Aangepaste smartphone-applicatie om locomotorische-respiratoire koppeling in het veld te begeleiden met behulp van stap-adaptieve ademhalingsgeluiden

Samenvatting

Locomotorisch-respiratoire koppeling (LRC) is potentieel voordelig voor hardlopers, maar kan moeilijk uit te voeren zijn. We introduceren een op maat gemaakte oplossing die op een smartphone is geïmplementeerd om hardlopers te individualiseren en te begeleiden naar LRC.

Samenvatting

Hoewel hardlopen een van de meest populaire activiteiten is voor competitie en vrije tijd, kan naar schatting 20-40% van de hardlopers last hebben van ademhalingsbeperkingen. Sommige van deze hardlopers kunnen baat hebben bij ademhalingstechnieken om de prestaties te verbeteren of ademhalingsproblemen te verlichten. Een van die technieken is locomotorisch-respiratoire koppeling (LRC), een frequentie- en fasesynchronisatie van adem naar stap. Studies hebben aangetoond dat LRC de ventilatie-efficiëntie ten goede kan komen via "stapgestuurde stromen", en sommige experts hebben betoogd dat het kan worden gebruikt voor pacing-oefeningen of het vergroten van positieve emotionele toestanden. Toch kan het moeilijk zijn om te presteren zonder coaching of begeleiding. Hier stellen we RunRhythm voor, een op maat gemaakte smartphone-applicatie om stap-gesynchroniseerde geluidsbegeleiding voor LRC te leveren. Dit concept bouwt voort op eerder bewijs dat degelijke begeleiding effectief kan zijn en integreert functies om therapietrouw en individualisering te maximaliseren. Voorlopige resultaten tonen aan dat deze toepassing een veelbelovende en effectieve methode is die geschikt is voor onderzoek naar LRC in veldoefeningen. Aanbevelingen voor gebruik en verdere ontwikkeling worden besproken om dit concept verder te ontwikkelen ten behoeve van een bredere bevolking.

Inleiding

Hardlopen is misschien wel de meest populaire vorm van lichaamsbeweging, deels vanwege de toegankelijkheid en het scala aan fysieke en mentale gezondheidsvoordelen ^1,2. Desalniettemin hebben veel aspirant-hardlopers moeite om hardloopgewoonten te beginnen of vol te houden. Dit kan te wijten zijn aan ademhalingsmoeilijkheden, die naar schatting 20-40% van de hardlopers treffen ^3,4,5. Het verminderen van door inspanning veroorzaakte kortademigheid is theoretisch mogelijk met het gebruik van specifieke ademhalingstechnieken, maar de exacte methoden, risico's en voordelen hiervan zijn onduidelijk. Hoewel het verbeteren van de conditie en/of een langzame ademhaling in rust ademhalingsproblemen tijdens inspanning kan verlichten ^6,7, duurt het weken of maanden voordat deze oplossingen voordelen opleveren. Sommige onderzoeken hebben gespeculeerd dat de directe implementatie van ademhalingstechnieken tijdens het sporten effectiever kan zijn in het produceren van acute voordelen⁸, hoewel dergelijke onderzoeken beperkt zijn. Digitale hulpmiddelen die geïndividualiseerde instructie mogelijk maken, kunnen nodig zijn om dergelijke onderzoeken in een effectief interventieformaat uit te voeren.

Locomotorisch-respiratoire koppeling (LRC) is een synchronisatiefenomeen waarbij ademhaling en beweging frequentie- en/of fasesynchroon zijn. Bij specifieke oefeningen zoals hardlopen geeft LRC een gehele verhouding aan tussen ademhaling (BR) en stapsnelheid (SR), evenals fasevergrendeling van voetafwikkeling tot het begin van de ademhaling (d.w.z. precies stappen op inspiratie). LRC kan vrijwillig of automatisch tot uiting komen en kan zich voordoen als een aangeleerd gedrag met oefentraining⁹. Mensen synchroniseren van nature het lopen met storende auditieve geluiden (inclusief ademhaling), misschien om auditieve stimulatie te verminderen, wat suggereert dat LRC evolutionaire fenomenologie^{heeft 10}. Sommige rapporten geven aan dat LRC de bewegingseconomie en prestaties ten goede komt en kortademigheid vermindert 11,12,13,14,15. Sommige studies rapporteerden verwaarloosbare voordelen 16,17,18. Eventuele fysiologische voordelen kunnen verband houden met "stapgestuurde stromen": elke voetafstap creëert een neerwaartse impuls van de buikinhoud (de "viscerale zuiger"), die, wanneer gesynchroniseerd met het begin van inademing of uitademing, kan worden toegevoegd aan de ventilatie.

Daley et ^al.19 maten de ventilatorstroming en impactkrachten tijdens het draaien op de loopband en speculeerden dat trapgestuurde stromingen tot 10-12% kunnen bijdragen aan de totale ventilatie. Ze meldden ook dat het beademingsovergangen zou kunnen versnellen. Andere neuromechanische mechanismen kunnen met dit fenomeen interageren⁹. Hoewel de viscerale zuiger het resultaat is van nauwkeurige fasekoppeling, kan frequentiekoppeling onafhankelijk waardevol zijn, vooral voor de beginnende hardloper. BR hangt nauw samen met inspanning bij verschillende trainingsintensiteiten²⁰. Aangezien SR over het algemeen stabiel is en geassocieerd is met hardloopsnelheid²¹, kan LRC het zelfbewustzijn ondersteunen en een gemakkelijk tempo van BR en dus intensiteit tijdens de run mogelijk maken. Ten slotte kan LRC bij ongelijke verhoudingen (bijv. 5:1 stappen per ademhaling) helpen om inspanningsgerelateerde voorbijgaande buikpijn ("zijsteek") te voorkomen. Een meerderheid van de hardlopers ervaart dit tijdelijke, maar afleidende en pijnlijke symptoom elk jaar²², wat vaak leidt tot hun behoefte om te stoppen met hardlopen. Een theorie van de etiologie van zijsteken is dat herhaalde ademhaling aan dezelfde kant van de voet de middenrifzenuw kan irriteren. Het kan dus worden vermeden door LRC bij ongelijke verhoudingen, wat leidt tot ademen op afwisselende benen.

