Force measurement method and apparatus

本発明は、運動中に使用される力又は筋力を測定する方法及び装置に関し、特にこの運動の垂直方向部分に使用される力又は筋力を測定することに関する。

年配者にとって転倒は最大の健康上危険因子の１つである。 ６５歳より上の人々の約３分の１は、少なくとも１年に１度転倒していることが分かっている。

これら転倒の多くは、転倒の危険性の早期発見、並びに効果的及び的を絞った転倒防止プログラムの利用によって回避されることができる。 筋力・バランストレーニング（ＳＴＢ）に基づく転倒防止試験は、年配者が転倒する危険性を減少することができることを示している。

バランス性能手段は、転倒の危険性の早期指標として及び転倒防止プログラムの新着状況を測定するのに使用されることができる。 特に、椅子からの立ち上がり(STS: sit to stand)動作は、その点において重要な運動であると特定されている。 その分野の専門家は、ＳＴＳ動作中に生じる、転倒を防止するための力のグラフと、心臓血管疾患時のＥＧＣグラフとを比較する。 日常生活において、このＳＴＳ動作は、全ての人が１日に複数回行っている。

従来は、臨床測定システム（例えば、床反力計(force plate)及び光学マーカーシステムを含むシステム）は、ＳＴＳ動作中の力の正確な定量化を可能にする。 これら測定システムにおいて、前記床反力計は、垂直方向の床反力を提供し、前記光学マーカーシステムは、三次元における変位の指標を提供する。 両方の方法の組み合わせは、ＳＴＳ動作中の力を定量化するのに使用される。

これら測定システムは、幾つか欠点を有する。 最初に、これらシステムは臨床用機器であり、これはユーザが診療所に行く必要がある。 それらは、（特に、多数の光学マーカーが身体の特定の部分に取り付けられる必要がある場合）測定を準備し、行うために大きな労働力を必要とする。 加えて、これらは単にユーザの平衡能力のスナップショットを提供するだけであり、臨床状況であるため、ユーザは一般に平均能力を超えて行う。 さらに、これら測定システムは、ユーザにとってかなり面倒な手続きを含んでいる。

それ故に、ユーザにとって動作するのが容易及び簡単な、例えばＳＴＳ動作のような、垂直方向の運動中に使用される力を測定するための方法並びにシステムが必要である。

本発明の第１の態様によれば、運動の垂直方向成分を行う際にユーザが使用する力を推定するための装置を提供し、この装置は、ユーザに取り付けられると共に、ユーザが経験する加速度を測定するための加速度計を有し、この装置はさらに、ユーザに取り付けられた前記加速度計から加速度の測定値を入力し、この入力した測定値から垂直方向の加速度を推定し、及びこの垂直方向の加速度から使用する力を推定するように構成される処理器を有する。

本発明の第２の態様によれば、運動の垂直方向成分を行う際にユーザが使用する力を推定するための方法を提供し、この方法は、ユーザに取り付けられた加速度計から運動を行う際にユーザが経験する垂直方向の加速度の測定値を得るステップ、並びにこの垂直方向の加速度の測定値から使用する力の推定を決めるステップを有する。

本発明の第３の態様によれば、ユーザに取り付けられた加速度計と関連するコンピュータ又は処理器において実行されるとき、この加速度計から測定値を入力し、この入力した測定値から運動を行う際にユーザが経験している垂直方向の加速度を決め、及びこの垂直方向の加速度の測定値から使用する力の推定値を決めることにより運動の垂直方向成分を行う際にユーザが使用する力を推定するコンピュータプログラムコードを有するコンピュータプログラムプロダクトを提供する。

本発明の実施例は、以下の図面を参照して単に例として説明される。

ユーザに取り付けられた本発明によるセンサユニット。

前記センサユニットの詳細。

ユーザに作用すると共に、ＳＴＳ動作を行う際にユーザによりもたらされる加速度及び力。

測定した加速度の方位の計算を説明する図。

本発明による方法のステップを説明するフローチャート。

図１に示されるように、本発明は、例えばベルト又はストラップのような何らかの取り付け手段６により（又はセンサユニット２がペンダント形式である場合はネックコードにより）、例えば骨盤又は胸骨のようなユーザ４の身体、好ましくは胴体に取り付けられるセンサユニット２を供給する。 このセンサユニット２は、ユーザが座った位置から立ち上がる例えばＳＴＳ動作のような垂直方向の運動を含む身体の運動中に使用される力又は筋力を、ユーザ４の身体の加速度の測定値から決めるのに使用される。

