ES2576731T3

ES2576731T3 - Monitor de marcha

Info

Publication number: ES2576731T3
Application number: ES09803891.2T
Authority: ES
Inventors: Patrick Esser; Ken Howells; Helen Dawes; Johnny Collet
Original assignee: Oxford Brookes University
Current assignee: Oxford Brookes University
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2016-07-11
Anticipated expiration: 2029-12-23
Also published as: GB0823374D0; EP2387357B1; WO2010073044A1; JP2012513227A; GB2467514A; US20110313705A1; US8868369B2; EP2387357A1

Abstract

Aparato de medición del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) que comprende un dispositivo de detección inercial (10), para producir salidas relativas a la rotación y a la aceleración en su marco de referencia local y configurado para su fijación en la espalda de un animal, una memoria (56) y un procesador (54), en el que el procesador (54) está programado para proporcionar un cuaternión que corresponde a la rotación del dispositivo de detección inercial (10) y una primera aceleración, ambos basados en una salida del dispositivo de detección, y el procesador (54) está programado para combinar el cuaternión y la primera aceleración y sobre la base de los datos que son el resultado de la combinación, proporcionar, cuando el dispositivo se sujeta cerca del centro de gravedad del animal, una estimación de desplazamiento vertical, o una derivada del desplazamiento vertical, del centro de gravedad en un marco de referencia global, y en el que el aparato (50) está configurado para aplicar una función matemática a los datos a partir de la combinación de la primera aceleración y del cuaternión, para eliminar ruido/errores que contribuyen a la deriva, en el que la función matemática es una ventana de Hanning, y el procesador (54) está programado para proporcionar una aceleración en la dirección vertical, y para medir la velocidad del dispositivo de detección en la dirección vertical del marco de referencia global mediante la integración de la aceleración en la dirección vertical utilizando la regla de Simpson.

Description

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DESCRIPCION

Monitor de marcha

Esta invencion se refiere a un aparato y a un procedimiento para medir el movimiento vertical mediante el uso de sensores de inercia y, en particular, a un aparato y a un procedimiento para la deteccion inercial del movimiento del centro de gravedad humano en la direccion vertical.

El centro de gravedad (COM) es un aspecto importante de la locomocion humana y desde hace tiempo se ha estimado que las mediciones del desplazamiento vertical del centro de gravedad de un humano representan mas del 65% del trabajo mecanico total realizado en la marcha, es decir, mientras se camina.

Estimaciones razonablemente precisas de una ubicacion de un centro de gravedad de un cuerpo humano han existido desde el siglo 19 a partir de la diseccion de cadaveres. Esta ubicacion se ha medido con mayor precision en el siglo 20, por ejemplo, utilizando plataformas de fuerza, y se encuentra generalmente que esta alrededor de la espalda baja.

Las mediciones del desplazamiento del centro de gravedad de una persona se encuentra que proporcionan informacion muy util para estudiar el movimiento de una persona. Esto puede ser util en la atencion clmica, por ejemplo, en el estudio de personas mayores o discapacitadas y, en particular, en la determinacion de los efectos de las condiciones que afectan al caminar. Las mediciones del movimiento del centro de gravedad en marcha antes y despues de la cirugfa se pueden utilizar para medir el exito de la cirugfa y para dirigir la fisioterapia adecuada.

La medicion del movimiento del centro de gravedad de un ser humano tambien se considera que es muy util en el estudio de los atletas y se puede utilizar en el entrenamiento y para el desarrollo de una tecnica mejorada de movimiento de los atletas.

La medicion del desplazamiento del centro de gravedad puede mostrar asimetna en la manera en que una persona camina. Ademas, incluso cuando el significado de los datos aislados no se entiende bien, simplemente comparando los patrones de desplazamiento del centro de gravedad encontrados en personas de una marcha normal con los de patrones de caminar atfpicos o en un atleta olfmpico eficaz, proporciona informacion util y permite hacer alteraciones.

Los usos deseados para una herramienta de evaluacion de la marcha son ayudar en el diagnostico de un trastorno de la marcha, monitorizar el progreso del paciente, tomar una evaluacion de referencia y ayudar con la prescripcion de ortesis.

Los mejores sistemas actuales para estudios biomecanicos y para la medicion de datos cinematicos de seres humanos se considera que son los sistemas de camaras de movimiento opticas (OMCS). Los OMCS determinan la posicion de un objeto en un espacio tridimensional calibrado. Estos sistemas incluyen sistemas de marcadores pasivos y activos. Por ejemplo, el sistema Vicon producido en Oxford, Reino Unido, tiene marcadores que reflejan infrarrojos unidos a un objeto para contener datos cinematicos de camaras, mientras que el sistema CODA utilizado por Codamotion en el Reino Unido utiliza sensores LED activos aplicados al objeto para obtener datos similares. Estos sistemas proporcionan datos muy eficaces y precisos, pero sufren una serie de desventajas. En primer lugar, y quizas lo mas importante, son muy caros. En segundo lugar, las mediciones se limitan a un movimiento dentro de las areas calibradas. Esto normalmente significa que solo unos pocos pasos se pueden medir a la vez, lo que no permite el estudio de todos los tipos de la locomocion humana. Ademas, es ventajoso medir el movimiento en experimentos al aire libre en un intento de replicar el movimiento en el mundo real. Las medidas en el exterior son diffciles con los sistemas OMCS debido a la necesidad de areas calibradas y son particularmente diffciles para muchos de los sistemas comunes que utilizan luz infrarroja reflectante lo que entra en conflicto con demasiada luz del sol ambiente.

Una alternativa mas barata a la utilizacion de sistemas OMCS es utilizar placas de fuerza para medir las fuerzas de reaccion del suelo y tratar de calcular el desplazamiento del centro de gravedad a partir de las fuerzas de reaccion del suelo. Aunque esto es de alguna utilidad, se ha encontrado que las fuerzas de reaccion del suelo no son las mismas que el desplazamiento del centro de gravedad. Ademas, las placas de fuerza todavfa son caras para la cantidad de medicion que se puede obtener. Las placas de fuerza precisas tambien son inmoviles y necesitan colocarse sobre una superficie plana solida. Son pequenas y requieren que un sujeto garantice que pone su pie sobre la placa de fuerza y, por lo tanto, pueden afectar el estilo de caminar. Para mayor precision, tambien requieren suelos, paredes y conexiones espedficamente hechos para tener una senal sin vibraciones.

Tambien se han utilizado acelerometros en el analisis del movimiento, en particular, en podometros que miden el numero de pasos que da una persona. Una dificultad con el uso de acelerometros para medir la locomocion humana es que las trayectorias circulares creadas por la locomocion humana significan que el angulo del eje del acelerometro cambia constantemente. La torsion del eje hace que sea muy diffcil de calcular las aceleraciones en el marco de referencia global, es decir, en terminos de arriba y abajo contra la fuerza de la gravedad. La alineacion postural del sujeto que camina y la imprecision en el posicionamiento del instrumento deben corregirse para la gravedad estatica para evaluar la verdadera aceleracion dinamica de la marcha.

