JP2010193977A - Method for measuring mass and gravity center of each part of human body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人体の部位別の質量および重心の測定方法に関する。さらに詳しくは、統計データに頼ることなく個人ごとに測定できる人体の部位別の質量および重心の測定方法に関する。 The present invention relates to a method for measuring a mass and a center of gravity of each part of a human body. More specifically, the present invention relates to a method for measuring the mass and center of gravity of each part of the human body that can be measured for each individual without relying on statistical data.
医療分野やスポーツ運動学分野などにおいて、運動時に人体の関節に働くモーメント(関節モーメント)を推定することは非常に重要となっている。例えば、推定された関節モーメントから、筋骨格モデルを用いて筋張力を推定することなどが行われている。
関節モーメントを推定するためには、人体の部位別の質量、重心および慣性モーメント
を測定することが必要である。測定した質量などと、運動時に人体の各部位に働く加速度および関節まわりの角加速度とから関節モーメントを推定することができるからである。
従来、人体の部位別の質量、重心および慣性モーメントを測定するには、個人ごとに測定する方法がないため、解剖などから得られた統計的なデータを用いて推定していた。
しかるに、人体の部位別の質量などは個体差があるため、本来は個人ごとに測定すべきであり、統計的なデータを用いると、個人ごとの正確な関節モーメントを推定することができないという問題がある。
In the medical field and sports kinematics field, it is very important to estimate the moment (joint moment) that acts on the joints of the human body during exercise. For example, muscle tension is estimated from the estimated joint moment using a musculoskeletal model.
In order to estimate the joint moment, it is necessary to measure the mass, center of gravity, and moment of inertia for each part of the human body. This is because the joint moment can be estimated from the measured mass and the like, the acceleration acting on each part of the human body during exercise, and the angular acceleration around the joint.
Conventionally, in order to measure the mass, the center of gravity, and the moment of inertia for each part of the human body, there is no method for individual measurement, and therefore, estimation is performed using statistical data obtained from anatomy or the like.
However, because there are individual differences in the mass of each part of the human body, etc., it should be measured for each individual, and if statistical data is used, accurate joint moments for each individual cannot be estimated. There is.
これに対して、人体の部位別の質量を個人ごとに測定する従来技術として特許文献1がある。特許文献1の測定方法は、頭部、体幹部、左右の各腕部、左右の各脚部の6つの部位の各々の質量を測定する部位別質量測定方法であって、各部位の位置に対応するように板状の質量測定装置を床に配置し、その上に被測定者が仰臥位または伏臥位で横たわり、各部位の質量を測定するものである。 On the other hand, there is Patent Document 1 as a conventional technique for measuring the mass of each part of the human body for each individual. The measurement method of Patent Document 1 is a part-by-part mass measurement method that measures the mass of each of the six parts of the head, the trunk, the left and right arms, and the left and right legs. Correspondingly, a plate-like mass measuring device is placed on the floor, and the person to be measured lies in the supine position or prone position on it, and measures the mass of each part.
しかるに、特許文献1の測定方法では、各部位が関節で繋がっている他の部位の影響を受け、関節に力が入っている時などに、各部位の質量を正確に測定することができないという問題がある。
また、部位ごとに測定装置を用意する必要があるため、小さい部位の質量を測定することが困難であるという問題がある。
さらに、各部位の重心や慣性モーメントを測定できず、これのみでは関節モーメントを推定することができないという問題がある。
However, in the measurement method of Patent Document 1, each part is affected by other parts connected by a joint, and when the force is applied to the joint, the mass of each part cannot be measured accurately. There's a problem.
Moreover, since it is necessary to prepare a measuring apparatus for every site | part, there exists a problem that it is difficult to measure the mass of a small site | part.
Furthermore, there is a problem that the center of gravity and the moment of inertia of each part cannot be measured, and the joint moment cannot be estimated by this alone.
本発明は上記事情に鑑み、個人ごとの部位別の質量および重心を測定する方法を提供することを目的とする。 In view of the circumstances described above, an object of the present invention is to provide a method for measuring the mass and the center of gravity of each individual part.
