JP2001137385A

JP2001137385A - 運動機器、体力レベル評価装置及び運動強度決定装置

Info

Publication number: JP2001137385A
Application number: JP2000046681A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Kinoshita; 弘美木下
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】個人に最適な負荷で運動をすることのできる
運動機器を提供する。【解決手段】測定開始により心電信号を検出し（ＳＴ
１）、運動負荷の制御を開始し（ＳＴ４）、心拍数及び
心拍間隔のゆらぎのパワー値を算出し（ＳＴ５，ＳＴ
６）、ウォーミングアップ開始から２分経過したら（Ｓ
Ｔ７）、Ramp負荷の自動制御を行う（ＳＴ９）。ＳＴ９
の処理は、ウォーミングアップ開始から３分経過後、４
分経過後、５分経過後、６分経過以降により、それぞれ
所定のRamp負荷の負荷変動率を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、個人に最適な運動
負荷で運動をすることのできる運動機器、個人の正確な
体力レベルの評価を行う体力レベル評価装置、個人に最
適な運動強度の決定を行う運動強度決定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エルゴバイクなどの運動負荷装置を用い
て簡易的に体力測定を行う場合、例えば漸増負荷（以
下、Ramp負荷という）時における心拍数を測定し、負荷
と心拍数との関係から体力レベルの評価を行う。その
際、体力レベルに応じて適切なRamp負荷（ここでは漸増
負荷を指す）の負荷変動率を与える必要がある。

【０００３】従来は、年齢、性別、体重などの個人デー
タを入力し、入力した個人データにおける標準的な体力
に見合ったRamp負荷の負荷変動率を提供している。この
場合のRamp負荷の負荷変動率を決定するフロー図の一例
を図２６に示す。図２６のフロー図では、年齢が６０以
上か否かを判定し（ＳＴ９１）、さらに体重が４０ｋｇ
以下か否か（ＳＴ９２）、８０ｋｇ以上か否かを判定し
（ＳＴ９３）、それぞれの判定結果の次に男性か女性か
を判定し（ＳＴ９４，ＳＴ９６，ＳＴ９８）、その結果
によりRamp負荷の負荷変動率を５，１０，１５，２０
〔Ｗ／ｍｉｎ〕に決定している（ＳＴ９５，ＳＴ９７，
ＳＴ９９，ＳＴ１００）。

【０００４】また、前記個人情報に加え、体力の有無
（高体力者、一般者、低体力者など）を入力したり、或
いは前回行った体力測定の結果を用いてRamp負荷の負荷
変動率を決定している。この場合の体力の有無を入力す
る例を挙げると、次のとおりで運動前に、年齢・性別などの個人情報とともに、自分が
属すると思われる上記体力レベルを選択すると、予め設
定された上記Ramp負荷の負荷変動率が提供される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、入力さ
れた個人データに応じたRamp負荷の負荷変動率を決定す
る場合は、当然ながら、標準体力より劣る被験者に対し
ては、過度な負荷をかける恐れがある。また反対に、標
準体力より優れる被験者に対しては、体力測定に時間が
掛かり過ぎ、正確な体力レベルの評価ができないなどの
問題点がある。さらに、年齢・性別・体重などの個人デ
ータを予め入力する必要があり、操作が煩雑で面倒であ
るだけでなく、個人情報を入力するため、他人に個人情
報を知られたりするのを嫌がる人もいる。

【０００６】一方、個人情報の他に、入力された体力の
有無を用いてRamp負荷の負荷変動率を決定する場合は、
自分がどの体力レベルの分類に当て嵌まるのか判らず、
体力レベルの入力を誤ることがある。また、体力測定の
結果を用いてRamp負荷の負荷変動率を決定する場合は、
事前に必ず体力測定を行わなければならず、手間が掛か
る。

【０００７】本発明は、そのような従来の問題点に着目
してなされたもので、個人に最適な運動負荷で運動をす
ることのできる運動機器、個人の正確な体力レベルの評
価を行う体力レベル評価装置、個人に最適な運動強度の
決定を行う運動強度決定装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項１記載の運動機器は、運動負荷可変
の運動負荷手段と、この運動負荷手段による運動中に生
理信号を非侵襲で測定する生理信号測定手段と、運動中
に得られた生理信号に基づいて漸増負荷又は漸減負荷の
負荷変動率を決定する負荷決定手段とを備え、前記運動
負荷手段が、負荷決定手段で決定された漸増負荷又は漸
減負荷の負荷変動率に基づいて運動負荷を変更すること
を特徴とする。

【０００９】この運動機器では、個人に見合った漸増負
荷又は漸減負荷の負荷変動率が決定され、この決定され
た負荷の負荷変動率に応じて運動負荷が変化する。この
ため、年齢・性別・体重などの個人情報を入力する必要
や、事前に体力測定を行う必要がない上に、自分の体力
レベルを把握していなくても、各人に応じた最適な負荷
で運動することができ、過度の負荷がかかったり、反対
に負荷が弱過ぎたりすることがない。

【００１０】請求項１１記載の体力レベル評価装置は、
運動中に生理信号を非侵襲で測定する生理信号測定手段
と、運動中に得られた生理信号に基づいて漸増負荷又は
漸減負荷の負荷変動率を決定する負荷決定手段と、この
負荷決定手段で決定された漸増負荷又は漸減負荷の負荷
変動率に従い、漸増又は漸減負荷運動時における負荷値
と心拍数との関係から体力レベルの評価を行う体力レベ
ル評価手段とを備えることを特徴とする。

