JP5089200B2

JP5089200B2 - 消費カロリー算出方法および携帯用消費カロリー測定装置

Info

Publication number: JP5089200B2
Application number: JP2007060705A
Authority: JP
Inventors: 博能勢; 敏明山崎; 広和源野
Original assignee: 特定非営利活動法人熟年体育大学リサーチセンター; キッセイコムテック株式会社
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: JP2008220517A

Description

本発明は、高齢者等が、平地、坂道等を、歩行、ジョギング、自転車等の人力での移動手段を用いる等の各種の運動形態で移動する際の消費カロリーを簡単かつ精度良く算出することのできる消費カロリー算出方法および携帯用消費カロリー測定装置に関するものである。

歩行時などにおける消費カロリーを測定するための測定方法としては、平地歩行だけでなく被験者が坂道、階段などを上り下りした場合も考慮することのできるものが提案されている。これらの測定方法では、基本的に、加速度計および気圧計を被験者に取り付け、加速度計によって算出した消費カロリーを気圧計に基づき検出された昇降動作に応じて補正するようにしている。

特許文献１(特開平１１−３４７０２１号公報)では、気圧センサからの気圧検出信号(絶対圧力信号)により被測定者が立っている標高を予測し、歩行時の気圧の変化状態から被想定者の歩行状態(停止中、平地歩行、階段の下り動作中、階段の上り動作中、ジョギング中など)を予測し、予測した歩行状態と、加速度センサ(歩数センサ)によって得られる歩数に基づき消費カロリーを算出している。

特許文献２(特開２００５−２３０３４０号公報)では、被験者の各種の移動形態(平地歩行、走行、坂道歩行、階段上り、階段下りなど)とエネルギー消費率の関係式を予め求めておき、気圧センサの出力に基づき被験者の移動形態を判別して、判別された移動形態に割り当てられている関係式を用いて消費エネルギーを算出している。

なお、特許文献３(特開２００１−２５８８７０号公報)には、被験者に取り付けた３軸加速度計の測定値のベクトル和から力積を計算し、予め求めておいた直線状相関関係に基づき、力積および被験者の体重から消費カロリーを精度良く算出可能な運動カロリー測定方法が提案されている。
特開平１１−３４７０２１号公報特開２００５−２３０３４０号公報特開２００１−２５８８７０号公報

特許文献１、２に記載されている従来の加速度センサおよび気圧センサを備えた消費カロリー測定装置では、気圧センサの出力に基づき被験者の歩行状態あるいは移動形態を予測あるいは判別し、運動状態に応じて予め用意されている算出式の中から、判別した運動状態に割り当てられている算出式を選択して用いるようにしている。すなわち、気圧センサの出力値を直接用いたカロリー推定を行っていないためにカロリー推定方法が複雑になっていた。また、各種の歩行状態あるいは移動形態について、カロリー算出用の関係式を予め求めておく必要がある。また、特許文献１では、被測定者が立っている標高を予測し、これを基準として歩行時の気圧変化を算出して歩行状態を予測している。しかしながら、標高が同一であっても天候の変化により気圧が変動した場合には歩行状態の予測にばらつきが生ずるなどして、消費カロリーの算出精度が低下するおそれがある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、加速度センサの出力に基づき被験者の移動形態を判別する処理を行うことなく、また、移動形態に対応した多数の消費カロリー算出用の関係式を用意せず、気圧センサの出力値を直接用いた単一の計算式で、被験者の消費カロリーを簡便に精度良く算出することのできる消費カロリー算出方法を提案することにある。

また、本発明の課題は、かかる新たな消費カロリー算出方法を用いて消費カロリーを測定することのできる携帯用消費カロリー測定装置を実現することにある。

本発明者等は、アップダウンがある場所での歩行時、ジョギング時などの各種の運動時での消費エネルギー量が、平地での運動時の酸素摂取量に位置エネルギーの変化分から算出される補正項を加えることにより精度良く表すことが可能であることを見出した。

かかる知見に基づき、本発明による、被験者に取り付けた加速度センサおよび高度センサの出力に基づき、当該被験者の運動時の消費カロリーを算出する消費カロリー算出方法は、
前記加速度センサから、被験者が平地で運動したと想定した場合の基本消費カロリーを算出し、
前記高度センサから、被験者の単位時間当たりの高度変化を算出し、
単位時間当たりの高度変化と消費カロリーとの関係式に基づき、前記基本消費カロリーを補正して、被験者の運動形態に高度変化がある場合でも消費カロリーを算出することを特徴としている。

ここで、前記の高度センサから単位時間当たりの高度変化を算出する工程では、高度センサの出力値に基づき、被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)を算出し、単位時間当たりの高度変化と消費カロリーとの関係式に基づき基本消費カロリーを補正する工程では、算出された獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)のそれぞれと、単位時間当りの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、前記基本消費カロリーを補正することができる。この基本消費カロリーを補正する工程では、算出された獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)のそれぞれと、単位時間、単位運動質量当りの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、前記基本消費カロリーを補正してもよい。

