JP2009125179A - 運動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、心電を正確に取得することが可能な運動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】運動者の心電を検出する心電検出器9を備える運動装置100であって、前記運動者の身体の異なる種類の2つの部位として、臀部と左手又は右手とに接触する位置に、それぞれ臀部用電極ユニット7と、左手用電極ユニット8L又は右手用電極ユニット8Rと、が設けられている。前記心電検出器9は、前記臀部用電極ユニット7からの臀部信号と、左手用電極ユニット8Lからの左手掌信号又は右手用電極ユニット8Rからの右手掌信号と、に基づいて前記運動者の心電を検出することを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】運動者の心電を検出する心電検出器9を備える運動装置100であって、前記運動者の身体の異なる種類の2つの部位として、臀部と左手又は右手とに接触する位置に、それぞれ臀部用電極ユニット7と、左手用電極ユニット8L又は右手用電極ユニット8Rと、が設けられている。前記心電検出器9は、前記臀部用電極ユニット7からの臀部信号と、左手用電極ユニット8Lからの左手掌信号又は右手用電極ユニット8Rからの右手掌信号と、に基づいて前記運動者の心電を検出することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、心電を測定可能な運動装置に関する。
従来より、人体の心電を取得する様々な方法が検討されている。例えば、特許文献1には、便座の3カ所に電極を設け、使用者が便座に着座した状態で心電を検出する構成が開示されている。電極は、臀部、右大腿部及び左大腿部に対応する位置に設けられている。臀部の電極はグラウンド電極であり、右大腿部及び左大腿部に対応する電極間の電位差に基づいて使用者の心電を検出する。特許文献2には、自動車のハンドル上において両手が接触する位置に2つの電極を設け、この電極間の電流を検出して心拍数を取得する構成が開示されている。また、運動ジム等には、左右のグリップ、サドル及びペダル等を有するバイク型の運動装置が設置されている。このバイク型の運動装置では、両手が接触する左右のグリップに電極を設けて心電を検出している。
特許第3430679号公報
実開平7-11475号公報
特許文献1では心電を検出する電極は、右大腿部及び左大腿部に対応して設けられた電極である。右大腿部及び左大腿部は身体のうち対になっている部位であり、人体の心臓からの距離が同程度でありかつ心臓からの方向が概ね同じであり、また脂肪量や血流等の特性も同程度である。そのため、右大腿部の電極からの信号の電圧と、左大腿部の電極からの信号の電圧とでは、その電圧差が小さい。よって、両信号を差動増幅しても、正確に心電を取得することができない。また、ハンドル上の両手が接触する位置に2つの電極が設けられている特許文献2においても、左右のグリップにそれぞれ電極を設けているバイク型の運動装置においても、同様の問題が生じる。
そこで、本発明は、心電を正確に取得することが可能な運動装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、発明1は、運動者の心電を検出する心電検出器を備える運動装置であって、前記運動者の身体の異なる種類の少なくとも2つの部位に接触する位置に、それぞれ第1電極ユニット及び第2電極ユニットが設けられており、前記心電検出器は、前記第1電極ユニットからの第1信号と、前記第2電極ユニットからの第2信号と、に基づいて前記運動者の心電を検出することを特徴とする、運動装置を提供する。
運動者の身体の異なる種類の2つの部位とは、例えば1つの部位が右手又は左手ともう一つの部位が臀部との組み合わせ、1つの部位が右手又は左手ともう一つの部位が耳たぶとの組み合わせ、1つの部位が臀部ともう一つの部位が足首との組み合わせなど、運動者の身体中心に対して非対称な位置にある部位の組み合わせである。なお、例えば右手と左手との組み合わせは同一種類の部位である。
第1及び第2電極ユニットは、前述の異なる種類の2つの部位に対応して運動装置に取り付けられている。各電極ユニットは、心臓からの微弱な電位を検出するための作用電極と、例えばグラウンドに接続される参照電極とが対になっている。運動者が運動装置により運動を行う際には、運動者の身体の異なる種類の2つの部位それぞれに対して、第1及び第2電極ユニットが各々接触する。この状態で各電極ユニットの作用電極及び参照電極間には心臓の動きに応じた電圧が発生する。これにより、運動者の心臓の動きに応じた第1及び第2信号が、第1及び第2電極ユニットそれぞれの作用電極から心電検出器に入力される。心電検出器は、入力された第1信号と第2信号との電圧差に基づいて心拍数などの心電を検出する。
ここで、第1及び第2電極ユニットはそれぞれ身体の異なる種類の2つの部位に対応して設けられているため、運動者の心臓から各電極ユニットまでの距離が異なる。例えば、異なる種類の2つの部位が例えば臀部及び右手であり、臀部に対応して第1電極ユニットが設けられ、右手に対応して第2電極ユニットが設けられている場合を考える。この場合、運動者の体内において、心臓から臀部の第1電極ユニットまでの距離と、心臓から右手の第2電極ユニットまでの距離と、に大きな差異がある。そのため、第1電極ユニットからの第1信号と第2電極ユニットからの第2信号との電圧差は、例えば右手及び左手など同一種類の2つの部位に対応して設けられた各電極からの信号の電圧差に比べて大きい。このような電圧差を有する第1信号及び第2信号を心電検出器において例えば差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。
また、第1及び第2電極ユニットは、運動者と運動装置との接触位置に設けられている。よって、運動装置とは別途の器具を運動者に取り付ける必要は無く、運動者は、心電を計測されているという煩わしさを感じることなく通常の運動に集中することができる。
発明2は、発明1において、運動者の身体の所定の基準位置から前記第1及び第2電極ユニットまでの距離の差が所定値以上であることを特徴とする、運動装置を提供する。
発明2は、発明1において、運動者の身体の所定の基準位置から前記第1及び第2電極ユニットまでの距離の差が所定値以上であることを特徴とする、運動装置を提供する。
所定の基準位置とは、例えば運動者の心臓である。所定の基準位置と第1及び第2電極ユニットそれぞれとの距離の差が所定値以上であると、第1電極ユニットからの第1信号と第2電極ユニットからの第2信号との電圧差を大きくすることができる。このような電圧差を有する第1信号及び第2信号を心電検出器において例えば差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。
なお、運動者の体において所定の基準位置から第1電極ユニットへの方向と、所定の基準位置から第2電極ユニットへの方向とが大きく異なれば、第1電極ユニットからの第1信号と第2電極ユニットからの第2信号との電圧差をより大きくすることが期待できるのでより望ましい。これは、距離の差に加え、方向も異なることで、信号検出の経路における体の組成の違いがより明確に出力結果に反映されるためである。例えば、心臓を基準として心臓よりも上方に位置する部位及びそれにつながる部位、例えば脇、両腕、両手、耳、首、頭などの部位と、心臓よりも下方に位置する部位、例えば両脚、臀部、足首などの部位とに分けて、それぞれ電極ユニットを配置すればよい。
発明3は、発明1において、前記運動装置は、一対の第1グリップ及び第2グリップと、前記運動者が着座するためのサドルと、をさらに備え、前記第1電極ユニットは前記サドルに設けられ、前記第2電極ユニットは前記第1グリップ又は前記第2グリップのいずれかに設けられることを特徴とする、運動装置を提供する。
前記構成によれば、運動者の体内において、心臓から臀部を介してサドルの第1電極ユニットまでの距離と、心臓から右手又は左手を介して第1又は第2グリップの第2電極ユニットまでの距離とが異なる。よって、第1電極ユニットからの第1信号と第2電極ユニットからの第2信号との電圧差が大きくなるため、第1信号及び第2信号を心電検出器において例えば差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。
前記構成によれば、運動者の体内において、心臓から臀部を介してサドルの第1電極ユニットまでの距離と、心臓から右手又は左手を介して第1又は第2グリップの第2電極ユニットまでの距離とが異なる。よって、第1電極ユニットからの第1信号と第2電極ユニットからの第2信号との電圧差が大きくなるため、第1信号及び第2信号を心電検出器において例えば差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。
発明4は、発明3において、前記心電検出器は、前記第1及び第2信号の入力を受けて、前記心電を検出するための検出信号を生成する生成回路を有しており、前記生成回路は、前記第1電極ユニットからの前記第1信号のインピーダンスよりも高い入力インピーダンスを有していることを特徴とする、運動装置を提供する。
サドルに設けられ第1電極ユニットからの第1信号と、第1又は第2グリップに設けられた第2電極ユニットからの第2信号とが生成回路に入力される。第1電極ユニットの作用電極と参照電極との間のインピーダンスをインピーダンスZ1、第2電極ユニットの作用電極と参照電極との間のインピーダンスをインピーダンスZ2とする。さらに、心電検出器の生成回路の入力インピーダンスをZh、生体電気信号をVb、心電検出器で検出される電圧をVaとすると、Vaは次式(1)で表される。
