aditivo a la ventilación.

Daley et al.19 midieron el flujo ventilatorio y las fuerzas de impacto durante el funcionamiento de la cinta de correr y especularon que los flujos escalonados pueden contribuir hasta un 10-12% a la ventilación total. También informaron que podría acelerar las transiciones ventilatorias. Otros mecanismos neuromecánicos pueden interactuar con este fenómeno9. Si bien el pistón visceral es el resultado de un acoplamiento de fase preciso, el acoplamiento de frecuencia puede ser valioso de forma independiente, especialmente para el corredor novato. La BR está estrechamente relacionada con el esfuerzo en diferentes intensidades de ejercicio20. Dado que la RS es generalmente estable y se asocia con la velocidad de carrera21, la LRC puede apoyar la autoconciencia y permitir un ritmo fácil de la BR y, por lo tanto, de la intensidad a lo largo de la carrera. Por último, la LRC en proporciones desiguales (p. ej., 5:1 pasos por respiración) podría ayudar a prevenir el dolor abdominal transitorio relacionado con el ejercicio ("puntada lateral"). La mayoría de los corredores experimentan este síntoma temporal, pero molesto y doloroso cada año22, lo que a menudo les lleva a la necesidad de dejar de correr. Una teoría de la etiología de la puntada lateral es que la respiración repetida en la misma pisada lateral puede irritar el nervio frénico. Por lo tanto, puede ser evitado por LRC en proporciones desiguales, lo que conduce a la respiración en piernas alternas.

Pocos informes han discutido cómo apoyar a los corredores en la realización de LRC. Al menos dos estudios han exhibido métodos de estilo biorretroalimentación14,23 mientras que muchos utilizaron coaching verbal simple24,25. Si bien estos métodos han demostrado ser prometedores en la estimulación aguda de LRC, están altamente estandarizados y requieren equipo especializado. Como tales, es probable que no sean adecuados para aplicaciones de campo, ni sean accesibles para la mayoría de los corredores. En cualquier caso, la guía sonora es una elección natural, ya que los seres humanos sincronizan intuitivamente el movimiento con eventos auditivos predecibles (metrónomo o música)26. Por lo tanto, las aplicaciones deben considerar cuidadosamente el ritmo y la estructura del sonido en el contexto del aprendizaje motor. Si bien el audio simple y de ritmo constante es predecible y eficaz para estimular el arrastre, contradice el comportamiento naturalmente no lineal de los ritmos respiratorios y de pasos en corredores sanos27,28. Cambiar la SR preferida de un corredor podría reducir la economía de carrera 29 o podría modificar los factores de riesgo de lesiones30. Por lo tanto, las instrucciones de sonido deben adaptarse continuamente en tiempo real para seguir el SR31 del corredor.

Recientemente introdujimos un concepto que integra las recomendaciones anteriores en una aplicación para teléfonos inteligentes simple, fácil de usary personalizada 32. La primera iteración permite la selección de una sola relación LRC que se instruirá a lo largo de la ejecución. El algoritmo SR estándar del teléfono se aprovecha para proporcionar información SR en tiempo real a la aplicación. A continuación, se producen sonidos sincronizados con los pasos que indican cuándo el corredor debe exhalar e inhalar: un tono agudo para los pasos durante la inhalación y un tono grave durante la espiración. Las proporciones de LRC prescritas se derivaron de una visita de control sin instrucciones respiratorias. Encontramos un gran aumento en LRC del 26.3 ± 10.7% al 69.9 ± 20.0% de la carrera con la instrucción de aplicación durante la carrera submáxima al aire libre. Las limitaciones observadas con el protocolo y la aplicación incluyen una amplia familiarización requerida, un tamaño de muestra limitado y una instrucción de sonido constante. Por lo tanto, se desarrolló una nueva versión de esta aplicación para mejorar la experiencia del usuario y permitir pruebas y experimentaciones más amplias en el ejercicio de campo. Esta aplicación se titula RunRhythm , ya que su propósito es ayudar a los corredores a encontrar y mantener un ritmo durante la carrera. En lo sucesivo, se hará referencia a ella como la aplicación.

El propósito de este informe es presentar una nueva herramienta digital y un enfoque metodológico que permita una guía de LRC intuitiva y lista para el campo para estudios de investigación que involucren a corredores experimentados o aspirantes. La aplicación es una aplicación de grado de investigación en pruebas beta para dispositivos Android. Las funcionalidades principales de la aplicación son la detección de SR y la guía de LRC. Cuando se detecta correr, los sonidos respiratorios se crean de acuerdo con la configuración seleccionada en la interfaz de usuario. La aplicación calcula la SR a partir del acelerómetro del teléfono utilizando uno de dos algoritmos: el algoritmo SR de fábrica implementado por el fabricante del dispositivo o un algoritmo SR personalizado creado por el fabricante de la aplicación. Ambos algoritmos producen una transmisión en vivo constante de SR, que luego se suaviza en una media móvil de acuerdo con una ventana adaptativa. El tamaño de la ventana es dinámico para equilibrar la reactividad y el suavizado de valores atípicos. El resultado es un valor constantemente actualizado de SR en vivo.

