ИЗМЕРИТЕЛЬ АКТИВНОСТИ Российский патент 2012 года по МПК A61B5/11 A61B5/113 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к методу измерения степени физической активности пользователя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ измерения интенсивности физической нагрузки и энергозатрат при физической активности с использованием датчика ускорения (смотри патентные документы 1 и 2). В устройстве в соответствии с патентным документом 1 по выходному сигналу датчика ускорения вычисляют стандартное отклонение Sw ускорения за постоянное время tw, и интенсивность wi физической нагрузки вычисляют по стандартному отклонению Sw, с использованием заранее составленной формулы преобразования. В устройстве в соответствии с патентным документом 2 импульс физически нагружаемой массы вычисляют векторным синтезом из ускорения по трем осям, и энергозатраты вычисляют из импульса в соответствии с типом физической нагрузки. Тип физической нагрузки определяют на основе отношения между импульсом вдоль синтезированного вектора и импульсом в направлениях вперед-назад, влево и вправо и вверх-вниз.

[Патентный документ 1] нерассмотренная опубликованная заявка на патент Японии № 2006-204446.

[Патентный документ 2] нерассмотренная опубликованная заявка на патент Японии № 2001-258870.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачи, решаемые изобретением

За последние годы доля заболеваний, связанных с образом жизни, например коронарной болезни, недостаточности мозгового кровообращения и диабета, взятых вместе, продолжает возрастать и становиться серьезной проблемой. Как известно, эффективным решением задачи снижения риска развития упомянутых заболеваний, связанных с образом жизни, является перемена нежелательного образа жизни, например недостатка физических нагрузок, для исправления метаболического синдрома (синдрома накопления висцерального жира), который является основным клиническим состоянием.

Для конкретного руководства, опорная величина степени физической активности для укрепления здоровья задана как «23 физических нагрузки (MET (метаболические эквиваленты) × час) в неделю, при физической активности с интенсивностью больше или равной 3 MET, из которых 4 физических нагрузки являются физической нагрузкой с интенсивностью больше или равной 3 MET» в «Exercise and Physical Activity Reference for Health Promotion 2006» и «Exercise and Physical Activity Guide for Health Promotion 2006 (Exercise Guide 2006)», опубликованных в качестве одного из критериев физической нагрузки Министерства здравоохранения, просвещения и социального обеспечения. «Физической активностью» называют все движения тела, которые сопровождаются энергозатратами выше энергозатрат в покое, и «физической нагрузкой» называют виды физической активности, которые осуществляют запланированным и заданным образом с целью поддержания и укрепления физической силы. Иные виды физической нагрузки, отличающиеся от физической активности, называют «повседневной активностью».

Как очевидно из упомянутого руководства, в будущем предполагается появление потребности в измерении и контроле степени физической активности не только для физической нагрузки, например ходьбы и оздоровительного бега, но также в отношении повседневной активности, например уборки и стирки.

Поскольку движение тела четко различается при повседневной активности и физической нагрузке, то алгоритм (формула вычислений) для получения степени физической активности из информации об ускорении, очевидно, также отличается. Однако, обычное устройство не может отличать повседневную активность от физической нагрузки, и, следовательно, требовало в применении одинакового алгоритма в обоих случаях, что приводит, в результате, к снижению точности измерений степени физической активности.

Настоящее изобретение создано для решения вышеописанных проблем, и целью настоящего изобретения является создание метода, допускающего точное измерение степени активности для разных типов физической активности, от повседневной активности до физической нагрузки.

Средства решения задач

Настоящее изобретение предлагает следующую конфигурацию для достижения упомянутой цели.

Измеритель активности в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения содержит датчик для обнаружения ускорения по множеству направлений; средство вычисления характерного ускорения для вычисления характерного ускорения, которое является характерным значением ускорения в единичный период, на основе выходного сигнала датчика; и средство вычисления интенсивности физической нагрузки для вычисления интенсивности физической нагрузки при движении тела, выполняемом за единичный период, по характерному ускорению. Средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит множество формул вычисления для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки и определяет формулу вычислений для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки при движении тела, выполняемом за единичный период, на основе горизонтальной компоненты и вертикальной компоненты характерного ускорения. В данном случае, измеритель активности, предпочтительно, дополнительно содержит средство вычисления числа шагов для вычисления числа шагов в единичный период на основе выходного сигнала датчика, при этом средство вычисления интенсивности физической нагрузки определяет формулу вычислений для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки при движении тела, выполняемом за единичный период, на основе числа шагов и горизонтальной компоненты и вертикальной компоненты характерного ускорения.

Вертикальная компонента ускорения обычно заметнее проявляется во время таких физических нагрузок, как ходьба и оздоровительный бег, чем во время повседневных видов активности. Настоящее изобретение принимает во внимание данный аспект и определяет тип физической активности путем оценки «горизонтальной компоненты и вертикальной компоненты характерного ускорения». Однако, иногда, повседневную активность и физическую нагрузку трудно четко различить только путем оценки «горизонтальной компоненты и вертикальной компоненты характерного ускорения». Следовательно, «горизонтальную компоненту и вертикальную компоненту характерного ускорения» и «число шагов» предпочтительно оценивают в комбинации. Тем самым, учитывается тенденция к увеличению числа шагов во время физической нагрузки, выполняемой запланированным и заданным образом, по сравнению с видами повседневной деятельности. Тип физической активности можно точно определять, и более подходящую формулу вычислений можно подбирать путем оценки двух показателей. «Горизонтальную компоненту и вертикальную компоненту характерного ускорения» предпочтительно оценивают с использованием отношения, разности и т.п. горизонтальной компоненты и вертикальной компоненты.

