JP7078813B1

JP7078813B1 - ダイエット支援用脚部運動装置

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Publication number: JP7078813B1
Application number: JP2021147204A
Authority: JP
Inventors: 康幸菅野
Original assignee: 康幸菅野
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2022-06-01
Anticipated expiration: 2041-08-06
Also published as: JP2023024220A

Abstract

【課題】ＣＰＵとデイスプレイを用いて運動強度、心拍数、運動時間、積算消費カロリー等を算出し表示する機能を有したトレッドミル等の脚部運動装置において、該運動装置を用いて為された運動による糖質と脂肪のそれぞれの燃焼カロリーあるいはそれぞれの消費重量の推測値を、酸素濃度測定装置と二酸化炭素濃度測定装置等を用いないで算出し表示する。【解決手段】運動強度、心拍数、運動時間、積算消費カロリー等の算出と表示機能を有している脚部運動装置に備えられたＣＰＵのソフトのバージョンアップにより、運動者が為した仕事における糖質と脂肪の利用割合を、心拍数と相対的運動強度との関係式と、相対的運動強度と糖質の利用割合との関係式等から、運動における糖質と脂肪の利用割合を心拍数を基にした演算によって算出する。【選択図】図１

Description

本発明は脚部の運動装置に関する。

肥満は健康と美容の大敵とされ、これまで多種多様なダイエット法が発案され、それぞれ多くの人々に試みられてきたが、家庭において可能な成功率の高いダイエット法は、ダイエットに伴う苦痛を克服する方法あるいは手段の開発が共通の課題となって定まっていなかった。

肥満は摂取カロリーが消費カロリーを上回り、余剰となったカロリー源が脂肪として体内に蓄えられる症状であることから、ダイエットでは余剰な体脂肪を減らすことが目的とされ、摂取カロリーを減らす食事療法と消費カロリーを増やす運動療法の二つの方法が基本とされてきた。

食事療法によるダイエットでは摂取カロリーの総量を減らす摂食制限が基本であるが、主として糖質を制限する考え方と、主として脂肪を制限する考え方の他、カロリーが等しければ栄養素の種類に差が無いとする考え方等があって、定まった考え方が存在していなかった。

さらに、摂食制限は食欲との闘いが極めて困難な他、基礎代謝量が減少すること、体脂肪率がそれほどには下がらずに筋肉量が減少する等の欠点があった。一方、運動では有酸素運動で脂肪を燃焼させるのが一般的な方法であり、基礎代謝量の増大と体脂肪率の減少が認められたが、筋肉量が増大するため実際の体重減が少ない欠点があった。

この様なことから、摂食制限による基礎代謝量の減少を運動によって防ぎながら、体脂肪率を減少させて実際の体重を減らす方法が理想と考えられ、摂食制限と運動を組み合わせる方法が薦められていた。

従来から、摂食制限による空腹感を克服するために、重量比でカロリーの少ない食品や、いわゆる腹持ちの良い食品、あるいは栄養素の吸収率を下げる食品や、特異動的作用の大きなタンパク質を主体とした食品等が提案されていたが、食欲を克服して体重を減らすことは容易ではなかった。

しかし、生理学の分野においては、摂食は単に摂食中枢と満腹中枢だけが関与するのではなく、実際の摂食行動の発動には知的活動を担い理性を司る前頭前野の連合野が最終的な摂食行動の制御に関与しているとされ、ダイエットへの意志を理性によって支えることが食欲と闘う武器に成り得ると考えられていた。（非特許文献１参照）
そのため、ダイエットの苦しさを克服し得る意志の具体的な強化方法が望まれていたが、一般的に入手が可能なダイエットに関する知識や情報は、摂取した栄養素の種類と作用、並びにそれらのカロリー等が主であり、本来、生きるための本能的な食欲と闘う意志を支える理性を育むには不十分であった。

