(57)【要約】【課題】鉛直重心移動測定装置の提供。【解決手段】参照するための自身の局所座標系における回転及び加速に関連付けられた出力を生成し、動物、好ましくは人体の背中に取付けられるように構成された慣性検出装置と、メモリ及びプロセッサと、を備え、該プロセッサは、装置が十分に移動する人体等の対象物の重心に接近して固定されているときに、広域座標系における重心の鉛直方向変位の推定値又は鉛直方向の変位の微分係数を生成するために、慣性検出装置の出力に基づく慣性検出装置の回転及び第一加速度に関連づけられた四元数を算出するようにプログラム化されると共に、合成の結果に基づく四元数と第一加速度とを合成するようにプログラム化されている鉛直重心移動測定装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照するための自身の局所座標系における回転及び加速に関連付けられた出力を生成し、動物、好ましくは人体の背中に取付けられるように構成された慣性検出装置と、メモリ及びプロセッサと、を備え、
該プロセッサは、装置が十分に移動する人体等の対象物の重心に接近して固定されているときに、広域座標系における重心の鉛直方向変位の推定値又は鉛直方向の変位の微分係数を生成するために、慣性検出装置の出力に基づく慣性検出装置の回転及び第一加速度に関連づけられた四元数を算出するようにプログラム化されると共に、合成の結果に基づく四元数と第一加速度とを合成するようにプログラム化されていることを特徴とする鉛直重心移動測定装置。
【請求項２】
装置は、広域座標系における鉛直方向変位の推定値、又は重心の変位の微分係数を生成する前に、第一加速度と四元数との合成からの結果であって、出力の結果としての予め決定された振動数を上回るか又は下回るものに対してフィルタをかけるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項３】
装置は、歩行又は走行時の最大歩幅振動数に基づき選択された振動数たる２５Ｈｚを超えたデータをフィルタにより除去するように構成されていることを特徴とする請求項４記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項４】
メモリ中に適切にプログラミングされて格納され、フィルタリングに用いられるフィルタを構成するバターワースフィルタを備えることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項５】
ドリフトに対して効果をもたらすノイズ／エラーの除去のために、装置では、第一加速度と四元数との合成から得られたデータに対して数学関数好ましくは窓関数が用いられることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項６】
装置は、第一加速度と四元数との合成から得られた結果におけるノイズ／エラーの直流成分（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を推定し、その除去のために該推定に基づいて数学関数を選択することを特徴とする請求項５記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項７】
該数学関数はハニング窓（Ｈａｎｎｉｎｇ  ｗｉｎｄｏｗ）であることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項８】
装置は、フィルタをかけた後に数学関数を用いることを特徴とする請求項２に従属するときの請求項５乃至請求項７のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項９】
広域座標系が、鉛直方向が重力加速度の方向となる地球の表面の参照座標系（ｔｈｅ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒａｍｅ）であることを特徴とする請求項１記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１０】
慣性検出装置は、慣性重心ユニットと、及び／又は、局所座標系において線形加速度を測定する複数（好ましくは３つ）の加速度計、回転動作を測定する少なくとも１つ（好ましくは３つ）のジャイロスコープ、好ましくは例えばカルマンフィルタを用いる等により出力されたデータを融合する装置と、を有することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１１】
プロセッサは、好ましくは鉛直方向が重力加速度の方向となっているときに、好ましくは四元数及び第一加速度の積から、鉛直方向における加速度を算出するようにプログラム化されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１２】
プロセッサは、装置がメモリに記録されたときに、好ましくは慣性検出装置によって導き出されて重力の加速度を計算することによって、広域座標系における鉛直方向の慣性検出装置の加速度を測定するために、算出された加速度から重力の加速度を減算するようにプログラム化されていることを特徴とする請求項１１記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１３】
装置は、計算された加速度を積分することにより、広域座標系の鉛直方向における慣性検出装置の速さを測定するように構成されていることを特徴とする請求項１１又は請求項１２記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１４】
加速度は、積分の前にフィルタがかけられ、及び／又はデ−ドリフトされることを特徴とする請求項４及び／又は請求項７に従属する請求項１３記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１５】
プロセッサは、好ましくは鉛直方向が重力加速度の方向であるような地球の表面において、広域座標系における鉛直方向の変化を測定するために、鉛直方向において得られた加速度を２回積分するようにプログラム化されていることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１６】
得られたデータは両方の積分をする前にフィルタがかけられ、及び／又はデ−ドリフトされることを特徴とする請求項１５記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１７】
プロセッサは、好ましくは同時に全ての加速度及び／又は速さデータを、シンプソンの公式を用いてデータを積分するようにプログラム化されていることを特徴とする請求項１１乃至請求項１６のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１８】
第一加速度は、好ましくは３次元空間（ｔｈｒｅｅ  ｓｐａｔｉａｌ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ）におけるベクトルを形成することを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項１９】
四元数は（４、３）型行列からなり、広域座標系における加速度ベクトルを算出するために、第一加速度ベクトルが積算され、これから鉛直変位の量又は鉛直変位の微分係数が計算されることを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項２０】