【００１１】この体力レベル評価装置では、運動を行う
ことにより、各人の体力レベルを正確に評価することが
できる。

【００１２】請求項１２記載の運動強度決定装置は、運
動中に生理信号を非侵襲で測定する生理信号測定手段
と、運動中に得られた生理信号に基づいて漸増負荷又は
漸減負荷の負荷変動率を決定する負荷決定手段と、この
負荷決定手段で決定された漸増負荷又は漸減負荷の負荷
変動率に従い、漸増又は漸減負荷運動時における運動負
荷と心拍間隔のゆらぎとの関係から最適な運動強度の決
定を行う運動強度決定手段とを備えることを特徴とす
る。

【００１３】また、請求項１５記載の運動強度決定装置
は、運動中に生理信号を非侵襲で測定する生理信号測定
手段と、運動中に得られた生理信号に基づいて漸増負荷
又は漸減負荷の負荷変動率を決定する負荷決定手段と、
この負荷決定手段で決定された漸増負荷又は漸減負荷の
負荷変動率に従い、漸増又は漸減負荷運動時における運
動負荷と心拍数変動スペクトルのパワーとの関係から最
適な運動強度の決定を行う運動強度決定手段とを備える
ことを特徴とする。

【００１４】請求項１２，１５の運動強度決定装置で
は、運動により各人に最適な運動強度を決定することが
できる。

【００１５】さらに、請求項１６記載の運動機器は、運
動負荷可変の運動負荷手段と、請求項１１、請求項１２
又は請求項１５記載のいずれかの装置とを備え、前記運
動負荷手段は、前記体力レベル評価装置で得られた体力
レベル又は前記運動強度決定装置で得られた運動強度に
基づいて運動負荷を変更することを特徴とする。

【００１６】この運動機器では、各人に応じた最適な運
動負荷で運動することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
いて説明する。

【００１８】図１は、本発明の運動機器の実施形態に係
る自転車エルゴメータの回路構成を示すブロック図であ
る。このエルゴメータは、心電信号を検知する心電セン
サ１と、その出力信号を増幅するプリアンプ２と、ノイ
ズを除去するためのフィルタ３と、心電信号をさらに適
正なレベルまで増幅するアンプ４と、Ａ／Ｄ変換器５
と、種々の処理を実行するＣＰＵ６と、キー入力装置７
と、運動強度や体力レベルなどを表示する表示器８と、
回転負荷を可変できる負荷装置９とを備える。ＣＰＵ６
は、運動中に得られた生理信号に基づいて漸増負荷又は
漸減負荷の負荷変動率を決定する負荷決定機能、決定さ
れた漸増負荷又は漸減負荷の負荷変動率に従い、運動時
における運動負荷と心拍数との関係から体力レベルの評
価を行う体力レベル評価機能、或いは決定された漸増負
荷又は漸減負荷の負荷変動率に従い、漸増又は漸減負荷
運動時における運動負荷と心拍間隔のゆらぎとの関係又
は運動負荷と心拍数変動スペクトルのパワーとの関係か
ら最適な運動強度の決定を行う運動強度決定機能などを
有する。

【００１９】図２は、この自転車エルゴメータの外観斜
視図である。図２において、このエルゴメータは、サド
ル１１と、ハンドル１２と、キー入力装置７、表示器８
及び報知器（図示せず）などを有する操作部１３と、ペ
ダル１４と、前脚フレーム１５と、後脚フレーム１６と
を備える。ハンドル１２には心電検出用の一対の電極
（生理信号測定手段）１７が設けられ、運動時に運動者
がハンドル１２の電極１７を両手で握ることで、両手と
電極１７が接触し、手から心電信号が検出されるように
なっている。

【００２０】このエルゴメータでは、被験者（運動者）
がサドル１１に腰掛けてペダル１４を踏み、ペダル１４
を回転させることによって運動を行うものである。ペダ
ル１４は、運動強度の度合に応じた重みとなるように運
動負荷が加えられ、運動負荷が大きいと、ペダル１４を
一定数回転させるのに、当然多くの運動量が要求され
る。但し、このこと自体は周知である。

【００２１】なお、図２の実施形態では、心電検出用の
電極１７をハンドル１２に設けてあるが、種々の変更が
可能である。例えば図３では、運動者Ｍの胸に一対の電
極及び送信部を備えたチェストベルト４１が装着され、
ハンドル１２に受信部４２（図２の操作部１３に相当）
が設けられている。この場合、運動者Ｍの胸から検出さ
れた心電信号は、無線で受信部４２に送信されて処理さ
れる。

【００２２】図４の実施形態は、＋（プラス）、−（マ
イナス）、Ｇ（グランド）の３個の電極４５，４６，４
７が運動者Ｍの胸に貼り付けられ、有線４８で本体内の
回路部に接続され、心電信号を検出する胸部誘導型のも
のである。

【００２３】図５の実施形態では、心電センサに代えて
運動者Ｍの耳朶に脈拍センサ４９が取付けられ、脈拍が
検出される。

【００２４】このように構成された運動機器では、心電
センサや脈拍センサで検出された心電波形（心電信号）
や脈波信号（拍動信号）といった運動負荷変化に対する
生理信号に基づいて、運動中に得られた生理信号に基づ
いて漸増負荷又は漸減負荷の負荷変動率が決定される
が、次に漸増負荷又は漸減負荷の負荷変動率を求める方
法の１例を示す。ここでは、生理信号は心拍数及び心拍
間隔のゆらぎのパワーとし、漸増負荷（以下、Ramp負荷
と称する）を求める方法を説明する。

