JP5807700B2 - カロリー消費量計算装置及びカロリー消費量計算方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体情報測定装置、生体情報測定方法および生体情報測定プログラムに係り、特にカロリー消費量を推定することが可能な生体情報測定装置、生体情報測定方法、および生体情報測定プログラムに関する。

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と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、カロリー摂取量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。

カロリー消費量は、酸素摂取量を測定することで計算することができる。酸素摂取量を測定する方法としては、被測定者の呼気中のＣＯ₂濃度を測定する方法がよく知られている。しかしながら、この測定方法では、非測定者に所定の運動負荷を掛けながら非測定者の呼気成分を分析することが必要であり、測定装置が大がかりで高価なものとなる。また、装置の操作にも熟練を要し、一般の利用者を対象とした方法ではない。

そこで、直接酸素摂取量を測定するのではなく、酸素摂取量と相関関係がある他の生体情報を測定し、その測定結果に基づく酸素摂取量を計算（推定）したり、酸素摂取量と利用者の体重などからカロリー消費量を推定したりする装置や方法がある。そして一般の利用者を対象として、酸素摂取量やカロリー消費量を推定するための装置や方法が各種提案されている。例えば、周知のＲＭＲ（Relative Metabolic Rate）から消費カロリーを推定したり、心拍数と酸素摂取量が比例関係にあることを利用して酸素摂取量を推定したりする装置や方法が提案されている。

そして、以下の特許文献１には、心拍数に基づいて酸素摂取量を精度良く推定するための原理について記載されている。また、以下の特許文献２には、心拍数と酸素摂取量との関係には個人差があることから、その個人差を考慮して、心拍数から酸素摂取量を求めるための技術につて記載されている。

特開２００９−６１２４６号公報 特開２００２−３３６２１９号公報

カロリー消費量を計算することは、直接酸素摂取量を測定しない限り、その酸素摂取量を推定することである。そして、一般の利用者を対象とした従来の酸素摂取量の推定技術では、正確に酸素摂取量を推定しようとすると、煩雑で面倒な何らかの体力テストが必要となる。例えば、ＲＭＲから酸素摂取量を推定する方法では、特定の運動を行っているときの酸素摂取量しか正確に推定できない。具体的には、ジョギングやウォーキングなど、膨大な標本数によって得られた統計に基づいて、運動強度（速度、距離など）と酸素摂取量との関係がデータベース化されている運動を行っているときの酸素摂取量しか推定できない。

特許文献１に記載の技術では、確かに精度良く心拍数から酸素摂取量を推定できる情報処理方法を提供しているが、酸素摂取量を精度良く推定するためには、その推定に関わる計算に必要なパラメーターとして、各利用者は、何らかの体力テストを行って最大酸素摂取量と呼ばれる数値を別途計測しておく必要がある。体重や年齢、性別などの身体的特徴を用いて最大酸素摂取量を求めてもよいが、その場合では、体力などが平均から外れていると、実際のカロリー消費量と推定値との誤差が大きくなる。

特許文献２には、体力差などの個人差を考慮して心拍数から酸素摂取量を推定する技術について記載されているが、やはり、運動強度とカロリー消費量との関係があらかじめ分かっている特定の運動を利用者に行わせ、その運動時の心拍数を計測し、個人毎の心拍数と酸素摂取量との関係を事前に設定している。

ところで、特定の運動を正確に行うことは面倒であるとともに、実は、きわめて難しいことでもある。例えば、最も単純な運動であるウォーキングによる体力テストを行う場合であっても、利用者は、歩行する距離や速度を正確に測定する何らかの手段が必要となる。結局、トレッドミルなどの装置を用いることになり、その高価な装置を入手するか、その装置が設置されている場所に行かなくてはならない。

さらに、日々の運動や、長期の静養などで利用者の体力などが変化すれば、心拍数と酸素摂取量との関係も変化する。すなわち、心拍数と酸素摂取量との関係が経時変化する。その経時変化を考慮して心拍数から正確に酸素摂取量を推定しようとすると、その煩わしい体力テストを定期的に行うことが必要となる。

