(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、該生体に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、
前記生体に付与される運動負荷を増加させる負荷上昇手段と、
前記生体の交感神経の活性度を検出する交感神経活性度検出手段と、
前記生体の副交感神経の活性度を検出する副交感神経活性度検出手段と、
前記負荷上昇手段により前記生体に付与される運動負荷が増加させられる過程で前記副交感神経の活性度に対して前記交感神経の活性度が優位となったか否かを判定する神経活性度判定手段と、
該神経活性度判定手段によって前記副交感神経の活性度に対して前記交感神経の活性度が優位となったと判定されたときの神経活性度反転運動負荷に基づいて前記最適負荷を決定する最適負荷決定手段とを含み、
前記交感神経活性度検出手段は、前記生体の血圧値変動の周波数成分のうち該生体の呼吸周波数の１／４乃至１／２の周波数の低周波帯信号強度を検出するものであり、
前記副交感神経活性度検出手段は、前記生体の脈拍周期変動の周波数成分のうち該生体の呼吸周波数を含む周波数帯の呼吸周波帯信号強度を検出するものであり、
前記神経活性度判定手段は、前記低周波帯信号強度と前記呼吸周波帯信号強度との積が最小になったときに、前記副交感神経の活性度に対して前記交感神経の活性度が優位になったと判定する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、
折点運動負荷を決定するために、前記負荷上昇手段による負荷の上昇に伴う前記労作強度値の増加の折点を判定する折点判定手段とを含み、
前記最適負荷決定手段は、前記神経活性度反転運動負荷と該折点運動負荷とに基づいて前記最適負荷を決定す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】
前記最適負荷決定手段は、前記神経活性度反転運動負荷と前記折点運動負荷との平均値から前記最適負荷を決定するものである請求項２の運動負荷装置の制御装置。
【請求項４】
前記最適負荷決定手段により最適負荷が決定されると、前記初期負荷上昇手段による負荷の上昇を停止させ、該最適負荷に実際の運動負荷が追従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を、含む請求項１乃至３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、たとえばワット数などによって表される運動負荷装置の負荷、負荷の大きさに応じて生体に現れる心（脈）拍数、血圧値、心拍数と最高血圧値との積であるダブルプロダクト値（PRP : Pressure Rate Product ）などの運動負荷の大きさが運動処方により生体の特質に応じて決定され、その決定された大きさ運動負荷を維持させる運動を所定時間継続させることが行われていた。
【０００３】
このため、従来の運動負荷装置の制御装置では、たとえば運動負荷装置の重さすなわち生体の仕事量の目標ワット数およびその維持時間、或いは生体の最大心拍数に対して所定割合の目標心拍数およびその維持時間が生体毎に予め設定され、上記目標ワット数と運動負荷装置で消費された実際のワットと一致するように、或いは上記目標心（脈）拍数と生体の実際のワット数とが一致するように運動負荷装置の負荷が制御され、それが所定の維持時間継続されるようになっているのである。
【０００４】
ところで、有酸素運動から無酸素運動へ切り換わるとき、たとえば代謝性アシドーシスおよびそれに伴うガス交換の変化が起こる直前の運動強度レベルと定義されるＡＴ（無酸素性作業閾値：Anaerobic Threshold ）ポイントでの運動負荷の大きさが、生体の運動の効率を高めるために最適運動負荷として考えられている。このため、たとえば特公平７−３８８８５号公報に記載されているように、時間とともに増加する負荷を生体に与える過程で、それと共に増加する生体情報（心拍数、血圧値、心拍数と血圧値との積であるダブルプロダクト値など）の変曲点が発生したときの負荷の値をその生体におけるＡＴポイントでの負荷すなわち筋持久力測定値（最適負荷）として測定する方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、時間とともに増加する負荷を生体に与える過程でそれとともに増加する生体情報の変曲点の発生時の負荷を決定する上記従来の方法を用いると、実際には、生体情報の増加曲線において変曲点が存在しないか或いは明確な変曲点を見い出し難い場合が多く、必ずしもＡＴポイントでの負荷すなわち最適負荷を決定することができない。特に、生体情報に含まれるノイズが多い場合はそのような不都合が顕著である。
【０００６】
