JP3979182B2 - 運動強度決定装置、運動強度決定方法および運動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は運動強度決定装置、運動強度決定方法および運動装置に関し、特に、ランダムに負荷量が変化する運動において最適運動強度を決定することのできる運動強度決定装置、運動強度決定方法および運動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、健康維持等の目的で、トレッドミル等の運動装置を用いて負荷運動を行なう場合が多い。この場合において、個人にとって最適な負荷を設定することは、運動効果を向上させるためにも、過度の運動による様々な弊害を防止するためにも重要である。
【０００３】
このような、個人にとって最適な運動強度（以下、最適運動強度という）を決定する方法として、特開平９−３８０５１号公報においては、直線的に負荷を漸増する際に、収縮期血圧値と心拍数との積（二重積値）を連続的に算出し、負荷の上昇に伴なう二重積値の上昇率が急上昇を開始するポイントから運動強度を決定する至適運動強度測定方法について開示している。
【０００４】
また、本発明の出願人による特開２００１−１３７３８５号公報においては、Ramp負荷運動中の心拍間隔のゆらぎに基づいて、運動者の運動レベルを推定する体力レベル評価装置について開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術では、個人に最適な運動強度を決定するためには、漸増負荷運動のように、一定の割合で運動強度を増加させるなど、予め設定されている方法に基づいて運動を行なわないと最適運動強度が決定できないとう問題があり、ランダムに負荷量が変化するような通常の運動において最適運動強度を決定することができないという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、ジョギングや自由に負荷をかけながら運動しているようにランダムに負荷量が変化するような通常の運動においても最適運動強度を決定することのできる運動強度決定装置、運動強度決定方法および運動装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うと、運動強度決定装置は、運動中の運動者より測定される測定値に基づいて、所定期間内に測定値が時系列的に上昇しているか低下しているかを判断する判断手段と、測定値が時系列的に上昇していると判断された場合に、測定値が上昇している期間であって、運動者の心拍間隔の変動の大きさを示す値が低下しているときに測定された測定値を抽出する抽出手段と、抽出された測定値と、心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、運動者に最適な運動強度を決定する決定手段とを備える。
【０００８】
前述の「最適な運動強度」とは、いわゆる有酸素運動から、無酸素運動に切替っていくポイントの運動強度を指す。
【０００９】
有酸素運動と無酸素運度との切替り点は無酸素性運動閾値（ＡＴ）と呼ばれ、この切替り点を境に、その運動強度よりも高い運動強度で運動を行なうと血圧や乳酸といった疲労物質などが急激に上昇することになる。その結果、疲労が貯まっていくことになり、心肺機能へのリスクや運動へのリスクが増大する。また一方、脂質利用率は低下するため、効率よく脂肪燃焼することができなくなる。逆に、切替り点よりも低い運動強度で運動を行なうと運動へのリスクは低くなるが、脂肪燃焼量が少なくなる。また、心肺機能の強化面でも効果が小さい。
【００１０】
上述の切替り点付近で運動を行なうことは、疲労や運動へのリスクを抑えつつ、効率よく脂肪燃焼を行なうことができ、心肺機能の強化が一般に可能である。このような意味でこの切替り点付近での運動強度を「最適な運動強度」と呼び、その運動強度を決定することが重要になる。
【００１１】
また、上述の測定値は、生理信号と運動強度との少なくとも一方であることが望ましく、さらに、上述の生理信号は、運動者の心拍信号より得られる心拍数と、運動者の脈拍信号より得られる脈拍数と、運動者の呼気あるいは吸気から得られる酸素摂取量とのいずれか１つであることが望ましい。
【００１２】
また、上述の心拍間隔の変動の大きさを示す値は、心拍間隔のゆらぎパワーと、心拍変動のスペクトル解析から得られるパワーとのいずれか一方であることが望ましい。
【００１３】
また、上述の決定手段は、抽出された測定値が所定の範囲内にある場合、抽出された測定値と心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、所定の心拍間隔の変動の大きさを示す値における測定値を算出することで、運動者に最適な運動強度を決定することが望ましい。
【００１４】
本発明の他の局面に従うと、運動強度決定方法は、運動中の運動者より測定される測定値に基づいて、所定期間内に測定値が時系列的に上昇しているか低下しているかを判断する判断ステップと、測定値が時系列的に上昇していると判断された場合に、測定値が上昇している期間であって、運動者の心拍間隔の変動の大きさを示す値が低下しているときに測定された測定値を抽出する抽出ステップと、抽出された測定値と、心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、運動者に最適な運動強度を決定する決定ステップとを備える。
【００１５】
また、上述の測定値は、生理信号と運動強度との少なくとも一方であることが望ましく、さらに、上述の生理信号は、運動者の心拍信号より得られる心拍数と、運動者の脈拍信号より得られる脈拍数と、運動者の呼気あるいは吸気から得られる酸素摂取量とのいずれか１つであることが望ましい。
【００１６】
また、上述の心拍間隔の変動の大きさを示す値は、心拍間隔のゆらぎパワーと、心拍変動のスペクトル解析から得られるパワーとのいずれか一方であることが望ましい。
【００１７】
