JP5432789B2 - 運動能力判定装置 - Google Patents
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しかし、運動をしようとする人が、その運動能力の範囲内で適切に運動ができているかを知り得ることは難しいので、運動中や運動後に運動強度を報知したりする技術が広く提案されている。
また、運動をする人が運動強度レベルの目標を設定することができるため、運動後にどの程度の達成度があったのかも判定できる。
説明に先だって「METs」という単位について若干説明を行なう。「METs」とは身体の活動度の指標である体重1kg当りのエネルギ代謝量(単位はKcal/kgであり、以下の記述では単位は省略する)が、安静時の何倍に相当するかを示す数値である。例えば「3METsの運動」とは、その運動は安静時の3倍のエネルギ代謝量を必要とする運動強度である、ということを示す。
また身長入力手段153によって入力された身長と、歩数カウンタ220と1分当りの歩数算出手段220aによって算出された1分間当りの歩数とから歩行速度算出手段230によって歩行速度が算出され、算出された歩行速度からMETs係数算出手段240によってMETs係数M1が算出される。
また、運動量算出手段250は、METs係数M1に基づき運動量Qを算出する。
運動量判断手段350は、運動量Qと運動レベルLとを比較し、運動レベルL以上の運動量Qmを累積手段360に累積し累積運動量表示手段440に表示する。
このようにすれば、運動する人は、適切な運動負荷度の範囲内で運動を行なっているか否かを把握することができて、便利である。
運動をする人にとって、標準的な運動能力に対する自身の運動能力の優劣を知れば、運動能力を向上させようと考えるきっかけにも成り得るし、また、運動能力が次第に向上して行くように、運動の強さ(運動負荷度)を調整するなどして、無理なく運動能力を向上させることができる。
すなわち、算出された運動レベルLを、設定METs係数M2とMETs係数M1との比によって決定し、設定METs係数M2を、年齢、性別、運動強度によって統計的に算出された標準値としている。さらに、METs係数M1も歩行速度からMETs値に換算する過程で統計的に算出された標準値が使用されている。したがって、設定METs係数M2とMETs係数M1とから算出される運動レベルLもまた、統計的に算出された標準値を基準にしたものとなっている。
これにより、使用者固有の運動能力に適した運動を行なわせることができ、運動による運動能力の向上も把握することができる。
そして使用者は、使用者個人の運動能力が標準的な運動能力に比べどの程度差があるかをMETs値を用いて認識し、無理のない効果的な運動を持続しながら運動能力の向上も簡便に認識することができるので、本発明は簡便かつ有用な運動能力判定装置を提供することができる。
前述したように、「METs」とは身体の活動度の指標である体重1kg当りのエネルギ代謝量が安静時のエネルギ代謝量の何倍に相当するかを示す数値である。
すなわち、「心拍METs」とは、外的要因によって増加した身体の内的活性度を表すMETsとみなすことができる。
図1は第1の実施形態である運動能力判定装置1の機能ブロック図であり、図2は回路ブロック図であり、図3はフローチャートであり、図4は外観図であり、図5は使用例を示す外観図である。図6は歩行METsデータHm算出グラフ、図7は定数表である。
図1、図2、図6、図7を用いて運動能力判定装置1の構成を説明する。
図1において、1は運動能力判定装置、21は生体センサ、2は心拍信号検出手段、3は心拍数算出手段、35は安静心拍数記憶手段、31は計時手段31、4は歩行ピッチ算出手段、41は加速度検出手段、5は歩行速度算出手段、51は歩幅データ算出手段、6は歩行METs算出手段、7は心拍運動強度算出手段、71は個人データ入力手段、72は最高心拍数算出手段、8は運動能力算出手段、81は心拍METs算出手段、9は報知手段である。
心拍信号検出手段2は、生体信号Bsから心拍に同期した心拍信号Spを検出し、心拍数算出手段3に出力する。
より詳細に説明すると、心拍数算出手段3は、安静時に測定した心拍数を安静心拍数Ssrとして安静心拍数記憶手段35に出力し、歩行運動時に測定した心拍数を運動心拍数Ssdとして心拍運動強度算出手段7に出力する。
最高心拍数Sh=220−年令Y(単位:P/min)
なお、式2における安静心拍数Ssrは、前述したように身体を安静にして測定した安静心拍数で、運動心拍数Ssdは歩行運動中に測定した心拍数である。詳細については後述の動作の説明で詳述する。
心拍運動強度データSu=(運動心拍数Ssd−安静心拍数Ssr)/(最高心拍数Sh−安静心拍数Ssr)×100(単位:%)
