JP2006345990A - System for estimation of muscle activity - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system for extracting an estimated value of the quantity of activity of muscles or the quantity of movement of lower limbs of a user doing exercise without giving physical restraint or pain to the user or without local restraint. <P>SOLUTION: The system is characterized by a pressure sensor disposed in such a position as can measure the pressure generated in a specific region of the sole of the user and a processor for extracting the quantity of activity of one or a plurality of muscles or the quantity of movement of the lower limbs based on the output from the pressure sensor. The processor extracts the quantity of activity of the muscles based preferably on the output from the pressure sensor and the previously computed correlation coefficient between the output and the quantity of activity of the muscles or the quantity of movement of the lower limbs. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、歩行などの際に足裏に発生する圧力に基づいて、筋肉の活動量乃至下肢の動き量を推定するための筋活動推定システムに関する。   The present invention relates to a muscle activity estimation system for estimating the amount of muscle activity or the amount of movement of a lower limb based on pressure generated on the sole of a foot during walking or the like.

高齢化社会において寝たきり老人の増加を予防するためには、筋機能、特に大腿後面の筋群を刺激し、筋組織量や筋力の低下を抑制することが有効といわれる。また、海外では近年、山歩きや散歩、ストレッチなどの運動を一ヶ月程続けるとパーキンソン病や認知症状が改善した、という実例報告がある。特別なトレーニングを行っていない人にとって、歩行は日常生活の中で下半身の筋群を刺激する最も効果的な活動であるが、どの程度筋群に刺激を与えているかを簡易に判断する手段はこれまでない。   In order to prevent an increase in bedridden elderly people in an aging society, it is said that it is effective to stimulate muscle functions, particularly muscle groups on the rear surface of the thigh, and suppress the decrease in muscle tissue mass and strength. In recent years, there have been actual reports that Parkinson's disease and cognitive symptoms have improved after a month of walking, walking, stretching, etc. for about a month. For those who do not have special training, walking is the most effective activity that stimulates the lower body muscles in daily life, but a simple means to determine how much stimulation is being applied to the muscles Never before.

従来の筋活動量を把握する方法として、筋肉の活動量を外部から電気的に把握できる筋電図を用いる方法が一般的である。以下、図10により、従来の筋電図測定について説明する。本図は、筋肉に力を加えたときの筋電位変化量を測定した例を示す。この図は非特許文献1に記載されたものである。図において横軸は時間に対応する。aは加えた力の時間変化を示す。bはそのときの筋内筋電図の電位変化の状態、cは表面筋電図の電位変化の状態を示す。力が増加すると筋電図の振幅が増加することが分かる。従って、筋電図を測定することにより、その振幅値から筋肉の活動量の推定が可能である。   As a conventional method of grasping the amount of muscle activity, a method using an electromyogram that can electrically grasp the amount of muscle activity from the outside is common. Hereinafter, conventional electromyogram measurement will be described with reference to FIG. This figure shows the example which measured the myoelectric potential change amount when force was applied to the muscle. This figure is described in Non-Patent Document 1. In the figure, the horizontal axis corresponds to time. a shows the time change of the applied force. b shows the state of potential change of the intramuscular electromyogram at that time, and c shows the state of potential change of the surface electromyogram. It can be seen that the electromyogram amplitude increases as the force increases. Therefore, by measuring the electromyogram, it is possible to estimate the amount of muscle activity from the amplitude value.

一方、リハビリテーションなどの運動プログラムにおいて、運動処方に沿って体の動作がなされているかの判断は、医師やトレーナーといった専門家の目で見て判断されることが一般的である。その際、テレビ、ビデオ、ストロボ使用による連続撮影による方法を用いて被験者に現在の状態を視覚的にフィードバックすることや、記録として残すことが一般的に行われている。
金子公宥、福永哲夫編、「バイオメカニクス 身体運動の科学的基礎」、杏林書院、2004年10月1日、第1版第1刷、p.445
On the other hand, in an exercise program such as rehabilitation, it is common to determine whether a body is moving according to an exercise prescription with the eyes of an expert such as a doctor or a trainer. At that time, it is a common practice to visually feed back the current state to the subject using a method of continuous shooting using television, video, or a strobe, or leave it as a record.
Kaneko Park, Tetsuo Fukunaga, “Science Fundamentals of Biomechanics”, Kyorin Shoin, October 1, 2004, 1st edition, 1st edition, p. 445

上記の筋電図を用いた筋活動量測定方法は、筋肉から発生する活動電位を直接測定するものであり、測定した筋電位から筋活動量を推定することが可能である。しかしながら、筋電位測定には専用の高価な測定器が必要であり、日常的に使用することは経済的に、また場所的に困難であるという問題があった。また、測定時には身体に多数の電極を装着する必要があり被験者の身体を拘束することから身体的・精神的苦痛につながる可能性があった。さらに、筋内筋電図を測定する場合には、針状の電極を被験者の筋肉に刺す必要がありさらなる被験者の身体的苦痛につながる可能性があった。またこの場合には、医師などの資格のある人のみが電極を被験者に刺入することができるので実施場所に対する大きな制約があるという問題があった。   The method for measuring the amount of muscle activity using the above electromyogram directly measures the action potential generated from the muscle, and can estimate the amount of muscle activity from the measured potential. However, myoelectric potential measurement requires a dedicated and expensive measuring instrument, and there is a problem that it is difficult to use it on a daily basis economically and locally. In addition, it is necessary to wear a large number of electrodes on the body at the time of measurement, and the subject's body is restrained, which may lead to physical and mental pain. Furthermore, when measuring an intramuscular electromyogram, it is necessary to pierce the subject's muscle with a needle-like electrode, which may lead to further physical pain of the subject. Further, in this case, only qualified persons such as doctors can insert the electrodes into the subject, so that there is a problem that there is a great restriction on the place of implementation.