第1発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、被測定者の部位に、該部位の質量が集中していると仮定する測定点を設定する第1ステップと、前記測定点の基準姿勢からの変位xi(iは測定点の番号を示す。)と、任意の点周りの被測定者の体全体により加えられるモーメントMとを、前記測定点を設定した部位のみ姿勢を変化させながら断続的に測定する第2ステップと、
M/g=Σmixi+m’x’
(gは重力加速度、miは測定点の質量、m’は測定点以外の被測定者の質量、x’はm’の重心の前記任意の点からの距離、Σは測定点の総和を示す。)
の式を用いて、前記第2ステップにより得られたデータから、前記部位の測定点における質量miを、M/gを従属変数、xiを独立変数、miを偏回帰変数とした重回帰分析により推定する第3ステップと、前記測定点の質量miの総和から前記部位の質量を求める第4ステップと、前記測定点の質量miと位置とから前記部位の重心を求める第5ステップとを順に行うことを特徴とする。
第2発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、第1発明において、前記第1ステップにおいて、1つの部位に対して2つの測定点を設定することを特徴とする。
第3発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、第1発明において、前記第1ステップにおいて、1つの部位に対して3つの測定点を設定することを特徴とする。
第4発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、第1発明において、前記第1ステップにおいて、1つの部位に対して4つ以上の測定点を同一平面上にならないように設定することを特徴とする。
第5発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、第1発明において、前記第1ステップにおいて、1つの部位にのみ測定点を設定することを特徴とする。
第6発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、第1発明において、前記第1ステップにおいて、複数の部位に測定点を設定することを特徴とする。
第7発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、第1発明において、前記第2ステップにおいて、鉛直床反力を測定し、前記第3ステップにおいて、前記鉛直床反力が基準値よりも大きいもしくは小さい場合は、重回帰分析に用いるデータから取り除くことを特徴とする。
第8発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、第1発明において、前記第2ステップにおいて、モーメントMを、前記基準姿勢の被測定者の床反力の重心位置を基準点とし、該基準点周りの被測定者の体全体により加えられるモーメントとし、前記第3ステップにおいて、
M/g=Σmixi
の式を用いて、前記部位の測定点における質量miを推定することを特徴とする。
第9発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、第1発明において、前記第3ステップにおいて、
(dM/dt)/g=Σmi(dxi/dt)
(dM/dtはモーメントMの時間微分、dxi/dtは変位xiの時間微分を示す。)
の式を用いて、前記部位の測定点における質量miを推定することを特徴とする。
第10発明の人体の部位別の質量および重心の測定方法は、第1発明において、前記第1ステップにおいて、被測定者の全ての部位に前記測定点を設定し、前記第3ステップにおいて
M/g=Σmixi+(Fz-Σmi)xN
(FZは鉛直床反力、Nは測定点の数、ΣはN番目の測定点以外の測定点の総和を示す。)
の式を用いて、前記部位の測定点における質量miを推定することを特徴とする。
The method for measuring the mass and the center of gravity of each part of the human body according to the first aspect of the invention includes a first step of setting a measurement point on the assumption that the mass of the part is concentrated on the part of the subject, The posture x is changed only for the part where the measurement point is set, based on the displacement x i from the reference posture (i indicates the number of the measurement point) and the moment M applied by the entire body of the measurement subject around any point. A second step of intermittently measuring while
M / g = Σm i x i + m'x '
(G is gravitational acceleration, m i is the mass of the measurement point, m ′ is the mass of the subject other than the measurement point, x ′ is the distance from the arbitrary point of the center of gravity of m ′, and Σ is the sum of the measurement points Show.)
Heavy using equation from data obtained by the second step, the mass m i at the measuring point of the site, which dependent variable M / g, independent variable x i, the m i and the partial regression variables fifth determining a third step of estimating the regression analysis, and a fourth step of obtaining the mass of said portion from the sum of the mass m i of the measurement point, the center of gravity of the region from the mass m i and the position of the measuring point Steps are sequentially performed.
The method for measuring the mass and the center of gravity of each part of the human body according to the second invention is characterized in that, in the first invention, in the first step, two measurement points are set for one part.
The method for measuring the mass and the center of gravity of each part of the human body of the third invention is characterized in that, in the first invention, in the first step, three measurement points are set for one part.
In the method for measuring the mass and the center of gravity of each part of the human body according to the fourth invention, in the first invention, in the first step, four or more measurement points are set so as not to be on the same plane for one part. It is characterized by that.
The method for measuring the mass and the center of gravity of each part of the human body according to the fifth invention is characterized in that, in the first invention, in the first step, measurement points are set only for one part.
According to a sixth aspect of the present invention, in the method for measuring the mass and the center of gravity of each part of the human body according to the first aspect of the present invention, measurement points are set at a plurality of parts in the first step.
According to a seventh aspect of the present invention, in the first invention, the vertical floor reaction force is measured in the second step, and the vertical floor reaction force is a reference value in the third step. If it is larger or smaller than this, it is removed from the data used for the multiple regression analysis.
According to an eighth aspect of the present invention, in the method for measuring the mass and the center of gravity of each part of the human body, in the second step, the moment M is defined as the center of gravity of the floor reaction force of the measurement subject in the reference posture. , A moment applied by the whole body of the person around the reference point, and in the third step,
M / g = Σm i x i
Using the formula, and estimates the mass m i at the measuring point of the site.
The method for measuring the mass and the center of gravity of each part of the human body of the ninth invention is the first invention, in the third step,
(dM / dt) / g = Σm i (dx i / dt)
(DM / dt is the time derivative of moment M, and dx i / dt is the time derivative of displacement x i .)
Using the formula, and estimates the mass m i at the measuring point of the site.
According to a tenth aspect of the present invention, in the first invention, in the first invention, in the first step, the measurement points are set in all the parts of the subject, and in the third step
M / g = Σm i x i + (F z -Σm i) x N
(F Z is the vertical floor reaction force, N is the number of measurement points, and Σ is the sum of measurement points other than the Nth measurement point.)
Using the formula, and estimates the mass m i at the measuring point of the site.
第1発明によれば、被測定者の部位の質量および重心を直接測定することができるので、統計的データに頼ることなく正確に、個人ごとの部位別の質量および重心を測定することができる。
第2発明によれば、1つの部位に対して2つの測定点が設定されているので、測定点の質量の測定結果から、2つの測定点を結ぶ線上のどの位置に重心があるかを求めることができる。
第3発明によれば、1つの部位に対して3つの測定点が設定されているので、測定点の質量の測定結果から、3つの測定点からなる平面上のどの位置に重心があるかを求めることができる。
第4発明によれば、1つの部位に対して4つ以上の測定点が設定されているので、測定点の質量の測定結果から、3次元空間上のどの位置に重心があるかを求めることができる。
第5発明によれば、1つの部位にのみ測定点が設定されているので、測定装置が単純となり、測定データから質量および重心を求めることも容易となる。
第6発明によれば、複数の部位に測定点が設定されているので、短時間で多数の部位の質量および重心を求めることができる。
第7発明によれば、被測定者が十分静的でない場合の測定データを重回帰分析から取り除くことができるので、より正確に測定点の質量を推定することができる。
第8発明によれば、Mを基準点周りの被測定者の体全体により加えられるモーメントとすることで、偏回帰変数を1つ消去することができるので、重回帰分析の精度を向上させることができる。
第9発明によれば、微分することにより測定点以外の被測定者の質量m’の項を消去することができ、偏回帰変数を1つ消去することができるので、重回帰分析の精度を向上させることができる。
第10発明によれば、mNの項を消去することにより、偏回帰変数を1つ消去することができるので、重回帰分析の精度を向上させることができる。
According to the first invention, since the mass and the center of gravity of the part of the person to be measured can be directly measured, the mass and the center of gravity for each part can be accurately measured without relying on statistical data. .