心拍METsデータSm=心拍運動強度Su×α/10−β(単位:METs)
歩行速度Hs=歩幅データHd×パルス数Hpn/判定時間データT
図6は、歩行METsデータHm算出グラフで、横軸は歩行速度Hs(km/h)で、縦軸は歩行METsデータHm(METs)であり、歩行速度(km/h)から運動強度(METs)を算出する場合に使用するグラフである。このグラフの元になるデータは、厚生労働省の「健康づくりのための運動指針2006」から得ているものである。
歩行METs算出手段6は、図6に示すグラフから歩行速度Hsに基づき歩行METsデータHmを算出し、運動能力算出手段8に出力する。
運動量Ex=運動強度METs×時間(単位:エクササイズ)
1Ex=1METs×1時間(単位:エクササイズ)
運動能力データUn=歩行METsデータHm―心拍METsデータSm(単位:METs)
次に、図2を用いて運動能力判定装置1の回路構成を説明する。
図2において、10は全体の動作を制御するマイクロプロセッサ、11は操作スイッチ、12は情報を記憶する記憶部、13は装置に電力を供給するための知られている電源、91はMETs値などを表示する表示器、92はアラーム音などを発する報音器である。
記憶部12は、電気的に書込および消去が可能な、例えばEEPROMのような不揮発性記憶装置を用いることができる。
次に、図1と図4および図5とを用いて運動能力判定装置1の外観を説明する。
図4において、運動能力判定装置1は手のひらに乗る程度の大きさで、前面に表示器91と報音器92と操作スイッチ11と心電位電極21aを備えている。図5において、22は使用者の手である。
図4には、数値表示部91aに「+」、「−」、「188.8」と表示されているが、これらの記号や数字は測定結果に応じて表示されるものである。
単位表示部91bには、「MF」、「cm」、「P/min」、「METs」が表示できるようになっており、測定結果に応じて適する単位が表示される。
マーカーエリア91cには、「年令」、「性別」、「歩幅」、「心拍数」が表示できるようになっており、個人データ入力手段71により個人データKdを入力するときなどにマーカーとして表示することができる。
バーグラフ表示部91agは、図4に示す例では、メモリと三角マークが表示できるようになっており、運動能力データUnの相対的レベルをバーグラフで表示できるようになっている。
したがって、計時手段31からの歩行終了信号Mcによって、報音器92からアラーム音やチャイム、音声などからなる報知音を発生する。そして、同時に、表示器91の測定終了アイコン91dを点滅させてもよい。
測定終了アイコン91dは、図4に示す例では、ハート型をしているがこれに限定はしない。測定終了を認識させる記号や文字、マークであればよい。
なお、図4に示すように、心電位電極21aは生体との接触を確実にするため、運動能力判定装置1の前面から側面にわたって設けられている。このようにすれば、図5に示すように使用者は左右の手22で装置を挟みこむように持つだけで、例えば親指と人指し指との両方が心電位電極21aに自然に触れることができると共に、多くの指が接することで生体と電極との間に隙間ができにくくなるから、生体信号Bsを安定して測定することができる。
なお、この“−2.3 Mets”の表示例は、使用者固有の運動能力が統計的に算出された標準値より2.3METs低いことを示している。バーグラフ表示部91agは、運動能力データUnを視覚的に把握する効果があり、バーグラフ上の三角マークは運動能力データUnの相対的レベルを表している。
つぎに図3のフローチャートを用い、さらに図1〜図5および図8を併用して、運動能力判定装置1の動作を詳述する。
なお、表示器91にドットマトリクス形の液晶表示装置を用いる場合は、全てのドットを点灯させてもよい(ステップST2)。
すなわち、ステップST2の点灯確認の後、図4に示す表示器91のマーカーエリア91cの“年令”のマークが点滅し、使用者が既に“45”と入力してあれば数値表示部91aと単位表示部91bに、“45 Y”のように、年令と単位“Y”とが点灯するが、もし何も入力してなければ“30 Y”のように、デフォルト値が表示されるので、アップスイッチ11cとダウンスイッチ11dとを用いて所定の数値に合わせた後、決定スイッチ11eを押す(ステップST3)。
歩幅データHdの入力も同様の手続きで入力することができる。なお、ステップST3で入力された歩幅データは、図1の歩行速度算出手段51における歩行速度算出に用いられる。
