(57)【要約】印加された圧力のグリッド上の大きさおよび位置の信号を提供することが可能なセンサーグリッドが提供される。歩行分析の主な用途では、靴底内のセンサーが、圧力中心の大きさおよび移動を示す信号を経時的に提供する。これは、圧力中心の位置を靴底の輪郭上にカラーで符号化された圧力値を用いて示す視覚信号として提示されてよい。代替として、位置が、音声信号のピッチおよび音量による大きさとして提示されてよい。かかる信号は、患者に対してフィードバックを提供して、自分の歩行を修正することにより歩行を矯正して、所望の信号を生成するために使用されてよい。分析ソフトウェアは、圧力中心（ＣＯＰ）の位置、速度および分布を識別するため、ならびに追加としてＣＯＰのフラクタル次元を評価するためのアルゴリズムを使用する。ホットスポットの位置および圧力衝撃などの他の属性が、バイオフィードバック信号を補強するために使用できる。センサーシステムは、スポーツにおける衝撃または座位もしくは腹臥位に制限された患者における圧力点の測定などの、他の検知用途で使用されてよい。【選択図】図１
2016528959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサーアレイ、プロセッサおよび信号出力装置を含むシステムであって、前記アレイのデータに関連する少なくとも１つの高度に処理された圧力パラメータを算出し、前記プロセッサが、前記センサーアレイからの入力を分析して、前記高度に処理された圧力パラメータの大きさを示す信号を経時的に提供する、システム。
【請求項２】
センサーアレイ、プロセッサおよび信号出力装置を含むシステムであって、前記アレイの圧力中心の位置、速度および分布を算出し、前記プロセッサが、前記センサーアレイからの入力を分析し、前記圧力中心の大きさおよび移動を示す信号を経時的に提供する、システム。
【請求項３】
瞬間圧力中心（ＣＯＰ）、力および加速度の算出が、測定域にわたって均等に分布された高解像度のセンサーを必要とする、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記センサーアレイが、電極またはワイヤーを、一方の面では垂直に、他方の面では水平にわたる材料の領域に形成される、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項５】
前記センサーアレイが、ワイヤーを、垂直および水平の両方にわたり、互いに直交するワイヤーまたはストリップ電極の交点に絶縁材を有する、材料の領域の一方の面に形成される、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項６】
前記瞬間ＣＯＰ測定が、以下の計算式
【数１】
2016528959.tif 000017
【数２】
2016528959.tif 000018
を使用し、ＣＯＰｘおよびＣＯＰｙが前記ＣＯＰの座標であり、前記式中、ｘｉおよびｙｉが前記ｉ番目のセンサーの前記センサーマトリックス座標系の前記原点からの距離であり、ｐｉが前記ｉ番目のセンサー上の圧力であり、ｎがセンサーの総数である、
請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
信号の大きさが非線形関数によってピッチ信号に変換され、前記ピッチの前記周波数が瞬間圧力の大きさの多項式または指数関数である、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
信号の大きさが以下の非線形関数
【数３】
2016528959.tif 000019
によってピッチ信号に変換され、前記式中、ｆがピッチの周波数であり、ｃが定数乗数であり、ｆ０が前記ピッチの最小周波数であり、ｐが前記瞬間圧力の大きさであり、ｐ０が圧力閾値である、
請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記高度に処理された圧力パラメータの前記大きさが、聴覚、視覚または触覚バイオフィードバック信号に変換される、請求項２または３に記載のシステム。
【請求項１０】
前記聴覚バイオフィードバック信号が、ピッチおよび／もしくは音量、ならびに／またはメロディーに符号化される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記視覚バイオフィードバック信号が、カラーおよび／もしくは輝度の符号化、ならびに／または閃光信号、ならびに／または画面上の表示である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記触覚バイオフィードバック信号が、振動、圧力、または電気刺激に関する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記瞬間ＣＯＰの前記位置が、圧力の大きさと、デカルトセンサーマトリックス座標系のｘ軸およびｙ軸における各センサーのｘ座標またはｙ座標との積を平均することにより求められ、それにより前記ＣＯＰがデカルト座標系のｘ座標およびｙ座標で、または極座標系の角度および半径で表現される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記瞬間ＣＯＰの前記速度が、前記ＣＯＰのｘ方向およびｙ方向における変位を時間で微分することにより求められる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ＣＯＰの平均点を中心とした分布が、前記ＣＯＰのｘ方向およびｙ方向における標準偏差、自乗平均、傾斜、もしくは尖度から、または定義された期間内に前記ＣＯＰ位置の最大１００％を含む面積のサイズから算出される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
転倒指数が、前記ＣＯＰのｘ方向およびｙ方向における標準偏差、もしくは自乗平均、傾斜、もしくは尖度のいずれかから、または定義された期間内に前記ＣＯＰ位置の最大１００％を含む前記面積の前記サイズから算出される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ＣＯＰのｘ方向および／またはｙ方向における移動のフラクタル次元が、信号のフラクタル次元を決定するための従来の方法で算出され、前記フラクタル次元の大きさがバイオフィードバック信号に変換される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