【００２５】まず、運動中に心拍数と心拍間隔のゆらぎ
のパワーを検出する。心拍数は次のように算出する。運
動中にエルゴメータのハンドル１２に設けられた電極１
７（図２）より検出された心電信号のピーク検出を行
い、ＲＲ間隔データ（心拍の１周期）を算出する。例え
ば、その間隔の５拍の平均値から心拍数を算出する。ま
た、ゆらぎパワー (Power)の算出は、次式（１）、 Power （ｎ）〔ｍｓ²〕＝｛ＲＲ（ｎ）−ＲＲ（ｎ−１）｝²・・・（１）で求められる。これは前回と今回の１周期の差を二乗し
たもので、ここでは心拍間隔のゆらぎのパワーと称して
いる。このPower データにおいて、例えば３０秒間の平
均値を１５秒間隔で算出する。

【００２６】上記算出した心拍数とゆらぎのパワーを、
例えば図６の（ａ）に示すRamp負荷自動制御ポイントの
値を用い、Ramp負荷の負荷変動率を決めていく。ここで
は、ポイントａ〜ｅとそれ以降に区分される。具体的に
は、ポイントａは、ウォーミングアップ時の値（Ｗｕ
ｐ）として、ウォーミングアップ２分間のうち１分経過
後からの１分間の平均値をＷｕｐとする。その後、ポイ
ントｂとしてウォーミングアップ終了から２分後の値
（Ｐ２ｍｉｎ）、ポイントｃとして３分後の値（Ｐ３ｍ
ｉｎ）、ポイントｄとして４分後の値（Ｐ４ｍｉｎ）、
ポイントｅとして５分後の値（Ｐ５ｍｉｎ）を用い、同
様にさらにウォーミングアップ終了から６分以降は１分
毎の値を用いる。これらのポイントａ〜ｅは、エルゴメ
ータのRamp負荷運動中における典型的な（標準）ゆらぎ
のパワーの指数関数的な減少傾向を示す変動曲線上で
は、図６の（ｂ）に示すような位置に対応する。

【００２７】次に、上記運動機器（エルゴメータ）にお
いて、Ramp負荷の自動制御を用いた最適運動強度を決定
するフロー図の一例を図７及び図８に示す。但し、ここ
での最適運動強度は、例えば運動負荷時におけるゆらぎ
のパワーの収束点とし、収束点示現時の運動負荷を最適
運動強度とする。

【００２８】図７において、図１のキー入力装置７の測
定開始キーが押されると、測定が開始される。まずステ
ップ（以下、ＳＴと略す）ＳＴ１で、心電センサ１で心
電信号を検出し、心電センサ１からの信号が或る一定レ
ベルになるようにキャリブレーション動作を行う（ＳＴ
２）。このキャリブレーション動作は、ＣＰＵ６からの
信号により、アンプ４でゲインを調整することで行われ
る。キャリブレーション終了後、表示器８に“測定開
始”を表示し（ＳＴ３）、負荷装置９の制御を開始する
（ＳＴ４）。この制御としては、例えば初期負荷値１５
〔ｗ〕で２分間ウォーミングアップを行った後に、最初
は１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕のRamp負荷を与える。

【００２９】次いで、心電信号のピーク値を検出し、前
記したように心拍数とゆらぎのパワーを算出する（ＳＴ
５，ＳＴ６）。このとき、ウォーミングアップ時におけ
る平均心拍数とゆらぎのパワーを算出しておく。例え
ば、２分間のウォーミングアップにおいて、心拍数とし
て１分３０秒経過後からの１５秒間の平均値（Ｗｕｐの
ＨＲ）を算出し、ゆらぎのパワーとしてＷｕｐ値〔図６
の（ａ）参照〕を算出する。この心拍数及びゆらぎのパ
ワーの算出は、ウォーミングアップ開始から２分が経過
するまで続けられる（ＳＴ７）。２分経過後、Ramp負荷
制御タイミングであるか否かを判定し（ＳＴ８）、Ｙｅ
ｓであれば、計測した心拍数とゆらぎのパワーから、随
時、各個人の体力レベルに応じた適切なRamp負荷の負荷
変動率を設定していく（ＳＴ９）。

【００３０】Ramp負荷の自動制御処理は、図１３に示す
ように行われる。即ち、ウォーミングアップ開始から３
分経過すればＳＴａの処理へ（ＳＴ８１）、４分経過す
ればＳＴｂの処理へ（ＳＴ８２）、５分経過すればＳＴ
ｃの処理へ（ＳＴ８３）、６分以降はＳＴｄの処理へ移
行する（ＳＴ８４）。なお、各処理については後述す
る。

