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

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 psychicznego^1,2. 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% biegaczy^3,4,5. 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 ćwiczeń^6,7, 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 duszność^{11,12,13,14,15}. Niektóre badania wykazały znikome korzyści^16,17,18. 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 biofeedbacku^14,23, podczas gdy wiele z nich wykorzystywało prosty coaching werbalny^24,25. 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 biegaczy^27,28. 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).

Protokół

To badanie uzyskało aprobatę etyczną Komisji Etyki Uniwersytetu w Salzburgu (numer referencyjny: GZ 13/2021), a uczestnicy wyrazili świadomą zgodę.

1. Pierwsze kroki z RunRhythm

1. Poproś uczestników, aby wypełnili wstępny kwestionariusz, aby uwzględnić informacje demograficzne, a także doświadczenie w bieganiu, sporcie i oddychaniu.
2. Pobierz aplikację na działający smartfon z systemem Android 8.0 lub nowszym.
   UWAGA: Zamknięte testy użytkowników i pobieranie aplikacji są dostępne tylko dla wybranych użytkowników z kontami Google Play, których adresy e-mail są dodawane do listy zatwierdzonych użytkowników. Testowanie jest dostępne tylko na zaproszenie. Wyślij prośby o dostęp do autora korespondencyjnego.
3. Upewnij się, że użytkownik obejrzał samouczek przed pierwszym użyciem aplikacji (Rysunek 1).

Rysunek 1: Samouczek aplikacji. RunRhythm zapewnia samouczek wprowadzający przy pierwszym uruchomieniu, w tym szczegółowe informacje dotyczące sprzężenia ruchowo-oddechowego, animację pokazującą, jak działa aplikacja, oraz wskazówki dotyczące użytkowania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Podstawowa funkcjonalność

1. Wybierz żądany pejzaż dźwiękowy za pomocą przełącznika poziomego (Rysunek 2B).
   UWAGA: Można to zmienić tylko przed uruchomieniem.
2. Zmień żądany stosunek LRC (kroki na wdech:kroki na wydech) za pomocą przełączników w górę lub w dół (Rysunek 2A); zablokuj przełącznik za pomocą ikony kłódki. Gdy ekran jest zablokowany, użyj seek () z kompatybilnych słuchawek, aby zmienić proporcje w górę i w dół.
   UWAGA: Blokada proporcji działa w celu utrzymania stałej różnicy proporcji podczas zmiany przełożenia. Na przykład, jeśli 2:3 jest zablokowane, przełączenie "w górę" zmieni stosunek na 3:4 (utrzymując 1 krok więcej na wydech w porównaniu z wdechem).
3. Zmień ustawienia czasowości za pomocą 3-pozycyjnego przełącznika w interfejsie (Rysunek 2C). Gdy ekran jest zablokowany, użyj funkcji odtwarzania i pauzy () z kompatybilnych słuchawek.
   UWAGA: Tymczasowość można przełączać między pełnym prowadzeniem (zawsze włączonym), średnim prowadzeniem (1 min wł./5 min wyłączonym) i brakiem prowadzenia.
4. Przełącz funkcję voiceover za pomocą przełącznika interfejsu w prawym dolnym rogu (Rysunek 2D i 5A).
5. Wybierz pozycję rozpocznij uruchamianie, aby rozpocząć. Przy pierwszym użyciu naciśnij przycisk Zezwalaj, aby zezwolić urządzeniu na rejestrowanie ruchu i lokalizacji.
6. Wypełnij kwestionariusze wyświetlane na ekranie przed i po każdym biegu, naciskając liczby odpowiadające aktualnemu odczuciu doświadczanemu przez biegacza (Rysunek 3).