Dado que la aplicación calcula la SR a partir del movimiento del dispositivo, la ubicación del teléfono en el cuerpo es de suma importancia. La mayoría de los algoritmos de SR de stock son independientes de la posición y, por lo tanto, se pueden colocar en cualquier parte del cuerpo durante la carrera para producir valores de SR precisos. El algoritmo personalizado implementado aquí también se comporta como tal. Sin embargo, una ubicación firme más cerca del centro de masa puede mejorar la estabilidad de la detección de SR y, como resultado, la calidad del sonido producido por la aplicación. Las pruebas piloto muestran que las ubicaciones con oscilación 1dimensional (es decir, verticalmente hacia arriba y hacia abajo, como en un bolsillo en el pecho o en una riñonera) pueden funcionar mejor que aquellas con movimiento bidimensional (es decir, balanceo, como en un bolsillo en el muslo o en un brazalete).

Los datos de SR se alimentan a un motor de sonido integrado (véase la Tabla de Materiales). Los sonidos de paso solo se reproducen si el sistema detecta SR > 0. Cuando el SR está por encima de un umbral preestablecido (determinado en la configuración del backend [sección 3.6 del protocolo]; es decir, 120), la aplicación entiende que el usuario está corriendo y activa el inicio de los sonidos de guía respiratoria. A continuación, este valor de SR en vivo se utiliza para establecer el tempo de los sonidos de guía de paso y respiración siempre que se mantenga un valor de SR "en marcha". Cuando SR > umbral, los sonidos generados coinciden con el tempo de SR de forma predeterminada. La excepción es cuando se altera la configuración del backend "sound tempo" (determinada en la configuración del backend [sección 3.5 del protocolo]). Por ejemplo, con un límite superior seleccionado de 180, incluso si el corredor comienza a correr a un SR más alto de 185, el tempo del sonido no excederá de 180. Cuando bajan su SR a 175, los sonidos bajarán a 175, ajustándose continuamente dentro de los límites preestablecidos. Como se describe en el paso 3.5 del protocolo, estos controles deslizantes permiten al usuario o investigador establecer límites en el tempo de sonido mínimo y máximo (bpm). La aplicación permite seleccionar o cambiar diferentes relaciones LRC (pasos:respiración) antes de la carrera. El número de pasos por fase de respiración se puede cambiar de 2 a 9; Es decir, una proporción de 2:3 refleja 2 pasos por inhalación y 3 pasos por exhalación.

Se diseñaron diferentes "paisajes sonoros" para proporcionar una experiencia de audio agradable a más corredores con diversos gustos musicales, basándose en los comentarios de los usuarios y en los primeros experimentos en el laboratorio33. Tienen diferentes sonidos asignados a la tasa de paso en tiempo real, las fases de respiración instruidas y el ruido ambiental de fondo. Los sonidos de paso son ritmos simples que se reproducen al tempo de cada pisada (es decir, pasos derecho e izquierdo). Los sonidos de respiración integran varios elementos sonoros y se tocan a un tempo mucho más lento dependiendo de la relación LRC elegida. Los paisajes sonoros disponibles son tribales: orgánicos e instrumentales con transiciones de respiración agudas y sonidos de pasos; calmante: ligero e inspirado en el océano con transiciones suaves y sonidos de pasos; energizante: electrónico y de conducción con transiciones bruscas y sonidos de pasos; Mínimo: simple y suave con solo sonidos de respiración (sin sonidos de pasos).

La función de voz en off agrega señales de voz simples que corresponden a los hallazgos de la investigación de mejores prácticas con respecto a la familiarización con LRC. Proporciona una serie de instrucciones al comienzo de la carrera y luego cada 5 minutos después de eso. En primer lugar, indica la relación LRC seleccionada. A continuación, indica la fase de respiración prevista en sincronía con las señales sonoras de los tres primeros ciclos de respiración. Luego le recuerda al usuario: "encuentra tu ritmo de paso y sigue el ritmo". Para cada carrera, se integra un cuestionario previo y posterior a la carrera para agregar datos de sentimientos subjetivos a cada carrera. La escala corta de vitalidad subjetiva34 pregunta un solo ítem sobre la sensación del corredor de 0 a 10. Una calificación de 0 a 10 de la escala de fatiga le pide al usuario que califique su estado actual de fatiga. Finalmente, una escala de 0 a 10 califica el grado de disnea que se experimenta actualmente. Todas estas escalas se preguntan antes y después de cada carrera. Solo después de la carrera, se le pide al usuario que califique su experiencia con la intensidad de la carrera (es decir, ligera, media, alta, intervalos). Los usuarios pueden cambiar la relación LRC y la temporalidad durante la carrera utilizando la interfaz en pantalla o los controles de los auriculares. Esto puede ayudar a los usuarios a sentirse agentes durante la carrera y permite explorar la idoneidad personal. Además, es posible que sea necesario cambiar la relación rápidamente en respuesta a eventos de carrera (por ejemplo, colinas, fatiga). Este protocolo incluye una descripción de cómo ejecutar la aplicación y recomendaciones posteriores para su uso dentro de protocolos de investigación de varios tipos (es decir, interiores, exteriores, intervencionistas, transversales).