【００３１】図７のＳＴ７の処理に続いて収束判定を行
う（ＳＴ１０）。

【００３２】ゆらぎのパワーの変動特性において、下記
の，の両条件が満たされた場合に、収束判定Ｙｅｓ
とし最適運動強度を決定する。

【００３３】ゆらぎのパワーが予め定めたパワー基底
値（ベースライン）を下回る。

【００３４】前回のゆらぎのパワーとの差〔Power
｛Ｔ（ｎ−１）｝−Power ｛Ｔ（ｎ）｝：ゆらぎのパワ
ーの変動曲線の傾き〕が規定する傾き以下になる。

【００３５】なお、最適運動強度は、図２４に示す収束
点における心拍値、或いは運動負荷を指してもよい。

【００３６】最適運動強度決定の例を図９に示す。図９
において、ゆらぎの収束点から時間−運動負荷特性の交
点の運動負荷を最適運動強度として求める。この収束点
の決定方法を図１０、図１１のフロー図を用いて説明す
る。このフロー図は、標準的なパターンの運動強度の決
定に用いる収束点の決定方法を示すものである。ＳＴ６
１〜ＳＴ６５までの処理は、図８のＳＴ１〜ＳＴ５と同
様である。即ち、図１のキー入力装置７の測定開始キー
が押されると、測定が開始される。まず、心電センサ１
で心電信号を検出し（ＳＴ６１）、心電センサ１からの
信号が或る一定レベルになるようにキャリブレーション
動作を行う（ＳＴ６２）。このキャリブレーション動作
は、ＣＰＵ６からの信号により、アンプ４でゲインを調
整することで行われる。キャリブレーション終了後、表
示器８に“測定開始”を表示し（ＳＴ６３）、負荷装置
９の制御を開始する（ＳＴ６４）。この制御としては、
例えば初期負荷値２０〔ｗ〕で２分間ウォーミングアッ
プを行った後に、毎分１５〔ｗ〕のランプ負荷を与え
る。

【００３７】次いで、心電信号のピーク値を検出し、前
記算出式（１）よりゆらぎのパワーを算出する（ＳＴ６
５）。算出後、ウォーミングアップ時の２分が経過した
かどうか判定し（ＳＴ６６）、まだならＳＴ６５に戻
る。ウォーミングアップ終了後に２分が経過したら、Ｓ
Ｔ６７がＹＥＳとなり、パワー基底値を２５〔ｍ
ｓ²〕、傾きを６〔ｍｓ²〕とする（ＳＴ７０，７
１）。

【００３８】続いて収束判定（ＳＴ６８）を行う。これ
は、図１２に示すゆらぎのパワーの変動特性（ゆらぎの
パワーと運動負荷との時間による変化）において、運動
負荷の増加に伴いゆらぎのパワーは減少し収束する。こ
のゆらぎのパワーの変動曲線の収束点がＡＴポイントで
ある。ここでは、このＡＴポイントに相当する収束判定
として、ゆらぎのパワーが予め定めた基準値を下回り、
かつ前回のパワー値との差〔Power ｛Ｔ（ｎ−１）｝−
Power ｛Ｔ（ｎ）｝：ゆらぎのパワーの変動曲線の傾
き〕が予め定めた基準値（パワー基底値）以下に達した
場合を、収束点と判断する。即ち、収束点と判断できな
い場合は、判定ＮＯで運動負荷を漸増し（ＳＴ６９）、
ＳＴ６６〜ＳＴ６８の処理を繰り返す。収束点と判断で
きたら、算出した負荷値に該当する運動強度を結果とし
て表示器８に表示する（ＳＴ７２）。なお、これらのフ
ロー図において、パターン分類に用いたゆらぎのパワー
は図６の（ａ）に示すとおりであり、分類ａ〜ｅはゆら
ぎのパワーでは図６の（ｂ）に示す位置に該当する。

【００３９】さて、図８のＳＴ１０において、収束点と
判断できない場合、即ち最適運動強度を決定できない場
合は、判定Ｎｏで、前記設定されたRamp負荷に従い負荷
を漸増し（ＳＴ１１）、ＳＴ５に戻り、心拍数算出、ゆ
らぎのパワー算出及び収束判定を続ける。

【００４０】一方、最適運動強度が決定したら、最適運
動強度決定の１分前の負荷値を算出し、算出した最適運
動強度に該当する運動負荷を結果として表示器８に表示
する（ＳＴ１２）。その表示例は、図１４の（ａ）→
（ｂ）→（ｃ）に示すように「最適運」、「動強度」、
「決定」と、水平スクロールしながら表示した後、図１
５の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、運動強度を
表示してもよい。ここでは、負荷レベルとして複数段階
の「レベル５」を表示する点をベストモードとし〔図１
５の（ａ）〕、その他の表示例として「心拍数（拍／
分）」〔図１５の（ｂ）〕、や「運動負荷」Ｗ〔図１５
の（ｃ）〕として表示する。結果表示後、運動負荷を減
少させ、運動者に一定時間（例えば１分間）クールダウ
ンを行わせる（ＳＴ１３）。その後、運動負荷制御を終
了する（ＳＴ１４）。

【００４１】なお、上記図７及び図８のフロー図では、
最適運動強度決定後、クールダウンを行わせてから運動
を終了しているが、運動終了とせずに、一旦、負荷を最
適運動強度の１／２程度まで減少させ、この軽負荷によ
る運動を１分程度行わせた後、再び最適運動強度まで上
昇させ、最適運動強度でのトレーニングモードに入るト
レーニングプログラムも可能である。

【００４２】最適運動強度でのトレーニングモードに入
るトレーニングプログラムの具体例としては、図１６に
示すように、最適運動強度決定した〔図１６の（ａ）の
イ〕後、一旦運動負荷を最適運動強度の１／２程度まで
減少させ〔図１６の（ａ）のロ〕、その運動負荷での運
動を１分程度行わせた後、再び決定した最適運動強度ま
で上昇させ〔図１６の（ａ）のハ〕、最適運動強度で制
御される運動プログラムを実行する。

