(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動器具部と、被験者に外部刺激を与える、前記運動器具部以外の刺激手段と、外部刺激による被験者の生体信号の変化を測定する測定手段と、生体信号の変化から被験者の健康状態を診断する診断手段とを備えたことを特徴とする健康状態診断装置。
【請求項２】
前記運動器具部が歩行運動器具である請求項１記載の健康状態診断装置。
【請求項３】
前記刺激手段として映像装置を用い、映像による外部刺激を与える請求項１又は２記載の健康状態診断装置。
【請求項４】
前記刺激手段として音声出力装置を用い、音声による外部刺激を与える請求項１又は２記載の健康状態診断装置。
【請求項５】
前記測定手段が、加速度センサ及び振動センサの少なくとも一方である請求項１〜４のいずれかに記載の健康状態診断装置。
【請求項６】
前記診断手段が、生体信号の変化をカオス解析を用いて解析し健康状態を診断するものである請求項１〜５のいずれかに記載の健康状態診断装置。
【請求項７】
カオスアトラクタを作成して、該カオスアトラクタの軌道周期を測定し、その軌道周期の揺らぎを解析する請求項６記載の健康状態診断装置。
【請求項８】
前記カオスアトラクタの軌道周期の揺らぎをデトレンド変動分析を用いて解析する請求項７記載の健康状態診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被験者の健康状態を診断する装置に関し、より詳細には短時間の運動から被験者の健康状態を診断する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
脈拍や血圧、体温、血糖値、呼吸、筋電、心電、血流、脳波、発汗量、加速度、振動、傾斜度といった生体信号を測定・分析して、人の健康状態を診断することが従来から種々試みられている。例えば特開平６−２１７９５１号公報では、測定した脈波からアトラクタを生成し、メモリに記憶されている複数のアトラクタパターンとこのアトラクタを比較して、アトラクタの形状や構造の類似度から人の健康状態を判断する発明が提案されている。また特公平６−９５４６号公報では、脈波及び／又は心電波の時系列データからカオスアトラクタを作成し、さらにカオスアトラクタを演算処理してリアプノフ指数を求め、心身の異常などを診断する発明が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これら提案発明の診断方法によれば、ある程度有効な診断結果が得られるであろうとは推測されるが、診断に必要な生体信号を収集するのに長時間を要するため迅速な診断ができないという問題があった。
【０００４】
また一般に広く使用されていた従来の運動器具は、歩行運動や自転車運動などを行って人の運動不足を解消して健康の維持増進を図るものであって、人の健康状態を診断するようなものではなかった。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、人の健康の維持増進を図れ、さらに健康状態を迅速に診断できる健康状態診断装置を提供することをその目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、運動器具部と、被験者に外部刺激を与える、前記運動器具部以外の刺激手段と、外部刺激による被験者の生体信号の変化を測定する測定手段と、生体信号の変化から被験者の健康状態を診断する診断手段とを備えたことを特徴とする健康状態診断装置が提供される。
【０００７】
このとき、被験者にかける運動負担を軽減する観点から、前記運動器具としては歩行運動器具であることが好ましい。
【０００８】
被験者に外部刺激を与える他の刺激手段として映像装置や音声出力装置を用い、映像装置からの映像や音声出力装置からの音声によって外部刺激を与えるようにしてもよい。
【０００９】
被験者が携帯する際の重量負担を軽減する観点および利便性の観点から、前記測定手段として、加速度センサ及び振動センサの少なくとも一方を用いることが推奨される。
【００１０】
診断の精度を上げる観点から、前記診断手段は、カオス解析を用いて生体信号の変化を解析し健康状態を診断するものが好ましく、中でもカオスアトラクタを作成して、該カオスアトラクタの軌道周期を測定し、その軌道周期の揺らぎを解析するものが好ましい。また、カオスアトラクタの軌道周期の揺らぎはデトレンド変動分析を用いて解析するのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、被験者の健康状態を診断するのに必要な生体信号をいかにして迅速に収集するか鋭意検討を重ねた結果、被験者が運動を行っているときに外部刺激を与えると、被験者の健康状態に対応して生体信号が変化することを見出し本発明を成すに至った。
【００１２】
本発明の健康状態診断装置の一実施態様を図１に示す。図１は当該診断装置の概説図である。この健康状態診断装置は、歩行運動器具（運動器具部）６と、歩行運動器具６の前側に配置されたスクリーン（刺激手段）７と、被験者が携帯した加速度センサ（測定手段）８と、診断手段９とを備える。加速度センサ８を携帯した被験者は、前面のスクリーン７に映し出される画面を見ながら歩行運動器具６の歩行ベルト６１上を歩行する。スクリーンには、散歩しているときの町や自然の風景が当初は映し出される。そこに突然クルマや犬が横から飛び出してくるといった映像を映す。このときの被験者の加速度の乱れを加速度センサ８で測定し、測定データを診断手段９へ送信する。診断手段９は、データ処理・解析手段９１と、データベース部９２と、健康状態の診断手段９３と出力手段９４とを有し、送信されてきた測定データに基づき被験者の健康状態を診断する。