また、被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)は次のように算出することができる。すなわち、高度センサの出力値を一定のサンプリング周期で取得し、取得した出力値(Ｐ_i)と前回のサンプリング時の出力値(Ｐ_i-1)の差分(ΔＰ)を算出する。そして、算出した差分(ΔＰ)が負のものと正のものを、それぞれ単位時間に亘って累積し、これら単位時間当たりの負の累積差分(Ｐａ)および正の累積差分(Ｐｄ)を単位時間毎に順次に算出し、これらの累積差分(Ｐａ、Ｐｄ)に基づき、被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)を算出することができる。

ここで、高度センサの出力値を直接累積すると、当該高度センサのノイズも累積してしまい、検出誤差が増加してしまう。これを回避するためには、高度センサの出力値にスムージングを掛けることが望ましい。すなわち、前記高度センサの出力値に基づき、単位時間当たりの負の累積差分(Ｐａ)および正の累積差分(Ｐｄ)を算出するに当たって、当該気圧センサの出力値(Ｐ_i)の代わりに、当該出力値(Ｐ_i)と、その前後に得られる一つあるいは複数の出力値との移動平均、例えば３点の移動平均を用いることが望ましい。

また、移動平均によっても除去できない誤差成分を除去するためには、累積差分(Ｐａ、Ｐｄ)に基づき算出された被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)に、予め定めた誤差補正量をそれぞれ加算あるいは減算すればよい。このようにして得られた補正後の獲得上昇量および補正後の獲得下降量を用いれば、高度変化に基づく基本消費カロリーの補正を精度良く行うことができる。

次に、前記加速度センサとしては３軸加速度センサを用いることが望ましい。この場合には、３軸加速度センサの出力値を一定のサンプリング周期で取得し、取得した３軸方向の加速度(Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚ)にローカットフィルターをかけ重力加速度成分を除去した後にノルム(Ｉｘｙｚ)を算出し、算出したノルム(Ｉｘｙｚ)を、予め定めた単位時間に亘って累積し、この単位時間当たりの累積加速度(Ｉｔｏｔａｌ)を単位時間毎に順次に算出し、算出した累積加速度(Ｉｔｏｔａｌ)と、単位時間、単位運動質量当りの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、被験者の基本消費カロリーを精度良く算出することができる。

次に、本発明による、被験者に取り付けた３軸加速度センサおよび気圧センサの出力に基づき当該被験者の運動時の消費カロリーを算出する消費カロリー算出方法は、
前記３軸加速度センサの出力値を一定のサンプリング周期で取得し、取得した３軸方向の加速度(Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚ)のノルム(Ｉｘｙｚ)を算出し、
算出したノルム(Ｉｘｙｚ)を、予め定めた単位時間に亘って累積し、この単位時間当たりの累積加速度Ｉｔｏｔａｌを単位時間毎に順次に算出し、
算出した累積加速度Ｉｔｏｔａｌと、単位時間、単位運動質量当りの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、被験者の基本消費カロリーを算出し、
前記気圧センサの出力値を一定のサンプリング周期で取得し、取得した気圧値(Ｐ_i)と前回のサンプリング時の気圧値(Ｐ_i-1)の差分ΔＰを算出し、
算出した差分ΔＰが負のものと正のものを、次式に示すように、それぞれ単位時間に亘って累積し、これら単位時間当たりの負の累積差分Ｐａおよび正の累積差分Ｐｄを単位時間毎に順次に算出し、
Ｐａ＝ΣΔＰ (但し、ΔＰ＜０)
Ｐｄ＝ΣΔＰ (但し、ΔＰ＞０)
これらの累積値Ｐａ、Ｐｄに基づき、被験者の単位時間当たりの獲得上昇量Ｈａおよび獲得下降量Ｈｄを算出し、
算出された単位時間当たりの前記獲得上昇量Ｈａおよび獲得下降量Ｈｄのそれぞれと、単位時間、単位運動質量当りの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、次式(１Ａ)により、前記累積加速度Ｉｔｏｔａｌから算出した前記基本消費カロリーを補正して、上り下りを考慮した被験者の消費カロリーＣａｌを算出することを特徴としている。
Ｃａｌ＝Ｗ・(ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ＋ｋ２・Ｈａ＋ｋ３・Ｈｄ)・ｋ５ (１Ａ)
但し、
Ｗ：被験者の体重
ｋ１：累積加速度を酸素摂取量に変換するための係数
ｋ２：獲得上昇量による酸素摂取量補正のための係数
ｋ３：獲得下降量による酸素摂取量補正のための係数
ｋ５：酸素摂取量をカロリーに変換するためのカロリー変換係数

