JP4660708B2

JP4660708B2 - 心拍計数器、有酸素運動器具及び心拍計数方法

Info

Publication number: JP4660708B2
Application number: JP2005087315A
Authority: JP
Inventors: 豊富田; 潤一牛場; 香織永沼
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: JP2006263244A

Description

本発明は、心拍計数器及び心拍計数器を用いるエルゴメータ（体力測定装置）、トレッドミル（無端ベルトの上に乗ってランニング運動を行う）、トレーニングバイク（負荷を持ったペダルをこぐことにより運動を行う）等の有酸素運動器具及びこれらを用いて心拍を計数する心拍計数方法に関し、使用者に適する運動量の目安となる心拍数を運動中に正確に測定及び表示することができる心拍計数器、有酸素運動器具及び心拍計数方法に関する。

運動不足や生活習慣病増加が社会問題となっている現在、運動負荷と各人の体力との関係を把握・評価するためにメディカルチェックのひとつとしてエルゴメータが利用されている。エルゴメータを用いた場合、従来では心拍情報の抽出に脈波を用いた。ところが指から脈波を計測すると、ハンドルを握るときにリード線が邪魔になり、時に運動の妨げとなる。耳から脈波を計測した場合、リード線の煩わしさに加え、使用者が不潔感を持つため、消毒などの手間が必要である。そのためハンドルに取り付けた手掌導出電極を用いたＥＣＧ（心電図：electrocardiogram）からの心拍情報の抽出が好まれる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３２１３７０号公報（段落番号００２１）

しかし、運動を始めるとだんだんと力が入って、手掌から計測するＥＣＧは種々の部位のＥＭＧ（筋電図：electromyogram）が重畳し、従来のフィルタリング技術であるバンドパスフィルタでは、ＥＭＧが重畳したときのノイズ除去が不十分となり、肝心の運動中における正確な心拍数を測定して表示することができない。

本発明は、上記問題点に鑑み、心拍数を測定するのにリード線などを必要とせず、単に手の平でハンドルを握るなど体の一部が電極に触れるだけで、筋肉に力が入ってしまう運動中でも正確な心拍数を測定して表示することができる心拍計数器、該心拍計数器を装着する有酸素運動器具及びこれらを用いる心拍計数方法を提供することを目的とする。

本発明の心拍計数器は、使用者の心拍電位を取得する電極と、該電極からの安静時の心電波形ｈ0(ｔ)を記憶するメモリと、前記電極からの運動時の心電波形ｈ1(ｔ)に対して、
ｈ(ｔ)＝∫∫∫ｈ0(ｔ1)ｈ0(ｔ1＋ｔ3)ｈ0(ｔ2)ｈ1(ｔ2＋ｔ3＋ｔ)ｄｔ1ｄｔ2ｄｔ3
ただし、
ｔ1は、時間ずれをｔ3とするｈ0の自己相関関数Ｒ1を計算する積分変数
ｔ2は、時間ずれをｔ3＋ｔとするｈ0とｈ1との相互相関関数Ｒ2を計算する積分変数
ｔ3は、時間ずれをｔとするＲ1とＲ2との相互相関関数を計算する積分変数
を計算するフィルタと、該フィルタの出力から心拍数に関連する情報を抽出する抽出器と、該抽出器の出力から心拍数に関連する情報を表示する表示器とを備えることを特徴とする。

