JP4752646B2 - 運動強度測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、運動負荷テスト等で得られたデータに基づいて適度な運動強度を判定する方法等に関する。
血中乳酸濃度が増加し始める閾値（有酸素運動から無酸素運動へ切り換わる閾値ともいわれている）、酸素摂取量の数値として表現した乳酸閾値や、運動負荷強度の増加に伴う呼気中の二酸化炭素の増加率が一段と高くなる運動負荷強度または酸素摂取量の数値である換気閾値（ＶＴ：Ventilatory Threshold）、または無酸素性作業閾値（ＡＴ：Anaerobic Threshold）は、呼吸器系や循環器系の機能の評価や、スポーツのトレーニングや患者の運動療法における適切な運動負荷強度の選択などを行うために有用な指標であることが知られている。
上記のパラメーターの測定は、一般に侵襲的に行われる。
これに対して、心音振幅に基づいて、至適運動強度を決定する方法が提案されている（非特許文献１及び非特許文献２）。
仁木 哲哉,佐竹 昌之,小原繁,体力科学 Vol.52,No.6,pp.877,2003. Shigeru OBARA,Tetsuya NIKI and Masayuki SATAKE,Adv.Exerc. Sports Physiol.,vol.11,No.1 pp.33-39,2005.
本発明に係る具体的な態様の一つの目的は、非侵襲的に安全な至適運動強度を決定することである。
本発明の一態様の運動強度測定装置は、心電波形を検出する心電計と、心音波形を検出する心音検出装置と、運動負荷強度を検出する運動負荷強度検出装置と、を含み、前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する第１心音の振幅の変化を求め、前記心電波形及び前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する心拡張時間の割合を求め、前記第１心音の振幅の変化の屈曲点の前記運動負荷強度における、前記心拡張時間の割合が第１の基準値以上である場合は、前記屈曲点の前記運動負荷強度を至適運動強度とすることを特徴とする。
本発明の別の一態様の運動強度測定装置は、心電波形を検出する心電計と、心音波形を検出する心音検出装置と、運動負荷強度を検出する運動負荷強度検出装置と、を含み、 前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する第１心音の振幅の変化を求め、前記心電波形及び前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する心拡張時間の割合を求め、前記心拡張時間の割合の変化点における第１の運動負荷強度が前記第１心音の振幅の変化の屈曲点における第２の運動負荷強度より小さい場合、前記第１の運動負荷強度を至適運動強度とすることを特徴とする。
本発明のさらに別の一態様の運動測定装置は、心電波形を検出する心電計と、心音波形を検出する心音検出装置と、運動負荷強度を検出する運動負荷強度検出装置と、を含み、前記心電波形及び前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する心拡張時間の割合を求め、前記心拡張時間の割合の変化点における運動負荷強度を至適運動強度とすることを特徴とする。
また、前記心拡張時間の割合は、心周期の長さから、第２心音から前記第１心音までの長さを差し引き、前記心周期の長さで除すことにより得られることを特徴とする。
また、前記第１心音の振幅の変化を、運動後または安静時に求めることを特徴とする。
また、前記運動負荷強度検出装置は、加速度センサーを含むことを特徴とする。
また、前記心音検出装置は、心音マイクロフォンを含むことを特徴とする。
また、上記の本発明に係る至適運動強度の判定方法は、運動負荷強度の変化に対する第１心音の振幅の変化を調べる第１のステップと、前記運動負荷強度の変化に対する一心周期に対する心拡張時間の割合の変化を調べる第２のステップと、を含み、前記第１心音の振幅の変化の屈曲点における、前記一心周期に対する心拡張時間の割合が第１の基準値以上である場合は、前記屈曲点を至適運動強度と判定することを特徴とする。