また、安静時の酸素摂取量ｋ４も考慮した場合の単位時間当たりの被験者の消費カロリーＣａｌは、次式(１Ｂ)により算出することができる。
Ｃａｌ＝Ｗ・(ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ＋ｋ２・Ｈａ＋ｋ３・Ｈｄ＋ｋ４)・ｋ５ (１Ｂ)

ここで、気圧センサの誤差を除去するためには、前記気圧センサの出力値に基づき、単位時間当たりの正の累積差分Ｐａおよび負の累積差分Ｐｄを算出するに当たって、当該気圧センサの出力値(Ｐ_i)の代わりに、当該出力値Ｐ_iと、その前後に得られる一つあるいは複数の出力値との移動平均を用いることが望ましい。

さらに、気圧センサの誤差を除去するためには、累積差分Ｐａ、Ｐｄに基づき算出された被験者の単位時間当たりの獲得上昇量Ｈａおよび獲得下降量Ｈｄに含まれる誤差補正用の係数をそれぞれｋ６およびｋ７とし、単位時間当たりの被験者の消費カロリーＣａｌを次式(１Ｃ)により算出することが望ましい。
Ｃａｌ＝Ｗ・(ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ
＋ｋ２・(Ｈａ＋ｋ６)＋ｋ３・(Ｈｄ＋ｋ７)＋ｋ４)・ｋ５ (１Ｃ)

次に、本発明は上記の方法によって被験者の運動時の消費カロリーを算出する携帯用消費カロリー測定装置であって、３軸加速度センサと、気圧センサと、被験者の体重の入力、消費カロリーの測定の開始および終了の指示を入力するための入力部と、被験者の単位時間当たりの消費カロリーを順次に算出する演算部と、算出された前記消費カロリーを順次に記憶保持するメモリと、算出された前記消費カロリーを表示するための表示部とを有していることを特徴としている。

本発明の消費カロリーの算出方法では、高度変化による補正項を含めた単一の関係式、例えば上記の算出式(１Ａ)〜(１Ｃ)を用いて、被験者が平地、上り坂、下り坂などを歩行している場合の消費カロリーを算出することができる。また、算出式における各係数の値を適切に設定しておくことにより、本発明の方法により算出した消費カロリーの値とその真値の相関関係を高くすることができ(例えば、相関係数を０．９５にすることができ)、精度良く消費カロリーを算出できることも確認された。

以下に、本発明による消費カロリーの算出方法の実施の形態を説明する。

本実施の形態では、被験者に取り付けた３軸加速度センサおよび気圧センサの出力に基づき当該被験者の運動時の消費カロリーＣａｌ(ｋｃａｌ／ｍｉｎ)を式(１Ｃ)を用いて算出している。
Ｃａｌ＝Ｗ・(ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ
＋ｋ２・(Ｈａ＋ｋ６)＋ｋ３・(Ｈｄ＋ｋ７)＋ｋ４)・ｋ５ (１Ｃ)
但し、
Ｗ：被験者の体重(ｋｇ)
Ｉｔｏｔａｌ：累積加速度(Ｎ・ｍｉｎ／ｍｉｎ)
Ｈａ：獲得上昇量(ｍ／ｍｉｎ)
Ｈｄ：獲得下降量(ｍ／ｍｉｎ)
ｋ１：累積加速度を酸素摂取量に変換するための係数(ｍｌ／(Ｎ・ｍｉｎ／ｍｉｎ))
ｋ２：獲得上昇量による酸素摂取量補正のための係数(ｍｌ／(ｍ／ｍｉｎ))
ｋ３：獲得下降量による酸素摂取量補正のための係数(ｍｌ／(ｍ／ｍｉｎ))
ｋ４(＝３．６３４×１０^-3)：安静時の酸素摂取量(ｍｌ／ｍｉｎ)
ｋ５(＝４．８２５)：酸素摂取量をカロリーに変換するための
カロリー変換係数(ｋｃａｌ／ｍｌ)
ｋ６：獲得上昇量を補正するための係数(ｍ／ｍｉｎ)
ｋ７：獲得下降量を補正するための係数(ｍ／ｍｉｎ)

まず、累積加速度Ｉｔｏｔａｌの算出方法を説明する。３軸加速度センサの出力値を一定のサンプリング周期、たとえば２０Ｈｚのサンプリング周期で取得し、取得した３軸方向の加速度Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚにローカットフィルターをかけ重力加速度成分を除去した後にノルムＩｘｙｚの１秒間の平均値を式(２)により算出する。
Ｉｘｙｚ＝Σ√(Ｉｘ²＋Ｉｙ²＋Ｉｚ²)／２０ (２)

