JP2002336209A - 運動強度検出装置、生体負荷検出装置、プログラム、及び記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 体調・体力などの個人差の影響が少なく、運
動中でも容易に計測可能な脈波信号を用いて、精度良く
運動強度や環境負荷を求めることができる運動強度検出
装置、生体負荷検出装置、プログラム、及び記録媒体を
提供すること。 【解決手段】 ステップ１１０では、脈拍間隔のデータ
に対してＦＦＴの周波数解析を実施し脈拍間隔ゆらぎ成
分であるＨＦ成分を求める。ステップ１３０では、ＨＦ
成分が（適正運動限界ＭＢに達しない）適正運動範囲内
であるか否かを判定する。ステップ１４０では、より正
確に運動強度を検出するために、ＭＶＷを検出する。ス
テップ１７０では、ＭＶＷが発生したか否かを判定す
る。ステップ１９０では、ＭＶＷが発生したので、運動
限界ＭＤの危険な運動状態に達したことを表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば小型で携帯
性に優れ、スポーツや運動療法を行うときに人体に装着
できる脈波センサを用い、その脈波センサにより得られ
た脈波信号を利用して運動強度や環境負荷を検出するこ
とができる運動強度検出装置、生体負荷検出装置、プロ
グラム、及び記録媒体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、人間の運動中の状態を検出す
る方法として、カルボーネンの式等を用いて運動中の脈
拍数を求め、この脈拍数により運動強度を求める方法
や、血中の乳酸値を測定して運動強度を求める方法が知
られている。

【０００３】尚、カルボーネンの式とは、運動時の目標
脈拍数を、下記式（１）にて規定したものであり、ここ
で、運動強度（Ｋ）は、通常４０〜５０％として計算す
る。 運動時の目標心拍数＝ ｛(220−年齢)−安静時心拍数｝×運動強度Ｋ＋安静時心拍数・・（１）

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
カルボーネンの式等を用いる方法の場合は、個人差が大
きく精度が低いという問題があった。また、後者の血中
の成分を用いる方法の場合は、採血を行うために、被測
定者の苦痛を伴い、運動の最中の測定は困難であるとい
う問題があった。

【０００５】本発明は、前記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、体調・体力などの個人差
の影響が少なく、運動中でも容易に計測可能な脈波信号
を用いて、精度良く運動強度や環境負荷を求めることが
できる運動強度検出装置、生体負荷検出装置、プログラ
ム、及び記録媒体を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】本発明
は、新しく開発した高性能な脈波計（脈波センサ）を用
いて、運動強度と脈波信号との関係を見い出したことに
より、本発明に到ったものである。特に、以下に示す様
に、運動限界における脈波の基線等の大きなゆらぎに関
しては、全く知られていない新規なものであり、本発明
は、これらの知見に基づいてなされたものである。

【０００７】（１）請求項１の発明の運動強度検出装置
では、ゆらぎ検出手段により、（例えば脈波センサによ
って）測定された脈波信号に基づいて脈波信号のゆらぎ
を示すゆらぎ成分を検出し、運動強度検出手段により、
脈波信号のゆらぎ成分に基づいて運動強度を求める。

【０００８】本発明者らの研究により、図２（ａ）に示
す様に、運動強度が増加するにつれて、脈波信号の低周
波のゆらぎ（同図では特に１１．５min以降に増大して
いる）が現れることが解明されている。この脈波信号の
ゆらぎ（従ってゆらぎ成分）とは、心拍に対応する１拍
毎の脈波の変動ではなく、多数の脈波の信号（脈波列の
信号）を各脈波より大きな波動状の信号として認識した
ものであり、通常は各脈波より低周波の信号である。こ
のゆらぎは、例えば図２（ｂ）に拡大して示す様に、脈
波信号の中央値である基線（同図の破線で示す脈波基
線）などにより表すことができる。このゆらぎをＭＶＷ
と呼ぶ。

【０００９】つまり、運動強度が増加すると、脈波信号
のゆらぎの状態が変化するので、この運動状態とゆらぎ
の状態との関係を利用して、ゆらぎから運動強度を求め
ることができる。尚、前記ゆらぎ成分とは、ゆらぎの状
態を示す値であり、例えばゆらぎを示す波動の周波数、
周期、振幅など各種の表現により示すことができる。

【００１０】（２）請求項２の発明では、脈波信号のゆ
らぎ成分は、脈波信号を周波数解析することによって得
られる所定範囲の周波数成分である。本発明は、脈波信
号のゆらぎ成分を抽出する手法を例示したものである。
上述した様に、各脈波の信号と連続した脈波からなる脈
波信号（脈波列の信号）とは、その信号の周波数に大き
な違いがある。従って、脈波センサによって得られた信
号に対する周波数解析を行うことにより、各脈波を示す
周波数成分（高めの周波数）と連続した脈波信号のゆら
ぎを示す周波数成分（低めの周波数）を区別して取り出
すことが可能である。

【００１１】（３）請求項３の発明では、ゆらぎ成分に
基づいて、運動強度が危険な運動の範囲の限界である運
動限界に達したか否かを判定する。前記図２に示す様
に、運動強度が増加すると、脈波信号のゆらぎが増加す
るが、このゆらぎは血管の運動によって発生すると考え
られる。つまり、血圧の調整が、もはや心臓の心拍数制
御だけでは限界に達しているか或いは心臓の制御限界に
なったと考えられる。従って、例えば基線の過度のゆら
ぎにより、運動強度が危険な運動の範囲の限界である運
動限界に達したと見なすことができる。

【００１２】よって、本発明では、脈波信号に基づいて
検出された運動強度に基づいて、運動限界に達したか否
かを判定することができる。 （４）請求項４の発明では、脈波信号のゆらぎ成分とし
て、脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分を用いる。

