Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Niestandardowa aplikacja na smartfony do kierowania sprzęgiem lokomotywowo-oddechowym w terenie za pomocą adaptacyjnych dźwięków oddechowych

1.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66733

⸱

27 września 2024

 ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

Sprzężenie ruchowo-oddechowe (LRC) jest potencjalnie korzystne dla biegaczy, ale może być trudne do wykonania. Wprowadzamy niestandardowe rozwiązanie zaimplementowane na smartfonie, aby zindywidualizować i poprowadzić biegaczy w kierunku LRC.

Streszczenie

Podczas gdy bieganie jest jednym z najpopularniejszych zajęć na zawody i w czasie wolnym, szacuje się, że 20-40% biegaczy może cierpieć na ograniczenia oddechowe. Niektórzy z tych biegaczy mogą skorzystać z technik oddychania, aby poprawić wydajność lub złagodzić dyskomfort oddechowy. Jedną z takich technik jest sprzężenie lokomotoryczno-oddechowe (LRC), czyli synchronizacja częstotliwości i fazy oddechu do kroku. Badania wykazały, że LRC może korzystnie wpływać na skuteczność wentylacji poprzez "przepływy sterowane krokowo", a niektórzy eksperci twierdzą, że może być stosowany do stymulacji ćwiczeń lub zwiększania pozytywnych stanów emocjonalnych. Niemniej jednak może to być trudne do wykonania bez coachingu lub wskazówek. W tym celu proponujemy RunRhythm, niestandardową aplikację na smartfony, która zapewnia krokowo zsynchronizowane wskazówki dźwiękowe dla LRC. Koncepcja ta opiera się na wcześniejszych dowodach na to, że rozsądne wskazówki mogą być skuteczne i integrują funkcje, aby zmaksymalizować przestrzeganie i indywidualizację. Wstępne wyniki pokazują, że zastosowanie to jest obiecującą i skuteczną metodą odpowiednią do badań nad LRC w ćwiczeniach terenowych. Omówiono zalecenia dotyczące stosowania i dalszego rozwoju w celu dalszego rozwoju tej koncepcji z korzyścią dla szerszej populacji.

Wprowadzenie

Bieganie jest prawdopodobnie najbardziej popularną formą ćwiczeń, częściowo ze względu na jego dostępność oraz zakres korzyści dla zdrowia fizycznego i psychicznego1,2. Niemniej jednak wielu początkujących biegaczy ma trudności z rozpoczęciem lub utrzymaniem nawyków biegania. Może to być spowodowane trudnościami w oddychaniu, które dotykają około 20-40% biegaczy3,4,5. Zmniejszenie duszności wywołanej wysiłkiem fizycznym jest teoretycznie możliwe przy użyciu określonych technik oddychania, ale dokładne metody, ryzyko i korzyści z tego płynące są niejasne. Podczas gdy poprawa sprawności fizycznej i/lub powolny oddech w spoczynku mogą złagodzić dyskomfort oddechowy podczas ćwiczeń6,7, te rozwiązania potrzebują tygodni lub miesięcy, aby osiągnąć korzyści. Niektóre badania spekulują, że bezpośrednie stosowanie technik oddechowych podczas ćwiczeń może być bardziej skuteczne w osiąganiu ostrych korzyści8, chociaż takie badania są ograniczone. Narzędzia cyfrowe, które umożliwiają zindywidualizowane nauczanie, mogą być potrzebne do przeprowadzenia takich badań w skutecznym formacie interwencji.

Sprzężenie ruchowo-oddechowe (LRC) to zjawisko synchronizacji, w którym oddychanie i ruch są zsynchronizowane pod względem częstotliwości i/lub fazy. W określonych ćwiczeniach, takich jak bieganie, LRC wskazuje stosunek liczby całkowitej między oddechem (BR) a częstością kroków (SR), a także blokowanie fazy uderzenia stopą do początku oddechu (tj. stąpanie dokładnie pod wpływem wdechu). LRC może być wyrażane wolicjonalnie lub automatycznie i może pojawić się jako wyuczone zachowanie z treningiem ćwiczeń9. Ludzie w naturalny sposób synchronizują chód z przeszkadzającymi dźwiękami słuchowymi (w tym oddechem), być może w celu zmniejszenia stymulacji słuchowej, co sugeruje, że LRC ma ewolucyjną fenomenologię10. Niektóre raporty wskazują, że LRC korzystnie wpływa na ekonomię ruchu i wydajność oraz zmniejsza duszność11,12,13,14,15. Niektóre badania wykazały znikome korzyści16,17,18. Wszelkie korzyści fizjologiczne mogą być związane z "przepływami sterowanymi krokowo": każde uderzenie stopą wytwarza pęd w dół treści brzusznej ("tłok trzewny"), który po zsynchronizowaniu z początkiem wdechu lub wydechu może być dodatkiem do wentylacji.

Daley et al.19 zmierzyli przepływ wentylacji i siły uderzenia podczas biegania na bieżni i spekulowali, że przepływy sterowane krokowo mogą przyczynić się do 10-12% całkowitej wentylacji. Poinformowali również, że może to przyspieszyć przejścia wentylacyjne. Inne mechanizmy neuromechaniczne mogą wchodzić w interakcje z tym zjawiskiem9. Podczas gdy tłok trzewny jest wynikiem precyzyjnego sprzężenia faz, sprzężenie częstotliwości może być niezależnie cenne, szczególnie dla początkującego biegacza. BR jest ściśle związane z wysiłkiem o różnej intensywności ćwiczeń20. Ponieważ SR jest ogólnie stabilny i powiązany z prędkością biegu21, LRC może wspierać samoświadomość i umożliwiać łatwe tempo BR, a tym samym intensywność podczas całego biegu. Wreszcie, LRC w nierównych proporcjach (np. 5:1 kroków na oddech) może pomóc w zapobieganiu przejściowym bólom brzucha związanym z wysiłkiem fizycznym ("ścieg boczny"). Większość biegaczy doświadcza tego tymczasowego, ale rozpraszającego i bolesnego objawu każdego roku22, co często prowadzi do konieczności przerwania biegu. Jedna z teorii etiologii szwu bocznego mówi, że powtarzające się oddychanie przy tym samym uderzeniu bocznym może podrażniać nerw przeponowy. W związku z tym LRC może go uniknąć w nierównych proporcjach, co prowadzi do oddychania na naprzemiennych nogach.

