JP6805022B2 - 運動療法装置および無酸素性作業閾値の特定方法 - Google Patents

Description

本発明は、運動負荷試験を行うために用いられ、運動耐容能の指標であるＡＴ（Ａｎａｅｒｏｂｉｃ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ：無酸素性作業閾値または嫌気性代謝閾値）を算出する運動療法装置および無酸素性作業閾値の特定方法に関する。

例えば、身体障がい者または高年齢者が運動療法を行う際に、ペダルの回転運動を用いて運動機能の回復、および体力の維持を図ることができる運動療法装置がある（例えば、特許文献１参照）。このような運動療法装置は、エルゴメータと呼ばれている。

また、近年、吸気ガス分析を併用して行われる運動負荷試験により、運動耐容能の指標としてＡＴを求め、このＡＴを、運動処方、治療効果の判定などに用いている。そして、このような運動負荷試験を実施する際にも、エルゴメータを適用することができる。

運動負荷試験にエルゴメータを適用するメリットとしては、以下の点が挙げられる。
・負荷量の調整が容易であり、定量負荷が可能で、外的負荷が正確に定量化できる。この結果、運動強度と換気量（ＶＥ）、酸素摂取量（ＶＯ２）、二酸化炭素排出量（ＶＣＯ２）関係の評価が可能となる。
・エルゴメータのペダルをこぐ被験者の体位変動が少ない。この結果、各種の測定を容易に行うことができる。

なお、例えば、体重１ｋｇあたり１分間に体内に取り込まれる酸素量をミリリットルとして表した「酸素摂取量」は、

として表記され、Ｖの上にはドット（・）が付された「ヴィドット」の形で本来は示すべきであるが、本明細書中では、酸素摂取量も含め、ヴィドットとして表記すべき記号を、単に「Ｖ」と表記する。

ここで、ＡＴの求め方について説明する。エルゴメータを使用するＡＴ算出法の一般的に用いられるランプ負荷法について、Ｖ−ｓｌｏｐｅ法、トレンド法の内ＶＥ／ＶＯ２，ＶＥ／ＶＣＯ２を用いる方法で説明する。上述したように、定量負荷が可能なエルゴメータでは、運動負荷試験を実施する際に、安静期間、ウォーミングアップ期間、ランプ負荷期間の負荷強度を容易に設定できる。そして、単位時間当たりの負荷増加量が一定に設定されたランプ負荷期間において、Ｖ−Ｓｌｏｐｅ法では1呼吸ごとの酸素摂取量、二酸化炭素排出量の計測から、分時酸素摂取量（ＶＯ２）および分時二酸化炭素排出量（ＶＣＯ２）、トレンド法の内ＶＥ／ＶＯ２，ＶＥ／ＶＣＯ２を用いる方法では、上記1呼吸ごとの酸素摂取量、二酸化炭素排出量に加え１呼吸ごとの換気量を計測し、分時換気量（ＶＥ）、分時酸素摂取量（ＶＯ２）、分時二酸化炭素排出量（ＶＣＯ２）を算出することで、被験者のＡＴを求めることができる。

具体的には、以下の概念に基づいて、ＡＴが算出される。ランプ負荷中の分時酸素摂取量（ＶＯ２）は、直線的に増加する。一方、分時二酸化炭素排出量（ＶＣＯ２）、分時換気量（ＶＥ）は、低強度の運動では、直線的に増加するが、高強度の運転になると非直線的な変化を示す。

ここで、高強度の運動とは、ＡＴを超えた運動強度を意味している。そして、運動強度がＡＴを超えると、必要なエネルギーを産生するため解糖系（嫌気的代謝）が加わり、乳酸生成が増加する。この乳酸が細胞内で緩衝されるときに遊離する二酸化炭素（ＣＯ２）により、ＶＣＯ２の増加する割合が有酸素系代謝により算出される二酸化炭素に加わり、より大きくなる。このため、高強度の運動では、ＶＣＯ２がＡＴ以前の直線の延長上より値が大きくなり、非直線的に変化することとなる。

また、運動強度がＡＴを超えた直後は、分時換気量ＶＥは、ＶＣＯ２と平行して増加するので、ＶＥ／ＶＯ２は増加する。一方、全身的な代謝性アシドーシス状態が進行していないので、ＣＯ２に対する過換気は生じず、ＶＥ／ＶＣＯ２は、変化しない。