【００１３】脈波信号のゆらぎの状態を把握する場合に
は、脈波信号の基線（各脈波の上下のピークの中央値を
つないだもの：図２（ｂ）の破線参照）のゆらぎ成分
や、脈波信号の包絡線（各脈波のピークをつないだも
の：図２（ｂ）の一点鎖線参照）のゆらぎ成分を用いる
ことができる。

【００１４】尚、包絡線としては、上ピーク同士を結ん
だ上包絡線と下ピーク同士を結んだ下包絡線がある。 （５）請求項５の発明では、脈波信号の基線又は包絡線
のゆらぎ成分が、所定の判定値以上となった場合には、
運動強度が運動限界に達したと判定する。

【００１５】例えば正常時（運動をしていない状態）の
脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分を基準とし、そ
の基準値に基づいて実験等により運動限界を示す判定値
を設定しておく。よって、測定されたゆらぎ成分が、そ
の判定値以上となった場合には、運動限界ＭＤに達した
と判定することができる。この運動限界ＭＤは、単なる
運動強度最大を示す運動負荷最大（最大負荷限界ＭＣ）
を超えた危険域である。

【００１６】（６）請求項６の発明では、脈波信号の基
線又は包絡線のゆらぎ成分として、脈波信号を周波数解
析して得られる０．２５Ｈｚ以下の所定の周波数成分の
強度又はパワーＢ（例えば０．１Ｈｚ近傍のゆらぎ成分
を示すもの）を求め、この強度又はパワーＢの変化に基
づいて、運動強度を検出する。

【００１７】脈波信号の（例えばＦＦＴによる）周波数
解析を行うと、基線又は包絡線のゆらぎ成分は各脈波に
比べて低周波であるので、０．２５Ｈｚ以下（例えば
０．０５〜０．２５Ｈｚ）の範囲内にて特徴のあるピー
クが得られる。このピークの程度を示す強度又はパワー
Ｂは、本発明者らの研究により、図３に示す様に、運動
強度が大きくなるほど大きくなることが分かっている。
従って、強度又はパワーＢに基づいて、運動強度を検出
することができる。

【００１８】（７）請求項７の発明では、ゆらぎ成分を
示す周波数成分の強度又はパワーＢと脈波を示す周波数
成分の強度又はパワーＡとの比Ｂ／Ａに基づいて、運動
強度を検出する。前記図３に示す様に、脈波信号の周波
数解析を行うと、基線又は包絡線のゆらぎ成分と各脈波
に対応したピークが得られる。

【００１９】本発明者らの研究により、ゆらぎ成分に対
応する強度又はパワーＢは、運動強度が大きくなるほど
大きくなり、逆に、脈波に対応する強度又はパワーＡ
は、運動強度が大きくなるほど相対的に小さくなること
が分かっている。従って、脈波に対応する強度又はパワ
ーＡとゆらぎ成分に対応する強度又はパワーＢとの比Ｂ
／Ａに基づいて、運動強度を検出することができる。例
えばこの比Ｂ／Ａが逆転した場合に、運動限界に達した
と判定することができる。

【００２０】また、本発明では、Ｂ／Ａを用いるので、
脈波の個体差による影響を軽減でき、より精度の高い運
動強度の検出を行うことができる。 （８）請求項８の発明では、脈波信号の基線又は包絡線
のゆらぎ成分として、脈波信号を周波数解析して得られ
る０．２５Ｈｚ以下の所定の周波数成分を求め、この周
波数成分の分布の変化に基づいて、運動強度を検出す
る。

【００２１】本発明者らの研究により、ゆらぎ成分を示
す周波数成分は、運動強度が大きくなるほど単一周波数
成分となることが分かっている。従って、ゆらぎ成分を
示す周波数成分の周波数分布の変化から、運動強度を検
出することができる。 （９）請求項９の発明では、脈波信号のゆらぎ成分の実
際の振幅ＤＢに基づいて、運動強度を検出する。

【００２２】本発明者らの研究により、運動強度が大き
くなると、脈波信号のゆらぎ成分の実際の振幅ＤＢが大
きくなることが分かっている。この実際の振幅ＤＢと
は、周波数解析によるゆらぎ成分のピークの強度ではな
く、例えば図２（ｂ）に示す様な実際の信号列のゆらぎ
成分の振幅ＤＢである。

【００２３】従って、実際の振幅ＤＢを測定することに
より、運動強度を検出することができる。この場合は、
脈波信号の周波数解析を行わなくても済むので、演算処
理の負担が軽減され、速やかに運動強度の検出を行うこ
とができる。尚、この場合は、上述したＦＦＴなどの周
波数解析を行った場合に比べて、多少精度は落ちるかも
知れないが、実用的には十分であり、速やかに演算結果
が得られるという利点は大きなものである。

【００２４】（１０）請求項１０の発明では、脈波信号
のゆらぎ成分の実際の振幅ＤＢと、脈波の心拍成分の実
際の振幅ＤＡとの振幅の比ＤＢ／ＤＡに基づいて、運動
強度を検出する。本発明では、両振幅の比ＤＢ／ＤＡを
用いるので、脈波の個体差による影響を軽減でき、より
精度の高い運動強度の検出を行うことができる。

【００２５】尚、ここで、脈波の心拍成分の実際の振幅
ＤＡとは、周波数解析による脈波を示すピークの強度で
はなく、例えば図２（ｂ）に示す様な実際の個々の脈波
の振幅ＤＢである。 （１１）請求項１１の発明では、脈拍間隔ゆらぎ（変
動）検出手段により、（例えば脈波センサによって）測
定した脈波信号に基づいて脈拍間隔のゆらぎを示す脈拍
間隔ゆらぎ成分を検出し、間隔運動強度検出手段によ
り、脈波信号の脈拍間隔ゆらぎ成分に基づいて運動強度
を検出する。

【００２６】図５に示す様に、例えば脈波信号の脈拍間
隔を周波数解析し、そのゆらぎ（従って脈拍間隔ゆらぎ
成分）を示す０．１５〜０．４５Ｈｚの周波数成分を観
察すると、運動強度が増加するに従ってその周波数成分
は低下してくることが分かる。