Niewiele raportów omawiało, jak wspierać biegaczy w wykonywaniu LRC. Co najmniej dwa badania wykazały metody w stylu biofeedbacku14,23, podczas gdy wiele z nich wykorzystywało prosty coaching werbalny24,25. Chociaż metody te okazały się obiecujące w ostrej stymulacji LRC, są one wysoce ustandaryzowane i wymagają specjalistycznego sprzętu. W związku z tym prawdopodobnie nie nadają się do zastosowań terenowych ani nie są dostępne dla większości biegaczy. Niezależnie od tego, wskazówki dźwiękowe są naturalnym wyborem, ponieważ ludzie intuicyjnie synchronizują ruch z przewidywalnymi zdarzeniami słuchowymi (metronom lub muzyka)26. Aplikacje powinny zatem dokładnie uwzględniać tempo i strukturę dźwięku w kontekście uczenia się motorycznego. Podczas gdy prosty dźwięk o stałym tempie jest przewidywalny i skuteczny w stymulowaniu porywania, jest sprzeczny z naturalnie nieliniowym zachowaniem rytmów kroków i oddechów u zdrowych biegaczy27,28. Zmiana preferowanego SR biegacza może zmniejszyć ekonomię biegu 29 lub może zmodyfikować czynniki ryzyka kontuzji30. W związku z tym instrukcje dźwiękowe powinny być stale dostosowywane w czasie rzeczywistym, aby podążać za klasą SR31.

Niedawno wprowadziliśmy koncepcję, która integruje powyższe zalecenia w prostej, przyjaznej dla użytkownika, niestandardowej aplikacji na smartfony32. Pierwsza iteracja pozwala na wybór pojedynczego współczynnika LRC, który ma być instruowany przez cały przebieg. Standardowy algorytm SR telefonu jest wykorzystywany do dostarczania informacji o SR w czasie rzeczywistym do aplikacji. Następnie wytwarzane są zsynchronizowane ze krokami dźwięki wskazujące, kiedy biegacz powinien robić wydech i wdech: wysoki ton dla kroków podczas wdechu i niski ton podczas wydechu. Przepisane proporcje LRC uzyskano z wizyty kontrolnej bez instrukcji oddychania. Stwierdziliśmy duży wzrost LRC z 26,3 ± 10,7% do 69,9 ± 20,0% biegu z instrukcją aplikacji podczas biegu submaksymalnego na świeżym powietrzu. Ograniczenia odnotowane w protokole i aplikacji obejmują wymagane obszerne zapoznanie się, ograniczoną wielkość próbki i ciągłe instrukcje dźwiękowe. W związku z tym opracowano nową wersję tej aplikacji, aby poprawić wrażenia użytkownika i umożliwić szersze testowanie i eksperymentowanie w ćwiczeniach terenowych. Ta aplikacja nosi nazwę RunRhythm, ponieważ jej przeznaczeniem jest wspieranie biegaczy w znajdowaniu i utrzymywaniu rytmu podczas biegu. Będzie ona zwana dalej aplikacją.

Celem tego raportu jest wprowadzenie nowego cyfrowego narzędzia i podejścia metodologicznego, które umożliwia intuicyjne i gotowe do użycia wskazówki LRC dla badań naukowych z udziałem doświadczonych lub aspirujących biegaczy. Aplikacja jest aplikacją klasy badawczej w testach beta na urządzenia z systemem Android. Podstawowe funkcjonalności aplikacji to detekcja SR i naprowadzanie LRC. Po wykryciu biegania tworzone są dźwięki oddychania zgodnie z wybranymi ustawieniami w interfejsie użytkownika. Aplikacja oblicza SR z akcelerometru telefonu za pomocą jednego z dwóch algorytmów: albo fabrycznego algorytmu SR zaimplementowanego przez producenta urządzenia, albo niestandardowego algorytmu SR utworzonego przez producenta aplikacji. Oba algorytmy generują stały strumień na żywo SR, który jest następnie wygładzany na średniej ruchomej zgodnie z oknem adaptacyjnym. Rozmiar okna jest dynamiczny, aby zrównoważyć reaktywność i wygładzanie wartości odstających. Rezultatem jest stale aktualizowana wartość SR na żywo.

Ponieważ aplikacja oblicza SR na podstawie ruchu urządzenia, umieszczenie telefonu na ciele jest niezwykle ważne. Większość standardowych algorytmów SR jest niezależna od pozycji i dlatego można je umieścić na dowolnej części ciała podczas pracy, aby uzyskać dokładne wartości SR. Zaimplementowany tutaj niestandardowy algorytm również zachowuje się w ten sposób. Jednak zdecydowane umieszczenie bliżej środka masy może poprawić stabilność wykrywania SR, a co za tym idzie, jakość dźwięku wytwarzanego przez aplikację. Testy pilotażowe pokazują, że miejsca z oscylacją 1-wymiarową (tj. pionowo w górę i w dół, np. w kieszeni na piersi lub nerce) mogą działać lepiej niż te z ruchem dwuwymiarowym (tj. kołysaniem, takim jak kieszeń na udzie lub opaska).

