(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の運動に関連して機械的に作動させられる運動負荷装置において、該生体の最適負荷を決定し且つ該生体の運動期間において該最適負荷が付与されるように該運動負荷装置の負荷を調節する制御装置であって、
前記生体の血圧値および脈拍数の積である労作強度値を算出する労作強度値算出手段と、
該労作強度値算出手段により算出される実際の労作強度が目標労作強度値と一致するように前記運動負荷装置の負荷を調節する運動負荷調節手段と、
前記生体の運動期間の初期区間における目標労作強度として、所定の速度で上昇する増加目標労作強度値を発生させる増加目標労作強度値発生手段と、
該増加目標労作強度値発生手段による増加目標労作強度値の増加に伴う、前記運動負荷装置の負荷の上昇の折点に基づいて最適目標労作強度値を決定する最適目標労作強度値決定手段と
を、含むことを特徴とする運動負荷装置の制御装置。
【請求項２】
前記運動負荷調節手段は、前記最適目標労作強度値決定手段により最適目標労作強度値が決定されると、該最適目標労作強度値を前記増加目標労作強度値に替えて用いるものである請求項１の運動負荷装置の制御装置。
【請求項３】
前記増加目標労作強度値発生手段による増加目標労作強度値の増加に伴う、前記運動負荷装置の負荷の上昇の折点を判定する折点判定手段を含み、前記最適目標労作強度値決定手段は、予め設定された補正値を該折点に対応する労作強度値から差し引くことにより、該折点に対応する労作強度値よりも低い最適目標労作強度値を決定するものである請求項１または２の運動負荷装置の制御装置。
【請求項４】
前記増加目標労作強度値発生手段による増加目標労作強度値の増加に伴う、前記運動負荷装置の負荷の上昇の折点を判定する折点判定手段を含み、前記最適目標労作強度値決定手段は、前記生体に運動負荷が付与されてから該生体の血圧値或いは脈拍数が変化するまでの遅れ時間に対応する値を該折点に対応する労作強度値から差し引くことにより、該折点に対応する労作強度値よりも低い最適目標労作強度値を決定するものである請求項１または２の運動負荷装置の制御装置。
【請求項５】
前記生体に運動負荷が付与されてからの経過時間が予め設定された判断基準時間に到達したことに基づいて該生体に対する運動負荷の付与の終了を判定する運動負荷終了判定手段と、該運動負荷終了判定手段により前記生体に対する運動負荷の付与の終了が判定されると、該生体に対する運動負荷を予め設定された軽減手順で軽減する運動負荷終了処理手段とを含むものである請求項１乃至４のいずれかの運動負荷装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、生体に運動負荷を付与する運動負荷装置の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エルゴメータ、トレッドミルなど、生体の運動に関連して機械的に作動させられることにより生体に負荷を与える運動負荷装置が知られている。運動療法などのために、そのような運動負荷装置を用いて生体に運動負荷を与えるに際しては、運動処方により決定された運動強度や心（脈）拍数を所定時間継続させることが行われていた。運動強度としては、たとえば運動負荷装置に対する目標仕事量すなわち目標ワット数およびその維持時間が決定され、心（脈）拍数としては、目標心（脈）拍数およびその維持時間が決定される。このような生体の運動においては、有酸素運動から無酸素運動へ切り換わるときの負荷が、運動の効率を高めるために最適な運動負荷として考えられており、上記運動処方ではそのような最適な運動負荷が生体に付与されるように目標値が決定される。
【０００３】
このため、たとえば、特公平７−３８８８５号に記載されているように、上記の目標値として、運動負荷装置の負荷が時間経過とともに増大させられる過程で発生する、生体情報の増加の折点を判定し、その折点における生体情報特に最高血圧値と脈拍数との積により表される労作強度ＰＲＰ（Pressure Rate Product ）を生体の筋持久力（無酸素性作業閾値に対応する持久力）として測定する筋持久力測定方法が提案されている。そして、運動負荷装置を用いて生体に運動負荷を付与するに際しては、上記のようにして測定された筋持久力を最適目標労作強度値として用い、その最適目標労作強度値に実際の労作強度値が一致するように運動負荷装置の負荷を制御して、それを所定の時間継続させることが考えられる。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、上記従来の筋持久力測定装置において、筋持久力が決定されるに際しては、時間経過とともに運動負荷装置の負荷が増加させられるが、たとえばスポーツ選手のように心肺機能が高い生体では、労作強度値ＰＲＰの上昇が緩やかであるため、一般的な被験者に比較して、折点の発生までの時間が大幅に長くなるという不都合があった。また、これに対し、被験者の運動能力や体重に拘わらず所定の時間で折点を発生させるために、その被験者の運動能力や体重に応じて上記運動負荷装置の負荷の上昇速度を１０〜２０Ｗ／分程度の範囲で設定することが考えらえるが、このような場合には、設定操作が煩雑であるばかりか、設定に熟練を必要とする欠点があった。