JPWO2019198742A1

JPWO2019198742A1 - 嫌気性代謝閾値推定方法および装置

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Publication number: JPWO2019198742A1
Application number: JP2020513420A
Authority: JP
Inventors: 雄一樋口; 都甲　浩芳; 浩芳都甲; 松浦　伸昭; 伸昭松浦
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: EP3777669A1; JP6943334B2; AU2019252063A1; CN112040859B; US11529087B2; EP3777669A4; CN112040859A; WO2019198742A1; EP3777669B1; AU2019252063B2; US20210030296A1; ES2958133T3

Abstract

嫌気性代謝閾値推定方法は、対象者が行う運動の運動強度を取得する第１取得ステップと、運動を行う対象者の心電波形を取得する第２取得ステップと、取得された心電波形から、予め定められた特徴量を取得する第３取得ステップと、予め定められた特徴量と取得された運動強度との関係に基づいて、対象者のＡＴを推定する推定ステップと、を備え、推定ステップは、取得された運動強度に対する、予め定められた特徴量の変化における屈曲点に対応する運動強度に基づいて、対象者のＡＴを推定することを特徴とする。

Description

本発明は、嫌気性代謝閾値推定方法および装置に関し、特に心電波形を用いて嫌気性代謝閾値を推定する技術に関する。

スポーツや日常生活において、対象者の運動状態を管理することで適切なトレーニングをすることが可能になる。対象者の運動状態を管理するための値として嫌気性代謝閾値（Ａｎａｅｒｏｂｉｃｔｈｒｅｓｈｏｌｄ：ＡＴ、以下「ＡＴ」という。）が知られている。

ＡＴは有酸素運動から無酸素運動に切り替わる転換点となる運動強度のことである（例えば、非特許文献１参照）。ＡＴよりも高い運動強度で対象者がトレーニングすると無酸素運動の能力が向上し、ＡＴよりも低い運動強度で対象者がトレーニングすると有酸素運動の能力が向上するといわれている。

従来から、ＡＴは様々な方法で測定されており、乳酸値を基準とした場合は乳酸性閾値（Ｌａｃｔａｔｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄ：ＬＴ、以下「ＬＴ」という。）と呼ばれる。また、呼気中の炭酸ガス濃度を基準とした場合におけるＡＴは換気性閾値（Ｖｅｎｔｉｌａｔｏｒｙｔｈｒｅｓｈｏｌｄ：ＶＴ、以下「ＶＴ」という。）と呼ばれる。

ｈｔｔｐ：／／ｓｕｇｐ．ｗａｋａｓａｔｏ．ｊｐ／Ｍａｔｅｒｉａｌ／Ｍｅｄｉｃｉｎｅ／ｃａｉ／ｔｅｘｔ／ｓｕｂｊｅｃｔ０２／ｎｏ８／ｈｔｍｌ／ｓｅｃｔｉｏｎ９．ｈｔｍｌ（２０１８年３月１日検索）ｈｔｔｐｓ：／／ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／％Ｅ５％ＢＦ％８３％Ｅ９％９Ｂ％ＢＢ％Ｅ５％９Ｂ％Ｂ３（２０１８年３月７日検索）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｒｄｉａｃ．ｊｐ／ｖｉｅｗ．ｐｈｐ？ｌａｎｇ＝ｊａ＆ｔａｒｇｅｔ＝ｎｏｒｍａｌ＿ｅｃｇ＿ｐａｔｔｅｒｎ．ｘｍｌ（２０１８年３月７日検索）