Dane SR są przekazywane do zintegrowanego silnika dźwiękowego (zobacz Tabelę Materiałów). Dźwięki kroków są odtwarzane tylko wtedy, gdy system wykryje SR > 0. Gdy SR przekroczy wstępnie ustawiony próg (określony w ustawieniach zaplecza [sekcja protokołu 3.6]; tj. 120), aplikacja rozpoznaje, że użytkownik jest uruchomiony i uruchamia dźwięki wskazówek oddechowych. Następnie ta wartość SR na żywo jest używana do ustawiania tempa kroku i dźwięków wskazówek oddechowych, o ile utrzymywana jest "biegowa" wartość SR. Gdy SR > próg, generowane dźwięki domyślnie odpowiadają tempu SR. Wyjątkiem jest sytuacja, gdy ustawienie backendu "sound tempo" jest zmienione (określone w ustawieniach backendu [sekcja protokołu 3.5]). Na przykład przy wybranym górnym limicie 180, nawet jeśli biegacz zacznie biec z wyższym SR 185, tempo dźwięku nie przekroczy 180. Gdy obniżą SR do 175, dźwięki obniżą się do 175, stale dostosowując się w ustalonych granicach. Jak opisano w kroku 3.5 protokołu, suwaki te umożliwiają użytkownikowi lub badaczowi ustawienie limitów minimalnego i maksymalnego tempa dźwięku (bpm). Aplikacja umożliwia wybór różnych współczynników LRC (steps:breath) przed biegiem lub zmianę w jego trakcie. Liczba kroków na fazę oddechu może być zmieniona z 2 na 9; Oznacza to, że stosunek 2:3 odzwierciedla 2 kroki na wdech i 3 kroki na wydech.

Różne "pejzaże dźwiękowe" zostały zaprojektowane, aby zapewnić przyjemne wrażenia dźwiękowe większej liczbie biegaczy o różnych gustach muzycznych, na podstawie opinii użytkowników i wczesnych eksperymentów w laboratorium33. Mają różne dźwięki odwzorowane na tempo kroków w czasie rzeczywistym, poinstruowane fazy oddychania i hałas otoczenia w tle. Dźwięki kroków to proste uderzenia, które są odtwarzane w tempie każdego uderzenia stopą (tj. Krok w prawo i w lewo). Dźwięki oddechu integrują w sobie kilka elementów dźwiękowych i grają w znacznie wolniejszym tempie w zależności od wybranego współczynnika LRC. Dostępne pejzaże dźwiękowe są plemienne: organiczne i instrumentalne z ostrymi przejściami oddechowymi i odgłosami kroków; uspokajający: inspirowany światłem i oceanem z płynnymi przejściami i dźwiękami kroków; energetyzujące: elektroniczne i napędowe z ostrymi przejściami i dźwiękami kroków; Minimalny: prosty i płynny, z samymi odgłosami oddechu (bez odgłosów kroków).

Funkcja lektora dodaje proste wskazówki głosowe odpowiadające wynikom badań nad najlepszymi praktykami dotyczącymi zapoznania się z LRC. Zapewnia serię instrukcji na początku biegu, a następnie co 5 minut. Po pierwsze, podaje wybrany współczynnik LRC. Następnie określa zamierzoną fazę oddychania zsynchronizowaną ze wskazówkami dźwiękowymi dla pierwszych trzech cykli oddechu. Następnie przypomina użytkownikowi: "znajdź swoje tempo kroków i rób krok w rytm". Dla każdego biegu zintegrowany jest kwestionariusz przed i po biegu, aby dodać subiektywne dane dotyczące odczuć do każdego biegu. Subiektywna krótka skala witalności34 o pojedynczą pozycję dotyczącą odczucia biegacza od 0 do 10. Ocena skali zmęczenia od 0 do 10 prosi użytkownika o ocenę aktualnego stanu zmęczenia. Wreszcie, skala 0-10 ocenia stopień duszności, której obecnie doświadczamy. Wszystkie te skale są zadawane przed i po każdym biegu. Dopiero po biegu użytkownik jest proszony o ocenę swoich doświadczeń związanych z intensywnością biegu (tj. lekkie, średnie, wysokie, interwały). Użytkownicy mogą zmienić współczynnik LRC i tymczasowość podczas biegu za pomocą interfejsu ekranowego lub elementów sterujących słuchawek. Może to pomóc użytkownikom poczuć sprawczość podczas biegu i umożliwić zbadanie osobistej odpowiedniości. Ponadto może być konieczna szybka zmiana proporcji w odpowiedzi na wydarzenia biegowe (np. wzniesienia, zmęczenie). Protokół ten zawiera opis sposobu działania z aplikacją oraz późniejsze zalecenia dotyczące jej stosowania w ramach różnego rodzaju protokołów badawczych (tj. indoor, outdoor, intervention, cross-sectional).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Niniejsze badanie otrzymało zgodę etyczną Komisji Etyki Uniwersytetu w Salzburgu (numer referencyjny: GZ 13/2021), a uczestnicy wyrazili świadomą zgodę na udział w badaniu.

1. Podstawy obsługi RunRhythm

  1. Poproś uczestników o wypełnienie wstępnego kwestionariusza, obejmującego informacje demograficzne oraz doświadczenie w biegach, sporcie i oddychaniu.
  2. Pobierz aplikację na sprawny smartfon z systemem Android 8.0 lub nowszym.
    UWAGA: Zamknięte testy użytkownika i pobieranie aplikacji są dostępne wyłącznie dla wybranych użytkowników z kontami Google Play, których adresy e-mail zostały dodane do listy zatwierdzonych użytkowników. Testy odbywają się wyłącznie na zaproszenie. Prośby o dostęp należy kierować do autora korespondencyjnego.
  3. Upewnij się, że użytkownik obejrzał samouczek przed pierwszym użyciem aplikacji (Rycina 1).