少なくとも１つのセンサーポイントの圧力率が圧力を時間で微分することにより求められる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１９】
力が、前記有効センサー面積にわたる前記圧力を積分することによって算出され、（前記センサーアレイの前記面積に垂直な）直線加速度が、前記力を、前記センサーアレイが取り付けられているか、または接触している、物体、身体、または身体の部分の前記有効質量で割ることによって算出され、前記ユーザー誘発加速度が、前記直線加速度から重力加速度を減算することにより算出され、力および／または加速度の大きさが、バイオフィードバック信号に変換される、請求項９に記載のシステム。
【請求項２０】
頭部損傷基準を評価するためのシステムであって、前記頭部損傷基準が、長期間にわたる加速度の積分に期間の逆数を掛け、この積を２．５乗して、その結果に期間を掛けて得られた最高値から算出され、前記期間が１ミリ秒〜１５ミリ秒であり、前記積分が、この可変期間窓内で前記加速度信号にわたって連続して算出され、異なる期間および初期時間の組合せから得られた、最大ＨＩＣ値のみが取られる、請求項９に記載のシステム。
【請求項２１】
圧力または力の衝撃が、前記圧力または力を時間で積分することにより算出される、請求項９に記載のシステム。
【請求項２２】
高圧域（ホットスポット）の発生が、少なくとも１つのセンサーノードの前記圧力または力の衝撃から識別され、前記衝撃の前記大きさおよび／または前記ホットスポットと前記ＣＯＰの前記生理的経路との間の距離がバイオフィードバック信号に変換される、請求項９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記圧力または力の大きさが閾値に従い、前記圧力データが、少なくとも２つのビンのヒストグラムに変換され、各ビン内の前記データが、異なる圧力または力のレベルに基づき採点システムが反復運動の数をカウントするために使用される、請求項９に記載のシステム。
【請求項２４】
振動が、前記信号の高速フーリエ変換で識別され、パワースペクトルの平均、中央値または衝撃がバイオフィードバック信号に変換される、請求項９に記載のシステム。
【請求項２５】
質量の体心の線速度が、直線加速度を時間で積分することにより算出される、請求項９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歩行分析のために、特に履物内でのいくつかの状況における圧力印加に関してバイオフィードバックを提供し得るセンサーアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
表面上の圧力の検知は、衝撃を検知する、履物、ベッド、およびスポーツにおける用途がある。
【０００３】
靴センサーおよび歩行分析では、センサーの使用が、特に人工装具に対して提案されてきた。
【０００４】
米国特許第５２５３６５６号は、特に床擦れに対する圧力センサーのマトリックスアレイを開示して、ホットスポットの位置を強調表示するための信号を表示する。
【０００５】
米国特許第５６７８４４８号は、靴内センサーアレイおよび閾値を上回っている圧力によって引き起こされる可聴信号を開示している。
【０００６】
米国特許第７８６７２８５号は、印加された圧力を検知して、義足用靴（ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ  ｓｈｏｅ）のかかとと靴底を制御するための曲げセンサーを組み込んだ義足用靴を開示している。
【０００７】
米国特許第８００２６７２号は、圧力センサーのアレイを備えたトレッドミルおよび圧力パターンの視覚像を提示するソフトウェアを開示している。聴覚フィードバック使用の開示はなく、詳細なアルゴリズムは開示されていない。
【０００８】
米国特許第８１２２７７２号は、歩行分析用の靴システムを開示して、活動指数のためのアルゴリズムを提供する。そのシステムは、ユーザーが歩行特性を識別するための音声信号フィードバックを提供する。
【０００９】
圧力測定のための装置の付いた中敷きおよび靴の開発が知られている。しかし、技術の進歩および実用的適用性は、センサーの精度；装置の付いた靴底の解像度（センサー密度、すなわち、中敷き上の単位面積当たりのセンサー数）；データサンプリング周波数；データチャネル数；無線データ転送速度；低い精度、密度およびデータサンプリングレートを改善するための数学アルゴリズム；圧力中心（ＣＯＰ）を算出するための数学アルゴリズム；バイオフィードバック信号のための数学アルゴリズム；ならびに、最も重要なことであるが、治療用途のためのスマート中敷きの値ごろ感および費用（精度対費用の比率を含む）などの、いくつかのパラメータに依存する。
【００１０】
センサーアレイならびに、ユーザーが自分の動きを修正して姿勢と歩行を改善するための有用な信号出力およびバイオフィードバックも提供できるソフトウェアを提供することが本発明の目的である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するために、本発明は、センサーアレイ、プロセッサおよび、アレイのデータに関連する少なくとも１つの高度に処理された圧力パラメータを算出する信号出力装置を含むシステムを提供し、プロセッサはセンサーアレイからの入力を分析して、高度に処理された圧力パラメータの大きさを示す信号を経時的に提供する。
【００１２】
高度に処理された圧力パラメータは、圧力中心（ＣＯＰ）の位置、速度および分布ならびにＣＯＰのフラクタル次元であってよい。ホットスポットの位置および圧力衝撃などの他の属性が使用されてよい。
【００１３】
従って、より好ましい態様では、本発明は、センサーアレイ、プロセッサおよび信号出力装置を含むシステムを提供し、プロセッサ内にインストールされたソフトウェアが、アレイの圧力中心の位置、速度および分布を算出し、センサーアレイからの入力を分析し、圧力中心の大きさおよび移動を示す信号を信号出力装置に経時的に提供する。
【００１４】
