JP2547887B2 - 最大酸素摂取量推定方法ならびに最大酸素摂取量推定装置 - Google Patents

最大酸素摂取量推定方法ならびに最大酸素摂取量推定装置

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JP2547887B2
JP2547887B2 JP2132925A JP13292590A JP2547887B2 JP 2547887 B2 JP2547887 B2 JP 2547887B2 JP 2132925 A JP2132925 A JP 2132925A JP 13292590 A JP13292590 A JP 13292590A JP 2547887 B2 JP2547887 B2 JP 2547887B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、最大酸素摂取量を推定する方法ならびに装
置に関する。
(従来の技術) 従来、一般的な最大酸素摂取量の推定法としては、オ
ストランド法が使用されている。これは段階式に上昇す
るステップ負荷法による、3種類の一定の負荷を各3〜
4分間行い、その結果から定常応答として得られた心拍
数と負荷値の関係から、被験者の推定最高心拍数に対応
した最高負荷値を推定し、計算によって最大酸素摂取量
を推定するものである。
また、アメリカですでに運動処方に使われている最大
酸素摂取量の推定方法として、デビリース(Devries・
H・A)の方法がある。
この推定方法は、第14図のグラフに示すように、被験
者が、負荷量が微増していくランプ負荷運動を安静状態
から始めた際に、予め設定しておいた二種以上の目標負
荷量に達した時の被験者の各心拍数及び各酸素摂取量を
測定し、これらの運動心拍数及び酸素摂取量を変数とし
た演算式に基づいて最大酸素摂取量を算出する方法であ
る。
尚、第14図のグラフは、健康成人A(28歳)と老人
(70歳)における最大酸素摂取量の推定例を示してお
り、グラフ中において、aAとbAは青年Aの運動心拍数を
示し、aBとbBは老人Bの運動心拍数を示し、CAとCBは運
動心拍数aAとbAまたはaBとbBを結んで延長した推定直線
と最大心拍数の交点を示している。また、最大心拍数
は、男性の場合は220−年齢から求め、女性の場合は210
−年齢から求める方法を適用している。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、このような従来の最大酸素摂取量の推
定方法にあっては、次に示すような問題がある。
まず、演算式は、心拍数と酸素摂取量が変数として各
々二つ以上含まれている複雑な式であるので、短時間で
最大酸素摂取量を算出しようとすれば、マイコン等に予
め演算式を記憶させておくことが必要になる。
更に、オストランド法では定常な心拍数に達するまで
負荷運動を行わなければならないが、この負荷運動は、
同じ負荷量でも年令や性別だけでなく測定当日のコンデ
ィションによっても被験者の負担が異なってくるため、
目標負荷量の設定が難しく、再現性が低い。また、目標
負荷量の設定によっては、目標負荷量に達した時の被験
者の心拍数が、負荷終了後、更に上昇することもありえ
るので、精度及び安全性の面でも不安が残されている。
本発明は、上記従来の問題に着目し、短時間で、かつ
安全に、再現性が高い最大酸素摂取量を推定することが
できる方法ならびに装置を提供することを目的としてい
る。
(課題を解決するための手段) 本発明は、上述のような課題を解決することを目的と
してなされたもので、この目的達成のために、本発明の
最大酸素摂取量推定方法は、目標心拍数を、被験者の性
別及び年齢に基づいて求めた最高心拍数の70%に設定
し、負荷量が微増していくランプ負荷運動を安静状態か
ら始めた際に、被験者の運動心拍数が前記目標心拍数に
達した時の負荷量を最終負荷量として測定し、該最終負
荷量と前記最高心拍数とを変数とした以下の演算式に基
づいて最大酸素摂取量を算出する方法である。被験者が
男性の場合には、 最大酸素摂取量=−1.385+0.015×最高心拍数+0.011