Er zijn maar weinig rapporten waarin is besproken hoe hardlopers kunnen worden ondersteund bij het uitvoeren van LRC. Ten minste twee onderzoeken hebben biofeedback-achtige methoden aangetoond^14,23, terwijl veel studies eenvoudige verbale coaching gebruikten ^24,25. Hoewel deze methoden veelbelovend zijn gebleken bij het acuut stimuleren van LRC, zijn ze sterk gestandaardiseerd en vereisen ze gespecialiseerde apparatuur. Als zodanig zijn ze waarschijnlijk niet geschikt voor veldtoepassingen en zijn ze ook niet toegankelijk voor de meeste hardlopers. Hoe dan ook, geluidsgeleiding is een natuurlijke keuze, aangezien mensen bewegingen intuïtief synchroniseren met voorspelbare auditieve gebeurtenissen (metronoom of muziek)²⁶. Toepassingen moeten daarom zorgvuldig rekening houden met een gezond tempo en structuur in de context van motorisch leren. Hoewel eenvoudige, constante audio voorspelbaar en effectief is voor het stimuleren van meeslepen, is het in tegenspraak met het van nature niet-lineaire gedrag van stap- en ademhalingsritmes bij gezonde hardlopers^27,28. Het wijzigen van de voorkeurs-SR van een hardloper kan de hardloopeconomie ^{verminderen 29} of kan de risicofactoren voor blessures wijzigen³⁰. Geluidsinstructies moeten dus continu in realtime worden aangepast om de SR³¹ van de hardloper te volgen.

Onlangs hebben we een concept geïntroduceerd dat de bovenstaande aanbevelingen integreert in een eenvoudige, gebruiksvriendelijke, op maat gemaakte smartphone-applicatie³². De eerste iteratie maakt het mogelijk om gedurende de hele run een enkele LRC-verhouding te selecteren. Het standaard SR-algoritme van de telefoon wordt gebruikt om real-time SR-informatie aan de applicatie te verstrekken. Vervolgens worden stapgesynchroniseerde geluiden geproduceerd die aangeven wanneer de hardloper moet uitademen en inademen: een hoge toon voor stappen tijdens het inademen en een lage toon tijdens het uitademen. Voorgeschreven LRC-ratio's werden afgeleid van een controlebezoek zonder ademhalingsinstructie. We vonden een grote toename in LRC van 26,3 ± 10,7% naar 69,9 ± 20,0% van de run met de applicatie-instructie tijdens submaximaal hardlopen in de buitenlucht. Beperkingen die bij het protocol en de toepassing worden opgemerkt, zijn onder meer uitgebreide vertrouwdheid vereist, beperkte steekproefomvang en constante geluidsinstructie. Daarom is een nieuwe versie van deze applicatie ontwikkeld om de gebruikerservaring te verbeteren en bredere tests en experimenten in veldoefeningen mogelijk te maken. Deze applicatie heet RunRhythm omdat het bedoeld is om hardlopers te ondersteunen bij het vinden en behouden van een ritme tijdens het hardlopen. Het zal hierna de app worden genoemd.

Het doel van dit rapport is om een nieuwe digitale tool en methodologische aanpak te introduceren die intuïtieve en veldklare LRC-begeleiding mogelijk maakt voor onderzoeksstudies waarbij ervaren of aspirant-hardlopers betrokken zijn. De app is een applicatie van onderzoekskwaliteit in bètatests voor Android-apparaten. De kernfunctionaliteiten van de applicatie zijn SR-detectie en LRC-geleiding. Wanneer hardlopen wordt gedetecteerd, worden ademhalingsgeluiden gemaakt volgens de geselecteerde instellingen in de gebruikersinterface. De applicatie berekent SR van de versnellingsmeter van de telefoon met behulp van een van de twee algoritmen: ofwel het fabrieks-SR-algoritme dat is geïmplementeerd door de fabrikant van het apparaat of een aangepast SR-algoritme dat is gemaakt door de fabrikant van de applicatie. Beide algoritmen produceren een constante livestream van SR, die vervolgens wordt gladgestreken op een voortschrijdend gemiddelde volgens een adaptief venster. De venstergrootte is dynamisch om een evenwicht te vinden tussen reactiviteit en afvlakking van uitschieters. Het resultaat is een constant bijgewerkte waarde van live SR.

Aangezien de app SR berekent op basis van de beweging van het apparaat, is de plaatsing van de telefoon op het lichaam van het grootste belang. De meeste standaard SR-algoritmen zijn positie-agnostisch en kunnen daarom tijdens het hardlopen op elk deel van het lichaam worden geplaatst om nauwkeurige SR-waarden te produceren. Het aangepaste algoritme dat hier is geïmplementeerd, gedraagt zich ook als zodanig. Een stevige plaatsing dichter bij het zwaartepunt kan echter de stabiliteit van de SR-detectie verbeteren, en als gevolg daarvan de geluidskwaliteit die door de app wordt geproduceerd. Pilottests tonen aan dat plaatsingen met 1-dimensionale oscillatie (d.w.z. verticaal op en neer zoals in een borstzak of heuptas) beter kunnen presteren dan plaatsingen met 2-dimensionale beweging (d.w.z. zwaaien zoals in een dijbeenzak of armband).