According to the second invention, since two measurement points are set for one part, the position of the center of gravity on the line connecting the two measurement points is obtained from the measurement result of the mass of the measurement point. be able to.
According to the third invention, since three measurement points are set for one part, it is determined from the measurement result of the mass of the measurement point which position on the plane made up of the three measurement points is located at the center of gravity. Can be sought.
According to the fourth invention, since four or more measurement points are set for one part, the position of the center of gravity in the three-dimensional space is obtained from the measurement result of the mass of the measurement point. Can do.
According to the fifth aspect, since the measurement point is set only in one part, the measurement apparatus becomes simple, and the mass and the center of gravity can be easily obtained from the measurement data.
According to the sixth aspect of the invention, since measurement points are set at a plurality of parts, the mass and the center of gravity of many parts can be obtained in a short time.
According to the seventh aspect, since measurement data when the measurement subject is not sufficiently static can be removed from the multiple regression analysis, the mass of the measurement point can be estimated more accurately.
According to the eighth invention, since one partial regression variable can be eliminated by making M a moment applied by the entire body of the subject around the reference point, the accuracy of the multiple regression analysis can be improved. Can do.
According to the ninth aspect, the term of the mass m ′ of the person to be measured other than the measurement point can be deleted by differentiating, and one partial regression variable can be deleted. Can be improved.
According to the tenth invention, by erasing the section m N, since the partial regression variable may be erased one, it is possible to improve the accuracy of the multiple regression analysis.
(測定装置)
つぎに、本発明に係る測定方法に用いる代表的な測定装置について図面に基づき説明する。
図1に示すように、本発明に係る測定方法に用いる代表的な測定装置は、主に床反力計と3次元動作解析装置とで構成される。
(measuring device)
Next, a typical measuring apparatus used in the measuring method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a typical measuring device used in the measuring method according to the present invention is mainly composed of a floor reaction force meter and a three-dimensional motion analysis device.
床反力計は、ひずみゲージや圧電素子などで構成されており、床反力計の上に被測定者が乗ると、被測定者に加わる床反力の大きさや向き、あるいはその床反力の重心(加重中心)を測定することができる荷重センサである。床反力計には、鉛直、前後、左右方向の床反力を測定することができるものもあるが、本発明に用いる床反力計は、少なくとも鉛直方向の床反力と加重中心を測定することができるものであればよい。
ここで、床反力とは人体が床から受ける力を意味し、静止時の力の大きさはその人体が体重により床を押す力の大きさと等しくなる。また、床反力は床と人体との接触面に分布を有するが、その床反力の分布の重心が加重中心である。
The floor reaction force meter is composed of a strain gauge, a piezoelectric element, etc. When the person to be measured gets on the floor reaction force meter, the magnitude and direction of the floor reaction force applied to the person to be measured, or the floor reaction force It is a load sensor that can measure the center of gravity (weighted center). Some floor reaction force meters can measure the floor reaction force in the vertical, longitudinal, and left-right directions, but the floor reaction force meter used in the present invention measures at least the floor reaction force in the vertical direction and the weighted center. Anything that can be done.
Here, the floor reaction force means the force that the human body receives from the floor, and the magnitude of the force at rest is equal to the magnitude of the force with which the human body pushes the floor due to weight. The floor reaction force has a distribution on the contact surface between the floor and the human body, and the center of gravity of the distribution of the floor reaction force is the weighted center.
3次元動作解析装置は、主に3次元動作解析カメラと画像解析を行う電子計算機とからなり、被測定者の体に取り付けたマーカーの3次元位置を測定する3次元位置測定装置である。一般的には、複数台の3次元動作解析カメラでマーカーを取り付けた被測定者の動作を撮影し、その動画を電子計算機に組み込まれたソフトウェアで解析することで各マーカーの位置、速度、加速度などを求めるものである。 The three-dimensional motion analysis device is a three-dimensional position measurement device that mainly includes a three-dimensional motion analysis camera and an electronic computer that performs image analysis, and measures the three-dimensional position of a marker attached to the body of the measurement subject. In general, the position, velocity, and acceleration of each marker are obtained by shooting the motion of the person to whom the marker is attached using multiple 3D motion analysis cameras and analyzing the video with software embedded in an electronic computer. And so on.
なお、3次元位置の座標は任意に設定すればよいが、説明を簡単にするため、以下では床反力計の表面を基準として、その表面に水平にx軸、y軸を、垂直にz軸を設定する。原点は3次元位置測定装置にあわせて任意に設定すればよく、例えば床反力計の角などに設定すればよい。 The coordinates of the three-dimensional position may be set arbitrarily, but for the sake of simplicity, in the following, the surface of the floor reaction force meter is used as a reference, and the x axis, y axis, z Set the axis. The origin may be arbitrarily set according to the three-dimensional position measuring device, for example, the corner of the floor reaction force meter.
本発明に係る測定方法では、床反力計と3次元動作解析装置とから同じタイミングで断続的にデータを取得する必要がある。これは後述するように、被測定者の1つの姿勢に対して床反力と3次元位置とを測定する必要があり、また、複数の姿勢で測定する必要があるからである。
そのため、床反力計および3次元動作解析装置を制御し、データを収集する制御装置(図示せず)と、収集したデータを後述する方法で解析する電子計算機(図示せず)などが、必要に応じて用いられる。
In the measurement method according to the present invention, it is necessary to intermittently acquire data from the floor reaction force meter and the three-dimensional motion analysis device at the same timing. This is because, as will be described later, it is necessary to measure the floor reaction force and the three-dimensional position with respect to one posture of the measurement subject, and it is necessary to measure in a plurality of postures.