このように、ＡＴ前後では、特徴的なガス交換の変化が生じる。従って、ランプ負荷時の測定値の時間遷移から、例えば、トレンド法の内ＶＥ／ＶＯ２，ＶＥ／ＶＣＯ２を用いる方法では、ＶＥ／ＶＣＯ２が増加しないが、ＶＥ／ＶＯ２は、増加する点をＡＴとして求めることができる。また、Ｖ−Ｓｌｏｐｅ法では、ＡＴ以前では、ＶＯ２に対してＶＣＯ２はほぼ同等量（ｍｌ／ｍｉｎ）であるのに対して、ＡＴ以降では、ＶＯ２に対してＶＣＯ２が増加に転じるため、変曲点または屈折点をＡＴとして求めることができる。

そして、従来のエルゴメータは、例えば、負荷量２０Ｗ（ワット）一定のウォーミングアップ期間を経た後、ランプ負荷として１０Ｗ／分等、一定の傾きで負荷を増加させる負荷期間における分時換気量（ＶＥ）、分時酸素摂取量（ＶＯ２）、分時二酸化炭素排出量（ＶＣＯ２）の測定結果から、ＡＴを求めていた。

また、従来のエルゴメータは、負荷量２０Ｗよりも小さいところにＡＴがある低体力者に対しては、負荷量０Ｗでのウォーミングアップ期間を経た後に、ランプ負荷期間に移動するように負荷制御することで、ＡＴの算出を可能としていた。

特許第３９２９２３０号公報

Ｗａｓｓｅｒｍａｎ Ｋ， Ｈａｎｓｅｎ ＪＥ， Ｓｕｅ ＤＹ，ｅｔ ａｌ 運動負荷テストとその評価法 谷口興一、吉田敬義 東京：南江堂 １９９０：７８−９６ 太附広明 他 入院期高齢急性冠症候群患者を対象とした最大歩行速度による心肺機能負荷試験の運動処方強度およびランプ負荷強度推定の試み 日農医誌 ６５巻２号 ２０３ ２０１６．７

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
上述したように、従来方式の心肺機能負荷試験では、ウォーミングアップに一定の負荷量、例えば、２０Ｗまたは０Ｗ等を利用して、分時酸素摂取量、および分時二酸化炭素排出量を安定させ、その後、ランプ負荷を実施することにより、ＡＴを算出していた。

この従来方式では，例えば、肥満患者等、下肢の重量の多い患者に関しては，負荷量０Ｗでウォーミングアップしたとしても，随意的な筋活動により筋肉内での内呼吸が発生し、ウォーミングアップ期間での分時酸素摂取量は、安静時の分時酸素摂取量に比べ代謝量としては、大きなものになっていた。この結果、ランプ負荷期間で、ランプ負荷開始からＡＴに至るまでの、分時酸素摂取量，分時二酸化炭素排出量を推定する測定ポイント数が十分に得られないことから、ＡＴの算出精度が劣化する問題があった。

同様に、比較的小さな負荷量に対応するＡＴを有する低体力者に関しても、ランプ負荷期間で、分時酸素摂取量，分時二酸化炭素摂取量を推定するポイント数が十分に得られないことから、ＡＴの算出精度が劣化または同定できないという問題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、どのような被験者に対しても、安定したＡＴを算出できる運動療法装置および無酸素性作業閾値の特定方法を得ることを目的とする。

本発明に係る運動療法装置は、被験者の酸素摂取量および二酸化炭素排出量を測定する測定器と、被験者によって操作されるペダル付回転機構と、伝達機構を介してペダル付回転機構と連結され、回生運転と力行運転を切り替えてペダル付回転機構に回生負荷または力行負荷によるアシスト負荷を加える回転電機装置と、被験者に応じた運動負荷プログラムに従ってアシスト負荷が加えられるように、回転電機装置を駆動制御する動作制御装置とを備えた運動療法装置であって、動作制御装置は、被験者の運動療法試験を実施して無酸素性作業閾値（ＡＴ）を算出する際に、ウォーミングアップ期間において負荷量がマイナスのアシスト負荷が発生するように回転電機装置を力行運転させ、ウォーミングアップ期間の経過後のランプ負荷期間において、負荷量がマイナスのアシスト負荷から回生負荷まで連続的に一定の割合でアシスト負荷を減少、回生負荷を増加させていき、ランプ負荷期間中に測定器を介して得られた酸素摂取量、二酸化炭素排出量、および換気量を含む呼吸代謝量のそれぞれの時系列データに基づいて無酸素性作業閾値の算出を可能とし、ペダル付回転機構、伝達機構、および回転電機装置による機械構造で発生する機械摩擦相当分のトルクに打ち勝つ値としてマイナスのアシスト負荷を発生させ、機械摩擦相当分と被験者の足の自重相当分とを加算したトルクに打ち勝つ値としてマイナスのアシスト負荷を発生させ、マイナスのアシスト負荷を発生させてウォーミングアップ期間を開始した後、マイナスのアシスト負荷をプラス方向に徐々に増加させていき、被験者がペダルをこいでいない状態でペダルの回転が停止した際に発生させているマイナスのアシスト負荷を初期値として特定し、ウォーミングアップ期間の経過後のランプ負荷期間において、初期値から一定の割合でアシスト負荷を上昇させていくものである。

