JP2004000646A

JP2004000646A - Exercise equipment, physical strength evaluation method, and sphygmoscope

Info

Publication number: JP2004000646A
Application number: JP2003162382A
Authority: JP
Inventors: Riichi Shiga; 志賀　利一; Tatsuya Kobayashi; 小林　達矢; Hiromi Kinoshita; 木下　弘美; Manabu Yoshimura; 吉村　学
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-01-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide exercise equipment with which training is effectively performed. <P>SOLUTION: In the exercise equipment, an electrocardiographic signal is detected by an electrocardiographic sensor 1 from the start of measurement, a load drive is started (ST4), and heartbeat intervals of the electrocardiographic signals are successively found. Next, heartbeat interval fluctuation PI(n)% is obtained by subtracting an RR interval RR(n+1) of a heartbeat of the present time from an RR interval RR(n) of the heartbeat of the last time, dividing the result with an RR(n), and multiplying the result with 100% (ST5), and entropy is calculated from 128 data of PI (ST6). Then, a minimal point of entropy is found from the change of entropy in the step of gradual load increase (ST8), and the minimal point is defined as anaerobic threshold point (ST7). Then, the load on the exercise equipment is controlled by using the anaerobic threshold. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自転車エルゴメータ、トレッドミル、ローイングエルゴメータなどの運動機器、体力評価方法および拍動計に関する。
【０００２】
【背景技術および発明が解決しようとする課題】
この発明に興味のある、運動レベルを決定する装置および方法がたとえば国際公開第ＷＯ９６／２０６４０号公報に開示されている。同公報によれば、トレーニングに従事している人の心拍数をモニタし、その心電図信号からたとえばＱＲＳ複合波形を測定してそれによって心拍数を計算し、その心拍数から導かれたスペクトルのパワーに基づいてトレーニング中の人の運動レベルを決定する方法が開示されている。
【０００３】
従来の他の運動をしている人の筋持久力測定装置や筋持久力測定方法がたとえば特公平７−３８８８５号公報に開示されている。同公報によれば、運動している人の負荷が心拍数と収縮期血圧との積で算出され、それに基づいて持久力が算出されている。
【０００４】
従来のトレーニングや運動をしている人の負荷は上記のように測定されてきた。このような方法を用いると運動やトレーニングをしている人の負荷の推定が可能であった。
【０００５】
一方で、従来健康の維持増進のために自転車エルゴメータ等の運動機器が市販されている。従来の運動機器としては、年齢、性別等を入力することで、予め統計的に決められた運動強度による運動プログラムを付加するものがあった。また体力レベル評価としては、運動負荷に対する脈拍等の変化等により最大酸素摂取量を推定する方法を採用したものなどがあった。
【０００６】
ところで、安全かつ効果的運動の手法として、血中乳酸が持続的に増加することなく行なえ得る運動強度の閾値である無酸素性運動閾値（ＡｎａｅｒｏｂｉｃＴｈｒｅｓｈｏｌｄ、以下、ＡＴと略す場合がある）がある。このＡＴの計測には、従来、採血して乳酸値を計測する侵襲的計測法、呼気ガス分析による呼気の二酸化炭素分圧、酸素分圧変化から求める拘束的手法がある。
【０００７】
また、従来の体力評価方法としては、運動負荷に対する脈拍数の変化等により、最大酸素摂取量、最大運動強度、最大心拍数などを推定する方法などがあった。
【０００８】
しかしながら、上記した従来の運動レベルを決定する装置や運動機器にあっては、（１）運動レベル決定装置や方法によって得られたデータは単に生理学的にトレーニングや運動における運動レベルを決定するためだけに用いられており、有効活用されていなかった。
【０００９】
（２）運動強度の設定が各個人の運動能力に適合しておらず、目的とする運動効果が十分に得られない。
【００１０】
（３）各個人の運動能力に適合した運動強度としては、ＡＴが最適とされているが、計測には吸気ガス分析器のような大掛かりな装置が必要であり、計測も拘束的であり、実用的に運動機器に搭載することができない。
【００１１】
（４）体力手法として重要な有酸素的運動能力を示すＡＴは、上記（３）の理由により、運動機器において判定、表示することができない。といった問題点があった。
【００１２】
この発明は上記のような問題点に着目してなされたものであって、運動レベルを簡単容易に、かつ適格に知り得てその値を用いて効果的にトレーニングができる運動機器を提供することを目的とする。
【００１３】
この発明の他の目的は、無酸素性運動閾値を簡単容易に、かつ適格に知り得てその値を用いて効果的にトレーニングができる運動機器を提供することである。
【００１４】
この発明のさらに他の目的は、体力および運動レベルを同時に簡便に知ることができ、かつ自分の運動能力をより詳細に把握でき、適切な運動ができ、しかもなるべく短時間で精度よく、体力および運動レベルを評価し得る運動機器および体力評価方法を提供することを目的とする。
【００１５】
この発明のさらに他の目的は、運動レベルを簡単容易にかつ適格に知り得る拍動計を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る運動機器は、負荷を変化可能な負荷装置と、生理信号を非侵襲で経時的に測定する生理信号測定手段と、負荷装置の負荷変化に対応する生理信号に基づいて運動レベルを推定する運動レベル推定手段と、推定された運動レベルを用いて前記負荷装置の負荷を制御する手段を備える。
【００１７】
負荷装置の負荷変化に応答する生理信号に基づいて運動レベルを推定して、その運動レベルに近づくよう負荷装置の負荷を制御するため、自分の運動能力に応じた適切な運動が可能な運動機器が提供できる。
【００１８】
好ましくは、運動レベル推定手段は、負荷装置の負荷の変化に対応する生理信号の変化に基づいて運動レベルを推定する。
【００１９】
さらに好ましくは、運動レベル推定手段は運動レベルとして無酸素性運動閾値を推定する。
【００２０】
運動レベル推定手段は運動レベルとして無酸素性運動閾値を推定し、それに基づいて運動機器の負荷を制御するため、より効率よく自分の運動能力に応じた適切な運動が可能な運動機器が提供できる。
【００２１】
この発明のある局面においては、運動レベル推定手段は、検知された各心電信号の心拍間隔のゆらぎを算出する手段と、心拍間隔のゆらぎのパワーを算出する手段と、負荷の増加に対するパワーの変化の収束点を求める手段と備え、収束点に対応する運動負荷を運動レベルと推定する。
【００２２】
心電信号の心拍間隔のゆらぎを算出し、負荷の増加に対するゆらぎのパワーの変化の収束点を求めて運動レベルを推定するため、短時間で精度よく、運動レベルを評価し得る運動機器が提供できる。
【００２３】
この発明の他の局面においては、運動機器は時間とともに負荷を漸増する負荷装置と、心電信号を検知する心電センサと、負荷の漸増過程で検知した心電信号の心拍数を計測する手段と、心電信号の心拍間隔のゆらぎを算出する手段と、心拍数と心拍間隔のゆらぎとに基づいて、運動レベルを推定する運動レベル推定手段と、この運動レベル推定手段で推定された運動レベル前後での負荷変化に対する心拍数変化の傾きにより体力を推定する手段と、推定された体力に近づくよう負荷装置を制御する手段とを含む。
【００２４】
負荷の漸増過程で検知した心電信号の心拍数を計測し、そのゆらぎを算出して心拍数と心拍間隔のゆらぎとに基づいて運動レベルを推定しこの推定された運動レベルの前後になるよう負荷装置の負荷を制御するため、自分の運動能力をより詳細に把握でき、適切な運動ができる運動機器を提供することができる。
【００２５】
この発明のさらに他の局面においては、体力評価方法は、負荷装置で負荷を漸増し、その漸増過程で心電センサを用いて漸増する運動負荷で心電信号を検知し、検知した心電信号から心拍数と心拍間隔のゆらぎを求め、この心拍数と心拍間隔のゆらぎから体力と運動レベルとを同時に推定する。
【００２６】
心電センサで漸増する運動負荷での心電信号を検知し、検知した心電信号から心拍数と心拍間隔のゆらぎを求めこれらをもとに体力と運動レベルとを同時に推定するため、短時間で精度よく体力、運動レベルとを評価し得る体力評価方法を提供できる。
【００２７】
この発明のさらに他の局面においては、拍動計は心電にかかる拍動信号を検出する拍動センサと、運動ピッチを漸増するように報知する報知手段と、運動の漸増過程で拍動センサで検知される拍動信号に基づいて運動レベルを推定する運動レベル推定手段と、この運動レベルの推定時の運動ピッチに基づき、ペースメークする手段とを備える。
【００２８】
拍動計で運動漸増過程における拍動信号より、運動レベルを推定し得るので、フィールドでの運動中において運動しながら各個人の運動レベルを簡便に知ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３０】
（１）　第１実施の形態
図１はこの発明の第１実施の形態に係る運動機器の一例であ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、表示器８と、負荷装置（回転負荷）９とを備えている。
【００３１】
図２はこの実施の形態に係る自転車エルゴメータの外観斜視図である。図２を参照して、自転車エルゴメータはサドル１１と、ハンドル１２と、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とを含む。操作部１３はキー入力装置７と、表示器８（図１参照）とを含む。このエルゴメータでは、被験者（運動者）がサドルに腰掛けてペダル１４を踏み、回転することによって運動を行なう。ペダル１４は運動強度の度合に応じた重みとなるように負荷装置９によって負荷が加えられている。負荷が大きいと、ペダル１４を一定数回転するのに、当然多くの運動量を要するのである。心電センサ１の電極は、被験者の胸にベルトで装着され、検出した心電信号は無線で操作部１３のその他の回路に送信され、信号が処理される。
【００３２】
図１０はこの心電センサ１の装着例を示している。運動者Ｍの胸に１対の電極およ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（図２の操作部１３に相当）４２が設けられている。
【００３３】
図１１は自転車エルゴメータで使用される心電センサの他の例を示す図である。ハンドル１２に心電検出用の電極４３，４４が設けられている。両手で電極４３，４４を握ることにより心電が検出される。電極４３，４４はエルゴメータ本体内の回路部に接続されている。
【００３４】
図１２は自転車エルゴメータで使用されるさらに他の心電センサの例を示している。図１２を参照して、Ｇ（グランド）、＋（プラス）、−（マイナス）の３個の電極４５，４６，４７が運動者Ｍの胸に貼付けられている。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。
【００３５】
図１３は自転車エルゴメータで使用される脈拍センサの例を示したもので、運動者Ｍの耳たぶに脈拍センサ４９を取付け、脈拍を検出する。
【００３６】
従来のエルゴメータ等の運動機器では、運動レベルの一例として、年齢等を入力して決められた最大心拍数（最大運動強度）に対し、ＡＴポイントが約５５％程度にあるという統計データをもとに、減量、体力増強のような運動プログラムが決められていた。
【００３７】
しかし、ＡＴ実測値が最大心拍数の何％であるかを実際に計測したところ、図３に示すように、ＡＴはかなりの個人差がある。図３は２４人の男子学生につき、最大心拍数を１００％とした場合の各人のＡＴ実測値の分布を示したものである。それゆえ、従来のように統計的に決められた運動強度での運動プログラムは、各個人には必ずしも最適ではない。
【００３８】
この実施の形態に係る自転車エルゴメータでは、これまでの最大酸素摂取量（最大心拍数）のような最大運動強度の推定により示されていた体力レベル表示に加え、運動レベルの一例として、無酸素性運動閾値を心拍ゆらぎにより、同時に推定し、有酸素運動能力として表示出力するようになっている。
【００３９】
次に、図４に示すフローチャートにより、この実施の形態に係る自転車エルゴメータの処理動作を説明する。キー入力装置７からの測定開始キー押下情報がＣＰＵ６に入力されると、測定を開始する。まず、安静時心電信号を心電センサ１で検出し（ステップＳＴ１、以下ステップを略す）、この心電センサ１からの信号が、あ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なう（ＳＴ２）。このキャリブレーション動作は、ＣＰＵ６からの信号でアンプ４のゲインを調整することにより行なわれる。
【００４０】
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）。負荷装置９の負荷として、毎分１５Ｗ［ワット］のランプ負荷を与える。心電信号のピーク値検出を行なうことにより、ＲＲ間隔データ（心拍の１周期）を算出する。算出されたＲＲデータによりＰＩ（Ｐｅｒｃｅｎｔ　Ｉｎｄｅｘ）を算出する（ＳＴ５）。ここでＰＩは、前回の１周期に対する前回と今回の１周期の差の比を％で示したものであり、次式で求められる。
【００４１】
ＰＩ（ｎ）％＝｛ＲＲ（ｎ）−ＲＲ（ｎ＋１）｝／ＲＲ（ｎ）×１００％　ここでは、このＰＩを心拍間隔のゆらぎと称している。
【００４２】
このＰＩデータを１２８データ分、あるいは２分間ごとの区間で１％刻みでの度数分布を算出し、Ｐ（ｉ）＝ｆ（ｉ）／ｆより、式（１）により、心拍間隔のゆらぎのエントロピーＨを算出する（ＳＴ６）。
【００４３】
【数１】