Rysunek 2: Główny interfejs aplikacji. (A) Stosunek sprzężenia lokomotywowo-oddechowego można zmienić z poziomu interfejsu użytkownika za pomocą kołpaków o zakresie od 2 do 9. Każda wartość reprezentuje liczbę kroków na fazę oddechu; Oznacza to, że 2:3 oznacza 2 kroki na wdech: 3 kroki na wydech. Ikona kłódki może być użyta do naprawienia różnicy proporcji; Tj. po zablokowaniu na 2:3, przesunięcie "w górę" zmienia stosunek na 3:4 (utrzymując różnicę o 1 krok więcej na wydech). (B) Wybór pejzażu dźwiękowego pozwala użytkownikowi wybrać jedną z czterech z góry określonych warstw dźwięku: plemienną, uspokajającą, elektroniczną i minimalistyczną. (C) Przełącznik czasowości pozwala użytkownikowi wybrać jedno z trzech predefiniowanych ustawień częstotliwości naprowadzania: pełna, średnia i wyłączona. (D) Przełącznik Voiceover pozwala użytkownikowi włączać i wyłączać wskazówki głosowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Kwestionariusze przed i po. Identyczne kwestionariusze są prezentowane na początku i na końcu każdego biegu. Należy na nie odpowiedzieć, aby rozpocząć lub zakończyć bieg. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Ustawienia zaplecza

UWAGA: Kluczowe parametry wpływające na funkcjonalność aplikacji można zmienić, dotykając trzech kropek w prawym górnym rogu głównego interfejsu. Wartości domyślne odzwierciedlają wartości zalecane, ale można je zmienić. Ten ekran (Rysunek 4) zawiera następujące ustawienia:

Rysunek 4: Ustawienia zaplecza. Ustawienia zaplecza obejmują automatyczną pauzę, przełącznik wykrywania kroków i kody identyfikatorów. (A) Ustawienia progu tempa dźwięku umożliwiają precyzyjny wybór progów szybkości kroku, które ograniczają generowane tempo prowadzenia dźwięku. Na przykład wybranie dolnego progu 155 i górnego progu 180 gwarantuje, że prowadzenie dźwiękowe nie będzie odbiegać od przedziału [155, 180], niezależnie od faktycznie wykrytego SR. Wartość domyślna to [0, 200]. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

1. Włącz GPS i GPX, aby rejestrować dystans biegu, prędkość biegu i śledzenie trasy.
   UWAGA: Gdy jest włączony, rejestruje współrzędne globalnego systemu pozycjonowania (GPS) podczas biegu z fabrycznego wyjścia z urządzenia. Gdy jest wyłączony, nie wykonuje rejestrowania.
2. Automatyczna pauza: włącz "on", aby uzyskać najlepszą wydajność.
   UWAGA: Po włączeniu rejestrowanie GPS jest zatrzymywane, gdy wykryta prędkość zbliża się do 0. Gdy jest wyłączona, kontynuuje rejestrowanie niezależnie od prędkości.
3. Włącz sterowanie słuchawkami podczas korzystania ze słuchawek ze sterowaniem muzyką.
   UWAGA: Po włączeniu ta funkcja umożliwia kompatybilnym słuchawkom (przewodowym lub bezprzewodowym, z elementami sterującymi) zmianę kluczowych parametrów podczas pracy (patrz krok 2.4). Po wyłączeniu ten krok uniemożliwia sterowanie słuchawkami zmianę parametrów aplikacji.
4. Wykrywanie kroków systemu: zmień to ustawienie, gdy aplikacja zachowuje się dziwnie, to znaczy, jeśli tempo dźwięku nie jest zgodne z tempem kroku.
   UWAGA: Gdy ta funkcja jest włączona, wykorzystuje fabryczny algorytm SR producenta urządzenia dla wszystkich funkcji aplikacji. Gdy jest wyłączony, używa niestandardowego algorytmu przez programistę aplikacji. Ponieważ urządzenia mają różną fabryczną wydajność wykrywania SR w zależności od parametrów producenta, takich jak chipset, można to przełączyć, aby poprawić wydajność aplikacji.
5. Tempo dźwięku: ustaw suwaki tempa dźwięku na żądane progi SR (Rysunek 4A).
   UWAGA: Ustaw na określone okno (np. 160-180), aby utworzyć dolny i/lub górny limit tempa generowanych dźwięków. Minimalna dolna = 0, a maksymalna górna = 200.
6. Min. Run Steprate: zmień ten próg na dowolną liczbę całkowitą 0-200, aby zmienić SR
   próg używany do aktywacji dźwięków naprowadzania LRC.
   UWAGA: Aplikacja domyślnie ustawia wartość 120 jako SR, przy której wykrywane jest "uruchomienie" i rozpoczynają się odtwarzanie dźwięków.
7. Włącz sprzężenie zwrotne oddechu: włącz "włącz" dla podstawowych funkcji aplikacji.
   UWAGA: Po włączeniu można spodziewać się normalnego działania aplikacji z odgłosami kroków i oddechu podczas biegu. Gdy jest wyłączone, to ustawienie zapobiega tworzeniu się jakichkolwiek dźwięków oddechu. Jest to używane do celów testowych lub gdy pożądane są tylko dźwięki kroków.
8. Uruchom ponownie wprowadzenie: kliknij tekst, aby odtworzyć samouczek wprowadzający.
9. Ochrona danych: kliknij tekst, aby wyświetlić oświadczenie o ochronie danych producenta aplikacji.
10. Identyfikatory
    1. Identyfikator instalacji: zapisz tę wartość, która reprezentuje unikatowy identyfikator dla tego urządzenia i kompilacji aplikacji. Jest to odzwierciedlane w plikach dziennika generowanych po każdym uruchomieniu.
    2. Wersja: zapisz tę wartość, która reprezentuje wersję kompilacji aplikacji.
    3. Producent/model: zapisz tę wartość, która reprezentuje identyfikator urządzenia dla marki i modelu.

