JP6781798B2

JP6781798B2 - Ｉｖｌｒ予測方法およびそれを用いた走行時のケガ危険性定量化装置

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Publication number: JP6781798B2
Application number: JP2019088848A
Authority: JP
Inventors: ジュン、チャングン
Original assignee: ビフレクスインコーポレイテッド
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2039-05-09
Also published as: JP2019195633A; KR102022942B1

Description

本発明は、ＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）予測方法およびそれを用いた走行時のケガ危険性定量化装置に関する。より詳しくは、走行時に、ユーザが地面を踏む瞬間に受ける地面反力によりユーザが受ける衝撃量を用いてユーザが負傷する危険性を定量化する装置に関する。

一般に、現代人の日常生活における運動量は、適切な身体健康を維持するのに相当に不足しているということが絶え間なく指摘されてきた。そのため、効果的に健康を促進する体系的な運動方法に対する関心が高まっている。このような要求に合う運動方法のうちの一つとして、誰でも容易にできる歩行または走行運動がある。

ところで、過体重の人、関節が弱い老弱者などの場合は、このような歩行または走行運動が膝、足首などといった体重がかけられたり地面反力を受けたりする関節に衝撃を与え、かえって運動による関節損傷が発生する危険性があるということが指摘されてきた。一方、一般に人々が歩行または走行運動をするためには、ジムなどのランニング・マシーンを使用したりもするが、野外散策路、公園などを利用する場合も非常に多い。

しかし、このような野外散策路などの底面がアスファルトなどのように固い場合や、十分に衝撃吸収ができない履物を履いて運動をする場合などには、一般の健康状態を有した人も衝撃により関節が損傷する危険性がある。

このような問題を防止するために、衝撃吸収機能があるランニング靴を開発したり、ランニング・マシーンでのケガ危険を最小化するための様々な設計を開発したりするなどの様々な研究努力がなされている。

専門的に走行時の衝撃吸収に関する研究をする研究者または技術者集団の場合であれば、研究開発のための様々な実験装置を備えており、よって、走行時に発生する衝撃とケガ危険性の関係を予測したり、それを適用して新しい製品設計したりすることができる。しかし、専門的にこのような研究をする集団の他に一般人が実際に歩行または走行時にどれほど衝撃を受けているか、また、そのためにケガ危険がどれほどあるのかを自ら計るのはほぼ不可能である。また、一般人が上述したような専門の研究施設に行って自身の走行時の姿勢とケガ危険性を測定するのも実質的に不可能である。

韓国特許登録第１４３０１３５号（「靴底」、２０１４．０８．０７）韓国特許公開第２０１１−０１０７４２０号（「転倒によるケガの予防および歩行訓練システム」、２０１１．１０．０４）

本発明が解決しようとする技術的課題は、上記のような従来技術の問題を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、一般人も容易に着用して運動できる携帯用の装置を用いて走行時に発生するケガ危険性を容易で効果的に定量化する、走行時のケガ危険性定量化装置を提供することにある。

また、本発明が解決しようとする技術的課題は、走行時のケガ危険性は、ＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）と関連性が高く、それを予測する方法を提供することにある。特に、１０Ｈｚ以上の高周波成分を別途に抽出してそれを分析し、人の恣意的な動きが５Ｈｚ以上の成分を発生させるには不可能であり、衝撃などのような信号は一般に高い帯域に存在するためである。

なお、本発明が解決しようとする技術的課題は、上記の課題に限定されず、本発明の技術的思想および領域から逸脱しない範囲内で多様に拡張できるものである。

前記課題を解決するための本発明の一実施形態によるＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）予測方法は、ユーザの身体の一部に着用された加速度センサを用いて加速度垂直信号を収集するデータ収集ステップ、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いて前記加速度垂直信号から既に設定された周波数以上の高周波信号を抽出する高周波信号抽出ステップ、前記抽出された高周波信号から、第１時点と第２時点との間のピーク値を検出するピーク値検出ステップ、前記検出されたピーク値の平均値を演算する平均値演算ステップ、および前記平均値に対して予測係数（ｋ１）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する予測値演算ステップを含む。

本発明に係る幾つかの実施形態において、前記データ収集ステップは、前記ユーザの頭部に着用された加速度センサを用いて前記加速度垂直信号を収集してもよい。

本発明に係る幾つかの実施形態において、前記高周波信号抽出ステップは、前記加速度垂直信号から１０Ｈｚ以上の高周波信号を抽出してもよい。

本発明に係る幾つかの実施形態において、前記ピーク値検出ステップにおける前記第１時点はユーザの地面着地時点であり、前記第２時点は地面反力ピーク中間時点であってもよい。