また、本発明に係る無酸素性作業閾値の特定方法は、被験者の酸素摂取量および二酸化炭素排出量を測定する測定器と、被験者によって操作されるペダル付回転機構と、伝達機構を介してペダル付回転機構と連結され、回生運転と力行運転を切り替えてペダル付回転機構に回生負荷または力行負荷によるアシスト負荷を加える回転電機装置と、被験者に応じた運動負荷プログラムに従ってアシスト負荷が加えられるように、回転電機装置を駆動制御する動作制御装置とを備えた運動療法装置を適用して被験者の運動療法試験を実施することで無酸素性作業閾値を算出する無酸素性作業閾値の特定方法であって、動作制御装置において、無酸素性作業閾値を算出する前のウォーミングアップ期間において、負荷量がマイナスのアシスト負荷が発生するように回転電機装置を力行運転させる第１ステップと、ウォーミングアップ期間の経過後のランプ負荷期間において、負荷量がマイナスのアシスト負荷から、一定の割合で負荷を上昇させていき、ランプ負荷期間中に測定器を介して酸素摂取量および二酸化炭素排出量のそれぞれの時系列データを取得する第２ステップと、第２ステップで取得した時系列データに基づいて、分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量を２次元座標でグラフ化して変曲点または屈折点を求め、変曲点または屈折点に対応する負荷の値を無酸素性作業閾値として算出する第３ステップとを有し、第１ステップにおいて、ペダル付回転機構、伝達機構、および回転電機装置による機械構造で発生する機械摩擦相当分のトルクに打ち勝つ値としてマイナスのアシスト負荷を発生させ、機械摩擦相当分と被験者の足の自重相当分とを加算したトルクに打ち勝つ値としてマイナスのアシスト負荷を発生させ、第１ステップは、マイナスのアシスト負荷を発生させてウォーミングアップ期間を開始した後、マイナスのアシスト負荷をプラス方向に徐々に増加させていき、被験者がペダルをこいでいない状態でペダルの回転が停止した際に発生させているマイナスのアシスト負荷を初期値として特定するステップと、ウォーミングアップ期間が終了するまで、初期値を継続して発生させるステップとを有し、第２ステップは、初期値から一定の割合でアシスト負荷を上昇させていくものである。

本発明によれば、機械摩擦相当分の力行電流よりも大きな力行電流を流す状態からランプ負荷期間を開始させ、ランプ負荷期間に収集した分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量の時系列測定データから、ＡＴを算出する構成を備えている。この結果、どのような被験者に対しても、安定したＡＴを算出できる運動療法装置および無酸素性作業閾値の特定方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る運動療法装置を示す構成図である。 従来の運動療法装置によってＡＴを算出する際の、分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量を含む測定データの遷移状態を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る運動療法装置によってＡＴを算出する際の、分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量を含む測定データの遷移状態を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る運動療法装置において実行される無酸素性作業閾値の特定方法を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１における分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量の時系列測定データから変曲点を求める説明図である。

以下、本発明の運動療法装置および無酸素性作業閾値の特定方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る運動療法装置を示す構成図である。図１において、運動療法装置に相当する自転車エルゴメータは、利用者によって操作（回転）されるペダル付回転機構１０、回転電機装置２０、測定器３０、および動作制御装置４０を備えて構成されている。

ペダル付回転機構１０には、一対のペダル１１、各ペダル１１に連結されたペダル回転軸１２、およびペダル回転軸１２に固定されたペダル側プーリ１３が設けられている。

また、回転電機装置２０には、回転電機本体２１、回転電機本体２１によって駆動される電機回転軸２２、電機回転軸２２に固定された負荷側プーリ２３、および速度検出器２４が設けられている。なお、速度検出器２４は、足の自重を計測する際に用いることができ、詳細は後述する。