【００４３】また、体力レベルを評価する処理も、前記
と同様にRamp負荷の自動制御を用い、Ramp負荷運動時に
おける心拍数と負荷値との関係から体力レベルを決定す
ることが可能である。この体力レベルを決定する具体例
を図１７、図１８により説明する。先ず、Ramp負荷の自
動制御を用いたRamp負荷運動時（ウォーミングアップ終
了以降から、例えば７５％ＨRamxまで）に得られた心拍
数と運動負荷の関係〔図１７の（ｂ）〕から、最大予測
心拍数（ＨRmax〔ｂｐｍ〕）に値する最大予測運動負荷
（Ｗmax 〔ｗ〕）を算出する〔図１７の（ｃ）〕。例示
の７５％ＨRmaxは、キー入力部７より年令が入力されて
おり、内部でＨｌmax ＝２２０−年令を計算し、その７
５％の値を心拍数とするRamp負荷運動時の時間と傾きか
らＷmax〔ｗ〕を求める。つまり、図１７の（ｃ）に示
すように、ウォーミングアップ終了後からの運動負荷と
心拍数の関係から、近似直線イを求め、ＨRmaxに対する
運動負荷（Ｗmax 〔ｗ〕）を推定する。算出したＷmax
を用い、公知の式を用いて最大酸素摂取量〔１／ｍｉ
ｎ〕を推定し、体重で割って体重１Ｋｇ当たりの最大酸
素摂取量〔ｍｌ／Ｋｇ／ｍｉｎ〕を求める。年令・性別
による最大酸素摂取量の評価表を用い、推定した最大酸
素摂取量から体力レベル、例えば体力レベル１（劣る）
〜体力レベル６（非常に優れる）を決定する。決定した
体力レベルは、図１８の（ａ）、（ｂ）のように表示さ
れる。

【００４４】図７のフロー図のRamp負荷自動制御処理
（ＳＴ９）によるRamp負荷の負荷変動率の決定フロー図
の具体例を図１９〜図２３に示す。これらフロー図中に
おける各パラメータの記号は、図６の（ａ）に示したも
のである。また、ここでは、エルゴメータのRamp負荷運
動時における心拍数の直線的な上昇と、心拍間隔のゆら
ぎのパワーの指数関数的な減少を標準パターンとして用
いたものである。

【００４５】図１９に示すＳＴａの処理〔以下の図１９
〜図２３におけるＳＴａ、ＳＴｂ、ＳＴｃ、ＳＴｄ、…
…はウォーミングアップ経過後、１分、２分、３分、…
…という意味でＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、……
であるが、図７におけるＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、……
と区別するために、ＳＴａ、ＳＴｂ、ＳＴｃ、ＳＴｄ、
……を用いている〕は、図１３のフロー図に示すように
ウォーミングアップ開始から３分経過した場合である。
ウォーミングアップ終了から１分経過後の心拍数（ＳＴ
ａのＨＲ）を求める。ここで、前記図７のフロー図のＳ
Ｔ５で求めた心拍数（ＷｕｐのＨＲ）とＳＴａのＨＲを
比較し（ＳＴ１５）、心拍数の上昇が著しい場合は、負
荷変動率を緩くする。例えば、心拍数の増加〔ΔＨＲ１
｛（ＳＴａのＨＲ）−（ＷｕｐのＨＲ）｝〕が１５〔ｂ
ｐｍ〕より大きい場合は、現在のRamp負荷の負荷変動率
を５〔Ｗ／ｍｉｎ〕減少させ、５〔Ｗ／ｍｉｎ〕とする
（ＳＴ１６）。ΔＨＲ１が１５〔ｂｐｍ〕以下の場合
は、負荷変動率を１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕のままとする。

【００４６】図２０に示すＳＴｂの処理は、ウォーミン
グアップ開始から４分経過した場合である。ウォーミン
グアップ終了から２分経過後の心拍数（ＳＴｂのＨＲ）
とゆらぎのパワー（Ｐ２ｍｉｎ）を求める（ＳＴ２
１）。ここで、前記ＷｕｐのＨＲとＳＴｂのＨＲを比較
し（ＳＴ２２）、心拍数の上昇が著しい場合は、負荷変
動率を緩くする。また、心拍数の上昇が小さく、ゆらぎ
のパワーの減少率がＷｕｐと比べて小さい場合は、負荷
変動率を大きくする。例えば、心拍数の増加〔ΔＨＲ２
｛（ＳＴｂのＨＲ）−（ＷｕｐのＨＲ）｝〕が２０〔ｂ
ｐｍ〕より大きい場合は、現在のRamp負荷の負荷変動率
を５〔Ｗ／ｍｉｎ〕減少させ、５〔Ｗ／ｍｉｎ〕とする
（ＳＴ２４）。但し、現在の負荷変動率が５〔Ｗ／ｍｉ
ｎ〕以下であれば（ＳＴ２３）、現在の負荷変動率のま
まとする。

【００４７】一方、ΔＨＲ２が５〔ｂｐｍ〕未満で（Ｓ
Ｔ２５）、ゆらぎのパワーがＷｕｐのパワーの２／３よ
りも大きい場合は（ＳＴ２６）、ゆらぎのパワーの減少
率が小さいとみなし、現在の負荷変動率を５〔Ｗ／ｍｉ
ｎ〕増加させ、現在の負荷変動率が５〔Ｗ／ｍｉｎ〕の
ときは１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕とし、１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕の
ときは１５〔Ｗ／ｍｉｎ〕とする（ＳＴ２７）。ＳＴ２
２、ＳＴ２５がいずれもＮＯの場合は、現在の負荷変動
率のままとする。

