JP2000350707A - 呼吸測定データに依存した指標を求めるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 呼吸基準データを基礎として好気性−嫌
気性移行を容易に決定することができる方法及びこの方
法の実施装置を提供する。 【解決手段】 Ｏ₂濃度とＣＯ₂濃度とがヒトの呼吸ガス
流中又はこのガス流から取出された部分流中において直
接に測定され、少なくとも１呼吸周期におけるこの濃度
値の時間変動が把握され、好気性−嫌気性移行を明示す
る指標が数学モデルを用いて濃度値の時間変動から導出
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、身体負荷に付され
ているヒトの好気性代謝から嫌気性代謝への移行を明示
する、呼吸測定データに依存した指標を求めるための方
法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体の身体運動（身体負荷）能力は物理
的負荷に耐える能力の数量化を意図した包括的な、精密
に記述されない数量によって表わされる。しかしながら
身体負荷により生体の複数のサブシステムが負荷され、
しかもその発現はトレーニング状態に応じて異なってい
る。これらのサブシステムのうち最も重要なものは−運
動を遂行するための神経筋系の他に−酸素運搬系（呼
吸、呼吸ガスの拡散、ヘモグロビンとの酸素結合、心循
環系）と運動中の骨格筋の代謝系である。

【０００３】健康人では骨格筋の代謝システムは運動制
限システムを表わしていることから、実地の運動・労働
生理学においては筋代謝に基本的な注意が向けられる。

【０００４】身体運動を遂行するため筋肉は直接のエネ
ルギー源としてアデノシン三リン酸（ＡＴＰ）のプール
に依拠しなければならない（図１、参照）。その再合成
には−貯蔵リン酸が利用される短時間運動（負荷）を別
として−負荷強度および負荷持続時間からするそれぞれ
の条件に応じて要求される２種の代謝バリエーションが
利用される。最も重要でエネルギー的に最も有利なプロ
セス（しくみ）は十分な酸素供給のもとで基質のグリコ
ーゲンとグルコースおよび遊離脂肪酸も呼吸と循環を介
して二酸化炭素と水に分解される好気性代謝のプロセス
である。

【０００５】しかしながら好気性代謝のプロセス（しく
み）では適度に高度なエネルギー流量しか準備されず、
そのため運動要求が高度な場合（身体動作の開始時もそ
うである）には、付加的に第２の代謝バリエーションで
ある嫌気性代謝のプロセスが活性化される。このエネル
ギー供給メカニズムも同じく基質としてグリコーゲンと
グルコースに依拠しているが、最終産物として乳酸を生
成する。乳酸は通常の場合にはそれが分解される速度よ
りも生成される速度の方が高く、それゆえ生体内に蓄積
されることとなる。それと同時に水素イオンが生成さ
れ、その結果、乳酸増加と結びついたアシドーシスによ
って筋肉疲労のために活動の停止が招来される。

【０００６】体力トレーニングたとえば持久トレーニン
グにとって、好気性代謝のプロセスが一次的に要求され
る身体負荷は理想的で、追求に値する形態であるが、そ
れはこれによって一方で心循環系の合理的利用が実現さ
れ、他方で代謝の活性化と脂肪分解が促進されるからで
ある。

【０００７】運動・労働生理学においてはしばしば、要
求された負荷が個人的に定まった最大負荷よりも低い限
り、負荷プロトコルによってあらかじめ定められたエネ
ルギー消費（機械効率の顧慮下において）は生化学的エ
ネルギー獲得のプロセスで補填されるという図２に示し
た理想化されたコンセプトが出発点とされている。図示
した負荷プロトコルでは総エネルギー消費はほぼ方形の
関数に対応して増加している。

【０００８】好気性代謝によって最大限補填可能な部分
は直線によって表わされ、この直線の勾配は被検者の最
大好気性能力（とりわけトレーニング状態の関数）、す
なわち被検者の最大好気性運動能力に依存している。