上記の体の動きや筋活動量を視覚的に判断するためには、日常的に使用可能な映像機器を用いることにより実施することが可能であるが、映像機器を設置するための専用の場所が必要とされる。また、撮影された現場、もしくは遠隔地において、取得した映像情報からどの程度筋が使われているかの判断をするには専門的な知識と経験が必要といった制約があった。   Visual judgment of the above-mentioned body movements and muscle activity can be done by using video equipment that can be used on a daily basis, but it is a dedicated place for installing video equipment. Is needed. In addition, there is a restriction that it is necessary to have specialized knowledge and experience to judge how much the line is used from the acquired video information at the shooting site or at a remote place.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、使用者の拘束や使用者への苦痛、使用場所についての制約などを生じることなく、運動中の使用者の筋肉の活動量や下肢の動き量の推定を行いうるシステムを提供することをその課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and the amount of activity of the user's muscles and movement of the lower limbs during exercise without causing restraint to the user, pain to the user, restriction on the place of use, etc. The problem is to provide a system capable of estimating the quantity.

本発明(第1発明)は、使用者が歩行などの運動を行った際に足裏に発生する圧力が、ストレッチやリハビリテーションなどにおいて重視される大腿直筋、前脛骨筋、腓腹筋、ハムストリングなどの複数の筋肉の運動量に強い相関を有しているとの新たな知見に基づいてなされたものであり、使用者の足裏の特定の部位に発生する圧力を測定できる位置に配置された圧力センサーと、前記圧力センサーの出力に基づいて一又は複数の筋肉の活動量を導出する処理装置とを有することを特徴とする筋活動推定システムである。   In the present invention (first invention), the pressure generated on the sole of the foot when the user performs exercise such as walking, the rectus femoris, the anterior tibialis, the gastrocnemius, the hamstring, etc., which are important in stretching and rehabilitation Pressure based on the new knowledge that it has a strong correlation with the amount of exercise of multiple muscles, and the pressure placed at a position where the pressure generated at a specific part of the user's sole can be measured A muscle activity estimation system comprising: a sensor; and a processing device for deriving an activity amount of one or a plurality of muscles based on an output of the pressure sensor.

本発明における圧力センサーには、足裏に当接して歩行などの際に足裏に発生する圧力を測定することができる任意の方式のセンサー、例えば、歪ゲージを用いたセンサーやピエゾ素子を用いたセンサーを使用することができ、好ましくは、そのような圧力センサーを使用者が履く靴やサンダルの靴底乃至インソールに埋め込むことにより、使用者が歩行などの運動を行った際に足裏に生じる圧力が検知される。   As the pressure sensor in the present invention, an arbitrary type of sensor capable of measuring the pressure generated on the sole when walking, such as a sensor using a strain gauge or a piezoelectric element, is used. Sensors, preferably by embedding such pressure sensors in the soles or insoles of shoes or sandals worn by the user, so that when the user performs exercises such as walking, The resulting pressure is detected.

ここで上記圧力センサーを複数個使用することで、使用者の足裏の複数部位の圧力を検知することが可能であり、この複数部位の圧力の検知データを用いることで、より多くの筋肉の運動量を導出することが可能となり、或いは、その導出値の精度を高めることが可能となる。   Here, by using a plurality of the pressure sensors, it is possible to detect the pressure at a plurality of parts of the user's sole, and by using the pressure detection data at the plurality of parts, more muscles can be detected. The momentum can be derived or the accuracy of the derived value can be increased.

本発明における処理装置は、圧力センサーからの出力及び当該出力と筋肉の活動量について予め求められた相関係数とに基づいて筋肉の活動量を導出するものとすることができ、特に好ましくは、上記出力の所定時間内の積分値及び当該積分値と筋肉の活動量について予め求められた相関係数に基づいて筋肉の活動量が導出される。   The processing apparatus in the present invention can derive the amount of muscle activity based on the output from the pressure sensor and the correlation coefficient obtained in advance for the output and the amount of muscle activity, and particularly preferably, The amount of muscle activity is derived based on the integral value of the output within a predetermined time and the correlation coefficient obtained in advance for the integral value and the amount of muscle activity.

本発明は、圧力センサーの出力又はこれに基づいて導出された筋肉の活動量を表示するための表示装置を備えることが可能であり、この場合には、利用者が筋肉の活動量、例えば、ストレッチやリハビリテーションなどにおいて重視される大腿直筋、前脛骨筋、腓腹筋、ハムストリングなどの活動量をモニタリングしながら歩行などの運動を行うことが可能となる。   The present invention may include a display device for displaying an output of a pressure sensor or a muscle activity amount derived based on the output, in which case the user can detect a muscle activity amount, for example, It is possible to perform exercises such as walking while monitoring the amount of activity of rectus femoris, anterior tibial muscle, gastrocnemius, hamstring, etc., which are important in stretching and rehabilitation.

また本発明(第2発明)は、歩行の際に足裏に発生する圧力が、下肢の動き量に強い相関を有しているとの新たな知見に基づいてなされたものであり、使用者の足裏の特定の部位に発生する圧力を測定できる位置に配置された圧力センサーと、前記圧力センサーの出力に基づいて下肢の動き量を導出する処理装置とを有することを特徴とする筋活動推定システムである。   Further, the present invention (second invention) is based on a new finding that the pressure generated on the sole during walking has a strong correlation with the amount of movement of the lower limbs. A muscle sensor comprising: a pressure sensor arranged at a position capable of measuring a pressure generated in a specific part of a sole of the foot; and a processing device for deriving a movement amount of a lower limb based on an output of the pressure sensor. It is an estimation system.

