CN101342076A - 运动负荷量测定装置 - Google Patents

Abstract

提供可以测定运动时的代谢状态的运动负荷量测定装置。所述运动负荷量测定装置包括：检测被测定者肌肉组织中血红蛋白浓度的血红蛋白检测部11，其设有输出两种波长的近红外光的发光部111和与发光部有不同距离的检测近红外光的强度的两个受光部112－1、112－2；检测被测定者心率的心率检测部12，其具有发光部121与受光部122；主装置13，其包括：计算代谢优势度的运算处理部131；显示代谢优势度等的显示部132；存储运算式、被测定者的概要数据等的存储部133；输入数据的输入部134；警报部135，其在当糖代谢相比于脂质代谢处于优势状态持续一定时间时发出警报；根据氧化及脱氧化血红蛋白浓度、心率、被测定者的体重和年龄计算运动时的代谢优势度。

Description

运动负荷量测定装置

技术领域

本发明涉及利用心率与肌肉组织中氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度测量运动时的代谢状态的运动负荷量测定装置。

背景技术

根据静冈大学的庭山雅嗣准教授的论文，设有两个波长的LED及、与LED有不同距离的两个PD，能够根据透过肌肉组织的透过光的强度测定肌肉组织中的氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度，并且能够补正影响测定准确度的测定部位的脂肪层的影响。

静冈大学的庭山雅嗣准教授还指出，作为使用空间分解NIRS的肌肉组织氧气浓度测量中的误差因素补正及其补正法，理论上或实验上分析在肌肉组织的氧气浓度测量中的种种误差因素的分析结果，表明在定量化方面脂肪层厚度与肌肉组织的散乱系数的影响是主要的误差因素，关于血红蛋白浓度的绝对量，脂肪层厚度与肌肉的散乱系数影响较大，与此相对地，计算血中氧气饱和度时，肌肉的散乱系数的影响小、对脂肪层厚度影响的补正则能够大幅提高定量性(例如，参照非专利文献1)。

[非专利文献1]《使用空间分解NIRS的肌肉组织氧气浓度测量中误差主要因素及其补正法》、脉管学47-1，17/20(2007)，庭山雅嗣等4人。

发明内容

发明要解决的课题

本发明的目的在于提供一种能够测定运动时的糖代谢与脂质代谢的比例，即代谢优势度、脂质代谢量、运动负荷量的运动负荷量测定装置。

解决课题的方法

在以维持健康为目的的比较轻度的运动时，在告知被测定者运动负荷量的运动负荷量测定装置中，利用肌肉组织中的氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度的比例与呼气气体的呼吸商有关的事实，经常观测运动时的代谢优势度，检测能够持续长时间并维持高效率脂质代谢的运动负荷量，并同时测定表示运动强度的心率，从而检测脂质代谢量，将运动负荷量和脂质代谢量告知被测定者。

此处，代谢优势度是指运动时所必要的能量从血液中的糖获取与从体内脂质获取的比例，从代谢优势度获得的脂质代谢比例、消耗卡路里与脂质代谢速度之间的关系，如下式所示。

[数1]

脂质代谢速度＝消耗卡路里×脂质代谢比例……(1)

根据本发明，在以维持健康为目的进行比较轻度的运动时，可以利用肌肉组织中的血红蛋白浓度与呼气气体的呼吸商有关的事实，经常观测运动时的代谢优势度，检测能够持续长时间并维持高脂质燃烧效率的运动负荷量，同时测定表示运动强度的心率，从而检测由于运动产生的脂质代谢量，告知被测定者运动负荷量和脂质代谢量。

附图说明

[图1]说明本发明涉及的运动负荷量测定装置的构成的图。

[图2]说明本发明涉及的运动负荷量测定装置的主装置的表面形状的图。

符号说明

1：运动负荷量测定装置

11：血红蛋白检测部

111：发光部

112：受光部

12：心率检测部

121：发光部

122：受光部

13：主装置

131：运算处理部

132：显示部

1321：电池剩余量显示

1322：警报音量显示

1323：输入显示

1324：运动负荷量显示

1325：代谢优势度显示

1326：运动中显示

1327：脉搏声显示

1328：时间显示

1329：数值显示

133：存储部

134：输入部

1341：数据输入键

1342：设置键

135：警报部

136：电源

1361：电源开关

15：电线

具体实施方式

以下，用图1说明本发明的运动负荷量测定装置的构成。运动负荷量测定装置1包括：光学检测肌肉组织中的血红蛋白浓度的血红蛋白检测部11；检测运动时的心率的心率检测部12；主装置13，其通过血红蛋白浓度和心率及脂肪层厚度数据计算从运动开始的脂质代谢量及运动负荷量并显示。血红蛋白检测部11与主装置13、及心率检测部12与主装置13互相通过电线15连接。