【００２７】従って、脈波信号の脈拍間隔ゆらぎ成分に
基づいて、運動強度を検出することができる。 （１２）請求項１２の発明では、脈拍間隔ゆらぎ成分
は、脈波信号における脈拍間隔のデータ（脈波間隔信
号）を周波数解析することによって得られる０．１５〜
０．４５Ｈｚの範囲の周波数成分である。

【００２８】本発明は、脈拍間隔ゆらぎ成分を求める手
法を例示したものである。 （１３）請求項１３の発明では、脈拍間隔ゆらぎ成分に
基づいて、運動強度が適正な運動の範囲の限界を示す適
正運動限界（ＭＢ）に達したか否かを判定する。

【００２９】この適正運動限界とは、有酸素運動の限界
に相当するものであり、例えば前記図５に示す様に、脈
拍間隔ゆらぎ成分に該当する周波数成分において、最初
の３分間の平均値ＭＡの約５０％を適正運動限界ＭＢと
して設定することができる。よって、運動時に、その運
動が適正運動限界に達したか否かを判定することによ
り、常に有効な有酸素運動を行うことができる。

【００３０】（１４）請求項１４の発明では、脈拍間隔
ゆらぎ成分に基づいて、運動強度が最大の負荷が加わっ
ている最大負荷限界（ＭＣ）に達したか否かを判定す
る。前記適正運動限界を超えて運動を継続した場合等に
は、無酸素運動が継続することになり、身体にとっては
過度の負荷がかかっている状態となる。

【００３１】よって、その最大の負荷が加わっている最
大負荷限界ＭＣ（例えば前記平均値ＭＡの１０％）に達
したことを検出することにより、身体にとって最大領域
に到ったかどうかを判断することができるので、安全性
の確保の上で重要である。尚、この最大負荷限界ＭＣを
超えると、次に上述したもはや危険な領域である運動限
界ＭＤに達することになる。

【００３２】（１５）請求項１５の発明では、運動強度
の検出の際に、脈拍数による条件を加える。上述した様
に脈波信号のゆらぎ成分や脈拍間隔ゆらぎ成分等により
運動強度を検出することができるが、運動強度が増加す
れば脈拍数は増加するので、この脈拍数の条件を加味し
て判断することにより、運動強度の検出の精度を一層向
上することができる。

【００３３】（１６）請求項１６の発明では、脈拍数の
条件は、運動前の脈拍数に対する運動時の脈拍数の変化
率に基づいた条件である。例えば運動時の脈拍数が運動
前の脈拍数の所定倍になった場合には、運動強度が増加
したと考えられるので、この脈拍数の変化率に基づいた
条件を加えることにより、より精度の高い運動強度の検
出を行うことができる。

【００３４】（１７）請求項１７の発明では、運動強度
の検出結果を報知する。例えば光、音、無線などを利用
して報知する。従って、この報知された結果に基づい
て、運動強度を弱めたり中止したりして、最適な状態で
安全に運動を行うことができる。

【００３５】（１８）請求項１８の発明（プログラム）
は、請求項１〜１７のいずれかに記載の運動強度検出装
置の機能を実現するための手段を有している。つまり、
上述した運動強度検出装置の機能を実現するための各手
段は、コンピュータのプログラムにより実行される処理
により実現することができる。

【００３６】（１９）請求項１９の発明（記録媒体）
は、請求項１８に記載のプログラムの機能を実現するた
めの手段を記憶している。つまり、上述した様なプログ
ラムをコンピュータシステムにて実現する機能は、例え
ば、コンピュータシステム側で起動するプログラムとし
て備えることができる。このようなプログラムの場合、
例えば、フロッピーディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−
ＲＯＭ、ハードディスク等のコンピュータ読み取り可能
な記録媒体に記録し、必要に応じてコンピュータシステ
ムにロードして起動することにより用いることができ
る。この他、ＲＯＭやバックアップＲＡＭ等をコンピュ
ータ読み取り可能な記録媒体として前記プログラムを記
録しておき、このＲＯＭあるいはバックアップＲＡＭ等
をコンピュータシステムに組み込んで用いても良い。

【００３７】（２０）請求項２０の発明の生体負荷検出
装置では、請求項１〜１９のいずれかに記載の運動強度
検出装置における運動強度を、生体に対する環境負荷と
みなして、脈波信号に基づいて、生体への環境負荷を検
出する。上述した様にして検出した運動強度は、生体が
例えば安静時に対して何らかの負荷を受けた場合の環境
負荷と見なすことができる。つまり、上述した各運動強
度検出装置において、その運動強度を環境負荷の負荷強
度とおきかえれば、それらは、全て生体に対する負荷で
ある環境負荷の状態（環境負荷強度）を検出する生体負
荷検出装置として用いることができる。

【００３８】（２１）請求項２１の発明では、環境負荷
は、高齢者の入浴時の身体への環境負荷である。つま
り、高齢者の入浴時において、その脈波信号を検出し、
その脈波信号のゆらぎ成分や脈拍間隔ゆらぎ成分等か
ら、運動強度（この場合は環境負荷の程度）を求めるこ
とができる。

【００３９】従って、環境負荷が過大である場合には、
入浴を中止するなど、適切な対応をとることができる。 （２２）請求項２２の発明（プログラム）は、請求項２
０又は２１に記載の生体負荷検出装置の機能を実現する
ための手段を有している。

【００４０】つまり、上述した生体負荷検出装置の機能
を実現するための各手段は、コンピュータのプログラム
により実行される処理により実現することができる。 （２３）請求項２３の発明（記録媒体）は、請求項２２
に記載のプログラムの機能を実現するための手段を記憶
している。尚、この手段の具体例は、前記請求項１９に
記載の内容と同様である。

【００４１】尚、脈波センサを用いて、脈波を検出する
場合には、その測定部位として、腕（手首甲、上腕）、
額、こめかみ等が、装着性に優れており、ゆらぎ成分を
好適に検出することができる