さらに、折点を確実に判定するために、その折点通過後の所定期間においても運動負荷装置の負荷が増加させられるとき、労作強度値ＰＲＰの増加速度が一層高くなるように運動負荷装置の負荷が増大させられるので、被験者の負担が過大となる欠点があった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、最適目標労作強度値の決定に際し、生体の心肺機能に拘わらず速やかに且つ被験者の運動能力などに関連した煩雑な設定操作を要することなく決定でき、しかも被験者の負担が低くなる運動負荷装置の制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の要旨とするところは、生体の運動に関連して機械的に作動させられる運動負荷装置において、生体の最適負荷を決定し且つ生体の運動期間においてその最適負荷が付与されるように運動負荷装置の負荷を調節する制御装置であって、(a) 前記生体の血圧値および脈拍数の積である労作強度値を算出する労作強度値算出手段と、(b) その労作強度値算出手段により算出される実際の労作強度が目標労作強度値と一致するように前記運動負荷装置の負荷を調節する運動負荷調節手段と、(c) 前記生体の運動期間の初期区間における目標労作強度として、所定の速度で上昇する増加目標労作強度値を発生させる増加目標労作強度値発生手段と、(d) その増加目標労作強度値発生手段による増加目標労作強度値の増加に伴う、前記運動負荷装置の負荷の上昇の折点に基づいて最適目標労作強度値を決定する最適目標労作強度値決定手段とを、含むことにある。
【０００７】
【発明の効果】
このようにすれば、増加目標労作強度値発生手段により、生体の運動期間の初期区間における目標労作強度として、所定の速度で上昇する増加目標労作強度値が発生させられると、運動負荷調節手段により、労作強度値算出手段により算出される実際の労作強度が上記増加目標労作強度値と一致するように前記運動負荷装置の負荷が調節されるので、実際の労作強度が増加目標労作強度値に追従して所定の速度で上昇させられる。このような実際の労作強度の上昇過程において、最適目標労作強度値決定手段により、その実際の労作強度の増加に伴う、前記運動負荷装置の負荷の上昇の折点に基づいて最適目標労作強度値が決定される。したがって、本発明によれば、実際の労作強度が増加目標労作強度値に追従して所定の速度で上昇させられるので、被験者の心肺機能に拘わらず速やかに折点を発生させることができ、且つ、被験者の運動能力などに関連した煩雑な設定操作を必要としないので、最適目標労作強度値を速やかにかつ容易に決定できる。しかも、折点の通過後においては、実際の労作強度が増加目標労作強度値に追従して所定の速度で上昇させられる一方で、運動負荷装置の負荷の増加がそれまでよりも抑制されるので、最適目標労作強度値の決定のための被験者の負担が低くなる。
【０００８】
【発明の他の態様】
ここで、好適には、前記運動負荷調節手段は、前記最適目標労作強度値決定手段により最適目標労作強度値が決定されると、その最適目標労作強度値を前記増加目標労作強度値に替えて用いるものである。このようにすれば、最適目標労作強度値決定手段により最適目標労作強度値が決定されると、運動負荷調節手段は、その最適目標労作強度値を前記増加目標労作強度値に替えて用い、実際の労作強度がその最適目標労作強度値と一致するように前記運動負荷装置の負荷を調節する。このため、生体の運動の実行毎に、その初期において最適目標労作強度が決定された後、直ちに、その日の体調に適合した最適目標労作強度値となる運動すなわち無酸素運動の初期の強度或いは有酸素運動の最大強度で生体が運動させられる利点がある。
【０００９】
また、好適には、前記増加目標労作強度値発生手段による増加目標労作強度値の増加に伴う、前記運動負荷装置の負荷の上昇の折点を判定する折点判定手段を含み、前記最適目標労作強度値決定手段は、予め設定された補正値をその折点に対応する労作強度値から差し引くことにより、その折点に対応する労作強度値よりも低い最適目標労作強度値を決定するものである。上記予め設定された補正値は、予め設定された一定値であってもよいが、好適には、予め決定された関係から生体の年齢、性別、運動能力などに基づいて決定された値である。このようにすれば、最適目標労作強度値が労作強度値の増加の折点に対応する値よりも低い値に設定されるので、上記折点に対応する値を最適目標労作強度値とする場合に比較して、生体の反応の遅れにより最適目標労作強度値が実際値より高くなることが補償される利点がある。
【００１０】
また、好適には、前記増加目標労作強度値発生手段による増加目標労作強度値の増加に伴う、前記運動負荷装置の負荷の上昇の折点を判定する折点判定手段を含み、前記最適目標労作強度値決定手段は、前記生体に運動負荷が付与されてから生体の血圧値或いは脈拍数が変化するまでの遅れ時間に対応する値をその折点に対応する労作強度値から差し引くことにより、その折点に対応する労作強度値よりも低い最適目標労作強度値を決定するものである。上記遅れ時間に対応する値は、好適には、前記初期負荷上昇手段により生体に初期負荷が付与されてからその生体の血圧値或いは脈拍数が変化するまでの実際の遅れ時間に基づいて決定される。このようにすれば、最適目標労作強度値が労作強度値の増加の折点に対応する値よりも低い値に設定されるので、上記折点に対応する値を最適目標労作強度値とする場合に比較して、生体の反応の遅れにより最適目標労作強度値が実際値より高くなることが補償され、最適な目標労作強度値が決定される。
