JP2010529455A - 圧点の測定方法およびそのための装置 - Google Patents

Abstract

選択可能な対象領域において圧力を検出およびモニタリングするための圧力感知方法、システム、およびコンピュータプログラム製品は、スポーツのトレーニングおよびモニタリングアプリケーションにおいてユーザの中敷の足部圧を判定するための感知システムを含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）（ｌ）下において、２００７年６月５日出願の米国仮特許出願第６０／９２４，９３１号および２００７年１１月２７日出願の米国仮特許出願第６０／９９６，６０８号の優先権を主張する。

以下の説明は、概して圧力を感知する方法およびそのためのシステムに適用可能である。詳細には、以下は、スポーツの訓練（トレーニング）、ならびにそれを特に参照して説明されるモニタリングアプリケーション、コンピュータゲーム、および診断システムに取り組んでいるユーザのインソール（靴の内底）（ｉｎｓｏｌｅ）の足部圧を検出することに関する説明であって、特にこれらにつき説明する。しかしながら、以下の説明は、他の圧力アプリケーションにも適用可能であることを理解されたい。

運動選手は様々な測定基準（ｍｅｔｒｉｃｓ：メトリック）を用いて自身のパフォーマンスを測定し、ワークアウト（ｗｏｒｋｕｏｕｔ：練習、トレーニング）を記録する。ワークアウト中およびワークアウト後に測定基準を記録し、それらを分析する。例えば、インターバルを取るワークアウトでは、一般に、激しいすなわち強さが大の活動、幾分激しいすなわち中程度の強さの活動、および休息の複数回のセットを伴う。この激しい活動は、特定の運動選手に対する所望の激しさすなわち強さに相関する測定基準の範囲によって表わし得る。同様に、休息または幾分激しい活動の期間は、特定の運動選手に対する所望の落ち着いた状態に相関する範囲または測定基準として表わし得る。

ヒトの足部は、機械的に複雑でありかつ構造強度も強い。足首は、土台、ショックアブソーバ（緩衝部）、および推進機関としての機能を果たす。足部は強烈な圧力（すなわち、１マイル（１マイルは約１６０９ｍ）走る間に約数トンの範囲）に耐えることができ、柔軟性と弾力性を提供し得る。

足部および足首は、２６個の骨（すなわち、人体の骨の１／４近くが足部にある）；３３個の関節；１００個超の筋肉、腱（すなわち、筋肉を骨につなぐ線維組織）、および靭帯（すなわち、骨と他の骨をつなぐ線維組織）；および血管組織網、神経、皮膚、および軟組織を含む。

これらの構成要素が共に働いて、体を支え、体の均衡を保ち、体に運動性を与える。いずれかの一部分における構造的な欠陥または機能障害があると、体のどこかに問題が発現し得る。体の他の部分における異常が足部に問題を生じ得る。本発明の実施形態は、ユーザの足部の複数の点にかけられた圧力を感知することを支援して、そのような問題を軽減する一助となる。

構造的に、足部は３つの主要な部分を有する：前足部、中足部、および後足部である。図２Ａおよび図２Ｂに示す前足部は５本の足指（趾骨または指骨と称する）と、それらをつなぐ長骨（中足骨）とで構成される。各足指（趾骨または指骨と称する）はいくつかの小骨で構成される。足の親指（母指または第一趾としても知られている）は２本の趾骨、遠位骨および近位骨を有する。足の親指は、趾節間関節と呼ばれる関節を１つ有する。足の親指は第一中足骨頭と関節を形成し、第一中足指節関節（略してＭＴＰＪ）と呼ばれる。第一中足骨頭の下側には、種子骨と呼ばれる２つの小さな丸い骨がある。他の４本の足指は各々、３本の骨と２つの関節とを有する。趾骨は、母指球において５つの中足指節関節によって中足骨につながれている。前足部は体重の半分を支え、母指球にかかる圧力の均衡をとる。

中足部は、５本の不規則な形状の足根骨を有し、アーチ（ａｒｃｈ）すなわち足底弓を形成し、かつショックアブソーバとしての機能を果たす。中足部の骨は、筋肉および足底筋膜（Ｐｌａｎｔａｒ ｆａｓｃｉａ）（土踏まずの靭帯）によって前足部および後足部につながれている。

後足部は３つの関節で構成され、中足部を足首（距骨）に結合する。距骨の上部を下肢の２本の長骨（脛骨および腓骨）につないで蝶番を形成し、それにより、足部を上下に動かすことが可能となる。かかとの骨（踵骨）は、足部で最も大きい骨である。踵骨は距骨に接合して距骨下関節を形成する。踵骨の底は脂肪層で衝撃を和らげられている。

筋肉、腱、および靭帯の網が、足部の骨および関節を支持する。足部には２０個の筋肉があり、足部に、骨を適切な箇所に保持することによりその形状を与え、かつ伸び縮みして動きを与える。足部の主要な筋肉は：足部を上方に動かすことを可能とする前脛骨筋；土踏まずを支える後脛骨筋；足首の外側の動きを制御する脛腓骨筋；足首を上げて足指が前に進む行為を開始させるのを助ける伸筋；および足指を地面に対して安定させるのを助ける屈筋である。より小さな筋肉により、足指を持ち上げたり曲げたりすることが可能となる。

足部には、筋肉を骨および関節につなぐ弾性組織（腱）がある。足部の最も大きくかつ最強の腱はアキレス腱であり、ふくらはぎの筋肉から踵まで延在する。その強度と関節機能とによって、走る、ジャンプする、階段を上る、および足指の上に体を伸ばすといった動作を容易にする。靭帯は腱を適切な場所に保持し、かつ関節を安定させる。これらのうちで最も長い足底筋膜が、足部の足底に踵から足指まで土踏まずを形成する。足底筋膜が収縮することによって、土踏まずを湾曲させたり平らにしたりしてバランスをもたらし、かつ足部に、歩く動作を開始する強さを与える。足部の外側の内部および側部の靭帯にある内側靭帯が、安定性をもたらし、かつ足部を上げたり下げたりすることができるようにする。皮膚、血管、および神経が足部にその形状と耐久性とを与え、細胞の再生および筋肉に必要な栄養をもたらし、ならびにその様々な運動を制御する。

