Специальное приложение для смартфона для управления опорно-двигательной связью в полевых условиях с помощью звуко-адаптивных дыхательных систем

Краткое содержание

Опорно-двигательная связь (LRC) потенциально выгодна для бегунов, но может быть сложной в исполнении. Мы представляем индивидуальное решение, реализованное на смартфоне, чтобы индивидуализировать и направлять бегунов к LRC.

Аннотация

В то время как бег является одним из самых популярных видов спорта для соревнований и отдыха, по оценкам, 20-40% бегунов могут страдать от задержек дыхания. Некоторым из этих бегунов могут быть полезны дыхательные техники для улучшения производительности или облегчения респираторного дискомфорта. Одним из таких методов является локомоторно-дыхательная связь (LRC), синхронизация частоты и фазы дыхания с шагом. Исследования показали, что LRC может повысить эффективность вентиляции за счет «ступенчатых потоков», и некоторые эксперты утверждают, что его можно использовать для упражнений с темпом или повышения положительного эмоционального состояния. Тем не менее, может быть трудно выступать без коучинга или руководства. В этой статье мы предлагаем RunRhythm, специальное приложение для смартфона, которое обеспечивает пошаговую синхронизацию звука для LRC. Эта концепция основана на предыдущих доказательствах того, что надежное руководство может быть эффективным, и включает в себя функции для максимального соблюдения и индивидуализации. Предварительные результаты показывают, что данное применение является перспективным и эффективным методом, подходящим для исследования ЦУР в полевых условиях. Обсуждаются рекомендации по использованию и дальнейшему развитию для дальнейшего развития этой концепции на благо более широких слоев населения.

Введение

Бег, пожалуй, является наиболее популярной формой физических упражнений, отчасти из-за его доступности и ряда преимуществ для физического и психического здоровья ^1,2. Тем не менее, многие начинающие бегуны изо всех сил пытаются начать или поддерживать беговые привычки. Это может быть связано с затрудненным дыханием, которое затрагивает примерно 20-40% бегунов ^3,4,5. Уменьшение одышки, вызванной физическими упражнениями, теоретически возможно с помощью специальных дыхательных техник, но точные методы, риски и преимущества этого неясны. В то время как улучшение физической формы и/или медленное дыхание в состоянии покоя могут облегчить респираторный дискомфорт во время упражнений ^6,7, эти решения требуют недель или месяцев, чтобы получить преимущества. Некоторые исследования предполагают, что непосредственное применение дыхательных техник во время физических упражнений может быть более эффективным для получения острого эффекта⁸, хотя такие исследования ограничены. Для проведения таких исследований в формате эффективного вмешательства могут потребоваться цифровые инструменты, обеспечивающие индивидуализированное обучение.

Локомоторно-респираторная связь (LRC) — это явление синхронизации, при котором дыхание и движение синхронизированы по частоте и/или фазе. В конкретных упражнениях, таких как бег, LRC показывает целочисленное соотношение между дыханием (BR) и частотой шагов (SR), а также фазовую блокировку удара ногой до начала дыхания (т.е. точное наступление на вдохе). ЦУР может выражаться волевым или автоматическим образом и может проявляться как приобретенное поведение при тренировках^{физическими} упражнениями. Люди естественным образом синхронизируют походку с мешающими слуховыми шумами (включая дыхание), возможно, чтобы уменьшить слуховую стимуляцию, что позволяет предположить, что LRC имеет эволюционную^{феноменологию.} Некоторые отчеты указывают на то, что LRC улучшает экономичность движений и производительность, а также уменьшает одышку 11,12,13,14,15. В некоторых исследованиях сообщалось о незначительной пользе 16,17,18. Любые физиологические преимущества могут быть связаны с «ступенчатыми потоками»: каждый удар ногой создает нисходящий импульс содержимого брюшной полости («висцеральный поршень»), который при синхронизации с началом вдоха или выдоха может быть дополнением к вентиляции.

Daley et ^al.19 измерили вентиляционный поток и силы удара во время бега на беговой дорожке и предположили, что ступенчатые потоки могут составлять до 10-12% от общей вентиляции. Они также сообщили, что это может ускорить переходы на вентиляцию легких. Другие нейромеханические механизмы могут взаимодействовать с этим явлением⁹. В то время как висцеральный поршень является результатом точной фазовой связи, частотная связь может быть ценной сама по себе, особенно для начинающего бегуна. BR тесно связан с усилием при разной интенсивности упражнений²⁰. Поскольку SR в целом стабилен и связан со скоростью бега²¹, LRC может поддерживать самосознание и обеспечивать легкое изменение темпа BR и, следовательно, интенсивность на протяжении всего бега. Наконец, LRC в неравномерных соотношениях (например, 5:1 шагов на вдох) может помочь предотвратить транзиторную боль в животе, связанную с физической нагрузкой («боковой шов»). Большинство бегунов испытывают этот временный, но отвлекающий и болезненный симптом^{каждый год,} что часто приводит к необходимости прекратить бег. Одна из теорий этиологии боковых швов заключается в том, что повторное дыхание при одном и том же боковом ударе ногой может раздражать диафрагмальный нерв. Таким образом, ЦУР может избежать его при неравномерных соотношениях, что приводит к дыханию на чередующихся ногах.