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Tambien existen unidades, tales como unidades de medida inerciales, que combinan acelerometros con giroscopios y posiblemente tambien con magnetometros. Esta medida cambia en orientacion, as^ como las aceleraciones en los ejes locales de los acelerometros. Por lo tanto, proporcionan los vectores de aceleracion del sistema objeto local que potencialmente podnan transponerse en eje de otro sistema. Por estas razones, una combinacion de aceleradores, giroscopios y en algunos casos IMUs industriales micro electro-mecanicas (MEM) (tfpicamente utilizadas para la deteccion de vibraciones) se han utilizado para medir el cambio de angulo en las articulaciones y en otros aspectos del movimiento humano. Tambien ha habido un intento de estimar el desplazamiento del centro de gravedad de caballos utilizando una IMU. Esto fue un exito razonable, dado que no se requiere una precision milimetrica para el estudio tfpico de los caballos y ahora se ha dado cuenta porque la IMU que se encuentra en la espalda de un caballo se mantiene razonablemente horizontal la mayona de las veces, reduciendo la probabilidad de error en el eje Z resultante del bloqueo de cardan matematico.

Se ha supuesto comunmente que el uso de acelerometros, giroscopios y unidades de medicion inerciales conocidos en la espalda de un ser humano para medir el desplazamiento en el marco global no sera posible para proporcionar ningun grado util de precision. Esto se basa en el hecho de que mientras que las IMUs dan datos exactos de aceleraciones y movimiento de orientacion con respecto a su marco local, habra una cafda muy significativa en la precision en el intento de traducir esta informacion en movimientos en el marco global y una perdida adicional de precision al pasar de la aceleracion medida a medidas de velocidad y de posicion, que son los parametros mas comunes requeridos por los medicos y los entrenadores deportivos. Los ejes de cualquier unidad cerca del centro de gravedad a su vez giraran y se torceran en gran medida haciendo diffcil la traslacion de un marco de referencia global.

Ahora los inventores de la presente invencion se han dado cuenta que gran parte de la inexactitud en la medicion vertical del desplazamiento del centro de gravedad de una IMU proviene del hecho de que la IMU se coloca en la columna lumbar, de modo que gran parte de los datos proceden de que la IMU gira 90 grados con respecto a su orientacion prevista y que el uso de una matriz de rotacion de angulo de Euler hace que muchos de estos datos se pierdan debido al bloqueo de cardan matematico. Ademas, se ha encontrado sorprendentemente que mediante el uso correcto de las tecnicas adecuadas es posible no solo proporcionar una medicion precisa de la aceleracion vertical en el marco de referencia global, sino tambien la velocidad y los cambios en la posicion en la direccion vertical. La precision puede ser casi comparable a la de los sistemas de camaras de movimiento opticas.

Las encuestas de los fisioterapeutas encuentran que en la practica clmica solo una pequena minona de los encuestados habfa tenido realmente un paciente evaluado en un laboratorio de marcha. Las razones para no utilizar una herramienta de evaluacion de la marcha son la falta de tiempo, las limitaciones presupuestarias y la falta de espacio, todo lo cual se debe a la exigencia de los OMCS. En cambio, el fisioterapeuta se basa principalmente en las escalas de evaluacion de marcha visuales (VGAs) que son subjetivas y en ocasiones poco fiables, ya que dependen de la opinion de un asesor individual de la anormalidad y de su gravedad.

Tambien es deseable calcular la cantidad de energfa que una persona (o animal) ha utilizado mientras camina o corre. Esta informacion es util para fines clmicos y tambien para cualquier persona que hace ejercicio que desee calcular el numero de calonas consumidas. Normalmente, esto se estima mediante el uso de un podometro y el conocimiento del peso de la persona. El calculo se basa simplemente en el peso y el numero de pasos y no tienen en cuenta la eficiencia de la marcha, o la velocidad al caminar, o el terreno. Se ha apreciado que como esta gran parte de la energfa utilizada durante la marcha es de movimientos del centro de gravedad en vertical (contra la gravedad), las mediciones del movimiento del centro de gravedad se pueden utilizar junto con medidas de actividad, tales como el recuento de pasos, para determinada de una manera mas exacta la cantidad de energfa utilizada para correr o caminar. Los equipos de medicion convencionales tales como OMCS son de uso limitado para esto. Solo pueden medir en el espacio calibrado y, por lo tanto, solo podnan obtener informacion util acerca de la energfa consumida por una persona en un rango muy limitado o en una cinta de correr, donde ya se conoce la velocidad de desplazamiento y la inclinacion y hay menor necesidad de calculos de energfa mas precisos. Ademas, la fuerza y la energfa utilizadas se pueden basar en parte en aceleraciones o en la velocidad del centro de gravedad y el OMCS proporciona datos relativos a la posicion, lo que tendna que ser diferenciado, lo que se reduce la precision.

Es un objeto de al menos algunos modos de realizacion de la invencion mitigar al menos algunos de los problemas anteriores y/o proporcionar un aparato para la medicion de la energfa mecanica durante el movimiento humano.

El documento DE 10312154 divulga un procedimiento de seguimiento de la orientacion de objetos que incluye la determinacion de los valores de desplazamiento de tres sensores de velocidad de rotacion filtrados Kalman y restar los valores de desplazamiento de las salidas de los sensores antes de la integracion para la medicion de la orientacion de objetos utilizando un algoritmo cuaternion.

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, se proporciona un aparato de medicion de movimiento vertical segun la reivindicacion 1.

Como se apreciara, el animal puede ser una persona.

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Preferiblemente, el marco de referencia global es el marco de referencia de la superficie de la tierra, con la direccion vertical siendo la direccion de la aceleracion de la gravedad.

Preferiblemente, el dispositivo de deteccion inercial es una unidad de masa inercial y/o contiene varios acelerometros (tales como tres) de medicion de aceleraciones lineales en un marco local, y uno o mas giroscopios (tales como tres) de medicion de movimiento de rotacion y, preferiblemente, el dispositivo fusiona sus salidas de datos, por ejemplo, utilizando el filtrado de Kalman.

Preferiblemente, el aparato esta configurado para filtrar el(los) resultado(s) de la combinacion de la primera aceleracion y cuaternion, tal como el resultado de su producto, por encima o por debajo de una frecuencia predeterminada antes de producir una medida de desplazamiento vertical, o una derivada de desplazamiento vertical, en el marco de referencia global, mas preferiblemente, el aparato esta configurado para filtrar los datos por encima de una frecuencia elegida sobre la base de la frecuencia de zancada maxima de caminar o correr, tal como 25 Hz y/o el aparato comprende un filtro de Butterworth, tal como en la forma de programacion adecuada en la memoria, cuyo filtro esta configurado para ser utilizado para el filtrado.