【０００９】総消費が好気性代謝によって最大限補填可
能な消費を超える場合には、総消費に対する不足部分は
嫌気性代謝を介して供給されなければならない。

【００１０】時間ポイント：Ｔan、すなわち好気性代謝
によるエネルギー供給が凌駕される好気性−嫌気性移行
の時点はかくて−負荷プロトコルが定められていれば−
負荷単位（たとえばワット）で与えられる。

【００１１】しかしながら実際には一つの時間ポイント
ないし一つの負荷値によって好気性−嫌気性移行を正確
に表わすことはできないことから、その下限（好気性し
きい値）でエネルギー代謝の転換が開始し、その上限
（嫌気性しきい値）でこの転換が完了する移行領域とし
て定義されることが多い。

【００１２】生体がエネルギー的に見てより有利な好気
性代謝から嫌気性代謝へと移行する時の負荷強度はその
時々のトレーニング状態と共に運動能力に依存している
ことから、運動生理学的調査・研究ないし運動テストの
分野では標準化された負荷プロトコルの範囲内における
生体の分与されたサブシステムのさまざまな生理学的数
量ないし変量とそれらの変化に依拠した各種の指標が定
義されている。

【００１３】種々のサブシステムのいずれに帰属するか
に応じて以下の指標が区別される: − 乳酸に依拠した指標 − 心拍数に依拠した指標 − 呼吸に依拠した指標。

【００１４】乳酸に依拠した指標の場合には血中乳酸濃
度が特性量として利用される。運動能力を表わす数値を
得るために、標準化された階段式プロトコルを用いたエ
ルゴメータテストによって経験的に乳酸濃度とエルゴメ
ータ運動量との間の関数関係が決定される。定められた
２つの乳酸濃度すなわち２ｍｍｏｌ／ｌと４ｍｍｏｌ／
ｌ時のエルゴメータ運動量が運動能力を表わす特性値と
して使用され、その際、２ｍｍｏｌ／ｌ値は好気性しき
い値と称され、４ｍｍｏｌ／ｌ値は嫌気性しきい値と称
され、中間域は好気性―嫌気性移行領域と称される。

【００１５】心拍数に依拠した基準の場合には心拍数の
絶対値たとえば最大心拍数の６０％又は増加式負荷プロ
トコルにおける心拍数時間変動の特異点（不連続点ない
し屈曲点）が好気性から嫌気性代謝プロセスへの移行を
表わす指標として使用される。このテスト方式のうちで
最もよく知られているのはいゆわるＣＯＮＣＯＮＩテス
トである。

【００１６】呼吸に依拠した基準は、嫌気性代謝が要求
される場合には乳酸以外に水素イオンも形成され、これ
が代謝性アシドーシスをもたらすという生理学的事実を
基礎としている。水素イオンは血液の重炭酸緩衝系によ
って緩衝され、その際ＣＯ₂が遊離する。これは呼吸系
を経て呼気と共に排出される。さらに−呼吸調節によっ
て制御されて−代償性過換気が開始される結果、二酸化
炭素の呼気排出が強化されることとなる。それゆえしば
しば（たとえばいわゆる“呼吸レシオ（呼吸商）−ＲＥ
Ｒ”の計算によって）酸素摂取消費量が二酸化炭素排出
量と関係づけられ、こうして好気性代謝から嫌気性代謝
への移行を表わす指標を導出することが試みられる。

【００１７】運動診断学でもっとも頻繁に利用される指
標は乳酸に依拠した指標、いわゆる乳酸しきい値であ
る。その長所は計測器によって正確に測定し得る点にあ
り、その短所は充血した耳たぶからの採血が必要なこと
と分析用化学器具の装備が必要な点にある。

【００１８】心拍数に依拠した指標は容易に且つ非観血
的に決定することができるが、筋代謝の特性量が心血管
数量に間接的に転写されるために精度と再現性に難点を
もつ。