センサユニット２は、この運動の垂直方向成分を行う際に使用される力又は筋力を決める。 センサユニット２は、垂直方向の運動の全てにわたり使用される力又は筋力を計算することができるが、代替実施例において、センサユニット２は、垂直方向の運動の特定部分の間の力又は筋力を決めるのに使用されることができる。

図２は、本発明によるセンサユニット２の好ましい実施例を示す。 センサユニット２は、３つの直交軸に沿って加速度を測定し、対応する信号を供給する加速度計８を有する。 これら信号は、分析するために処理器１０に供給される。 このセンサユニット２は、メモリ１２及び送信機又は受信機回路１４も有する。 メモリ１２は加速度計８からの測定値を保存及び処理器１０による分析結果を保存するために用いられる。 送信機又は受信機回路１４は、ユーザ４若しくは医療提供者により見ること又は調査することができる遠隔ユニット又はコンピュータに前記分析結果を送信するために使用される。

好ましくは、加速度計８は、ＭＥＭＳ(micro-electromechanical system)８である。

ここに開示される垂直方向の運動に使用される力又は筋力を計算するための方法において、この力又は筋力は、固定基準フレーム（例えば地球）において計算される。 この方法の一部として、垂直方向の運動中にユーザ４が経験する垂直方向の加速度を決めることが必要である。

本発明の実施例において、この垂直方向の加速度は、以下に記載するアルゴリズムに従って、加速度計８の測定値から単に計算される。

何らかの（好ましい程ではない）実施例において、センサユニット２は、例えばジャイロスコープ及び/又は磁力計のようなセンサユニット２の方位（又は方位の変化）を決めるための１つ以上の他のセンサを加速度計８に加えて有する。 この実施例において、このジャイロスコープ及び/又は磁力計は、センサユニット２の方位の表示を提供することができ、加速度計８からの測定値がこの決められた方位を用いて固定基準フレームに変換されることができ、及び垂直方向の加速度が決められることができるので、以下に記載のアルゴリズムを実施する必要はない。

図３は、垂直方向の運動及び特にＳＴＳ動作の途中のユーザ４の側面図を示す。 示されるように、センサユニット２は、ユーザ４の胸骨に取り付けられる。

加速度計８はセンサユニット２内に固定されているので、このセンサユニット２及び加速度計８の方位は、ＳＴＳ動作中変化し、センサユニット２は、垂線から角度Θだけ傾斜して示される。

それ故に、（固定基準フレームにおいて）垂直方向の加速度を得るために、これら方位の変化に対し加速度計８からの測定値を補償することが必要である。

図４は、加速度計８により測定された加速度Ａの測定値の説明である。 加速度計８は、この加速度計に作用する加速度Ａを三次元で測定し、（Ｘａ、Ｙａ及びＺａとラベル付けられる）３つの直交軸に沿った加速度Ａを示す信号を供給する。

この図において、加速度Ａは、これら３つの直交軸夫々に沿って測定される成分Ａｘ、Ａｙ及びＡｚを持つ。

（重力以外の）僅かな加速度を受けている若しくは全く加速度を受けていない加速度計８にとって、加速度計８が経験する加速度Ａは、重力の加速度に実質的に一致している。 それ故に、この仮定から、加速度Ａを重力に結び付けることが可能であり、その方向は固定基準フレームから分かっている。

加速度計８の方位は、加速度Ａと最大の加速度の大きさを持つ加速度計８の軸との間の角度を計算することにより推定されることができる。

加速度計８の方位を推定するために、加速度計８に作用している加速度が測定され、加速度計８の３つの直交軸（夫々Ｘａ、Ｙａ及びＺａ）に沿った加速度の成分（Ａｘ、Ａｙ及びＡｚ）を示す信号が処理器１０に供給される。