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、生体の運動に際してその生体毎の最適負荷を確実に決定することができる運動負荷装置の制御装置を提供することにある。
【０００７】
【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、その生体に最適負荷が付与されるようにその運動負荷装置の負荷を調節する制御装置であって、（ａ）前記生体に付与される運動負荷を増加させる負荷上昇手段と、（ｂ）前記生体の副交感神経の活性度を検出する副交感神経活性度検出手段と、（ｃ）前記生体の交感神経の活性度を検出する交感神経活性度検出手段と、（ｄ）前記負荷上昇手段により前記生体に付与される運動負荷が増加させられる過程で前記副交感神経の活性度に対して前記交感神経の活性度が優位となったか否かを判定する神経活性度判定手段と、（ｅ）その神経活性度判定手段により前記副交感神経の活性度に対して前記交感神経の活性度が優位となったと判定されたときの神経活性度反転運動負荷に基づいて前記最適負荷を決定する最適負荷決定手段とを含み、さらに、前記交感神経活性度検出手段は、前記生体の血圧値変動の周波数成分のうち該生体の呼吸周波数の１／４乃至１／２の周波数の低周波帯信号強度を検出するものであり、前記副交感神経活性度検出手段は、前記生体の脈拍周期変動の周波数成分のうち該生体の呼吸周波数を含む周波数帯の呼吸周波帯信号強度を検出するものであり、前記神経活性度判定手段は、前記低周波帯信号強度と前記呼吸周波帯信号強度との積が最小になったときに、前記副交感神経の活性度に対して前記交感神経の活性度が優位になったと判定することにある。
【０００８】
【発明の効果】
このようにすれば、負荷上昇手段により前記生体に付与される運動負荷が増加させられる過程で、前記神経活性度判定手段により前記副交感神経の活性度に対して前記交感神経の活性度が優位となったと判定されると、最適負荷決定手段により、そのときの生体の負荷すなわち神経活性度反転運動負荷に基づいて最適負荷が決定される。そして、この最適負荷が自動設定或いは手動設定されることによってその最適負荷が生体に与えられるように前記運動負荷装置の負荷が制御される。すなわち、運動負荷装置を用いた生体の運動に際して、その生体毎の最適負荷が確実に決定される。
【０００９】
【発明の他の態様】
ここで、好適には、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、折点運動負荷を決定するために前記負荷上昇手段による生体の負荷上昇に伴う前記労作強度値の増加の折点を判定する折点判定手段とを含み、前記最適負荷決定手段は、前記神経活性度反転運動負荷と上記折点運動負荷とに基づいて前記最適負荷を決定するものである。また、好適には、上記最適負荷決定手段は、前記神経活性度反転運動負荷と前記折点運動負荷との平均値を算出し、その平均値から前記最適負荷を決定するものである。このようにすれば、神経活性度反転運動負荷から最適負荷を決定する場合に比較して、最適負荷の算出精度が高められ、運動の効率が一層高められる。
【００１０】
また、好適には、前記最適負荷決定手段により最適負荷が決定されると、前記初期負荷上昇手段による負荷の上昇を停止させ、その最適負荷に実際の運動負荷が追従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が、さらに含まれる。このようにすれば、個々の生体に最大まで負荷を与えることがないので、生体の運動の実行毎に、生体にそれほど負担を強いることなく最適負荷が決定される利点がある。特に、疾患を有する生体に対しても運動負荷療法が可能となるとともに、その日の体調に適合した最適負荷で無酸素運動の初期或いは有酸素運動の最大強度で運動が可能となる。
【００１１】
また、好適には、前記交感神経活性度検出手段は、前記生体の血圧値変動の周波数成分のうちその生体の呼吸周波数よりも充分に低い周波数帯の低周波帯信号強度を検出するものであり、前記副交感神経活性度検出手段は、前記生体の脈拍周期変動の周波数成分のうちその生体の呼吸周波数を含む周波数帯の呼吸周波帯信号強度を検出するものであり、前記神経活性度判定手段は、上記の低周波帯信号強度と呼吸周波帯信号強度との積が最小となったときに、副交感神経の活性度に対して交感神経の活性度が優位となったと判定するものである。このようにすれば、最適負荷の決定が確実に行われる利点がある。
【００１２】
また、好適には、前記負荷上昇手段は、前記生体に対する負荷を所定の速度で連続的に上昇させるものである。このようにすれば、生体の運動期間の初期区間において前記生体に付与する負荷が予め設定された速度で時間の経過に伴って増加させられるので、段階的に上昇させられる場合に比較して、負荷の段階的に上昇に対応する労作強度の段階的上昇がなく、折点の判定が容易となる利点がある。
【００１３】