【００１９】呼吸に依拠した指標は筋代謝（代謝性アシ
ドーシス）と直接に関連しているという長所を有する
が、その決定には従来通例のエルゴスパイロメトリーに
よれば大がかりな器具装備が必要となる。

【００２０】たとえば米国特許第５,２９７,５５８号か
ら“fat burning point［脂肪燃焼点］”を表わす指標
を決定するためのアルゴリズムは知られている。この燃
焼点は基本的に上記の好気性―嫌気性移行に相当してお
り、通常は呼吸を基礎として決定される。その際、米国
特許第４,４６３,７６４号によって公知のエルゴスパイ
ロメトリー装置を用い、酸素摂取量（体積／時間）と二
酸化炭素排出量（体積／時間）を基礎としていわゆる呼
吸商（ＲＥＲ）が決定される。次いでこのＲＥＲが数値
０，９を越える際の負荷強度時の心拍数が指標値として
利用され、この心拍数値への引上げパーセンテージ又は
引下げパーセンテージが−心拍数を基礎として表わされ
る−トレーニングにとって最適な強度範囲を形成する。
この方法の短所はそのために呼吸気時間量の測定が必要
なことである。さらに呼吸気時間量の測定は呼吸マスク
又はマウスピースを要する点（気密性の問題）で低い精
度しか期待できず、しかも気密装着されるマスクの使用
ないしマウスピースを介しての呼吸はほとんどの場合に
不快感をもたらす。

【００２１】さらに米国特許第５,７８２,７７２号から
個人的な嫌気性しきい値を決定するための方法ならびに
装置が公知に属し、この方法および装置においては基本
数量として呼吸気時間量Ｖ_E、二酸化炭素排出量Ｖ_CO2お
よび酸素摂取量Ｖ_O2が測定される。これらの数量はすべ
て物理的尺度の体積／時間（単位：ｌ／ｍｉｎ，ｍｌ／
ｍｉｎ，等）で表わされるいわゆる“流量”である。こ
れらの数量の測定はいかなる場合にも気密呼吸マスクの
装着を前提しており、その際には前記のＵＳ−Ａ ４
４６３ ７６４に関して述べた短所が発生する。二酸化
炭素排出量と酸素摂取量を求めるためにはそれぞれガス
濃度が測定されなければならない。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上記実状に鑑み、本発
明の課題は、被検者に不快感をもたらす付随的事情を大
幅に回避しつつ、呼吸基準データを基礎として好気性−
嫌気性移行を容易に決定することができる方法及びこの
方法を実施するための装置を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によ
り、Ｏ₂濃度とＣＯ₂濃度とがヒトの呼吸ガス流中におい
てか又はこのガス流から取出された部分流中において直
接に測定されて、少なくとも１呼吸周期におけるこの濃
度値の時間変動が把握され、好気性−嫌気性移行を明示
する指標が数学モデルを用いて前記濃度値の時間変動か
ら導出されることによって解決される。

【００２４】これとは別の解決策として、前もって定め
られた時間ポイントで（たとえばサーミスタセンサを用
いて）少なくとも１呼吸周期の経過中に離散的なＯ₂濃
度値とＣＯ₂濃度値とが測定され、これらの離散的なＯ₂
濃度値とＣＯ₂濃度値とから好気性−嫌気性移行を明示
する指標が数学モデルを用いて導出されるようにする方
法も提案されている。

【００２５】これまで通例であった体積流量測定とは異
なってもっぱら、少なくとも１呼吸周期の経過中の酸素
と二酸化炭素との濃度値の時間変動ないし離散的測定が
基礎とされ、これらからたとえば経験的なモデルを用い
るか又は生理医学的な基礎情報から導出される数学モデ
ル（たとえば図５および６、参照）を用いて指標値が算
出される。