しかし、従来のＬＴの測定では、少量ではあるが採血が必要となるためＬＴを常時計測することは困難である。また、従来のＶＴの測定では、呼気ガスを収集するマスクおよび大型の装置が必要となり、ＶＴを簡易に測定することが困難である。そのため、従来の技術では、簡易にＡＴを測定することができなかった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、より簡易に対象者のＡＴを推定することができる嫌気性代謝閾値推定方法および装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る嫌気性代謝閾値推定方法は、対象者が行う運動の運動強度を取得する第１取得ステップと、運動を行う前記対象者の心電波形を取得する第２取得ステップと、取得された前記心電波形から、予め定められた特徴量を取得する第３取得ステップと、前記予め定められた特徴量と取得された前記運動強度との関係に基づいて前記対象者の嫌気性代謝閾値を推定する推定ステップと、を備え、前記推定ステップは、取得された前記運動強度に対する前記予め定められた特徴量の変化における屈曲点に対応する運動強度に基づいて前記対象者の前記嫌気性代謝閾値を推定することを特徴とする。

また、本発明に係る嫌気性代謝閾値推定装置は、対象者が行う運動の運動強度を取得する運動強度取得部と、運動を行う前記対象者の心電波形を取得し、その心電波形から予め定められた特徴量を取得する特徴量取得部と、前記予め定められた特徴量と取得された前記運動強度との関係に基づいて前記対象者の嫌気性代謝閾値を推定する推定部と、を備え、前記推定部は、取得された前記運動強度に対する前記予め定められた特徴量の変化における屈曲点に対応する運動強度に基づいて前記対象者の前記嫌気性代謝閾値を推定することを特徴とする。

本発明によれば、運動を行う対象者の心電波形における予め定められた特徴量と、対象者が行う運動の運動強度との関係から、運動強度に対するその特徴量の変化における屈曲点を抽出し、屈曲点の情報に基づいてＡＴを算出する。そのため、より簡易に対象者のＡＴを推定することができる。

図１は、本発明の原理を説明するための図である。図２は、本発明の実施の形態に係るＡＴ推定装置の原理を説明するための図である。図３は、本発明の実施の形態に係るＡＴ推定装置の原理を説明するための図である。図４は、本発明の実施の形態に係るＡＴ推定装置の機能構成を示すブロック図である。図５は、本発明の実施の形態に係るＡＴ推定装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図６は、本発明の実施の形態に係るＡＴ推定方法を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図６を参照して詳細に説明する。
［発明の原理］
図１は、心電波形を示す図である（非特許文献２および非特許文献３参照）。本発明の実施の形態に係るＡＴ推定方法は、対象者の心電波形から指標となる予め定められた特徴量を抽出し、その特徴量に基づいて対象者の運動状態を管理するためのＡＴを推定する。

本実施の形態に係るＡＴ推定方法では、図１に示す心電波形に含まれる特徴的な波形や波形間隔のうち、Ｔ波の高さを心電波形（心電図）の特徴量として用いる（非特許文献１および非特許文献２参照）。

図２は、漸増負荷試験により取得したＴ波高さと心拍数との積（Ｔ波高さ×心拍数）と運動強度の関係を示す図である。本実施の形態では、運動強度として心拍数（ＨｅａｒｔＲａｔｅＲｅｓｅｒｖｅ：ＨＲＲ）からカルボーネン法によって計算した値が用いられる。なお、運動強度とは、運動を行う対象者の身体能力を基準とした運動の激しさを表す尺度である。

図２の点線に示すように、運動強度が８０％となる近辺にて、グラフに屈曲点がみられることがわかる。このＴ波高さ×心拍数の値が屈曲する点における運動強度がＡＴとなることが実験により示された。

図３は、Ｔ波高さ×心拍数を用いて算出したＡＴと、呼気ガス測定器によって測定したＡＴとをそれぞれ心拍数（ｂｐｍ）に換算して比較した図である。図３において、縦軸は本実施の形態に係るＡＴ推定方法により推定されたＡＴであり、横軸は呼気ガス測定器によって測定したＡＴである。

図３に示すように、相関関数がＲ＝０．８６であり、ｐ＜０．０５であることから、Ｔ波高さ×心拍数で算出されたＡＴと呼気ガス測定器によって測定されたＡＴとは、有意な正の相関関係がある。このことから、本実施の形態に係るＡＴ推定方法は、Ｔ波高さ×心拍数と運動強度との関係において、Ｔ波高さ×心拍数の値が屈曲する点を見つけることで、ＡＴが推定できることがわかる。