【００１１】
また、好適には、前記運動負荷装置の制御装置には、前記生体に運動負荷が付与されてからの経過時間が予め設定された判断基準時間に到達したことに基づいてその生体に対する運動負荷の付与の終了を判定する運動負荷終了判定手段と、その運動負荷終了判定手段により前記生体に対する運動負荷の付与の終了が判定されると、その生体に対する運動負荷を予め設定された軽減手順で軽減する運動負荷終了処理手段とが含まれる。このようにすれば、運動負荷終了判定手段により、生体に対する運動負荷の付与が終了したことが判定されると、運動負荷終了処理手段により、その生体に対する運動負荷が予め設定された軽減手順で自動的に軽減されるので、クーリングダウンの不足に起因する不都合が生体に発生することが解消される。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明が適用された運動負荷装置の制御装置の構成を説明する図であり、運動負荷装置として機能するよく知られたエルゴメータ６と、連続血圧測定装置８とを備えている。
【００１３】
上記連続血圧測定装置８は、ゴム製袋を布製帯状袋内に有してたとえば患者の上腕部１２に巻回されるカフ１０と、このカフ１０に配管２０を介してそれぞれ接続された圧力センサ１４、切換弁１６、および空気ポンプ１８とを備えている。この切換弁１６は、カフ１０内への圧力の供給を許容する圧力供給状態、カフ１０内を徐々に排圧する徐速排圧状態、およびカフ１０内を急速に排圧する急速排圧状態の３つの状態に切り換えられるように構成されている。
【００１４】
圧力センサ１４は、カフ１０内の圧力を検出してその圧力を表す圧力信号ＳＰを静圧弁別回路２２および脈波弁別回路２４にそれぞれ供給する。静圧弁別回路２２はローパスフィルタを備え、圧力信号ＳＰに含まれる定常的な圧力すなわちカフ圧を表すカフ圧信号ＳＫを弁別してそのカフ圧信号ＳＫをＡ／Ｄ変換器２６を介して電子制御装置２８へ供給する。
【００１５】
上記脈波弁別回路２４はバンドパスフィルタを備え、圧力信号ＳＰの振動成分である脈波信号ＳＭ1 を周波数的に弁別してその脈波信号ＳＭ1 をＡ／Ｄ変換器２９を介して電子制御装置２８へ供給する。この脈波信号ＳＭ1 が表すカフ脈波は、患者の心拍に同期して図示しない上腕動脈から発生してカフ１０に伝達される圧力振動波である。
【００１６】
上記電子制御装置２８は、ＣＰＵ３０，ＲＯＭ３２，ＲＡＭ３４，および図示しないＩ／Ｏポート等を備えた所謂マイクロコンピュータにて構成されており、ＣＰＵ３０は、ＲＯＭ３２に予め記憶されたプログラムに従ってＲＡＭ３４の記憶機能を利用しつつ信号処理を実行することにより、Ｉ／Ｏポートから駆動信号を出力して切換弁１６および空気ポンプ１８を制御し、表示器３６の表示内容を制御する。
【００１７】
圧脈波センサ３８は、図２に詳しく示すように、前記カフ１０が装着された患者の上腕部１２の動脈下流側の部位、たとえば手首において、容器状を成すハウジング４４の開口端が表皮４０に対向する状態で装着バンド４２により手首に着脱可能に取り付けられるようになっている。圧脈波センサ３８では、ハウジング４４の内部には、ダイヤフラム４６に固定された押圧部材５０が相対移動可能かつハウジング４４の開口端からの突出し可能に設けられており、これらハウジング４４およびダイヤフラム４６等によって圧力室４５が形成されている。この圧力室４５内には、空気ポンプ５６から調圧弁５８を経て圧力エアが供給されるようになっており、これにより、押圧部材５０は圧力室４５内の圧力に応じた押圧力ＰHDで表皮４０の直下の撓骨動脈４８に向かってに押圧される。
【００１８】
上記押圧部材５０は、たとえば、単結晶シリコン等から成る半導体チップの平坦な押圧面５１に多数の半導体感圧素子（図示せず）が撓骨動脈４８と直交する方向にたとえば０．２mm程度の間隔で配列されて構成されており、手首の表皮４０の直下の撓骨動脈４８に向かって押圧されることにより、撓骨動脈４８から表皮４０を介して伝達される圧力振動波すなわち圧脈波を１拍毎に検出し、その圧脈波を表す圧脈波信号ＳＭ2 をＡ／Ｄ変換器５２を介して電子制御装置２８へ供給する。
【００１９】
また、前記電子制御装置２８のＣＰＵ３０は、ＲＯＭ３２に予め記憶されたプログラムに従って、押圧力調節装置５４の空気ポンプ５６および調圧弁５８へ駆動信号を出力し、圧力室４５内の圧力すなわち押圧部材５０の表皮に対する押圧力を、撓骨動脈４８の管壁の一部が平坦となる最適押圧値ＰHDP を決定し且つその値を保持するように調節する。すなわち、生体の連続血圧測定に際しては、圧力室４５内の圧力変化過程で逐次得られる圧脈波に基づいて押圧部材５０の最適押圧力ＰHDP が決定され、押圧部材５０の最適押圧力ＰHDP を維持するように調圧弁５８が制御される。