Например, в предпочтительном варианте, средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит, по меньшей мере, формулу вычисления для физической нагрузки и формулу вычисления для повседневной активности для формулы вычисления, при этом формулу вычисления для физической нагрузки выбирают, когда значение отношения вертикальной компоненты к горизонтальной компоненте характерного ускорения больше или равно первой пороговой величине, формулу вычисления для повседневной активности выбирают, когда значение отношения меньше, чем вторая пороговая величина, и формулу вычисления для физической нагрузки или формулу вычисления для повседневной активности определяют в зависимости от того, является ли или нет число шагов больше, чем или равным третьей пороговой величине, когда значение отношения больше, чем или равно второй пороговой величине и меньше, чем первая пороговая величина.

Измеритель активности предпочтительно содержит фильтр для устранения флуктуационной компоненты статического ускорения из выходного сигнала датчика. Тем самым, можно устранить влияние гравитационного ускорения и можно уловить изменение динамического ускорения, обусловленного движением тела пользователя.

Датчик предпочтительно представляет собой датчик, который не обнаруживает изменение статического ускорения и обнаруживает только изменение динамического ускорения. В соответствии с данным типом датчика, движение тела пользователя можно точно снимать без установки фильтра.

Измеритель активности в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения содержит датчик для обнаружения ускорения по множеству направлений; средство вычисления характерного ускорения для вычисления характерного ускорения, которое является характерным значением ускорения в единичный период, по выходному сигналу датчика; и средство вычисления интенсивности физической нагрузки для вычисления интенсивности физической нагрузки при движении тела, выполняемом за единичный период, по характерному ускорению. Средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит множество формул вычисления для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки и определяет формулу вычислений для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки при движении тела, выполняемом за единичный период, на основе изменения наклона тела.

В данном случае, средство вычисления интенсивности физической нагрузки предпочтительно определяет значение, характеризующее изменение наклона тела, на основе значения, характеризующего флуктуационную компоненту статического ускорения, и значения, характеризующего флуктуационную компоненту динамического ускорения, содержащихся в выходном сигнале датчика.

В случае физической нагрузки, например ходьбы и оздоровительного бега, наклон тела (ориентация датчика) изменяется немного. Иначе говоря, флуктуация статического ускорения слабо проявляется в выходном сигнале датчика. С другой стороны, в случае повседневной активности, например уборки и стирки, изменение наклона тела (ориентации датчика) случается часто, поскольку выполняются действия по наклону или сгибанию верхней части тела, вследствие чего, в выходном сигнале датчика, обычно, заметна флуктуация статического ускорения (гравитационного ускорения). Поэтому, тип физической активности можно точно определять, и подходящую формулу вычислений можно подбирать путем оценки флуктуационной компоненты статического ускорения.

В предпочтительном варианте, измеритель активности содержит фильтр для устранения флуктуационной компоненты статического ускорения из выходного сигнала датчика. При этом, первое характерное ускорение вычисляют по выходному сигналу до прохождения фильтра, второе характерное ускорение вычисляют по выходному сигналу после прохождения фильтра, и значение, характеризующее изменение наклона тела, определяют по первому характерному ускорению и второму характерному ускорению.

В предпочтительном варианте, средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит, по меньшей мере, формулу вычисления для физической нагрузки и формулу вычисления для повседневной активности для формулы вычисления, при этом формулу вычисления для физической нагрузки выбирают, когда значение, характеризующее изменение наклона тела, меньше чем четвертая пороговая величина, и формулу вычисления для повседневной активности выбирают, когда значение, характеризующее изменение наклона тела, больше или равно четвертой пороговой величине.

Значение, характеризующее изменение наклона тела, предпочтительно определяют на основе горизонтальной компоненты и вертикальной компоненты характерного ускорения.

В предпочтительном варианте, средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит формулу вычисления для покоя для формулы вычисления, и интенсивность физической нагрузки вычисляют с использованием формулы вычисления для покоя, когда характерное ускорение меньше чем пятая пороговая величина. Интенсивность физической нагрузки во время покоя также можно точно вычислять.

В настоящем изобретении, «единичным периодом» называется период, который подходит как единичный при вычислении интенсивности физической нагрузки и может быть соответственно установлен из диапазона от приблизительно нескольких секунд до нескольких минут. «Характерным значением ускорения в единичный период» называется статистическая величина, получаемая из значений множества ускорений, выбранных из единичного периода. В качестве характерного значения можно использовать любое значение, например, среднее (арифметическое среднее, геометрическое среднее), максимальное значение, минимальное значение, промежуточное значение, отклонение, стандартное отклонение или среднее отклонение.

Средство вычисления характерного ускорения вычисляет характерное значение ускорения в каждом направлении по выходному сигналу датчика и синтезирует характерное значение каждого направления для вычисления «характерного ускорения». В данном случае, каждое направление обычно является вертикальным направлением (направлением вверх и вниз) и горизонтальным направлением (направлением вверх и вниз, направлением влево и вправо), но не ограничено перечисленными направлениями. Когда «характерное ускорение» вычисляют путем синтеза характерных значений ускорения в вертикальном направлении и горизонтальном направлении, «характерное значение ускорения в вертикальном направлении» можно трактовать как «вертикальную компоненту характерного ускорения», и «характерное значение ускорения в горизонтальном направлении» можно трактовать как «горизонтальную компоненту характерного ускорения». Следует понимать, что вертикальную компоненту и горизонтальную компоненту можно вычислять посредством разложения вычисленного «характерного ускорения» по вертикальному направлению и горизонтальному направлению.

