JP5794344B2

JP5794344B2 - 生体情報測定装置及び方法

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Publication number: JP5794344B2
Application number: JP2014088000A
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Inventors: 黒田　真朗; 真朗黒田
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Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: JP2014166559A

Description

本発明は、生体情報測定装置に係り、具体的には心拍数を測定して酸素摂取量を推定することが可能な生体情報測定装置に関する。

健康的な観点および予防医学的な観点からも人間が食物を摂取し、体内に取り込んだカロリーと、これを日常生活により消費するカロリーのバランスがとれていることが重要である。しかし、現代社会においては、交通機関などの発達により、カロリー消費量は減少する傾向にある。その一方で、食物によるカロリー摂取量は増加する傾向にあり、摂取カロリーとカロリー消費量とのバランスが崩れてきている。そこで、積極的に運動を行って、カロリー消費量を増やし、カロリー摂取量とカロリー消費量との関係を管理することが重要となる。そこで、以下の特許文献１には、一般の利用者が簡単に健康管理を行える携帯型の装置について記載されている。この装置によれば、利用者の心拍数を常時計測し、その心拍数と利用者の身体的情報（身長、体重、年齢、性別など）とに基づいて、酸素摂取量を推定することができるようになっている。酸素摂取量は、単位時間、単位重量あたりの酸素の消費量（体積）であり、カロリー消費量は、利用者の体重と酸素摂取量との乗算値に比例する。

ところで、上述したような健康管理に対する社会的関心を向上させ、近年問題視されているメタボリック症候群などに起因する生活習慣病を予防することを目的として、以下の非特許文献１に記載されているように、厚生労働省は、２００６年にカロリー消費量の指標として、運動強度を表す「メッツ」、およびその「メッツ」に時間を乗じた運動量を表す「エクササイズ」という単位を策定し、様々な運動の種別と運動強度（メッツ）との対応関係を規定した。そして、理想的な運動量は、１週間で２３エクササイズであるとした。

しかし、この適正運動量である２３エクササイズは、達成することが難しい数値であることが判明した。例えば、早歩き（ウォーキング）や自転車走行は、４メッツの運動強度であり、ウォーキングを毎日３０分行って、毎日４エクササイズの運動を行っていたとしても、１週間の運動量は１４エクササイズであり、２３エクササイズには、遠く及ばない。もちろん、運動の時間を長くしたり、強度が大きな運動を日常的に行ったりすれば２３エクササイズは、達成可能な数値であるが、繁忙で疲労が蓄積しやすい平日に強度の大きな運動をしたり、長時間継続して運動を行ったりすること自体が現実的ではない。

その一方で、休日の増加や自然志向者の増加に伴って、休日にハイキングや登山などを楽しむ人が多くなって来た。ハイキングの運動強度は６メッツといわれており、１週間に４時間のハイキングを行えば、１週間分のエクササイズを達成することができる。したがて、ハイキングや登山は平日に運動機会が少ない人には有効な健康管理手法と言える。

特開２００９−６１２４６号公報

株式会社Impress Watch、"現代家電の基礎用語第36回：運動量を測る「メッツ/エクササイズ」とは"、[online]、[平成２２年３月５日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://kaden.watch.impress.co.jp/cda/word/2009/02/13/3522.html＞

上述したように、休日のハイキングや登山は、日常生活における運動不足の解消方法の一つとして有効である。ところで、ハイキングや登山は、複数人でパーティを組んで行うことが普通である。そのため、パーティを構成する複数のメンバーは、同じ行程を同じ速度で歩くことが前提となる。しかし、パーティの中の各メンバーは、それぞれに、体力、経験、体調、携行する装備の重量などが異なり、同じ行程でも、大きな疲労感を感じる人、物足りないと感じる人など、各メンバーで負荷の度合いに差が生じる。したがって、ハイキングや登山においては、メンバー間の健康状態に不均衡が生じる可能性がある。これでは、パーティを組んでハイキングや登山を行うことの意義が無くなる。

そこで、本発明は、ハイキングや登山において、パーティを構成する各メンバーがそれぞれ同じような負荷を感じるようにするための指標となる情報を心拍数から生成して表示する生体情報測定装置を提供することを目的としている。なお、その他の目的については以下で明らかにする。

上記目的を達成するための主たる発明は、利用者の身体に装着されて、当該利用者の生体情報を測定して、酸素摂取量を推定する生体情報測定装置であって、
利用者の拍動に相当する信号成分を含んだ脈波信号を測定する脈波測定部と、
利用者の身体的特徴に関わる身体情報を記憶する記憶部と、
前記脈波信号に基づいて心拍数を計算する心拍数計算部と、
上記身体情報に基づいて相対心拍数と相対酸素摂取量との関係を示す回帰式情報を生成する回帰式生成部と、
前記回帰式情報と前記心拍数計算部により計算された心拍数ＨＲａとに基づいて、当該心拍数ＨＲａに対応する自己の相対酸素摂取量％ＶＯ₂ａを計算する相対酸素摂取量計算部と、
他者の相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂを取得して、前記自己の相対酸素摂取量％ＶＯ₂ａとの平均値％ＶＯ₂ｔａを目標相対酸素摂取量として計算するとともに、当該目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔａと前記自己の相対酸素摂取量％ＶＯ₂ａとの差分Δ％ＶＯ₂ａを計算する目標値計算部と、
前記差分Δ％ＶＯ₂ａを付帯するディスプレイに表示出力する目標値表示部とを備えたことを特徴としている。

本発明の実施形態に係る生体情報測定装置を前面から見たときの外観図である。上記生体情報測定装置を背面から見たときの外観図（Ａ）と、側面から見たときの外観図（Ｂ）である。上記生体情報測定装置が備える脈波センサーの構造図である。上記生体情報測定装置の機能ブロック図である。相対心拍数と相対酸素摂取量との関係である回帰式情報についての説明図である。同じ行程で歩行するＡとＢの二人の回帰式情報を示す図である。上記生体測定装置における情報処理の流れを示す図である。上記ＡとＢが目標とすべき相対酸素摂取量の推定原理を示す図である。