4. Uruchamianie z aplikacją

1. Zacznij biegać!
   1. Po pierwsze, kiedy uaktywniają się dźwięki kroków, słuchaj uważnie i podążaj za rytmem. Następnie aktywowane zostaną wskazówki dotyczące oddychania; Dopasuj inspirację i wydech precyzyjnie do brzmienia.
2. Interfejs w biegu: podczas biegu zmień współczynnik LRC i czasowość za pomocą przełączników na interfejsie ekranowym (Rysunek 5A).
3. Raport po uruchomieniu: naciśnij przycisk Zakończ uruchamianie, aby zatrzymać aplikację. Ekran podsumowania wyświetla kluczowe wskaźniki, w tym całkowity dystans, średnie tempo i średnią liczbę kroków (Rysunek 5B).

Rysunek 5: Interfejs wejściowy i końcowy. (A) Podczas biegu dostępny jest uproszczony interfejs, który pozwala użytkownikowi na zmianę kluczowych parametrów, w tym stosunku sprzężenia lokomotywa-oddech i czasowość. Wyświetla również aktualne tempo biegu i tempo kroków. (B) Po biegu na ekranie podsumowania wyświetlane są kluczowe wskaźniki, w tym całkowity dystans, średnie tempo i średnia szybkość kroków. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

5. Szukaj informacji za pomocą aplikacji

UWAGA: Powyższe funkcjonalności zostały opracowane w celu maksymalizacji doświadczenia użytkownika i umożliwienia badań nad LRC w różnych kontekstach. Kroki podane poniżej opisują, jak zintegrować aplikację z badaniem od wstępnego zapoznania się z dziennikami po uruchomieniu. Te metody badawcze zostały poddane przeglądowi i zatwierdzone do eksperymentów na ludziach przez komisję etyczną Paris Lodron Universität Salzburg (EK-GZ 29/2023).

