[論文レビュー] Using Positional Heel-marker Data to More Accurately Calculate Stride Length for Treadmill Walking: A Step Length Approach

Kevin Supakkul|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Lower Extremity Biomechanics and Pathologies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、つま先打撃イベントから導出された連続する歩行長さの合計を用いて、つま先マーカーの位置データからトレッドミル歩行中の歩行長さを計算する新規手法を提案する。2.2%の誤差と低い標準偏差を達成しており、歩行中の二脚立位におけるトレッドミルの後退運動を含む総移動距離法とは対照的に、12%を超える過大評価を引き起こすため、はるかに高い精度を示している。

ABSTRACT

Treadmill walking is a convenient tool for studying the human gait; however, a common gait parameter, stride length, can be difficult to calculate directly because relevant reference points continually move backwards. Although there is no direct calculation of stride length itself, we can use positional heel-marker data to directly determine a similar parameter, step length, and we can sum two step lengths to result in one stride length. This proposed method of calculation is simple but seems to be unexplored in other literature, so this paper displays the details of the calculation. Our experimental results differed from the expected values by 2.2% and had a very low standard deviation, suggesting that this method is viable for practical use. The ability to calculate stride length for treadmill walking using heel-marker data may allow for quick and accurate gait calculations that further contribute to the versatility of heel data as a tool for gait analysis.

研究の動機と目的

• 移動する基準点のため、トレッドミル歩行中の歩行長さを正確に計算する課題に対処すること。
• 速度の変動やデータの誤解釈に起因する誤差が生じやすい、作業集約的または誤差の多い既存のデジタルおよびビデオベースの手法の改善。
• つま先マーカーのデータから導出される2つの連続する歩行長さの合計が、総移動距離法に代わるより正確で実用的な代替手段であることを示すこと。
• 実験データを用いて、本手法の正確性と一貫性を検証し、期待されるトレッドミル速度とのずれが小さいことを示すこと。

提案手法

• 本手法は、Viconのつま先マーカーのX,Y,Z座標を用いて、連続するつま先打撃間の水平方向の変位として歩行長さを計算する。
• 歩行長さは、2つの連続する歩行長さの合計として計算され、幾何学的に歩行長さが2つの歩行長さの和に等しいことを利用している。
• つま先打撃イベントは、垂直方向（Z）または水平方向（X）の位置データにおける局所的最小値から検出され、歩行長さ計算の正確なタイミングを保証する。
• 二脚立位中の後退運動を含む、歩行サイクル全体におけるつま先の総移動距離を使用しない。
• 本手法と、歩行サイクル全体の絶対変位の合計を用いる総移動距離法との比較が行われる。
• 実験的検証では、1 m/sの速度でトレッドミルを歩行し、計算された歩行長さと歩行速度を期待値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 総移動距離の使用に依存せずに、位置的つま先マーカーのデータからトレッドミル歩行の歩行長さを正確に計算できるか？
• RQ2 本手法の歩行長さの合計法は、総移動距離法に比べてどの程度正確か？
• RQ3 二脚立位における後退運動が、つま先マーカーの軌跡を用いた従来の歩行長さ計算にどのような影響を与えるか？
• RQ4 本手法は、複数の被験者および歩行試行において一貫性があり、低誤差の結果をもたらすか？

主な発見

• 本手法は、平均誤差がわずか2.2%にとどまり、標準偏差も極めて低いことから、高い正確性と一貫性を示している。
• 総移動距離法では、平均誤差が12%以上に達し、トレッドミルの公称許容誤差を著しく上回り、実用的でないことが判明した。
• 本手法の正確性は、二脚立位における後退運動を含まないため、距離ベースの計算が過大評価されるのを回避していることに起因する。
• 本研究では、歩行長さがつま先マーカーのデータから直接的かつ信頼性高く計算可能であることが示され、合計による歩行長さ推定が可能であることを実証した。
• 手動によるビデオ解析よりも実用的である。本手法は、デジタルキネマティックデータから自動的かつ高スループットで歩行パラメータを抽出可能である。