［実施の形態］
以下、本発明に係るＡＴ推定方法を実施するためのＡＴ推定装置１について詳細に説明する。
図４は、第１の実施の形態に係るＡＴ推定装置１の機能構成を示すブロック図である。ＡＴ推定装置１は、生体情報取得部１１、記憶部１２、推定部１３、および出力部１４を備える。

ＡＴ推定装置１は、対象者が漸増負荷試験のような運動強度が徐々に上がる運動を行ったときのＴ波高さ×心拍数と運動強度との関係を求める。ＡＴ推定装置１は、Ｔ波高さ×心拍数の値が屈曲する点を抽出し、その屈曲点における運動強度をＡＴとして算出する。前述したように、屈曲点はＴ波高さ×心拍数と運動強度との関係において、運動強度の値が８０％となる付近、具体的には、図２に示すように５０〜９０％の範囲内に存在する。

生体情報取得部１１は、心拍数取得部（運動強度取得部）１１１およびＴ波高さ取得部（特徴量取得部）１１２を備える。
生体情報取得部１１は、対象者の心拍および心電に関する情報を、対象者に装着された外部の心拍計および心電計の機能を備える生体センサ（図示しない）などから取得する。このとき、生体情報取得部１１は、上述した実験結果から、対象者において運動強度が徐々に増加する運動を開始してから、その運動強度が９０％程度までの期間にわたる心拍および心電に関する情報を取得すればよい。

心拍数取得部１１１は、対象者に装着された生体センサから、対象者が運動強度を徐々に上げる漸増負荷試験のような運動を行う期間にわたる心拍数を取得する。取得された心拍数のデータは、記憶部１２に記憶される。

Ｔ波高さ取得部１１２は、対象者に装着された生体センサで測定された対象者の心電波形から、その心電波形におけるＴ波高さのデータを取得する。また、Ｔ波高さ取得部１１２は、取得した対象者のＴ波高さの値に、心拍数取得部１１１によって取得された心拍数を掛けた値（Ｔ波高さ×心拍数）を求める。Ｔ波高さ取得部１１２が求めたＴ波高さ×心拍数のデータは、記憶部１２に記憶される。

また、Ｔ波高さ取得部１１２は、対象者の心電波形から、図１に示すように、Ｒ波のピーク値とＳ波のピーク値までの高さを示すＲＳ高さを取得して、Ｔ波高さをＲＳ高さで規格化することができる。Ｔ波高さ取得部１１２は、ＲＳ高さで規格化して補正されたＴ波高さに基づいて、Ｔ波高さ×心拍数を求めることができる。あるいは、Ｔ波高さ取得部１１２は、Ｔ波高さをＲ波高さ、またはＳ波深さで規格化して用いてもよい。

記憶部１２は、生体情報取得部１１によって取得された対象者の心拍数およびＴ波高さ×心拍数のデータを記憶する。

推定部１３は、屈曲点処理部１３１およびＡＴ算出部１３２を備える。
推定部１３は、生体情報取得部１１によって取得された対象者の心拍数およびＴ波高さ×心拍数のデータに基づいて、対象者のＡＴを推定する。

屈曲点処理部１３１は、心拍数取得部１１１によって取得された対象者の心拍数のデータとＴ波高さ取得部１１２によって求められたＴ波高さ×心拍数のデータを記憶部１２から読み出して、Ｔ波高さ×心拍数と運動強度との関係を求める。このとき、図２で示したような関係が求められる。

また、屈曲点処理部１３１は、対象者におけるＴ波高さ×心拍数と運動強度との関係から、心拍数取得部１１１によって取得された心拍数に対するＴ波高さ×心拍数の変化における屈曲点を抽出する。屈曲点は、運動強度が５０〜９０％の範囲に存在する。屈曲点処理部１３１は、Ｔ波高さ×心拍数の値の屈曲点に対応する対象者の運動強度を求めて記憶部１２に記憶する。