1. Przed omówieniem lub poinstruowaniem LRC za pomocą aplikacji, wykonaj indywidualną kalibrację, aby określić naturalny współczynnik LRC biegacza. Wybierz uruchomione zadanie, które jest reprezentatywne dla aktywności i kontekstu badania, a następnie zarejestruj SR i BR podczas badania. Oblicz najbliższy stosunek LRC do liczby całkowitej na podstawie ich ilorazu (SR/BR = stosunek LRC; tj. 160/30 = 5,3 = zalecany stosunek 5 kroków na oddech).
2. Umieść telefon w kieszeni na ubrania, saszetce biodrowej lub opasce na ramię, która mocno przylega do ciała.
3. Używaj słuchawek podczas biegania na świeżym powietrzu, aby usprawnić dostarczanie instrukcji dźwiękowych i włączyć sterowanie słuchawkami. Alternatywnie, użyj głośnika Bluetooth podczas zapoznania się z badaczem, aby wspólnie postępować zgodnie z instrukcjami LRC.
4. Zapoznaj biegacza z LRC i aplikacją.
   UWAGA: Chociaż aplikacja nie powinna wymagać zapoznania się z badaczem, w celach badawczych pomocne może być wyjaśnienie LRC, aplikacji, jej przeznaczenia i zademonstrowanie jej funkcjonalności. LRC powinno być wprowadzane za pomocą wskazówek słownych Coatesa i Kowalchik³⁵.
   1. Zacznij od rytmicznego stukania stopami w pozycji siedzącej lub leżącej na wznak oraz instrukcji, aby oddychać w określonym stosunku (zwykle 2:2) zsynchronizowanym ze stopami.
   2. Powtórz podczas chodzenia.
   3. Powtórz podczas biegania w miejscu.
   4. Przedstaw aplikację i krótko opisz interfejs użytkownika.
   5. Przymocuj urządzenie do ciała biegacza zgodnie z powyższymi zaleceniami (rozdział 7.2).
   6. Kliknij przycisk Rozpocznij uruchamianie i uruchom w miejscu.
   7. Zachęcaj biegacza do chodzenia we własnym tempie, podczas gdy dźwięki dostosowują się do jego SR.
   8. Potwierdź werbalnie, że słychać również odgłosy oddychania.
   9. Poinstruuj biegacza, aby oddychał zgodnie z dźwiękami.
   10. Kontynuuj chodzenie i oddychanie z dźwiękami przez co najmniej 30-60 sekund.
   11. Powtórz proces z różnymi ustawieniami aplikacji (np. współczynnikami LRC, tymczasowością, lektorem), aby potwierdzić zrozumienie.
   12. Poproś badacza i biegacza, aby biegli razem, odtwarzając dźwięki wskazówek przez głośnik Bluetooth, aby wzmocnić podstawy LRC (Rysunek 6).
       UWAGA: Dźwięki włączają się, gdy aplikacja wykryje uruchomiony SR. Dźwięki kroków automatycznie dopasują się do SR użytkownika z pewnym opóźnieniem.
5. Użyj minimalnie inwazyjnej konfiguracji czujnika, która pozwala na wykrywanie kroku i oddechu, aby potwierdzić, że biegacz przestrzega instrukcji LRC.
   UWAGA: Na przykład inteligentna koszulka Hexoskin może dokładnie mierzyć kroki i początki oddechu podczas biegu przy minimalnej ingerencji w runner³⁶.
6. Ustawienie czasowości: używaj wskazówek medium w połączeniu z innymi aplikacjami muzycznymi, co pozwala na odtwarzanie muzyki użytkownika w okresach 5 minut, gdy wskazówki aplikacji są ciche.
   UWAGA: Ustawienie braku wskazówek nadal rejestruje kwestionariusze, GPS i SR, co może być pomocne w niektórych celach badawczych.
7. Dzienniki: pobierz pliki dziennika, aby uzyskać dostęp do danych ze znacznikiem czasu uruchomienia i parametrów aplikacji.
   UWAGA: .csv pliki dziennika rejestrują kluczowe metadane uruchomienia i każdą interakcję z aplikacją, w tym: uderzenia stopami ze znacznikiem czasu, wybrany współczynnik i zmiany LRC oraz odpowiedzi na kwestionariusze. Są one przechowywane na serwerach zgodnych z RODO i opatrzone unikalnym identyfikatorem aplikacji, datą i godziną.