×最終負荷量 とし、被験者が女性の場合には、 最大酸素摂取量=−0.682+0.006×最高心拍数+0.018
×最終負荷量 また、上記目的達成のために、本発明の最大酸素摂取
量推定装置は、第1図のクレーム対応図に示すように、
入力手段aが、性別及び年齢を入力可能な性別及び年齢
設定手段bと、被験者の心拍数を検出する心拍数検出手
段cと、運動機器で成される運動の負荷量を検出する負
荷量検出手段dと、を備え、制御手段eが、被験者の性
別及び年齢に基づいて最高心拍数を求める最高心拍数設
定部fと、前記最高心拍数の70%に目標心拍数を設定す
る目標心拍数設定部gと、被験者が、負荷量が微増して
いくランプ負荷運動を安静状態から始めた際に、被験者
の運動心拍数が前記目標心拍数に達した時の負荷量を最
終負荷量として入力して、該最終負荷量と前記最高心拍
数とを変数とした前記の演算式に基づいて最大酸素摂取
量を算出して最大酸素摂取量信号を出力する演算出力部
hと、を備えているものである。
(作用) 本発明請求項1記載の最大酸素摂取量推定方法は、最
終負荷量と最高心拍数から最大酸素摂取量を算出する方
法であり、そのうち、最終負荷量は、被験者の運動心拍
数が目標心拍数に達した時の負荷量を測定し、最高心拍
数は、被験者の性別及び年齢に基づいて求める方法なの
で、複雑な準備等を必要とせずに、短時間で最大酸素摂
取量を推定できる。
しかも、演算式は、最終負荷量と最高心拍数がそれぞ
れ一つづつ含まれただけの簡単な式であるので、演算は
マイコン等を用いなくても人が電卓等の手軽な計算機に
よって行うことができる。
更に、被験者は、運動心拍数が目標心拍数に達するま
でランプ負荷運動をすればよいので、再現性が高く、ま
た、年齢や性別やコンディションにかかわらず、被験者
の負担をほぼ一定にできることから、安全性も高い。
本発明請求項2記載の最大酸素摂取量推定装置は、被
験者の性別及び年齢と、心拍数と、運動機器で成される
運動の負荷量とを入力すれば、最大酸素摂取量信号が出
力されるので、複雑な準備を必要とせずに、短時間で最
大酸素摂取量を推定できる。
また、被験者は、運動心拍数が目標心拍数に達するま
でランプ負荷運動をすればよいので、再現性が高く、ま
た、年齢や性別やコンディションにかかわらず、被験者
の負担をほぼ一定にできることから、安全性も高い。
(実施例) 以下、本発明の実施例を図面により詳述する。
まず、第2図〜第4図に基づいて本実施例の最大酸素
摂取量推定方法ならびに最大酸素摂取量推定装置を説明
する。
第2図は本実施例の最大酸素摂取量推定装置を示す全
体図で、1は運動機器であるエルゴメータ、2はコント
ロールパネル、3は心拍計、4は第1コントローラ、5
は第2コントローラ、6はディスプレイ装置、7は負荷
変更装置である。
前記エルゴメータ1は、負荷変更装置7によりペダル
に負荷を変更可能とした自転車式計測器である。尚、前
記負荷変更装置7はパウダーブレーキ方式により、第2
コントローラ5から出力される制御信号に基づき負荷変
更可能となっている。
ちなみに、ペダルをこぐ時に使用する筋肉部位は、第
3図の(イ)〜(ニ)に示すように、ペダルの位置によ
って異なり、回転数60回/分でペダルをこいだ時には、
約1/4秒毎に使用する筋肉部位が変化することになる。
そのため、第2コントローラ5から負荷変更装置7に出
力される制御信号は、1/4秒毎に負荷を増加させる信号
となっており、よって、各筋肉部位には1秒毎に負荷が
増加されることになる。
また、前記制御信号は、負荷の増加率を、12.5W/分、
25.0W/分、37.5W/分の三段階に切り換えられるように三
種類の信号が設定され、それぞれ、0.052W/0.25秒、0.1
04W/0.25秒、0.156W/0.25秒で微増するランプ負荷方式
が採用され、全て30Wの低負荷から開始するようになっ
ている。
このように、このエルゴメータ1では、低負荷から開
始し、ほぼ直線的に負荷が微増するランプ負荷運動が可
能であるため、ウォーミングアップ効果が得られ、負荷
の変化が体に感じない程度に無理なく被験者8の体力を
引き出すことができる。また、これらの結果、血圧や心