＝＝＝本発明の実施例の特徴＝＝＝
パーティでのハイキングや登山（以下、便宜上「トレッキング」と総称する。）において、パーティのメンバー全員が感じる負荷を同程度にさせるための何らかの情報を提示できれば、メンバー間の健康状態を均等に維持、増進させることができると考えた。また、体力がない登山者のパーティからの離脱を抑止し、体力不足による無理な登山による怪我などの危険性を低減することにも寄与できると考えた。
しかし、パーティでのトレッキングでは、全メンバーが、同じ距離を、ほぼ同じ歩速で、同じ時間歩くことになり、運動強度を各メンバーで変えることができない。

ここで、観点を変え、メンバー間で運動強度がほぼ同じなら、単位時間、単位重量あたりの体積で表現される酸素摂取量がほぼ同じであり、その酸素摂取量に重量を乗算したエネルギー消費量の差がメンバー間での負荷の度合いの差となることに着目した。そして、携行する荷物の当初の重量（装備重量）を再配分し、各メンバーが感じる負荷を同程度にしようと考えた。もちろん、その重量の再配分に際しては、感じる負荷を客観的な数値にするとともに、その負荷の差を、装備重量の差に換算することが必要となる。本発明はこのような要求に応えるために創作されたものであり、本発明の実施例は、上記主たる発明に対応する実施例における特徴の他に、以下の特徴を備えている。

前記記憶部は、前記利用者が携行する装備の重量ｗａを記憶し、
心拍数ＨＲａと前記回帰式情報とに基づいて、酸素素摂取量ＶＯ₂ａを計算するとともに、前記目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔａと前記回帰式情報とに基づいて、目標酸素摂取量ＶＯ₂ｔａを計算する酸素摂取量推定部と、
前記目標値計算部により計算された前記差分Δ％ＶＯ₂ａと、前記酸素摂取量ＶＯ₂ａと、前記目標酸素摂取量ＶＯ₂ｔａと、前記身体情報と、前記装備の重量ｗａとに基づいて、装備重量に対して増減すべき重量Δｗａを計算する重量配分計算部とを備え、
前記目標値表示部は、当該増減すべき重量Δｗａを前記ディスプレイに表示すること。

前記記憶部は、前記利用者以外の他者の身体情報と装備の重量ｗｂとを記憶し、
前記回帰式情報生成部は、前記他者の身体情報に基づいて当該他者の前記回帰式情報を生成し、
前記相対酸素摂取量計算部は、他者の心拍数ＨＲｂを入力して、当該他者の心拍数ＨＲｂと前記他者の回帰式情報とに基づいて、当該他者の心拍数ＨＲｂに対応する他者の相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂを計算し、
前記目標値計算部は、前記目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔａと前記他者の相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂとの差分Δ％ＶＯ₂ｂを計算し、
前記重量配分計算部は、前記目標値計算部により計算された前記差分Δ％ＶＯ₂ｂと、前記他者の身体情報と、前記他者の装備の重量ｗｂとに基づいて、当該装備重量ｗｂに対する他者の増減すべき重量Δｗｂと、前記利用者と前記他者のそれぞれについての前記増減すべき重量Δｗの絶対値の平均値Δｗ_aveとを計算し、
前記目標値表示部は、少なくとも、前記他者の増減すべき重量Δｗｂと前記平均値Δｗ_aveいずれかを前記ディスプレイに表示すること。

人体の体動に伴う体動信号を測定する体動信号測定部と
前記体動信号に基づいて、利用者が休憩状態にあるか否かを判断する休憩検出部と、
前記目標値計算部は、前記休憩検出部により、利用者が休憩中にあると判断されると、前記差分Δ％ＶＯ₂ａを計算する際に、当該休憩の開始直前における心拍数ＨＲａを採用すること。

他の生体情報測定装置と無線信号により通信する通信部を備え、
前記記憶部は、前記利用者以外の他者の身体情報と他者の装備の重量とを前記通信部を受け取って前記記憶部に記憶し、
前記相対酸素摂取量計算部は、前記信部を介して前記他者の心拍数を入力すること。

＝＝＝本発明の実施形態＝＝＝
本発明の具体的な実施形態として、腕時計型の生体情報測定装置（以下、測定装置）を挙げる。この測定装置は、例えば、トレッキングのパーティにおいて、荷物を分担し合えるメンバーがそれぞれ装着し、これを装着している人（以下、利用者、あるいは装着者）の脈波をセンサーを用いて電気信号（脈波信号）に変換してその脈波信号を解析するとともに、ユーザー入力により装着者の身体情報を受け付け、脈波信号の解析結果と身体情報とに基づいて，トレッキング中の負荷を推定し、最終的には、パーティのメンバー間で荷物を再配分する際の装備重量の過不足分を提示する重量分配機能を備えている。

＜構造＞
図１に当該測定装置１の外観図を示した。この測定装置１は、一般的なデジタル腕時計と同様の外観を有し、人の手首に装着するためのリストバンド２を備え、ケース３の前面には時刻、この装置の動作状態、および各種生体情報（脈拍数、カロリー消費量など）を文字や数字、あるいはアイコンによって表示するための液晶表示器（ＬＣＤ）４が配置されている。また、ケース３の周囲やケース３前面のフレーム部分にはこの測定装置を操作するための各種ボタン５が配設されている。また、この測定装置は、内蔵する二次電池を電源として動作し、ケース３の側面には、外部の充電器と接続されて、内蔵二次電池を充電するための充電端子６が配設されている。