図4に示す表示器91のマーカーエリア91cの“心拍数”のマーカーが点滅し、使用者に安静心拍数Ssrの測定を促す。使用者が既に安静心拍数を入力してあれば数値表示部91aおよび単位表示部91bに“68 P/min”のように入力されている数値が表示され、もし何も入力してなければ“60 P/min”のように、デフォルト値が表示される。
心拍の測定が終わるとマーカーエリア91cの“心拍数”のマーカーが点滅から連続点灯に変わり、安静心拍数Ssrの測定が終了したことを使用者に知らせる。使用者は、確定スイッチ11eを押して、安静心拍数Ssrの入力を完了させる(ステップST4)。
ところで、運動能力判定装置1には、衣服やベルトに固定するための図示しない固定具を備えるようにしてもよい。この固定具は、例えばクリップである。
図2の記憶部12に記憶されている安静心拍数Ssrと運動心拍数Ssdと最高心拍数Shとから、心拍運動強度データSuが算出され、さらに心拍運動強度データSuから心拍METsデータSmが算出される(ステップST11)。
以上のように、運動能力判定装置1によれば、日常的に行なう歩行と心拍数の計測によって得られる歩行METsと心拍METsとから、使用者固有の運動能力を簡便に算出することが可能となる。
すなわち、図8に示すように使用者個人の運動能力が標準的な運動能力に比べてどの程度差があるか、METs値を用いて数値化することができるので、使用者は無理のない効果的な運動を持続しながら運動能力の向上も簡便に認識することが可能となる。
第2の実施形態である運動能力判定装置100は、運動心拍数Ssdの測定を、歩行運動停止後に所定の時間内に行い、運動心拍数Ssdの測定を容易かつ簡便に行なうものである。すなわち、歩行運動の停止後、時間とともに心拍数は低下するが、歩行運動の停止からの遅延時間Taによって心拍数を補正し、正確な運動心拍数Ssdを得るものである。
なお、説明にあっては、この所定の時間を30秒とする例で説明する。
図10は、運動能力判定装置100の構成を示す機能ブロック図であり、第2の実施形態の特徴を示す部分を表した機能ブロック図である。図11は、運動能力判定装置100
の動作を示すフローチャートである。図12は、上乗せ心拍数Ssa算出グラフであり、歩行運動停止後の時間Taによって心拍数Ssが時間とともにどのように変化するかを示すグラフである。
はじめに図10を用いては運動能力判定装置100の構成を説明する。
図10に示すように心拍数算出手段3は心拍数計算部30と運動心拍数補正部32と上乗せ心拍数計算部33とから構成される。以下に各要素の機能を詳述する。
計時手段31は、歩行終了信号Mcを出力すると同時に遅延時間データTaの計測を開始し、刻々と変わる遅延時間データTaを上乗せ心拍数計算部33に出力する。
図12は、上乗せ心拍数Ssa算出グラフで、横軸は運動停止後の秒単位の時間(sec)で、縦軸は上乗せする心拍数(回/分)であり、運動中の心拍数を運動後の心拍数から推定する場合に使用するグラフである。なお、このグラフは、使用者を固定して歩行運動と歩行運動後の心拍数の変化とを複数回測定し、その結果に基づき作成したものであり、図2に示す記憶部12に記憶されている。
より詳細には、上乗せ心拍数計算部33は、歩行ピッチ信号Hpが発生していなければ、図12のグラフに基づき計時手段31から入力された時点の遅延時間データTaに対応する上乗せ心拍数Ssaを参照し、歩行ピッチ信号Hpが発生していれば、上乗せ心拍数Ssaを参照しない。
なお、第2の実施形態の他の要素は第1の実施形態と同じなので、重複する説明は省略する。
つぎに、図11を用いて運動能力判定装置100の動作を説明する。説明にあっては、第1の実施形態についての図2および図10も参照されたい。
ステップST9以降は、第1の実施形態と同様であるので省略する。
以上、説明した第2の実施形態の効果は、次のようなものである。
すなわち、歩行運動中に運動心拍数Ssdを測定するには、指を約15秒間心電位電極21aに静かに当てる必要があるが、歩行運動によっては指と電極の接触が不安定になり、雑音等が生じて心電位信号の検出が困難になる場合が多い。よって第2の実施形態のように歩行運動を停止して測定することは、より安定な測定を可能とするのである。
次に、図13〜図15を用いて、運動能力判定装置の第3の実施形態について説明する。
第3の実施形態である運動能力判定装置101は、第1の実施形態に対して加速度検出手段41の構成および歩幅データ算出手段51の構成が異なるものである。より詳細には第3の実施形態では、加速度検出手段41および歩幅データ算出手段51において、GPS受信機が用いられることが第1の実施形態と異なっている。
なお、第3の実施形態である運動能力判定装置101は、第1の実施形態における運動能力判定装置1と基本的な構成は同じであるので、各図において同一要素には同一番号を付して重複する説明は省略し、第3の実施形態の構成と動作のみ説明する。また、以下の説明にあっては、第1の実施形態についての図1〜図5および、図6〜図9も参照されたい。