ペダル側プーリ１３と負荷側プーリ２３との間には、無端状のベルト（伝達機構）５０が巻き付けられている。すなわち、回転電機装置２０は、ベルト５０を介してペダル付回転機構１０と連結されている。

回転電機装置２０は、動作制御装置４０に接続されている。動作制御装置４０は、回転電機装置２０の動作を制御する駆動制御部４１と、運動耐容能の指標であるＡＴを算出するための指標算出部４２を含んで構成されている。

なお、動作制御装置４０は、プログラム等の情報を記憶している記憶部（ＲＡＭおよびＲＯＭ）と、記憶部が記憶している情報に基づいて演算処理を行う演算部（ＣＰＵ）とを有するコンピュータである。

そして、駆動制御部４１は、設定情報入力部６０で入力された設定情報（時間軸で指定されたアシスト等のマイナスワット（マイナス負荷）を含む運動強度等）に基づいて選択された、低体力者用の運動負荷プログラムに応じて、回転電機装置２０の動作を制御することができる。

また、駆動制御部４１は、ＡＴを算出する場合には、安静期間、ウォーミングアップ期間、ランプ負荷期間のそれぞれにおいて、回転電機装置２０の動作（位置、速度、トルク、ワット等）を適切に制御することができる。

回転電機装置２０は、被験者の運動のために、ペダル付回転機構１０の操作に加える負荷を発する。すなわち、回転電機装置２０は、負荷を発する際には、発電機として動作し、回転電機本体２１は、被験者のペダル操作により回生負荷として動作する。なお、回転電機装置２０が発する負荷の大きさは、負荷電流の大きさを変化させることで自在に変化させることができる。

測定器３０には、被験者の１呼吸ごとの酸素摂取量、二酸化炭素排出量、換気量を測定するためのマスク３１が接続されている。運動負荷試験を実施する際には、被験者がこのマスク３１を装着して、ペダル１１をこぎ、各期間における１呼吸ごとの酸素摂取量、二酸化炭素排出量、換気量を測定器３０により測定し、分時酸素摂取量、分時二酸化炭素排出量、分時換気量を算出・計測することとなる。

本発明は、運動負荷試験を行う際のウォーミングアップ期間において、回転電機本体２１を力行運転させ、アシスト負荷としてマイナス負荷の状態を実現し、マイナス負荷の状態からランプ負荷試験を開始させることで、ゼロワット（０Ｗ）ウォーミングアップの場合に発生している筋活動（酸素消費）のない状態（筋活動による酸素消費の発生しない状態）から分時酸素摂取量、分時二酸化炭素排出量、分時換気量を計測することにより、ＡＴ以下の計測データ量を増やし、より安定したＡＴの算出を実現しているところに技術的特徴を有している。

そこで、この技術的特徴を明確にするために、まずは、ウォーミングアップ期間において、一定のプラスワット負荷、あるいはゼロワット（０Ｗ）負荷を加えてＡＴを算出している従来技術について説明する。

図２は、従来の運動療法装置によってＡＴを算出する際の、分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量を含む測定データの遷移状態を示した図である。図２（ａ）、図２（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は各測定データの大きさを示している。さらに、これら図２（ａ）、図２（ｂ）は、被験者が低体力者であった場合の測定データを例示している。

また、Ｔ１〜Ｔ２の区間は安静期間を示しており、Ｔ２〜Ｔ３の区間はウォーミングアップ期間を示しており、Ｔ３〜Ｔ４の区間はランプ負荷期間を示している。そして、図２（ａ）では、ウォーミングアップ期間における負荷が２０Ｗのプラスワット負荷として設定されている。その一方、図２（ｂ）では、ウォーミングアップ期間における負荷が０Ｗで設定されている。

Ｖ−ｓｌｏｐｅ法では、ＡＴ以上の分時酸素摂取量と分時二酸化酸素摂取量の関係しか表現できないため（屈曲点、または屈折点がない）に、ＶＥ／ＶＯ２，ＶＥ／ＶＣＯ２を用いたトレンド法で説明する。

ランプ負荷期間で、分時酸素摂取量と分時二酸化酸素摂取量、分時換気量を計測し、ＶＥ／ＶＯ２およびＶＥ／ＶＣＯ２を算出することでＶＥ／ＶＣＯ２が増加しないがＶＥ／ＶＯ２が増加する点を特定できれば、その変曲点を被験者のＡＴとして求めることができる。