【００４４】
続いて、ＡＴポイントに達したか否かを判別し（ＳＴ７）、図５（Ａ）と（Ｂ）に示すように運動量の増加に対し、エントロピーが減少している場合は判定ＮＯで負荷を漸増し（ＳＴ８）、その都度ＰＩ値およびエントロピー算出を続ける（ＳＴ５，ＳＴ６）。図５（Ａ）に示すように、エントロピー偏極点（極小点）に達すると、この点がＡＴポイントであり、このＳＴ７の判定ＹＥＳで結果が表示器８に表示する（ＳＴ９）。結果はＡＴポイントでの心拍数（ｂＰＭ）、負荷強度（Ｗ）、時間（ｍｉｎ）などである。結果を表示させた後、負荷を減少させ、クールダウンを行なう（ＳＴ１０）。１分間のクールダウンの後、負荷を停止し、制御を終了する（ＳＴ１１）。
【００４５】
この実施の形態に係る自転車エルゴメータでは、簡便にＡＴを知ることができる機能を有している。これにより、たとえば減量、体力増強等の運動プログラムの運動強度設定を行なえば、従来は減量では最大心拍数の６５％、体力増強では７５％と決められていたものに対し、ＡＴポイントの１８％減、あるいは１８％増というように運動強度を各個人の運動レベルに適合させることができるようになる。
【００４６】
図６はこの実施の形態に係る運動機器において、推定されたＡＴから運動強度を決定する処理の一例を示すフローチャートである。ＡＴポイントが推定される（ＳＴ２１）か、あるいはその人のＡＴ値が既に既知であり、キー入力装置７から入力される（ＳＴ２２）と、次に減量プログラムが指定されているかを判定し（ＳＴ２３）、判定がＹＥＳの場合は、負荷をＡＴの８２％とし（ＳＴ２４）、ＳＴ２３で減量プログラムは指定されていない場合はさらに続いて、体力増強プログラムが指定されているかどうかを判定する（ＳＴ２５）。判定がＹＥＳであれば、負荷をＡＴ１１８％とする（ＳＴ２６）。ＳＴ２５で判定がＮＯの場合は、さらに次の他の処理に移る。
【００４７】
またこの実施の形態に係る自転車エルゴメータにおいては、最大心拍数（運動強度）とＡＴの両者を簡単に推定することができるので、各個人のＡＴが最大心拍数（運動強度）の何％かを示すことで、統計的平均レベルに対しての有酸素運動能力がどの程度かを知ることができる。この運動機器において、この表示出力機能により、単なる体力レベルだけでなく、有酸素運動能力も表示出力でき、ユーザには、これまで手軽に知ることができなかった有酸素運動能力を簡便に知ることができる。
【００４８】
さらに他のエルゴメータについて説明する。この自転車エルゴメータでは、回路構成は図１に示すものと同様であるが、これまでの最大酸素摂取量（最大心拍数）のような最大運動強度の推定により示されていた体力レベルの表示に加え、ＡＴを心拍間隔のゆらぎにより同時に推定し、有酸素運動能力として表示出力するようになっている。
【００４９】
この実施の形態に係る運動機器の全体動作を図７に示すフローチャートにより説明する。動作がスタートすると、まず年齢、性別等の個人データがキー入力装置７により入力される（ＳＴ３１）。次に、ＡＴのみの推定か否かが判断される（ＳＴ３２）。キー入力装置７からＡＴのみの指定がなされており、ＡＴのみの判定の場合には、安静時のゆらぎエントロピーが算出され（ＳＴ３３）。このエントロピーレベルが２．０未満の場合はＡＴ推定不能として推定が終了する（ＳＴ３５）。このように、エントロピーレベルが２．０未満の場合に推定終了とするのは、被験者によって安静時から心拍ゆらぎがなく、エントロピーが低く運動負荷テストを行なってもＡＴ判定が困難と想定される被験者に対しては、予めＡＴ推定不可能とし不必要な運動をさせることを防ぐためである。
【００５０】
心拍ゆらぎエントロピーが２以上、あるいはＡＴおよび体力の両者を推定する被験者は、安静時の心拍数を計測して（ＳＴ３６）、運動負荷テストを行なう。この際、運動負荷パターンは個人データから負荷初期値を求め、たとえば漸増するランプ負荷が用いられる（ＳＴ３７，ＳＴ３８）。つまり、個人の体力レベルが異なるのにもかかわらず、同一のパターンを用いることは非効率なので、年齢、性別等の個人データにより、体力レベルが高い被験者には、初期値として運動負荷レベルを高くし、負荷の漸増速度も高く設定される。もっとも、推定精度を維持するため、この場合あるレベル以上、たとえば４０Ｗ／分以上の負荷漸増速度は適用しない。
【００５１】
運動負荷テスト終了後、体力およびＡＴレベルが推定される（ＳＴ３９）。続いてＡＴ推定が可であったか否かを判断し（ＳＴ４０）、ＡＴ推定不可能の場合は、推定された体力レベル（最大心拍数）から統計的なＡＴレベル、たとえば最大心拍数の５５％によりＡＴを推定し（ＳＴ４１）、体力レベルとともに出力する（ＳＴ４２）。ＳＴ４０においてＡＴ推定可の場合にも、同様に体力レベルとともに判定したＡＴレベルを出力する（ＳＴ４２）。
【００５２】
上記した体力テスト、ＡＴテストは以下のようにして行なう。ＡＴは、運動負荷テストにより得られた心拍間隔データより図８に示すように心拍数と心拍間隔ゆらぎエントロピーとの関係を求め、エントロピー最小点での心拍数として算出される。
【００５３】
心拍間隔ゆらぎエントロピーはまずＲＲデータおよび次の式（２）を用いてＰＩを算出する。
【００５４】
ＰＩ（ｎ）％＝｛ＲＲ（ｎ）−ＲＲ（ｎ＋１）｝／Ｒ（ｎ）×１００…（２）
このＰＩデータを１２８個、あるいは２分間ごとの区間で１％刻みの度数分布を算出し、Ｐ（ｉ）＝ｆｉ／ｆを求め、エントロピーＨを図４の説明で使用した式（１）の式により算出する。
【００５５】
次に、最大運動強度に対応する体力レベルは、上記推定されたＡＴでの心拍数を中心に、ある設定された範囲、たとえば±２０拍での運動負荷レベル（Ｗ）に対する心拍数変化の傾斜を、図９に示すように求めることにより推定する。また、ＡＴ推定できなかった場合は、｛（２２０−年齢）−安静時心拍数｝×０．５５＋安静時心拍数によって決定される指数を中心に±２０拍の範囲で同様の推定を行なう。
【００５６】
以上のように、運動負荷テストによる心電信号からＡＴおよび体力を同時にかつなるべく短時間で効率的に推定できる。
【００５７】
なお、上記各実施の形態において、生理信号として心電信号を心電センサで測定し、心拍のゆらぎを用いるものについて説明したが、生理信号として、心電信号に代えてＤＰ（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｐｒｏｄｕｃｔ）（血圧×心拍数）や呼吸数を用いてもよい。運動中の血圧は、たとえば図１４（Ａ）と（Ｂ）に示すように指用血圧計のカフ５０を自転車エルゴメータのハンドル１２に接することにより測定できる。図１４（Ｂ）において、５１は空気チューブおよび５２は脈波信号線である。心拍数はもちろん上記した各種の心電センサによって計測できる。また、呼吸数の測定は、図１５（Ａ）と（Ｂ）に示すように、運動者Ｍの鼻にサーミスタ５３を装着することによって行なう。たとえば、鼻穴を広げるテープ５４などでサーミスタ５３を保持し（図１５（Ｂ）参照）、呼吸による温度変化を検出することによって呼吸数を計測できる。
【００５８】
また、上記各実施の形態で負荷を変化可能な負荷装置として、自転車エルゴメータを用いたが、これに代えて図１６に示すトレッドミルや図１７に示すローイングエルゴメータ等にも本発明は適用できる。
【００５９】
図１６において、２１は走行ベルトであり、２２は表示部、キー入力部等を有する操作部で、電源スイッチ２３をオンすると、内蔵するモータによって走行ベルト２１が移動する。運動者はこの走行ベルト２１上に乗り、走行ベルトの速度を合わせランニングする。このトレッドミルにおいて、モータの回転数、あるいは走行ベルトの傾斜角を変化させることにより、負荷を変化させることができる。
【００６０】
図１７に示すローイングエルゴメータはシート３１とレール３２と電源スイッチ３３とフットレスト３４とバー３５と操作パネル３６とを有する。シート３１に運動者が座り、ロープ付のバー３５を手元まで引張ると、再度元の位置に戻し、これを繰返す。内蔵の負荷力を感じながら運動を行なう。このローイングエルゴメータでも、バーの元位置に復帰しようとする引張力を変化させることにより、負荷を変化させることができる。
【００６１】
（２）　第２実施の形態
以下この発明の第２実施の形態について説明する。第２実施の形態においては、無酸素性運動閾値を心拍間隔のゆらぎのパワーを用いて推定する。第２実施の形態においても、使用される自転車エルゴメータや被験者から得られるデータについては第１実施の形態と同様である。
【００６２】
図１８は第２実施の形態における心電信号処理の処理内容を示すフローチャートである。図１８を参照して、この実施の形態においては、まず安静時の心電信号の検出を行なう（ＳＴ５１）。次いでキャリブレーションを行ない、測定開始を表示して負荷の制御を開始する（ＳＴ５２〜ＳＴ５４）。ここまでは第１実施の形態と同様である。
【００６３】
第２実施の形態においては、心電センサ１からの心電信号のピーク検出を行ない、ＲＲ間隔データ（心拍の１周期）を算出する。そしてＲＲ間隔データをもとに以下の式（３）を用いてパワー（ｐｏｗｅｒ）を算出する。
【００６４】
ｐｏｗｅｒ（ｎ）［ｍｓ^２］＝｛ＲＲ（ｎ−１）−ＲＲ（ｎ）｝^２…（３）
すなわちパワーは前回のＲＲ間隔と今回のＲＲ間隔の差を二乗したものである。ここでこのパワーを心拍間隔のゆらぎのパワーと称する。このパワーデータの３０秒間の平均値を１５秒間で検出したものを運動レベルの一例としての無酸素性運動閾値の推定に用いている。
【００６５】
次いでＳＴ５６でＡＴポイントに達したか否かを判別する。図１９（Ａ）と（Ｂ）はゆらぎのパワーと負荷との時間による変化の割合を示す図である。図１９（Ａ）と（Ｂ）に示すように、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、ゆらぎのパワーが予め定めた基底値を下回り、かつ前回のパワー値との差（ｐｏｗｅｒ（ｎ−１）−ｐｏｗｅｒ（ｎ）：ゆらぎパワーの変動曲線の傾き）が予め定めた基準値以下に達した場合収束点と判断する。
【００６６】
ＡＴポイントが得られるまで負荷が増加される（ＳＴ５７）。無酸素性運動閾値ポイントに達すると（ＳＴ５６でＹＥＳ）、その結果が表示され、負荷が減少されて負荷の制御が終了する（ＳＴ５８〜ＳＴ６０）。ここも第１の実施の形態と同様である。
【００６７】
（３）　第３実施の形態
次にこの発明の第３実施の形態について説明する。上記した第１または第２のいずれかの方法によって検出した無酸素性運動閾値出現時の負荷から酸素摂取量を求め、これを用いて運動の負荷を制御してもよい。この酸素摂取量の算出には、換算式によりＡＴ出現時の負荷から酸素摂取量（ＶＯ２）を算出し、体重１キログラム当りのＶＯ２を求める。
【００６８】
たとえば、体重７０ｋｇの人が自転車エルゴメータ運動の１００ＷでＡＴが出現した場合は次の式（４）で酸素摂取量を求める。
【００６９】
ＶＯ２（ｍｌ／ｋｇ／ｍｉｎ）＝負荷（Ｗ）÷０．２３２×１４．３÷５．０
÷体重（ｋｇ）…（４）
ここで、０．２３２は自転車エルゴメータの運動効率が２３．２％であることを示し、１４．３は、１ワット＝１４．３ｃａｌ／分の換算係数であり、５．０は１リットルの酸素消費量で５．０ｋｃａｌ消費するという換算係数である。演算結果は次のようになる。
【００７０】
ＶＯ２（ｍｌ／ｋｇ／ｍｉｎ）＝１００÷０．２３２×１４．３÷５．０÷７０＝１７．６　これは、無酸素性運動閾値時のＶＯ２が１７．６（ｍｌ／ｋｇ／ｍｉｎ）となることを示す。
【００７１】
一般に健常者でのＡＴは、最大酸素摂取量（ＶＯ２ｍａｘ）の約５５％で出現することから、各年齢でのＶＯ２ｍａｘの標準値の５５％を無酸素性運動閾値の標準値として体力測定を行なう。
【００７２】
（４）　第４実施の形態
次にこの発明の第４実施の形態について説明する。第４実施の形態においては、第１〜第３実施の形態で述べた運動レベルの一例としての無酸素性運動閾値の検出方法が心拍計等の拍動計に適用される。
【００７３】
この実施の形態に係る心拍計の構成を図２０に示す。図２０を参照して、この実施の形態に係る心拍計は、心拍センサ６１と、この心拍センサ６１で検出された心拍信号を増幅するプリアンプ６２と、ノイズを除去するフィルタ６３と、増幅・フィルタリングされた心拍信号をさらに増幅するアンプ６４と、Ａ／Ｄ変換器６５と、無酸素性運動閾値を推定する等の種々の処理を実行するＣＰＵ６６と、キー入力装置６７と、表示器６８と、メモリ６９と報知器７０とを備えている。
【００７４】
この実施の形態に係る心拍計では、心拍がＡＴレベルに達すると報知器７０によって無酸素性運動閾値レベルであることを報知する。また、同様に表示器６８によって無酸素性運動閾値レベルであることが表示される。さらに、表示器６８、報知器７０によって無酸素性運動閾値レベルでの運動のペースを指示する。また、無酸素性運動閾値を基準に設定されたターゲットゾーンでの運動時間と、この範囲より強いあるいは弱い運動強度での運動時間を算出し、表示器６８によって表示する。またそれぞれの運動時間をメモリ６９に貯える。
【００７５】
図２１はこの実施の形態に係る心拍計の装着例を示す。この心拍計は筐体７１と腕時計式の本体７２とからなり、筐体７１には心電電極７３と送信部７４とを備え、本体７２は送信されてくる心拍信号を受信する。回路としては、図２０に示した回路のプリアンプ６２からＡ／Ｄ変換器６５の間のいずれかに送信部、受信部を設けることになる。本体７２は腕時計式のものであるが、運動形態によっては、本体は操作パネル等を有する箱体であってもよい。
【００７６】
次にこの実施の形態に係る心拍計の処理動作を図２２に示すフローチャートにより説明する。キー入力装置７からＣＰＵ６に開始キー押下情報が入力されると、測定が開始され、まずＡＴモードか否かが判定される（ＳＴ７１）。この判定でＡＴ入カモードであるなら、以前に測定したＡＴピッチなどを入力するか、またはメモリ６９から読出す（ＳＴ７７）。そして、その後ＳＴ７６移行の処理を実行する。ＳＴ７６以降の処理については後述する。
【００７７】
ＳＴ７１において、ＡＴ入力モードではなく、ＡＴ推定を行なう場合には、まず安静状態を報知器７０により指示し、安静時心拍データをＣＰＵ６６に入力する。このとき、心拍センサ６１からの信号がある一定レベルになるようにキャリブレーションを行なう（ＳＴ７２）。
【００７８】
次に報知器７０により歩行に相当するピッチで運動させる。このときの心拍データをＣＰＵ６に取込む。そして、無酸素性運動閾値を推定する（ＳＴ７３）。この無酸素性運動閾値の推定はピッチを漸増させ、心拍データをＣＰＵ６６に取込み、ＲＲ間隔データを抽出し、ＰＩを算出する。ここでＰＩは上記した式（２）で求める。
【００７９】
このＰＩデータを１２８データ分、あるいは２分間ごとの区間で１％刻みでの度数分布を算出し、Ｐ（ｉ）＝ｆ（ｉ）／ｆより上記した第１実施の形態と同様に式２に従ってエントロピーの極小点を検出し無酸素性運動閾値推定を行なう（ＳＴ７３，ＳＴ７４）。
【００８０】
このときの心拍数をＡＴ心拍数、ピッチをＡＴピッチとしてメモリ６９に記憶するとともに、表示器６８で表示し、報知器７０で報知する（ＳＴ７５）。
【００８１】
次にＡＴピッチで運動ペースメークを行ない、表示器６８および報知器７０によって運動のペースを指示する（ＳＴ７６）。そして、ＡＴピッチを基準に設定したターゲットゾーンでの運動時間およびこの範囲より強いあるいは弱い運動強度であるかを判定する（ＳＴ７８）。この判定に応じ、それぞれ「適正」を表示（ＳＴ７９）、「強い」を表示（ＳＴ８０）、「弱い」を表示（ＳＴ８１）し、それぞれの運動強度での運動時間をメモリ６９に記憶するとともに表示器６８に表示する（ＳＴ８２）。これは表示器６８に表示するかまたはメモリ６９に記憶するのかのいずれかのみを行ってもよい。