かかる本発明では、第1発明について上記したと同様のセンサーを同様の態様で使用することが可能であり、第1発明と同様に、複数個の圧力センサーを用いて使用者の足裏の複数部位の圧力を測定することにより、使用者の下肢の動き量をより正確に導出し、或いは使用者の下肢のより多くの部位についての動き量を導出することが可能となる。   In the present invention, a sensor similar to that described above for the first invention can be used in the same manner, and a plurality of pressure sensors are used to provide a plurality of sensors on the sole of the user, as in the first invention. By measuring the pressure of the part, the amount of movement of the user's lower limb can be derived more accurately, or the amount of movement of more parts of the user's lower limb can be derived.

本発明における処理装置は、圧力センサーからの出力と、当該出力と下肢の動き量について予め求められた相関係数とに基づいて前記下肢の動き量を導出するものとすることができ、特に好ましくは、上記出力の所定時間内の積分値と、当該積分値と下肢の動き量について予め求められた相関係数とに基づいて前記下肢の動き量が導出される。   The processing device in the present invention can derive the amount of movement of the lower limb based on an output from the pressure sensor and a correlation coefficient obtained in advance for the output and the amount of movement of the lower limb, and is particularly preferable. The amount of movement of the lower limb is derived based on the integrated value of the output within a predetermined time and the correlation value obtained in advance for the integrated value and the amount of movement of the lower limb.

また本発明では、本発明により導出された下肢の動き量に基づいて、使用者の下肢の動作が、下肢の動作について予め定められたカテゴリーに含まれているか否かを判別することも可能である。   In the present invention, it is also possible to determine whether or not the movement of the user's lower limb is included in a predetermined category for the movement of the lower limb based on the amount of movement of the lower limb derived by the present invention. is there.

例えば、歩行などの運動の際における望ましい態様の下肢の動作を一つのカテゴリとし、本発明により導出される下肢の動き量がそのカテゴリに属するか否かを判別分析の手法により判別することが可能である。なお、下肢の動作についてのカテゴリを複数定めておいて、使用者の下肢の動作がそのいずれのカテゴリに含まれているかを判別することも可能である。   For example, it is possible to discriminate whether or not the amount of movement of the lower limb derived by the present invention belongs to that category by using the movement of the lower limb desired in a desirable mode during exercise such as walking as a category. It is. It is also possible to determine a plurality of categories for the movement of the lower limbs and determine which category the movement of the user's lower limbs is included.

またこのようにして行われた判別の結果を表示するための表示装置を設けることにより、使用者が自身の下肢の動作が予め定めたカテゴリに含まれているか否か(例えば、下肢の動作が望ましい動作となっているか否か)をモニタリングしながら運動を行うことが可能となる。   Further, by providing a display device for displaying the result of the determination made in this way, whether or not the user's own lower limb movement is included in a predetermined category (for example, the lower limb movement is It is possible to exercise while monitoring whether or not the desired movement is achieved.

また本発明では、導出された下肢の動き量に基づいて、使用者の下肢の動作を視覚的に表示する画像データを生成し、この画像データを表示装置に表示させるようにすることも可能であり、これにより、使用者は自身の下肢の動きを視覚的にモニタリングしながら運動を行うことが可能となる。   In the present invention, it is also possible to generate image data for visually displaying the movement of the user's lower limb based on the derived amount of movement of the lower limb, and display the image data on the display device. With this, the user can exercise while visually monitoring the movement of his / her lower limbs.

なお、センサーの出力、筋肉の活動量、下肢の動き量、下肢の動作についての判別の結果或いは下肢の動作を視覚的に表示する画像データを表示するための表示装置は、腕などに装着できる可搬型の表示装置とすることが特に好ましい。   A display device for displaying sensor output, muscle activity, amount of movement of the lower limb, the result of determination of the movement of the lower limb, or image data for visually displaying the movement of the lower limb can be attached to the arm or the like. A portable display device is particularly preferable.

また本発明の筋活動推定システムは、センサーの出力、筋肉の活動量、下肢の動き量、下肢の動作についての判別の結果及び/又は下肢の動作を視覚的に表示する画像データを遠隔地に転送する通信手段を更に備えることが可能であり、これにより、トレーニングやリハビリテーションの管理、解析などに有用なデータを遠隔地にいる例えば医師やトレーナーなどの専門家に送信することが可能となる。   In addition, the muscle activity estimation system of the present invention provides image data for visually displaying the sensor output, the amount of muscle activity, the amount of movement of the lower limbs, the result of discrimination of the movement of the lower limbs and / or the movement of the lower limbs. It is possible to further provide a communication means for transferring data, which makes it possible to transmit data useful for management and analysis of training and rehabilitation to specialists such as doctors and trainers at remote locations.

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る筋活動推定システム10の構成を示す説明図であり、図2は筋活動推定システム10において使用者が装着するシューズ11a、11bに配置される圧力センサーP〜Pの配置を示す説明図であり、図3は、筋活動推定システム10のシステム構成図である。 FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a muscle activity estimation system 10 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a pressure sensor arranged on shoes 11a and 11b worn by a user in the muscle activity estimation system 10. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the arrangement of P 1 to P 4 , and FIG. 3 is a system configuration diagram of the muscle activity estimation system 10.