Rysunek 6: Zapoznanie się z badaczem. W kontekście badawczym zaleca się zapoznanie się z nim przez głównego badacza, aby zapewnić koncepcyjne zrozumienie sprzężenia ruchowo-oddechowego i prawidłowe korzystanie z aplikacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Wyniki

Aplikacja jest drugą iteracją tej aplikacji, zaprojektowaną w celu wspierania LRC i dostarczania dźwiękowych wskazówek dotyczących oddychania. Przeprowadzono liczne badania pilotażowe i jedną publikację w czasopiśmie naukowym, które potwierdzają jego skuteczność i pozytywne doświadczenia użytkowników. W przekrojowym badaniu badającym ostre skutki nauczania LRC (wspomnianego we Wprowadzeniu) stwierdzono, że bieganie z poradnictwem znacznie zwiększyło LRC u 17 początkujących biegaczy³². Na przykład jeden uczestnik zwiększył "przywiązanie" LRC (kwantyfikacja przestrzegania współczynników LRC dla wszystkich liczb całkowitych) z 7,9% do 84,1% (rysunek) w stosunku 2:3 kroków na wdech:wydech (5:1 kroków na oddech) (Rysunek 7). Ogólna zmiana w porywaniu grupy wzrosła z 26,3 ± 10,7% (kontrola) do 69,9 ± 20,0% (z wytycznymi LRC).

Rysunek 7: Przykładowe dane dotyczące sprzężenia. Przykład rozpowszechnienia LRC u jednego uczestnika podczas 30-minutowego spokojnego biegu (A) bez i (B) ze wskazówkami aplikacji. Lewa oś y (niebieska) pokazuje stosunek LRC (kroków na oddech), a zaznaczone na czarno sekcje odpowiadają okresowi "przywiązania" LRC > 30 s. Prawa oś y przedstawia dyskretną względną fazę kroków w cyklu oddechowym, gdzie 0° odpowiada wdechowi. Podczas okresów przyłączenia zwróć uwagę, że równoległe linie w dyskretnej fazie względnej odzwierciedlają spójne sprzężenie fazowe oddechu z krokiem. (A) W przebiegu kontrolnym bez wskazówek, zauważ, że był tylko krótki okres (~8% dołączony) LRC w stosunku 2:2 (4 kroki na oddech). (B) W biegu ze wskazówkami aplikacji poinstruowano stosunek 2:3 (5 kroków na oddech); zwróć uwagę na znaczne, długie okresy LRC w stosunku do poinstruowanego stosunku (~84% w załączeniu). Skrót: LRC = sprzęgło ruchowo-oddechowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

W pilotażowym badaniu interwencyjnym, czterech początkujących biegaczy biegało przez 4 tygodnie z aplikacją (w sumie 10 biegów) i instrukcjami do testowania różnych współczynników LRC. Przeszli testy przed i po treningu w pomieszczeniu (przyrostowy test na bieżni do wyczerpania) i na zewnątrz (30-minutowy bieg we własnym tempie), aby określić, jak zmieniło się ich LRC i inne cechy biegowe wraz z interwencją i zastosowaniem aplikacji. Mówiąc dokładniej, testy przed i po zostały przeprowadzone bez wskazówek lub instrukcji LRC, aby obserwować naturalne, przyzwyczajone zachowanie LRC przed i po interwencji. Znaleźliśmy wyraźne różnice w zachowaniu LRC po interwencji, w tym nie tylko wzrost ogólnego LRC, ale także wykorzystanie różnych proporcji i ogólne zmniejszenie BR wysiłku. Na przykład jeden uczestnik zwiększył LRC z 39,7% do 53,4% po interwencji (Rysunek 8). Warto zauważyć, że podczas gdy w teście wstępnym wykonywali LRC wyłącznie w proporcjach 2:2 i 2:1 z intensywnością bliską maksymalnej, w teście końcowym używali proporcji LRC 3:4 i 3:3 na początku i w połowie testu. Nie tylko łączyły się one bardziej, ale także wykorzystywały różne proporcje w różnym czasie, co skutkowało niższym średnim BR, a także zwiększoną wydajnością wentylacji (nachylenie V_E/VCO₂). Inni uczestnicy mieli podobne zmiany w LRC (+40% na zewnątrz, +20% w pomieszczeniach), a jeden uczestnik w warunkach kontrolnych (brak wytycznych LRC) nie zauważył żadnej zmiany (<25% ogółem, uważane za nieistotne). Stwierdzono pewne indywidualne trendy w subiektywnej reakcji witalności na ćwiczenia przed i po interwencji, wykazujące korzystny wzrost witalności w przypadku LRC (Ryc. 9).

