Applicazione per smartphone personalizzata per guidare l'accoppiamento locomotore-respiratorio sul campo utilizzando suoni respiratori adattivi al passo

Sommario

L'accoppiamento locomotore-respiratorio (LRC) è potenzialmente vantaggioso per i corridori, ma può essere difficile da eseguire. Introduciamo una soluzione personalizzata implementata su uno smartphone per personalizzare e guidare i corridori verso l'LRC.

Abstract

Sebbene la corsa sia tra le attività più popolari per la competizione e il tempo libero, si stima che il 20-40% dei corridori possa soffrire di limitazioni respiratorie. Alcuni di questi corridori possono trarre beneficio dalle tecniche di respirazione per migliorare le prestazioni o alleviare il disagio respiratorio. Una di queste tecniche è l'accoppiamento locomotore-respiratorio (LRC), una sincronizzazione di frequenza e fase del respiro al passo. Gli studi hanno dimostrato che l'LRC può giovare all'efficienza ventilatoria attraverso "flussi guidati da passi" e alcuni esperti hanno sostenuto che potrebbe essere utilizzato per stimolare l'esercizio fisico o aumentare gli stati emotivi positivi. Tuttavia, potrebbe essere difficile esibirsi senza coaching o guida. Qui proponiamo RunRhythm, un'applicazione per smartphone personalizzata per fornire una guida sonora sincronizzata a passi per LRC. Questo concetto si basa su prove precedenti che una guida solida può essere efficace e integra funzionalità per massimizzare l'aderenza e l'individualizzazione. I risultati preliminari mostrano che questa applicazione è un metodo promettente ed efficace adatto per la ricerca su LRC in esercitazioni sul campo. Vengono discusse raccomandazioni per l'uso e l'ulteriore sviluppo per sviluppare ulteriormente questo concetto a beneficio di una popolazione più ampia.

Introduzione

La corsa è forse la forma di esercizio più popolare, in parte grazie alla sua accessibilità e alla gamma di benefici per la salute fisica e mentale ^1,2. Tuttavia, molti aspiranti corridori faticano a iniziare o mantenere le abitudini di corsa. Ciò potrebbe essere dovuto a difficoltà respiratorie, che colpiscono circa il 20-40% dei corridori ^3,4,5. Ridurre la mancanza di respiro indotta dall'esercizio è teoricamente possibile con l'uso di tecniche di respirazione specifiche, ma i metodi, i rischi e i benefici esatti di farlo non sono chiari. Sebbene il miglioramento della forma fisica e/o la respirazione lenta a riposo possano alleviare il disagio respiratorio durante l'esercizio ^6,7, queste soluzioni richiedono settimane o mesi per realizzare benefici. Alcune ricerche hanno ipotizzato che l'implementazione diretta di tecniche di respirazione durante l'esercizio fisico possa essere più efficace nel produrre benefici acuti⁸, sebbene tali indagini siano limitate. Potrebbero essere necessari strumenti digitali che consentano un'istruzione individualizzata per eseguire tali studi in un formato di intervento efficace.

L'accoppiamento locomotore-respiratorio (LRC) è un fenomeno di sincronizzazione in cui la respirazione e il movimento sono sincronizzati in frequenza e/o fase. In esercizi specifici come la corsa, LRC indica un rapporto intero tra la respirazione (BR) e la frequenza dei passi (SR), nonché il blocco di fase dell'appoggio del piede all'inizio del respiro (cioè, calpestare esattamente durante l'inspirazione). La LRC può essere espressa volontariamente o automaticamente e può emergere come un comportamento appreso con l'allenamento fisico⁹. Gli esseri umani sincronizzano naturalmente l'andatura con i rumori uditivi interferenti (compresa la respirazione) forse per ridurre la stimolazione uditiva, il che suggerisce che la LRC ha una fenomenologia evolutiva¹⁰. Alcuni rapporti indicano che la LRC avvantaggia l'economia del movimento e le prestazioni e riduce la dispnea 11,12,13,14,15. Alcuni studi hanno riportato benefici trascurabili 16,17,18. Eventuali benefici fisiologici potrebbero essere correlati ai "flussi a passi": ogni appoggio crea uno slancio verso il basso del contenuto addominale (il "pistone viscerale"), che se sincronizzato con l'inizio dell'inspirazione o dell'espirazione può essere additivo alla ventilazione.

Daley et ^al.19 hanno misurato il flusso ventilatorio e le forze d'impatto durante la corsa sul tapis roulant e hanno ipotizzato che i flussi guidati da gradini possono contribuire fino al 10-12% alla ventilazione totale. Hanno anche riferito che potrebbe accelerare le transizioni ventilatorie. Altri meccanismi neuromeccanici possono interagire con questo fenomeno⁹. Mentre il pistone viscerale è il risultato di un preciso accoppiamento di fase, l'accoppiamento di frequenza può essere prezioso in modo indipendente, soprattutto per il corridore alle prime armi. La BR è strettamente correlata allo sforzo attraverso diverse intensità di esercizio²⁰. Poiché la SR è generalmente stabile e associata alla velocità di corsa²¹, la LRC può supportare l'autoconsapevolezza e consentire un facile ritmo della BR e, quindi, l'intensità durante la corsa. Infine, la LRC a rapporti irregolari (ad esempio, 5:1 passi per respiro) potrebbe aiutare a prevenire il dolore addominale transitorio correlato all'esercizio ("punto al fianco"). La maggior parte dei corridori sperimenta questo sintomo temporaneo, ma distraente e doloroso ogni anno²², che spesso porta alla necessità di smettere di correre. Una teoria dell'eziologia delle fitte laterali è che la respirazione ripetuta sullo stesso appoggio laterale può irritare il nervo frenico. Pertanto, potrebbe essere evitato dalla LRC a rapporti irregolari, il che porta a respirare a gambe alterne.