前頭前野を十分に賦活する力の不足は、ダイエットで利用する運動装置から得られる情報においても同様で、従来一般的な運動装置が提供していた運動強度、心拍数、運動時間、積算消費カロリーでは、ダイエットを成功に導くための情報として必ずしも十分ではなかった。

しかしながら、運動によって消費される酸素の量と排出される二酸化炭素の量を測定することにより、糖質の代謝量と脂質の代謝量を測ることが可能であること、あるいは運動によって消費される酸素の量と排出される二酸化炭素の量の比が分かれば、糖質の代謝量と脂質の代謝量の比を算出することが可能であることは従来から知られていることであり（非特許文献２参照）、ダイエットの意志を支えるにはその様な運動と代謝に関する情報を多くすることが、連合野の活動を賦活する上で有効であると考えられた。

しかし、今日に至るまで一般的な運動装置に酸素濃度測定装置や二酸化炭素濃度測定装置等が備えられていないのは、その様な代謝の測定機能を有する運動装置では価格が高くなること、測定装置のメインタナンスや校正操作が必要となること、運動を始めるまでの装置の操作が複雑になること、採気用マスクの装着が必要となること等の他、その様な測定装置によって得られる情報にダイエットへの意志を強固にする作用効果があるとの考えが、一般的には為されていなかったためと考えられる。
しかしながら、運動中に消費される酸素の量と排出される二酸化炭素の量のリアルタイムな測定を可能にすれば、運動中の代謝を糖質と脂質に分け、それぞれの燃焼によって産生される熱量と消費される重量を示すことが可能であり、運動中の糖質と脂肪の燃焼割合をリアルタイムに示すことが可能であった。
さらに、運動を楽しく続けられる比較的軽い中程度の運動強度では、脂肪が糖質と同じ程度に使われる一方で、激しい運動ではもっぱら糖質が使われる等、運動強度によって使われる糖質と脂肪の割合が異なってくる生理的現象が存在していて（非特許文献３参照）、運動の非鍛錬者が行う軽い運動でも脂肪の減少には効果的であった。
上記の様に、運動強度の調節によって、糖質と脂肪の燃焼割合をある程度任意に調節することが可能なことから、運動による糖質と脂肪の燃焼状況をリアルタイムに知り得ることは、運動強度の調節において客観的な工夫を可能とするものであった。

前述の通り、すでにＣＰＵを備えた自転車エルゴメーターやトレッドミルでは、体重を入力する他、運動装置の駆動による物理的運動強度を示すデジタル信号と、心拍数測定装置によって測定された心拍数を示すデジタル信号をＣＰＵに送信させ、それを取り込んだＣＰＵによって処理を行い、運動者の運動強度、心拍数、運動時間、積算消費カロリー等を、運動装置に設置したデ゛イスプレイ上でリアルタイムに表示することが可能であった。
従来、自転車エルゴメーターあるいはトレッドミルの使用目的が体力の増強と運動能力の向上にあったことから、運動強度や運動によってなされた仕事が指標となるのは当然であるが、ダイエットでも自転車エルゴメーターやトレッドミルは有用な装置であり重要な手段であったことから、運動による糖質と脂質の代謝量をそれぞれの燃焼カロリーあるいはそれぞれの消費重量で示すことは、ダイエットに於ける意義のある指標となり、ダイエットを科学的に支援する効果があると考えられた。

一方、運動生理学の分野では、心拍数と相対的運動強度との関係が、年齢別、男女別に明らかにされていた。（非特許文献４参照）
同様に、相対的運動強度と、消費される糖質と脂肪の利用割合が明らかにされていた。（参考文献３参照）
他方、従来の自転車エルゴメーターやトレッドミルでは、前記の通り、運動装置の駆動による物理的運動強度を示すデジタル信号を取り込んだＣＰＵによって、運動者に課された運動強度が、仕事率（Ｗ）あるいは単に運動速度（Ｋｍ／ｈ）としてデイスプレイ上に表示されていた他、運動装置によって運動者が為した仕事（Ｗ＊ｓｅｃ）を算出して、消費カロリー（Ｋｃａｌ）としてデイスプレイ上に表示することが為されていた。
さらに、運動装置に備えられた心拍数測定装置で測定された心拍数を示す信号もＣＰＵに取り込まれ、心拍数が表示されていた。

