JP2009297367A - 生理状態判別装置及び運動機械器具 - Google Patents

Abstract

【課題】 脈拍に基づく生体信号に基づいて、心拍に基づく生体信号を利用して生理状態を判別するのと同程度の精度で、生理状態を判別することができる生理状態判別装置を提供する。
【解決手段】 生理状態判別部６が、信号抽出部７と、平均演算部８と、判別手段９とを備えている。平均演算部８は、隣り合う二つの平均演算対象信号部分（ＳＰ１，ＳＰ２）の移動平均を順次演算して、その演算結果を脈拍に同期した連続する複数の補正脈拍波形信号として出力する。平均演算部８は補正脈拍波形信号ＣＳをＣＳ＝（ＳＰ１＋ＳＰ２）／２の演算式を用いて順次演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、脈拍に基づく生体信号を利用して生理状態を判別する生理状態判別装置及び生理状態判別装置を備えた運動機械器具に関するものである。

特開２００６−２６３２４４号公報（特許文献１）には、トレーニングバイクのハンドルのグリップに生体信号検出用の電極を設け、トレーニングバイクを利用する利用者がハンドルに設けた電極に触れている間、利用者の心拍に同期した複数の心電波形を取得し、複数の心電波形から心拍に関連する情報を抽出する技術が開示されている。グリップに生体信号検出用の電極があると、グリップの握り方や、利用者が運動しているときの身体のブレなどによって利用者と電極の接触が不安定になり安定的に生理信号を取得しにくいことが分かった。

また特開２００２−３６０５２９号公報（特許文献２）には、トレーニングマシンを利用する利用者の耳たぶに装着されて耳たぶから利用者の脈拍に同期した脈拍検出信号を得る脈拍イヤーセンサを用いる技術が開示されている。脈拍イヤーセンサを用いると、利用者がどのように動いても利用者とセンサの接触が妨げられることはなく、脈拍計は安定的に生理信号を取得することができる。また、利用者はトレーニングマシンのハンドルを絶えず握らずともよいので両手が自由になり運動を行いながらも各種操作を手で行いやすいし、ハンドルのないトレーニングマシンにおいても生理信号の取得が可能になる。
特開２００６−２６３２４４号公報 特開２００２−３６０５２９号公報

しかしながら脈拍計は体動の影響を受けやすい血流を光学的に検出するため、その脈拍検出信号を用いて生体状態を判別する場合には、たとえば特許文献１のトレーニング装置のようにハンドルに電極を取り付けて心拍電位から導出される心拍と違い、検出される脈拍間隔に大きなバラツキが生じる場合があることが判った。そのため、脈拍検出信号をそのまま心電波形の代替えとして利用して、既存の生理状態判別手法に基づいて生理状態を判別すると、判別精度が低下する問題が生じる。

本発明の目的は、脈拍に基づく生体信号に基づいて、心拍に基づく生体信号を利用して生理状態を判別するのと同程度の精度で、生理状態を判別することができる生理状態判別装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、本発明の生理状態判別装置を用いた運動機械器具を提供することにある。

本発明の生理状態判別装置は、利用者に装着されて利用者の脈拍を検出し且つ脈拍に同期して連続して発生する複数の脈拍波形信号を含む生体信号を出力する生体信号検出用センサを用いる。本発明の生理状態判別装置では、更に、生体信号に基づいて、利用者の生理状態の変化を判別する生理状態判別部と、生理状態判別部が判別した利用者の生理状態に基づいて、被制御部を制御する制御信号を発生する制御信号発生部とを備えている。

本発明で用いる生理状態判別部は、信号抽出部と、平均演算部と、判別手段とを備えている。信号抽出部は、隣り合う二つの脈拍波形信号のピーク間の信号部分を平均演算対象信号部分として抽出する。平均演算部は、隣り合う二つの平均演算対象信号部分の移動平均を順次演算して、その演算結果を脈拍に同期した連続する複数の補正脈拍波形信号として出力する。そして判別手段は、複数の補正脈拍波形信号からなる生体信号に基づいて、生理状態を判別する。