Pochi rapporti hanno discusso su come supportare i corridori nell'esecuzione dell'LRC. Almeno due studi hanno mostrato metodi in stile biofeedback^14,23 mentre molti hanno utilizzato il semplice coaching verbale ^24,25. Sebbene questi metodi abbiano dimostrato di essere promettenti nello stimolare la LRC in modo acuto, sono altamente standardizzati e richiedono attrezzature specializzate. In quanto tali, probabilmente non sono adatti per applicazioni sul campo, né sono accessibili alla maggior parte dei corridori. Indipendentemente da ciò, la guida sonora è una scelta naturale poiché gli esseri umani sincronizzano intuitivamente il movimento con eventi uditivi prevedibili (metronomo o musica)²⁶. Le applicazioni dovrebbero quindi considerare attentamente il tempo e la struttura del suono nel contesto dell'apprendimento motorio. Mentre l'audio semplice e a tempo costante è prevedibile ed efficace per stimolare il trascinamento, contraddice il comportamento naturalmente non lineare dei ritmi di passo e respiratori nei corridori sani ^27,28. Cambiare la SR preferita da un corridore potrebbe ridurre l'economia della corsa ²⁹ o potrebbe modificare i fattori di rischio di infortunio³⁰. Pertanto, le istruzioni sonore devono essere continuamente adattate in tempo reale per seguire la SR³¹ del corridore.

Di recente abbiamo introdotto un concetto che integra le raccomandazioni di cui sopra in un'applicazione per smartphone semplice, intuitiva e personalizzata³². La prima iterazione consente di selezionare un singolo rapporto LRC da istruire durante la corsa. L'algoritmo SR di serie del telefono viene sfruttato per fornire informazioni SR in tempo reale all'applicazione. Quindi, vengono prodotti suoni sincronizzati per i passi che indicano quando il corridore deve espirare e inspirare: un tono acuto per i passi durante l'inspirazione e un tono basso durante l'espirazione. I rapporti LRC prescritti sono stati derivati da una visita di controllo senza istruzioni respiratorie. Abbiamo riscontrato un forte aumento dell'LRC dal 26,3 ± 10,7% al 69,9 ± 20,0% della corsa con l'istruzione di applicazione durante la corsa submassimale all'aperto. Le limitazioni indicate con il protocollo e l'applicazione includono un'ampia familiarizzazione richiesta, dimensioni limitate del campione e istruzioni sonore costanti. Pertanto, è stata sviluppata una nuova versione di questa applicazione per migliorare l'esperienza dell'utente e consentire test e sperimentazioni più ampi nell'esercizio sul campo. Questa applicazione è intitolata RunRhythm poiché il suo scopo è quello di supportare i corridori nella ricerca e nel mantenimento di un ritmo durante la corsa. Di seguito sarà indicata come l'app.

Lo scopo di questo rapporto è quello di introdurre un nuovo strumento digitale e un approccio metodologico che consenta una guida LRC intuitiva e pronta sul campo per studi di ricerca che coinvolgono corridori esperti o aspiranti tali. L'app è un'applicazione di livello di ricerca in fase di beta testing per dispositivi Android. Le funzionalità principali dell'applicazione sono il rilevamento SR e la guida LRC. Quando viene rilevata la corsa, i suoni respiratori vengono creati in base alle impostazioni selezionate nell'interfaccia utente. L'applicazione calcola la SR dall'accelerometro del telefono utilizzando uno dei due algoritmi: l'algoritmo SR di fabbrica implementato dal produttore del dispositivo o un algoritmo SR personalizzato creato dal produttore dell'applicazione. Entrambi gli algoritmi producono un livestream costante di SR, che viene poi livellato su una media mobile secondo una finestra adattiva. La dimensione della finestra è dinamica per bilanciare la reattività e l'attenuazione dei valori anomali. Il risultato è un valore costantemente aggiornato di SR in tempo reale.

Poiché l'app calcola la SR dal movimento del dispositivo, il posizionamento del telefono sul corpo è della massima importanza. La maggior parte degli algoritmi SR di serie sono indipendenti dalla posizione e, pertanto, possono essere posizionati su qualsiasi parte del corpo durante la corsa per produrre valori SR accurati. Anche l'algoritmo personalizzato implementato qui si comporta come tale. Tuttavia, un posizionamento stabile più vicino al baricentro può migliorare la stabilità del rilevamento SR e, di conseguenza, la qualità del suono prodotto dall'app. I test pilota dimostrano che i posizionamenti con oscillazione 1dimensionale (cioè verticalmente su e giù, ad esempio in una tasca sul petto o in un marsupio) possono avere prestazioni migliori rispetto a quelli con movimento bidimensionale (ad esempio, oscillazione come in una tasca della coscia o in una fascia da braccio).