大村裕（１９９０）：教育と医学特集食事と健康慶応通信Ｔ・Ｇ・テイラー著坂本清訳（１９８０）：人間の栄養学朝倉書店杉晴夫（２０１１）：筋肉はふしぎブルーバックス講談社山地啓司（１９８６）：心臓とスポーツ共立出版中野昭一編集（１９８７）：図説・運動の仕組みと応用医歯薬出版

本発明は、ＣＰＵとデイスプレイを用いて運動強度、心拍数、運動時間、積算消費カロリー等を算出して表示する機能を有した自転車エルゴメーターあるいはトレッドミル等の脚部運動装置において、該運動装置を用いて為された運動による糖質と脂肪のそれぞれの燃焼カロリーあるいはそれぞれの消費重量の推測値を、酸素濃度測定装置と二酸化炭素濃度測定装置等を用いないで算出し、表示することを課題とするものである。

ＣＰＵを用いて、運動強度、心拍数、運動時間、積算消費カロリー等を表示する機能を有した、従来の自転車エルゴメーターやトレッドミル等の脚部運動装置のＣＰＵに新たなソフトを組み込んで、ＣＰＵの処理によって得た脚部運動装置の駆動による運動者が受けた運動強度と、運動者の心拍数の他、ＣＰＵが取り込んだ運動時間を利用して、運動中の心拍数に対応する相対的運動強度（％）を、心拍数と相対的運動強度との関係式に、測定した心拍数を代入して算出し、運動によって消費される糖質と脂肪の利用割合（％）を、相対的運動強度と糖質の利用割合との関係式に、前記算出した相対的運動強度を代入して糖質の利用割合を算出し、１００（％）から糖質の利用割合（％）を引くことによって脂肪の利用割合（％）を求めた後、前記ＣＰＵが取り込んで得た運動者が受けた運動強度（Ｗ）と運動時間（ｓｅｃ）から、運動者が３０秒間で為した仕事を算出（ＷＪ／ｓｅｃ＊３０ｓｅｃ＊０．２４ｃａｌ／Ｊ）し、運動に於ける糖質と脂肪のそれぞれの利用割合を掛け合わせることにより、運動の３０秒間での糖質と脂肪のそれぞれの燃焼カロリーを算出する他、糖質と脂肪の１ｇ当たりの燃焼カロリーから、３０秒間に於けるそれぞれの消費重量を算出して、それぞれの燃焼カロリーと消費重量の推測値を算出する他、所定の運動時間が過ぎるまで、３０秒毎に上記処理を繰り返してそれぞれ積算することを、運動によるそれぞれの総燃焼カロリー（Ｋｃａｌ）とそれぞれの総消費重量（ｇ）の推測値を算出する手段とするものである。
なを、上記は実施例を基にした一例であり、３０秒間隔で取り込む運動強度と心拍数の値が３０秒間一定として算出するものであることから、推測値をより正確にするために、ＣＰＵによるデータの取り込みと処理を３０秒よりも短い間隔で頻繁に行うことを否定するものではない。

従来の脚部運動装置に備えられたＣＰＵでは、すでに運動強度と心拍数、運動時間等を得ることができることから、運動生理学で認められた関係式を用いることで、平均値的ではあるものの、酸素濃度測定装置や二酸化炭素濃度測定装置等を用いずに、ＣＰＵに組み込むソフトのバージョンアップだけで糖質と脂質の代謝量を推測して表示できることから、運動装置の構成要素に変更が無く、構造やメインタナンス、操作等も従来通りであり、採気用マスクの装着も不要で使用が容易な他、装置が高価にならない利点がある。