Эффекты изобретения

В соответствии с настоящим изобретением, можно точно измерять степень активности для различных типов физической активности, от повседневной активности до физической нагрузки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - блок-схема, представляющая внутреннюю конфигурацию измерителя активности.

Фиг. 2A - выходной сигнал датчика (исходный сигнал) во время работы по развешиванию белья после стирки, и фиг. 2B представляет сигнал после прохождения одногерцевого фильтра верхних частот.

Фиг. 3A и фиг. 3B - диаграммы, каждая из которых представляет способ вычисления значения ускорения по выходному сигналу датчика.

Фиг. 4 - диаграмма, представляющая взаимосвязь между синтезированным ускорением и интенсивностью физической нагрузки, полученную в ходе экспериментов.

Фиг. 5 - диаграмма, представляющая синтезированное ускорение, полученное по сигналу до прохождения фильтра верхних частот.

Фиг. 6 - блок-схема последовательности операций способа в первом примере работы измерителя активности.

Фиг. 7 - диаграмма, представляющая результат проверочного эксперимента по способу определения в первом примере работы.

Фиг. 8 - блок-схема последовательности операций способа во втором примере работы измерителя активности.

Фиг. 9 - диаграмма, представляющая результат проверочного эксперимента по способу определения во втором примере работы.

ОПИСАНИЕ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 - Измеритель активности

10 - Блок управления

11 - Операционный блок

12 - Интерфейс

13 - Датчик ускорения

14 - Память

15 - Дисплейный блок

16 - Блок звукового оповещения

17 - Блок питания

НАИЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения поясняются со ссылкой на чертежи.

Конфигурация измерителя активности

На фиг. 1 приведена блок-схема, представляющая внутреннюю конфигурацию измерителя активности. Измеритель 1 активности содержит блок 10 управления, операционный блок 11, I/F (интерфейс) 12, датчик 13 ускорения, память 14, дисплейный блок 15, блок 16 звукового оповещения, блок 17 питания и т.п.

Блок 10 управления сформирован посредством микрокомпьютера и т.п. и отвечает за функцию выполнения вычислительных процессов различных типов, например обнаружение физической активности, вычисление и запись степени физической активности и отображение состояния выполнения, а также управление дисплейным блоком 15 и блоком 16 звукового оповещения в соответствии с предварительно сохраненной программой. Более подробное описание функции блока 10 приведено в дальнейшем.

Операционный блок 11 представляет собой пользовательский интерфейс для выполнения таких операций, как установка задачи, сброс числа шагов и отображение и ввод различных уставок. I/F 12 представляет собой внешний интерфейс для передачи данных во внешнее устройство, например монитор состава тела и персональный компьютер, и приема данных из упомянутого внешнего устройства методами беспроводной связи или проводной связи. Память 14 является энергонезависимым запоминающим средством для хранения числа шагов, состояния выполнения и целевого значения степени физической активности, информации, касающейся пользователя, различных уставок, используемых в программе, формулы (коэффициента) вычисления, данных типа таблицы и т.п. Дисплейный блок 15 является средством отображения, сформированным посредством ЖК-дисплея (жидкокристаллического дисплея) и т.п., и отображает такую информацию, как число шагов, состояние выполнения, уровень достижения целевой физической активности и т.п. Блок 16 звукового оповещения выполняет функцию выдачи звукового сигнала работы, звукового сигнала шага при ходьбе, звукового сигнала тревоги и т.п. в соответствии с управлением блока 10 управления.

Датчик ускорения

Датчик 13 ускорения является трехосным датчиком ускорения, способным обнаруживать ускорение по трем взаимно ортогональным направлениям. Когда измеритель 1 активности закреплен на пользователе в предварительно заданном режиме прикрепления, датчик 13 ускорения устанавливается в ориентации, допускающей обнаружение ускорения по трем направлениям, одному вертикальному направлению (направлению вверх-вниз) и двум горизонтальным направлениям (направлению вперед-назад и направлению влево и вправо). В качестве датчика 13 ускорения можно применять датчики, использующие любой принцип действия, например, электростатический емкостный датчик и пьезоэлектрический датчик.

На фиг.2А и фиг.2В показан один пример выходного сигнала датчика 13 ускорения типа электростатической емкости. На фиг.2А показан выходной сигнал датчика (исходный сигнал) во время работы по развешиванию белья после стирки, и на фиг.2В показан сигнал после прохождения одногерцевого фильтра верхних частот. Сигналы ускорения в направлении вверх-вниз, направлении вперед-назад и направлении влево и вправо показаны в порядке сверху.

Как показано на фиг.2А, сигнал ускорения в направлении вверх-вниз исходного сигнала содержит DC компоненту, соответствующую гравитационному ускорению (-1,0 g). Сигналы ускорения по всем направлениям содержат низкочастотную компоненту, соответствующую флуктуации гравитационного ускорения (статическое ускорение). Поэтому, если исходный сигнал применяется в его необработанном виде, то оценка флуктуации ускорения завышается, и невозможно точно вычислить интенсивность физической нагрузки. В частности, поскольку во время таких работ, как развешивание белья после стирки, часто принимается ориентация наклона или сгибания верхней части тела, и изменение наклона датчика 13 ускорения оказывается значительным, то флуктуационную компоненту статического ускорения нельзя игнорировать.