圧力感知方法および特に圧力感知システムを使用して、以下詳細に説明するように、スポーツのトレーニングならびにモニタリングアプリケーション、コンピュータゲーム、および診断システムに取り組んでいるユーザのインソールの複数の点において足部圧を検出し得る。

本発明の上述のおよび他の特徴は以下、添付の図面に示される本発明の例示的な実施形態をより詳細に説明することにより、明らかとなる。図面では、同様の参照符号は全体的に同一の、機能的に類似の、および／または構造的に類似の要素を示す。対応する参照符号の一番左の数字は、要素が最初に出てきた図面を示す。

感知システムを示す図である。 ヒトの足部の一部を示す図である。 感知システムの一部を示す図である。 変換器（トランスデューサ）の一部の詳細を示す図である。 変換器からのデータフローを示す図である。 変換器のマッピングの例を示す図である。 測定された抵抗に対する測定圧力の依存性を示すグラフの例を示す図である。 伝送データのフロー図を示す図である。

定義
本発明を説明するにあたって、以下の定義を全体的に使用する（上記部分を含む）。

「コンピュータ」とは、構造化された入力を受け取り、規定のルールに従って、構造化された入力を処理し、かつ出力として処理結果を生じることができる１つ以上の装置および／または１つ以上のシステムのことを称するとする。コンピュータの例としては：コンピュータ；据置型および／または携帯用コンピュータ；シングルプロセッサ、マルチプロセッサまたは並列動作および／または非並列動作し得るマルチコアプロセッサを有するコンピュータ；汎用コンピュータ；スーパーコンピュータ；メインフレーム；超小型コンピュータ；小型コンピュータ；ワークステーション；マイクロコンピュータ；サーバ；クライアント；インタラクティブテレビ；ウェブアプライアンス；インターネット接続できる通信機器；コンピュータおよびインタラクティブテレビのハイブリッド複合機；携帯用コンピュータ；タブレットパーソナルコンピュータ（ＰＣ）；携帯情報端末（ＰＤＡ）；携帯電話；コンピュータおよび／またはソフトウェアをエミュレートする特定用途向けハードウェア、例えば、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、特定用途向け命令セットプロセッサ（ＡＳＩＰ）、１つのチップ、複数のチップ、チップ上のシステム、またはチップセット；データ収集装置；光コンピュータ；量子コンピュータ；バイオコンピュータ；およびデータを受け取る、１つ以上の格納されたソフトウェアプログラムに従ってデータを処理する、結果を生成する、ならびに典型的には入力装置、出力装置、記憶装置、演算装置、論理演算装置および制御装置を含み得る装置を挙げることができる。

「ソフトウェア」とは、コンピュータを動作させる規定のルールのことを称するとする。ソフトウェア例としては：１つ以上のコンピュータ可読言語におけるコードセグメント；グラフィカルなおよび／またはテキスト形式の命令；アプレット（ａｐｐｌｅｔｓ）；プリコンパイルコード；翻訳されたコード；コンパイル済みコード；およびコンピュータプログラムを挙げることができる。

「コンピュータ可読媒体」とは、コンピュータでアクセス可能なデータを記憶するために使用されるいずれかの記憶装置のことを称するとする。コンピュータ可読媒体の例としては：磁気ハードディスク；フロッピーディスク；光ディスク、例えばＣＤ−ＲＯＭおよびＤＶＤなど；磁気テープ；フラッシュメモリ；メモリチップ；および／または機械可読命令を記憶できる他のタイプの媒体を挙げることができる。

「コンピュータシステム」とは、１つ以上のコンピュータを有し、各コンピュータが、コンピュータまたはその構成要素の１つ以上を動作させるソフトウェアを具現化するコンピュータ可読媒体を含み得るシステムのことを称するとする。コンピュータシステムの例としては：ネットワークに接続したコンピュータシステムによって情報を処理するための分散型コンピュータシステム；コンピュータシステム間で情報を送信および／または受信するためにネットワークを介して接続された２つ以上のコンピュータシステム；単一のコンピュータ内に２つ以上のプロセッサを含むコンピュータシステム；およびデータの受け取りができ、１つ以上の格納されたソフトウェアプログラムに従ってデータの処理ができ、その結果の生成ができ、ならびに典型的には入力装置、出力装置、記憶装置、演算装置、論理演算装置および制御装置を含むことができる１つ以上の装置および／または１つ以上のシステムを挙げることができる。

「ネットワーク」とは、通信機器によって接続され得る複数のコンピュータおよび関連デバイスのことを称するとする。ネットワークは、ケーブルなどの永久接続、または電話や他の通信回線によってなされるものなどの一時接続を含むことができる。ネットワークはさらに、配線接続（例えば、同軸ケーブル、ツイストペア、光ファイバー、導波管など）および／または無線接続（例えば、無線周波数波、自由空間光学波、音響波など）を含むことができる。ネットワークの例としては：インターネット、例えばインターネット；イントラネット；ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）；広域ネットワーク（ＷＡＮ）；ならびに例えばインターネットおよびイントラネットなどのネットワークの組み合わせを挙げることができる。例示的なネットワークは、複数のプロトコルのいずれか、例えばインターネットプロトコル（ＩＰ）、非同期転送モード（ＡＴＭ）、および／または同期式光ネットワーク（ＳＯＮＥＴ）、ユーザデータグラムプロトコル（ＵＤＰ）、ＩＥＥＥ８０２．ｘ、などで動作し得る。