また、前記電極は、運動器具のハンドルの把持部に取り付けられていることで、単に手の平でハンドルを握るだけで、正確な心拍数を測定して表示することができる。

また、本発明の有酸素運動器具は、上記心拍計数器を備えることを特徴とする。

また、本発明の心拍計数方法は、運動の開始を検出して使用者の心電波形ｈ0(ｔ)を取得しメモリに記憶する記憶ステップと、その後、使用者が運動を継続することに応じて取得される使用者の運動時の心電波形ｈ1(ｔ)に対して、
ｈ(ｔ)＝∫∫∫ｈ0(ｔ1)ｈ0(ｔ1＋ｔ3)ｈ0(ｔ2)ｈ1(ｔ2＋ｔ3＋ｔ)ｄｔ1ｄｔ2ｄｔ3
ただし、
ｔ1は、時間ずれをｔ3とするｈ0の自己相関関数Ｒ1を計算する積分変数
ｔ2は、時間ずれをｔ3＋ｔとするｈ0とｈ1との相互相関関数Ｒ2を計算する積分変数
ｔ3は、時間ずれをｔとするＲ1とＲ2との相互相関関数を計算する積分変数
を計算する計算ステップと、該相関計算ステップの結果から心拍数に関連する情報を抽出する抽出ステップと、該抽出ステップの結果から心拍数に関連する情報を表示する表示ステップとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、心拍数を測定するのにリード線などを必要とせず、単に手の平でハンドルを握るなど体の一部が電極に触れるだけで、筋肉に力が入ってしまう運動中でも正確な心拍数を測定して表示することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例による心拍計数器の構成を示す図である。この心拍計数器は、スタートボタン１、電極２、増幅器３、Ａ／Ｄ変換器４、メモリ５、フィルタ６、抽出器７、及び表示器８を備える。

図２は、本実施例の心拍計数器が装着されるトレーニングバイクの構造を示す側面視の断面図であり、図３は、トレーニングバイクのハンドル周辺を示す斜視図である。トレーニングバイク（運動装置）１０は、運動者が跨って着座する着座部２０と、この着座部２０に着座した運動者が両脚で漕ぐ漕ぎ部３０と、運動者の漕ぎ部３０に対する漕ぎ動作に負荷を与える負荷付与部４０と、着座部２０に着座した運動者が両手で把持するハンドル部５０と、このハンドル部５０に装着されたパネル部６０とを備えて構成されている。

前記着座部２０は、角筒状を呈した外筒体２１と、この外筒体２１の上面開口から摺接状態で挿脱可能に嵌め込まれた内筒体２２と、この内筒体２２の頂部に装着されたサドル２３とを備えている。外筒体２１には、図略の係止手段が設けられ、内筒体２２の外筒体２１からの突出量が調節された状態でこの係止手段の係止によりサドル２３の高さレベルが調節される。かかる高さレベルの調節されたサドル２３に跨ることで、運動者は着座部２０に着座し得るようになっている。

前記外筒体２１の下端部には、先下がりに斜め前方（図２の左方）に向けて一体的に延設された開脚状態の幅方向（図２の紙面に直交する方向）一対の前脚フレーム１１と、同先下がりに斜め後方に向けて一体的に延設された開脚状態の幅方向一対の後脚フレーム１２とが設けられている。これら前脚フレーム１１及び後脚フレーム１２は、各先端面が同一平面上に位置し得るように寸法設定され、これによってトレーニングバイク１０がフロアＦ上に安定した状態で載置し得るようになっている。

また外筒体２１の下端部には、前方に向かって先上りに一体的に延設された１本の中央フレーム１３が設けられ、この中央フレーム１３の前端がハンドル部５０の後述するハンドルシャフト５１の下端部に固定されている。そして、ハンドルシャフト５１の下端部には、下方に向けて開脚状態で一体に延設された幅方向一対の垂下フレーム１４が設けられ、各垂下フレーム１４の下端部と、当該下端部に下方で対向した各前脚フレーム１１との間に上下方向に延びるフレーム板１５がそれぞれ架設されている。

そして、前記前脚フレーム１１、後脚フレーム１２、中央フレーム１３、垂下フレーム１４及びフレーム板１５によって、トレーニングバイク１０の骨格が形成されている。前記漕ぎ部３０は、前記外筒体２１の下部において前脚フレーム１１と中央フレーム１３とに挟まれた位置で幅方向に延びるように方向設定されたクランク軸３１１と、このクランク軸３１１回りに一体回転する幅方向（図２の紙面に直交する方向）一対のクランクシャフト３１と、各クランクシャフト３１の先端部から外方に向けて突設されたペダル軸３２１と、このペダル軸３２１回りに回転自在に軸支された幅方向一対のペダル３２と、前記クランク軸３１１と同心で一体回転するホイール３３とを備えて構成されている。

