(57)【要約】【課題】運動している被験者が、自分に最適な運動負荷で運動しているかどうかを判別でき、各々の被験者が自己の体力等に応じて最適な運動量で運動できるようにする。【解決手段】運動負荷の測定装置は、運動状態にある被験者の心拍間隔の変動を検出して被験者の運動負荷を検出する。この測定装置は、運動状態にある被験者の所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）を検出し、検出されたＨＦpowerから被験者の運動負荷を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動状態にある被験者の心拍間隔の変動から被験者の運動負荷を検出する測定装置であって、
運動状態にある被験者の所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）を検出し、検出されたＨＦpowerから被験者の運動負荷を検出する運動負荷の測定装置。
【請求項２】
運動状態にある被験者の心拍間隔の変動から被験者の運動負荷を検出する測定装置であって、
運動状態にある被験者の所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出し、検出されたＨＦpowerとＬＦpowerの比率から被験者の運動負荷を検出する運動負荷の測定装置。
【請求項３】
運動状態にある被験者の心拍間隔の変動から被験者の運動負荷を検出する測定装置であって、
運動状態にある被験者の所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出し、
検出されたＨＦpowerと、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率を、運動負荷を示す運動指数に変換し、ＨＦpowerから換算された運動指数と、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率で換算された運動指数とを加算し、加算された運動指数から被験者の運動負荷を検出する運動負荷の測定装置。
【請求項４】
特定周波数が０．１５Ｈｚである請求項１に記載される運動負荷の測定装置。
【請求項５】
ＬＦpower／ＨＦpowerを運動指数に変換する請求項２又は３に記載される運動負荷の測定装置。
【請求項６】
ＨＦpowerが小さくなるにしたがって運動指数を大きくし、かつＬＦpower／ＨＦpowerの比率が大きくなると運動指数を大きくする請求項３に記載される運動負荷の測定装置。
【請求項７】
ＨＦpowerに対する運動指数をテーブルとして記憶し、このテーブルを参照して、ＨＦpowerを運動指数に変換する請求項１又は３に記載される運動負荷の測定装置。
【請求項８】
ＬＦpowerとＨＦpowerの比率に対する運動指数をテーブルとして記憶しており、このテーブルを参照して、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率を運動指数に変換する請求項２又は３に記載される運動負荷の測定装置。
【請求項９】
ＨＦpowerに対する運動指数を示す関数を記憶し、この関数に基づいて、ＨＦpowerを運動指数に変換する請求項１又は３に記載される運動負荷の測定装置。
【請求項１０】
ＬＦpowerとＨＦpowerの比率に対する運動指数を示す関数を記憶しており、この関数に基づいて、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率を運動指数に変換する請求項２又は３に記載される運動負荷の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運動状態にある被験者の心拍間隔の揺らぎを検出して、個人差のある被験者の運動負荷を検出する運動負荷の測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
運動状態にある被験者の心拍数を検出して、被験者の運動負荷を検出する装置は開発されている。（特許文献１〜４参照）
特許文献１〜３の公報は、心拍数で被験者の運動負荷をコントロールする運動療法指導管理装置を記載する。この装置は、目標の体型と現在の体型を比較して、その差の解消に必要な運動量を算出する。算出した運動量から目標心拍数の運動プログラムとなるように運動負荷をコントロールする。
【０００３】
特許文献４の公報は、運動療法指導管理装置を記載する。この装置は、被験者の心拍数を検出する。心拍数でもって、運動者の適正運動中の平均心拍数を取り込んだ上限と下減の心拍数を演算して、指導者の処方にしたがった運動が実行されているかを判定する。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１４８２６号公報