印加された圧力の大きさおよびグリッド上の位置の信号を提供することが可能なセンサーグリッドが提供される。歩行分析の主な用途では、靴底内のセンサーが、圧力中心の大きさおよび移動を示す信号を経時的に提供する。定義された領域内のセンサーの最小数は３である。圧力中心の移動は、圧力中心の位置を靴底の輪郭上にカラーで符号化された圧力値を用いて示す視覚信号として提示されてよい。代替として、位置が、音声信号のピッチおよび音量による大きさとして提示されてよい。かかる信号は、患者に対してフィードバックを提供して、自分の歩行を修正することにより歩行を矯正して、所望の信号を生成するために使用されてよい。分析ソフトウェアは、圧力中心（ＣＯＰ）の位置、速度および分布を識別するため、ならびに追加としてＣＯＰのフラクタル次元を評価するためのアルゴリズムを使用する。ホットスポットの位置および圧力衝撃などの他の属性が、バイオフィードバック信号を補強するために使用されてよい。
【００１５】
センサーシステムは、スポーツにおける衝撃または座位もしくは腹臥位に制限された患者における圧力点の測定などの、他の検知用途で使用されてよい。従来技術では、センサーアレイおよびソフトウェアは、ＣＯＰの測定、位置特定および追跡に適していなかった。
【００１６】
センサーアレイは、抵抗、容量または圧電特性を有する感圧材料などの、任意の従来のセンサータイプであってよい。本発明では、センサーは、従来のセンサーが使用されていないという点において、「センサーレス」であってよい。ワイヤーまたは電極ストリップのグリッドを、感圧材料の両面、または感圧材料の片面のみに提供することにより、感圧グリッドが確立される。グリッドが、感圧材料の片面のみに配置される場合、絶縁材が、互いに直交するワイヤーまたはストリップ電極の交点に提供される。これは、ワイヤーを、一方の面では垂直に、他方の面では水平に、または一方の面のみに垂直および水平にわたる、より大きな面積の材料の使用を可能にして、切断する代わりに、本発明のシステムが幅広い用途で使用されてよい。
【００１７】
・以下の異なる目的のためのスマート中敷きである。
１）小足筋のトレーニング、歩行マッピング（負荷分散、リハビリ）；アートツール（ダンス、音楽）として；活動分類（運動、軍事偵察）のため。表示は、単純な圧力分布マッピング、または参加者が自分自身の出力を見ることができるように圧力中心の位置および移動の聴覚もしくは視覚表示としてのバイオフィードバックであってよい。
２）糖尿病、多発ニューロパチー、脳卒中および転倒防止などの医療用途のため。表示は、高度な圧力分布マッピング、または圧力中心の位置ならびにホットスポット（集中圧力）マッピングおよびホットスポットの圧力衝撃の聴覚および視覚表示としてのバイオフィードバックであってよい。表示は、ホットスポットに過負荷が掛かるのを防ぎ（床擦れ防止および治療）、また、両足間での負荷シフト（ゴルフスウィングの評価）または両脚間での圧力分布（ランニング、一方の脚の過負荷の検出。一方の側での過負荷の指標は、同じ側での音響バイオフィードバックシステムを伴い得るか；または同じ側で音楽がフェードアウトし得る）を教えるのに役立ち得る。
３）パラ／四肢麻痺者用の外骨格（ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ）での使用および軍事利用のため。これらは、外骨格の活動化のために閾値制御を提供するための聴覚および／または視覚信号としてバイオフィードバックを提供し得る。
・圧力中心の位置およびその圧力率を表示するためにバイオフィードバックを聴覚および／または視覚信号として提供する、フットボール、サッカー、キックトレーニングでの使用のためのスマートスポーツシューズ。
・ホットスポット（集中圧力）の位置およびその圧力衝撃；圧力率を表示するために聴覚および／または視覚信号を提供する人工装具／切断端。
・治療、予防、不連続（ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）のリハビリテーションおよび無処置の皮膚の他の損傷を含む、創傷管理。
・圧力分布を疲労の指標または安全衛生の懸案事項として表示する座席（椅子、車椅子、自動車、航空宇宙、サドル）。聴覚および／または視覚信号としてのバイオフィードバックは、圧力率、圧力中心の速度を表示し得る。
・圧力分布を、睡眠プロファイルの指標ならびにベビーモニターおよび床擦れ防止における支援として表示するスマートマット（インテリジェントマットレス、病院用ベッド、ヨガマット）。聴覚および／または視覚信号としてのバイオフィードバックは、ホットスポット（集中圧力）の位置およびその圧力衝撃；圧力率を表示し得る。
・傷害の記録、衝撃および脳損傷リスクの記録のためのスマートヘルメット。聴覚信号としてのバイオフィードバックは、減速、ジャークおよび頭部損傷基準の大きさを示し得る。視覚信号としてのバイオフィードバックは、減速およびジャークのベクトルならびに仮想頭部に対するそれらの原点、ならびに、仮想頭部に対するベクトルまたは球として頭部損傷基準を表示得る。
・採点および傷害リスクの測定のためにボクシングおよび武術において使用されるスマートグローブ。聴覚および／または視覚信号としてのバイオフィードバックは、減速およびジャークの両方の大きさ、ならびに頭部損傷基準を表示し得る。
・統計データを提供するための長期間にわたる乗客または歩行者監視および車両監視のためのスマート通路。聴覚および／または視覚信号としてのバイオフィードバックは、圧力中心（人の位置）、方向および速度（通行の監視）；子供の遊び場（楽しみのための音楽、安全監視）；ゲートの制御（歩行者がゲート前に列を作ると、混雑時間中にスマート通路によって測定され、バイオフィードバック信号として、ドアの前の赤信号を青に切り替えることにより、さらなるゲートを開くことになる）を表示し得る。
・中敷き、歩行板または尿路造影後用プレート（ｐｏｓｔｕｒｏｇｒａｐｈｉｃ  ｐｌａｔｅ）（４つの個別のプレート）：転倒リスク、不安定性、目まいなどの測定のため。
・目標得点のためのスマート壁。
・圧力中心および全体的な圧力をバイオフィードバック信号として示す、内力（筋圧）および外力（牽引力、例えば、スキー、サイクリングおよび水泳において）のバイオフィードバックのための複数のセンサーまたは材料の層（センサーレス検知）を備えたスマートベストまたは衣服。また、それらは、筋活動パターンおよび筋振動の大きさをバイオフィードバック信号として示す、筋圧および振動（圧迫帯）における変化を検出するために使用されてよい。
・振動監視：圧迫帯着用時の筋振動；安全衛生のための産業上の利用。