SR-gegevens worden doorgegeven aan een geïntegreerde geluidsengine (zie de materiaaltabel). Stapgeluiden worden alleen afgespeeld als het systeem SR > 0 detecteert. Wanneer de SR zich boven een vooraf ingestelde drempel bevindt (bepaald in de backend-instellingen [protocolsectie 3.6]; d.w.z. 120), begrijpt de applicatie dat de gebruiker aan het rennen is en activeert de start van ademhalingsbegeleidingsgeluiden. Vervolgens wordt deze live SR-waarde gebruikt om het tempo van de stap en ademhalingsbegeleidingsgeluiden in te stellen zolang een "lopende" SR-waarde wordt gehandhaafd. Wanneer SR > drempel, komen de gegenereerde geluiden standaard overeen met het tempo van SR. De uitzondering is wanneer de backend-instelling "geluidstempo" wordt gewijzigd (bepaald in backend-instellingen [protocol sectie 3.5]). Bijvoorbeeld, met een geselecteerde bovengrens van 180, zelfs als de hardloper begint te rennen op een hogere SR van 185, zal het geluidstempo niet hoger zijn dan 180. Wanneer ze hun SR verlagen tot 175, zullen de geluiden dalen tot 175, waarbij ze zich continu aanpassen binnen de vooraf ingestelde limieten. Zoals beschreven in protocolstap 3.5, stellen deze schuifregelaars de gebruiker of onderzoeker in staat om limieten in te stellen voor het minimale en maximale geluidstempo (bpm). De app maakt het mogelijk om verschillende LRC-verhoudingen (stappen:ademhaling) te selecteren voor of te wijzigen tijdens het hardlopen. Het aantal stappen per ademfase kan worden gewijzigd van 2 tot 9; d.w.z. een verhouding van 2:3 weerspiegelt 2 stappen per inademing en 3 stappen per uitademing.

Verschillende "soundscapes" werden ontworpen om een aangename audio-ervaring te bieden aan meer hardlopers met verschillende muzieksmaken op basis van feedback van gebruikers en vroege experimenten in het lab³³. Ze hebben verschillende geluiden die zijn toegewezen aan de real-time stapsnelheid, de geïnstrueerde ademhalingsfasen en achtergrondomgevingsgeluid. Stapgeluiden zijn eenvoudige beats die worden afgespeeld in het tempo van elke voetstap (d.w.z. rechter- en linkerstappen). Ademgeluiden integreren verschillende sonische elementen en spelen in een veel langzamer tempo, afhankelijk van de gekozen LRC-verhouding. De beschikbare soundscapes zijn tribaal: organisch en instrumentaal met scherpe ademhalingsovergangen en stapgeluiden; Kalmerend: licht en geïnspireerd op de oceaan met vloeiende overgangen en stapgeluiden; energiek: elektronisch en rijden met scherpe overgangen en stapgeluiden; Minimaal: Eenvoudig en soepel met alleen ademgeluiden (geen stapgeluiden).

De voice-overfunctie voegt eenvoudige spraakaanwijzingen toe die overeenkomen met de beste onderzoeksresultaten met betrekking tot LRC-vertrouwdheid. Het geeft een reeks instructies aan het begin van de run en daarna elke 5 minuten. Eerst wordt de geselecteerde LRC-verhouding vermeld. Vervolgens geeft het de beoogde ademhalingsfase aan, synchroon met de geluidssignalen voor de eerste drie ademhalingscycli. Vervolgens herinnert het de gebruiker eraan: "zoek je stapfrequentie en stap op het ritme." Voor elke run is een vragenlijst voor en na de run geïntegreerd om subjectieve gevoelsgegevens aan elke run toe te voegen. De subjectieve vitaliteit korte schaal³⁴ vraagt een enkel item over het gevoel van de hardloper van 0 tot 10. Een beoordeling van 0-10 van de vermoeidheidsschaal vraagt de gebruiker om zijn huidige staat van vermoeidheid te beoordelen. Ten slotte beoordeelt een schaal van 0-10 de mate van kortademigheid die momenteel wordt ervaren. Al deze schalen worden voor en na elke run gevraagd. Pas na de run wordt de gebruiker gevraagd om zijn ervaring met de intensiteit van de run te beoordelen (d.w.z. licht, gemiddeld, hoog, intervallen). Gebruikers kunnen de LRC-verhouding en tijdelijkheid tijdens de run wijzigen met behulp van de interface op het scherm of de hoofdtelefoonbediening. Dit kan gebruikers helpen keuzevrijheid te voelen tijdens het hardlopen en maakt het mogelijk om persoonlijke geschiktheid te verkennen. Bovendien kan het nodig zijn om de verhouding snel te veranderen als reactie op hardloopevenementen (bijv. heuvels, vermoeidheid). Dit protocol bevat een beschrijving van hoe u met de app kunt werken en latere aanbevelingen voor het gebruik ervan binnen verschillende soorten onderzoeksprotocollen (d.w.z. binnen, buiten, interventioneel, cross-sectioneel).

Protocol

Deze studie kreeg ethische goedkeuring van de ethische commissie van de Universiteit van Salzburg (referentienummer: GZ 13/2021) en de deelnemers gaven hun geïnformeerde toestemming.

1. Aan de slag met RunRhythm

1. Laat de deelnemers een vooraf ingevulde vragenlijst met demografische informatie, evenals hardloop-, sport- en ademhalingservaring.
2. Download de applicatie naar een werkende smartphone met Android 8.0 of hoger.
   OPMERKING: Gesloten gebruikerstests en app-downloads zijn alleen toegankelijk voor geselecteerde gebruikers met een Google Play-account waarvan de e-mailadressen zijn toegevoegd aan de lijst met goedgekeurde gebruikers. Testen is alleen op uitnodiging. Stuur toegangsverzoeken naar de corresponderende auteur.
3. Controleer of de gebruiker de zelfstudie heeft bekeken voordat de toepassing voor het eerst wordt gebruikt (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: App-tutorial. RunRhythm biedt een inleidende tutorial bij de eerste opening, inclusief details over locomotorische-respiratoire koppeling, een animatie die laat zien hoe de applicatie werkt en tips voor gebruik. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Basisfunctionaliteit