ダイエットの成功には食欲や運動の辛さと闘う意志が必要であることは、これまでの経験から明らかであった。本発明では、運動によって消費される糖質と脂肪の代謝量を知り、ダイエットに於ける科学的な指標を得ることによってダイエットの成功を信じ、苦痛と闘う意志を理性で支える効果を期待することができる。

本発明の実施例は、運動中の糖質と脂肪の燃焼量を３０秒間隔でデイスプレイ上に表示するものである。運動強度によって糖質と脂肪の利用割合が生理的に変わること、運動強度は運動者が運動装置の操作によって任意に調節できることから、運動者が任意に運動強度を調節することによって変化する運動中の糖質と脂肪の燃焼割合を略リアルタイムに知ることで、運動中の知的アクテイビテイを高める効果を期待することができる。

従来、ダイエットにおける運動では、一般的に最大酸素摂取量の６０％を超える運動強度、いわゆる相対的運動強度が６０％を超える運動が薦められていたが、その様な運動強度は運動の非鍛錬者にとって辛い運動であるばかりでなく、エネルギー源も比較的糖質が多く燃焼される領域であった。
一方、ダイエットを試みる者は運動の非鍛錬者が多いと考えられるが、最大酸素摂取量の略５０％付近の運動は楽に感じられ、比較的脂肪が使われる割合の高い代謝領域でもあった。従って、運動中の糖質と脂肪の燃焼量を定量的に知ることができる本発明では、楽と感じられる運動強度が、かえって比較的効率的に脂肪を燃焼させる運動強度であることを認識することができ、運動の効果を信じて、運動を断念しない意志を固める作用を期待することができる。

他方、上記の方法の欠点は、同じカロリーを消費するためにはきつい運動よりも運動時間が長くなることであるが、ややきつさを感じる自覚的運動強度と楽に感じる自覚的運動強度に於ける運動強度の差は１０％程度（非特許文献５）であり、運動時間を１０％程度延長することで補うことが可能であった。一般的な一回の運動時間が３０分であることから、それを３分程度延長するだけで、苦しかった運動が楽に行えることは、運動の非鍛錬者にとって運動時間の延長によるデメリットを上回るメリットとなり、運動を断念する確率を減じてダイエットの成功率を高める効果を期待することができる。
上記の様な工夫は一例であり、ダイエットに於ける様々な自発的工夫は、本発明の運動装置で得られるデータと簡単な計算でできることが多く、ダイエットを知的に能動的に行うことで理性を育み、ダイエットの成功率を高める作用を期待することができる。

成人病の約９割はダイエット・エラーであるとされ、世界に蔓延している肥満と運動不足は人類が直面している最大級の健康問題であるとされている。
健康を保つには適度な運動と正しい食生活が必須であるが、本発明は運動強度と代謝の関係を定量化して可視化することから、体重や体脂肪率、筋肉量等の測定データを加えることによって運動による体の変化を客観的に知り、運動を伴うダイエットの効果を確認しながら運動を習慣化することに効果を期待することができる。

毎日の値をグラフ化してトレンドを可視化することにより、ダイエットの成功を想像させてダイエットを続ける意志を保つ作用を期待することができる。この例の様に、本発明ではダイエットを成功に導くための様々なソフトの開発を可能にする。

本発明ではＣＰＵを用いていることから、データを外部メモリーに移して他の装置で利用、分析することや、データの他の装置への転送を可能とするように発展させることが容易である。この様なことから、個々のデータを集約して解析し、科学的なダイエット法を見出す手段としての効果を期待することができる。

本発明実施例の構成要素を示す模式図である。本発明実施例の、心拍数と相対的運動強度との関係式を求めるために用いた図である。本発明実施例の、相対的運動強度と、糖質と脂肪の利用割合を示す関係式を求めるために用いた図である。本発明実施例のソフトの流れ図である。本発明実施例のソフトの流れ図である。本発明実施例のソフトの流れ図である。本発明実施例のソフトの流れ図である。本発明実施例のソフトの流れ図である。