本発明に係る他の至適運動強度の判定方法は、運動負荷強度の変化に対する第１心音の振幅の変化を調べる第１のステップと、前記運動負荷強度の変化に対する、一心周期に対する心拡張時間の割合の変化を調べる第２のステップと、を含み、前記一心周期に対する心拡張時間の割合の変化の変化点における第１の運動負荷強度が、前記第１心音の振幅の変化の屈曲点における第２の運動負荷強度より低い場合、前記第１の運動負荷強度を至適運動強度と判定することを特徴とする。
上記の至適運動強度の判定方法において、「変化点」とは、一心周期に対する心拡張時間の割合の変化がその前後の領域に比して急激に変化する点を指している。
本発明に係る他の至適運動強度の判定方法は、運動負荷強度の変化に対する一心周期に対する心拡張時間の割合の変化を調べ、前記一心周期に対する心拡張時間の割合の変化の変化点における運動負荷強度を至適運動強度と判定することを特徴とする。
上記の至適運動強度の判定方法において、前記第１のステップにおいて、前記第１心音の振幅を、運動負荷後あるいは安静時に取得するようにしてもよい。
例えば、運動終了後１０心拍後でも良い。
上記の至適運動強度の判定方法において、加速度センサーを用いて運動中か否かを判断するようにしてもよい。
上記の至適運動強度の判定方法において、前記加速度センサーは、被検者の身体の少なくとも１部に装着されているようにしてもよい。
上記の至適運動強度の判定方法において、前記少なくとも１部は、腰又は腕であるようにしてもよい。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について詳細に説明する。
図１には、本発明に係る実施形態において採用した計測手段を示したブロック図である。
心拍数は、心電図から算出し、心音図は胸部に取り付けた心音マイクロフォンから記録した。この心音マイクロフォンはドーム型のプラスチック製カバーで覆った。アンプで増幅された心音及び心電をＡ／Ｄコンバータを通してパーソナルコンピュータに取り込んだ。
また、身体に取り付けた加速度センサーからの出力をアンプで増幅し、Ａ／Ｄコンバータを通してパーソナルコンピュータに取り込んだ。
この加速度センサーを被検者（２３歳，男性，身長：１７３．５ｃｍ，体重：７０．１ｋｇ）の腰に取り付け、当該被検者の運動状態、例えば、運動しているか否かを検出した。
図２は、心臓の周期を示したものである。図２において、波形１は心電波形、波形２は心音波形である。
Ｒ１からＲ２までの期間が一心周期に相当する。心電波形Ｒ波の出現以後に発生する第一心音の振幅Ｓ１は僧房弁の閉鎖音、大静脈弁の閉鎖音、あるいは大動脈弁に開放音に相当し、心電波形Ｔ波の出現以後に発生する第二心音の振幅Ｓ２は大動脈弁の閉鎖音に相当する。
心周期の長さ（Ｒ１からＲ２までの期間の長さ）からＳ２からＳ１までの期間の長さを差し引き、心周期の長さで除したことにより得られた値が、心拡張時間の割合に相当する。この心拡張時間に心筋に酸素が供給されるので、この値が極端に少なくなると（冠動脈の狭窄がひどい人は５０％未満）になると虚血が起こる可能性がある。
図３は、ある被験者の運動終了後１０心拍後の運動負荷強度（仕事率）に対する、第一心音の振幅Ｓ１（ｍＶ）、一心周期に対する心拡張時間の割合（％）、血中エピネフリン濃度（ｐｇ／ｍｌ）、及び血中乳酸濃度（ｍｍｏｌ／ｌ）の変化を示したものである。エピネフリン濃度が顕著に増加し始める運動負荷強度に対応して、第一心音の振幅が急激に変化する屈曲点（ＨＳＢＰ; Heart Sound Break Point）が仕事率１２０ワット付近に明瞭に出現することがわかる。
また、この屈曲点において、血中乳酸濃度も顕著に増加し始める。つまり、第一心音の振幅Ｓ１、エピネフリン濃度及び血中乳酸濃度の運動負荷強度に対する変化は、ほぼ一致していると言って良く、エピネフリン濃度及び血中乳酸濃度等の侵襲的に測定されるパラメーターと第一心音の振幅Ｓ１という非侵襲的に測定されるパラメーターは強く相関するので、第一心音の振幅Ｓ１の測定の結果を用いて、おおよその運動負荷強度を求めることができる。