В немногих отчетах обсуждается, как поддержать бегунов в выполнении LRC. По крайней мере, в двух исследованиях были продемонстрированы методы биологической обратной связи^14,23, в то время как во многих использовался простой вербальный коучинг^24,25. Несмотря на то, что эти методы показали себя многообещающими в острой стимуляции LRC, они высоко стандартизированы и требуют специализированного оборудования. Таким образом, они, скорее всего, не подходят для полевых работ и недоступны для большинства бегунов. В любом случае, звуковое сопровождение является естественным выбором, поскольку люди интуитивно синхронизируют движение с предсказуемыми слуховыми событиями (метрономом или ^{музыкой).} Таким образом, приложения должны тщательно учитывать темп и структуру звука в контексте моторного обучения. В то время как простое аудио в постоянном темпе предсказуемо и эффективно для стимуляции синхронизации, оно противоречит естественно нелинейному поведению шаговых и дыхательных ритмов у здоровых бегунов^27,28. Изменение предпочитаемого бегуна SR может снизить экономичность бега ²⁹ или изменить факторы риска травм³⁰. Таким образом, звуковые инструкции должны постоянно адаптироваться в режиме реального времени в соответствии с SR³¹ бегуна.

Недавно мы представили концепцию, которая интегрирует вышеуказанные рекомендации в простое, удобное для^{пользователя приложение для} смартфона. Первая итерация позволяет выбрать одно соотношение LRC, которое будет инструктироваться на протяжении всего прогона. Стандартный алгоритм SR телефона используется для предоставления информации SR в режиме реального времени в приложение. Затем пошагово синхронизируются звуки, указывающие, когда бегун должен выдохнуть и вдохнуть: высокий тон для шагов во время вдоха и низкий тон во время выдоха. Назначенные соотношения LRC были получены в результате контрольного визита без инструкций по дыханию. Мы обнаружили значительное увеличение LRC с 26,3 ± 10,7% до 69,9 ± 20,0% прогона при использовании инструкции по применению во время субмаксимального бега на открытом воздухе. К ограничениям, отмеченным в отношении протокола и приложения, относятся требование обширного ознакомления, ограниченный размер выборки и постоянное звуковое обучение. Следовательно, была разработана новая версия этого приложения, чтобы улучшить пользовательский опыт и обеспечить более широкое тестирование и экспериментирование в полевых условиях. Это приложение называется RunRhythm , так как его предназначение — помочь бегунам найти и поддерживать ритм во время бега. В дальнейшем оно будет называться приложением.

Цель этого отчета — представить новый цифровой инструмент и методологический подход, который позволяет интуитивно понятным и готовым к работе руководством LRC для научных исследований с участием опытных или начинающих бегунов. Приложение представляет собой приложение исследовательского уровня, проходящее бета-тестирование для устройств Android. Основными функциями приложения являются обнаружение SR и наведение LRC. При обнаружении бега создаются звуки дыхания в соответствии с выбранными настройками в пользовательском интерфейсе. Приложение вычисляет SR по акселерометру телефона с помощью одного из двух алгоритмов: либо заводского алгоритма SR, реализованного производителем устройства, либо пользовательского алгоритма SR, созданного производителем приложения. Оба алгоритма генерируют постоянный поток SR в реальном времени, который затем сглаживается на скользящей средней в соответствии с адаптивным окном. Размер окна является динамическим, чтобы сбалансировать реактивность и сглаживание выбросов. В результате получается постоянно обновляемое значение СТО в реальном времени.

Поскольку приложение рассчитывает SR по движению устройства, размещение телефона на корпусе имеет первостепенное значение. Большинство стандартных алгоритмов SR не зависят от положения и, следовательно, могут быть размещены на любой части тела во время бега для получения точных значений SR. Реализованный здесь пользовательский алгоритм также ведет себя соответствующим образом. Тем не менее, плотное расположение ближе к центру масс может улучшить стабильность обнаружения SR и, как следствие, качество звука, производимого приложением. Пилотные испытания показывают, что размещения с одномерными колебаниями (т.е. вертикально вверх и вниз, например, в нагрудном кармане или поясном рюкзаке) могут работать лучше, чем при двухмерном движении (т.е. при раскачивании, например, в набедренном кармане или нарукавной повязке).