四元数行列は、ｑ０を実数、ｑ１、ｑ２、及びｑ３を複素数としたときに、
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からなることを特徴とする請求項１９記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項２１】
プロセッサは、四元数をメモリ中に記憶し、また、慣性検出装置の回転に関連付けられた四元数を得る際に用いるために、少なくとも鉛直方向において、慣性検出装置が静止中に広域座標系の鉛直方向において予想される重力加速度と共に慣性検出装置からの加速度の出力から、四元数を計算するようにプログラム化されていることを特徴とする請求項１乃至請求項２０のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項２２】
広域座標系における加速度ベクトルのうちの一の次元は、重力の方向に平行をなす方向と、鉛直の加速度として得られる値とを示していることを特徴とする請求項１９又は請求項２０に従属するときの請求項２１記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項２３】
プロセッサは、広域座標系における鉛直方向において、好ましくは鉛直方向が重力加速度の方向であるような地球の表面において、躍度を測定するために、鉛直方向における時間に関連づけて、得られた加速度を微分するようにプログラム化されていることを特徴とする請求項１１乃至請求項１４のいずれか一に記載の鉛直躍度測定装置。
【請求項２４】
プロセッサは、互いに通信し合う複数のマイクロプロセッサからなることを特徴とする請求項１乃至請求項２３のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項２５】
請求項１乃至請求項２４のいずれか一記載の装置と、
動物好ましくは人体の背中に慣性検出装置を固定するための締め具とからなることを特徴とする鉛直重心移動測定装置。
【請求項２６】
締め具は接着用テープからなることを特徴とする請求項２０記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項２７】
プロセッサは、好ましくは重力の方向において、動いている間に使用されるエネルギーのうちの少なくともいくらかの測定値の計算において、移動対象物の入力質量（ｉｎｐｕｔ  ｍａｓｓ）と共に、鉛直変位の推定値又は重心の鉛直変位の微分係数を用いるようにプログラム化されていることを特徴とする請求項１乃至請求項２６のいずれか一記載の鉛直重心移動測定装置。
【請求項２８】
人体の重心の位置についての１又はそれ以上の躍度、加速度、速さ、及び変化とエネルギー消費量の推定値とを計算するときの（ｗｉｔｈ  ｉｎ  ｕｓｅ）請求項１乃至請求項２７のいずれか一記載の装置を備え、慣性検出装置は、人体であって例えば第４腰椎に隣接するように重心に十分近接した部分に取り付け可能に構成されていることを特徴とする人体歩行モニタリング装置。
【請求項２９】
参照するための自身の局所座標系における回転及び加速に関連付けられた出力を生成する慣性検出装置と、メモリ及びプロセッサと、を備え、
該プロセッサは、広域座標系における鉛直変位量又は鉛直方向の変位の微分係数を算出するために、それぞれ慣性検出装置の出力に基づく慣性検出装置の回転と第一加速度とに関連づけられた、好ましくはオイラー回転行列又は四元数である回転要素を算出するようにプログラム化されると共に、それぞれ合成の結果に基づく回転要素と第一加速度とを合成するようにプログラム化され、装置では、好ましくは窓関数である数学関数が、ドリフトに有用なノイズ／エラーの除去のために、第一加速度と回転要素との合成からのデータに対して用いられるように構成されていることを特徴とする鉛直重心移動測定装置。
【請求項３０】
測定が要求されている対象物の動きの重心に対して慣性検出装置を用い、
慣性検出装置の回転と慣性検出装置の出力からの第一加速度とに関する四元数を計算し、
好ましくは生成物を介して、四元数と加速度とを合成することを特徴とする広域座標系における鉛直方向の重心移動、又は鉛直方向の変位の微分係数を測定する方法。
【請求項３１】
請求項２乃至請求項２９の少なくとも一の特徴、工程又は適用（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）からなることを特徴とする請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
請求項３０又は請求項３１記載の方法を実施するとき、又はメモリ及び慣性検出装置に接続されたプロセッサ上で実行しているときに、請求項１乃至請求項３０のいずれか一の装置を提供する命令を有することを特徴とするコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサを用いて上下運動を測定するための装置及び方法に関する。特に、本発明は、人間の、鉛直方向における、重心の移動を慣性的に検出する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
重心（ＣｏＭ）は、人間の移動において重要とされている。長きにわたり、人間の重心の鉛直方向の変位の測定は、歩行中になされる総力学的仕事量（ｔｏｔａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｗｏｒｋ  ｄｏｎｅ  ｉｎ  ｇａｉｔ）の６５％以上に相当すると推測されてきた。
【０００３】
１９世紀以降、死体の解剖によって、人体の重心の位置は、かなり正確に推定されてきた。２０世紀には、たとえば、床反力計を用いて、人体の重心の位置は、より正確に測定されるようになった。一般に、人体の重心の位置は、背下部あたりにあるものとされている。
【０００４】
人間の重心の変位の測定は、人の動きを研究するための非常に有用な情報を提供することが見出されている。これは、高齢者や障害者の研究では、例えば、臨床ケアに有用であって、歩行に影響を与える条件の効果を決定する上で、特に有用である。手術前後の歩行における重心の移動の測定は、手術の成功を評価したり、適切な理学療法を進めたりするために利用可能である。
【０００５】
人間の重心の移動の測定は、アスリートの研究においても大変有用であると考えられており、アスリートの指導や、アスリートの動きの技術の向上に利用可能である。
【０００６】
重心の変位の測定は、人の歩き方に非対称性を示すことができる。さらに、単独でのデータの重要性が十分に理解されていない場合であっても、標準的な歩行の人に見られる重心の変位のパターンと、非典型的な歩行パターンを有する人に見られる重心の変位のパターン、又は、印象的なオリンピック選手に見られる重心の変位のパターンとの単純な比較は、有用なフィードバックを提供し、改変をもたらす。
【０００７】
歩行診断ツールの望ましい用途は、歩行異常の診断に役立てること、患者の経過をモニターすること、基礎評価をすること、及び、装具処方を支援することである。
【０００８】