上述のように、第一心音の振幅Ｓ１の測定することにより、適切な運動強度を見積もることが可能であるが、さらに当該運動強度の安全性を確保するために、一心周期に対する心拡張時間の割合を考慮する必要がある。
心不全等の患者などですでに禁忌とされる心拡張時間の割合があらかじめ明らかになっている場合はその値を基に安全域の運動強度を示すことができる。
例えば、重度の冠狭窄症の患者に対しては、心拡張時間の割合が５０％以下となると、虚血症状が現れる可能性があるので、第一心音の振幅の測定により見積もられた至適運動強度において、心拡張時間の割合が５０％以下となっていないことを確認すれば良い。
本実施形態においては、第一心音の振幅Ｓ１の測定に基づいて得られた屈曲点（ＨＳＢＰ）においても、心拡張時間の割合が５０％以下となっているので、第一心音の振幅Ｓ１の測定に基づいて得られた屈曲点に対応する運動負荷強度は、安全性も確保されていると言える。
より安全性の高い至適運動強度を得るには、一心周期に対する心拡張時間の割合（％）が急激に変化する点に注目することが望ましい。
図３に示した一心周期に対する心拡張時間の割合は、運動負荷強度の仕事率８０ワットから９０ワットの範囲において、急激に変化しているが、これは、８０ワットから９０ワットの範囲において心臓の負担が急激に変化したことを示している。
例えば、より重度の心臓疾患の患者に対しては、この８０ワットから９０ワットの範囲を至適運動強度とするようにしてもよい。このように一心周期に対する心拡張時間の割合が急激に変化する点（変化点）に基づいて見積もられた至適運動強度は、より重度な疾患等を有する患者に対しても有用な指標となる。
つまり、第一心音の振幅Ｓ１の測定結果と一心周期に対する心拡張時間の割合の変化とを共に考慮することにより、より安全性に優れた至適運動強度を見積もることが可能である。
一心周期に対する心拡張時間の割合の変化において、変化点のほうが、第一心音の振幅Ｓ１の測定のみから得られた至適運動強度より、低い運動負荷強度である傾向が観察される場合は、一心周期に対する心拡張時間の割合の変化のみに基づいて至適運動強度の見積もることが可能である。これにより、簡便に安全な至適運動強度を得ることが可能である。
図４は自転車エルゴメーターを用いた多段階運動負荷試験の各負荷終了直前３０秒間に視覚的判断で雑音が少なく計測された１０周期の第一心音の振幅の平均値と運動直後の連続する１０拍の平均値を比較したものである。この図４から明らかなようにきわめて鮮明にとれる運動直後の心音から計測された第一心音の屈曲点は運動中に計測されたものにくらべ鮮明である。したがって運動直後の心音図を計測することにより、容易に第一心音の屈曲点が短縮しはじめる強度を判別できる。
上述のように、運動終了時に心音の測定をしたほうがより明瞭な屈曲点が得られるが、運動終了時であるか否かと判定するために、身体の腕や腰等の部分に加速度センサーを装着して計測的な手段により運動終了時の判断を行ってもよい。
もちろん、胸部に装着された加速度センサーを用いてもよいが、この場合、例えば、心音マイクロフォンと加速度センサーとを兼用してもよいし、同一個所に心音マイクロフォンと加速度センサーを装着してもよい。
正確な運動負荷強度を求めるには、運動中における一心周期に対する心拡張時間の割合を求める必要があるが、運動中は雑音等の混入により正確な心拡張時間を得るには、積算回数を増やす等の手段を講じる必要がある。
しかしながら、図５〜図８に示したように、運動終了後、少なくとも１０秒の範囲内においては、運動終了後の一心周期に対する心拡張時間の割合は、運動中における一心周期に対する心拡張時間の割合と大きな差が見られなかった。
したがって、運動終了後十分に短い期間に取得した一心周期に対する心拡張時間の割合に基づいて運動負荷強度を判定しても良いと考えられる。
例えば、安全の運動負荷強度の指標として、一心周期に対する心拡張時間の割合が５０％以上に設定された場合、運動負荷強度５０ワット及び１００ワットにおいて一心周期に対する心拡張時間の割合が５０％以上となっているので、至適運動強度は５０ワットから１００ワットの間にあると考えることができる。