サドルに設けられ第1電極ユニットからの第1信号と、第1又は第2グリップに設けられた第2電極ユニットからの第2信号とが生成回路に入力される。第1電極ユニットの作用電極と参照電極との間のインピーダンスをインピーダンスZ1、第2電極ユニットの作用電極と参照電極との間のインピーダンスをインピーダンスZ2とする。さらに、心電検出器の生成回路の入力インピーダンスをZh、生体電気信号をVb、心電検出器で検出される電圧をVaとすると、Vaは次式(1)で表される。
Va=(Zh/(Z1+Z2+Zh))×Vb・・・(1)
ここで、第1電極ユニットの作用電極と参照電極との間には、脂肪量の多い臀部及び衣類等が介在しているため、インピーダンスZ1は極めて大きい。上記発明では、心電検出器の生成回路の入力インピーダンスZhを、第1電極ユニットのインピーダンスZ1よりも大きくすることで、上記(1)式のZh/(Z1+Z2+Zh)において心電を取得可能な程度に分子の値を適切に確保する。よって、運動者の身体の異なる種類の部位から、より正確に心電を検出することができる。
ここで、第1電極ユニットの作用電極と参照電極との間には、脂肪量の多い臀部及び衣類等が介在しているため、インピーダンスZ1は極めて大きい。上記発明では、心電検出器の生成回路の入力インピーダンスZhを、第1電極ユニットのインピーダンスZ1よりも大きくすることで、上記(1)式のZh/(Z1+Z2+Zh)において心電を取得可能な程度に分子の値を適切に確保する。よって、運動者の身体の異なる種類の部位から、より正確に心電を検出することができる。
また、この結果、従来装置であれば、手掌や耳という運動者の露出部を介してしか心電検出ができなかったが、本構成によれば、例えば臀部という着衣状態にある箇所からも心電データを取得することが可能となり、多様な検出構成を提供できる。
発明5は、発明4において、前記生成回路は、前記第1信号が非反転入力端子に入力される、高入力インピーダンスの第1オペアンプを有することを特徴とする、運動装置を提供する。
発明5は、発明4において、前記生成回路は、前記第1信号が非反転入力端子に入力される、高入力インピーダンスの第1オペアンプを有することを特徴とする、運動装置を提供する。
生成回路は、高入力インピーダンスの第1オペアンプを有するため、高い入力インピーダンスを確保することができる。これにより、第4発明と同様に上記(1)式において心電を取得可能な程度に分子の値を適切に確保し、より正確に心電を検出することができる。
発明6は、発明5において、前記生成回路は、前記第2信号が非反転入力端子に入力される、高入力インピーダンスの第2オペアンプをさらに有し、前記第1オペアンプと前記第2オペアンプとは同一特性のオペアンプであることを特徴とする、運動装置を提供する。
発明6は、発明5において、前記生成回路は、前記第2信号が非反転入力端子に入力される、高入力インピーダンスの第2オペアンプをさらに有し、前記第1オペアンプと前記第2オペアンプとは同一特性のオペアンプであることを特徴とする、運動装置を提供する。
第1オペアンプ及び第2オペアンプから出力された第1信号及び第2信号が、後続の回路において差動増幅されることで心電が検出される。本発明によれば、第1電極ユニットからの第1信号だけでなく、第2電極ユニットからの第2信号も、同一特性である高入力インピーダンスのオペアンプに入力されるため、第1及び第2信号は同様に処理される。例え、第1及び第2オペアンプが周囲の温度や湿度等の周辺環境の影響を受けたとしても、第1及び第2信号には同様の処理がなされているため、処理後も第1及び第2信号の電圧差は維持される。よって、本発明の構成によって、より正確に心電を検出することができる。
発明7は、発明5において、前記第1オペアンプは、FET(Field Effect Transistor)入力タイプのオペアンプであることを特徴とする、運動装置を提供する。
高入力インピーダンスのオペアンプの一例として、FET(Field Effect Transistor)入力タイプのオペアンプが挙げられる。
発明8は、発明5において、前記第1オペアンプは、電圧フォロワ回路からなることを特徴とする、運動装置を提供する。
高入力インピーダンスのオペアンプの一例として、FET(Field Effect Transistor)入力タイプのオペアンプが挙げられる。
発明8は、発明5において、前記第1オペアンプは、電圧フォロワ回路からなることを特徴とする、運動装置を提供する。
オペアンプは電圧フォロワ回路からなるため、高入力インピーダンス及び低出力インピーダンスの特性を併せ持っている。よって、心電検出器の生成回路の入力インピーダンスZhを高くすることができるとともに、オペアンプの出力インピーダンスが十分低いため後段の回路は高入力インピーダンスである必要はなく、正確に心電を検出することができる。
発明9は、発明4において、前記生成回路は基板上に実装されており、前記生成回路の前記第1信号が入力される第1入力端と、前記第1電極ユニットと、を接続する配線は、前記基板から所定の距離離れて設けられていることを特徴とする、運動装置を提供する。
生成回路の第1入力端と第1電極ユニットとを、基板から所定の距離離れて設けられた配線で接続することで、配線を基板上に形成することによる他配線や基板等への漏れ電流を抑制することができ、生成回路の入力インピーダンスの低下を抑制することができる。
生成回路の第1入力端と第1電極ユニットとを、基板から所定の距離離れて設けられた配線で接続することで、配線を基板上に形成することによる他配線や基板等への漏れ電流を抑制することができ、生成回路の入力インピーダンスの低下を抑制することができる。
発明10は、発明4において、前記生成回路は基板上に実装されており、前記生成回路の前記第1信号が入力される第1入力端と、前記第1電極ユニットと、を接続する配線は前記基板上に形成され、前記配線の近傍の基板の少なくとも一部にスリットが形成されていることを特徴とする、運動装置を提供する。
スリットにより、生成回路の第1入力端と第1電極ユニットとを接続する配線から他配線や基板等への漏洩電流を抑制することができる。よって、生成回路の入力インピーダンスの低下を抑制することができる。
スリットにより、生成回路の第1入力端と第1電極ユニットとを接続する配線から他配線や基板等への漏洩電流を抑制することができる。よって、生成回路の入力インピーダンスの低下を抑制することができる。
発明11は、発明3において、前記第2電極ユニットが設けられたグリップとは異なるグリップに、第3電極ユニットがさらに設けられており、前記心電検出器は、前記第1電極ユニットからの第1信号及び前記第2電極ユニットからの第2信号に基づいて心電を検出し、前記第1電極ユニットからの第1信号及び前記第3電極ユニットからの第3信号に基づいて心電を検出し、前記第2電極ユニットからの第2信号及び前記第3電極ユニットからの第3信号に基づいて心電を検出し、各心電の検出結果を比較して前記運動者の心電を検出するための電極ユニットの組み合わせを決定することを特徴とする、運動装置を提供する。
各個人では身体の各部位の脂肪量や血流等の特性の違いから、心電を正確に取得可能な電極ユニットの組み合わせが異なる。例えば、ある運動者によっては、左右のグリップの電極を介して両手から信号を取得する従来装置を使用する場合、何らかの理由により心電が検出できない現象が認められている。この点、本発明では、臀部及び右手、臀部及び左手、右手及び左手の組み合わせについて各電極ユニットからの各信号を取得して心電を検出し、検出結果を比較して最適な電極ユニットの組み合わせを決定する。そのため、従来のように左右のグリップの電極ユニットからの信号では検出できなかった運動者に関して、心電検出の可能性を増大できるだけでなく、各個人の特性に応じた電極ユニットの組み合わせを決定することにより、心電を正確に検出することができる。
本発明によれば、心電を正確に取得することが可能な運動装置を提供することができる。
<発明の概要>
本発明の運動装置は、運動者の心電を検出する心電検出器と、第1電極ユニットと、第2電極ユニットとを含む。第1電極ユニット及び第2電極ユニットそれぞれは、運動装置において、運動者の身体の異なる種類の少なくとも2つの部位に接触する位置に設けられている。心電検出器は、第1電極ユニットからの第1信号と、第2電極ユニットからの第2信号と、に基づいて運動者の心電を検出する。
本発明の運動装置は、運動者の心電を検出する心電検出器と、第1電極ユニットと、第2電極ユニットとを含む。第1電極ユニット及び第2電極ユニットそれぞれは、運動装置において、運動者の身体の異なる種類の少なくとも2つの部位に接触する位置に設けられている。心電検出器は、第1電極ユニットからの第1信号と、第2電極ユニットからの第2信号と、に基づいて運動者の心電を検出する。
ここで、運動者の身体の異なる種類の2つの部位とは、例えば1つの部位が右手又は左手ともう一つの部位が臀部との組み合わせ、1つの部位が右手又は左手ともう一つの部位が耳たぶとの組み合わせ、1つの部位が臀部ともう一つの部位が足首との組み合わせなど、運動者の身体中心に対して非対称な位置にある部位の組み合わせである。なお、例えば右手と左手との組み合わせは同一種類の部位である。