そこで本発明は、特別な体力テストを行うことなく、心拍数に基づいて、正確、かつ簡単に酸素摂取量を推定できる生体情報測定装置や生体情報測定方法、およびその方法に基づいてコンピューターに生体情報を測定させるためのプログラム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、
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、
ユーザー入力により受け付けた利用者の身体的特徴に関わる身体情報を記憶する身体情報記憶部と、
心拍数と酸素摂取量との対応関係を記述する回帰式情報が記憶されている回帰情報記憶部と、
前記脈波信号と前記体動信号とに基づいて、利用者の拍動を反映した拍動信号を抽出するとともに、当該拍動信号に基づいて心拍数を計算する心拍数測定部と、
前記体動信号に基づいて、利用者の歩調を測定する歩調測定部と、
前記心拍数と前記歩調の経時変化を運動履歴として記憶する履歴記憶部と、
前記運動履歴から、前記歩調と前記心拍数のそれぞれの変動値が、それぞれに所定の数値範囲内で所定時間以上継続している状態を定常運動状態として検出する定常運動検出部と、
前記身体情報と、前記定常運動状態における歩調と心拍数とに基づいて前記回帰式情報を補正し、補正後の回帰式情報を前記回帰情報記憶部に記憶する回帰式補正部と、
を備えたことを特徴とする生体情報測定装置としている。

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。 上記生体情報測定装置によって測定される心拍数と歩調の履歴を示す図（Ａ）と、上記履歴に基づく定常運動状態の検出方法を説明するための図（Ｂ）である。 補正前の相対心拍数と相対酸素摂取量との関係を示す図である。 補正後の相対心拍数と相対酸素摂取量との関係を示す図である。

＝＝＝その他の発明に係る実施形態および実施例＝＝＝
利用者が、大がかりな装置を用いずに自身の心拍数に基づいて正確に酸素摂取量を知るためには、利用者は、何らかの体力テストを実施し、その体力テストの結果に基づいて、その利用者における心拍数と酸素摂取量との関係（回帰式）を求めておく必要がある。しかし、その体力テストの実施自体が、実は、難しいことが判明した。さらに、心拍数と酸素摂取量との関係が経時変化することから、その実施困難な体力テストを頻繁に行って、回帰式を随時補正する必要がある。したがって、心拍数に基づいて酸素摂取量を正確に推定することは、現実的には極めて難しい。

ところで、日常生活においては、例えば、通勤・通学時の歩行など、心拍数と運動強度が継続して一定になりそうな運動が繰り返し行われている可能性がある。そして、その可能性に着目したところ、日常生活中に含まれる運動の一部に酸素摂取量を正確に計算できる運動が含まれていれば、その運動時における心拍数と運動強度とを測定して回帰式を随時補正できると考えた。本発明は、このような考察に基づいて創作されたものである。そして、本発明の生体情報測定装置に係る実施例は、上記主たる発明に対応する実施例の他に、以下の特徴を備えていることとしてもよい。

前記回帰式情報補正部は、前記回帰式情報を補正する際、前記定常運動検出部により検出された定常運動状態の継続期間の終了時点から所定時間前までの一部の期間における心拍数と歩調を採用すること。

気圧センサーと、当該気圧センサーからの気圧信号に基づいて高度を計算する高度計算部とを備え、
前記履歴記憶部は、前記高度計算部が計算した高度を高度履歴として記憶し、
前記回帰式補正部は、前記定常運動状態の継続期間中における高度差を前記高度履歴に基づいて計算するともに、前記定常運動状態における歩調と心拍数と、当該計算した高度差とに基づいて、前記回帰式情報を補正すること。

あるいは、気圧センサーと、当該気圧センサーからの気圧信号に基づいて高度を計算する高度計算部を備え、
前記履歴記憶部は、当該高度計算部が計算した高度を高度履歴として記憶し、
前記回帰式情報補正部は、前記定常運動状態の継続期間中における高度差を前記高度履歴に基づいて計算するともに、当該高度差が所定の範囲以上であれば、当該定常運動状態における歩調と心拍数とに基づく前記回帰式情報の補正を行わないこと。

前記身体情報に含まれている利用者の体重と、前記回帰式情報と、前記心拍数測定部が計算した心拍数とに基づいてカロリー消費量を計算するカロリー消費量計算部を備え、当該カロリー消費量計算部は、ユーザー入力により荷重についての情報を受け付けると、前記身体情報に含まれている前記体重に当該荷重を加算した数値を新たな体重として、カロリー消費量を計算すること。

また、本発明の生体情報の測定方法に係る実施例は、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、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、心拍数と酸素摂取量との対応関係を記述する回帰式情報が記憶されている回帰情報記憶とを備えたコンピューターにより、
前記脈波信号と前記体動信号とに基づいて、利用者の拍動を反映した拍動信号を抽出するとともに、当該拍動信号に基づいて心拍数を計算する心拍数測定部ステップと、
前記体動信号に基づいて、利用者の歩調を測定する歩調測定ステップと、
前記心拍数と前記歩調の経時変化を運動履歴として記憶する履歴記憶ステップと、
前記運動履歴から、前記歩調と前記心拍数のそれぞれの変動値が、それぞれに所定の数値範囲内で所定時間以上継続している状態を定常運動状態として検出する定常運動検出ステップと、
前記身体情報と、前記定常運動状態における歩調と心拍数とに基づいて前記回帰式情報を補正し、補正後の回帰式情報を前記回帰情報記憶部に記憶する回帰式補正ステップと、
を実行することを特徴としている。