【特許文献２】特開２０００−１４８２８号公報
【特許文献３】特開２０００−２４１６１号公報
【特許文献４】特開２００４−３２１５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上の公報に記載される装置は、運動している被験者の心拍数を検出して運動負荷を検出する。これ等の装置は、各々の被験者が最適な運動負荷で運動しているかどうかを判別できない。それは、運動して心拍数が増加する場合、心拍数が同じであっても、被験者の体力や運動能力によって、各人ににおける好ましい運動負荷が同一ではないからである。たとえば、１分間の心拍数を１２０とする運動負荷において、体力があって運動能力の優れた被験者には好ましい運動負荷となり、また、体力がなく運動能力の低い被験者には過負荷となって好ましない運動負荷とはならない。
【０００６】
本発明は、この欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、運動している被験者が、自分に最適な運動負荷で運動しているかどうかを判別でき、各々の被験者が自己の体力等に応じて最適な運動量で運動できるようにできる、運動負荷の測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１の運動負荷の測定装置は、運動状態にある被験者の心拍間隔の変動を検出して被験者の運動負荷を検出する。この測定装置は、運動状態にある被験者の所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）を検出し、検出されたＨＦpowerから被験者の運動負荷を検出する。
【０００８】
本発明の請求項２の運動負荷の測定装置は、運動状態にある被験者の心拍間隔の変動を検出して被験者の運動負荷を検出する。この測定装置は、運動状態にある被験者の所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出し、検出されたＨＦpowerとＬＦpowerの比率から被験者の運動負荷を検出する。
【０００９】
本発明の請求項３の運動負荷の測定装置は、運動状態にある被験者の心拍間隔の変動を検出して被験者の運動負荷を検出する。この測定装置は、運動状態にある被験者の所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出し、検出されたＨＦpowerと、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率を、運動負荷を示す運動指数に変換する。さらに、ＨＦpowerから換算された運動指数と、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率で換算された運動指数とを加算し、加算された運動指数から被験者の運動負荷を検出する。
【００１０】
本発明の運動負荷の測定装置は、特定周波数を０．１５Ｈｚとすることができる。
【００１１】
本発明の運動負荷の測定装置は、ＬＦpower／ＨＦpowerを運動指数に変換することができる。
【００１２】
本発明の運動負荷の測定装置は、ＨＦpowerが小さくなるにしたがって運動指数を大きくし、かつＬＦpower／ＨＦpowerの比率が大きくなると運動指数を大きくすることができる。
【００１３】
本発明の運動負荷の測定装置は、ＨＦpowerに対する運動指数をテーブルとして記憶し、このテーブルを参照して、ＨＦpowerを運動指数に変換することができる。
【００１４】
本発明の運動負荷の測定装置は、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率に対する運動指数をテーブルとして記憶し、このテーブルを参照して、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率を運動指数に変換することができる。
【００１５】
本発明の運動負荷の測定装置は、ＨＦpowerに対する運動指数を示す関数を記憶し、この関数に基づいて、ＨＦpowerを運動指数に変換することができる。
【００１６】