第1及び第2電極ユニットは、前述の異なる種類の2つの部位に対応して運動装置に取り付けられている。そのため、運動者の身体における所定の基準位置から第1電極ユニット及び第2電ユニットそれぞれまでの距離が異なる。所定の基準位置とは心臓であり、心臓から各電極ユニットまでの距離が異なる。例えば、所定の基準位置と第1及び第2電極ユニットそれぞれとの距離の差が所定値以上である。よって、第1電極ユニットからの第1信号と第2電極ユニットからの第2信号との間の電圧差は比較的大きい。このような電圧差を有する第1信号及び第2信号を心電検出器において例えば差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。
また、第1及び第2電極ユニットは、運動者と運動装置との接触位置に設けられている。よって、運動装置とは別途の器具を運動者に取り付ける必要は無く、運動者は、心電を計測されているという煩わしさを感じることなく通常の運動に集中することができる。
なお、運動者の体において所定の基準位置から第1電極ユニットへの方向と、所定の基準位置から第2電極ユニットへの方向とが大きく異なれば、第1電極ユニットからの第1信号と第2電極ユニットからの第2信号との電圧差をより大きくすることが期待できるのでより望ましい。これは、距離の差に加え、方向も異なることで、信号検出の経路における体の組成の違いがより明確に出力結果に反映されるためである。例えば、心臓を基準として心臓よりも上方に位置する部位及びそれにつながる部位、例えば脇、両腕、両手、耳、首、頭などの部位と、心臓よりも下方に位置する部位、例えば両脚、臀部、足首などの部位とに分けて、それぞれ電極ユニットを配置すればよい。
なお、運動者の体において所定の基準位置から第1電極ユニットへの方向と、所定の基準位置から第2電極ユニットへの方向とが大きく異なれば、第1電極ユニットからの第1信号と第2電極ユニットからの第2信号との電圧差をより大きくすることが期待できるのでより望ましい。これは、距離の差に加え、方向も異なることで、信号検出の経路における体の組成の違いがより明確に出力結果に反映されるためである。例えば、心臓を基準として心臓よりも上方に位置する部位及びそれにつながる部位、例えば脇、両腕、両手、耳、首、頭などの部位と、心臓よりも下方に位置する部位、例えば両脚、臀部、足首などの部位とに分けて、それぞれ電極ユニットを配置すればよい。
<実施形態例>
本実施形態では、運動者の身体の異なる種類の2つの部位が、臀部及び両手のいずれかである場合を例に挙げて説明する。
(1)構成
図1は、本発明の実施形態例に係る運動装置の一例の斜視図である。運動装置100は、例えば図1に示すようにバイク型の装置である。運動装置100は、本体1と、運動者が着座するためのサドル2と、運動者が両手で握る一対のグリップ3と、運動者が両足を掛ける一対のペダル4と、モニタ5とを備える。本体1の底部には支持部1a及び1bが設けられており、運動装置100を安定に支持している。一対のペダル4は、本体1の両側面それぞれに可動に取り付けられている。サドル2は本体1の上部一端に取り付けられ、一対のグリップ3は本体1の上部他端に取り付けられている。モニタ5は、グリップ側の本体1の上部他端に取り付けられており、運動者に対向する面に表示部6を有する。表示部6には、後述の心電検出器9で検出した心電図、心電図に基づいたコメント、運動者の運動量などが表示される。
本実施形態では、運動者の身体の異なる種類の2つの部位が、臀部及び両手のいずれかである場合を例に挙げて説明する。
(1)構成
図1は、本発明の実施形態例に係る運動装置の一例の斜視図である。運動装置100は、例えば図1に示すようにバイク型の装置である。運動装置100は、本体1と、運動者が着座するためのサドル2と、運動者が両手で握る一対のグリップ3と、運動者が両足を掛ける一対のペダル4と、モニタ5とを備える。本体1の底部には支持部1a及び1bが設けられており、運動装置100を安定に支持している。一対のペダル4は、本体1の両側面それぞれに可動に取り付けられている。サドル2は本体1の上部一端に取り付けられ、一対のグリップ3は本体1の上部他端に取り付けられている。モニタ5は、グリップ側の本体1の上部他端に取り付けられており、運動者に対向する面に表示部6を有する。表示部6には、後述の心電検出器9で検出した心電図、心電図に基づいたコメント、運動者の運動量などが表示される。
サドル2には、運動者の臀部が接触する位置に臀部用電極ユニット7が設けられている。臀部用電極ユニット7は、心臓からの微弱な電位を検出するための臀部用作用電極7a及び例えばグラウンドに接続される臀部用参照電極7bを含む。
一対のグリップ3は、左手用グリップ3L及び右手用グリップ3Rを含む。左手用グリップ3L及び右手用グリップ3Rそれぞれには、運動者の左右の手が接触する位置に左手用電極ユニット8L及び右手用電極ユニット8Rが設けられている。左手用電極ユニット8Lは左手用作用電極8La及び左手用参照電極8Lbを含む。同様に、右手用電極ユニット8Rは、右手用作用電極8Ra及び右手用参照電極8Rbを含む。左手用作用電極8La及び右手用作用電極8Raは心臓からの微弱な電位を検出し、左手用参照電極8Lb及び右手用参照電極8Rbは例えばグラウンドに接続されている。
一対のグリップ3は、左手用グリップ3L及び右手用グリップ3Rを含む。左手用グリップ3L及び右手用グリップ3Rそれぞれには、運動者の左右の手が接触する位置に左手用電極ユニット8L及び右手用電極ユニット8Rが設けられている。左手用電極ユニット8Lは左手用作用電極8La及び左手用参照電極8Lbを含む。同様に、右手用電極ユニット8Rは、右手用作用電極8Ra及び右手用参照電極8Rbを含む。左手用作用電極8La及び右手用作用電極8Raは心臓からの微弱な電位を検出し、左手用参照電極8Lb及び右手用参照電極8Rbは例えばグラウンドに接続されている。
本体1の内部には、運動者の心電を検出する心電検出器9及びペダル4に負荷を付与するための負荷付与部10が設けられている。心電検出器9は、臀部用電極ユニット7と、左手用電極ユニット8L及び/又は右手用電極ユニット8Rと、に接続されており、各電極ユニットからの信号に基づいて運動者の心電を検出する。負荷付与部10は、例えば、運動者からの指定に応じて所定の負荷をペダル4に付与したり、運動者の心電の状態に応じた負荷をペダル4に付与する。
(2)運動の様子
図2は、運動装置100を用いて運動者が運動を行っている様子を示す模式図である。運動者は、サドル2に臀部を付けて着座し、グリップ3L及び3Rに両手を添えてペダル4をこぐことにより運動を行う。このとき、サドル2に設けられた臀部用電極ユニット7は、運動用のウェアなど衣類を介して運動者の臀部と間接的に接触する。グリップ3L及び3Rに設けられた左手用電極ユニット8L及び右手用電極ユニット8Rは、それぞれ運動者の左右の手と直接的に接触する。
図2は、運動装置100を用いて運動者が運動を行っている様子を示す模式図である。運動者は、サドル2に臀部を付けて着座し、グリップ3L及び3Rに両手を添えてペダル4をこぐことにより運動を行う。このとき、サドル2に設けられた臀部用電極ユニット7は、運動用のウェアなど衣類を介して運動者の臀部と間接的に接触する。グリップ3L及び3Rに設けられた左手用電極ユニット8L及び右手用電極ユニット8Rは、それぞれ運動者の左右の手と直接的に接触する。
(3)心電の検出
以下、臀部用電極ユニット7及び左手用電極ユニット8Lを用いて心電を検出する方法を例に挙げて説明する。臀部用電極ユニット7において、臀部用作用電極7aと臀部用参照電極7bとの間の電位差は、運動者の心臓11の動きに応じて変化する。臀部用参照電極7bは例えばグラウンドに接続されており、臀部用作用電極7aから心臓11の動きに応じた電位を有する臀部信号が検出される。同様に、左手用電極ユニット8Lにおいて、左手用作用電極8Laと左手用参照電極8Lbとの間の電位差は、運動者の心臓11の動きに応じて変化する。左手用参照電極8Lbは例えばグラウンドに接続されており、左手用作用電極8Laから心臓11の動きに応じた電位を有する左手掌信号が検出される。臀部信号及び左手掌信号は、心電検出器9に入力される。心電検出器9は、入力された臀部信号と左手掌信号との電圧差に基づいて心拍数などの心電を検出する。
以下、臀部用電極ユニット7及び左手用電極ユニット8Lを用いて心電を検出する方法を例に挙げて説明する。臀部用電極ユニット7において、臀部用作用電極7aと臀部用参照電極7bとの間の電位差は、運動者の心臓11の動きに応じて変化する。臀部用参照電極7bは例えばグラウンドに接続されており、臀部用作用電極7aから心臓11の動きに応じた電位を有する臀部信号が検出される。同様に、左手用電極ユニット8Lにおいて、左手用作用電極8Laと左手用参照電極8Lbとの間の電位差は、運動者の心臓11の動きに応じて変化する。左手用参照電極8Lbは例えばグラウンドに接続されており、左手用作用電極8Laから心臓11の動きに応じた電位を有する左手掌信号が検出される。臀部信号及び左手掌信号は、心電検出器9に入力される。心電検出器9は、入力された臀部信号と左手掌信号との電圧差に基づいて心拍数などの心電を検出する。
(3−1)電圧差の要因
図2に示すように、運動者の体内において、心臓11から臀部の臀部用電極ユニット7までの距離L1と、心臓11から左手の左手用電極ユニット8Lまでの距離L2と、に大きな差異がある。これは、臀部と左手との関係が、運動者の身体中心に対して非対称な位置にある部位の組み合わせだからである。例えば、右手と左手との組み合わせの場合は、運動者の身体中心に対して対称な位置にあるため、心臓11から右手までの距離と心臓11から左手までの距離とが同程度である。そのため、臀部用電極ユニット7からの臀部信号と左手用電極ユニットからの左手掌信号との電圧差は、例えば右手及び左手など同一種類の2つの部位に対応して設けられた各電極からの信号の電圧差に比べて大きい。このような電圧差を有する臀部信号及び左手掌信号を心電検出器9において例えば差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。