【００４２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の運動強度検出装
置、生体負荷検出装置、プログラム、及び記録媒体の実
施の形態の例（実施例）について、図面に基づいて説明
する。 （実施例１）ａ）まず、本実施例の運動強度検出装置の
基本構成について、図１に基づいて説明する。

【００４３】図１に示す様に、本実施例の運動強度検出
装置は、人体の例えば指や手首等に取り付けて使用され
る脈波センサ１と、この脈波センサ１から出力される測
定結果に基づいて脈波を計測するとともに、その脈拍信
号に基づいて運動強度に関する処理等を行うデータ処理
装置３とを備えている。尚、前記脈波センサ１を取り付
ける場所としては、指、手首、腕、額、こめかみ、すね
などが好ましい。

【００４４】前記脈波センサ１は、発光素子（例えば発
光ダイオード：ＬＥＤ）５と、その駆動回路７と、受光
素子（例えばフォトダイオード：ＰＤ）９と、光を通過
させる透明な窓１１とを備える、周知の光学式反射型セ
ンサである。この脈波センサ１においては、発光素子５
から人体に向かって光が照射されると、光の一部が人体
の内部を通る毛細動脈に当たって、毛細動脈を流れる血
液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が毛細動脈で
反射して散乱し、その一部が受光素子９に入射する。こ
の時、血液の脈動により毛細動脈にあるヘモグロビンの
量が波動的に変化するので、ヘモグロビンに吸収される
光も波動的に変化する。その結果、毛細動脈で反射して
受光素子９で検出される受光量が変化し、その受光量の
変化を脈波情報（例えば電圧信号）としてデータ処理装
置３に出力している。

【００４５】一方、前記データ処理装置３は、検出回路
１３と、ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）１５と、マイクロコ
ンピュータ１７とを内蔵するとともに、データを（マニ
ュアル等により）入力するための入力部１９と、検出結
果等を表示する表示部２１とを備えている。

【００４６】このうち、検出回路１３では、脈波センサ
１から得られた電圧信号を増幅し、ＡＤＣ１５では、検
出回路１３から得られた電圧信号であるアナログ信号を
デジタル信号に変換する。また、マイクロコンピュータ
１７は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた電子
回路であり、ＡＤＣ１５から得られたデジタル信号を処
理するためのプログラムが記憶されている。つまり、脈
波センサ１で検出された脈波信号を計測し、運動強度を
検出するためのアルゴリズムに基づいたプログラムが組
み込まれている。

【００４７】ｂ）次に、前記運動強度を検出するための
原理及び手順について説明する。 ＜脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎの利用＞ ・本発明者らの研究によれば、運動強度の増加に伴っ
て、脈波信号のゆらぎ（例えば脈波信号の基線又は包絡
線のゆらぎ）が発生することが分かっている。

【００４８】この基線等のゆらぎ（従ってゆらぎを示す
ゆらぎ成分）は、血管の運動によって発生すると考えら
れるが、これは血圧の調整が、もはや心臓の心拍数制御
だけでは限界に達しているか或いは心臓の制御限界にな
ったと考えられる。図２にその実測値の例を示すが、運
動強度の増加（この場合は持続時間の経過）に伴い、各
心拍に対応した脈波よりもはるかに大きな波動である脈
波信号（脈波列の信号）の基線のゆらぎ、即ち各脈波よ
り低周波のゆらぎ成分が発生していることが分かる。ま
た、同様に包絡線のゆらぎも発生していることが分か
る。尚、図２（ｂ）は図２（ａ）の一部を拡大したもの
である。

【００４９】従って、この脈波信号の基線等のゆらぎ成
分によって、運動時の危険度、即ち運動強度が危険な運
動の範囲の限界である運動限界ＭＤに達したか否かが分
かるので、基線等のゆらぎ成分を運動強度を示すデータ
として求めることにより、発作等の発生に対する警告や
防止を行うことができる。

【００５０】尚、前記ゆらぎを示す周波数（ゆらぎ成
分）は、０．２５Ｈｚ以下の０．０５〜０．２Ｈｚの範
囲内の約０．１Ｈｚ近傍である。 ・具体的には、脈波信号に対して（例えばＦＦＴによ
る）周波数解析を行うと、図３に示す様に、基線又は包
絡線のゆらぎ成分と各脈波に対応した成分のピークが得
られる。尚、図３（ａ）は安静時のデータであり、図３
（ｂ）は限界運動時のデータである。

【００５１】前記基線等のゆらぎ成分に対応する強度又
はパワーＢは、運動強度が大きくなるほど大きくなり、
逆に、脈波に対応する強度又はパワーＡは、運動強度が
大きくなるほど相対的に小さくなる。尚、前記強度又は
パワーは、一般的に、周波数解析（ＦＦＴ）によって得
られる値（周波数成分の大きさを示す値）であり、強度
（Ｉ：インデンシティ）の２乗がパワー（Ｐ）である。

【００５２】従って、脈波に対応する強度又はパワーＡ
とゆらぎ成分に対応する強度又はパワーＢとの比Ｂ／Ａ
に基づいて、運動強度を検出することができる。例えば
この比Ｂ／Ａが逆転した場合に、運動限界ＭＤに達した
と判定することができる。 ＜脈拍間隔のゆらぎの利用＞ 図４（ａ）に、脈波センサ１によって測定された脈波信
号を示すが、各心拍に対応する脈波のピークが、ほぼ所
定間隔毎に出力されていることが分かる。

【００５３】図４（ｂ）は、この脈拍間隔、例えば脈波
のピークと脈波のピークとの間隔（立ち上がりや立ち下
がりの間隔でもよい）である時間（ｍ）を、時系列デー
タとして並べたもの（脈波間隔信号）、即ち、測定開始
からの経過時間における脈拍間隔を縦軸にとったもので
ある。