本発明のさらに他の局面に従うと、運動装置は、ランダムな負荷量である運動負荷をかける運動負荷手段と、ランダムな負荷量である運動負荷がかかっている状態で運動者が運動中であるときに得られる値を測定する測定手段と、測定された測定値に基づいて、所定期間内に測定値が時系列的に上昇しているか低下しているかを判断する判断手段と、測定値が時系列的に上昇していると判断された場合に、測定値が上昇している期間であって、運動者の心拍間隔の変動の大きさを示す値が低下しているときに測定された測定値を抽出する抽出手段と、抽出された測定値と、心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、運動者に最適な運動強度を決定する決定手段とを備える。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１９】
本実施の形態において、運動強度決定装置である心拍計は、被験者の心電信号を送信する送信機１と受信機２とからなる。
【００２０】
図１は、本実施の形態の心拍計に含まれる送信機１と、送信機１を胸部に装着するためのベルトとの外観の具体例を示す図である。
【００２１】
図１（ａ）を参照して、送信機１は、被験者の心拍信号を検出するための電極１１を備える。また、図１（ｂ）を参照して、ベルトは、送信機１と接合するためのバックル１２を備える。
【００２２】
次に図２は、本実施の形態の心拍計に含まれる受信機２の外観の具体例を示す図である。本実施の形態において受信機２は、心拍計機能付き時計であるものとして説明を行なうが、被験者の腕に装着可能な形態であれば、時計の形態であることに限定されず、その他の形態であってもよいし、受信専用の受信機であってもよい。
【００２３】
図２を参照して、受信機２は、被験者の現在の心拍数等を表示する表示部２１と、タイマをスタートあるいはストップさせるためのスタートストップボタン２２と、表示モードを切換えるためのモードボタン２３と、バックライトを点灯させ、アラームのオンオフを切換えるためのライトアラームボタン２４と、設定モードと通常モードとを切換えるためのセットボタン２５とを備える。
【００２４】
図３は、上述の図１および図２に示される送信機１および受信機２からなる心拍計を、被験者が装着した具体例を示す図である。
【００２５】
図３を参照して、被験者は、送信機１をベルトを用いて胸部に装着し、受信機２を手首に装着する。
【００２６】
さらに、図４に、上述の送信機１および受信機２からなる本実施の形態における心拍計の、回路構成をブロック図に示す。
【００２７】
図４を参照して、本実施の形態における送信機１は、被験者の身体に装着される心電検出用の電極１１と、電極１１からの出力された心電信号を増幅するアンプ１０１と、心電信号からノイズを除去するためのフィルタ１０２と、心電信号を受信機２に対して送信する送信部１０３とを含む。
【００２８】
また、本実施の形態における受信機２は、各種処理を実行して受信機２を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１と、被験者の心拍数等を表示する表示部２１と、ボタン２２〜２４等で構成される操作部２０２と、送信機１から被験者の心電信号を受信する受信部２０３と、受信した心電信号を増幅するプリアンプ２０４と、心電信号からノイズを除去するためのフィルタ２０５と、受信した心電信号をさらに適正なレベルまで増幅するアンプ２０６と、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器２０７とを含む。
【００２９】
上述のＣＰＵ２０１は、生体から得られる生理信号に基づいて心拍数を算出する機能や、生理信号の変動パターンから適切な運動強度を決定する機能等を備える。
【００３０】
なお、図１および図３においては、被験者は、送信機１をベルトを用いて胸部に装着する具体例が示されているが、送信機１の装着方法は、上述の方法に限定されない。例えば、図５は、本実施の形態の心拍計に含まれる送信機１の、その他の具体例を示す図である。図５を参照して、送信機１は、＋（プラス）、−（マイナス）、およびＧ（グランド）の３個の電極５５，５６，５７を被験者の胸に貼付け、さらに、専用線５８等の有線で受信装置等の回路部に接続して心電信号を検出する胸部誘導型の送信機であってもよい。
【００３１】
次に、本実施の形態における心拍計が、被験者にから得られる生理信号の変化より、当該被験者に最適な運動強度を決定する方法について説明する。
【００３２】
図６は、最適運動強度を決定する処理を示すフローチャートである。
図６に示されるフローチャートは、本心拍計が、ゆらぎパワーを算出し、算出されたゆらぎパワーの変化から最適な運動強度を決定する処理について示しており、受信機２のＣＰＵ２０１が図４には図示されない記憶装置からプログラムを読出して実行することで実現される。
【００３３】
図６を参照して、まず、ステップ（以下、ＳＴと略す）１において、受信機２のスタートストップボタン２２が押下されると、表示部２１において、タイマが計時を開始する。
【００３４】
次に、送信機１の電極１１で、被験者の心電信号を検出する（ＳＴ２）。検出された被験者の心電信号は、送信機１の送信部１０３より受信機２に送信される。
【００３５】
受信機２のＣＰＵ２０１では、受信した心電信号のピーク値を検出し、検出したピーク値より被験者の心拍数を算出する（ＳＴ３）。そして、次式（１）より、ゆらぎパワーを算出する（ＳＴ４）。
【００３６】
【数１】
上述の式（１）に示されるゆらぎパワー（Power）は、一定時間内における心拍間隔の、前回の値（RR(n-1)）と今回の値（RR(n)）との差を二乗したものの合計を、その間の心拍の数で除したもので、被験者の心拍間隔のばらつきの大きさを示す値である。ＳＴ４においては、上述の式（１）を用いて、所定時間の被験者のゆらぎパワーの値の平均値を、所定間隔で算出する。具体例として、３０秒間のゆらぎパワーの値の平均値を、１５秒間隔で算出する場合について説明する。このときの、算出された心拍数のデータの具体例について図７にグラフを示し、また、算出された心拍数およびゆらぎパワーの具体例について図８に表を示す。以下においては、図７および図８に示される具体例に沿って説明を行なう。
【００３７】