Rysunek 8: Przykładowe dane sprzężenia 2. Przykład rozpowszechnienia LRC u jednego uczestnika podczas maksymalnego przyrostowego testu na bieżni do wyczerpania (A) przed i (B) po 4-tygodniowej interwencji biegającej z aplikacją. Lewa oś y (niebieska) pokazuje stosunek LRC (kroków na oddech), a podświetlone sekcje w kolorze czarnym odpowiadają okresowi "przywiązania" LRC > 30 s. Prawa oś y przedstawia dyskretną względną fazę kroków w cyklu oddechowym, gdzie 0° odpowiada wdechowi. Podczas okresów przyłączenia zwróć uwagę, że równoległe linie w dyskretnej fazie względnej odzwierciedlają spójne sprzężenie fazowe oddechu z krokiem. (A) W teście wstępnym przed interwencją zwróć uwagę na dwa okresy (~40% dołączone) LRC w stosunku 2:2 (4 kroki na oddech) i 2:1 (3 kroki na oddech) pod koniec testu. (B) W teście końcowym po interwencji nie tylko wystąpiły dłuższe okresy LRC (~53% dołączone), ale zastosowano dłuższe proporcje (4:4, 3:4 i 3:3), a wcześniej w teście wykonano więcej LRC przy niższych względnych intensywnościach ćwiczeń. Skrót: LRC = sprzęgło ruchowo-oddechowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Indywidualne subiektywne wyniki witalności rejestrowane podczas testu biegowego w pomieszczeniach przed i po interwencji. P01 i p03 otrzymały wytyczne LRC, podczas gdy p04 znajdował się w grupie kontrolnej. Drugi uczestnik (p02) ma błędne dane z kwestionariusza (nie pokazane na rysunku). Zwróć uwagę na rozbieżne wyniki dla p01 i p03, gdzie trendy po teście wykazują rosnącą witalność po przebiegu. Skrót: LRC = sprzęgło ruchowo-oddechowe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

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 uczestnictwie, które obejmują słabą sprawność fizyczną i ograniczenia oddechowe^38,39. Inne populacje, takie jak osoby otyłe, mają jeszcze więcej potencjalnych korzyści, ponieważ doświadczają zwiększonej pracy oddechowej i podskakiwania tkanek miękkich 40,41,42; ten podwójny problem można rozwiązać za pomocą LRC. LRC może pomóc tym osobom biegać z mniejszym dyskomfortem, a narzędzia cyfrowe, takie jak ta aplikacja, są dostępnymi trybami, aby dostarczyć je większej liczbie takich biegaczy. Jest prawdopodobne, że LRC, a co za tym idzie, ta aplikacja może być dodatkowo cenna w kontekstach, które stanowią dodatkowe wyzwania dla układu oddechowego, takie jak niedotlenienie, przenoszenie obciążenia klatki piersiowej i ultramaraton.

Aplikacja wykorzystuje wskazówki dźwiękowe do instruowania LRC, ponieważ większość biegaczy słucha dźwięku podczas biegu⁴³, rytmiczny dźwięk motywuje i zmniejsza zmęczenie podczas ćwiczenia³¹ i jest minimalnie inwazyjny dla innych krytycznych zmysłów (tj. wzroku). W badaniach laboratoryjnych nad LRC wykorzystano sygnały dźwiękowe z metronomem¹⁴, który nie uwzględnia naturalnej zmienności i złożoności dynamiki chodu podczas biegu. W innym badaniu wykorzystano wskazówki dotykowe podczas biegania w terenie; Zgłosili oni niskie przestrzeganie instrukcji LRC około 26%⁴⁴. Biorąc pod uwagę stosunkowo wyższe przestrzeganie zaleceń lekarskich (ryc. 8 i ryc. 9), podejrzewa się, że preferowane jest przewodnictwo słuchowe.