Therefore, a control device (not shown) for controlling the floor reaction force meter and the three-dimensional motion analysis device and collecting data, and an electronic computer (not shown) for analyzing the collected data by a method described later are required. Depending on the use.
(1つの部位の測定方法)
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
1つの部位の質量および重心を測定する方法が基本となるので、はじめにその実施形態について説明する。
(Measurement method for one part)
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Since the method of measuring the mass and the center of gravity of one part is fundamental, the embodiment will be described first.
[第1ステップ マーカーの設定]
まず、被測定者の測定する1つの部位に3次元動作解析装置用のマーカーを取り付ける。後述するように、このマーカーの位置にその部位の質量が集中していると仮定して、各マーカー位置の質量を測定し、各マーカー位置の質量の総和からその部位の質量を、各マーカー位置の質量の分布からその部位の重心を求めるのである。
本実施形態において、マーカー位置は特許請求の範囲に記載の「測定点」に相当する。
[First step marker setting]
First, a marker for a three-dimensional motion analysis apparatus is attached to one part measured by the measurement subject. As will be described later, assuming that the mass of the part is concentrated at the position of the marker, the mass of each marker position is measured, and the mass of the part is calculated from the sum of the masses of the marker positions. The center of gravity of the part is obtained from the distribution of the masses.
In the present embodiment, the marker position corresponds to a “measurement point” described in the claims.
部位の重心を求めるためには、1つの部位に対して少なくとも2つのマーカーを取り付けることが必要である。
図2に示すように、例えば前腕を測定する場合、前腕は梁状の部材であり、その重心は梁の軸上にあると予想されるので、肘付近と手首付近の2か所にマーカーを取り付ければよい。マーカー位置の質量の測定結果から、2つのマーカーを結ぶ線上のどの位置に重心があるかを求めることができる。
In order to obtain the center of gravity of a part, it is necessary to attach at least two markers to one part.
As shown in FIG. 2, for example, when measuring the forearm, the forearm is a beam-like member, and its center of gravity is expected to be on the axis of the beam, so markers are placed near the elbow and the wrist. Just attach it. From the measurement result of the mass at the marker position, it is possible to determine which position on the line connecting the two markers has the center of gravity.
また、図3に示すように、手掌のような平面状の部位を測定する場合、その重心は平面上にあると予想されるので、マーカーを3か所取り付ければよい。マーカー位置の質量の測定結果から、3つのマーカーからなる平面上のどの位置に重心があるかを求めることができる。 Also, as shown in FIG. 3, when measuring a planar part such as a palm, the center of gravity is expected to be on the plane, so it is only necessary to attach three markers. From the measurement result of the mass at the marker position, it is possible to determine which position on the plane composed of the three markers has the center of gravity.
あるいは、図4に示すように、頭部のような立体的な形状の部位を測定する場合、マーカーを少なくとも4か所、同一平面上にならないように取り付ければよい。マーカーを4か所取り付けることにより、マーカー位置の質量の測定結果から、3次元空間上のどの位置に重心があるかを求めることができる。 Or as shown in FIG. 4, when measuring the three-dimensional site | part like a head, what is necessary is just to attach a marker so that it may not become on the same plane at least four places. By attaching four markers, it is possible to determine which position in the three-dimensional space has the center of gravity from the measurement result of the mass of the marker position.
もちろん、梁状あるいは平面状の部位に対してマーカーを4か所取り付けてもよい。また、1つの部位に対して4か所以上マーカーを取り付けてもよい。 Of course, four markers may be attached to a beam-like or planar part. Further, four or more markers may be attached to one part.
なお、マーカーを3か所取り付け、測定回数を2回にすることでも3次元空間上の重心位置を求めることができる。この場合、まず測定する部位にマーカーを3か所取り付け、その3つのマーカーからなる平面上(例えば鉛直面)の重心位置を求める。つぎに、マーカーの位置を変更して、再度、3つのマーカーからなる新たな平面上(例えば水平面)の重心位置を求める。1回目に求めた重心位置と2回目に求めた重心位置から3次元空間上の重心を求めることが可能である。
つまり、平面状の部位に限らずとも、立体的な形状の部位に対して3つのマーカーを取り付けて、3次元空間上の重心位置を求めることも可能である。
Note that the position of the center of gravity in the three-dimensional space can also be obtained by attaching three markers and setting the number of times of measurement to two. In this case, first, three markers are attached to the site to be measured, and the position of the center of gravity on a plane (for example, a vertical plane) made of the three markers is obtained. Next, the position of the marker is changed, and the position of the center of gravity on a new plane (for example, a horizontal plane) composed of the three markers is obtained again. It is possible to obtain the center of gravity in the three-dimensional space from the position of the center of gravity obtained at the first time and the position of the center of gravity obtained at the second time.
That is, the center of gravity position in the three-dimensional space can be obtained by attaching three markers to a three-dimensional part, not limited to a planar part.
測定する部位によって、適したマーカーの数や位置は異なるので、質量および重心の測定精度を考慮し、各部位に対して最適なマーカーの取り付け方を選択すればよい。 Since the number and position of suitable markers differ depending on the part to be measured, it is only necessary to select an optimal marker attachment method for each part in consideration of measurement accuracy of mass and center of gravity.