本発明の運動負荷の測定装置は、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率に対する運動指数を示す関数を記憶し、この関数に基づいて、ＬＦpowerとＨＦpowerの比率を運動指数に変換することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の運動負荷の測定装置は、各々の被験者が運動する状態で運動負荷を検出し、各々の被験者が自己の体力等に応じて最適な運動をすることができる特徴がある。それは、本発明の運動負荷の測定装置が、運動状態にある被験者の心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、ＨＦpowerやＬＦpowerを検出し、検出されたＨＦpowerやＬＦpowerから被験者の運動負荷を検出するからである。心拍間隔のゆらぎから検出されるＨＦpowerやＬＦpowerは、交感神経や副交感神経の興奮を介して運動負荷を検出する。人が運動して運動量を次第に増加させるとき、交感神経が次第に興奮し、これときっこうして副交感神経の興奮が低下する。交感神経が興奮する割合は、被験者の体力や運動能力により変化する。体力と運動能力に優れた被験者は、体力と運動能力の低い被験者に対して、同じ運動量における交感神経の興奮が少なくなる。いいかえると、体力のある被験者は、同じ運動量においても、実質的には運動負荷が弱くなる。このことから、体力のある被験者の最適な運動量は、体力の低い被験者に比べて最適な運動量が大きくなる。本発明は、被験者の運動負荷を交感神経や副交感神経の興奮で変化するＨＦpowerやＬＦpowerを介して検出するので、体力や運動能力が異なる各々の被験者に最適な運動量を検出することができる。したがって、被験者は、本発明の運動負荷の測定装置を使用することにより、自己に最適な運動量を検出して、最適な運動量で運動できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための運動負荷の測定装置を例示するものであって、本発明は運動負荷の測定装置を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【００１９】
図１に示す運動負荷の測定装置は、運動状態にある被験者の心拍間隔（ＲＲ間隔）の変動から、各々の被験者の運動負荷を検出する。この図の運動負荷の測定装置は、パワースペクトル検出部１と、変換部２と、加算部３と、表示部４とを備える。パワースペクトル検出部１は、所定時間における心拍間隔の変動をフーリエ変換して得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出する。変換部２は、パワースペクトル検出部１で検出された、ＨＦpower及びＬＦpower／ＨＦpowerを、被験者の運動負荷を示す運動指数に変換する。加算部３は、ＨＦpowerから換算された運動指数と、ＬＦpower／ＨＦpowerで換算された運動指数とを加算する。表示部４は、加算部３で加算された運動指数から運動負荷を表示する。
【００２０】
パワースペクトル検出部１は、心拍信号を検出するセンサー部５と、センサー部５で検出される心拍信号から心拍間隔（ＲＲ間隔）を検出する検出部６と、検出部６で検出された心拍間隔の変動をフーリエ変換してパワースペクトルを演算する演算部７と、演算部７で得られるパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を検出する積算部８とを備える。
【００２１】
センサー部５は、心臓の鼓動を検出できる全ての回路が使用できる。センサー部５は、心臓の鼓動で発生する心電位を電極で検出し、あるいは、心臓の鼓動に同期して流れる血液の脈動を光で検出し、あるいはまた、心臓の鼓動で発生する音をマイクで検出して、心臓の鼓動を検出する。
【００２２】
図２は、手足に誘導される心電位を一対の電極で検出するセンサー部が検出する心電位のグラフである。この図は、横軸を時間、縦軸を手足の電極に誘導される心電位としている。一対の電極は、右手と左足に電気接続して装着される。一対の電極は、胸部と手足に電気接続して、心電位を検出することもできる。電極に検出される心電位は、心拍に同期する信号である。心電位は、ピークのＲＲ間隔を検出して心拍間隔を検出することができる。
【００２３】
図３は、血液の脈動を光で検出するセンサー部が心拍を検出する波形を示すグラフである。このセンサー部は、体表面に光を照射する光源と、光源から照射される光の反射光を検出する光センサーとを備える。光源はＬＥＤである。ＬＥＤは小さくて、集束した特定波長の光を体表面に連続して照射する。光源は、ヘモグロビンの吸収率の高い青色光が適している。光センサーは、体表面の反射光を受光して、図３に示す血液の脈動に対応する信号を出力する。図３は、横軸を時間、縦軸を光センサーの出力信号としている。光源は、指先に光を照射し、光センサーは光源の反射光を受光するように指先に装着される。光源と、光センサーは、外光の影響を受けないように、光を遮断するカバーで被覆して、指先に装着される。ただ、光源と光センサーは、必ずしも指先に装着する必要はなく、血流で光の反射が変動する全ての部位とすることができる。光センサーの出力信号は、心臓の鼓動、すなわち心拍に同期する信号である。この信号は、ピークの間隔を検出して心拍間隔を検出することができる。