図中11a、11bは、靴底の部分に圧力センサーP〜Pが埋め込まれたシューズであり、圧力センサーP〜Pは、図2に示されるように、親指部、拇指部、外側部、踵部の4カ所において使用者Hの足裏に発生する圧力が測定できる位置に配置されている。圧力センサーP〜Pにおいて測定された圧力値は電気信号として使用者の腕に取り付けられた端末12に伝送される。なお、伝送の方法は有線でも無線でも良い。 Figure 11a, 11b are shoes to a portion of the sole pressure sensors P 1 to P 4 are embedded, pressure sensors P 1 to P 4, as shown in FIG. 2, the thumb portion, the thumb portion, It arrange | positions in the position which can measure the pressure which generate | occur | produces on the sole of the user H in four places, an outer part and a buttocks. The pressure values measured by the pressure sensors P 1 to P 4 are transmitted as electric signals to the terminal 12 attached to the user's arm. The transmission method may be wired or wireless.

端末12は、図3に示されるように、CPUや記憶装置などから構成される処理手段12a及びデータを視覚的に表示するための表示手段12b(例えば液晶モニタやランプなど)を備えている。   As shown in FIG. 3, the terminal 12 includes a processing unit 12a including a CPU and a storage device, and a display unit 12b (for example, a liquid crystal monitor and a lamp) for visually displaying data.

処理手段12aの記憶装置には、後述の相関係数βpi、εなどのデータが記録されており、処理手段12aは、これらのデータ及び圧力センサーP〜Pからの信号に基づいて使用者の筋肉(例えば、大腿直筋、前脛骨筋、腓腹筋、ハムストリングなど)の活動量yを導出し、これを表示手段12b上において表示させる。表示は導出された活動量yを数値、グラフなどの態様により行うものとしても良く、特定の筋肉の活動量が所定値以上又は以下になった場合にランプの点滅などの態様により行うものとしても良い。 Data such as correlation coefficients β pi and ε i to be described later are recorded in the storage device of the processing means 12a. The processing means 12a is based on these data and signals from the pressure sensors P 1 to P 4. The amount of activity y i of the user's muscle (for example, rectus femoris, anterior tibialis, gastrocnemius, hamstring, etc.) is derived and displayed on the display means 12b. The display may be performed such that the derived activity amount y i is in the form of a numerical value, a graph, or the like, and is performed in the form of blinking of a lamp or the like when the activity amount of a specific muscle is greater than or less than a predetermined value. Also good.

端末12は、更に通信手段12cを備えており、圧力センサーP〜Pにおいて測定した圧力値或いはこれに基づいて導出された上記筋肉の活動量を遠隔地に配置されたデータ処理部13に伝送できるようになっている。 Terminal 12 further includes a communication unit 12c, the activity amount of said muscle derived based on the pressure value or which measure the pressure sensor P 1 to P 4 to the data processing unit 13, which is remotely located It can be transmitted.

データ処理部13は、CPUや記憶装置などから構成される処理手段13a、データを視覚的に表示するための表示装置13b、キーボードなどの入力手段13c及び端末12との間でのデータの送受信を行う通信手段13dを備えており、例えば、医師やトレーナーなどが端末12からのデータの解析、管理、保管などを行い、或いは、入力手段13cから入力したメッセージなどを端末12に送信し、表示手段12b上に表示させることができる。   The data processing unit 13 transmits / receives data to / from the processing unit 13a including a CPU and a storage device, a display device 13b for visually displaying data, an input unit 13c such as a keyboard, and the terminal 12. For example, a doctor or a trainer analyzes, manages, or stores data from the terminal 12, or transmits a message input from the input means 13c to the terminal 12, and displays the display means. 12b can be displayed.

続いて、上記筋活動推定システム10の処理手段12aに記録される相関係数βpi、ε及びこれを用いた筋活動量の例示的な導出方法を説明する。 Next, an exemplary method for deriving the correlation coefficients β pi and ε i recorded in the processing means 12a of the muscle activity estimation system 10 and the muscle activity amount using the correlation coefficients β pi and ε i will be described.

図4は、上記筋活動推定システム10の圧力センサーP(親指部)、P、(母指部)P(外側部)、P(踵部)により測定された使用者Hの歩行中に使用者Hの足裏に発生した圧力の測定値を示しており、図5(a)〜(d)は、このときのハムストリング、大腿直筋、腓腹筋、前脛骨筋の筋電位を筋電位測定器を用いて測定した結果を示している。なお、図4、図5(a)〜(d)の横軸は時間である。 FIG. 4 shows the walking of the user H measured by the pressure sensors P 1 (thumb part), P 2 , (mother finger part) P 3 (outer part), and P 4 (buttock part) of the muscle activity estimation system 10. Fig. 5 (a) to 5 (d) show the measured values of the pressure generated on the sole of the user H. Fig. 5 (a) to (d) show the myoelectric potentials of the hamstring, rectus femoris, gastrocnemius, and anterior tibial muscles. The result measured using a myoelectric potential measuring device is shown. In addition, the horizontal axis | shaft of FIG. 4, FIG. 5 (a)-(d) is time.