血红蛋白检测部11，根据计算肌肉组织中的氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度所必要的光学方法获得肌肉组织的光学数据的传感器。

血红蛋白检测部11，是读取计算被测定者的主动肌(如大腿)的肌肉组织内的氧化血红蛋白浓度及脱氧化血红蛋白所必要的肌肉组织中的光吸收的光学测定器，具有：向主动肌发出不同的两种波长(例如、770nm、830nm)的近红外光的发光部111，例如包括两个LED(发光二极管)元件；配置在距发光部111不同距离，接收来自发光部111的近红外光的第1受光部112-1以及第2受光部112-2，例如包括PD(光电二极管)。从发光部111发出的波长770nm与830nm的光按顺序照射主动肌的某部位(大腿)的表面，透过脂肪组织与肌肉组织，由两个受光部112-1、112-2检测的光量的数据(数据数4)输送到主装置13。用各受光部112-1、112-2检测的光量根据发光部111与受光部112-1、112-2的距离而不同。即，仅通过比肌肉组织更接近表面的脂肪组织的光大部分到达离发光部111近的第1受光部112-1。此外，通过脂肪组织及肌肉组织两者的光大部分达到离发光部111远的第2受光部112-2。肌肉组织中的氧化血红蛋白与脱氧化血红蛋白的光的吸收特性，以各个波长为参数而不同，检测在各受光部上接收的各波长的光强度，将这些光强度数据利用例如空间分解法等方法进行计算，能够检测肌肉组织中氧化血红蛋白与脱氧化血红蛋白的浓度。肌肉组织中的氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度作为显示运动状态的指标。

心率检测部12，是读取计算心率读取所需的动脉的光吸收的光学测定器，包括：发出被动脉良好吸收的波长的光的发光部121，例如包括LED；和与其相向配置的受光部122，例如包括PD。例如在象晒衣夹形状的夹子的两个顶端部上相向配置发光部121与发光部122。例如夹在耳垂上的受光部122检测的光量根据血流的脉搏而变化。心率检测部12将由根据血液脉搏而变化的受光部122检测的光量数据(数据数1)输送到主装置13。

主装置13，是根据以来自血红蛋白检测部11的光强度数据为基础得到的关于氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度的数据、以来自心率检测部12的光强度数据为基础得到的关于心率的数据、由外部输入的血红蛋白检测部位的脂肪层厚度数据以及体重与年龄等被测定者的概要数据(个体数据)，计算脂质代谢量、运动负荷量、心率以及代谢优势度，其结果在显示部显示的运算处理·显示装置。主装置13包括运算处理部131、显示部132、存储部133、输入部134、警报部135以及电源136。主装置13除此之外还设有电源开关、数据输入键及设置键等。

运算处理部131是，利用来自血红蛋白检测部11的光强度数据与脂肪层厚度数据计算得到肌肉组织中的氧化血红蛋白浓度及脱氧化血红蛋白浓度数据，利用来自心率检测部12的光强度数据计算得到心率，利用氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度的数据、心率数据、体重及年龄等个人数据等，计算得到运动中的脂质代谢量、运动负荷量、心率及代谢优势度的部件。根据得到的运动中的代谢优势度，被测定者为了保持脂质代谢的优势，不过量增加运动负荷，调整运动量，继续运动。运动负荷过大，与脂质代谢相比糖代谢处于优势的状态持续一定时间后，运算处理部131从警报部135发出警报。

消耗的卡路里从心率数据及被测定者的体重数据与年龄数据获得。代谢优势度及脂质代谢比例从氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度获得。因此，所述(1)式表示的脂质代谢速度能够根据心率数据及体重数据、年龄数据、氧化血红蛋白浓度及脱氧化血红蛋白浓度获得。

显示部132具有包括液晶显示装置(LCD)的显示装置，是显示作为运算结果的脂质代谢量、运动负荷量、心率及代谢优势度等的代谢状态、数据输入时的年月日、时刻、年龄、性别、脂肪层厚度、体重等个人概要数据的部件。