ＡＴ算出部１３２は、屈曲点処理部１３１によって抽出された屈曲点における対象者の運動強度に基づいて、対象者のＡＴを算出する。
より詳細には、ＡＴ算出部１３２は、屈曲点処理部１３１によって抽出された屈曲点における対象者の運動強度をＡＴとして算出する。

ＡＴ算出部１３２は、算出された対象者のＡＴの値を記憶部１２に記憶する。

出力部１４は、推定部１３によって推定された対象者のＡＴなどの情報を出力する。より具体的には、出力部１４は、表示画面などにおいて、ＡＴ算出部１３２によって算出されたＡＴの値を表示する。

［ＡＴ推定装置のハードウェア構成］
次に、上述した機能構成を有するＡＴ推定装置１のハードウェア構成について図５のブロック図を参照して説明する。

図５に示すように、ＡＴ推定装置１は、バス１０１を介して接続されるＣＰＵ１０３と主記憶装置１０４とを有する演算装置１０２、通信制御装置１０５、センサ１０６、外部記憶装置１０７、表示装置１０８を備えるコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。

ＣＰＵ１０３と主記憶装置１０４とは、演算装置１０２を構成する。主記憶装置１０４には、ＣＰＵ１０３が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。演算装置１０２によって、図４に示した推定部１３を含むＡＴ推定装置１の各機能が実現される。

通信制御装置１０５は、ＡＴ推定装置１と各種外部電子機器との間を通信ネットワークＮＷにて接続するための制御装置である。通信制御装置１０５は、対象者に装着された後述のセンサ１０６から通信ネットワークＮＷを介して心拍数や心電波形のデータを受信してもよい。

センサ１０６は、例えば、心拍計および心電計などの生体センサによって実現される。センサ１０６は、対象者が運動を行う期間にわたって、例えば、対象者の胸部や手首などに装着され、対象者の心拍数および心電波形を測定する。例えば、胸部に装着されるセンサ１０６は、図示しない電極で心電波形を測定し、さらにその変化から心拍を検出し、心拍と心拍との間の間隔から一分間当たりの拍動回数を心拍数として測定する。

外部記憶装置１０７は、読み書き可能な記憶媒体と、その記憶媒体に対してプログラムやデータなどの各種情報を読み書きするための駆動装置とで構成されている。外部記憶装置１０７には、記憶媒体としてハードディスクやフラッシュメモリなどの半導体メモリを使用することができる。外部記憶装置１０７は、データ記憶部１０７ａ、プログラム格納部１０７ｂ、図示しないその他の格納装置で、例えば、この外部記憶装置１０７内に格納されているプログラムやデータなどをバックアップするための格納装置などを有することができる。

データ記憶部１０７ａには、センサ１０６で測定された対象者の心電波形と心拍数に関する情報が記憶されている。データ記憶部１０７ａは、図４で示した記憶部１２に対応する。

プログラム格納部１０７ｂには、本実施の形態における心拍数やＴ波高さの取得処理や、屈曲点処理、ＡＴ算出処理などのＡＴの推定に必要な処理を実行するための各種プログラムが格納されている。

表示装置１０８は、ＡＴ推定装置１の表示画面を構成し、出力部１４として機能する。表示装置１０８は液晶ディスプレイなどによって実現される。

［ＡＴ推定装置の動作］
次に、上述した本発明のＡＴ推定方法を実施するためのＡＴ推定装置１の動作について、図６のフローチャートを参照して説明する。まず、図示しない心拍計および心電計の機能を有する生体センサが対象者の胸部や手首などに装着され、対象者は漸増負荷試験のような徐々に運動強度が増加するように設定された運動を開始する。運動を開始してから、対象者における運動強度が、例えば、９０％を超える程度までの期間にわたって、生体センサにより対象者の心拍数と心電波形が計測される。