[第2ステップ マーカー位置およびモーメントの測定]
つぎに、被測定者が床反力計の上に乗り、加速度が重力加速度に比べて十分小さくなるようにマーカーを取り付けた部位のみをゆっくり動かし、同時にマーカーの位置を3次元動作解析装置で、床反力を床反力計により測定する。マーカーの位置と床反力の測定データは、部位の姿勢を変えながら断続的に収集する。すなわち、測定したい部位の姿勢を様々に変化させ、各姿勢に対する床反力とマーカーの位置を測定するのである。
[2nd step: Measurement of marker position and moment]
Next, the person to be measured gets on the floor reaction force meter and slowly moves only the part where the marker is attached so that the acceleration is sufficiently smaller than the gravitational acceleration. At the same time, the position of the marker is measured with a three-dimensional motion analyzer. The floor reaction force is measured with a floor reaction force meter. The measurement data of the marker position and floor reaction force are collected intermittently while changing the posture of the part. That is, the posture of the part to be measured is changed variously, and the floor reaction force and the position of the marker for each posture are measured.
なお、図1に示すように被測定者は測定中、床反力計の上で椅子に座った状態でもよいし、立った状態でもよい。 In addition, as shown in FIG. 1, the person to be measured may be sitting on a chair on the floor reaction force meter or standing while measuring.
[第3ステップ マーカー位置の質量の推定]
つぎに、収集した測定データから各マーカー位置の質量を推定する。
図5および図6に示すように、測定する部位の測定開始時の姿勢を基準姿勢とし、その基準姿勢での被測定者の床反力の重心位置(加重中心)を基準点とする。なお、基準姿勢は測定開始時の姿勢とする必要はなく、測定の都合に合わせて任意のタイミングに測定した任意の姿勢に設定してもよい。後述するとおり、基準姿勢からのマーカー位置の変位、基準点からの加重中心の変位が測定できればよいからである。特許請求の範囲に記載の「基準姿勢」は、任意の基準となる姿勢を意味する。
[Third step: Estimating the mass of the marker position]
Next, the mass at each marker position is estimated from the collected measurement data.
As shown in FIGS. 5 and 6, the posture at the start of measurement of the part to be measured is set as a reference posture, and the center of gravity position (weighted center) of the floor reaction force of the measurement subject in the reference posture is set as a reference point. Note that the reference posture need not be the posture at the start of measurement, and may be set to an arbitrary posture measured at an arbitrary timing according to the convenience of measurement. This is because, as will be described later, it is only necessary to measure the displacement of the marker position from the reference posture and the displacement of the weighted center from the reference point. The “reference posture” described in the claims means an arbitrary reference posture.
姿勢が変化したときの加重中心の、基準点からのx軸方向の変位をxG、y軸方向の変位をyGとし、そのときの鉛直床反力をFzとすると、基準点まわりの被測定者の体全体により加えられるモーメントのx成分Mx、y成分Myは次式で与えられる。
式3、式4においてMx、Myは床反力計の測定データ、すなわちxG、yG、Fzより得られ、xi、yiは3次元動作解析装置の測定データより得られる。したがって、Mx/g、My/gを従属変数、xi、yiを独立変数、miを偏回帰係数とすれば、重回帰分析により各マーカー位置の質量miを推定することができる。 Formula 3, M x in Formula 4, M y measurement data of force plate, i.e. x G, y G, obtained from F z, x i, y i is obtained from the measurement data of the three-dimensional motion analysis apparatus . Accordingly, M x / g, M y / g a dependent variable, x i, independent variables y i, if the partial regression coefficients m i, is possible to estimate the mass m i of each marker position by multiple regression analysis it can.
ここで重回帰分析とは、独立変数Xi(i=1,2,・・・,N N:独立変数の数)と従属変数Yとの間に次式の関係が成り立つと予想される場合に、
式3、式4からは重回帰分析によりそれぞれ独立に各マーカー位置の質量miを推定するため、1つのマーカー位置の質量に対して、式3から推定された値と、式4から推定された値の2つが存在することになる。理想的には、式3の推定値と式4の推定値は一致するはずであるが、実際には、一致することはあまりない。そのため、式3の重回帰分析と式4の重回帰分析で得られる残差の二乗和Qを比較し、Qが小さい方の式で得られた推定値miをマーカー位置の質量として採用すればよい。また、重相関係数などの指標から、どちらの式で得られた推定値miを採用するかを判断してもよい。 Equation 3, for estimating the mass m i of each marker position independently by multiple regression analysis from Equation 4, with respect to one mass marker position, and the estimated value from equation 3, is estimated from equation 4 There are two values that exist. Ideally, the estimated value of Equation 3 and the estimated value of Equation 4 should match, but in practice, they do not match very much. Therefore, by comparing the square sum Q of the residual obtained by regression analysis of the multiple regression analysis and formula 4 of the formula 3, by employing the estimated value m i obtained by the equation towards Q is small as the mass of the marker position That's fine. Also, it may be determined from which formula the estimated value mi is adopted from an index such as a multiple correlation coefficient.
あるいは、床反力計の加重位置の測定がx軸方向のみ可能であり、3次元動作解析装置がx軸方向のみ測定可能な場合であれば式4を用い、逆に、床反力計の加重位置の測定がy軸方向のみ可能であり、3次元動作解析装置がy軸方向のみ測定可能な場合であれば式3を用いるというように、測定装置の制限により用いる式を選択してもよい。 Alternatively, if the weighted position of the floor reaction force meter can be measured only in the x-axis direction and the three-dimensional motion analyzer can measure only in the x-axis direction, the equation 4 is used. Even when the weighted position can be measured only in the y-axis direction and the three-dimensional motion analysis apparatus can measure only in the y-axis direction, the expression used due to the limitation of the measuring apparatus can be selected. Good.