図2に示すように、運動者の体内において、心臓11から臀部の臀部用電極ユニット7までの距離L1と、心臓11から左手の左手用電極ユニット8Lまでの距離L2と、に大きな差異がある。これは、臀部と左手との関係が、運動者の身体中心に対して非対称な位置にある部位の組み合わせだからである。例えば、右手と左手との組み合わせの場合は、運動者の身体中心に対して対称な位置にあるため、心臓11から右手までの距離と心臓11から左手までの距離とが同程度である。そのため、臀部用電極ユニット7からの臀部信号と左手用電極ユニットからの左手掌信号との電圧差は、例えば右手及び左手など同一種類の2つの部位に対応して設けられた各電極からの信号の電圧差に比べて大きい。このような電圧差を有する臀部信号及び左手掌信号を心電検出器9において例えば差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。
(3−2)各部のインピーダンスの関係
図3は、運動者の心臓、臀部用電極ユニット、左手用電極ユニット及び心電検出器の関係を示す模式図である。運動者の心臓11の動きは交流電源11aで表され、生体電気信号はVbで表されている。また、臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1と、左手用電極ユニット8LのインピーダンスZ2と、心電検出器9の入力インピーダンスZhとは直列の関係にある。心電検出器9では、次式(1)であらわされる電圧Vaを検出することで心電を検出する。
図3は、運動者の心臓、臀部用電極ユニット、左手用電極ユニット及び心電検出器の関係を示す模式図である。運動者の心臓11の動きは交流電源11aで表され、生体電気信号はVbで表されている。また、臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1と、左手用電極ユニット8LのインピーダンスZ2と、心電検出器9の入力インピーダンスZhとは直列の関係にある。心電検出器9では、次式(1)であらわされる電圧Vaを検出することで心電を検出する。
Va=(Zh/(Z1+Z2+Zh))×Vb・・・式(1)
(3−3)各電極ユニットのインピーダンス
次に、臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1及び左手用電極ユニット8LのインピーダンスZ2について説明する。図4は臀部用電極ユニットのインピーダンスを示す説明図、図5は左手用電極ユニットのインピーダンスを示す説明図である。
(3−3)各電極ユニットのインピーダンス
次に、臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1及び左手用電極ユニット8LのインピーダンスZ2について説明する。図4は臀部用電極ユニットのインピーダンスを示す説明図、図5は左手用電極ユニットのインピーダンスを示す説明図である。
図4に示すように、サドル2に設けられた臀部用作用電極7a及び臀部用参照電極7bは、運動用のウェアなどの衣類12を介して運動者の臀部と間接的に接触する。そのため、臀部用作用電極7aと臀部用参照電極7bとの間には、衣類等によるインピーダンスZ1a及びZ1cと、臀部のインピーダンスZ1bが存在している。衣類等は絶縁性が高いため非常にインピーダンスが高く、また臀部も他の身体の部位に比べて比較的脂肪量等が多いためインピーダンスが高い。よって、臀部用作用電極7aと臀部用参照電極7bとの間のインピーダンスの合計Z1(=Z1a+Z1b+Z1c)は非常に大きくなる。Z1は、例えば数十M〜数百MΩ程度と非常に大きい。
一方、図5に示すように、左手用電極ユニット8Lは運動者の左手と直接的に接触する。よって、左手用作用電極8Laと左手用参照電極8Lbとの間には、左手のインピーダンスZ2が存在している。Z2は、例えば約10kΩ〜約100kΩ程度であり、Z1に比べて非常に小さい。
(3−4)心電検出器の回路図
上述の通り、臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1は極めて大きい。このとき、心電検出器9の入力インピーダンスZhがインピーダンスZ1に比べて小さい場合には、上記式(1)においてZh/(Z1+Z2+Zh)の値が小さくなり、心電検出器9において電圧Vaを検出することが困難である。そこで、後述の通り、心電検出器9の入力インピーダンスZhを、少なくとも臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1よりも大きく設定する。このような入力インピーダンスZhを有する心電検出器9について次に説明する。
(3−4)心電検出器の回路図
上述の通り、臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1は極めて大きい。このとき、心電検出器9の入力インピーダンスZhがインピーダンスZ1に比べて小さい場合には、上記式(1)においてZh/(Z1+Z2+Zh)の値が小さくなり、心電検出器9において電圧Vaを検出することが困難である。そこで、後述の通り、心電検出器9の入力インピーダンスZhを、少なくとも臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1よりも大きく設定する。このような入力インピーダンスZhを有する心電検出器9について次に説明する。
図6は心電検出器の回路図の一例である。心電検出器9は、第1入力部15a、第2入力部15b、OP3及びフィルタ20を含む。第1入力部15a及び第2入力部15bは、心電検出器9の入力段に設けられており、OP1及びOP2を有している。OP1の非反転入力端子IN1には臀部信号が入力され、OP2の非反転入力端子IN2には左手掌信号が入力される。OP1及びOP2の出力はOP3に入力されて差動増幅され、さらにフィルタ20を介して心電波形として出力される。ここで、OP1及びOP2は、例えば、10GΩ〜20GΩ程度の高入力インピーダンスのオペアンプから構成される。具体的には、OP1及びOP2として、例えばFET(Field Effect Transistor)入力タイプのオペアンプを用いることができる。FET入力タイプのオペアンプは、例えば1TΩ程度の入力インピーダンスを有している。よって、心電検出器9の入力インピーダンスZhを、少なくとも臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1(数十M〜数百MΩ程度)よりも大きく設定することができる。そのため、上記式(1)のZh/(Z1+Z2+Zh)において心電を取得可能な程度に分子の値を適切に確保することができる。よって、運動者の身体の異なる種類の部位から、より正確に心電を検出することができる。
なお、心電検出器9の入力インピーダンスZhは、少なくとも臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1よりも大きく設定するとしたが、好ましくはZh/(Z1+Z2+Zh)が概ね1となるように心電検出器9の入力インピーダンスZhを設定する。例えば、入力インピーダンスZhは無限大に大きいのが好ましい。Zhが無限大の場合、Zh/(Z1+Z2+Zh)は例えば概ね1となる。よって、心電検出器9では、上記式(1)に基づいて、生体電気信号はVbに概ね等しい電圧Vaを検出することができ、心電をより正確に検出することができる。
以下に、図6の各回路の接続構成について具体的に説明する。
第1入力部15aは、OP1、抵抗R1及び抵抗R2を有している。OP1の非反転入力端子IN1は、臀部用電極ユニット7の臀部用作用電極7aに接続されており、臀部信号の入力を受ける。また、OP1の非反転入力端子IN1と接地端子との間には、OP1の外付けの入力インピーダンスとして抵抗R1及び抵抗R2が直列接続されている。なお、抵抗R1及び抵抗R2の抵抗値は、OP1の入力インピーダンスよりも小さく、例えばOP1の入力インピーダンスの1/1000程度であるものとする。OP1の出力端子は、抵抗R1と抵抗R2との間に接続されるとともに、反転入力端子に接続されている。このようにOP1の出力信号は抵抗R1及び抵抗R2の中間に正帰還されるため、OP1の非反転入力端子IN1に例えば静電気などにより電源電圧を超える高電圧が入力されたとしても、第1入力部15aの全体の入力インピーダンスは抵抗R1の抵抗値と抵抗R2の抵抗値の合計(=R1+R2)に維持される。一方、オペアンプの電源電圧以下の電圧がOP1の非反転入力端子IN1に入力される場合には、第1入力部15aの入力インピーダンスはOP1の入力インピーダンスとなる。また、OP1の出力端子は反転入力端子に接続されており、OP1は電圧フォロワ回路で構成されている。よって、OP1は、高入力インピーダンス及び低出力インピーダンスの特性を併せ持っている。つまり、心電検出器9の入力インピーダンスをZhを高くすることができるとともに、OP1の出力側の出力インピーダンスの変動に対して入力インピーダンスの変動を小さくすることができる。さらに、OP1の出力端子は、交流結合用のキャパシタC1を介してOP3の反転入力端子に接続される。キャパシタC1及びOP3の反転入力端子間には、プルダウン抵抗R5が設けられている。