また、生体情報測定プログラムも本発明の対象であり、当該プログラムに係る実施例は、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、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、心拍数と酸素摂取量との対応関係を記述する回帰式情報が記憶されている回帰情報記憶とを備えた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に、
前記脈波信号と前記体動信号とに基づいて、利用者の拍動を反映した拍動信号を抽出するとともに、当該拍動信号に基づいて心拍数を計算する心拍数測定部ステップと、
前記体動信号に基づいて、利用者の歩調を測定する歩調測定ステップと、
前記心拍数と前記歩調の経時変化を運動履歴として記憶する履歴記憶ステップと、
前記運動履歴から、前記歩調と前記心拍数のそれぞれの変動値が、それぞれに所定の数値範囲内で所定時間以上継続している状態を定常運動状態として検出する定常運動検出ステップと、
前記身体情報と、前記定常運動状態における歩調と心拍数とに基づいて前記回帰式情報を補正し、補正後の回帰式情報を前記回帰情報記憶部に記憶する回帰式補正ステップと、
を実行させることを特徴としている。

＝＝＝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、自身の酸素摂取量を知りたいと思う利用者によって常時装着されて使用される。測定装置は、これを装着している人（以下、利用者）の脈波や体動をセンサーを用いて電気信号（脈波信号）に変換し、その脈波信号や体動信号を解析することで心拍数や運動強度を測定する。そして、その心拍数と運動強度とに基づいてカロリー消費量を計算して表示出力する機能を備えている。

＜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１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の周囲にはこの測定装置１を操作するための各種ボタン５が配設されている。そして、この測定装置１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。脈波センサー１０は、ケース３の背面側に形成された円形底面を有する半球状の収納空間内に設置されている。そして、この収納空間内に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。そして、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ている。また、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（１０，３０，３１）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３０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。気圧センサー３１は、例えば、圧電素子による圧電効果により、端子間に気圧に応じた電圧が発生することを利用し、その電圧値を気圧信号として出力する。

また、脈波センサー１０からの脈波信号、体動センサー３０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、および気圧センサー３１からの気圧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て、それぞれの信号を脈波データ、体動データ、および気圧データに変換する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、歩調測定部４２，履歴記憶部４３、定常運動検出部４４、回帰式補正部４５、酸素摂取量推定部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１と無線信号により通信部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やフラッシュメモリー２３に書込んだり、その書き込んだデータをＲＡＭ２１やフラッシュメモリー２３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。

＝＝＝測定装置の基本的な動作＝＝＝
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、脈波信号と体動信号を常時測定し、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。概略的には、利用者が、運動強度と酸素摂取量との関係が分かっている運動を実施している状態を検出し、その運動状態において測定された心拍数と運動強度との関係から、心拍数と酸素摂取量との関係を記述する回帰式を導出し、最終的に、その回帰式と、測定中の心拍数と、体重などの利用者の身体的特徴を記述した身体情報とに基づいてカロリー消費量を計算して出力する機能にある。ここでは、測定装置１における基本的な動作として、心拍数の測定動作と運動強度の測定起源となる歩調、すなわち単位時間あたりの歩数の測定動作とについて説明する。

＜心拍数の測定＞
運動時に脈波センサー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。

＜歩調の測定＞
体動センサー３０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処理とによって、体動信号に含まれている歩行に伴う振動を抽出し、その振動の周波数を特定する。そして、その周波数から単位時間あたりの歩数である歩調を計算する。本実施例では、４秒毎に歩調を計算している。すなわち、体動信号を６４回サンプリングするごとに歩調を計算している。

＝＝＝消費カロリーの計算原理＝＝＝
上述したように、本実施形態に係る測定装置１の主要な機能は、測定した心拍数に基づいてカロリー消費量を計算することにある。実際には、酸素摂取量ＶＯ₂を計算し、その酸素摂取量ＶＯ₂をカロリー消費量Ｃに換算している。酸素摂取量ＶＯ₂の単位は、体重１Ｋｇあたりの毎分の酸素消費体積で、ｍＬ／Ｋｇ／ｍｉｎであり、カロリー消費量Ｃは、Ｋｃａｌである。そして、カロリー消費量Ｃは、１Ｌの酸素を摂取した場合における消費カロリーは５ｋｃａｌであることが知られていることから、利用者の体重をＷ（Ｋｇ）、同一の酸素摂取量ＶＯ₂の継続時間をｔとすると、以下の式（１）によって計算される。
Ｃ＝ＶＯ₂×Ｗ×５×ｔ …（１）