以下、例示的な実施形態を詳細に説明する。特定の例示的な実施形態について説明するが、これは例示目的のみであることを理解されたい。例示的な実施形態を説明しかつ図示する中で、明瞭にするために特定の用語を用いる。しかしながら、本発明は、そのように選択された特定の用語の例に限定されるものではない。当業者には、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく他の構成要素および構成を使用し得ることを理解されたい。特定の各要素は、類似の目的を達成するために同様に動作する技術的な等価物を全て含むことを理解されたい。本願明細書に説明する例および実施形態は、非限定的な例である。

感知システムのインソール（内底）（ｉｎｓｏｌｅ）は、連続的な静電容量圧力センサシステムを含む足部力（ｆｏｏｔ ｆｏｒｃｅ：フットフォース）変換器を備える。従来の足部力変換器は、三層構造の中心層の両側において、２セットの導電性帯条片（ｓｔｒｉｐｓ：ストリップ）を直交方向に並べて重ね合わせることによって形成された離散型アレイのコンデンサを有する（図３参照）。

感知システムの設計によって、典型的な三層構造を作製するときに導電性要素をフレキシブルに配置することが可能となる。靴の内底の連続的な静電容量圧力センサ素子は感圧可変（ｖａｒｉａｂｌｅ）すなわち導電率が検出された圧力で変わる導電性ポリマーを使用して作製される。この導電性ポリマーは、可撓性の高分子フィルム製のフレキシブル回路のシート上の導電性トレースすなわち導電性材料の線路間に設けられている。この高分子フィルムは、銅薄板に積層されている。この銅薄板はエッチングされて導体パターンを与える。このポリイミドフィルムは耐熱性が高く、寸法安定性があり、絶縁耐力が良好で可撓性が高いため、厳しい環境でも耐えることができる。

連続的な抵抗／静電容量センサ層を、押出しＥＳＤ（静電破壊）型の超高密度導電性ＸＰＵフォーム（ｆｏａｍ）とし得る。この材料は、超高電圧の静電放電から保護するために使用され、かつ動きによる衝撃から物理的なデバイスを保護するための圧縮可能な形にする要因すなわちフォームファクター（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）となる。材料は、圧縮力の範囲（０〜３０ｐｓｉ）（但し、１ポンドは約４５３．６グラム、１インチは約２．５４ｃｍ）において直線的（リニア）の抵抗特性および静電容量特性をもたらす。可変圧力解析点技術すなわち測定点を変えて圧力の分析を行う技術（ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｏｉｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を使用して、足部圧測定の対象の領域を動的にマッピングすることができる。例えば、一実施形態では、踵領域および足指領域の一部分を約１０ミリ秒間測定し得る。次いで、土踏まず領域を２５ミリ秒間測定し得る。この測定により、例えば、（疾患を原因とする）神経損傷によって、足部の一定の領域が膨張していることに気づけない、糖尿病に患っている人の場合には、パターン測定が可能となる。このようなパターン測定を用いることによって、足底の足部圧の変動に変化があると警告を発生させることができる。

静電容量効果、圧電効果、および／または抵抗効果をもたらすことができる圧電セラミック材料などの他の材料を使用し得ることが考えられる。

感知システムは、種々の構成配置に再構成することが可能であるこれらのモジュール式の軽量で高解像度の連続的な圧力感知靴底パッドを組み込んで、詳細な圧力データをホストコンピュータに無線伝送し、それらデータをコレイト（ｃｏｌｌａｔｅ）すなわちマージしかつまとめて表示する。感知システムを、視覚ベースの感知システムなどの他のシステムと一体化して、ローバスト（ｒｏｂｕｓｔ）すなわちしっかりしたマルチモーダル（多様式）な感知能力を提供し得る。感知システムは、データの解析／可視化、データの記録および再生用に一連のアプリケーションを提供する。複数の感知装置をグループ化して、ホストコンピュータにリアルタイムデータを送信するクラスタを形成する場合もある。

感知システムは、連続的な静電容量圧力センサの材料が機械的に変形することに起因するその電気特性の変化を検出する。感知システムは、２００のエレメントすなわちセンサ又は測定点を含む圧力を受けるソール（または靴底）（ｓｏｌｅ）に対して５０Ｈｚのサンプリングレートで１秒間の記録時間を有する場合には、圧力データポイントは、ソール毎に１秒間に１０，０００点となる。これだけの情報量の場合、視覚的表現およびデータ整理技術を用いて、圧力分布のグラフ表示をワイヤーフレーム図で表現する。これらの圧力マップを、各サンプリング間隔でまたは足部が地面に接触している間の特定の瞬時に得る。ピーク圧力のグラフ表示を使用して、個々の足部の地面との接触行動を表すことができる。この画像は、足部下の最も高い圧力は接地中常に発生するので、この最高圧を示すことによって作成する。

感知システムは、二足で立っている間の足底（ｐｌａｎｔａｒ）の圧力を測定することができ、二足立により、踵圧は前足部圧対して約２．６倍高くなる。最も高い前足部圧は、第２および第３中足骨頭部の下にある。この立っている間は、足指は、負荷を分担する機能をほとんど有しない。足底のピーク圧力は、体重とは実質的に関連性を示さない。感知システムは、二足で立っている、歩いている、および走っている期間中の足部圧を測定し、かつ前足部下の最も高い圧力が第３中足骨頭部の下にあることを示す。二足で立っている場合および歩いている場合、第３中足骨頭部の下側のピーク圧力は、他の中足骨頭の下側の圧力よりもかなり高い。走っているときの、地面からの反作用力の衝撃フェーズすなわち衝撃を受けている期間中に足部が地面に衝突すると、減速する肢の運動量が、急激に変化し、その結果、過渡的な力が骨格に伝達される。これらの力は、体重の３倍までの大きさに達する。これらの力が繰り返し伝達されると、退化（ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ：デグラデーション）およびオーバーユース傷害をもたらす。走っている間（ランニング中）に足部のソール全体に分布した足底の圧力を測定する感知システムは、その能力により、地面の反作用力の衝撃フェーズの結果として、足部の生体力学的特性をプロファイリングすることによって、退化およびオーバーユース傷害の可能性を早期にすなわち逸速く決定することが可能となる。