I dati SR vengono inviati a un motore sonoro integrato (vedere la Tabella dei materiali). I suoni dei passi vengono riprodotti solo se il sistema rileva SR > 0. Quando l'SR è al di sopra di una soglia preimpostata (determinata nelle impostazioni di back-end [sezione 3.6 del protocollo], ovvero 120), l'applicazione capisce che l'utente è in esecuzione e attiva l'inizio dei suoni di guida alla respirazione. Quindi, questo valore SR in tempo reale viene utilizzato per impostare il tempo del passo e i suoni di guida della respirazione, purché venga mantenuto un valore SR "in corsa". Quando SR > soglia, i suoni generati corrispondono al tempo di SR per impostazione predefinita. L'eccezione è quando l'impostazione del backend "tempo sonoro" viene modificata (determinata nelle impostazioni del backend [sezione 3.5 del protocollo]). Ad esempio, con un limite superiore selezionato di 180, anche se il corridore inizia a correre con un SR più alto di 185, il tempo del suono non supererà 180. Quando abbassano il loro SR a 175, i suoni si abbasseranno a 175, regolandosi continuamente entro i limiti preimpostati. Come descritto nel passaggio del protocollo 3.5, questi cursori consentono all'utente o al ricercatore di impostare limiti sul tempo sonoro minimo e massimo (bpm). L'app consente di selezionare diversi rapporti LRC (passi:respiro) prima o di modificare durante la corsa. Il numero di passi per fase di respiro può essere modificato da 2 a 9; cioè, un rapporto 2:3 riflette 2 passi per inspirazione e 3 passi per espirazione.

Diversi "paesaggi sonori" sono stati progettati per fornire un'esperienza audio piacevole a più corridori con gusti musicali diversi sulla base del feedback degli utenti e dei primi esperimenti in laboratorio³³. Hanno suoni diversi mappati sulla frequenza dei passi in tempo reale, sulle fasi di respirazione istruite e sul rumore ambientale di fondo. I suoni dei passi sono semplici battiti che suonano al tempo di ogni appoggio (cioè passi destro e sinistro). I suoni del respiro integrano diversi elementi sonori e suonano a un tempo molto più lento a seconda del rapporto LRC scelto. I paesaggi sonori disponibili sono tribali: organici e strumentali con transizioni respiratorie taglienti e suoni di passi; Rilassante: leggero e ispirato all'oceano con transizioni fluide e suoni di passi; energizzante: elettronico e di guida con transizioni brusche e suoni di passi; Minimal: semplice e fluido con solo suoni di respiro (nessun suono di passi).

La funzione voiceover aggiunge semplici segnali vocali corrispondenti ai risultati della ricerca sulle migliori pratiche relative alla familiarizzazione con LRC. Fornisce una serie di istruzioni all'inizio della corsa e poi ogni 5 minuti successivi. Innanzitutto, indica il rapporto LRC selezionato. Quindi, indica la fase di respirazione prevista in sincronia con i segnali sonori per i primi tre cicli di respirazione. Quindi ricorda all'utente: "trova la tua frequenza di passi e fai un passo al ritmo". Per ogni corsa, è integrato un questionario pre e post corsa per aggiungere dati soggettivi a ciascuna corsa. La scala corta di vitalità soggettiva³⁴ chiede un singolo elemento riguardante la sensazione del corridore da 0 a 10. Una valutazione da 0 a 10 della scala di affaticamento chiede all'utente di valutare il proprio stato attuale di affaticamento. Infine, una scala da 0 a 10 valuta il grado di dispnea attualmente sperimentato. Tutte queste scale vengono chieste prima e dopo ogni corsa. Solo dopo la corsa, all'utente viene chiesto di valutare la propria esperienza dell'intensità della corsa (ad esempio, leggera, media, alta, intervalli). Gli utenti possono modificare il rapporto LRC e la temporalità durante la corsa utilizzando l'interfaccia su schermo o i controlli delle cuffie. Questo può aiutare gli utenti a sentirsi liberi di agire durante la corsa e consente l'esplorazione dell'idoneità personale. Inoltre, potrebbe essere necessario modificare rapidamente il rapporto in risposta a eventi di corsa (ad esempio, colline, affaticamento). Questo protocollo include una descrizione di come eseguire l'app e raccomandazioni successive per il suo utilizzo all'interno di protocolli di ricerca di vario tipo (ad esempio, indoor, outdoor, interventistico, trasversale).

Protocollo

Questo studio ha ottenuto l'approvazione etica dal Comitato etico dell'Università di Salisburgo (numero di riferimento: GZ 13/2021) e i partecipanti hanno dato il loro consenso informato.

1. Iniziare con RunRhythm

1. Chiedi ai partecipanti di compilare un prequestionario per includere informazioni demografiche, nonché corsa, sport ed esperienza di respirazione.
2. Scarica l'applicazione su uno smartphone funzionante con Android 8.0 o versioni successive.
   NOTA: i test utente chiusi e i download delle applicazioni sono accessibili solo a utenti selezionati con account Google Play le cui email vengono aggiunte all'elenco degli utenti approvati. Il test è solo su invito. Invia le richieste di accesso all'autore corrispondente.
3. Verificare che l'utente abbia guardato l'esercitazione prima del primo utilizzo dell'applicazione (Figura 1).