El aparato esta configurado para aplicar una funcion matematica que es una ventana de Hanning, a los datos de la combinacion de la primera aceleracion y cuaternion, para eliminar el ruido/errores que contribuyen a la deriva. Preferiblemente, el aparato esta configurado para estimar un componente de corriente continua de ruido/errores en el(los) resultado(s) de la combinacion de la primera aceleracion y cuaternion y configurado para seleccionar la funcion matematica basada en la estimacion para eliminarlo. El aparato puede estar configurado para aplicar la funcion matematica despues de aplicar el filtro.

El procesador esta programado para proporcionar una aceleracion en la direccion vertical, tal como a partir del producto del cuaternion y la primera aceleracion, preferentemente con la direccion vertical, que es la direccion de la aceleracion de la gravedad.

Preferiblemente, el procesador esta programado para restar la aceleracion de la gravedad de la aceleracion calculada para medir la aceleracion del dispositivo de deteccion inercial en la direccion vertical del marco de referencia global. Preferiblemente, el calculo de la aceleracion de la gravedad se toma a partir de lecturas mediante el dispositivo de deteccion inercial cuyo aparato ha grabado en una memoria cuando esta parado. Preferiblemente, el aparato esta configurado para medir la velocidad del dispositivo de deteccion inercial en la direccion vertical del marco global mediante la integracion de la aceleracion calculada. Preferiblemente, la aceleracion se filtra y/o se retira la deriva antes de la integracion. Preferiblemente, el procesador se programa para integrar la aceleracion obtenida en la direccion vertical dos veces para medir los cambios en la posicion vertical en un marco de referencia global, que es preferiblemente en la superficie de la tierra, con la direccion vertical que es la direccion de la aceleracion de la gravedad.

Preferiblemente, los datos obtenidos se filtran y/o se retira la deriva antes de ambas integraciones.

El procesador se programa para integrar datos utilizando la regla de Simpson, preferiblemente en toda la aceleracion y/o datos de velocidad a la vez.

Preferiblemente, la primera aceleracion es en forma de un vector, tal como en tres dimensiones, mas preferiblemente el cuaternion es en forma de una matriz de cuatro por tres y se multiplica por el primer vector de aceleracion para proporcionar un vector de aceleracion en el marco de referencia global, a partir del cual se calcula la medida de desplazamiento vertical, o una derivada del desplazamiento vertical. Preferentemente aun, en el que la matriz de cuaternion es de la forma

(q' l Mi q" qf) (2q.q2--2q0q,)

(2q,q,|^ 2q0q,) (q„ -q? + ql ~ q|)

(2qjq3-2q0q2) (2q2q3 + 2q0q:)

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con qo como valor real y qi, ,q2 y q3 como numeros complejos.

Preferiblemente, el procesador esta programado para calcular un cuaternion cuando el sensor inercial esta en reposo, al menos en la direccion vertical, de la aceleracion de salida del dispositivo de deteccion inercial, junto con la aceleracion esperada de la gravedad en la direccion vertical del marco de referencia global, para almacenar este cuaternion en la memoria y para usarlo al derivar el cuaternion correspondiente a la rotacion del dispositivo de deteccion inercial.

(2qiq3 + 2q0q2) 0

(2q2q3-2q0q1) 0

(2 t 2 2 \

q0-qi -q2 + q3) o

o (q^ + q^+q^+q;)

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Preferiblemente, una de las dimensiones del vector de aceleracion en el marco global representa una direccion paralela a la direccion de la gravedad, cuyo valor se toma como la aceleracion vertical.

Opcionalmente, el procesador comprende varios microprocesadores en comunicacion entre s^

Se puede proporcionar un aparato de medicion de sacudidas verticales que comprende un aparato de acuerdo con un aspecto de la invencion, en el que el procesador esta programado para diferenciar la aceleracion obtenida con respecto al tiempo en la direccion vertical para medir la sacudida en la direccion vertical en un marco de referencia global, preferiblemente en la superficie de la tierra, con la direccion vertical siendo la direccion de la aceleracion de la gravedad

Se puede proporcionar un aparato de medicion de movimiento del centro de gravedad vertical estimado que comprende un aparato de acuerdo con un aspecto de la invencion y una fijacion para fijar el dispositivo de deteccion inercial en la espalda de un animal, preferiblemente una persona. En uso, cuando el dispositivo esta fijado en o cerca del centro de gravedad de un animal, tal como una persona, el aparato mide el desplazamiento vertical, o una derivada del desplazamiento vertical, del centro de gravedad en un marco de referencia global. Preferiblemente, la fijacion comprende una cinta adhesiva. Preferiblemente, el dispositivo mide la aceleracion y el desplazamiento vertical del centro de gravedad en un marco de referencia global y el procesador esta programado para utilizar estos datos junto con la masa de entrada del objeto, y preferentemente tambien la direccion de la gravedad, en el calculo de una medida de al menos parte de la energfa utilizada durante el movimiento.

Se puede proporcionar un aparato de monitorizacion de la marcha humana que comprende un aparato de acuerdo con un aspecto de la invencion que, en uso, calcula una o mas y preferiblemente todas de la sacudida, aceleracion, velocidad, cambio en la posicion del centro de gravedad de una persona y el gasto de energfa mecanica estimado, estando el dispositivo de deteccion inercial configurado para poderse conectar a una persona en una ubicacion sustancialmente cerca de su centro de gravedad, tal como adyacente a la cuarta vertebra lumbar.

De acuerdo con un aspecto de la invencion, se proporciona un procedimiento para medir el desplazamiento vertical, segun la reivindicacion 14.

Preferiblemente, el procedimiento comprende una o mas caractensticas o etapas que corresponden a las caractensticas preferibles de los otros aspectos de la invencion.

Modos de realizacion de la invencion se describiran ahora, solo a modo de ejemplo, con referencia a las siguientes figuras:

La figura 1 es una ilustracion esquematica de una unidad de medicion inercial;

La figura 2 es una representacion esquematica de un aparato de acuerdo con la invencion en uso en una persona;

La figura 3 es un diagrama de flujo del procedimiento de acuerdo con la invencion, utilizando el aparato de acuerdo con la invencion;

Las figuras 4a, 4b y 4c son graficos de los datos de una comparacion de un modo de realizacion de acuerdo con la invencion y un sistema OMCS convencional; y

La figura 5 muestra un diagrama de cajas de correlacion que representa la velocidad en los ejes x ortogonales en comparacion con la desviacion entre los picos de unos datos del modo de realizacion de acuerdo con la invencion y el OMCS comparado en la figura 4.

Haciendo referencia a la figura 1, se muestra una unidad de medicion inercial MEMS (IMU) 10 de un tipo conocido en la tecnica anterior. La IMU 10 comprende acelerometros 12, giroscopios 14, y magnetometros 16, junto con un procesador de fusion Kalman/circuito integrado 18 y una salida 20.

