(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験者に所定の運動負荷を与える負荷供給手段と、
前記被験者が前記運動負荷を与えられている状態で、前記運動負荷が与えられている筋肉の血中の酸素飽和度を推定する酸素飽和度測定手段と、
測定中の前記酸素飽和度の最小値を検出する最小値検出手段と、
前記被験者の酸素飽和度と発揮筋力との相関関係を示す相関テーブルをあらかじめ記録しておく記録手段と、
前記相関テーブルから、前記酸素飽和度の最小値に対応する発揮筋力を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする発揮筋力推定装置。
【請求項２】
被験者に所定の運動負荷を与える負荷供給手段と、
前記被験者が前記運動負荷を与えられている状態で、前記運動負荷が与えられている筋肉の血中の酸素飽和度を測定する酸素飽和度測定手段と、
測定中の前記酸素飽和度の最小値を検出する最小値検出手段と、
前記被験者が最大筋力を発揮したときの最小酸素飽和度をあらかじめ記録しておく記録手段と、
前記被験者が運動負荷を与えられる前の酸素飽和度と、検出された前記酸素飽和度の最小値と、前記記録手段に記録された前記最小酸素飽和度とから前記所定の運動負荷を与えられたときの発揮筋力を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする発揮筋力推定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各生体毎の運動能力や運動状態を評価することのできる装置に関し、特に光を用いた非侵襲での酸素飽和度などを簡易な装置で計測することにより、発揮筋力を推定することができる発揮筋力推定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筋肉の運動能力や運動状態を評価する方法として、筋組織を取り出す方法、カテーテルを挿入する血液分析方法、および指に針を刺して少採取した少量の血液から乳酸の量を測定する方法などの侵襲的な方法が用いられてきた。しかし、近年、光技術を用いた筋肉血中内の酸素濃度を計測する装置を用いることによって、非侵襲で筋肉の運動能力や運動状態をリアルタイムで計測することが可能となってきている。
【０００３】
特開平６−１４２０８６号公報には、光技術を用いて筋肉血中の酸素濃度の変化を測定し、被験者の最大負荷量や最大酸素摂取量を求める運動モニタ装置が開示されている。この運動モニタ装置は、被験者が運動を行っている状態における血中酸素濃度の変化からその変曲点を検出し、変曲点における運動負荷量に基づいて最大負荷量や最大酸素摂取量を求めるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光技術を用いて筋肉の発揮筋力を計測する装置はいまだ存在しない。筋肉が実際に発揮している力は意識と一致しておらず、感覚的に思っている力とは異なっている。このため、科学的に絶対的な筋肉の発揮能力を推定しながらのトレーニングは、大掛りな侵襲的な装置を使用せねばならず、被験者への負担も大きいのが現状であった。そのため、非侵襲な科学的なトレーニングを行うことが可能な装置の開発要求が高まっており、光技術を用いた装置が注目されている。
【０００５】
光技術を用いて筋肉が発揮している力を推定する方法としては、筋肉血中の酸素濃度を測定する方法が考えられる。血中の酸素濃度を表している要素には、ＨｂＯ２，Ｈｂ，ｔ−Ｈｂ，ＳＯ２などがあるが、運動強度によりｔ−Ｈｂが変化するのに伴いＨｂＯ２，Ｈｂも影響されてしまう。そのため、これらの要素では正確な酸素濃度の変化をモニタすることができない。これに対し、ＳＯ２（酸素飽和度）は、運動強度の変化に影響されず、筋肉の運動量に応じて変化するため、酸素飽和度を検出することにより筋肉の発揮している力を推定できると考えられる。
【０００６】
そこで本発明は、光技術を用いて筋肉血中の酸素飽和度ＳＯ２を検出することにより、意識と発揮筋力との一致を想定した非侵襲の科学的トレーニングが可能となる発揮筋力推定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明にかかる発揮筋力推定装置は、被験者に所定の運動負荷を与える負荷供給手段と、被験者が運動負荷を与えられている状態で、運動負荷が与えられている筋肉の血中の酸素飽和度を測定する酸素飽和度測定手段と、測定中の酸素飽和度の最小値を検出する最小値検出手段と、被験者の酸素飽和度と発揮筋力との相関関係を示す相関テーブルをあらかじめ記録しておく記録手段と、相関テーブルから、酸素飽和度の最小値に対応する発揮筋力を算出する算出手段とを備えることを特徴とする。本発明により、簡易な装置を用いて被験者の発揮筋力を非侵襲な方法でリアルタイムで推定することが可能となる。