図２（ａ）のように、ウォーミングアップ期間において、負荷が２０Ｗ加えられていると、このウォーミングアップ期間において、被験者は、２０Ｗ負荷に打ち勝つようにペダル１１をこぐ必要が生じる。ここで、被験者が低体力者であり、ＡＴに相当する点の負荷が、２０Ｗ近傍、あるいは２０Ｗ以下に相当すると仮定する。

この場合には、図２（ａ）に示したように、ウォーミングアップ期間内で、すでにＶＥ／ＶＣＯ２が増加しないが、ＶＥ／ＶＯ２が増加する測定データが得られてしまう。この結果、ランプ負荷期間の測定データから変曲点を正確に得ることができず、ＡＴを求めることができない結果となる。

これに対して、図２（ｂ）のように、ウォーミングアップ期間における負荷を０Ｗとすることで、ランプ負荷期間の測定データから変曲点を得ることができるようになる。この結果、指標算出部４２は、時刻Ｔ（ＡＴ）のポイントで、ＡＴを求めることができる。

なお、図１に示した構成を有する運動療法装置は、ペダル付回転機構１０、ベルト５０、および回転電機装置２０等からなる機械構造で発生してしまう機械摩擦相当分がある。従って、駆動制御部４１は、この機械摩擦相当分の駆動力（補助力）を回転電機装置２０で発することができるように、回転電機本体２１を力行制御することで、０Ｗ負荷を実現している。

しかしながら、図２（ｂ）のようにウォーミングアップ期間における負荷を０Ｗにしたとしても、低体力者の場合には、Ｔ３〜Ｔ（ＡＴ）の間隔に相当する測定時間が短くなってしまう。また、ランプ負荷において、例えば、１０Ｗ／分から５Ｗ／分ランプに変更することにより、ＡＴまでの測定点を増やすことはできるが、非特許文献１、非特許文献２が示す通り、代謝の適応、運動時間から、適正なランプ負荷量が存在している。この結果、十分な数のサンプリングデータに基づいてＡＴを精度よく算出することが困難となってしまうことがあった。
また、被験者が肥満患者のように、下肢の重量の多い患者においては，０Ｗでウォーミングアップしても、その期間の代謝量が大きなものになってしまい、分時酸素摂取量（ＶＥ／ＶＯ２）および分時二酸化炭素排出量（ＶＥ／ＶＣＯ２）がゼロワットウォーミングアップ期間中に上昇してしまうおそれがあった。このような場合にも、ウォーミングアップ期間における負荷を０Ｗにしたにもかかわらず、ＡＴを精度よく算出することが困難となることがあった。

そこで、本発明では、ウォーミングアップ期間において、回転電機本体２１を力行運転させ、アシスト負荷としてマイナス負荷の状態を実現し、マイナス負荷の状態からランプ負荷試験を開始させることで、安定したＡＴの算出を実現している。

ここで、マイナス負荷とは、被験者がこぐことなしにペダル１１に足を載せた状態で、通常こぐ方向にペダルを回転させることのできる負荷に相当する。具体的な数値としては、このマイナス負荷として、例えば、マイナス２０ワット（−２０Ｗ）を設定することができる。

そして、本発明では、ウォーミングアップをマイナスワットで実施し、さらに、マイナスワットを起点としてランプ負荷を実施する。例えば、−２０Ｗでウォーミングアップして、−２０Ｗから、ランプ負荷期間を開始する。ランプ負荷期間の最初のうちは、被験者が足に力を入れない状態でペダル１１が自発的に力行運転している。

ウォーミングアップをマイナスワット（マイナス負荷）で実施することにより、被験者は、実際には運動をしておらず、ペダル１１が勝手に回っている状態であり、筋活動（酸素摂取量の安静時からの増加）が少ない状態となっている。従って、被験者が肥満者であったとしても、ランプ負荷期間の開始前に、代謝量が大きくなってしまう状況を回避することができる。

ランプ負荷期間を開始後も、足の自重分のトルクがアシストされているうちは、同様の現象が発生する。徐々にマイナスワット（マイナス負荷）から負荷が増加するにしたがって、ペダルの速度が低下する。足の自重とアシストトルクが一致した時点で、ペダルは停止し、その後は、マイナスワット（マイナス負荷）であるにも関わらず、被験者がペダルをこぐ回生負荷となる。

そして、徐々にランプ負荷がペダル１１に加わることで、被験者は、速度を一定にしてペダル１１を回転させるように、ペダル１１の負荷に対抗する力でこぐことが必要となる。そして、ランプ負荷期間において、指標算出部４２は、測定器３０から得られる測定データに基づいて、分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量を一定の間隔で測定する。