Los acelerometros 12 comprenden tres acelerometros colocados de manera que el eje de medicion de cada uno es ortogonal a los ejes de los otros dos. Cada acelerometro mide la aceleracion inercial en la direccion de su propio eje. Los giroscopios 14 tambien se colocan en un patron ortogonal a lo largo de tres ejes de medicion, que pueden ser paralelos a los tres ejes de los acelerometros 12, o al menos orientados en relacion con los mismos en un angulo conocido. Los giroscopios miden la posicion de giro en relacion con un sistema de coordenadas del objeto local. Los magnetometros 16 son opcionales y no siempre estan contenidos en la IMU. Para el proposito de esta invencion, la IMU 10 se puede utilizar sin magnetometros 18. Los magnetometros 18 miden la fuerza de campo magnetico, cuyo uso variara en su aplicacion. Por ejemplo, el magnetometro se puede utilizar para calcular la posicion de la IMU en relacion con el campo magnetico de la Tierra, mientras que en el caso de la exploracion del espacio, se utilizara para medir campos magneticos locales. Los magnetometros tambien pueden hacer uso de campos magneticos que normalmente se observan en el interior.

El procesador o circuito integrado 18 esta programado o codificado ffsicamente con matematicas para tomar las salidas de todos los acelerometros 12, el giroscopio 14 y el magnetometro 16 y para producir informacion de orientacion a partir de los mismos y enviar esta informacion a la salida 20. Tfpicamente, este programa para fusionar

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entre sf las dos o tres entradas se basa en la fusion de Kalman. Esta informacion de salida a continuacion informa a los usuarios de la orientacion de la IMU 10. Por ejemplo, esto se puede mostrar en una pantalla de ordenador con una construccion grafica de una caja de mas o menos la misma forma que la IMU, y se puede mostrar la rotacion en tiempo real en la pantalla de la misma manera y mediante el mismo angulo que gira la iMu 10.

Esta informacion de orientacion se puede utilizar para diversas aplicaciones, tales como en la medicion de vibraciones o en la exploracion espacial. Recientemente se han utilizado para medir angulos y movimiento en biomecanica, tales como la forma en que se dobla una rodilla o un codo.

La IMU ilustrada es una forma muy tfpica de IMUs convencionales. Como se puede ver, es un cuboide (o a menudo puede ser otro paralelepfpedo) con su longitud en una direccion "L" que es considerablemente mas larga que su anchura en una segunda direccion "W" y su profundidad en una tercera direccion "D". Tfpicamente, la IMU 10 se utiliza plana contra una superficie que es paralela a la superficie de la tierra con el eje de profundidad "D" que es sustancialmente paralelo con la direccion vertical en el marco de referencia global, es decir, en la direccion de la gravedad en la tierra.

En la figura 2 se muestra un aparato 50, que es un modo de realizacion de acuerdo con la invencion. El aparato 50 comprende un ordenador 52, que incluye un procesador 54 y una memoria 56, conectado a traves de un canal de comunicacion 58 a una IMU 10. El ordenador puede ser un ordenador de proposito general ordinario o varios ordenadores conectados entre sf. La memoria 56 puede incluir una memoria de acceso aleatorio y, preferiblemente, incluye algun dispositivo de almacenamiento permanente, tal como un disco duro, o ambos.

La IMU 10 esta fijada en la region lumbar de la espalda de una persona P y esta situada lo mas cerca posible de la estimacion del centro de gravedad humano. El mecanismo de fijacion puede ser simplemente una cinta 11. La IMU 10 puede pegarse adyacente a la cuarta vertebra lumbar.

En uso, la persona P camina entonces hacia atras y hacia delante.

Como se puede ver, la IMU 10 no es plana contra una superficie con la direccion del eje "D" en lmea con la direccion de la gravedad, sino que la IMU 10 se tuerce cerca de 90 grados, de manera que el eje mas cercano a estar en lmea con la direccion de la gravedad es el eje de la longitud "L". Incluso, el eje L no es paralelo con la gravedad debido a la curvatura de la espalda. A medida que la persona camina, en la IMU 10 los tres ejes se mueven en relacion al marco de referencia global, a menudo en movimientos complejos.

Las IMUs modernas a menudo dependen de MEMS (sistemas micro-electro mecanicos). En este ejemplo, una IMU que se puede usar incluye el Xsens fabricado en Enschede en los Pafses Bajos.

Tambien se muestran en la figura 2 los ejes locales de la IMU W, D y L y los ejes X, Y, Z, del sistema de referencia global, que en este caso corresponde al marco normal de objetos en la Tierra, con los ejes X e Y estando a lo largo del plano de la superficie de la tierra y el eje Z estando en la direccion de la gravedad. Con la posicion de la persona P, estos ejes estan en lmea con los ejes estandar para la marcha humana que se definen como, x siendo el movimiento hacia adelante en el plano transversal perpendicular al plano frontal, y que apunta a la izquierda en el plano transversal perpendicular en el plano sagital y z un movimiento hacia arriba vertical en el plano frontal perpendicular al plano transversal. La iMu 10 se pega tan centrada con respecto a la anchura de la espalda como sea posible, para maximizar la sensibilidad a la asimetna en los movimientos en el plano frontal.

La informacion que se recibe desde el procesador de fusion Kalman 18 de la IMU 10 se refiere a la orientacion sobre la base de los ejes locales W, D y L. Del mismo modo, los datos tomados desde los acelerometros 12 se refieren a aceleraciones a lo largo de los tres ejes locales W, D y L. Estas aceleraciones ya contienen algun error y si se utiliza el procedimiento equivocado para convertir estas aceleraciones en aceleraciones en el marco global X, Y, Z, entonces estos errores aumentaran aun mas. El error en las aceleraciones aumentara aun mas si se integran de manera inapropiada para encontrar la velocidad y la posicion cambiante.

En la figura 3 se muestra la IMU 10 junto con el ordenador 52 y la memoria 56, junto con procesos usados de acuerdo con la invencion. En la etapa S100, la informacion de orientacion se toma desde la salida 20 del procesador de fusion de Kalman 18 y en la etapa S102, las aceleraciones en el marco de referencia de objeto W, D, L se toman directamente de los acelerometros 12.

A continuacion, en la etapa S104, los datos de orientacion de la etapa S100 desde el procesador de fusion 18 se utiliza para formar un elemento de rotacion.

Los intentos anteriores de utilizar IMUs en biomecanica han utilizado matrices de rotacion basadas en angulo de Euler. Se ha encontrado que esta eleccion es una causa de la falta de precision en los datos de salida y, en el caso de tratar de medir los datos de una IMU 10 pegada cerca de 90 grados respecto a la cuarta vertebra lumbar de una persona, una matriz de rotacion de angulo de Euler puede conducir a datos manifiestamente inexactos.