Следовательно, низкочастотную компоненту (флуктуационную компоненту статического ускорения), содержащуюся в выходном сигнале датчика, целесообразно устранять с использованием фильтра верхних частот, как показано на фиг.2В. Можно видеть, что в сигнале после прохождения фильтра верхних частот остается только компонента динамического ускорения, вызываемая движением тела пользователя. При использовании данного сигнала можно точно измерять движение тела пользователя, и можно точно оценивать ускорение и интенсивность физической нагрузки.

Возможно использование ускорения такого типа, которое находят обнаружением только изменения динамического ускорения, без обнаружения изменения статического ускорения, например, пьезоэлектрическим датчиком. В данном случае, выходной исходный сигнал датчика можно использовать в необработанном виде для вычисления ускорения и интенсивности физической нагрузки, и, следовательно, конфигурация не важна, например, не нужен фильтр верхних частот, и возможно сокращение стоимости.

Вычисление ускорения

На фиг.3А и фиг.3В показан способ вычисления значения ускорения по выходному сигналу датчика. Как показано на фиг.3А, поскольку величина ускорения постоянно не устойчива, то не имеет смысла принимать мгновенное значение в некоторый момент времени. Поэтому выходные сигналы в течение предварительно заданного периода (единичного периода) статистически обрабатывают для получения характерного значения величины ускорения за соответствующий единичный период.

В настоящем варианте осуществления, выбирается около 2000 отсчетов сигнала в течение 60 секунд. Затем вычисляют среднее арифметическое (опорную величину) выборочных значений, как показано на фиг. 3A. Затем, как показано на фиг. 3B, вычисляют абсолютные значения разности (отклонения) между выборочным значением и опорной величиной и получают среднее арифметическое абсолютных значений отклонения. Среднее арифметическое абсолютного значения отклонения является статистической величиной, называемой средним отклонением, при этом данную величину используют как характерное значение ускорения в течение единичного периода (60 секунд) в настоящем варианте осуществления.

Характерное значение (среднее отклонение) ускорения вычисляют для направления вверх-вниз, направления влево и вправо и направления вперед-назад. В нижеследующем уравнении, X является характерным значением ускорения в направлении вверх-вниз, Y является характерным значением ускорения в направлении влево и вправо и Z является характерным значением ускорения в направлении вперед-назад. Кроме того, xi, yi и zi обозначают выборочные значения, ax, ay и az обозначают средние арифметические выборочных значений и N обозначает число выбранных отсчетов.

(Уравнение 1)

После того как получены характерные значения X, Y и Z ускорения в каждом направлении, характерные значения синтезируют для вычисления синтезированного ускорения S (соответствующего «характерному ускорению» в соответствии с настоящим изобретением) в трехосной системе. Вертикальную компоненту Sv и горизонтальную компоненту Sh синтезированного ускорения S выражают с использованием следующих уравнений.

(Уравнение 2)

Вычисление интенсивности физической нагрузки

Интенсивность физической нагрузки вычисляют по синтезированному ускорению S. В частности, синтезированное ускорение S преобразуют в интенсивность физической нагрузки с использованием формулы вычисления (формулы преобразования), предварительно полученной путем экспериментов.

На фиг. 4 показана взаимосвязь между синтезированным ускорением и интенсивностью физической нагрузки, полученная в ходе экспериментов. На горизонтальной оси отложено синтезированное ускорение [G], и на вертикальной оси отложена интенсивность физической нагрузки [MET]. Результаты измерений для состояний покоя в положении лежа на спине, положении сидя и работы на персональном компьютере (PC) показаны как данные для покоя. Результаты измерений для работы с пылесосом, по развешиванию белья после стирки, мытью посуды и переноски предметов показаны как данные для повседневной активности. Кроме того, результаты измерения для медленной ходьбы, нормальной ходьбы, быстрой ходьбы, ходьбы с переноской предмета и оздоровительного бега показаны как данные для физической нагрузки.

Как видно из фиг.4, распределения данных для отдыха, повседневной активности и физической нагрузки указывают различающиеся между собой тенденции. Таким образом, согласно настоящему изобретению, физическую активность разбивают на три категории, «покой», «повседневную активность» и «физическую нагрузку», и, на основании соответствующих экспериментальных данных, получают регрессионную линию (или регрессионную кривую). Регрессионная линия (или регрессионная кривая) является формулой вычислений для преобразования синтезированного ускорения в интенсивность физической нагрузки. Соответствующая формула вычислений (коэффициент) для покоя, повседневной активности и физической нагрузки сохраняется в памяти 14 измерителя 1 активности.

Синтезированное ускорение, показанное на фиг.4, является значением, полученным по сигналу после прохождения фильтра верхних частот (т.е. сигналу, очищенному от флуктуационной компоненты гравитационного ускорения). В сравнительном примере, на фиг.5 показано синтезированное ускорение, полученное по сигналу до прохождения фильтра верхних частот. На фиг.5, развязка данных для покоя, повседневной активности и физической нагрузки не удовлетворительна, и поэтому сложно точно оценивать ускорение и интенсивность физической нагрузки. В частности, в случае работы с большим нерегулярным изменением гравитационного ускорения, как при повседневной активности, обнаруживаются участки, на которых порядок величины синтезированного ускорения и величина интенсивности физической нагрузки обращаются. Следовательно, очевидно, что устранение флуктуационной компоненты является полезным решением.