図２（Ａ）に、測定装置１を後面、すなわちケース３の背面から見たときの外観図を示した。また、図２（Ｂ）に利用者の腕１００に装着された状態の測定装置１の側面を示した。ケース３の背面には、利用者の脈波を検出して脈波信号を出力するための脈波センサー１０が配設されている。この脈波センサー１０は、ケース３の背面に接触している利用者の手首１００にて脈波を検出する。本実施形態では、脈波を光学的に検出するための構成を備えている。

図３は、脈波センサー１０の内部構造をケース３の側面から見たときの拡大図である。ケース３の背面側に円形底面を有する半球状の収納空間内に、ＬＥＤなどの光源１２と、フォトトランジスタなどの受光素子１３とが内蔵されている。半球の内面は鏡面１１であり、半球の底面側を下方とすると、受光素子１３と光源１２は、基板１４の上面と下面にそれぞれ実装されている。

光源１２により、利用者の手首１００の皮膚１０１に向けて光Ｌｅが照射されると、その照射光Ｌｅが皮下の血管１０２に反射して半球内に反射光Ｌｒとして戻ってくる。その反射光Ｌｒは、半球状の鏡面１１にてさらに反射して、受光素子１３に上方から入射する。

この血管１０２からの反射光Ｌｒは、血液中のヘモグロビンの吸光作用により、血流の変動を反映してその強度が変動する。脈波センサー１０は、拍動よりも早い周期で光源１２を所定の周期で点滅させ、受光素子１３は、光源１２の点灯機会ごとに受光強度に応じた脈波信号を光電変換によって出力する。なお、本実施形態では、１２８Ｈｚの周波数で光源１２を点滅させている。

＜機能ブロック構成＞
図４に上記測定装置１の機能ブロック構成を示した。測定装置１のードウエア構成は、時刻やタイマーなどの計時に関わる機能と、拍動、体動、体温などの生体情報を測定する機能とを備えたコンピューターである。測定装置１は、ＣＰＵ２０、ＲＡＭ２１、ＲＯＭ２２からなるコンピューター本体を制御部とし、外部記憶としてフラッシュメモリー２３を備えている。そして、ＣＰＵ２０を動作させるための基準クロックを生成するための発振回路２４と、その基準クロックから計時用のクロックを生成する分周回路２５を備えている。

ユーザーインターフェイスに関わる構成としては、ＣＰＵ２０からの指示に従って情報をＬＣＤ４に表示するための表示部２６、圧電振動子２７などを用いてアラーム音や振動を出力するための警報部２８、操作ボタン５に対する操作状態を記述する操作データを生成してＣＰＵ２０に入力するための入力部２９を備えている。

また、測定装置１は、生体情報を測定するための構成として、各種センサー（１０，３１）を備えている。脈波センサー１０は、上述したように、ＬＥＤなどの光源１２と受光素子１３を主体にして構成されている。体動センサー３１は、３軸の加速度センサーであり、３軸方向のそれぞれの加速度に応じて３系統の体動信号を出力する。なお３軸方向は、例えば、図１に示したように、ケース３前面の法線方向（紙面奥から手前方向）をＺ軸、時計の６時から１２に向かう方向をＹ軸、そして、これら２軸と直交する方向をＸ軸、などとすることができる。この場合、Ｘ軸は、測定装置１を装着した状態で、肘から手首に向かう方向とほぼ一致する。

また、脈波センサー１０からの脈波信号、体動センサー３１からの体動信号をそれぞれ増幅する脈波信号増幅回路３２、および体動信号増幅回路３３と、それぞれの増幅回路（３２，３３）を経て増幅された脈波信号と体動信号を所定のサンプリング周期ごとに個別にサンプリングして数値化し、それぞれの信号を脈波データ、および体動データに変換するＡ／Ｄ変換回路３４を備えている。本実施形態では、１６Ｈｚのサンプリング周波数で各信号をＡ／Ｄ変換している。

脈波形整形回路３５、および体動波形整形回路３６は、脈波信号増幅回路３２、および体動信号増幅回路３３を経て増幅された脈波信号、および体動信号を、それぞれに所定の閾値との比較に基づいて２値化する。ＣＰＵ２０は、これらの波形整形回路（３５，３６）からの入力信号に基づいて脈波あるいは体動の有無を検出する。

なお、心拍数測定部４１、回帰式生成部４２、相対酸素摂取量計算部４３、目標値計算部４４、酸素摂取量推定部４５、荷物配分計算部４６は、ＣＰＵ２０がＲＯＭ２２などに格納されたプログラムを実行することで実現される機能ブロック構成であり、本実施形態では、個別のハードウエアとしては存在していない。もちろん、これらの構成（４１〜４６）は、ＤＳＰなどに置換することも可能である。

通信部５０は、パーソナルコンピューターなどの外部の情報処理装置とＣＰＵ２０とのデータ通信に関わる情報処理を行う。ＣＰＵ２０は、この通信部５０を介して情報処理装置に各種データを転送したり、情報処理装置から各種データを受け取ったりする。なお、通信部５０と外部の情報処理装置とは、所定の通信規格に準拠したケーブルを介して直接接続される形態もあり得るし、クレイドルと呼ばれる充電器と兼用の中間装置を介して接続される形態もあり得る。無線信号により通信する形態も考えられる。ケーブル接続の場合は、ケース３の外面にケーブルと接続するためのコネクターを設けておけばよい。無線通信の場合は、情報処理装置側にその無線通信用のインターフェイスがあればよい。

本実施形態では、通信部５０は、クレイドルを介して情報処理装置と通信する形態を採用している。そして、通信部５０とクレイドルとは無線信号により通信し、クレイドルと情報処理装置とが有線接続されて通信するように構成されている。それによって、情報処理装置には、特殊な無線通信インターフェイスが不要となり、測定装置１には、コネクターが不要となる。