【０００８】
また、本発明にかかる発揮筋力推定装置は、被験者に所定の運動負荷を与える負荷供給手段と、被験者が運動負荷を与えられている状態で、運動負荷が与えられている筋肉の血中の酸素飽和度を測定する酸素飽和度測定手段と、測定中の酸素飽和度の最小値を検出する最小値検出手段と、被験者が最大筋力を発揮したときの最小酸素飽和度をあらかじめ記録しておく記録手段と、被験者が運動負荷を与えられる前の酸素飽和度と、検出された酸素飽和度の最小値と、最大筋力を発揮したときの被験者の最小酸素飽和度とから前記所定の運動負荷を与えられたときの発揮筋力を算出する算出手段とを備えることを特徴とする。本発明により、酸素飽和度と発揮筋力の相関テーブルが無くとも被験者の発揮筋力を算出することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の第一および第二実施形態について説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１０】
第一実施形態の説明に先立ち、酸素飽和度と発揮筋力の相関関係について述べる。図１は、被験者に５Ｎｍ，１０Ｎｍ，２０Ｎｍ，３０Ｎｍの負荷を休息を挟みながら段階的に印加した場合の酸素飽和度の時間変化（ａ）と、最大筋力計で図面した発揮筋力の時間変化（ｂ）とのグラフを示している。この計測結果から発揮筋力の大きさは酸素飽和度にほぼ比例していることがわかる。
【００１１】
図１の推定結果を基に、酸素飽和度と発揮筋力の関係をグラフにすると図２のようになる。図２に示されるように、発揮筋力が大きくなるに連れて、酸素飽和度が小さくなっていき、発揮筋力がある程度大きい場合には酸素飽和度と発揮筋力はほぼ比例関係になることが確認できる。ここでは、このグラフを酸素飽和度と発揮筋力の相関テーブルと呼ぶことにする。この相関テーブルにおいて、被験者の持っている運動能力や筋力によって傾きなどが変化するため、各被験者に対応する相関テーブルが作成できる。この相関テーブルを利用すれば、被験者から推定した酸素飽和度により、被験者が発揮している発揮筋力を求めることができる。
【００１２】
また、血中酸素濃度の要素ＨｂＯ２，Ｈｂは、運動強度によりｔ−Ｈｂの変動分を補正処理することによって発揮筋力との相関関係が得られ相関デーぶるを作成することができる。そして測定したＨｂＯ２，Ｈｂから被験者の発揮している筋力を求めることが可能となる。
【００１３】
次に、図３を参照して本発明の第一実施形態を説明する。図３は、相関テーブルを利用した発揮筋力推定装置の第一実施形態を示す概略図である。発揮筋力推定装置は、被験者に運動負荷を与える負荷印加装置１と、酸素飽和度を測定する酸素飽和度推定器２と、測定時の酸素飽和度の最小値ＳＯ２を検出する最小値検出部３と、その検出の開始のタイミングを指示するスタートスイッチ３１と、停止のタイミングを指示するストップスイッチ３２と、被験者の体格、性別および被験者の酸素飽和度と発揮筋力の相関テーブルなどの個人パラメータが入力されている個人ＩＤ４と、個人ＩＤ４に記憶されている個人パラメータを記録する記録部５と、最小値検出部３で検出された酸素飽和度ＳＯ２と被験者の酸素飽和度と発揮筋力の相関関係テーブルから発揮筋力を算出する発揮筋力算出部６と、発揮筋力算出部６によって算出された発揮筋力を表示する発揮筋力推定値表示部７とから構成されている。
【００１４】
図３の発揮筋力推定装置の作用を説明する。あらかじめ、個人ＩＤ４の内容は記録部５に記録されているとする。まず、被験者に印加する負荷の大きさを決定し、負荷印加装置１が所定の負荷を印加するように設定する。次に、近赤外線による酸素濃度推定器２の光源および検出器のプローブ（図示せず）を、被験者の計測したい筋肉（本実施形態では上腕二頭筋）に光が伝播する適当な距離（本実施形態では３ｃｍ）で装着する。その後、酸素飽和度推定器２を動作させ、最小値検出器３のスタートスイッチ３１をＯＮにする。次に、負荷印加装置１により所定の負荷を被験者の上腕二頭筋に印加する。ここで、負荷印加装置１はアイソメトリック（等尺性）の所定の負荷を被験者の上腕二等筋に負荷する。具体的には固定して動かない棒を中心として手前に引くように上腕二頭筋に力を発揮させる。