Figura 1: Esercitazione sull'app. RunRhythm fornisce un tutorial introduttivo alla sua prima apertura, inclusi dettagli relativi all'accoppiamento locomotore-respiratorio, un'animazione che mostra come funziona l'applicazione e suggerimenti per l'uso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Funzionalità di base

1. Scegliere il paesaggio sonoro desiderato utilizzando l'interruttore orizzontale (Figura 2B).
   NOTA: Questo può essere modificato solo prima della corsa.
2. Modificare il rapporto LRC desiderato (passi per inspirazione:passi per espirazione) utilizzando gli interruttori su o giù (Figura 2A); Blocca l'interruttore con l'icona del lucchetto. Quando lo schermo è bloccato, utilizzare la ricerca () delle cuffie compatibili per modificare il rapporto su e giù.
   NOTA: Il blocco del rapporto funziona per mantenere una differenza di rapporto costante quando si modifica il rapporto. Ad esempio, se 2:3 è bloccato, l'attivazione di "su" cambierà il rapporto a 3:4 (mantenendo 1 passo in più per espirazione rispetto all'inspirazione).
3. Modificare le impostazioni della temporalità utilizzando l'interruttore a 3 posizioni sull'interfaccia (Figura 2C). Quando lo schermo è bloccato, utilizzare le modalità di riproduzione e pausa () delle cuffie compatibili.
   NOTA: La temporalità può essere commutata tra guida completa (sempre attiva), guida media (1 min acceso/5 min spento) e nessuna guida.
4. Attiva/disattiva la funzione di voiceover con l'interruttore dell'interfaccia in basso a destra (Figura 2D e 5A).
5. Seleziona avvia esecuzione per iniziare. Quando viene utilizzato per la prima volta, premere Consenti per consentire al dispositivo la registrazione del movimento e della posizione.
6. Completa i questionari sullo schermo prima e dopo ogni corsa premendo sui numeri corrispondenti alla sensazione attuale provata dal corridore (Figura 3).

Figura 2: Interfaccia principale dell'app. (A) Il rapporto di accoppiamento locomotore-respiratorio può essere modificato dall'interfaccia utente con spinner che vanno da 2 a 9. Ogni valore rappresenta il numero di passi per fase di respiro; cioè, 2:3 rappresenta 2 passi per inspirazione: 3 passi per espirazione. L'icona del lucchetto può essere utilizzata per correggere la differenza di rapporto; cioè, quando è bloccato a 2:3, spostando "su" si cambia il rapporto a 3:4 (mantenendo una differenza di 1 passo in più per espirazione). (B) La selezione del paesaggio sonoro consente all'utente di scegliere tra quattro livelli sonori predeterminati: tribale, rilassante, elettronico e minimale. (C) L'interruttore Temporalità consente all'utente di scegliere tra tre impostazioni predeterminate per la frequenza di guida: completa, media e disattivata. (D) L'interruttore VoiceOver consente all'utente di attivare o disattivare i segnali vocali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Questionari pre e post. Questionari identici vengono presentati all'inizio e alla fine di ogni corsa. Devono essere risposte per iniziare o terminare la corsa. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Impostazioni di backend

NOTA: I parametri chiave che influiscono sulla funzionalità dell'applicazione possono essere modificati toccando i tre punti nell'angolo in alto a destra dell'interfaccia principale. I valori predefiniti riflettono i valori consigliati, ma possono essere modificati. Questa schermata (Figura 4) contiene le seguenti impostazioni:

Figura 4: Impostazioni di back-end. Le impostazioni di back-end includono la pausa automatica, un interruttore per il rilevamento dei passaggi e i codici identificatori. (A) Le impostazioni della soglia del tempo del suono consentono di selezionare con precisione le soglie di velocità dello step che limitano il tempo di guida del suono generato. Ad esempio, la selezione di una soglia inferiore di 155 e di una soglia superiore di 180 garantisce che la guida sonora non si discosti dall'intervallo [155, 180], indipendentemente dall'SR effettivo rilevato. Il valore predefinito è [0, 200]. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

1. Attiva GPS e GPX per registrare la distanza percorsa, la velocità di corsa e il rilevamento del percorso.
   NOTA: Quando è attivato, registra le coordinate GPS (Global Positioning System) durante l'esecuzione dall'output di fabbrica del dispositivo. Quando è disattivato, non esegue alcuna registrazione.
2. Pausa automatica: attiva "on" per ottenere le migliori prestazioni.
   NOTA: Quando è attivato, interrompe la registrazione GPS quando la velocità rilevata è vicina a 0. Quando è disattivato, continua la registrazione indipendentemente dalla velocità.
3. Attiva i controlli delle cuffie quando si utilizzano le cuffie con i controlli della musica.
   NOTA: Quando è attiva, questa funzione consente alle cuffie compatibili (cablate o wireless, con controlli) di modificare i parametri chiave durante la corsa (vedere il passaggio 2.4). Quando è disattivato, questo passaggio disabilita i controlli delle cuffie dalla modifica dei parametri dell'applicazione.
4. Rilevamento passo di sistema: modificare questa impostazione quando l'applicazione si comporta in modo strano; cioè, se il tempo del suono non corrisponde al tempo del passo.
   NOTA: Quando è attivata, questa funzione utilizza l'algoritmo SR di fabbrica del produttore del dispositivo per tutte le funzionalità dell'applicazione. Quando è disattivato, utilizza l'algoritmo personalizzato dello sviluppatore dell'applicazione. Poiché i dispositivi hanno prestazioni di rilevamento SR di fabbrica diverse in base ai parametri del produttore come il chipset, questa può essere attivata o disattivata per migliorare le prestazioni dell'applicazione.
5. Tempo del suono: impostare i cursori del tempo del suono sulle soglie SR desiderate (Figura 4A).
   NOTA: Impostare su una finestra specifica (ad esempio, 160-180) per creare un limite inferiore e/o superiore al tempo dei suoni generati. Il minimo inferiore = 0 e il massimo superiore = 200.
6. Steprate di esecuzione: modificare questa soglia in qualsiasi numero intero 0-200 per modificare la SR
   soglia utilizzata per attivare i suoni di guida LRC.
   NOTA: L'applicazione imposta per impostazione predefinita 120 come SR in corrispondenza del quale viene rilevato "running" e iniziano a essere riprodotti i suoni.
7. Abilita Breath Feedback: attiva "on" per le funzionalità principali dell'applicazione.
   NOTA: Quando è attivata, è possibile prevedere la normale funzionalità dell'applicazione con suoni di passi e respiro durante la corsa. Quando è disattivata, questa impostazione impedisce la creazione di suoni respiratori. Questo viene utilizzato a scopo di test o quando si desidera solo il suono dei passi.
8. Riavvia l'introduzione: fai clic sul testo per riprodurre il tutorial di onboarding.
9. Protezione dei dati: fare clic sul testo per visualizzare l'informativa sulla protezione dei dati del produttore dell'applicazione.
10. Identificatori
    1. ID installazione: registra questo valore, che rappresenta l'identificatore univoco per la build del dispositivo e dell'applicazione. Si riflette nei file di registro generati dopo ogni esecuzione.
    2. Versione: registra questo valore, che rappresenta la versione della build dell'applicazione.
    3. Produttore/modello: registra questo valore, che rappresenta l'identificatore del dispositivo per marca e modello.

