(57)【要約】【課題】呼気ガスの分析、血中乳酸濃度の測定、血圧や心拍数の測定などの作業を行うことなく、容易且つ安価に各人の至適運動強度を決定することができる方法を提供する。【解決手段】段階的な負荷運動を行い、各負荷段階毎の左右房室弁が閉じる際に発生する第１心音振幅を被検者胸部に取り付けた心音マイクロフォンを通して心音図に記録し、これより心音振幅が急激に上昇する変化点（ＨＳＢＰ）が認められた負荷運動段階での運動強度をもって当該被検者の至適運動強度とする。前記変化点（ＨＳＢＰ）は、横軸に負荷運動量をとり、縦軸に安静時心音振幅に対する負荷運動時の心音振幅の割合（振幅率）をとり、各負荷段階毎の振幅率をグラフ化処理し、軽めの負荷運動段階でのデータとやや強めの負荷運動段階のデータからそれぞれの直線回帰式を求めその直線式の交点とする。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自転車エルゴメーター等による段階的な負荷運動を行い、各負荷段階毎の左右房室弁が閉じる際に発生する第１心音の振幅を被検者胸部に取り付けた心音マイクロフォンを通して心音図に記録し、これより心音振幅が急激に上昇する変化点（ＨＳＢＰ）を判定し、当該変化点（ＨＳＢＰ）が認められた負荷運動段階での運動強度（負荷運動量）をもって当該被検者の至適運動強度とすることを特徴とした運動処方時における至適運動強度の決定方法。
【請求項２】
横軸に負荷運動量（Ｗ：ワット）をとり、縦軸に安静時の第１心音の振幅を１とした場合の負荷運動時の第１心音の振幅の割合（振幅率）をとり、各負荷段階毎の振幅率をグラフ処理し、前期段階（軽めの負荷運動段階）でのデータから直線回帰式を求め、後期段階（やや強めの負荷運動段階）のデータから直線回帰式を求め、この２つの直線式の交点をもって第１心音振幅が急激に上昇する変化点（ＨＳＢＰ）とする前記請求項１に記載の運動処方時における至適運動強度の決定方法。
【請求項３】
安静時と各負荷運動段階での最後の４０秒間に計測した心音から第１心音振幅の大きい１０個を選び出力電圧（Ｖ）表示によって記録し、それぞれの平均値をもって安静時及び各負荷運動段階での第１心音振幅の値とした前記請求項２に記載の運動処方時における至適運動強度の決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、健常者の運動能力の維持向上、あるいは疾患者の運動療法のために行われる運動処方時における至適運動強度の決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
健常者（特に、中高年齢者）の健康維持又は増進のため、あるいは疾患者を対象とする運動療法のためには、運動の継続的な実施（運動処方）が効果的であることが知られている。その際、過度の運動を行うことはスポーツ障害や疲労による身体機能の低下を引き起こし逆効果となり、特に、高血圧症や虚血性心疾患等の疾患者を対象とする運動療法においては極めて危険な事態を引き起こすことにもなりかねない。そこで、運動処方にあっては、各個人毎の適切な運動強度（至適運動強度）を知ることが不可欠となっている。
【０００３】
現在、運動処方における至適運動強度の決定に際しては、運動試験中における被検者の呼気ガス分析による無酸素性作業閾値（ＡＴ）や換気閾値（ＶＴ）を、または、血中の乳酸測定による乳酸性作業閾値（ＬＴ）を指標とするのが有用であるとされている。しかし、直接的に運動試験中の被検者から呼気ガスを採取したり採血したりするのは検査作業が煩わしいばかりでなく被検者に身体的負担をかけることになり、しかも、高価な分析機器が必要となるため、その利用が一般化するまでに至っていない。
【０００４】
そこで、無酸素性作業閾値（ＡＴ）や乳酸性作業閾値（ＬＴ）を簡便に測定又は推定する方法として、最大酸素摂取量に対する割合（％Ｖ０２ｍａｘ）で５０％水準での酸素摂取量を必要とするときの運動強度をもって至適運動強度とする方法、または、運動時心拍数、安静時心拍数及び最大心拍数から求めた余裕心拍数（ＨＲｒｅｓｅｒｖｅ）の５０％心拍数のときの運動強度をもって至適運動強度とする方法も考えられているが、これらの方法にあっては、被検者に最大酸素摂取量や最大心拍数を測定するための激しい運動を行わせることが必要となり、測定自体に危険が伴うこととなって実際的ではない。
【０００５】