ここで、左右いずれかの踵部に配置された圧力センサーPの出力の立ち上がりの部分から次の立ち上がりの部分までの時間間隔dを一つの周期として、この周期内における各圧力センサーP〜Pの出力の積分値x〜xを説明変数とし、筋電位測定器により測定された上記各筋肉の筋電位の絶対値の積分値を目的変数として重回帰分析を行うことにより回帰係数βpi、εを求めることが可能であり、この回帰係数及び各圧力センサーP〜Pから得られるデータから、次式(1)によりそれぞれの筋肉の活動量の予測値yを導出することができる。

Figure 2006345990
ここでx(p=1〜4)は、所定時間毎の各圧力センサーP〜Pの出力の積分値であり、添字のiは筋肉の種類(大腿直筋、前脛骨筋、腓腹筋、ハムストリング)毎に振られた符号である。 Here, the time interval d from the rising part of the output of the pressure sensor P 4 arranged on either the left or right collar part to the next rising part is taken as one period, and each pressure sensor P 1 to an integral value x 1 ~x 4 of the output of P 4 and explanatory variables, the regression coefficients by performing multiple regression analysis as objective variable integration value of the absolute value of the measured the myoelectric potentials of the muscles by the myoelectric potential measuring device β pi and ε i can be obtained, and from the regression coefficient and the data obtained from the pressure sensors P 1 to P 4 , the predicted value y i of each muscle activity is derived by the following equation (1). can do.
Figure 2006345990
Here, x p (p = 1 to 4) is an integrated value of the outputs of the pressure sensors P 1 to P 4 every predetermined time, and the subscript i is a muscle type (stratus thigh muscle, anterior tibialis muscle, gastrocnemius muscle) , A hamstring).

上記の圧力センサーP〜Pの配置及び活動量の推定を行う筋肉(大腿直筋、前脛骨筋、腓腹筋、ハムストリング)の組み合わせにおいては、上記積分値x〜xとこれらの筋肉の活動量の間に0.7〜0.95などの極めて高い相関係数を得ることができ、従って、本実施形態における筋活動推定システム10により、各筋肉の活動量を極めて高い精度で推定することが可能であるということができる。 In a combination of muscles (stratus thigh muscle, anterior tibialis muscle, gastrocnemius muscle, hamstring) for estimating the amount of activity and the placement of the pressure sensors P 1 to P 4 , the integrated values x 1 to x 4 and these muscles are used. Therefore, an extremely high correlation coefficient such as 0.7 to 0.95 can be obtained between the activity amounts of the muscles. Therefore, the muscle activity estimation system 10 in this embodiment estimates the activity amount of each muscle with extremely high accuracy. It can be said that it is possible.

続いて、本発明の他の実施形態に係る筋活動推定システム20について説明する。   Subsequently, a muscle activity estimation system 20 according to another embodiment of the present invention will be described.

この筋活動推定システム20は、処理手段12aが圧力センサーP〜Pの出力に基づいて使用者の下肢の動き量を導出し、この下肢の動き量に関する情報を表示手段12bに表示させ、或いは、データ処理部13に送信するようになっている点を除いて上記筋活動推定システム10と同様の構成を有している。 The muscle activity estimation system 20, the processing unit 12a will derive the motion amount of the lower limbs of the user based on the output of the pressure sensor P 1 to P 4, to display information about the amount of motion of the leg on the display unit 12b, Alternatively, it has the same configuration as the muscle activity estimation system 10 except that it is transmitted to the data processing unit 13.

即ち、この筋活動推定システム20では、端末12の処理手段12aには、圧力センサーP〜Pの出力値から下肢の動き量を導出するための回帰係数β’pi、ε’が記録されており、処理手段12aは下式(2)に従って、下肢の動き量y’iを導出する。

Figure 2006345990
ここでx(p=1〜4)は、所定時間毎の各圧力センサーP〜Pの出力の積分値であり、添字のiは筋肉の種類(大腿直筋、前脛骨筋、腓腹筋、ハムストリング)毎に振られた符号である。 That is, in this muscle activity estimation system 20, the regression coefficients β ′ pi and ε ′ i for deriving the amount of movement of the lower limb from the output values of the pressure sensors P 1 to P 4 are recorded in the processing means 12a of the terminal 12. Then, the processing means 12a derives the movement amount y ′ i of the lower limb according to the following equation (2).
Figure 2006345990
Here, x p (p = 1 to 4) is an integrated value of the outputs of the pressure sensors P 1 to P 4 every predetermined time, and the subscript i is a muscle type (stratus thigh muscle, anterior tibialis muscle, gastrocnemius muscle) , A hamstring).

また回帰係数β’pi、ε’は、例えば、図6に示すモーションキャプチャシステム(VICOM社製VICOM8)を用いた測定系から得られるデータに基づいて求めることができる。 Further, the regression coefficients β ′ pi and ε ′ i can be obtained based on data obtained from a measurement system using a motion capture system (VICOM 8 manufactured by VICOM) shown in FIG. 6, for example.

モーションキャプチャシステムは、人間の動作を測定し、デジタルデータに変換して取り込むシステムであり、この測定系では、図6(a)に示される円状に配置された12台のモーションカメラ14で、図6(b)に示される体の各部にマーカーMを装着した使用者Hの画像を撮影することにより得られる各マーカーの3次元的な位置座標に基づいて、使用者Hの下肢の動き量の測定値が導出される。なお、この下肢の動き量の測定値は、モーションカメラ14から1/30秒毎に出力される各画像フレーム毎に導出される。   The motion capture system is a system that measures human motion, converts it into digital data, and captures it. In this measurement system, 12 motion cameras 14 arranged in a circle as shown in FIG. The amount of movement of the lower limbs of the user H based on the three-dimensional position coordinates of each marker obtained by taking an image of the user H wearing the marker M on each part of the body shown in FIG. The measured value is derived. The measurement value of the amount of movement of the lower limb is derived for each image frame output from the motion camera 14 every 1/30 seconds.

また、この測定系においても使用者Hは、図2に示す位置に圧力センサーP〜Pが取り付けられたシューズ11a、11bを装着しており、使用者Hの足裏に発生する圧力が同時に測定できるようになっている。 Also, the user H in the measuring system, shoe 11a the pressure sensor P 1 to P 4 is attached to the position shown in FIG. 2, 11b are fitted with the pressure generated in the sole of the user H It can measure at the same time.