第1入力部15aは、OP1、抵抗R1及び抵抗R2を有している。OP1の非反転入力端子IN1は、臀部用電極ユニット7の臀部用作用電極7aに接続されており、臀部信号の入力を受ける。また、OP1の非反転入力端子IN1と接地端子との間には、OP1の外付けの入力インピーダンスとして抵抗R1及び抵抗R2が直列接続されている。なお、抵抗R1及び抵抗R2の抵抗値は、OP1の入力インピーダンスよりも小さく、例えばOP1の入力インピーダンスの1/1000程度であるものとする。OP1の出力端子は、抵抗R1と抵抗R2との間に接続されるとともに、反転入力端子に接続されている。このようにOP1の出力信号は抵抗R1及び抵抗R2の中間に正帰還されるため、OP1の非反転入力端子IN1に例えば静電気などにより電源電圧を超える高電圧が入力されたとしても、第1入力部15aの全体の入力インピーダンスは抵抗R1の抵抗値と抵抗R2の抵抗値の合計(=R1+R2)に維持される。一方、オペアンプの電源電圧以下の電圧がOP1の非反転入力端子IN1に入力される場合には、第1入力部15aの入力インピーダンスはOP1の入力インピーダンスとなる。また、OP1の出力端子は反転入力端子に接続されており、OP1は電圧フォロワ回路で構成されている。よって、OP1は、高入力インピーダンス及び低出力インピーダンスの特性を併せ持っている。つまり、心電検出器9の入力インピーダンスをZhを高くすることができるとともに、OP1の出力側の出力インピーダンスの変動に対して入力インピーダンスの変動を小さくすることができる。さらに、OP1の出力端子は、交流結合用のキャパシタC1を介してOP3の反転入力端子に接続される。キャパシタC1及びOP3の反転入力端子間には、プルダウン抵抗R5が設けられている。
同様に、第2入力部15bは、OP2、抵抗R3及び抵抗R4を有している。OP2の非反転入力端子IN2は、左手用電極ユニット8Lの左手用作用電極8Laに接続されており、左手掌信号の入力を受ける。また、OP2の非反転入力端子IN2と接地端子との間には抵抗R3及び抵抗R4が直列接続されている。OP2の出力端子は、抵抗R3と抵抗R4との間に接続されるとともに、反転入力端子に接続されている。さらに、OP2の出力端子は、キャパシタC2を介してOP3の非反転入力端子に接続される。キャパシタC2及びOP3の非反転入力端子間には、プルダウン抵抗R6が設けられている。なお、抵抗R3、抵抗R4、抵抗R6及びキャパシタC2は前述の第1入力部15aの抵抗R1、抵抗R2、抵抗R5及びキャパシタC1と同様の作用をするため説明を省略する。
OP3の反転入力端子はキャパシタC1を介してOP1の出力端子と接続され、OP3の非反転入力端子はキャパシタC2を介してOP2の出力端子と接続されている。OP3の出力端子はフィルタ20と接続されている。この構成により、OP3は、臀部信号に基づく信号と左手掌信号に基づく信号とを差動増幅してフィルタ20に入力する。なお、OP3の反転入力端子はキャパシタC2を介してOP2の出力端子と接続され、OP3の非反転入力端子はキャパシタC1を介してOP1の出力端子と接続されても良い。
フィルタ20は、OP3からの出力信号に含まれる余剰データやノイズ等を除去し、心電波形を出力する。
なお、OP1及びOP2に、同一特性を有する高入力インピーダンスのオペアンプを用いればより好ましい。OP1及びOP2が同一特性であれば、臀部用作用電極7aからの臀部信号と、左手用作用電極8Laからの左手掌信号とは同様に処理される。例え、OP1及びOP2が周囲の温度や湿度等の周辺環境の影響を受けたとしても、臀部信号及び左手掌信号には同様の処理がなされているため、前記周辺環境の影響に対する両者の変動は同じものとなるので、OP1及びOP2での処理後も臀部信号及び左手掌信号の電圧差は維持される。このような電圧差を後続のOP3により差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。
なお、OP1及びOP2に、同一特性を有する高入力インピーダンスのオペアンプを用いればより好ましい。OP1及びOP2が同一特性であれば、臀部用作用電極7aからの臀部信号と、左手用作用電極8Laからの左手掌信号とは同様に処理される。例え、OP1及びOP2が周囲の温度や湿度等の周辺環境の影響を受けたとしても、臀部信号及び左手掌信号には同様の処理がなされているため、前記周辺環境の影響に対する両者の変動は同じものとなるので、OP1及びOP2での処理後も臀部信号及び左手掌信号の電圧差は維持される。このような電圧差を後続のOP3により差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。
(3−5)心電検出器の基板上への固定
心電検出器9を構成するOP1、OP2、OP3、フィルタ20、抵抗R1〜R6、キャパシタC1及びC2等の各部品は、プリント配線基板などの基板30上に実装される。図7は各部品の配線接続の方法の一例を示す説明図であり、(a)は斜視図、(b)は(a)の側面図、(c)は配線接続の別の一例を示す説明図である。図7の(a)〜(c)では、OP1、抵抗R1、抵抗R2及び臀部用作用電極7aのみの配線接続を例示している。本実施形態では、OP1の非反転入力端子IN1と臀部用作用電極7aとは、基板30から所定の距離離れて設けられている配線31によって接続される。同様に、OP1の非反転入力端子IN1と、抵抗R1の一端とは基板30から所定の距離離れて形成されている配線32によって接続される。このような配線31、32としては、例えば絶縁材料により包まれた金属配線を用い、一例としてビニル配線、テフロン(登録商標)配線等が用いられる。抵抗R1の他端、OP1の出力端子OUT1及び抵抗R2の一端は、基板30上にプリント形成されたプリント配線33、34により接続される。また、OP1の出力端子OUT1と反転入力端子との接続もまた図示しないプリント配線により行われている。一方、OP2の非反転入力端子IN2は、上記とOP1と同様に、基板30から所定の距離離れて設けられている配線によって他の部品及び左手用作用電極8Laと接続される。
心電検出器9を構成するOP1、OP2、OP3、フィルタ20、抵抗R1〜R6、キャパシタC1及びC2等の各部品は、プリント配線基板などの基板30上に実装される。図7は各部品の配線接続の方法の一例を示す説明図であり、(a)は斜視図、(b)は(a)の側面図、(c)は配線接続の別の一例を示す説明図である。図7の(a)〜(c)では、OP1、抵抗R1、抵抗R2及び臀部用作用電極7aのみの配線接続を例示している。本実施形態では、OP1の非反転入力端子IN1と臀部用作用電極7aとは、基板30から所定の距離離れて設けられている配線31によって接続される。同様に、OP1の非反転入力端子IN1と、抵抗R1の一端とは基板30から所定の距離離れて形成されている配線32によって接続される。このような配線31、32としては、例えば絶縁材料により包まれた金属配線を用い、一例としてビニル配線、テフロン(登録商標)配線等が用いられる。抵抗R1の他端、OP1の出力端子OUT1及び抵抗R2の一端は、基板30上にプリント形成されたプリント配線33、34により接続される。また、OP1の出力端子OUT1と反転入力端子との接続もまた図示しないプリント配線により行われている。一方、OP2の非反転入力端子IN2は、上記とOP1と同様に、基板30から所定の距離離れて設けられている配線によって他の部品及び左手用作用電極8Laと接続される。
上述のように、心電検出器9では、高い入力インピーダンスを確保するために、前述のように入力段のOP1及びOP2に高入力インピーダンスのオペアンプを用いるのであるが、単純にOP1及びOP2と各部品との電気的接続を基板上に形成したプリント配線によって行うと、OP1及びOP2の入力インピーダンスが非常に高いことからプリント配線から基板上または部品との間で漏れ電流が生じる。そのため、本来、必要とするOP1及びOP2の高入力インピーダンスを確保できないことが判明した。そこで、本実施形態においては、これを回避するため、前述の図7に示すように、配線を基板30の表面から所定の距離、離して形成することとした。具体的には、ある程度、その形状が変化しない銅線を用いて空中を通して配線を行うようにした。これにより、心電検出器9において、入力インピーダンスの低下を抑制し、高入力インピーダンスのオペアンプによる高い入力インピーダンスを維持することができた。具体的な効果としては、基板30上にプリント形成したプリント配線により電極ユニットとオペアンプの非反転入力端子IN1とを接続した場合には、心電検出器9の入力インピーダンスは2ギガΩ程度であった。しかし、上記図7の構成により、心電検出器9の入力インピーダンスを20ギガΩ程度にすることができた。なお、配線が形成される、基板からの所定の距離とは、OP1及び/又はOP2の入力インピーダンスの低下を抑制することができる距離であり、特に限定されない。
なお、図7の(a)、(b)ではオペアンプの非反転入力端子IN1は基板30と接しているが、図7の(c)に示すように例えば折り曲げる等して非反転入力端子IN1を基板30から離隔させても良い。これにより、オペアンプの入力インピーダンスの低下をさらに抑制することができる。
また、少なくともOP1及びOP2の非反転入力端子IN1及びIN2と、各電極ユニット及びその他の電子部品との接続を、前述の図7のように行えば良く、例えばOP1の出力端子とOP3の入力端子との接続等その他の接続は基板30上にプリント形成されたプリント配線により行えば良い。
また、少なくともOP1及びOP2の非反転入力端子IN1及びIN2と、各電極ユニット及びその他の電子部品との接続を、前述の図7のように行えば良く、例えばOP1の出力端子とOP3の入力端子との接続等その他の接続は基板30上にプリント形成されたプリント配線により行えば良い。