前記課題を解決するための本発明の他の実施形態によるＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）予測方法は、ユーザの身体の一部に着用された加速度センサを用いて加速度垂直信号を収集するデータ収集ステップ、前記加速度垂直信号を時間領域から周波数領域に変換し、周波数領域での前記加速度垂直信号からパワーを検出するパワー検出ステップ、前記検出されたパワーから、既に設定された周波数以上の高周波パワーの和を演算する高周波パワー和演算ステップ、および前記高周波パワーの和に対して予測係数（ｋ２）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する予測値演算ステップを含む。

本発明に係る幾つかの実施形態において、前記パワー検出ステップは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて前記加速度垂直信号を周波数領域に変換してもよい。

本発明に係る幾つかの実施形態において、前記高周波パワー和演算ステップは、前記パワーから１０Ｈｚ以上の高周波パワーを抽出して高周波パワーの和を演算してもよい。

前記課題を解決するための本発明の一実施形態による走行時のケガ危険性定量化装置は、ユーザの身体の一部に着用される加速度センサを含む少なくとも一つのセンサ信号収集部、前記加速度センサにより収集された加速度垂直信号から既に設定された周波数以上の高周波信号を抽出するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、および前記抽出された高周波信号から、第１時点と第２時点との間のピーク値を検出し、前記検出されたピーク値の平均値を演算し、前記平均値に対して予測係数（ｋ１）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する演算部を含む。

本発明に係る幾つかの実施形態において、前記ハイパスフィルタは、前記加速度垂直信号から１０Ｈｚ以上の高周波信号を抽出してもよい。

本発明に係る幾つかの実施形態において、前記第１時点はユーザの地面着地時点であり、前記第２時点は地面反力ピーク中間時点であってもよい。

前記課題を解決するための本発明の他の実施形態による走行時のケガ危険性定量化装置は、ユーザの身体の一部に着用される加速度センサを含む少なくとも一つのセンサ信号収集部、前記加速度センサにより収集された加速度垂直信号を時間領域から周波数領域に変換する周波数領域変換部、周波数領域での前記加速度垂直信号からパワーを検出するパワー検出部、前記検出されたパワーから既に設定された周波数以上の高周波パワーを抽出するハイパスフィルタ、および前記高周波パワーの和を演算し、前記高周波パワーの和に対して予測係数（ｋ２）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する演算部を含む。

本発明に係る幾つかの実施形態において、前記ハイパスフィルタは、前記パワーから１０Ｈｚ以上の高周波パワーを抽出してもよい。

本発明のその他の具体的な事項は詳細な説明および図面に含まれている。

本発明によれば、簡便に携帯が可能であり、また、頭部、腰部などのような身体に容易に着用できる装置を用いて、一般人が自ら走行時のケガ危険性を非常に容易に測定できるという大きな効果がある。特に現代のように大多数の一般人が健康のための運動をしつつ自己診断が必要な状況で、専門管理機関などを利用しなくても自らこのようなケガ危険性を測定できるという点で、一般人の健康増進において飛躍的な便宜性および経済性の向上効果がある。

また、装置構成的な側面から、本発明によれば、加速度センサのようにユーザの動的物理量を測定するセンサのみを利用できるという大きな長所がある。すなわち、従来には、ユーザの足で押されることによって歩行を認知する圧力センサを用いることによって、装置耐久度および寿命の低下問題、ユーザの身体寸法に応じた別途装置の生産および使用の問題などの種々の問題があった。しかし、本発明の場合、このような問題の原因である圧力センサを足部分に配置するという技術構成そのものが完全に排除されるため、上述したような種々の問題が基本的に除去されるものである。勿論、それよりユーザ便宜性の向上、ユーザまたは生産者の各々における経済性の向上などのような効果も得ることができるのは当然である。

なお、本発明の効果は、上記の効果に限定されず、本発明の技術的思想および領域から逸脱しない範囲内で多様に拡張できるものである。

本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置の実施形態を概略的に示す図である。本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置の実施形態を概略的に示す図である。本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置の構成を概略的に示すブロック図である。本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置の構成を概略的に示すブロック図である。ケガ危険性定量化方法を例示的に示すフローチャートである。走行時の上下方向加速度グラフを示す図である。走行時の上下方向加速度グラフに傾きを表示した図である。本発明の第１実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を順次示すフローチャートである。本発明の第１実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を説明するためのグラフである。本発明の第１実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を説明するためのグラフである。本発明の第１実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を説明するためのグラフである。本発明の第２実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を順次示すフローチャートである。本発明の第２実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を説明するためのグラフである。本発明の第２実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を説明するためのグラフである。走行時の上下方向加速度グラフに衝撃量を表示した図である。

本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は添付図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すればより明らかになるものである、但し、本発明は以下にて開示される実施形態に限定されるものではなく互いに異なる様々な形態に実現されるものであり、本実施形態は単に本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであって、本発明は請求項の範疇によって定義されるのみである。