Определение физической активности и выбор формулы вычисления

Как описано выше, измеритель 1 активности в соответствии с настоящим изобретением содержит множество формул вычисления в зависимости от типа физической активности. Во время работы, измеритель 1 активности автоматически определяет тип физической активности по выходному сигналу датчика 13 ускорения и выбирает подходящую формулу вычисления.

Конкретные примеры работы по определению физической активности и выбору формулы вычисления описаны ниже.

Первый пример работы

На фиг.6 приведена блок-схема последовательности операций способа, изображающая первый пример работы измерителя 1 активности. В первом примере работы, измеритель 1 активности определяет тип физической активности по «числу шагов» и «отношению между горизонтальной компонентой и вертикальной компонентой синтезированного ускорения» и определяет формулу вычисления для применения. Обработка сигналов, показанная на фиг. 6, выполняется блоком 10 управления.

Сначала блок 10 управления вычисляет характерные значения X, Y и Z ускорения по каждому направлению вверх-вниз, влево и вправо и вперед-назад за единичный период в соответствии с вышеупомянутым способом вычисления ускорения (этапы S1 - S3), и вычисляет синтезированное ускорение S и вертикальную компоненту Sv, и горизонтальную компоненту Sh упомянутого ускорения (этап S4).

Блок 10 управления получает число C шагов в единичный период на основе сигнала ускорения по направлению вверх-вниз (этап S5). В частности, число C шагов получают подсчетом числа раз, сколько значение ускорения по направлению вверх-вниз превосходило предварительно заданное значение.

Затем блок 10 управления исследует, является ли или нет значение синтезированного ускорения S больше чем пороговая величина 0,02 или равным ей (этап S6). Если значение синтезированного ускорения S меньше чем 0,02, то блок 10 управления принимает решение, что «пользователь находится в состоянии покоя», и считывает формулу вычисления в покое из памяти 14. Затем блок 10 управления вычисляет интенсивность физической нагрузки из синтезированного ускорения S, с использованием формулы вычисления в покое (этап S7). Если значение синтезированного ускорения S больше чем или равно 0,02, то процесс переходит к этапу S8.

На этапе S8 блок 10 управления получает значение отношения Sv/Sh вертикальной компоненты Sv к горизонтальной компоненте Sh синтезированного ускорения и исследует, является ли или нет отношение Sv/Sh больше чем или равным пороговой величине value 1,0. Если отношение Sv/Sh больше чем или равно 1,0, то блок 10 управления принимает решение, что «физическая активность пользователя является физической нагрузкой», и считывает формулу вычисления для физической нагрузки из памяти 14. Затем блок 10 управления вычисляет интенсивность физической нагрузки из синтезированного ускорения S, с использованием формулы вычисления для физической нагрузки (этап S9). Если отношение Sv/Sh меньше чем 1,0, процесс переходит на этап S10.

На этапе S10, блок 10 управления исследует, является ли или нет отношение Sv/Sh меньше чем пороговая величина 0,5. Если отношение Sv/Sh меньше чем 0,5, то блок 10 управления принимает решение, что «физическая активность пользователя является повседневной активностью», и считывает формулу вычисления для повседневной активности из памяти 14. Затем блок 10 управления вычисляет интенсивность физической нагрузки из синтезированного ускорения S с использованием формулы вычисления для повседневной активности (этап S11). Если отношение Sv/Sh больше чем или равно 0,5, то процесс переходит на этап S12.

На этапе S12, блок 10 управления исследует, является ли или нет число C шагов больше чем или равным пороговой величине 90. Если число C шагов больше чем или равно 90, то блок 10 управления принимает решение, что «физическая активность пользователя является физической нагрузкой», и вычисляет интенсивность физической нагрузки с использованием формулы вычисления для физической нагрузки (этап S13), аналогично этапу S9. Если число C шагов меньше чем 90, то интенсивность физической нагрузки вычисляется с использованием формулы вычисления для повседневной активности (этап S14), аналогично этапу S11.

После того как интенсивность физической нагрузки вычислена с использованием любой из формул вычисления, блок 10 управления вычисляет сожженные калории по интенсивности физической нагрузки (этап S15). Преобразование интенсивности физической нагрузки (MET) в сожженные калории можно производить с использованием известного способа. Затем интенсивность физической нагрузки и сожженные калории, измеренные данным способом, записываются в память 14. Затем пользователь может проверить измеренные и записанные интенсивность физической нагрузки и сожженные калории на дисплейном блоке 15.

На фиг. 7 показан результат экспериментальной проверки способа определения в первом примере работы. Горизонтальная ось на фиг. 7 отражает число C шагов в единичный период (60 секунд), и вертикальная ось представляет отношение Sv/Sh. В показанном пространстве нанесены данные измерений (треугольники) повседневной активности и данные измерений (кружки) физической нагрузки, и, как оказалось, соответствующие распределения четко разделены.

