定制的智能手机应用程序，使用步进自适应呼吸声在现场指导运动-呼吸耦合

摘要

运动-呼吸耦合 （LRC） 对跑步者可能有利，但可能难以执行。我们介绍了一种在智能手机上实施的定制解决方案，以个性化和指导跑步者走向 LRC。

摘要

虽然跑步是最受欢迎的比赛和休闲活动之一，但估计有 20-40% 的跑步者可能患有呼吸受限。其中一些跑步者可能受益于呼吸技巧，以提高表现或缓解呼吸不适。其中一种技术是运动-呼吸耦合 （LRC），即呼吸与步长的频率和相位同步。研究表明，LRC 可能通过“阶梯驱动流”提高通气效率，一些专家认为它可以用于配速锻炼或增加积极的情绪状态。然而，如果没有教练或指导，可能很难执行。在这里，我们提出了 RunRhythm，这是一款定制的智能手机应用程序，可为 LRC 提供步进同步的声音指导。这个概念建立在先前的证据之上，即合理的指导是有效的，并整合了功能以最大限度地提高依从性和个性化。初步结果表明，该应用是一种很有前途且有效的方法，适用于野外运动中 LRC 的研究。讨论了使用和进一步开发的建议，以进一步发展这一概念，以造福更广泛的人群。

引言

跑步可能是最广泛流行的运动形式，部分原因是它的可及性和对身心健康的益处范围 ^1,2。尽管如此，许多有抱负的跑步者仍在努力开始或保持跑步习惯。这可能是由于呼吸困难造成的，估计有 20-40% 的跑步者受到影响 ^3,4,5。理论上，通过使用特定的呼吸技术可以减少运动引起的呼吸困难，但这样做的确切方法、风险和益处尚不清楚。虽然改善健康状况和/或静息时慢节奏呼吸可能会缓解运动期间的呼吸不适 ^6,7，^但这些解决方案需要数周或数月才能实现益处。一些研究推测，在运动期间直接实施呼吸技术可能更有效地产生急性益处⁸，尽管此类调查有限。可能需要能够实现个性化教学的数字工具，以有效的干预形式进行此类研究。

运动-呼吸耦合 （LRC） 是一种同步现象，其中呼吸和运动的频率和/或相位同步。在跑步等特定运动中，LRC 表示呼吸 （BR） 和步率 （SR） 之间的整数比，以及从触地到呼吸开始的锁相（即，完全在吸气时踩踏）。LRC 可以自愿或自动地表达，并且可能在运动训练⁹ 中作为一种习得的行为出现。人类自然地将步态与干扰的听觉噪音（包括呼吸）同步，这可能是为了减少听觉刺激，这表明 LRC 具有进化现象学¹⁰。一些报告表明，LRC 有益于运动、经济性和性能，并减少呼吸困难 11,12,13,14,15。一些研究报告的好处可以忽略不计 16,17,18。任何生理益处都可能与“阶梯驱动流”有关：每次踩踏都会产生腹部内容物（“内脏活塞”）的向下动量，当与吸气或呼气的开始同步时，可以增加通气。

Daley 等人¹⁹ 测量了跑步机跑步期间的通风流量和冲击力，并推测阶梯驱动流量对总通风的贡献高达 10-12%。他们还报告说，它可以加快通气过渡。其他神经力学机制可能与这种现象相互作用⁹。虽然内脏活塞是精确相位耦合的结果，但频率耦合可能独立地有价值，尤其是对于新手跑步者。BR 与不同运动强度的努力密切相关²⁰。由于 SR 通常很稳定并与跑步速度²¹ 相关，因此 LRC 可以支持自我意识并实现 BR 的轻松配速，从而在整个跑步过程中实现强度。最后，不均匀比例的 LRC（例如，每次呼吸 5：1 步）可能有助于预防与运动相关的短暂性腹痛（“侧缝”）。大多数跑步者每年²² 年都会经历这种暂时但令人分心和痛苦的症状，这通常会导致他们需要停止跑步。侧缝病因的一种理论是，在同一侧足部着地时重复呼吸可能会刺激膈神经。因此，LRC 可能会以不均匀的比例避免它，从而导致交替双腿呼吸。