・表面アレイは、ゲーム用途またはトレッドミルもしくはウォールクライミングにおいて使用されてよい。
【００１８】
瞬間ＣＯＰの位置が、圧力の大きさと、デカルトセンサーマトリックス座標系のｘ軸およびｙ軸における各センサーのｘ座標またはｙ座標の積を平均することにより決定求められてよく、それによりＣＯＰがデカルト座標系のｘ座標およびｙ座標で、または極座標系の角度および半径で表現される。デカルトまたは極座標は、バイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００１９】
瞬間ＣＯＰの速度が、ＣＯＰのｘ方向およびｙ方向における変位を時間で微分することにより求められてよく、ＣＯＰの速度はバイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００２０】
ＣＯＰの平均点を中心とした分布が、ＣＯＰのｘ方向およびｙ方向における標準偏差、自乗平均、傾斜（ｓｋｅｗ）、もしくは尖度から、または定義された期間内にＣＯＰ位置の最大限で１００％を含む面積のサイズから算出されてよい。ＣＯＰの平均点を中心とした分布はバイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００２１】
転倒指数（ｆａｌｌ  ｉｎｄｅｘ）が、ＣＯＰのｘ方向およびｙ方向における標準偏差、もしくは自乗平均、傾斜、もしくは尖度のいずれかから、または定義された期間内にＣＯＰ位置の最大限で１００％を含む面積のサイズから算出されてよい。転倒指数の大きさは、バイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００２２】
ＣＯＰのｘ方向および／またはｙ方向における移動のフラクタル次元が信号のフラクタル次元を決定するための従来の方法で算出され、フラクタル次元の大きさがバイオフィードバック信号に変換される、請求項８に記載されるようなシステム。
【００２３】
少なくとも１つのセンサーポイントの圧力率が圧力を時間で微分することにより求められてよく、圧力率はバイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００２４】
力が、有効センサー面積にわたる圧力を積分することによって算出されてよく、（センサーアレイの面積に垂直な）直線加速度が、その力を、センサーアレイが取り付けられているか、または接触している、物体、身体、または身体の部分の有効質量で割ることによって算出されてよく、ユーザー誘発加速度が、直線加速度から重力加速度を減算することにより算出される。力および／または加速度の大きさは、バイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００２５】
頭部損傷基準の評価で使用される場合、頭部損傷基準は、長期間にわたる加速度の積分に期間の逆数を掛け、この積を２．５乗して、結果に期間を掛けて得られた最高値から算出されてよく；期間は１ミリ秒〜１５ミリ秒であり、積分は、この可変期間窓内で加速度信号にわたって連続して算出される。好ましくは、異なる期間および初期時間の組合せから得られた、最大ＨＩＣ値のみが取られる。頭部損傷基準（Ｈｅａｄ  Ｉｎｊｕｒｙ  Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）の大きさは、バイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００２６】
圧力または力の衝撃は、圧力または力を時間で積分することにより算出されてよく、衝撃の大きさは、バイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００２７】
高圧域（ホットスポット）の発生が、少なくとも１つのセンサーノードの圧力または力の衝撃から識別されてよい。衝撃の大きさおよび／またはホットスポットとＣＯＰの生理的経路（ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｐａｔｈ）との間の距離がバイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００２８】
圧力または力の大きさは閾値に従い得、圧力データは、少なくとも２つのビンのヒストグラムに変換されてよく、各ビン内のデータは、採点システムが、異なる圧力または力のレベルに基づき反復運動の数のカウントするために使用されてよい。正または負のスコアがバイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００２９】
振動が、信号の高速フーリエ変換で識別されてよい。パワースペクトルの平均、中央値または衝撃がバイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００３０】
質量の体心の線速度が、直線加速度を時間で積分することにより算出されてよく、質量の体心の変位が線速度を時間で積分することにより算出される。仕事およびエネルギーが力を変位で積分することにより算出されてよい。パワーは力と速度の積から算出されてよい。速度、変位、仕事またはパワーの大きさが、次いで、バイオフィードバック信号に変換されてよい。
【００３１】
高度に処理された圧力パラメータの大きさが、聴覚、視覚または触覚バイオフィードバック信号に変換されてよい。聴覚バイオフィードバック信号は、ピッチおよび／もしくは音量、ならびに／またはメロディーに符号化されてよい。視覚バイオフィードバック信号は、カラーおよび／もしくは輝度の符号化、ならびに／または閃光信号、ならびに／または画面上の表示であってよい。触覚バイオフィードバック信号は、振動、圧力、または電気刺激を伴い得る。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の原理を示す。
【図２】本発明の一実施形態の一般的な素子配置を示す。
【図３】図２に示す、構成要素ｘ１、ＩＣ２およびＵ２をより詳細に示す。
【図４】図２に示す、構成要素Ｕ１およびリセットをより詳細に示す。
【図５】安定した調整済みの電力を供給するためのステップダウンＤＣ／ＤＣコンバーターを示す。
【図６】センサーからのデータを処理するためのマイクロコントローラを示す。
【図７】多重化回路を示す。
【図８】外部装置との通信用のブルートゥースモジュールを示す。