【００５４】この図４（ｂ）から、上述したの（脈拍
間隔ではない）脈波信号の基線等と同様に、脈拍間隔の
時系列データも上下にうねっていること、即ち脈拍間隔
がゆらいでいることが分かる。従って、この脈拍間隔の
時系列データに対して例えば周知のＦＦＴによる周波数
解析を行い、０．１５〜０．４５Ｈｚの周波数帯域の成
分を脈拍間隔ゆらぎ成分（ＨＦ成分）として取り出す。
尚、この帯域の周波数成分を取り出す方法としては、ソ
フトやハードなどの例えばバンドパスフィルタなどを利
用して行うことができる。

【００５５】そして、運動強度が増加するに従って、こ
のゆらぎを示すＨＦ成分が低下するという現象があるの
で、ＨＦ成分の変化から運動強度を求めることが可能で
ある。つまり、図５に、０．１５〜０．４５Ｈｚの平均
脈拍間隔変動量（経時変化）を示すが、準備体操或いは
軽く運動を始めた最初の３分間のゆらぎのＨＦ成分の平
均値をＭＡ点とし、ＭＡ点の５０％をＭＢ点とすると、
このＭＢ点が有酸素運動の限界（適正運動限界）にほぼ
相当する。

【００５６】尚、前記図５に示す０．１５〜０．４５Ｈ
ｚの平均脈拍間隔変動量とは、脈拍間隔に対する（所定
の時間Δｔにおける）例えば周知のＦＦＴによる周波数
解析の結果から、０．１５〜０．４５Ｈｚの間の周波数
成分のパワーの積分値（図６の斜線で示すＨＦ成分）を
求め、この積分値を経過時間に伴ってプロットしたもの
である。つまり、図５は、ゆらぎを示すＨＦ成分が、運
動強度によりどの様に変化するかを示している。

【００５７】従って、前記ＭＢ点当たりまでが、適正運
動領域であり、このＭＢ点を超えて低下した場合には、
適正範囲外の無酸素運動領域とみなすことができる。ま
た、ＭＡ点の１０％をＭＣ点とすると、このＭＣ点は、
これ以上脈拍を上げられない最大負荷状態と見なすこと
ができる。

【００５８】よって、前記ＭＢ点を超えて（即ち適正範
囲を超えて）ＨＦ成分が低下した場合には、使用者に対
して、運動強度の低減又は中止を促すことが好ましく、
特にＭＣ点を超えて低下する場合には、限界状態である
ので、そのことを警告する。更に、前述のＢ／Ａが（予
め危険を示す値として設定された）所定値を超えた時
は、危険として、即時に運動の休止を警告する。

【００５９】ｃ）次に上述した原理及び手順にて行われ
る本実施例の制御処理、即ち運動時における運動強度の
検出処理等について、図７のフローチャートに基づいて
説明する。図７に示す様に、まず、運動が開始される
と、ステップ（Ｓ）１００にて、脈波の計測を開始す
る。具体的には、脈波センサ１からの信号を、データ処
理装置３内に取り込み、デジタル信号に変換してからマ
イクロコンピュータ１７に入力する。

【００６０】続くステップ１１０では、前記脈波センサ
１からの（デジタル変換された）信号（脈波信号）か
ら、脈波数を求める。また、脈拍間隔のデータに対して
ＦＦＴ等の周波数解析を実施し、脈拍間隔ゆらぎ成分で
あるＨＦ成分を求める。続くステップ１２０では、前記
ステップ１１０にて求めた脈拍数及びＨＦ成分を、表示
部２１に表示する。

【００６１】続くステップ１３０では、前記ＨＦ成分が
適正な範囲（適正運動限界ＭＢに達しない適正運動範囲
内）であるか否かを判定する。例えばＨＦ成分が適正運
動限界を示すＭＢに到達したか否かを判定する。ここで
肯定判断されるとステップ１４０に進み、一方否定判断
されるとステップ１５０に進む。尚、更に、ＨＦ成分が
最大負荷限界を示すＭＣに到達したか否かを判定しても
よい。

【００６２】また、このステップ１３０では、前記適正
運動限界ＭＢの判定や、最大負荷限界ＭＣの判定の際に
は、判定の精度を高めるために、脈拍数を加味して判定
を行う。例えば安静時（運動前）の脈波数に対する今回
の測定時（運動中）の脈拍数の変化率を求め、この変化
率が所定値以上となった場合に、上述した判定が適正な
ものであるとする。

【００６３】ステップ１５０では、前記ステップ１３０
で適正運動範囲外と判定されたので、表示部２１に適正
運動範囲外であることを表示する。また、ＨＦ成分が最
大負荷限界を示すＭＣ点に到達した場合には、その旨を
表示してもよい。続くステップ１６０では、入力された
目標運動強度に対し、適正運動範囲外であることをアラ
ームにて報知し、ステップ２１０に進む。また、ＨＦ成
分が最大負荷限界を示すＭＣ点に到達した場合には、ア
ラーム音を変えて報知てもよい。

【００６４】一方、ステップ１４０では、既に適正運動
範囲内であると判定されているが、より正確に運動強度
を検出するために、ＭＶＷを検出する。このＭＶＷと
は、前記の基線（又は包絡線）のゆらぎ成分である。
具体的には、脈波信号を周波数解析して得られる０．１
〜０．２５Ｈｚの範囲内のゆらぎ成分である。

【００６５】ここでは、ＭＶＷを示す値として、例えば
前記図３に示す様に、（周波数解析してなる各ピークで
ある）基線のゆらぎ成分の強度又はパワーＢと脈波の強
度又はパワーＡとの比Ｂ／Ａを求める。続くステップ１
７０では、ＭＶＷが発生したか否かを判定する。即ち、
危険領域である運動限界ＭＤに到達したことを示す様な
値が検出された否かを判定する。