4. Esecuzione con l'app

1. Inizia a correre!
   1. Innanzitutto, quando i suoni del passo si attivano; Ascolta attentamente e segui il ritmo. Quindi, verrà attivata la guida alla respirazione; Abbina l'inspirazione e l'espirazione esattamente al suono.
2. Interfaccia in esecuzione: durante la corsa, modificare il rapporto LRC e la temporalità utilizzando gli interruttori sull'interfaccia su schermo (Figura 5A).
3. Rapporto post-esecuzione: premere Fine esecuzione per arrestare l'applicazione. Una schermata di riepilogo mostra le metriche chiave tra cui la distanza totale, l'andatura media e la frequenza media dei passi (Figura 5B).

Figura 5: interfaccia all'interno e dopo l'esecuzione. (A) Durante la corsa, è disponibile un'interfaccia semplificata che consente all'utente di modificare i parametri chiave, tra cui il rapporto di accoppiamento locomotore-respiratorio e la temporalità. Visualizza anche l'andatura di corsa corrente e la frequenza dei passi. (B) Dopo la corsa, una schermata di riepilogo visualizza le metriche chiave tra cui la distanza totale, l'andatura media e la frequenza media dei passi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

5. Ricerca con l'app

NOTA: Le funzionalità di cui sopra sono state sviluppate per massimizzare l'esperienza dell'utente e consentire studi di ricerca su LRC in diversi contesti. I passaggi indicati di seguito descrivono come integrare l'app in uno studio dalla familiarizzazione iniziale ai log dell'applicazione post-esecuzione. Questi metodi di studio sono stati esaminati e approvati per la sperimentazione sull'uomo dal comitato etico della Paris Lodron Universität Salzburg (EK-GZ 29/2023).

1. Prima di discutere o istruire LRC con l'app, eseguire una calibrazione individuale per determinare il rapporto LRC naturale del corridore. Scegli un'attività in esecuzione che sia rappresentativa dell'attività e del contesto di studio e registra SR e BR durante la prova. Calcola il rapporto LRC intero più vicino dal loro quoziente (SR/BR = rapporto LRC; cioè, 160/30 = 5,3 = rapporto raccomandato 5 passi per respiro).
2. Posiziona il telefono in una tasca per i vestiti, in un marsupio o in una fascia da braccio saldamente aderente al corpo.
3. Utilizzare le cuffie durante la corsa all'aperto per migliorare l'erogazione delle istruzioni sonore e abilitare i controlli delle cuffie. In alternativa, utilizzare un altoparlante Bluetooth durante la familiarizzazione con un ricercatore per seguire insieme le istruzioni LRC.
4. Familiarizza il corridore con LRC e l'app.
   NOTA: Anche se l'app non dovrebbe richiedere la familiarizzazione con un ricercatore, a scopo di ricerca, potrebbe essere utile per un ricercatore spiegare LRC, l'applicazione, il suo scopo e dimostrarne la funzionalità. L'LRC dovrebbe essere introdotto utilizzando i segnali verbali di Coates e Kowalchik³⁵.
   1. Inizia con un battito ritmico dei piedi mentre sei seduto o supino e le istruzioni per respirare a un determinato rapporto (di solito 2:2) in sincronia con i piedi.
   2. Ripeti mentre cammini.
   3. Ripetere mentre si corre sul posto.
   4. Introdurre l'applicazione e descrivere brevemente l'interfaccia utente.
   5. Fissare il dispositivo al corpo del corridore secondo le raccomandazioni di cui sopra (sezione 7.2).
   6. Fare clic su Avvia corsa ed esegui sul posto.
   7. Incoraggia il corridore a continuare a camminare al proprio ritmo mentre i suoni si adattano al proprio SR.
   8. Confermare verbalmente che si sentano anche i suoni del respiro.
   9. Istruire il corridore a respirare in base ai suoni.
   10. Continua a camminare e respirare con i suoni per almeno 30-60 s.
   11. Ripeti il processo con diverse impostazioni dell'applicazione (ad esempio, rapporti LRC, temporalità, voce fuori campo) per confermare la comprensione.
   12. Chiedi al ricercatore e al corridore di correre insieme riproducendo i suoni di guida su un altoparlante Bluetooth per rafforzare i fondamenti di LRC (Figura 6).
       NOTA: I suoni si attivano quando l'applicazione rileva una SR in esecuzione. I suoni dei passi corrisponderanno automaticamente all'SR dell'utente con un certo ritardo.
5. Utilizza una configurazione del sensore minimamente invasiva che consenta il rilevamento del passo e del respiro per confermare l'aderenza del corridore alle istruzioni LRC.
   NOTA: Ad esempio, la maglietta intelligente Hexoskin è in grado di misurare con precisione i passi e l'insorgenza del respiro durante la corsa con un'interferenza minima per il corridore³⁶.
6. Impostazione della temporalità: utilizzare la guida media in combinazione con altre applicazioni musicali, consentendo la riproduzione della musica dell'utente durante i periodi di 5 minuti in cui la guida dell'applicazione è silenziosa.
   NOTA: l'impostazione Nessuna guida registra comunque questionari, GPS e SR, che possono essere utili per alcuni scopi di ricerca.
7. Log: scarica i file di log per accedere ai dati con timestamp dell'esecuzione e ai parametri dell'applicazione.
   NOTA: .csv file di registro registrano i metadati di esecuzione dei tasti e ogni interazione con l'app, tra cui: colpi di piede con timestamp, rapporto LRC scelto e modifiche e risposte al questionario. Sono archiviati su server conformi al GDPR e intitolati con l'ID univoco, la data e l'ora dell'app.