本明細書で用いられた用語は実施形態を説明するためのものであって、本発明を制限するためのものではない。本明細書において、単数型は文句で特に言及しない限り複数型も含む。明細書で用いられる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」ということは、言及された構成要素、ステップ、動作および／または素子が一つ以上の他の構成要素、ステップ、動作および／または素子の存在または追加を排除するのではない。

他の定義がなければ、本明細書で用いられる全ての用語（技術および科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に共通に理解できる意味で用いられる。また、一般に用いられる辞典に定義された用語は、明らかに特に定義されない限り、理想的にまたは過度に解釈されない。

以下では、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態についてより詳しく説明する。図面上、同一の構成要素に対しては同一の参照符号を用い、同一の構成要素に対して重複した説明は省略する。

ケガ危険性定量化装置に関する説明
図１ａおよび図１ｂは、本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置の実施形態を概略的に示す図である。図２ａおよび図２ｂは、本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置の構成を概略的に示すブロック図である。

先ず、図１ａ、図１ｂおよび図２ａ、図２ｂを参照して本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置の構成を簡略に説明し、その後にこのようなケガ危険性定量化装置に適用されるＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）予測方法について説明することにする。

本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置１００を簡略に説明すれば、歩行または走行時に発生しうるケガ危険性をユーザに知らせる装置である。より具体的に説明すれば以下のとおりである。歩行または走行時、姿勢がよくなかったり、地面が固かったりなどのような様々な理由でユーザの足首、膝、腰などに無理な負担がかかり、それがケガにつながる危険があるということがよく知られている。このような危険を防止するために、従来には衝撃吸収のような機能性スニーカーを着用するなどの対処しかなく、実際にどれほどケガ危険性が存在するかを知ることができる正確な指標がなかったのが実情である。

本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置１００においては、このようなケガ危険性を判断指標をもって定量化し、それを用いてケガ危険性があるレベル以上に上がれば、ユーザに警報で危険程度を知らせるようにする。それにより、ユーザはケガが発生する前に適切に歩行または走行を止めたり、姿勢を矯正したり、スニーカーを取替えたり、歩行または走行コースを変更したりするなどのような対処ができるようになって、究極的には歩行または走行時に発生するケガ危険性を大幅に低減できるようになる。

このようなケガ危険性定量化装置１００は、図１ａ、図１ｂ、図２ａおよび図２ｂに示すように、センサ信号収集部１１０、制御部１２０および警報部１３０を含むことができる。また、前記ケガ危険性定量化装置１００は、データベース１４０をさらに含むことができる。

先ず、図１ａ、図１ｂおよび図２ａを参照して、本発明の第１実施形態によるケガ危険性定量化装置１００の細部構成について説明する。

センサ信号収集部１１０は、基本的に加速度センサ１１１を含んでなり、ユーザの頭側、腰側および／または胸部側に着用できる。センサ信号収集部１１０は単一であってよく、または複数であってもよい。図１ａには前記センサ信号収集部１１０が２個形成されてユーザの頭側および腰側の各々に着用される例示が示されており、図１ｂには前記センサ信号収集部１１０が胸部側に着用される例示が示されている。複数のセンサ信号収集部１１０が着用される場合、ユーザの頭側に着用されるセンサ信号収集部を頭側センサ信号収集部１１０Ｈ、ユーザの腰側に着用されるセンサ信号収集部を腰側センサ信号収集部１１０Ｗに区分することができる。

着用状態の具体的な例示として、図１ａの概略図に示すように、頭側に着用される頭側センサ信号収集部１１０Ｈはイヤホンのようにユーザの耳にさす形態からなり、腰側に着用される腰側センサ信号収集部１１０Ｗはベルトにさす形態からなる。勿論、これに本発明が限定されるものではなく、例えば、前記頭側センサ信号収集部１１０Ｈがヘアーバンド形態、メガネ形態、別途の帽子にさして装着する形態、ヘルメット形態など、多様に変形して実施できるのは当然である。

図１ａに示されたものとは異なり、頭側センサ信号収集部１１０Ｈまたは腰側センサ信号収集部１１０Ｗは単独で適用されてもよく、ユーザは頭側センサ信号収集部１１０Ｈのみを着用して加速度垂直信号を収集してもよく、腰側センサ信号収集部１１０Ｗのみを着用して加速度垂直信号を収集してもよい。または、図１ｂに示すように、センサ信号収集部１１０は胸部側に単独で適用されてもよく、さらに頭側センサ信号収集部１１０Ｈまたは腰側センサ信号収集部１１０Ｗと共に適用されてもよい。加速度垂直信号は、垂直方向の加速度を示す信号である。

センサ信号収集部１１０には上述したように基本的に加速度センサ１１１が含まれる。加速度センサ１１１は、ジャイロスコープを内蔵する形態などのように、一般に３軸方向の加速度を測定するのに用いられるセンサのうち好適なものを選択して採用することができる。一方、前記センサ信号収集部１１０に、前記加速度センサ１１１により収集された加速度垂直信号を用いて演算を実行し制御するなどの役割をする制御部１２０が直接備えられるようにすることもできる。