また、式3、式4を独立に重回帰分析を行うのではなく、式3、式4合わせて重回帰分析を行ってもよい。
すなわち式3の残差を
That is, the residual of Equation 3 is
ところで、鉛直床反力Fzは被測定者が加速度運動をしない限り以下の式を満たす。
特許請求の範囲に記載の「基準値」は、被測定者が十分静的でない場合の測定データを取り除くための、鉛直床反力Fzに対する任意の値を意味する。
Incidentally, the vertical ground reaction force F z satisfy the following equation as long as the subject does not the acceleration motion.
The “reference value” described in the claims means an arbitrary value for the vertical floor reaction force F z for removing measurement data when the measurement subject is not sufficiently static.
なお、本実施形態では、Mx、Myを基準点まわりの被測定者の体全体により加えられるモーメントとしたが、この代わりに、Mx、Myを任意の点周りの被測定者の体全体により加えられるモーメントとしてもよい。この任意の点には、例えば床反力計の角に設定した3次元座標の原点などを用いることができる。
この場合、式3、式4には、測定する部位以外の被測定者の質量m’の項が現れ、
In this case, the terms of the mass m ′ of the person other than the part to be measured appear in the expressions 3 and 4,
しかし、この場合偏回帰係数の数が式3、式4に比べて1つずつ増えるので、重回帰分析の精度が悪くなる可能性がある。この点、Mx、Myを基準点まわりのモーメントとすることで、式5におけるb0の項を消去した式3、式4を用いるほうが好ましい。 However, in this case, the number of partial regression coefficients is increased by one as compared with Equations 3 and 4, so that the accuracy of the multiple regression analysis may be deteriorated. In this regard, by the M x, moment about a reference point M y, wherein 3 to erase the term of b 0 in Equation 5, it finds that using the equation 4 is preferred.
あるいは、m’x’、m’y’が一定であることから、式12および式13を時間で微分し、
なお、式14、式15は、荷重センサや3次元位置測定装置で直接測定される値が、時間で微分したものである場合にも好適である。それらの測定値を積分する必要なく重回帰分析を行うことができるためである。 In addition, Formula 14 and Formula 15 are suitable also when the value directly measured with a load sensor or a three-dimensional position measuring device is differentiated with respect to time. This is because multiple regression analysis can be performed without the need to integrate those measured values.
以上の式3、式4、式12、式13、式14、式15は測定に用いる測定装置などの種々の測定条件によって適した式を選択すればよい。 The above formula 3, formula 4, formula 12, formula 13, formula 14, and formula 15 should just select the formula suitable by various measurement conditions, such as a measuring apparatus used for measurement.
[第4ステップ 部位の質量の推定]
つぎに、推定されたマーカー位置の質量miから、マーカーを取り付けた部位の質量mを求める。部位の質量mはマーカー位置の質量miの総和で求められる。
Next, the mass m of the part to which the marker is attached is obtained from the estimated mass m i of the marker position. Mass m of the site is determined by the sum of the mass m i of the marker position.
[第5ステップ 部位の重心の推定]
つぎに、マーカー位置の質量miとマーカー位置とから、その部位の重心xg、yg,、zgを求める。重心は以下の式で与えられる。
Then, from the mass m i and the marker position of the marker positions, the center of gravity x g at that site, y g,, determine the z g. The center of gravity is given by
以上の手順で、1つの部位の質量と重心を測定することができる。 被測定者の部位の質量および重心を直接測定することができるので、統計的データに頼ることなく正確に、個人ごとの部位別の質量および重心を測定することができる。
また、1つの部位のみの測定では、測定装置が単純となり、測定データから質量および重心を求めることも容易となる。
他の部位の質量を測定するためには、マーカーを付け替えて以上の方法を繰り返すことで測定することもできる。
With the above procedure, the mass and the center of gravity of one part can be measured. Since the mass and the center of gravity of the measurement subject's part can be directly measured, the mass and the center of gravity of each part for each individual can be accurately measured without relying on statistical data.
Further, in the measurement of only one part, the measuring device becomes simple, and the mass and the center of gravity can be easily obtained from the measurement data.
In order to measure the mass of another part, it can also measure by changing a marker and repeating the above method.
(複数の部位の測定方法)
つぎに、複数の部位の質量および重心を同時に測定する方法について説明する。
(Measurement method for multiple parts)
Next, a method for simultaneously measuring the mass and the center of gravity of a plurality of parts will be described.
[第1ステップ マーカーの設定]
まず、被測定者の複数の部位に3次元動作解析装置用のマーカーを取り付ける。被測定者の体のすべての部位にマーカーを取り付け、すべての部位を同時に測定することも可能であるが、マーカーの数が多いと、マーカー位置の質量の測定精度が落ちるため、上腕と前腕、大腿と下腿というように、部位を限定する方が好ましい。各部位のマーカーの取り付け方は前述の方法と同様である。
[First step marker setting]
First, a marker for a three-dimensional motion analysis apparatus is attached to a plurality of parts of the measurement subject. It is possible to attach markers to all parts of the subject's body and measure all parts at the same time, but if the number of markers is large, the accuracy of measuring the mass of the marker position will drop, so the upper arm and forearm, It is preferable to limit the region such as the thigh and the lower leg. The method of attaching the marker at each site is the same as that described above.
[第2ステップ マーカー位置およびモーメントの測定]
前述の方法と同様に、被測定者が床反力計の上に乗り、加速度が重力加速度に比べて十分小さくなるようにマーカーを取り付けた部位のみをゆっくり動かし、同時にマーカーの位置を3次元動作解析装置で、床反力を床反力計により測定する。マーカーの位置と床反力の測定データは、部位の姿勢を変えながら断続的に収集する。
[2nd step: Measurement of marker position and moment]
As in the previous method, the person to be measured gets on the floor reaction force meter and slowly moves only the part where the marker is attached so that the acceleration is sufficiently smaller than the gravitational acceleration, and at the same time, the marker position is moved in three dimensions. The floor reaction force is measured with a floor reaction force meter using an analyzer. The measurement data of the marker position and floor reaction force are collected intermittently while changing the posture of the part.