1. Kies de gewenste soundscape met behulp van de horizontale schakelaar (Figuur 2B).
   OPMERKING: Dit kan alleen voor de run worden gewijzigd.
2. Verander de gewenste LRC-verhouding (stappen per inademing:stappen per uitademing) met behulp van de schakelaars omhoog of omlaag (Figuur 2A); Vergrendel de schakelaar met het slotpictogram. Wanneer het scherm is vergrendeld, gebruikt u zoeken () van een compatibele hoofdtelefoon om de verhouding omhoog en omlaag te wijzigen.
   OPMERKING: De verhoudingsvergrendeling werkt om een constant verhoudingsverschil te behouden bij het wijzigen van de verhouding. Als 2:3 bijvoorbeeld is vergrendeld, verandert de verhouding in 3:4 als u "omhoog" schakelt (1 stap meer aanhouden per uitademing versus inademen).
3. Wijzig de tijdelijkheidsinstellingen met behulp van de schakelaar met 3 standen op de interface (Figuur 2C). Wanneer het scherm is vergrendeld, gebruikt u afspelen en pauzeren () van een compatibele hoofdtelefoon.
   OPMERKING: Tijdelijkheid kan worden omgeschakeld tussen volledige begeleiding (altijd aan), gemiddelde begeleiding (1 minuut aan/5 min uit) en geen begeleiding.
4. Schakel de voice-overfunctie in met de interfaceschakelaar rechtsonder (Figuur 2D en 5A).
5. Selecteer start run om te beginnen. Wanneer u het apparaat voor de eerste keer gebruikt, drukt u op toestaan om het apparaat toe te staan bewegingen en locaties te registreren.
6. Vul de vragenlijsten op het scherm voor en na elke run in door op de cijfers te drukken die overeenkomen met het huidige gevoel dat de hardloper ervaart (Figuur 3).

Afbeelding 2: Hoofdinterface van de app. (A) De verhouding tussen locomotorische en respiratoire koppeling kan worden gewijzigd vanuit de gebruikersinterface met spinners die variëren van 2 tot 9. Elke waarde vertegenwoordigt het aantal stappen per ademfase; d.w.z. 2:3 staat voor 2 stappen per inademing: 3 stappen per uitademing. Het slotpictogram kan worden gebruikt om het verhoudingsverschil vast te stellen; d.w.z. wanneer vergrendeld op 2:3, verandert het verschuiven van "omhoog" de verhouding naar 3:4 (met behoud van een verschil van 1 stap meer per uitademing). (B) Soundscape-selectie stelt de gebruiker in staat om te kiezen uit vier vooraf bepaalde geluidslagen: tribaal, rustgevend, elektronisch en minimaal. (C) Met de tijdelijkheidsschakelaar kan de gebruiker kiezen uit drie vooraf bepaalde instellingen voor de begeleidingsfrequentie: volledig, gemiddeld en uit. (D) Met de voiceover-schakelaar kan de gebruiker spraakaanwijzingen in- of uitschakelen. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 3: Pre- en postvragenlijsten. Aan het begin en einde van elke run worden identieke vragenlijsten gepresenteerd. Ze moeten worden beantwoord om de run te starten of te eindigen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Backend-instellingen

OPMERKING: De belangrijkste parameters die van invloed zijn op de functionaliteit van de applicatie kunnen worden gewijzigd door op de drie puntjes in de rechterbovenhoek van de hoofdinterface te tikken. De standaardwaarden weerspiegelen de aanbevolen waarden, maar kunnen worden gewijzigd. Dit scherm (Figuur 4) bevat de volgende instellingen:

Figuur 4: Backend-instellingen. Backend-instellingen zijn onder meer automatisch pauzeren, een schakelaar voor stapdetectie en identificatiecodes. (A) De drempelinstellingen voor het geluidstempo maken een nauwkeurige selectie van de drempels voor stapfrequenties mogelijk die het gegenereerde geluidsbegeleidingstempo begrenzen. Het selecteren van een ondergrens van 155 en een bovengrens van 180 zorgt er bijvoorbeeld voor dat de geluidsgeleiding niet afwijkt van het interval [155, 180], ongeacht de daadwerkelijk gedetecteerde SR. De standaardwaarde is [0, 200]. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

1. Schakel GPS en GPX in om de hardloopafstand, hardloopsnelheid en routetracking te registreren.
   OPMERKING: Wanneer ingeschakeld, registreert het de coördinaten van het Global Positioning System (GPS) tijdens de run vanaf de fabrieksuitvoer van het apparaat. Als het is uitgeschakeld, wordt er geen logboekregistratie uitgevoerd.
2. Automatisch pauzeren: zet "aan" voor de beste prestaties.
   OPMERKING: Als het is ingeschakeld, stopt het met GPS-registratie wanneer de gedetecteerde snelheid in de buurt van 0 ligt. Als het is uitgeschakeld, blijft het loggen, ongeacht de snelheid.
3. Zet de hoofdtelefoonbediening "aan" wanneer u een hoofdtelefoon met muziekbediening gebruikt.
   OPMERKING: Als deze functie is ingeschakeld, kunnen compatibele hoofdtelefoons (bedraad of draadloos, met bedieningselementen) de belangrijkste parameters wijzigen tijdens het hardlopen (zie stap 2.4). Als deze stap is uitgeschakeld, wordt de hoofdtelefoonbediening uitgeschakeld voor het wijzigen van de toepassingsparameters.
4. Systeemstapdetectie: wijzig deze instelling wanneer de applicatie zich vreemd gedraagt; Tenminste, als het geluidstempo niet overeenkomt met het staptempo.
   OPMERKING: Als deze functie is ingeschakeld, maakt deze functie gebruik van het fabrieks-SR-algoritme van de fabrikant van het apparaat voor alle toepassingsfunctionaliteiten. Als het is uitgeschakeld, wordt het aangepaste algoritme van de applicatieontwikkelaar gebruikt. Aangezien apparaten verschillende SR-detectieprestaties in de fabriek hebben op basis van parameters van de fabrikant, zoals de chipset, kan dit worden omgeschakeld om de prestaties van de toepassing te verbeteren.
5. Geluidstempo: stel de schuifregelaars voor het geluidstempo in op de gewenste SR-drempels (Figuur 4A).
   OPMERKING: Stel in op een specifiek venster (d.w.z. 160-180) om een onder- en/of bovengrens te creëren voor het tempo van de gegenereerde geluiden. De minimale onderste = 0 en de maximale bovenste = 200.
6. Min. Run Steprate: verander deze drempel in een geheel getal 0-200 om de SR te wijzigen
   drempel die wordt gebruikt om de LRC-geleidingsgeluiden te activeren.
   OPMERKING: De applicatie staat standaard op 120 als de SR waarbij "running" wordt gedetecteerd en de geluiden beginnen te spelen.
7. Ademfeedback inschakelen: schakel "aan" voor de kernfunctionaliteit van de toepassing.
   OPMERKING: Indien ingeschakeld, kan normale applicatiefunctionaliteit worden verwacht met stap- en ademgeluiden tijdens het hardlopen. Als deze instelling is uitgeschakeld, voorkomt deze instelling dat er ademhalingsgeluiden worden gemaakt. Dit wordt gebruikt voor testdoeleinden, of wanneer alleen stapgeluiden gewenst zijn.
8. Intro opnieuw starten: klik op tekst om de onboarding-tutorial opnieuw af te spelen.
9. Gegevensbescherming: klik op tekst om de privacyverklaring van de fabrikant van de toepassing weer te geven.
10. Identificatiemiddelen
    1. Installatie-ID: noteer deze waarde, die de unieke ID vertegenwoordigt voor deze apparaat- en toepassingsbuild. Dit wordt weerspiegeld in de logbestanden die na elke uitvoering worden gegenereerd.
    2. Versie: noteer deze waarde, die de buildversie van de toepassing vertegenwoordigt.
    3. Fabrikant/model: noteer deze waarde, die de apparaat-ID voor merk en model vertegenwoordigt.