この処理器１０は、加速度Ａの各成分の大きさを計算し、前記最大の大きさを持つ成分を特定するためにこれらを比較する。

以下において、最大の大きさを持つ成分を備える軸（Ｘａ、Ｙａ又はＺａ）がＺａ'と示され、残り２つの軸がＸａ'及びＹａ'と示される。 このようにして、加速度計８の方位がこの加速度計８の最初の位置に関係なく決められることが可能である。 例えば、Ｚａ軸を固定基準フレームにおいて垂直方向に配向される軸に対応するつもりであっても、加速度計８は、そのようにユーザ４に取り付けられなくてもよい（Ｙａ軸が前記固定基準フレームにおいて垂直方向に配向される軸に最も密接に対応しているかもしれない）。

図４において最大の加速度の成分を備える軸はＺａであり、それゆえに、この軸はＺａ'とラベル付けされ、最大の加速度の成分はＡｚであることが分かる。

処理器１０は次いで、加速度Ａと最大の加速度の成分を備える軸（Ｚａ'）との間の角度を決める。 従って、角度Θは、

加速度の全成分が零である（すなわちＡｘ＝Ａｙ＝Ａｚ＝０）場合、Θ及び故に方位は推定されることができない。 この状況において、加速度計８は、自由落下の状態である。

それ故に、この角度Θは、重力を基準として用いて決められるので、角度Θは加速度計８及びセンサ２の方位を示しているとみなすことができる。

加速度計８は、固定基準フレームに対して自由に動くので、加速度の急激な変化により生じる局所的な不安定性の検査をするのが望ましい。 このようにして、これら加速度の急激な変化により生じる決められた方位の誤りを補償することが可能である。 特に、局所的な不安定性は、ある時間にわたる加速度Ａの成分の基準(norm)の変動(variance)を計算する処理器１０により検査される。

多数のサンプリングの瞬間における加速度を示す多数の信号が加速度計８から得られる。 これらサンプリングの瞬間は、このサンプリングの瞬間ｉの前後両方に好ましくは起こり、その瞬間に加速度計８の方位が計算される。

加速度Ａの成分の標準の変動は、

αの値は、１５から２０ｍ／ｓ ^２の範囲から選択され、ａ及びｂは約１０である。

一旦角度Θが計算されると、処理器１０は、固定基準フレームに対する垂直方向の加速度を決める。

再び図３を参照すると、ユーザ４は、ＳＴＳ動作の途中であり、センサ２及び加速度計８は、垂直から角度Θだけ傾斜して配向されている。 最大の加速度の成分を備える軸（Ａｚ）が示される。

垂直方向の加速度は、

から計算される。 ここでｇは、重力による垂直方向の加速度の大きさである。 図３及び図４においてΘ＜０であることが分かる。

垂直方向の運動に使用される力又は筋力は、図５に示される方法を用いて計算されることができる。

ステップ１０１において、ユーザ４が経験する垂直方向の加速度の一連の測定値又は推定値が加速度計８から得られる。 上述したように、垂直方向の加速度の推定値は、それの唯一のセンサが加速度計８であるセンサユニット２から、又は加速度計、ジャイロスコープ及び/又は磁力計を含むセンサユニット２から得ることができる。

好ましい実施例において、垂直方向の加速度は、例えば約２Ｈｚのカットオフ周波数を持つバターワースフィルタ(Butterworth filter)によりローパスフィルタリングされることができる。

次いで、ステップ１０３において、図３に示される、時間を関数とする地面反力Ｆ _ｇｒは、

次いで、ステップ１０５において、垂直方向の加速度の前記一連の測定値又は推定値は、運動中の垂直方向の速度を得るために、時間に対して積分される。 それ故に、垂直方向の速度、vel_vert(t)は、

この積分の始点及び終点は、加速度計８からの測定値から決められる。 始点は、静止状態である期間の後に垂直方向の加速度が変化し始める時点と特定されることができる（例えば垂直方向の加速度は零値から又は重力から変化を始める）。 終点は、垂直方向の加速度が運動期間の後、静止状態に戻る時点と特定されることができる（例えば垂直方向の加速度が零値又は重力に戻る）。 処理器１０は、垂直方向の加速度の測定値を調べることにより、始点及び終点を決めることができる。