感知システムは、縦足弓下の、成人男性の足部圧と女性の足部圧との足底の圧力の差を測定するのに十分な感度を有する。中足部下では、女性は、立っている間のピーク足部圧が低くなる。かつまた、女性の場合、歩いているときに女性の足部の縦足弓下において体重と足部圧との間に相関関係がある。これにより、感知システムによって、靭帯の構造、すなわち歩いている際の体重を支えているフェーズの間にある程度縦足弓の崩れをきたすこととなる、当該靭帯の構造を分析することが可能となる。

感知システムは、走っている間にも同様な足部機能分析を行うことができる。具体的には、感知システムは、中足部の負荷、ならびに男性ランナーと比較して女性ランナーの場合の方がより明白である後足部の回転量を分析することができる。子供の場合、成人とは違って、体重は、子供の足部下の圧力の大きさに重大な影響を与えるものであると判明しており、男の子と女の子との間で足部圧または相対的な負荷パターンに差がない。ここで感知システムを周期的に使用して、子供が成長するにつれた、子供の歩き／走り／足取りに関連した潜在的な問題を分析し得る。これは、適切な中敷（ｉｎ−ｓｏｌｅ）および他のサポート構造の開発の手助けとなるデータを提供して、歩き／走り／足取りに関連した問題の改善化（ｒｅｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ）に役立つことができる。

感知システムは、過体重および肥満の人の痛みならびに下肢の不快感の原因を決定する手助けとなり得る。足底の圧力解析を分析するシステムの能力によれば、痛みおよび下肢の不快感を見抜くこともできる。立っているおよび歩いている間の肥満な成人と非肥満な成人との間の足底の圧力差は、過体重の人の前足部の幅対足部の長さの比が大きくなっていることを示す。これは、体重による負荷が増加した条件下において前足部が広がっているためである。地面に対する足部の荷重を支持する接触域が増えていても、過体重の人は、立っている、歩いているおよび走っている間中、踵、中足部および前足部の下側における足部圧はかなり高い。

感知システムは、肥満男性と比べて肥満女性に対して、立っている期間中の中足部下の足部圧をより高く測定する。女性の足部における靭帯の本来の強さが自然に低減した結果、土踏まずが扁平化するが、この扁平化には、主に、体重の影響がある。体重は、これら肥満な人の下肢の痛みおよび不快感、ならびに肥満な人の履物の選択、および歩くおよび走るなど日々の生活の活動に関与する病気の一因となり得る。歩く場合、前足部圧ならびに前足部接触域は、肥満女性でかなり増大している。感知システムは、前足部足底の圧力の増大を分析しおよびモニタすることができる。この圧力の増大は、ほとんどの場合、足部に不快感をもたらしおよびこれらの肥満女性が通常の身体活動を行うのを妨げてしまう。

感知システムは、ランナーがオーバーユース傷害の管理をする手助けを行うことができる；オーバーユース傷害は、毎年、活動しているランナーの半数超に発生し、ランニングをやめさせる原因となっている。そのような傷害の原因としては、トレーニング変数、後足部運動変数、運動力学的変数および強さの変数を最適化するための体の寸法にばらつき（違い）または分布があることが挙げられる。リアルタイムの足部圧などの生体力学的なパラメータを、感知システムによって特定し、分析することは、オーバーユース傷害を保護しおよびパフォーマンスの向上をもたらす鍵となる運動用の履物の性質を特定するのに役立つ。そのようなパラメータをミッドソール材料特性とし、これら特性は、履物の製造におけるばらつきに関する情報をもたらすことができる。

感知システムは、ランニングシューズ／運動用の履物の後足部の回転、足部圧パターン、および衝撃吸収特性を測定しかつ記録して、オーバーユース傷害の危険性を低減する助けとなり得る靴の特徴を分析できる。感知システムを使用して、様々な地形タイプにおけるランニング中に靴が合うかどうかおよび靴の快適性を評価できる。感知システムの長期のモニタリングおよびアーカイブ能力により、時間が経つにつれておよび使用するにつれる靴の特性の劣化を分析することが可能となる。

感知システムは、ランニングおよびトレーニング中の靴の中の圧力をリアルタイムに記録し、かつ履物と、その履物を履いている人の足部の力学との間の相互作用に関する情報を提供する。ランニングおよびトレーニング中に回転しすぎることが、多くのオーバーユース傷害の原因となっている。一般に、後足部の過剰な動きを制限することおよび衝撃吸収性を改善することによって、ランニングおよびトレーニングにおける傷害の危険性を低減することができる。距骨下関節の回転を判定しかつ測定することは、ランニングシューズおよびトレーニングシューズの評価を行うために重要である。リアルタイムの距骨下関節の回転測定データを収集することは、感知システムの主要な機能の１つである。

感知システムは、特徴をモニタリングしおよび記録して評価することによって傷みまたは擦り切れ（ｗｅａｒ ａｎｄ ｔｅａｒ）および引裂きを判定し得る。感知システムは、足部圧データを無線で、およびミッドソール特性の違いと組み合わせられた後足部の動きの変化でリアルタイムに検出し、収集すなわち記録しおよび分析して、靴のクッションの違いを判定して靴の全体的な堅さすなわち剛性を分類する能力を有する。これらの剛性の特徴は、履物のランディングパターンを変えて、より低い衝撃力を引き出すようになる。これにより、繰り返しの衝撃負荷によって生じる傷害を最小限にするためにそのような靴を使用する着用者にとって有益な生体力学的な査定を行う構成とすることが可能となる。インソールの摩耗は、緑、黄、赤のグラフィックディスプレイ表示として靴の外側に表示されて、靴の摩耗の度合いを示す。