【００２６】好気性代謝から嫌気性代謝への移行を表わ
す前記指標は定置施設たとえばフィットネスセンター又
は屋外における個人的なトレーニングたとえばジョギン
グ等の体力トレーニングの強度を制御もしくは調節する
ための基準値として利用し得るだけではなく、運動診断
学の目的、つまり身体運動能力の測定にも利用すること
ができる。後者にあっては、算出された指標を一定の運
動量に対応させるため、濃度値に加えてさらに身体負荷
に付されているヒトによって遂行された運動量も測定さ
れなければならない。

【００２７】ヒトの好気性代謝から嫌気性代謝への移行
を明示する指標を求めるための本発明に基づく装置は、
呼吸ガス流中又はこのガス流から取出された部分流中に
直接位置決めし得る、Ｏ₂濃度とＣＯ₂濃度とを測定する
ためのセンサが設けられ、このセンサは少なくとも１呼
吸周期における濃度値の時間変動又は離散的な濃度値を
検出するのに適していることを特徴としている。したが
って準連続的な測定又は離散値（たとえば最小値又は最
大値）の形での測定が行なわれる。それゆえ好ましいこ
とに呼吸ガス流中で直接測定することが可能であり、そ
の際、センサはハンズフリー会話装置に類似した保持具
によって呼吸器の前に位置決めされているか、又はヒト
の呼吸器にゆるく装着されるマスク又は漏斗に類似した
装置を介して呼吸ガス流から部分流を取出すことができ
る。後者の場合には、部分流を得るためのマスクに類似
した装置とＯ₂濃度およびＣＯ₂濃度を測定するための前
記センサとの間に呼吸ガスを乾燥させるための器具を設
けることができる。

【００２８】一定負荷での複数の呼吸周期にわたるＯ₂
濃度とＣＯ₂濃度との時間変動が求められ、結果が好ま
しくはディジタル化されて記憶されるのが好適である。

【００２９】本発明の好ましい実施形態において、Ｏ₂
とＣＯ₂の濃度値の時間変動からＯ₂とＣＯ₂の呼気末期
値が算出され、指標の導出に利用される。

【００３０】さらに本発明に基づき、ヒトの負荷ないし
運動量および心拍数が測定され、診断数値として表示さ
れたり、又は制御数量として使用され、あるいは数学モ
デルにおいて、気道の混合特性、筋代謝のコンパートメ
ント化、血液の緩衝系、ガス輸送特性、測定システムの
信号特性のうちの少なくともいずれかを表わす数量が考
慮される。

【００３１】本発明によりＯ₂とＣＯ₂との濃度値時間変
動の呼気部分の形態基準も指標の決定に利用することが
できる。したがって、算出された呼気末期濃度値だけで
なく、呼気相の時間変動の形態（上昇、不安定性等）も
有意的である。

【００３２】本発明によるその他の特徴及び利点は、以
下図面を用いた実施例の説明により明らかになるだろ
う。

【００３３】

【発明の実施の形態】まず、本発明の理解に役立つ基本
的なことがらに関しては、従来技術の欄で既に述べられ
た、図１及び２を用いた説明が流用される。

【００３４】図３は被検者１の呼吸測定データに依存し
た、好気性代謝から嫌気性代謝への移行を明示する指標
を決定するための本発明に基づく装置を示している。被
検者はたとえば自転車エルゴメータ２の形の身体負荷に
付されている。ゆるく装着されるマスクに類似した装置
３を経て被検者の呼吸ガス交換が取得され、ポンプ４に
よってコンスタントな部分流が吸引される。この部分流
は場合により乾燥された後、酸素と二酸化炭素にわずか
な時間で応答するガス分析器を備えた測定ユニット５に
供給される。測定ユニット５にはさらに被検者のその都
度の負荷ないし同人の遂行した運動量および心拍数に関
する情報が供給される。データはプロセッサユニット６
で数学モデルに基づいて処理されるが、その際、さらに
別なユニット７、たとえば磁気カード８を介して個人関
連基礎データたとえば被検者の年齢、体重、身長、性別
およびトレーニング状態を入力することができる。計算
されたデータは表示ユニットなどの出力ユニット９に出
力される。別途方法としてマスクに類似した装置３か又
は直接被検者の鼻に呼吸サイクルを検出するためのサー
ミスタセンサ１０を設けることもできる。