算出したノルムＩｘｙｚを、式(３)に示すように、予め定めた単位時間、本実施の形態では１分間累積し、この単位時間当たりの累積加速度Ｉｔｏｔａｌを単位時間毎に順次に算出する。
Ｉｔｏｔａｌ＝ΣＩｘｙｚ×９．８／１０００／１０００ (３)

式(３)における係数の意味は次の通りである。加速度センサで記録するデータの単位はｍＧ(ミリジー)であり、これをＮ(ニュートン)に変換するために、「９．８」を掛けて、「１０００」で割っている。またさらに、「１０００」で割っているのは単に係数ｋ１の大きさを調整するためである。

算出した累積加速度Ｉｔｏｔａｌと、単位時間、単位運動質量当りの酸素消費量との間の予め定めた直線的相関関係、すなわち、平地移動におけるＶＯ２−Ｉｔｏｔａｌ回帰式の傾きｋ１に基づき、被験者が平地を移動している場合の基本酸素消費量(Ｗ・ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ)が求まる。この回帰式の傾きｋ１の値は、本願出願人が実験により求めたものであり、本実施の形態ではｋ１＝４．６６５×１０^-2を採用している。

なお、酸素消費量と消費カロリーとの間の相関関係については、先に述べた特許文献３に記載されているように、直線的であると共に、運動種類と運動強度には関係するが被験者による個体差は生じないことが確認できている。

次に、上式(１Ｃ)に示すように、本実施の形態では、平地移動時の基本酸素消費量(Ｗ・ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ)を、気圧センサの出力値に基づき算出された高度変化に基づき補正している。すなわち、基本酸素消費量(Ｗ・ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ)を酸素消費補正量(Ｗ(ｋ２・(Ｈａ＋ｋ６)＋ｋ３・(Ｈｄ＋ｋ７)))によって補正している。

本発明者等は、アップダウンのある場所での歩行時の消費エネルギー量は、平地歩行の酸素摂取量(酸素消費量)に位置エネルギーの変化分から換算される補正項を加えることで精度良く表すことができることを見出した。以下に、本発明者等が行った実験例を示す。

(１)４２名の被験者に対して、トレッドミル歩行時の酸素摂取量を計測した。
(２)トレッドミルの傾斜角度は＋１５％、＋１０％、＋５％、０％、−５％、−１０％、−１５％に設定し(＋は上り坂、−は下り坂、０％は平地を表す)、歩行速度は、２．０から７．０ｋｍ／ｈまで設定した。
(３)図１には上り坂(傾斜角度は＋１５％、＋１０％、＋５％、０％)の結果(横軸はＩｔｏｔａｌ、縦軸は酸素摂取量)を示す。
(４)図２には、下り坂(傾斜角度は０％、−５％、−１０％、−１５％)の結果(横軸はＩｔｏｔａｌ、縦軸は酸素摂取量)を示す。
(５)被験者の位置エネルギーの増減と酸素摂取量の関係を調べるため、図３のように被験者一人ひとりの０％の回帰式からのＶＯ２の増減分(ΔＶＯ２)を計算した。
図４には、このΔＶＯ２を縦軸にとり、そのときの単位時間当たりの位置エネルギーの変化量(体重×単位時間当たりの高度変化)を横軸にとったグラフを示す。
(６)図４から、位置エネルギーの変化分が０％の回帰式からのＶＯ２の増減分に比例していることが分かる。

かかる実験結果から、アップダウンのある場所での歩行時の酸素摂取量は、平地歩行の酸素摂取量に位置エネルギーの変化分から換算される補正項を加えることで表すことができることが確認された。同様に、ジョギング時、自転車走行時などにおいても同様な関係が成立することが確認された。

本実施の形態では、このような実験結果に基づき、基本酸素消費量(Ｗ・ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ)を補正するための酸素消費補正量(Ｗ(ｋ２・(Ｈａ＋ｋ６)＋ｋ３・(Ｈｄ＋ｋ７)))を算出するための係数ｋ２、ｋ３を決定している。

次に、高度変化を表す獲得上昇量Ｈａ(上昇高度)および獲得下降量Ｈｄ(下降高度)の算出方法を説明する。基本的には、気圧センサの出力値を一定のサンプリング周期、本実施の形態では１秒毎に取得し、式(４)に示すように、取得した気圧値Ｐ_iと前回のサンプリング時の気圧値Ｐ_i-1の差分ΔＰを算出している。
ΔＰ＝Ｐ_i−Ｐ_i-1 (４)

そして、算出した差分ΔＰが負のものと正のものを、式(５)、(６)に示すように、それぞれ単位時間、本実施の形態では１分間累積し、これら単位時間当たりの負の累積差分Ｐａおよび正の累積差分Ｐｄを単位時間毎に順次に算出している。
Ｐａ＝ΣΔＰ (但し、ΔＰ＜０) (５)
Ｐｄ＝ΣΔＰ (但し、ΔＰ＞０) (６)