具体的には、クレイドルは、測定装置１を着脱自在に装着可能な形状をなし、装着状態にある測定装置と無線信号により測定装置１の通信部５０と通信するための構成と、情報処理装置とＵＳＢなどの汎用の通信規格に準じたプロトコルで通信するための構成とを備え、測定装置１と情報処理装置の双方との通信において送受信されるプロトコルの異なる信号を解釈して相互変換する。それによって、ＣＰＵ２０は、通信部５０を介して情報処理装置とのデータ通信が可能となる。

そして、以上の測定装置１の構成により、ＣＰＵ２０は、入力部２９からの操作データに従ってＲＯＭ２２に記憶されている所定のプログラムを実行するとともに、その実行結果やＡ／Ｄ変換回路３４からのデータなどをＲＡＭ２１に書込んだり、その書き込んだデータをＲＡＭ２１から読み出したりする。また、表示部２６を制御して情報処理の実行結果、測定装置１の動作状態、あるいは時刻などをＬＣＤ４に表示させたり、警報部２８を制御して音声や振動による信号を出力したりする。

＝＝＝測定装置の基本機能＝＝＝
上記構成を備えた本実施形態に係る測定装置１の主要な機能は、脈波センサー１０からの脈波信号に基づいて心拍数を常時測定し、その測定結果に基づいて、酸素摂取量を推定することにある。そして、トレッキング時にパーティのメンバー間で、相互の体力差に見合うように荷物を重量配分するための指標となる情報を、推定した酸素摂取量に基づいて計算する。以下では、まず、測定装置１の基本機能である、心拍数の測定機能と酸素摂取量の推定機能とについて、その動作や情報処理の内容を説明する。

＜心拍数の測定＞
測定装置１の装着者に歩行などの体動がある場合、脈波センサー１０が出力する脈波信号は、体動の影響により乱れた血流の変動を反映している。そこで、ＣＰＵ２０は、心拍数測定部４１により、脈波データから体動に相関するノイズ成分を除去して拍動信号のみを抽出するともに、拍動信号の周波数（あるいは周期）に基づいて心拍数を計算する。具体的には、ＦＩＲフィルターなどによって構成されるデジタルフィルターを適用フィルターとして生成し、その適用フィルター用いてノイズを含んだ脈波信号から拍動信号を抽出する。そして、抽出した拍動信号のデータをＦＦＴ解析することにより拍動の周波数（あるいは周期）を特定し、その特定された周波数や周期に基づいて１分間あたりの拍動、すなわち心拍数を計算する。

なお、安静時など体動が極めて少ない場合、脈波信号の波形は、ほぼ正確に心拍に応じたピークを示す。このような場合には、そのピークの出現間隔が拍動周期となり、上記のフィルタリング処理やＦＦＴ解析をしなくても心拍数を測定することができる。すなわち、トレッキングに際し、歩行を停止した状態で測定装置１に心拍数に基づく酸素摂取量を推定させることを前提とすれば、体動データ処理に関わる構成や情報処理は不要となる。

＜酸素摂取量の推定＞
図５は、酸素摂取量の推定原理の一例を示す図である。フラッシュメモリー２３などには、心拍数ＨＲと酸素摂取量ＶＯ₂との対応関係（回帰式）を記述するデータ（回帰式情報）が記憶されている。本実施形態に係る測定装置１では、図５に示したように、心拍数ＨＲと酸素摂取量ＶＯ₂を、それぞれ、相対心拍数％ＨＲと相対酸素摂取量％ＶＯ₂という数値で扱っている。当該図５に示したグラフ１１０の横軸１１１である相対心拍数％ＨＲは、安静時の心拍数ＨＲ_restを０％とし、最大心拍数ＨＲｍａｘを１００％としたときに実際の心拍数ＨＲの割合であり、以下の式（２）によって求められる。
％ＨＲ＝（ＨＲ−ＨＲ_rest）／（ＨＲ_max−ＨＲ_rest）×１００［％］…（１）

一方、グラフ１１０の縦軸１１２となる相対酸素摂取量％ＶＯ₂は、利用者の安静時の酸素摂取量ＶＯ_2restを０％とし、同じ利用者の最大酸素摂取量ＶＯ_2maxを１００％としたときに対する実際の酸素摂取量ＶＯ₂の割合であり、以下の式（２）によって求められる。
％ＶＯ₂＝（ＶＯ₂−ＶＯ_2rest）／（ＶＯ_2max−ＶＯ_2rest）×１００［％］…（２）

なお、上記式（１）（２）において、安静時の心拍数ＨＲ_rest、最大心拍数ＨＲ_max、安静時の酸素摂取量ＶＯ_2rest、最大酸素摂取量ＶＯ_2maxは、ＡＣＳＭ（American College of Sports Medicine ）が提唱する推定法に従って、利用者の身体的特徴を示す身体情報（身長Ｔ、体重Ｗ、年齢Ａｇｅ、性別）から求めることができる。具体的には、ＡＣＳＭでは、ＨＲ_maxを２２０から年齢Ａｇｅを減算した値とし、ＨＲ_restとＶＯ_2maxについては、以下の表１に示した対応関係を採用することを推奨している。

また、ＶＯ_2restは、周知のハリス・ベネディクト方程式に従って計算している。
当該方程式について、男性（Ｍ）用を以下の式（３）に、女性（Ｆ）用を以下の式（４）に示した。
ＶＯ_2rest（Ｍ）＝６６．４７＋（１３．７５×Ｗ）
＋（５．０×Ｔ）−（６．７６×Ａｇｅ）…（３）
ＶＯ_2rest（Ｆ）＝６６．５１＋（９．５６×Ｗ）
＋（１．８５×Ｔ）−（４．６８×Ａｇｅ）…（４）