すなわち、利用者の体重Ｗが分かっていれば、心拍数ＲＨの測定機会ごとに酸素摂取量ＶＯ₂を推定して、その推定した酸素摂取量ＶＯ₂を時間積分すると、カロリー消費量Ｃ求まる。なお、カロリー消費量Ｃの計算に必要な利用者の体重Ｗ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、自身の身体的特徴に関する各種情報をユーザー入力する、具体的には、身長Ｔ（ｍ）、体重Ｗ、年齢Ａｇｅ、性別を入力する。ＣＰＵ２０は、入力部２９を介して身体的特徴に関する情報（以下、身体情報）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。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。

なお、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。

＜酸素摂取量の推定方法＞
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ＲＨ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）が記憶されており、ＣＰＵ２０は、実際の心拍数ＲＨをその対応関係に適用して酸素摂取量を求めている。図示した例では、心拍数ＲＨと酸素摂取量ＶＯ₂を、それぞれ、相対心拍数％ＲＨと相対酸素摂取量％ＶＯ₂という数値で扱う例をグラフ１１０にして示した。当該グラフ１１０の縦軸１１１である相対心拍数％ＨＲは、安静時の心拍数ＲＨ_restを０％とし、最大心拍数ＲＨｍａｘを１００％としたときにおける実際の心拍数ＲＨ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［％］…（２）

一方、グラフ１１０の横軸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％としたときにおける実際の酸素摂取量ＶＯ₂の割合であり、以下の式（３）によって求められる。
％ＶＯ₂＝（ＶＯ₂−ＶＯ_2rest）／（ＶＯ_2max−ＶＯ_2rest）×１００［％］…（３）

なお、上記式（２）（３）において、安静時の心拍数ＲＨ_rest、最大心拍数ＲＨ_max、安静時の酸素摂取量ＶＯ_2restは、年齢や性別から求められたり、定数であったりする。しかし、最大酸素摂取量ＶＯ_2maxは、個人差があり、しかも経時変化する。すなわち、式（３）におけるＶＯ_2maxが変化する。ここでは、ＲＨ_maxやＲＨ_rest、およびＶＯ_2restは、ＡＣＳＭ（American College of Sports Medicine ）が提唱する推定法に従って算出しており、ＲＨ_maxを、２２０から年齢を減算した値としている。ＲＨ_restは、以下の表１に示した対応関係を利用している。また、ＶＯ_2restは、固定値３．５を採用している。

表１に示したテーブルは、ＲＯＭ２２などに格納されており、ＣＰＵ２０は、入力された身体情報とこのテーブルとに基づいてＲＨ_restを特定する。なお、相対心拍数％ＲＨと、相対酸素摂取量％ＶＯ₂とによって表現された回帰式では、相対心拍数％ＲＨと、相対酸素摂取量％ＶＯ₂は、図５に示した直線（回帰直線）１３０のように、％ＲＨ＝％ＶＯ₂の関係となる。

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
上述したように、特定の運動を所定時間継続したときの酸素摂取量ＶＯ₂については、その規則性が分かっている。そして、その規則に則って運動を行ったときの心拍数ＲＨを計測すれば、個人差や経時変化に伴うＶＯ_2maxを求めることができる。しかし、その特定の運動を利用者が行うことが実際には難しい。

本発明の第１の実施例は、測定装置１が、常時装着可能な形態で、体動センサー３０と脈波センサー１０を備えていることを利用し、利用者が、無意識に酸素摂取量を特定できる所定の運動を行った場合、その運動状態（定常運動状態）を検出し、その運動状態における酸素摂取量ＶＯ₂と心拍数ＲＨとに基づいて回帰式を補正することとしている。

＜定常運動状態の検出＞
第１の実施例では、定常運動状態について、所定の歩速で所定時間継続して歩く（あるいは走る）、という運動状態で、かつ、その運動中に心拍数が一定であると定義し、その定常運動状態を検出し、その運動状態における心拍数と運動強度との関係から、心拍数と酸素摂取量との関係である回帰式を求めるための動作や情報処理について説明する。図６に第１の実施例における情報処理の流れを示した。