指標算出部４２は、ランプ負荷期間にわたって測定された分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量を、一方を縦軸、他方を横軸としてグラフ化することで、変曲点をＡＴとして求めることができる。この変曲点については、図５を用いて後述する。

図３は、本発明の実施の形態１に係る運動療法装置によってＡＴを算出する際の、分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量を含む測定データの遷移状態を示した図である。この図３を測定した被験者は、健常者であり、詳細データを以下に示す。
性別：女性
年齢：３１才
体重４８ｋｇ
伸長１５５ｃｍ

また、この図３では、３分の安静期間の後、３分のウォーミングアップ期間においてマイナス負荷を−２０Ｗと設定し、さらに、その後のランプ負荷期間においては、１０Ｗ／分で負荷をランプ状に上げていき、各データの測定を行った。

図３では、−５Ｗ近辺で、被験者が力を加えてペダル１１をこぐ状態が開始され、３８Ｗ近辺で変曲点が得られている。このように、−２０Ｗのようなマイナス負荷でウォーミングアップを行い、そのマイナス負荷を起点にランプ負荷期間を開始することで、ウォーミングアップ開始からＡＴが求まるまでの間隔（Ｔ３〜Ｔ（ＡＴ）の間隔）を従来よりも（従来は０Ｗから）広くすることができる。

この結果、分時酸素摂取量および分時二酸化炭素排出量に関して、より多くのサンプリングデータに基づいて、ＡＴに対応する変曲点を特定でき、ＡＴの算出精度を向上させることができる。

次に、本実施の形態１における運動療法装置を適用してＡＴを算出する際の一連処理について、被験者の動作も含め、フローチャートを用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係る運動療法装置において実行される無酸素性作業閾値の特定方法を示したフローチャートである。

まず、ステップＳ４０１において、運動負荷試験の被験者は、以下の３つの動作を行い、運動負荷試験のスタンバイをする。
（１）被験者は、運動療法装置に着座する。
（２）分時酸素摂取量および分時二酸化炭素排出量を測定するためのマスク３１を顔に装着する。
（３）ペダル１１に足を載せる

これらの動作が完了した後、例えば、被験者が起動操作を行うことで、ステップＳ４０２に進む。そして、ステップＳ４０２において、負荷装置が動くことはなく、安静時の分時酸素摂取量、分時二酸化酸素排出量、分時換気量を計測し、被験者の状態が特に変化のないことを確認する。そして、安静期間が経過することで、ステップＳ４０３に進む。

次に、ステップＳ４０３において、駆動制御部４１は、マイナス負荷（例えば、−２０Ｗ）により回転電機本体２１を力行制御することで、ウォーミングアップ期間を開始する。これにより、被験者は、力を入れてペダルをこぐことなしに、ウォーミングアップすることとなり、代謝の評価である分時酸素摂取量、分時二酸化炭素排出量が安静時と同等のレベルにまで低下していく状態でウォーミングアップを完了させることができる。

次に、ステップＳ４０４において、駆動制御部４１は、あらかじめ決められたウォーミングアップ期間が経過後、マイナス負荷を起点に、あらかじめ決められた一定の負荷増加量（例えば、１０Ｗ／分）により、ランプ負荷期間を開始する。これにより、ランプ負荷期間の開始からＡＴが求まる時刻までの間隔を、従来よりも広く取ることが可能となる。

次に、ステップＳ４０５において、指標算出部４２は、あらかじめ決められたランプ負荷期間にわたり、測定器３０を介して、分時酸素摂取量、分時二酸化炭素排出量、分時換気量を一定間隔で算出し、時系列データを得る。

そして、ステップＳ４０６において、指標算出部４２は、分時酸素摂取量および分時二酸化炭素排出量の時系列データから変曲点または屈折点を特定することで、ＡＴを求める。図５は、本発明の実施の形態１における分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量の時系列測定データからＶ−ｓｌｏｐｅ法で、変曲点または屈折点を求める説明図である。

図５では、縦軸を分時二酸化炭素排出量、横軸を分時酸素摂取量として、２つの時系列測定データをグラフ化したものであり、理想的な場合を例示している。変曲点よりも左側では、有酸素運動領域で、分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量がほぼ１：１の割合で増加する。

一方、変曲点よりも右側では、無酸素運動の領域で、脂質代謝以外に糖質代謝が発生し、分時二酸化炭素排出量の増加する割合が大きくなり、図５のような変曲点または屈折点がＡＴに相当する値として求められることとなる。