拍数等の生理応答がスムーズになり安全性も高い。
コントロールパネル2は、被験者8の性別及び年齢を
設定する釦(図示省略)を有していると共に、前記三段
階の負荷を選択する釦(図示省略)を有している。
心拍計は、被験者8の胸部や耳たぶ等に取り付けら
れ、被験者8の心拍数を検出するものである。
ディスプレイ装置6は、第1コントローラから出力さ
れる最大酸素摂取量信号をデジタル表示するものであ
る。
次に、第4図に示したフローチャートに基づいて第1
コントローラの作動流れについて説明する。
まず、ステップ101では、コントロールパネル2で設
定された被験者8の性別及び年齢を読み込むと共に、第
2コントローラ5から出力される制御信号を負荷量とし
て読み込みステップ102に進む。従って、本実施例で
は、この第2コントローラ5が請求の範囲の負荷量検出
手段に相当する。
次に、ステップ102では、読み込んだ性別及び年齢に
基づき、最高心拍数を求める演算を行い、ステップ103
に進む。尚、この演算式は、被験者8が男性の場合は、
最高心拍数=200−年齢が適用され、被験者8が女性の
場合は、最高心拍数=190−年齢が適用される。
ステップ103では、ステップ102で得られた最高心拍数
に基づき、目標心拍数を求める演算を行い、ステップ10
4に進む。尚、この演算式は、被験者8の年齢及び性別
を問わず、目標心拍数=最高心拍数×0.7が適用され
る。
ステップ104では、運動心拍数が目標心拍数に達した
かどうかを判断し、NOと判断した場合にはステップ104
を繰り返しYESと判断したらステップ105に進む。
ステップ105では、目標心拍数に達した時の負荷量と
最高心拍数に基づき、以下の式により最大酸素摂取量を
演算する。
・被験者が男性の場合 最大酸素摂取量=−1.385+0.015×最高心拍数+0.011
×最終負荷量 ・被験者が女性の場合 最大酸素摂取量=−0.682+0.006×最高心拍数+0.018
×最終負荷量 即ち、前記第1コントローラは、クレーム対応図で示
したように、被験者の性別及び年齢に基づいて最高心拍
数を求める最高心拍数設定部と、前記最高心拍数の70%
に目標心拍数を設定する目標心拍数設定部と、被験者
が、負荷量が微増していくランプ負荷運動を安静状態か
ら始めた際に、被験者の運動心拍数が前記目標心拍数に
達した時の負荷量を最終負荷量として入力し、該最終負
荷量と前記最高心拍数とを変数とした演算式に基づいて
最大酸素摂取量を算出して最大酸素摂取量信号を出力す
る演算出力部と、を備えていることになる。
次に、前記装置を用いた最大酸素摂取量の推定方法に
ついて説明する。
最大酸素摂取量の推定を行うにあたり、まず、心拍計
3を被験者8の胸部に装着する。
そして、被験者8がエルゴメータ1に跨がって、ペダ
ルこぎ可能な状態になると、コントロールパネル2にお
いて、被験者8の年齢及び性別を入力する操作を行う。
第1コントローラ4では、入力されたこの年齢及び性
別に基づき目標心拍数を演算する。
次に、被験者8にペダルこぎを行わせるが、この場
合、エルゴメータ1にあっては、第2コントローラ2の
制御に基づく負荷変更装置7の作動により、負荷量が漸
増する。尚、この場合、負荷量の増加率は、3通り選択
することができる。
その後、第1コントローラ4において、心拍計3から
得られる運動心拍数が目標心拍数に達したことが判断さ
れると、この時の負荷量を最終負荷量とし、この最終負
荷量と演算で得られた最高心拍数とに基づき最大酸素摂
取量を演算する。
そして、この演算結果は、第1コントローラ4の出力
信号によりディスプレイ装置6において表示される。
尚、表1,表2は、こうして得られた最大酸素摂取量の評
価表であり、性別毎及び年齢毎に六段階に評価できるよ
うになっている。そして、ディスプレイ装置6では、こ
の評価表に基づいた評価の結果も最大酸素摂取量と一緒
に表示される。
第5図は、本実施例法に基づいた最大酸素摂取量の推
定直線を示すグラフで、運動心拍数が目標心拍数に達し
た時の負荷量から、運動心拍数が最大心拍数に達した時
の酸素摂取量、即ち、最大酸素摂取量を推定できること