Protocolo

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Este estudio recibió la aprobación ética del Comité de Ética de la Universidad de Salzburgo (número de referencia: GZ 13/2021), y los participantes dieron su consentimiento informado.

1. Primeros pasos con RunRhythm

  1. Pida a los participantes que completen un cuestionario previo para incluir información demográfica, así como experiencia en carreras, deportes y respiración.
  2. Descargue la aplicación en un teléfono inteligente que funcione con Android 8.0 o posterior.
    NOTA: Las pruebas de usuario cerradas y las descargas de aplicaciones solo son accesibles para usuarios seleccionados con cuentas de Google Play cuyos correos electrónicos se agregan a la lista de usuarios aprobados. Las pruebas son solo por invitación. Enviar solicitudes de acceso al autor de correspondencia.
  3. Confirme que el usuario ha visto el tutorial antes del primer uso de la aplicación (Figura 1).

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Figura 1: Tutorial de la aplicación. RunRhythm proporciona un tutorial introductorio en su primera apertura, que incluye detalles sobre el acoplamiento locomotor-respiratorio, una animación que muestra cómo funciona la aplicación y consejos de uso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Funcionalidad básica

  1. Elija el paisaje sonoro deseado usando el interruptor horizontal (Figura 2B).
    NOTA: Esto solo se puede cambiar antes de la ejecución.
  2. Cambie la proporción de LRC deseada (pasos por inhalación:pasos por exhalación) usando los conmutadores hacia arriba o hacia abajo (Figura 2A); Bloquee el interruptor con el icono de candado. Cuando la pantalla esté bloqueada, use buscar (figure-protocol-2) de auriculares compatibles para cambiar la relación hacia arriba y hacia abajo.
    NOTA: El bloqueo de relación funciona para mantener una diferencia de relación constante al cambiar la relación. Por ejemplo, si 2:3 está bloqueado, al alternar "arriba" se cambiará la relación a 3:4 (manteniendo 1 paso más por exhalación en comparación con la inhalación).
  3. Cambie la configuración de temporalidad usando el interruptor de 3 posiciones en la interfaz (Figura 2C). Cuando la pantalla esté bloqueada, use reproducir y pausar (figure-protocol-3) desde auriculares compatibles.
    NOTA: La temporalidad se puede alternar entre guía completa (siempre activada), guía media (1 min activado/5 min desactivado) y sin orientación.
  4. Alterne la función de voz en off con el interruptor de interfaz en la parte inferior derecha (Figura 2D y 5A).
  5. Seleccione iniciar ejecución para comenzar. Cuando se use por primera vez, presione permitir que el dispositivo registre el movimiento y la ubicación.
  6. Completar los cuestionarios en pantalla antes y después de cada carrera pulsando sobre los números correspondientes a la sensación actual experimentada por el corredor (Figura 3).

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Figura 2: Interfaz principal de la aplicación. (A) La relación de acoplamiento locomotor-respiratorio se puede cambiar desde la interfaz de usuario con spinners que van de 2 a 9. Cada valor representa el número de pasos por fase de la respiración; Es decir, 2:3 representa 2 pasos por inhalación: 3 pasos por exhalación. El icono de candado se puede utilizar para corregir la diferencia de proporción; Es decir, cuando se bloquea a 2:3, el cambio "arriba" cambia la relación a 3:4 (manteniendo una diferencia de 1 paso más por exhalación). (B) La selección del paisaje sonoro permite al usuario elegir entre cuatro capas de sonido predeterminadas: tribal, calmante, electrónico y minimalista. (C) El interruptor de temporalidad permite al usuario elegir entre tres configuraciones predeterminadas para la frecuencia de guía: completa, media y desactivada. (D) El interruptor de voz en off permite al usuario activar o desactivar las señales de voz. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 3: Cuestionarios previos y posteriores. Se presentan cuestionarios idénticos al principio y al final de cada ejecución. Deben ser respondidas para iniciar o terminar la carrera. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Configuración del backend

NOTA: Los parámetros clave que afectan la funcionalidad de la aplicación se pueden cambiar tocando los tres puntos en la esquina superior derecha de la interfaz principal. Los valores predeterminados reflejan los valores recomendados, pero se pueden cambiar. Esta pantalla (Figura 4) contiene los siguientes ajustes:

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Figura 4: Configuración del backend. La configuración del backend incluye pausa automática, un interruptor para la detección de pasos y códigos de identificación. (A) Los ajustes del umbral de tempo de sonido permiten una selección precisa de los umbrales de velocidad de paso que limitan el tempo de guía de sonido generado. Por ejemplo, la selección de un umbral inferior de 155 y un umbral superior de 180 garantiza que la guía sonora no se desvíe del intervalo [155, 180], independientemente de la SR real detectada. El valor predeterminado es [0, 200]. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Activa el GPS y el GPX para registrar la distancia de carrera, la velocidad de carrera y el seguimiento de rutas.
    NOTA: Cuando está activado, registra las coordenadas del sistema de posicionamiento global (GPS) durante la ejecución desde la salida de fábrica del dispositivo. Cuando está apagado, no realiza ningún registro.
  2. Pausa automática: activa la opción para obtener el mejor rendimiento.
    NOTA: Cuando está activado, detiene el registro del GPS cuando la velocidad detectada está cerca de 0. Cuando está apagado, continúa registrando independientemente de la velocidad.
  3. Activa los controles de los auriculares cuando utilices auriculares con controles de música.
    NOTA: Cuando está activada, esta función permite que los auriculares compatibles (con cable o inalámbricos, con controles) cambien los parámetros clave durante la ejecución (consulte el paso 2.4). Cuando está desactivado, este paso deshabilita los controles de los auriculares para cambiar los parámetros de la aplicación.
  4. Detección de pasos del sistema: cambie esta configuración cuando la aplicación se comporte de manera extraña; es decir, si el tempo del sonido no coincide con el tempo del paso.
    NOTA: Cuando está activada, esta función utiliza el algoritmo SR de fábrica del fabricante del dispositivo para todas las funcionalidades de la aplicación. Cuando está desactivado, utiliza el algoritmo personalizado del desarrollador de la aplicación. Dado que los dispositivos tienen un rendimiento de detección de SR de fábrica diferente en función de los parámetros del fabricante, como el chipset, esto se puede alternar para mejorar el rendimiento de la aplicación.
  5. Tempo de sonido: ajuste los controles deslizantes de tempo de sonido a los umbrales SR deseados (Figura 4A).
    NOTA: Ajústelo a una ventana específica (es decir, 160-180) para crear un límite inferior y/o superior en el tempo de los sonidos generados. El mínimo inferior = 0 y el máximo superior = 200.
  6. Min. Run Steprate: cambie este umbral a cualquier número entero 0-200 para cambiar el SR
    umbral utilizado para activar los sonidos de guía LRC.
    NOTA: La aplicación se establece de forma predeterminada en 120 como SR en el que se detecta "corriendo" y comienzan a reproducirse los sonidos.
  7. Habilitar retroalimentación de respiración: active "activado" para la funcionalidad principal de la aplicación.
    NOTA: Cuando está activado, se puede esperar la funcionalidad normal de la aplicación con pasos y sonidos de respiración durante la carrera. Cuando está apagado, este ajuste evita la creación de sonidos respiratorios. Esto se utiliza con fines de prueba o cuando solo se desean sonidos de pasos.
  8. Reiniciar introducción: haga clic en texto para reproducir el tutorial de incorporación.
  9. Protección de datos: haga clic en el texto para mostrar la declaración de protección de datos del fabricante de la aplicación.
  10. Identificadores
    1. ID de instalación: registre este valor, que representa el identificador único para este dispositivo y compilación de aplicación. Se refleja en los archivos de registro generados después de cada ejecución.
    2. Versión: registre este valor, que representa la versión de compilación de la aplicación.
    3. Fabricante/modelo: registre este valor, que representa el identificador del dispositivo para la marca y el modelo.

4. Correr con la aplicación

  1. ¡Empieza a correr!
    1. Primero, cuando los sonidos de paso se activan; Escucha atentamente y sigue el ritmo. A continuación, se activará la guía respiratoria; Adapta la inspiración y la espiración con precisión al sonido.
  2. Interfaz en ejecución: durante la ejecución, cambie la relación y la temporalidad de LRC usando los conmutadores en la interfaz en pantalla (Figura 5A).
  3. Informe posterior a la ejecución: presione finalizar ejecución para detener la aplicación. Una pantalla de resumen muestra las métricas clave, como la distancia total, el ritmo medio y la velocidad de paso media (Figura 5B).