本発明は、ＣＰＵを用いて運動強度、心拍数、運動時間、積算消費カロリー等を表示する機能を有している、自転車エルゴメーターやトレッドミル等の脚部運動装置を用いるもので、以下、本発明の実施の形態を図１～図８に基づいて説明する。

図１は、本発明実施例が、入力部とデイスプレイを有したＣＰＵと、心拍数測定装置と、自転車エルゴメーターで構成されることを示す模式図で、自転車エルゴメーターの駆動によって生じる物理的運動強度を示すデジタル信号と、心拍数測定装置によって測定された心拍数を示すデジタル信号をＣＰＵに送信させ、それらと体重のデータを取り込んだＣＰＵによって、運動強度、心拍数、運動時間の他、それらの値を利用して算出する糖質と脂質の燃焼カロリーや消費重量等を、デイスプレイ上で表示する構成であることを示すものである。

図２では、相対的運動強度と心拍数の男性に於ける年齢別の関係が示されていて、女性においては各年代で心拍数を１０加算するように指示されているものである。
本発明実施例の心拍数から相対的運動強度を求める関係式は、この図の値を基に作成したものであるが、必ずしもこの図にこだわるものではなく、より広範囲の詳細な関係図や関係式等を用いることを否定するものではない。
また、心拍数には鍛錬度によってもかなり大きな個人差があるので、最大心拍数＝２１０－年齢、あるいは最大心拍数＝２２０－年齢の関係式から最大心拍数を求め、安静時心拍数を自分で測定することによって、相対的運動強度が１００％で最大心拍数を、相対的運動強度が０％で安静時心拍数を適用して、心拍数と相対的運動強度との関係式を自分のオリジナルデータを用いて算出する等の、より個々の生理的状態を反映させるソフトの開発も可能である。

図３は、本実施例に於いて、相対的運動強度と、糖質あるいは脂肪の利用割合との関係式を求めるために用いた図である。

図４は、用いる変数を初期化し、年齢、体重、性別、運動時間を入力して、運動を始めるまでのソフトの流れ図である。
ＡＧには年齢の数値が、ＳＥには性別による心拍数の差を校正するための数値が、Ｔには単位を（分）とする時間の数値が、数値の入力によって代入されるものである。
運動開始を示す数値１が入力され、ＳＴに代入されることによって次に進む。

図５は、用いる変数を初期化して、３０秒毎にルーチンで行う処理を開始するもので、３０秒待った後、心拍数（ＨＲ）をＣＰＵに取り込んで、年代別、男女別の関係式を用いて、心拍数（ＨＲ）から相対的運動強度（ＶＯ）を求める処理の流れ図である。
６０歳台は、ＶＯ＝１．１８（ＨＲ－６１．５－ＳＥ）の関係式を用いるもので、男性の場合はＳＥ＝０、女性の場合はＳＥ＝１０となるものである。
以下、１０歳おきの関係式が２０歳台まで示されている。

図６は、相対的運動強度（ＶＯ）から糖質の利用割合（ＲＣ）と脂肪の利用割合（ＲＦ）を求める処理の流れ図である。
関係式は曲線の各変曲点間にて相対的運動強度の区間別に直線化して求めたもので、変曲点はＶＯが４０．０、５５．４、６４．１、７０．０、８２．９としたものである。
本実施例では、相対的運動強度が４０．０以下では、糖質利用割合（ＲＣ）と脂肪利用割合（ＲＦ）を共に５０％とした。
相対的運動強度（ＶＯ）が４０．０以上５５．４以下では、
ＲＣ＝０．２９ＶＯ＋３９．８ＲＦ＝１００－ＲＣ（％）
の関係式で求めるものである。
以下同様に、相対的運動強度の大きさに対応するそれぞれの関係式によって、相対的運動強度（ＶＯ）から糖質利用割合（ＲＣ）を、糖質利用割合から脂肪利用割合（ＲＦ）を求めるものである。