続いて、１５秒ごとに算出される心拍数のデータについて、図７に示されるように、４ポイントのデータから得られる時間と心拍数との関係における回帰直線ｙ＝ａ1ｘ＋ｂ1を算出する（ＳＴ５）。そして、その傾きａ1の正負を判断する（ＳＴ６）。
【００３８】
傾きａ1が正である場合（ＳＴ６でＹｅｓ）、続いて、図７に示される場合と同様にして、時間とゆらぎパワーとの関係における回帰直線ｙ＝ａ2ｘ＋ｂ2を算出する（ＳＴ７）。そして、その傾きａ2の正負を判断する（ＳＴ８）。
【００３９】
傾きａ2が負である場合（ＳＴ８でＹｅｓ）、このときの心拍数およびゆらぎパワーのデータを、グラフ上にプロットする（ＳＴ９）。
【００４０】
図８の表では、このときグラフにプロットされる値が強調されて示されている。すなわち、ＳＴ５〜ＳＴ８においては、心拍数が上昇しており、かつ、ゆらぎパワーが減少しているときの心拍数のデータを抽出して、心拍数のデータと、そのときのゆらぎパワーのデータとをＳＴ９でグラフ上にプロットする。
【００４１】
図９は、心拍数とゆらぎパワーとの関係を示すグラフの具体例を示す図である。図９においては、心拍数をｘ軸、ゆらぎパワーをｙ軸として、上述のデータがプロットされている。
【００４２】
さらに、所定の心拍数ごとに区切ってブロック分けし、決定域を含む連続した前後４ブロックにデータがプロットされているか否かを判断する（ＳＴ１０）。具体的に、図９に示されるグラフにおいては、５拍／分の心拍数ごとに区切ってブロック分けし、９５〜１００拍／分のブロックである決定域を含む、連続した前後４ブロックにデータがプロットされているか否かを判断する。
【００４３】
上述のブロックにデータがプロットされている場合には（ＳＴ１０でＹｅｓ）、心拍数に対するゆらぎパワーのデータに近似する指数関数ｙ＝ａ3ｅ（−ｂ3ｘ）-1である回帰曲線を、最小二乗法により算出する（ＳＴ１１）。図９に示される場合における回帰曲線は、図１０において、ｙ＝２３４３３７ｅ-0.0907xとして示されている。
【００４４】
そして、上述の回帰曲線と、所定のゆらぎパワーとの交点を最適運動強度とする（ＳＴ１２）。具体的には、図１０を参照して、所定のゆらぎパワーであるｙ＝５[ms2/beat]との交点を求め、最適運動強度に該当する心拍数として１１９拍／分を得る。
【００４５】
このとき、もしもゆらぎパワーの値が５[ms2/beat]まで達していない場合は、回帰曲線をゆらぎパワーが５[ms2/beat]に達するレベルまで延長することで最適運動強度を求めることができる。
【００４６】
以上の処理で、本実施の形態における心拍計では最適運動強度が決定され、受信機２の表示部２１に、求められた最適運動強度に該当する心拍数を結果として表示する。このとき受信機２の表示部２１に表示される最適運動強度に該当する心拍数の具体例を図１１に示す。
【００４７】
その後、例えば、運動中に被験者から検出された心拍数が、最適運動強度での心拍数からの所定の範囲を超えた場合は、アラームを鳴らして被験者に知らせる等を行なうことができる。
【００４８】
そして、受信機２のスタートストップボタン２２が再度押下されると（ＳＴ１３でＹｅｓ）、上述のＳＴ１で計時を開始したタイマが止まり、上述の処理を終了する。
【００４９】
なお、上述の処理において、本実施の形態における心拍計は、被験者から得られる生理信号として心拍数と心拍間隔におけるゆらぎパワーとを用いるものとして説明を行なったが、心拍数に替えて、脈拍信号より得られる脈拍数を用いてもよい。また、心拍数に替えて、被験者の呼気あるいは吸気から得られる酸素摂取量を用いてもよい。また、生理信号に限定されず、当該被験者の運動の強度を示すスピードやペダルの重さ等の運動負荷や運動ピッチ等を測定可能な場合は、上述の運動強度を示す値を用いても同様に最適運動強度を決定することができる。また、心拍間隔のゆらぎパワーに替えて、一定時間内の心拍間隔値をパワースペクトル解析することで得られる高周波領域のパワーを用いてもよい。なお、言うまでもなく、上述の説明における数値は、具体例を示した数値であって、例えばデータがプロットされている範囲のブロック数や、所定のゆらぎパワー等の具体的な数値は、上述の具体例に限定されるものではない。
【００５０】
本実施の形態における心拍計が、上述の処理を行なうことで、被験者は、予め設定されている運動方法に基づいた運動を行なっている場合ではなく、ランダムに負荷量が変化するような通常の運動を行なっている場合においても、最適運動強度を得ることができる。
【００５１】
なお、上述においては、運動強度決定装置として心拍計が上述の運動強度決定処理を行なうものとして説明を行なったが、トレッドミルや自転車エルゴメータ等、その他の運動装置において上述の運動強度決定処理が実行されてもよい。
【００５２】
具体例として、図１２および図１３に、上述の運動強度決定処理を行なうトレッドミルの外観斜視図を示す。
【００５３】
図１２（ａ）に示される第１の具体例のトレッドミルは、ベルト６１を駆動する駆動部６２を含む。また、当該トレッドミルの使用者がベルト６１上で歩行や走行運動を行なうためのデッキ６３と、デッキ６３を傾斜させる機能を備える傾斜機能部とを含む。また、デッキ６３の前方に取付けられている駆動部６２は、その内部に図示しないモータ、ベルト駆動機構、デッキ６３の傾斜度を変更させる傾斜駆動部等を含む。また、ハンドル部６４は、操作スイッチや速度等を表示する表示画面等を含む操作／表示部６５と、心電検出用の一対の電極（生理信号測定手段）６６とを含む。
【００５４】
このようなトレッドミルにおいては、使用者が運動時ハンドル部６４を両手で握ることで、使用者の両手と電極６６とが接触し、手を介して使用者の心電信号を検出することができる。
【００５５】
なお、上述の第１の具体例のトレッドミルにおいては、心電検出用の電極６６がハンドル部６４に備えられているが、その他の箇所の備えられいてもよい。例えば、図１２（ｂ）に示される第２の具体例のトレッドミルにおいては、使用者の胸に装着されるチェストベルト７１に一対の電極および送信部が備えられ、操作／表示部６５に受信部７２が備えられる。このようなトレッドミルにおいては、使用者の胸から検出された心電信号は、無線で受信部７２に送信されて処理される。