また、好適には、前記負荷上昇手段は、前記生体に対する負荷を、所定の上昇幅で上昇させた後にその値を所定期間維持することを繰り返しながら段階的に上昇させるものである。このようにすれば、生体に対する負荷が一定であるときに折点が判定されるので、生体の反応に起因する労作強度の遅れが少なくなる利点がある。
【００１４】
【発明の好適な実施の態様】
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、血圧監視装置８とを備えている。
【００１５】
上記血圧監視装置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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
圧脈波検出装置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４２に着脱可能に取り付けられるようになっている。圧脈波検出装置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、押圧部座時５０は圧力室４８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。
【００２０】
上記押圧部材（圧脈波センサ）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に向かってその撓骨動脈４８の管壁の一部が平坦となるまで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５８を介して電子制御装置２８へ供給する。
【００２１】
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、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、生体の連続血圧監視に際しては、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５２が制御される。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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１８０mm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。
【００２５】
基準血圧測定手段７２は、初期負荷上昇手段８４による負荷上昇や運動負荷制御手段９６による運動負荷制御に先立つ上記測定区間において、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。
【００２６】
圧脈波血圧対応関係決定手段７４は、初期負荷上昇手段８４による負荷上昇や運動負荷制御手段９６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、圧脈波検出装置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。
【００２７】
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、圧脈波検出装置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 、Ｅ最低血圧値ＢＰDIA ）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、圧脈波検出装置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。
【００２８】
脈拍数算出手段８０は、たとえば圧脈波検出装置３８から出力される圧脈波の周期的に基づいて、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。
【００２９】
負荷上昇手段８４は、エルゴメータ６を用いた生体の運動期間の初期において、たとえば図５のｔ0 乃至ｔ2 に示す初期区間においてその生体に付与する負荷を上昇させる。たとえば、負荷上昇手段８４は、前記生体に対する負荷を所定の速度で連続的に上昇させる。或いは、負荷上昇手段８４は、前記生体に対する負荷を、所定の上昇幅で上昇させた後にその値を所定期間維持することを繰り返しながら段階的に上昇させる。上記負荷の連続上昇速度或いは段階的上昇速度は、後述の折点の判定制度が維持される範囲で最も高い値に設定される。
【００３０】