本発明では、脈拍区間のバラツキが大きくなる複数の脈拍波形信号を含む生体信号をそのまま利用しない。本発明のように、信号抽出部で抽出した隣り合う二つの脈拍波形信号のピーク間の信号部分からなる平均演算対象信号部分の移動平均を演算して得られる補正脈拍信号の脈拍区間のバラツキは、心拍に基づく生体信号における心拍区間のバラツキと同程度のものとなる。そのため、本発明によれば、脈拍に基づく生体信号に基づいて、心拍に基づく生体信号を利用して生理状態を判別するのと同程度の精度で、生理状態を判別することができる。

平均演算部で行う移動平均の演算手法は、補正脈拍信号の脈拍区間のバラツキが、心拍に基づく生体信号における心拍区間のバラツキと同程度のものとなるものであれば、特に限定されるものではない。最も簡単な移動平均の演算は、単純移動平均の演算である。単純移動平均を用いて演算する場合、平均演算部は、連続して発生する３つの脈拍波形信号を第１乃至第３の脈拍波形信号と仮定する。そして第１の脈拍波形信号のピークと第２の脈拍波形信号のピークとの間の信号部分からなる第１の平均演算対象信号部分をＳＰ１とし、第２の脈拍波形信号のピークと第３の脈拍波形信号のピークとの間の信号部分からなる第２の平均演算対象信号部分をＳＰ２とする。このときに、補正脈拍波形信号ＣＳをＣＳ＝（ＳＰ１＋ＳＰ２）／２の演算式を用いて順次演算すればよい。

また判別手段において使用する判別手法は、任意である。例えば、連続して発生する３つの補正脈拍波形信号を第１乃至第３の補正脈拍波形信号ＣＳ１乃至ＣＳ３と仮定したときに、第１の補正脈拍波形信号ＣＳ１のピークと第２の補正脈拍波形信号ＣＳ２のピークとの間の時間間隔と第２の補正脈拍波形信号ＣＳ２のピークと第３の補正脈拍波形信号ＣＳ３のピークとの間の時間間隔との差分の二乗を順次演算し、所定時間内に演算した複数の差分の二乗の平均を指標とする判定手法を用いることができる。この指標は心拍に基づく生体信号を利用する場合に利用されているＭＳＳＤと呼ばれる指標である。

生体信号検出用センサとしては、利用者の耳に装着されて生体信号を出力する脈拍イヤーセンサを用いるのが便利である。

本発明の生理状態判別装置を備えた運動機械器具では、利用者の肉体に与える負荷を調整する負荷調整部を被制御部として備えている。そして負荷調整部は制御信号に応じて負荷を調整する。前述のＭＳＳＤと呼ばれる指標に基づいて制御信号を作成するので、例えば、指標の変化と逆の関係で負荷が変化するように制御信号を生成すれば、利用者の肉体に加わる負荷を自動的に変更すれば、必要以上の過激な運動によって発生する事故を防止することができる。また指標（ＭＳＳＤ）の変化が予め定めた基準レベル以下になると負荷を０にするような制御信号を生成することもできる。

本発明によれば、脈拍に基づく生体信号に基づいて、心拍に基づく生体信号を利用して生理状態を判別するのと同程度の精度で、生理状態を判別することができる。

以下図面を参照して本発明の生理状態判別装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明をトレーニングバイク等のトレーニングマシンと呼ばれる運動機械器具１２に使用する生理状態判別装置１に適用した実施の形態の構成を示すブロック図である。図１に示した生理状態判別装置１は、脈拍イヤーセンサ２、増幅器３、Ａ／Ｄ変換器４、メモリ５、生理状態判別部６、制御信号発生部１０とから構成される。

脈拍イヤーセンサ２は、トレーニングマシンと呼ばれる運動機械器具１２を利用する利用者の耳に装着されて、利用者の脈拍を検出し且つ脈拍に同期して連続して発生する複数の脈拍波形信号を含む生体信号を出力する生体信号検出用センサを構成するものである。使用可能な脈拍イヤーセンサ２としては、前述の特許文献２等に示されたものを用いることができる。増幅器３は、脈拍イヤーセンサ２から出力されるアナログ信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換器４は、信号処理をコンピュータで実行するために、脈拍イヤーセンサ２から出力されて増幅器３で増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号に変換された複数の脈拍波形信号を含む生体信号は、順次メモリ５に保存される。メモリ５は、信号処理の進行に伴って保存データを順次更新する。図２（Ａ）は、脈拍イヤーセンサ２から出力されるアナログ信号の生体信号Ｓの例を示している。