【００５６】
また、図１３（ａ）に示される第３の具体例のトレッドミルは、＋（プラス）、−（マイナス）、およびＧ（グランド）の３個の電極８１が使用者の胸に貼付けられ、有線で本体内の回路に接続して心電信号を検出する胸部誘導型のトレッドミルである。
【００５７】
また、図１３（ｂ）に示される第４の具体例のトレッドミルは、心電センサに替えて、使用者の耳たぶに脈取付ける脈拍センサ９１を備え、使用者の脈拍を検出する。
【００５８】
なお、図１２および図１３には図示されていないが、トレッドミル等の運動装置で測定される、使用者の走行スピードや、ペダルの重さやデッキの傾斜度等の運動負荷や、運動ピッチ等の運動の強度を示す値を用いても、同様に当該使用者の最適運動強度を決定することができる。
【００５９】
上述のように構成されたトレッドミルでは、ベルト速度とデッキの傾斜角度の増減との組合せにより、様々に負荷量を変化させることができる。そこで、予め当該トレッドミルに組込まれたプログラムを実行したり、運動の途中で使用者が任意に負荷量を調節したり、事前に使用者が当該トレッドミルに記憶させたプログラムを実行したりすることで、ランダムに負荷量を変化させて運動することができる。
【００６０】
このようにランダムに負荷量が変化するような通常の運動中であっても、当該トレッドミルが上述の運動強度決定処理を実行することで、運動中に計測した生理信号の変化から当該使用者にとって最適な運動強度を決定することができる。そして、このようにして最適運動強度を決定すると、その最適運動強度における心拍数やベルト速度、デッキ角度等を操作／表示部６５に表示し、使用者に最適運動強度での負荷量を保ちながら運動を実施させることもできる。そのため、このようなトレッドミルを用いることで、使用者は最適運動強度での運動を実施することができ、高い運動効果を得ることができる。
【００６１】
さらに、上述の最適運動強度決定方法を、プログラムとして提供することもできる。このようなプログラムは、コンピュータに付属するフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびメモリカードなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体にて記録させて、プログラム製品として提供することもできる。あるいは、コンピュータに内蔵するハードディスクなどの記録媒体にて記録させて、プログラムを提供することもできる。また、ネットワークを介したダウンロードによって、プログラムを提供することもできる。
【００６２】
提供されるプログラム製品は、ハードディスクなどのプログラム格納部にインストールされて実行される。
【００６３】
なお、プログラム製品は、プログラム自体と、プログラムが記録された記録媒体とを含む。
【００６４】
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】 本実施の形態の心拍計に含まれる送信機１と、送信機１を胸部に装着するためのベルトとの外観の具体例を示す図である。
【図２】 本実施の形態の心拍計に含まれる受信機２の外観の具体例を示す図である。
【図３】 送信機１および受信機２からなる心拍計を、被験者が装着した具体例を示す図である。
【図４】 本実施の形態における心拍計の回路構成を示すブロック図である。
【図５】 本実施の形態の心拍計に含まれる送信機１の、その他の具体例を示す図である。
【図６】 最適運動強度を決定する処理を示すフローチャートである。
【図７】 算出された心拍数のデータのグラフの具体例を示す図である。
【図８】 算出された心拍数およびゆらぎパワーの表の具体例を示す図である。
【図９】 心拍数とゆらぎパワーとの関係を示すグラフの具体例を示す図である。
【図１０】 心拍数とゆらぎパワーとの関係を示すグラフの具体例を示す図である。
【図１１】 受信機２の表示部２１に表示された、最適運動強度に該当する心拍数の具体例を示す図である。
【図１２】 運動強度決定処理を行なうトレッドミルの具体例を示す外観斜視図である。
【図１３】 運動強度決定処理を行なうトレッドミルの具体例を示す外観斜視図である。
【符号の説明】
１ 送信機、２ 受信機、１１，５５，５６，５７，６６，８１ 電極、１２バックル、２１ 表示部、２２ スタートストップボタン、２３ モードボタン、２４ ライトアラームボタン、２５ セットボタン、５８ 専用線、６１ ベルト、６２ 駆動部、６３ デッキ、６４ ハンドル部、６５ 操作／表示部、７１ チェストベルト、９１ 脈拍センサ、１０１，２０６ アンプ、１０２，２０５ フィルタ、１０３ 送信部、２０１ ＣＰＵ、２０２ 操作部、２０３，７２ 受信部、２０４ プリアンプ、２０７ Ａ／Ｄ変換器。
【発明の属する技術分野】
この発明は運動強度決定装置、運動強度決定方法および運動装置に関し、特に、ランダムに負荷量が変化する運動において最適運動強度を決定することのできる運動強度決定装置、運動強度決定方法および運動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、健康維持等の目的で、トレッドミル等の運動装置を用いて負荷運動を行なう場合が多い。この場合において、個人にとって最適な負荷を設定することは、運動効果を向上させるためにも、過度の運動による様々な弊害を防止するためにも重要である。
【０００３】
このような、個人にとって最適な運動強度（以下、最適運動強度という）を決定する方法として、特開平９−３８０５１号公報においては、直線的に負荷を漸増する際に、収縮期血圧値と心拍数との積（二重積値）を連続的に算出し、負荷の上昇に伴なう二重積値の上昇率が急上昇を開始するポイントから運動強度を決定する至適運動強度測定方法について開示している。
【０００４】