【００４８】図２１及び図２２に示すＳＴｃの処理は、
ウォーミングアップ開始から５分経過した場合である。
ウォーミングアップ終了から３分経過後の心拍数（ＳＴ
ｃのＨＲ）とゆらぎのパワー（Ｐ３ｍｉｎ）を求める
（ＳＴ３１）。ここで、１分前の前記ＳＴｂのＨＲとＳ
ＴｃのＨＲを比較し（ＳＴ３２）、心拍数の上昇が著し
い場合は、負荷変動率を緩くする。また、心拍数の上昇
が小さく、ゆらぎのパワーの減少率がＷｕｐと比べて小
さい場合は、負荷変動率を大きくする。例えば、心拍数
の増加〔ΔＨＲ３｛（ＳＴｃのＨＲ）−（ＳＴｂのＨ
Ｒ）｝〕が１５〔ｂｐｍ〕より大きい場合は、現在のRa
mp負荷の負荷変動率を５〔Ｗ／ｍｉｎ〕減少させる。例
えば、現在の負荷変動率が１５〔Ｗ／ｍｉｎ〕の時は１
０〔Ｗ／ｍｉｎ〕とし、１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕の時は５
〔Ｗ／ｍｉｎ〕とする（ＳＴ３４）。但し、現在の負荷
変動率が１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕未満であれば（ＳＴ３
３）、現在の負荷変動率のままとする。

【００４９】一方、ゆらぎのパワーの絶対値が５００
〔ｍｓ²〕以上と大きい場合（ＳＴ３５）、或いはΔＨ
Ｒ３が５〔ｂｐｍ〕未満で（ＳＴ３８）、ゆらぎのパワ
ーがＷｕｐのパワーの１／２よりも大きい場合は（ＳＴ
３９）、ゆらぎのパワーの減少率が小さいとみなし、い
ずれも現在の負荷変動率を５〔Ｗ／ｍｉｎ〕増加させ、
現在の負荷変動率が５〔Ｗ／ｍｉｎ〕のときは１０〔Ｗ
／ｍｉｎ〕とし、１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕のときは１５〔Ｗ
／ｍｉｎ〕とする（ＳＴ３７，ＳＴ４１）。但し、前者
及び後者の場合、いずれも現在の負荷変動率が１５〔Ｗ
／ｍｉｎ〕以上のときは（ＳＴ３６，ＳＴ４０）、現在
の負荷変動率のままとする。また、ＳＴ３２、ＳＴ３
５、ＳＴ３８がいずれもＮＯの場合も、現在の負荷変動
率のままとする。

【００５０】図２３に示すＳＴｄの処理は、ウォーミン
グアップ開始から６分経過以降の場合である。例えば、
ウォーミングアップ終了から４分経過後の心拍数（ＳＴ
４のＨＲ）（図面中のＳＴ“＊”はウォーミングアップ
終了からの時間経過により分数値を適用することにな
る。ここでは、ウォーミングアップ終了から４分経過の
例であるので、ＳＴ“ｄ”〔ｄ＝４〕となる）と、ゆら
ぎのパワー（Ｐ４ｍｉｎ）（同じ理由から図面中のＰ
“＊”ｍｉｎで、ここでは＊＝４となる）を求める（Ｓ
Ｔ５１）。ここで、ゆらぎのパワーの絶対値が５００
〔ｍｓ²〕以上と大きい場合は（ＳＴ５２）、ゆらぎの
パワーの減少率が小さいとみなし、現在の負荷変動率を
５〔Ｗ／ｍｉｎ〕増加させ、現在の負荷変動率が５〔Ｗ
／ｍｉｎ〕のときは１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕とし、１０〔Ｗ
／ｍｉｎ〕のときは１５〔Ｗ／ｍｉｎ〕とする（ＳＴ５
５）。但し、現在の負荷変動率が２０〔Ｗ／ｍｉｎ〕以
上のときは（ＳＴ５４）、現在の負荷変動率のままとす
る。

【００５１】一方、１分前の前記ＳＴｃのＨＲとＳＴｄ
のＨＲを比較し（ＳＴ５３）、心拍数の上昇が著しい場
合（ＮＯの場合）は、負荷変動率をそのままとする。例
えば、心拍数の増加〔ΔＨＲ４｛（ＳＴｄのＨＲ）−
（ＳＴｃのＨＲ）｝〕が５〔ｂｐｍ〕以上の場合は、現
在の負荷変動率のままとする。ＳＴ５３の判定がＹｅｓ
で、ゆらぎのパワーの絶対値が予め設定してあるパワー
基底値（Ｐbase）よりも大きい場合は（ＳＴ５６）、現
在の負荷変動率を５〔Ｗ／ｍｉｎ〕増加させ、現在の負
荷変動率が５〔Ｗ／ｍｉｎ〕のときは１０〔Ｗ／ｍｉ
ｎ〕とし、１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕のときは１５〔Ｗ／ｍｉ
ｎ〕とする（ＳＴ５８）。但し、現在の負荷変動率が２
０〔Ｗ／ｍｉｎ〕以上のときは（ＳＴ５７）、現在の負
荷変動率のままとする。ＳＴ５２、ＳＴ５３の判定がい
ずれもＮｏの場合は、現在の負荷変動率のままとする。