まず、図15を用いて運動能力判定装置101の外観図を説明する。
図15に示すように、運動能力判定装置101は、背面にGPS受信機41aを備えており、GPS受信機41aとの機械的かつ電気的な接続を行う構造になっている。その構造は、例えば、ロック機構を備えたコネクタなどである。また、GPS受信機41aの背面には衣服やベルトに固定するための図示しないクリップを備えるようにしてもよい。その他の構成要素は第1の実施形態と同様であるので、重複する説明は省略する。
つぎに図13を用いて運動能力判定装置101の構成を説明する。既に述べたように、運動能力判定装置101は、第1の実施形態と加速度検出手段41および歩幅データ算出手段51との構成が異なるので、加速度検出手段41の構成をまず説明する。
図13に示すように、加速度検出手段41は、GPS受信機41aとデータ処理部41
bとデータ算出部41cとから構成される。以下に各要素の機能を詳述する。
図13に示すように、歩幅データ算出手段51は、距離情報算出部51cと数値演算部51bとによって構成される。
距離情報算出部51cは、加速度検出手段41のデータ処理部41bの位置情報Rjに基づき距離情報Kjを算出し数値演算部51bに入力する。
数値演算部51bは、距離情報算出部51cから入力される距離情報Kjを、歩行ピッチ算出手段4から入力される歩行ピッチ信号Hpで除算して歩幅データHdを算出する。
以上、説明した第3の実施形態の効果は、次のようなものである。
すなわち、GPS受信機によって歩行運動は逐一詳細にデータ化され、位置情報Rjや距離情報Kjなどから、加速度信号Asおよび歩幅データHdおよび歩行速度Hsが自動的に算出される。一方、歩幅データHdにおいては、しばしば身長からの推定値や実際に歩幅を測定して得た数値などが用いられるが、これらの方法は一般的に誤差が大きくなりがちである。しかし、第3の実施形態によれば、歩幅データHdおよび歩行速度Hsの算出は、実際の値通りの正確なものとなり、歩行METsデータHmの測定精度を向上させることができる。
次に、図16、図17を用いて、運動能力判定装置の第4の実施形態について説明する。
第4の実施形態である運動能力判定装置102は、第1の実施形態に対して心拍信号Spの検出方法が異なるものである。
赤外線光が使用者の指先に照射されると、血液中のヘモグロビンの量に応じて反射光や透過光が変化することで脈拍を検出するものである。
第3の実施形態である運動能力判定装置102の効果は、心拍の検出に両方の指を必要とせず、より簡便に心拍と同等の脈拍の検出ができることである。心電位の検出においては、心臓を挟む2点間の電位計測が必要なので、2つ以上の電極を身体に安定に当てなくてはならないが、運動能力判定装置102における脈拍の検出は、光電型センサ21bを用いることで片手の任意の指で行える。このため、身体の拘束の程度や、測定の簡便性という点で有利である。
以上述べたように、本発明の運動能力判定装置によれば、使用者個人の運動能力が標準からどの程度差があるかを、METs値を用いて数値化されるので、使用者固有の運動能力に適した運動を無理なく効果的に持続することが可能となり、かつまた運動による運動能力の向上の把握においても、有用な運動能力判定装置を提供することができる。
なお、以上説明した実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を満たすものであれば任意に変更することができることはいうまでもない。
2 心拍信号検出手段
21 生体センサ
21a 心電位電極
21b 光電型センサ
22 手
3 心拍数算出手段
30 心拍数計算部
31 計時手段
32 運動心拍数補正部
33 上乗せ心拍数計算部
35 安静心拍数記憶手段
4 歩行ピッチ算出手段
41 加速度検出手段
41a GPS受信機
41b データ処理部
41c データ算出部
41k 加速度センサ
5 歩行速度算出手段
51 歩幅データ算出手段
51a 数値設定部
51b 数値演算部
51c 距離情報算出部
6 歩行METs算出手段
7 心拍運動強度算出手段
71 個人データ入力手段
72 最高心拍数算出手段
8 運動能力算出手段
81 心拍METs算出手段
9 報知手段
91 表示器
91a 数値表示部
91ag バーグラフ表示部
91b 単位表示部
91c マーカーエリア
91d 測定終了アイコン
92 報音器
10 マイクロプロセッサ
11 操作スイッチ
11a 電源スイッチ
11b 選択スイッチ
11c アップスイッチ
11d ダウンスイッチ
11e 確定スイッチ