なお、表１に示したテーブルは、ＲＯＭ２２などに格納されている。また、身体情報については、ユーザー入力により取得する。利用者は、測定装置１を操作し、自身の身体情報として、身長Ｔ（ｍ）、体重Ｗ（Ｋｇ）、年齢Ａｇｅ、性別を入力する。また、装備重量ｗ（Ｋｇ）も入力しておく。ＣＰＵ２０は、入力部２９から身体情報と装備重量の情報とを受け取り、フラッシュメモリー２３などの適宜な記憶領域に記憶する。そして、ＣＰＵ２０は、回帰式生成部４２により、入力された身体情報と上記表１に示したテーブルとに基づいてＨＲ_restとＶＯ_2max特定し、回帰式情報を生成する。

なお、年齢Ａｇｅについては、ユーザー入力された生年月日から算出するとともに、ＣＰＵ２０の計時に関わる基本機能であるカレンダー機能によって毎年自動更新されるようにしておいてもよい。また、身体情報の入力方法としては、通信部５０を介して通信可能に接続されている外部の情報処理装置を用いることもできる。この場合は、情報処理装置に、身体情報のユーザー入力を受け付けて、その身体情報を測定装置１に転送するためのプログラムをインストールしておけばよい。

以上より、相対心拍数％ＨＲと、相対酸素摂取量％ＶＯ₂とによって表現された回帰式では、図５に示した直線（回帰直線）１３０のように、％ＨＲ＝％ＶＯ₂の関係となる。ＣＰＵ２０は、相対酸素摂取量計算部４３により、測定した心拍数ＨＲを式（１）に代入して相対心拍数％ＨＲ＝相対酸素摂取量％ＶＯ₂を求め、酸素摂取量推定部４５がこの相対酸素摂取量％ＶＯ₂を式（２）に代入して酸素摂取量ＶＯ₂を計算する。

＝＝＝本発明の実施例＝＝＝
測定装置１は、トレッキング時にパーティの各メンバーの腕に装着されて使用され、各メンバーは、自身の測定装置１を操作し、トレッキング中に自身の相対酸素摂取量を計算させるとともに、この自身の相対酸素摂取量と他のメンバーの相対酸素摂取量とに基づいて自身が目標とすべき相対酸素摂取量（目標相対酸素摂取量）を提示させる。最終的には、その目標相対酸素摂取量と、身体情報や装備重量とに基づいて、重量配分の目安などを計算させて表示させる。そして、本発明の実施形態に係る測定装置１は、重量配分の目安やその目安の指標となる情報を表示する重量分配機能に特徴があり、以下では、本発明の実施例として、その重量分配機能に関わる具体的な情報処理や動作の例をいくつか挙げる。

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
本発明の第１の実施例として、重量を再配分する際の目安を計算するために最も重要な情報である目標相対酸素摂取量を、自他の相対酸素摂取量から求めるための情報処理や動作を示す。ここでは、具体的に、二人のメンバーＡとＢを想定し、メンバーＡが装着する測定装置１によって、メンバーＡに対する目標相対酸素摂取量を推定し、さらにその目標相対酸素摂取量からメンバーＡにおける装備重量の過不足分を計算する例を挙げる。

表２に、メンバーＡおよびＢの身体情報、装備重量、身体情報から計算される上記の各パラメーター（ＨＲ_rest，ＨＲ_max，ＶＯ２_rest，ＶＯ２_max）を示した。
また、図６（Ａ）（Ｂ）に、表２から導き出されるメンバーＡとＢのそれぞれに対応する回帰式情報を示すグラフ（１１０ａ，１１０ｂ）を示した。なお、表２、および以下の記載では、身体情報や各パラメーターについて、メンバー「Ａ」のものと、メンバー「Ｂ」のものとを区別するために、身体情報や装備重量を示す記号や符号（Ｔ，Ｗ，ｗなど）、およびパラメーターを示す記号や符号（％ＨＲ_rest，％ＨＲ_max，%ＶＯ２_rest，％ＶＯ２_max，ＨＲ_rest，ＨＲ_max，ＶＯ２_rest，ＶＯ２_max）の後に「ａ」または「ｂ」を付記している。

メンバーＡとＢの測定装置１は、それぞれの心拍数測定部４１により、トレッキングの行程中に心拍数ＨＲを測定する。歩行を開始すると、心拍数は、徐々に上昇していき、急激な歩速変化が少ないトレッキングなどでは、歩行時間の経過とともに、心拍数がある一定値内で推移するようになる。もちろん、メンバー間では、心拍数ＨＲや相対心拍数％ＨＲが各人の体力差に応じて異なってくる。

＜目標相対酸素摂取量の計算＞
図７に、第１の実施例におけるＣＰＵ２０による情報処理の流れを示した。メンバーＡの測定装置１におけるＣＰＵ２０は、心拍数測定部４１により、脈波信号を測定することで心拍数を計算し、その心拍数の経時変化をフラッシュメモリー２３などに記憶していく（ｓ１，ｓ２）。そして、例えば、１分前と現在の心拍数を比較していき、その差が所定の数値範囲内で所定時間継続したことを検出すると、現時点から過去所定時間分の平均の心拍数（以下、心拍数）ＨＲａを随時計算していく（ｓ３→ｓ４）。

まず、パーティが休憩地点に到着したときなど、適宜な時点で、メンバーＡは、測定装置１に対して相対酸素摂取量％ＶＯ₂ａを推定させるための所定の操作を行う。ＣＰＵ２０は、相対酸素摂取量計算部４３により、その操作時点以前で計算された直近の心拍数ＨＲａを式（１）に代入して相対心拍数（以下、相対心拍数）％ＨＲａを計算し、図６（Ａ）に示した回帰直線１３０ａ上の点を特定する（ｓ５→ｓ６）。具体的に、以下の表３に、メンバーＡとＢのそれぞれの測定装置１にて計算される、酸素摂取量に関わる数値を示した。なお、表３には、後述する装備重量を再配分する際の指標となる差分エネルギー、およびその差分エネルギーに基づいて計算される装備重量の過不足分も含まれている。