Данные SR подаются на встроенный звуковой движок (см. Таблицу материалов). Пошаговые звуки воспроизводятся только в том случае, если система обнаруживает SR > 0. Когда SR превышает заданное пороговое значение (определенное в настройках серверной части [раздел протокола 3.6]; т.е. 120), приложение понимает, что пользователь бежит, и запускает запуск звуков дыхания. Затем это текущее значение SR используется для установки темпа шага и звуков дыхания до тех пор, пока сохраняется «бегущее» значение SR. Когда SR > порогового значения, генерируемые звуки по умолчанию соответствуют темпу SR. Исключение составляют случаи, когда изменяется настройка бэкенда "темп звука" (определяется в настройках бэкенда [раздел протокола 3.5]). Например, при выбранном верхнем пределе 180, даже если бегун начнет бежать с более высоким SR 185, темп звука не будет превышать 180. Когда они снижают SR до 175, звуки снижаются до 175, постоянно корректируясь в пределах заданных пределов. Как описано в протокольном шаге 3.5, эти ползунки позволяют пользователю или исследователю устанавливать ограничения на минимальный и максимальный темп звука (уд/мин). Приложение позволяет выбирать различные соотношения LRC (шаги:дыхание) до или изменять их во время пробежки. Количество шагов за фазу вдоха может быть изменено от 2 до 9; Т.е. соотношение 2:3 отражает 2 шага на вдох и 3 шага на выдох.

Различные «звуковые ландшафты» были разработаны для того, чтобы обеспечить приятное звуковое впечатление для большего числа бегунов с различными музыкальными вкусами на основе отзывов пользователей и ранних лабораторных^{экспериментов}. Они имеют различные звуки, сопоставленные со скоростью шага в реальном времени, инструктированными фазами дыхания и фоновым окружающим шумом. Звуки шагов — это простые удары, которые воспроизводятся в темпе каждого удара ногой (т. е. вправо и влево). Звуки дыхания объединяют несколько звуковых элементов и воспроизводятся в гораздо более медленном темпе в зависимости от выбранного соотношения LRC. Доступные саундскейпы племенные: органические и инструментальные с резкими переходами дыхания и ступенчатыми звуками; успокаивающий: легкий и вдохновленный океаном с плавными переходами и ступенчатыми звуками; энергетический: электронный и драйвовый с резкими переходами и шаговыми звуками; Минималистичный: простой и плавный, только со звуками дыхания (без звуков шагов).

Функция закадрового голоса добавляет простые голосовые подсказки, соответствующие передовым результатам исследований в области ознакомления с LRC. Он предоставляет серию инструкций в начале забега, а затем каждые 5 минут после этого. Во-первых, в нем указывается выбранный коэффициент LRC. Затем он указывает предполагаемую фазу дыхания синхронно со звуковыми сигналами для первых трех дыхательных циклов. Затем он напоминает пользователю: «Найди свой темп и шагай в такт». Для каждой пробежки интегрирована анкета до и после пробежки, чтобы добавить данные о субъективных ощущениях к каждой пробежке. По шкале субъективной жизнеспособности³⁴ задается один пункт, касающийся самочувствия бегуна от 0 до 10. Оценка по шкале усталости от 0 до 10 просит пользователя оценить свое текущее состояние усталости. Наконец, шкала от 0 до 10 оценивает степень одышки, испытываемой в настоящее время. Все эти весы задаются до и после каждого прогона. Только после пробежки пользователю предлагается оценить свои впечатления от интенсивности пробежки (т.е. легкие, средние, высокие, интервалы). Пользователи могут изменять коэффициент LRC и временность во время прогона с помощью экранного интерфейса или управления в наушниках. Это может помочь пользователям почувствовать свободу действий во время бега и позволяет исследовать личную пригодность. Кроме того, может потребоваться быстрое изменение соотношения в ответ на беговые события (например, подъемы, усталость). Этот протокол включает в себя описание того, как работать с приложением, и последующие рекомендации по его использованию в рамках протоколов исследований различных типов (т. е. в помещении, на открытом воздухе, интервенционных, перекрестных).

Протокол

Это исследование получило этическое одобрение Комитета по этике Зальцбургского университета (регистрационный номер: GZ 13/2021), и участники дали свое информированное согласие.

1. Начало работы с RunRhythm

1. Попросите участников заполнить предварительную анкету, включив в нее демографическую информацию, а также опыт бега, спорта и дыхания.
2. Скачайте приложение на функционирующий смартфон под управлением Android 8.0 или более поздней версии.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Закрытое пользовательское тестирование и скачивание приложений доступны только избранным пользователям с аккаунтами Google Play, адреса электронной почты которых добавлены в список одобренных пользователей. Тестирование доступно только по приглашениям. Отправляйте запросы на доступ автору, отвечающему за переписку.
3. Убедитесь, что пользователь просмотрел учебник перед первым использованием приложения (рисунок 1).

Рисунок 1: Руководство по приложению. RunRhythm предоставляет вводное руководство при первом открытии, включая подробную информацию о опорно-дыхательной связи, анимацию, показывающую, как работает приложение, и советы по использованию. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