本実施の形態の生理状態判別装置１は、メモリ５に保存されたデジタルの生体信号に基づいて、利用者の生理状態の変化を判別する生理状態判別部６と、生理状態判別部６が判別した利用者の生理状態に基づいて、運動機械器具１２の負荷調整部（被制御部）１１を制御する制御信号を発生する制御信号発生部１０とを備えている。

生理状態判別部６は、信号抽出部７と、平均演算部８と、判別手段９とを備えている。生理状態判別部６は、デジタル信号処理を行うものであるが、以下の説明では理解を容易にするために、図２に示したアナログ信号を用いて生理状態判別部６の各部の構成を説明する。信号抽出部７は、図２（Ａ）に示すような生体信号Ｓから、隣り合う二つの脈拍波形信号のピーク間の信号部分を平均演算対象信号部分（ＳＰ１，ＳＰ２）として抽出する。

平均演算部８は、隣り合う二つの平均演算対象信号部分（ＳＰ１，ＳＰ２）の移動平均を順次演算して、その演算結果を脈拍に同期した連続する複数の補正脈拍波形信号として出力する。図２（Ｂ）は、複数の補正脈拍波形信号からなる生体信号Ｓ′をアナログ波形として示している。なお図２（Ｂ）は、概略的に波形を示すものであって、図２（Ａ）に示した波形との関係は、正確なものではない。平均演算部８で行う移動平均の演算手法は、補正脈拍信号の脈拍区間（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・・）のバラツキが、心拍に基づく生体信号における心拍区間のバラツキと同程度のものとなるものであれば、特に限定されるものではない。本実施の形態では、平均演算部８は、単純移動平均の演算を行う。単純移動平均を用いて演算する場合、図２（Ａ）に示すように、連続して発生する３つの脈拍波形信号を第１乃至第３の脈拍波形信号Ｗ１〜Ｗ３と仮定する。そして第１の脈拍波形信号Ｗ１のピークと第２の脈拍波形信号Ｗ２のピークとの間の信号部分からなる第１の平均演算対象信号部分をＳＰ１とし、第２の脈拍波形信号Ｗ２のピークと第３の脈拍波形信号Ｗ３のピークとの間の信号部分からなる第２の平均演算対象信号部分をＳＰ２とする。平均演算部８は、補正脈拍波形信号ＣＳをＣＳ＝（ＳＰ１＋ＳＰ２）／２の演算式を用いて順次演算する。図２（Ｂ）には、平均演算部８によって演算された結果得られる補正脈拍波形信号ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３・・によって構成される補正された生体信号Ｓ′の概略例を示している。

そして判別手段９は、複数の補正脈拍波形信号ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３・・からなる生体信号Ｓ′に基づいて、生理状態を判別する。本実施の形態の判別手段９においては、連続して発生する３つの補正脈拍波形信号を第１乃至第３の補正脈拍波形信号ＣＳ１乃至ＣＳ３と仮定したときに、第１の補正脈拍波形信号ＣＳ１のピークと第２の補正脈拍波形信号ＣＳ２のピークとの間の時間間隔Ｔ₁と、第２の補正脈拍波形信号ＣＳ２のピークと第３の補正脈拍波形信号ＣＳ３のピークとの間の時間間隔Ｔ₂との差分（Ｔ₁−Ｔ₂）の二乗（Ｔ₁−Ｔ₂）² を順次演算し、下記の式に従って、所定時間内に演算した複数の差分の二乗の平均を指標とする判定手法を用いる。この指標は心拍に基づく生体信号を利用する場合に利用されているＭＳＳＤと呼ばれる指標である。