測定装置１のＣＰＵ２０は、上述の基本動作により、常時心拍数ＲＨと歩調ｆを測定しており（ｓ１）、履歴記憶部４３により、その心拍数ＲＨと歩調ｆとを運動履歴としてフラッシュメモリー２３に記憶していく（ｓ２）。また、定常運動検出部４４により、定期的に運動履歴を検索して定常運動状態の有無を確認する（ｓ３）。あるいは心拍数ＲＨと歩調ｆの測定機会ごとに過去所定時間前に測定された心拍数ＲＨと歩調ｆとを比較しながらほぼリアルタイムで定常運動状態の有無を検出してもよい。

図７に、定常運動状態の検出方法の概略を示した。図７（Ａ）は、運動履歴として記憶されたある時間帯における心拍数ＲＨの変動１２０と歩調ｆの変動１２１を示している。図７（Ｂ）は、（Ａ）に示した時間体におけるそれぞれの心拍数ＲＨと歩調Ｆの測定機会に対し、過去所定時間前の測定機会にて測定されて心拍数ＲＨと歩調ｆとの差分の絶対値（ΔＲＨ，Δｆ）の変動（１２２，１２３）を示している。

定常運動検出部４４は、ある測定機会において測定された心拍数ＲＨとその測定機会ｆより所定時間前に測定された心拍数との差の絶対値ΔＨＲ、および当該測定機会における歩調と過去所定時間前の歩調との差の絶対値Δｆを計算する（ｓ４）。本実施例では、過去1分前の測定機会に得たデータと比較する。これは、測定装置１が４秒間隔で心拍数ＲＨと歩調ｆとを測定しており、連続する前後の測定機会でΔＨＲやΔｆを計算した場合、心拍数ＲＨや歩調ｆが徐々に変化するように運動では、ΔＨＲやΔｆが全て所定数値範囲内に入ってしまうためであり、ある程度の時間が離れているときの測定機会でΔＨＲやΔｆを求めている。特に、心拍数ＲＨは、歩調ｆが急激に変化した場合でも、徐々に上がっていく場合も想定されるため、このようにΔＨＲやΔｆの起源となる２回の測定機会の時間間隔を長くしている。なお、歩調ｆについては、利用者が測定装置１を装着している腕を不意に大きく振るなどして、突発的に大きな変化が発生することも想定されることから、移動平均を取るなどして平滑処理を起こった上で所定時間前との差Δｆを計算するようにしてもよい。

そして、以上のようにして計算されたΔＨＲとΔｆが、所定の数値範囲となった時点で、その時点からの時間計測を開始し（ｓ５→ｓ６）、かつ、ΔＨＲとΔｆが、所定の数値範囲内となっている状態の継続時間を計測する（ｓ７）。そして、ΔＨＲとΔｆが、所定の数値範囲外となった時点で継続時間の計測を終了し（ｓ８→ｓ９）、計測した継続時間が所定時間以上である場合、図７（Ｂ）に示したように、この継続時間を定常運動状態にある期間（定常運動期間）１２４として、その期間１２４中に測定された心拍数ＨＲと歩調ｆを定常運動状態としてフラッシュメモリー２３などに記憶する（ｓ１０→ｓ１１）。本実施例では、ΔＨＲとΔｆが１０以下で３分間以上継続した場合に、その継続期間を定常運動期間１２４としている。

なお、後に行う回帰式の補正処理に際して採用する定常運動期間１２４中の心拍数ＨＲや歩調ｆについては、定常運動期間１２４の全てのデータを採用してもよいが、ここでは、心拍数ＨＲや歩調ｆが、定常運動期間１２４の開始時点１２５から心拍数ＨＲや歩調ｆが徐々により安定した状態に推移するものとして、定常運動期間１２４の終了時点１２６から所定時間前までの期間中の心拍数ＨＲと歩調ｆを採用することとしている。また、定常運動期間１２４の一部のデータのみを記憶することでフラッシュメモリー２３などの記憶領域を節約することもできる。本実施例では、定常運動期間１２４において、その終了時点１２６より１分前の心拍数ＨＲと歩調ｆを採用している。

＜酸素摂取量の計算＞
次に、回帰式補正部４５により、定常運動状態における歩調ｆから酸素摂取量ＶＯ₂を計算する。第１の実施例では、定常運動期間１２４中から採用した歩調ｆから運動強度を計算し、その運動強度を酸素摂取量に換算している。そして、その酸素摂取量と定常運動期間１２４中から採用した心拍数ＲＨの平均値ＲＨ_aveに基づいて回帰式を補正していく。