Общая тенденция показывает, что физическая нагрузка характеризуется большим значением отношения Sv/Sh, чем повседневная активность. Данная особенность обусловлена большим числом изменений ориентации, выполняемых вперед-назад и влево и вправо во время повседневной активности, например уборки и стирки, тогда как работа с повторением движения вверх-вниз, при одной и той же ориентации, выполняется, главным образом, при физической нагрузке, например ходьбе. Число C шагов во время физической нагрузки, выполняемой запланированным и заданным образом, обычно бывает больше, чем во время повседневной активности. Однако, упомянутые тенденции для отношения Sv/Sh и ходьбы C не обязательно применимы во всех случаях. Например, интервальная тренировка в форме 30-секундной ходьбы и 30-секундного покоя характеризуется небольшим числом C шагов, но должна быть отнесена к физической нагрузке (смотри позицию 70 на фиг. 7). Следовательно, точное разделение повседневной активности и физической нагрузки является сложной задачей путем оценки только либо отношения Sv/Sh, либо числа C шагов.

В процессе способа определения в первом примере работы применяются условия определения, сочетающие отношение Sv/Sh и число C шагов, как описано выше. При разделении данных измерения согласно условию определения (смотри прерывистую линию на фиг. 7), продемонстрированном на этапах S8, S10 и S12 на фиг. 6, повседневная активность и физическая нагрузка разделяются по типам со степенью точности, по существу, 100%.

Второй пример работы

На фиг. 8 приведена блок-схема последовательности операций способа, изображающая второй пример работы измерителя активности. Во втором примере работы, измеритель 1 активности определяет тип физической активности на основе изменения наклона тела и определяет формулу вычисления для применения. Обработка сигналов, показанная на фиг. 8, выполняется блоком 10 управления.

Сначала блок 10 управления вычисляет характерные значения ускорения по каждому направлению вверх-вниз, влево и вправо и вперед-назад за единичный период в соответствии с вышеупомянутым способом вычисления ускорения (этапы S20). В данном случае, блок 10 управления вычисляет характерные значения Ха, Ya и Za ускорения по сигналу до прохождения фильтра верхних частот и вычисляет характерные значения Xb, Yb и Zb ускорения по сигналу после прохождения фильтра верхних частот. Затем блок 10 управления вычисляет синтезированное ускорение Sа по характерным значениям Ха, Ya и Za и синтезированное ускорение Sb по характерным значениям Xb, Yb и Zb (этап S21). Синтезированное ускорение Sа соответствует первому характерному ускорению в соответствии с настоящим изобретением и синтезированное ускорение Sb соответствует второму характерному ускорению.

Блок 10 управления вычисляет оценочное значение, выражаемое формулой (Sa-Sb)/Sb (этап S22). Значение синтезированного ускорения Sа содержит флуктуационную компоненту как динамического ускорения, так и статического ускорения (гравитационного ускорения), тогда как значение синтезированного ускорения Sb содержит только флуктуационную компоненту динамической скорости. Разность (Sa-Sb) двух синтезированных ускорений можно рассматривать как значение, характеризующее флуктуационную компоненту статического ускорения, и синтезированное ускорение Sb можно рассматривать как значение, характеризующее флуктуационную компоненту динамического ускорения. Оценочное значение (Sa-Sb)/Sb соответствует отношению значения, характеризующего флуктуационную компоненту статического ускорения, и значения, характеризующего флуктуационную компоненту динамического ускорения. Оценочное значение (Sa Sb)/Sb является значением (показателем), характеризующим изменение наклона тела.

Блок 10 управления исследует, является ли или нет оценочное значение больше чем пороговая величина 0,8 (этап S22). Если оценочное значение меньше, чем или равно 0,8, то блок 10 управления принимает решение, что «физическая активность пользователя является физической нагрузкой», и считывает формулу вычисления для физической нагрузки из памяти 14. Затем блок 10 управления вычисляет интенсивность физической нагрузки из синтезированного ускорения Sb с использованием формулы вычисления для физической нагрузки (этап S23).

Если оценочное значение больше чем 0,8, то блок 10 управления принимает решение, что «физическая активность пользователя является повседневной активностью», и считывает формулу вычисления для повседневной активности из памяти 14. Затем блок 10 управления вычисляет интенсивность физической нагрузки из синтезированного ускорения Sb, с использованием формулы вычисления для повседневной активности (этап S24).

После того как интенсивность физической нагрузки вычислена с использованием любой из формул вычисления, блок 10 управления вычисляет сожженные калории по интенсивности физической нагрузки (этап S25). Кроме того, по блок-схеме последовательности операций способа, показанной на фиг.8, можно определить, имеет ли место или нет состояние покоя, на основании значения синтезированного ускорения Sb, аналогично блок-схеме последовательности операций способа, показанной на фиг.6.

На фиг.9 показан результат экспериментальной проверки способа определения во втором примере работы. Горизонтальная ось на фиг.9 отражает оценочное значение (Sa-Sb)/Sb, и вертикальная ось представляет интенсивность физической нагрузки. В показанном пространстве нанесены данные измерений (треугольники) повседневной активности и данные измерений (кружки) физической нагрузки, и, как оказалось, соответствующие распределения четко разделены.

В случае физической нагрузки, например, ходьбы и оздоровительного бега, наклон тела (ориентация датчика) изменяется незначительно. То есть выходной сигнал датчика почти не содержит флуктуационной компоненты статического ускорения. Следовательно, в случае физической нагрузки, синтезированные ускорения Sa и Sb имеют, по существу, одинаковое значение, и оценочное значение (Sa-Sb)/Sb становится, по существу, нулевым.