4. Hardlopen met de app

1. Begin met rennen!
   1. Ten eerste, wanneer de stapgeluiden worden geactiveerd; Luister goed en stap op de maat. Vervolgens wordt de ademhalingsbegeleiding geactiveerd; Stem inspiratie en vervaldatum precies af op het geluid.
2. In-run interface: tijdens de run wijzigt u de LRC-verhouding en tijdelijkheid met behulp van de schakelaars op de interface op het scherm (Figuur 5A).
3. Rapport na het uitvoeren: druk op end run om de toepassing te stoppen. Een overzichtsscherm geeft de belangrijkste statistieken weer, waaronder de totale afstand, het gemiddelde tempo en de gemiddelde stapfrequentie (Figuur 5B).

Afbeelding 5: Interface in en na het draaien. (A) Tijdens de run is een vereenvoudigde interface beschikbaar waarmee de gebruiker belangrijke parameters kan wijzigen, waaronder de verhouding tussen locomotor en ademhalingskoppeling en tijdelijkheid. Het geeft ook het huidige hardlooptempo en staptempo weer. (B) Na de run worden op een overzichtsscherm de belangrijkste statistieken weergegeven, waaronder de totale afstand, het gemiddelde tempo en de gemiddelde stapsnelheid. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

5. Onderzoek met de app

OPMERKING: De bovenstaande functionaliteiten zijn ontwikkeld om de gebruikerservaring te maximaliseren en onderzoeken naar LRC in verschillende contexten mogelijk te maken. In de onderstaande stappen wordt beschreven hoe u de app in een onderzoek kunt integreren, van de eerste kennismaking tot de toepassingslogboeken na het uitvoeren van de toepassing. Deze onderzoeksmethoden zijn beoordeeld en goedgekeurd voor experimenten met mensen door de ethische commissie van Paris Lodron Universität Salzburg (EK-GZ 29/2023).

1. Voordat u LRC met de app bespreekt of instrueert, voert u een individuele kalibratie uit om de natuurlijke LRC-verhouding van de hardloper te bepalen. Kies een actieve taak die representatief is voor de activiteit en studiecontext en noteer SR en BR tijdens de proef. Bereken de dichtstbijzijnde LRC-verhouding van gehele getallen uit hun quotiënt (SR/BR = LRC-verhouding; d.w.z. 160/30 = 5,3 = aanbevolen verhouding 5 stappen per ademhaling).
2. Plaats de telefoon in een kledingzak, heuptasje of armband die stevig tegen het lichaam zit.
3. Gebruik een hoofdtelefoon tijdens het hardlopen in de buitenlucht om de weergave van de geluidsinstructies te verbeteren en de bediening van de hoofdtelefoon in te schakelen. U kunt ook een Bluetooth-luidspreker gebruiken tijdens de kennismaking met een onderzoeker om samen de LRC-instructies te volgen.
4. Maak de hardloper vertrouwd met LRC en de app.
   OPMERKING: Hoewel de app geen vertrouwdheid met een onderzoeker vereist, kan het voor onderzoeksdoeleinden nuttig zijn voor een onderzoeker om LRC, de applicatie en het doel ervan uit te leggen en de functionaliteit ervan te demonstreren. LRC moet worden geïntroduceerd met behulp van de verbale aanwijzingen van Coates en Kowalchik³⁵.
   1. Begin met ritmisch tikken met de voet terwijl je zit of in rugligging ligt, en instructies om in een bepaalde verhouding (meestal 2:2) synchroon met de voeten te ademen.
   2. Herhaal dit tijdens het lopen.
   3. Herhaal dit terwijl je op zijn plaats rent.
   4. Introduceer de applicatie en beschrijf kort de gebruikersinterface.
   5. Bevestig het apparaat aan het lichaam van de hardloper volgens de bovenstaande aanbevelingen (paragraaf 7.2).
   6. Klik op starten, uitvoeren en op de juiste plaats uitvoeren.
   7. Moedig de hardloper aan om in zijn eigen tempo te blijven stappen terwijl de geluiden zich aanpassen aan zijn SR.
   8. Bevestig mondeling dat de ademhalingsgeluiden ook te horen zijn.
   9. Instrueer de hardloper om te ademen volgens de geluiden.
   10. Blijf stappen en ademen met de geluiden gedurende ten minste 30-60 s.
   11. Herhaal het proces met verschillende toepassingsinstellingen (d.w.z. LRC-verhoudingen, tijdelijkheid, voice-over) om het begrip te bevestigen.
   12. Laat de onderzoeker en de hardloper samen rennen en de begeleidingsgeluiden afspelen via een Bluetooth-luidspreker om de basisprincipes van LRC te versterken (Figuur 6).
       OPMERKING: De geluiden worden geactiveerd wanneer de applicatie een actieve SR detecteert. De stapgeluiden komen automatisch overeen met de SR van de gebruiker met enige vertraging.
5. Gebruik een minimaal invasieve sensoropstelling die stap- en ademdetectie mogelijk maakt om te bevestigen dat de hardloper zich aan de LRC-instructies houdt.
   OPMERKING: Het Hexoskin smart shirt kan bijvoorbeeld nauwkeurig stappen en ademhaling meten tijdens het hardlopen met minimale interferentie voor de hardloper³⁶.
6. Tijdelijkheidsinstelling: gebruik de mediumbegeleiding in combinatie met andere muziektoepassingen, zodat de muziek van de gebruiker kan worden afgespeeld tijdens de perioden van 5 minuten waarin de applicatiebegeleiding stil is.
   OPMERKING: De instelling Geen begeleiding registreert nog steeds vragenlijsten, GPS en SR, wat nuttig kan zijn voor sommige onderzoeksdoeleinden.
7. Logboeken: download logbestanden om toegang te krijgen tot tijdstempelgegevens van de uitvoering en toepassingsparameters.
   OPMERKING: .csv logbestanden registreren metagegevens van sleutelruns en elke interactie met de app, waaronder: voetstappen met tijdstempel, gekozen LRC-verhouding en -wijzigingen, en antwoorden op de vragenlijst. Ze worden opgeslagen op GDPR-conforme servers en voorzien van de unieke ID, datum en tijd van de app.