Chociaż aplikacja wykrywa i dostarcza informacje zwrotne na żywo dla SR, wskazówki BR dotyczące określonych współczynników LRC są z góry określone przez ustawienia aplikacji. Nie wykrywa ani nie dostosowuje się w oparciu o rzeczywisty BR użytkownika. Podczas gdy indywidualna kalibracja może być przeprowadzona w celu przybliżenia odpowiedniego wyboru współczynnika LRC (sekcja 7.1 protokołu), bez wykrywania BR nie ma mechanizmu potwierdzającego przestrzeganie lub odpowiednio dostosowującego instrukcję. Dodanie czujnika BR usprawniłoby aplikację w ten sposób. Na przykład niedawny przegląd sugeruje, że ciągła informacja zwrotna może mieć negatywny wpływ na uczenie się i przyzwyczajenie⁴⁵. Inne strategie, takie jak przepustowość (wskazówki tylko wtedy, gdy dana osoba znajduje się poza wcześniej zdefiniowanym progiem sukcesu) lub samodzielna informacja zwrotna, mogą być najskuteczniejsze we wspieraniu uczenia się i poczucia własnej skuteczności⁴⁵. Wreszcie, dodanie czujnika BR może również dostarczyć informacji zwrotnych na temat sprzężenia fazowego. Ponieważ ten element LRC ma kluczowe znaczenie dla mechanizmu tłoka trzewnego i wynikających z niego korzyści fizjologicznych, powinien być brany pod uwagę w przyszłych zastosowaniach sprzężenia zwrotnego.

Indywidualizacja LRC jest niezbędna do efektywnych zastosowań badawczych. Wykonanie tej indywidualizacji zapewnia, że instrukcja LRC nie zmienia znacząco BR biegacza w stosunku do jego naturalnego. Alternatywnie, jeśli pożądana jest zmiana BR, umożliwia to użytkownikowi wprowadzenie zmian bardziej wrażliwych na ich typowy stan fizjologiczny. Ta indywidualna kalibracja powinna być wykonywana w zależności od kontekstu, ponieważ BR jest zależny od cechy i stanu. Na przykład BR jest zwykle podwyższony przy wyższej względnej intensywności ćwiczeń²⁰; w związku z tym naturalny stosunek LRC może być inny podczas długiego, powolnego biegu w porównaniu z bieganiem o wysokiej intensywności. Wpływ na to mogą mieć również takie czynniki, jak środowisko (wewnątrz i na zewnątrz, zimno i gorąco), pora dnia i płeć biologiczna⁴⁶. Wykonanie tej kalibracji wymaga systemów pomiarowych, które mogą synchronicznie szacować BR i SR. Można to zrobić za pomocą standardowego sprzętu do nauki o sporcie, takiego jak spiroergometria i akcelerometry. W terenie czujniki ubieralne wykazały swój potencjał w zakresie dokładnego pomiaru tych parametrów³⁶. BR i SR można uśrednić w danym okresie w celu oszacowania przybliżonego współczynnika LRC. W stosownych przypadkach dane mogą być przycinane do określonych faz w przebiegu, ponieważ wymagania fizjologiczne (stąd BR) i prędkość (a więc SR) mogą się różnić. W związku z tym "naturalny" współczynnik LRC może się zmieniać w ciągu jednego cyklu.

Poszczególne elementy tej aplikacji powinny zostać zaktualizowane, aby poprawić interakcję z użytkownikiem. Podczas gdy niektóre parametry można zmienić za pomocą elementów sterujących słuchawek, innych (takich jak pejzaż dźwiękowy) nie można zmienić. Można rozważyć integrację gestów lub integrację ze smartwatchem w celu łatwiejszej interakcji. Ponadto w następnych iteracjach można rozważyć jakąś formę "resetu" instrukcji, która ma być użyta, gdy biegacz straci swój rytm. Naturalne przerwy w oddychaniu, takie jak kaszel lub połykanie, lub zwykłe rozproszenie uwagi, mogą spowodować, że biegacz nie będzie zsynchronizowany ze wskazówkami. Zamiast wstrzymywać oddech, aby poczekać na nadejście następnego cyklu LRC, można użyć przycisku, polecenia głosowego lub zdarzenia wykrytego przez czujnik, aby ponownie zsynchronizować dźwięk z biegaczem. Wreszcie, ponieważ większość biegaczy słucha muzyki⁴³, aplikacja może pogorszyć wrażenia biegaczy, ponieważ nie mogą oni słuchać swojej ulubionej muzyki i otrzymywać wskazówek LRC na "pełnym". Zintegrowanie wskazówek LRC z samą muzyką może pozwolić na intuicyjne i naturalne doświadczenie, aby zapewnić wskazówki dotyczące oddychania i cieszyć się preferowaną muzyką. Nie jest to jeszcze zintegrowane z aplikacją.