本実施形態では上記の通り、OP2の非反転入力端子IN2と他の部品及び左手用作用電極8Laとの接続を、基板から所定の距離離れて空中に設けられた配線により行った。しかし、OP2については空中を通して配線しなくてもよい。これは手掌のインピーダンスはそれほど高くなく、仮にプリント配線を使用しても、そもそもOP1のように大幅なインピーダンス低下が生じないためである。
(3−6)心電波形
図8は、正常な心電波形の典型例を示す心電波形である。図8は、一回の心拍において検出される心電波形を示している。典型的な心電波形は、P、Q、R、S、T波の5つの波から構成されている。例えば、心拍を計測する場合には、下限の閾値α及び上限の閾値βを設定しておく。心電波形が下限の閾値αを下回ることによりQ波を検出し、次に上限の閾値βを上回ることによりR波を検出することで、心拍を1回カウントする。これにより、心電波形のノイズによる影響を抑えつつ心拍を正確にカウントすることができる。
図8は、正常な心電波形の典型例を示す心電波形である。図8は、一回の心拍において検出される心電波形を示している。典型的な心電波形は、P、Q、R、S、T波の5つの波から構成されている。例えば、心拍を計測する場合には、下限の閾値α及び上限の閾値βを設定しておく。心電波形が下限の閾値αを下回ることによりQ波を検出し、次に上限の閾値βを上回ることによりR波を検出することで、心拍を1回カウントする。これにより、心電波形のノイズによる影響を抑えつつ心拍を正確にカウントすることができる。
図9は、胸部に設けた電極から直接、心電を検出した場合の20s間の心電波形図である。横軸は時間(ms)であり、縦軸は振幅(mV)である。胸部から直に心電波形を検出しているため、Q波及びR波は精度良く検出される。
図10及び図11は、本実施形態の心電検出器9から出力される心電波形の20s間の心電波形図である。図10は臀部用作用電極7aからの臀部信号及び左手用作用電極8Laからの左手掌信号を心電検出器に入力した場合の心電波形図であり、図11は右手用作用電極8Raからの右手掌信号及び左手用作用電極8Laからの左手掌信号を心電検出器に入力した場合の心電波形図である。なお、図9〜図11は同回路構成により計測した結果である。但し、上述の通り、臀部信号を検出するため、図10を得た回路においては高入力インピーダンスを実現するための空中を介した配線等を行なっている。また、互いの波形比較が容易になるように出力換算を行っている。図11を参照すると、両手の電極からの信号に基づいた心電波形は、ノイズを多く含み乱れている。よって、典型的な心電波形が有するQ波及びR波を正確に検出することができず、心電を正確に検出することができなかった。一方、図10を参照すると、振幅がマイナス方向に振れるQ波と、振幅がプラス方向に振れるR波とを概ね検出している。ここで、図9に示す胸部からの心電波形と、図10に示す臀部信号を用いた心電波形とは、概ね同じ間隔でQ波及びR波を検出している。よって、本実施形態では、精度良く心電波形を検出できていることが分かる。本実施形態による心電検出の精度を心拍数の比較によって検討すると、本実施形態を用いれば、96.9%の精度で心拍数を正確に検出できていることが分かった。
図10及び図11は、本実施形態の心電検出器9から出力される心電波形の20s間の心電波形図である。図10は臀部用作用電極7aからの臀部信号及び左手用作用電極8Laからの左手掌信号を心電検出器に入力した場合の心電波形図であり、図11は右手用作用電極8Raからの右手掌信号及び左手用作用電極8Laからの左手掌信号を心電検出器に入力した場合の心電波形図である。なお、図9〜図11は同回路構成により計測した結果である。但し、上述の通り、臀部信号を検出するため、図10を得た回路においては高入力インピーダンスを実現するための空中を介した配線等を行なっている。また、互いの波形比較が容易になるように出力換算を行っている。図11を参照すると、両手の電極からの信号に基づいた心電波形は、ノイズを多く含み乱れている。よって、典型的な心電波形が有するQ波及びR波を正確に検出することができず、心電を正確に検出することができなかった。一方、図10を参照すると、振幅がマイナス方向に振れるQ波と、振幅がプラス方向に振れるR波とを概ね検出している。ここで、図9に示す胸部からの心電波形と、図10に示す臀部信号を用いた心電波形とは、概ね同じ間隔でQ波及びR波を検出している。よって、本実施形態では、精度良く心電波形を検出できていることが分かる。本実施形態による心電検出の精度を心拍数の比較によって検討すると、本実施形態を用いれば、96.9%の精度で心拍数を正確に検出できていることが分かった。
(4)作用効果
上記実施形態によれば、2つの電極ユニットが身体の異なる種類の2つの部位に対応して運動装置に設けられているため、運動者の心臓から各電極それぞれまでの距離が互いに異なる。この距離の違いにより、各電極ユニットから検出される信号には比較的大きな電圧差が生じている。このような電圧差を有する各信号を心電検出器9において差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。よって、運動者の心拍、心臓の動きなどを正確に検出し、検出結果に基づいて、運動者の異常を正確に検出したり、運動者への負荷量を適切に調整することができる。
上記実施形態によれば、2つの電極ユニットが身体の異なる種類の2つの部位に対応して運動装置に設けられているため、運動者の心臓から各電極それぞれまでの距離が互いに異なる。この距離の違いにより、各電極ユニットから検出される信号には比較的大きな電圧差が生じている。このような電圧差を有する各信号を心電検出器9において差動増幅することで、より正確に心電を検出することができる。よって、運動者の心拍、心臓の動きなどを正確に検出し、検出結果に基づいて、運動者の異常を正確に検出したり、運動者への負荷量を適切に調整することができる。
また、各電極ユニットは、運動者と運動装置100との接触位置に設けられている。よって、運動装置100とは別途の器具を運動者に取り付ける必要は無く、運動者は、心電を計測されているという煩わしさを感じることなく通常の運動に集中することができる。
さらに、心電検出器9の入力段のオペアンプの入力インピーダンスを大きくするとともに、各電極ユニットと入力段のオペアンプとを基板から所定の距離離れて設けられた配線で接続して漏れ電流を抑制する。これにより、心電検出器9の入力インピーダンスZhを高く維持し、上記(1)式のZh/(Z1+Z2+Zh)において心電を取得可能な程度に分子の値を適切に確保することができる。これにより、生体電気信号Vbと同程度の電圧Vaを検出できるため、より正確に心電を検出することができる。
さらに、心電検出器9の入力段のオペアンプの入力インピーダンスを大きくするとともに、各電極ユニットと入力段のオペアンプとを基板から所定の距離離れて設けられた配線で接続して漏れ電流を抑制する。これにより、心電検出器9の入力インピーダンスZhを高く維持し、上記(1)式のZh/(Z1+Z2+Zh)において心電を取得可能な程度に分子の値を適切に確保することができる。これにより、生体電気信号Vbと同程度の電圧Vaを検出できるため、より正確に心電を検出することができる。
<変形例>
(1)変形例1
上記実施形態では、運動者の身体の2つの部位に接触する位置それぞれに、電極ユニットを設ける。2つの部位は異なる種類の部位であり、上記実施形態では臀部と左手又は右手との組み合わせである。しかし、変形例1では、運動者の身体の3つ以上の部位と運動装置100とが接触する位置それぞれに、電極ユニットを設けても良い。このとき、3つ以上の部位には、少なくとも2種類の部位が含まれる。例えば、3つの部位が臀部、左手及び右手である場合、臀部及び手の2種類の部位が含まれている。前記例を用いて、変形例1を説明する。
(1)変形例1
上記実施形態では、運動者の身体の2つの部位に接触する位置それぞれに、電極ユニットを設ける。2つの部位は異なる種類の部位であり、上記実施形態では臀部と左手又は右手との組み合わせである。しかし、変形例1では、運動者の身体の3つ以上の部位と運動装置100とが接触する位置それぞれに、電極ユニットを設けても良い。このとき、3つ以上の部位には、少なくとも2種類の部位が含まれる。例えば、3つの部位が臀部、左手及び右手である場合、臀部及び手の2種類の部位が含まれている。前記例を用いて、変形例1を説明する。
変形例1の運動装置の外観構成は図1と同様である。また、図1と同様に、臀部用電極ユニット7、左手用電極ユニット8L及び右手用電極ユニット8Rが設けられている。臀部用電極ユニット7は臀部用作用電極7a及び臀部用参照電極7bを含み、臀部用作用電極7aから心臓の動きに応じた臀部信号が検出される。左手用電極ユニット8Lは左手用作用電極8La及び左手用参照電極8Lbを含み、左手用作用電極8Laから心臓の動きに応じた左手掌信号が検出される。右手用電極ユニット8Rは右手用作用電極8Ra及び右手用参照電極8Rbを含み、右手用作用電極8Raから心臓の動きに応じた右手掌信号が検出される。臀部信号、左手掌信号及び右手掌信号のうち、最も正確に心電を検出可能な2つの信号の組み合わせにより心電を検出する。
図12は変形例1の心電検出器の回路図の一例である。心電検出器19は、図6の心電検出器9にさらに第3入力部15c、抵抗R9、キャパシタC3及び第1選択回路40をさらに含む。第3入力部15cはOP4、抵抗R7及び抵抗R8を含み、構成は第1入力部15a及び第2入力部15bと同様であるので説明を省略する。OP1の非反転入力端子IN1には臀部信号が入力され、OP2の非反転入力端子IN2には左手掌信号が入力され、OP4の非反転入力端子IN3には右手掌信号が入力される。第1選択回路40は、臀部信号、左手掌信号及び右手掌信号のうち2つを選択してOP3に入力する。例えば、第1選択回路40は3つの入力端子及び2つの出力端子を有している。また、キャパシタC1、C2、C3を介して、第1選択回路40の3つの入力端子とOP1、OP2、OP4の出力端子とがそれぞれ接続されている。また、第1選択回路40の2つの出力端子はOP3の反転入力端子及び非反転入力端子にそれぞれ接続される。OP3からの出力はフィルタ20に入力され、フィルタ20から心電波形が出力される。