Figuur 6: Kennismaking met de onderzoeker. In onderzoekscontexten wordt vertrouwdheid door de hoofdonderzoeker aanbevolen om een conceptueel begrip van locomotorische-respiratoire koppeling en correct gebruik van de applicatie te garanderen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Resultaten

De app is de tweede iteratie van deze applicatie die is ontworpen om LRC te ondersteunen en een audio-ademhalingsbegeleidingservaring te bieden. Er zijn talloze pilotstudies en één tijdschriftpublicatie uitgevoerd die de werkzaamheid ervan ondersteunen en een positieve gebruikerservaring bevestigen. In een cross-sectioneel onderzoek naar de acute effecten van LRC-instructie (genoemd in de inleiding), werd vastgesteld dat hardlopen onder begeleiding de LRC sterk verhoogde bij 17 beginnende hardlopers³². Bijvoorbeeld, een deelnemer verhoogde LRC "gehechtheid" (een kwantificering van de naleving van gehele LRC-ratio's) van 7,9% naar 84,1% (figuur) bij een verhouding van 2:3 stappen per inademing:uitademing (5:1 stappen per ademhaling) (Figuur 7). De totale groepsverandering in meevoering steeg van 26,3 ± 10,7% (controle) naar 69,9 ± 20,0% (met LRC-begeleiding).

Figuur 7: Voorbeeld koppelingsgegevens. Voorbeeld van LRC-prevalentie bij één deelnemer tijdens een rustige run van 30 minuten (A) zonder en (B) met app-begeleiding. De linker y-as (blauw) geeft de LRC-verhouding (stappen per ademhaling) weer, en gemarkeerde secties in zwart komen overeen met een periode van LRC-"gehechtheid" > 30 s. De rechter y-as geeft de discrete relatieve fase van stappen binnen de ademcyclus weer, waarbij 0° overeenkomt met inspiratie. Merk op dat tijdens de hechtingsperioden de parallelle lijnen in de discrete relatieve fase de consistente fasekoppeling van adem aan stap weerspiegelen. (A) Merk op dat er tijdens de controlerun zonder begeleiding slechts een korte periode (~8% bijgevoegd) LRC was in een verhouding van 2:2 (4 stappen per ademhaling). (B) Bij het hardlopen met app-begeleiding werd een verhouding van 2:3 (5 stappen per ademhaling) geïnstrueerd; let op de substantiële, lange perioden van LRC tot de geïnstrueerde verhouding (~84% bijgevoegd). Afkorting: LRC = locomotorisch-respiratoire koppeling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

In een pilot-interventiestudie liepen vier beginnende hardlopers 4 weken lang met de applicatie (in totaal 10 runs) en instructies om verschillende LRC-verhoudingen te testen. Ze voltooiden pre- en posttests binnenshuis (stapsgewijze loopbandtest tot uitputting) en buiten (30 minuten hardlopen in eigen tempo) om te bepalen hoe hun LRC en andere hardloopkenmerken veranderden met de interventie en het gebruik van de applicatie. Meer specifiek werden de pre- en posttests voltooid zonder LRC-begeleiding of instructie om het natuurlijke, gewenningste LRC-gedrag voor en na de interventie te observeren. We vonden duidelijke verschillen in LRC-gedrag na de interventie, waaronder niet alleen een toename van de algehele LRC, maar ook het gebruik van verschillende ratio's en een algemene vermindering van de BR van de oefening. Zo verhoogde één deelnemer de LRC van 39,7% naar 53,4% na de interventie (figuur 8). Met name tijdens de pretest voerden ze LRC uitsluitend uit met verhoudingen van 2:2 en 2:1 in de buurt van de maximale intensiteit, in de posttest gebruikten ze LRC-verhoudingen 3:4 en 3:3 vroeg en gedurende het midden van de test. Ze koppelden niet alleen meer, maar ze gebruikten ook verschillende verhoudingen op verschillende tijdstippen, wat resulteerde in een lagere gemiddelde BR en ook een verhoogde ventilatorefficiëntie (V_E / VCO₂ helling). Andere deelnemers hadden vergelijkbare veranderingen in LRC (+40% buiten, +20% binnen), en de ene deelnemer in de controleconditie (geen LRC-begeleiding) zag geen verandering (<25% in totaal, beschouwd als niet-significant). Er waren enkele individuele trends in de subjectieve vitaliteitsrespons op lichaamsbeweging vóór versus na de interventie, die een gunstige toename van de vitaliteit met LRC lieten zien (Figuur 9).