【００８２】
なお、図２１に示した心拍計の心拍センナ６１に代えて、脈拍センサ６１ａを用いれば脈拍計となり、心拍計と同様の拍動計として適用できる。
【００８３】
また第４実施の形態においてはエントロピーを用いて無酸素性運動閾値の検出を行ったが、これに限らず、第２または第３実施の形態を用いて無酸素性運動閾値の検出を行ってもよい。
【００８４】
また、上記実施の形態では、運動レベルとして無酸素性運動閾値を用いて説明したが、これに限らず、負荷装置の負荷の変化に対応した生理信号の変化に基づいた他のデータを用いて運動レベルを求めてもよいのは言うまでもない。
【００８５】
（産業上の利用可能性）
以上のように、この発明に係る運動機器は負荷装置の負荷変化に応答する心電信号に基づいて無酸素性運動閾値を推定し、その推定値をもとに負荷を制御するため、それぞれの体力に応じた適正な運動を行なうことができる運動機器が提供できる。
【００８６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態におけ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】自転車エルゴメータの外観斜視図である。
【図３】最大心拍数に対する無酸素性運動閾値の分布を示す図である。
【図４】第１実施の形態における自転車エルゴメータのＡＴ推定の処理動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】（Ａ）と（Ｂ）は運動機器による負荷の漸増と、心拍間隔のゆらぎのエントロピー変化を示す図である。
【図６】ＡＴに応じた運動プログラムの一例を示すフローチャートである。
【図７】第１実施の形態における自転車エルゴメータの処理動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】第１実施の形態における自転車エルゴメータにおいて、負荷を漸増した場合の心拍数と心拍間隔のゆらぎのエントロピーの関係を示す図である。
【図９】第１実施の形態における自転車エルゴメータにおいて、負荷を漸増した場合の負荷と心拍数の関係を示す図である。
【図１０】第１および第２実施の形態における自転車エルゴメータで使用される心電センサの１つの装着例を示す図である。
【図１１】第１実施の形態における自転車エルゴメータで使用される他の心電センサの例を示す図である。
【図１２】第１および第２実施の形態における自転車エルゴメータで使用されるさらに他の心電センサの例を示す例である。
【図１３】第１実施の形態に係る自転車エルゴメータで使用される脈拍センサの装着例を示す図である。
【図１４】（Ａ）と（Ｂ）はこの発明の第１実施の形態に係る自転車エルゴメータで使用される指用血圧計の装着例を示す図である。
【図１５】（Ａ）と（Ｂ）はこの発明の第１実施の形態に係る自転車エルゴメータで使用される呼吸数検出を説明するための図である。
【図１６】この発明が実施されるさらに他の運動機器の例としてトレッドミルを示す外観斜視図である。
【図１７】この発明が実施される他の運動機器の例としてローイングエルゴメータを示す図である。
【図１８】心拍間隔のゆらぎのパワーを算出して負荷を制御する第２実施の形態における処理内容を示すフローチャートである。
【図１９】（Ａ）と（Ｂ）はゆらぎのパワーと負荷の関係を示す図である。
【図２０】第４実施の形態における拍動計の構成を示すブロック図である。
【図２１】第４実施の形態における心拍計の装着者への装着状態を説明するための図である。
【図２２】第４実施の形態における心拍計の処理動作を説明するためのフローチャートである。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to exercise equipment such as a bicycle ergometer, a treadmill, and a rowing ergometer, a physical strength evaluation method, and a pulsimeter.
[0002]
BACKGROUND ART AND PROBLEMS TO BE SOLVED BY THE INVENTION
An apparatus and a method for determining the exercise level, which are of interest to the present invention, are disclosed for example in WO 96/20640. According to the publication, the heart rate of a person engaged in training is monitored, for example, a QRS complex waveform is measured from the electrocardiogram signal, thereby calculating the heart rate, and the power of the spectrum derived from the heart rate is calculated. A method is disclosed for determining the exercise level of a person during training based on
[0003]
Another conventional muscle endurance measuring device and muscle endurance measuring method for a person exercising is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 7-38885. According to the publication, the load of a person exercising is calculated by the product of the heart rate and the systolic blood pressure, and the endurance is calculated based on the product.
[0004]
The load of a person training or exercising in the past has been measured as described above. By using such a method, it was possible to estimate the load of a person who is exercising or training.
[0005]
On the other hand, exercise equipment such as a bicycle ergometer has conventionally been marketed for maintaining and improving health. As a conventional exercise device, there has been one that adds an exercise program based on exercise intensity predetermined statistically by inputting age, sex, and the like. As the evaluation of the physical strength level, there has been a method in which a method of estimating the maximum oxygen uptake based on a change in the pulse or the like with respect to the exercise load is used.
[0006]
By the way, as a method of safe and effective exercise, there is an anaerobic threshold (hereinafter, sometimes abbreviated as AT) which is a threshold of exercise intensity that can be performed without continuously increasing blood lactic acid. Conventionally, the AT measurement includes an invasive measurement method of measuring blood lactate by collecting blood, and a restrictive method of obtaining from the change in the partial pressure of carbon dioxide and the partial pressure of oxygen in exhaled gas by exhaled gas analysis.
[0007]
As a conventional physical strength evaluation method, there is a method of estimating a maximum oxygen intake, a maximum exercise intensity, a maximum heart rate, and the like based on a change in a pulse rate with respect to an exercise load.
[0008]
However, in the above-described conventional exercise level determining apparatus and exercise equipment, (1) data obtained by the exercise level determining apparatus and method are merely used for physiologically determining exercise levels in training and exercise. It was not used effectively.
[0009]
(2) The exercise intensity setting does not match the exercise ability of each individual, and the intended exercise effect cannot be sufficiently obtained.
[0010]
(3) AT is optimal as exercise intensity suitable for each individual's exercise ability, but measurement requires a large-scale device such as an intake gas analyzer, and measurement is also restricted. It cannot be mounted on exercise equipment practically.
[0011]
(4) An AT showing an aerobic exercise ability that is important as a physical fitness technique cannot be determined and displayed on the exercise equipment for the reason (3) above. There was a problem.
[0012]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides an exercise apparatus that can easily and easily know an exercise level, and can effectively train using the value. With the goal.
[0013]
It is another object of the present invention to provide an exercise machine that can easily and appropriately know the anaerobic threshold and can train effectively using the threshold.
[0014]
Still another object of the present invention is to be able to easily and simultaneously know the physical strength and the exercise level, to be able to grasp the own exercise ability in more detail, to be able to exercise properly, and to be able to perform the exercise with a high degree of accuracy and accuracy in as short a time as possible. An object of the present invention is to provide an exercise device and a physical strength evaluation method capable of evaluating an exercise level.
[0015]
Yet another object of the present invention is to provide a pulsimeter which allows the user to know the exercise level easily, easily and appropriately.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
An exercise device according to the present invention includes a load device capable of changing a load, a physiological signal measuring unit that measures a physiological signal non-invasively with time, and an exercise level based on a physiological signal corresponding to a load change of the load device. The exercise apparatus further includes an exercise level estimating means for estimating, and means for controlling a load of the load device using the estimated exercise level.