また、本発明の出願人による特開２００１−１３７３８５号公報においては、Ramp負荷運動中の心拍間隔のゆらぎに基づいて、運動者の運動レベルを推定する体力レベル評価装置について開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術では、個人に最適な運動強度を決定するためには、漸増負荷運動のように、一定の割合で運動強度を増加させるなど、予め設定されている方法に基づいて運動を行なわないと最適運動強度が決定できないとう問題があり、ランダムに負荷量が変化するような通常の運動において最適運動強度を決定することができないという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、ジョギングや自由に負荷をかけながら運動しているようにランダムに負荷量が変化するような通常の運動においても最適運動強度を決定することのできる運動強度決定装置、運動強度決定方法および運動装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うと、運動強度決定装置は、運動中の運動者より測定される測定値に基づいて、所定期間内に測定値が時系列的に上昇しているか低下しているかを判断する判断手段と、測定値が時系列的に上昇していると判断された場合に、測定値が上昇している期間であって、運動者の心拍間隔の変動の大きさを示す値が低下しているときに測定された測定値を抽出する抽出手段と、抽出された測定値と、心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、運動者に最適な運動強度を決定する決定手段とを備える。
【０００８】
前述の「最適な運動強度」とは、いわゆる有酸素運動から、無酸素運動に切替っていくポイントの運動強度を指す。
【０００９】
有酸素運動と無酸素運度との切替り点は無酸素性運動閾値（ＡＴ）と呼ばれ、この切替り点を境に、その運動強度よりも高い運動強度で運動を行なうと血圧や乳酸といった疲労物質などが急激に上昇することになる。その結果、疲労が貯まっていくことになり、心肺機能へのリスクや運動へのリスクが増大する。また一方、脂質利用率は低下するため、効率よく脂肪燃焼することができなくなる。逆に、切替り点よりも低い運動強度で運動を行なうと運動へのリスクは低くなるが、脂肪燃焼量が少なくなる。また、心肺機能の強化面でも効果が小さい。
【００１０】
上述の切替り点付近で運動を行なうことは、疲労や運動へのリスクを抑えつつ、効率よく脂肪燃焼を行なうことができ、心肺機能の強化が一般に可能である。このような意味でこの切替り点付近での運動強度を「最適な運動強度」と呼び、その運動強度を決定することが重要になる。
【００１１】
また、上述の測定値は、生理信号と運動強度との少なくとも一方であることが望ましく、さらに、上述の生理信号は、運動者の心拍信号より得られる心拍数と、運動者の脈拍信号より得られる脈拍数と、運動者の呼気あるいは吸気から得られる酸素摂取量とのいずれか１つであることが望ましい。
【００１２】
また、上述の心拍間隔の変動の大きさを示す値は、心拍間隔のゆらぎパワーと、心拍変動のスペクトル解析から得られるパワーとのいずれか一方であることが望ましい。
【００１３】
また、上述の決定手段は、抽出された測定値が所定の範囲内にある場合、抽出された測定値と心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、所定の心拍間隔の変動の大きさを示す値における測定値を算出することで、運動者に最適な運動強度を決定することが望ましい。
【００１４】
本発明の他の局面に従うと、運動強度決定方法は、運動中の運動者より測定される測定値に基づいて、所定期間内に測定値が時系列的に上昇しているか低下しているかを判断する判断ステップと、測定値が時系列的に上昇していると判断された場合に、測定値が上昇している期間であって、運動者の心拍間隔の変動の大きさを示す値が低下しているときに測定された測定値を抽出する抽出ステップと、抽出された測定値と、心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、運動者に最適な運動強度を決定する決定ステップとを備える。
【００１５】
また、上述の測定値は、生理信号と運動強度との少なくとも一方であることが望ましく、さらに、上述の生理信号は、運動者の心拍信号より得られる心拍数と、運動者の脈拍信号より得られる脈拍数と、運動者の呼気あるいは吸気から得られる酸素摂取量とのいずれか１つであることが望ましい。
【００１６】
また、上述の心拍間隔の変動の大きさを示す値は、心拍間隔のゆらぎパワーと、心拍変動のスペクトル解析から得られるパワーとのいずれか一方であることが望ましい。
【００１７】
本発明のさらに他の局面に従うと、運動装置は、ランダムな負荷量である運動負荷をかける運動負荷手段と、ランダムな負荷量である運動負荷がかかっている状態で運動者が運動中であるときに得られる値を測定する測定手段と、測定された測定値に基づいて、所定期間内に測定値が時系列的に上昇しているか低下しているかを判断する判断手段と、測定値が時系列的に上昇していると判断された場合に、測定値が上昇している期間であって、運動者の心拍間隔の変動の大きさを示す値が低下しているときに測定された測定値を抽出する抽出手段と、抽出された測定値と、心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、運動者に最適な運動強度を決定する決定手段とを備える。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１９】
本実施の形態において、運動強度決定装置である心拍計は、被験者の心電信号を送信する送信機１と受信機２とからなる。
【００２０】
図１は、本実施の形態の心拍計に含まれる送信機１と、送信機１を胸部に装着するためのベルトとの外観の具体例を示す図である。
【００２１】
図１（ａ）を参照して、送信機１は、被験者の心拍信号を検出するための電極１１を備える。また、図１（ｂ）を参照して、ベルトは、送信機１と接合するためのバックル１２を備える。
【００２２】
次に図２は、本実施の形態の心拍計に含まれる受信機２の外観の具体例を示す図である。本実施の形態において受信機２は、心拍計機能付き時計であるものとして説明を行なうが、被験者の腕に装着可能な形態であれば、時計の形態であることに限定されず、その他の形態であってもよいし、受信専用の受信機であってもよい。