なお、本発明は、上述したように、ランプ負荷期間をマイナス負荷から開始することで、ＡＴを算出するための測定データを従来よりも多く取得することができ、ＡＴの算出精度の向上を図っている点を特徴としている。従って、このマイナス負荷の値は、最低でも、機械摩擦相当分よりも大きい力行電流を流すことができればよい。

さらに、機械負荷相当分のトルクに加え、被験者の足の自重分相当のトルクを考慮して、マイナス負荷の値を特定することで、ランプ負荷期間の開始からＡＴが求まる時刻までの間隔を、より広く取ることができる。このマイナス負荷の重要性は、ＡＴが低くなればなるほど重要性を有し、術後低体力者、肥満患者、高齢心不全患者などのＡＴを正確に把握できる。

また、上述した実施の形態では、機械負荷相当分と被験者の足の自重分相当を加えたトルクよりも、さらに大きい値をマイナス負荷として設定し、そのマイナス負荷からランプ負荷期間を開始する場合について説明したが、本発明によるＡＴ算出方法は、これに限定されるものではない。

例えば、動作制御装置４０は、−２０Ｗから０Ｗに近づく方向に負荷を徐々に上げていき、ペダル１１が回転しなくなった状態を、機械負荷相当分と被験者の足の自重分相当を加えたトルクに相当する、被験者に即したマイナス負荷として特定することができる。なお、動作制御装置４０は、ペダル１１の回転状態を、速度検出器２４の検出結果により判断できる。

そして、被験者に即したマイナス負荷が算出された後に、このマイナス負荷の値をランプ負荷期間の初期値として、あらかじめ決められた一定増加量に基づいて、ランプ負荷期間を開始させることによっても、実施の形態１で説明した具体的な算出方法と同様に、ＡＴ算出の高精度化を実現することができる。この場合、被験者に即したマイナス負荷として特定する動作を行う際の負荷の変化量は、ランプ負荷期間と独立に、最適な値に設定することができる。

また、これとは逆に、動作制御装置４０は、０Ｗからマイナス方向に負荷を徐々に下げていき、ペダル１１が回転しだした状態を、機械負荷相当分と被験者の足の自重分相当を加えたトルクに相当する、被験者に即したマイナス負荷として特定することもできる。

例えば、安静時からウォーミングアップに移行するタイミングで、徐々にマイナス負荷をかけて動き出すマイナス負荷を把握することを通じても、被験者に即したマイナス負荷として特定することもできる。

そして、被験者に即したマイナス負荷が算出された後に、このマイナス負荷の値をランプ負荷期間の初期値として、あらかじめ決められた一定増加量に基づいて、ランプ負荷期間を開始させることによっても、実施の形態１で説明した具体的な算出方法と同様に、ＡＴ算出の高精度化を実現することができる。この場合も、被験者に即したマイナス負荷として特定する動作を行う際の負荷の変化量は、ランプ負荷期間と独立に、最適な値に設定することができる。

また、足の自重は、通常、体重の１０％程度といわれている。従って、被験者の体重の１０％を足の自重として仮定し、マイナス負荷を特定することも可能である。

以上のように、実施の形態１によれば、機械摩擦相当分の力行電流よりも大きな力行電流を流す状態からランプ負荷期間を開始させ、ランプ負荷期間に収集した分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量の時系列測定データから、ＡＴを算出する構成を備えている。この結果、ランプ負荷期間の開始からＡＴに相当する時刻までの幅を、従来よりも広くでき、より多くの測定データから、ＡＴを高精度に求めることが可能となる。

さらに、被験者の足の自重分を考慮してマイナス負荷を設定することで、ウォーミングアップ期間での代謝量の変化を抑制することが可能となる。この結果、ランプ負荷期間において、適切な測定データを得ることができ、ＡＴを高精度に求めることが可能となる。

さらに、ＡＴが高精度に求められることで、無酸素運動や有酸素運動を交互に実施できる運動プログラムを，例えば、低体力肥満患者の体力の許容範囲内で、無理なく実施させることができ，肥満解消に役立てることができる。

１０ ペダル付回転機構、１１ ペダル、１２ ペダル回転軸、１３ ペダル側プーリ、２０ 回転電機装置、２１ 回転電機本体、２２ 電機回転軸、２３ 負荷側プーリ、２４ 速度検出器、３０ 測定器、３１ マスク、４０ 動作制御装置、４１ 駆動制御部、４２ 指標算出部、５０ ベルト、６０ 設定情報入力部。

Claims (2)