很少有报告讨论如何支持跑步者进行 LRC。至少有两项研究展示了生物反馈式的方法^14,23，而许多研究使用了简单的口头指导^24,25。虽然这些方法在急性刺激 LRC 方面显示出前景，但它们是高度标准化的，需要专门的设备。因此，它们可能不适合田间应用，大多数跑步者也无法使用它们。无论如何，声音指导是自然而然的选择，因为人类可以直观地将运动与可预测的听觉事件（节拍器或音乐）同步²⁶。因此，应用程序应该仔细考虑运动学习环境中的声音速度和结构。虽然简单、恒定节奏的音频是可预测的，并且对刺激夹带有效，但它与健康跑步者步调和呼吸节律的自然非线性行为相矛盾^27,28。改变跑步者的首选 SR 可能会降低跑步经济性 ²⁹ 或可能会改变受伤风险因素³⁰。因此，应不断实时调整声音指令以遵循跑步者的 SR³¹。

我们最近引入了一个概念，将上述建议集成到一个简单、用户友好的自定义智能手机应用程序中³²。第一次迭代允许在整个运行过程中选择单个 LRC 比率。利用手机的股票 SR 算法向应用程序提供实时 SR 信息。然后，产生步同步的声音，指示跑步者何时应该呼气和吸气：吸气时步伐高音调，呼气时低调音调。规定的 LRC 比率来自没有呼吸指导的对照访问。我们发现，在户外次最大跑步期间，LRC 从 26.3 ± 10.7% 大幅增加到 69.9 ± 20.0%。该方案和应用程序存在局限性，包括需要广泛熟悉、样本量有限和持续的声音指导。因此，开发了此应用程序的新版本，以改善用户体验，并在野外演习中实现更广泛的测试和实验。此应用程序名为 RunRhythm ，因为其预期目的是支持跑步者在跑步过程中寻找和保持节奏。它在下文中称为 应用程序。

本报告的目的是介绍一种新的数字工具和方法，为涉及有经验或有抱负的跑步者的研究提供直观且现场就绪的 LRC 指导。该应用程序是针对 Android 设备进行 beta 测试的研究级应用程序。该应用程序的核心功能是 SR 检测和 LRC 引导。当检测到跑步时，将根据用户界面中选定的设置产生呼吸音。应用程序使用以下两种算法之一从手机加速计计算 SR：设备制造商实施的工厂 SR 算法或应用程序制造商创建的自定义 SR 算法。这两种算法都会产生一个恒定的 SR 实时流，然后根据自适应窗口在移动平均线上进行平滑处理。窗口大小是动态的，以平衡反应性和异常值平滑。结果是实时 SR 的不断更新值。

由于该应用程序根据设备移动计算 SR，因此手机在身体上的位置至关重要。大多数库存 SR 算法与位置无关，因此可以在跑步过程中将其放置在身体的任何部位以产生准确的 SR 值。此处实现的自定义算法也表现为此类。但是，更靠近质心的牢固位置可能会提高 SR 检测的稳定性，从而提高应用程序产生的音质。试点测试表明，具有 1 维振荡的放置（即垂直上下放置，例如在胸袋或腰包中）可能比具有 2 维运动的放置（即摆动，例如在大腿口袋或臂带中）表现更好。

SR 数据被馈送到集成的声音引擎（请参阅 材料表）。仅当系统检测到 SR > 0 时，才会播放步进声音。当 SR 高于预设阈值（在后端设置 [协议第 3.6 节] 中确定;即 120）时，应用程序会理解用户正在运行并触发呼吸指导声音的开始。然后，只要保持 “running” SR 值，这个实时 SR 值就用于设置步进和呼吸指导声音的速度。当 SR >阈值时，默认情况下生成的声音与 SR 的速度相匹配。例外情况是当后端设置 “sound tempo” 被更改时（在后端设置 [协议第 3.5 节] 中确定）。例如，如果选择的上限为 180，即使 runner 以更高的 SR 185 开始跑步，声音速度也不会超过 180。当他们将 SR 降低到 175 时，声音将降低到 175，并在预设范围内不断调整。如协议步骤 3.5 中所述，这些滑块允许用户或研究人员设置最小和最大声速 （bpm） 的限制。该应用程序允许在跑步前选择不同的 LRC 比率（步数：呼吸）或在跑步期间进行更改。每个呼吸阶段的步数可以从 2 更改为 9;即，2：3 的比例反映了每次吸气 2 步和每次呼气 3 步。