【００２０】
設定器６０は、たとえばキーボードを含むものであり、手動操作によって入力された補正値、運動期間などの設定値を電子制御装置２８へ出力する。また、時計回路６２は、圧脈波、血圧値などの検出時刻を記録するため、或いは運動期間開始時の時刻を記録し且つその運動期間の終了を判定するために現在時刻を電子制御装置２８へ出力するものである。
【００２１】
エルゴメータ６は、生体の運動に関連して駆動される運動機構すなわち運動負荷装置であって、生体により回転駆動されるペダル６４と、そのペダル６４とチェーン６６を介して作動的に連結された電磁ブレーキ６８とを備えている。この電磁ブレーキ６８は、たとえば回転円板に発生させる渦電流の大きさを調節することによって回転抵抗を制御したり、或いは回転コイルに誘導される発電電流の大きさを調節することによって回転抵抗を制御したりする。この電磁ブレーキ６８は、上記運動機構の作動状態を変化させることにより、運動中の生体に荷せられる負荷を変化させる運動負荷調節手段として機能している。
【００２２】
図３は、上記運動負荷装置を制御する電子制御装置２８の制御機能の要部を説明する機能ブロック線図である。図において、カフ圧制御手段７０は、たとえば図４に示す圧脈波血圧対応関係の決定のために、連続血圧測定に先立って、すなわち上記エルゴメータ６の使用に先立って起動させられる基準血圧測定手段７２の測定期間において、カフ１０の圧迫圧力をよく知られた測定手順に従って変化させる。たとえば、カフ圧制御手段７０は、生体の最高血圧よりも高い１８０mmHg程度に予め設定された昇圧目標値までカフ１０の圧迫圧力を急速昇圧させた後、血圧決定アルゴリズムが実行される測定区間において３mmHg/sec程度の速度で緩やかに降圧させ、血圧測定が完了するとカフ１０の圧迫圧力を解放させる。
【００２３】
基準血圧測定手段７２は、運動負荷調節手段８４による運動負荷制御に先立つ測定区間において、カフ１０の圧迫圧力が緩やかに降圧させられる過程でカフ１０の圧力振動として発生したカフ脈波の大きさの変化に基づいて、よく知られたオシロメトリック法により生体の最高血圧値ＢＰSYS 、平均血圧値ＢＰMEAN、最低血圧値ＢＰDIA をそれぞれ測定し、表示器３６に表示させる。
【００２４】
圧脈波血圧対応関係決定手段７４は、エルゴメータ６による生体の運動すなわち運動負荷調節手段８４による運動負荷制御に先立って、基準血圧測定手段７２により血圧値が測定されると、圧脈波センサ３８により検出された圧脈波の大きさＰM の下ピーク値ＰMminおよび上ピーク値ＰMmaxと、その基準血圧測定手段７２により測定された血圧値ＢＰ（最高血圧値ＢＰSYS 、最低血圧値ＢＰDIA ）との間の圧脈波血圧対応関係を、所定の生体について予め決定する。この対応関係は、たとえば図４に示すものであり、ＥＢＰ＝α・ＰM ＋βなる式により示される。但し、αは傾きを示す定数、βは切片を示す定数、ＥＢＰは連続的に決定される推定血圧値である。
【００２５】
推定血圧値決定手段７６は、上記圧脈波血圧対応関係決定手段７４により決定された対応関係ＥＢＰ＝ｆ（ＰM ）から、圧脈波センサ３８により逐次検出される圧脈波の大きさＰM に基づいて、推定血圧値ＥＢＰ（最高血圧値ＥＢＰSYS 、最低血圧値ＥＢＰDIA ）を逐次決定し、その決定した推定血圧値ＥＢＰを表示器３６に連続的にトレンド表示させる。上記カフ圧制御手段７０、基準血圧測定手段７２、圧脈波センサ３８、圧脈波血圧対応関係決定手段７４、推定血圧値決定手段７６が、生体の血圧値を非浸襲で脈拍に同期して連続的に測定する連続血圧測定手段７８として機能している。
【００２６】
脈拍数算出手段８０は、たとえば圧脈波センサ３８から出力される圧脈波の周期に基づいて、生体の脈拍数ＰＲをその脈拍周期に同期して連続的に算出する。労作強度値算出手段８２は、その脈拍数算出手段８０により算出された脈拍数ＰＲと前記連続血圧測定手段７８により測定された推定血圧値ＥＢＰ（たとえばＥＢＰSYS ）との積である労作強度値ＰＲＰ（＝ＰＲ×ＥＢＰSYS ：Presure Rate Product）を、脈拍周期に同期して逐次算出する。
【００２７】
運動負荷調節手段８４は、エルゴメータ６を用いた生体の運動期間において、目標労作強度値決定手段８６により決定された目標労作強度値ＰＲＰM に実際の労作強度ＰＲＰが追従するように、すなわち偏差（ＰＲＰM −ＰＲＰ）が解消されるように、フィードバック制御により前記エルゴメータ６の負荷を調節する。図５の直線は上記目標労作強度値決定手段８６により決定された目標労作強度値ＰＲＰM を示し、１点鎖線はフィードバック制御により追従させられる実際の労作強度ＰＲＰを示している。
【００２８】
上記目標労作強度値決定手段８６は、生体の運動開始初期すなわち最適目標労作強度値決定期間において増加する増加目標労作強度値を決定する増加目標労作強度値発生手段８８と、その最適目標労作強度値決定期間内において最適目標労作強度値ＰＲＰMSを決定する最適目標労作強度値決定手段９２とを備えている。上記増加目標労作強度値発生手段８８は、上記生体の運動期間の初期区間における目標労作強度ＰＲＰM として、所定の速度で上昇する増加目標労作強度値を、たとえば図５のｔ0 乃至ｔ2 に示す区間の実線に示すように発生させる。この増加目標労作強度値は、時間の関数であり、たとえば時間の経過とともに線型に増加するものである。