を示している。
このグラフにも示すように、本実施例の最大酸素摂取
量推定方法は、被験者の性別及び年齢と、心拍数と、運
動機器で成される運動の負荷量とを入力すれば、最大酸
素摂取量信号が出力される装置を用いているので、複雑
な準備を必要とせずに、短時間で最大酸素摂取量を推定
できる。
更に、被験者は、運動心拍数が目標心拍数に達するま
でランプ負荷運動をすればよいので、再現性が高く、ま
た、年齢や性別やコンディションにかかわらず、被験者
の負担をほぼ一定にできることから、安全性も高い。
次に、実験結果について説明する。
まず、ランプ負荷法を使ったエルゴメータ1による最
大酸素摂取量を推定が妥当かどうかを判断するため、ス
テップ負荷法による場合と比較してみた。
表3は被験者の一覧であり、被験者は、学生を中心と
した27名(男性13名、女性14名)である。
ステップ負荷法に実験では、男性には50,100,150W/mi
nの三通りの負荷を与え、それぞれ定常応答時の心拍数
と酸素摂取量を求めた。一方、女性には50,75,100W/min
の三通りの負荷を与え、それぞれ定常応答時の心拍数と
酸素摂取量を求めた。
その結果、男性のステップ負荷時の負荷量(LOAD)
と、心拍数(HR)と酸素摂取量(VO2)の関係は、第6
図(イ)〜(ハ)のグラフに示す通りであり、その単回
帰式と信頼係数R2は、 VO2=4.70×LOAD(W)+161.23 R2=0.977 HR=0.51×LOAD(W)+70.03 R2=0.971 HR=0.11×VO2(ml)+52.46 R2=0.966 であった。
一方、女性のステップ負荷時の負荷量(LOAD)と、心
拍数(HR)と、酸素摂取量(VO2)の関係は、第7図
(イ)〜(ハ)のグラフに示す通りであり、その単回帰
式と信頼係数R2は、 VO2=3.77×LOAD(W)+169.23 R2=0.952 HR=0.54×LOAD(W)+85.11 R2=0.903 HR=0.14×VO2(ml)+65.12 R2=0.844 であった。
次に、ランプ負荷法の実験では、男性には25W/minの
レートの負荷を与え、その時の心拍数と酸素摂取量を算
出した。一方、女性には12.5W/minのレートの負荷を与
え、その時の心拍数と酸素摂取量を算出した。
その結果、男性のランプ負荷時の負荷量(LOAD)と、
心拍数(HR)と、酸素摂取量(VO2)の関係は、第8図
(イ)〜(ハ)のグラフに示す通りであり、その単回帰
式と信頼係数R2は、 VO2=8.76×LOAD(W)+34.27 R2=0.943 HR=0.35×LOAD(W)+81.39 R2=0.862 VO2=9.64×HR(ppm)+619.06 R2=0.839 であった。
一方、女性のランプ負荷時の負荷量(LOAD)と、心拍
数(HR)と、酸素摂取量(VO2)の関係は、第9図
(イ)〜(ハ)のグラフに示す通りであり、その単回帰
式と信頼係数R2は、 VO2=6.96×LOAD(W)+166.59 R2=0.908 HR=0.50×LOAD(W)+82.36 R2=0.764 VO2=4.02×HR(ppm)+93.22 R2=0.676 であった。
そこで、両負荷時の心拍数(HR)と酸素摂取量(V
O2)を経時的に記録して3つのパラメータ間の相関を求
めて単回帰分析した。第10図(イ)〜(ハ)のグラフは
男性の場合の回帰直線を示し、第11図(イ)〜(ハ)の
グラフは女性の場合の回帰直線を示している。尚、相関
係数と回帰式は次の通りであり( )内にステップ負荷
の場合を示している。