Se ha apreciado que el tipo de rotaciones aplicadas a la IMU 10 durante una marcha al caminar de personas normales acoplada con la orientacion de la IMU al inicio conduce a incidencias significativas de bloqueo de cardan

matematico si se utilizan mediciones de rotacion de angulo de Euler. Esto conduce a la perdida de informacion. Se ha encontrado que una informacion mucho mas precisa se puede obtener usando un elemento de rotacion basado en cuaternion en su lugar. Los cuaterniones previamente se han utilizado en la ingeniena espacial y en la realidad virtual, pero previamente no se ha considerado de importancia para la biomecanica ni se ha utilizado en 5 aceleraciones de rotacion del marco de objeto de una IMU en aceleraciones verticales en el marco de referencia global.

El ordenador 50 incluye instrucciones de programa de software de acuerdo con la invencion en su memoria 56. El ordenador 50 programado puede ejecutar, por ejemplo, Lab VIEW 8.5.1 para transponer las aceleraciones desde el sistema objeto, en la etapa S102, en el sistema de referencia global ortogonal X, Y, Z, utilizando una matriz de 10 cuarternion calculada a partir de los datos de la salida 20. Un ejemplo de esta ecuacion se muestra a continuacion:

: x x

a, , (gs): y = a, , (os) y • R r (q)

: z z

Cuando agS) es la aceleracion lineal en el sistema global, a(os) es la aceleracion lineal en el sistema de objetos/local que se muestra como una matriz de 3x1 y Rq es la matriz de rotacion de cuaternion con qo como valor real y qi, q2 y q3 como numeros complejos combinados en una matriz de 4x3. Una matriz de rotacion adecuada Rq se muestra a 15 continuacion:

imagen1

Antes de que se mida el movimiento de la persona P, se le pide preferiblemente a la persona sujeto P que este de pie ngida durante un tiempo, por ejemplo, 3 segundos, para tomar mediciones gravitacionales de lmea de base. Puesto que la salida 20 genera un valor para a(os) y se sabe que el componente z de agS) durante el reposo debena 20 ser igual a -1 G o - 9,81 +/- 0,2 ms-2 es posible calcular valores adecuados de Rq utilizando la ecuacion anterior. Estos valores se pueden utilizar entonces como base para la etapa 104 cuando la matriz de cuaternion se calcula a partir de los datos de orientacion durante el movimiento.

La ecuacion anterior se utiliza entonces para la transposicion de la a(os) al marco global durante el movimiento de la persona P.

25 A partir de la etapa S104 se obtienen aceleraciones en el marco de referencia global, del cual la aceleracion de mayor interes es la aceleracion en el eje Z, porque de las etapas realizadas antes del movimiento se sabe que el eje Z esta en la direccion de la gravedad. En la etapa S106 se resta un promedio de la fuerza de gravedad durante el descanso (es decir, - 1G aproximadamente - 9,81 +/- 0,2 ms-2) de la aceleracion lineal del eje Z calculado. En lugar de basarse simplemente en un valor conocido de 'G' los datos tomados cuando la persona sujeto P esta de pie se 30 pueden utilizar para una resta precisa.

La etapa S106 proporciona informacion relativa a la aceleracion en la direccion vertical. En la etapa S110 se aplican una serie de procesos para mejorar la exactitud de la medicion de la aceleracion y para obtener la medida de la velocidad en la direccion Z.

En primer lugar, en la etapa S112 se aplica un filtro a los datos de aceleracion. Se ha encontrado que un filtro 35 Butterworth de paso bajo de cuarto orden es particularmente eficaz. Fundamentalmente, los sensores en la IMU 10 no pueden distinguir entre las vibraciones y los movimientos reales relativos a la marcha del sujeto. Para eliminar dichas aceleraciones vibraciones no deseadas, se filtran por encima de una determinada frecuencia. Tfpicamente, el filtro de Butterworth se utiliza para filtrar aceleraciones superiores a 25 Hz. Los componentes de caminar/marcha no se producen a frecuencias mas rapidas que los 25 Hz y, por lo tanto, cualquier informacion o frecuencia por encima 40 de la misma no parece que se refiera a formas de caminar.

Despues del filtrado, se retira la deriva de los datos en la etapa S114. Las IMUs, tal como la IMU 10, sufren de la deriva en los datos de salida, lo que se cree que es debido a desviaciones naturales en los sensores. Con el tiempo,

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esta deriva puede sesgar los resultados significativamente. Como se deseaba medir la marcha al andar durante un penodo de tiempo, es importante, por lo tanto, que se retire la deriva de los datos, para que esta deriva que se produce cada vez mas con el tiempo no dane los resultados.

A partir la salida de los datos es posible mirar la forma de la deriva y a partir de esto estimar el componente de corriente continua. Por ejemplo, la frecuencia de analisis se puede realizar sobre un trazado de los datos para calcular la deriva. Una vez obtenida esta estimacion CC, se puede restar de los datos mediante la aplicacion de una ventana y, por lo tanto, eliminar gran parte de la deriva. Se ha encontrado que una ventana de Hanning, por ejemplo de 3 puntos, tal como la descritos para su uso por Katie et al en "Application-Oriented Comparison of the Methods for AC/DC Converter Harmonics Analysis" (publicado en "IEEE Transactions of Industrial Electronics" vol. 50 N.° 6, diciembre de 2003), es particularmente eficaz.

Despues de las etapas S112 y S114 de filtrado y retirada de la deriva, se ha encontrado que es entonces posible integrar los datos de aceleracion para encontrar datos de velocidad sin aumentar el error de manera demasiado significativa, como es comunmente el caso con el uso de datos de acelerometros. En particular, problemas causados por la deriva aumentan despues de la integracion.

En la etapa S116 se integran los datos. Hay un gran numero de diferentes formas de integracion de datos y en los enfoques tradicionales usando IMUs ha sido comun dividir los datos en pequenas etapas en un intento de integrarlos por separado. Con la presente invencion, se ha encontrado que el uso de la regla de Simpson proporciona buenos resultados, incluso cuando se aplica a la vez a todo el conjunto de datos. La idoneidad del procedimiento de integracion pudo ser verificada mediante consultas con expertos en el movimiento biomecanico que tienen conocimiento de los resultados esperados y acceso a bases de datos de movimiento biomecanico y, por lo tanto, saben que la velocidad resultante de la integracion debe ser similar. A partir de esta etapa S116, se proporciona entonces la velocidad en el sistema global en la direccion Z en la etapa S118.

Para proporcionar la posicion de cambio relativo en el acceso global Z en la etapa S120, se repiten todas las etapas S112, S114 y S116. Es importante destacar que mediante el filtrado, la retirada de la deriva y la integracion utilizando la regla de Simpson, los errores tampoco se incrementan significativamente cuando se pasa de la velocidad a un cambio relativo de posicion. Comunmente, cuando se trata de analizar los datos de los acelerometros, el error presente en el momento en que se calcula la posicion es a menudo demasiado grande para ser util.

La aceleracion, la velocidad y la posicion se miden durante un periodo de tiempo t y sus valores calculados a partir de las etapas S106, S118 y S120 se almacenan todos de forma independiente en la memoria 56.