【００２９】
折点判定手段９０は、上記増加目標労作強度値発生手段８８により発生させられた増加目標労作強度値が目標労作強度値ＰＲＰM として用いられることにより、実際の労作強度値ＰＲＰがその増加目標労作強度値に追従して増加させられる期間において、その労作強度値が無酸素性作業閾値に接近したときに発生するエルゴメータ６の負荷の増加中の折点を、電磁ブレーキ６８の制動トルク或いは運動負荷調節手段８４から電磁ブレーキ６８への出力などに基づいて判定する。
【００３０】
上記最適目標労作強度値決定手段９２は、上記折点判定手段９０によりエルゴメータ６の負荷の増加中の折点が判定されると、その負荷の折点に基づいて最適目標労作強度値ＰＲＰMSを決定する。たとえば、最適目標労作強度値決定手段９２は、折点判定手段９０により増加目標労作強度値の増加に伴って増加するエルゴメータ６の負荷の折点Ｆが判定されると、その折点Ｆの発生時点すなわち図５のｔ1 時点に対応する労作強度値ＰＲＰF よりも所定値低い目標労作強度値ＰＲＰMSを決定する。すなわち、最適目標労作強度値決定手段９２は、たとえば予め求められた関係から生体の年齢、性別、運動能力などに基づいて予め設定された補正値ＣPRP1を上記の折点Ｆに対応する労作強度値ＰＲＰF から差し引くことにより最適目標労作強度値ＰＲＰMSを決定する。或いは、最適目標労作強度値決定手段９２は、前記初期区間において生体に負荷が付与されてからその生体の血圧値或いは脈拍数が変化するまでの遅れ時間に対応する値ＣPRP2を上記折点Ｆに対応する労作強度値ＰＲＰF から差し引くことにより最適目標労作強度値ＰＲＰMSを決定する。
【００３１】
ここで、前記折点判定手段９０は、エルゴメータ６の負荷が折点Ｆに対応する値を越えた後の数拍程度の後において、折点Ｆが、その数拍程度の後の時点たとえば図５のｔ2 時点よりも数拍前の時点たとえば図５のｔ1 時点に発生したことを速やかに判定するものである。たとえば、折点判定手段９０は、前記初期区間における労作強度ＰＲＰの上昇区間において逐次求められたエルゴメータ６の負荷Ｗn の回帰直線ＫＬを求め、この回帰直線ＫＬを中心として決定された所定の判断基準範囲たとえば＋１０％の範囲を越える負荷Ｗn が連続して予め設定された所定数検出されたことにより折点Ｆを決定する。たとえば図６の時間軸とエルゴメータ６の負荷軸とから成る二次元直交座標において、破線に示す判断基準範囲を越える２以上の連続する負荷値Ｗm+1 、Ｗm+2 が検出された場合には、それより１つ前の負荷値Ｗm の発生時刻ｔF2または２つ前の負荷値Ｗm-1 の発生時刻ｔF1に折点Ｆが発生したと判定され、その発生時刻ｔF2またはｔF1における回帰直線ＫＬ上の値Ｆ2 またはＦ1 が折点Ｆとして判定される。
【００３２】
上記のようにしてエルゴメータ６の負荷の折点が判定されることにより、最適目標労作強度値ＰＲＰMSが決定されると、前記運動負荷調節手段８４は、増加目標労作強度値発生手段８８により発生させられる増加目標労作強度値に替えて、上記最適目標労作強度値ＰＲＰMSを制御目標として採用し、それ以後は、生体の実際の労作強度値ＰＲＰが最適目標労作強度値ＰＲＰMSと一致するように、エルゴメータ６の負荷を調節する。図５のｔ2 乃至ｔ3 区間の実線は最適目標労作強度値ＰＲＰMSを示し、１点鎖線はフィードバック制御によりそれに追従させられる実際の労作強度値ＰＲＰを示している。
【００３３】
運動負荷終了判定手段９４は、生体に運動負荷が付与されてからの経過時間ＴELが、たとえば運動処方に従って生体を運動させるために予め設定された判断基準時間ＴS に到達したことに基づいてその生体に対する運動負荷の付与の終了を判定する。運動負荷終了処理手段９６は、その運動負荷終了判定手段９４により生体に対する運動負荷の付与の終了が判定されると、その生体に対する運動負荷を予め設定された軽減手順で軽減する。この軽減手順は、予め設定された順序で負荷が段階的に軽減されるか、或いは、予め設定された減少速度で連続的に減少させられる。図５のｔ3 乃至ｔ4 区間はこの状態を示している。
【００３４】
図７は、上記電子制御装置２８の制御作動の要部を説明するフローチャートであって、目標労作強度決定ルーチンを示している。図のステップＳ１（以下、ステップを省略する。）では、図示しない操作釦の操作によって運動負荷装置の起動が行われたか否かが判断される。この操作釦の操作によって運動負荷装置の起動が行われると、図８に示す、生体の労作強度ＰＲＰが目標労作強度ＰＲＰM に一致するようにエルゴメータ６の負荷を調節するためのフィードバック制御ルーチンも同時に実行される。
【００３５】
先ず、本制御の基礎となるエルゴメータ６における労作強度のフィードバック制御を図８を用いて先に説明する。図８のＳＢ１では、前記連続血圧測定手段７８において１拍毎に決定される推定血圧値ＥＢＰSYS が読み込まれ、続いて、前記脈拍数算出手段８０に対応するＳＢ２では、たとえば圧脈波センサ３８により検出される圧脈波の周期から脈拍数ＰＲが１拍毎に算出される。そして、前記労作強度値算出手段８２に対応するＳＢ３では、それら推定最高血圧値ＥＢＰSYS および脈拍数ＰＲに基づいて実際の労作強度値ＰＲＰ（＝ＥＢＰSYS ×ＰＲ）が算出される。この労作強度値ＰＲＰは、心筋の負荷の指標として用いられるものであり、酸素消費量に相関するものである。次いで、ＳＢ４では、図７において決定された目標労作強度値ＰＲＰM が読み込まれる。