[0017]
Exercise equipment that estimates the exercise level based on physiological signals responding to the load change of the load device and controls the load on the load device so that it approaches the exercise level. Can be provided.
[0018]
Preferably, the exercise level estimating means estimates the exercise level based on a change in the physiological signal corresponding to a change in the load on the load device.
[0019]
More preferably, the exercise level estimating means estimates an anaerobic threshold as the exercise level.
[0020]
The exercise level estimating means estimates the anaerobic exercise threshold as the exercise level and controls the load on the exercise apparatus based on the threshold, so that it is possible to provide an exercise apparatus that can more efficiently perform appropriate exercise according to its exercise ability. .
[0021]
In one aspect of the present invention, the exercise level estimating means includes means for calculating the fluctuation of the heartbeat interval of each detected electrocardiographic signal, means for calculating the power of the fluctuation of the heartbeat interval, and A means for obtaining a convergence point of the change is provided, and an exercise load corresponding to the convergence point is estimated as an exercise level.
[0022]
Exercise equipment that can evaluate the exercise level in a short period of time and accurately because it calculates the fluctuation of the heartbeat interval of the electrocardiographic signal and estimates the exercise level by finding the convergence point of the change in the power of the fluctuation with the increase in load it can.
[0023]
In another aspect of the present invention, the exercise equipment includes a load device that gradually increases a load with time, an electrocardiographic sensor that detects an electrocardiographic signal, and a unit that measures a heart rate of the electrocardiographic signal detected in the process of gradually increasing the load. Means for calculating the fluctuation of the heartbeat interval of the electrocardiographic signal; motion level estimating means for estimating the motion level based on the heart rate and fluctuation of the heartbeat interval; and the motion level estimated by the motion level estimating means. It includes a means for estimating physical strength based on a gradient of a heart rate change with respect to a load change before and after, and a means for controlling the load device so as to approach the estimated physical strength.
[0024]
The heart rate of the electrocardiographic signal detected during the gradual increase of the load is measured, the fluctuation is calculated, and the exercise level is estimated based on the heart rate and the fluctuation of the heartbeat interval. Since the load of the load device is controlled, it is possible to provide an exercise apparatus that can grasp the own exercise ability in more detail and perform appropriate exercise.
[0025]
In still another aspect of the present invention, a physical strength evaluation method includes gradually increasing a load with a load device, detecting an electrocardiographic signal with a gradually increasing exercise load using an electrocardiographic sensor in the gradually increasing process, and detecting the detected electrocardiographic signal. , The fluctuation of the heart rate and the heartbeat interval is obtained from the data, and the physical strength and the exercise level are simultaneously estimated from the fluctuation of the heart rate and the heartbeat interval.
[0026]
The ECG sensor detects the ECG signal under the increasing exercise load, calculates the fluctuations in heart rate and heartbeat interval from the detected ECG signal, and estimates the physical strength and exercise level simultaneously based on these. And a physical strength evaluation method capable of accurately evaluating the physical strength and the exercise level.
[0027]
In still another aspect of the present invention, the pulsimeter includes a pulsation sensor for detecting a pulsation signal applied to the electrocardiogram, a notifying unit for notifying the exercise pitch to be gradually increased, and a pulsation sensor in the step of gradually increasing the exercise. And a means for estimating the exercise level based on the pulsation signal detected in step (a), and a means for pace-making based on the exercise pitch at the time of estimation of the exercise level.
[0028]
Since the exercise level can be estimated from the pulsation signal in the exercise increasing process by the pulsimeter, the exercise level of each individual can be easily known while exercising during exercise in the field.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
(1) First embodiment
FIG. 1 is a block diagram showing a circuit configuration of a bicycle ergometer which is an example of the exercise equipment according to the first embodiment of the present invention. The ergometer includes an electrocardiographic sensor 1 for detecting an electrocardiographic signal, a preamplifier 2 for amplifying an output signal thereof, a filter 3 for removing noise, and an amplifier 4 for amplifying the electrocardiographic signal to a more appropriate level. An A / D converter 5, a CPU 6 for executing various processes, a key input device 7, a display 8, and a load device (rotary load) 9 are provided.
[0031]
FIG. 2 is an external perspective view of the bicycle ergometer according to this embodiment. Referring to FIG. 2, the bicycle ergometer includes a saddle 11, a handle 12, an operation unit 13, a pedal 14, a front leg frame 15, and a rear leg frame 16. The operation unit 13 includes a key input device 7 and a display 8 (see FIG. 1). In this ergometer, a subject (exercise person) exercises by sitting on a saddle, depressing a pedal 14, and rotating. The load is applied to the pedal 14 by the load device 9 so as to have a weight corresponding to the degree of exercise intensity. When the load is large, a large amount of exercise is naturally required to rotate the pedal 14 a fixed number of times. The electrodes of the electrocardiographic sensor 1 are worn on the chest of the subject with a belt, and the detected electrocardiographic signal is wirelessly transmitted to other circuits of the operation unit 13 to process the signal.
[0032]
FIG. 10 shows an example of mounting the electrocardiographic sensor 1. A chest belt 41 having a pair of electrodes and a transmission unit is attached to the chest of the exerciser M, and a reception unit (corresponding to the operation unit 13 in FIG. 2) 42 is provided on the handle 12.
[0033]
FIG. 11 is a diagram showing another example of an electrocardiographic sensor used in a bicycle ergometer.