Una etapa adicional S122 se puede anadir, repitiendo las etapas S112-S118 para encontrar la derivada de la aceleracion con respecto al tiempo. Este valor es a menudo llamado "sacudida" y es de uso en la atencion clmica y en otros lugares.

Para el calculo de la energfa utilizada por la persona P al caminar o correr, los datos de aceleracion de la etapa S106 se utilizan junto con el vector de posicion calculado a partir de los datos de las etapas S120. Como la masa de la persona permanece constante mientras camina, el trabajo realizado en la direccion z puede calcularse a partir de masa de la persona y la integral de la aceleracion con respecto a la posicion en la direccion z, junto con el trabajo realizado contra la gravedad calculado a partir de la posicion en las direcciones z (cambio en la altura desde el suelo). A partir de estos calculos se puede encontrar la cantidad de energfa que se ha utilizado en el movimiento del centro de gravedad verticalmente. Aunque esto tiene en cuenta la mayor parte de la energfa gastada, no tiene en cuenta toda y, por lo tanto, se hacen adaptaciones adicionales para estimar la energfa total. Esto puede ser, por ejemplo, anadir una cantidad fija de J/kg al calculo inicial o aumentar el valor calculado en un porcentaje determinado. La energfa total que actua sobre el centro de gravedad estimado tambien se puede calcular a partir de la velocidad y de la informacion de desplazamiento, que se deriva de la energfa cinetica usando A mv2 y la energfa potencial utilizando mgh. Conociendo estos parametros se pueden calcular el trabajo externo y la eficiencia de las transformaciones de energfa durante la marcha. Como alternativa, solo algunos de los datos anteriores se usa para la estimacion, tal como utilizando solo la estimacion del trabajo realizado contra la gravedad.

Alternativamente, la energfa puede ser estimada mediante el acoplamiento de los datos medidos en vertical con informacion empmca. El procedimiento convencional de uso de un podometro utiliza la medida de la cantidad de pasos que se han realizado junto con una consulta de datos empmcos de que cantidad de energfa usa una persona promedio de ese peso por paso. Del mismo modo, sena posible acumular datos empmcos de patrones de marcha medidos usando un aparato 50 frente a la energfa medida por algun otro medio (por ejemplo, un monitor de frecuencia cardfaca). La aplicacion del aparato 50 con estos datos almacenados proporciona una estimacion mas precisa de la energfa de la que pueden proporcionar el numero de pasos y el peso por sf solos.

Los datos recogidos a partir de un ejemplo de un modo de realizacion de acuerdo con la invencion se muestran a continuacion. Para producir estos datos, se usaron 4 hombres y 1 mujer de 23,4 +/- 3,8 anos de edad y un peso de 80,5 +/- 14,3 kg y que tienen una altura de 181 +/- 5,4 cm. Ademas de las mediciones y los calculos de la IMU de acuerdo con la invencion, se coloco un marcador reflectante en el medio de la IMU para medir el desplazamiento con un OMCS, que en este caso era el sistema Qualisis Proreflex de Estocolmo, Suecia. El aparato 50 y el OMCS

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conocido se sincronizaron y se midio una frecuencia de muestreo de 100 Hz. A cada persona medida se le permitio caminar a su propia velocidad de marcha seleccionada SSWS.

Los datos de posicion del OMCS se suavizaron mediante el uso de un filtro de suavizado Savitzky-Golay14 con una ventana de 5 puntos. La aceleracion se derivo simetricamente a partir de la posicion mediante el uso de = (A2tJ)/A£2). Donde a representa la aceleracion lineal en el marco ortogonal, y r representa la posicion del marcador reflectante en el marco ortogonal calibrado.

Las amplitudes pico del eje z se extrajeron de los conjuntos de datos del modo de realizacion de la invencion 50 y del OMCS y se importaron en SPSS 14 para Windows. Los conjuntos de datos se compararon mediante una prueba t para muestras apareadas y se calculo un efecto mixto de dos vfas con prueba de correlacion entre clases con coherencia (ICC) de acuerdo con McGraw et al, ("Forming Inferences About Some Intraclass Correlation Coefficients". Psychological Methods 1996;1(1):30-46), definido como la media de las diferencias entre los ensayos y la desviacion estandar. Tambien se realizo un analisis de correlacion lineal parcial entre la velocidad en los ejes x, y la desviacion. Una fiabilidad adecuada de prueba y prueba adicional se ha definido como ICCs > 0,75 para variables continuas.

El maximo y mmimo relativos y la diferencia de velocidad y la posicion del CoM de los ejes verticales se calcularon para ambos sistemas y se compararon mediante la prueba t para muestras apareadas. Un ICC de dos vfas se realizo como se ha descrito anteriormente. El error descrito como la diferencia relativa en la velocidad y la posicion del OMCS restado del error de IMU se calculo para tantos picos y valles visibles en ambos conjuntos de datos.

Los datos de estas etapas recogidos de la IMU y el OMCS en tres paseos para cada sujeto, incluyendo la desviacion estandar calculada durante los tres paseos, se muestran en las figuras 4a, 4b, 4c y en la siguiente tabla.

A aIMU A aoMCS A vmu A Vomcs A Pimu A Pomcs

Sujeto (ms-2) (ms-2) (ms"1) (ms'1) (cm) (cm)

1: 2 ,16 ± 0 o CO 2 CD CO ± 0 CD CM 0 ,40 ± 0 CD O 0 ,44 ± 0 CD o 4 11 ± 0 ,40 4 ,22 ± 0 44

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2: LO CD ± 0 CD CM 2 ,70 ± 0 O CM 0 ,57 ± 0 o cn 0 ,57 ± 0 04 5 00 o ± 0 ,29 4 ,99 ± 0 40

3: 1 -M cn ± 0 17 1 ,92 ± 0 18 0 CD CO ± 0 01 0 CD CO ± 0 01 3 34 ± 0 ,27 3 ,34 ± 0 07

4: 1 cn CO ± 0 o CD 1 CO 00 ± 0 10 0 ,31 ± 0 o cn 0 ,35 ± 0 04 3 "3 CM ± 0 00 CO 3 ,33 ± 0 CD CO

5: 2 00 CO ± 0 00 o 2 "3- CD ± 0 O CD 0 4^ cn ± 0 01 0 ,47 ± 0 o cn 4 CM ± 0 ,13 4 ,43 ± 0 00

La tabla muestra el error promedio en 3 paseos para 5 sujetos sanos de aceleracion, velocidad y cambio de posicion relativa en el eje z. El error se calcula como la diferencia relativa en la velocidad y la velocidad de la IMU restada por la diferencia relativa en la velocidad y la velocidad en el OMCS. El error se muestra en las figuras 4 en el eje de la derecha.