ＭＳＳＤ＝［（Ｔ₁−Ｔ₂）² ＋（Ｔ₂−Ｔ₃）² ＋・・・（Ｔ_n-1−Ｔ_n）² ］／ｎ
ＭＳＳＤとは、「the mean of the sum of the squared differences in successive R-R intervals」の略である。心拍に基づく生体信号を利用する場合には、隣り合った二つの心拍間隔（R-R間隔）データの差分の二乗を演算し、所定時間内の平均を求めたものを意味する。この指標は、心拍のゆらぎの大きさを表している。一般的に、この指標は、値で見ると、平常時には数百を超えるが、運動を行うとだんだん低くなっていく。

制御信号発生部１０は、生理状態判別部６の判別手段９が判別した利用者の生理状態を示す指標（ＭＳＳＤ）に基づいて、利用者の肉体に与える負荷を調整する負荷調整部（被制御部）１１を制御する制御信号を発生する。本実施の形態では、前述のＭＳＳＤと呼ばれる指標に基づいて制御信号を作成する。具体的には、指標（ＭＳＳＤ）の変化と逆の関係で負荷が変化するように制御信号を生成する。その結果、利用者の肉体に加わる負荷を、利用者の肉体の疲労の進行に応じて自動的に小さくすることができ、必要以上の過激な運動によって発生する事故を防止することができる。なお指標（ＭＳＳＤ）の変化が予め定めた基準レベル以下になると負荷を０にするような制御信号を生成してもよく、制御信号の発生方法は任意である。

本実施の形態のように、信号抽出部７で抽出した隣り合う二つの脈拍波形信号のピーク間の信号部分からなる平均演算対象信号部分の移動平均を演算して得られる補正脈拍波形信号ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３・・・の脈拍区間のバラツキは、心拍に基づく生体信号における心拍区間のバラツキと同程度のものとなる。そのため、本実施の形態によれば、脈拍に基づく生体信号Ｓ′に基づいて、心拍に基づく生体信号を利用して生理状態を判別するのと同程度の精度で、生理状態を判別することができる。

図３乃至図５は、３人の被検者に同じトレーニングマシン（トレーニングバイク）をほぼ同じ負荷条件に設定して運転してもらったときに、心拍と脈拍とをそれぞれ測定し、従来の技術により心拍から求めたＭＳＳＤ１と本実施の形態により脈拍から求めたＭＳＳＤ２の演算結果を示すグラフである。なお負荷条件は、マシンの状態によって、完全に同一になることはない。図３乃至図５から判るように、初期段階までは（例えば１８０秒から３００秒を経過するまでは）、個人差によりＭＳＳＤ１とＭＳＳＤ２とは、必ずしも一致しないものの、ある程度の時間が経過すると、ＭＳＳＤ１とＭＳＳＤ２とはほぼ一致するようになる。すなわち本実施の形態を用いると、生体状態を知ることが必要になる時期には、脈拍に基づく生体信号に基づいて、心拍に基づく生体信号を利用して生理状態を判別するのと同程度の精度で、生理状態を判別することができるのが判る。なお図２（Ａ）に示すような脈拍イヤーセンサ２で測定した生体信号Ｓを用いてＭＳＳＤを求めた場合には、初期段階を経過した後も、脈拍から求めたＭＳＳＤには大きなバラツキが発生することが確認されている。

上記実施の形態では、利用者の耳に装着する脈拍イヤーセンサ２を生体信号検出用センサとして用いているが、利用者の手首等に装着されるその他の脈拍検出用センサを生体信号検出用センサとして用いる場合にも本発明は当然にして適用することができる。

また制御信号発生部１０から出力される制御信号をどのように使用するかは、任意であり、本実施の形態に限定されるものではない。

また特開２００６−２６３２４４号公報（特許文献１）に開示されるような心拍検出センサ及び検出された心拍から指標（ＭＳＳＤ）を求める生理状態判別手段を上記実施の形態に組み合わせ、更に、脈拍から指標（ＭＳＳＤ）を求める生理状態判断手段と、心拍から指標（ＭＳＳＤ）を求める生理状態判断手段とを切り替えるための切替手段を備えた生理状態判別装置及び運動機械器具も本発明の実施の形態として考えられる。