【００６６】例えば、今回の運動時の基線のゆらぎ成分
の強度又はパワーＢと脈波の強度又はパワーＡとの比Ｂ
／Ａが、安静時のＢ／Ａに対して何倍に増大したかによ
って、運動限界ＭＤに達した否かを判定する。ここで肯
定判断されるとステップ１８０に進み、一方否定判断さ
れるとステップ１９０に進む。

【００６７】また、このステップ１７０では、前記運動
限界ＭＤの判定の際には、判定の精度を高めるために、
脈拍数を加味して判定を行う。例えば正常時の脈波数に
対する今回の測定時の脈拍数の変化率を求め、この変化
率が所定値以上となった場合に、上述した判定が適正な
ものであるとする。

【００６８】ステップ１９０では、ＭＶＷが発生したの
で、運動限界ＭＤの危険な運動状態に達したことを表示
する。続くステップ２００では、運動限界ＭＤに達した
ことをアラームにて報知し、ステップ２１０に進む。

【００６９】一方、ステップ１８０では、前記ステップ
１３０にて、適正運動範囲内であると判定され、且つ、
ステップ１７０にて、運動限界ＭＤではないと判定され
たので、適正運動範囲内であることを、表示部２１に表
示する。続くステップ２１０では、運動を継続するか否
かを、マニュアル（人の操作）により入力部１９から入
力された信号に基づいて判定する。ここで肯定判断され
ると前記ステップ１１０に戻り、一方否定判断されると
ステップ２２０に進む。

【００７０】ステップ２２０では、脈波計測を終了し、
一旦本処理を終了する。従って、上述した処理により、
運動強度を精度良く検出して、運動をしている人に対し
て、適切な表示や指示などを行うことができる。 ｄ）次に、本実施例の運動強度検出装置におけるキャリ
ブレーションの手法について、図８のフローチャートに
基づいて説明する。

【００７１】図８に示す様に、ステップ３００にて、入
力部１９などを利用して、運動を行う人の年齢、性別、
体重などの個人データを入力する。続くステップ３１０
では、運動メニューを選択する。例えば「１：健康増
進」が選択された場合には、ステップ３２０にて、運動
強度を３０％（即ち運動負荷最大の３０％）に設定す
る。一方「２：体力増強」が選択された場合には、ステ
ップ３３０にて、運動強度を５０％（運動負荷最大の５
０％）に設定する。

【００７２】尚、ここで、運動負荷最大（ＭＣ）とは、
その人が持っている心臓の制御限界と考えられる。この
状態を超える負荷が加わること又はこの状態を長く維持
することで、循環系が限界に達した場合には、それが血
管が暴れ出す運動限界（ＭＤ）であり、危険な状態に入
ったと考えられる。

【００７３】続くステップ３４０では、安静時の脈波を
計測する。続くステップ３５０では、ウオーミングアッ
プを開始する。続くステップ３６０では、運動時の脈波
の計測を開始する。続くステップ３７０では、脈波数及
びＨＦ成分を算出する。

【００７４】具体的には、安静時と、ウオーミングアッ
プ時（準備体操或いは軽運動）とにおいて、その脈拍数
とＨＦ成分とを求める。続くステップ３９０では、運動
時の脈拍数及びＨＦ成分の範囲を決定する。具体的に
は、個人データとどの様な運動をしたいかとの入力情報
に基づいて、ウオーミングアップ時のデータと安静時の
データとから、脈波数の上昇の程度とＨＦ成分の下降の
傾きを求め、その人個人の心肺機能にあった目標負荷時
の脈拍数とＨＦ成分量と決定する。

【００７５】続くステップ４００では、例えばスイッチ
操作のミスなどによるエラーの有無を判断する。ここで
「有り」の場合にはステップ４１０に進み、一方、「無
し」の場合にはステップ４２０に進み。ステップ４１０
では、エラーの発生を表示部２１に表示し、前記ステッ
プ３４０に戻る。

【００７６】一方、ステップ４２０では、ウオーミング
アップを終了し、一旦本処理を終了する。本処理によ
り、各個人の目的に対応した運動時の脈拍数及びＨＦ成
分の適切な範囲を決定することができる。

【００７７】ｅ）この様に本実施例では、脈波センサ１
により、運動を行う人の脈波を測定し、その脈拍間隔の
周波数解析を行って脈拍間隔ゆらぎ成分（ＨＦ成分）を
算出し、ＨＦ成分に基づいて、運動強度が適正な運動範
囲か否か判定している。これにより、運動時に、その運
動が適正な運動範囲（適正運動限界ＭＢ以内）であるか
どうかが分かるので、適正な運動範囲でない場合には、
その旨を報知することにより、運動を中止したり緩める
ことにより、常に最適な運動を行うことが可能になる。

【００７８】更に、運動強度が最大負荷限界ＭＣに達し
た場合にも、その旨を報知することができるので、安全
に運動を行うことができる。特に本実施例では、運動時
において、脈波信号に対して周波数解析を行って、上述
した脈波の基線（又は包絡線）のゆらぎ成分を求め、そ
のゆらぎ成分に基づいて、運動強度が危険な状態を示す
運動限界ＭＤに達したどうかを判定している。

【００７９】これにより、運動強度が危険な状態である
ことが分かるので、運動強度が運動限界ＭＤに達した場
合には、その旨を報知することにより、運動を中止した
り緩めることにより、安全に運動を行うことができる。
また、本実施例では、脈拍数を加味して、運動範囲（適
正運動限界ＭＢ、最大負荷限界ＭＣ）の判定や運動限界
ＭＤの判定を行っているので、精度の高い判定を行うこ
とができるという利点がある。

【００８０】更に、本実施例では、ＭＶＷの発生の判定
の際に強度又はパワーの比Ｂ／Ａを用いるので、脈波の
個体差による影響を軽減でき、より精度の高い運動強度
の検出を行うことができるという効果もある。 （実施例２）次に実施例２について説明するが、前記実
施例１と同様な箇所の説明は省略する。