根据用户反馈和早期实验室实验，设计了不同的“音景”，为更多具有不同音乐品味的跑步者提供愉悦的音频体验³³。它们将不同的声音映射到实时步进速率、指示的呼吸相位和背景环境噪声。步进音是简单的节拍，以每个踏步的速度（即左右步）播放。呼吸音效集成了多个声音元素，并根据所选的 LRC 比率以更慢的速度播放。可用的音景是部落的：有机和器乐，带有尖锐的呼吸过渡和步进声音;平静：轻盈和海洋风格，具有平滑的过渡和步进声音;充满活力：电子和驾驶，带有尖锐的过渡和步进声音;最小：简单流畅，只有呼吸音（无步进音）。

画外音功能添加了简单的语音提示，对应于有关熟悉 LRC 的最佳实践研究结果。它在运行开始时提供一系列指令，之后每 5 分钟提供一次。首先，它说明了所选的 LRC 比率。然后，它与前三个呼吸周期的声音提示同步地说明预期的呼吸阶段。然后它会提醒用户，“找到你的步率，并随着节拍走步。对于每次运行，都会集成运行前和运行后问卷，以将主观感受数据添加到每次运行中。主观活力短量表³⁴ 从 0 到 10 询问一个关于跑步者感受的项目。疲劳量表的 0-10 评分要求用户对他们当前的疲劳状态进行评分。最后，0-10 分制对当前经历的呼吸困难程度进行评分。在每次运行之前和之后都会询问所有这些量表。只有在跑步后，才会要求用户对跑步强度（即轻度、中度、高、间歇性）的体验进行评分。用户可以在跑步过程中使用屏幕界面或耳机控件更改 LRC 比率和时间性。这可以帮助用户在跑步过程中感受到能动性，并有助于探索个人适宜性。此外，可能需要根据跑步事件（例如，山坡、疲劳）快速改变该比率。该协议包括有关如何使用该应用程序运行的描述以及后来在各种类型的研究协议（即室内、室外、介入、横断面）中使用它的建议。

研究方案

本研究获得萨尔茨堡大学伦理委员会（参考编号：GZ 13/2021）的伦理批准，参与者给予知情同意。

1. RunRhythm 入门

1. 让参与者填写一份预调查问卷，以包括人口统计信息，以及跑步、运动和呼吸经验。
2. 将应用程序下载到运行 Android 8.0 或更高版本的功能正常的智能手机上。
   注意：只有拥有 Google Play 帐户的选定用户才能访问封闭式用户测试和应用程序下载，这些帐户的电子邮件已添加到已批准用户列表中。测试仅限受邀者参加。向通讯作者发送访问请求。
3. 确认用户在首次使用应用程序之前已经观看了本教程（图 1）。

图 1：应用程序教程。 RunRhythm 在首次打开时提供了一个介绍性教程，包括有关运动-呼吸耦合的详细信息、显示应用程序工作原理的动画以及使用提示。 请单击此处查看此图的较大版本。

2. 基本功能

1. 使用 水平切换 选择所需的音景（图 2B）。
   注意：这只能在运行之前更改。
2. 使用 向上 或 向下 切换更改所需的 LRC 比率（每次吸气的步数：每次呼气的步数）（图 2A）;使用 Lock 图标锁定切换。当屏幕锁定时，使用兼容耳机的 seek （） 来上下更改比率。
   注意： 比率锁定的作用是在更改比率时保持恒定的比率差异。例如，如果锁定 2：3，则切换“向上”会将比率更改为 3：4（每次呼气与吸气多 1 步）。
3. 使用界面上的 3 位置切换 更改时间设置（图 2C）。当屏幕锁定时，使用兼容耳机的 播放和暂停 （）。
   注意： 时间性可以在完全引导（始终开启）、中等引导（1 分钟开启/5 分钟关闭）和无引导之间切换。
4. 使用右下角的界面 切换 切换画外音功能（图 2D 和 5A）。
5. 选择 start run 开始。首次使用时，按 allow 允许允许设备记录移动和位置。
6. 在每次跑步之前和之后，通过按下与跑步者当前体验到的感觉相对应的数字来完成屏幕上的问卷（图 3）。

图 2：主应用程序界面。 （A） 运动-呼吸耦合比可以从用户界面更改，旋转器的范围为 2 到 9。每个值表示每个呼吸阶段的步数;即，2：3 代表每次吸气 2 步：每次呼气 3 步。锁定图标可用于修复比率差异;即，当锁定在 2：3 时，“向上”移动会将比率更改为 3：4（每次呼气保持 1 级差异）。（B） Soundscape 选择允许用户从四个预先确定的声音层中进行选择：部落、平静、电子和最小。（C） 时间性切换允许用户从三个预先确定的引导频率设置中进行选择：完整、中等和关闭。（D） 画外音切换允许用户打开或关闭语音提示。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3：问卷前后。 在每次运行的开始和结束时都会显示相同的调查问卷。必须回答他们才能开始或结束运行。 请单击此处查看此图的较大版本。