第1選択回路40は、まず、OP1、OP2及びOP4の出力端子のうち任意の2つの出力端子とOP3の2つの入力端子とを接続する。次に、心電検出器19は、臀部信号及び左手掌信号の組み合わせ、臀部信号及び右手掌信号の組み合わせ、右手掌信号及び左手掌信号の3つの組み合わせそれぞれについて心電波形を検出する。3つの組み合わせの各心電波形は、フィルタ20から第1選択回路40に入力される。第1選択回路40は、3つの組み合わせの各心電波形を比較し、最も正確に心電を検出可能な組み合わせを決定する。正確に心電が検出されているかは、例えばQ波とQ波との間隔が概ね等間隔であること、心電波形の乱れが少ないこと、予め記憶しておいた心電波形との差異が少ないことなどから判断する。心電検出器19は、選択された組み合わせに基づいて心電の検出を行う。
図13は変形例1の心電検出器の回路図の別の一例である。心電検出器29は、図6の心電検出器9に加えてさらに第2選択回路45を含む。第2選択回路45は、臀部用電極ユニット7、左手用電極ユニット8L及び右手用電極ユニット8Rと、第1入力部15a及び第2入力部15bとの間に設けられている。第2選択回路45は、まず、臀部用電極ユニット7、左手用電極ユニット8L及び右手用電極ユニット8Rのうち2つを選択し、選択した2つ電極ユニットと第1入力部15a及び第2入力部15bとを接続する。次に、心電検出器29は、臀部信号及び左手掌信号の組み合わせ、臀部信号及び右手掌信号の組み合わせ、右手掌信号及び左手掌信号の3つの組み合わせそれぞれについて心電波形を検出する。3つの組み合わせの各心電波形は、フィルタ20から第2選択回路45に入力される。第2選択回路45は、3つの組み合わせの各心電波形を比較し、最も正確に心電を検出可能な組み合わせを決定する。心電検出器29は、選択された組み合わせに基づいて心電の検出を行う。
なお、3つの臀部信号、左手掌信号及び右手掌信号のうち任意の2つの信号の入力を受けて心電を検出し、最も正確に心電を検出可能な組み合わせを選択できれば良く、心電検出器の回路構成は前記の構成に限定されない。
また、所定時間ごとや所定のタイミングで心電波形の比較を行い、結果に基づいて心電波形を検出するための信号の組み合わせを変更しても良い。
また、所定時間ごとや所定のタイミングで心電波形の比較を行い、結果に基づいて心電波形を検出するための信号の組み合わせを変更しても良い。
上記変形例1によれば、次のような効果を得ることができる。各個人では身体の各部位の脂肪量や血流等の特性の違いから、心電を正確に取得可能な電極ユニットの組み合わせが異なる。例えば、ある運動者によっては、左右のグリップの電極を介して両手から信号を取得する場合、何らかの理由により心電が検出できない現象が認められている。この点、変形例1では、臀部及び右手、臀部及び左手、右手及び左手の組み合わせについて各電極ユニットからの各信号を取得して心電を検出し、検出結果を比較して最適な電極ユニットの組み合わせを決定する。そのため、左右のグリップの電極ユニットからの信号では検出できなかった運動者に関して心電検出の可能性を増大できるだけでなく、各個人の特性に応じた電極ユニットの組み合わせを決定することにより、心電を正確に検出することができる。
(2)変形例2
図14は、心電検出器の入力部の別の一例である。図6に示す第1及び第2入力部15a、15bの代わりに、例えば図14に示す入力部50を用いることができる。入力部50は、OP5を有しており、OP5の出力端子はOP5の反転入力端子に接続される。また、OP5の非反転入力端子には電極ユニットからの信号が入力される。なお、OP5もまた、上記第1実施形態例のOP1及びOP2と同様に高入力インピーダンスのオペアンプである。
図14は、心電検出器の入力部の別の一例である。図6に示す第1及び第2入力部15a、15bの代わりに、例えば図14に示す入力部50を用いることができる。入力部50は、OP5を有しており、OP5の出力端子はOP5の反転入力端子に接続される。また、OP5の非反転入力端子には電極ユニットからの信号が入力される。なお、OP5もまた、上記第1実施形態例のOP1及びOP2と同様に高入力インピーダンスのオペアンプである。
(3)変形例3
図15は、心電検出器の入力部のさらに別の一例である。図15の心電検出器39には、図6に示す第1及び第2入力部15a、15b、抵抗R5、R6及びキャパシタC1、C2は無い。2つの電極ユニットからの各信号は、OP6の非反転入力端子及び反転入力端子のオペアンプに入力されて増幅され、フィルタ20を介して心電波形が出力される。なお、OP6もまた、上記第1実施形態例のOP1及びOP2と同様に高入力インピーダンスのオペアンプである。
図15は、心電検出器の入力部のさらに別の一例である。図15の心電検出器39には、図6に示す第1及び第2入力部15a、15b、抵抗R5、R6及びキャパシタC1、C2は無い。2つの電極ユニットからの各信号は、OP6の非反転入力端子及び反転入力端子のオペアンプに入力されて増幅され、フィルタ20を介して心電波形が出力される。なお、OP6もまた、上記第1実施形態例のOP1及びOP2と同様に高入力インピーダンスのオペアンプである。
(4)変形例4
図16は各部品の配線接続の方法の別の一例を示す説明図であり、(a)は斜視図、(b)はスリットを示す説明図である。図16では、OP1、抵抗R1、抵抗R2及び臀部用作用電極7aのみの配線接続を例示している。図16に示すように、臀部用作用電極7aと、基板上にプリントされたプリント配線35aの端部と、をビニル配線などの配線31等で接続する。プリント配線35aの他端とIn1とが接続され、IN1と抵抗R1の一端とはOP1下部を通るプリント配線35bを介して接続される。また、抵抗R1の他端、OP1の出力端子OUT1及び抵抗R2の一端は、プリント配線35c、35dにより接続される。変形例4では、プリント配線35aの両側にスリット36a及び36bが形成され、プリント配線35bの両側にスリット36c及び36dが形成されている。スリットとは、図16の(b)に示すように、基板30を貫通する開口である。このようなスリットにより、プリント配線35a、35bから他配線や基板等への漏れ電流を抑制することができる。よって、心電検出器9において、入力インピーダンスの低下を抑制し、高入力インピーダンスのオペアンプによる高い入力インピーダンスを維持することができる。
図16は各部品の配線接続の方法の別の一例を示す説明図であり、(a)は斜視図、(b)はスリットを示す説明図である。図16では、OP1、抵抗R1、抵抗R2及び臀部用作用電極7aのみの配線接続を例示している。図16に示すように、臀部用作用電極7aと、基板上にプリントされたプリント配線35aの端部と、をビニル配線などの配線31等で接続する。プリント配線35aの他端とIn1とが接続され、IN1と抵抗R1の一端とはOP1下部を通るプリント配線35bを介して接続される。また、抵抗R1の他端、OP1の出力端子OUT1及び抵抗R2の一端は、プリント配線35c、35dにより接続される。変形例4では、プリント配線35aの両側にスリット36a及び36bが形成され、プリント配線35bの両側にスリット36c及び36dが形成されている。スリットとは、図16の(b)に示すように、基板30を貫通する開口である。このようなスリットにより、プリント配線35a、35bから他配線や基板等への漏れ電流を抑制することができる。よって、心電検出器9において、入力インピーダンスの低下を抑制し、高入力インピーダンスのオペアンプによる高い入力インピーダンスを維持することができる。
(5)変形例5
図17は各部品の配線接続の方法のさらに別の一例を示す説明図である。図17では、OP1を基板30の端部に配置している。これにより、プリント配線35aの基板上での長さを短くし、プリント配線35aと基板30との接触を減らしている。これにより、他配線や基板等への漏れ電流を抑制することができる。
図17は各部品の配線接続の方法のさらに別の一例を示す説明図である。図17では、OP1を基板30の端部に配置している。これにより、プリント配線35aの基板上での長さを短くし、プリント配線35aと基板30との接触を減らしている。これにより、他配線や基板等への漏れ電流を抑制することができる。
(6)変形例6
上記実施形態では、臀部信号が入力されるOP1及び左手掌信号が入力されるOP2ともに高入力インピーダンスのオペアンプを用いている。しかし、OP1及びOP2の両方に高入力インピーダンスのオペアンプを用いる必要は無く、少なくとも臀部信号が入力されるOP1に高入力インピーダンスのオペアンプを用いれば良い。同様に、臀部信号が入力されるOP1のみを電圧フォロワに構成すれば良い。これにより、臀部信号が微少な信号であっても、OP1から臀部信号に基づく出力信号を精度良く検出することができる。
上記実施形態では、臀部信号が入力されるOP1及び左手掌信号が入力されるOP2ともに高入力インピーダンスのオペアンプを用いている。しかし、OP1及びOP2の両方に高入力インピーダンスのオペアンプを用いる必要は無く、少なくとも臀部信号が入力されるOP1に高入力インピーダンスのオペアンプを用いれば良い。同様に、臀部信号が入力されるOP1のみを電圧フォロワに構成すれば良い。これにより、臀部信号が微少な信号であっても、OP1から臀部信号に基づく出力信号を精度良く検出することができる。