Electrodes

43 and 44 for detecting electrocardiogram are provided on the handle 12. An electrocardiogram is detected by grasping the

electrodes

43 and 44 with both hands. The

electrodes

43 and 44 are connected to a circuit section in the ergometer body.
[0034]
FIG. 12 shows another example of an electrocardiographic sensor used in a bicycle ergometer. Referring to FIG. 12, three

electrodes

45, 46, and 47 of G (ground), + (plus), and-(minus) are attached to the chest of exerciser M. It is a chest lead type that is connected to a circuit section in the main body by a wire 48 and detects an electrocardiographic signal.
[0035]
FIG. 13 shows an example of a pulse sensor used in a bicycle ergometer. A pulse sensor 49 is attached to the earlobe of the exerciser M to detect a pulse.
[0036]
In a conventional exercise device such as an ergometer, as an example of an exercise level, based on statistical data that an AT point is about 55% with respect to a maximum heart rate (maximum exercise intensity) determined by inputting age and the like. In addition, exercise programs such as weight loss and physical strength enhancement had been decided.
[0037]
However, when actually measuring what percentage of the maximum heart rate the AT measured value is, as shown in FIG. 3, the AT has a considerable individual difference. FIG. 3 shows the distribution of measured AT values for each of 24 male students when the maximum heart rate is 100%. Therefore, a conventional exercise program with a statistically determined exercise intensity is not always optimal for each individual.
[0038]
In the bicycle ergometer according to this embodiment, in addition to the physical strength level display that has been shown by estimating the maximum exercise intensity such as the maximum oxygen uptake (maximum heart rate), as an example of the exercise level, The exercise threshold is simultaneously estimated based on the heartbeat fluctuation, and is displayed and output as the aerobic exercise ability.
[0039]
Next, the processing operation of the bicycle ergometer according to this embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG. When the measurement start key press information from the key input device 7 is input to the CPU 6, the measurement is started. First, a resting electrocardiographic signal is detected by the electrocardiographic sensor 1 (step ST1, hereinafter abbreviated as step), and a calibration operation is performed so that the signal from the electrocardiographic sensor 1 becomes a certain level (ST2). . This calibration operation is performed by adjusting the gain of the amplifier 4 with a signal from the CPU 6.
[0040]
"Start measurement" is displayed on the display 8 (ST3), and control of the load device 9 is started (ST4). As a load of the load device 9, a lamp load of 15 W [watt] per minute is applied. RR interval data (one cycle of heartbeat) is calculated by detecting the peak value of the electrocardiographic signal. A PI (Percent Index) is calculated from the calculated RR data (ST5). Here, PI is the ratio of the difference between the previous cycle and the current one cycle with respect to the previous one cycle expressed in%, and is obtained by the following equation.
[0041]
PI (n)% = {RR (n) -RR (n + 1)} / RR (n) × 100% Here, this PI is referred to as fluctuation of the heartbeat interval.
[0042]
The frequency distribution at intervals of 1% is calculated from the PI data for 128 data or in intervals of 2 minutes, and P (i) = f (i) / f. The entropy H is calculated (ST6).
[0043]
(Equation 1)