Schemat aplikacji RunRhythm ilustrujący bieganie sterowane rytmem z synchronizacją oddechu i wskazówkami dotyczącymi kontroli.
Rysunek 1: Samouczek aplikacji. Aplikacja RunRhythm podczas pierwszego uruchomienia wyświetla samouczek wprowadzający, zawierający szczegółowe informacje na temat sprzężenia lokomotoryczno-oddechowego, animację pokazującą działanie aplikacji oraz wskazówki dotyczące użytkowania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

2. Podstawowa funkcjonalność

  1. Wybierz pożądany pejzaż dźwiękowy za pomocą poziomego przełącznika (Rysunek 2B).
    UWAGA: Można to zmienić wyłącznie przed rozpoczęciem biegu.
  2. Zmień pożądany stosunek LRC (liczba kroków na wdechu:liczba kroków na wydechu) za pomocą przełączników w górę lub w dół (Rysunek 2A); zablokuj przełącznik za pomocą ikony kłódki. Gdy ekran jest zablokowany, użyj funkcji przewijania (Schemat działania tranzystora, komponenty obwodów elektronicznych, proces bramek logicznych, zastosowanie edukacyjne.) w kompatybilnych słuchawkach, aby zwiększać lub zmniejszać ten stosunek.
    UWAGA: Blokada stosunku służy do utrzymania stałej różnicy przy zmianie wartości. Na przykład, jeśli zablokowano stosunek 2:3, przełączenie „w górę” zmieni go na 3:4 (zachowując o 1 krok więcej na wydechu względem wdechu).
  3. Zmień ustawienia temporalności za pomocą trójpozycyjnego przełącznika na interfejsie (Rysunek 2C). Gdy ekran jest zablokowany, użyj funkcji odtwórz i pauza (Ikony przycisków odtwarzania i pauzy dla sterowania audio lub wideo.) w kompatybilnych słuchawkach.
    UWAGA: Temporalność może być przełączana między pełnym prowadzeniem (zawsze włączone), prowadzeniem średnim (1 min włączone/5 min wyłączone) a brakiem prowadzenia.
  4. Przełącz funkcję lektora za pomocą przełącznika interfejsu w prawym dolnym rogu (Rysunek 2D oraz 5A). 
  5. Wybierz start run, aby rozpocząć. Podczas pierwszego użycia naciśnij allow, aby zezwolić urządzeniu na rejestrowanie ruchu i lokalizacji.
  6. Wypełnij kwestionariusze wyświetlane na ekranie przed i po każdym biegu, naciskając liczby odpowiadające aktualnemu odczuciu biegacza (Rysunek 3).

Interfejs aplikacji do oddychania; stosunek rytmu 3:4, wybór pejzażu dźwiękowego, ustawienia dźwięku, przełącznik audio.
Rysunek 2: Główny interfejs aplikacji. (A) Stosunek sprzężenia lokomocyjno-oddechowego można zmienić w interfejsie użytkownika za pomocą selektorów w zakresie od 2 do 9. Każda wartość reprezentuje liczbę kroków przypadających na fazę oddechu; np. 2:3 oznacza 2 kroki na wdech i 3 kroki na wydech. Ikona kłódki służy do zablokowania różnicy w stosunku; np. przy blokadzie 2:3 przesunięcie w górę zmienia stosunek na 3:4 (utrzymując różnicę jednego dodatkowego kroku na wydech). (B) Wybór pejzażu dźwiękowego pozwala użytkownikowi wybrać jedną z czterech zdefiniowanych warstw dźwiękowych: plemienną, uspokajającą, elektroniczną i minimalistyczną. (C) Przełącznik temporalności umożliwia wybór jednego z trzech zdefiniowanych ustawień częstotliwości prowadzenia: pełnej, średniej i wyłączonej. (D) Przełącznik lektora pozwala użytkownikowi włączyć lub wyłączyć wskazówki głosowe. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres samooceny intensywności ćwiczeń; oceny zmęczenia, duszności i witalności; interfejs aplikacji mobilnej.
Rycina 3: Kwestionariusze przed i po badaniu. Identyczne kwestionariusze są przedstawiane na początku i na końcu każdego biegu. Muszą one zostać wypełnione, aby rozpocząć lub zakończyć bieg. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

3. Ustawienia zaplecza

UWAGA: Kluczowe parametry wpływające na funkcjonalność aplikacji można zmienić, stukając w trzy kropki w prawym górnym rogu głównego interfejsu. Wartości domyślne odpowiadają wartościom zalecanym, ale mogą zostać zmienione. Ten ekran (Rycina 4) zawiera następujące ustawienia:

Ekran ustawień aplikacji mobilnej; suwak tempa dźwięku; przełączniki GPS, audio i informacji zwrotnej o oddechu.
Rycina 4: Ustawienia zaplecza. Ustawienia zaplecza obejmują automatyczną pauzę, przełącznik detekcji kroków oraz kody identyfikacyjne. (A) Ustawienia progu tempa dźwięku umożliwiają precyzyjny wybór progów częstotliwości kroków, które ograniczają tempo generowanego przewodnictwa dźwiękowego. Na przykład wybór dolnego progu 155 i górnego progu 180 gwarantuje, że przewodnictwo dźwiękowe nie będzie odbiegać od przedziału [155, 180], niezależnie od faktycznie wykrytego SR. Wartości domyślne to [0, 200]. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Przełącz GPS i GPX na „on” (włączone), aby rejestrować dystans biegu, prędkość biegu oraz śledzenie trasy.
    UWAGA: Gdy funkcja jest włączona, rejestruje ona współrzędne systemu pozycjonowania globalnego (GPS) podczas biegu na podstawie danych wyjściowych z urządzenia. Gdy jest wyłączona, żadna rejestracja nie jest prowadzona.
  2. Auto Pause (automatyczna pauza): przełącz na „on” dla uzyskania najlepszej wydajności.
    UWAGA: Gdy funkcja jest włączona, rejestracja GPS zostaje zatrzymana, gdy wykryta prędkość jest bliska 0. Gdy jest wyłączona, rejestracja jest kontynuowana niezależnie od prędkości.
  3. Przełącz sterowanie słuchawkami na „on” podczas korzystania ze słuchawek z funkcjami sterowania muzyką.
    UWAGA: Gdy funkcja jest włączona, pozwala ona kompatybilnym słuchawkom (przewodowym lub bezprzewodowym, z przyciskami sterującymi) na zmianę kluczowych parametrów podczas biegu (patrz krok 2.4). Gdy jest wyłączona, sterowanie słuchawkami nie pozwala na zmianę parametrów aplikacji.
  4. Systemowe wykrywanie kroków: zmień to ustawienie, gdy aplikacja zachowuje się nietypowo; tj. gdy tempo dźwięku nie zgadza się z tempem kroków.
    UWAGA: Gdy funkcja jest włączona, wykorzystuje ona fabryczny algorytm SR producenta urządzenia dla wszystkich funkcjonalności aplikacji. Gdy jest wyłączona, stosowany jest niestandardowy algorytm opracowany przez twórcę aplikacji. Ponieważ urządzenia mają różną fabryczną wydajność wykrywania SR w zależności od parametrów producenta, takich jak chipset, funkcję tę można przełączać w celu poprawy wydajności aplikacji.
  5. Tempo dźwięku: ustaw suwaki tempa dźwięku na pożądane progi SR (Rysunek 4A).
    UWAGA: Ustaw konkretny zakres (np. 160-180), aby stworzyć dolną i/lub górną granicę tempa generowanych dźwięków. Minimalna wartość dolna = 0, a maksymalna górna = 200.
  6. Min. Run Steprate (minimalna częstotliwość kroków podczas biegu): zmień ten próg na dowolną liczbę całkowitą z zakresu 0-200, aby zmienić próg SR
    używany do aktywacji dźwięków prowadzących LRC.
    UWAGA: Domyślnie aplikacja przyjmuje wartość 120 jako SR, przy której wykrywany jest „bieg” i rozpoczyna się odtwarzanie dźwięków.
  7. Enable Breath Feedback (włącz informację zwrotną o oddechu): przełącz na „on” dla podstawowej funkcjonalności aplikacji.
    UWAGA: Gdy funkcja jest włączona, można oczekiwać normalnego działania aplikacji z dźwiękami kroków i oddechów podczas biegu. Gdy jest wyłączona, ustawienie to zapobiega generowaniu jakichkolwiek dźwięków oddechu. Jest to stosowane do celów testowych lub gdy pożądane są tylko dźwięki kroków.
  8. Restart Intro (restart wprowadzenia): kliknij tekst, aby ponownie odtworzyć samouczek wprowadzający.
  9. Data Protection (ochrona danych): kliknij tekst, aby wyświetlić oświadczenie producenta aplikacji dotyczące ochrony danych.
  10. Identyfikatory
    1. Installation ID (ID instalacji): zanotuj tę wartość, która stanowi unikalny identyfikator dla tego urządzenia i wersji aplikacji. Jest ona odzwierciedlona w plikach dziennika generowanych po każdym biegu.
    2. Version (wersja): zanotuj tę wartość, która reprezentuje wersję kompilacji aplikacji.
    3. Manufacturer/model (producent/model): zanotuj tę wartość, która stanowi identyfikator urządzenia obejmujący markę i model.

4. Praca z aplikacją

  1. Zacznij biegać!
    1. Najpierw, gdy aktywują się sygnały kroków, słuchaj uważnie i dostosuj krok do rytmu. Następnie zostanie aktywowane prowadzenie oddechu; zsynchronizuj wdech i wydech dokładnie z dźwiękiem.
  2. Interfejs w trakcie biegu: podczas biegu zmieniaj współczynnik LRC oraz temporalność za pomocą przełączników w interfejsie na ekranie (Rysunek 5A).
  3. Raport po biegu: naciśnij zakończ bieg, aby zatrzymać aplikację. Na ekranie podsumowania wyświetlą się kluczowe parametry, w tym całkowity dystans, średnie tempo i średnia kadencja (Rysunek 5B).

Interfejs aplikacji do biegania wyświetlający kroki, częstotliwość oddechów i wskaźniki dystansu służące do śledzenia wydajności.
Rycina 5: Interfejs w trakcie i po biegu. (A) W trakcie biegu dostępny jest uproszczony interfejs, który pozwala użytkownikowi na zmianę kluczowych parametrów, w tym stosunku sprzężenia lokomotoryczno-oddechowego oraz tymczasowości. Wyświetla on również aktualne tempo biegu i częstotliwość kroków. (B) Po biegu ekran podsumowania wyświetla kluczowe wskaźniki, w tym całkowity dystans, średnie tempo i średnią częstotliwość kroków. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

5. Badania z wykorzystaniem aplikacji

UWAGA: Powyższe funkcjonalności zostały opracowane w celu maksymalizacji komfortu użytkownika i umożliwienia prowadzenia badań nad LRC w różnych kontekstach. Poniższe kroki opisują sposób włączenia aplikacji do badania, od wstępnego zapoznania się z nią po analizę logów aplikacji po zakończeniu testu. Metody badawcze zostały przejrzane i zatwierdzone do eksperymentów z udziałem ludzi przez komisję etyczną Paris Lodron Universität Salzburg (EK-GZ 29/2023).