交感神経活性度検出手段８６は、生体の交感神経の活性度を検出する。たとえば、交感神経活性度検出手段８６は、連続血圧測定手段７８により１拍毎に測定される最高血圧値ＥＢＰSYS の変動すなわち揺らぎを示す信号を周波数解析することにより、その信号成分のなかで生体の交感神経の活性度に対応すると言われている周波数帯、すなわち図６に示すように呼吸周波数（０．２〜０．２５Ｈｚ程度）よりも充分に低い周波数帯たとえば呼吸周波数の１／４乃至１／２の周波数帯或いは０．０４Ｈｚ乃至０．１５Ｈｚの周波数帯の信号強度ＳＢＰLFを算出する。
【００３１】
副交感神経活性度検出手段８８は、生体の副交感神経の活性度を検出する。たとえば、副交感神経活性度検出手段８８は、圧脈波検出装置３８により１拍毎に検出される圧脈波の間隔（周期）の変動すなわち揺らぎを示す信号を周波数解析することにより、その信号成分のなかで生体の副交感神経の活性度に対応すると言われている周波数帯、すなわち図７に示すように呼吸周波数を充分に含む周波数帯たとえば０．１５Ｈｚ乃至０．４Ｈｚの周波数帯の信号強度ＰＰHFを算出する。
【００３２】
神経活性度判定手段９０は、上記負荷上昇手段８４により生体に付与する負荷が上昇させられる過程で、たとえば上記呼吸周波数よりも充分に低い周波数帯の信号強度ＳＢＰLFと呼吸周波数を含む周波数帯の信号強度ＰＰHFとの積（ＳＢＰHF×ＰＰLF）が、負荷上昇手段８４により生体の負荷が上昇させられる過程で最小となったか否かに基づいて、副交感神経の活性度に対して交感神経の活性度が優位となったか否かを判定する。上記呼吸周波数を含む周波数帯の信号強度ＰＰHFに対して呼吸周波数よりも充分に低い周波数帯の信号強度ＳＢＰLFが優位となる時点は、図８において、２点鎖線に示すそれらの積（ＳＢＰHF×ＰＰLF）が最小となる性質を利用して判定されるのである。なお、図８において、実線は交感神経の活性度に対応する信号強度ＳＢＰLFを示し、１点鎖線は副交感神経の活性度に対応する信号強度ＰＰLFを示している。
【００３３】
最適負荷決定手段９２は、上記神経活性度判定手段９０によって生体の副交感神経の活性度に対して交感神経の活性度が優位となったと判定されたときの生体の負荷すなわち神経活性度反転運動負荷（ＰＲＰM1）に基づいて、最適負荷を決定する。この最適負荷は、負荷制御の目標値である目標負荷であって、エルゴメータ（運動負荷装置）６の負荷（ワット数）、負荷の大きさに応じて生体に現れる心（脈）拍数、血圧値、心拍数と血圧値との積であるダブルプロダクト値などにより示されるが、本実施例では、目標労作強度ＰＲＰM で示される。このため、上記最適負荷決定手段９２は、目標負荷決定手段或いは目標労作強度決定手段とも称され得る。
【００３４】
好適には、上記最適負荷決定手段９２は、折点判定手段９４により初期負荷上昇手段８４による負荷の上昇に伴う生体の労作強度値ＰＲＰの増加の折点Ｆが判定されると（図５のｔ1 時点）、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 を折点運動負荷（ＰＲＰM2）として決定し、上記神経活性度反転運動負荷（ＰＲＰM1）および折点運動負荷（ＰＲＰM2）の平均値を目標労作強度ＰＲＰM として決定する。図５のｔ2 時点はこの状態を示している。
【００３５】
運動負荷調節手段９６は、負荷上昇手段８４により負荷が上昇させられる初期負荷上昇区間において、上記最適負荷決定手段９２により目標労作強度ＰＲＰM が決定されると、その負荷上昇手段８４による負荷の上昇を停止させた後、それに引き続いて直ちに、上記目標労作強度値ＰＲＰM に実際の労作強度ＰＲＰが追従するように前記エルゴメータ６の負荷を調節する。図５のｔ2 乃至ｔ3 区間はこの状態を示している。なお、図５の破線は、上記初期負荷上昇手段８４の上昇が停止されず、連続して負荷が上昇させられた場合の労作強度値ＰＲＰの増加方向を示している。
【００３６】
運動負荷終了判定手段９８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１００は、その運動負荷終了判定手段９８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で負荷が段階的に軽減されか、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。
【００３７】
図９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した状態であるので、先ず、前記折点判定手段９４に対応するＳ２において運動負荷とともに増加する労作強度ＰＲＰの折点Ｆが発生したか否かが判断され、そのＳ２の判断が肯定された場合には、前記神経活性度判定手段９０に対応するＳ３において副交感神経の活性度に対して交感神経の活性度が優位となったか否か、すなわち負荷上昇手段８４により生体に付与する負荷が上昇させられる過程で、たとえば上記呼吸周波数よりも充分に低い周波数帯の信号強度ＳＢＰLFと呼吸周波数を含む周波数帯の信号強度ＰＰHFとの積（ＳＢＰHF×ＰＰLF）が、負荷上昇手段８４により生体の負荷が上昇させられる過程で最小となったか否かが判断される。当初は、それらＳ２およびＳ３の判断が否定されるので、前記負荷上昇手段８４に対応するＳ４において、図５のｔ0 乃至ｔ2 の初期負荷上昇区間に示すように、運動負荷が所定の速度で連続的に上昇させられる。