[0044]
Subsequently, it is determined whether or not the vehicle has reached the AT point (ST7). If the entropy is decreasing with respect to the increase in the amount of exercise as shown in FIGS. 5A and 5B, the load is determined as NO in the determination. The value gradually increases (ST8), and the PI value and the entropy calculation are continued each time (ST5, ST6). As shown in FIG. 5A, when the entropy polarization point (minimum point) is reached, this point is the AT point, and the result is displayed on the display 8 if the determination in ST7 is YES (ST9). The results are heart rate (bPM), load intensity (W), time (min), etc. at the AT point. After displaying the result, the load is reduced and cool down is performed (ST10). After a one minute cool down, the load is stopped and the control is terminated (ST11).
[0045]
The bicycle ergometer according to this embodiment has a function of easily knowing the AT. Thus, for example, if the exercise intensity of an exercise program such as weight loss or physical strength enhancement is set, the maximum heart rate is 65% for weight loss and 75% for physical strength enhancement, whereas 18% of AT points is conventionally determined. The exercise intensity can be adapted to each individual's exercise level, such as decreasing or increasing by 18%.
[0046]
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a process of determining exercise intensity from an estimated AT in the exercise apparatus according to the present embodiment. When the AT point is estimated (ST21), or when the AT value of the person is already known and input from the key input device 7 (ST22), it is determined whether the weight loss program is specified next (ST23). If the determination is YES, the load is set to 82% of AT (ST24). If the weight reduction program is not specified in ST23, it is further determined whether or not the physical fitness enhancement program is specified (ST25). . If the determination is YES, the load is set to AT 118% (ST26). If the determination is NO in ST25, the process proceeds to another process.
[0047]
Further, in the bicycle ergometer according to this embodiment, since both the maximum heart rate (exercise intensity) and the AT can be easily estimated, the AT of each individual determines what percentage of the maximum heart rate (exercise intensity). By showing, it is possible to know the degree of the aerobic exercise ability with respect to the statistical average level. With this exercise device, this display output function allows not only a mere physical strength level but also an aerobic exercise ability to be displayed and output, so that the user can easily know the aerobic exercise ability that could not be easily known until now. Can be.
[0048]
Another ergometer will be described. In this bicycle ergometer, the circuit configuration is the same as that shown in FIG. 1, but in addition to the display of the physical fitness level indicated by the estimation of the maximum exercise intensity such as the maximum oxygen uptake (maximum heart rate) so far. , AT are simultaneously estimated based on the fluctuation of the heartbeat interval, and displayed and output as aerobic exercise ability.
[0049]
The overall operation of the exercise equipment according to this embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG. When the operation starts, first, personal data such as age and gender are input by the key input device 7 (ST31). Next, it is determined whether or not only the AT is estimated (ST32). If only the AT is specified from the key input device 7, and only the AT is determined, the fluctuation entropy at rest is calculated (ST33). If the entropy level is less than 2.0, the estimation is terminated because the AT cannot be estimated (ST35). As described above, the estimation end is performed when the entropy level is less than 2.0 because the subject does not have heartbeat fluctuation from rest and has a low entropy and is difficult to determine the AT even if the exercise load test is performed. This is to prevent the AT from being presumed to be unpredictable and prevent unnecessary exercise.
[0050]
The subject whose heart rate fluctuation entropy is 2 or more, or who estimates both AT and physical strength, measures the heart rate at rest (ST36) and performs an exercise load test. At this time, as the exercise load pattern, a load initial value is obtained from personal data, and for example, a ramp load that increases gradually is used (ST37, ST38). In other words, it is inefficient to use the same pattern in spite of the individual's physical strength level being different, so that a subject with a high physical strength level has a high exercise load level as an initial value based on personal data such as age and gender. In addition, the load gradually increasing speed is set high. However, in order to maintain the estimation accuracy, in this case, the load gradually increasing speed of a certain level or more, for example, 40 W / min or more is not applied.
[0051]
After the exercise load test, the physical strength and the AT level are estimated (ST39). Subsequently, it is determined whether or not the AT estimation is possible (ST40). If the AT estimation is not possible, a statistical AT level based on the estimated physical strength level (maximum heart rate), for example, 55% of the maximum heart rate, is used. The AT is estimated (ST41) and output together with the physical strength level (ST42). In the case where AT estimation is possible in ST40, the determined AT level is output together with the physical fitness level (ST42).
[0052]
The above-mentioned physical strength test and AT test are performed as follows. AT is obtained from the heartbeat interval data obtained by the exercise load test, as shown in FIG. 8, to determine the relationship between the heart rate and the heartbeat interval fluctuation entropy, and is calculated as the heart rate at the minimum entropy point.
[0053]
The heartbeat interval fluctuation entropy first calculates PI using RR data and the following equation (2).
[0054]
PI (n)% = {RR (n) -RR (n + 1)} / R (n) × 100 (2)
A frequency distribution of 128 pieces of this PI data or a 1% interval at intervals of 2 minutes is calculated, P (i) = fi / f is obtained, and the entropy H is obtained by the equation (1) used in the description of FIG. It is calculated by the formula.
[0055]
Next, the physical fitness level corresponding to the maximum exercise intensity is calculated based on the gradient of the heart rate change with respect to the exercise load level (W) in a certain set range, for example, ± 20 beats, with the heart rate at the estimated AT being the center. Is estimated by obtaining as shown in FIG. If the AT cannot be estimated, similar estimation is performed within a range of ± 20 beats centered on an index determined by {(220−age) −heart rate at rest} × 0.55 + heart rate at rest.
[0056]
As described above, the AT and the physical strength can be efficiently and simultaneously estimated from the electrocardiogram signals obtained by the exercise load test in as short a time as possible.
[0057]
In each of the above-described embodiments, a case has been described in which an electrocardiographic signal is measured by an electrocardiographic sensor as a physiological signal, and the fluctuation of the heartbeat is used. However, instead of the electrocardiographic signal, a DP (Double Product) (physical signal) is used. Blood pressure x heart rate) or respiratory rate may be used. The blood pressure during exercise can be measured, for example, by bringing the cuff 50 of the finger sphygmomanometer into contact with the handle 12 of the bicycle ergometer as shown in FIGS. 14 (A) and 14 (B). In FIG. 14B, 51 is an air tube and 52 is a pulse wave signal line. The heart rate can of course be measured by the various electrocardiographic sensors described above. The measurement of the respiratory rate is performed by mounting the thermistor 53 on the nose of the exerciser M, as shown in FIGS. 15 (A) and 15 (B). For example, the respiratory rate can be measured by holding the thermistor 53 with a tape 54 or the like that widens the nostrils (see FIG. 15B) and detecting a temperature change due to breathing.
[0058]
Further, although a bicycle ergometer is used as a load device capable of changing the load in each of the above embodiments, the present invention can be applied to a treadmill shown in FIG. 16 and a rowing ergometer shown in FIG. 17 instead.
[0059]
In FIG. 16, reference numeral 21 denotes a traveling belt. Reference numeral 22 denotes an operation unit having a display unit, a key input unit, and the like. When a power switch 23 is turned on, the traveling belt 21 is moved by a built-in motor. An athlete rides on the running belt 21 and runs while adjusting the speed of the running belt. In this treadmill, the load can be changed by changing the rotation speed of the motor or the inclination angle of the running belt.
[0060]
The rowing ergometer shown in FIG. 17 includes a seat 31, a rail 32, a power switch 33, a footrest 34, a bar 35, and an operation panel 36. When the exerciser sits on the seat 31 and pulls the bar 35 with the rope close to his / her hand, it returns to the original position again and repeats this. Exercise while feeling the built-in load. Also in this rowing ergometer, the load can be changed by changing the pulling force for returning the bar to the original position.
[0061]
(2) Second embodiment
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the anaerobic threshold is estimated using the power of the fluctuation of the heartbeat interval. Also in the second embodiment, the bicycle ergometer used and data obtained from the subject are the same as those in the first embodiment.
[0062]
FIG. 18 is a flowchart showing the processing contents of the electrocardiographic signal processing in the second embodiment. Referring to FIG. 18, in this embodiment, first, an electrocardiographic signal at rest is detected (ST51). Next, calibration is performed, measurement start is displayed, and load control is started (ST52 to ST54). Up to this point, it is the same as in the first embodiment.
[0063]
In the second embodiment, a peak of an electrocardiographic signal from the electrocardiographic sensor 1 is detected, and RR interval data (one cycle of a heartbeat) is calculated. Then, based on the RR interval data, the power (power) is calculated using the following equation (3).
[0064]
power (n) [ms ² ] = {RR (n-1) -RR (n)} ² … (3)
That is, the power is the square of the difference between the previous RR interval and the current RR interval. Here, this power is referred to as the power of fluctuation of the heartbeat interval. What detected the average value of this power data for 30 seconds in 15 seconds is used for estimating the anaerobic threshold as an example of the exercise level.
[0065]