図7は、上記測定系により得られる下肢の動き量の測定値の一例を示す説明図であり、図示の例では、使用者Hが歩行動作を行っている際のすね部の膝部分を中心とした回転角の時間推移が示されている。なお図中の「すねX」、「すねY」、「すねZ」は、それぞれ水平方向、歩行進行方向及び垂直方向における回転角である。   FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a measurement value of the amount of movement of the lower limb obtained by the measurement system. In the example shown in the figure, the knee portion of the shin portion when the user H is walking is centered. The time transition of the rotation angle is shown. In the figure, “Shin X”, “Shin Y”, and “Shin Z” are rotation angles in the horizontal direction, the walking direction, and the vertical direction, respectively.

上記の下肢の動き量の測定値の導出頻度に合わせて、各圧力センサーP〜Pの出力の1/30秒毎の積分値x〜xを説明変数とし、1/30秒毎に導出される使用者Hの下肢の動き量の測定値(例えば、すね部の回転角)を目的変数として重回帰分析を行うことにより回帰係数β’pi、ε’が求められる。 In accordance with the derivation frequency of the measurement value of the amount of movement of the lower limbs, the integrated values x 1 to x 4 every 1/30 seconds of the outputs of the pressure sensors P 1 to P 4 are used as explanatory variables, and every 1/30 seconds. The regression coefficients β ′ pi and ε ′ i are obtained by performing multiple regression analysis using the measured value of the amount of movement of the lower limbs of the user H derived in (1) as an objective variable.

図8には、歩行進行方向におけるすね部の回転角についての上記測定系により得られる測定値が、式(2)により導出される推定値y’、或いは、この推定値y’の近似多項曲線と対比して示されており、この図から、本実施形態に係る筋活動推定システム20により導出される推定値y’(或いはその近似曲線)が極めて正確であることが判る。 In FIG. 8, the measured value obtained by the above measurement system for the rotation angle of the shin portion in the walking direction is the estimated value y ′ i derived from the equation (2) or an approximation of this estimated value y ′ i . It is shown in contrast to a multinomial curve, and it can be seen from this figure that the estimated value y ′ i (or its approximate curve) derived by the muscle activity estimation system 20 according to this embodiment is extremely accurate.

このようにして処理手段12aが導出した下肢の動き量y’は、様々な態様で表示手段12b又は13b上において表示させることが可能である。 The amount of movement y ′ i of the lower limb derived by the processing means 12a in this way can be displayed on the display means 12b or 13b in various ways.

図9は、表示手段12b又は13bにおける下肢の動き量y’の表示態様の一例を示す説明図である。 FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of a display mode of the amount of movement y ′ i of the lower limb on the display unit 12b or 13b.

図示の例では、処理手段12aにより導出された下肢の各部位の動き量y’を骨モデルに適用することにより得られる画像データの一例を示しており、本発明の筋活動推定システム20は、このような態様で、下肢の動作の態様を視覚的に表示するものとすることができる。 The illustrated example shows an example of image data obtained by applying the amount of movement y ′ i of each part of the lower limb derived by the processing means 12a to the bone model, and the muscle activity estimation system 20 of the present invention is shown in FIG. In this manner, the manner of movement of the lower limb can be visually displayed.

また、本発明の筋活動推定システム20は、予め定められた下肢の動作に関する何らかのカテゴリに対する判別分析を実行し、その結果を表示手段12b又は13bに表示させるものとすることも可能である。   Further, the muscle activity estimation system 20 of the present invention can execute a discriminant analysis on a certain category related to a predetermined lower limb movement and display the result on the display means 12b or 13b.

以下、使用者Hの歩行が、良い歩行のカテゴリに含まれるか否かの判別分析について行った評価結果を説明する。   Hereinafter, the evaluation result performed about the discriminant analysis whether the user's H walk is contained in the category of a good walk is demonstrated.

背筋を自然に伸ばし、ローリングの態様で足運びを行う歩行は、一般に良い歩行であるとされており、ここではそのような歩行を「良い歩行(のカテゴリ)」と定義する。なお、ローリングの態様での足運びとは、以下の動作である。
・膝をまっすぐ自然に延ばし、踵から着地する。
・着地後の重心移動を、土踏まずの周囲をたどり、親指の付け根、つま先へと移動させる。
・つま先で軽く地面を蹴り上げる。
A walk in which the back is naturally stretched and a foot is carried in a rolling manner is generally considered to be a good walk, and here, such a walk is defined as “good walk (category)”. In addition, walking in the rolling mode is the following operation.
・ Extend your knees straight and land from the heel.
・ After the landing, move the center of gravity around the arch and move it to the base of the thumb and toes.
・ Kick the ground lightly with your toes.

図6に示す測定系により、被験者が上記「良い歩行」に従う態様での歩行動作を行っている際の下肢の動き量(例えばすね部の回転角)の測定値(Z1j)及びこのときの圧力センサーP〜Pの出力(xp1j)、並びに、被験者が上記「良い歩行」に従わない態様での歩行動作を行っている際の下肢の動き量(例えばすね部の回転角)の測定値(Z2j)及びこのときの圧力センサーP〜Pの出力(xp2j)を測定し、下記式(3)〜(5)において、「S/S=最大」の条件で判別係数aを導出した。