Figura 6: Familiarizzazione del ricercatore. Nei contesti di ricerca, si raccomanda la familiarizzazione da parte del ricercatore principale per garantire una comprensione concettuale dell'accoppiamento locomotore-respiratorio e l'uso corretto dell'applicazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Risultati

L'app è la seconda iterazione di questa applicazione progettata allo scopo di supportare LRC e offrire un'esperienza di guida respiratoria audio. Sono stati condotti numerosi studi pilota e una pubblicazione su rivista a sostegno della sua efficacia e confermando l'esperienza positiva dell'utente. In uno studio trasversale che indaga gli effetti acuti dell'istruzione LRC (menzionato nell'introduzione), è stato riscontrato che correre con una guida ha notevolmente aumentato la LRC in 17 corridori alle prime armi³². Ad esempio, un partecipante ha aumentato l'"attaccamento" LRC (una quantificazione dell'aderenza ai rapporti LRC interi) dal 7,9% all'84,1% (figura) con un rapporto di 2:3 passi per inspirazione:espirazione (5:1 passi per respiro) (Figura 7). La variazione complessiva del gruppo nell'entrainment è aumentata dal 26,3 ± 10,7% (controllo) al 69,9 ± al 20,0% (con la guida LRC).

Figura 7: Esempio di dati di accoppiamento. Esempio di prevalenza di LRC in un partecipante durante una corsa facile di 30 minuti (A) senza e (B) con guida tramite app. L'asse y sinistro (blu) mostra il rapporto LRC (passi per respiro) e le sezioni evidenziate in nero corrispondono a un periodo di "attaccamento" LRC > 30 s. L'asse y destro mostra la fase relativa discreta dei passi all'interno del ciclo del respiro, dove 0° corrisponde all'inspirazione. Durante i periodi di attacco, notare che le linee parallele nella fase relativa discreta riflettono l'accoppiamento di fase coerente del respiro al passo. (A) Nella corsa di controllo senza guida, si noti che c'è stato solo un breve periodo (~8% attaccato) di LRC a un rapporto di 2:2 (4 passi per respiro). (B) Nella corsa con guida tramite app, è stato indicato un rapporto di 2:3 (5 passi per respiro); si noti i sostanziali e lunghi periodi di LRC rispetto al rapporto indicato (~84% allegato). Abbreviazione: LRC = accoppiamento locomotore-respiratorio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

In uno studio pilota di intervento, quattro corridori alle prime armi hanno corso per 4 settimane con l'applicazione (totale 10 corse) e le istruzioni per testare vari rapporti LRC. Hanno completato i test pre e post al chiuso (test incrementale sul tapis roulant fino all'esaurimento) e all'aperto (corsa autogestita di 30 minuti) per determinare come il loro LRC e altre caratteristiche di corsa sono cambiate con l'intervento e l'uso dell'applicazione. Più specificamente, i test pre e post sono stati completati senza la guida o l'istruzione del LRC di osservare il comportamento naturale e abituale del LRC prima e dopo l'intervento. Abbiamo riscontrato marcate differenze nel comportamento di LRC dopo l'intervento, tra cui non solo un aumento del LRC complessivo, ma anche l'utilizzo di vari rapporti e una generale riduzione del BR da esercizio. Ad esempio, un partecipante ha aumentato l'LRC dal 39,7% al 53,4% dopo l'intervento (Figura 8). In particolare, mentre nel pretest hanno eseguito LRC esclusivamente a rapporti di 2:2 e 2:1 vicino alla massima intensità, nel posttest hanno utilizzato rapporti LRC 3:4 e 3:3 all'inizio e per tutta la metà del test. Non solo si accoppiavano di più, ma utilizzavano rapporti diversi in momenti diversi, con conseguente BR medio più basso e anche una maggiore efficienza ventilatoria (pendenza V_E/VCO₂ ). Altri partecipanti hanno avuto cambiamenti simili in LRC (+40% all'aperto, +20% al chiuso) e l'unico partecipante nella condizione di controllo (nessuna guida LRC) non ha visto alcun cambiamento (<25% complessivo, considerato non significativo). Ci sono state alcune tendenze individuali nella risposta soggettiva della vitalità all'esercizio prima rispetto al post-intervento che hanno mostrato aumenti favorevoli della vitalità con LRC (Figura 9).