【００３８】
次いで、Ｓ５において、生体の脈拍数ＰＲおよび推定血圧値ＥＢＰSYS が読み込まれた後、前記労作強度値算出手段８２に対応するＳ６において労作強度値ＰＲＰ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。また、交感神経活性度検出手段８６および副交感神経活性度検出手段８８に対応するＳ７において、連続血圧測定手段７８により１拍毎に測定される最高血圧値ＥＢＰSYS の変動すなわち揺らぎを示す信号を周波数解析することにより、その信号成分のなかで生体の交感神経の活性度に対応すると言われている周波数帯、すなわち呼吸周波数よりも充分に低い周波数帯たとえば呼吸周波数の１／４乃至１／２の周波数帯或いは０．０４Ｈｚ乃至０．１５Ｈｚの周波数帯の信号強度ＳＢＰLFが算出されるとともに、圧脈波検出装置３８により１拍毎に検出される圧脈波の間隔（周期）の変動すなわち揺らぎを示す信号を周波数解析することにより、その信号成分のなかで生体の副交感神経の活性度に対応すると言われている周波数帯、すなわち呼吸周波数を充分に含む周波数帯たとえば０．１５Ｈｚ乃至０．４Ｈｚの周波数帯の信号強度ＰＰHFが算出される。さらに、Ｓ８において、上記呼吸周波数よりも充分に低い周波数帯の信号強度ＳＢＰHFと呼吸周波数を含む周波数帯の信号強度ＰＰHFとの積（ＳＢＰLF×ＰＰHF）が算出される。
【００３９】
そして、Ｓ９において、神経活性度反転運動負荷（ＰＲＰM1）および折点運動負荷（ＰＲＰM2）が既に決定されたか否かが判断される。当初はそのＳ９の判断が否定されるので、Ｓ２以下が繰り返し実行される。このようにＳ２以下が繰り返し実行されるうち、運動負荷とともに増加する労作強度ＰＲＰの折点Ｆが発生して折点判定手段９４に対応するＳ２の判断が肯定されると、Ｓ１０において、折点Ｆ発生時の労作強度ＰＲＰが折点運動負荷ＰＲＰM2として決定される。また、呼吸周波数よりも充分に低い周波数帯の信号強度ＳＢＰHFと呼吸周波数を含む周波数帯の信号強度ＰＰLFとの積（ＳＢＰHF×ＰＰLF）の最小値が発生すると、すなわち副交感神経の活性度に対して交感神経の活性度が優位になると、神経活性度判定手段９０に対応するＳ３の判断が肯定されるので、Ｓ１１において、そのときの労作強度ＰＲＰが神経活性度反転負荷ＰＲＰM1として決定される。
【００４０】
以上のようにして折点運動負荷ＰＲＰM2および神経活性度反転負荷ＰＲＰM1が決定されてＳ９の判断が肯定されると、Ｓ１２乃至Ｓ１４が実行されることにより、前記負荷上昇手段８４に対応するＳ２による負荷上昇が停止される。すなわち、先ず、前記最適負荷決定手段９２に対応するＳ１２において、たとえば上記折点運動負荷ＰＲＰM2および神経活性度反転負荷ＰＲＰM1の平均値が最適負荷すなわち目標労作強度ＰＲＰM として決定される。続くＳ１３では、経過時間ＴELを計数するためのカウンタＣＴELの計数が開始されるとともに、前記運動負荷調節手段９０に対応するＳ１４では、たとえば図１０に示す運動負荷調節ルーチンが実行されることにより、上記目標労作強度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。
【００４１】
図１０のＳＢ１およびＳＢ２では、１拍毎に決定される推定血圧値ＥＢＰSYS および脈拍数PRが読み込まれ、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が算出される。次いで、ＳＢ４では、前記Ｓ６において決定された目標労作強度値ＰＲＰM が読み込まれる。そして、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。
【００４２】
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３２において行われるとともに、ＳＢ１１ＮＩおあいて電磁ブレーキ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、本ルーチンが終了させられ、図７のＳ９以下が実行される。
【００４３】