В случае повседневной активности, например уборки и стирки, выполняется работа с наклоном или сгибанием верхней части тела, и, следовательно, осуществляется большое число изменений наклона тела (ориентации датчика), и в выходном сигнале датчика появляется флуктуация статического ускорения (гравитационного ускорения). Следовательно, между синтезированными ускорениями Sа и Sb создается значительная разность, и оценочное значение (Sa-Sb)/Sb становится большим.

При разделении данных измерения согласно условию определения (по пороговой величине 0,8), показанному на фиг.8, повседневная активность и физическая нагрузка разделялись со степенью точности, по существу, 100%.

Как описано выше, измеритель 1 активности в соответствии с настоящим вариантом осуществления может определять тип физической активности с удовлетворительной точностью на основе выходного сигнала датчика ускорения и может выбирать подходящую формулу вычисления. Поскольку степень физической активности (интенсивность физической нагрузки, сожженные калории) вычисляют с использованием подходящей формулы вычислений, то степень активности можно измерять с удовлетворительной точностью для различных типов физической нагрузки, от повседневной активности до физической нагрузки.

Конфигурация вышеописанных вариантов осуществления иллюстрирует всего лишь один конкретный пример настоящего изобретения. Объем настоящего изобретения не ограничен вышеописанным вариантом осуществления, и возможны различные модификации, не выходящие за пределы объема технической идеи настоящего изобретения.

Например, конкретная конфигурация процедуры (последовательности операций) определения, пороговая величина, оценочное значение и т.п. не ограничены теми, которые в первом и втором примерах работы допускают соответствующую модификацию. В вышеописанном варианте осуществления, физическая активность подразделяется на три категории, а именно покой, повседневную активность и физическую нагрузку, но повседневную активность и физическую нагрузку можно сегментировать дополнительно. Число категорий и формулу вычисления для каждой категории можно устанавливать соответственно путем анализа экспериментальных результатов, показанных на фиг.4. В первом примере работы, отношение Sv/Sh служит для оценки вертикальной компоненты Sv и горизонтальной компоненты Sh синтезированного ускорения S, но можно применить любой показатель, пока можно сравнивать вертикальную компоненту и горизонтальную компоненту. Например, можно применять такие показатели, как Sv-Sh, Sv/S и Sh/S. Кроме того, в первом примере работы, высокую точность определения обеспечивают путем применения таких двух показателей, как отношение Sv/Sh и число шагов, но, если требуется выполнить простое определение, то можно применить любой один из двух показателей. В альтернативном варианте, точность определения можно дополнительно повысить сочетанием, по меньшей мере, трех показателей. Во втором примере работы, в качестве «значения, характеризующего изменение наклона тела», применяют оценочное значение (Sa-Sb)/Sb, однако другие показатели, например Sa-Sb и Sa/Sb, можно применить в качестве значения, характеризующего изменение наклона тела. Показатель, полученный из вертикальной компоненты Sv и горизонтальной компоненты Sh синтезированного ускорения S, применяемых в первом примере работы, можно применить как «значение, характеризующее изменение наклона тела», во втором примере работы.

Поскольку энергозатраты разных людей различаются даже при одинаковом содержании физической нагрузки, то возможно появление вариации фактически получаемого эффекта физической нагрузки. Интенсивность можно корректировать на основе личных характеристик пользователя. Личные характеристики, которые могут влиять на энергозатраты, включают в себя пол, возраст, рост, BMI (индекс массы тела), значение состава тела и скорость основного обмена. Степень влияния значения личных характеристик на энергозатраты можно подтвердить клиническими испытаниями. Поправочный коэффициент, учитывающий значение личных характеристик или каждого уровня, можно задавать и включать в формулу вычисления интенсивности, чтобы можно было соответственно скорректировать отличие эффекта физической нагрузки, обусловленного отличием личных характеристик.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к устройствам измерения степени физической активности пользователя. Измеритель активности в первом варианте исполнения содержит датчик для обнаружения ускорения по множеству направлений, средство вычисления характерного ускорения на основе выходного сигнала датчика и средство вычисления интенсивности физической нагрузки при движении тела, выполняемом за единичный период, по характерному ускорению, а также фильтр для устранения колебания компоненты статического ускорения из выходного сигнала датчика. Средство вычисления интенсивности физической нагрузки выполнено с возможностью вычисления интенсивности физической нагрузки с использованием множества формул вычисления и определяет формулу вычисления при движении тела, выполняемом за единичный период, на основе горизонтальной компоненты и вертикальной компоненты характерного ускорения. Второй вариант исполнения измерителя активности снабжен средством вычисления интенсивности физической нагрузки, выполненным с возможностью вычисления на основе изменения наклона тела. Изобретение позволяет производить точное измерение степени активности при различных типах активности, от повседневной активности до физической нагрузки. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Измеритель активности, содержащий:
датчик для обнаружения ускорения по множеству направлений;
средство вычисления характерного ускорения для вычисления характерного ускорения, которое является характерным значением ускорения в единичный период, на основе выходного сигнала датчика; и
средство вычисления интенсивности физической нагрузки для вычисления интенсивности физической нагрузки при движении тела, выполняемом за единичный период, по характерному ускорению; при этом
средство вычисления интенсивности физической нагрузки выполнено с возможностью вычисления интенсивности физической нагрузки с использованием множества формул вычисления и определяет, является ли тип движения тела, выполняемого за единичный период, физической нагрузкой или повседневной активностью, на основе горизонтальной компоненты и вертикальной компоненты характерного ускорения, и изменяет формулу вычислений для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки для физической нагрузки и для повседневной активности; причем измеритель активности дополнительно содержит фильтр для устранения колебания компоненты статического ускорения из выходного сигнала датчика.