生体力学の研究のための最良の現在のシステム、及び、人間から運動学的データを測定するための最良の現在のシステムは、光学式モーションカメラシステム（ＯＭＣＳ）であると考えられている。ＯＭＣＳは、３次元のキャリブレーション空間内の対象物の位置を決定する。これらのシステムは、パッシブマーカーシステムとアクティブマーカシステムとを有する。例えば、イギリス、オックスフォードで生産されたＶｉｃｏｎシステムは、対象物に取り付けられた赤外線反射マーカーを有しており、カメラからの運動学的データを有する。一方で、イギリスのＣｏｄａｍｏｔｉｏｎにより使用されているＣＯＤＡシステムでは、同様のデータを取得するために、対象物に適用されるアクティブＬＥＤセンサーが用いられている。これらのシステムは、非常に効果的で正確なデータを提供するが、多くの欠点にも悩まされている。まず第一に、そしておそらく最も重要なことであるが、非常に高価であることである。第二に、測定は、キャリブレーション領域内の動きに限定されることである。これは、一度にわずか数歩しか測定できないということを一般的には意味し、従って、あらゆるタイプの人間の移動の研究ができるとは限らない。また、現実世界での動きを再現するために、屋外実験において動きを測定することは有益である。屋外での測定は、キャリブレーション領域の必要性のために、ＯＭＣＳシステムでは困難である。特に、赤外線反射光を用いる一般的なシステムの多くにとっては、過剰な周囲の太陽光に悩まされるため、屋外での測定は、困難である。
【０００９】
ＯＭＣＳシステムの安価な代替品は、床反力計を使用して、床反力を測定することと、床反力から重心の変位を計算しようと試みることである。これは、少しは役に立つが、床反力は重心の変位とは同じではないということがわかっている。さらに、床反力計は、得られる測定値のわりに、まだ高価である。精密な床反力計は、固定式であって、硬く平らな場所に設置する必要がある。そのような床反力計は、小さく、被験者は、足を確実に床反力計に置く必要があるので、歩行スタイルに影響を与える可能性がある。正確性を期すため、床、壁、接合部は、制振信号を有するように、特別なものにする必要がある。
【００１０】
加速度計は、動きの分析にも使用されており、特に、人の歩数を計測する歩数計に使用されている。人間の移動を測定するために加速度計を使用することの難しさのひとつには、人間の移動によって作り出される円軌道は、加速度計の軸の角度が絶えず変化しているということを意味する、ということがある。軸のねじれは、グローバルな基準座標系において、つまり、重力に対しての上下に関して、加速度の計算を困難にしている。歩行中の真の動的加速度を評価するために、歩行中の被験者の姿勢の調整と装置の位置決めの不正確さは、静的な重力に対して補正される必要がある。
【００１１】
慣性計測装置のような、ジャイロスコープ、あるいは、磁気計と、加速度計とを組み合わせた装置もある。このような装置は、姿勢方位（ｉｎ  ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）の変化も加速時計のローカル軸の加速度も測定する。それゆえに、この装置は、潜在的に別のシステムの軸に置き換えられることができるローカルオブジェクトシステムの加速度のベクトルを提供することができる。このような理由から、加速装置、ジャイロスコープ、及び、ある状況においては、産業用マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭ）ＩＭＵ（一般的には、振動検出に用いられる）の連携は、関節の角度の変化や、その他の人間の動きを測定するのに用いられている。また、ＩＭＵを用いて馬の重心位置の変位を推定する試みがなされている。これは、通常、馬の研究については、ミリ単位の精度が求められていないことを考えれば、かなりの成功であった。馬の背に設置されたＩＭＵは、ほぼ水平にとどまっていたので、大部分の時間において、数学的ジンバルロックに起因するＺ軸における誤差の可能性を減少させたということが現在では判明している。
【００１２】
グローバルな基準座標系において変位を測定するために、人間の背に既知の加速度計、ジャイロスコープ、及び慣性計測装置を取り付けて、有用な程度にまで精度を高めるということは不可能であると、一般的には、仮定されている。
【００１３】
これは、ＩＭＵは、ローカルな基準座標系に関して、加速度及び姿勢方位運動についての正確なデータを与えることができる一方で、グローバルな基準座標系においては、この情報を動きに変換しようと試みるときの精度において大幅な低下があり、測定された加速度から、臨床医とスポーツのコーチにより必要とされる、より一般的なパラメータである速さと位置の測定値に展開するときに精度のさらなる損失がある、という事実に基づいている。重心近傍のいずれの装置の軸も、回転し、ねじれを生じ、グローバルな基準座標系への変換を困難にしている。
【００１４】
ＩＭＵからの鉛直方向の重心の変位を測定する際の精度の低さは、データの大部分が意図された方向から９０度回転されたＩＭＵから生成されるようにＩＭＵが腰椎に配置されていること、また、オイラー角の回転行列の利用によって、このデータの大部分が数学的ジンバルロックのために失われているということに由来していることが、本発明の発明者たちにより示されている。さらに、驚くべきことに、適切な技術の適切な利用を通じて、グローバルな基準座標系における鉛直加速度の正確な測定だけでなく、速さと鉛直方向における位置の変化をも提供することができるということがわかった。精度は、光学式モーションカメラシステムの精度にほぼ匹敵する。
【００１５】
理学療法士の調査によると、臨床の現場において、実際には、回答者のごく一部の少数派にしか、歩行実験室において診断された患者がいないことがわかった。歩行診断ツールを利用しない理由は、時間不足、予算の制約、場所不足、等であり、これらすべては、ＯＭＳＣに必要とされるものに起因している。代わりに、理学療法士は、主に、視覚的歩行診断スケール（ＶＧＡＳ）に頼っているが、これは、異常及び重症度について、個々の評価者の見解に依存しているので、主観的なものであり、時に、信頼性が低い。
【００１６】
また、ウォーキング中またはランニング中に、人（または動物）が、どのくらいのエネルギーを消費したかを計算することが望ましい。この情報は、臨床目的において有用であり、また、消費したカロリー数の計算を望んでいた運動をしている人の誰にとっても有用である。通常、これは、歩数計の使用と人間の体重の情報とにより、推定される。計算は、単に体重と歩数に基づいており、歩行の効率性、または、歩行速さ、または、地形は、考慮されない。ウォーキング中に消費されるエネルギーの大部分は、（重力に反して）重心を上下方向に動かすことによるので、重心の移動の測定は、ランニングまたはウォーキングで消費したエネルギー量をより正確に求めるために、歩数カウントのような活動の評価基準とあわせて利用されることができる。ＯＭＣＳのような従来の計測装置は、このため、利用には限界がある。これらは、キャリブレーション空間でしか測定できない。したがって、人が消費するエネルギーについての有用な情報を、非常に限定された範囲で、または、移動速さと傾斜とがすでに既知であるトレッドミル上で、得るしかできない。また、より正確なエネルギー計算について差し迫った必要性があるわけではない。さらに、消費される力とエネルギーは、部分的には、加速度または重心の速さに基いており、ＯＭＣＳは、位置についてのデータを提供する。これは、区別されるべきであるが、それによって、精度を低下させている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の少なくともいくつかの実施形態の目的は、上記問題の少なくとも一部を軽減することであり、及び／又は、人間の動きの力学的エネルギーを測定するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の態様によれば、参照するための自身の局所座標系における回転及び加速に関連付けられた出力を生成するように構成された慣性検出装置と、メモリ及びプロセッサと、を備え、該プロセッサは、広域座標系における鉛直方向変位の測定値又は鉛直方向の変位の微分係数を生成するために、慣性検出装置の出力に基づく慣性検出装置の回転及び第一加速度に関連づけられた四元数を算出するようにプログラム化されると共に、合成の結果に基づく四元数と第一加速度とを合成するようにプログラム化されている鉛直移動測定装置が提供される。