図９に戻って、前記運動負荷終了判定手段９８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１００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軽減される。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、負荷上昇手段８４（Ｓ４）により生体に付与される運動負荷が増加させられる過程で、神経活性度判定手段９０（Ｓ３）により副交感神経の活性度に対して交感神経の活性度が優位となったと判定されると、最適負荷決定手段９２（Ｓ１２）により、そのときの生体の負荷すなわち神経活性度反転運動負荷ＰＲＰM1に基づいて最適負荷ＰＲＰM が決定される。そして、運動負荷調節手段９６（Ｓ１４）によってその最適負荷ＰＲＰM が生体に与えられるようにエルゴメータ６の負荷が制御される。すなわち、エルゴメータ６を用いた生体の運動に際して、その生体毎の最適な負荷が確実に決定されるのである。
【００４５】
また、本実施例では、生体の血圧値ＥＢＰSYS および脈拍数ＰＲの積である労作強度値ＰＲＰを算出する労作強度値算出手段８２（Ｓ６）と、折点運動負荷ＰＲＰM2を決定するために負荷上昇手段８４（Ｓ４）による生体の負荷上昇に伴う労作強度値ＰＲＰの増加の折点Ｆを判定する折点判定手段９４とが設けられ、前記最適負荷決定手段９２（Ｓ１２）は、神経活性度反転運動負荷ＰＲＰM1と折点運動負荷ＰＲＰM2とに基づいて最適負荷ＰＲＰM を決定するものである。具体的には、上記最適負荷決定手段９２は、神経活性度反転運動負荷ＰＲＰM1と折点運動負荷ＰＲＰM2との平均値を算出し、その平均値から最適負荷ＰＲＰM を決定するものである。このようにすれば、神経活性度反転運動負荷ＰＲＰM1だけから最適負荷を決定する場合に比較して、最適負荷ＰＲＰM の算出精度が高められ、運動の効率が一層高められる。
【００４６】
また、本実施例では、最適負荷決定手段９２（Ｓ１２）により最適負荷ＰＲＰM が決定されると、負荷上昇手段８４（Ｓ４）による負荷の上昇を停止させ、その最適負荷ＰＲＰM に実際の運動負荷ＰＲＰが追従するようにエルゴメータ６の負荷を調節する運動負荷調節手段９６（Ｓ１４）が、設けられていることから、個々の生体に最大まで負荷を与えることがないので、生体の運動の実行毎に、生体にそれほど負担を強いることなく最適負荷が決定される利点がある。特に、疾患を有する生体に対しても運動負荷療法が可能となるとともに、その日の体調に適合した最適負荷で無酸素運動の初期或いは有酸素運動の最大強度で運動が可能となる。
【００４７】
また、本実施例では、交感神経活性度検出手段８６（Ｓ７）は、生体の血圧値変動の周波数成分のうちその生体の呼吸周波数よりも充分に低い周波数帯の低周波帯信号強度ＳＢＰLFを検出するものであり、副交感神経活性度検出手段８８（Ｓ７）は、生体の脈拍周期変動の周波数成分のうちその生体の呼吸周波数を含む周波数帯の呼吸周波帯信号強度ＰＰHFを検出するものであり、神経活性度判定手段９０は、それら低周波帯信号強度ＳＢＰLFと呼吸周波帯信号強度ＰＰHFとの積が最小となったときに、副交感神経の活性度に対して交感神経の活性度が優位となったと判定するものである。このようにすれば、最適負荷の決定が確実に行われる利点がある。
【００４８】
また、本実施例の負荷上昇手段８４（Ｓ４）は、生体の運動の初期区間において生体に対する負荷を所定の速度で連続的に上昇させるものであることから、その初期区間において生体に付与する負荷が予め設定された速度で時間の経過に伴って増加させられるので、段階的に上昇させられる場合に比較して、負荷の段階的に上昇に対応する労作強度の段階的上昇がなく、折点の判定が容易となる利点がある。
【００４９】
また、本実施例では、負荷上昇手段８４（Ｓ４）により生体の運動期間の初期区間においてその生体に付与する負荷が上昇させる過程で、前記最適負荷決定手段９２（Ｓ１２）により最適負荷（目標負荷）である目標労作強度値ＰＲＰM が決定されると、運動負荷調節手段９６（Ｓ１４）により、負荷上昇手段８４による負荷の上昇が停止させられ、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、生体の運動の実行毎に、生体にそれほど負担を強いることなく最適な目標負荷が決定され、その目標負荷が付与されるように運動負荷装置の負荷が制御される。また、このように、個々の生体に最大まで負荷を与えることがないので、生体に苦痛を強いることがなく、疾患を有する生体に対しても運動療法が可能となるとともに、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。
【００５０】
また、本実施例の運動負荷装置の制御装置には、生体に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９２（Ｓ９）と、その運動負荷終了判定手段９２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９４（Ｓ１１）とが含まれる。このため、運動負荷終了判定手段９２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９４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。