【００１３】
この診断装置では、外部刺激を与えて変化を生体信号を測定するだけなのでわずか数分程度の測定時間で診断が完了する。生体信号の測定装置を被験者に長期間携帯させて、得られた情報から健康状態を診断していた従来の診断方法に比べれば本発明の診断装置の測定時間は格段に短いものである。
【００１４】
本発明で使用する運動器具としては特に限定はなく、従来公知の運動器具を用いることができ、例えば歩行運動器具（トレッドミル）、自転車運動器具（エアロバイク）、階段登り運動器具（エアロクライム）などの運動器具が挙げられる。この中でも被験者への運動負担や利便性などの観点から歩行運動器具が推奨される。
【００１５】
また本発明で使用する刺激手段としては、使用する運動器具部と異なるものであれば特に限定はなく、例えば映像装置や音声出力装置などが挙げられる。
【００１６】
映像による刺激は、運動器具の周囲に映像装置を配設して被験者の視覚を通して与える刺激である。例えば歩行運動器具上を歩いている被験者に対して、歩行運動器具の前側に設けたスクリーンあるいは頭部に装着したディスプレイに歩道を歩いている映像を投影して、被験者が歩道を歩いている状態を仮想的に創り出し、そして突然横からクルマが飛び出してくる映像を投影してこの時の被験者の生体信号の変化を測定するのである。
【００１７】
音声による刺激は、運動器具の周囲に音声出力装置を配設して被験者の聴覚を通して与える刺激である。例えばイヤホンにより一定のリズムが与えられて歩行運動器具上を歩いている被験者に対して、イヤホンから大きな音など不快な音を突然流して被験者の生体信号の変化を測定するのである。
【００１８】
本発明で使用する測定手段としては特に限定はなく、例えば振動センサ、加速度センサ、心電センサ、血圧センサ、体温センサ、脈拍センサ、筋電センサ、発汗センサ、傾斜センサなど従来公知の測定器が挙げられ、これらの１つ又は２つ以上を組み合わせて使用すればよい。この中でも被験者への装着負担が少なく、また小型であることなどから振動センサや加速度センサの使用が望ましい。なお、これら測定器の装着場所は、測定する生体信号の種類や運動器具の種類などから適宜決定すればよい。これらの測定手段によって、被験者の振動や加速度、心電、血圧、体温、脈拍、筋電、発汗量、傾斜度などの生体信号が測定される。
【００１９】
本発明における診断手段では、例えば外部刺激により乱れた生体信号が通常状態に戻るまでの回復時間の長短により健康状態を診断する。具体的には回復時間が短いほど健康である一方、長いほど体調不良であると診断する。回復時間は被験者によって個人差があるので、健康・体調不良時の各個人の回復時間を予め測定してベースデータとして記憶しておき、ベースデータとの比較において各被験者の健康状態を診断するのが診断精度の上からも望ましい。
【００２０】
さらに診断手段における一歩進んだ診断方法として、被験者の病歴と関連づけられる生体信号の解析結果を、基準データとしてベースデータ部に記憶しておき、解析結果と基準データとの比較を行って、一致又は近似している基準データから被験者の病気およびその程度をより詳細に診断してもよい。図１に示すように、加速度センサ８からデータ処理・解析手段９１へ送られてきたデータはここで解析される。具体的解析手法については後述する。そして被験者の病歴と関連づけられる解析結果は基準データとしてデータベース部９２に記憶される。そして、順次送られてくる測定データの解析結果は、健康状態診断手段９３においてこの基準データと比較され、一致又は近似している基準データから被験者の健康状態が診断され、出力手段９４により外部へ出力される。
【００２１】
ここで行動など生体に関する信号は一般に非線形データであるため、解析方法としては非線形解析方法を用いるのがよく、中でも非線形データの解析手法として広く用いられているカオス解析が最も好適に用いることができる。このカオス解析には、フラクタル次元解析やリアプノフ指数解析、カオスアトラクタ解析など種々の解析方法があるが、生体信号に関する解析手法としてはカオスアトラクタ解析が適している。具体的には得られた生体信号に基づき所望の数空間にカオスアトラクタを描き、描いたカオスアトラクタ形状からパターンマッチングを行って被験者の健康状態を診断する。歩行時の加速度データに基づき２次元数空間に描いたカオスアトラクタの一例を図２に示す。このカオスアトラクタと同一あるいは近似するカオスアトラクタを、データベース部に記憶されているカオスアトラクタの中から探しだし、その記憶されているカオスアトラクタの示す健康状態がすなわち被験者の健康状態と診断するのである。
【００２２】