これらの累積値Ｐａ、Ｐｄに基づき、被験者の単位時間当たりの獲得上昇量Ｈａおよび獲得下降量Ｈｄを算出している。

ここで、気圧センサの出力値を直接累積すると、気圧センサの誤差も累積してしまい、検出精度が低下するので、本実施の形態では、図５に示すように、気圧センサの出力値にスムージング(３点の移動平均をとる)をかけている。図６(ａ)は気圧センサの生のデータを示し、図６(ｂ)にはスムージング後のデータを示してある。

スムージングをかけた気圧データに対して、１秒前の気圧値との差分が負のもの同士、および１秒前の気圧値との差分が正のもの同士を、上記の式(５)、(６)に示すように、それぞれ１分間累積して、累積値ＰａおよびＰｄを算出している。しかる後に、これらの値ＰａおよびＰｄを式(７)、(８)を用いて、高度変化に変換して、獲得上昇量Ｈａおよび獲得下降量Ｈｄを算出している。ここでＰ₀は累積する１分間の気圧値における初期値である。
Ｈａ＝１８４１０・(ｌｏｇ(Ｐ₀)−ｌｏｇ(Ｐ₀＋Ｐａ)) (７)
Ｈｄ＝１８４１０・(ｌｏｇ(Ｐ₀)−ｌｏｇ(Ｐ₀＋Ｐｄ)) (８)

本実施の形態では、算出された獲得上昇量Ｈａおよび獲得下降量Ｈｄに対して更に補正用の係数ｋ６、ｋ７を用いて誤差補正を行い、(Ｈａ＋ｋ６)および(Ｈｄ＋ｋ７)を算出している。

本発明者等の実験によれば、このように、気圧センサの出力値にスムージングをかけると共に、補正用の係数ｋ６、ｋ７を用いて誤差補正を行うことにより、精度良く高度変化を算出することができることが確認された。その実証実験の一例を以下に説明する。

基本的に、気圧センサによる気圧値の変化が高度変化によるものか当該気圧センサ固有のノイズによるものか判別することは困難である。気圧センサの出力値からノイズを除去するために出力値にローパスフィルターをかけることは有効であるが、高度変化による気圧変動も除去されてしまう可能性がある。そこで、本発明者等は、高低差が既知の複数の場所において通常の歩行速度(時速２〜６キロメートル)で移動したときの高低差を最も良く推測するフィルター特性を調べた。この結果を図７に示す。

図７から、３点移動平均によるフィルターが、条件を変えても、小さな誤差で推定できることが分かる。本実施の形態では、これに基づき、気圧センサの出力を３点移動平均によるスムージングを掛けるようにしている。

しかしながら、移動平均によるフィルターでも除去できないノイズによる累積高度が依然として残っている。図８には、このような累積誤差を静止状態の気圧センサの出力値から求めた結果を示してある。すなわち、気圧センサのノイズにより、当該気圧センサが固定されているにもかかわらず、３点の移動平均の場合でも１分間で２．１９メートルの上昇と２．２１メートルの下降があったと見なされてしまう。そこで、本実施の形態では、このような誤差成分を除去するために、算出された獲得上昇量Ｈａおよび獲得下降量Ｈｄを係数ｋ６、ｋ７を用いて補正しているのである。これらの係数値は気圧センサの特性、フィルターの特性に応じて適宜設定すればよいことが確認された。

(実施例)
本発明者等は、上記の算出式(１Ｃ)を用いてフィールド実験を行った。算出式(１Ｃ)における各係数ｋ１〜ｋ７として次の値を採用した。
ｋ１＝４．６６５×１０^-2
ｋ２＝１．３６４８×１０^-3
ｋ３＝６．１１７４×１０^-4
ｋ４＝３．６３４×１０^-3
ｋ５＝４．８２５
ｋ６＝−２．２
ｋ７＝２．２

図９にはフィールド実験結果の一例を示してある。図９(ａ)には、測定した真の酸素摂取量を黒丸で示し、３軸加速度センサおよび気圧センサに基づき算出式(１Ｃ)によって算出した算出値を白丸で示してある。また、白抜きの上向きの棒線は獲得上昇量Ｈａを表し、灰色の下向きの棒線は獲得下降量Ｈｄを表している。図９(ｂ)は実際の地形の起伏状態を示してある。また、図１０にはフィールド実験の被験者特性を示してある。

図１１はフィールド実験結果を纏めて示すグラフであり、横軸に酸素摂取量の真値をとり、縦軸には算出式(１Ｃ)による推定酸素摂取量をとってあり、白丸は上りのときの値を示し、＋は下りのときの値を示す。このグラフから分かるように、両者の相関係数はｒ＝０．９４６４であり、１に近く、極めて高い相関関係がある。したがって、実用上支障のない十分な精度で消費カロリーを算出できることが確認できている。