En la figura 4a se muestran los datos de la aceleracion del aparato 50 y del OMCS. Como puede verse en esta figura y a partir de la tabla, los datos entre la aceleracion de la IMU y del OMCS muestran buen acuerdo entre el OMCS y la IMU. Las amplitudes del eje Z de la IMU (2,1 ± 1,2 ms"2) y el sistema de captura de movimiento optico (2,3 ± 1,2 ms"2) no fueron significativamente diferentes (p > 0,05) indicando el acuerdo entre los sistemas. Ademas, ICC = 0,952 y el error aleatorio 0,176 ms"2 tambien demuestra un fuerte acuerdo entre los sistemas. La correlacion lineal parcial entre sujetos, entre la velocidad en el eje x en el sistema ortogonal y la desviacion no estaba correlacionada (r = 0,065).

La figura 4b muestra la velocidad de las dos piezas del aparato A de la prueba t para muestras apareadas entre el cambio relativo en la velocidad (pico a pico) en el OMCS y la IMU muestra una diferencia significativa (p < 0,05). Un ICC mixto de dos vfas se realizo como se ha descrito anteriormente y mostro una gran importancia entre la IMU y el OMCS (ICC = 0,888) con un error aleatorio de 0,121 ms"1 El error descrito como la diferencia relativa en la velocidad del OMCS restado de la IMU se muestra en la siguiente tabla como el valor medio durante 3 paseos entre sujetos.

Error en el eje z IMU~OMCS en tres paseos

Sujeto: a (ms"2) v (ms’1) P(cm) Tiempo(s) de

1: "0,197 "0,037 "0,026 "0,064

2: "0,050 "0,004 "0,128 0,108

3: "0,260 0,006 0,002 0,100

4: "0,268 "0,039 "0,091 0,015

5: "0,174 0,014 0,008 0,377

prom: "0,190 "0,012 "0,047 0,107

std: 0,088 0,025 0,060 0,166

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La medicion del cambio en la posicion se muestra en la figura 4b. Una prueba t para muestras apareadas entre el cambio relativo en la posicion (pico a pico) en el OMCS y la IMU no muestra diferencias significativas (p > 0,05). Un ICC mixto de dos v^as muestra una correlacion muy significativa (ICC = 0,782) con un error aleatorio de 1,35 cm.

El tiempo de paso calculado como la diferencia de tiempo entre valles de posicion medidos por la IMU y el OMCS se muestra en la siguiente tabla.

Sujeto: Tiempo de PasoIMU (s) Tiempo de PasoOMCS (s)

1: 0,598 ± 0,01 0,591 ± 0,02

2: 0,572 ± 0,01 0,571 ± 0,01

3: 0,632 ± 0,01 0,633 ± 0,01

4: 0,615 ± 0,01 0,616 ± 0,01

5: 0,579 ± 0,02 0,567 ± 0,03

Esto no mostro diferencias significativas (p > 0,05). Un ICC mixto de dos vfas mostro una correlacion muy significativa (ICC = 0,757) con un error aleatorio de 8,62 ms.

Aunque los resultados no muestran ninguna diferencia significativa de la aceleracion, sino algunas diferencias significativas para la velocidad de pico a pico y la posicion, las diferencias son de hecho mucho menos de lo que podna esperarse. Cuando se trata de cambio de posicion la direccion Z en el OMCS debena ser muy superior, ya que mide la posicion directamente, mientras que la presente invencion se basa en la integracion completa a partir de mediciones de aceleracion.

En la figura 5 se muestra un diagrama de cajas de correlacion que representa la velocidad en el eje x ortogonal en comparacion con la desviacion entre los picos de la IMU y el OMCs.

Para esta pequena diferencia en el error presente en la posicion de medicion en comparacion con el caro OMCS, parece demostrar que las tecnicas de filtrado y de retirada de la deriva utilizadas son extremadamente eficaces antes de la integracion de los datos de aceleracion y que la traslacion de las aceleraciones del sistema de objetos en el marco del sistema global utilizando una matriz de rotacion de cuaternion es muy eficaz. El aparato de acuerdo con la invencion parece ser, por lo tanto, una alternativa precisa y barata al OMCS para tales mediciones de aceleracion.

En otros modos de realizacion de la invencion, una IMU de forma diferente se utiliza que cuando se localiza en la curvatura de la espalda puede estar presente cerca de cero grados en lugar de mas o menos 90 grados. Es el angulo de mas o menos 90 grados lo que aumenta el riesgo de perdida de datos a traves del bloqueo de cardan matematico.

Cuanto mas largo sea el periodo de medicion menos precisos seran los datos eventualmente, pero mas significativo el papel interpretado por el uso eficaz de las etapas de retirada de la deriva y asegurarse que se utilizan con y preferiblemente antes de cada integracion.

El aparato 50 de acuerdo con la invencion proporciona una medicion espacio-temporal en la marcha humana que es lo suficientemente precisa para uso clmico. Es importante destacar que el procedimiento de la invencion de evaluacion de la marcha humana mediante el uso de la IMU es preciso si se compara con el OMCS para diferentes sujetos, y que realiza su propia seleccion de la velocidad de marcha en condiciones del mundo real en lugar de simplemente encontrar datos de sujetos que caminan artificialmente en una cinta rodante.

Ademas de proporcionar un aparato y un procedimiento para medir cinematica del CoM humano, modos de

realizacion de acuerdo con la invencion se pueden usar para otros usos donde es util la posicion vertical, la

velocidad, la sacudida de aceleracion, o la informacion de energfa/trabajo en el marco de referencia global. Por ejemplo, un controlador de juego de ordenador puede incluir una IMU en un sistema de acuerdo con la invencion y de ese modo proporcionar cambios precisos en la posicion en la direccion vertical para su uso como una entrada en un juego de ordenador. Ademas de ser util en la industria del entretenimiento, tales controladores se pueden utilizar en programas de simulacion. Las mediciones de CoM y energfa utilizadas tambien se pueden aplicar a otros animales y tambien para objetos inanimados en movimiento.

Aunque los modos de realizacion de la invencion que generalmente se han mencionado anteriormente se utilizan para medir el movimiento vertical en el marco de referencia de las realizaciones de la superficie de la tierra, se pueden utilizar para cualquier sistema de referencia global. Ademas de la tierra, los modos de realizacion de la invencion descrita tambien se pueden usar de una manera muy similar, incluyendo los calculos en relacion con la

gravedad en otros cuerpos con su propio campo gravitatorio significativo, tal como la luna, con el eje z