また、前記制御部１２０は、従来に用いられるスマートフォンにアプリの形態で実現されるようにできるなど、様々な形態に変形して実施可能である。このように制御部１２０がセンサ信号収集部１１０とは別の装置に実現される場合、加速度センサ１１１により収集された加速度垂直信号が制御部１２０に円滑に伝達されるように、センサ信号収集部１１０は通信部１１２をさらに含んでなってもよい。このような信号伝達はワイヤリングを介した有線通信によって行われてもよく、ブルートゥース（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）、ＮＦＣなどのような無線通信によって行われてもよいなど、必要な条件や要求される性能に応じて好適な形態を選択して採用することができる。

図２ａに示すように、本発明の第１実施形態による制御部１２０は、加速度センサ１１１により収集された加速度垂直信号から既に設定された周波数以上の高周波信号を抽出するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１２１、およびハイパスフィルタ１２１によりフィルタリングされた高周波信号から第１時点と第２時点との間のピーク値を検出し、検出されたピーク値の平均値を演算し、このような平均値に対して予測係数（ｋ１）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する演算部１２２を含むことができる。

ここで、ＩＶＬＲの単位としては単位時間当たりの力を示す絶対的な単位であるＮ／ｓを用いてもよく、または相対的な単位である（Ｂｏｄｙｗｅｉｇｈｔまたはｇ）／ｓで表されてもよい。本特許のセンサは、基本的に力でない加速度データを収集するため、相対的な単位であるＢＷ／ｓでデータが収集される。これにユーザの質量ｍを乗じれば、絶対的な単位であるＮ／ｓ（（Ｎ＝ｍ＊ｇ）／ｓ）にも表現が可能である。この場合、予測係数（ｋ１またはｋ２）に含ませてもよく、または別の係数として予測係数（ｋ１またはｋ２）×ユーザの質量（ｍ）で演算してもよい。

ここで、高周波信号は例えば１０Ｈｚ以上の加速度垂直信号を意味し、これは、ユーザの恣意的な動きでは５Ｈｚ以上の加速度垂直信号が発生し難く、衝撃などのような状況で発生する加速度垂直信号は一般に高い帯域に存在するため、本発明においては、１０Ｈｚ以上の高周波信号を用いてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）を予測するのに利用しようとする。但し、本発明はこれに制限されるものではなく、必要に応じてフィルタリングして抽出される高周波信号帯域は異なって設定されて本発明に適用されてもよい。

前記演算部１２２はフィルタリングされた高周波信号から第１時点と第２時点との間のピーク値を検出し、前記第１時点は例えばユーザの地面着地時点であってもよく、前記第２時点は例えば地面反力ピーク中間時点であってもよい。このような時点に関しては図９を参照して後ほどさらに詳しく説明する。

図２ａには演算部１２２が一つの構成のように示されているが、これは、必要に応じてピーク値を検出する構成要素、検出されたピーク値の平均値を演算する構成要素、このような平均値に対して予測係数（ｋ１）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する構成要素などが別個のモジュールとして存在してもよい。

次に、図１および図２ｂを参照して、本発明の第２実施形態によるケガ危険性定量化装置１００の細部構成について説明する。

上述したように、センサ信号収集部１１０は基本的に加速度センサ１１１を含んでなり、ユーザの頭側および／または腰側に着用できる。センサ信号収集部１１０は単一であってもよく、または複数であってもよい。

上述したように、制御部１２０は、従来用いられるスマートフォンにアプリの形態で実現されるようにできるなど、様々な形態に変形して実施可能である。このように制御部１２０がセンサ信号収集部１１０とは別の装置に実現される場合、加速度センサ１１１により収集された加速度垂直信号が制御部１２０で円滑に伝達されるように、センサ信号収集部１１０は通信部１１２をさらに含んでなってもよい。このような信号伝達はワイヤリングを介した有線通信によって行われてもよく、ブルートゥース（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）、ＮＦＣなどのような無線通信によって行われてもよいなど、必要な条件や要求される性能に応じて好適な形態を選択して採用することができる。

図２ｂに示すように、本発明の第２実施形態による制御部１２０は、加速度センサ１１１により収集された加速度垂直信号を時間領域から周波数領域に変換する周波数領域変換部１２３、周波数領域での加速度垂直信号からパワーを検出するパワー検出部１２４、前記検出されたパワーから既に設定された周波数以上の高周波パワーを抽出するハイパスフィルタ１２５、および高周波パワーの和を演算し、高周波パワーの和に対して予測係数（ｋ２）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する演算部１２６を含むことができる。