(7)変形例7
上記実施形態では、サドル2、左手用グリップ3L及び右手用グリップ3Rの全てに電極ユニットを設けている。しかし、電極ユニットは、運動者の身体の異なる種類の少なくとも2つの部位に接触する位置に設けられていれ良く、サドル2と、左手用グリップ3L又は右手用グリップ3Rのいずれかと、に設けられていれば良い。
上記実施形態では、サドル2、左手用グリップ3L及び右手用グリップ3Rの全てに電極ユニットを設けている。しかし、電極ユニットは、運動者の身体の異なる種類の少なくとも2つの部位に接触する位置に設けられていれ良く、サドル2と、左手用グリップ3L又は右手用グリップ3Rのいずれかと、に設けられていれば良い。
(8)変形例8
上記実施形態では、心電検出器9の入力インピーダンスを高めるために、OP1及びOP2の入力インピーダンスを大きくするとともに、OP1及びOP2と各電極ユニットとを基板から所定の距離離れて設けられた配線で接続している。しかし、OP1及びOP2の入力インピーダンスのみを大きくすることで、心電検出器9の入力インピーダンスを高めても良い。前述のような基板から所定の距離離れて設けられた配線による接続は、心電検出器9において高入力インピーダンスの確保が困難な場合に選択的に用いるようにしても良い。
上記実施形態では、心電検出器9の入力インピーダンスを高めるために、OP1及びOP2の入力インピーダンスを大きくするとともに、OP1及びOP2と各電極ユニットとを基板から所定の距離離れて設けられた配線で接続している。しかし、OP1及びOP2の入力インピーダンスのみを大きくすることで、心電検出器9の入力インピーダンスを高めても良い。前述のような基板から所定の距離離れて設けられた配線による接続は、心電検出器9において高入力インピーダンスの確保が困難な場合に選択的に用いるようにしても良い。
(9)変形例9
上記実施形態では、左手用電極ユニット8LのインピーダンスZ2が臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1に比べて無視できるほど小さい。そのため、インピーダンスZ2の値を考慮することなく、心電検出器9の入力インピーダンスZhがインピーダンスZ1よりも大きくなるように設定した。インピーダンスZ2がインピーダンスZ1に対して無視できる値では無い場合は、Zh/(Z1+Z2+Zh)が1に近づくようにインピーダンスZhを設定すれば良い。
上記実施形態では、左手用電極ユニット8LのインピーダンスZ2が臀部用電極ユニット7のインピーダンスZ1に比べて無視できるほど小さい。そのため、インピーダンスZ2の値を考慮することなく、心電検出器9の入力インピーダンスZhがインピーダンスZ1よりも大きくなるように設定した。インピーダンスZ2がインピーダンスZ1に対して無視できる値では無い場合は、Zh/(Z1+Z2+Zh)が1に近づくようにインピーダンスZhを設定すれば良い。
(10)変形例10
また、基板30にはガラスエポキシ基板など各種材料の基板を用いることができるが、例えば絶縁性の高いテフロン(登録商標)を絶縁材に用いたテフロン(登録商標)基板を用いても良い。絶縁性の高い基板を用いる場合には、基板上に配線を形成しても漏洩電流が少ない。よって、OP1等の非反転入力端子と電極ユニット等との接続を、基板上にプリントしたプリント配線により行うことができ、量産性に優れる。
また、基板30にはガラスエポキシ基板など各種材料の基板を用いることができるが、例えば絶縁性の高いテフロン(登録商標)を絶縁材に用いたテフロン(登録商標)基板を用いても良い。絶縁性の高い基板を用いる場合には、基板上に配線を形成しても漏洩電流が少ない。よって、OP1等の非反転入力端子と電極ユニット等との接続を、基板上にプリントしたプリント配線により行うことができ、量産性に優れる。
(11)変形例11
運動装置は上記実施形態の運動装置に限定されず、本発明はいかなる運動装置にも適用可能である。
運動装置は上記実施形態の運動装置に限定されず、本発明はいかなる運動装置にも適用可能である。
本発明は、運動者の心電を正確に検出することができ、各種運動装置に適用可能である。
1:本体
2:サドル
3:グリップ
3L:左手用グリップ
3R:右手用グリップ
4:ペダル
5:モニタ
6:表示部
7:臀部用電極ユニット
7a:臀部用作用電極
7b:臀部用参照電極
8L:左手用電極ユニット
8La:左手用作用電極
8Lb:左手用参照電極
8R:右手用電極ユニット
8Ra:右手用作用電極
8Rb:右手用参照電極
9、19、29:心電検出器
11:心臓
15a〜15c:第1〜第3入力部
20:フィルタ
30:基板
31、32:配線
33、34、35a〜35d:プリント配線
36a〜36d:スリット
40:第1選択回路
45:第2選択回路
50:入力部
100:運動装置
2:サドル
3:グリップ
3L:左手用グリップ
3R:右手用グリップ
4:ペダル
5:モニタ
6:表示部
7:臀部用電極ユニット
7a:臀部用作用電極
7b:臀部用参照電極
8L:左手用電極ユニット
8La:左手用作用電極
8Lb:左手用参照電極
8R:右手用電極ユニット
8Ra:右手用作用電極
8Rb:右手用参照電極
9、19、29:心電検出器
11:心臓
15a〜15c:第1〜第3入力部
20:フィルタ
30:基板
31、32:配線
33、34、35a〜35d:プリント配線
36a〜36d:スリット
40:第1選択回路
45:第2選択回路
50:入力部
100:運動装置
Claims (11)
- 運動者の心電を検出する心電検出器を備える運動装置であって、
前記運動者の身体の異なる種類の少なくとも2つの部位に接触する位置に、それぞれ第1電極ユニット及び第2電極ユニットが設けられており、
前記心電検出器は、前記第1電極ユニットからの第1信号と、前記第2電極ユニットからの第2信号と、に基づいて前記運動者の心電を検出することを特徴とする、運動装置。 - 運動者の身体の所定の基準位置から前記第1及び第2電極ユニットまでの距離の差が所定値以上であることを特徴とする、請求項1に記載の運動装置。
- 前記運動装置は、一対の第1グリップ及び第2グリップと、前記運動者が着座するためのサドルと、をさらに備え、
前記第1電極ユニットは前記サドルに設けられ、前記第2電極ユニットは前記第1グリップ又は前記第2グリップのいずれかに設けられることを特徴とする、請求項1に記載の運動装置。 - 前記心電検出器は、前記第1及び第2信号の入力を受けて、前記心電を検出するための検出信号を生成する生成回路を有しており、
前記生成回路は、前記第1電極ユニットからの前記第1信号のインピーダンスよりも高い入力インピーダンスを有していることを特徴とする、請求項3に記載の運動装置。 - 前記生成回路は、前記第1信号が非反転入力端子に入力される、高入力インピーダンスの第1オペアンプを有することを特徴とする、請求項4に記載の運動装置。
- 前記生成回路は、前記第2信号が非反転入力端子に入力される、高入力インピーダンスの第2オペアンプをさらに有し、前記第1オペアンプと前記第2オペアンプとは同一特性のオペアンプであることを特徴とする、請求項5に記載の運動装置。
- 前記第1オペアンプは、FET(Field Effect Transistor)入力タイプのオペアンプであることを特徴とする、請求項5に記載の運動装置。
- 前記第1オペアンプは、電圧フォロワ回路からなることを特徴とする、請求項5に記載の運動装置。
- 前記生成回路は基板上に実装されており、前記生成回路の前記第1信号が入力される第1入力端と、前記第1電極ユニットと、を接続する配線は、前記基板から所定の距離離れて設けられていることを特徴とする、請求項4に記載の運動装置。
- 前記生成回路は基板上に実装されており、前記生成回路の前記第1信号が入力される第1入力端と、前記第1電極ユニットと、を接続する配線は前記基板上に形成され、
前記配線の近傍の基板の少なくとも一部にスリットが形成されていることを特徴とする、請求項4に記載の運動装置。 - 前記第2電極ユニットが設けられたグリップとは異なるグリップに、第3電極ユニットがさらに設けられており、
前記心電検出器は、前記第1電極ユニットからの第1信号及び前記第2電極ユニットからの第2信号に基づいて心電を検出し、前記第1電極ユニットからの第1信号及び前記第3電極ユニットからの第3信号に基づいて心電を検出し、前記第2電極ユニットからの第2信号及び前記第3電極ユニットからの第3信号に基づいて心電を検出し、各心電の検出結果を比較して前記運動者の心電を検出するための電極ユニットの組み合わせを決定することを特徴とする、請求項3に記載の運動装置。
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---|---|---|---|
JP2007301148A JP2009125179A (ja) | 2007-11-21 | 2007-11-21 | 運動装置 |
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ID=40816696
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JP2007301148A Withdrawn JP2009125179A (ja) | 2007-11-21 | 2007-11-21 | 運動装置 |
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2007
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