【００３６】
そして、前記運動負荷調節手段８４に対応するＳＢ５乃至ＳＢ８において、実際の労作強度値ＰＲＰが目標労作強度値ＰＲＰM と一致するようにエルゴメータ６の電磁ブレーキ６８が制御される。すなわち、ＳＢ５では、実際の労作強度値ＰＲＰが目標労作強度値ＰＲＰM を上回ったか否かが判断される。このＳＢ５の判断が否定された場合には、実際の労作強度値ＰＲＰが未だ目標労作強度値ＰＲＰM に到達していないので、ＳＢ６において、前回のサイクルにおける電磁ブレーキ６８の仕事（消費した運動エネルギ）Ｗに所定の変化値ΔＷを加算することにより増加させられるが、上記ＳＢ５の判断が肯定された場合は、実際の労作強度値ＰＲＰが目標労作強度値ＰＲＰM を上回っているので、ＳＢ７において、前回のサイクルにおける電磁ブレーキ６８の仕事Ｗから所定の変化値ΔＷを差し引くことにより減少させられる。そして、ＳＢ８では、上記のようにして変化させられた仕事Ｗが電磁ブレーキ６８により行われるように、その励磁コイルの励磁電流すなわち電磁ブレーキ６８の制動トルクが調節される。
【００３７】
続いて、ＳＢ９では、生体の異常が判定される。たとえば、脈拍数算出手段８０により算出された脈拍数ＰＲが予め設定された判断基準値を越えたか否かが判断される。上記ＳＢ９の判断が肯定された場合は、ＳＢ１０において生体の異常を示す異常表示が表示器３６において行われるとともに、ＳＢ１１において電磁ブレーキ６８の仕事Ｗすなわちエルゴメータ６の回転抵抗が零とされ、本ルーチンおよび図７のルーチンが終了させられる。しかし、上記ＳＢ９の判断が否定される場合は、本ルーチンが繰り返し実行される。
【００３８】
図７に戻って、前記Ｓ１の判断が否定された場合は待機させられるが、肯定された場合は、エルゴメータ６を用いて生体が運動を開始する状態であるので、Ｓ２において、エルゴメータ６における労作強度ＰＲＰのフィードバック制御の目標労作強度値ＰＲＰM として、予め設定された初期値ＰＲＰ0 が用いられる。この初期値ＰＲＰ0 は、エルゴメータ６の負荷が約２０Ｗ（ワット）程度となるように設定されている。
【００３９】
次いで、前記増加目標労作強度値発生手段８８に対応するＳ３において、それまでの目標労作強度値ＰＲＰM に予め設定された増加値ΔＰＲＰを加算することにより目標労作強度値ＰＲＰM が更新され、制御サイクル毎にその更新が繰り返されることにより、図５のｔ0 乃至ｔ2 の初期負荷上昇区間に示すように、所定の速度で時間経過と共に線型で増加する増加目標労作強度が発生させられる。上記増加値ΔＰＲＰは、増加目標労作強度の増加速度を決定する値である。
【００４０】
続くＳ４では、エルゴメータ６の負荷Ｗ（ワット）が、電子制御装置２８から電磁ブレーキ６８への出力信号などに基づいて読み込まれた後、前記折点判定手段９０に対応するＳ５において、エルゴメータ６の負荷Ｗの折点が発生したか否かが判断される。生体に対して時間経過とともに増加する負荷Ｗを付与すれば、生体の無酸素性作業閾値ＡＴを境にして、それとともに増加する労作強度値ＰＲＰが折点を境にしてそれまでよりもさらに高い速度で増加する性質があるが、本実施例では、生体の労作強度値ＰＲＰを一定の速度で増加させる結果、それとともに増加するエルゴメータ６の負荷Ｗは生体の無酸素性作業閾値ＡＴを境にしてそれまでより低い速度で増加するか或いは略一定となるのである。
【００４１】
当初は上記Ｓ５の判断が否定されることから、上記Ｓ３以下が繰り返し実行される。しかし、生体の無酸素性作業閾値に接近し、図５のｔ2 時点に示すように、Ｓ５において折点Ｆの発生が判断されると、前記増加目標労作強度値発生手段８８に対応するＳ３の実行が停止されると同時に、Ｓ６乃至Ｓ８が実行される。すなわち、前記最適目標労作強度値決定手段９２に対応するＳ６において、折点Ｆの発生時点すなわち図５のｔ2 時点に対応する労作強度値ＰＲＰF から、生体の年齢、性別、運動能力などに基づいて予め設定された補正値ＣPRP1或いは前記初期区間において生体に負荷が付与されてからその生体の血圧値或いは脈拍数が変化するまでの遅れ時間に対応する値ＣPRP2を差し引くことにより、その労作強度値ＰＲＰF よりも所定値ΔＰＲＰだけ低い最適目標労作強度値ＰＲＰMSが決定される。
【００４２】
次いで、Ｓ７において、その最適目標労作強度値ＰＲＰMSを目標労作強度値ＰＲＰM とすることにより、その目標労作強度値ＰＲＰM が更新される。本実施例では、上記Ｓ２乃至Ｓ７が目標労作強度値決定手段８６に対応している。そして、Ｓ８において、折点の発生以後の経過時間ＴELを計時するためのタイマカウンタＣＴELの計数が許可される。これにより、上記目標労作強度値ＰＲＰM （最適目標労作強度値ＰＲＰMS）と実際の労作強度値ＰＲＰとが一致するようにエルゴメータ６の負荷が調節される。図５のｔ2 時点はこの状態を示している。