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Figura 5: Interfaz de entrada y post-ejecución. (A) Durante la carrera, se dispone de una interfaz simplificada que permite al usuario cambiar los parámetros clave, incluida la relación de acoplamiento locomotor-respiratorio y la temporalidad. También muestra el ritmo de carrera actual y la velocidad de pasos. (B) Después de la carrera, una pantalla de resumen muestra métricas clave, incluida la distancia total, el ritmo promedio y la tasa de paso promedio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

5. Investiga con la aplicación

NOTA: Las funcionalidades anteriores se desarrollaron para maximizar la experiencia del usuario y permitir estudios de investigación de LRC en diversos contextos. Los pasos que se indican a continuación describen cómo integrar la aplicación en un estudio, desde la familiarización inicial hasta los registros de la aplicación posteriores a la ejecución. Estos métodos de estudio han sido revisados y aprobados para la experimentación con humanos por el comité de ética de la Universidad de París Lodron de Salzburgo (EK-GZ 29/2023).

  1. Antes de discutir o instruir el LRC con la aplicación, realice una calibración individual para determinar la proporción natural de LRC del corredor. Elija una tarea en ejecución que sea representativa de la actividad y el contexto del estudio y registre SR y BR durante la prueba. Calcule la relación LRC entera más cercana a partir de su cociente (SR/BR = relación LRC; es decir, 160/30 = 5,3 = relación recomendada 5 pasos por respiración).
  2. Coloque el teléfono en un bolsillo de ropa, riñonera o brazalete que esté firmemente contra el cuerpo.
  3. Use auriculares durante correr al aire libre para mejorar la entrega de las instrucciones de sonido y habilitar los controles de los auriculares. Alternativamente, use un altavoz Bluetooth durante la familiarización con un investigador para seguir juntos las instrucciones de LRC.
  4. Familiarice al corredor con LRC y la aplicación.
    NOTA: Si bien la aplicación no debe requerir familiarización con un investigador, para fines de investigación, puede ser útil que un investigador explique LRC, la aplicación, su propósito y demuestre su funcionalidad. El LRC debe introducirse utilizando las señales verbales de Coates y Kowalchik35.
    1. Comience con golpecitos rítmicos con los pies mientras está sentado o en decúbito supino, e instrucciones para respirar en una proporción determinada (generalmente 2:2) en sincronía con los pies.
    2. Repita mientras camina.
    3. Repita mientras corre en su lugar.
    4. Presente la aplicación y describa brevemente la interfaz de usuario.
    5. Fije el dispositivo al cuerpo del corredor de acuerdo con las recomendaciones anteriores (sección 7.2).
    6. Haga clic en iniciar ejecución y ejecutar en el lugar.
    7. Anime al corredor a seguir pisando a su propio ritmo mientras los sonidos se ajustan a su SR.
    8. Confirme verbalmente que también se escuchan los sonidos respiratorios.
    9. Indique al corredor que respire de acuerdo con los sonidos.
    10. Continúe pisando y respirando con los sonidos durante al menos 30-60 segundos.
    11. Repita el proceso con diferentes configuraciones de la aplicación (es decir, relaciones LRC, temporalidad, voz en off) para confirmar la comprensión.
    12. Pida al investigador y al corredor que corran juntos reproduciendo los sonidos de guía a través de un altavoz Bluetooth para reforzar los fundamentos del LRC (Figura 6).
      NOTA: Los sonidos se activan cuando la aplicación detecta un SR en ejecución. Los sonidos de los pasos coincidirán automáticamente con el SR del usuario con cierto retraso.
  5. Utilice una configuración de sensor mínimamente invasiva que permita la detección de pasos y respiración para confirmar el cumplimiento del corredor a las instrucciones del LRC.
    NOTA: Por ejemplo, la camiseta inteligente Hexoskin puede medir con precisión los pasos y los inicios de la respiración durante la carrera con una interferencia mínima para el corredor36.
  6. Ajuste de temporalidad: utilice la guía de medios en combinación con otras aplicaciones de música, lo que permite que la música del usuario se reproduzca durante los períodos de 5 minutos en los que la guía de la aplicación está en silencio.
    NOTA: La configuración sin guía aún registra cuestionarios, GPS y SR, lo que puede ser útil para algunos fines de investigación.
  7. Registros: descargue archivos de registro para acceder a los datos con marca de tiempo de la ejecución y los parámetros de la aplicación.
    NOTA: .csv archivos de registro registran los metadatos de las carreras clave y todas las interacciones con la aplicación, incluidos: pisadas con marca de tiempo, proporción y cambios de LRC elegidos y respuestas al cuestionario. Se almacenan en servidores que cumplen con el RGPD y se titulan con el ID único, la fecha y la hora de la aplicación.

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Figura 6: Familiarización del investigador. En contextos de investigación, se recomienda la familiarización por parte del investigador principal para garantizar una comprensión conceptual del acoplamiento locomotor-respiratorio y el uso adecuado de la aplicación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Resultados

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La aplicación es la segunda iteración de esta aplicación diseñada con el propósito de apoyar a LRC y brindar una experiencia de guía de respiración de audio. Se han realizado numerosos estudios piloto y una publicación en una revista que respaldan su eficacia y confirman una experiencia positiva del usuario. En un estudio transversal que investigó los efectos agudos de la instrucción de LRC (mencionado en la Introducción), se encontró que correr con guía aumentó en gran medida el LRC en 17 corredores novatos32. Por ejemplo, un participante aumentó el "apego" de LRC (una cuantificación de la adherencia a las proporciones de LRC enteras completas) de 7,9% a 84,1% (figura) en una proporción de 2:3 pasos por inhalación:exhalación (5:1 pasos por respiración) (Figura 7). El cambio general del grupo en el arrastre aumentó de 26,3 ± 10,7% (control) a 69,9 ± 20,0% (con orientación de LRC).