存储部133是存储上述运算等使用的各种运算式、输入数据、运算处理的结果等的部件。

输入部134是输入脂肪层厚度数据、年龄、性别、体重等来自外部的关于个人资料的各种数据的部件。

警报部135是与脂质代谢相比糖代谢处于优势的状态持续一定时间时发出警报音告知被测定者的部件，例如，包括扩音器。

电源136，包括干电池等一次电池或二次电池，是驱动主装置13的电源，还是向血红蛋白检测部11及心率检测部12提供工作电力的部件。

主装置13的表面形状及显示部132的构成例用图2来说明。主装置13的表面上设有显示部132、数据输入键1341、设置键1342和电源开关1361。

显示部(LCD)132上，设有显示电源电池的剩余量的电池剩余量显示1321，显示警报音量的警报音量显示1322，显示选择各种数据输入时的功能的输入显示1323，显示根据氧化血红蛋白及脱氧化血红蛋白的量推测的运动负荷量的运动负荷量显示1324，用箭头表示代谢优势度的代谢优势度显示1325、显示运动中(测定中)的运动中显示1326，显示选择通过声音输出脉搏数的状态的脉搏声显示1327，显示年月日、时刻、运动时间等的时间显示1328，显示数据输入时的数值或脂质代谢量等的数值显示1329等。这些显示可以根据所需进行选择设定。

对本发明运动负荷量测定装置1的使用方法进行说明。首先，将血红蛋白检测部11与大腿(外侧阔肌(外側広筋))接触，并用支持物或绷带等固定。然后分别将主装置13安装在腰带上，心率检测部12装在耳垂上，血红蛋白检测部11及心率检测部12与主装置13通过电线15连接。

电源开关1361接通，输入电源。通过操作数据输入键1341输入包括数据管理中必要的项目与包括脂肪层厚度的被测定者的概要数据(年龄、性别、体重)。然后，通过主装置13的设置键1342，在运动开始前，获得一定时间内的安静状态下肌肉组织中的氧化血红蛋白浓度及脱氧化血红蛋白浓度及心率的数据进行运算处理，存储在主装置13的存储部133中。经过一段时间，运动中显示1326亮灯，数值显示1329上设置为0.0g，开始测量。被测定者开始测定时，代谢优势度显示1325上显示代谢优势度。代谢优势度显示1325分为9个阶段显示，箭头指向上方是脂质代谢优势，指向下方是糖代谢优势。

运动中，主装置13的显示部132上，从运动开始平常显示作为代谢优势度指标的脂质代谢量、运动负荷量。

被测定者为了保持脂质代谢的优势以免运动负荷过大而进行调整，继续运动。与脂质代谢相比糖代谢处于优势的状态持续一定时间时，主装置13的警报鸣响，警告被测定者。

对各部件之间的信号传递进行说明。从主装置13向血红蛋白检测部11供给控制信号和电源电压。从血红蛋白检测部11向主装置13输送电压值(数据数：2波长×2部位＝4)，该电压值显示由发光部111发出照射的光中透过脂肪组织及肌肉组织而由两个受光部112-1、112-2检测的光量。主装置13向心率检测部12供给控制信号和电源电压。从心率检测部12向主装置13输送电压值(数据数：1)，该电压值显示由发光部121发出照射的光中透过耳垂由相向配置的受光部122检测的光量。

运算处理部131，利用由外部输入的脂肪层厚度及体重和年龄的数据、血红蛋白检测部的受光部112-1、112-2、以及心率检测部12的受光部122读取的电压值数据，计算脂质代谢量和运动负荷量，在显示部132上输出运算结果。

本发明中，运算原理说明如下。一般，运动所必要的能量由糖代谢及脂质代谢两者维持。此时，在难以长时间持续的运动状态下，糖代谢比例增加。相反，可以长时间持续的运动状态下，脂质代谢的比例变大。

如果运动负荷大，消耗的卡路里(全部代谢量)增加，但因为疲劳而不能继续运动，结果脂肪无法大量燃烧。相反，运动负荷过小，脂质代谢处于优势，效率高，但是所说的消耗的卡路里变小，结果脂肪不能大量燃烧。

已知运动强度按一定比率变大时，有从脂质代谢优势向糖代谢优势方向大幅转换的点。在该点附近运动，可以认为是效率最高、脂肪燃烧最充分的运动。

对代谢状态和呼气气体的关系进行说明。生物体的代谢状态可以从呼气气体求得。生理学的教科书《Training(トレ一二ング)生理学》(第一版)(芳贺修光、大野秀树共著，株式会社杏林书院，2003年1月20日发行)中，根据下式(2)所示的呼气中排出的二氧化碳与摄取的氧气的比率(呼吸商)来定义代谢状态。

[数2]

呼吸商＝呼气中排出的二氧化碳的量/摄取的氧气量……(2)