【００２３】
図２を参照して、受信機２は、被験者の現在の心拍数等を表示する表示部２１と、タイマをスタートあるいはストップさせるためのスタートストップボタン２２と、表示モードを切換えるためのモードボタン２３と、バックライトを点灯させ、アラームのオンオフを切換えるためのライトアラームボタン２４と、設定モードと通常モードとを切換えるためのセットボタン２５とを備える。
【００２４】
図３は、上述の図１および図２に示される送信機１および受信機２からなる心拍計を、被験者が装着した具体例を示す図である。
【００２５】
図３を参照して、被験者は、送信機１をベルトを用いて胸部に装着し、受信機２を手首に装着する。
【００２６】
さらに、図４に、上述の送信機１および受信機２からなる本実施の形態における心拍計の、回路構成をブロック図に示す。
【００２７】
図４を参照して、本実施の形態における送信機１は、被験者の身体に装着される心電検出用の電極１１と、電極１１からの出力された心電信号を増幅するアンプ１０１と、心電信号からノイズを除去するためのフィルタ１０２と、心電信号を受信機２に対して送信する送信部１０３とを含む。
【００２８】
また、本実施の形態における受信機２は、各種処理を実行して受信機２を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１と、被験者の心拍数等を表示する表示部２１と、ボタン２２〜２４等で構成される操作部２０２と、送信機１から被験者の心電信号を受信する受信部２０３と、受信した心電信号を増幅するプリアンプ２０４と、心電信号からノイズを除去するためのフィルタ２０５と、受信した心電信号をさらに適正なレベルまで増幅するアンプ２０６と、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器２０７とを含む。
【００２９】
上述のＣＰＵ２０１は、生体から得られる生理信号に基づいて心拍数を算出する機能や、生理信号の変動パターンから適切な運動強度を決定する機能等を備える。
【００３０】
なお、図１および図３においては、被験者は、送信機１をベルトを用いて胸部に装着する具体例が示されているが、送信機１の装着方法は、上述の方法に限定されない。例えば、図５は、本実施の形態の心拍計に含まれる送信機１の、その他の具体例を示す図である。図５を参照して、送信機１は、＋（プラス）、−（マイナス）、およびＧ（グランド）の３個の電極５５，５６，５７を被験者の胸に貼付け、さらに、専用線５８等の有線で受信装置等の回路部に接続して心電信号を検出する胸部誘導型の送信機であってもよい。
【００３１】
次に、本実施の形態における心拍計が、被験者にから得られる生理信号の変化より、当該被験者に最適な運動強度を決定する方法について説明する。
【００３２】
図６は、最適運動強度を決定する処理を示すフローチャートである。
図６に示されるフローチャートは、本心拍計が、ゆらぎパワーを算出し、算出されたゆらぎパワーの変化から最適な運動強度を決定する処理について示しており、受信機２のＣＰＵ２０１が図４には図示されない記憶装置からプログラムを読出して実行することで実現される。
【００３３】
図６を参照して、まず、ステップ（以下、ＳＴと略す）１において、受信機２のスタートストップボタン２２が押下されると、表示部２１において、タイマが計時を開始する。
【００３４】
次に、送信機１の電極１１で、被験者の心電信号を検出する（ＳＴ２）。検出された被験者の心電信号は、送信機１の送信部１０３より受信機２に送信される。
【００３５】
受信機２のＣＰＵ２０１では、受信した心電信号のピーク値を検出し、検出したピーク値より被験者の心拍数を算出する（ＳＴ３）。そして、次式（１）より、ゆらぎパワーを算出する（ＳＴ４）。
【００３６】
【数１】
【００３７】
続いて、１５秒ごとに算出される心拍数のデータについて、図７に示されるように、４ポイントのデータから得られる時間と心拍数との関係における回帰直線ｙ＝ａ1ｘ＋ｂ1を算出する（ＳＴ５）。そして、その傾きａ1の正負を判断する（ＳＴ６）。
【００３８】
傾きａ1が正である場合（ＳＴ６でＹｅｓ）、続いて、図７に示される場合と同様にして、時間とゆらぎパワーとの関係における回帰直線ｙ＝ａ2ｘ＋ｂ2を算出する（ＳＴ７）。そして、その傾きａ2の正負を判断する（ＳＴ８）。
【００３９】
傾きａ2が負である場合（ＳＴ８でＹｅｓ）、このときの心拍数およびゆらぎパワーのデータを、グラフ上にプロットする（ＳＴ９）。
【００４０】
図８の表では、このときグラフにプロットされる値が強調されて示されている。すなわち、ＳＴ５〜ＳＴ８においては、心拍数が上昇しており、かつ、ゆらぎパワーが減少しているときの心拍数のデータを抽出して、心拍数のデータと、そのときのゆらぎパワーのデータとをＳＴ９でグラフ上にプロットする。
【００４１】
図９は、心拍数とゆらぎパワーとの関係を示すグラフの具体例を示す図である。図９においては、心拍数をｘ軸、ゆらぎパワーをｙ軸として、上述のデータがプロットされている。
【００４２】
さらに、所定の心拍数ごとに区切ってブロック分けし、決定域を含む連続した前後４ブロックにデータがプロットされているか否かを判断する（ＳＴ１０）。具体的に、図９に示されるグラフにおいては、５拍／分の心拍数ごとに区切ってブロック分けし、９５〜１００拍／分のブロックである決定域を含む、連続した前後４ブロックにデータがプロットされているか否かを判断する。
【００４３】
上述のブロックにデータがプロットされている場合には（ＳＴ１０でＹｅｓ）、心拍数に対するゆらぎパワーのデータに近似する指数関数ｙ＝ａ3ｅ（−ｂ3ｘ）-1である回帰曲線を、最小二乗法により算出する（ＳＴ１１）。図９に示される場合における回帰曲線は、図１０において、ｙ＝２３４３３７ｅ-0.0907xとして示されている。
【００４４】
そして、上述の回帰曲線と、所定のゆらぎパワーとの交点を最適運動強度とする（ＳＴ１２）。具体的には、図１０を参照して、所定のゆらぎパワーであるｙ＝５[ms2/beat]との交点を求め、最適運動強度に該当する心拍数として１１９拍／分を得る。