【００３５】本発明に基づく装置はトレーニング時、た
とえばジョギング時に携帯されもしくは身体に固定され
るモバイル式装置として構成することも可能である。

【００３６】図４に示したＯ₂濃度およびＣＯ₂濃度の時
間変動は複数の呼吸周期Ｔresp（約１０サイクル）にわ
たって記録され、ディジタル化されて記憶される。Ｏ₂
およびＣＯ₂に関する呼気末期値はＦ_ETO2ないしＦ_ETCO2
で表わされている。

【００３７】メモリされた時間関数から数学モデルを介
して筋代謝の状態に関する指標が同定される。このモデ
ルは関与する生理学的システムのコンパートメント化に
応じ３つのサブモデル（図５、参照のこと）−すなわ
ち、運動中の骨格筋１１、血液コンパートメント１２お
よび呼吸システム１３−から構成することができる。サ
ブモデル１１では水素イオン産生量を一方とし、乳酸産
生量、負荷量（運動量）、酸素摂取量、心臓時間容積お
よび基質利用量を他方とした両者の間の関数関係が確立
される。サブモデル１２では血液の重炭酸緩衝系に関す
る関数式が作られ、このシステムの活動に基づくＣＯ₂
産生量が求められる。サブモデル１３では血液中のガス
濃度値と呼吸ガス濃度値時間変動との間の関係式が決定
され、その際この式中に個人の人体測定データ（身長、
体重、年齢）ならびに呼吸系の特性値（抵抗、機能的残
留能力等）および負荷強度が組入れられる。呼吸調節が
呼吸ガス流中のＣＯ₂濃度カーブにおよぼす効果は非線
形関数式によってモデル化される。代数方程式と結びつ
いた微分方程式の形で定式化されている総モデルは実験
によって決定されたＯ₂およびＣＯ₂の濃度時間変動なら
びにパラメータとして得られている人体測定データを基
礎として確定される。

【００３８】確認されたモデルパラメータを基礎として
基準値が算出されるが、この基準値は乳酸産生ないし水
素イオン産生によって代表される運動中の骨格筋の代謝
状況の写像を表わしている。この指標にあっては代謝変
数および呼吸変数の変動動態の相違も考慮されている。

【００３９】こうして負荷の関数として得られた呼吸・
代謝指標（ＲＭＩ）につきいまや−図６に表わされてい
るように−経験的な判定基準に基づいて好気性−嫌気性
移行域の境界を明確にすることができる（ＲＭＩ_uおよ
びＲＭＩ_o）。

【００４０】求められた指標はそれぞれの負荷に際する
負荷強度ないし心拍数と関係させることができ、それぞ
れの被検者の運動能力の診断データならびに持久トレー
ニングのための制御数値として利用することができる。

【００４１】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構造に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】エネルギー供給面から考察した代謝バリエーシ
ョンを図解した説明図