ここで、周波数領域変換部１２３は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて加速度垂直信号を時間領域から周波数領域に変換するように動作することができ、このような周波数領域において、パワー検出部１２４はパワーを検出し、ハイパスフィルタ１２５を介して高周波パワーを抽出することができる。この時、高周波パワーは例えば１０Ｈｚ以上のパワーを意味し、これは、ユーザの恣意的な動きでは５Ｈｚ以上のパワーが発生し難く、衝撃などのような状況で発生するパワーは一般に高い帯域に存在するため、本発明においては、１０Ｈｚ以上の高周波パワーを用いてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）を予測するのに利用しようとする。但し、本発明がこれに制限されるものではなく、必要に応じてフィルタリングして抽出される高周波パワー帯域は異なって設定されて本発明に適用されてもよい。

図２ｂには演算部１２６が一つの構成のように示されているが、これは、必要に応じて高周波パワーの和を演算する構成要素、高周波パワーの和に対して予測係数（ｋ２）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する構成要素などが別個のモジュールとして存在してもよい。

後ほどさらに詳しく説明するが、本発明においては、ケガ危険性を判断するにおいて上下方向加速度を用いる。従来の走行と関連してユーザの運動状態を測定する大部分の装置は、直接に足で押される部分である履き物、踏み台などに備えられる圧力センサを用い、それにより、センサの損傷が速く進行して装置耐久度および寿命が短くなるという問題があった。そして、これは、使用中の装置の損傷による歩行認識および分析正確性の低下、頻繁な装置の取替えによる便宜性および経済性の低下などの問題を引き起こす。さらに、このような装置が履き物に備えられる場合、ユーザの足大きさに応じてユーザごとに各々別の装置が必要となって、ユーザの便宜性および経済性の低下が加重され、生産者にとっては大きさ別に別途生産をしなければならず経済的な負担を生じさせるなどの問題があった。

しかし、本発明においては、歩行または走行と関連した運動を認識するにおいて足で押される圧力を用いるという概念から完全に脱して、ユーザの頭側および／または腰側に着用された加速度センサを介して測定される上下方向加速度を用いる。このように、本発明は、従来技術とは測定位置が全く異なり（従来技術：足／本発明：頭側および／または腰側）、測定物理量も全く異なる（従来技術：圧力／本発明：上下方向加速度のような動的物理量）。

この時、前述した従来技術で指摘された種々の問題の根本的な原因は「圧力センサを足部分に配置する」という技術構成から来るものであるところ、本発明によれば、その構成だけで上述したような種々の問題が基本的に除去できるようになる。また、本発明においては、ケガ危険性の定量化のために上下方向加速度を用いる。一般に走行がなされる時、頭側における左右動きとユーザ身体の質量中心の左右動きが相対的に類似して表れ、腰側における前後動きとユーザ身体の質量中心の前後動きが相対的に類似して表れる。そして、上下動きは、頭側または腰側のような部位においてユーザ身体の質量中心の上下動きと相対的に類似して表れる。したがって、本発明においては、上下方向の加速度を測定するために加速度センサを頭側および／または腰側に着用し、頭側や腰側の二つのうちの一方から測定された値を選択的に用いてもよく、または両方から測定された値の平均値を用いてもよいなど、適切に選択することができる。

前記制御部１２０は、前記センサ信号収集部１１０から加速度垂直信号の伝達を受け、上下方向加速度ａ_ｚに基づいて算出される少なくとも一つのケガ危険性判断指標を導出し、前記ケガ危険性判断指標を用いて警報発生有無を判断および制御する役割をすることができる。より具体的には、制御部１２０は、前記ケガ危険性判断指標として、上下方向加速度ａ_ｚの平均傾き、上下方向加速度ａ_ｚの最大傾き、最大衝撃力、衝撃量などを導出することができ、それにより、ケガ危険性を定量化し危険程度を判別することができる。制御部１２０により行われるケガ危険性判断指標の導出などについては後ほどさらに詳しく説明する。

制御部１２０の実際の実現形態は、必要や目的に応じて多様に形成されることができる。具体的な例を挙げれば、制御部１２０は、様々な演算を実行できる集積回路形態からなってセンサ信号収集部１１０と一体として一つの基板上に形成されてもよく、または別途の専用装置（すなわち、ケガ危険性定量化の用途のみのために作られた独立した装置）や別途のコンピュータなどのような形態からなってもよく、または前述したように従来に用いられているスマートフォンにアプリの形態で実現されてもよい。前述したように、制御部１２０がセンサ信号収集部１１０と一体に形成されている場合には、加速度センサ１１１から直接加速度垂直信号の伝達を受けるようになることができる。一方、制御部１２０が別途の装置やスマートフォンのアプリの形態からなるなどのようにセンサ信号収集部１１０とは独立して形成されている場合には、加速度センサ１１１から有線または無線通信により加速度垂直信号の伝達を受けるようになることができる。