Pewne ograniczenia tej metody zostały już zidentyfikowane w dotychczasowych testach. Po pierwsze, możliwe jest, że dźwięki kroków odciągają biegacza od typowego SR. Podczas gdy sonifikacja kroku odzwierciedla tylko SR biegacza w czasie rzeczywistym, uśrednianie ruchu oznacza, że sonifikowane SR jest początkowo niższe niż natychmiastowe SR biegacza. W związku z tym dla użytkownika może być przydatne ignorowanie dźwięków kroków, dopóki nie ustali własnego preferowanego SR na kilka sekund. Po drugie, w związku z poprzednim punktem, dźwięki kroków są automatycznie odtwarzane w bieżącym SR użytkownika, ale niekoniecznie są zsynchronizowane fazowo z uderzeniem stopy. W związku z tym możliwe jest, że SR użytkownika pasuje do sonifikowanego SR, ale w koordynacji antyfazowej. Może to spowodować niepożądaną dynamikę LRC, ponieważ użytkownik może utracić synchronizację fazową kroku i oddechu. Można to skorygować za pomocą wskazówek badacza/eksperta, który obserwuje użytkownika za pomocą dźwiękowych wskazówek. Następnie, wybór przez użytkownika współczynników LRC jest pożądany w celu zapewnienia elastyczności w stosunku do różnych potrzeb biegaczy; Może to jednak prowadzić do przypadkowego wyboru niepożądanych proporcji. Na przykład 2:2 może być odpowiednim stosunkiem dla biegania o umiarkowanej i wysokiej intensywności, ale może prowadzić do hiperwentylacji przy niższych intensywnościach względnych. Wysoce nierówne proporcje (np. 3:6) mogą być przydatne do sygnalizowania długich wydechów, podczas gdy odwrotność (6:3) jest niepożądana w przypadku zbyt krótkiej fazy wydechu⁴⁷. Wreszcie, przyznaje się, że aplikacja tylko na platformę Android jest z natury ograniczona, ponieważ wielu użytkowników mobilnych woli inne platformy. Testy pilotażowe wykazały, że aplikacja działa zgodnie z przeznaczeniem tylko na zaktualizowanych nowoczesnych urządzeniach mobilnych.

Mamy nadzieję, że ta aplikacja zostanie wykorzystana w badaniach interwencyjnych biegaczy, którzy mogą odnieść największe korzyści ze wskazówek dotyczących oddychania. Nowicjusze, kobiety, młodzież i osoby, które doświadczają duszności wywołanej wysiłkiem fizycznym, mogą doświadczyć największych korzyści z wytycznych LRC ^8,48. Metody eksperymentalne mogą być wzbogacone o funkcję "tempa dźwięku" w celu wspierania pożądanych strategii stymulacji. Chociaż nie zostały one do tej pory przetestowane, inne cykliczne aktywności wytrzymałościowe (np. jazda na rowerze, narciarstwo biegowe) mogą skorzystać ze wskazówek LRC, takich jak te dostarczane przez aplikację. Potrzebne są dalsze prace, aby ocenić przydatność tego rozwiązania do takich zastosowań.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Smartfon z systemem Android	Samsung lub Google		Minimalny Android 8.0 wymagany do działania aplikacji
Silnik FMOD	Firelight Technologies Pty Ltd		Silnik dźwiękowy
Inteligentna koszula Hexoskin	Carr&eaostry; Technologie		Ubieralna koszulka z czujnikiem
Aplikacja RunRhythm dla systemu Android	adidas GmbH oraz abios GmbH