【図２】負荷プロトコルを示すグラフ

【図３】本発明に基づく装置を一部図解して示した説明
図

【図４】複数の呼吸周期（Ｔ_resp）の吸・呼気相におけ
るＯ₂・ＣＯ₂濃度値の時間変動を示すグラフ

【図５】指標値を決定するための数学モデルを図解した
ブロック図

【図６】負荷の関数としての呼吸代謝指標（ＲＭＩ）の
曲線を示すグラフ

【符号の説明】

１ 被検者 ２ エルゴメータ ３ マスク ５ 測定ユニット ６ プロセッサユニット ９ 出力ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 595078219 ＳＴＥＴＴＥＭＥＲＳＴＲＡＳＳＥ 28, 8207 ＳＣＨＡＦＦＨＡＵＳＥＮ， Ｓ ＷＩＴＺＥＲＬＡＮＤ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 身体負荷に付されているヒトの好気性代
   謝から嫌気性代謝への移行を明示する、呼吸測定データ
   に依存した指標を求めるための方法において、 Ｏ₂濃度とＣＯ₂濃度とがヒトの呼吸ガス流中において又
   はこのガス流から取出された部分流中において直接に測
   定され、少なくとも１呼吸周期におけるこの濃度値の時
   間変動が把握され、好気性―嫌気性移行を明示する指標
   が数学モデルを用いて前記濃度値の時間変動から導出さ
   れることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 負荷が不変な場合の複数の呼吸周期にわ
   たるＯ₂濃度とＣＯ₂濃度との時間変動が求められ、結果
   が好ましくはディジタル化されて記憶されることを特徴
   とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 Ｏ₂とＣＯ₂の前記濃度値の時間変動から
   Ｏ₂とＣＯ₂の呼気末期値が算出され、前記指標の導出に
   利用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方
   法。
4. 【請求項４】 さらにヒトの負荷量つまり運動量及び心
   拍数が測定され、診断数値として表示されるか又は制御
   数量として利用されるかあるいはその両方の目的のため
   に使われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
   記載の方法。
5. 【請求項５】 気道の混合特性、筋代謝のコンパートメ
   ント化、血液の緩衝系、ガス輸送特性、測定システムの
   測定特性のうちの少なくともいずれかを示す数量が前記
   数学モデル中で考慮されることを特徴とする請求項１〜
   ４のいずれかに記載の方法。
6. 【請求項６】 Ｏ₂とＣＯ₂の前記濃度値の時間変動の吸
   気部分ないし呼気部分の形態基準が指標の決定に利用さ
   れることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の
   方法。
7. 【請求項７】 前記数学モデル中に個人関連データたと
   えば年齢、体重、身長、性別、トレーニング状態等が組
   入れられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに
   記載の方法。
8. 【請求項８】 身体負荷を受けているヒトの好気性代謝
   から嫌気性代謝への移行を明示する、呼吸測定データに
   依存した指標を求めるための方法において、前もって定
   められたタイミングで少なくとも１呼吸周期の経過中に
   離散的なＯ ₂濃度値とＣＯ₂濃度値とがヒトの呼吸ガス流
   中においてか又はこのガス流から取出された部分流中に
   おいて直接に測定され、好気性―嫌気性移行を明示する
   指標が数学モデルを用いて前記離散的なＯ₂濃度値とＣ
   Ｏ₂濃度値とから導出されることを特徴とする方法。
9. 【請求項９】 身体負荷を受けているヒト（１）の好気
   性代謝から嫌気性代謝への移行を明示する、呼吸測定デ
   ータに依存した指標を求めるための、呼吸測定データを
   処理するプロセッサユニット（６）ならびに表示ユニッ
   トなどの出力ユニット（９）を備えた装置において、 呼吸ガス流中又はこのガス流から取出された部分流中に
   直接位置決めされるとともにＯ₂濃度とＣＯ₂濃度とを測
   定するためのセンサが設けられ、このセンサは少なくと
   も１呼吸周期における濃度値の時間変動又は離散的な濃
   度値を検出するのに適していることを特徴とする装置。
10. 【請求項１０】 前記部分流を得るためにヒト（１）の
    呼吸器官にゆるく装着されるマスクに類似した装置
    （３）が設けられていることを特徴とする請求項９に記
    載の装置。
11. 【請求項１１】 前記マスクに類似した装置（３）に呼
    吸周期を検出するためのサーミスタセンサ（１０）が設
    けられていることを特徴とする請求項１０に記載の装
    置。
12. 【請求項１２】 前記部分流を得るためのマスクに類似
    した装置（３）と前記Ｏ₂濃度およびＣＯ₂濃度を測定す
    るためのセンサとの間に呼吸ガスを乾燥させるための器
    具が設けられていることを特徴とする請求項１０又は１
    １に記載の装置。