【００５２】このように、ウォーミングアップ終了から
４分経過した以降は、同様の方法で、１分毎に心拍数と
心拍間隔のゆらぎのパワーを算出し、心拍数に関して
は、１分前の値からの上昇値を検討し、心拍間隔のゆら
ぎのパワーに関しては、絶対値の大きさから判断し、そ
れらの結果に基づいてRamp負荷の負荷変動率を変更して
いく。但し、ここではRamp負荷の下限は５〔Ｗ／ｍｉ
ｎ〕、上限は２０〔Ｗ／ｍｉｎ〕としており、５〔Ｗ／
ｍｉｎ〕より小さく、２０〔Ｗ／ｍｉｎ〕より大きく設
定されないようにしている。

【００５３】以上のように、各人に対して正確な体力レ
ベル及び最適な運動強度を決定でき、各個人の体力に応
じた適切なRamp負荷を提供できる。また、運動開始前に
年齢・性別・体重などの個人情報を入力する必要がな
く、入力する手間も掛からず、使い勝手が向上する。

【００５４】実際に、上記のような運動機器（エルゴメ
ータ）を用い、Ramp負荷の自動制御を行い、最適運動強
度を決定したデータを図２４及び図２５に示す。図２４
は、２８歳の男性データを示し、体力レベルが高めの被
験者である。この場合、Ramp負荷の負荷変動率は、ウォ
ーミングアップ終了後の最初は１０〔Ｗ／ｍｉｎ〕に固
定されているが、途中で１５〔Ｗ／ｍｉｎ〕になり、さ
らに２０〔Ｗ／ｍｉｎ〕に変更されている。また、ゆら
ぎのパワーの収束点は８．７５ｍｉｎで決定されてい
る。

【００５５】一方、図２５は、２３歳の女性データを示
し、体力レベルは普通の被験者である。Ramp負荷の負荷
変動率は、ウォーミングアップ終了後の最初から１０
〔Ｗ／ｍｉｎ〕に設定されたままであり、以後変更され
ていない。ゆらぎパワーの収束点は６．７５ｍｉｎで決
定されている。図２４、図２５において、ゆらぎのパワ
ーの収束点の位置から点線で垂直方向に補助線を引いて
いるが、その補助線と心拍数（ｂｐｍ）の曲線（折れ
線）との交点は、心拍数で示した最適運動強度の値を示
し、補助線と運動負荷〔ｗ〕の曲線（折れ線）との交点
を運動負荷で示した最適運動強度の値である。

【００５６】なお、上記実施形態に係るフロー図は、生
理信号として、心拍数と心拍間隔のゆらぎのパワーを用
いたが、心拍数の代わりに拍動信号により得られる脈拍
数でもよい。また、心拍間隔のゆらぎのパワーの代わり
に心拍間隔のゆらぎのエントロピーでもよい。或いは、
生理信号として、心拍数変動スペクトルのパワーを用い
てもよい。さらに、上記フロー図は、漸増負荷を求める
ものであるが、漸減負荷を求める場合も基本的に同様で
ある。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
〜１０及び請求項１６記載の運動機器によれば、次の効
果が得られる。（１）運動者の運動能力に応じた適切な負荷を提供でき
る。（２）自分の体力レベルを把握していなくても、各人に
応じた最適な負荷で運動することができ、過度の負荷が
かかったり、反対に負荷が弱過ぎたりすることがない。（３）年齢・性別・体重などの個人情報を入力する必要
や、事前に体力測定を行う必要がない。

【００５８】請求項１１記載の体力レベル評価装置によ
れば、次の効果が得られる。（４）運動を行うことにより、各人の体力レベルを正確
に評価することができる。（５）年齢・性別・体重などの個人情報を入力する必要
や、事前に体力測定を行う必要がない。

【００５９】請求項１２〜１５記載の運動強度決定装置
によれば、次の効果が得られる。（６）運動により各人に最適な運動強度を決定すること
ができる。（７）年齢・性別・体重などの個人情報を入力する必要
や、事前に体力測定を行う必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の運動機器の実施形態に係る自転車エル
ゴメータの回路構成を示すブロック図である。