前記クランク軸３１１は、外筒体２１の下端部と中央フレーム１３の基端部との間に溶接止め等で固定された幅方向一対の筋交い板３４にベアリングを介して貫通され、これによってクランクシャフト３１の設置位置が設定されるようになっている。

前記ホイール３３は、サドル２３に跨った運動者がペダル３２を漕ぐことによるクランク軸３１１の回転力を前記負荷付与部４０に伝達するものであり、クランク軸３１１の回転力はホイール３３に掛け回された無端ベルト３５によって負荷付与部４０に伝達されるようになっている。

また、前記中央フレーム１３には、ホイール３３の回転速度を検出する速度センサ３６が設けられている。この速度センサ３６の検出信号は、ここで実際に自転車を走行させたとした場合の仮想の走行速度が算出されるようになっている。

前記負荷付与部４０は、ペダル３２のクランク軸３１１回りの回転に負荷を付与して運動者に実際の自転車で走行している実感を与えるためのものであり、幅方向一対の前記フレーム板１５間に架設された支持軸４１と、この支持軸４１回りに同心で回転可能に軸支された負荷ドラム４２と、この負荷ドラム４２の負荷量を調節する負荷調節機構４３とを備えて構成されている。

前記支持軸４１には、図略の第１ギヤが同心で固定されているとともに、このギヤに噛合する図略の第２ギヤが設けられ、この第２ギヤと同心で一体回転するプーリに前記無端ベルト３５が掛け回され、これによってホイール３３のクランク軸３１１回りの回転は、無端ベルト３５、プーリ、第２ギヤ及び第１ギヤを介して負荷ドラム４２の支持軸４１回りの回転に伝達されるようになっている。

前記負荷調節機構４３は、筋交い板３４に取り付けられた電動のテンションコントローラ４３１と、環状の段差が形成された状態の負荷ドラム４２の側面の適所にブレーキシューを当接させたブレーキ部材４３２と、テンションコントローラ４３１及びブレーキ部材４３２間に介設された、インナーケーブル及びアウターケーブルからなる二重ケーブル４３３とを備えている。

前記テンションコントローラ４３１は、図略の電動モータの駆動で二重ケーブル４３３のインナーケーブルを緊張させたり弛緩させるものであり、インナーケーブルが緊張した状態でこの緊張がブレーキ部材４３２に伝達され、これによるブレーキシューの負荷ドラム４２への押圧力の増大で負荷ドラム４２に大きな負荷を与える一方、インナーケーブルが弛緩することでブレーキシューの負荷ドラム４２への押圧力が低下し、負荷ドラム４２の負荷が軽減されるようになっている。したがって、テンションコントローラ４３１のコントロールによるインナーケーブルの緊張力調節によって負荷ドラム４２の負荷量を変化させることができる。

前記ハンドル部５０は、前記中央フレーム１３の上端部から僅かに前倒状態で立設されたハンドルシャフト５１と、このハンドルシャフト５１の上部から前方（図２の左方）に向かって突設された棚部５２と、この棚部５２にハンドル軸５３１回りに回動自在に支持されたハンドル５３とを備えている。ハンドル５３は、運動者がハンドル５３を把持した時に運動者の手の平から心拍電位を取得する電極２を備えており、具体的には、ハンドル５３の両手で把持する部分に左手用プラス電極５３２Ｌと、その裏側に左手用マイナス電極５３３Ｌと、右手用プラス電極５３２Ｒと、その裏側に右手用マイナス電極５３３Ｒとを備えて構成される（図３参照）。ハンドル軸５３１は、所定の係止手段の操作で設定された回動位置が固定可能になっており、これによってハンドル５３は、運動者の体格に合わせて角度調節し得るようになっている。