【００４３】
次いで、前記運動負荷終了判定手段９４に対応するＳ９では、前記経過時間ＴELが、たとえば運動処方に従って生体を運動させるために予め設定された判断基準時間ＴS に到達したか否かが判断される。当初はこのＳ９の判断が否定されるので、Ｓ１０においてカウンタＣＴELの計数内容ＴELに「１」が加算されることによりその計数内容ＴELが更新された後、前記Ｓ８以下が繰り返し実行される。しかし、上記Ｓ９の判断が肯定されると、前記運動負荷終了処理手段９６に対応するＳ１１において、運動負荷終了処理すなわちクーリングダウンが実行され、生体に付与されていた負荷が所定の軽減手順で低減される。図５のｔ3 乃至ｔ4 区間はこの状態を示している。
【００４４】
上述のように、本実施例によれば、労作強度フィードバック制御により負荷制御されるエルゴメータ６を用いた生体の運動の初期区間において、増加目標労作強度値発生手段８８（Ｓ３）により所定の速度で生体の労作強度ＰＲＰが増加させられるにともなって、増加するエルゴメータ６の負荷Ｗの増加の折点Ｆが発生すると、最適目標労作強度値決定手段９２（Ｓ６）により、その折点Ｆに基づいて最適目標労作強度値ＰＲＰMSが決定される。このように、実際の労作強度ＰＲＰが増加目標労作強度値に追従して所定の速度で上昇させられるので、被験者の心肺機能に拘わらず速やかに負荷Ｗの折点Ｆを発生させることができ、且つ、被験者の運動能力などに関連した煩雑な設定操作を必要としないので、最適目標労作強度値ＰＲＰMSを速やかにかつ容易に決定できる。しかも、折点Ｆの通過後においては、実際の労作強度ＰＲＰが増加目標労作強度値に追従して所定の速度で上昇させられる一方で、エルゴメータ６の負荷Ｗの増加がそれまでよりも抑制されるので、最適目標労作強度値ＰＲＰMSの決定のための被験者の負担が低くなる。
【００４５】
また、本実施例によれば、上記にようにして、最適目標労作強度値決定手段９２（Ｓ６）により、その折点Ｆに基づいて最適目標労作強度値ＰＲＰMSが決定されると、直ちに、運動負荷調節手段８４（ＳＢ１乃至ＳＢ８）により、その目標労作強度値ＰＲＰM に実際の労作強度ＰＲＰが追従するようにエルゴメータ６の負荷が調節されるので、生体が運動を行う日の体調に適合した最適の負荷すなわち無酸素運動の初期或いは有酸素運動の最大強度の運動が付与される利点がある。
【００４６】
また、本実施例では、増加目標労作強度値発生手段８８（Ｓ３）による増加目標労作強度値の増加に伴う、エルゴメータ６の負荷Ｗの上昇の折点Ｆを判定する折点判定手段９０（Ｓ５）が設けられ、最適目標労作強度値決定手段９２（Ｓ６）は、生体の年齢、性別、運動能力などに基づいて予め設定された補正値ＣPRP1をその折点Ｆに対応する労作強度値ＰＲＰF から差し引くことにより、その折点Ｆに対応する労作強度値ＰＲＰF よりも低い最適目標労作強度値ＰＲＰMSを決定するものである。また、その補正値ΔＰＲＰは、予め設定された一定値であってもよいが、好適には、予め決定された関係から生体の年齢、性別、運動能力などに基づいて決定された値である。このため、最適目標労作強度値ＰＲＰMSが労作強度値ＰＲＰの増加の折点Ｆに対応する値ＰＲＰF よりも低い値に設定されるので、上記折点Ｆに対応する値ＰＲＰF を最適目標労作強度値とする場合に比較して、生体の反応の遅れにより最適目標労作強度値が実際値より高くなることが補償される利点がある。
【００４７】
また、本実施例では、増加目標労作強度値発生手段８８（Ｓ３）による増加目標労作強度値の増加に伴う、エルゴメータ６の負荷Ｗの上昇の折点Ｆを判定する折点判定手段９０（Ｓ５）が設けられ、最適目標労作強度値決定手段９２（Ｓ６）は、生体に運動負荷が付与されてからその生体の血圧値或いは脈拍数が変化するまでの遅れ時間に対応する値ＣPRP2をその折点Ｆに対応する労作強度値ＰＲＰF から差し引くことにより、その折点Ｆに対応する労作強度値ＰＲＰF よりも低い最適目標労作強度値ＰＲＰMSを決定するものである。その遅れ時間に対応する値ΔＰＲＰ2 は、好適には、生体に負荷が付与されてからその生体の血圧値或いは脈拍数が変化するまでの実際の遅れ時間に基づいて決定される。このため、最適目標労作強度値が労作強度値ＰＲＰの増加の折点Ｆに対応する値ＰＲＰF よりも低い値に設定されるので、上記折点Ｆに対応する値ＰＲＰF を最適目標労作強度値とする場合に比較して、生体の反応の遅れにより最適目標労作強度値ＰＲＰMSが実際値より高くなることが補償され、最適な目標労作強度値ＰＲＰMSが決定される。
【００４８】
また、本実施例の運動負荷装置の制御装置には、折点Ｆが発生して生体に最適な運動負荷が付与されてからの経過時間ＴELが予め設定された判断基準時間ＴS に到達したことに基づいてその生体に対する運動負荷の付与の終了を判定する運動負荷終了判定手段９４（Ｓ９）と、その運動負荷終了判定手段９４により前記生体に対する運動負荷の付与の終了が判定されると、その生体に対する運動負荷を予め設定された軽減手順で軽減する運動負荷終了処理手段９６（Ｓ１１）とが含まれる。このため、運動負荷終了判定手段９４により生体に対する運動負荷の付与が終了したことが判定されると、運動負荷終了処理手段９６により、その生体に対する運動負荷が予め設定された軽減手順で自動的に軽減されるので、クーリングダウンの不足に起因する不都合が生体に発生することが解消される。