  1. Przed omówieniem lub instruowaniem LRC za pomocą aplikacji, przeprowadź indywidualną kalibrację w celu ustalenia naturalnego stosunku LRC biegacza. Wybierz zadanie biegowe reprezentatywne dla rodzaju aktywności i kontekstu badania, a następnie zarejestruj SR i BR podczas próby. Oblicz najbliższy pełny współczynnik LRC z ich ilorazu (SR/BR = stosunek LRC; np. 160/30 = 5,3 = zalecany stosunek 5 kroków na oddech).
  2. Umieść telefon w kieszeni odzieży, nerce lub opasce na ramię, która ściśle przylega do ciała.
  3. Podczas biegania na zewnątrz używaj słuchawek, aby usprawnić przekazywanie instrukcji dźwiękowych i umożliwić korzystanie z elementów sterujących słuchawkami. Alternatywnie, podczas zapoznawania z badaczem, użyj głośnika Bluetooth, aby wspólnie śledzić instrukcje LRC.
  4. Zapoznaj biegacza z LRC i aplikacją.
    UWAGA: Chociaż aplikacja nie powinna wymagać zapoznawania z badaczem, w celach badawczych może być pomocne, jeśli badacz wyjaśni koncepcję LRC, działanie aplikacji, jej cel oraz zademonstruje funkcjonalność. LRC należy wprowadzać, stosując wskazówki werbalne według Coatesa i Kowalchika35.
    1. Zacznij od rytmicznego tupania stopami w pozycji siedzącej lub leżącej oraz instrukcji oddychania w podanym stosunku (zazwyczaj 2:2) synchronicznie z ruchem stóp.
    2. Powtórz czynność podczas chodzenia.
    3. Powtórz czynność podczas biegu w miejscu.
    4. Przedstaw aplikację i krótko opisz interfejs użytkownika.
    5. Przymocuj urządzenie do ciała biegacza zgodnie z powyższymi zaleceniami (sekcja 7.2).
    6. Kliknij start run i biegnij w miejscu.
    7. Zachęć biegacza do utrzymywania własnego tempa kroków, podczas gdy dźwięki będą dostosowywać się do jego SR.
    8. Potwierdź werbalnie, że dźwięki oddechowe są również słyszalne.
    9. Poleć biegaczowi oddychać zgodnie z dźwiękami.
    10. Kontynuuj kroki i oddech w rytm dźwięków przez co najmniej 30-60 s.
    11. Powtórz proces z różnymi ustawieniami aplikacji (np. stosunki LRC, temporalność, lektor), aby potwierdzić zrozumienie.
    12. Badacz i biegacz powinni biegać razem, odtwarzając dźwięki prowadzące przez głośnik Bluetooth, aby utrwalić podstawy LRC (Rycina 6).
      UWAGA: Dźwięki aktywują się, gdy aplikacja wykryje SR podczas biegu. Dźwięki kroków zostaną automatycznie dopasowane do SR użytkownika z pewnym opóźnieniem.
  5. Użyj małoinwazyjnego zestawu czujników umożliwiającego detekcję kroków i oddechów, aby potwierdzić przestrzeganie przez biegacza instrukcji LRC.
    UWAGA: Na przykład inteligentna koszulka Hexoskin może dokładnie mierzyć kroki i początek wdechów podczas biegu przy minimalnej uciążliwości dla biegacza36.
  6. Ustawienie temporalności: zastosuj średnie prowadzenie w połączeniu z innymi aplikacjami muzycznymi, umożliwiając odtwarzanie muzyki użytkownika podczas 5-minutowych okresów, w których prowadzenie aplikacji jest wyciszone.
    UWAGA: Ustawienie no guidance nadal rejestruje kwestionariusze, GPS oraz SR, co może być pomocne w niektórych celach badawczych.
  7. Logi: pobierz pliki logów, aby uzyskać dostęp do danych z biegu z sygnaturami czasowymi oraz parametrów aplikacji.
    UWAGA: Pliki logów .csv rejestrują kluczowe metadane biegu i każdą interakcję z aplikacją, w tym: sygnatury czasowe uderzeń stóp, wybrany stosunek LRC i jego zmiany oraz odpowiedzi w kwestionariuszach. Są one przechowywane na serwerach zgodnych z RODO i oznaczone unikalnym identyfikatorem aplikacji, datą oraz godziną.