【図２】同自転車エルゴメータの外観斜視図である。

【図３】同自転車エルゴメータで使用される心電センサ
の別例を運動者に装着した状態を示す図である。

【図４】同自転車エルゴメータで使用される心電センサ
のさらに別例を運動者に装着した状態を示す図である。

【図５】同自転車エルゴメータで使用される脈拍センサ
を運動者に装着した状態を示す図である。

【図６】図７のフロー図におけるRamp負荷自動制御に用
いたゆらぎパワー値の分類表である。

【図７】同自転車エルゴメータの動作の一例を示すフロ
ー図である。

【図８】図７のフロー図に続くフロー図である。

【図９】ゆらぎのパワーの収束点から最適運動強度であ
る運動負荷を求める説明図である。

【図１０】ゆらぎの収束点を決定するための処理を示す
フロー図である。

【図１１】図１０とともに、ゆらぎの収束点を決定する
ための処理を示すフロー図である。

【図１２】Ramp負荷とゆらぎのパワーの関係を示す図で
ある。

【図１３】図７のフロー図におけるRamp負荷自動制御の
処理を示すフロー図である。

【図１４】最適運動強度決定の表示例を示す図である。

【図１５】運動強度の表示例を示す図である。

【図１６】最適運動強度でのトレーニングモードに入る
状態を説明する図である。

【図１７】運動負荷と心拍数の関係から体力レベルを求
める説明図である。

【図１８】体力レベル決定時の表示例を示す図である。

【図１９】図１３のフロー図におけるＳＴａの処理を示
すフロー図である。

【図２０】図１３のフロー図におけるＳＴｂの処理を示
すフロー図である。

【図２１】図１３のフロー図におけるＳＴｃの処理を示
すフロー図である。

【図２２】図２１のフロー図に続くフロー図である。

【図２３】図１３のフロー図におけるＳＴｄの処理を示
すフロー図である。

【図２４】実施形態自転車エルゴメータを用いて最適運
動強度を決定した２８歳の男性データである。

【図２５】実施形態自転車エルゴメータを用いて最適運
動強度を決定した２３歳の女性データである。

【図２６】年齢・性別・体重などの個人情報を入力して
Ramp負荷の負荷変動率を決定する従来例を示すフロー図
である。

【符号の説明】

１心電センサ（生理信号測定手段）６ＣＰＵ（負荷決定手段、体力レベル評価手段、運
動強度決定手段）８表示器７キー入力装置９負荷装置（運動負荷手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】運動負荷可変の運動負荷手段と、この運動
負荷手段による運動中に生理信号を非侵襲で測定する生
理信号測定手段と、運動中に得られた生理信号に基づい
て漸増負荷又は漸減負荷の負荷変動率を決定する負荷決
定手段とを備え、前記運動負荷手段は、負荷決定手段で
決定された漸増負荷又は漸減負荷の負荷変動率に基づい
て運動負荷を変更することを特徴とする運動機器。
【請求項２】前記生理信号は、心電信号又は拍動信号で
あることを特徴とする請求項１記載の運動機器。
【請求項３】前記生理信号は、心電信号により得られた
心拍間隔のゆらぎであることを特徴とする請求項１記載
の運動機器。
【請求項４】前記心拍間隔のゆらぎは、心拍間隔のゆら
ぎのパワーであることを特徴とする請求項３記載の運動
機器。
【請求項５】前記心拍間隔のゆらぎは、心拍間隔のゆら
ぎのエントロピーであることを特徴とする請求項３記載
の運動機器。
【請求項６】前記生理信号は、心拍数変動スペクトルの
パワーであることを特徴とする請求項１記載の運動機
器。
【請求項７】前記生理信号は、少なくとも心電信号によ
り得られた心拍数又は拍動信号により得られた脈拍数
と、心電信号により得られた心拍間隔のゆらぎとの両方
であることを特徴とする請求項１記載の運動機器。
【請求項８】前記心拍間隔のゆらぎは、心拍間隔のゆら
ぎのパワーであることを特徴とする請求項７記載の運動
機器。
【請求項９】前記心拍間隔のゆらぎは、心拍間隔のゆら
ぎのエントロピーであることを特徴とする請求項７記載
の運動機器。
【請求項１０】前記生理信号は、少なくとも心電信号に
より得られた心拍数又は拍動信号により得られた脈拍数
と、心拍数変動スペクトルのパワーとの両方であること
を特徴とする請求項１記載の運動機器。
【請求項１１】運動中に生理信号を非侵襲で測定する生
理信号測定手段と、運動中に得られた生理信号に基づい
て漸増負荷又は漸減負荷の負荷変動率を決定する負荷決
定手段と、この負荷決定手段で決定された漸増負荷又は
漸減負荷の負荷変動率に従い、漸増又は漸減負荷運動時
における運動負荷と心拍数との関係から体力レベルの評
価を行う体力レベル評価手段とを備えることを特徴とす
る体力レベル評価装置。
【請求項１２】運動中に生理信号を非侵襲で測定する生
理信号測定手段と、運動中に得られた生理信号に基づい
て漸増負荷又は漸減負荷の負荷変動率を決定する負荷決
定手段と、この負荷決定手段で決定された漸増負荷又は
漸減負荷の負荷変動率に従い、漸増又は漸減負荷運動時
における運動負荷と心拍間隔のゆらぎとの関係から最適
な運動強度の決定を行う運動強度決定手段とを備えるこ
とを特徴とする運動強度決定装置。
【請求項１３】前記心拍間隔のゆらぎは、心拍間隔のゆ
らぎのパワーであることを特徴とする請求項１２記載の
運動強度決定装置。
【請求項１４】前記心拍間隔のゆらぎは、心拍間隔のゆ
らぎのエントロピーであることを特徴とする請求項１２
記載の運動強度決定装置。
【請求項１５】運動中に生理信号を非侵襲で測定する生
理信号測定手段と、運動中に得られた生理信号に基づい
て漸増負荷又は漸減負荷の負荷変動率を決定する負荷決
定手段と、この負荷決定手段で決定された漸増負荷又は
漸減負荷の負荷変動率に従い、漸増又は漸減負荷運動時
における運動負荷と心拍数変動スペクトルのパワーとの
関係から最適な運動強度の決定を行う運動強度決定手段
とを備えることを特徴とする運動強度決定装置。
【請求項１６】負荷値可変の運動負荷手段と、請求項１
１、請求項１２又は請求項１５記載のいずれかの装置と
を備え、前記運動負荷手段は、前記体力レベル評価装置
で得られた体力レベル又は前記運動強度決定装置で得ら
れた運動強度に基づいて運動負荷を変更することを特徴
とする運動機器。