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Figura 7: Ejemplo de datos de acoplamiento. Ejemplo de prevalencia de LRC en un participante durante una carrera fácil de 30 minutos (A) sin y (B) con guía de la aplicación. El eje Y izquierdo (azul) muestra la relación LRC (pasos por respiración), y las secciones resaltadas en negro corresponden a un período de "fijación" LRC > 30 s. El eje Y derecho muestra la fase relativa discreta de los pasos dentro del ciclo de respiración, donde 0° corresponde a la inspiración. Durante los períodos de fijación, observe que las líneas paralelas en la fase relativa discreta reflejan un acoplamiento de fase consistente de la respiración al paso. (A) En la ejecución de control sin guía, tenga en cuenta que solo hubo un breve período (~ 8% adjunto) de LRC a una proporción de 2:2 (4 pasos por respiración). (B) En la carrera con guía de la aplicación, se instruyó una proporción de 2:3 (5 pasos por respiración); obsérvese los períodos sustanciales y largos de LRC en la proporción instruida (~ 84% adjunto). Abreviatura: LRC = acoplamiento locomotor-respiratorio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En un estudio piloto de intervención, cuatro corredores novatos corrieron durante 4 semanas con la aplicación (10 carreras en total) y las instrucciones para probar varias proporciones de LRC. Completaron pruebas previas y posteriores en interiores (prueba incremental en cinta de correr hasta el agotamiento) y al aire libre (carrera de 30 minutos a su propio ritmo) para determinar cómo cambiaban su LRC y otras características de carrera con la intervención y el uso de la aplicación. Más específicamente, las pruebas previas y posteriores se completaron sin orientación o instrucción de LRC para observar el comportamiento natural y habituado de LRC antes y después de la intervención. Encontramos diferencias marcadas en el comportamiento de la LRC después de la intervención, incluyendo no solo un aumento en la LRC general, sino también la utilización de varias proporciones y una reducción general en la BR del ejercicio. Por ejemplo, un participante aumentó el LRC del 39,7% al 53,4% después de la intervención (Figura 8). En particular, mientras que en el pretest, realizaron LRC exclusivamente en proporciones de 2:2 y 2:1 cerca de la intensidad máxima, en el postest utilizaron LRC proporciones 3:4 y 3:3 al principio y durante la mitad de la prueba. No solo se acoplaban más, sino que utilizaban diferentes relaciones en diferentes momentos, lo que resultaba en un BR promedio más bajo y también en una mayor eficiencia ventilatoria (pendiente VE/VCO2 ). Otros participantes tuvieron cambios similares en LRC (+40% al aire libre, +20% en interiores), y el único participante en la condición de control (sin orientación de LRC) no vio cambios (<25% en general, considerado no significativo). Hubo algunas tendencias individuales en la respuesta subjetiva de vitalidad al ejercicio antes frente a después de la intervención, mostrando aumentos favorables en la vitalidad con LRC (Figura 9).

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Figura 8: Ejemplo de datos de acoplamiento 2. Ejemplo de prevalencia de LRC en un participante durante una prueba de cinta de correr incremental máxima hasta el agotamiento (A) antes y (B) después de una intervención de 4 semanas corriendo con la aplicación. El eje Y izquierdo (azul) muestra la relación LRC (pasos por respiración), y las secciones resaltadas en negro corresponden a un período de "adhesión" > LRC de 30 s. El eje Y derecho muestra la fase relativa discreta de los pasos dentro del ciclo de respiración, donde 0° corresponde a la inspiración. Durante los períodos de fijación, observe que las líneas paralelas en la fase relativa discreta reflejan un acoplamiento de fase consistente de la respiración al paso. (A) En la prueba previa antes de la intervención, observe los dos períodos (~ 40% adjuntos) de LRC en una proporción de 2:2 (4 pasos por respiración) y 2:1 (3 pasos por respiración) cerca del final de la prueba. (B) En la prueba posterior después de la intervención, no solo hubo períodos más largos de LRC (~ 53% adjunto), sino que se utilizaron proporciones más largas (4:4, 3:4 y 3:3), y se realizó más LRC antes en la prueba a intensidades de ejercicio relativas más bajas. Abreviatura: LRC = acoplamiento locomotor-respiratorio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 9: Puntuaciones subjetivas individuales de vitalidad registradas a lo largo de la prueba de carrera en interiores antes y después de la intervención. P01 y p03 recibieron orientación de LRC, mientras que p04 estaba en el grupo control. El otro participante (p02) tiene datos defectuosos del cuestionario (no se muestran en la figura). Obsérvese las puntuaciones divergentes para p01 y p03, donde las tendencias posteriores a la prueba muestran un aumento de la vitalidad después de la carrera. Abreviatura: LRC = acoplamiento locomotor-respiratorio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