Dwie osoby biegające po zaśnieżonej ścieżce, ubrane w zimową odzież, podkreślając aktywność fizyczną w zimnych warunkach.
Rysunek 6: Zapoznanie badacza z procedurą. W kontekście badawczym zaleca się, aby główny badacz zapoznał się z procedurą w celu zapewnienia konceptualnego zrozumienia sprzężenia lokomo-oddechowego oraz prawidłowego wykorzystania aplikacji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Aplikacja ta jest drugą iteracją programu zaprojektowanego w celu wspierania LRC i zapewnienia audio-instruktażu dotyczącego oddychania. Przeprowadzono liczne badania pilotażowe oraz jedną publikację w czasopiśmie naukowym, które potwierdziły jej skuteczność i pozytywne doświadczenia użytkowników. W badaniu przekrojowym analizującym ostre efekty instruktażu LRC (wspomnianym we Wstępie) stwierdzono, że bieganie z instruktażem znacznie zwiększyło LRC u 17 początkujących biegaczy32. Na przykład jeden...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Metodologia ta stanowi jedno z pierwszych opartych na dowodach, gotowych do użycia w terenie narzędzi cyfrowych do instruowania biegaczy LRC. Wstępne wyniki sugerują, że jest ona skuteczna nie tylko w szybkim uczeniu się i przestrzeganiu LRC, ale może być również nauczana z czasem i zapamiętywana. Podczas gdy LRC może pojawić się naturalnie wraz ze zwiększonym doświadczeniem w bieganiu, nowicjusze są mniej skłonni do jego wykonywania37. Przypadkowo są one szczególnie narażone na bariery w uczestni...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Ulf Jensen był zatrudniony przez Adidas AG. Pozostali autorzy deklarują, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek powiązań handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez austriackie Federalne Ministerstwo ds. Działań na rzecz Klimatu, Środowiska, Energii, Mobilności, Innowacji i Technologii w ramach umowy nr 2021$$-$0,641,557 oraz kraj związkowy Salzburg w ramach programu badawczego COMET-Competence Centers for Excellent Technologies-w projekcie Digital Motion in Sports, Fitness and Well-being (DiMo; Umowa nr 872574).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Smartfon z systemem AndroidSamsung lub GoogleMinimalny Android 8.0 wymagany do działania aplikacji
Silnik FMOD Firelight Technologies Pty LtdSilnik dźwiękowy
Inteligentna koszula Hexoskin Carr&eaostry; TechnologieUbieralna koszulka z czujnikiem
Aplikacja RunRhythm dla systemu Android adidas GmbH oraz abios GmbH