本実施の形態に係る消費カロリー算出方法は次の特長および利点を備えている。
(ａ)消費カロリーの推定精度がよい(真値と推定値の相関係数が約０．９５である)。
(ｂ)被験者の移動形態(平地歩行、階段の上り下りなど)を判別し、移動形態に応じて複数の算出式から一つを採用して消費カロリーを算出する処理が不要であり、上昇下降高度を補正項に含めた単一の算出式を用いて消費カロリーを移動形態の如何に拘わり無く算出(推定)できる。
(ｃ)高度変化は大気圧の絶対値ではなく、その変化量から算出しているので、気圧変動による影響を受けずに、精度良く消費カロリーを算出できる。
(ｄ)１秒単位で高度変化の累積をとっているので、短時間のアップダウンにも追従できる。
(ｅ)気圧センサの出力にスムージングを掛けることにより、センサ誤差を排除して精度良く被験者のアップダウンを検出できる。

(携帯用消費カロリー測定装置)
図１２は、本発明の方法を適用した携帯用消費カロリー測定装置の制御系を示す概略ブロック図である。図示の携帯用消費カロリー測定装置１は、３軸加速度センサ２および気圧センサ３と共に、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロプロセッサユニット４、液晶表示器５、テンキーなどを備えた操作部６、充電式電池電源などの電源部７を備えている。また、装置ケースには被験者の腰などに取り付けるための取付部(図示せず)が備わっている。

ここで、計測を開始した時の気圧(本体に内蔵している気圧センサの出力値)をメモリに記憶しておき、また、計測開始後は、１分毎の気圧をメモリに記憶しておけば、計測開始地点から現在地点までの高度変化と、直近１分間あたりの高度変化を計算し、表示できる。この結果、被験者は歩行距離あるいは移動量だけでなく、どの程度のアップダウンの歩行あるいは移動を行ったのかを知ることができ、無理なく自分のペースで登山などの運動を実施することができる。

例えば、計測を開始した地点からの高度変化は、計測開始地点の気圧センサ出力をＰ₀(ｈＰａ)、現在時点の気圧センサ出力をＰ₃(ｈＰａ)としたとき、以下の計算式で算出できる。
高度変化＝１８４１０・(ｌｏｇ(Ｐ₀)−ｌｏｇ(Ｐ₃))

１分間あたりの高度変化は、１分ごとに記録している気圧センサ出力値の直近の値をＰ₂(ｈＰａ)、その１分前に記録した気圧センサ出力をＰ₁(ｈＰａ)としたとき、以下の計算式で算出できる。
１分間あたりの高度変化＝１８４１０・(ｌｏｇ(Ｐ₁)−ｌｏｇ(Ｐ₂))

なお、計測開始地点から現在地点までの高度変化と、直近１分間の高度変化は、どちらも、天候変化や温度変化などで誤差が発生するため、これらを別途計測しておいて補正してもよい。

図１３には、携帯用消費カロリー測定装置１の表面パネル部分の一例を示す説明図であり、高度変化を示す液晶表示器５の画面表示例を示してある。液晶表示器５の表示部５ａの表示画面において、上段の数字「１２４３．５ｍ」が計測を開始してからの高度変化であり、下段の数字「＋１０．３ｍ」が直近１分間の高度変化である。符号「＋」は変化が上昇であったことを表している。下降の場合には符号「−」が表示される。

なお、表面パネル部分には、液晶表示器５の表示部５ａの他、計測の開始、終了、設定の決定などに用いる「開始／終了／決定」ボタン１１、測定モードの切替などに用いる「モード」ボタン１２、設定値の増加、日時表示、イベントの記録などに用いるボタン１３、設定値の減少、高度差表示などに用いるボタン１４、電源のオン・オフに用いる「電源」ボタン１５が配置されている。

上り坂歩行時の酸素摂取量と累積加速度の関係を示すグラフである。下り坂歩行時の酸素摂取量と累積加速度の関係を示すグラフである。被験者の位置エネルギーの増減があるときに、平地歩行時に比べて酸素摂取量の増減があることを示す説明図である。位置エネルギーの変化分と酸素摂取量の増減分の関係を示すグラフである。気圧センサの出力値のスムージングの方法を示す説明図である。 (ａ)は気圧センサの生のデータを示すグラフであり、(ｂ)はスムージング後のデータを示すグラフである。気圧センサの出力値の移動平均点数と誤差の関係を示すグラフである。気圧センサを固定したときに高度変化と見なされる累積誤差を示す図である。フィールド実験結果の一例を示す図であり、(ａ)は真の酸素摂取量および算出した酸素摂取量、並びに、獲得上昇量および獲得下降量を示すグラフであり、(ｂ)は実際の地形の起伏状態を示すグラフである。フィールド実験の被験者特性を示す図である。酸素摂取量の真値とその算出(推定)値との相関図である。携帯用消費カロリー測定装置の概略ブロック図である。図１２の携帯用消費カロリー測定装置の表面パネルの一例を示す説明図である。