最後に、ステップ１０７において、垂直方向の運動中に使用される力は、

垂直方向の加速度の一連の測定値から決められる地面反力及び力は、時間の経過によるグラフとしてプロットされる時系列を形成する。 このとき、最大の瞬時力又は力の最大の負荷率を決めることも可能である。

開示した方法への唯一の入力は、垂直方向の加速度の測定値の設定であることが分かる。 それ故に、ステップ１０３、１０５及び１０７を別々に行う代わりに、これらステップは、力が推定される単一のステップに組み合わされることができる。 この場合、処理器１０は、

本発明による方法は、ＳＴＳ動作に使用される力を推定又は決定するために、加速度計を含む如何なる身体上のセンサユニット、例えば活動の監視及び評価のための装置及び転倒検知器に使用されることができる。 この力の推定は、平衡品質(balance quality)及び転倒の危険性を評価するための身体能力測定を提供することができる。 在宅医療のシナリオにおいて、この方法は、在宅医療提供者がユーザの平衡品質又は転倒の危険性を邪魔にならずに監視することを可能にする。

力の推定は、ユーザ４の質量中心の運動を測定することに基づいているので、この力の推定の精度は、このセンサユニット２をユーザ４の質量中心にできるだけ近付けて置くことにより改善することができる。 例えば、センサユニット２は好ましくは、ユーザ４の骨盤又は体幹下部の近くに置かれる。

力の推定のさらなる改善は、ユーザ４の身体の２つ以上の部分に加速度計を設けることにより得られる。 これは、例えば１つは胸骨に置かれ、もう１つは骨盤に置かれる２つのセンサユニット２を設けることにより達成されることができる。 本実施例において、これらセンサユニット２の１つのセンサユニット２は、使用される力を計算するために、他のセンサユニット２から測定値を受信する必要がある。

特定の垂直方向の運動中、これらセンサユニット２は、異なる加速度を記録し、それで加速度計の測定値の加重平均は、力推定アルゴリズムにおいて使用するために計算される。 実際上、これら加速度の加重平均は、ユーザ４の仮想の質量中心の位置に作用する加速度を示す。 好ましくは、この加重平均は、

ある実施例において、Ｂ及びＣは、Winter, DAによって"Biomechanics and Motor Control of Human Movement"に開示されるように、夫々0.603及び0.397の値を持つ。

本発明の代替実施例において、センサユニット２の処理器１０において加速度の測定値を処理する代わりに、センサユニット２又は複数のセンサユニット２が前記加速度を測定し、これらの測定値を、運動中に使用される力を推定するために必要な計算を行う別個のベースユニットに送信することができる。

センサユニット２は小さく、使いやすいので、このユニットは、ＳＴＳ動作のような特定の形式の身体運動中の力又は筋力を定量化するために（臨床の場において可能な期間に対し）長期にわたり使用されることができる。 この力又は筋力は、邪魔にならずに測定されることができ、上述した方法は、臨床測定システムに略同等の精度を提供する。

本発明は図面及び上述の明細書において詳細に説明及び開示されているのに対し、このような説明及び開示は説明及び例示であり、限定であると考えるべきではない。 本発明は開示した実施例に限定されない。

開示した実施例の変形例は、図面、明細書及び特許請求の範囲の研究から、本発明を実施する当業者によって理解及び成し遂げられることができる。 特許請求の範囲において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、複数あることを述べていないことは、それらが複数あることを排除するものでもない。 単一の処理器又は他のユニットが請求項に列挙した幾つかのアイテムの機能を果たしてもよい。 ある方法が互いに異なる独立請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの方法の組み合わせが有利に使用されることができないことを示しているのではない。 コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に若しくはその一部として供給される適切な媒体、例えば光学記憶媒体又はソリッドステート媒体に記憶／配布されてもよいが、他の形式、例えばインターネット又は他の有線若しくは無線の電話通信システムを介して配布されてもよい。 請求項における如何なる参照符号も請求項の範囲を限定すると考えるべきではない。