[第3ステップ マーカー位置の質量の推定]
つぎに、収集した測定データから各マーカー位置の質量を推定する。
複数の部位にマーカーが取り付けられているので、前記の式3、式4の代わりに次式を用いる。
Next, the mass at each marker position is estimated from the collected measurement data.
Since markers are attached to a plurality of sites, the following equations are used instead of the above equations 3 and 4.
もちろん、式12、式13、式14、式15についても同様に変換し、その式を用いて重回帰分析を行うことにより、各マーカー位置の質量mjiを推定することもできる。 Of course, it is also possible to estimate the mass m ji of each marker position by converting Equations 12, 13, 14, and 15 in the same manner and performing multiple regression analysis using the equations.
なお、被測定者の全ての部位に3次元動作解析装置用のマーカーを取り付ける場合、式11において、測定する部位以外の被測定者の質量m’がなくなり、
式24、式25を用いて重回帰分析を行った後、mMN以外の質量の推定値mjiを用いて式23からmMNを求めることができる。
In addition, when attaching the markers for the three-dimensional motion analysis device to all the parts of the subject, the mass m ′ of the subject other than the part to be measured is lost in Equation 11,
After performing multiple regression analysis using Expression 24 and Expression 25, m MN can be obtained from Expression 23 using an estimated mass m ji other than m MN .
[第4、第5ステップ 部位の質量および重心の推定]
式20、式21もしくは式24、式25を用いて推定された各マーカー位置の質量mjiから、各部位の質量および重心を求める。その方法は前述と同様であるので説明を省略する。
[4th, 5th steps Estimation of the mass and center of gravity of the part]
From the mass m ji of each marker position estimated using Equation 20, Equation 21 or Equation 24, Equation 25, the mass and the center of gravity of each part are obtained. Since the method is the same as described above, description thereof is omitted.
以上の手順で、複数の部位の質量および重心を同時に測定することができる。被測定者の部位の質量および重心を直接測定することができるので、統計的データに頼ることなく正確に、個人ごとの部位別の質量および重心を測定することができる。
また、複数の部位の質量および重心を同時に測定することができるので、短時間で多数の部位の質量および重心を求めることができる。
With the above procedure, the mass and the center of gravity of a plurality of parts can be measured simultaneously. Since the mass and the center of gravity of the measurement subject's part can be directly measured, the mass and the center of gravity of each part for each individual can be accurately measured without relying on statistical data.
In addition, since the mass and the center of gravity of a plurality of parts can be measured simultaneously, the mass and the center of gravity of many parts can be obtained in a short time.
(他の測定装置)
以上の実施形態では、荷重センサとして床反力計を用い、3次元位置測定装置として3次元動作解析装置を用いたが、これに代わる装置を用いてもよい。
3次元位置測定装置としては、例えば、被測定者の各関節にゴニオメーターを取り付け関節の角度を測定し、その測定値と事前に測定した被測定者の各部位の長さとから各部位の3次元位置を計算して求めてもよい。この場合、床と接触する足から質量などを測定する部位までの各部位の長さと、各関節の角度を測定することが必要である。
あるいは、ジャイロ,加速度計,地磁気センサを組み合わせたセンサを被測定者が身に着け、その測定値から地球を基準とした3次元位置を求めてもよい。
いずれの3次元位置測定装置の場合においても、3次元位置の測定方法以外は、本発明に係る測定方法は同じである。
(Other measuring devices)
In the above embodiment, the floor reaction force meter is used as the load sensor, and the three-dimensional motion analysis device is used as the three-dimensional position measurement device. However, an alternative device may be used.
As the three-dimensional position measuring device, for example, a goniometer is attached to each joint of the measurement subject, the angle of the joint is measured, and the length of each part of the measurement subject measured in advance and the length of each part of the measurement target 3. The dimension position may be obtained by calculation. In this case, it is necessary to measure the length of each part from the foot in contact with the floor to the part where the mass or the like is measured, and the angle of each joint.
Alternatively, the person to be measured may wear a sensor in which a gyroscope, an accelerometer, and a geomagnetic sensor are combined, and the three-dimensional position with reference to the earth may be obtained from the measured value.
In any of the three-dimensional position measurement apparatuses, the measurement method according to the present invention is the same except for the three-dimensional position measurement method.