具体的には、運動強度は、利用者の歩速ｖから求めることができる。そこで、歩速ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を求める（ｓ１２）。歩速ｖは、歩調ｆ（ｓｔｅｐ／ｍｉｎ）に歩幅Ｌ（ｃｍ）を乗算することで求められ、歩幅Ｌは、身長Ｔと歩調ｆとに比例することが知られている。本実施例では、以下の式（４）によって歩速ｖを求めている。
ｖ＝Ｌ×ｆ＝（０．００１×ｆ＋０．３７×Ｔ）×ｆ…（４）
そして、定常運動状態にあるときの平均の酸素摂取量ＶＯ_2aveは、以下の式（５）によって求める（ｓ１３）。
ＶＯ_2ave＝０．１×ｖ＋ＶＯ_2rest…（５）
当該式（５）におけるＶＯ_2restについては、上述したように、ＶＯ_2rest＝３．５の固定値を採用している。そして、この固定値は、ＡＣＳＭが推奨する酸素摂取量ＶＯ₂と歩行速度ｖとの関係式に基づいている。

＜回帰式の補正＞
ＣＰＵ２０における回帰式補正部４５は、歩行速度ｖを計算したならば、定常運動状態における平均酸素摂取量ＶＯ_2aveを計算し（ｓ１３）、その平均酸素摂取量ＶＯ_2aveと、平均心拍数ＲＨ_aveとの対応関係からＶＯ_2maxを計算することで回帰式を補正する（ｓ１４，ｓ１５）。ここでは、利用者の身体情報や、定常運動状態を記述する各種情報を具体的に例に挙げる。その具体例に従って回帰式の補正に関わる動作や情報処理についてより詳しく説明する。

以下の表２に、身体情報や定常運動状態を記述する各情報数を一覧にして示した。

なお、回帰式は、定常運動状態を検出した時点で初めて生成することも考えられるが、定常運動状態の検出以前においても、酸素摂取量やその酸素摂取量に基づくカロリー消費量を利用者に提示することが望ましい。そこで、ＲＯＭ２２には、回帰式を初期設定するために、ＡＳＣＭが提唱する推定法によって規定されている年齢と性別と最大酸素摂取量ＶＯ_2maxとの対応関係を記述したテーブルが記憶されている。

当該対応関係を以下の表３に示した。

ＣＰＵ２０は、上記表１や表３に示したテーブルやユーザー入力された身体情報を用いて初期状態における回帰式を生成する。そして、この初期状態における回帰式を定常運動状態における平均酸素摂取量ＶＯ_2aveと平均心拍数ＨＲ_aveとに基づいて補正する。図８に表２に示した具体例に基づく初期状態の回帰式をグラフ１１０ａにして示した。また、そのグラフ１１０ａにおける回帰直線１３０ａと、定常運動状態の検出を起源として計算された平均酸素摂取量ＶＯ_2aveと平均心拍数ＨＲ_aveとの関係との誤差とを示した。また、ＨＲ_rest、ＨＲ_max、ＶＯ_2rest、およびＶＯ_2maxのそれぞれの値をグラフ１１０ａにおける対応する軸（１１１，１１２）に付記した。初期状態の回帰式では、ＶＯ_2max＝３９であり、定常運動状態において測定された心拍数ＨＲ_aveに９２．２に基づく相対心拍数％ＨＲ_aveは式（２）により２１．３％と計算され、初期状態の回帰式に従えば、相対酸素摂取量％ＶＯ₂は２１．３％で、（３）式に代入すると、測定される酸素摂取量ＶＯ_2aveは、回帰直線１３０ａ上の点で、約１１．０６（ｍＬ／Ｋｇ／ｍｉｎ）となるはずである。しかし、定常運動状態時において測定された酸素摂取量ＶＯ₂は、約１２．６２（ｍＬ／Ｋｇ／ｍｉｎ）であり、図８に示したグラフでは、２５．７％に相当する。

そこで、表３に示したテーブルから初期設定した最大酸素摂取量ＶＯ_2maxを、定常運動状態における平均酸素摂取量ＶＯ_2aveと平均心拍数ＨＲ_aveとから求められるＶＯ_2maxに置換して、回帰式を補正する。すなわち、定常運動状態時において測定された酸素摂取量ＶＯ₂が２１．３％となるようにＶＯ_2maxの値を補正すると、ＶＯ_2maxは約４６．２となる。図９に補正後の回帰式に対応するグラフ１１０ｂを示した。定常運動状態にお相対心拍数％ＨＲ_aveに対応する酸素摂取量ＶＯ₂が正しく回帰直線１３０ｂ上にある。ＣＰＵ２０は、次回の心拍数測定機会からは、酸素摂取量推定部４６により、随時測定される心拍数ＨＲをこの補正後の回帰式に適用して酸素摂取量ＶＯ₂を求め、（１）式によってカロリー消費量を計算する。