一方、カオスアトラクタの形状だけからでは違いが明確にわからない場合がある。このような場合は、カオスアトラクタの軌道周期をさらに測定し、その軌道周期の揺らぎから健康状態を解析すればよい。例えば、数空間上の特定点を原点として極座標変換を行って角周期を求め、この角周期を軌道周期とする。そしてこの軌道周期の揺らぎの特徴から被験者の健康状態を診断するのである。図２を用いて説明すると、カオスアトラクタの点Ｏから右方向に水平線Ｓを引き、この水平線Ｓを基準線としてアトラクタ軌道が反時計回りに３６０°回転して基準線に戻ってくるまでの時間を測定し、この時間を軌道周期とすればよい。もちろん、軌道周期はアトラクタ軌道の一部分であってもよく、この場合は基準となる回転角度を決めておき、アトラクタ軌道がこの角度を移動する時間を測定すればよい。極座標変換の原点としては、簡単に算出できることからカオスアトラクタ構成要素の平均値座標点を用いるのが好ましい。なおアトラクタ軌道の形状によっては、求めた平均値座標点がアトラクタ軌道内になることもあるが、このような場合には平均値座標点近傍のアトラクタ軌道外の点を極座標変換の原点とすればよい。
【００２３】
被験者による歩行の加速度データから２次元数空間にカオスアトラクタを描いた後、極座標変換してカオスアトラクタの軌道周期を測定した結果の一例を図３に示す。図３（ａ）は健康時のアトラクタ軌道周期、同図（ｂ）は体調不良時のアトラクタ軌道周期である。両図のアトラクタ軌道周期の揺らぎを比較してみれば、体調の違いによる歩行データの違いが見いだせる。したがって種々の健康状態時のアトラクタ軌道周期の揺らぎをデータベースとして記憶させておけば、データベースの揺らぎ特性と測定した揺らぎ特性を順次比較してその一致性を検出することにより被験者のそのときの健康状態を診断することができる。
【００２４】
アトラクタ軌道周期の揺らぎをさらに詳細に解析する場合には、デトレンド変動解析（ＤＦＡ：Detrended Fluctuation Analysis）、フーリエ変換などの周波数変換、ウェーブレット解析、マルチフラクタル解析などの従来公知の解析方法を用いればよく、この中でも大きな揺らぎに対しても客観的かつ正確に解析できる点でＤＦＡが特に好適に用いることができる。
【００２５】
本発明の健康状態診断装置は、運動器具部により通常の運動器具としての役割を果たすのみならず、前記診断手段などにより被験者の健康状態を診断することもできるのである。したがってこの診断装置では、運動開始時に健康状態を診断し、その診断結果に基づきその日の運動プログラムを決定するというような利用態様も可能である。
【００２６】
【実施例】
実施例１
トレッドミルの前側にスクリーンを設け、そこに町を歩いている風景を映し出し、加速度センサを携帯した被験者にはこの映像を見ながらトレッドミルの歩行ベルト（時速４．０ｋｍ）上をで歩かせた。そしてクルマが突然横から飛び出してくる映像を映し、その時の加速度変化を測定した。測定した加速度データを図４に示す。図４は、横軸を時間、縦軸を加速度として歩行による加速度の経時変化を示した図である。この加速度データから２次元数空間にカオスアトラクタを描き、歩行状態の安定域と不安定域とを判別した。このカオスアトラクタ解析から、映像による外部刺激を受けてから約８秒で歩行リズムが元に戻っていた。したがって、被験者の健康時と体調不良時における、歩行リズムが元に戻るまでの時間を予め計測しておき、その時間との比較によって被験者の健康状態を診断できることがわかった。
【００２７】
実施例２
加速度センサを携帯した被験者にトレッドミルの歩行ベルト（時速４．０ｋｍ）上を歩かせ、さらに被験者にはイヤホンを付けさせた。そしてイヤホンから突然大きな音を流し、この時の加速度変化を測定した。測定した加速度データを図５に示す。そしてカオスアトラクタ解析により歩行状態の安定・不安定域を判別したところ、音声による外部刺激を受けてから約１６秒で歩行リズムは元に戻っていた。このように、外部刺激による歩行リズムの乱れが回復するまでの時間を計測すれば、直ちにその被験者の健康状態を診断できることがわかった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の健康状態診断装置では、運動器具部と共に、被験者の健康状態を診断する手段をも備えているので、運動器具により運動する同時に健康状態を診断することができる。また本発明の診断装置によって運動開始前に自己の健康状態を診断し、その診断結果に基づきその日の運動プログラムを設定すれば、無理なく効果的に健康の維持増進が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る健康状態診断装置の一例を示す概説図である。
【図２】  カオスアトラクタを２次元数空間に描いた一例を示す図である。
【図３】  アトラクタ軌道周期の変化を示す図である。
る。
【図４】  実施例１の加速度データを示す図である。
【図５】  実施例２の加速度データを示す図である。
【符号の説明】
１  測定手段
６  歩行運動器具（運動器具部）
７  スクリーン（刺激手段）
８  加速度センサ（測定手段）
９  診断手段
１１  外部刺激
６１  歩行ベルト
９１  データ処理・解析手段
９２  データベース部
９３  健康状態の診断手段
９４  出力手段
【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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