1. 被験者の酸素摂取量および二酸化炭素排出量を測定する測定器と、
   被験者によって操作されるペダル付回転機構と、
   伝達機構を介して前記ペダル付回転機構と連結され、回生運転と力行運転を切り替えて前記ペダル付回転機構に回生負荷または力行負荷によるアシスト負荷を加える回転電機装置と、
   被験者に応じた運動負荷プログラムに従って前記アシスト負荷が加えられるように、前記回転電機装置を駆動制御する動作制御装置と
   を備えた運動療法装置であって、
   前記動作制御装置は、
   前記被験者の運動療法試験を実施して無酸素性作業閾値を算出する際に、ウォーミングアップ期間において負荷量がマイナスのアシスト負荷が発生するように前記回転電機装置を力行運転させ、前記ウォーミングアップ期間の経過後のランプ負荷期間において、負荷量が前記マイナスのアシスト負荷から回生負荷まで連続的に一定の割合でアシスト負荷を減少、前記回生負荷を増加させていき、前記ランプ負荷期間中に前記測定器を介して得られた前記酸素摂取量、前記二酸化炭素排出量、および換気量を含む呼吸代謝量のそれぞれの時系列データに基づいて前記無酸素性作業閾値の算出を可能とし、
   前記ペダル付回転機構、前記伝達機構、および前記回転電機装置による機械構造で発生する機械摩擦相当分のトルクに打ち勝つ値として前記マイナスのアシスト負荷を発生させ、
   前記機械摩擦相当分と被験者の足の自重相当分とを加算したトルクに打ち勝つ値として前記マイナスのアシスト負荷を発生させ、
   前記マイナスのアシスト負荷を発生させて前記ウォーミングアップ期間を開始した後、前記マイナスのアシスト負荷をプラス方向に徐々に増加させていき、被験者がペダルをこいでいない状態でペダルの回転が停止した際に発生させているマイナスのアシスト負荷を初期値として特定し、前記ウォーミングアップ期間の経過後の前記ランプ負荷期間において、前記初期値から一定の割合でアシスト負荷を上昇させていく
   運動療法装置。
2. 被験者の酸素摂取量および二酸化炭素排出量を測定する測定器と、
   被験者によって操作されるペダル付回転機構と、
   伝達機構を介して前記ペダル付回転機構と連結され、回生運転と力行運転を切り替えて前記ペダル付回転機構に回生負荷または力行負荷によるアシスト負荷を加える回転電機装置と、
   被験者に応じた運動負荷プログラムに従って前記アシスト負荷が加えられるように、前記回転電機装置を駆動制御する動作制御装置と
   を備えた運動療法装置を適用して前記被験者の運動療法試験を実施することで無酸素性作業閾値を算出する無酸素性作業閾値の特定方法であって、
   前記動作制御装置において、
   前記無酸素性作業閾値を算出する前のウォーミングアップ期間において、負荷量がマイナスのアシスト負荷が発生するように前記回転電機装置を力行運転させる第１ステップと、
   前記ウォーミングアップ期間の経過後のランプ負荷期間において、負荷量が前記マイナスのアシスト負荷から、一定の割合で負荷を上昇させていき、前記ランプ負荷期間中に前記測定器を介して前記酸素摂取量および前記二酸化炭素排出量のそれぞれの時系列データを取得する第２ステップと、
   前記第２ステップで取得した前記時系列データに基づいて、分時酸素摂取量と分時二酸化炭素排出量を２次元座標でグラフ化して変曲点または屈折点を求め、前記変曲点または屈折点に対応する負荷の値を前記無酸素性作業閾値として算出する第３ステップと
   を有し、
   前記第１ステップにおいて、
   前記ペダル付回転機構、前記伝達機構、および前記回転電機装置による機械構造で発生する機械摩擦相当分のトルクに打ち勝つ値として前記マイナスのアシスト負荷を発生させ、
   前記機械摩擦相当分と被験者の足の自重相当分とを加算したトルクに打ち勝つ値として前記マイナスのアシスト負荷を発生させ、
   前記第１ステップは、
   前記マイナスのアシスト負荷を発生させて前記ウォーミングアップ期間を開始した後、前記マイナスのアシスト負荷をプラス方向に徐々に増加させていき、被験者がペダルをこいでいない状態でペダルの回転が停止した際に発生させているマイナスのアシスト負荷を初期値として特定するステップと、
   前記ウォーミングアップ期間が終了するまで、前記初期値を継続して発生させるステップと
   を有し、
   前記第２ステップは、前記初期値から一定の割合でアシスト負荷を上昇させていく
   無酸素性作業閾値の特定方法。

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