更に、漸増負荷運動中の心拍数（ＨＲ）と収縮期血圧（ＳＢＰ）とを記録し、横軸を経過時間や運動強度とし、縦軸を心拍数と収縮期血圧（最高血圧）の積とし、運動中にこの積（ＨＲ×ＳＢＰ）が急上昇する２つの回帰直線の交点（ダブルブレイキングポイント／二重積変曲点：ＤＰＢＰ）を解析判定し、この時点における運動強度をもって至適運動強度とする方法なども提案されている。しかし、この方法にあっても、漸増負荷運動中に２０秒毎の収縮期血圧を測定する必要があるため、測定作業が面倒であるばかりか、そのために上腕に巻いたカフの圧を１５０乃至２００ｍｍＨｇまで繰り返し上げることになり、この行為が腕の痛みを引き起こす理由ともなっている。
【特許文献１】特開平０５−０８４３２６号公報
【特許文献２】特開平０６−３４３６３８号公報
【特許文献３】特開平０７−０８８０９２号公報
【特許文献４】特開平０７−０８８０９４号公報
【特許文献５】特開平１１−２４４４１４号公報
【非特許文献１】矢倉千昭・木原勇夫著「至適運動強度の指標になる二重屈曲点法の収縮期の血圧変化が及ぼす影響」島根医科大学紀要・第２４巻
【非特許文献２】谷口興一著「心肺運動負荷テスト／呼気ガス分析による心肺疾患に新しい見方」南江堂
【非特許文献３】福岡病院：ホームページ「運動療法」出力資料
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来方法の問題点に鑑みなされたもので、呼気ガスの分析、採血による乳酸濃度の測定、血圧や心拍数の測定などの面倒な作業を行うことなく、容易且つ簡便に被検者毎の至適運動強度を決定することができる方法を開発することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明では、心音振幅が心筋の収縮力を反映しているということに着目し、運動による心音振幅の変動を測定し、そこから至適運動強度を判定できないかを検討した。その結果、心室内圧の影響を強く受ける第１心音（ＨＳ−１）は運動強度の増加と共に振幅が増大し、且つ、第１心音（ＨＳ−１）振幅の仕事量（ワット：Ｗ）に対する変化率をみると、ある仕事量（Ｗ）の段階でその心音振幅率が急に変化する点（ＨＳＢＰ：心音振幅の変化点）が存在することを知見した。そして、この心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）は、乳酸性作業閾値（ＬＴ）および心拍数と収縮期血圧の積から求めた二重積変曲点（ＤＰＢＰ）との間に正の相関があることが認められた。これにより、運動処方における至適運動強度を決定する方法として以下の方法を発明するに至った。
【０００８】
自転車エルゴメーター等による段階的な負荷運動を行い、各負荷段階毎の左右房室弁が閉じる際に発生する第１心音（ＨＳ−１）振幅を被検者胸部に取り付けた心音マイクロフォンを通して心音図に記録し、これより第１心音（ＨＳ−１）振幅が急激に上昇する変化点（ＨＳＢＰ）を判定し、当該変化点（ＨＳＢＰ）が認められた段階での負荷運動強度（仕事量）をもって当該被検者の至適運動強度とする。
【０００９】
前記の第１心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）は、横軸に負荷運動量（Ｗ）をとり、縦軸に安静時の第１心音（ＨＳ−１）振幅を１とした場合の負荷運動時の第１心音（ＨＳ−１）振幅の割合（振幅率）をとり、各負荷運動段階毎の当該振幅率をグラフ処理し、前期段階（軽めの負荷運動段階）でのデータから直線回帰式を求め、後期段階（やや強めの負荷運動段階）のデータから直線回帰式を求め、この２つの直線式の交点とした。
【００１０】
前記の安静時及び各負荷運動段階での第１心音（ＨＳ−１）振幅の値は、各段階での最後の４０秒間に計測した第１心音（ＨＳ−１）振幅のうち振幅の大きい１０個を選びその平均値とした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、個人差のある至適運動強度を心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）を見出すことにより可能としたもので、この心音振幅の変化点を見出すには、被検者の胸部に心音マイクロフォンを取り付け中程度までの負荷運動試験をすることで足り、従来方法のように、最大酸素摂取量や最大心拍数の測定、負荷運動中の血圧や心拍数の頻回な測定、採血による乳酸値の測定等を必要としない。したがって、被検者に身体的負担をかけることはなく、簡単かつ安価に各被検者毎の至適運動強度を判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