2. Базовый функционал

1. Выберите нужный звуковой ландшафт с помощью горизонтального переключателя (рисунок 2B).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это можно изменить только перед прогоном.
2. Измените желаемое соотношение LRC (количество шагов на вдох:количество шагов на выдох) с помощью переключателей вверх или вниз (рисунок 2A); Заблокируйте переключатель с помощью значка замка. Когда экран заблокирован, используйте seek () в совместимых наушниках для изменения передаточного числа в большую или меньшую сторону.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Блокировка передаточного числа работает для поддержания постоянной разницы соотношений при изменении передаточного числа. Например, если 2:3 заблокировано, то переключение «вверх» изменит соотношение на 3:4 (сохраняя на 1 шаг больше на выдохе по сравнению с вдохом).
3. Измените настройки темпоральности с помощью 3-позиционного переключателя на интерфейсе (рисунок 2C). Когда экран заблокирован, используйте функции воспроизведения и паузы () в совместимых наушниках.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Темпоральность может переключаться между полным ведением (всегда включено), средним ведением (1 минута включено/5 минут выключено) и отсутствием ведения.
4. Переключите функцию закадрового голоса с помощью переключателя интерфейса в правом нижнем углу (рис. 2D и 5A).
5. Выберите «Начать выполнение», чтобы начать. При первом использовании нажмите кнопку «Разрешить», чтобы разрешить устройство регистрировать движение и местоположение.
6. Заполняйте анкеты на экране до и после каждой пробежки, нажимая на цифры, соответствующие текущим ощущениям, которые испытывает бегун (Рисунок 3).

Рисунок 2: Основной интерфейс приложения. (A) Соотношение двигательно-дыхательной связи может быть изменено в пользовательском интерфейсе с помощью спиннеров в диапазоне от 2 до 9. Каждое значение представляет собой количество шагов за фазу вдоха; Т.е. 2:3 представляет собой 2 шага на вдох: 3 шага на выдох. Иконка замка может быть использована для фиксации разницы соотношений; Т.е. при фиксации на уровне 2:3 сдвиг «вверх» изменяет соотношение на 3:4 (сохраняя разницу на 1 шаг больше на выдох). (B) Выбор звукового ландшафта позволяет пользователю выбрать один из четырех предопределенных звуковых слоев: племенной, успокаивающий, электронный и минимальный. (C) Переключение темпоральности позволяет пользователю выбрать одну из трех предопределенных настроек частоты наведения: полная, средняя и выкл. (D) Переключение закадрового голоса позволяет пользователю включать или выключать голосовые подсказки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Анкеты до и после опросников. Идентичные анкеты представляются в начале и в конце каждого заезда. На них необходимо ответить, чтобы начать или закончить забег. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

3. Настройки бэкенда

ПРИМЕЧАНИЕ: Ключевые параметры, влияющие на функциональность приложения, можно изменить, нажав на три точки в правом верхнем углу главного интерфейса. Значения по умолчанию отражают рекомендуемые значения, но могут быть изменены. Этот экран (рисунок 4) содержит следующие настройки:

Рисунок 4: Настройки бэкенда. Настройки серверной части включают автоматическую паузу, переключатель для определения шагов и коды идентификаторов. (A) Настройки пороговых значений темпа звука позволяют точно выбирать пороговые значения скорости шага, которые ограничивают создаваемый темп звукового руководства. Например, выбор нижнего порога 155 и верхнего порога 180 гарантирует, что звуковое руководство не будет отклоняться от интервала [155, 180], независимо от фактического обнаруженного SR. Значение по умолчанию — [0, 200]. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

1. Включите GPS и GPX, чтобы регистрировать расстояние бега, скорость бега и отслеживание маршрута.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Когда он включен, он записывает координаты глобальной системы позиционирования (GPS) во время работы с заводских выходов устройства. Когда он выключен, он не выполняет ведение журнала.
2. Автоматическая пауза: включите «Вкл.» для достижения наилучшей производительности.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Когда он включен, он прекращает регистрацию GPS, когда обнаруженная скорость приближается к 0. Когда он выключен, он продолжает ведение журнала независимо от скорости.
3. Включите управление наушниками при использовании наушников с музыкальным управлением.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Когда эта функция включена, совместимые наушники (проводные или беспроводные, с элементами управления) могут изменять ключевые параметры во время работы (см. шаг 2.4). Когда этот параметр выключен, элементы управления наушниками не могут изменять параметры приложения.
4. Определение системных шагов: измените эту настройку , когда приложение ведет себя странно; То есть, если темп звука не совпадает с темпом шага.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Когда эта функция включена, для всех функций приложения используется заводской алгоритм SR производителя устройства. Когда выключено, он использует пользовательский алгоритм разработчика приложения. Поскольку устройства имеют различную производительность обнаружения заводских SR в зависимости от параметров производителя, таких как набор микросхем, эту функцию можно переключить для повышения производительности приложения.
5. Темп звука: установите ползунки темпа звука на желаемые пороги SR (рис. 4A).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Установите определенное окно (например, 160-180), чтобы создать нижний и/или верхний предел темпа генерируемых звуков. Минимальное нижнее = 0 и максимальное верхнее = 200.
6. Min. Run Steprate: измените этот порог на любое целое число от 0 до 200, чтобы изменить SR
   порог, используемый для активации звуков наведения LRC.
   ПРИМЕЧАНИЕ: По умолчанию приложение использует значение 120 в качестве SR, при котором обнаруживается "running" и начинают воспроизводиться звуки.
7. Включить обратную связь по дыханию: включите положение «Вкл.» для основных функций приложения.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Когда приложение включено, можно ожидать нормальной функциональности приложения со звуками шагов и дыхания во время бега. Когда этот параметр выключен, он предотвращает создание звуков дыхания. Это используется в целях тестирования или когда требуются только пошаговые звуки.
8. Перезапустите вступление: нажмите на текст , чтобы воспроизвести инструкцию по адаптации.
9. Защита данных: нажмите на текст , чтобы отобразить заявление производителя приложения о защите данных.
10. Идентификаторы
    1. Идентификатор установки: запишите это значение, которое представляет собой уникальный идентификатор для этого устройства и сборки приложения. Это отражается в лог-файлах, генерируемых после каждого запуска.
    2. Версия: запишите это значение, которое представляет версию сборки приложения.
    3. Производитель/модель: запишите это значение, которое представляет собой идентификатор устройства для марки и модели.