【００１９】
本発明の第２の態様によれば、参照するための自身の局所座標系における回転及び加速に関連付けられた出力を生成する慣性検出装置と、メモリ及びプロセッサと、を備え、該プロセッサは、広域座標系における鉛直変位量又は鉛直方向の変位の微分係数を算出するために、それぞれ慣性検出装置の出力に基づく慣性検出装置の回転と第一加速度とに関連づけられた、好ましくはオイラー回転行列及び／又は四元数である回転要素を算出するようにプログラム化されると共に、それぞれ合成の結果に基づく回転要素と第一加速度とを合成するようにプログラム化されている鉛直移動測定装置が提供される。
【００２０】
また、広域座標系が、鉛直方向が重力加速度の方向となる地球の表面の参照座標系（ｔｈｅ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒａｍｅ）であることが好ましい。
【００２１】
また、慣性検出装置は、慣性重心ユニットと、及び／又は、局所座標系において線形加速度を測定する複数（好ましくは３つ）の加速度計、回転動作を測定する少なくとも１つ（好ましくは３つ）のジャイロスコープ、好ましくは例えばカルマンフィルタを用いる等により出力されたデータを融合する装置と、を有することが好ましい。
【００２２】
また、装置は、広域座標系における鉛直方向変位の推定値、又は変位の微分係数を生成する前に、第一加速度と四元数との合成からの結果であって、出力の結果としての予め決定された振動数を上回るか又は下回るものに対してフィルタをかけるように構成され、装置は、歩行又は走行時の最大歩幅振動数に基づき選択された振動数たる２５Ｈｚを超えたデータをフィルタにより除去するように構成され、メモリ中に適切にプログラミングされて格納され、フィルタリングに用いられるフィルタを構成するバターワースフィルタを備えることが好ましい。
【００２３】
また、ドリフトに対して効果をもたらすノイズ／エラーの除去のために、装置では、第一加速度と四元数との合成から得られたデータに対して数学関数好ましくは窓関数が用いられ、装置は、第一加速度と四元数との合成から得られた結果におけるノイズ／エラーの直流成分（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を推定し、その除去のために該推定に基づいて数学関数を選択し、該数学関数はハニング窓（Ｈａｎｎｉｎｇ  ｗｉｎｄｏｗ）であり、装置は、フィルタをかけた後に数学関数を用いることが好ましい。
【００２４】
また、プロセッサは、好ましくは鉛直方向が重力加速度の方向となっているときに、好ましくは四元数及び第一加速度の積から、鉛直方向における加速度を算出するようにプログラム化されていることが好ましい。
【００２５】
また、プロセッサは、装置がメモリに記録されたときに、好ましくは慣性検出装置によって導き出されて重力の加速度を計算することによって、広域座標系における鉛直方向の慣性検出装置の加速度を測定するために、算出された加速度から重力の加速度を減算するようにプログラム化され、装置は、計算された加速度を積分することにより、広域座標系の鉛直方向における慣性検出装置の速さを測定するように構成され、加速度は、積分の前にフィルタがかけられ、及び／又はデ−ドリフトされ、プロセッサは、好ましくは鉛直方向が重力加速度の方向であるような地球の表面において、広域座標系における鉛直方向の変化を測定するために、鉛直方向において得られた加速度を２回積分するようにプログラム化されていることが好ましい。
【００２６】
また、得られたデータは両方の積分をする前にフィルタがかけられ、及び／又はデ−ドリフトされることが好ましい。
【００２７】
また、プロセッサは、好ましくは同時に全ての加速度及び／又は速さデータを、シンプソンの公式を用いてデータを積分するようにプログラム化されていることが好ましい。
【００２８】
また、第一加速度は、３次元ベクトルを形成し、四元数は（４、３）型行列からなり、広域座標系における加速度ベクトルを算出するために、第一加速度ベクトルが積算され、これから鉛直変位の量又は鉛直変位の微分係数が計算され、四元数行列は、ｑ０を実数、ｑ１、ｑ２、及びｑ３を複素数としたときに、
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からなることが好ましい。
【００２９】
また、プロセッサは、四元数をメモリ中に記憶し、また、慣性検出装置の回転に関連付けられた四元数を得る際に用いるために、少なくとも鉛直方向において、慣性検出装置が静止中に広域座標系の鉛直方向において予想される重力加速度と共に慣性検出装置からの加速度の出力から、四元数を計算するようにプログラム化されていることが好ましい。
【００３０】
また、広域座標系における加速度ベクトルのうちの一の次元は、重力の方向に平行をなす方向と、鉛直の加速度として得られる値とを示していることが好ましい。
【００３１】
またプロセッサは、互いに通信し合う複数のマイクロプロセッサから構成されてもよい。
【００３２】
また、プロセッサは、広域座標系における鉛直方向において、好ましくは鉛直方向が重力加速度の方向であるような地球の表面において、躍度を測定するために、鉛直方向における時間に関連づけて、得られた加速度を微分するようにプログラム化されている本発明の一の態様による装置を有する鉛直躍度測定装置が提供される。
【００３３】
また、動物好ましくは人体の背中に慣性検出装置を固定するための締め具を有し、装置が人等の移動する対象物の重心の推定された測定値に固定されているときに、装置は、広域座標系における重心の鉛直方向変位の推定値又は鉛直方向の変位の微分係数を測定し好ましくは締め具は接着用テープからなり、及び／又は、装置が人等の移動する対象物の重心に固定されているときに、広域座標系における重心の加速度及び鉛直方向変位を測定し、プロセッサは、好ましくは重力の方向において、動いている間に使用されるエネルギーのうちの少なくともいくらかの測定値の計算において、対象物の入力質量（ｉｎｐｕｔ  ｍａｓｓ）と共に、このデータを用いるようにプログラム化されている、本発明の態様による装置を有する鉛直重心移動測定装置が提供される。
【００３４】
また、人体の重心の位置についての１又はそれ以上の好ましくは全ての躍度（ｊｅｒｋ）、加速度、速さ、及び変化と力学的エネルギー消費量の推定値とを計算するときの（ｗｉｔｈ  ｉｎ  ｕｓｅ）請求項１乃至請求項２７のいずれか一記載の装置を備え、慣性検出装置は、人体であって例えば第４腰椎に隣接するように重心に十分近接した部分に取り付け可能に構成されている人体歩行モニタリング装置が提供される。
【００３５】
また、本発明の一の態様によれば、要求されている位置において又は測定が要求されている動きの対象物に対して慣性検出装置を用い、慣性検出装置の回転と慣性検出装置の出力からの第一加速度とに関する四元数を計算し、好ましくは生成物を介して、四元数と加速度とを合成することを特徴とする広域座標系における鉛直方向の重心移動、又は鉛直方向の変位の微分係数を測定する方法が提供される。