【００８１】本発明者らの研究により、脈波の基線又は
包絡線のゆらぎ成分を示す周波数（周波数解析によって
得られたもの）は、運動強度が大きくなるほど単一周波
数になることが分かっている。従って、そのゆらぎ成分
を示す周波数分布の変化から、運動強度を検出すること
ができる。

【００８２】例えば脈波の基線のゆらぎ成分を示す周波
数成分をモニタし、その周波数成分が所定の判定値以上
に単一成分になった場合には、運動限界ＭＤに達したと
判断することができる。この場合には、例えば前記実施
例１の図７のフローチャートのステップ１４０の処理
を、脈波の基線のゆらぎ成分を示す周波数成分を検出す
る処理に変更し、ステップ１５０の処理を、その周波数
が所定の判定値以上に単一成分になったか否かを判定す
る処理に変更することにより実現できる。

【００８３】本実施例においても、前記実施例１と同様
な効果を奏する。 （実施例３）次に実施例３について説明するが、前記実
施例１と同様な箇所の説明は省略する。

【００８４】本発明者らの研究により、運動強度が大き
くなると、前記図２に示す様に、脈波信号のゆらぎ成分
の（周波数解析を行わない場合の）実際の振幅ＤＢが大
きくなることが分かっている。従って、実際の振幅ＤＢ
から、運動強度を検出することができる。

【００８５】例えば脈波の基線の実際の振幅ＤＢを求
め、この振幅ＤＢと脈波の実際の振幅ＤＡ（例えば数個
分の平均値）との振幅の比ＤＢ／ＤＡを求め、この振幅
の比ＤＢ／ＤＡが所定の判定値以上となった場合には、
運動限界ＭＤに達したと判断することができる。

【００８６】この場合には、例えば前記実施例１の図７
のフローチャートのステップ１４０の処理を、脈波の基
線の実際の振幅ＤＢと脈波の実際の振幅ＤＡとの振幅の
比ＤＢ／ＤＡを求める処理に変更し、ステップ１５０の
処理を、その振幅の比ＤＢ／ＤＡが所定の判定値以上に
高くなった否かを判定する処理に変更することにより実
現できる。

【００８７】尚、脈波の基線の実際の振幅ＤＢを求める
方法として、各脈波の中央値から基線を算出してから、
その基線の上ピークと下ピークとの間隔を求めればよ
い。本実施例は、前記実施例１と同様な効果を奏すると
ともに、特に、脈波信号の周波数解析を行わなくても済
むので、演算処理の負担が軽減され、運動時に速やかに
運動強度の検出を行うことができるという利点がある。

【００８８】また、本実施例では、判定の際に振幅の比
ＤＢ／ＤＡを用いるので、脈波の個体差による影響を軽
減でき、より精度の高い運動強度の検出を行うことがで
きるという効果もある。 （実施例４）次に実施例４について説明するが、前記実
施例１と同様な箇所の説明は省略する。

【００８９】本実施例は、上記各実施例の運動強度の検
出の手法を、生体負荷検出装置の環境負荷の検出に応用
した例である。具体的には、例えば高齢者や病人の入浴
時に、測定対象者の脈波を検出し、その脈波を用いて、
脈拍間隔ゆらぎ成分や脈波信号の基線（又は包絡線）の
ゆらぎ成分から、運動強度を検出する手法と同様にして
環境負荷（即ち測定対象者に対して外部から加わる負
荷）検出することができる。

【００９０】つまり、運動負荷を環境負荷と見なして、
同様な手法にて環境負荷を検出することができる。従っ
て、例えば運動負荷（環境負荷）が運動限界（環境負荷
限界）に達した場合には、その旨を報知することによ
り、入浴等における循環系への過負荷による発作の検出
や、心臓の異常（心不全等）の予知を行うことが可能で
ある。

【００９１】尚、本発明は前記実施例になんら限定され
るものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々
の態様で実施しうることはいうまでもない。 （１）例えば、前記実施例では、運動強度検出装置又は
生体負荷検出装置について述べたが、本発明は、それら
に限らず、上述したアルゴリズムに基づく処理を実行さ
せるプログラムやそのプログラムを記憶している記録媒
体にも適用できる。

【００９２】この記録媒体としては、マイクロコンピュ
ータとして構成される電子制御装置、マイクロチップ、
フロッピィディスク、ハードディスク、光ディスク等の
各種の記録媒体が挙げられる。つまり、上述した運動強
度検出装置や生体負荷検出装置の処理を実行させること
ができるプログラムを記憶したものであれば、特に限定
はない。

【００９３】尚、前記プログラムは、単に記録媒体に記
憶されたものに限定されることなく、例えばインターネ
ットなどの通信ラインにて送受信されるプログラムにも
適用される。 （２）また、前記運動強度検出装置や生体負荷検出装置
は、脈波センサから得られた信号を、すぐそばにあるデ
ータ処理装置に直接に入力する場合だけでなく、脈波セ
ンサからの得られたデータを例えばパソコン等の装置に
入力し、そのデータを例えばインターネット等を利用し
て遠隔地にあるデータ処理装置に送信にして、運動強度
や生体負荷の判定を行う場合に適用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の運動強度検出装置の概要を示す説
明図である。

【図２】 脈波信号を示し、（ａ）は脈波信号を示すグ
ラフ、（ｂ）は（ａ）の脈波信号の一部を拡大して示す
グラフである。

【図３】 脈波信号を周波数解析した結果を示し、
（ａ）は安静時における周波数成分を示すグラフ、
（ｂ）は限界負荷運動時における周波数成分を示すグラ
フである。

【図４】 脈波信号を示し、（ａ）は脈波波形を示すグ
ラフ、（ｂ）は脈拍間隔の時系列データを示すグラフで
ある。

【図５】 脈波間隔変動量を表すグラフである。

【図６】 脈波信号のＨＦ成分を示す説明図である。

【図７】 実施例１の運動強度を検出する処理を示すフ
ローチャートである。

【図８】 実施例１のキャリブレーションの手法を示す
フローチャートである。

【符号の説明】

１…脈波センサ ３…データ処理装置 ５…発光素子 ９…受光素子 １７…マイクロコンピュータ １９…表示部 ２０…表示部

フロントページの続き (72)発明者 木村 禎祐 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 4C017 AA09 AB03 AC26 BC23 BD06