【００２４】
検出部６は、センサー部５から出力され信号のピークを検出して、心拍間隔を検出する。信号のピーク間隔は心拍間隔となるからである。検出部６は、センサー部５から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、Ａ／Ｄコンバータから出力されるデジタル信号からピーク時間を検出するピーク検出回路を備える。Ａ／Ｄコンバータは、所定のサンプリング周期でアナログ信号をデジタル信号に変換する。ピーク検出回路は、所定の周期で入力されるデジタル信号を前回の信号に比較し、また指定のレベル信号に比較し、さらに信号の上昇勾配や低下勾配からピーク時間を検出する。
【００２５】
演算部７は、検出部６で検出された図４の心拍間隔の変動をフーリエ変換して、図５に示すパワースペクトルを演算する。図４は、横軸を時間（ｓｅｃ）、縦軸を心拍変動時間（ｍｓｅｃ）としている。図５は、横軸を周波数（Ｈｚ）とし、縦軸を周波数成分のパワー（ｍｓｅｃ２／Ｈｚ）としている。演算部７が、心拍間隔の変動をフーリエ変換する検出時間は、好ましくは３分以上、好ましくは４分以上、さらに好ましくは５分以上とする。検出時間を長くすると、検出される心拍数が増加して、検出精度を高くできる。ただ、検出時間が長すぎると被験者に負担を与える影響もあるので、検出時間はたとえば１０分以内、好ましくは８分以内とする。
【００２６】
積算部８は、図５のパワースペクトルから、特定周波数よりも高い高周波帯域の積分値（ＨＦpower）と、特定周波数よりも低い低周波帯域の積分値（ＬＦpower）を演算する。特定周波数は０．１５Ｈｚとする。ただし、特定周波数は、たとえば０．１３Ｈｚ〜０．１７Ｈｚ、好ましくは０．１４Ｈｚ〜０．１６Ｈｚとすることもできる。ＬＦpowerは、好ましくは、０．０３Ｈｚ〜０．０４Ｈｚから特定周波数までのパワースペクトルの積分値とする。
【００２７】
変換部２は、ＨＦpowerと、ＬＦpower／ＨＦpowerの比率を運動指数に変換する。この変換部２は、図６に示すテーブルに基づいて、ＨＦpowerとＬＦpower／ＨＦpowerを運動指数に変換する。この図のテーブルは、ＨＦpowerが小さくなるにしたがって運動指数を大きくする。また、ＬＦpower／ＨＦpowerの比率が大きくなると運動指数を大きくする。ＨＦpowerは副交感神経の興奮を示し、副交感神経が興奮すると、ＨＦpowerは小さくなる。ＬＦpower／ＨＦpowerは交感神経の興奮を示し、交感神経が興奮するとＬＦpower／ＨＦpowerの比率は高くなる。副交感神経と交感神経は、図７に示すように互いにきっこう的に働き、運動して交感神経が興奮するにしたがって、副交感神経の興奮は低下する。
【００２８】
変換部２は、ＨＦpowerに対する運動指数を、図８に示す関数として記憶し、この関数に基づいて、ＨＦpowerから運動指数に変換することもできる。図８は、横軸を運動指数、縦軸をＨＦpowerとする。図８の関数は、Ｙ＝−８×ｌｏｇ（Ｘ）＋２６として運動指数を演算する。この関数において、Ｙは運動指数、ＸはＨＦpowerである。変換部２は、この関数に基づいてＨＦpowerを運動指数に変換できる。また、変換部２は、ＬＦpowerとＨＦpowerに対する運動指数を、図９に示す関数として記憶し、この関数に基づいて、ＬＦpower／ＨＦpowerの比率を運動指数に変換することもできる。図９の関数は、ｙ＝０．６ｘ２＋０．５ｘ＋０．９として運動指数を演算する。この関数において、ｙは運動指数、ｘはＬＦpower／ＨＦpowerである。図９は、横軸をＬＦpower／ＨＦpower、縦軸を運動指数としている。さらに、変換部２は、ＬＦpower／ＨＦpowerの逆数のＨＦpower／ＬＦpowerを、図１０に示す関数として記憶し、この関数に基づいて、ＨＦpower／ＬＦpowerを運動指数に変換することもできる。図１０の関数は、ｙ＝０．６ｘ−２＋０．５ｘ−１＋０．９として運動指数を演算する。この関数において、ｙは運動指数、ｘはＨＦpower／ＬＦpowerである。テーブルに基づいてＬＦpowerとＨＦpowerの比率を運動指数に変換する変換部も、ＨＦpower／ＬＦpowerに対する運動指数をテーブルに記憶することもできる。
【００２９】
加算部３は、ＨＦpowerから得られる運動指数と、ＬＦpowerとＬＦpower／ＨＦpowerの比率から得られる運動指数とを加算して、被験者の運動負荷を演算する。
【００３０】
表示部４は、時間と共に変化する運動負荷を数字で表示し、あるいは色や文字で表示する。たとえば、被験者は、図１１に示すように、被験者の運動負荷を１１段階に表示する。表示部は、運動負荷を必ずしも１１段階に表示する必要はなく、１１段階よりも少ない区分で、あるいは１２段階よりも多い区分で表示することができる。さらに、表示部は、被験者の運動負荷を光源の発光色で表示し、あるいは点灯させるパイロットランプの個数で表示することもできる。