心拍数取得部１１１は、対象者が運動を実施する期間にわたる心拍数のデータを取得する（ステップＳ１）。次に、Ｔ波高さ取得部１１２は、対象者が運動を実施する期間にわたる心電波形のデータを取得し、その心電波形のデータからＴ波高さのデータを取得する（ステップＳ２）。

次に、Ｔ波高さ取得部１１２は、心電波形のデータからＲ波のピーク値からＳ波のピーク値までのＲＳ高さを取得して、ＲＳ高さで規格化したＴ波高さに基づきＴ波高さ×心拍数のデータを求める（ステップＳ３）。なお、Ｔ波高さ取得部１１２は、外部の生体センサで求められたＴ波高さの測定値またはＴ波高さ×心拍数の値、あるいは、ＲＳ高さで規格化されたＴ波高さ×心拍数の値を取得する構成を採用してもよい。

次に、屈曲点処理部１３１は、取得されたＴ波高さ×心拍数と心拍数で換算された運動強度との関係を求める（ステップＳ４）。屈曲点処理部１３１が求めた対象者のＴ波高さ×心拍数と運動強度との関係において、Ｔ波高さ×心拍数の値が屈曲する屈曲点を抽出し、そのＴ波高さ×心拍数の屈曲点の値に対応する運動強度を求める（ステップＳ５）。前述したように、屈曲点は運動強度が５０〜９０％の範囲において抽出されることに基づいて、運動強度の値について５０〜９０％の範囲のみを用いることも可能である。

次に、ＡＴ算出部１３２は、ステップＳ４で求められたＴ波高さ×心拍数の値の屈曲点となる運動強度の値に基づいて、ＡＴを算出する（ステップＳ６）。すなわち、ＡＴ算出部１３２は、屈曲点となる運動強度の値を、ＡＴとして求める。なお、算出された対象者のＡＴは、出力部１４によって出力される。また、出力部１４は、ＡＴとして求めた運動強度は他の指標、例えば心拍数（ｂｐｍ）やパワー（Ｗａｔｔ）などに変換して出力しても良い。

以上説明したように、本実施の形態によれば、対象者の心電波形におけるＴ波高さを特徴量として用いる。また、Ｔ波高さ×心拍数と運動強度との関係に基づいて、運動強度が５０〜９０％程度の範囲内でみられるＴ波高さ×心拍数の値の屈曲点での運動強度の値から対象者のＡＴを推定する。そのため、採血や大型な装置を必要とせず、より簡易に対象者のＡＴを推定することができる。

また、上述したように屈曲点が抽出される可能性のより高い運動強度の値の範囲５０〜９０％のデータを用いてＡＴを算出することで、ＡＴを算出する際の計算量を削減することができる。

また、Ｔ波高さをＲＳ高さ、Ｒ波の高さ、またはＳ波の深さによる規格化で補正するので、例えば、心電計の電極が汗などで水濡れしたことによってノイズが含まれる場合であってもより正確なＴ波高さに基づいてＡＴを算出することができる。

なお、説明した実施の形態では、心拍数（ＨＲ）から計算した運動強度を用いる場合について説明した。しかし、運動強度は、心拍数に限られず、パワー、スピード、回転数など運動の種類や取得データによってその種類を変えてもよい。

また、説明した実施の形態では、対象者が漸増負荷試験のような運動を実施し、その実施期間にわたる心拍数や心電波形に関するデータが取得される場合について説明した。しかし、対象者が行う運動は、漸増負荷試験に限られず、例えば、ランダムな運動であってもよい。対象者がランダムな運動を行った場合においても、対象者の心電波形からＴ波高さ×心拍数を求め、同様にＴ波高さ×心拍数と運動強度との関係を求めればよい。

また、説明した実施の形態では、対象者のＴ波高さ×心拍数のデータを用いて運動強度との関係を求めた。しかし、Ｔ波のみを用いても同様に運動強度との関係から屈曲点を抽出し、対応する運動強度の値をＡＴとして算出できる。