感知システムは、足部ゾーン（踵、中足部および前足部）によって重量および力の評価を行い得る。感知システムは、歩行、ランニングおよび／またはトレーニング中に、上級のクッショニングコラムシステム（ｃｕｓｈｉｏｎｉｎｇ ｃｏｌｕｍｎ ｓｙｓｔｅｍ）を備えるランニングシューズの垂直方向の地面からの反作用力のパターンならびに材料特性に関係する足部圧データを、無線およびリアルタイムで検出、収集および解析する能力を有する。

感知システムは、特定の事象の間のおよび相関関係にある複数の事象（練習対試合活動）の間における対象（被験者）の足取りの変化／パターンを決定し得るように、活動中の足のソール（ｆｏｏｔ ｓｏｌｅ）の圧力パターンの変化を検出し得る。例えばランニングレースでの体液或いは水分（ｆｌｕｉｄ）の損失のようなことによる、時間が経つにつれる圧力のわずかな変動も検出できるようにする。この情報を収集サイトまたはモニタへ無線で伝送する能力がある。

感知システムは、特定のスポーツイベント中の力のパターンにおける変化を検出し、かつ予想される出力に対する力／エネルギー条件を計算することができる。エネルギーベクトル分析対現在の予想される出力を得ること。

感知システムは、ダンスや運動学的な利用、例えばインタラクティブなダンス運動−対象（被験者）が正しいステップを踏んでいるときには対象にある信号が送られ、間違っているときには別の信号が送られるゲームのアプリケーションとしてダンスを学ぶ−に必要なモニタリングおよび解析を提供し得る。

感知システムは、産業上の利用に必要なモニタリングおよび解析を提供して、組立て効率に対して測定された許容可能な人員の動き、危険区域および／またはセキュリティ区域など立ち入りが禁止されている特定の領域への立ち入りを監視するために個々の作業者の配置の決定などの倉庫人員の有効性を決定し（ＧＰＳは建物の内部では、とりわけ倉庫環境においては非常に効果的というわけではなく、高価であるため）、ならびに減量および健康維持に対する従業員の健康管理を刺激するアプリケーションにおいてモニタリングおよび解析を提供し得る。

感知システムは、ゲームのインターフェースを増強し、プレイステーション（ＰｌａｙＳｔａｔｉｏｎ）ＰＳ３（登録商標）およびＸＢｏｘ３６０（登録商標）のゲーム機などのテレビゲームを補足し得る。これは、これらのゲーム機で実行されるテレビゲームとのインタラクションの仕方に関する特別な次元（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：ディメンション）を追加する。ジャンプ、歩行またはランニング中に検出された足部圧の活動は、足部の向きおよび位置のデータと組み合わせられて、通常の人気のあるテレビゲームとの対話性を高め、格闘ゲームにおけるキックまたはブロックのように直感的に認識してゲームをすることが可能となる。

感知システムのバックエンドサーバ処理オプションは、フットボール、サッカー、および／またはバスケットボールなどのスポーツゲームに関与するプレーヤーのフィールドを表す感知システム中敷（ｉｎ−ｓｏｌｅ：インソール）モニタを大きなグループとして収集することができる。これは、遠隔解析サポーティング集団レビュータイプのアプリケーション用にウェブサイトとして実装し得る。感知システムは、個々のソール用の特定の記号（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ：シグネチャ）によって、人（２つのソール）によって、または個々のソールの集合によって大きな参照フィールド（スポーツフィールド、戦場、長距離走）にわたるデータを収集することができる。伝送ゾーンに着信したときに、ウェブでゲームをする仲間によって記憶され、比較されかつ評価されるポストイベント再シミュレーションを作成するウェブインターフェースへこの情報を全てダウンロードできるようにする。

感知システムのバックエンドサーバ処理オプションは、フットボール、サッカー、および／またはバスケットボールなどのスポーツゲームに関与するプレーヤーのフィールドを表す感知システム中敷モニタを大きなグループとして収集することができる。これにより、リアルタイムのおよびアーカイブされた中敷（ｉｎ−ｓｏｌｅ：インソール）データを用いる相関分析を使用することによってゲーム戦略解析プログラムを作成することができる。追加的なデータ入力によって、リアルタイムのビデオ強化型動的ゲーム戦略調整プログラムなどが可能となる。

感知システムは、ランニングレース中での水分の損失、医療またはリハビリ環境における血圧の変化、血圧が、オペレータが継続するのに適しているかを示し得る作業プロセス（車の運転）中の血圧の変化のような状態に起因する、時間が経つにつれる足部圧のわずかな変動を検出することができる。感知システムのモニタリングおよびアーカイブ能力を用いて、プログラムを、上述のように長期の足部圧の変動分析を管理するように構成し得る。

この感知システムを、車両速度のオペレーションの主要なメカニズムとして、車用のフロアマットタイプの構成に、実装し得る。感知システムをまた、傷害や先天性異常のためにオペレータが手または足部の操作システムに圧力をかけることができない場合に、小型モータ制御を支援するアプリケーションに使用し得る。上述のどちらの場合も、感知システム無線サポートの例示的な実施形態では６自由度の動作を可能にする。

−特徴：
−変換器は抵抗および静電容量を測定する。
−圧力測定は、変換器材料の圧縮における変化によって行われる。
−可変列センスおよび行センス電極グリッド能力。
−データ収集用のマップ化可能（ｍａｐ ａｂｌｅ）行列マトリクス選択パルス発生（アナログ対デジタル変換−ＡＤＣ）。
−高速３２ビットマイクロプロセッサが、単位秒当り２５〜１００個の完全な足底の足部圧プロファイルの速度での高速行列電極スキャニングを可能にする。
−製品がBluetooth（登録商標）およびZigBee WSN（登録商標）の双方の無線技術をサポートする。
−インソール（ｉｎｓｏｌｅ）のアルゴリズムは、効率的な無線通信に専有の効率的な圧縮アルゴリズムを用いる。
−製品は、網目状ネットワーク構成において２００平方メートル中６５，５３５ノードまでサポートする。
−製品は、一意のRSSIアルゴリズムを使用して２メートルの精度で無線のロケーションサービスをサポートする。
−ホストコンピュータに取り付けられた１つまたは複数の収集ノードが、リアルタイムでの３次元的な表示のために内底データを収集する。