【００３１】
運動負荷の測定装置は、以下のようにして被験者の最適運動負荷を検出する。
(1)  被験者が運動しない休憩状態とする。この状態で、被験者の心拍間隔からＨＦpowerとＬＦpowerを検出する。検出されたＨＦpowerとＬＦpowerから被験者の休憩状態における運動負荷を検出する。この状態で測定された運動負荷を、非運動状態における基準運動負荷とする。
【００３２】
(2)  被験者が運動する運動量を次第に増加させながら、運動負荷を検出する。たとえば、運動している被験者の単位時間におけるカロリーが次第に増加するように、あるいは被験者の運動で発電される電力が次第に増加するように運動する。この運動は、単位時間の消費カロリーや発電電力を検出できる運動用具を使用して運動をする。この方法は、消費カロリーや発電電力が被験者の運動量に比例する。たとえば、発電電力を表示できる自転車を使用して、被験者が運動する場合、発電電力を１０Ｗ、２０Ｗ、３０Ｗ、４０Ｗ、５０Ｗ、６０Ｗ、７０Ｗ、８０Ｗ、９０Ｗ、１００Ｗ、１２０Ｗ、１５０Ｗ、２００Ｗ、２５０Ｗと次第に増加し、各々の発電電力における運動量において、被験者の運動負荷をＨＦpowerとＬＦpowerから検出する。各々の発電電力における、いいかえると被験者の各々の運動量における運動負荷を、ＨＦpowerとＬＦpowerから検出して測定すると、図１２に示すようになる。検出された運動負荷は、被験者の運動量（発電電力Ｗ）が大きくなるにしたがって、交感神経が興奮し、副交感神経の興奮が交感神経ときっこうして弱くなることを示す。運動負荷を増加させるとき、交感神経は直線的には増加しない。図１２に示すように、特定の運動負荷から急激に増加するようになる。被験者に最適な運動負荷は、検出された運動負荷の変化が大きくなる部分、図１２においては、約１００Ｗ程度の運動量が被験者に最適な運動負荷となる。この負荷よりも大きな負荷は、被験者に最適な負荷とはならずに、過負荷な運動負荷となる。また、これよりも軽い運動負荷は、被験者に最適な運動負荷とならない。したがって、運動負荷の変化を検出して、被験者の最適な運動負荷を検出できる。
【００３３】
以上のようにして検出される、運動状態における運動負荷を、基準運動負荷に比較する。運動状態の運動負荷が、基準運動負荷に対して所定の割合大きくなる状態、たとえば、運動状態における運動負荷が基準運動負荷に対して２０％〜４０％大きくなる運動量を、被験者の最適運動量とする。このように、運動しない休憩状態で基準運動負荷を検出し、この基準運動負荷から被験者の最適な運動量を判定する装置は、正確に最適運動量を検出できる。
【００３４】
ただ、本発明は、基準運動負荷を検出することなく、運動量を次第に増加させて、検出される運動負荷が急激に増加する付近を、被験者の最適な運動量と判定することもできる。運動量を増加させながら、ＨＦpowerとＬＦpowerから被験者の運動負荷を検出して、その変化の状態から被験者に最適な運動負荷を検出する方法も、被験者の運動能力や体力によって最適な運動負荷を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例にかかる運動負荷の測定装置のブロック図である。
【図２】センサー部が検出する心電位の一例を示すグラフである。
【図３】センサー部が検出する血液の脈動の波形の一例を示すグラフである。
【図４】検出部で検出された心拍間隔の一例を示すグラフである。
【図５】心拍間隔の変動をフーリエ変換したパワースペクトルの一例を示すグラフである。
【図６】ＨＦpowerとＬＦpower／ＨＦpowerの比率を運動指数に変換するテーブルの一例を示す表である。
【図７】副交感神経と交感神経の相関関係を示すグラフである。
【図８】ＨＦpowerを運動指数に変換する関数の一例を示すグラフである。
【図９】ＬＦpower／ＨＦpowerの比率を運動指数に変換する関数の一例を示すグラフである。
【図１０】ＨＦpower／ＬＦpowerの比率を運動指数に変換する関数の一例を示すグラフである。
【図１１】表示部で表示する運動負荷の値の区分の一例を示す表である。
【図１２】発電電力に対する被験者の運動負荷の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１…パワースペクトル検出部
２…変換部
３…加算部
４…表示部
５…センサー部
６…検出部
７…演算部
８…積算部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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