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Esta metodología presenta una de las primeras herramientas digitales basadas en evidencia y listas para el campo para instruir a los corredores. Los primeros resultados sugieren que es eficaz no solo para aprender rápidamente y adherirse a la LRC, sino que también se puede enseñar con el tiempo y retener. Si bien el LRC puede surgir de forma natural con una mayor experiencia en carrera, los novatos son menos propensos arealizarlo. Coincidentemente, es especialmente probable que experimenten barreras para la participación que incluyen mala condición física y limitaciones respiratorias38,39. Otras poblaciones, como las personas obesas, tienen aún más beneficios potenciales, ya que experimentan un mayor trabajo de respiración y rebote de los tejidos blandos 40,41,42; este doble problema puede abordarse a través de LRC. LRC puede ayudar a estas personas a correr con menos molestias, y herramientas digitales como esta aplicación son modos accesibles para entregarlo a un mayor número de estos corredores. Es plausible que LRC y, por lo tanto, esta aplicación pueda ser adicionalmente valiosa en contextos que presentan desafíos respiratorios adicionales como la hipoxia, el transporte de carga torácica y el ultramaratón.

La aplicación utiliza una guía de sonido para instruir LRC porque la mayoría de los corredores escuchan audio mientras corren43, el audio rítmico motiva y reduce la fatiga durante el ejercicio31 y es mínimamente invasivo para otros sentidos críticos (es decir, la visión). Los estudios de laboratorio sobre LRC han utilizado señales de sonido con un metrónomo14, que no considera la variabilidad natural y la complejidad de la dinámica de la marcha durante la carrera. Otro estudio utilizó la guía háptica durante la carrera en el campo; reportaron una baja adherencia a la instrucción de LRC alrededor del 26%44. Teniendo en cuenta la adherencia relativamente mayor reportada aquí (Figura 8 y Figura 9), se sospecha que la orientación auditiva es preferible.

Si bien la aplicación detecta y proporciona retroalimentación en vivo para SR, la guía de BR para relaciones LRC específicas está predeterminada por la configuración de la aplicación. No detecta ni se ajusta en función de la BR real del usuario. Si bien se puede realizar una calibración individual para aproximar la elección de la relación LRC adecuada (sección 7.1 del protocolo), sin detección de BR, no existe un mecanismo para confirmar la adherencia o ajustar la instrucción en consecuencia. La adición de un sensor BR mejoraría la aplicación de esta manera. Por ejemplo, una revisión reciente sugiere que la retroalimentación continua puede tener efectos negativos sobre el aprendizaje y la habituación45. Otras estrategias, como el ancho de banda (orientación solo cuando el individuo está fuera de un umbral de éxito predefinido) o la retroalimentación autodeterminada pueden ser más efectivas para apoyar el aprendizaje y la autoeficacia45. Por último, la adición de un sensor BR también podría proporcionar información sobre el acoplamiento de fase. Dado que este elemento de LRC es fundamental para el mecanismo visceral del pistón y los beneficios fisiológicos resultantes, debe tenerse en cuenta para futuras aplicaciones de retroalimentación.

La individualización del LRC es esencial para que las aplicaciones de investigación sean efectivas. La realización de esta individualización asegura que la instrucción de LRC no cambie sustancialmente el BR del corredor con respecto a su BR natural. Alternativamente, si se desea cambiar el BR, permite al usuario realizar cambios más sensibles a su estado fisiológico típico. Esta calibración individual debe realizarse en función del contexto, ya que BR depende del rasgo y del estado. Por ejemplo, el BR suele elevarse a intensidades de ejercicio relativas más altas20; por lo tanto, la proporción natural de LRC puede ser diferente durante la carrera larga y de duración lenta frente a la carrera de umbral de alta intensidad. También puede verse afectado por factores como el entorno (interior vs. exterior, frío vs. calor), la hora del día y el sexo biológico46. La realización de esta calibración requiere sistemas de medición que puedan estimar BR y SR de forma sincrónica. Esto se puede hacer con equipos estándar de ciencias del deporte, como espiroergometría y acelerómetros. En el campo, los sensores portátiles han demostrado su potencial para medir estos parámetros con precisión36. BR y SR se pueden promediar durante un período determinado para estimar la relación LRC aproximada. Cuando sea apropiado, los datos pueden recortarse a fases específicas dentro de la carrera, ya que las demandas fisiológicas (por lo tanto, BR) y la velocidad (por lo tanto, SR) pueden variar. En consecuencia, la relación LRC "natural" puede variar dentro de una ejecución.