4. Запуск с приложением

1. Начинайте бегать!
   1. Во-первых, когда активируются звуки шага; Слушайте внимательно и шагайте в такт. Затем будет активировано руководство по дыханию; Подбирайте вдохновение и выдох точно под звук.
2. Интерфейс выполнения: во время выполнения изменяйте коэффициент LRC и темпоральность с помощью переключателей на экранном интерфейсе (рис. 5A).
3. Отчет после выполнения: нажмите кнопку «Завершить выполнение », чтобы остановить приложение. На экране сводки отображаются ключевые показатели, включая общее расстояние, средний темп и среднюю скорость шага (рис. 5B).

Рисунок 5: Интерфейс входа и после прогона. (A) Во время прогона доступен упрощенный интерфейс, который позволяет пользователю изменять ключевые параметры, включая соотношение двигательно-дыхательной связи и темпоральность. Он также отображает текущий темп бега и скорость шага. (B) После пробежки на экране сводки отображаются ключевые показатели, включая общую дистанцию, средний темп и среднюю скорость шага. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

5. Исследуйте с помощью приложения

ПРИМЕЧАНИЕ: Вышеуказанные функциональные возможности были разработаны для обеспечения максимального удобства работы пользователей и проведения научных исследований LRC в различных контекстах. Приведенные ниже шаги описывают, как интегрировать приложение в исследование, начиная с первоначального ознакомления с ним и заканчивая журналами приложения после его выполнения. Эти методы исследования были рассмотрены и одобрены для экспериментов на людях комитетом по этике Парижского университета Лодрон в Зальцбурге (EK-GZ 29/2023).

1. Прежде чем обсуждать или инструктировать LRC с помощью приложения, выполните индивидуальную калибровку, чтобы определить естественный коэффициент LRC бегуна. Выберите выполняющуюся задачу, которая является репрезентативной для деятельности и контекста исследования, и запишите SR и BR во время испытания. Рассчитайте ближайшее целочисленное соотношение LRC из их частного (SR/BR = отношение LRC; т.е. 160/30 = 5,3 = рекомендуемое соотношение 5 шагов на вдох).
2. Положите телефон в карман для одежды, поясной рюкзак или нарукавную повязку, плотно прилегающую к телу.
3. Используйте наушники во время бега на улице, чтобы улучшить передачу звуковых инструкций и включить управление наушниками. Кроме того, во время ознакомления с исследователем можно использовать динамик Bluetooth, чтобы вместе следовать инструкциям LRC.
4. Познакомьте средство выполнения с LRC и приложением.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Несмотря на то, что приложение не должно требовать ознакомления с исследователем, в исследовательских целях может быть полезно, чтобы исследователь объяснил LRC, приложение, его назначение и продемонстрировал его функциональность. ЦУР следует вводить с использованием вербальных сигналов Коутса и Ковальчика³⁵.
   1. Начните с ритмичных постукиваний ногами в положении сидя или лежа на спине и инструкций дышать в заданном соотношении (обычно 2:2) синхронно со ступнями.
   2. Повторяйте во время ходьбы.
   3. Повторяйте эти действия, бегая на месте.
   4. Представьте приложение и кратко опишите пользовательский интерфейс.
   5. Закрепите устройство на теле бегуна в соответствии с вышеуказанными рекомендациями (раздел 7.2).
   6. Нажмите «Запустить, запустить» и «Запустить на месте».
   7. Поощряйте бегуна продолжать шагать в своем собственном темпе, пока звуки подстраиваются под его SR.
   8. Устно подтвердите, что звуки дыхания также слышны.
   9. Научите бегуна дышать в соответствии со звуками.
   10. Продолжайте шагать и дышать с этими звуками не менее 30-60 с.
   11. Повторите процесс с различными настройками приложения (например, коэффициенты LRC, темпоральность, закадровый голос), чтобы подтвердить понимание.
   12. Пусть исследователь и бегун побегут вместе, воспроизводя нажигающие звуки через динамик Bluetooth, чтобы закрепить основы LRC (рисунок 6).
       ПРИМЕЧАНИЕ: Звуки включаются, когда приложение обнаруживает работающий SR. Звуки шагов будут автоматически совпадать с SR пользователя с некоторой задержкой.
5. Используйте минимально инвазивную настройку датчиков, которая позволяет обнаруживать шаг и дыхание, чтобы подтвердить соблюдение бегуном инструкций LRC.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Например, умная футболка Hexoskin может точно измерять шаги и начало дыхания во время бега с минимальными помехами для бегуна³⁶.
6. Настройка темпоральности: используйте наведение по среде в сочетании с другими музыкальными приложениями, что позволяет воспроизводить музыку пользователя в течение 5-минутных периодов, когда приложение не читает.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Настройка «Без руководства » по-прежнему регистрирует анкеты, GPS и SR, что может быть полезно для некоторых исследовательских целей.
7. Журналы: загрузка файлов журналов для доступа к данным запуска и параметрам приложения с отметками времени.
   ПРИМЕЧАНИЕ: .csv файлы журнала записывают метаданные ключевых запусков и каждое взаимодействие с приложением, в том числе: удары ног с отметками времени, выбранное соотношение и изменения LRC, а также ответы на анкеты. Они хранятся на серверах, соответствующих требованиям GDPR, и имеют уникальный идентификатор приложения, дату и время.