警報部１３０は、制御部１２０から警報発生制御信号の伝達を受けてユーザにケガ危険性を警報する役割をすることができる。制御部１２０は、上下方向加速度ａ_ｚに基づいて算出される少なくとも一つのケガ危険性判断指標を導出し、それを用いて警報発生有無を判断し、ケガ危険性が予め定められた基準以上であると判断されれば、警報部１３０が警報を発生させるように制御することによってユーザに危険を知らせることができる。

警報部１３０は、音響、図解、画像を含むユーザが認識可能な情報として警報信号を出力することができる。例えば、警報部１３０が音響を出力するスピーカー形態からなる場合、ケガ危険性が予め設定された基準以上であれば警告音が鳴るようにすることができる。または、本発明の装置がグーグルグラス（登録商標）のような拡張現実メガネに適用される場合、警報部１３０は、拡張現実メガネ上に赤色の警報用図形またはこのような図形が瞬く画像を出力するか、または「ケガ危険性が００％です」などのようなメッセージを出力するようになることができる。または、警報部１３０が熱電素子に実現され、ユーザの皮膚に直間接的に接触した形態からなって、ケガ危険性が予め設定された基準以上であれば、冷たくなったりまたは熱くなったりすることによってユーザに警報することもできる。他例として、ユーザが視覚障害者である場合のために、警報部１３０が変更可能な点字形態として触覚によって認識される形態からなってもよい。このように、警報部１３０は、ユーザが認識可能な情報として警報信号を出力できるものであれば、いかなる形態からなってもよい。

さらに、前記ケガ危険性定量化装置１００は、ケガ危険性警報発生時点および該時点におけるケガ危険性判断指標値を含むケガ危険性データを外部のデータベース１４０に転送して累積的に格納するようになることができる。このような歩行または走行運動の分析を必要とするユーザは健康促進のために毎日散歩またはジョギングをする一般人や身体能力を向上させるために訓練する専門家などであり、このような運動分析データが累積されて時間的な変化を見ることができるようになることが当然好ましい。それのみならず、このように運動分析データが大量に累積格納されると、このようなデータがビッグ・データとして活用されて各種の統計や分析に使用できるなど、様々な活用が可能である。

ケガ危険性定量化方法の例示
図３は、ケガ危険性定量化方法を例示的に示すフローチャートである。
本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置１００は、上述したように加速度センサ１１１を含んでなり、ユーザの頭側および／または腰側に着用される少なくとも一つのセンサ信号収集部１１０を用いて上下方向加速度ａ_ｚを測定し、測定された上下方向加速度ａ_ｚを用いてケガ危険性判断指標を導出し、それよりケガ危険性を定量化する。このために、本発明の技術的思想が適用されるケガ危険性定量化装置１００は、データ収集ステップ、判断指標導出ステップ、ケガ危険性判断ステップ、ケガ危険性警報ステップを実行するように動作することができる。

前記データ収集ステップにおいては、センサ信号収集部１１０が上下方向加速度ａ_ｚを測定し、加速度垂直信号を収集する。収集された加速度垂直信号はそのまま使用してもよいが、予め通過帯域が設定されているバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いてノイズを除去した後に使用してもよい。前記バンドパスフィルタは、例えば、一般的な人の歩行または走行周波数に該当する０．１〜５Ｈｚに通過帯域が設定されるが、このような範囲は適切に変更して用いられてもよい。

前記判断指標導出ステップにおいては、上下方向加速度ａ_ｚに基づいて算出される少なくとも一つのケガ危険性判断指標を導出する。この時、前記ケガ危険性判断指標は、上下方向加速度ａ_ｚの平均傾き、上下方向加速度ａ_ｚの最大傾き、最大衝撃力、衝撃量などであることができる。本発明によれば、特に高周波信号を抽出し、それを用いてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）を予測しようとし、これは上下方向加速度ａ_ｚの傾きに対応する値である。これについては後ほどさらに詳しく説明する。

前記ケガ危険性判断ステップにおいては、前記ケガ危険性判断指標が予め定められた基準より大きいか否かを判断する。この時、前記ケガ危険性判断指標が上述したように複数であることができ、種々の判断指標のいずれか一つだけが基準以上である時に警報を発生させてもよく、全てが基準以上である時に警報を発生させてもよく、または適切に優先順位をおいて段階的に警報を発生させてもよい。前記ケガ危険性判断ステップにおいて、前記ケガ危険性判断指標が予め定められた基準より小さければ、警報を発生せず、再びデータ収集ステップに戻る。さらに、前記ケガ危険性判断ステップにおいては、周期的な信号で表れる上下方向加速度ａ_ｚデータに対して少なくとも２周期以上のデータを取り集めて算出された前記ケガ危険性判断指標を用いて判断がなされるようにすることが好ましい。