表３に示したように、例えば、メンバーＡの平均ＨＲａが１３１（ｂｐｍ：拍／min）であるとすると、上記式（１）により、％ＨＲａ＝５４％＝％ＶＯ₂ａと計算される。そして、ＣＰＵ２０は、表示部２６を制御して、この計算値％ＨＲａ（＝％ＶＯ₂ａ）をＬＣＤ４に表示させる（ｓ７）。

同様にしてメンバーＢも測定装置１を操作し、メンバーＢの相対心拍数％ＨＲｂを計算させる。ここでは、メンバーＢの心拍数ＨＲｂを１３５（ｂｐｍ）であり、％ＨＲｂ＝６４％と計算され、この数値がメンバーＢの相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂであり、この相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂがメンバーＢの測定装置１にて表示出力される。

つぎに、メンバーＡは、所定の操作を行い、メンバーＢの測定装置１に表示されている相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂの値「６４」を自身の測定装置１に入力する。ＣＰＵ２０は、目標値計算部４４により、メンバーＡの相対酸素摂取量％ＶＯ₂ａ＝５４％と、入力されたメンバーＢの相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂ＝６４％との平均値％ＶＯ₂ｔ＝５９％を計算する（ｓ８→ｓ９）。

この値％ＶＯ₂ｔ＝５９％は、メンバーＡとＢの相対酸素摂取量の平均値であり、換言すれば、これがメンバーＡとＢのトレッキングによる負荷の平均値であり、この値％ＶＯ₂ｔ＝５９％が、メンバーＡとＢの双方がトレッキングによって健康状態を均等に維持、増進するための目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔとなる。

ＣＰＵ２０は、メンバーＢについての相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂ＝６４％が入力されると、計算した目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔを表示出力する（ｓ１０）。メンバーＡは、先に計算された自身の相対酸素摂取量％ＶＯ₂ａ＝５４％が目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔ＝５９％よりも小さいことから、メンバーＢの装備重量の一部を自身が負担すべきであることを認知することができる。

図８に目標相対酸素摂取量の推定原理を回帰式情報のグラフ１３０ｃによって示した。メンバーＡとＢのそれぞれについて、相対酸素摂取量（％ＶＯ₂ａ，％ＶＯ₂ｂ）に対応する回帰直線上１３０ｃの二点（Ｐａ，Ｐｂ）の中点Ｐｔが目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔに対応する。

＜装備重量の過不足分計算＞
以上までの情報処理（ｓ１〜ｓ１０）では、メンバーＡにメンバーＢの装備重量の一部を負担すべきことを認知させることができる。つぎに、測定装置１において、その負担すべき重量がどのくらいであるのかを計算するための情報処理について説明する。概略的には、先に求めたメンバーＡとＢの目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔ＝５９％を、メンバーＡにおける絶対値としての酸素摂取量（目標酸素摂取量）ＶＯ₂ｔａ（ｍＬ／Ｋｇ／ｍｉｎ）に換算し（ｓ１１）、その目標酸素摂取量ＶＯ₂ｔａと実際の酸素摂取量ＶＯ₂ａとの差分に相当するエネルギー消費量ΔＥ（ｍＬ／ｍｉｎ）から装備重量の過不足分を計算してそれを表示する（ｓ１３〜ｓ１５）、という情報処理の流れとなる。

まず、メンバーＡの測定装置１において、ＣＰＵ２０は、酸素摂取量推定部４５により、測定されたメンバーＡの心拍数ＨＲａ＝１３１（ｂｐｍ）から求めた相対酸素摂取量（推定相対酸素摂取量）％ＶＯ₂ａ＝５４％を上記式（２）に代入して、表３に示した酸素摂取量の絶対値ＶＯ₂ａ＝２７．９（ｍＬ／Ｋｇ／ｍｉｎ）を求める。また、目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔ＝５９％から同様にしてメンバーＡの目標酸素摂取量ＶＯ₂ａｔ＝３０．２６（ｍＬ／Ｋｇ／ｍｉｎ）を求める。

目標酸素摂取量ＶＯ₂ａｔと心拍数ＨＲａに基づく酸素摂取量ＶＯ₂ａとの差分ΔＶＯ₂ａ＝２．３６に相当するエネルギーが、メンバーＡにとっての過不足分のエネルギー量（差分エネルギー）ΔＥである。差分エネルギーΔＥの単位は、ｍＬ／ｍｉｎであり、酸素摂取量ＶＯ₂の単位がｍＬ／Ｋｇ／ｍｉｎであるので、差分エネルギーΔＥａは、次式（５）によって求めることができる。
ΔＥａ＝ΔＶＯ₂ａｔ×（Ｗａ＋ｗａ）…（５）

そして、差分エネルギーΔＥａ＝１７７．０３ｍＬ／ｍｉｎと計算される。最後に、この差分エネルギーに相当する重量、すなわち、最終的な単位がＫｇとなるように、装備重量の過不足分Δｗａを次式（６）により計算する。
Δｗａ＝ΔＥ／Ｖ０₂ｔ…（６）

以上により、最終的にメンバーＡに不足している装備重量が約５．８５Ｋｇと計算される。そして、このΔｗａをＬＣＤ４に表示出力すれば、メンバーＡにおける目標酸素摂取量Ｖ０₂ｔと実際の心拍数ＨＲａから推定された酸素摂取量Ｖ０₂ａとの差分に相当する重量Δｗａが分かり、メンバーＡはメンバーＢから、このΔｗａに相当する荷物を配分してもらえばよい。

＜応用例＞
第１の実施例では、メンバーＡにおける装備重量ｗａの過不足分Δｗａを計算していたが、メンバーＡとＢでは体重（Ｗａ，Ｗｂ）が異なり、当初の装備重量（ｗａ，ｗｂ）も異なることが多い。そのため、メンバーＢの測定装置１におけるメンバーＢの装備重量ｗｂの過不足分Δｗｂと、第１の実施例において計算したメンバーＡの過不足分ΔＷａとは必ずしも相殺し合わない。すなわち、ΔＷａ＋Δｗｂ＝０となるとは限らない。