以上より、第１の実施例における酸素摂取量の推定方法では、利用者が体力テストを無意識に随時実施していることになり、体力テストに伴う煩わしさを伴うことなく、その利用者における回帰式を常に新しいものに更新することができる。

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
日常生活の中では、平坦地ばかりではなく、階段の昇降や坂の上り下りなど、高低差を伴う運動がある。そして、その高低差を伴う歩行運動と高低差を伴う歩行運動とでは、同じ歩速であっても酸素摂取量が異なる。そこで、第２の実施例では、定常運動状態が高低差を伴った歩行である場合、その高低差を考慮してＶＯ_2maxを補正するための動作や情報処理を扱っている。

具体的には、ＣＰＵ２０は、気圧センサー３１によって随時測定される高度のデータを、履歴記憶部４３により、心拍数ＨＲと歩調ｆとともに履歴としてフラッシュメモリー２３に記憶する。そして、心拍数ＨＲと歩調ｆとに基づいて定常運動状態を検出したならば、その運動時に昇降が伴っていたか否かを高度データの履歴に基づいて計算する。ここでは、歩速ｖ（ｍ／ｍｉｎ）と、単位時間あたりの高低差ΔＨ（ｍ／ｍｉｎ）とから、以下の式（６）によって勾配Ｇ（％）を求め、
Ｇ＝ΔＨ／ｖ…（６）
そして、定常運動状態における平均酸素摂取量ＶＯ_2aveを以下の式（７）を用いて計算している。
ＶＯ_2ave＝０．１×ｖ＋ＶＯ_2rest＋１．８×ｖ×Ｇ…（７）
なお、式（７）では、高低差ΔＨがなければ、Ｇ＝０となり、式（５）に一致し、平坦地における平均酸素摂取量ＶＯ_2aveも求めることができる。

＜変形例＞
上述した第２の実施例は、高低差ΔＨがある定常運動状態も利用してＶＯ_2maxを補正していた。しかし、例えば、上りのエスカレーター上を所定の歩調で歩くような状況と、同じ高度差の階段を同じ歩調で歩いた場合とで、酸素摂取量が同じであるとは限らない。そこで、高低差を伴う定常運動状態を検出した場合には、その定常運動状態に基づいて最大酸素摂取量ＶＯ_2maxの補正処理を行わないようにしてもよい。

また、生活環境によっては、高低差を伴う運動が多い利用者と、平坦地での運動が多い利用者とがおり、高低差を伴う運動が多い利用者では、積極的に高低差を伴う定常運動状態を利用しないと最大酸素摂取量ＶＯ_2maxの補正機会を失う。一方、平坦地での運動が多い利用者にとっては、敢えて高低差を含んだ定常運動状態に基づいて回帰式を補正しなくても、補正の機会が他にもある。もちろん、高低差ΔＨを回帰式の補正処理に利用するか否かをユーザー入力により設定できるようにしてもよい。

＝＝＝第３の実施例＝＝＝
カロリー消費量は、利用者の体重に比例する。したがって、利用者が重い荷物を担いでいるような状況でのカロリー消費量は、手ぶらでのカロリー消費量より多くなる。そこで、第３の実施例は、荷物などによる利用者の体重増加分（荷重）を考慮し、単位時間、単位重量あたりの酸素摂取量からカロリー消費量を計算する際に、利用者の体重Ｗと荷重ｗとを足した値を新たなＷとして、式（１）に代入している。

＝＝＝その他の実施形態・実施例＝＝＝
測定装置１の形態は腕時計型に限るものではない。体動信号と脈波信号を常時測定できる構成であれば、例えば、各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と体動センサーを搭載することは容易である。したがて、脈波センサーと体動センサーと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、歩数計や脈拍計など、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、利用者が運動や日常生活における体動や基礎代謝によって消費するカロリーを計算し、そのカロリー消費量を利用者に提示する生体情報測定装置に利用可能である。

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、２０ ＣＰＵ、２１ ＲＡＭ、２２ ＲＯＭ、２３ フラッシュメモリー、２４ 発振回路、２５ 分周回路、２６ 表示部、２９ 入力部、３０ 体動センサー、３１ 気圧センサー、３４ Ａ／Ｄ変換回路、４１ 心拍数測定部、４２ 歩調測定部、４３ 履歴記憶部、４４ 定常運動検出部、４５ 回帰式補正部、４６ 酸素摂取量推定部。