前記ケガ危険性警報ステップにおいては、前記ケガ危険性判断指標のうち少なくとも一つが各々予め定められた基準より大きい場合、ユーザにケガ危険性を警報することができる。

ケガ危険性の警報形態は、前述したように音響、図解、画像などの様々な形態であってもよく、ユーザは、このように警報を受けることによって、能動的にケガ危険性を減らすための対処（運動終了、姿勢矯正、履き物の取替え、コース変更など）をすることで、窮極的にケガ危険性を大幅に低減することができる。

ＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）予測方法
以下では本発明に係るＩＶＬＲ予測方法について詳細に説明する。これに先立ち、先ず、上下方向加速度ａ_ｚグラフについて説明する。図４は、走行時の上下方向加速度グラフを示す図である。図示されたように、上下方向加速度ａ_ｚは、時間に対して周期的な形態で表れる（歩行または走行そのものが周期的な運動であるので、これは当然のことである）。走行運動を噛み砕いて描写すれば以下のとおりである。

先ず、前方に出ている一方の足が地面を蹴飛ばす瞬間（この瞬間、他方の足は空に浮いている）から始まる。この状態で、一方の足が地面を蹴飛ばして浮き上がりつつ両足が全て空に浮いている状態のまま、人の胴体が前方に移動し、それと共に両足が空を振りつつ前後が変わって他方の足が前方に出てくるようになる。前方に出てきた他方の足が地面に着地すると同時に地面を蹴飛ばす瞬間が再びなされて一歩の走行になる。この過程で、片足で着地する瞬間には人の頭が上下方向に最も大きく揺れる反面（上下方向加速度ａ_ｚにおいてローカルマキシマムが形成される）、空に浮いたまま進んでいる状態では上下方向にほぼ揺れなくなる（上下方向加速度ａ_ｚにおいて定数値が形成される）。

このように足が着地する瞬間に関節に最も多い衝撃が加えられ、このような衝撃は図４のような上下方向加速度グラフにおいて一番目のピーク（ｐｅａｋ）形態で表れる。この時の衝撃の程度に応じてケガ危険性が異なり、それを指標化することによって定量化された判断の根拠として用いることができる。このような判断指標として、上下方向加速度ａ_ｚの平均傾き、上下方向加速度ａ_ｚの最大傾き、最大衝撃力、衝撃量などを用いることができる。

図５は、走行時の上下方向加速度グラフに傾きを表示した図である。これにより、上下方向加速度ａ_ｚの平均傾きおよび最大傾きを導出することができる。上下方向加速度グラフにおいて傾きがＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）に該当し、これを直接演算することもできるが、本発明でのアルゴリズムを用いてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）を予測することができる。

図６は、本発明の第１実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を順次示すフローチャートである。図７〜図９は、本発明の第１実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を説明するためのグラフである。

図６および図７を参照すれば、先ず、ユーザの頭側および／または腰側に着用された加速度センサ１１１を用いて加速度垂直信号を収集する。図７のように加速度垂直信号は周期形態で表れる。

収集された加速度垂直信号をハイパスフィルタ１２１を用いて既に設定された周波数以上の高周波信号を抽出する。例えば、上述したように１０Ｈｚ以上の高周波信号を抽出することができる。図８には、加速度垂直信号から１０Ｈｚ以上の高周波信号を抽出したものが示されている。

抽出された高周波信号からユーザの地面着地時点（右向き三角マーク）と地面反力ピーク中間時点（左向き三角マーク）との間のピーク値（＊）を検出する。図９には、ユーザの地面着地時点（右向き三角マーク）、地面反力ピーク中間時点（左向き三角マーク）、その間のピーク値（＊）が示されている。

検出されたピーク値の平均値を演算した後、このような平均値に対して予測係数（ｋ１）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）を予測することができる。これを用いてケガ危険性を判断する基準として活用することができる。例えば、ＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）が既に設定された値（ｎ）より大きい場合にケガ危険性が存在すると判断できる。

また、これは正しい姿勢（エネルギー効率性）を評価する基準として活用されてもよく、例えば、衝撃量が既に設定された値（ｍ）より大きい場合、衝撃量が大きいため、機械的エネルギー（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｅｒｇｙ）損失が大きいので非効率的であると判断できる。衝撃量については、後ほどさらに詳しく説明する。

図１０は、本発明の第２実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を順次示すフローチャートである。図１１および図１２は、本発明の第２実施形態によるＩＶＬＲ予測方法を説明するためのグラフである。

図１０を参照すれば、先ず、ユーザの頭側および／または腰側に着用された加速度センサ１１１を用いて加速度垂直信号を収集する。図７のように加速度垂直信号は周期形態で表れる。