符号の説明

１携帯用消費カロリー測定装置
２３軸加速度センサ
３気圧センサ
４マイクロプロセッサユニット
５液晶表示器
５ａ画面
６操作部
７電源部
１１「開始／終了／決定」ボタン
１２「モード」ボタン
１３、１４ボタン
１５「電源」ボタン

Claims

被験者に取り付けた加速度センサおよび高度センサの出力に基づき、当該被験者の運動時の消費カロリーを算出する消費カロリー算出方法であって、
前記加速度センサから、被験者が平地で運動したと想定した場合の基本消費カロリーを算出し、
前記高度センサから、被験者の単位時間当たりの高度変化を算出し、
単位時間当たりの高度変化と消費カロリーとの関係式に基づき、前記基本消費カロリーを補正して、被験者の運動形態に高度変化がある場合でも消費カロリーを算出することを特徴とする消費カロリー算出方法。
請求項１に記載の消費カロリー算出方法において、
前記高度センサから被験者の単位時間当たりの高度変化を算出する工程では、前記高度センサの出力値に基づき、被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)を算出し、
単位時間当たりの高度変化と消費カロリーとの関係式に基づき前記基本消費カロリーを補正する工程では、算出された獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)のそれぞれと、単位時間当たりの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、前記基本消費カロリーを補正することを特徴とする消費カロリー算出方法。
請求項１に記載の消費カロリー算出方法において、
前記高度センサから単位時間当たりの高度変化を算出する工程では、前記高度センサの出力値に基づき、被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)を算出し、
単位時間当たりの高度変化と消費カロリーとの関係式に基づき前記基本消費カロリーを補正する工程では、算出された獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)のそれぞれと、単位時間、単位運動質量当たりの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、前記基本消費カロリーを補正することを特徴とする消費カロリー算出方法。
請求項２または３に記載の消費カロリー算出方法において、
前記高度センサの出力値を一定のサンプリング周期で取得し、取得した出力値(Ｐ _i )と前回のサンプリング時の出力値(Ｐ _i-1 )の差分(ΔＰ)を算出し、
算出した差分(ΔＰ)が負のものと正のものを、それぞれ単位時間に亘って累積し、これら単位時間当たりの負の累積差分(Ｐａ)および正の累積差分(Ｐｄ)を単位時間毎に順次に算出し、
これらの累積差分(Ｐａ、Ｐｄ)に基づき、被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)を算出することを特徴とする消費カロリー算出方法。
請求項４に記載の消費カロリー算出方法において、
前記高度センサの出力値に基づき、単位時間当たりの負の累積差分(Ｐａ)および正の累積差分(Ｐｄ)を算出するに当たって、当該高度センサの出力値(Ｐ _i )の代わりに、当該出力値(Ｐ _i )と、その前後に得られる一つあるいは複数の出力値との移動平均を用いることを特徴とする消費カロリー算出方法。
請求項４または５に記載の消費カロリー算出方法において、
累積差分(Ｐａ、Ｐｄ)に基づき算出された被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)に、予め定めた誤差補正量をそれぞれ加算あるいは減算し、
これによって得られた補正後の獲得上昇量および補正後の獲得下降量を用いて、前記基本消費カロリーを補正することを特徴とする消費カロリー算出方法。
請求項１ないし６のうちのいずれかの項に記載の消費カロリー算出方法において、
前記加速度センサとして３軸加速度センサを用いることを特徴とする消費カロリー算出方法。
請求項７に記載の消費カロリー算出方法において、
前記加速度センサから被験者が平地で運動したと想定した場合の基本消費カロリーを算出する工程では、
前記３軸加速度センサの出力値を一定のサンプリング周期で取得し、取得した３軸方向の加速度(Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚ)のノルム(Ｉｘｙｚ)を算出し、
算出したノルム(Ｉｘｙｚ)を、予め定めた単位時間に亘って累積し、この単位時間当たりの累積加速度(Ｉｔｏｔａｌ)を単位時間毎に順次に算出し、
算出した累積加速度(Ｉｔｏｔａｌ)と、単位時間、単位運動質量当りの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、被験者の基本消費カロリーを算出することを特徴とする消費カロリー算出方法。
請求項８に記載の消費カロリー算出方法において、