このようなトレーニングバイク１０は、外筒体２１、前脚フレーム１１、後脚フレーム１２、中央フレーム１３及びフレーム板１５等からなる骨格部分が側面視でＵ字形状を呈したカバー体１９によって覆われ、これによって外観視がデザイン的に美麗になるようになされている。

そして、運動者は、サドル２３に跨って両手でハンドル５３を把持し、両足でペダル３２を漕ぐことにより、自転車に乗っている感覚で運動を行うのである。

前記パネル部６０は、その上面にスタートボタン１を含む各種の操作スイッチや表示器８が設けられ、操作面をサドル２３に跨った運動者の顔面（頭部）に向けた傾斜状態でハンドルシャフト５１の頂部に固定されている。

スタートボタン１は、運動を開始する際に使用者に押してもらって、これから運動を始めることを検出するためのものである。スタートボタン１は、押しボタンスイッチなどで構成することができる。このスタートボタン１は、電源をオンするスイッチで代用することもできる。電極２は、手の平で握るハンドル５３に取り付けられ、このハンドル５３を握る手の平の心拍電位を導出する。増幅器３は電極２で取得された微弱な心拍電位を信号処理をし易い電位にまで増幅する。Ａ／Ｄ変換器４は、増幅器３で増幅されたアナログの心拍電位をディジタル信号処理できるようにディジタル信号に変換する。メモリ５は、スタートボタン１が押された運動開始直後の安静時の心電波形を記憶する。場合によっては運動開始前であっても構わない。その際、複数の波形の平均を取って、使用者の標準的な心電波形を記憶することが望ましい。ここで記憶する心電波形は、いわゆるＰ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ波の一続きのものを後に演算する際のテンプレートとして記憶する。

図４は、典型的な心電波形を示す図である。図４に示す心電波形の各部分が、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ波と呼ばれている。この内のＲ波は心電波形のピークを形成するものであり、このＲ波を用いると心拍数を計数し易い。本実施例では、運動開始直後などの安静時におけるＰ波からＴ波に至る一続きの波形をメモリ５に記憶しておく。

フィルタ６は次の計算をする。
ｈ(ｔ)＝∫∫∫ｈ0(ｔ1)ｈ0(ｔ1＋ｔ3)ｈ0(ｔ2)ｈ1(ｔ2＋ｔ3＋ｔ)ｄｔ1ｄｔ2ｄｔ3
ただし、
ｈ0(ｔ)：運動開始直後などの安静時の心電波形
ｈ1(ｔ)：その時の、すなわち、運動時の心電波形
ここで上式は、
Ｒ1(ｔ3)＝∫ｈ0(ｔ1)ｈ0(ｔ1＋ｔ3)ｄｔ1
Ｒ2(ｔ3＋ｔ)＝∫ｈ0(ｔ2)ｈ1(ｔ2＋ｔ3＋ｔ)ｄｔ2
ｈ(ｔ)＝∫Ｒ1(ｔ3)Ｒ2(ｔ3＋ｔ)ｄｔ3
と置き換えることができる。Ｒ1(ｔ3)は、ｔ3だけずれている２つのｈ0(ｔ)の自己相関関数。Ｒ2(ｔ3＋ｔ)は、ｈ0(ｔ)とｈ1(ｔ)との相互相関関数。ｈ(ｔ)はさらに、それら自己相関関数Ｒ1と相互相関関数Ｒ2との相互相関関数である。

心電図におけるＰＱＲＳＴ波形は、人によって異なるが、心拍数が変化した場合には、その波形の振幅と形状はほとんど変化せずにＴ波からＰ波までの間隔が変化して、心拍周期のみが変化するという特徴がある。すなわち、運動を継続することによって心拍数が多くなると、ＰＱＲＳＴ波形の振幅と形状はほとんど変化せずに、例えばＲ波から次のＲ波までの間隔が短くなる。