本発明に係る人体の部位別の質量および重心の測定方法は、医療分野やスポーツ運動学分野などにおいて利用される。例えば、本発明の測定方法により得られた部位別の質量および重心は、個人ごとに関節モーメントを求める際のパラメータとして利用され、ひいては筋骨格モデルを用いて個人ごとの筋張力を推定することなどに利用される。
また、人体をモデル化して運動をシミュレーションすることが様々な分野で行われているが、本発明の測定方法により得られた部位別の質量および重心は、個人ごとの運動をシミュレーションする際のパラメータとしても利用される。
The method for measuring the mass and the center of gravity of each part of the human body according to the present invention is used in the medical field, the sports kinematics field, and the like. For example, the mass and the center of gravity for each part obtained by the measurement method of the present invention are used as parameters when obtaining joint moments for each individual, and by extension, the muscle tension for each individual is estimated using a musculoskeletal model. Used for
In addition, the simulation of movement by modeling the human body is performed in various fields. The mass and the center of gravity obtained by the measurement method of the present invention are parameters for simulating movement for each individual. Also used as
Claims (10)
前記測定点の基準姿勢からの変位xi(iは測定点の番号を示す。)と、
任意の点周りの被測定者の体全体により加えられるモーメントMとを、
前記測定点を設定した部位のみ姿勢を変化させながら断続的に測定する第2ステップと、
M/g=Σmixi+m’x’
(gは重力加速度、miは測定点の質量、m’は測定点以外の被測定者の質量、x’はm’の重心の前記任意の点からの距離、Σは測定点の総和を示す。)
の式を用いて、前記第2ステップにより得られたデータから、前記部位の測定点における質量miを、M/gを従属変数、xiを独立変数、miを偏回帰変数とした重回帰分析により推定する第3ステップと、
前記測定点の質量miの総和から前記部位の質量を求める第4ステップと、
前記測定点の質量miと位置とから前記部位の重心を求める第5ステップとを順に行う
ことを特徴とする人体の部位別の質量および重心の測定方法。 A first step of setting a measurement point on the assumption that the mass of the part is concentrated on the part of the subject;
Displacement x i from the reference posture of the measurement point (i indicates the number of the measurement point);
The moment M applied by the entire body of the subject around any point,
A second step of measuring intermittently while changing the posture of only the part where the measurement point is set;
M / g = Σm i x i + m'x '
(G is gravitational acceleration, m i is the mass of the measurement point, m ′ is the mass of the subject other than the measurement point, x ′ is the distance from the arbitrary point of the center of gravity of m ′, and Σ is the sum of the measurement points Show.)
Heavy using equation from data obtained by the second step, the mass m i at the measuring point of the site, which dependent variable M / g, independent variable x i, the m i and the partial regression variables A third step of estimating by regression analysis;
A fourth step of obtaining the mass of said portion from the sum of the mass m i of the measurement point,
A method for measuring the mass and the center of gravity of each part of a human body, wherein the fifth step of obtaining the center of gravity of the part from the mass mi and the position of the measurement point is sequentially performed.
1つの部位に対して2つの測定点を設定する
ことを特徴とする請求項1記載の人体の部位別の質量および重心の測定方法。 In the first step,
2. The method of measuring mass and center of gravity of each part of a human body according to claim 1, wherein two measurement points are set for one part.
1つの部位に対して3つの測定点を設定する
ことを特徴とする請求項1記載の人体の部位別の質量および重心の測定方法。 In the first step,
3. The method of measuring mass and center of gravity for each part of a human body according to claim 1, wherein three measurement points are set for one part.
1つの部位に対して4つ以上の測定点を同一平面上にならないように設定する
ことを特徴とする請求項1記載の人体の部位別の質量および重心の測定方法。 In the first step,
The method of measuring mass and center of gravity for each part of a human body according to claim 1, wherein four or more measurement points are set so as not to be on the same plane for one part.
1つの部位にのみ測定点を設定する
ことを特徴とする請求項1記載の人体の部位別の質量および重心の測定方法。 In the first step,
2. The method of measuring mass and center of gravity for each part of a human body according to claim 1, wherein the measurement points are set only for one part.
複数の部位に測定点を設定する
ことを特徴とする請求項1記載の人体の部位別の質量および重心の測定方法。 In the first step,
2. The method of measuring mass and center of gravity of each part of a human body according to claim 1, wherein measurement points are set at a plurality of parts.
鉛直床反力を測定し、
前記第3ステップにおいて、
前記鉛直床反力が基準値よりも大きいもしくは小さい場合は、重回帰分析に用いるデータから取り除く
ことを特徴とする請求項1記載の人体の部位別の質量および重心の測定方法。 In the second step,
Measure the vertical floor reaction force,
In the third step,
The method according to claim 1, wherein when the vertical floor reaction force is larger or smaller than a reference value, it is removed from data used for multiple regression analysis.
モーメントMを、前記基準姿勢の被測定者の床反力の重心位置を基準点とし、該基準点周りの被測定者の体全体により加えられるモーメントとし、
前記第3ステップにおいて、
M/g=Σmixi
の式を用いて、前記部位の測定点における質量miを推定する
ことを特徴とする請求項1記載の人体の部位別の質量および重心の測定方法。 In the second step,
The moment M is defined as the moment applied by the entire body of the subject around the reference point, with the position of the center of gravity of the floor reaction force of the subject in the reference posture as the reference point,
In the third step,
M / g = Σm i x i
Of using a formula according to claim 1 body part by mass and center of gravity measurement method of wherein the estimating the mass m i at the measuring point of the site.
(dM/dt)/g=Σmi(dxi/dt)
(dM/dtはモーメントMの時間微分、dxi/dtは変位xiの時間微分を示す。)
の式を用いて、前記部位の測定点における質量miを推定する
ことを特徴とする請求項1記載の人体の部位別の質量および重心の測定方法。 In the third step,
(dM / dt) / g = Σm i (dx i / dt)
(DM / dt is the time derivative of moment M, and dx i / dt is the time derivative of displacement x i .)
Of using a formula according to claim 1 body part by mass and center of gravity measurement method of wherein the estimating the mass m i at the measuring point of the site.
被測定者の全ての部位に前記測定点を設定し、
前記第3ステップにおいて
M/g=Σmixi+(Fz-Σmi)xN
(FZは鉛直床反力、Nは測定点の数、ΣはN番目の測定点以外の測定点の総和を示す。)
の式を用いて、前記部位の測定点における質量miを推定する
ことを特徴とする請求項1記載の人体の部位別の質量および重心の測定方法。 In the first step,
Set the measurement points on all parts of the subject,
In the third step
M / g = Σm i x i + (F z -Σm i) x N
(F Z is the vertical floor reaction force, N is the number of measurement points, and Σ is the sum of measurement points other than the Nth measurement point.)
Of using a formula according to claim 1 body part by mass and center of gravity measurement method of wherein the estimating the mass m i at the measuring point of the site.
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