【００４５】
このとき、もしもゆらぎパワーの値が５[ms2/beat]まで達していない場合は、回帰曲線をゆらぎパワーが５[ms2/beat]に達するレベルまで延長することで最適運動強度を求めることができる。
【００４６】
以上の処理で、本実施の形態における心拍計では最適運動強度が決定され、受信機２の表示部２１に、求められた最適運動強度に該当する心拍数を結果として表示する。このとき受信機２の表示部２１に表示される最適運動強度に該当する心拍数の具体例を図１１に示す。
【００４７】
その後、例えば、運動中に被験者から検出された心拍数が、最適運動強度での心拍数からの所定の範囲を超えた場合は、アラームを鳴らして被験者に知らせる等を行なうことができる。
【００４８】
そして、受信機２のスタートストップボタン２２が再度押下されると（ＳＴ１３でＹｅｓ）、上述のＳＴ１で計時を開始したタイマが止まり、上述の処理を終了する。
【００４９】
なお、上述の処理において、本実施の形態における心拍計は、被験者から得られる生理信号として心拍数と心拍間隔におけるゆらぎパワーとを用いるものとして説明を行なったが、心拍数に替えて、脈拍信号より得られる脈拍数を用いてもよい。また、心拍数に替えて、被験者の呼気あるいは吸気から得られる酸素摂取量を用いてもよい。また、生理信号に限定されず、当該被験者の運動の強度を示すスピードやペダルの重さ等の運動負荷や運動ピッチ等を測定可能な場合は、上述の運動強度を示す値を用いても同様に最適運動強度を決定することができる。また、心拍間隔のゆらぎパワーに替えて、一定時間内の心拍間隔値をパワースペクトル解析することで得られる高周波領域のパワーを用いてもよい。なお、言うまでもなく、上述の説明における数値は、具体例を示した数値であって、例えばデータがプロットされている範囲のブロック数や、所定のゆらぎパワー等の具体的な数値は、上述の具体例に限定されるものではない。
【００５０】
本実施の形態における心拍計が、上述の処理を行なうことで、被験者は、予め設定されている運動方法に基づいた運動を行なっている場合ではなく、ランダムに負荷量が変化するような通常の運動を行なっている場合においても、最適運動強度を得ることができる。
【００５１】
なお、上述においては、運動強度決定装置として心拍計が上述の運動強度決定処理を行なうものとして説明を行なったが、トレッドミルや自転車エルゴメータ等、その他の運動装置において上述の運動強度決定処理が実行されてもよい。
【００５２】
具体例として、図１２および図１３に、上述の運動強度決定処理を行なうトレッドミルの外観斜視図を示す。
【００５３】
図１２（ａ）に示される第１の具体例のトレッドミルは、ベルト６１を駆動する駆動部６２を含む。また、当該トレッドミルの使用者がベルト６１上で歩行や走行運動を行なうためのデッキ６３と、デッキ６３を傾斜させる機能を備える傾斜機能部とを含む。また、デッキ６３の前方に取付けられている駆動部６２は、その内部に図示しないモータ、ベルト駆動機構、デッキ６３の傾斜度を変更させる傾斜駆動部等を含む。また、ハンドル部６４は、操作スイッチや速度等を表示する表示画面等を含む操作／表示部６５と、心電検出用の一対の電極（生理信号測定手段）６６とを含む。
【００５４】
このようなトレッドミルにおいては、使用者が運動時ハンドル部６４を両手で握ることで、使用者の両手と電極６６とが接触し、手を介して使用者の心電信号を検出することができる。
【００５５】
なお、上述の第１の具体例のトレッドミルにおいては、心電検出用の電極６６がハンドル部６４に備えられているが、その他の箇所の備えられいてもよい。例えば、図１２（ｂ）に示される第２の具体例のトレッドミルにおいては、使用者の胸に装着されるチェストベルト７１に一対の電極および送信部が備えられ、操作／表示部６５に受信部７２が備えられる。このようなトレッドミルにおいては、使用者の胸から検出された心電信号は、無線で受信部７２に送信されて処理される。
【００５６】
また、図１３（ａ）に示される第３の具体例のトレッドミルは、＋（プラス）、−（マイナス）、およびＧ（グランド）の３個の電極８１が使用者の胸に貼付けられ、有線で本体内の回路に接続して心電信号を検出する胸部誘導型のトレッドミルである。
【００５７】
また、図１３（ｂ）に示される第４の具体例のトレッドミルは、心電センサに替えて、使用者の耳たぶに脈取付ける脈拍センサ９１を備え、使用者の脈拍を検出する。
【００５８】
なお、図１２および図１３には図示されていないが、トレッドミル等の運動装置で測定される、使用者の走行スピードや、ペダルの重さやデッキの傾斜度等の運動負荷や、運動ピッチ等の運動の強度を示す値を用いても、同様に当該使用者の最適運動強度を決定することができる。
【００５９】
上述のように構成されたトレッドミルでは、ベルト速度とデッキの傾斜角度の増減との組合せにより、様々に負荷量を変化させることができる。そこで、予め当該トレッドミルに組込まれたプログラムを実行したり、運動の途中で使用者が任意に負荷量を調節したり、事前に使用者が当該トレッドミルに記憶させたプログラムを実行したりすることで、ランダムに負荷量を変化させて運動することができる。
【００６０】
このようにランダムに負荷量が変化するような通常の運動中であっても、当該トレッドミルが上述の運動強度決定処理を実行することで、運動中に計測した生理信号の変化から当該使用者にとって最適な運動強度を決定することができる。そして、このようにして最適運動強度を決定すると、その最適運動強度における心拍数やベルト速度、デッキ角度等を操作／表示部６５に表示し、使用者に最適運動強度での負荷量を保ちながら運動を実施させることもできる。そのため、このようなトレッドミルを用いることで、使用者は最適運動強度での運動を実施することができ、高い運動効果を得ることができる。
【００６１】