本発明は、心電波形のこのような特徴を利用して、筋電波形に埋もれた心電波形を捉えて、心拍数に関する情報、すなわち、心拍周期に関する情報を取得するものである。

２つのｈ0(ｔ)をずらしながら自己相関をとることによって、ｈ0(ｔ)のずれに対する自己相関波形を取得しておく。これは１つの波形になる。つぎに、ｈ0(ｔ)とｈ1(ｔ)とを互いにずらしながら相互相関波形を取得する。これには心拍周期の繰返し波形が含まれる。そして、それら自己相関関数Ｒ1と相互相関関数Ｒ2との相互相関をとると、心拍周期のきれいな繰返し波形が得られる。

図５は、心電波形の具体例を示す図である。上段は、胸に電極を貼り付けて、胸から心電波形を取得したもの。中段は、手の平から心電波形を取得したもの。下段は、手の平からの心電波形をフィルタ６に通したもの。左列は、安静時の心電波形、中列は、前腕に力を入れた時の心電波形、右列は、手の平と大胸筋に力を入れた時の心電波形である。

上段に示す胸から心電波形を取得した場合には、前腕に力を入れても、大胸筋に力を入れてもほとんどＥＭＧの影響を受けないことが分かる。中段に示す手の平から心電波形を取得した場合には、前腕に力を入れただけで、どのようにしきい値を定めても、正確な心拍数を求めることができないことが分かる。大胸筋にも力を入れると、更に雑音が多くなり、更に心拍数を求めることは困難となることが分かる。下段に示すフィルタ６を通したものは、手の平に力を入れても、更に大胸筋に力をいれても、適当なしきい値を定めることによって正確な心拍数を求められることが分かる。

抽出器７は、フィルタ６の出力から心拍数を求める。例えば、フィルタ６の出力が適当なしきい値を越える１分間当たりの数を求めることで心拍数を求めることができる。

表示器８は、抽出器７によって求められた心拍数を数字で表示するものでもよいが、「心拍数が１００〜１１０である」などのゾーン表示、心拍数が安静時に比べてどれ位多いかを％などの比率で表示、適切な運動量に対応する心拍数に対してどれ位多いかを％などの比率で表示、などの表示方法が採用できる。

本実施例の心拍計数器が装着されているトレーニングバイクを実際に使用する際には、まず、運動者は、サドル２３の高さ及びハンドル５３の回動位置を調整して、ハンドル５３を握りペダル３２を踏んでトレーニングバイク１０に乗って、サドル２３に跨ることで、着座部２０に着座する。ここで、運動者の手の平は、左手用プラス電極５３２Ｌ、左手用マイナス電極５３３Ｌ、右手用プラス電極５３２Ｒ、及び右手用マイナス電極５３３Ｒに触れることになる。つぎに、運動者がスタートボタン１を押すと、メモリ５は、しばらくの間は電極２から導いて得られる安静時の心電波形を記憶する。そして、フィルタ６は、その後に次々と入力される心電波形とメモリ５に記憶されている心電波形を用いて演算をして、心拍周期の波形を出力し、抽出器７は、フィルタ６から出力される波形に基づいて心拍数を抽出し、表示器８は、抽出器７が出力する心拍数を表示する。ここで、運動者がペダル３２を漕ぎ始めて、体中の筋肉に力を入れても、フィルタ６の作用で、正確な心拍数を表示することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

本発明の心拍計数器は有酸素運動器具に装着されて、有酸素運動器具の使用者に適正かつ安全な運動量をガイドすることができるが、本発明の心拍計数器は有酸素運動器具に装着されているものに限られず、単独の心拍計数器であってもよい。この場合には携帯に便利である。