Bibliografia

  1. Hulteen, R. M., et al. Global participation in sport and leisure-time physical activities: A systematic review and meta-analysis. Prev Med. 95, 14-25 (2017).
  2. Malchrowicz-Mosko, E., Poczta, J. Running as a form of therapy socio-psychological functions of mass running events for men and women. Int J Environ Res Public Health. 15 (10), 2262(2018).
  3. Ersson, K., et al. Prevalence of exercise-induced bronchoconstriction and laryngeal obstruction in adolescent athletes. Pediatr Pulmonol. 55 (12), 3509-3516 (2020).
  4. Johansson, H., et al. Prevalence of exercise-induced bronchoconstriction and exercise-induced laryngeal obstruction in a general adolescent population. Thorax. 70 (1), 57-63 (2015).
  5. Smoliga, J. M., Mohseni, Z. S., Berwager, J. D., Hegedus, E. J. Common causes of dyspnoea in athletes: A practical approach for diagnosis and management. Breathe (Sheff). 12 (2), e22-e37 (2016).
  6. Castro, R. R., Sales, A. R. K., Nobrega, A. C. Lifestyle interventions reduce exercise ventilatory variability in healthy individuals: A randomized intervention study. Future Cardiol. 16 (5), 439-446 (2020).
  7. Laborde, S., et al. The influence of breathing techniques on physical sport performance: A systematic review and meta-analysis. Int Rev Sport and Exer Psychol. , 1-56 (2022).
  8. Harbour, E., Stoggl, T., Schwameder, H., Finkenzeller, T. Breath tools: A synthesis of evidence-based breathing strategies to enhance human running. Front Physiol. 13, 813243(2022).
  9. Stickford, A. S., Stickford, J. L. Ventilation and locomotion in humans: Mechanisms, implications, and perturbations to the coupling of these two rhythms. Springer Sci Rev. 2 (1-2), 95-118 (2014).
  10. Larsson, M. Self-generated sounds of locomotion and ventilation and the evolution of human rhythmic abilities. Anim Cogn. 17 (1), 1-14 (2014).
  11. Garlando, F., Kohl, J., Koller, E. A., Pietsch, P. Effect of coupling the breathing- and cycling rhythms on oxygen uptake during bicycle ergometry. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 54 (5), 497-501 (1985).
  12. Bernasconi, P., Bürki, P., Bührer, A., Koller, E., Kohl, J. Running training and co-ordination between breathing and running rhythms during aerobic and anaerobic conditions in humans. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 70 (5), 387-393 (1995).
  13. Takano, N., Deguchi, H. Sensation of breathlessness and respiratory oxygen cost during cycle exercise with and without conscious entrainment of the breathing rhythm. Eur J Appl Physiol. 76 (3), 209-213 (1997).
  14. Hoffmann, C. P., Torregrosa, G., Bardy, B. G. Sound stabilizes locomotor-respiratory coupling and reduces energy cost. PLoS One. 7 (9), e45206(2012).
  15. Bonsignore, M. R., Morici, G., Abate, P., Romano, S., Bonsignore, G. Ventilation and entrainment of breathing during cycling and running in triathletes. Med Sci Sports Exerc. 30 (2), 239-245 (1998).
  16. Rassler, B., Kohl, J. Coordination-related changes in the rhythms of breathing and walking in humans. Eur J Appl Physiol. 82 (4), 280-288 (2000).
  17. Raßler, B., Kohl, J. Analysis of coordination between breathing and walking rhythms in humans. Respir Physiol. 106 (3), 317-327 (1996).
  18. Van Alphen, J., Duffin, J. Entrained breathing and oxygen consumption during treadmill walking. Can J Appl Physiol. 19 (4), 432-440 (1994).
  19. Daley, M. A., Bramble, D. M., Carrier, D. R. Impact loading and locomotor-respiratory coordination significantly influence breathing dynamics in running humans. PLoS One. 8 (8), e70752(2013).
  20. Nicolo, A., Sacchetti, M. Differential control of respiratory frequency and tidal volume during exercise. Eur J Appl Physiol. 123 (2), 215-242 (2023).
  21. Jordan, K., Challis, J. H., Newell, K. M. Long range correlations in the stride interval of running. Gait Posture. 24 (1), 120-125 (2006).
  22. Morton, D., Callister, R. Exercise-related transient abdominal pain (etap). Sports Med. 45 (1), 23-35 (2015).
  23. Wiens, C. Comparison of noise signals on locomotor-respiratory coupling. , University of Nebraska at Omaha. (2016).
  24. Enhancement of synchronization between physiological signals during exercise: A preliminary investigation. Perry, S., Khovanova, N., Khovanov, I. In 2020 42nd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC), Montreal, QC, Canada, , 461-464 (2020).
  25. Bernasconi, P., Kohl, J. Analysis of co-ordination between breathing and exercise rhythms in man. Physiol J. 471 (1), 693-706 (1993).
  26. Damm, L., Varoqui, D., De Cock, V. C., Dalla Bella, S., Bardy, B. Why do we move to the beat? A multi-scale approach, from physical principles to brain dynamics. Neurosci Biobehav Rev. 112, 553-584 (2020).
  27. Hausdorff, J. M. Gait dynamics, fractals and falls: Finding meaning in the stride-to-stride fluctuations of human walking. Hum Mov Sci. 26 (4), 555-589 (2007).
  28. Fadel, P. J., Barman, S. M., Phillips, S. W., Gebber, G. L. Fractal fluctuations in human respiration. J Appl Physiol (1985). 97 (6), 2056-2064 (2004).
  29. De Ruiter, C. J., Van Oeveren, B., Francke, A., Zijlstra, P., Van Dieen, J. H. Running speed can be predicted from foot contact time during outdoor over ground running. PLoS One. 11 (9), e0163023(2016).
  30. Adams, D., Pozzi, F., Willy, R. W., Carrol, A., Zeni, J. Altering cadence or vertical oscillation during running: Effects on running related injury factors. Int J Sports Phys Ther. 13 (4), 633-642 (2018).
  31. Bood, R. J., Nijssen, M., Van Der Kamp, J., Roerdink, M. The power of auditory-motor synchronization in sports: Enhancing running performance by coupling cadence with the right beats. PLoS One. 8 (8), e70758(2013).
  32. Harbour, E., Van Rheden, V., Schwameder, H., Finkenzeller, T. Step-adaptive sound guidance enhances locomotor-respiratory coupling in novice female runners: A proof-of-concept study. Front Sports Act Living. 5, 1112663(2023).
  33. Van Rheden, V., Harbour, E., Finkenzeller, T., Meschtscherjakov, A. Into the rhythm: Evaluating breathing instruction sound experiences on the run with novice female runners. Multimodal Technol Interact. 8 (4), 25(2024).
  34. Buchner, L., Amesberger, G., Finkenzeller, T., Moore, S. R., Wurth, S. The modified german subjective vitality scale (svs-gm): Psychometric properties and application in daily life. Front Psychol. 13, 948906(2022).
  35. Coates, B., Kowalchik, C. Runner's world running on air: The revolutionary way to run better by breathing smarter. , Rodale Books. (2013).
  36. Harbour, E., Schwameder, H. Measuring rhythmic synchrony: A practical guide. , (2022).
  37. Bramble, D. M., Carrier, D. R. Running and breathing in mammals. Science. 219 (4582), 251-256 (1983).
  38. Abu-Hasan, M., Tannous, B., Weinberger, M. Exercise-induced dyspnea in children and adolescents: If not asthma then what. Ann Allergy Asthma Immunol. 94 (3), 366-371 (2005).
  39. Weinberger, M., Abu-Hasan, M. Perceptions and pathophysiology of dyspnea and exercise intolerance. Pediatr Clin North Am. 56 (1), 33-48 (2009).
  40. Dreher, M., Kabitz, H. J. Impact of obesity on exercise performance and pulmonary rehabilitation. Respirol. 17 (6), 899-907 (2012).
  41. Ekström, M. Obesity is a major contributing cause of breathlessness in the population. Respirology. 28 (4), 303-304 (2023).
  42. Hansen, D., et al. Exercise tolerance in obese vs. Lean adolescents: A systematic review and meta-analysis. Obes Rev. 15 (11), 894-904 (2014).
  43. Statista. What running related activities do you use your phone/app on phone for. , https://www.runnersworld.com/runners-stories/a20825842/the-state-of-the-american-runner-2016/ (2017).
  44. Valsted, F. M., Nielsen, C. V., Jensen, J. Q., Sonne, T., Jensen, M. M. In OzCHI '17:Proceedings of the 29th Australian Conference on Computer-Human Interaction. , 275-284 (2017).
  45. Van Hooren, B., Goudsmit, J., Restrepo, J., Vos, S. Real-time feedback by wearables in running: Current approaches, challenges and suggestions for improvements. J Sports Sci. 38 (2), 214-230 (2020).
  46. Tipton, M. J., Harper, A., Paton, J. F., Costello, J. T. The human ventilatory response to stress: Rate or depth. Physiol J. 595 (17), 5729-5752 (2017).
  47. Laborde, S., et al. Slow-paced breathing: Influence of inhalation/exhalation ratio and of respiratory pauses on cardiac vagal activity. Sustainability. 13 (14), 7775(2021).
  48. Allado, E., Poussel, M., Hily, O., Chenuel, B. The interest of rehabilitation of respiratory disorders in athletes: Myth or reality. Ann Phys Rehabil Med. 65 (4), 101461(2022).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Techniki oddychaniawydajność biegowadźwięki synchronizowane z krokiemwydajność wentylacyjnaograniczenia oddechoweprowadzenie dźwiękowetrening interwałowy
Niestandardowa aplikacja na smartfony do kierowania sprzęgiem lokomotywowo-oddechowym w terenie za pomocą adaptacyjnych dźwięków oddechowych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.