Рисунок 6: Ознакомление исследователя. В контексте исследований рекомендуется ознакомление с основным исследователем для обеспечения концептуального понимания локомоторно-респираторной связи и правильного использования приложения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Результаты

Это приложение является второй итерацией этого приложения, разработанной с целью поддержки LRC и предоставления звукового опыта. Были проведены многочисленные пилотные исследования и одна публикация в журнале, подтверждающие его эффективность и подтверждающие положительный пользовательский опыт. В перекрестном исследовании, посвященном изучению острых эффектов инструктажа ЦУР (упомянутого во Введении), было обнаружено, что бег с руководством значительно увеличивает ЦУР у 17^{начинающих} бегунов. Например, один из участников увеличил «привязанность» LRC (количественная оценка приверженности целоцелочисленным отношениям LRC) с 7,9% до 84,1% (рисунок) при соотношении 2:3 шагов на вдох:выдох (5:1 шагов на вдох) (рис. 7). Общее изменение группы по синхронизации увеличилось с 26,3 ± 10,7% (контроль) до 69,9 ± 20,0% (под руководством LRC).

Рисунок 7: Пример данных о сопряжении. Пример распространенности ЦУР у одного участника во время 30-минутного легкого бега (А) без и (Б) с руководством приложения. Левая ось Y (синяя) показывает соотношение LRC (шагов на вдох), а выделенные черным цветом участки соответствуют периоду «прикрепления» LRC > 30 с. Правая ось Y отображает дискретную относительную фазу шагов в дыхательном цикле, где 0° соответствует вдоху. Обратите внимание, что во время периодов прикрепления параллельные линии в дискретной относительной фазе отражают последовательную фазовую связь дыхания и шага. (A) Обратите внимание, что в контрольном прогоне без указания был только короткий период (~8% прикреплен) LRC в соотношении 2:2 (4 шага на вдох). (B) В беге с наведением через приложение было проинструктировано соотношение 2:3 (5 шагов на вдох); обратите внимание на существенные, длительные периоды LRC к указанному соотношению (~84% прилагается). Сокращение: LRC = опорно-дыхательная связь. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

В пилотном интервенционном исследовании четыре начинающих бегуна бегали в течение 4 недель с приложением (всего 10 пробежек) и инструкциями для тестирования различных соотношений LRC. Они проходили предварительные и последующие тесты в помещении (инкрементальный тест на беговой дорожке до изнеможения) и на открытом воздухе (30-минутный бег в произвольном темпе), чтобы определить, как их LRC и другие беговые характеристики меняются в зависимости от вмешательства и использования приложения. В частности, предварительные и последующие тесты проводились без указаний или инструкций LRC по наблюдению за естественным, привычным поведением LRC до и после вмешательства. Мы обнаружили заметные различия в поведении LRC после вмешательства, включая не только увеличение общего LRC, но и использование различных соотношений, а также общее снижение BR при физической нагрузке. Например, у одного участника уровень ЦУР увеличился с 39,7% до 53,4% после вмешательства (Рисунок 8). Примечательно, что в то время как в предварительном тесте они выполняли LRC исключительно в соотношениях 2:2 и 2:1, близких к максимальной интенсивности, в посттесте они использовали соотношения LRC 3:4 и 3:3 в начале и на протяжении всего теста. Они не только больше взаимодействовали, но и использовали разные соотношения в разное время, что приводило к снижению среднего BR, а также к повышению эффективности вентиляции (наклон V_E/VCO₂ ). У других участников наблюдались аналогичные изменения в ЦУР (+40% на открытом воздухе, +20% в помещении), а у одного участника в контрольных условиях (без указаний ЦУР) изменений не наблюдалось (в целом <25%, считается незначительным). Были выявлены некоторые индивидуальные тенденции в субъективной реакции жизнеспособности на физические упражнения до и после вмешательства, показывающие благоприятное увеличение жизнеспособности при использовании LRC (рис. 9).