ここで図８を参照して説明する。起動時、本発明の実施形態による感知システムは、コレクタノードまたはインソール（ｉｎｓｏｌｅ）ノードのどちらであるか判定する。感知システムはこれを、いずれかの有線のインターフェースが存在するかどうかを判定することによって行う。ＵＳＢインターフェースはＰＣへの取付を可能とするために存在するため、有線のインターフェースがあるのは、システムが収集ノードであった場合である。

収集ノードとして、感知システムは、MCU（マイクロコントローラユニット）、COP（コプロセッサ）、GPIO（汎用入出力部）、SPI（シリアル周辺インタフェース）、IRQ（割り込み要求）を初期化し、かつMCUInit、GPIOInit、SPIInit、IRQInit、IRQACK、SPIDrvRead、およびIRQPinEnableの呼び出しルーチンによって所望のＲＦ送受信機クロック周波数を設定する。MCUInitは、MCU監視（ウォッチドッグ）をオフにし、タイマモジュールを設定して３２段階にプレスケーリング（ｐｒｅ−ｓｃａｌｉｎｇ）された基準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ：リファレンス）としてBUSCLKを使用するマスタ初期化ルーチンである。状態可変gu8RTxModeをSYSTEM_RESET_MODEに設定し、かつルーチンGPIOInit、SPIInitおよびIRQInitを呼び出す。次に、状態可変gu8RTxModeをRF_TRANSCEIVER_RESET_MODEに設定して、IRQFLAGをチェックして、IRQがアサーションされたかどうか見る。ＲＦ送受信機の割り込みがSPIDrvReadを使用してまずクリアにされてから、ＲＦ送受信機をATTN（アテンション） IRQの割り込みのためにチェックする。MCUInitの最終ステップとして、PLME（物理MAC層）PhyReset（物理的MAC層をリセットするために）、IRQACK（ペンディング中のIRQ割り込みを確認（ACK）するため）およびIRQPinEnable（信号のネガティブエッジでEnable、IE、IRQ CLRをピン・イネーブル（Ｐｉｎ Ｅｎａｂｌｅ）するため）に対して呼び出しが行われる。

コレクタノード処理が初期化されたら、いつでもインソール（ｉｎｓｏｌｅ）ノードからＲＦパケットを受信できる。これは、ＲＦ送受信機パケット受信割り込みの呼び戻し機能によって駆動されるＲＦパケット受信キュー（ｑｕｅｕｅ：待ち行列）を作成することによって開始される。ＲＦパケットがインソールノードから受信されるとき、まず、これが新しいインソールノードまたは既存のインソールノードのどちらからのものか判定するチェックが行われる。これが既存のインソールノードからのものである場合、ＲＦパケットのシーケンス番号がチェックされて、パケットをさらに解析する前に連続的な同期を判定する。これが新しいインソールノードからのものである場合、インソールノードのコンテキスト状態ブロックが作成され、初期化される。ノード対ノードのこのＲＦパケットセッションレベルの処理に続いて、ＲＦパケットデータペイロードの解析が行われる。このペイロードには、現在の可変圧力解析マップに基づく、圧縮された足底の足部圧プロファイルが含まれる。圧縮データの第１の部分は、以下のように構成されたマップマスクアレイを含む。

ここで、FootMaskArray（行１、行２、．．．、行ｍ）のビットを値２５５のデータに対して１に設定する。各行の表現バイトは６ビットを使用して（最上位の２ビットはゼロであり、現時点では使用されない）、各Ａ／Ｄチャネル（現在のユーティリティには６個ある）を参照する。次いで、FootRowMask[k]アレイが、ノンアクティブ値（非圧縮）用に走査される。非圧縮値のビットを設定するFootRowMask[k]アレイにおける位置が決定される。これはまず、FootRowMask[k]アレイの（行を表す）１６のバイトのうちのどのバイトが、非圧縮値を有する行であるかを見つけることによってなされる。次いで、対象の行のバイトに取り入れられる基準値（ｂａｓｅ ｖａｌｕｅ）を取り除き、かつ残りを、および既に特定されている他の非圧縮値とし得る既存の内容を有するＸＯＲおよびビットマスクとして使用する。

インソール（ｉｎｓｏｌｅ）からのＲＦパケットがデコンプレックス（ｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓ）すなわち解凍されたら、コレクタノードはSCITransmitArrayルーチンを使用して解凍済みのＲＦパケットデータgsRxPacket.pu8Data（gsRxPacket.u8DataLengthの長さ）を、ＵＳＢインターフェースを介して、接続されたＰＣホストに送信する。インソール圧力データは以下の通りフォーマットされている。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準は、１２７バイトの最大パケットサイズを規定し、およびTime Synchronized Mesh Protocol（ＴＳＭＰ）は、オペレーション（動作）用に４７バイトを割り当てすなわち確保し、８０バイトをペイロード用に残す。ＩＥＥＥ８０２．１５．４は、２．４ＧＨｚの産業科学医療用（ＩＳＭ）無線周波数（ＲＦ）帯域の送受信機に準拠している。それは、ピアツーピアの、スター型、および網目状のネットワークを支援するＩＥＥＥ８０２．１５．４無線標準用に設計された完全な８０２．１５．４物理層（ＰＨＹ）モデムを含む。それはＭＰＵと組み合わせられて、必要な無線ＲＦデータリンクおよびネットワークを作成する。ＩＥＥＥ８０２．１５．４送受信機は、５．０ＭＨｚチャネルの２５０ｋｂｐのO-QPSKデータならびに完全なスペクトラム拡散の符号化および復号化を支援する。