さらに、上述の最適運動強度決定方法を、プログラムとして提供することもできる。このようなプログラムは、コンピュータに付属するフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびメモリカードなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体にて記録させて、プログラム製品として提供することもできる。あるいは、コンピュータに内蔵するハードディスクなどの記録媒体にて記録させて、プログラムを提供することもできる。また、ネットワークを介したダウンロードによって、プログラムを提供することもできる。
【００６２】
提供されるプログラム製品は、ハードディスクなどのプログラム格納部にインストールされて実行される。
【００６３】
なお、プログラム製品は、プログラム自体と、プログラムが記録された記録媒体とを含む。
【００６４】
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】 本実施の形態の心拍計に含まれる送信機１と、送信機１を胸部に装着するためのベルトとの外観の具体例を示す図である。
【図２】 本実施の形態の心拍計に含まれる受信機２の外観の具体例を示す図である。
【図３】 送信機１および受信機２からなる心拍計を、被験者が装着した具体例を示す図である。
【図４】 本実施の形態における心拍計の回路構成を示すブロック図である。
【図５】 本実施の形態の心拍計に含まれる送信機１の、その他の具体例を示す図である。
【図６】 最適運動強度を決定する処理を示すフローチャートである。
【図７】 算出された心拍数のデータのグラフの具体例を示す図である。
【図８】 算出された心拍数およびゆらぎパワーの表の具体例を示す図である。
【図９】 心拍数とゆらぎパワーとの関係を示すグラフの具体例を示す図である。
【図１０】 心拍数とゆらぎパワーとの関係を示すグラフの具体例を示す図である。
【図１１】 受信機２の表示部２１に表示された、最適運動強度に該当する心拍数の具体例を示す図である。
【図１２】 運動強度決定処理を行なうトレッドミルの具体例を示す外観斜視図である。
【図１３】 運動強度決定処理を行なうトレッドミルの具体例を示す外観斜視図である。
【符号の説明】
１ 送信機、２ 受信機、１１，５５，５６，５７，６６，８１ 電極、１２バックル、２１ 表示部、２２ スタートストップボタン、２３ モードボタン、２４ ライトアラームボタン、２５ セットボタン、５８ 専用線、６１ ベルト、６２ 駆動部、６３ デッキ、６４ ハンドル部、６５ 操作／表示部、７１ チェストベルト、９１ 脈拍センサ、１０１，２０６ アンプ、１０２，２０５ フィルタ、１０３ 送信部、２０１ ＣＰＵ、２０２ 操作部、２０３，７２ 受信部、２０４ プリアンプ、２０７ Ａ／Ｄ変換器。
Claims (8)
- 運動中の運動者より測定される測定値に基づいて、所定期間内に前記測定値が時系列的に上昇しているか低下しているかを判断する判断手段と、
前記測定値が時系列的に上昇していると判断された場合に、前記測定値が上昇している期間であって、前記運動者の心拍間隔の変動の大きさを示す値が低下しているときに測定された前記測定値を抽出する抽出手段と、
前記抽出された測定値と、前記心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、前記運動者に最適な運動強度を決定する決定手段とを備える、運動強度決定装置。 - 前記測定値は、生理信号と運動強度との少なくとも一方であって、
前記生理信号は、前記運動者の心拍信号より得られる心拍数と、前記運動者の脈拍信号より得られる脈拍数と、前記運動者の呼気あるいは吸気から得られる酸素摂取量とのいずれか１つである、請求項１に記載の運動強度決定装置。 - 前記心拍間隔の変動の大きさを示す値は、心拍間隔のゆらぎパワーと、心拍変動のスペクトル解析から得られるパワーとのいずれか一方である、請求項１に記載の運動強度決定装置。
- 前記決定手段は、前記抽出された測定値が所定の範囲内にある場合、前記抽出された測定値と前記心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、所定の心拍間隔の変動の大きさを示す値における測定値を算出することで、前記運動者に最適な運動強度を決定する、請求項１に記載の運動強度決定装置。
- 運動中の運動者より測定される測定値に基づいて、所定期間内に前記測定値が時系列的に上昇しているか低下しているかを判断する判断ステップと、
前記測定値が時系列的に上昇していると判断された場合に、前記測定値が上昇している期間であって、前記運動者の心拍間隔の変動の大きさを示す値が低下しているときに測定された前記測定値を抽出する抽出ステップと、
前記抽出された測定値と、前記心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、前記運動者に最適な運動強度を決定する決定ステップとを備える、運動強度決定方法。 - 前記測定値は、生理信号と運動強度との少なくとも一方であって、
前記生理信号は、前記運動者の心拍信号より得られる心拍数と、前記運動者の脈拍信号より得られる脈拍数と、前記運動者の呼気あるいは吸気から得られる酸素摂取量とのいずれか１つである、請求項５に記載の運動強度決定方法。 - 前記心拍間隔の変動の大きさを示す値は、心拍間隔のゆらぎパワーと、心拍変動のスペクトル解析から得られるパワーとのいずれか一方である、請求項５に記載の運動強度決定方法。
- ランダムな負荷量である運動負荷をかける運動負荷手段と、
前記ランダムな負荷量である運動負荷がかかっている状態で運動者が運動中であるときに得られる値を測定する測定手段と、
前記測定された測定値に基づいて、所定期間内に前記測定値が時系列的に上昇しているか低下しているかを判断する判断手段と、
前記測定値が時系列的に上昇していると判断された場合に、前記測定値が上昇している期間であって、前記運動者の心拍間隔の変動の大きさを示す値が低下しているときに測定された前記測定値を抽出する抽出手段と、
前記抽出された測定値と、前記心拍間隔の変動の大きさを示す値との関係より、前記運動者に最適な運動強度を決定する決定手段とを備える、運動装置。
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