男性の場合の回帰式 (イ)負荷量(LOAD)と酸素摂取量(VO2)の関係 相関係数:0.943(0.966) 回帰式:VO2=8.76×LOAD(W)+34.27 (VO2=9.39×LOAD(W)+322.46) (ロ)負荷量(LOAD)と心拍数(HR)の関係 相関係数:0.862(0.062) 回帰式:HR=0.35×LOAD(W)+81.39 (HR=0.51×LOAD(W)+70.03) (ハ)酸素摂取量(VO2)と心拍数(HR)の関係 相関係数:0.839(0.840) 回帰式:HR=0.06×VO2(ml)+83.78 (HR=0.10×VO2(ml)+56.95) 女性の場合の回帰式 (イ)負荷量(LOAD)と酸素摂取量(VO2)の関係 相関係数:0.908(0.777) 回帰式:VO2=6.96×LOAD(W)+166.59 (VO2=7.37×LOAD(W)+348.39) (ロ)負荷量(LOAD)と心拍数(HR)の関係 相関係数:0.764(0.368) 回帰式:HR=0.50×LOAD(W)+82.36 (HR=0.57×LOAD(W)+88.06) (ハ)酸素摂取量(VO2)と心拍数(HR)の関係 相関係数:0.676(0.004) 回帰式:HR=0.04×VO2(ml)+84.81 (HR=0.01×VO2(ml)+120.98) この結果は、上記の相関係数値にアンダーライン で示
した関係の間では、統計的に有意な相関を示さず、ステ
ップ負荷時においては、心拍数から負荷量や酸素摂取量
を回帰することは難しいことを示している。
以上の結果から、ランプ負荷時において、目標心拍数
を決め、被験者の運動脈拍数がその値に達した時の負荷
量を最終負荷量として測定し、その最終負荷量と最高心
拍数とで最大酸素摂取量を推定するのが妥当と考えられ
る。
そこで、表4及び表5に示した実測値を基に、従属変
数を最大酸素摂取量、説明変数を最終負荷量と最高心拍
数とした重回帰分析を行った。
なお、表4及び表5の実測値を求めた方法は、被験者
として男性13人、女性11人を選び、それぞれに前記のエ
ルゴメータを使用した運動を実施した。詳細には、ラン
プ負荷法により徐々に負荷を上げていき、被験者が疲れ
てベダルをもうこげなくなった時の実際の酸素摂取量を
最大酸素摂取量とし、その時の実際の心拍数を最高心拍
数とした。得られた値を表4及び表5に記した。表4及
び表5のそれぞれの変数の意味は以下の通りである。
変数Y:VO2max。即ち、上記の実際に測定された最大酸素
摂取量。変数X1:HRmax。最高心拍数。即ち、上記の最大
酸素摂取量を示した時の心拍数。
変数X2:LOAD70%。被験者の年齢と性別で決まる最高心
拍数(男性であれば200−年齢、女性であれば、190−年
齢)の70%の心拍数に被験者が達した時の負荷量。即
ち、本発明のいう最終負荷量のことである。例えば、20
歳の男性であれば、(200−20)×0.7=126より、126拍
の時の負荷量である。
上記の重回帰分析は、上記の変数を使って、 Y=a0+a1×X1+a2×X2 の式における係数a0、a1、a2を、該重回帰分析によって
求める分析である。その結果が表6(男性)及び表7
(女性)であり、男性であれば、表6の係数の欄に示し
たように、 a0=−1.3846(≒−1.385) a1=0.01490(≒0.015) a2=0.01123(≒0.011) となり、女性であれば、表7の係数の欄に示したよう
に、 a0=−0.6821(≒−0.682) a1=0.00646(≒0.006) a2=0.01763(≒0.018) となる。従って、重回帰式は、 ・被験者が男性の場合 最大酸素摂取量=−1.385+0.015×最高心拍数 +0.011×最終負荷量 ・被験者が女性の場合 最大酸素摂取量=−0.682+0.006×最高心拍数 +0.018×最終負荷量 である。
次に、これらの重回帰式を検定する。その方法として
は、男性の場合であれば第12図、女性の場合であれば第
13図に示したように、観測値と理論値の間の相関図を求
め、観測値と理論値の間の信頼係数を求めた。なお、第
12図及び第13図に示した観測値は、表4及び表5に示し
た各被験者の最大酸素摂取量の測定値(VO2max)そのも
のであり、理論値は、上記の重回帰式の最高心拍数に、
各被験者の性別及び年齢に基づいて求めた最高心拍数
(男性であれば200−年齢、女性であれば190−年齢)を
代入し、上記の重回帰式の最終負荷量に、表4及び表5
に示した各被験者の変数X2の値(即ち、本発明のいう最
終負荷量)を代入して求めた、最大酸素摂取量である。
このようにして、これらの重回帰式の検定の結果、観測
値と理論値の間の信頼係数は男性で0.729、女性で0.914