【００３６】
ここで、少なくとも一の特徴、工程、好ましくは本発明の他の態様の特徴からなる方法であることが好ましい。本発明の実施の形態は、以下の図面を参照して、例のみにより詳述される。
【発明の効果】
【００３７】
以上の構成により、初期の目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】慣性計測装置の概略図である。
【図２】本発明に係る人間に利用される装置の概略図である。
【図３】本発明に係る装置を利用した本発明に係る方法のフローチャートである。
【図４】図４ａ、図４ｂ、図４ｃは、本発明に係る一実施形態と従来のＯＭＣＳシステムとの比較によるデータのグラフである。
【図５】本発明の一実施形態によるデータのピークと図４において比較されたＯＭＣＳとの間のＢＩＡＳと比較して直交軸ｘにおける速さを示す相関ボックスプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１を参照すると、従来技術として知られているタイプのＭＥＭＳ慣性計測装置（ＩＭＵ）１０が図示されている。ＩＭＵ１０は、カルマン融合プロセッサ／集積回路１８及び出力２０と共に、加速度計１２と、ジャイロスコープ１４と、磁気計１６とにより構成されている。
【００４０】
加速度計１２は、各測定軸が他の２つの軸に対して直交するように配置された３つの加速度計により構成されている。各加速度計は、それぞれの軸方向における慣性加速度(Ｉｎｅｒｔｉａｌ
ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ)を測定する。同様にジャイロスコープ１４も、加速度計１２の３つの軸に平行をなすかもしれないか、又は少なくともこれらに対して既知の角度をなして指向する３つの測定軸に沿った直交パターンで配置されている。ジャイロスコープは、ローカル対象物座標系（ａ
ｌｏｃａｌ ｏｂｊｅｃｔ ｃｏ−ｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ）との関係で回転位置を測定する。磁気計１６は任意の構成であり、必ずしもＩＭＵが備えてはいるとは限らない。本発明の目的のためには、ＩＭＵ１０は、磁気計１８が無い状態で使用される。磁気計１８は、磁場の強度を測定するが、利用における応用は様々である（ｔｈｅ  ｕｓｅ
ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｖａｒｙ ｏｎ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）。例えば、磁気計は、宇宙探査の場合には、近傍磁場の測定に用いられるのであるが、地球の磁場との関係でＩＭＵの位置を検出するために用いられる。磁気計は、屋内において観測される磁場において優れた威力を発揮する。
【００４１】
プロセッサ又は集積回路１８は、加速度計１２、ジャイロスコープ１４、及び磁気計１６の全てからの出力を受け取り、これらから方向の情報を生成し、この情報を出力２０へ送るようにプログラム化されているか、又は数学的にハードコード（ｈａｒｄ
ｃｏｄｅｄ）されている。一般に、２つの又は３つの入力を融合させるためのこのプログラムは、カルマン融合に基づく。そして、この出力情報は、ユーザに対してＩＭＵ１０の方向を知らせる。例えば、ＩＭＵと同様の形状の概略的な箱の形状でコンピュータスクリーン上に表示可能であったり、ＩＭＵ１０の回転と同一角度となるようにスクリーン上でリアルタイムで回転していることを表示可能であったりする。
【００４２】
方向の情報は、振動の測定や宇宙探査といった具合に様々に応用されて用いられる。近年では、例えば膝や肘の曲がり方などの生物力学における角度や動きの測定に用いられている。
【００４３】
図示されているＩＭＵは、従来型のＩＭＵの典型的な形状をなしている。図示されているように、第１の方向Ｌにおけるその長さが、第２の方向Ｗにおけるその幅及び第３の方向Ｄにおけるその奥行きよりも遥かに長い立方体（又はしばしば他の平行６面体であるかもしれない）をなしている。奥行き軸Ｄが含まれる面であって地球の表面に平行な面が、グローバル座標系（ｇｌｏｂａｌ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｒａｍｅ）における鉛直の方向、即ち、地球の重力の方向に実質的に平行をなし、一般的にＩＭＵ１０は、当該面に面で当接した状態とされて用いられる。
【００４４】
図２には、本発明による実施の形態たる装置５０が図示されている。装置５０は、プロセッサ５４及びメモリ５６を有するコンピュータ５２により構成されており、コミュニケーションチャンネル５８を介してＩＭＵ１０に接続されている。コンピュータは、平凡な汎用コンピュータか、互いに接続された多数のコンピュータであるかもしれない。メモリ５６は、ランダムアクセスメモリを有するかもしれず、好ましくは例えばハードディスク等の一種の不揮発性の記憶装置を有するか、又は、これら両方を有するかもしれない。
【００４５】
ＩＭＵ１０は、人体Ｐの背後の腰部の部位に固定され、人の重心の推定位置に実際に配置可能な程度に近い位置に配置される。縛り付けの構造は、単にテープ１１からなるかもしれない。ＩＭＵ１０は、第４腰椎に隣接してテーピングされるかもしれない。
【００４６】
使用時には、人体Ｐは前後に歩く。
【００４７】
図より分かるように、ＩＭＵ１０は、奥行き軸Ｄが含まれる面であって重力の方向に一致する面に面で当接しておらず、ＩＭＵ１０は、重力の方向に一致するのに最も近い軸が長さ軸「Ｌ」となるように、９０°ねじれた位置関係をなしている。背中が曲面をなしているため、Ｌ軸でさえも重力とは平行をなしていない。人体が歩いているときには、ＩＭＵ１０の３つの全ての軸は、しばしば複雑な動きの中で基準座標系に対して相対的に動く。
【００４８】
現代のＩＭＵはしばしばＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）に依存している。この場合に用いられるＩＭＵは、オランダのエンスヘーデ製のエックスセンスを有する。
【００４９】
また図２には、ＩＭＵの局所軸（ｌｏｃａｌ  ａｘｅｓ）Ｗ、Ｄ、及びＬと、広域座標系（ｔｈｅ  ｇｌｏｂａｌ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｓｙｓｔｅｍ）の軸Ｘ、Ｙ、及びＺとが示されている。この場合後者は、Ｘ及びＹ軸が地球の表面に沿い且つＺ軸が重力の方向にある位置関係で、地球上の対象物の法線フレーム（ｔｈｅ  ｎｏｒｍａｌ  ｆｒａｍｅ）に一致する。人体Ｐの位置ではこれらの軸は、ｘが前頭面に直交する横断面における前方への動きの軸であり、ｙが矢状面上で直交する横断面の左を指す軸であり、ｚが横断面に直交する前頭面における鉛直上方への動きの軸である、人の歩行の基準軸と一致している。ＩＭＵ１０は、感度を最大とし、前頭面における動きにおいて非対称となるように、可能な限り背中の幅に関して中央にテーピングされる。
【００５０】
ＩＭＵのカルマン融合プロセッサ１８から受信した情報は、局所軸（ｌｏｃａｌ  ａｘｅｓ）Ｗ、Ｄ、及びＬに基づく方向に関連付けられている。同様に、加速度計１２から取り出されたデータは、３つの局所軸（ｌｏｃａｌ  ａｘｅｓ）Ｗ、Ｄ、及びＬに沿った加速と関連付けられている。これらの加速度には幾らかのエラーが含まれており、これらの加速度から広域座標系のＸ、Ｙ、Ｚフレーム（ｆｒａｍｅ）における加速度へ変換される際に誤った処理（ｗｒｏｎｇ  ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）が用いられると、これらのエラーは更に増加する。スピード化を図ったり位置を変化させたりするためにこれらが不適切に合成されると、加速度中のエラーは更に増加するであろう。