【図９】センサー回路を示す。
【図１０】両面センサーグリッド（模式的な等価回路）の断面図を示す。
【図１１】片面センサーグリッド（模式的な等価回路）の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の好ましい実施形態は、ここで図を参照して説明されるであろう。
【００３４】
本発明の原理が図１に示されている。
【００３５】
本装置は、以下から成る。
−マイクロコントローラを用いたセンサーレス圧力マッピング
−スマートフォンに送信される信号／データ
−バイオフィードバックのためにイヤホンに送信される信号／データ
−病院に送信される信号／データ（データ記録、Ｄ２Ｈ２；分散診断および在宅看護）
−生の圧力データを高度に処理された圧力パラメータに、その後、バイオフィードバック信号（ピッチおよび音量に符号化された聴覚信号；画像またはグラフに関して２Ｄまたは３Ｄのカラーおよび輝度に符号化された視覚信号）に変換するためのアルゴリズム
−高度な圧力信号は：圧力中心の位置および速度、圧力率の大きさ；圧力衝撃；ホットスポット位置である。
【００３６】
圧力データは、センサーまたは材料によって測定され、材料は、抵抗、容量または圧電特性を有して、圧縮応力、引張応力、曲げ応力、ねじり応力、またはせん断応力などの、異なるタイプの内部および／または表面圧力に反応する。
【００３７】
抵抗センサーマトリックスの圧力を測定するための好ましいシステムの模式的概要が図２に示されている。
【００３８】
Ｕ１（プログラマブルマイクロコントローラチップ）がグリッド、４×４／１６セル／センサーに接続されている。
【００３９】
これらの接続は次のとおりである。
４×デジタル（０Ｖ／５Ｖ）出力、左から右に垂直に接続された、ピン１２、ピン１３、ピン１４、ピン１５。
（値が変化したセルに相当する）基準レジスタからデータを読み取るための、４×アナログ入力、上から下に水平に接続された、ピン２３、ピン２４、ピン２５、ピン２６。
コード制御を以下に示す。
−デジタルポート（０Ｖ／５Ｖ）−縦セル（１，５，９，１３），（２，６，１０，１４），…
−アナログ読取りポート−横セル（１，２，３，４），（５，６，７，８），…
【００４０】
マイクロコントローラは、マルチプレクサが以下を実行するようにプログラムされる。
１．デジタル出力（ピン１２）が５Ｖを生成し、他の全てのデジタル出力が０Ｖを生成する。アナログポート（電圧を読み取る）が上から下に、４つの基準レジスタから電圧を読み取る（基本的にセル１、セル５、セル９、セル１３を読み取る）。
２．デジタル出力（ピン１３）が５Ｖを生成し、他の全てのデジタル出力が０Ｖを生成する。アナログポート（電圧を読み取る）が上から下に、４つの基準レジスタから電圧を読み取る（基本的にセル２、セル６、セル１０、セル１４を読み取る）。
３．デジタル出力（ピン１４）が５Ｖを生成し、他の全てのデジタル出力が０Ｖを生成する。アナログポート（電圧を読み取る）が上から下に、４つの基準レジスタから電圧を読み取る（基本的にセル３、セル７、セル１１、セル１５を読み取る）。
４．デジタル出力（ピン１５）が５Ｖを生成し、他の全てのデジタル出力が０Ｖを生成する。アナログポート（電圧を読み取る）が上から下に、４つの基準レジスタから電圧を読み取る（基本的にセル４、セル８、セル１２、セル１６を読み取る）。
【００４１】
これは１６個のセル（４×４）からの１６の読取りをカバーする。
【００４２】
４×４のマトリックス（１６個のセンサー）は、任意のマトリックスに拡張できる。
【００４３】
全体の出力は、特定のデータサンプリング周波数で記録された、センサー１〜１６から連続して（１〜１６、１〜１６、１〜１６等）繰り返された生のデータセットを有する単一のチャネルファイルである。
【００４４】
必要な基準レジスタの数は、アナログポートの数に対応する。
【００４５】
図５は、ステップダウンＤＣ／ＤＣコンバーターＩＣ３が入力（バッテリー）電圧を３．３Ｖに下げるように規制するのを示す。Ｃ１９  Ｃ１３  Ｃ１０キャップは、いかなる高および低帯域雑音も取り除いて、安定した調整済みの電源を回路の残りに供給する。
【００４６】
図６は、８ビットＡＶＲマイクロコントローラＵ１が、センサーから収集された全てのデータを処理するのを示し、マルチプレクサＵ２が２×２（４センサーセル）のマトリックスセンサー回路を制御し、マトリックスセンサー回路は、最大で１６×１６（２５６）のマトリックスセンサーを制御できる４ビットの２進数アドレス上で実行し、Ｒ１がセンサーに対する基準レジスタである。
【００４７】
図７は、センサーコネクタＩＣ２がメインボードを中敷きセンサーに接続するのを示す。
【００４８】
図８は、無線技術を通して外部装置と通信するブルートゥースモジュールＵ４を示す。
【００４９】
図９は、マルチプレクサＵ２およびＵ３が２×２（４センサーセル）のマトリックスセンサー回路を制御するのを示し、マトリックスセンサー回路は、最大で１６×１６（２５６）のマトリックスセンサーを制御できる４ビットの２進数アドレス上で実行し、Ｒ１がセンサーに対する基準レジスタである。
【００５０】
図１０および図１１は、センサーグリッド（模式的な等価回路）の断面図を示し、図１０は両面で図１１は片面であり、図中、
Ｖ＝垂直電極、
Ｈ＝水平電極、
Ｍ＝導電材料、
Ｉ＝絶縁層、
Ｒ＝抵抗、
ｐ＝圧力
である。
【００５１】
データは、リアルタイムバイオフィードバック（聴覚、視覚）または測定後バイオフィードバック（視覚）のために、有線または無線のいずれかで、出力（イヤホン、スマートフォン、コンピュータ、画面）に送信される。
【００５２】
センサーレス測定のためのセンサー材料は任意の抵抗、容量または圧電センサーであってよい。
１）導電性固体ポリマー／エラストマー（例えば、ビニル、ベロスタットまたはネオプレン）。
２）帯電防止気泡材料（例えば、混合前のカーボンブラックを含有するＰＥフォーム）
３）導電性織物
【００５３】
高度に処理された圧力パラメータは、センサーによって測定された圧力から算出される。以下の用語センサーは、センサーレス検知を適用する際には、「電極」で置き換える必要がある。基本的に、高度に処理された圧力パラメータを決定するために、少なくとも２つのセンサーが必要であり、センサーレス検知では、対象の２つの圧力域を測定する一次元配列のために、少なくとも３つの電極が必要であり、対象の４つの圧力域を測定する二次元配列のために、少なくとも４つの電極が必要である。