Рисунок 8: Пример данных для сопряжения 2. Пример распространенности ЦУР у одного участника во время максимального инкрементального теста на беговой дорожке до истощения (А) до и (В) после 4-недельного вмешательства при беге с помощью приложения. Левая ось Y (синяя) отображает соотношение LRC (шагов на вдох), а выделенные черным цветом участки соответствуют периоду «прикрепления» LRC > 30 с. Правая ось Y отображает дискретную относительную фазу шагов в дыхательном цикле, где 0° соответствует вдоху. Обратите внимание, что во время периодов прикрепления параллельные линии в дискретной относительной фазе отражают последовательную фазовую связь дыхания и шага. (A) В предварительном тесте перед вмешательством обратите внимание на два периода (~40% в приложении) LRC в соотношении 2:2 (4 шага на вдох) и 2:1 (3 шага на вдох) ближе к концу теста. (B) В пост-тесте после вмешательства не только наблюдались более длительные периоды LRC (~53%), но и использовались более длинные соотношения (4:4, 3:4 и 3:3), и больше LRC было выполнено ранее в тесте при более низкой относительной интенсивности упражнений. Сокращение: LRC = опорно-дыхательная связь. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 9: Индивидуальные субъективные показатели жизнеспособности, зарегистрированные на протяжении всего теста по бегу в помещении до и после вмешательства. P01 и p03 получали указания LRC, в то время как p04 находился в контрольной группе. Другой участник (p02) имеет неверные данные анкеты (не показаны на рисунке). Обратите внимание на расходящиеся оценки для p01 и p03, где тенденции после теста показывают увеличение жизнеспособности после пробежки. Сокращение: LRC = опорно-дыхательная связь. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Обсуждение

Эта методология представляет собой один из первых научно обоснованных и готовых к работе цифровых инструментов для обучения бегунов работе с ЦУР. Первые результаты показывают, что он эффективен не только для быстрого обучения и соблюдения ЦУР, но также может быть изучен со временем и сохранен. В то время как ЦУР может возникнуть естественным образом с увеличением опыта бега, новички с меньшей вероятностью выполнят его³⁷. По совпадению, они особенно часто сталкиваются с препятствиями для участия, которые включают плохую физическую форму и ограничения дыхания^38,39. Другие группы населения, такие как люди с ожирением, имеют еще больше потенциальных преимуществ, поскольку они испытывают повышенную работу дыхания и подпрыгивание мягких тканей 40,41,42; Эта двойная проблема может быть решена с помощью LRC. LRC может помочь этим людям бегать с меньшим дискомфортом, а цифровые инструменты, такие как это приложение, являются доступными режимами для доставки его большему количеству таких бегунов. Вполне вероятно, что LRC и, следовательно, это приложение могут быть дополнительно полезны в контекстах, которые представляют дополнительные респираторные проблемы, такие как гипоксия, ношение грудной нагрузки и ультрамарафон.

Приложение использует звуковое руководство для инструктажа LRC, потому что большинство бегунов слушают аудио во время бега⁴³, ритмичное аудио мотивирует и снижает усталость во время упражнения³¹, а также минимально инвазивно для других критических чувств (т.е. зрения). В лабораторных исследованиях LRC использовались звуковые сигналы с метрономом¹⁴, который не учитывает естественную изменчивость и сложность динамики походки во время бега. В другом исследовании использовалось тактильное наведение во время бега по полю; они сообщили о низкой приверженности инструкциям LRC на уровне около 26%⁴⁴. Учитывая относительно более высокую приверженность, о которой сообщается здесь (Рисунок 8 и Рисунок 9), можно предположить, что слуховой контроль является предпочтительным.

Несмотря на то, что приложение обнаруживает SR и предоставляет обратную связь в режиме реального времени, рекомендации BR по конкретным коэффициентам LRC предварительно определяются настройками приложения. Он не чувствует и не корректирует на основе фактической BR пользователя. В то время как индивидуальная калибровка может быть выполнена для приближения к правильному выбору соотношения LRC (раздел 7.1 протокола), без измерения BR не существует механизма для подтверждения соблюдения или соответствующей корректировки инструкции. Добавление датчика BR улучшило бы применение в этом отношении. Например, в недавнем обзоре высказывается предположение, что непрерывная обратная связь может оказывать негативное влияние на обучение и привыкание⁴⁵. Другие стратегии, такие как пропускная способность (руководство только тогда, когда человек находится за пределами заранее определенного порога успеха) или самоопределенная обратная связь, могут быть наиболее эффективными для поддержки обучения и самоэффективности^. Наконец, добавление датчика BR также может обеспечить обратную связь по фазовой связи. Поскольку этот элемент LRC играет центральную роль в механизме висцерального поршня и вытекающих из этого физиологических преимуществах, его следует рассмотреть для будущих применений с обратной связью.