Figuur 8: Voorbeeld koppelingsgegevens 2. Voorbeeld van LRC-prevalentie bij één deelnemer tijdens een maximale incrementele loopbandtest tot uitputting (A) vóór en (B) na een interventie van 4 weken met de app. De linker y-as (blauw) geeft de LRC-verhouding (stappen per ademhaling) weer, en gemarkeerde secties in zwart komen overeen met een periode van LRC-"gehechtheid" > 30 s. De rechter y-as geeft de discrete relatieve fase van stappen binnen de ademcyclus weer, waarbij 0° overeenkomt met inspiratie. Merk op dat tijdens de hechtingsperioden de parallelle lijnen in de discrete relatieve fase de consistente fasekoppeling van adem aan stap weerspiegelen. (A) Let in de pre-test vóór de interventie op de twee perioden (~40% bijgevoegd) van LRC in een verhouding van 2:2 (4 stappen per ademhaling) en 2:1 (3 stappen per ademhaling) tegen het einde van de test. (B) In de post-test na de interventie waren er niet alleen langere perioden van LRC (~53% gehecht), maar werden ook langere verhoudingen gebruikt (4:4, 3:4 en 3:3), en meer LRC werd eerder in de test uitgevoerd bij lagere relatieve inspanningsintensiteiten. Afkorting: LRC = locomotorisch-respiratoire koppeling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 9: Individuele subjectieve vitaliteitsscores geregistreerd tijdens de indoor hardlooptest voor en na de interventie. P01 en p03 kregen LRC-begeleiding, terwijl p04 in de controlegroep zat. De andere deelnemer (p02) heeft foutieve vragenlijstgegevens (niet weergegeven in de figuur). Let op de uiteenlopende scores voor p01 en p03, waarbij de trends na de test een toenemende vitaliteit na de run laten zien. Afkorting: LRC = locomotorisch-respiratoire koppeling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

Deze methodologie presenteert een van de eerste evidence-based, praktijkklare digitale tools voor het instrueren van LRC aan hardlopers. Vroege resultaten suggereren dat het niet alleen effectief is bij het snel leren en naleven van LRC, maar ook in de loop van de tijd kan worden onderwezen en vastgehouden. Hoewel LRC op natuurlijke wijze kan ontstaan met meer hardloopervaring, is de kans kleiner dat beginners het uitvoeren³⁷. Toevallig is de kans vooral groot dat ze belemmeringen voor deelname ervaren, waaronder een slechte conditie en ademhalingsbeperkingen^38,39. Andere populaties, zoals zwaarlijvige personen, hebben nog meer potentiële voordelen, omdat ze meer ademhalingswerk en stuiteren van zacht weefsel ervaren 40,41,42; dit dubbele probleem kan worden aangepakt via LRC. LRC kan deze personen helpen om met minder ongemak te rennen, en digitale hulpmiddelen zoals deze applicatie zijn toegankelijke modi om het aan een groter aantal van dergelijke hardlopers te leveren. Het is aannemelijk dat LRC, en dus deze app, extra waardevol kan zijn in contexten met extra ademhalingsuitdagingen zoals hypoxie, thoracale belastingsdrager en ultramarathon.

De app maakt gebruik van geluidsbegeleiding om LRC te instrueren, omdat de meeste hardlopers naar audio luisteren tijdens het hardlopen⁴³, ritmische audio motiveert en vermindert vermoeidheid tijdens training³¹, en het is minimaal invasief voor andere kritieke zintuigen (d.w.z. zicht). Laboratoriumstudies naar LRC hebben gebruik gemaakt van geluidssignalen met een metronoom¹⁴, die geen rekening houdt met de natuurlijke variabiliteit en complexiteit van de loopdynamiek tijdens het hardlopen. Een andere studie maakte gebruik van haptische begeleiding tijdens het hardlopen in het veld; ze rapporteerden een lage therapietrouw aan de LRC-instructie, ongeveer 26%⁴⁴. Gezien de hier gerapporteerde relatief hogere therapietrouw (figuur 8 en figuur 9), wordt vermoed dat auditieve begeleiding de voorkeur verdient.

Hoewel de app SR detecteert en live feedback geeft, wordt de BR-begeleiding naar specifieke LRC-verhoudingen vooraf bepaald door de applicatie-instellingen. Het detecteert noch past zich aan op basis van de werkelijke BR van de gebruiker. Hoewel een individuele kalibratie kan worden uitgevoerd om de juiste LRC-verhoudingskeuze te benaderen (protocolsectie 7.1), is er zonder BR-detectie geen mechanisme om de naleving te bevestigen of de instructie dienovereenkomstig aan te passen. De toevoeging van een BR-sensor zou de toepassing op deze manieren verbeteren. Een recente review suggereert bijvoorbeeld dat continue feedback negatieve effecten kan hebben op leren en gewenning⁴⁵. Andere strategieën zoals bandbreedte (alleen begeleiding wanneer het individu zich buiten een vooraf gedefinieerde succesdrempel bevindt) of zelfbepaalde feedback kunnen het meest effectief zijn om leren en zelfeffectiviteit te ondersteunen⁴⁵. Tot slot zou de toevoeging van een BR-sensor ook feedback kunnen geven over fasekoppeling. Aangezien dit element van LRC centraal staat in het viscerale zuigermechanisme en de daaruit voortvloeiende fysiologische voordelen, moet het worden overwogen voor toekomstige feedbacktoepassingen.