このことは、運動負荷強度の５０ワットから１００ワットの領域に前述のように一心周期に対する心拡張時間の割合が急激に変化する変化点（８０ワットから９０ワットの範囲）が存在することと符合する。
実験での計測処理手順を示したブロック図。 心電波形（波形１）及び心音波形（波形２）を示す図。 自転車エルゴメーターを用いた間欠式多段階漸増負荷試験中の各種パラメーターの変化（被検者：ＴＭ，２３歳，男性，身長：１７３．５ｃｍ，体重：７０．１ｋｇ）。 運動負荷強度と運動中に計測された第一心音の振幅と運動直後の計測された第一心音の特性図。 運動負荷強度５０ワットの運動終了前後１０秒間の一拍毎の心拡張時間の変化。 運動負荷強度１００ワットの運動終了前後１０秒間の一拍毎の心拡張時間の変化。 運動負荷強度１５０ワットの運動終了前後１０秒間の一拍毎の心拡張時間の変化。 運動負荷強度２００ワットの運動終了前後１０秒間の一拍毎の心拡張時間の変化。
符号の説明
Ｓ１…第一心音の振幅、Ｓ２…第二心音の振幅。

Claims (7)

  1. 心電波形を検出する心電計と、
    心音波形を検出する心音検出装置と、
    運動負荷強度を検出する運動負荷強度検出装置と、
    を含み、
    前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する第１心音の振幅の変化を求め、
    前記心電波形及び前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する心拡張時間の割合を求め、
    前記第１心音の振幅の変化の屈曲点の前記運動負荷強度における、前記心拡張時間の割合が第１の基準値以上である場合は、前記屈曲点の前記運動負荷強度を至適運動強度とすることを特徴とする運動強度測定装置。
  2. 心電波形を検出する心電計と、
    心音波形を検出する心音検出装置と、
    運動負荷強度を検出する運動負荷強度検出装置と、
    を含み、
    前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する第１心音の振幅の変化を求め、
    前記心電波形及び前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する心拡張時間の割合を求め、
    前記心拡張時間の割合の変化点における第１の運動負荷強度が前記第１心音の振幅の変化の屈曲点における第２の運動負荷強度より小さい場合、前記第１の運動負荷強度を至適運動強度とすることを特徴とする運動強度測定装置。
  3. 心電波形を検出する心電計と、
    心音波形を検出する心音検出装置と、
    運動負荷強度を検出する運動負荷強度検出装置と、
    を含み、
    前記心電波形及び前記心音波形から前記運動負荷強度の変化に対する心拡張時間の割合を求め、
    前記心拡張時間の割合の変化点における運動負荷強度を至適運動強度とすることを特徴とする運動強度測定装置。
  4. 前記心拡張時間の割合は、心周期の長さから、第２心音から前記第１心音までの長さを差し引き、前記心周期の長さで除すことにより得られることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の運動強度測定装置。
  5. 前記第１心音の振幅の変化を、運動後または安静時に求めることを特徴とする請求項１または２に記載の運動強度測定装置。
  6. 前記運動負荷強度検出装置は、加速度センサーを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の運動強度測定装置。
  7. 前記心音検出装置は、心音マイクロフォンを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の運動強度測定装置。
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