全制御、例えばステータスの読み取り、データの書き込み、およびデータの読み取りは、感知システムノード装置のＲＦ送受信機インターフェースポートによって行われる。感知システムノード装置のＭＰＵは、バイト長データの複数のバーストがインターフェースバスに伝送されるインターフェース「トランザクション」を介して感知システムノード装置のＲＦ送受信機にアクセスする。各トランザクションは、トランザクションの種類に依存して３つ以上のバーストの長さである。トランザクションは常に、レジスタのアドレスへの読み取りアクセスまたは書き込みアクセスである。いずれか１つのレジスタのアクセス用の関連のデータは常に１６ビット長である。

受信モードは、本発明のノード装置のＲＦ送受信機が着信データフレームを待っている状態である。パケット受信モードによって、本発明のノード装置のＲＦ送受信機が、本発明のノード装置のＭＰＵに干渉されずにパケット全体を受信することが可能となる。全パケットペイロードはRX Packet RAMに格納され、マイクロコントローラが、ＲＸパケットの長さおよび妥当性（ｖａｌｉｄｉｔｙ：バリディティ）を判定した後にデータを取り出す。

感知システムノード装置のＲＦ送受信機は、プリアンブルとこれに続く開始（スタートオブ）フレームデリミタ（Ｓｔａｒｔ ｏｆ Ｆｒａｍｅ Ｄｅｌｉｍｉｔｅｒ：ＳＦＤ）を待っている。そこから、フレームレングスインディケータ（Ｆｒａｍｅ Ｌｅｎｇｔｈ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）を使用してフレームの長さを判定しかつ周期冗長検査（Ｃｙｃｌｅ Ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ Ｃｈｅｃｋ：ＣＲＣ）シーケンスを計算する。フレームの受信後、本発明のデバイスアプリケーションはパケットの妥当性を判定する。ノイズのため、以下の条件のいずれかにおいて、無効パケットを報告することが可能である。条件：フレーム長（０、１、または２）を有する有効ＣＲＣおよび／または無効フレーム長を有する無効ＣＲＣ。

感知システムノード装置のアプリケーションソフトは、パケットのＣＲＣが有効であるかどうか、および３以上の値のパケットフレーム長が有効であるかどうかを判定する。本発明の装置のＲＦ送受信機からの割り込み要求に応答して、本発明のノード装置のＭＰＵは、有効なフレーム長およびＣＲＣデータを読み出してチェックすることによりフレームの妥当性を判定する。本発明のノード装置のＲＦ送受信機がデータ伝送のために読み出されるときに受信Packet RAMポートレジスタにアクセスする。

感知システムノード装置のＲＦ送受信機は、本発明のノード装置のＭＰＵから干渉されずに全パケットを伝送する。全パケットペイロードはTX Packet RAMに事前にロードされ、本発明のノード装置のＲＦ送受信機はフレームを伝送し、その後、伝送完了の完全なステータスが本発明のノード装置のＭＰＵに設定される。パケットの伝送が成功のうちに行われるとき、本発明のノード装置のＭＰＵで実行される伝送割り込みルーチンがパケット伝送の完了を報告する。本発明のノード装置のＲＦ送受信機からの割り込み要求に応答して、本発明のノード装置のＭＰＵはステータスを読み出して割り込みをクリアにし、かつ伝送の成功をチェックする。

感知システムノード装置のＲＦ送受信機の制御およびデータ伝送は、シリアルペリフェラルインターフェース（Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：ＳＰＩ）によって達成される。通常のＳＰＩプロトコルは８ビットの転送に基づくが、本発明のノード装置のＲＦ送受信機は、トランザクション毎に複数の８ビット転送に基づくより高いレベルのトランザクションプロトコルを課す。１回のＳＰＩ読み取りまたは書き込みトランザクションは、８ビットのヘッダ転送およびこれに続く２回の８ビットデータ転送からなる。ヘッダはアクセスタイプおよびレジスタのアドレスを表す。これに続くバイトは読み取りまたは書き込みデータである。ＳＰＩはまた、追加的なデータ転送が生じ得る再帰的な「データバースト」トランザクションを支援する。再帰モードは主に、Packet RAMアクセスと感知システムノード装置のＲＦ送受信機の迅速な構成（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ：コンフィギュレーション）とを対象としたものである。

本発明においてインソール（ｉｎｓｏｌｅ）モードで動作するかどうかを決定するとき、その状態フラグFootStepPacketRecvdをリセットし、かつそのMLMERXEnableRequestルーチンを呼び出す一方、LOW_POWER_WHILE状態をイネーブルにする。インソールノードは、デフォルトのすなわち設定されているインソール（ｉｎｓｏｌｅ）電極の全走査が行われるどうかまたはマップされた電極の走査が開始されるかどうかを判定するために、コレクタノードからの応答を２５０ミリ秒待つ。マップされた電極の走査の場合、コレクタノードは、適切な電極の走査マッピングコンフィギュレーションデータを送信する。電極の走査は、FootScanルーチンによって行われる。FootScanルーチンでは、FootDataBufferIndexが初期化され、および行が、出力［PTCDD_PTCDDN＝Output］用のＭＣＵ方向モードをイネーブルすることおよび関連のポートライン（ｐｏｒｔ ｌｉｎｅ）を低く［PTCD_PTCD6=0］することによって活性化すなわち起動される。各行が、電極の走査マップに基づいて活性化されるとき、ＭＣＵのアナログ信号ポートに取り付けられた列が、列のライン（ｌｉｎｅ）それぞれの現在の電圧をサンプリングして読み取り、かつそれら読み取った電圧を、その選択された行にわたる足底の足部圧であるデジタル形式の値に変換する。行は全て連続的に走査され、リセット条件または非活動パワーダウンモードまで処理全体を繰り返す。