【００５４】
基本的に、音響バイオフィードバック信号は音量またはピッチに符号化できる。
【００５５】
例えば、圧力の大きさをバイオフィードバック信号に変換するため、圧力が大きければ、音が大きくなるか、または音色のピッチが高くなる。
【００５６】
二重パラメータ信号では、１つのパラメータが音量符号化でき、他はピッチ符号化できる。
【００５７】
これら２つのパラメータは次のものなどでよい。
−ＣＯＰのｘ方向およびｙ方向の位置
−ＣＯＰのｘ方向およびｙ方向の位置
−ＣＯＰの中心点からの距離（ピッチ符号化）、および平均圧力の大きさ（音量符号化；射的アプローチ）
−ＣＯＰベクトルの角度（ピッチ符号化）、および平均圧力の大きさ（音量符号化；円形／楕円形キーボードアプローチ）
−ＣＯＰベクトルの角度（ピッチ符号化）、およびＣＯＰの中心点からの距離（音量符号化；円形／楕円形キーボードアプローチ）
【００５８】
三重パラメータ信号では、１つのパラメータが音量符号化でき、他の２つは、２つの倍音を含む音によってピッチ符号化できる。
【００５９】
一例として、圧力の大きさが音量符号化されて、ＣＯＰベクトルの角度がピッチ符号化される。装置の付いた中敷きを用いて歩行している場合、タスクは、各ＣＯＰパスに対して固有なメロディー信号を達成することであり、ＣＯＰパスが変更されると変わる。
【００６０】
ユーザーのタスクは、特定のメロディーパターンの一貫性のある反復をすべての歩幅で達成することである。
【００６１】
生の圧力データから算出され、（本発明で説明するように）バイオフィードバック信号に変換される、高度に処理された圧力パラメータは次のとおりである。
【００６２】
ａ）（瞬間）圧力中心（ＣＯＰ）の位置：
圧力が表面全体に（不均等に）分散されている場合、ＣＯＰは、（単位面積あたり、面積全体に分散された）力によって生成されたモーメントが各線の両側上で釣り合う、少なくとも２本の線の交点として定義される。瞬間ＣＯＰの正確な決定は、測定域にわたって均等に分布された高解像度のセンサーを必要とする。
【数１】
2016528959.tif 000003
【数２】
2016528959.tif 000004
式中、ＣＯＰｘおよびＣＯＰｙは、ＣＯＰの座標であり、ｘｉおよびｙｉは、ｉ番目のセンサーのセンサーマトリックス座標系の原点からの距離であり、ｐｉは、ｉ番目のセンサー上の圧力であり、ｎは、センサーの総数である。
代替として、
【数３】
2016528959.tif 000005
【数４】
2016528959.tif 000006
式中、シータθは、ＣＯＰの極角であり、ＡＴＡＮ２は、「２番目の」逆タンジェント関数（４象限のいずれかにおける極角を返す）であり、ＲはＣＯＰと座標系の原点との間の距離である。
用途：例えば、ランニング中、座っている時などにおける足底上の、ＣＯＰの現在の位置のバイオフィードバック；両脚の間での負荷シフト；バイオフィードバックに関するゴルフスウィング評価；衝撃点を見つけるためのヘルメットの着用時における頭部上のＣＯＰの位置；手漕ぎオールブレードまたはパドルブレードの表と裏で移動するＣＯＰの位置
聴覚バイオフィードバック：バイオフィードバック信号が
−極角シータθをピッチ符号化音に、および／もしくは距離Ｒを音量符号化音に、またはその逆に変換すること；
−ＣＯＰｘ座標をピッチ符号化音に、および／もしくはＣＯＰｙ座標を音量符号化音に、またはその逆に変換すること；
−実際のＣＯＰ位置と理想的なＣＯＰ位置との間の距離を音量またはピッチ符号化音に変換すること；
により生成できる。
【００６３】
ｂ）ＣＯＰの速度：
瞬間ＣＯＰは面積全体を移動し、ＣＯＰの変位の第１の時間微分がその速度に等しい。
【数５】
2016528959.tif 000007
式中、Ｖｃｏｐは、結果として生じるＣＯＰの速度であり、ＶｘおよびＶｙは、以下の式によって定義される速度成分であり、
【数６】
2016528959.tif 000008
式中、ｘおよびｙは、ＣＯＰの座標であり、Δｔは、データサンプリング周波数である。
用途：ランニング速度または尿路造影後不安定性のバイオフィードバック；両脚の間での負荷シフト；ゴルフスウィング評価およびバイオフィードバック。
聴覚バイオフィードバック：バイオフィードバック信号は、ＣＯＰ速度の大きさを参照し、音量またはピッチ符号化のいずれかである。
【００６４】
ｃ）ＣＯＰの平均点を中心とした分布：
不安定性、振動または外力に起因して、ＣＯＰは、その平均点（理想または予期されるポイント）周囲の定義された領域内で迅速に移動できる。ＣＯＰ移動のパラメータは、平均点と現在の瞬間ＣＯＰとの間の距離、ならびに、前述した距離に直接関連している、移動の速度である。
用途：尿路造影後不安定性のバイオフィードバック、転倒リスクの推定
ＣＯＰの分布は：
−ＣＯＰの理想ポイントの周囲または座標軸に対する標準偏差、
−ＣＯＰの理想ポイントの周囲または座標軸に対する自乗平均ＲＭＳ、
−ＣＯＰの理想ポイントの周囲または座標軸に対する歪度、
−ＣＯＰの理想ポイントの周囲または座標軸に対する尖度、
−ＣＯＰの理想ポイントの周囲または座標軸に対する平均速度、
−ＣＯＰの移動によって１００％または１００％未満（例えば、９５％、９０％．．．）だけカバーされる面積のサイズ、
から算出される。
聴覚バイオフィードバック：標準偏差、ＲＭＳ、歪度、尖度、平均速度、および／または面積の大きさが音量またはピッチ符号化音に変換される。高度なＣＯＰパラメータが転倒指数に結合され、音量またはピッチ符号化音に変換されて、ユーザーに転倒リスクを（例えば、スマート中敷きで）警告できる。
【００６５】
ｄ）ＣＯＰ移動のフラクタル次元
信号のフラクタル次元は、そのカオスの度合いを反映する。例えば、前後または中外側の方向でのＣＯＰの変化が速ければ速いほど、そのフラクタル次元が高い。信号のフラクタル次元、好ましくは、そのハウスドルフ次元は、従来の方法（樋口法、シェフチク法、ボックスカウント法など）で算出できる。
【数７】
2016528959.tif 000009
式中、ＤＨはハウスドルフ次元であり、ｒはボックスの半径または直径であり、Ｎは特定のｒにおけるボックスの数であり、Ｃは定数である。
用途：尿路造影後不安定性のバイオフィードバック、転倒リスクの推定
聴覚バイオフィードバック：フラクタル次元の大きさが音量またはピッチ符号化音に変換される。
