운동 데이터에 제로 지연 4차 저역 통과 버터워스 필터를 적용하는 주된 목적은 물리적 이벤트의 타이밍을 왜곡하지 않으면서 원치 않는 노이즈로부터 실제 생체 역학 신호를 분리하는 것입니다. 이 기법은 특히 전기 간섭이나 장비 진동과 같은 고주파 아티팩트를 대상으로 하면서 신발 분석에 필수적인 지면 반력(GRF) 데이터의 무결성을 보존합니다.
핵심 요점: 원시 운동 데이터는 종종 실제 성능 지표를 가릴 수 있는 비생물학적 노이즈로 오염됩니다. 이 특정 필터링 접근 방식을 사용함으로써 분석가는 최대 충격력 및 추진 충격과 같은 중요한 지표가 데이터 수집 프로세스의 아티팩트가 아닌 인간 움직임의 정확한 표현이 되도록 보장합니다.
운동 데이터 수집의 과제
신호 오염의 원인
생체 역학 분석에서 힘판에서 수집된 원시 데이터는 거의 순수하지 않습니다. 종종 고주파 전기 노이즈, 주변 장비 진동 또는 미묘한 인체 떨림으로 인해 손상됩니다.
이러한 아티팩트는 데이터 스트림의 "지터" 또는 급격한 스파이크로 나타납니다. 이것이 발이 지면에 닿는 실제 힘을 나타내지는 않지만, 그대로 두면 분석을 크게 왜곡할 수 있습니다.
평활화의 필요성
신발 성능을 분석하기 위해 연구자들은 데이터에서 특정 곡선과 피크를 찾습니다. 고주파 노이즈는 실제 최대값을 식별하기 어렵게 만드는 거칠고 불규칙한 선을 만듭니다.
필터링 없이는 무작위 노이즈 스파이크가 신발의 쿠션 특성에 대한 잘못된 결론으로 이어지는 최대 착지 충격력으로 오인될 수 있습니다.
필터가 데이터 무결성을 보존하는 방법
"저역 통과" 메커니즘의 역할
저역 통과 필터는 게이트키퍼처럼 작동합니다. 보행 중 인체 움직임과 같은 저주파 신호는 변경되지 않고 통과시킵니다.
동시에 특정 임계값 이상의 주파수를 감쇠(차단)합니다. 이는 진동과 떨림으로 인한 급격하고 불규칙한 노이즈를 효과적으로 제거하여 더 부드러운 지면 반력 곡선을 생성합니다.
양방향 필터링을 통한 "제로 지연" 달성
표준 아날로그 또는 디지털 필터는 위상 지연을 도입하여 출력 신호가 실제 이벤트보다 약간 늦게 나타나도록 합니다. 생체 역학 분석에서 이 지연은 힘 데이터를 운동학(비디오) 데이터와 잘못 정렬하므로 허용되지 않습니다.
이를 해결하기 위해 알고리즘은 양방향 필터링 프로세스를 사용합니다. 데이터는 먼저 순방향으로 필터링된 다음 역방향으로 다시 필터링됩니다.
이 이중 통과 기술은 위상 이동을 상쇄하여 최대 충격 순간과 같은 주요 이벤트의 타이밍이 시간적으로 정확하게 유지되도록 합니다.
날카로운 신호 분리(4차)
"4차"라는 명칭은 필터의 차단 기울기를 나타냅니다. 4차 필터는 유지하려는 신호와 제거하려는 노이즈 사이에 날카로운 구분을 제공합니다.
이를 통해 추진 충격과 충격력이 과도하게 평활화되거나 흐려지는 대신 높은 충실도로 유지되도록 합니다.
절충점 이해
과도한 평활화의 위험
노이즈 제거는 중요하지만, 지나치게 공격적으로 필터링하는 위험이 있습니다. 차단 주파수가 너무 낮게 설정되면 필터가 실수로 실제 고속 생체 역학 이벤트를 제거할 수 있습니다.
예를 들어, 발뒤꿈치 충격 순간의 빠른 하중률은 고주파 신호입니다. 과도한 필터링은 이 날카로운 피크를 "둥글게" 만들어 연구자들이 실제 충격 하중을 과소평가하게 만들 수 있습니다.
데이터 처리 요구 사항
제로 지연 필터링은 양방향 통과(순방향 및 역방향)가 필요하므로 일반적으로 실시간 데이터 보기 중에 실시간으로 수행할 수 없습니다.
이것은 후처리 단계입니다. 분석가는 먼저 원시 데이터를 캡처한 다음 최종 보고에 사용되는 깨끗한 제로 지연 곡선을 생성하기 위해 알고리즘을 적용해야 합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
신발 분석이 정확하고 방어 가능하도록 하려면 다음 응용 프로그램을 고려하십시오.
- 주요 초점이 최대 충격력인 경우: 초기 과도 스파이크를 보존할 만큼 필터 차단이 충분히 높은지 확인하십시오. 그렇지 않으면 신체가 흡수하는 충격을 과소 보고할 위험이 있습니다.
- 주요 초점이 이벤트 타이밍인 경우: 양방향(제로 지연) 알고리즘이 적용되었는지 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 힘 데이터가 고속 비디오 영상과 동기화되지 않습니다.
궁극적으로 이 필터링 방법은 실험실의 기계적 노이즈와 선수의 실제 생체 역학적 현실을 구별하는 데 필요한 명확성을 제공합니다.
요약 표:
| 필터 기능 | 기술 메커니즘 | 신발 분석에 대한 이점 |
|---|---|---|
| 저역 통과 | 특정 임계값 이상의 주파수 차단 | 전기 노이즈 및 장비 진동 지터 제거 |
| 제로 지연 | 양방향(순방향 및 역방향) 처리 | 힘 데이터가 비디오 타이밍과 완벽하게 정렬되도록 보장 |
| 4차 | 가파른 차단 슬로프 | 신호와 노이즈 사이에 날카로운 분리 제공 |
| 후처리 | 오프라인 알고리즘 적용 | 깨끗하고 방어 가능한 지면 반력(GRF) 곡선 제공 |
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참고문헌
- Toshiki Kobayashi, Hiroaki Hobara. Effects of step frequency during running on the magnitude and symmetry of ground reaction forces in individuals with a transfemoral amputation. DOI: 10.1186/s12984-022-01012-8
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