【００５１】
図３には、本発明に従い用いられるプロセスと共に、コンピュータ５２及びメモリ５６がＩＭＵ１０と共に図示されている。ステップＳ１００では、方向の情報がカルマン融合プロセッサ１８の出力２０から取り出されステップＳ１０２では、対象物参照フレームＷ、Ｄ、Ｌにおける加速度が加速度計１２から直接取り出される。
【００５２】
次のステップＳ１０４では、Ｓ１００から及び融合プロセッサ１８からの方向のデータが回転要素（ｒｏｔａｔｉｏｎ  ｅｌｅｍｅｎｔ）を形成するために用いられる。
【００５３】
従前より、ＩＭＵを生物力学において使用するために、回転行列（ｒｏｔａｔｉｏｎ  ｍａｔｒｉｃｅｓ）に基づくオイラー角が用いられている。この選択は、出力データにおいて正確さが欠ける一つの原因となることが分かっており、また、人体の第４腰椎に対して９０°近い位置関係をなしてテーピングされたＩＭＵ１０からのデータを測定しようとする場合に、オイラー角回転行列ははなはだしく不正確なデータを導くことができる（ｃａｎ  ｌｅａｄ）ことが分かっている。
【００５４】
オイラー角回転計測が用いられる場合には、ＩＭＵの方向を加味して通常の人体の歩行中にＩＭＵ１０に応用される回転の種類は、数学的なジンバルロックを頻繁に生じさせることが分かっている。これは情報の欠損を導く。代わりに、回転要素に基づく四元数（ａ  ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ）を用いることで、より正確な情報を得ることができることが分かっている。以前より四元数は宇宙工学や仮想現実において用いられているが、生物力学における重要性や、ＩＭＵの対象物座標系（ｔｈｅ  ｏｂｊｅｃｔ  ｆｒａｍｅ）から広域座標系における鉛直方向の加速度への回転加速度において用いることについては考慮されてはいない。
【００５５】
コンピュータ５０は、本発明に従うソフトウェアプログラム命令（ｓｏｆｔｗａｒｅ  ｐｒｏｇｒａｍ  ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ）を、そのメモリ５６に有している。プログラムを実行するコンピュータ（ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ）５０は、ステップＳ１０２において対象物座標系から直交広域座標系（ｔｈｅ  ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  ｇｌｏｂａｌ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｓｙｓｔｅｍ）Ｘ、Ｙ、Ｚ上へ転置するために、出力２０からのデータから計算された四元数行列を用いて、例えば、ＬａｂＶＩＥＷ  ８．５．１を実行する。このような等式の例を以下に示す。
2012513227.tif 000004
【００５６】
ここで（ｗｈｅｒｅ）、ａ（ｇｓ）は広域座標系における線形加速度である。ａ（ｏｓ）は（３、１）型の行列で示され対象物／局所座標系における線形加速度であり、Ｒ（ｑ）は、実数ｑ０と、複素数ｑ１、ｑ２、及びｑ３が（４、３）型の行列中に組み込まれて構成された四元数回転行列である。適切な回転行列Ｒ（ｑ）は以下に示されるとおりである。
2012513227.tif 000005
【００５７】
人体Ｐの動きが測定される前に、基線重力測定（ｂａｓｅ−ｌｉｎｅ  ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）をするために、好ましくは対称となる人体（ｓｕｂｊｅｃｔ  ｐｅｒｓｏｎ）Ｐは、例えば３秒程度立ったままでいることを要求される。出力２０はａ（ｏｓ）を生成するため（ｓｉｎｃｅ）、静止している間ａ（ｇｓ）のｚ成分を、−１Ｇ又は−９．８１±０．２ｍｓ−２に等しくすべきことが知られており、上記の等式を用いてＲ（ｑ）の適切な値を計算することができる。動作中の方向のデータから四元数行列が計算されたときに、ステップ１０４の基礎として（ａｓ  ａ  ｂａｓｉｓ  ｆｏｒ  ｓｔｅｐ  １０４）これらの値が用いられる。
【００５８】
上述の等式は、人体が動いている間ａ（ｏｓ）を広域座標系へ転置するために用いられる。
【００５９】
ステップＳ１０４から広域座標系における加速度が得られ、この場合、加速度はＺ軸における加速度に最も関係がある。動作前には、ステップは行われるため（ｓｔｅｐｓ  ｔａｋｅｎ）、Ｚ軸は重力の方向であることが知られている。ステップＳ１０６では、静止している間、重力の平均値（即ち、略−１Ｇ  −９．８１±０．２ｍｓ−２）は算出されたＺ軸線形加速度から差引かれる。直立している被験人体（ｓｕｂｊｅｃｔ  ｐｅｒｓｏｎ）Ｐが正確な減算のために利用されときに得られたデータである「Ｇ」として知られている値に単に信頼するのではなくて、である。
【００６０】
ステップＳ１０６では、鉛直方向における加速度に関する情報を生成する。ステップＳ１１０では、加速度測定の正確さを改善するために、また、Ｚ方向における測定のスピード化を図るために、多数のプロセスを実行する。
【００６１】
まず、Ｓ１１２において、加速度データにフィルタがかけられる。四次バターワースローパスフィルタが特に効果的であることがわかっている。重要なことに、ＩＭＵ１０のセンサ群は、被験者の歩行に関して、振動と実際の動きとの区別をすることができない。そのような好ましくない振動を除去するために、ある振動数を超える加速度は、フィルタにかけられ、除去される。一般的には、バターワースフィルタは、２５Ｈｚを上回る加速度を除去するために用いられる。ウォーキング／歩行の組成は、２５Ｈｚより速い振動数では存在しない。従って、これを上回るあらゆる情報または振動数は、歩行パターンとは関係がない。
【００６２】
フィルタをかけた後、データは、Ｓ１１４において、デ−ドリフトされる。ＩＭＵ１０のようなＩＭＵは、センサ群の自然な偏りのせいであると考えられる出力データのドリフトに悩まされている。時間が経つにつれ、このドリフトは、結果を著しく非対称にする。ある期間にわたって歩行を計測することが望まれているので、時間の経過に伴って次第に発生するドリフトが結果にダメージを与えることのないように、データをデ−ドリフトすることは必要である。
【００６３】
データ出力からドリフトの形状を考察したり、この推定から直流成分（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を考察したりすることができる。例えば、振動数の解析は、ドリフトを計算するためのデータのプロットに実行することができる。一度この直流の推定が得られれば、窓関数を適用することにより、データから差し引くことができる。そして、このように、ドリフトの多くを除去することができる。カティッチ他（Katic, et.al）により 「交流直流変換器の高調波解析のための方法のアプリケーション向けの比較（“Application-Oriented
Comparison of the Methods for AC/DC Converter Harmonics Analysis” ）」（インダストリアルエレクトロニクスの米国電気電子学会議事録、第５０巻、第６号、２００３年１２月出版）において使用のために述べられているような、例えば、３点のハニング窓が、特に効果的であることがわかっている。