【００６６】
ｅ）圧力率の大きさ
圧力信号の大きさがバイオフィードバック信号に直接変換できるのに対して、圧力信号の瞬間レートは、圧力信号の時間微分から算出される必要がある。圧力率は単位面積当たりの力率（ｆｏｒｃｅ  ｒａｔｅ）と等しく、力率はジャーク×質量に等しい（ジャーク＝変位の４番目の時間微分）。
【数８】
2016528959.tif 000010
式中、
【数９】
2016528959.tif 000011
は圧力率である。
用途：圧力率または力率のバイオフィードバック、圧力率または力率は、組織損傷の重大度に関連しており、バイオフィードバックは損傷監視に有益である。
聴覚バイオフィードバック：圧力率の大きさは、音量またはピッチ符号化音に変換される。
【００６７】
ｆ）頭部損傷基準
頭部損傷基準ＨＩＣは、特定の加速度ａまたは力Ｆの衝撃後に継続する脳損傷の重大度の評価に有益である。力および加速度は
Ｆ＝ｍａ
によって互いに関連し、式中、ｍは頭部の有効質量である。
ＨＩＣは
【数１０】
2016528959.tif 000012
から算出され、式中、ａは直線加速度であり、ｔ１およびｔ２は、加速度スパイクの開始と終了を示し、Δｔ＝ｔ２−ｔ１であって、Δｔは、最大１５ミリ秒である。
ＨＩＣ＞１０００は危険と見なされる。
用途：スマートヘルメット、スマート頭部保護用具、またはスマートボクシング用グローブ装着時の、頭部衝撃におけるＨＩＣのバイオフィードバックであり、それにより、バイオフィードバックは、頭部衝撃監視、ボクシングおよび武術における採点システム、ならびに危険な頭部衝撃を行動変化によって回避する方法の学習に有益である。
聴覚バイオフィードバック：ＨＩＣの大きさが音量またはピッチ符号化音に変換されるか、または聴覚信号が、閾値を超えた場合に限りフォードバックされる。
【００６８】
ｇ）ホットスポットの位置
ホットスポットは、現在の圧力マップがこれまでに測定された各センサーの最大圧力を反映するように、最大圧力をセンサー毎に常に更新することによって判断される。
用途：高圧域の位置のバイオフィードバック、ならびにホットスポットへの過負荷を回避する方法に関するバイオフィードバック。
聴覚バイオフィードバック：ＣＯＰとホットスポットとの間の距離の大きさが音量またはピッチ符号化音に変換され、それにより、バイオフィードバックがホットスポット監視、ならびにホットスポットとＣＯＰパスとの間の距離を増やすことによりホットスポットの過負荷を回避する方法の学習に有益である。
【００６９】
ｈ）圧力衝撃の判断
各センサーの圧力が時間で積分されて、現在の圧力衝撃が圧力マップ上に反映される。
【数１１】
2016528959.tif 000013
式中、Ｓｐは圧力衝撃である。
用途：長期間にわたる高圧域の位置のバイオフィードバック。
聴覚バイオフィードバック：圧力衝撃の大きさが音量またはピッチ符号化音に変換される。
【００７０】
ｉ）正しい力または圧力範囲と組み合わせた正しいＣＯＰ位置の判断
この組み合わせた、高度に処理された圧力パラメータは、例えば、ボクシンググローブおよびボディベストがセンサーもしくはセンサーレス検知システムを備えている、武術のための、または、感圧マット上で運動している時に反復運動をカウントするための、採点システムとして役立つ。ベストの特定の定義された領域が、ポイントを得点するために的中される必要がある（ＣＯＰがこれらの領域内）。他の領域は境界外であり（ＣＯＰがこれらの領域内）、それらに当たると、１ポイントの減点となる。同時に、圧力が、グローブおよびベストの両方によって測定され、圧力が指定された範囲内である場合、（正しい領域内のＣＯＰと組み合わせて）１ポイントの加点となる。圧力が低すぎる場合、ポイントは加点されない。圧力が高すぎる場合には、ＣＯＰが正しい領域内にあれば１ポイントが、ＣＯＰが誤った領域内にあれば２ポイントが、減点される。ベストとグローブの両方を備えていると、偶発的な自身の的中を識別するか、または自分自身のグローブが、自分自身のベストと対戦相手のグローブとの間に挟まれた場合に、役立つ。これらの場合、対戦相手はポイントを獲得しない。
【００７１】
ｊ）振動の判断
圧力信号の時系列は、パワースペクトルおよび初期周波数（ｌｅａｄｉｎｇ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）モードを判断するために、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）に従う。この振動周波数は、バイオフィードバック信号に変換される。
用途：筋振動の測定、適合しない衣服での正しい圧縮力を判断する；ＯＨ＆Ｓ方針と組み合わせた産業上の利用。
糖尿病性神経障害を患っている患者では、生理的ＣＯＰパスが維持されていないか、またはＣＯＰが過負荷領域（長期間にわたり高い圧力の大きさか、経時的に最も高い圧力衝撃の領域、またはシン足底潰瘍（ｓｉｎ  ｓｏｌｅ  ｕｌｃｅｒ）の影響を受ける領域）に接近している場合に、例えば、聴覚警報信号が実装できる。
機械受容器から脳へのフィードバックの欠損に起因して、神経障害患者は、運動協調障害および高圧に対する皮膚感度の喪失に苦しむ。「甘い（ｓｗｅｅｔ）ＣＯＰパス」の幅ならびに「ホットスポット」の直径が変数によって事前に設定され、それを超えると、メロディー信号を減衰させて、警報信号によって上書きさせる。この原理は、神経障害患者における歩行障害の改善のための訓練システムを提供すると同時に、潰瘍の成長リスクを最小限にして既存の潰瘍に過負荷を掛けるのを回避する。
音符間の周波数差が周波数と共に増加して指数関数に従うので、信号の大きさは非線形関数によってピッチ信号に変換される。
【数１２】
2016528959.tif 000014
式中、ｆはピッチの周波数であり、ｃは定数乗数であり、ｆ０はピッチの最小周波数であり、ｐは瞬間圧力の大きさであり、ｐ０は圧力閾値である。この式の非線形関数は、例えば、指数、多項式などであってよい。
例えば、ＣＯＰの極角が音響バイオフィードバック信号に変換される場合、角度シータは０度〜３６０度に及ぶ。出力周波数ｆが１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚに及ぶはずである場合、対応する式は
【数１３】
2016528959.tif 000015
または、代替として
【数１４】
2016528959.tif 000016