Claims (13)

1. 前記利用者のカロリー消費量を計算するカロリー消費量計算装置であって、
   前記利用者の脈波信号を検出する脈波センサー部と、
   前記利用者の体動に基づく体動信号を検出する体動センサー部と、
   前記脈波信号と前記体動信号とに基づいて心拍数を計算する心拍数測定部と、
   前記体動信号に基づいて運動強度を測定する運動強度測定部と、
   前記利用者の身体情報を受け付ける入力部と、
   前記心拍数及び前記運動強度の変動値が所定の範囲である状態が所定時間以上であった場合に、前記心拍数と前記利用者の酸素摂取量との関係を表す関係情報を補正し、前記補正された前記関係情報と前記心拍数とを用いてカロリー消費量を計算するカロリー消費量計算部と、
   を、備えることを特徴とするカロリー消費量計算装置。
2. 請求項１に記載のカロリー消費量計算装置において、
   前記身体情報に基づいて前記関係情報の初期値である初期関係情報を生成し、前記初期関係情報を、前記心拍数及び前記運動強度の変動値が所定の範囲である状態が所定時間以上であった場合に補正することを特徴とするカロリー消費量計算装置。
3. 請求項１または２に記載のカロリー消費量計算装置において、
   気圧信号を検出する気圧センサー部をさらに備え、
   前記気圧信号に基づき計算された高度差が所定値以上である場合には、前記気圧信号に基づいて前記カロリー消費量を補正し、前記所定条件を満たさない場合には前記カロリー消費量を補正しないことを特徴とするカロリー消費量計算装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のカロリー消費量計算装置において、
   前記身体情報は、前記利用者の身長、体重、年齢情報を含むことを特徴とするカロリー消費量計算装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のカロリー消費量計算装置において、
   前記運動強度は、速度、歩調または歩数のうち少なくとも１つ以上を含むことを特徴とするカロリー消費量計算装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のカロリー消費量計算装置において、
   前記体動センサーの検出軸は、前記カロリー消費量計算装置を前記利用者の身体に装着した状態で、肘から手首に向かう方向とほぼ一致することを特徴とするカロリー消費量計算装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のカロリー消費量計算装置において、
   前記脈波信号と、前記体動信号または前記気圧信号の少なくとも１つとは同一のＡ／Ｄ変換回路部によってデジタル信号に変換されることを特徴とするカロリー消費量計算装置。
8. 請求項４に記載のカロリー消費量計算装置において、
   前記入力部によって受け付けられた年齢情報を用いて計算された最大酸素摂取量に基づき前記カロリー消費量を計算することを特徴とするカロリー消費量計算装置。
9. 利用者のカロリー消費量を計算するカロリー消費量計算方法であって、
   脈波センサー部から前記利用者の脈波信号を検出するステップと、
   体動センサー部から前記利用者の体動に基づく体動信号を検出するステップと、
   前記脈波信号と前記体動信号とに基づいて心拍数を計算するステップと、
   前記体動信号に基づいて運動強度を測定するステップと、
   前記利用者の身体情報を受け付けるステップと、
   前記心拍数及び前記運動強度の変動値が所定の範囲である状態が所定時間以上であった場合に、前記心拍数と前記利用者の酸素摂取量との関係を表す関係情報を補正し、前記補正された前記関係情報と前記心拍数とを用いてカロリー消費量を計算するステップと、
   を、備えることを特徴とするカロリー消費量計算方法。
10. 請求項９に記載のカロリー消費量計算方法において、
    前記身体情報に基づいて前記関係情報の初期値である初期関係情報を生成するステップを備え、
    前記心拍数及び前記運動強度の変動値が所定の範囲である状態が所定時間以上であった場合に、前記初期関係情報を補正することを特徴とするカロリー消費量計算方法。
11. 請求項９または１０に記載のカロリー消費量計算装置において、
    前記身体情報は、前記利用者の身長、体重、年齢情報を含むことを特徴とするカロリー消費量計算方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載のカロリー消費量計算方法において、
    前記運動強度は、速度、歩調または歩数のうち少なくとも１つ以上を含むことを特徴とするカロリー消費量計算装置。
13. 請求項１１に記載のカロリー消費量計算方法において、
    前記カロリー消費量を計算するステップは、前記年齢情報を用いて計算された最大酸素摂取量に基づき、前記カロリー消費量を計算することを特徴とするカロリー消費量計算方法。

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