電極は、手の平で把持するハンドルに取り付けたものに限られず、例えば素足で踏みつけるペダルに取り付けられているものでもよい。

スタートボタンをなくして、心電波形が入力し始めた時をスタート時点として検出する構成でもよい。

本発明の一実施例による心拍計数器の構成を示す図である。本実施例の心拍計数器が装着されるトレーニングバイクの構造を示す側面視の断面図である。トレーニングバイクのハンドル周辺を示す斜視図である。典型的な心電波形を示す図である。心電波形の具体例を示す図である。

符号の説明

１スタートボタン
２電極
３増幅器
４Ａ／Ｄ変換器
５メモリ
６フィルタ
７抽出器
８表示器
１０トレーニングバイク
１１前脚フレーム
１２後脚フレーム
１３中央フレーム
１４垂下フレーム
１５フレーム板
１９カバー体
２０着座部
２１外筒体
２２内筒体
２３サドル
３０漕ぎ部
３１クランクシャフト
３１１クランク軸
３２ペダル
３２１ペダル軸
３３ホイール
３４筋交い板
３５無端ベルト
３６速度センサ
４０負荷付与部
４１支持軸
４２負荷ドラム
４３負荷調節機構
４３１テンションコントローラ
４３２ブレーキ部材
４３３二重ケーブル
５０ハンドル部
５１ハンドルシャフト
５２棚部
５３ハンドル
５３１ハンドル軸
５３２Ｌ左手用プラス電極
５３２Ｒ右手用プラス電極
５３３Ｌ左手用マイナス電極
５３３Ｒ右手用マイナス電極
６０パネル部

Claims

使用者の心拍電位を取得する電極と、
該電極からの安静時の心電波形ｈ0(ｔ)を記憶するメモリと、
前記電極からの運動時の心電波形ｈ1(ｔ)に対して、
ｈ(ｔ)＝∫∫∫ｈ0(ｔ1)ｈ0(ｔ1＋ｔ3)ｈ0(ｔ2)ｈ1(ｔ2＋ｔ3＋ｔ)ｄｔ1ｄｔ2ｄｔ3
ただし、
ｔ1は、時間ずれをｔ3とするｈ0の自己相関関数Ｒ1を計算する積分変数
ｔ2は、時間ずれをｔ3＋ｔとするｈ0とｈ1との相互相関関数Ｒ2を計算する積分変数
ｔ3は、時間ずれをｔとするＲ1とＲ2との相互相関関数を計算する積分変数
を計算するフィルタと、
該フィルタの出力から心拍数に関連する情報を抽出する抽出器と、
該抽出器の出力から心拍数に関連する情報を表示する表示器と
を備えることを特徴とする心拍計数器。
前記電極は、運動器具のハンドルの把持部に取り付けられていることを特徴とする心拍計数器。
請求項１又は２記載の心拍計数器を備えることを特徴とする有酸素運動器具。
運動の開始を検出して使用者の心電波形ｈ0(ｔ)を取得しメモリに記憶する記憶ステップと、
その後、使用者が運動を継続することに応じて取得される使用者の運動時の心電波形ｈ1(ｔ)に対して、
ｈ(ｔ)＝∫∫∫ｈ0(ｔ1)ｈ0(ｔ1＋ｔ3)ｈ0(ｔ2)ｈ1(ｔ2＋ｔ3＋ｔ)ｄｔ1ｄｔ2ｄｔ3
ただし、
ｔ1は、時間ずれをｔ3とするｈ0の自己相関関数Ｒ1を計算する積分変数
ｔ2は、時間ずれをｔ3＋ｔとするｈ0とｈ1との相互相関関数Ｒ2を計算する積分変数
ｔ3は、時間ずれをｔとするＲ1とＲ2との相互相関関数を計算する積分変数
を計算する計算ステップと、
該相関計算ステップの結果から心拍数に関連する情報を抽出する抽出ステップと、
該抽出ステップの結果から心拍数に関連する情報を表示する表示ステップと
を備えることを特徴とする心拍計数方法。