所述呼吸商表示糖代谢与脂质代谢的比例，即代谢优势度。由呼气气体分析得出，所述呼吸商，在安静时为0.85，糖代谢优势时为0.85～1.00，脂质代谢优势时为0.71～0.85。

由实验得知呼吸商与氧化血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度有很强的联系。

即，可以根据氧化血红蛋白浓度与脱氧血红蛋白浓度的关系得出呼吸商即代谢优势度。

为了从消耗的能量求出脂质代谢量，从呼吸商求得糖代谢与脂质代谢的代谢比率，通过将与脂质代谢比率相当的消耗能量换算成脂肪量，求出脂肪燃烧量。具体地，可以根据被测定者(运动者)的体重、年龄和运动中的心率求出消耗的卡路里，根据血红蛋白浓度的比率能够求出该消耗能量的代谢比率，因此能够算出运动者脂肪燃烧量。

实验中，了解到有氧运动时的脂质代谢的比率根据性别差异而变化，性别差异也能够运用于脂肪燃烧量的计算。

这些运算式都收录在主装置13的存储部133中，运算处理在运算处理部131中进行。

所述实施例中，利用由血红蛋白检测部11获得的透过肌肉组织的光强度数据与脂肪层厚度数据，得到氧化血红蛋白浓度及脱氧化血红蛋白浓度的数据，但脂肪层厚度数据是用于减少由于脂肪层的存在的影响而提高测定准确度，因此在测定准确度所允许的范围内，脂肪层厚度数据的使用不是必须的，可以仅通过血红蛋白检测部11检测的光强度数据进行运算处理。此时，由运算处理部131进行的运算，可以仅利用由血红蛋白检测部11检测的光强度数据进行。

本发明的方式是运动负荷量测定装置1，其包括：检测被测定者血液中血红蛋白的血红蛋白检测部11，检测被测定者的心率的心率检测部12，利用氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度计算运动时代谢优势度的主装置13；所述血红蛋白检测部11设有输出两种波长的近红外光的发光部111，和距所述发光部111有不同距离的两个受光部112-1、112-2，所述受光部检测透过被测定者的脂肪组织及肌肉组织的所述近红外光的强度；所述心率检测部12具有发出透过血液的波长的近红外光的发光部121以及透过血液接收所述近红外光的受光部122；所述主装置13，以血红蛋白检测部11检测的数据和脂肪层厚度为基础，得到氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度，由该氧化血红蛋白浓度、脱氧化血红蛋白浓度与心率以及被测定者的体重与年龄计算出代谢优势度。

进一步，本发明中，所述运动负荷量测定装置1的血红蛋白检测部11的发光部111是发出770nm与830nm的近红外光的部件。

本发明所述运动负荷量测定装置1中，所述主装置13具有：计算代谢优势度等的运算处理部131，显示代谢优势度等的显示部132，存储运算式、被测定者的概要数据等的存储部133，输入被测定者的概要数据等的输入部134，与脂质代谢相比糖代谢处于优势的状态持续一定时间时发生警报的警报部135。

本发明的运动负荷量测定装置设有：血红蛋白测量部件，其测量计算被测定者的肌肉组织中的氧化血红蛋白浓度和脱氧化血红蛋白浓度所必要的透过所述肌肉组织的光强度数据；心率测量部件，其测量计算被测定者的心率所必要的数据；主装置，其具有被测定者的体重和年龄的输入部件，根据所述光强度数据计算氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度，并根据该氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度、心率、体重与年龄计算运动时的负荷量或代谢优势度或脂质代谢速度或脂质代谢量。

此外，在本发明上述运动负荷量测定装置中，所述血红蛋白测量部件具有：输出两种波长的近红外光的发光部，和距所述发光部有不同距离的两个受光部受光部，所述受光部检测透过被测定者的脂肪组织及肌肉组织的所述近红外光的强度；所述心率测量部具有：发出透过血液的波长的近红外光的发光部以及接收透过血液的所述近红外光的受光部；所述主装置具有：所述血红蛋白测量部与所述肌肉组织之间的脂肪层厚度的输入部，以血红蛋白测量部测量的血红蛋白浓度数据以及脂肪层厚度为基础，得到氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度，根据所述氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度、心率以及被测定者的体重与年龄计算脂质代谢速度。

进一步，本发明所述运动负荷量测定装置中，所述主装置具有：运算处理部，其以血红蛋白浓度数据与脂肪层厚度为基础，计算氧化血红蛋白浓度和脱氧化血红蛋白浓度，同时计算糖代谢与脂质代谢的比例，即代谢优势度；显示所述代谢优势度等的显示部；存储运算式、被测定者的概要数据等的存储部；输入被测定者的概要数据等的输入部；糖代谢优于脂质代谢状态持续一定时间时发生警报的警报部。