12 記憶部
13 電源
As 加速度信号
Bs 生体信号
Bs1 心電位信号
Bs2 光電脈波信号
Gs 衛星情報
Rj 位置情報
Kj 距離情報
Hp 歩行ピッチ信号
Hpn (歩行ピッチ信号の)パルス数
Hd 歩幅データ
Hs 歩行速度
L 歩行距離
Hm 歩行METsデータ
T 判定時間データ
Ta 遅延時間データ
Sp 心拍信号
Ss 心拍数
Ssr 安静心拍数
Ssd 運動心拍数
Ssa 上乗せ心拍数
Kd 個人データ
Sh 最高心拍数
Su 心拍運動強度データ
Sm 心拍METsデータ
Un 運動能力データ
Mc 歩行終了信号
METs 運動強度を表す単位
Ex 運動量を表す単位
Ex0 定められた運動量(0.34エクササイズ)
150 入力部
151 年令入力部
152 性別入力部
153 身長入力手段
154 運動強度入力部
200 CPU
220 歩数カウンタ
220a 歩数算出手段
230 歩行速度算出手段
240 METs係数算出手段
250 運動量算出手段
310 テーブル
320 テーブル
330 比較手段
340 運動レベル決定手段
350 運動量判断手段
360 累積手段
440 累積運動量表示手段
L 運動レベル
Q 運動量
Qm 運動量
M1 METs係数
M2 設定METs係数
Claims (8)
- 生体の情報を検出して運動能力を判定する運動能力判定装置において、
生体に現れる生体情報を検出して生体信号を出力する生体センサと、
前記生体信号に基づき心拍信号を出力する心拍信号検出手段と、
前記心拍信号に基づき安静時の心拍数である安静心拍数と歩行運動中の心拍数である運動心拍数とを出力する心拍数算出手段と、
個人データを入力する個人データ入力手段と、
前記個人データに基づき最高心拍数を出力する最高心拍数算出手段と、
前記最高心拍数と前記安静心拍数と前記運動心拍数とに基づき心拍運動強度データを出力する心拍運動強度算出手段と、
前記心拍運動強度データに基づき心拍METsデータを出力する心拍METs算出手段と、
生体が動作したことによって生じる加速度を検出して加速度信号を出力する加速度検出手段と、
前記加速度信号に基づき歩行ピッチを算出して歩行ピッチ信号を出力する歩行ピッチ算出手段と、
歩幅データを算出する歩幅データ算出手段と、
前記歩行ピッチ信号と前記歩幅データとから歩行速度を算出する歩行速度算出手段と、
前記歩行速度に基づき歩行METsデータを算出する歩行METs算出手段と、
前記歩行METsデータと前記心拍METsデータとから運動能力データを算出する運動能力算出手段と、
を備えたことを特徴とする運動能力判定装置。 - 前記加速度検出手段は、所定の加速度が印加されたときに前記加速度信号を出力する加速度センサで構成することを特徴とする請求項1に記載の運動能力判定装置。
- 前記加速度検出手段は、
GPS受信機と、
前記GPS受信機から得られた衛星情報から位置情報を抽出するデータ処理部と、
前記位置情報に基づいて前記加速度信号を出力するデータ算出部と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の運動能力判定装置。 - 前記歩幅データ算出手段は、前記データ処理部から得られた位置情報から距離情報を算出して前記歩行ピッチ信号で除算することにより歩幅データを算出する数値演算部を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の運動能力判定装置。
- 前記歩幅データ算出手段は、歩幅の数値を入力する数値設定部を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の運動能力判定装置。
- 前記運動能力データは、前記歩行METsデータと前記心拍METsデータとの差に基づくものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の運動能力判定装置。
- 前記心拍METs算出手段は、前記心拍運動強度データを前記心拍METsデータに、直線回帰法により換算するものであることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の運動能力判定装置。
- 前記心拍数算出手段は、
前記心拍信号に基づき前記心拍数を算出する心拍数計算部と、
歩行運動停止後の遅延時間に基づき上乗せ心拍数を算出する上乗せ心拍数算出部と、
前記心拍数を前記上乗せ心拍数で補正して前記運動心拍数を算出する運動心拍数補正部と、
を備えることを特徴とする請求項1から7のいずれか1つに記載の運動能力判定装置。
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