Next, in ST56, it is determined whether or not the AT point has been reached. FIGS. 19A and 19B are diagrams showing the rate of change with time of fluctuation power and load. As shown in FIGS. 19A and 19B, the fluctuation power decreases and converges as the exercise load increases. The convergence point of this fluctuation power fluctuation curve is the AT point. Here, the fluctuation power is lower than a predetermined base value, and the difference from the previous power value (power (n−1) −power (n): slope of the fluctuation curve of fluctuation power) is a predetermined reference value. It is judged as a convergence point when the following is reached.
[0066]
The load is increased until an AT point is obtained (ST57). When the anoxic exercise threshold point is reached (YES in ST56), the result is displayed, the load is reduced, and the load control ends (ST58 to ST60). This is the same as in the first embodiment.
[0067]
(3) Third embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The oxygen intake may be obtained from the load at the time of appearance of the anoxic exercise threshold detected by any of the first or second method described above, and the exercise load may be controlled using the oxygen intake. In calculating the oxygen intake, the oxygen intake (VO2) is calculated from the load at the time of appearance of the AT by a conversion formula, and VO2 per kilogram of body weight is obtained.
[0068]
For example, if a person weighing 70 kg has an AT at 100 W of bicycle ergometer exercise, the oxygen intake is determined by the following equation (4).
[0069]
VO2 (ml / kg / min) = load (W) ÷ 0.232 × 14.3 ÷ 5.0
÷ Weight (kg)… (4)
Here, 0.232 indicates that the exercise efficiency of the bicycle ergometer is 23.2%, 14.3 is a conversion coefficient of 1 watt = 14.3 cal / min, and 5.0 is 1 liter of oxygen. This is a conversion coefficient of 5.0 kcal consumption. The operation result is as follows.
[0070]
VO2 (ml / kg / min) = 100 ÷ 0.232 × 14.3 ÷ 5.0 ÷ 70 = 17.6 This means that VO2 at the threshold of anaerobic exercise is 17.6 (ml / kg / min). It shows that it becomes.
[0071]
In general, AT in a healthy person appears at about 55% of the maximum oxygen uptake (VO2max). Therefore, physical strength is measured using 55% of the standard value of VO2max at each age as a standard value of the anaerobic threshold. .
[0072]
(4) Fourth embodiment
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, the anaerobic threshold detection method as an example of the exercise level described in the first to third embodiments is applied to a pulsimeter such as a heart rate monitor.
[0073]
FIG. 20 shows the configuration of a heart rate monitor according to this embodiment. Referring to FIG. 20, a heart rate monitor according to the present embodiment includes a heart rate sensor 61, a preamplifier 62 for amplifying a heart rate signal detected by heart rate sensor 61, a filter 63 for removing noise, and an amplification / filtering. An amplifier 64 for further amplifying the obtained heart rate signal, an A / D converter 65, a CPU 66 for executing various processes such as estimating an anaerobic threshold, a key input device 67, a display 68, A memory 69 and an alarm 70 are provided.
[0074]
In the heart rate monitor according to the present embodiment, when the heart rate reaches the AT level, the alarm 70 notifies the user of the anaerobic threshold level. Similarly, the indicator 68 indicates that the threshold value is the anaerobic exercise threshold level. Further, the display 68 and the alarm 70 indicate the pace of exercise at the anaerobic threshold level. Further, the exercise time in the target zone set based on the anaerobic exercise threshold value and the exercise time at an exercise intensity higher or lower than this range are calculated and displayed on the display 68. Each exercise time is stored in the memory 69.
[0075]
FIG. 21 shows an example of wearing the heart rate monitor according to this embodiment. The heart rate monitor includes a housing 71 and a wristwatch-type main body 72. The housing 71 includes an electrocardiographic electrode 73 and a transmitter 74, and the main body 72 receives the transmitted heart rate signal. As a circuit, a transmitting unit and a receiving unit are provided between the preamplifier 62 and the A / D converter 65 in the circuit shown in FIG. Although the main body 72 is of a wristwatch type, the main body may be a box having an operation panel or the like depending on the form of exercise.
[0076]
Next, the processing operation of the heart rate monitor according to this embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG. When start key press information is input from the key input device 7 to the CPU 6, measurement is started, and it is first determined whether or not the AT mode is set (ST71). If the mode is the AT input mode in this determination, the previously measured AT pitch or the like is input or read from the memory 69 (ST77). Then, the process of transition to ST76 is executed. The processing after ST76 will be described later.
[0077]
In ST71, when the AT estimation is performed instead of the AT input mode, a resting state is first instructed by the annunciator 70, and resting heart rate data is input to the CPU 66. At this time, calibration is performed so that the signal from the heart rate sensor 61 becomes a certain level (ST72).
[0078]
Next, the annunciator 70 exercises at a pitch corresponding to walking. The heart rate data at this time is taken into the CPU 6. Then, the anaerobic threshold is estimated (ST73). The anaerobic threshold is estimated by gradually increasing the pitch, taking heart rate data into the CPU 66, extracting RR interval data, and calculating PI. Here, PI is obtained by the above equation (2).
[0079]
This PI data is used to calculate a frequency distribution at intervals of 1% at intervals of 128 data or every two minutes, and from P (i) = f (i) / f, the equation 2 is obtained in the same manner as in the first embodiment. , The minimum point of entropy is detected and the anaerobic threshold is estimated (ST73, ST74).
[0080]
The heart rate at this time is stored in the memory 69 as the AT heart rate and the pitch as the AT pitch, displayed on the display 68 and notified by the alarm 70 (ST75).
[0081]
Next, an exercise pace is made at the AT pitch, and the display 68 and the alarm 70 indicate the exercise pace (ST76). Then, it is determined whether or not the exercise time in the target zone set based on the AT pitch and the exercise intensity is stronger or weaker than this range (ST78). In response to this determination, “adequate” is displayed (ST79), “strong” is displayed (ST80), and “weak” is displayed (ST81), and the exercise time at each exercise intensity is stored and displayed in the memory 69. Is displayed on the display 68 (ST82). This may either only be displayed on the display 68 or stored in the memory 69.
[0082]
If a pulse sensor 61a is used instead of the heart rate sensor 61 of the heart rate monitor shown in FIG. 21, the pulse rate meter becomes a pulse meter, and can be applied as a pulse meter similar to the heart rate meter.
[0083]
In the fourth embodiment, the detection of the anaerobic threshold is performed using entropy. However, the present invention is not limited to this, and the detection of the anaerobic threshold is performed using the second or third embodiment. Is also good.
[0084]
Further, in the above embodiment, the anaerobic threshold was used as the exercise level, but the present invention is not limited to this. It goes without saying that the exercise level may be determined.
[0085]
(Industrial applicability)
As described above, the exercise apparatus according to the present invention estimates the anaerobic threshold based on the electrocardiographic signal in response to the load change of the load device, and controls the load based on the estimated value. Exercise equipment that can perform appropriate exercise according to physical strength can be provided.
[0086]
The embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a circuit configuration of a bicycle ergometer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external perspective view of the bicycle ergometer.
FIG. 3 is a diagram showing a distribution of an anoxic exercise threshold with respect to a maximum heart rate.
FIG. 4 is a flowchart for explaining a processing operation of AT estimation of the bicycle ergometer according to the first embodiment.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a gradual increase in the load by the exercise equipment and an entropy change of the fluctuation of the heartbeat interval.
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of an exercise program according to an AT.
FIG. 7 is a flowchart illustrating a processing operation of the bicycle ergometer according to the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the heart rate and the entropy of the fluctuation of the heartbeat interval when the load is gradually increased in the bicycle ergometer according to the first embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between the load and the heart rate when the load is gradually increased in the bicycle ergometer according to the first embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of mounting an electrocardiographic sensor used in the bicycle ergometer according to the first and second embodiments.
FIG. 11 is a diagram showing an example of another electrocardiographic sensor used in the bicycle ergometer according to the first embodiment.
FIG. 12 is an example showing still another example of an electrocardiographic sensor used in the bicycle ergometer according to the first and second embodiments.
FIG. 13 is a diagram showing a mounting example of a pulse sensor used in the bicycle ergometer according to the first embodiment.
FIGS. 14A and 14B are diagrams showing an example of mounting a finger sphygmomanometer used in the bicycle ergometer according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 15A and 15B are diagrams for explaining respiration rate detection used in the bicycle ergometer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 16 is an external perspective view showing a treadmill as still another example of the exercise equipment in which the present invention is implemented.
FIG. 17 is a diagram showing a rowing ergometer as another example of the exercise equipment in which the present invention is implemented.
FIG. 18 is a flowchart showing processing in a second embodiment for calculating the power of fluctuations in the heartbeat interval and controlling the load.
FIGS. 19A and 19B are diagrams showing the relationship between fluctuation power and load.
FIG. 20 is a block diagram illustrating a configuration of a pulsimeter according to a fourth embodiment.
FIG. 21 is a diagram illustrating a state of wearing a heart rate monitor on a wearer according to a fourth embodiment.
FIG. 22 is a flowchart illustrating a processing operation of the heart rate monitor according to the fourth embodiment.