实验得知，在非常轻度的运动状态时，血红蛋白检测部11的发光部111与发光部112也能够具有心率检测部12的发光部121与受光部122的功能。因此，所述实施例中，通过检测心率的心率检测部12检测心率，也可以通过由血红蛋白检测部11检测的光强度数据计算出心率。这时，血红蛋白检测部11或心率检测部12都具有两种功能。

进一步，上述实施例中，作为心率检测部12，使用具有从耳垂检测心率的发光部121和受光部122的光学心率检测部，但作为用于心率检测部12的心率检测方法有使用近红外线、经常检测前腕部的脉搏的手表型心率检测方法、尽管是手表型但仅通过指尖作为测定部进行测定的类型、在胸部通过胸带在心肌收缩时解析所产生的生物电流的方法、等等各种各样的测定方法。本发明考虑到使用的容易度和佩戴感等，也可以使用这些心率检测方法。

在以上说明中，主装置13采用的是安装在被测定者的腰带部位的构造，但当本发明适用于跑步机和测力计等训练器械时，可以将主装置13组合到训练器械的监控部分等。而且这时，通过在血红蛋白检测部11及心率检测部12中设有电池与无线通信部，主装置13设有无线通信部，能够与主装置13之间无线连接而不使用电线。

Claims (4)

1、运动负荷量测定装置，包括：

血红蛋白测量部，其测量透过肌肉组织的光强度数据，所述光强度数据是计算被测定者的肌肉组织中氧化血红蛋白的浓度与脱氧化血红蛋白浓度所必要的，

心率测量部，其获得计算被测定者的心率所必要的数据，

主装置，其具有被测定者的体重与年龄的输入部，根据所述光强度数据计算氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度，根据该氧化血红蛋白浓度、脱氧化血红蛋白浓度、心率、体重与年龄计算运动时的负荷量或代谢优势度或脂质代谢速度或脂质代谢量。

2、权利要求1所述的运动负荷量测定装置，其中

所述血红蛋白测量部具有：输出两种波长的近红外光的发光部；与所述发光部有不同距离的两个受光部，其检测透过被测定者的脂肪组织及肌肉组织的所述近红外光的强度，

所述心率测量部具有发出透过血液的波长的近红外光的发光部，和接收透过血液的所述近红外光的受光部，

所述主装置具有所述血红蛋白测量部与所述肌肉组织之间的脂肪层厚度的输入部，以血红蛋白测量部测量的血红蛋白浓度数据与脂肪层厚度为基础，得到氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度，根据所述氧化血红蛋白浓度、脱氧化血红蛋白浓度、心率以及被测定者的体重与年龄计算脂质代谢速度。

3、权利要求1所述的运动负荷量测定装置，其中所述主装置具有：

以血红蛋白浓度数据与脂肪层厚度为基础，计算氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度的同时，还计算糖代谢与脂质代谢的比例即代谢优势度的运算处理部，

显示所述代谢优势度等的显示部，

存储计算式、被测定者的概要数据等的存储部，

输入被测定者的概要数据等的输入部，

糖代谢优于脂质代谢的状态持续一定时间时发生警报的警报部。

4、权利要求1所述的运动负荷量测定装置，其中

所述血红蛋白测量部具有：输出两种波长的近红外光的发光部；距所述发光部有不同距离的两个受光部，其检测透过被测定者的脂肪组织及肌肉组织的所述近红外光的强度，

所述心率测量部具有发出透过血液的波长的近红外光的发光部，和接收透过血液的所述近红外光的受光部，

所述主装置具有：以血红蛋白浓度数据与脂肪层厚度为基础，计算氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度的同时，还计算糖代谢与脂质代谢的比例即代谢优势度的运算处理部；显示所述代谢优势度等的显示部；存储计算式、被测定者的概要数据等的存储部；输入被测定者的概要数据等的输入部；糖代谢优于脂质代谢的状态持续一定时间时发生警报的警报部；以及所述血红蛋白测量部与所述肌肉组织之间脂肪层厚度的输入部；以血红蛋白测量部测量的血红蛋白浓度数据与脂肪层厚度为基础，得到氧化血红蛋白浓度与脱氧化血红蛋白浓度，并根据所述氧化血红蛋白浓度、脱氧化血红蛋白浓度、心率及被测定者的体重与年龄计算脂质代谢速度。

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