【００６４】
Ｓ１１２におけるフィルタリング、及び、Ｓ１１４におけるデ−ドリフトの後、加速度計からのデータを使用する場合によくあるように誤差を過度に著しく増加させることなしに、加速度データを積分して、速さデータを求めることができるということがわかっている。特に、ドリフトにより引き起こされる問題は、積分の後に増加する。
【００６５】
Ｓ１１６において、データが積分される。データを積分する方法は、多くの異なる方法があり、ＩＭＵを用いる従来のアプローチでは、データを小さなステップに分けて、これらを別々に積分するというのが一般的である。本発明では、シンプソンの公式を全データセットに同時に適用する時でさえ、シンプソンの公式を利用することにより、良い結果が得られることが分かっている。積分方法の適性は、生体力学的運動の専門家との協議によって検証されることができた。このような専門家は、期待される結果の知識を有し、生体力学的運動のデータベースにアクセスでき、従って、積分の結果として得られる速さがどのようになるべきかを知っている。このＳ１１６から、グローバルシステムにおける速さが、Ｓ１１８において、Ｚ方向に提供される。
【００６６】
Ｓ１２０において、グローバルＺ軸における相対的位置変化を与えるために、Ｓ１１２、Ｓ１１４、Ｓ１１６が繰り返される。重要なことは、フィルタリング、デ−ドリフト、及び、シンプソンの公式を用いる積分により、速さから相対的位置変化に移る際に、相対的誤差が、過度に著しく増加しないということである。一般的に、加速度計からデータを解析しようと試みるときに、位置が計算される時までに存在する誤差は、しばしばあまりに大きすぎ、有用でない。
【００６７】
加速度、速さ、及び、位置は、すべて、時間ｔにわたって測定され、Ｓ１０６、Ｓ１１８、Ｓ１２０からのそれらの計算された値は、すべて、独立してメモリ５６に格納される。
【００６８】
時間に関して加速度の微分係数（ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）を求めるために、Ｓ１１２からＳ１１８を繰り返すことにより、さらに、Ｓ１２２が追加されてもよい。この値は、しばしば「躍度」と呼ばれるものであり、臨床ケアやその他で用いられる。
【００６９】
ウォーキングまたはランニングで人間Ｐにより消費されるエネルギーを計算するために、Ｓ１０６からの加速度データは、Ｓ１２０からのデータから計算された位置ベクトルと共に利用される。歩行中、人間の質量は一定であるので、Ｚ方向でなされた仕事量は、Ｚ方向における位置（地面からの高さの変化）から計算された重力に逆らってなされた仕事量と共に、人間の質量とＺ方向における位置に対する加速度の積分とから計算されることができる。これらの計算から、重心が鉛直方向に移動するときに、どのくらいのエネルギーが消費されたのかがわかる。これが、費やされたエネルギーの大部分を占める一方で、それが、その全てを占めるわけではなく、従って、総エネルギー量を推測するためには、さらなる適応モデルが必要とされる。これは、例えば、一定のＪ／Ｋｇを最初の計算に加えること、または、一定の割合により計算された値を増加させること、である。推測された重心に作用する総エネルギー量は、１／２ｍｖ２を用いる運動エネルギーとｍｇｈを用いる位置エネルギーとを導き出すことにより、速さと変位情報から計算されることもできる。これらのパラメータが得られることにより、歩行中に行われる外的仕事量（ｔｈｅ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｗｏｒｋ  ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ）とエネルギー変換効率とを計算することができる。あるいは、上述のデータのいくつかのみが、例えば、重力に逆らってなされる仕事量の推測を用いることのみが、その推測に用いられる。
【００７０】
あるいは、エネルギー量は、測定された鉛直データ（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｄａｔｅ）と実験により得られたデータとを組み合わせることにより、推測されることができる。歩数計を用いる従来の方法では、その体重の平均的な人間が、一歩あたりどのくらいのエネルギーを消費するかという実験に基づくデータからの参照とともに、何歩歩いたかという計測を用いる。同様に、その他の手段（例えば、心拍計）で測定されたエネルギーに対して、装置５０を用いて測定された歩行パターンの実験に基づくデータを積み上げることも可能であろう。格納されたデータに装置５０を適用することは、歩数や体重だけよりも、エネルギー量のより正確な推測を提供することができる。
【００７１】
本発明による実施形態の例から収集されたデータが、以下に示される。このデータを生成するために、年齢２３．４歳±３．８歳、体重８０．５キロ±１４．３キロ、身長１８１センチ±５．４センチの４人の男性と１人の女性が、被験者となった。本発明によるＩＭＵからの測定及び計算と同様に、反射マーカがＩＭＵの中央部に配置され、ＯＭＣＳと共に、変位を測定した。今回は、ＯＭＣＳは、スウェーデン、ストックホルムのＱｕａｌｉｓｉｓ  Ｐｒｏｒｅｆｌｅｘ  システムが用いられた。装置５０と既知のＯＭＣＳは、いずれも、同期され、１００Ｈｚのサンプル振動数を測定した。測定されたどの人も、自分で選択した歩行速さＳＳＷＳで、歩行することが許された。
【００７２】
ＯＭＣＳの位置データは、５点の（５  ｐｏｉｎｔｓ）窓関数とともに（ｗｉｔｈ  ａ  ｗｉｎｄｏｗ  ｏｆ５  ｐｏｉｎｔｓ）、サビツキー・ゴーレイ（Ｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ）平滑化フィルタを用いることにより、平滑化された。加速度は、
2012513227.tif 000006
を用いて、位置から対照的に算出された。
2012513227.tif 000007
が、直交枠における直線加速度を表わし、
2012513227.tif 000008
が、キャリブレーション直交枠における反射マーカの位置を示す。
【００７３】
Ｚ軸のピーク振幅は、本発明の装置５０とＯＭＣＳとの両方からのデータセットから抽出され、窓関数のために、ＳＰＳＳ１４にインポートされた。データセットは、対応のあるサンプルのｔテスト（ｐａｉｒｅｄ  ｓａｍｐｌｅ  ｔ−ｔｅｓｔ）と、テストと標準偏差との平均値として定義される、マグロウ（ＭｃＧｒａｗ）他による一貫性級内相関テスト（ＩＣＣ）（「ある級内相関係数についての推論の形成（Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｉｎｆｅｒｅｎｃｅｓ  Ａｂｏｕｔ  Ｓｏｍｅ  Ｉｎｔｒａｃｌａｓｓ．  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ）」、サイコロジカル  メソッド（Ｐｓｙｃｈｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｍｅｔｈｏｄｓ）、第１巻、第１号
、１９９６年３月、３０−４６ページ）を含む、二要因混合効果（Ｔｗｏ−Ｗａｙ  Ｍｉｘｅｄ  ｅｆｆｅｃｔ）を用いて比較され、計算された。また、Ｘ軸における速さとＢＩＡＳとの間に部分線形相関テストも実行された。適切なテスト−再テスト信頼性が、連続型変数に対してＩＣＣ≧０．７５として定義されている。
【００７４】