De individualisering van het LRC is essentieel voor effectieve onderzoekstoepassingen. Het uitvoeren van deze individualisering zorgt ervoor dat LRC-instructie de BR van de hardloper niet wezenlijk verandert ten opzichte van hun natuurlijke BR. Als alternatief, als het wijzigen van BR gewenst is, stelt het de gebruiker in staat om veranderingen aan te brengen die gevoeliger zijn voor hun typische fysiologische toestand. Deze individuele kalibratie moet contextspecifiek worden uitgevoerd, aangezien BR afhankelijk is van eigenschappen en toestanden. BR is bijvoorbeeld typisch verhoogd bij hogere relatieve inspanningsintensiteiten²⁰; daarom kan de natuurlijke LRC-verhouding anders zijn tijdens lange, langzame hardloopsessies dan bij hardlopen met een hoge intensiteitsdrempel. Het kan ook worden beïnvloed door factoren zoals de omgeving (binnen versus buiten, koud versus warm), het tijdstip van de dag en biologisch geslacht⁴⁶. Het uitvoeren van deze kalibratie vereist meetsystemen die BR en SR synchroon kunnen schatten. Dit kan worden gedaan met standaard sportwetenschappelijke apparatuur zoals spiro-ergometrie en versnellingsmeters. In het veld hebben draagbare sensoren hun potentieel bewezen om deze parameters nauwkeurig te meten³⁶. BR en SR kunnen over een bepaalde periode worden gemiddeld om de LRC-verhouding bij benadering te schatten. Indien nodig kunnen de gegevens worden bijgesneden tot specifieke fasen binnen de run, aangezien fysiologische eisen (dus BR) en snelheid (dus SR) kunnen variëren. Bijgevolg kan de "natuurlijke" LRC-verhouding binnen een run variëren.

Specifieke elementen van deze applicatie moeten worden bijgewerkt om de gebruikersinteractie te verbeteren. Hoewel sommige parameters kunnen worden gewijzigd met hoofdtelefoonbedieningen, kunnen andere (zoals soundscape) niet. Je zou kunnen overwegen om gebaren of smartwatch-integratie te integreren voor eenvoudigere interactie. Bovendien kunnen de volgende iteraties een vorm van instructie "reset" overwegen om te gebruiken wanneer de hardloper zijn ritme verliest. Natuurlijke ademhalingsonderbrekingen zoals hoesten of slikken, of eenvoudige afleiding, kunnen ervoor zorgen dat een hardloper niet meer synchroon loopt met de begeleiding. In plaats van de adem in te houden om te wachten op de volgende LRC-cyclus, kan een knop, spraakopdracht of sensorgedetecteerde gebeurtenis worden gebruikt om het geluid opnieuw te synchroniseren met de hardloper. Ten slotte, aangezien een meerderheid van de hardlopers naar muziek^{luistert 43}, kan de app afbreuk doen aan de ervaring van hardlopers, omdat ze niet naar hun favoriete muziek kunnen luisteren en LRC-begeleiding kunnen krijgen over 'vol'. Het integreren van LRC-begeleiding in de muziek zelf kan een intuïtieve en natuurlijke ervaring mogelijk maken om ademhalingsbegeleiding te bieden en te genieten van de muziek van je voorkeur. Dit is nog niet geïntegreerd in de applicatie.

Tot nu toe zijn er al enkele beperkingen van deze methode geïdentificeerd bij het testen. Ten eerste is het mogelijk dat de stapgeluiden de hardloper wegtrekken van hun typische SR. Hoewel de stepsonificatie alleen de real-time SR van de hardloper weerspiegelt, impliceert de bewegende middeling dat de gesonificeerde SR in eerste instantie lager is dan de onmiddellijke SR van de hardloper. Het kan dus waardevol zijn voor de gebruiker om de stapgeluiden te negeren totdat ze hun eigen voorkeurs-SR voor enkele seconden hebben vastgesteld. Ten tweede, gerelateerd aan dit vorige punt, worden de stapgeluiden automatisch afgespeeld op de huidige SR van de gebruiker, maar ze zijn niet noodzakelijkerwijs fase-gesynchroniseerd met footstrike. Daarom is het mogelijk dat de SR van de gebruiker overeenkomt met de gesonificeerde SR, maar in antifasecoördinatie. Dit kan leiden tot ongewenste LRC-dynamiek, omdat de gebruiker de fasesynchronisatie van stap en ademhaling kan verliezen. Dit kan worden gecorrigeerd onder begeleiding van een onderzoeker/expert die de gebruiker observeert met de hoorbare geleidingsgeluiden. Vervolgens is de gebruikersselectie van LRC-verhoudingen gewenst voor flexibiliteit aan de behoeften van uiteenlopende hardlopers; Het kan echter leiden tot de onbedoelde selectie van ongewenste verhoudingen. 2:2 kan bijvoorbeeld een geschikte verhouding zijn voor hardlopen met matige en hoge intensiteit, maar kan leiden tot hyperventilatie bij lagere relatieve intensiteiten. Zeer ongelijke verhoudingen (bijv. 3:6) kunnen nuttig zijn voor het aansturen van lange uitademingen, terwijl het omgekeerde (6:3) ongewenst is voor de te korte uitademingsfase⁴⁷. Ten slotte wordt erkend dat een applicatie voor alleen het Android-platform inherent beperkt is, aangezien veel mobiele gebruikers de voorkeur geven aan andere platforms. Uit pilottests is gebleken dat de applicatie alleen presteert zoals bedoeld op bijgewerkte moderne mobiele apparaten.

We hopen dat deze toepassing wordt gebruikt in interventiestudies van hardlopers die het meeste baat kunnen hebben bij ademhalingsbegeleiding. Beginners, vrouwen, adolescenten en mensen die last hebben van door inspanning veroorzaakte kortademigheid kunnen de grootste voordelen ervaren van LRC-begeleiding ^8,48. Experimentele methoden kunnen worden verbeterd met het gebruik van de "sound tempo"-functie om de gewenste tempostrategieën te ondersteunen. Hoewel ze tot nu toe niet zijn getest, kunnen andere cyclische duuractiviteiten (bijv. fietsen, langlaufen) baat hebben bij LRC-begeleiding zoals die van de app. Er is meer werk nodig om de geschiktheid van deze oplossing voor dergelijke toepassingen te beoordelen.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Android smartphone	Samsung of Google		Minimaal Android 8.0 vereist voor applicatiefunctionaliteit
FMOD engine	Firelight Technologies Pty Ltd		Geluidsengine
Hexoskin slim shirt	Carré Technologies		Draagbaar sensorshirt
RunRhythm applicatie voor Android	adidas GmbH en abios GmbH