Figura 8: Esempio di dati di accoppiamento 2. Esempio di prevalenza di LRC in un partecipante durante un test incrementale massimale su tapis roulant fino all'esaurimento (A) prima e (B) dopo un intervento di 4 settimane con l'app. L'asse y sinistro (blu) mostra il rapporto LRC (passi per respiro) e le sezioni evidenziate in nero corrispondono a un periodo di "attaccamento" LRC > 30 s. L'asse y destro mostra la fase relativa discreta dei passi all'interno del ciclo del respiro, dove 0° corrisponde all'inspirazione. Durante i periodi di attacco, notare che le linee parallele nella fase relativa discreta riflettono l'accoppiamento di fase coerente del respiro al passo. (A) Nel pre-test prima dell'intervento, annotare i due periodi (~40% allegato) di LRC in un rapporto di 2:2 (4 passi per respiro) e 2:1 (3 passi per respiro) verso la fine del test. (B) Nel post-test dopo l'intervento, non solo ci sono stati periodi più lunghi di LRC (~53% attaccato), ma sono stati utilizzati rapporti più lunghi (4:4, 3:4 e 3:3) e più LRC è stato eseguito all'inizio del test a intensità di esercizio relative inferiori. Abbreviazione: LRC = accoppiamento locomotore-respiratorio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9: Punteggi di vitalità soggettivi individuali registrati durante il test di corsa indoor prima e dopo l'intervento. P01 e p03 hanno ricevuto la guida LRC, mentre p04 era nel gruppo di controllo. L'altro partecipante (p02) ha dati errati del questionario (non mostrati nella figura). Si notino i punteggi divergenti per p01 e p03, dove le tendenze post-test mostrano una vitalità crescente dopo la corsa. Abbreviazione: LRC = accoppiamento locomotore-respiratorio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

Questa metodologia presenta uno dei primi strumenti digitali basati sull'evidenza e pronti sul campo per istruire l'LRC ai corridori. I primi risultati suggeriscono che è efficace non solo nell'apprendimento rapido e nell'adesione alla LRC, ma può anche essere insegnato nel tempo e conservato. Mentre la LRC può emergere naturalmente con una maggiore esperienza di corsa, i principianti hanno meno probabilità di eseguirla³⁷. Per coincidenza, è particolarmente probabile che incontrino barriere alla partecipazione che includono scarsa forma fisica e limitazioni respiratorie^38,39. Altre popolazioni, come gli individui obesi, hanno ancora più benefici potenziali poiché sperimentano un aumento del lavoro di respirazione e del rimbalzo dei tessuti molli 40,41,42; questo duplice problema può essere risolto tramite LRC. LRC può aiutare queste persone a correre con meno disagio e strumenti digitali come questa applicazione sono modalità accessibili per consegnarla a un numero maggiore di tali corridori. È plausibile che LRC, e quindi questa app, possa essere utile in contesti che presentano ulteriori sfide respiratorie come l'ipossia, il trasporto del carico toracico e l'ultramaratona.

L'app utilizza la guida sonora per istruire LRC perché la maggior parte dei corridori ascolta l'audio durante la corsa⁴³, l'audio ritmico motiva e riduce l'affaticamento durante l'esercizio³¹ ed è minimamente invasivo per altri sensi critici (ad esempio, la vista). Studi di laboratorio su LRC hanno utilizzato segnali sonori con un metronomo¹⁴, che non considera la naturale variabilità e complessità della dinamica dell'andatura durante la corsa. Un altro studio ha utilizzato la guida tattile durante la corsa sul campo; hanno riportato una bassa aderenza all'istruzione LRC, circa il 26%⁴⁴. Considerando l'aderenza relativamente più elevata qui riportata (Figura 8 e Figura 9), si sospetta che la guida uditiva sia preferibile.

Anche se l'app rileva e fornisce feedback in tempo reale per SR, le linee guida BR per rapporti LRC specifici sono predeterminate dalle impostazioni dell'applicazione. Non rileva né si regola in base al BR effettivo dell'utente. Mentre una calibrazione individuale può essere eseguita per approssimare la scelta del rapporto LRC appropriato (sezione 7.1 del protocollo), senza il rilevamento BR, non esiste un meccanismo per confermare l'aderenza o regolare l'istruzione di conseguenza. L'aggiunta di un sensore BR migliorerebbe l'applicazione in questi modi. Ad esempio, una recente revisione suggerisce che il feedback continuo può avere effetti negativi sull'apprendimento e sull'abitudine⁴⁵. Altre strategie, come la larghezza di banda (orientamento solo quando l'individuo è al di fuori di una soglia di successo predefinita) o il feedback autodeterminato, possono essere più efficaci per supportare l'apprendimento e l'autoefficacia⁴⁵. Infine, l'aggiunta di un sensore BR potrebbe anche fornire un feedback sull'accoppiamento di fase. Poiché questo elemento di LRC è fondamentale per il meccanismo del pistone viscerale e per i benefici fisiologici che ne derivano, dovrebbe essere preso in considerazione per future applicazioni di feedback.