また、同様に、Ｔ波高さと同じように対象者の運動によって高さが変化するＲ波の高さを特徴量として用いてもよい。

以上、本発明の嫌気性代謝閾値推定方法および嫌気性代謝閾値推定装置における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

１…ＡＴ推定装置、１１…生体情報取得部、１２…記憶部、１３…推定部、１４…出力部、１１１…心拍数取得部、１１２…Ｔ波高さ取得部、１３１…屈曲点処理部、１３２…ＡＴ算出部、１０１…バス、１０２…演算装置、１０３…ＣＰＵ、１０４…主記憶装置、１０５…通信制御装置、１０６…センサ、１０７…外部記憶装置、１０７ａ…データ記憶部、１０７ｂ…プログラム格納部、１０８…表示装置、ＮＷ…通信ネットワーク。

Claims

対象者が行う運動の運動強度を取得する第１取得ステップと、
運動を行う前記対象者の心電波形を取得する第２取得ステップと、
取得された前記心電波形から、予め定められた特徴量を取得する第３取得ステップと、
前記予め定められた特徴量と取得された前記運動強度との関係に基づいて前記対象者の嫌気性代謝閾値を推定する推定ステップと、
を備え、
前記推定ステップは、取得された前記運動強度に対する前記予め定められた特徴量の変化における屈曲点に対応する運動強度に基づいて前記対象者の前記嫌気性代謝閾値を推定する
ことを特徴とする嫌気性代謝閾値推定方法。
請求項１に記載の嫌気性代謝閾値推定方法において、
前記予め定められた特徴量は、心電波形に含まれるＴ波の高さであることを特徴とする嫌気性代謝閾値推定方法。
請求項１に記載の嫌気性代謝閾値推定方法において、
前記予め定められた特徴量は、心電波形に含まれるＴ波の高さ×心拍数であることを特徴とする嫌気性代謝閾値推定方法。
請求項２または請求項３に記載の嫌気性代謝閾値推定方法において、
前記第３取得ステップは、心電波形に含まれるＲ波のピーク値からＳ波のピーク値までのＲＳ高さを取得し、前記Ｔ波の高さを前記ＲＳ高さ、前記Ｒ波の高さ、または前記Ｓ波の深さのいずれかを用いて前記Ｔ波の高さを規格化する
ことを特徴とする嫌気性代謝閾値推定方法。
請求項１に記載の嫌気性代謝閾値推定方法において、
前記予め定められた特徴量は、心電波形に含まれるＲ波の高さであることを特徴とする嫌気性代謝閾値推定方法。
請求項１から５のいずれか１項に記載の嫌気性代謝閾値推定方法において、
前記第１取得ステップで取得される前記運動強度は、心拍数から計算した運動強度の値であることを特徴とする嫌気性代謝閾値推定方法。
請求項１から６のいずれか１項に記載の嫌気性代謝閾値推定方法において、
前記推定ステップは、前記予め定められた特徴量と取得された前記運動強度との関係において、前記運動強度の値が５０％から９０％の範囲に存在する前記屈曲点を用いて、前記対象者の前記嫌気性代謝閾値を推定することを特徴とする嫌気性代謝閾値推定方法。
対象者が行う運動の運動強度を取得する運動強度取得部と、
運動を行う前記対象者の心電波形を取得し、その心電波形から予め定められた特徴量を取得する特徴量取得部と、
前記予め定められた特徴量と取得された前記運動強度との関係に基づいて前記対象者の嫌気性代謝閾値を推定する推定部と、
を備え、
前記推定部は、取得された前記運動強度に対する前記予め定められた特徴量の変化における屈曲点に対応する運動強度に基づいて前記対象者の前記嫌気性代謝閾値を推定する
ことを特徴とする嫌気性代謝閾値推定装置。
請求項８に記載の嫌気性代謝閾値推定装置において、
前記予め定められた特徴量は、心電波形に含まれるＴ波の高さであることを特徴とする嫌気性代謝閾値推定装置。