Figure 2006345990
ただし、iは歩行態様についてのカテゴリ(i=1の場合は「良い歩行」、i=2の場合は「良い歩行」以外の態様での歩行)であり、p=1〜4は圧力センサーP〜Pに対応し、jはフレーム番号(モーションカメラ14から出力される画像フレーム毎に振られた番号)である。 With the measurement system shown in FIG. 6, the measured value (Z 1j ) of the amount of movement of the lower limbs (for example, the rotation angle of the shin portion) when the subject performs the walking motion in a mode according to the above “good walking”, and at this time The output (x p1j ) of the pressure sensors P 1 to P 4 and the amount of movement of the lower limbs (for example, the rotation angle of the shin portion) when the subject is performing a walking motion in a mode that does not follow the “good walking”. The measured value (Z 2j ) and the outputs (x p2j ) of the pressure sensors P 1 to P 4 at this time are measured. In the following formulas (3) to (5), under the condition of “S b / S w = maximum” The discrimination coefficient ap was derived.
Figure 2006345990
However, i is a category regarding walking modes (“good walking” when i = 1, walking in modes other than “good walking” when i = 2), and p = 1 to 4 are pressure sensors P. corresponding to 1 to P 4, j is the frame number (numbers swung for each image frame output from the motion camera 14).

上記により導出されたaを用い、被験者が「良い歩行」に従う態様での歩行動作又はこれに従わない態様での歩行動作を行っている際の圧力センサーP〜Pの出力(x11j〜x11j)を上記式(3)に代入することにより得られるZijが正の値となるか、負の値となるかにより、「良い歩行」のカテゴリと、「良い歩行」以外の歩行のカテゴリへの判別分析を行ったところ、「良い歩行」に従う態様での歩行動作を「良い歩行」のカテゴリに判別する割合は82.8%、「良い歩行」以外の歩行のカテゴリに判別する割合は17.8%であり、「良い歩行」に従わない態様での歩行動作を「良い歩行」のカテゴリに判別する割合は12.8%、「良い歩行」以外の歩行のカテゴリに判別する割合は87.2%であった。 Using ap derived as described above, the outputs (x 11j) of the pressure sensors P 1 to P 4 when the subject performs a walking motion in a mode that follows “good walking” or a walking motion in a mode that does not follow this. ˜x 11j ) into the above formula (3), Z ij obtained by substituting for a positive value or a negative value depends on the category of “good walking” and walking other than “good walking”. As a result of the discriminant analysis into the category, the ratio of discriminating the walking motion in the mode according to the “good walking” to the “good walking” category is 82.8%, and the walking category other than “good walking” is discriminated. The ratio is 17.8%, and the ratio of discriminating the walking motion in a mode that does not follow “good walking” into the category of “good walking” is 12.8%, and discriminating into the walking category other than “good walking” The percentage was 87.2%.

以上、本発明をいくつかの実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態により限定を受けるものではない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on some embodiment, this invention is not limited by these embodiment.

例えば、上記実施形態では、親指部、拇指部、外側部、踵部に発生する足裏圧力を検知できる位置に配置された4つの圧力センサーの出力に基づいて筋肉の活動量や下肢の動き量を導出し、或いは、下肢の動きを何らかのカテゴリに判別する場合について説明したが、上記実施形態における圧力センサーの個数や配置はあくまで例示的なものであり、3個以下又は5個以上の圧力センサーを使用し、また、上記実施形態と異なる位置に配置された圧力センサーを使用することも可能である。   For example, in the above embodiment, the amount of muscle activity and the amount of movement of the lower limbs based on the outputs of four pressure sensors arranged at positions where the sole pressure generated at the thumb, thumb, outer, and hips can be detected. However, the number and arrangement of the pressure sensors in the above embodiment are merely exemplary, and three or less or five or more pressure sensors are described. It is also possible to use a pressure sensor arranged at a position different from the above embodiment.

また上記した実施形態では、足裏に発生する圧力を検知する圧力センサーの出力のみに基づいて筋肉の活動量や下肢の動き量を導出し、或いは、下肢の動きを何らかのカテゴリに判別する場合について説明したが、圧力センサーの出力に、一又は複数の箇所において使用者の筋電位を測定する筋電位測定器の出力などの他の測定データを併用して筋肉の活動量や下肢の動き量を導出し、或いは、下肢の動きを何らかのカテゴリへの判別を行うことも可能である。   In the above-described embodiment, the amount of muscle activity or the amount of movement of the lower limb is derived based only on the output of the pressure sensor that detects the pressure generated on the sole, or the movement of the lower limb is determined in some category. As described above, the output of the pressure sensor is used in combination with other measurement data such as the output of a myoelectric potential measuring device that measures the myoelectric potential of the user at one or more locations to determine the amount of muscle activity and the amount of movement of the lower limbs. It is also possible to derive or discriminate the movement of the lower limbs into some category.

本発明は、医療、リハビリテーション、トレーニングなどための専門機関において使用される医療用具、リハビリテーション補助具、トレーニング補助具などに利用することが可能である他、個人使用者がジョギングやウォーキングなどの運動を行う際に使用する健康増進補助具として利用することが可能である。   The present invention can be used for medical equipment, rehabilitation assistance equipment, training assistance equipment, etc. used in specialized institutions for medical treatment, rehabilitation, training, etc., and individual users can exercise such as jogging and walking. It can be used as a health promotion aid used when performing.