足底の足部圧データは、以下のように構成されたビットマップマスクアレイをクリアにすることにより圧縮される。

これは、FootMaskArray[k]のビットが、値の圧縮のないデータに対して１に設定される場所である。各行の表現バイトは６ビットを使用して（最上位の２ビットはゼロであり、現時点では使用されない）、各Ａ／Ｄチャネル（６個ある）を参照する。圧縮ビットを設定するために、対応してパラメータFootRowMaskIndexおよびMaskValueがセットされてルーチンFootSetMaskが呼び出され、次いで、MaskValueに基づき、選択されたマスク値を有するFootRowMask[R]でXOR走査が実施される｛０ｘ０１；０ｘ０２；０ｘ０４；０ｘ０８；０ｘ１０；０ｘ２０；｝。

FootSendNumBytesおよびFootDataBufferIndexなどのいくつかの変数を使用し、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＲＦパケットgsTxPacket.gau8TxDataBuffer[]を準備して、FootDataBuffer[]の圧縮データを使用して送信する。RFSendRequest（&gsTxPacket）ルーチンを使用してＲＦパケットを送信する。このルーチンは、gu8RTxModeがIDLE_MODEで設定されているかどうかをチェックし、かつgsTxPacketをポインタとして使用して、RAMDrvWriteTxルーチンを呼び出し、次いでこれがSPIDrvReadを呼び出してＲＦ送受信機のTXパケット長のレジスタ内容を読み取る。この内容を使用して、マスク長の設定および更新を行い、次いでＣＲＣに２およびコードバイトに２を追加する。SPIDrvWriteを呼び出してTXパケット長のフィールドを更新する。次に、SPIClearRecieveStatRegが呼び出されて状態レジスタをクリアした後、SPIClearRecieveDataRegが呼び出されて受信データレジスタをクリアし、いつでもＳＰＩインターフェースを読み取りまたは書き込みできる準備状態にする。

ＳＰＩインターフェースが準備状態になると、第１のコードバイトを表すO×FFキャラクタを送信するSPISendCharが呼び出される。次に、SPIWaitTransferDoneが呼び出されて、送信が行われたかどうかの検証を行う。

ここで、SPISendCharが呼び出されて、第２のコードバイトである０×７Eバイトを送信する。

さらに、SPIWaitTransferDoneが呼び出されて、送信が行われたかどうかの検証を行う。これらのコードバイトが送信されながら、パケットの残りが、psTxPkt- >（→）u8DataLength+1が反復回数であるFORループを使用して、順次の一連のSPISendChar、SPIWaitTransferDone、SPIClearRecieveDataRegに送信される。これが行われたら、ＲＦ送受信機に、送信するパケットがロードされる。ANTENNA_SWITCHが伝送するために設定され、LNA_ONモードがイネーブルにされ、最後にRTXENAssertが呼び出されて実際にパケットを送信する。

このように、可変マッピング能力のある連続的な２次元圧力感知グリッドを使用することにより、３次元のリアルタイムの平面圧力を得ることができ、分析および表示するために遠隔地に無線伝送することができる。

本発明の様々な実施形態を説明してきたが、それらは、限定ではなく例示目的で提示されたにすぎないことを理解されたい。例えば、システムを、３Ｄ加速度データと融合したセンサに使用することができ、その場合には、足部圧データと３Ｄの動きとが相関している。これにより、現在は９０％〜９５％の精度であるが、これに対し実質的に１００％の精度でリアルタイムにカロリー消費量を分析することができる。それゆえ、本発明の広がりおよび範囲を、上述の例示的な実施形態のいずれかによって限定すべきでなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物に従ってのみ定義される。

Claims (15)

1. 対象の領域において複数の点のそれぞれの圧力を連続的に測定するための変換器であって、
   圧縮層、および
   圧縮層が間に配置されている第１および第２の可撓性導電層
   を含む当該変換器と、
   前記変換器の近傍に配置されて測定データを無線で伝送する送受信装置と
   を含む感知システム。
2. 前記第１および第２の可撓性導電層の各々が電極グリッドを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電極グリッドの選択された点をターンオンしたりターンオフしたりして、前記対象の領域の選択された点からの圧力を可変的に測定するためのセレクタ
   をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
4. 対象の前記複数の点が、前足部領域、中足部領域および後足部領域からなる群から選択された足部の複数の部分を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記群がさらに、複数の趾骨の１つ以上、複数の中足骨の１つ以上、複数の趾骨関節の１つ以上、前記足部の母指球、前記足部の土踏まずを形成する複数の足根骨の１つ以上、足底筋膜、距骨、踵骨、および距骨下関節を含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記セレクタが、前記電極グリッドの前記選択された点をリアルタイムで動的にターンオンしたりターンオフしたりする、請求項３に記載のシステム。
7. 前記測定データを伝送前に圧縮するデータ圧縮器
   をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記変換器が靴のソールに実装されている請求項１に記載のシステム。
9. 圧縮性材料が、圧縮可能な導電性フォームを含む、請求項１に記載のシステム。
10. 前記圧縮可能な導電性フォームが、静電放電（ＥＳＤ）に好適な材料を含む、請求項９に記載のシステム。
11. 伝送データを無線で受信し、かつ受信データをユーザが可読なフォーマットで出力するホストコンピュータ
    をさらに含む請求項１に記載のシステム。
12. 前記測定データを受信するために結合され、かつそれに応じてゲームを適合させる電子ゲームをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
13. 前記測定データを解釈し、かつ前記圧点の変更を推奨する診断手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
14. 前記推奨された変更を行うための矯正器具をさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記測定データを解釈し、かつトレーニングプログラムに変更を推奨するトラッキング手段をさらに含む、請求項１に記載のシステム。

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