3. 后端设置

注意：点击主界面右上角的 三个点 可以更改影响应用程序功能的关键参数。默认值反映建议的值，但可以更改。此屏幕（图 4）包含以下设置：

图 4：后端设置。 后端设置包括自动暂停、步骤检测切换和标识符代码。（A） 声音速度阈值设置允许精确选择限制生成的声音指导速度的步进速率阈值。例如，选择较低的阈值 155 和上限阈值 180 可确保声音指导不会偏离间隔 [155， 180]，而不管检测到的实际 SR 如何。默认值为 [0， 200]。 请单击此处查看此图的较大版本。

1. 将 GPS 和 GPX 切换为“打开” 以记录跑步距离、跑步速度和路线跟踪。
   注意： 启用后，它会在运行期间从设备的出厂输出记录全球定位系统 （GPS） 坐标。关闭时，它不执行日志记录。
2. Auto Pause： 切换 “on” 以获得最佳性能。
   注意： 开启后，当检测到的速度接近 0 时，它会停止 GPS 记录。关闭后，无论速度如何，它都会继续记录。
3. 将耳机与音乐控件一起使用时，将耳机控件切换为“打开”。
   注意：开启后，此功能允许兼容的耳机（有线或无线，带控件）在跑步过程中更改关键参数（请参阅步骤 2.4）。关闭时，此步骤将禁止耳机控件更改应用程序参数。
4. 系统步骤检测：当应用程序行为异常时 更改此设置 ;也就是说，如果声音速度与步进速度不匹配。
   注意：启用后，此功能将设备制造商的工厂 SR 算法用于所有应用程序功能。关闭后，它使用应用程序开发人员的自定义算法。由于设备根据制造商参数（如芯片组）具有不同的出厂 SR 检测性能，因此可以切换此性能以提高应用程序性能。
5. 声音速度：将声音速度 滑块 设置为所需的 SR 阈值（图 4A）。
   注：设置为特定窗口（即 160-180）可为生成的声音的速度创建下限和/或上限。最小下限 = 0，最大上限 = 200。
6. 最小运行步进速率： 将此阈值更改为 任何整数 0-200 以更改 SR
   阈值，用于激活 LRC 引导音效。
   注意：应用程序默认为 120 作为检测到“正在运行”并开始播放声音的 SR。
7. Enable Breath Feedback：为核心应用程序功能切换 “on”。
   注意：启用后，在跑步过程中，应用程序功能正常，但会发出脚步声和呼吸音。关闭时，此设置可防止产生任何呼吸音效。这用于测试目的，或者当只需要步进声音时。
8. Restart Intro：单击 文本 以重播入门教程。
9. 数据保护：单击 文本 可显示应用程序制造商的数据保护声明。
10. 标识符
    1. 安装 ID：记录此值，它表示此设备和应用程序版本的唯一标识符。它反映在每次运行后生成的日志文件中。
    2. Version：记录此值，它表示应用程序构建版本。
    3. 制造商/型号：记录此值，该值表示品牌和型号的设备标识符。

4. 与应用程序一起运行

1. 开始跑步！
   1. 首先，当脚步声响起时激活;仔细聆听并随着节拍踏步。然后，呼吸指导将被激活;将 inspiration 和 Expiration 与声音精确匹配。
2. 运行中界面：在运行期间，使用屏幕界面上的 切换 来更改 LRC 比率和时间性（图 5A）。
3. 运行后报告：按 End Run 停止应用程序。 摘要 屏幕显示关键指标，包括总距离、平均配速和平均步数（图 5B）。

图 5：运行中和运行后界面。 （A） 在运行过程中，可以使用一个简化的界面，允许用户更改关键参数，包括运动-呼吸耦合比和时间性。它还显示当前的跑步配速和步速。（B） 跑步结束后，摘要屏幕显示关键指标，包括总距离、平均配速和平均步速。 请单击此处查看此图的较大版本。

5. 使用应用程序进行研究

注意：开发上述功能是为了最大限度地提高用户体验并支持在不同环境中对 LRC 进行研究。下面给出的步骤描述了如何将应用程序集成到研究中，从最初的熟悉到运行后的应用程序日志。这些研究方法已由巴黎 Lodron 大学萨尔茨堡伦理委员会 （EK-GZ 29/2023） 审查并批准用于人体实验。