第１心音（ＨＳ−１）の変化は、心臓交感神経やカテコールアミン濃度に影響されることがわかっているので、この変化の程度は運動時のホルモンや自立神経の変化を意味していると考えられ、また、第１心音（ＨＳ−１）振幅は血中乳酸濃度と正の相関があることからエネルギー代謝との関係も予測でき、このことから、被検者に段階的に心理的運動強度で中程度までの運動をさせ、この間に胸部に固定した心音マイクロフォンにより第１心音（ＨＳ−１）を測定して心音図に記録し、そして、当該心音図から第１心音（ＨＳ−１）振幅の変化点（ＨＳＢＰ）を解析判定し、この変化点が発生する段階での運動強度をもって当該被検者の至適運動強度と決定する。
【００１３】
各人の至適運動強度を決定するうえで、その指標となる数値が無酸素性作業閾値（ＡＴ）及び乳酸性作業閾値（ＬＴ）又は換気性作業閾値（ＶＴ）であることは周知である。これらの閾値は運動時のエネルギー代謝も関係しているが、直接的には心臓の活動に影響を与える交感神経や血中のカテコールアミン（アドレナリンおよびノルアドレナリン）との関係が深いと考えられている。無酸素性作業閾値（ＡＴ）や乳酸性作業閾値（ＬＴ）を簡便に測定する方法として知られている二重積変曲点（ＤＰＢＰ）判定法にあっても、基本的には無酸素性作業閾値（ＡＴ）や乳酸性作業閾値（ＬＴ）と交感神経や血中カテコールアミンとの相関を前提とするものである。
【００１４】
本発明にあっても、同様に無酸素性作業閾値（ＡＴ）や乳酸性作業閾値（ＬＴ）と交感神経や血中カテコールアミンとの相関を前提とするものではあるが、従来の二重積変曲点（ＤＰＢＰ）判定法とは異なり、被検者の最大心拍数や収縮期血圧（最高血圧）等の測定を必要とせず、被検者の第１心音（ＨＳ−１）振幅を測定するのみで足り、その記録から心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）を解析判定し、その結果から当該被検者の至適運動強度を決定する。
【００１５】
心音には２つの音（第１心音と第２心音）があり、第１心音は左右の房室弁が閉じる際に発生する音で、第２心音は大動脈弁と肺動脈弁の閉鎖するときの音である。心音振幅の増大の現象をみると、安静時には位置的な影響もあり、第２心音の方が第１心音より大きな振幅を示すが、運動強度が高くなるにつれて第１心音の振幅が第２心音よりはるかに大きくなり、第１心音の振幅は安静時を基準とすると高強度運動下においては１０倍以上の振幅を示すようになる。このような現象は、第１心音は特に心室内圧の大きさを反映しており、第１心音振幅の増大は、心室内圧の高さ、すなわち心筋の収縮力の強さの増大を反映していると考えらる。
【００１６】
心筋の収縮力は、心臓交感神経の緊張増加や血中カテコールアミン濃度の上昇によって増加することがわかっているが、軽強度の運動時には下肢筋肉の収縮による筋ポンプ作用による静脈環流量の増大によるスターリングの法則（「筋の長さが長いほど収縮力が強い。」という法則）に基づく心筋収縮力の増大も起こると考えられ、このことから、心音振幅には、スターリングの法則に基づく受動的な心筋収縮力の増大から、心臓交感神経と血中カテコールアミンの作用による能動的な心筋収縮力の増大という変化点の影響が現れることが推認できる。血中乳酸濃度の変化点と血中カテコールアミンの変化点とは正の相関があること、そして又、二重積変曲点（ＤＰＢＰ）は心拍数と収縮期血圧の積の変化点を示すもので、その数値変動は心臓の動きに強く関連していることは、これらに関する先行研究でも既に実証されているところである。
【００１７】
このような生理学的な変化点を心音振幅の変化点として捉えれば、運動による身体内部の自律神経系の変化からみた変化点を定量化することは可能で、被検者の心音振幅の記録（心音図）を取ることにより第１心音（ＨＳ−１）振幅の変化点（ＢＰ）を解析判定し、これによって当該被検者の至適運動強度を決定することが可能となる。
【００１８】
本発明における第１心音振幅変化点（ＨＳＢＰ）の求め方について説明すると、先ず、安静時と各負荷運動時での最後の４０秒間に記録した心音から第１心音（ＨＳ−１）振幅の大きい１０個を選び計測し、安静時振幅の値と各負荷段階での平均値をそれぞれ算出する。そして、算出した平静時及び各負荷段階での平均値を当該段階における振幅値とし、各負荷段階での振幅値を安静時での振幅値で割った値（振幅率）を求める。