図７は、ＣＰＵによって自転車エルゴメーターの駆動による物理的運動強度と体重から算出された運動者に課される運動強度Ｗ（Ｊ／ｓｅｃ）から、３０秒間の運動で為された仕事（Ｗ＊ｓｅｃ）を１Ｊ＝０．２４ｃａｌとしてカロリー（ｃａｌ）を単位として算出し、糖質と脂肪の利用割合から、それぞれの燃焼カロリーを算出すると共に、糖質が１ｇ当たり３７８０カロリー、脂肪が１ｇ当たり９４２０カロリーの熱量を生じるとして、消費されたそれぞれの重量（ｇ）を算出し、算出毎にそれぞれの値を積算した上で、３０秒間で燃焼した糖質と脂肪の燃焼カロリーをデイスプレイ上に表示して、所定の運動時間が終了するまでルーチンに戻り、定められた処理を繰り返すことを示す流れ図である。
以下、変数の意味を記す。
Ｗ：運動強度、ＨＰ：運動による仕事での熱産生量（ｃａｌ）、ＨＣ：糖質燃焼カロリー（ｃａｌ）、ＷＣ：糖質消費重量（ｇ）、ＨＦ：脂肪燃焼カロリー（ｃａｌ）、ＷＦ：脂肪消費重量（ｇ）、ＣＣ：積算糖質燃焼カロリー（ｃａｌ）、ＦＣ：積算脂肪燃焼カロリー（ｃａｌ）、ＣＷ：総糖質消費重量（ｇ）、ＦＷ：総脂肪消費重量（ｇ）

図８は、所定の運動時間が経過した後、ルーチンの処理を終了し、運動による栄養素の燃焼量（Ｋｃａｌ）と消費された重量（ｇ）を糖質と脂質に分けて表示して、このソフトの運用を１０秒後に終了することを示す流れ図である。
以下、変数の意味を記す。
ＴＣ：総糖質燃焼カロリー（Ｋｃａｌ）、ＴＦ：総脂肪燃焼カロリー（Ｋｃａｌ）

Claims

運動装置の駆動によって運動者が受ける運動強度を算定するための、物理的運動強度の測定回路とＡ／Ｄコンバーターを備え、物理的運動強度の測定回路から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換してＣＰＵに送信する機能を有した自転車エルゴメーターあるいはトレッドミル等の脚部運動装置であって、入力部とデイスプレイを有するＣＰＵと、心拍数測定回路とＡ／Ｄコンバーターを備え測定した心拍数を示すデジタル信号をＣＰＵに送信する機能を有した心拍数測定装置を有しており、ＣＰＵに入力される体重、年齢、性等の生体情報と、物理的運動強度の測定回路から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換してＣＰＵに取り込んだ物理的運動強度を示す値から、運動者に課される運動強度である仕事率（Ｊ／ｓｅｃ）を算出し、ＣＰＵの内蔵時計によって得る運動時間（ｓｅｃ）と仕事率（Ｊ／ｓｅｃ）との積算から運動によって為される仕事（Ｊ）を算出して、それを運動による産熱量（ｃａｌ）として換算する機能を有した脚部運動装置において、心拍数と相対的運動強度との関係式を用いて、測定した心拍数を基に運動の相対的運動強度を算出し、相対的運動強度と糖質の利用割合（％）あるいは脂肪の利用割合（％）との関係式を用いて、算出された相対的運動強度の値から、運動における糖質と脂肪のそれぞれの利用割合（％）を算出して、ＣＰＵによって得た運動による産熱量（ｃａｌ）の値を基に、糖質の燃焼カロリーと脂肪の燃焼カロリーを算出する演算ソフトをＣＰＵに搭載することを特徴とする脚部運動装置。
運動中の糖質の燃焼カロリーと脂肪の燃焼カロリーを、定められた時間間隔毎に更新してデイスプレイ上に表示することを特徴とする請求項１の脚部運動装置。
運動による糖質と脂肪のそれぞれの総消費重量（ｇ）を、運動の終了後にデイスプレイ上に表示することを特徴とする請求項１の脚部運動装置。