表３に示したように、同じ行程では二人の酸素摂取量（Ｖ０₂ａ，Ｖ０₂ｂ）にはほとんど差が無いが、身体情報の差によって相対酸素摂取量（％Ｖ０₂ａ，％Ｖ０₂ｂ）に差が生まれる。そして、その差がメンバーＡ、Ｂの二人の目標酸素摂取量％Ｖ０₂ａｔ，％Ｖ０₂ｂｔの違いとなる。さらに、総重量（Ｗａ＋ｗａ，Ｗｂ＋ｗｂ）の差によってエネルギー消費量に差が出るため、結局、双方の測定装置１において計算される装備重量の過不足分（Δｗａ，Δｗｂ）は、その絶対値が異なった数値となる。

もちろん、第１の実施例でも、メンバーＡとＢの双方の測定装置１にて計算された重量の過不足分（Δｗａ，Δｗｂ）をメンバー同士で確認し合い、双方の過不足分の絶対値の範囲（約５．８Ｋｇ〜６．２Ｋｇ）でメンバーＢの装備重量の一部をメンバーＡに負担させたり、その平均値（約６．００Ｋｇ）を別途計算したりすればよいが、ここでは、第１の実施例の応用例として、メンバーＡとＢの双方の測定装置１にて計算された重量の過不足分（Δｗａ，Δｗｂ）の平均値Δｗ_aveをメンバーＡの測定装置１にて計算させる例を示す。

表３に具体的に示した数値を使って第３の実施例を説明すると、メンバーＢにおける過不足分Δｗｂ＝−６．１７Ｋｇ、あるいは、その絶対値｜Δｗｂ｜＝６．１７をメンバーＡの測定装置１に入力する。メンバーＡの測定装置１は、荷物配分計算部４５により、自身にて計算した装備重量の不足分Δｗａ＝５．８５Ｋｇの絶対値と入力されたメンバーＢにおける過不足分ΔＷｂの絶対値｜Δｗｂ｜＝６．１７Ｋｇとの平均値Δｗ_aveを６．００Ｋｇと計算し、その数値を表示する。

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
上記第１、および第２の実施例では、基本的に、メンバーＡ（Ｂ）は、自身の測定装置１では、自身の身体情報のみを記憶させて、相手Ｂ（Ａ）に関する情報として、相手の相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂ（％ＶＯ₂ａ）、および相手の重量過不足分Δｗｂ（Δｗａ）を適時に入力して、目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔａ（％ＶＯ₂ｔｂ）や、再配分すべき重量Δｗ_aveを表示出力させて、確認していた。

このような実施例に限らず、例えば、トレッキングに先立って、相手Ｂ（Ａ）の身体情報を自身Ａ（Ｂ）の測定装置１に入力し、自身Ａ（Ｂ）の測定装置１に相手Ｂ（Ａ）の回帰式情報１１０ｂ（１１０ａ）を生成させておけば、相手Ｂ（Ａ）の心拍数ＨＲｂ（ＨＲａ）を入力するだけで、相手Ｂ（Ａ）の相対心拍数％ＨＲｂ（％ＨＲａ）、すなわち相手Ｂ（Ａ）の相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｂ（％ＶＯ₂ａ）や目標酸素摂取量ＶＯ₂ｔｂ（ＶＯ₂ｔａ）が計算でき、最終的に、再配分すべき重量Δｗ_aveを計算することができる。
それによって、煩わしい数値入力操作を最小限に押さえることができる。また、相手が、測定装置１を所持していない場合でも、他の計器や自身で脈を取って計測した心拍数を入力すれば再配分すべき重量Δｗ_aveを計算することができる。なお、相手Ｂ（Ａ）の身体情報については、外部の情報処理装置を用いて入力してもよいし、測定装置１のボタン５を操作することで入力してもよい。

＝＝＝第３の実施例＝＝＝
上記第１および第２の実施例では、休憩時などにメンバーＡが自身の測定装置１を操作して心拍数ＨＲａに基づく酸素摂取量ＶＯ₂ａを計算させていた。しかし、休憩時にその操作を忘れると、休憩後に適正に重量配分された装備でトレッキングを再開することができなくなる。そこで、第３の実施例として、測定装置１にて休憩の開始を判断し、自動的に心拍数ＨＲに基づく酸素摂取量ＶＯ₂の計算を行って、目標相対酸素摂取量％ＶＯ₂ｔを表示したり、他のメンバーの相対酸素摂取量％ＶＯ₂などの入力を促したりする事例を示す。

第３の実施例では、測定装置１は、休憩の開始を判断するために、体動信号の処理機能を利用している。体動センサー３１からの体動信号は３次元方向のそれぞれの加速度の変化を示しており、ＣＰＵ２０は、その３次元方向の各加速度を表現する体動データをフィルタリング処理とＦＦＴ解析とによって、体動信号に含まれている歩行に伴う振動を抽出する。もし、その歩行に伴う振動が検出できない状態が所定時間継続すれば、利用者が休憩をしているものとし、その継続時間の開始以前の直近の平均の心拍数ＨＲに基づいて、上記第１あるいは第２の実施例にて示した、重量再配分機能に関わる情報処理を実行してく。

なお、休憩状態の検出方法については、フィルタリング処理とＦＦＴ解析によらず、体動データが示す加速度が所定の範囲内であれば、体動が少なく、歩行していないと判断し、その状態が所定時間継続することを持って休憩状態であるか否かを判断してもよい。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記第２の実施例では、装備重量を分かち合うメンバー同士が自身の測定装置１に相手の身体情報を入力し、重量再配分機能に関わる数値入力作業を必要最小限とすることができた。しかし、事前の情報入力やトレッキングの現場での操作は可能な限り少ない方がよい。そこで、測定装置１を構成する通信部５０の無線通信機能を利用し、各メンバーの測定装置間１で情報をやりとりするようにしてもよい。