収集された加速度垂直信号は時間領域から周波数領域に変換させ、周波数領域での加速度垂直信号からパワー（Ｐｏｗｅｒ、ＦＦＴ大きさの二乗）を検出する。図１１には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて加速度垂直信号を周波数領域に変換し、それよりパワーを検出した例が示されている。

検出されたパワーから既に設定された周波数以上の高周波パワーを抽出し、抽出された高周波パワーの和を演算する。例えば、高周波パワーは１０Ｈｚ以上のパワーであり、図１２には１０Ｈｚ以上の高周波パワーに対して示されている。

高周波パワーの和に対して予測係数（ｋ２）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）を予測することができる。上述したように、これを用いてケガ危険性を判断する基準として活用することができる。例えば、ＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）が既に設定された値（ｎ）より大きい場合にケガ危険性が存在すると判断できる。

また、これは正しい姿勢（エネルギー効率性）を評価する基準として活用されてもよく、例えば、衝撃量が既に設定された値（ｍ）より大きい場合、衝撃量が大きいため、機械的エネルギー（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｅｒｇｙ）損失が大きいので非効率的であると判断できる。

図１３は、走行時の上下方向加速度グラフに衝撃量を表示した図である。最大衝撃力値は次の式を用いて演算することができる。
最大衝撃力＝ｍ×ａ_ｚ（ｔ_ｍ）
（ここで、ａ_ｚ：上下方向加速度、ｍ：ユーザ質量、ｔ_ｍ：衝撃終了時間）

前述したように衝撃終了時間は一番目のピーク値が表れる時刻であるため、当然、最大衝撃力が表れる時刻は衝撃終了時間になる。図１３に上下方向加速度ａ_ｚの一番目のピーク（１ｓｔｐｅａｋ）が表示されており、これにユーザ質量（ｍ）を乗じた値が直ちに最大衝撃力値になる。

一方、衝撃量値は次の式を用いて演算することができる。
（ここで、ａ_ｚ：上下方向加速度、ｍ：ユーザ質量、ｔ_ｃ：衝撃開始時間、ｔ_ｍ：衝撃終了時間）

図１３に衝撃開始時間から衝撃終了時間の間の上下方向加速度ａ_ｚグラフ面積が表示されており、この面積にユーザ質量（ｍ）を乗じた値が直ちに衝撃量値になる。

前述した実施形態は全ての面で例示的なものであって限定的なものではないことを理解しなければならず、本発明の範囲は前述した詳細な説明よりは後述する請求範囲によって表されるものである。そして、この請求範囲の意味および範囲は勿論、その等価概念から導き出される全ての変更および変形可能な形態が本発明の範囲に含まれるものとして解釈しなければならない。

１００・・・ケガ危険性定量化装置
１１０・・・センサ信号収集部
１１１・・・加速度センサ
１１２・・・通信部
１２０・・・制御部
１２１、１２５・・・ハイパスフィルタ
１２２、１２６・・・演算部
１２３・・・周波数領域変換部
１２４・・・パワー検出部
１３０・・・警報部
１４０・・・データベース

Claims

ユーザの身体の一部に着用された加速度センサを用いて、垂直方向の加速度を示す加速度垂直信号を収集するデータ収集ステップ、
ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いて前記加速度垂直信号から既に設定された周波数以上の高周波信号を抽出する高周波信号抽出ステップ、
前記抽出された高周波信号から、前記ユーザの地面着地時点と地面反力ピーク中間時点との間のピーク値を検出するピーク値検出ステップ、
前記検出されたピーク値の平均値を演算する平均値演算ステップ、および
前記平均値に対して予測係数（ｋ１）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する予測値演算ステップ
を含むＩＶＬＲ予測方法。
前記データ収集ステップは、前記ユーザの頭部に着用された加速度センサを用いて前記加速度垂直信号を収集する、請求項１に記載のＩＶＬＲ予測方法。
前記高周波信号抽出ステップは、前記加速度垂直信号から１０Ｈｚ以上の高周波信号を抽出する、請求項１又は２に記載のＩＶＬＲ予測方法。
ユーザの身体の一部に着用される加速度センサを含む少なくとも一つのセンサ信号収集部、
前記加速度センサにより収集された、垂直方向の加速度を示す加速度垂直信号から既に設定された周波数以上の高周波信号を抽出するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、および
前記抽出された高周波信号から、前記ユーザの地面着地時点と地面反力ピーク中間時点との間のピーク値を検出し、前記検出されたピーク値の平均値を演算し、前記平均値に対して予測係数（ｋ１）を乗じてＩＶＬＲ（ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｅｒｔｉｃａｌＬｏａｄｉｎｇＲａｔｅ）の予測値を演算する演算部
を含む走行時のケガ危険性定量化装置。
前記ハイパスフィルタは、前記加速度垂直信号から１０Ｈｚ以上の高周波信号を抽出する、請求項４に記載の走行時のケガ危険性定量化装置。