Индивидуализация ЦУР имеет важное значение для эффективного применения исследований. Выполнение такой индивидуализации гарантирует, что инструкция LRC существенно не изменит BR бегуна по сравнению с его естественным. В качестве альтернативы, если изменение BR желательно, это позволяет пользователю вносить изменения, более чувствительные к его типичному физиологическому состоянию. Эта индивидуальная калибровка должна быть выполнена в зависимости от контекста, поскольку BR зависит от типажа и состояния. Например, BR обычно повышается при более высоких относительных интенсивностях упражнений²⁰; следовательно, естественное соотношение LRC может отличаться при длительном медленном беге и при беге с высокой интенсивностью с пороговым значением. На него также могут влиять такие факторы, как окружающая среда (в помещении или на улице, холод или жара), время суток и биологический пол⁴⁶. Для выполнения этой калибровки требуются измерительные системы, которые могут синхронно оценивать BR и SR. Это можно сделать с помощью стандартного спортивного научного оборудования, такого как спироэргометрия и акселерометры. В полевых условиях носимые датчики продемонстрировали свой потенциал для точного измерения этих параметров^. BR и SR могут быть усреднены за определенный период для оценки приблизительного коэффициента LRC. При необходимости данные могут быть обрезаны до конкретных фаз в течение прогона, поскольку физиологические потребности (таким образом, BR) и скорость (следовательно, SR) могут меняться. Следовательно, «естественный» коэффициент LRC может изменяться в течение прогона.

Определенные элементы этого приложения должны быть обновлены для улучшения взаимодействия с пользователем. В то время как некоторые параметры можно изменить с помощью наушников, другие (например, звуковой ландшафт) — нет. Можно рассмотреть возможность интеграции жестов или интеграции умных часов для упрощения взаимодействия. Кроме того, в следующих итерациях может быть рассмотрена некоторая форма инструкции «сброса», которая будет использоваться, когда бегун теряет свой ритм. Естественные прерывания дыхания, такие как кашель или глотание, или простое отвлечение внимания, могут привести к тому, что бегун станет несинхронизированным с руководством. Вместо того, чтобы задерживать дыхание в ожидании следующего цикла LRC, можно использовать кнопку, голосовую команду или событие, обнаруженное датчиком, для повторной синхронизации звука с бегуном. Наконец, поскольку большинство бегунов слушают музыку⁴³, приложение может отвлекать бегунов, поскольку они не могут слушать свою любимую музыку и получать рекомендации LRC по «полной». Интеграция рекомендаций LRC в саму музыку может обеспечить интуитивный и естественный опыт, чтобы обеспечить дыхание и наслаждаться любимой музыкой. Это еще не интегрировано в приложение.

Некоторые ограничения этого метода уже были выявлены в ходе тестирования. Во-первых, возможно, что звуки шагов уводят бегуна от его типичного SR. В то время как озвучивание шага отражает только СО бегуна в реальном времени, скользящее усреднение подразумевает, что озвученное СО изначально ниже, чем непосредственное СО бегуна. Таким образом, для пользователя может быть полезно игнорировать звуки шагов до тех пор, пока он не установит свой собственный предпочитаемый SR на несколько секунд. Во-вторых, в связи с этим предыдущим пунктом, звуки шагов автоматически воспроизводятся на текущей УП пользователя, но они не обязательно синхронизированы по фазе с ударом ногой. Следовательно, возможно, что СО пользователя совпадает с сонитированной СО, но в противофазной координации. Это может привести к нежелательной динамике LRC, так как пользователь может потерять фазовую синхронизацию шага и дыхания. Это можно исправить с помощью руководства исследователя / эксперта, наблюдающего за пользователем с помощью звуковых звуков. Далее, выбор пользователем коэффициентов LRC желателен для обеспечения гибкости в соответствии с различными потребностями бегунов; Однако это может привести к случайному выбору нежелательных соотношений. Например, соотношение 2:2 может быть подходящим для бега умеренной и высокой интенсивности, но может привести к гипервентиляции при более низкой относительной интенсивности. Крайне неравные соотношения (например, 3:6) могут быть полезны для сигнализации длинных выдохов, в то время как обратное (6:3) нежелательно для чрезмерно короткой фазы выдоха⁴⁷. Наконец, признается, что приложение только для платформы Android по своей сути ограничено, поскольку многие мобильные пользователи предпочитают другие платформы. Пилотное тестирование показало, что приложение работает по назначению только на обновленных современных мобильных устройствах.

Мы надеемся, что это приложение будет использоваться в интервенционных исследованиях бегунов, которые могут получить наибольшую пользу от рекомендаций по дыханию. Новички, женщины, подростки и те, кто испытывает одышку, вызванную физическими упражнениями, могут получить наибольшую пользу от рекомендаций LRC ^8,48. Экспериментальные методы могут быть усовершенствованы с помощью функции «звукового темпа» для поддержки желаемых стратегий темпа. Несмотря на то, что до сих пор не было испытаний, другие циклические виды деятельности на выносливость (например, езда на велосипеде, беговые лыжи) могут извлечь пользу из рекомендаций LRC, таких как предоставленные приложением. Требуется дополнительная работа для оценки пригодности этого решения для таких приложений.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Для смартфона Android	Samsung или Google		Minimum Android 8.0 требуется функционал приложения
FMOD engine	Firelight Technologies Pty Ltd		Звуковой движок
Hexoskin умная рубашка	Carré Технологии		Носимая сенсорная рубашка
RunRhythm приложение для Android	adidas GmbH и abios GmbH