【００７２】
異なる解決策として、ＣＯＰがその中を移動できる、感圧域が、デカルトＣＯＰ座標、ＣＯＰｘおよびＣＯＰｙ、または極座標（□およびＲ）のいずれかに基づいて、異なるセクターに分割され、各セクターが特定の音（音声周波数またはピッチによって定義される）またはメロディーと関連付けられて、ＣＯＰが異なるセクターに移動することにより、メロディーまたは旋律が鳴るようにできる。
【００７３】
視覚バイオフィードバック信号が、画面上に、または光源（例えば、ＬＥＤ）を用いて、表示される。視覚バイオフィードバック信号の符号化パラメータは、
−色調
−輝度（グレイスケール）または強度（ルクス）
−点滅する光源の周波数
−光源の位置、または画面上の画素
であってよい。
【００７４】
バイオフィードバック信号は、触覚信号（振動圧力の振動周波数、大きさ、または位置；および電気刺激に関する）としても管理できる。
【００７５】
上で概説したアルゴリズムは、マイクロコントローラおよび／または外部装置（例えば、スマートフォン、コンピュータ）に組み込まれる。
【００７６】
聴覚バイオフィードバックシステムが、イヤホンまたはスピーカーに
ａ）マイクロコントローラからＲＦ信号を介してリアルタイムで直接（アルゴリズムがマイクロコントローラに組み込まれている場合）；
ｂ）生データがさらなる音声処理のためにマイクロコントローラからブルートゥース（ジグビー、ａｎｔ＋など）信号を介してスマートフォンまたはコンピュータに（アルゴリズムがスマートフォンアプリまたはコンピュータソフトウェアに組み込まれている場合）、それに続くリアルタイム出力がイヤホンまたはスピーカーを介して送信される。
【００７７】
視覚バイオフィードバックシステムが、画面（スマートフォン、コンピュータ）に生データとしてマイクロコントローラからブルートゥース（ジグビー、ａｎｔ＋など）信号を介してスマートフォンまたはコンピュータにさらなる処理および図表による視覚化のために送信される。
【００７８】
装置の主要な構成要素の要約
最小数の構成要素：
−圧力を測定するための材料（感圧材料；抵抗、容量または圧電）
−データ記録のための回路
−圧力生データから高度に処理された圧力パラメータを算出するためのアルゴリズム
−バイオフィードバック信号（ピッチおよび音量符号化聴覚信号：画像またはグラフに関して２Ｄまたは３Ｄのカラーおよび輝度符号化視覚信号）を算出するためのアルゴリズム
−データ転送のための手段（無線、有線）
−バイオフィードバック信号の出力のための手段（イヤホン、スピーカー、スマートフォン、コンピュータなど）
【００７９】
材料は、固形、気泡形状（泡）、および織物形状の導電性ポリマー／エラストマーであってよい。
【００８０】
高度に処理された圧力パラメータは、圧力中心の位置および速度、圧力率の大きさ；圧力衝撃；ホットスポット位置；ＣＯＰの平均点を中心とした分布；ＣＯＰ移動のフラクタル次元であってよい。
【００８１】
適切なバイオフィードバック（音響、視覚）は、
１）圧力パラメータ（例えば、圧力中心の位置および速度；圧力率の大きさ；圧力衝撃；ホットスポット位置）の正確な判断（測定）；および
２）生の圧力データを高度に処理された圧力パラメータに、そして最終的に聴覚および視覚信号に変換するためのアルゴリズム
に依存する。
【００８２】
圧力パラメータの正確な判断（測定）は、
１）十分なセンサー密度および均等なセンサー分布、ならびに
２）十分なセンサー解像度（サイズ）
に依存する。
【００８３】
両方のパラメータが、必要なセンサー数、および最終的にスマート装置の費用に影響を及ぼす。
【００８４】
費用は、センサー当たりの費用、正確な測定に必要なセンサー数、および製造（センサーの記録装置への接続）に言及する。従って、低価格のセンサーを使用するか、または既存の材料をセンサー（センサーレス検知）として使用することによりセンサーを全く使用しないことが望ましい。
【００８５】
これは、
１）靴の中敷きがビニル（１ｓｑｃｍ＝最大１ｃｔ；１つの中敷きが最大１〜１．５ドル）で製造され、中敷きの上下に電極グリッド（さらにその上、組み込まれたリード線）を追加で配置できる。ビニル材料はセンサーのように働き、従ってさらなるセンサーは必要ない
２）ヘルメットの内側が保護およびエネルギー吸収の発泡体で補強されている；発泡体はセンサー（静電気発砲体）のように働き、従って、電極グリッドを発砲体裏張り上に配置するのに十分である
ことを指す。
【００８６】
本発明は、高価なものから安価なものまで、任意のタイプのセンサーで機能し、費用は、製品の競争力を向上させる。本発明は生の圧力データを高度に処理された圧力データに変換し、どのような材料が選択された場合でも、それらを聴覚および視覚バイオフィードバック信号に変換する方法を提供し、これは、従来のセンサーに置き換わるものである。
【００８７】
高度に処理された圧力データを生の圧力データから取得するために、高いセンサー密度および解像度を必要とし、これが、高価なセンサーを使用する場合に生産物の価格に影響する。
【００８８】
安価なセンサーは高価なものほど正確ではない。しかし、この欠点は、数学的方法で精度の向上を可能にする、高いセンサー密度および解像度によって克服される。
【００８９】
前述から、本発明は、改善されたバイオフィードバックをユーザーに提供する、費用効率が高く高度なセンサーシステムを提供することが分かる。
【００９０】
当業者は、本発明は、本発明の中心的な教示から逸脱することなく、説明した実施形態以外の実施形態でされてよい実装されてよいことを理解するであろう。
【図１】
2016528959.tif 000020
【図２】
2016528959.tif 000021
【図３】
2016528959.tif 000022
【図４】
2016528959.tif 000023
【図５】
2016528959.tif 000024
【図６】
2016528959.tif 000025
【図７】
2016528959.tif 000026
【図８】
2016528959.tif 000027
【図９】
2016528959.tif 000028
【図１０】
2016528959.tif 000029
【図１１】
2016528959.tif 000030
【国際調査報告】
2016528959.tif 000031
2016528959.tif 000032
2016528959.tif 000033