Claims

A load device that gradually increases the load over time;
An electrocardiographic sensor for detecting an electrocardiographic signal,
Means for measuring the heart rate of the electrocardiographic signal detected in the step of gradually increasing the load,
Means for calculating the fluctuation of the heartbeat interval of the electrocardiographic signal;
Exercise level estimating means for estimating an exercise level based on the heart rate and the fluctuation of the heartbeat interval;
Means for estimating physical strength by a gradient of a heart rate change with respect to a load change before and after the estimated exercise level.

The exercise device of claim 1, wherein the exercise level is an anaerobic threshold.

3. The exercise level according to claim 2, wherein the exercise level estimating means outputs the exercise level estimated based on other physiological information or the subject's physical information when the exercise level cannot be estimated based on the fluctuation of the heartbeat interval. Exercise equipment.

Gradually increasing the load with a load device;
A step of detecting an electrocardiographic signal with a gradually increasing exercise load using an electrocardiographic sensor in the gradually increasing process,
A physical strength evaluation method, comprising: obtaining a heart rate and a heart rate fluctuation from the detected electrocardiographic signal; and simultaneously estimating a physical strength and an exercise level from the obtained heart rate and the heart rate fluctuation.

The physical fitness evaluation method according to claim 4, wherein the exercise level is an anoxic exercise threshold.

A pulse sensor for detecting a pulse signal applied to the electrocardiogram;
A notifying means for notifying that the exercise pitch is gradually increased;
Exercise level estimating means for estimating the exercise level based on the pulsation signal detected by the pulsation sensor during the gradual increase of exercise,
A pacemaker based on the exercise pitch at the time of estimating the exercise level.

The pulsimeter according to claim 6, wherein the exercise level estimating means estimates an exercise level based on a change in the pulsation signal.

The pulsimeter of claim 7, wherein the estimated exercise level is an anaerobic threshold.

The pulsimeter according to claim 6, wherein the exercise level can be input by an input unit.

The pulsimeter according to claim 6, wherein the exercise level estimating unit estimates the exercise level based on fluctuation of a beat interval.

The exercise level estimating means includes means for calculating a fluctuation of a beat interval of each detected beat signal, means for calculating entropy of the beat interval fluctuation, and a minimum point of an entropy change characteristic with respect to an increase in exercise. 7. The pulsimeter according to claim 6, further comprising: means for determining the exercise level, wherein the load corresponding to the minimum point is estimated as the exercise level.

7. The pulsimeter according to claim 6, further comprising a notifying unit for notifying the fact at the time of estimation by the exercise level estimating unit.

The pulsimeter according to claim 6, wherein the estimated exercise level is output for display.

7. The pulsimeter according to claim 6, further comprising means for indicating a pace of exercise according to the exercise level when the exercise level is reached by gradually increasing the exercise.

Means for calculating the exercise time in a target zone set based on the exercise level, exercise time with an exercise intensity higher or lower than this zone, means for displaying the exercise time, and / or storing the exercise time 7. The pulsimeter according to claim 6, further comprising:

The exercise level estimating means is means for calculating the fluctuation of the heartbeat interval of each detected electrocardiographic signal, the means for calculating the power of the fluctuation of the heartbeat interval, and the means for obtaining the convergence point of the power change with respect to the increase in the load. The pulsimeter according to claim 6, comprising: estimating an exercise load corresponding to the convergence point as an exercise level.