2. Измеритель активности по п.1, в котором средство вычисления интенсивности физической нагрузки определяет, является ли тип движения тела, выполняемого за единичный период, физической нагрузкой или повседневной активностью, на основе отношения между горизонтальной компонентой и вертикальной компонентой характерного ускорения, и изменяет формулу вычислений для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки для физической нагрузки и для повседневной активности.

3. Измеритель активности по п.1, в котором средство вычисления интенсивности физической нагрузки определяет, является ли тип движения тела, выполняемого за единичный период, физической нагрузкой или повседневной активностью, на основе разности между горизонтальной компонентой и вертикальной компонентой характерного ускорения, и изменяет формулу вычислений для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки для физической нагрузки и для повседневной активности.

4. Измеритель активности по п.1, дополнительно содержащий:
средство вычисления числа шагов для вычисления числа шагов в единичный период на основе выходного сигнала датчика; при этом
средство вычисления интенсивности физической нагрузки определяет, является ли тип движения тела, выполняемого за единичный период, физической нагрузкой или повседневной активностью, на основе числа шагов, а также горизонтальной компоненты и вертикальной компоненты характерного ускорения, и изменяет формулу вычислений для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки для физической нагрузки и для повседневной активности.

5. Измеритель активности по п.4, в котором
средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит, по меньшей мере, формулу вычисления для физической нагрузки и формулу вычисления для повседневной активности для формулы вычисления;
формулу вычисления для физической нагрузки выбирают, когда значение отношения вертикальной компоненты к горизонтальной компоненте характерного ускорения больше, чем или равно первой пороговой величине;
формулу вычисления для повседневной активности выбирают, когда значение отношения меньше, чем вторая пороговая величина; и формулу вычисления для физической нагрузки или формулу вычисления для повседневной активности определяют в зависимости от того, является ли или нет число шагов больше, чем или равным третьей пороговой величине, когда значение отношения больше, чем или равно второй пороговой величине и меньше, чем первая пороговая величина.

6. Измеритель активности по любому из пп.1-5, в котором датчик является датчиком, который не обнаруживает изменение статического ускорения и обнаруживает только изменение динамического ускорения.

7. Измеритель активности по любому из пп.1-5, в котором средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит формулу вычисления для покоя для формулы вычисления; и интенсивность физической нагрузки вычисляется с использованием формулы вычисления для покоя, когда характерное ускорение меньше, чем пятая пороговая величина.

8. Измеритель активности по п.6, в котором средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит формулу вычисления для покоя для формулы вычисления; и интенсивность физической нагрузки вычисляется с использованием формулы вычисления для покоя, когда характерное ускорение меньше, чем пятая пороговая величина.

9. Измеритель активности, содержащий:
датчик для обнаружения ускорения по множеству направлений;
средство вычисления характерного ускорения для вычисления характерного ускорения, которое является характерным значением ускорения в единичный период, по выходному сигналу датчика; и
средство вычисления интенсивности физической нагрузки для вычисления интенсивности физической нагрузки при движении тела, выполняемом за единичный период, по характерному ускорению; при этом
средство вычисления интенсивности физической нагрузки выполнено с возможностью вычисления интенсивности физической нагрузки с использованием множества формул вычисления и определяет, является ли тип движения тела, выполняемого за единичный период, физической нагрузкой или повседневной активностью, на основе изменения наклона тела, и изменяет формулу вычислений для применения при вычислении интенсивности физической нагрузки для физической нагрузки и для повседневной активности; причем измеритель активности дополнительно содержит: фильтр для устранения колебания компоненты статического ускорения из выходного сигнала датчика; при этом первое характерное ускорение вычислено по выходному сигналу до прохождения фильтра;
второе характерное ускорение вычислено по выходному сигналу после прохождения фильтра; и
значение, характеризующее изменение наклона тела, определено по первому характерному ускорению и второму характерному ускорению.

10. Измеритель активности по п.9, в котором средство вычисления интенсивности физической нагрузки определяет значение, характеризующее изменение наклона тела, на основе значения, характеризующего колебание компоненты статического ускорения, и значения, характеризующего колебание компоненты динамического ускорения, содержащихся в выходном сигнале датчика.

11. Измеритель активности по 10, в котором
средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит, по меньшей мере, формулу вычисления для физической нагрузки и формулу вычисления для повседневной активности для формулы вычисления;
формула вычисления для физической нагрузки выбирается, когда значение, характеризующее изменение наклона тела, меньше, чем четвертая пороговая величина; и
формула вычисления для повседневной активности выбирается, когда значение, характеризующее изменение наклона тела, больше, чем или равно четвертой пороговой величине.

12. Измеритель активности по п.9, в котором значение, характеризующее изменение наклона тела, определено по горизонтальной компоненте и вертикальной компоненте характерного ускорения.

13. Измеритель активности по любому из пп.9-12, в котором средство вычисления интенсивности физической нагрузки содержит формулу вычисления для покоя для формулы вычисления; и интенсивность физической нагрузки вычисляется с использованием формулы вычисления для покоя, когда характерное ускорение меньше, чем пятая пороговая величина.