Los elementos específicos de esta aplicación deben actualizarse para mejorar la interacción del usuario. Si bien algunos parámetros se pueden cambiar con los controles de los auriculares, otros (como el paisaje sonoro) no se pueden cambiar. Se podría considerar la integración de gestos o la integración de relojes inteligentes para facilitar la interacción. Además, las próximas iteraciones podrían considerar algún tipo de "reinicio" de instrucciones para usar cuando el corredor pierda su ritmo. Las interrupciones naturales de la respiración, como toser o tragar, o la simple distracción, pueden hacer que un corredor no esté sincronizado con la guía. En lugar de contener la respiración para esperar a que llegue el próximo ciclo de LRC, se podría usar un botón, un comando de voz o un evento detectado por un sensor para resincronizar el sonido con el corredor. Finalmente, dado que la mayoría de los corredores escuchan música43, la aplicación puede restar valor a la experiencia de los corredores, ya que no pueden escuchar su música favorita y recibir orientación de LRC sobre "completo". La integración de la guía LRC en la música en sí misma podría permitir una experiencia intuitiva y natural para brindar una guía de respiración y disfrutar de la música preferida de uno. Esto aún no está integrado en la aplicación.

Hasta el momento, ya se han identificado algunas limitaciones de este método. En primer lugar, es posible que los sonidos de los pasos alejen al corredor de su SR habitual. Mientras que la sonificación escalonada sólo refleja la SR en tiempo real del corredor, el promedio móvil implica que la SR sonificada es inicialmente inferior a la SR inmediata del corredor. Por lo tanto, puede ser valioso para el usuario ignorar los sonidos de paso hasta que haya establecido su propio SR preferido durante unos segundos. En segundo lugar, en relación con este punto anterior, los sonidos de paso se reproducen automáticamente en la SR actual del usuario, pero no necesariamente están sincronizados en fase con la pisada. Por lo tanto, es posible que la RS del usuario coincida con la SR sonificada pero en coordinación de antifase. Esto puede dar lugar a una dinámica LRC indeseable, ya que el usuario puede perder la sincronización de fase del paso y la respiración. Esto se puede corregir con la guía de un investigador/experto que observe al usuario con los sonidos de guía audibles. A continuación, se desea que el usuario seleccione las relaciones LRC para que sean flexibles y se adapten a las diversas necesidades de los corredores; sin embargo, podría conducir a la selección accidental de proporciones indeseables. Por ejemplo, 2:2 puede ser una proporción adecuada para correr de intensidad moderada y alta, pero puede provocar hiperventilación a intensidades relativas más bajas. Las proporciones muy desiguales (por ejemplo, 3:6) pueden ser útiles para indicar exhalaciones largas, mientras que la inversa (6:3) es indeseable para su fase de exhalación excesivamente corta47. Finalmente, se reconoce que una aplicación solo para la plataforma Android es inherentemente limitada, ya que muchos usuarios de dispositivos móviles prefieren otras plataformas. Las pruebas piloto revelaron que la aplicación funciona según lo previsto solo en dispositivos móviles modernos actualizados.

Esperamos que esta aplicación se utilice en estudios de intervención de corredores que podrían beneficiarse más de la guía respiratoria. Los principiantes, las mujeres, los adolescentes y aquellos que experimentan disnea inducida por el ejercicio podrían experimentar los mayores beneficios de la orientación de LRC 8,48. Los métodos experimentales pueden mejorarse con el uso de la función de "tempo de sonido" para apoyar las estrategias de ritmo deseadas. Si bien hasta ahora no se han probado, otras actividades de resistencia cíclica (por ejemplo, ciclismo, esquí de fondo) podrían beneficiarse de la guía de LRC como la que proporciona la aplicación. Se necesita más trabajo para evaluar la idoneidad de esta solución para tales aplicaciones.

Divulgaciones

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Ulf Jensen era empleado de Adidas AG. El resto de los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un potencial conflicto de intereses.

Agradecimientos

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Este trabajo contó con el apoyo del Ministerio Federal de Acción Climática, Medio Ambiente, Energía, Movilidad, Innovación y Tecnología de Austria bajo el Contrato No. 2021$-$0.641.557 y el estado federal de Salzburgo bajo el programa de investigación COMET-Centros de Competencia para Tecnologías Excelentes- en el proyecto Digital Motion in Sports, Fitness and Well-being (DiMo; Contrato Nº 872574).

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Teléfono inteligente AndroidSamsung o GoogleSe requiere Android 8.0 mínimo para la funcionalidad de la aplicación
Motor FMOD Firelight Technologies Pty LtdMotor de sonido
Hexoskin camisa inteligente  Carré TecnologíasCamiseta de sensor portátil
Aplicación RunRhythm para Android adidas GmbH y abios GmbH

Referencias

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