correspondiente a la gravedad de los cuerpos y ajustandose el valor de aceleracion de la gravedad apropiadamente.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) que comprende un dispositivo de deteccion inercial (10), para producir salidas relativas a la rotacion y a la aceleracion en su marco de referencia local y configurado para su fijacion en la espalda de un animal, una memoria (56) y un procesador (54), en el que el procesador (54) esta programado para proporcionar un cuaternion que corresponde a la rotacion del dispositivo de deteccion inercial (10) y una primera aceleracion, ambos basados en una salida del dispositivo de deteccion, y el procesador (54) esta programado para combinar el cuaternion y la primera aceleracion y sobre la base de los datos que son el resultado de la combinacion, proporcionar, cuando el dispositivo se sujeta cerca del centro de gravedad del animal, una estimacion de desplazamiento vertical, o una derivada del desplazamiento vertical, del centro de gravedad en un marco de referencia global, y en el que el aparato (50) esta configurado para aplicar una funcion matematica a los datos a partir de la combinacion de la primera aceleracion y del cuaternion, para eliminar ruido/errores que contribuyen a la deriva, en el que la funcion matematica es una ventana de Hanning, y el procesador (54) esta programado para proporcionar una aceleracion en la direccion vertical, y para medir la velocidad del dispositivo de deteccion en la direccion vertical del marco de referencia global mediante la integracion de la aceleracion en la direccion vertical utilizando la regla de Simpson.
2. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) segun la reivindicacion 1, en el que el aparato (50) esta configurado para filtrar datos a partir de la combinacion de la primera aceleracion y el cuaternion, por encima o por debajo de una frecuencia predeterminada antes de producir una estimacion del desplazamiento vertical, o una derivada del desplazamiento vertical, del centro de gravedad en el marco de referencia global.
3. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) segun la reivindicacion 2, en el que el aparato (50) esta configurado para filtrar datos por encima de una frecuencia elegida en base a la maxima frecuencia de paso al caminar o correr, y en el que el aparato de medicion del movimiento vertical del centro de gravedad (50) comprende un filtro de Butterworth, cuyo filtro esta configurado para ser utilizado para el filtrado.
4. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) segun la reivindicacion 1, en el que el aparato esta configurado para estimar un componente de corriente continua de ruido/errores en los datos de la combinacion de la primera aceleracion y cuaternion y configurado para seleccionar la funcion matematica basada en la estimacion para eliminarlo.
5. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) segun la reivindicacion 2, en el que el aparato (50) esta configurado para aplicar la funcion matematica despues de aplicar el filtro.
6. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) segun la reivindicacion 1, en el que el marco de referencia global es el marco de referencia de la superficie de la tierra con la direccion vertical siendo la direccion de la aceleracion de la gravedad, y el dispositivo de deteccion inercial (10) es una unidad de masa inercial y/o contiene varios acelerometros (12) que miden aceleraciones lineales en un marco local, y uno o mas giroscopios (14) que miden el movimiento de rotacion y un dispositivo (18) que fusiona sus salidas de datos usando filtrado de Kalman.
7. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) segun la reivindicacion 1, en el que la aceleracion en la direccion vertical es a partir del producto del cuaternion y la primera aceleracion, y en el que el procesador esta programado para restar la aceleracion de la gravedad de la aceleracion calculada para medir la aceleracion del dispositivo de deteccion inercial (10) en la direccion vertical del marco de referencia global, tomandose la aceleracion de la gravedad a partir de lecturas mediante el dispositivo de deteccion inercial (10) cuando el aparato (36) ha registrado en una memoria (56) que esta estacionario, la aceleracion se filtra y/o se retira la deriva antes de la integracion, estando programado el procesador (54) para integrar la aceleracion en la direccion vertical dos veces para medir los cambios en la posicion vertical en un marco de referencia global, los datos obtenidos se filtran y/o se retira la deriva antes de ambas integraciones y la integracion se realiza en la totalidad de los datos de la aceleracion y/o la velocidad a la vez.
8. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) segun cualquier reivindicacion anterior, en el que la primera aceleracion es en forma de un vector en tres dimensiones espaciales.
9. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) segun la reivindicacion 8, en el que el cuaternion es en forma de una matriz de cuatro por tres y se multiplica por el primer vector de aceleracion para proporcionar un vector de aceleracion en el marco de referencia global, a partir de cual se calcula la medida de desplazamiento vertical, o una derivada del desplazamiento vertical, y la matriz del cuaternion es de la forma

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con qo como valor real y qi, q2 y q3 como numeros complejos

y el procesador (54) esta programado para calcular un cuaternion cuando el sensor inercial (10) esta reposo, al menos en la direccion vertical, de la aceleracion de salida del dispositivo de deteccion inercial, junto con la aceleracion esperada de la gravedad en la direccion vertical del marco de referencia global, para almacenar este cuaternion en la memoria y para usarlo al derivar el cuaternion correspondiente a la rotacion del dispositivo de deteccion inercial (10), y en el que una de las dimensiones del vector de aceleracion en el marco global representa una direccion paralela a la direccion de la gravedad, cuyo valor se toma coma la aceleracion vertical.
10. Aparato de medicion de sacudidas verticales que comprende un aparato segun la reivindicacion 1, en el que el procesador (54) esta programado para diferenciar la aceleracion con respecto al tiempo en la direccion vertical para medir la sacudida en la direccion vertical en un marco de referencia global.
11. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) que comprende un aparato de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior y una fijacion para fijar el dispositivo de deteccion inercial en la espalda de un animal.
12. Aparato de medicion del movimiento vertical de un centro de gravedad (50) segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el procesador (54) esta programado para utilizar la estimacion del desplazamiento vertical, o una derivada del desplazamiento vertical, del centro de la masa junto con la masa de entrada del objeto en movimiento, en el calculo de una medicion de al menos parte de la energfa utilizada durante el movimiento.
13. Aparato de monitorizacion de marcha humana, que comprende el aparato de cualquier reivindicacion anterior, que, en uso, calcula uno o mas de la sacudida, aceleracion, velocidad, cambio en la posicion del centro de gravedad de una persona y el gasto de energfa estimada, estando el dispositivo de deteccion inercial configurado para poderse conectar a una persona en una ubicacion sustancialmente cerca de su centro de gravedad, tal como adyacente a la cuarta vertebra lumbar.
14. Un procedimiento de medicion del desplazamiento vertical de un centro de gravedad, o una derivada de desplazamiento vertical, en un marco de referencia global, que comprende las etapas de:

aplicar un dispositivo de deteccion inercial (10) en o cerca del centro de gravedad de un animal cuyo movimiento se desea medir;

calcular un cuaternion que corresponde a la rotacion del dispositivo de deteccion inercial y una primera aceleracion a partir de las salidas del dispositivo de deteccion inercial, y combinar el cuaternion y la aceleracion para producir datos, y aplicar ademas una funcion matematica a los datos a partir de la combinacion de la primera aceleracion y cuaternion para eliminar ruido/errores que contribuyen a la deriva, en el que la funcion matematica es una ventana de Hanning, proporcionar una aceleracion en la direccion vertical, y medir la velocidad del dispositivo de deteccion inercial en la direccion vertical del marco de referencia global integrando la aceleracion en la direccion vertical utilizando la regla de Simpson.
15. Un producto de programa de ordenador que contiene instrucciones que, cuando se ejecutan en un ordenador, realizan el procedimiento de la reivindicacion 14, o cuando se ejecuta en un procesador conectado a una memoria y el dispositivo de deteccion inercial proporciona el aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.