本発明の一実施形態に係る筋活動推定システムの構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of the muscle activity estimation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る筋活動推定システムにおける圧力センサーの配置を示す説明図。Explanatory drawing which shows arrangement | positioning of the pressure sensor in the muscle activity estimation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る筋活動推定システムのシステム構成図。The system block diagram of the muscle activity estimation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る筋活動推定システムの圧力センサーからの出力を示す説明図。Explanatory drawing which shows the output from the pressure sensor of the muscle activity estimation system which concerns on one Embodiment of this invention. 筋電位測定器により測定された筋電位を示す説明図。Explanatory drawing which shows the myoelectric potential measured by the myoelectric potential measuring device. 回帰係数の導出に用いられる例示的な測定系を示す説明図。Explanatory drawing which shows the example measurement system used for derivation | leading-out of a regression coefficient. 図5に示す測定系から得られる下肢の動き量の測定値の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the measured value of the amount of movements of the lower limbs obtained from the measurement system shown in FIG. 図5に示す測定系から得られる下肢の動き量の測定値を本発明の筋活動推定システムにより導出される推定値及びその近似多項曲線と対比して示す説明図。Explanatory drawing which shows the measured value of the amount of movement of the lower limb obtained from the measuring system shown in FIG. 5 in contrast with the estimated value derived | led-out by the muscle activity estimation system of this invention, and its approximated polynomial curve. 表示手段上における下肢の動き量の表示態様の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the display mode of the amount of movements of the leg on a display means. 筋電位測定計により測定される測定データの一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the measurement data measured by a myoelectric potential meter.

符号の説明Explanation of symbols

10 筋活動推定システム
20 筋活動推定システム
11a,11b シューズ
12 端末
12 処理手段
12a 処理装置
12b 表示装置
12c 通信手段
13 データ処理部
13a 処理手段
13d 通信手段
13c 入力手段
13b 表示装置
〜P 圧力センサー

10 Muscle activity estimation system 20 Muscle activity estimation system 11a, 11b shoe 12 terminal 12 processing unit 12a processor 12b display device 12c communicating means 13 the data processing unit 13a processor 13d communicating means 13c input means 13b display device P 1 to P 4 pressure sensor

Claims (11)

使用者の足裏の特定の部位に発生する圧力を測定できる位置に配置された圧力センサーと、前記圧力センサーの出力に基づいて一又は複数の筋肉の活動量を導出する処理装置とを有することを特徴とする筋活動推定システム。   A pressure sensor disposed at a position where pressure generated in a specific part of a user's sole can be measured, and a processing device for deriving one or a plurality of muscle activity amounts based on an output of the pressure sensor. A muscle activity estimation system characterized by 使用者の足裏の複数部位の圧力を測定するために、複数の前記圧力センサーが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の筋活動推定システム。   The muscle activity estimation system according to claim 1, wherein a plurality of the pressure sensors are arranged to measure pressures at a plurality of sites on a user's sole. 前記処理装置は、前記圧力センサーからの出力と、当該出力と筋肉の活動量について予め求められた相関係数とに基づいて前記筋肉の活動量を導出することを特徴とする請求項1又は2に記載の筋活動推定システム。   The said processing apparatus derives the activity amount of the said muscle based on the output from the said pressure sensor, and the correlation coefficient previously calculated | required about the said output and the activity amount of a muscle. The muscle activity estimation system described in 1. 前記圧力センサーの出力又は前記筋肉の活動量を表示するための表示装置を更に備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の筋活動推定システム。   The muscle activity estimation system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a display device for displaying an output of the pressure sensor or an amount of activity of the muscle. 使用者の足裏の特定の部位に発生する圧力を測定できる位置に配置された圧力センサーと、前記圧力センサーの出力に基づいて下肢の動き量を導出する処理装置とを有することを特徴とする筋活動推定システム。   A pressure sensor arranged at a position where a pressure generated at a specific part of a user's sole can be measured, and a processing device for deriving a movement amount of the lower limb based on an output of the pressure sensor. Muscle activity estimation system. 使用者の足裏の複数部位の圧力を測定するために、複数の前記圧力センサーが配置されていることを特徴とする請求項5に記載の筋活動推定システム。   The muscle activity estimation system according to claim 5, wherein a plurality of the pressure sensors are arranged to measure pressures at a plurality of sites on a user's sole. 前記処理装置は、前記圧力センサーからの出力と、当該出力と下肢の動き量について予め求められた相関係数とに基づいて前記下肢の動き量を導出することを特徴とする請求項6又は7に記載の筋活動推定システム。   The processing device derives the amount of movement of the lower limb based on an output from the pressure sensor and a correlation coefficient obtained in advance for the output and the amount of movement of the lower limb. The muscle activity estimation system described in 1. 前記処理装置は、前記下肢の動き量に基づいて、使用者の下肢の動作が、下肢の動作について予め定められた特定のカテゴリーに含まれているか否かの判別を行うことを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の筋活動推定システム。   The processing device determines whether or not the movement of the user's lower limb is included in a specific category predetermined for the movement of the lower limb based on the amount of movement of the lower limb. Item 8. The muscle activity estimation system according to any one of Items 5 to 7. 前記下肢の動き量又は前記判別の結果を表示するための表示装置を更に備えることを特徴とする請求項8に記載の筋活動推定システム。   The muscle activity estimation system according to claim 8, further comprising a display device for displaying the amount of movement of the lower limb or the result of the discrimination. 前記処理装置は、更に、前記下肢の動き量に基づいて、使用者の下肢の動作を視覚的に表示する画像データを生成し、
前記画像データを表示するための表示装置を更に備えることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の筋活動推定システム。
The processing device further generates image data for visually displaying the movement of the user's lower limb based on the amount of movement of the lower limb,
The muscle activity estimation system according to any one of claims 5 to 7, further comprising a display device for displaying the image data.
前記圧力センサーの出力、前記筋肉の活動量、前記下肢の動き量、前記判別の結果又は前記画像データを遠隔地に転送する通信手段を更に備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の筋活動推定システム。
The communication device for transferring the output of the pressure sensor, the amount of activity of the muscle, the amount of movement of the lower limbs, the result of the discrimination, or the image data to a remote place. The muscle activity estimation system according to one item.
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