1. 在与应用程序讨论或指导 LRC 之前，请执行单独校准以确定跑步者的自然 LRC 比率。选择代表活动和研究上下文的运行任务，并在试用期间记录 SR 和 BR。根据它们的商计算最接近的整数 LRC 比率（SR/BR = LRC 比率;即 160/30 = 5.3 = 推荐比率，每次呼吸 5 步）。
2. 将手机放在紧贴身体的衣袋、腰包或臂带中。
3. 在户外跑步时使用耳机以改善声音指令的传递并启用耳机控制。或者，在与研究人员熟悉时使用蓝牙扬声器，以共同遵循 LRC 说明。
4. 使运行程序熟悉 LRC 和应用程序。
   注意：虽然该应用程序不需要研究人员熟悉，但出于研究目的，研究人员解释 LRC、应用程序、其用途并演示其功能可能会有所帮助。LRC 应使用 Coates 和 Kowalchik³⁵ 的口头提示进行介绍。
   1. 首先在坐着或仰卧时有节奏地敲击脚部，然后指导以给定的比例（通常为 2：2）与双脚同步呼吸。
   2. 边走边重复。
   3. 原地运行时重复。
   4. 介绍应用程序并简要描述用户界面。
   5. 根据上述建议（第 7.2 节）将设备固定在跑步者的身体上。
   6. 单击 start run 和 run in place。
   7. 鼓励跑步者继续按照自己的节奏迈步，同时声音会根据他们的 SR 进行调整。
   8. 口头确认也可以听到呼吸音。
   9. 指导跑步者根据声音呼吸。
   10. 继续用声音走路和呼吸至少 30-60 秒。
   11. 使用不同的应用程序设置（即 LRC 比率、时间性、画外音）重复该过程以确认理解。
   12. 让研究人员和跑步者一起跑步，通过蓝牙扬声器播放引导声音，以加强 LRC 基础知识（图 6）。
       注意：当应用程序检测到正在运行的 SR 时，声音会触发。步进声音将自动匹配用户的 SR，但会有一些延迟。
5. 使用微创传感器设置，进行步数和呼吸检测，以确认跑步者是否遵守 LRC 说明。
   注意：例如，Hexoskin 智能衬衫可以准确测量跑步过程中的步数和呼吸开始，对跑步者的干扰最小³⁶。
6. 时间设置：将媒体引导与其他音乐应用程序结合使用，允许在应用程序引导静音的 5 分钟内播放用户的音乐。
   注意： 无指导 设置仍会记录调查问卷、GPS 和 SR，这可能对某些研究目的有所帮助。
7. 日志：下载日志文件以访问运行和应用程序参数的时间戳数据。
   注意：.csv日志文件记录了关键运行元数据和与应用程序的每次交互，包括：带时间戳的触地、选择的 LRC 比率和更改以及问卷回答。它们存储在符合 GDPR 的服务器上，并带有应用程序唯一 ID、日期和时间的标题。

图 6：研究人员熟悉度。 在研究环境中，建议主要研究者熟悉，以确保对运动-呼吸耦合的概念理解和正确使用该应用程序。 请单击此处查看此图的较大版本。

结果

该应用程序是此应用程序的第二次迭代，旨在支持 LRC 并提供音频呼吸指导体验。已经进行了大量试点研究和一篇期刊出版物，以支持其有效性并确认了积极的用户体验。在一项调查 LRC 指导急性影响的横断面研究中（在引言中提到），发现在指导下跑步会大大增加 17 名新手跑步者的 LRC³²。例如，一名参与者以每次吸气：呼气 2：3 步（每次呼吸 5：1 步?...

讨论

该方法提供了首批基于证据的、现场就绪的数字工具之一，用于指导跑步者 LRC。早期结果表明，它不仅对快速学习和坚持 LRC 有效，而且可以随着时间的推移而教授并保留下来。虽然 LRC 可能会随着跑步经验的增加而自然出现，但新手不太可能执行它³⁷。巧合的是，他们特别容易遇到参与障碍，包括健康状况不佳和呼吸受限^38,39<...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Android smartphone	Samsung or Google		Minimum Android 8.0 required for application functionality
FMOD engine	Firelight Technologies Pty Ltd		Sound engine
Hexoskin smart shirt	Carré Technologies		Wearable sensor shirt
RunRhythm application for Android	adidas GmbH and abios GmbH