【００１９】
次に、横軸に負荷運動量＝仕事量（Ｗ）をとり、縦軸に第１心音（ＨＳ−１）振幅率（安静時の値に対する割合）をとり、各負荷運動段階における心音振幅の変化をグラフ化する（図７参照）。すると、第１心音（ＨＳ−１）の振幅率は、軽負荷運動段階にあっては穏やかな増加傾向を示しているが、ある負荷以上の段階になると急激な増加傾向を示すようになり、負荷程度に対する心音振幅率はグラフ上２つの直線相によって成り立っていることが確認できるので、この２つの直線相の交点をもって心音振幅変化点（ＨＳＢＰ）とする。計算処理としては、前期（軽めの負荷段階）のデータから直線回帰式を求め、後期（やや強めの負荷段階）のデータから直線回帰式を求め、この２つの直線式の交点を求めれば、その点が心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）となる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例について実験データに基づき説明する。本実施例実験は、平均年齢２８．７（±１２．５）歳、平均身長１６７．８（±６．７）ｃｍ、平均体重６３．６（±９．８）ｋｇの健常者９名（男性６名と女性３名）を被検者とし、電動式自転車エルゴメーターにより７乃至１０段階までの負荷運動実験を行った時のデータに基づくものである。各負荷段階での運動時間は３分間でペダル回転数を６０回転とし、各負荷運動段階の間には１分間の休息をとるようにした。また、運動強度は１０ワット（Ｗ）から始まり、段階毎に男性は２０ワット（Ｗ）ずつ、女性は１５ワット（Ｗ）ずつ増加させた（図１参照）。
【００２１】
心拍数（ＨＲ）は心電図から算出し、心音図は胸部第４肋間の胸骨から左へ５ｃｍの部位に取り付けた心音マイクロフォンから記録した。この心音マイクロフォンはドーム型のプラスチック製カバーで覆い、服との摩擦音が入らないように工夫された。そして、血管音とカフ圧を心電図と心音図とに同時に記録するため、心音は５０Ｈｚのハイパスフィルターを通して生体アンプで増幅し、血圧は各負荷において２分２０秒から３分にかけて聴診記録法を用いて計測した。この実験での電気信号は２ｋＨｚのサンプリング速度で、Ａ／Ｄコンバーターを通してパーソナルコンピューター（ＰＣ）に取り込んだ（図２参照）。
【００２２】
図３及び図４は、第１心音（ＨＳ−１）の計測例を示し、図５から明らかなように、全体を通して心音振幅は運動強度の増加に伴って増大する傾向を示した。最終的にグラフ化する際の各負荷運動段階での第１心音（ＨＳ−１）振幅値は、振幅の高い順に１０個を計測してその平均値とする。  
【００２３】
図６は、ある被検者の仕事量（Ｗ）に対する第１心音（ＨＲ−１）の安静時振幅を１とした場合の振幅比率、血中乳酸濃度および収縮期血圧（ＳＢＰ）と心拍数（ＨＲ）の二重積（ＤＰ）の計測結果をそれぞれに示したものである。ここでの乳酸濃度は運動後１０乃至１５秒後に採血された血液を乳酸分析器で計測したものであり、また、収縮期血圧（ＳＢＰ）は血管音が最初に現れた時の圧としたものである。
【００２４】
図６（Ａ）からは、仕事量（Ｗ）に対しての第１心音の急激な上昇点を見ることができ、同様に、図６（Ｂ）から血中乳酸濃度及び図６（Ｃ）から心拍数と収縮期血圧の積（二重積）の急激な上昇点が認められた。この結果から、第１心音（ＨＳ−１）振幅変化、血中乳酸濃度の変化および心拍数と収縮期血圧の二重積の変化率とは有意な関係があること、そして、第１心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）、乳酸性作業閾値（ＬＴ）および心拍数と収縮期血圧の積から求めた二重積変曲点（ＤＰＢＰ）との間には正の相関があることが実証された。これにより、被検者の第１心音の振幅変化点（ＨＳＢＰ）を解析判定することにより、当該被検者の至適運動強度を決定することが可能との結論に至ったものである。
【００２５】