この実施の形態によれば、指標（ＭＳＳＤ）を求めるための生体信号を適宜変更することができる。例えば脈拍を検出している間は本発明の生理状態判別部６にて利用者の生理状態を判別し、何らかの理由で脈拍センサが外れたりして脈拍が検知できない状態であるときには、切替手段にて心拍を用いる生理状態判別手段から生理状態を判別するように制御する。

本発明をトレーニングバイク等のトレーニングマシンと呼ばれる運動機械器具に使用する生理状態判別装置に適用した実施の形態の構成を示すブロック図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、脈拍イヤーセンサの出力と平均演算部の出力の一例をそれぞれ示す図である。 試験データの一例を示すグラフである。 試験データの他の例を示すグラフである。 試験データの更に他の例を示すグラフである。

符号の説明

１ 生理状態判別装置
２ 脈拍イヤーセンサ（生体信号検出用センサ）
３ 増幅器
４ Ａ／Ｄ変換器
５ メモリ
６ 生理状態判別部
７ 信号抽出部
８ 平均演算部
９ 判別手段
１０ 制御信号発生部
１１ 負荷調整部（被制御部）
１２ 運動機械器具

Claims (5)

1. 利用者に装着されて前記利用者の脈拍を検出し且つ前記脈拍に同期して連続して発生する複数の脈拍波形信号を含む生体信号を出力する生体信号検出用センサと、
   前記生体信号に基づいて、前記利用者の生理状態の変化を判別する生理状態判別部と、
   前記生理状態判別部が判別した前記利用者の前記生理状態に基づいて、被制御部を制御する制御信号を発生する制御信号発生部とを備えてなる生理状態判別装置であって、
   前記生理状態判別部は、隣り合う二つの前記脈拍波形信号のピーク間の信号部分を平均演算対象信号部分として抽出する信号抽出部と、
   隣り合う二つの前記平均演算対象信号部分の移動平均を順次演算してその演算結果を前記脈拍に同期した連続する複数の補正脈拍波形信号として出力する平均演算部と、
   前記複数の補正脈拍波形信号からなる生体信号に基づいて、前記生理状態を判別する判別手段とを備えていることを特徴とする生理状態判別装置。
2. 前記平均演算部は、連続して発生する３つの前記脈拍波形信号を第１乃至第３の脈拍波形信号と仮定し、前記第１の脈拍波形信号のピークと前記第２の脈拍波形信号のピークとの間の信号部分からなる第１の平均演算対象信号部分をＳＰ１とし、前記第２の脈拍波形信号のピークと前記第３の脈拍波形信号のピークとの間の信号部分からなる第２の平均演算対象信号部分をＳＰ２としたときに、前記補正脈拍波形信号ＣＳをＣＳ＝（ＳＰ１＋ＳＰ２）／２の演算式を用いて順次演算することを特徴とする請求項１に記載の生理状態判別装置。
3. 前記判別手段は、連続して発生する３つの前記補正脈拍波形信号を第１乃至第３の補正脈拍波形信号ＣＳ１乃至ＣＳ３と仮定したときに、前記第１の補正脈拍波形信号ＣＳ１のピークと前記第２の補正脈拍波形信号ＣＳ２のピークとの間の時間間隔と前記第２の補正脈拍波形信号ＣＳ２のピークと前記第３の補正脈拍波形信号ＣＳ３のピークとの間の時間間隔との差分の二乗を順次演算し、所定時間内に演算した複数の前記差分の二乗の平均を指標とし、前記指標に基づいて前記制御信号を発生することを特徴とする請求項１または２に記載の生理状態判別装置。
4. 前記生体信号検出用センサが、前記利用者の耳に装着されて前記生体信号を出力する脈拍イヤーセンサであることを特徴する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の生理状態判別装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の生理状態判別装置を備えた運動機械器具であって、
   前記利用者の肉体に与える負荷を調整する負荷調整部を前記被制御部として備え、
   前記負荷調整部は前記制御信号に応じて前記負荷を調整することを特徴とする運動機械器具。