前記加速度センサの出力値を一定のサンプリング周期で取得し、取得した３軸方向の加速度(Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚ)のノルム(Ｉｘｙｚ)を算出する工程では、
取得した３軸方向の加速度(Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚ)にローカットフィルターをかけ、重力加速度成分を除去した後にノルム(Ｉｘｙｚ)を算出し、
算出したノルム(Ｉｘｙｚ)を、予め定めた単位時間に亘って累積し、この単位時間当たりの累積加速度(Ｉｔｏｔａｌ)を単位時間毎に順次に算出し、
算出した累積加速度(Ｉｔｏｔａｌ)と、単位時間、単位運動質量当りの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、被験者の基本消費カロリーを算出することを特徴とする消費カロリー算出方法。
被験者に取り付けた３軸加速度センサおよび気圧センサの出力に基づき当該被験者の運動時の消費カロリーを算出する消費カロリー算出方法であって、
前記３軸加速度センサの出力値を一定のサンプリング周期で取得し、取得した３軸方向の加速度(Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚ)のノルム(Ｉｘｙｚ)を算出し、
算出したノルム(Ｉｘｙｚ)を、予め定めた単位時間に亘って累積し、この単位時間当たりの累積加速度(Ｉｔｏｔａｌ)を単位時間毎に順次に算出し、
算出した累積加速度(Ｉｔｏｔａｌ)と、単位時間、単位運動質量当りの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、被験者の基本消費カロリーを算出し、
前記気圧センサの出力値を一定のサンプリング周期で取得し、取得した気圧値(Ｐ _i )と前回のサンプリング時の気圧値(Ｐ _i-1 )の差分(ΔＰ)を算出し、
算出した差分(ΔＰ)が負のものと正のものを、次式に示すように、それぞれ単位時間に亘って累積し、これら単位時間当たりの負の累積差分(Ｐａ)および正の累積差分(Ｐｄ)を単位時間毎に順次に算出し、
Ｐａ＝ΣΔＰ (但し、ΔＰ＜０)
Ｐｄ＝ΣΔＰ (但し、ΔＰ＞０)
これらの累積差分(Ｐａ、Ｐｄ)に基づき、被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)を算出し、
算出された単位時間当たりの前記獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)のそれぞれと、単位時間、単位運動質量当りの消費カロリーとの間の予め定めた直線的相関関係に基づき、次式(１Ａ)により、前記累積加速度(Ｉｔｏｔａｌ)から算出した前記基本消費カロリーを補正して、上り下りを考慮した被験者の消費カロリー(Ｃａｌ)を算出することを特徴とする消費カロリー算出方法。
Ｃａｌ＝Ｗ・(ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ＋ｋ２・Ｈａ＋ｋ３・Ｈｄ)・ｋ５ (１Ａ)
但し、
Ｗ：被験者の体重
ｋ１：累積加速度を酸素摂取量に変換するための係数
ｋ２：獲得上昇量による酸素摂取量補正のための係数
ｋ３：獲得下降量による酸素摂取量補正のための係数
ｋ５：酸素摂取量をカロリーに変換するためのカロリー変換係数
請求項１０に記載の消費カロリー算出方法において、
単位時間当たりの被験者の消費カロリー(Ｃａｌ)を、安静時の酸素摂取量ｋ４も考慮して、次式(１Ｂ)により算出することを特徴とする消費カロリー算出方法。
Ｃａｌ＝Ｗ・(ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ＋ｋ２・Ｈａ＋ｋ３・Ｈｄ＋ｋ４)・ｋ５ (１Ｂ)
請求項１０または１１に記載の消費カロリー算出方法において、
前記気圧センサの出力値に基づき、単位時間当たりの負の累積差分(Ｐａ)および正の累積差分(Ｐｄ)を算出するに当たって、当該気圧センサの出力値(Ｐ _i )の代わりに、当該出力値(Ｐ _i )と、その前後に得られる一つあるいは複数の出力値との移動平均を用いることを特徴とする消費カロリー算出方法。
請求項１１または１２に記載の消費カロリー算出方法において、
累積差分(Ｐａ、Ｐｄ)に基づき算出された被験者の単位時間当たりの獲得上昇量(Ｈａ)および獲得下降量(Ｈｄ)に含まれる誤差補正用の係数をそれぞれｋ６およびｋ７とし、単位時間当たりの被験者の消費カロリー(Ｃａｌ)を次式(１Ｃ)により算出することを特徴とする消費カロリー算出方法。
Ｃａｌ＝Ｗ・(ｋ１・Ｉｔｏｔａｌ
＋ｋ２・(Ｈａ＋ｋ６)＋ｋ３・(Ｈｄ＋ｋ７)＋ｋ４)・ｋ５ (１Ｃ)
請求項１０ないし１３のうちのいずれかの項に記載の方法によって被験者の運動時の消費カロリーを算出する携帯用消費カロリー測定装置であって、
３軸加速度センサと、
気圧センサと、
被験者の体重の入力、消費カロリーの測定の開始および終了の指示を入力するための入力部と、
被験者の単位時間当たりの消費カロリーを順次に算出する演算部と、
算出された前記消費カロリーを順次に記憶保持するメモリと、
算出された前記消費カロリーを表示するための表示部とを有していることを特徴とする携帯用消費カロリー測定装置。