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定した脈波信号に基づいて、その脈波
   信号のゆらぎを示すゆらぎ成分を検出するゆらぎ検出手
   段と、 前記脈波信号のゆらぎ成分に基づいて、前記運動強度を
   検出する運動強度検出手段と、 を備えたことを特徴とする運動強度検出装置。
2. 【請求項２】 前記脈波信号のゆらぎ成分は、前記脈波
   信号を周波数解析することによって得られる所定範囲の
   周波数成分であることを特徴とする前記請求項１に記載
   の運動強度検出装置。
3. 【請求項３】 前記ゆらぎ成分に基づいて、前記運動強
   度が危険な運動の範囲の限界である運動限界に達したか
   否かを判定することを特徴とする前記請求項１又は２に
   記載の運動強度検出装置。
4. 【請求項４】 前記脈波信号のゆらぎ成分として、脈波
   信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分を用いることを特徴
   とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の運動強度検
   出装置。
5. 【請求項５】 前記脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ
   成分が、所定の判定値以上となった場合には、前記運動
   強度が前記運動限界に達したと判定することを特徴とす
   る前記請求項４に記載の運動強度検出装置。
6. 【請求項６】 脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分
   として、前記脈波信号を周波数解析して０．２５Ｈｚ以
   下の所定の周波数成分の強度又はパワーＢを求め、この
   強度又はパワーＢの変化に基づいて、前記運動強度を検
   出することを特徴とする前記請求項４又は５に記載の運
   動強度検出装置。
7. 【請求項７】 前記ゆらぎ成分を示す周波数成分の強度
   又はパワーＢと前記脈波を示す周波数成分の強度又はパ
   ワーＡとの比Ｂ／Ａに基づいて、前記運動強度を検出す
   ることを特徴とする前記請求項６に記載の運動強度検出
   装置。
8. 【請求項８】 脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分
   として、前記脈波信号を周波数解析して０．２５Ｈｚ以
   下の所定の周波数成分を求め、この周波数成分の分布の
   変化に基づいて、前記運動強度を検出することを特徴と
   する前記請求項４又は５に記載の運動強度検出装置。
9. 【請求項９】 前記脈波信号のゆらぎ成分の実際の振幅
   ＤＢに基づいて、前記運動強度を検出することを特徴と
   する前記請求項１〜５のいずれかに記載の運動強度検出
   装置。
10. 【請求項１０】 前記脈波信号のゆらぎ成分の実際の振
    幅ＤＢと、前記脈波の心拍成分の実際の振幅ＤＡとの比
    ＤＢ／ＤＡに基づいて、前記運動強度を検出することを
    特徴とする前記請求項９に記載の運動強度検出装置。
11. 【請求項１１】 更に、測定した脈波信号に基づいて、
    その脈拍間隔のゆらぎを示す脈拍間隔ゆらぎ成分を検出
    する脈拍間隔ゆらぎ検出手段と、 前記脈波信号の脈拍間隔ゆらぎ成分に基づいて、前記運
    動強度を検出する間隔運動強度検出手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに
    記載の運動強度検出装置。
12. 【請求項１２】 前記脈拍間隔ゆらぎ成分は、前記脈波
    信号における脈拍間隔のデータを周波数解析することに
    よって得られる０．１５〜０．４５Ｈｚの範囲の周波数
    成分であることを特徴とする前記請求項１１に記載の運
    動強度検出装置。
13. 【請求項１３】 前記脈拍間隔ゆらぎ成分に基づいて、
    前記運動強度が適正な運動の範囲の限界を示す適正運動
    限界に達したか否かを判定することを特徴とする前記請
    求項１１又は１２に記載の運動強度検出装置。
14. 【請求項１４】 前記脈拍間隔ゆらぎ成分に基づいて、
    前記運動強度が危険な運動状態である最大の負荷が加わ
    っている最大負荷限界に達したか否かを判定することを
    特徴とする前記請求項１１〜１３のいずれかに記載の運
    動強度検出装置。
15. 【請求項１５】 前記運動強度の検出の際に、脈拍数に
    よる条件を加えることを特徴とする前記請求項１〜１４
    のいずれかに記載の運動強度検出装置。
16. 【請求項１６】 前記脈拍数の条件は、運動前の脈拍数
    に対する運動時の脈拍数の変化率に基づいた条件である
    ことを特徴とする前記請求項１５に記載の運動強度検出
    装置。
17. 【請求項１７】 前記運動強度の検出結果を報知するこ
    とを特徴とする前記請求項１〜１６のいずれかに記載の
    運動強度検出装置。
18. 【請求項１８】 前記請求項１〜１７のいずれかに記載
    の運動強度検出装置の機能を実現するための手段を有す
    ることを特徴とするプログラム。
19. 【請求項１９】 前記請求項１８に記載のプログラムの
    機能を実現するための手段を記憶していることを特徴と
    する記録媒体。
20. 【請求項２０】 前記請求項１〜１９のいずれかに記載
    の運動強度検出装置における運動強度を、生体に対する
    環境負荷とみなして、前記脈波信号に基づいて、前記生
    体への環境負荷を検出することを特徴とする生体負荷検
    出装置。
21. 【請求項２１】 前記環境負荷は、高齢者の入浴時の身
    体への環境負荷であることを特徴とする前記請求項２０
    に記載の生体負荷検出装置。
22. 【請求項２２】 前記請求項２０又は２１に記載の生体
    負荷検出装置の機能を実現するための手段を有すること
    を特徴とするプログラム。
23. 【請求項２３】 前記請求項２２に記載のプログラムの
    機能を実現するための手段を記憶していることを特徴と
    する記録媒体。