であったため、下記演算式は共に妥当な式と考えられ
る。
・被験者が男性の場合 最大酸素摂取量=−1.385+0.015×最高心拍数 +0.011×最終負荷量 ・被験者が女性の場合 最大酸素摂取量=−0.682+0.006×最高心拍数 +0.018×最終負荷量 更に、これらの演算式からは、表8及び表9に示すよ
うなノモグラムを作成することができる。
以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、
具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発
明に含まれる。
また、実施例では、最終負荷量と前記最高心拍数とを
変数とした演算式に基づいて最大酸素摂取量を算出する
作業をコントローラで行う方法を示したが、人が電卓等
の手軽な計算機を用いて行うようにしてもよい。
(発明の効果) 以上説明してきたように、本発明の最大酸素摂取量推
定方法ならびに最大酸素摂取量推定方法にあっては、短
時間で、かつ安全に、再現性が高い最大酸素摂取量を推
定することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の最大酸素摂取量推定装置のクレーム対
応図、第2図は本発明実施例の最大酸素摂取量推定装置
を示す全体図、第3図(イ)〜(ニ)はペダルをこぐ時
に使用する筋肉部位を示す図、第4図は前記最大酸素摂
取量推定装置の作動流れ図、第5図は最大酸素摂取量の
推定直線を示すグラフ、第6図(イ)〜(ハ)及び第7
図(イ)〜(ハ)はステップ負荷時の負荷量と心拍数と
酸素摂取量の関係を示すグラフ、第8図(イ)〜(ハ)
及び第9図(イ)〜(ハ)はランプ負荷時の負荷量と心
拍数と酸素摂取量の関係を示すグラフ、第10図(イ)〜
(ハ)及び第11図(イ)〜(ハ)は両負荷時の負荷量と
心拍数と酸素摂取量の相関を示すグラフ、第12図及び第
13図は観測値と理論値の相関図、第14図は従来法により
最大酸素摂取量を推定する場合の推定直線を示すグラフ
である。 a…入力手段 b…性別及び年齢設定手段 c…心拍数検出手段 d…負荷量検出手段 e…制御手段 f…最高心拍数設定部 g…目標心拍数設定部 h…演算出力部

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】目標心拍数を、被験者の性別及び年齢に基
    づいて求めた最高心拍数の70%に設定し、被験者が、負
    荷量が微増していくランプ負荷運動を安静状態から始め
    た際に、被験者の運動心拍数が前記目標心拍数に達した
    時の負荷量を最終負荷量として測定し、該最終負荷量と
    前記最高心拍数とを変数とした以下の演算式に基づいて
    最大酸素摂取量を算出することを特徴とする最大酸素摂
    取量推定方法。 被験者が男性の場合には、 最大酸素摂取量=−1.385+0.015×最高心拍数+0.011
    ×最終負荷量とし、被験者が女性の場合には、 最大酸素摂取量=−0.682+0.006×最高心拍数+0.018
    ×最終負荷量
  2. 【請求項2】入力手段が、性別及び年齢を入力可能な性
    別及び年齢設定手段と、被験者の心拍数を検出する心拍
    数検出手段と、運動機器で成される運動の負荷量を検出
    する負荷量検出手段と、を備え、制御手段が、被験者の
    性別及び年齢に基づいて最高心拍数を求める最高心拍数
    設定部と、前記最高心拍数の70%に目標心拍数を設定す
    る目標心拍数設定部と、被験者が、負荷量が微増してい
    くランプ負荷運動を安静状態から始めた際に、被験者の
    運動心拍数が前記目標心拍数に達した時の負荷量を最終
    負荷量として入力して、該最終負荷量と前記最高心拍数
    とを変数とした請求項1記載の演算式に基づいて最大酸
    素摂取量を算出して最大酸素摂取量信号を出力する演算
    出力部と、を備えていることを特徴とする最大酸素摂取
    量推定装置。
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