【００４９】
以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００５０】
たとえば、前述の実施例の最適目標労作強度値決定手段９２は、折点Ｆの発生時点に対応する労作強度値ＰＲＰF から、生体の年齢、性別、運動能力などに基づいて予め設定された補正値ＣPRP1或いは初期区間において生体に負荷が付与されてからその生体の血圧値或いは脈拍数が変化するまでの遅れ時間に対応する値ＣPRP2を差し引くことにより、その労作強度値ＰＲＰF よりも所定値ΔＰＲＰだけ低い最適目標労作強度値ＰＲＰMSが決定されていたが、その他の方法により補正或いは修正された値が最適目標労作強度値ＰＲＰMSとして決定されてもよいし、折点Ｆの発生時点に対応する労作強度値ＰＲＰF を最適目標労作強度値ＰＲＰMSとしても本発明の一応の効果が得られるのである。要するに、折点Ｆの発生時点に対応する労作強度値ＰＲＰF に基づいて最適目標労作強度値ＰＲＰMSが決定されればよいのである。
【００５１】
また、前述の実施例においては、脈拍数ＰＲおよび推定血圧値ＥＢＰが１拍毎に決定されるとともに、労作強度値ＰＲＰも１拍毎に算出されていたが、必ずしも１拍毎でなくてもよく、労作強度値ＰＲＰは数拍毎に算出されるものでもよいのである。
【００５２】
また、前述の実施例の経過時間ＴELは、折点Ｆが判定された時点ｔ2 からの経過時間であったが、初期負荷上昇区間が開始される時点ｔ1 からの経過時間であってもよい。要するに、生体に運動負荷が付与されてからの経過時間であればよいのである。
【００５３】
また、前述の実施例の圧脈波血圧対応関係は一次式であったが、圧脈波センサ３８が動脈の管壁を平坦に保持するように押圧されない場合には、二次以上の多項式が用いられてもよい。
【００５４】
また、前述の基準血圧測定手段７２は、カフ圧が徐々に降下させられる過程のカフ脈波の変化に基づいて基準血圧値を決定するものであったが、徐々に昇圧させられる過程のカフ脈波の変化に基づいて基準血圧値を決定するものであってもよい。また、その基準血圧決定手段７２は、所謂オシロメトリック法に従い、カフ１０の圧迫圧力に伴って変化する圧脈波の大きさの変化状態に基づいて血圧値を決定するものであったが、カフ１０の圧迫部から発生するコロトコフ音の発生および消滅に基づいて生体の血圧値を測定するものであっても差し支えない。
【００５５】
また、前述の実施例では、運動負荷装置としてエルゴメータ６が用いられていたが、それに代えて、たとえば図９に示すようなトレッドミル１００が用いられ得る。このトレッドミル１００は、基台１０２に設けられた無端ベルト１０４が電動モータ１０６によって回転駆動されるようになっており、無端ベルト１０４上に位置する生体が走行させられることにより運動負荷が与えられるようになっている。この電動モータ１０６は、たとえば前記電子制御装置２８からの指令に従ってその回転速度を変化させることにより生体の走行運動の負荷を変化させる。
【００５６】
その他、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更が加えられ得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である運動負荷装置の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の実施例の圧脈波センサおよび押圧力制御装置を詳しく説明する図である。
【図３】図１の実施例において、電子制御装置の制御機能の要部を説明する機能ブロク線図である。
【図４】図３の圧脈波血圧対応関係決定手段により決定される対応関係を例示する図である。
【図５】図１の実施例において、電子制御装置により制御される運動負荷を示すタイムチャートである。
【図６】図３の折点判定手段による折点判定方式を説明する図である。
【図７】図１の実施例の電子制御装置の制御作動の要部を説明するフローチャートであって、目標労作強度決定ルーチンを示す図である。
【図８】図１の実施例の電子制御装置の制御作動の要部を説明するフローチャートであって、運動負荷制御すなわちエルゴメータ６の労作強度フィードバック制御ルーチンを示す図である。
【図９】本発明の他の実施例における運動負荷装置であるトレッドミルを説明する図である。
【符号の説明】
６：エルゴメータ（運動負荷装置）
８２：労作強度値算出手段
８４：運動負荷調節手段
８８：増加目標労作強度値発生手段
９０：折点判定手段
９２：最適目標労作強度値決定手段
９４：運動負荷終了判定手段
９６：運動負荷終了処理手段
１００：トレッドミル（運動負荷装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003681836.tif 000007
【図７】
0003681836.tif 000008
【図８】
0003681836.tif 000009
【図９】
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