L'individualizzazione LRC è essenziale per applicazioni di ricerca efficaci. L'esecuzione di questa individualizzazione garantisce che l'istruzione LRC non cambi sostanzialmente il BR del corridore rispetto a quello naturale. In alternativa, se si desidera modificare la BR, ciò consente all'utente di apportare modifiche più sensibili al proprio stato fisiologico tipico. Questa calibrazione individuale dovrebbe essere eseguita in base al contesto poiché il BR dipende dal tratto e dallo stato. Ad esempio, il BR è tipicamente elevato a intensità di esercizio relative più elevate²⁰; quindi, il rapporto LRC naturale può essere diverso durante la corsa lunga e lenta rispetto alla corsa di soglia ad alta intensità. Può anche essere influenzato da fattori come l'ambiente (interno o esterno, freddo o caldo), l'ora del giorno e il sesso biologico⁴⁶. L'esecuzione di questa taratura richiede sistemi di misurazione in grado di stimare BR e SR in modo sincrono. Questo può essere fatto con apparecchiature standard per la scienza dello sport come la spiroergometria e gli accelerometri. Sul campo, i sensori indossabili hanno dimostrato il loro potenziale per misurare con precisione questi parametri³⁶. BR e SR possono essere mediati su un dato periodo per stimare il rapporto LRC approssimativo. Quando appropriato, i dati possono essere limitati a fasi specifiche all'interno della corsa, poiché le esigenze fisiologiche (quindi BR) e la velocità (quindi SR) possono variare. Di conseguenza, il rapporto LRC "naturale" può variare all'interno di una corsa.

Gli elementi specifici di questa applicazione devono essere aggiornati per migliorare l'interazione con l'utente. Mentre alcuni parametri possono essere modificati con i controlli delle cuffie, altri (come il paesaggio sonoro) non possono esserlo. Si potrebbe prendere in considerazione l'integrazione dei gesti o l'integrazione dello smartwatch per un'interazione più semplice. Inoltre, le prossime iterazioni potrebbero prendere in considerazione una qualche forma di "reset" delle istruzioni da utilizzare quando il corridore perde il ritmo. Le interruzioni naturali della respirazione, come la tosse o la deglutizione, o la semplice distrazione, potrebbero causare la mancata sincronizzazione del corridore con la guida. Invece di trattenere il respiro per aspettare che arrivi il prossimo ciclo LRC, è possibile utilizzare un pulsante, un comando vocale o un evento rilevato da un sensore per risincronizzare il suono con il corridore. Infine, poiché la maggior parte dei corridori ascolta la musica⁴³, l'app potrebbe sminuire l'esperienza dei corridori poiché non possono ascoltare la loro musica preferita e ricevere la guida LRC su "completo". L'integrazione della guida LRC nella musica stessa potrebbe consentire un'esperienza intuitiva e naturale per fornire una guida alla respirazione e godersi la propria musica preferita. Questo non è ancora integrato nell'applicazione.

Finora sono già state identificate alcune limitazioni a questo metodo nei test. Innanzitutto, è possibile che i suoni del passo allontanino il corridore dal suo tipico SR. Mentre la sonificazione del passo riflette solo la SR in tempo reale del corridore, la media in movimento implica che la SR sonificata è inizialmente inferiore alla SR immediata del corridore. Pertanto, può essere utile per l'utente ignorare i suoni dei passi fino a quando non ha stabilito il proprio SR preferito per alcuni secondi. In secondo luogo, in relazione a questo punto precedente, i suoni dei passi vengono riprodotti automaticamente alla SR corrente dell'utente, ma non sono necessariamente sincronizzati in fase con l'appoggio del piede. Quindi, è possibile che l'SR dell'utente corrisponda all'SR sonificato ma in coordinazione antifase. Ciò può comportare una dinamica LRC indesiderata poiché l'utente può perdere la sincronizzazione di fase del passo e del respiro. Questo può essere corretto con la guida di un ricercatore/esperto che osserva l'utente con i suoni di guida udibili. Successivamente, la selezione dei rapporti LRC da parte dell'utente è desiderata per garantire flessibilità in base alle diverse esigenze dei corridori; Tuttavia, potrebbe portare alla selezione accidentale di rapporti indesiderati. Ad esempio, 2:2 può essere un rapporto appropriato per la corsa moderata e ad alta intensità, ma può portare a iperventilazione a intensità relative inferiori. Rapporti altamente diseguali (ad esempio, 3:6) possono essere utili per espirare a lungo, mentre il contrario (6:3) è indesiderabile per la sua fase di espirazione eccessivamente breve⁴⁷. Infine, si riconosce che un'applicazione per la sola piattaforma Android è intrinsecamente limitata poiché molti utenti mobili preferiscono altre piattaforme. I test pilota hanno rivelato che l'applicazione funziona come previsto solo su dispositivi mobili moderni aggiornati.

Speriamo di vedere questa applicazione utilizzata negli studi di intervento sui corridori che potrebbero trarre i maggiori benefici dalla guida respiratoria. I principianti, le donne, gli adolescenti e coloro che soffrono di dispnea indotta dall'esercizio fisico potrebbero sperimentare i maggiori benefici dalla guida LRC ^8,48. I metodi sperimentali potrebbero essere migliorati con l'uso della funzione "tempo sonoro" per supportare le strategie di stimolazione desiderate. Sebbene finora non siano state testate, altre attività di resistenza ciclica (ad esempio, ciclismo, sci di fondo) potrebbero trarre vantaggio dalla guida LRC come quella fornita dall'app. È necessario ulteriore lavoro per valutare l'idoneità di questa soluzione per tali applicazioni.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Smartphone Android	Samsung o Google		Minimo Android 8.0 richiesto per la funzionalità dell'applicazione
Motore FMOD	Firelight Technologies Pty Ltd		Motore sonoro
Hexoskin smart shirt	Carré Tecnologie		Applicazione
RunRhythm per Android	adidas GmbH e abios GmbH