例えば、トレッキングに先立って、メンバーＡとＢが使う二台の測定装置１に対して所定の操作を行い、互いに通信させて各種情報を通信相手に記憶させる。また、トレッキングに際しては、通信相手Ｂ（Ａ）の測定装置１にて随時測定されている心拍数ＨＲｂ（ＨＲａ）の情報を随時受信し、その心拍数ＨＲｂ（ＨＲａ）と、先に記憶した他のメンバーＢ（Ａ）の身体情報とに基づいて、相手の酸素摂取量ＶＯ₂ｂ（ＶＯ₂ａ）と、それに基づく再配分すべき重量Δｗ_aveをリアルタイムで計算する。各メンバーＡ（Ｂ）はその計算結果の表示を測定装置１に指示するだけでよい。常時更新しながら連続的に表示させるようにしてもよい。

上記各実施例では、パーティ中の二人のメンバー間で装備重量を再配分する事例を示したが、３人以上であっても、他のメンバーの全ての相対酸素摂取量が分かれば、その平均値から目標相対酸素摂取量が計算でき、最終的に３人以上のメンバーで装備重量を再配分する際の各自の減量分、あるいは増量分を計算することが可能である。

測定装置１の形態は腕時計型に限るものではない。脈波信号を常時測定するとともに、その脈波信号から心拍数を計算できる構成であれば、例えば、脈波センサーと制御部とがケーブルや無線通信などによって分離されている形態であってもよい。その一方で、汎用のコンピューターにも腕時計型など、常時装着が可能な形態のものがあり、そのようなコンピューターに脈波センサーを搭載することは容易である。したがて、脈波センサーを備えた常時装着型のコンピューターにインストールされて、当該コンピューターを生体情報測定装置として機能させるためのプログラムを本発明の実施例とすることも可能である。

この発明は、脈拍計など、利用者の生体情報を測定する装置や方法に適用することが可能である。例えば、健康管理やダイエットなどを目的として、パーティで登山やハイキングを行う際に、パーティの各メンバーが使用してメンバー間の体力差を加味して装備の重量を調整する用途などに利用可能である。

１生体情報測定装置、４液晶表示器、５操作ボタン、１０脈波センサー、２０ＣＰＵ、２１ＲＡＭ、２２ＲＯＭ、２３発振回路２４、２５分周回路、２３フラッシュメモリー、２６表示部、２９入力部、３１体動センサー、３４Ａ／Ｄ変換回路、４１心拍数計算部、４２回帰式生成部、４３相対酸素摂取量計算部、４４目標値計算部、４５酸素摂取量推定部、４６荷物配分計算部、５０通信部。

Claims

利用者の脈波信号を出力する脈波センサー部と、
前記利用者の体動信号を出力する体動センサー部と、
前記利用者の身体情報及び装備重量情報を受け付ける入力部と、
前記利用者の前記脈波信号に基づく脈波データと、前記利用者の前記体動信号に基づく体動データと、前記身体情報と、及び前記装備重量情報とに基づき、前記利用者の負荷を表す指標を生成する制御部と、
通信部を有し、
前記制御部は、前記通信部を介して前記利用者以外のユーザーの負荷を表す指標を受け取り、前記利用者の負荷を表す指標と、前記利用者以外のユーザーの負荷を表す指標とを用いて、重量分配のための指標を計算することを特徴とする生体情報測定装置。
を、備えることを特徴とする生体情報測定装置。
請求項１に記載の生体情報測定装置において、
前記身体情報は、身長、体重、年齢、性別のいずれか１つを含むことを特徴とする生体情報測定装置。
請求項１または２に記載の生体情報測定装置において、
前記装備重量情報は、前記利用者が携行する荷物の重量であることを特徴とする生体情報測定装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の生体情報測定装置において、
前記利用者の負荷を表す指標は、酸素摂取量、相対酸素摂取量、カロリー消費量、エネルギー消費量、脈拍数、心拍数、血流の変動のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする生体情報測定装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の生体情報測定装置において、
前記制御部は、前記体動データに基づき前記利用者の体動が所定条件を満たすか否かを検知し、前記利用者の体動が前記所定条件を満たす場合には、前記利用者は休憩状態であると判定し、前記利用者の負荷を表す指標を生成することを特徴とする生体情報測定装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の生体情報測定装置において、
前記重量分配のための指標に基づく目安情報及び前記利用者の負荷を表す指標の少なくとも１つを表示する表示部を備えることを特徴とする生体情報測定装置。
脈波センサー部からの脈波信号に基づき利用者の脈波データを出力するステップと、
体動センサー部からの体動信号に基づき前記利用者の体動データを出力するステップと、
前記利用者の身体情報及び装備重量情報を受け付けるステップと、
前記利用者に関する前記脈波データと、前記体動データと、前記身体情報と、前記装備重量情報とに基づき、前記利用者の負荷を表す指標を生成する負荷指標生成ステップと、
を、備え、
前記負荷指標生成ステップは、前記利用者以外のユーザーの負荷を表す指標を、通信を介して受け取り、前記利用者の負荷を表す指標と、前記利用者以外のユーザーの負荷を表す指標とを用いて、重量分配のための指標を計算することを特徴とする生体情報測定方法。
請求項７に記載の生体情報測定方法において、
前記負荷指標生成ステップは、前記体動データに基づき前記利用者の体動が所定条件を満たすか否かを検知し、前記利用者の体動が前記所定条件を満たす場合には、前記利用者は休憩状態であると判定し、前記利用者の負荷を表す指標を生成することを特徴とする生体情報測定方法。