鉛直軸におけるＣＯＭの速度と位置の相対的ピーク・トラフ差は、どちらのシステムのためにも計算され、対応のあるサンプルのｔテストを用いて比較された。二要因ＩＣＣ（Ｔｗｏ−Ｗａｙ  ＩＣＣ）は、先に述べたように実行された。ＩＭＵ誤差から差し引かれたＯＭＣＳの速さと位置における相対的差異として表される誤差は、どちらのデータセットにおいても表れる多くのピークとトラフに応じて計算された。
【００７５】
３回の歩行にわたって計算された標準偏差を含むそれぞれの被験者の３回の歩行にわたるＩＭＵとＯＭＣＳから収集されたこれらのステップのデータは、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）と以下の表に示されている。
2012513227.tif 000009
【００７６】
表は、Ｚ軸における加速度、速度、相対的位置変化の５人の健康な被験者について、３回の歩行にわたる平均的な誤差を示す。誤差は、ＯＭＣＳの速さ（ｓｐｅｅｄ）と速さ（ｖｅｌｏｃｉｔｙ）における相対的差異から差し引かれたＩＭＵの速さと速度における相対的差異であるものとして計算される。この差異は、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）の右側の軸上に示されている。
【００７７】
図４（ａ）において、装置５０とＯＭＣＳとからの加速度データが示されている。この図と表からわかるように、ＩＭＵの加速度とＯＭＣＳの加速度との間のデータは、ＯＭＣＳとＩＭＵとの間の十分な一致を示している。ＩＭＵからのＺ軸の振幅（２．１  ±  １．２ｍｓ−２）と光学式モーションキャプチャシステムからの振幅（２．３±１．２ｍｓ−２）とは、システム間の一致を示し、著しい違い（ｐ≧  ．０５）ではなかった。さらに、ＩＣＣ＝０．９５２と確率的誤差０．１７６ｍｓ−２も、システム間の強固な一致をはっきりと示している。被験者間、直交系におけるＸ軸における速さとＢＩＡＳとの間の部分線形相関は、相関性がなかった（γ＝．０６５）。
【００７８】
図４（ｂ）は、２つの装置からの速さを示す。ＯＭＣＳとＩＭＵの速さの相対的変化（ピークからピーク）の対応のあるサンプルのｔテストは、著しい差（ｐ＜．０５）を示す。二要因混合ＩＣＣ（Ｔｗｏ−Ｗａｙ  Ｍｉｘｅｄ  ＩＣＣ）は、前述されたように実行され、０．１２１ｍｓ−１の確率的誤差を含むＩＭＵとＯＭＣＳとの高い重要性（ＩＣＣ＝．８８８）を示した。ＩＭＵから差し引かれたＯＭＣＳの速さにおける相対的差異である誤差は、３回の歩行にわたる被験者間の平均値として、以下のテーブルに示されている。
2012513227.tif 000010
【００７９】
位置の変化の測定は、図４ｂに示されている。ＯＭＣＳとＩＭＵとの位置の相対的変化（ピークからピーク）の対応のあるサンプルのｔテストは、著しい差（ｐ≧．０５）を示していない。二要因混合ＩＣＣは、１．３５ｃｍの確率的誤差を含む極めて著しい相関関係（ＩＣＣ＝．７８２）を示している。  
【００８０】
ＩＭＵとＯＭＣＳによって測定された位置のトラフ間の時間の差として計算されたステップ時間は、以下の表に示されている。
2012513227.tif 000011
【００８１】
これは、著しい差（ｐ≧．０５）を示さなかった。二要因混合ＩＣＣは、８．６２ｍｓの確率的誤差を含む極めて著しい相関関係（ＩＣＣ＝．７５７）を示した。
【００８２】
結果は、加速度の著しい差を示していないが、速さと位置のピークからピークの著しい差を示している一方で、その差異は、実際には、予期されたものよりはるかに小さかった。本発明は、加速度の測定から完全に積分に依存しているのに対して、Ｚ軸における位置の変化に至るとき、ＯＭＣＳは、位置を直接的に測定しているので、はるかに優れているはずである。
【００８３】
図５は、ＩＭＵのピークとＯＭＣＳのピークとの間のＢＩＡＳと比較され直交Ｘ軸における速さを示す相関関係ボックスプロットを示す。
【００８４】
高価なＯＭＣＳと比較して、そのような測定位置においてあらわれる誤差のわずかな差に対し、用いられたフィルタとデ−ドリフトの技法は、加速度データの積分の前に極めて効果的であり、四元数回転行列を用いて物体座標系をグローバル基準座標系に転換することは非常に効果的であるということを実証するように見える。本発明による装置は、従って、このような加速度測定に関して、ＯＭＣＳの代わりとなる、精密で、安価な代替品であるように思われる。
【００８５】
本発明の他の実施形態において、形の異なるＩＭＵが用いられる。これは、背中のカーブに配置するときに、プラスマイナス９０度よりむしろ、０度近くに配置することができる。数学的ジンバルロックによりデータを喪失する危険性が増すのは、プラスマイナス９０度の角度である。
【００８６】
測定時間が長くなればなるほど、結局、データの正確性は低くなるが、デ−ドリフトの効果的な使用により果たされ、各積分と共に使用され、好ましくは、各積分の前に使用されることを確実にする役割は、より重要となる。
【００８７】
本発明による装置５０は、臨床用途には十分に正確な、人間の歩行の時空的測定を提供する。重要なことには、異なる被験者に関して、ＯＭＣＳと比較すると、ＩＭＵを用いることにより人間の歩行を診断する本発明の方法は、正確であり、トレッドミル上で人工的に歩く被験者からデータを求めるにすぎないのとは対照的に、被験者が実世界の状況において自分で歩行速さを選択する。  
【００８８】
さらに、人間のＣｏＭを測定する装置と方法を提供するのに加えて、本発明による運動学的実施形態は、グローバル基準系における鉛直位置、速度、加速度躍度、あるいは、エネルギー／仕事量情報が役立つ場合には、他の用途にも用いられてもよい。例えば、コンピュータゲーム用のコントローラは、本発明によるシステムのＩＭＵを備えていてもよく、これにより、コンピュータゲームの入力装置として、鉛直方向における位置を正確に変化させる。コントローラのような、娯楽産業において役立つものであるのと同様に、シミュレーションプログラムにおいても用いることができる。ＣｏＭの測定と消費エネルギーは、他の動物や、非生物移動オブジェクトにも適用できる。
【００８９】
本発明の実施形態は、一般的に上述のとおりであり、地球表面の基準座標系における鉛直方向の動きを測定するのに用いられる限りは、本実施形態は、いずれのグローバル基準座標系においても用いられることができる。地球はもちろん、本発明の実施形態は、適切に調整される重力加速度の値と天体の重力に対応するＸ軸と共に、月のような、それぞれの相当な重力場を有す他の天体の重力についての計算を含め、同様の方法で、使用されることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、慣性センサを用いて上下運動を測定するための装置及び方法の分野において有用である。
【符号の説明】
【００９１】
１０   慣性計測装置
１１   テープ
１２   加速度計
１４   ジャイロスコープ
１６   磁気計             
１８   カルマン融合プロセッサ及び集積回路
２０   出力
５０   装置
５２   コンピュータ
５４   プロセッサ
５６   メモリ
５８   伝達経路
【図１】
2012513227.tif 000013
【図２】
2012513227.tif 000014
【図３】
2012513227.tif 000015
【図４】
2012513227.tif 000016
【図５】
2012513227.tif 000017
【国際調査報告】
2012513227.tif 000018
2012513227.tif 000019