【００５１】
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。
【００５２】
たとえば、前述の実施例の最適負荷決定手段９２においては、最適（目標）負荷として目標労作強度ＰＲＰM を決定していたが、目標心拍数ＰＲM 、目標血圧値ＢＰM などの他の生体最適負荷を示す量が決定され、運動負荷調節手段９６はその目標心拍数ＰＲM 、目標血圧値ＢＰM などの他の生体最適負荷と実際の運動負荷とが一致するようにエルゴメータ６の負荷を調節するものであっても差し支えない。
【００５３】
また、前述の実施例では、最適負荷決定手段９２により決定された目標労作強度ＰＲＰM が運動負荷調節手段９６の目標値として自動的に設定されていたが、最適負荷決定手段９２により決定された目標労作強度ＰＲＰM を生体が手動にて設定入力するものであっても差し支えない。
【００５４】
また、前述の実施例の最適負荷決定手段９２は、神経活性度反転運動負荷ＰＲＰM1と折点運動負荷ＰＲＰM2との平均値を算出し、その平均値から最適負荷ＰＲＰM を決定するものであったが、生体の年齢、性別、運動能力の関数である補正値を用いて神経活性度反転運動負荷ＰＲＰM1を所定の補正演算をすることにより、神経活性度反転運動負荷ＰＲＰM1に基づいて最適負荷ＰＲＰM を決定してもよい。
【００５５】
また、前述の実施例においては、神経活性度反転運動負荷ＰＲＰM1および折点運動負荷ＰＲＰM2や、脈拍数ＰＲおよび推定血圧値ＥＢＰが１拍毎に決定され、Ｓ９によって神経活性度反転運動負荷ＰＲＰM1および折点運動負荷ＰＲＰM2が決定されたか否かが１拍毎に判定されていたが、必ずしも１拍毎でなくてもよく、所定の拍数或いは時間毎に算出されるものでもよいのである。
【００５６】
また、前述の実施例の負荷上昇手段８４は、生体の運動期間の初期において運動負荷を時間の経過とともに連続的に増加させるものでなく、所定の上昇幅で上昇させた後にその値を所定期間維持することを繰り返しながら段階的に上昇させるものでもよい。このようにすれば、生体に対する負荷が一定であるときに折点が判定されるので、生体の反応に起因する労作強度の遅れが少なくなる利点がある。
【００５７】
また、前述の基準血圧決定手段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。
【００５８】
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１１に示すようなトレッドミル１１０が用いられ得る。このトレッドミル１１０は、基台１１２に設けられた無端ベルト１１４が電動モータ１１６によって回転駆動されるようになっており、無端ベルト１１４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１１６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られる。
【００５９】
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の交感神経活性度検出手段８６により検出される、呼吸周波数よりも充分に低い周波数帯の信号強度ＳＢＰLFを含む連続血圧値のゆらぎの周波数スペクトルを示す図である。
【図７】図３の副交感神経活性度検出手段８８により検出される、呼吸周波数を含む周波数帯の信号強度ＰＰHFを含む脈拍周期のゆらぎの周波数スペクトルを示す図である。
【図８】副交感神経活性度に対する交感神経活性度の優位を判定する作動を説明するために、図６の信号強度ＳＢＰLFおよび図７の信号強度ＰＰHFとそれらの積との関係を示す図である。
【図９】図１の実施例において、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る。
【図１０】図９のステップＳ１４の運動負荷フィードバック制御を詳しく説明するフローチャートである。
【図１１】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：負荷上昇手段
８６：交感神経活性度検出手段
８８：副交感神経活性度検出手段
９０：神経活性度判定手段
９２：最適負荷決定手段
９４：折点判定手段
９６：運動負荷調節手段
１１０：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】
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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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