図７は、ある被験者の第１心音（ＨＳ−１）振幅の変化の状態を示したグラフで、横軸に仕事量（Ｗ）をとり、縦軸に第１心音（ＨＳ−１）振幅率（後述）をとったものである。このグラフから、各段階における第１心音（ＨＳ−１）の振幅率は、軽負荷運動段階にあっては穏やかな増加傾向を示すが、ある負荷以上の運動段階になると急激な増加傾向を示すようになり、負荷程度に対する心音振幅率の変化はグラフ上２つの直線相から成り立っていることが確認できる。この２つの直線相の交点が心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）となり、当該負荷運動段階における運動量（Ｗ）が当該被験者の至適運動強度といえる。
【００２６】
計算処理としては、前期（軽めの負荷段階）のデータから直線回帰式を求め、後期（やや強めの負荷段階）のデータから直線回帰式を求め、この２つの直線式の交点を求めれば、その点が心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）となる。正確な計算処理を行わず、図７のようなグラフ図からこの心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）を知るには、主観的に２本の直線を目測で引きその交点を求めることになるが、このような目測による方法であっても、その誤差は小さいので現実的に活用するにあたって特に問題はない。
【００２７】
グラフ化処理する際に縦軸数値となる心音振幅の変化率は、先ず、安静時と各負荷運動段階での最後の４０秒間に記録した心音から第１心音（ＨＳ−１）振幅の大きい１０個（例：図３▲印の箇所）を選び計測し（Ｖ：出力電圧による。）その平均値をそれぞれ算出する。次に、算出した１０個の心音振幅の平均値を安静時及び各負荷運動段階における振幅値とし、各負荷運動段階での振幅値を安静時での振幅値で割った値（安静時の振幅値を１とした場合に負荷運動時での振幅値が安静時の何倍になるか）である。このような計算処理は、心音振幅の急激な変化点を求めるに当たって、出力電圧（Ｖ）の絶対値は特に意味を持たず、むしろ安静時からの変化量（変化率）が意味のある要素となるからである。
【００２８】
本発明は、各被験者毎の心音振幅の変化点（ＨＳＢＰ）を求め、対応する負荷運動段階における運動量（Ｗ）をもって当該被験者の至適運動強度とするものであるが、本実施例実験からも明らかなように、この変化点（ＨＳＢＰ）の時は、被検者の交感神経の緊張が強まりはじめる時、あるいはカテコールアミンの血中濃度が急激に高まりはじめる時に相当する。また、心音振幅と血中乳酸濃度やダブルプロダクト（心拍数×収縮期血圧）との関係が認められることから、この変化点（ＨＳＢＰ）の時は運動による無酸素的状態が強まってくる時、あるいは血圧が上昇し始める時であると予想される。
【００２９】
このような身体の内部環境が変化するポイントを掴むことが至適運動量を決める上で極めて重要で、このポイントでの負荷よりも高い強度で運動をすると身体に大きな負担をかけることになり、その結果、過度の疲労や身体の歪みが生じることが予想され、逆に、このポイントでの負荷よりも低くすぎる運動強度では、身体への刺激が小さすぎて身体の生理的変化が起こりずらく、身体機能の維持向上あるいは改善が期待できないということになる。よって、本発明による至適運動強度の決定方法は極めて適切な手段であるということができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のとおり、本発明は、被検者に身体的負担をかけることはなく、簡単且つ安価に至適運動強度の決定を可能にしたものであるので、病気の診断や治療及びそれを目的とした医療機器類に広く活用でき、また、自転車エルゴメーター等の負荷運動機器類にも広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例実験のプロトコール。
【図２】実施例実験での計測処理手順を示したブロック図。
【図３】実施例実験におけるある負荷段階での心音データ記録図。
【図４】同上心音データ記録図
【図５】漸増負荷運動時での心音データ記録図。
【図６】実施例実験におけるある被験者の各負荷運動段階毎の心音振幅率、血中乳酸濃度及び収縮期血圧と心拍数の積の変化を示したグラフ。
【図７】心音振幅率の変化点（ＨＳＢＰ）を求めるグラフ。
【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】
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【図７】
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