【００１５】
所定時間経過後、被験者に加えていた負荷を取り除く。その後、酸素飽和度推定器２の推定を終了し、最小検出器３のストップスイッチをＯＮする。このとき、最小検出器３で検出した酸素飽和度の最小値ＳＯ２が記録部５に記憶される。次に、記録部５に記憶された酸素飽和度の最小値ＳＯ２および被験者の相関テーブルは発揮筋力算出部６に送られる。発揮筋力算出部６では、相関テーブルより検出した酸素飽和度の最小値ＳＯ２に対応した発揮筋力を求め、発揮筋力推定値表示部７で発揮筋力を表示する。このように、本実施形態では所定の負荷を印加したときの被験者の発揮筋力が求められる。但し、被験者の運動能力が変化することによって相関テーブルも変化するので、より正確に発揮筋力を推定するには随時相関テーブルを測定し直す必要がある。
【００１６】
第一実施形態はこれに限られるものではない。例えば、図３に示されている発揮筋力推定装置を用いなくても、被験者の相関テーブルを図２のようにグラフにしておけば、測定した被験者の酸素飽和度に対応する発揮筋力を、観測者あるいは被験者自身で相関テーブルにより確認することができる。また、図３では所定時間負荷を印加し、その時間内での酸素飽和度の最小値ＳＯ２を基に発揮筋力を推定したが、所定時間を設定しなくともリアルタイムで酸素飽和度を測定し、これをＳＯ２として酸素飽和素ＳＯ２に対応した発揮筋力を相関テーブルにより算出し、リアルタイムで発揮筋力を発揮筋力推定値表示部７にて表示・観測することも可能である。
【００１７】
次に、第二実施形態の説明に先立ち、最大発揮筋力と最小酸素飽和度の関係について述べる。被験者が最大筋力を発揮したとき、図２からも推定できるように酸素飽和度は最小値ＳＯ２ｍｉｎをとる。ここで最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎは被験者が最大筋力計などで最大筋力を発揮しているときに、酸素飽和度を酸素飽和度推定器で推定すればよい。最大筋力は被験者により異なるが、異なる被験者に最大筋力を加えているときの発揮筋力および酸素飽和度の時間変化のグラフをそれぞれ図４（ａ）、（ｂ）に示す。このように、被験者の運動能力および筋力により最大筋力および最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎも変化することがわかる。また、前述したように発揮筋力がある程度大きい場合には、発揮筋力と酸素飽和度はほぼ比例関係を示す。この比例関係と最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎを利用すれば、図２に示す酸素飽和度と発揮筋力の相関テーブルを用いなくとも発揮筋力の推定が可能である。
【００１８】
次に、図５を参照して、本発明の第二実施形態を説明する。図５は、発揮筋力と酸素飽和度の比例関係と最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎを利用した、発揮筋力推定装置の第二実施形態の概略図である。発揮筋力推定装置は、被験者に運動負荷を与える負荷印加装置１と、酸素飽和度を推定する酸素飽和度推定器２と、推定時の酸素飽和度の最小値ＳＯ２を検出する最小値検出部３と、その検出の開始のタイミングを指示するスタートスイッチ３１と、停止のタイミングを指示するストップスイッチ３２と、被験者の体格、性別および最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎなどの個人パラメータが入力されている個人ＩＤ４と、個人ＩＤ４に記憶されている個人パラメータを記録する記録部５と、被験者に負荷を印加する前の酸素飽和度ＳＯ２ｐｒｅと最小値検出部３で検出された酸素飽和度ＳＯ２と最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎから発揮筋力のパーセンテージを演算するパーセント演算部８と、パーセント演算部８によって演算された発揮筋力のパーセンテージを表示する発揮筋力推定値表示部７とから構成されている。
【００１９】
図５の発揮筋力推定装置の作用を説明する。あらかじめ、個人ＩＤ４の内容は記録部５に記録されているとする。まず、被験者に印加する負荷の大きさを決定し、負荷印加装置１が所定の負荷を印加するように設定する。次に、近赤外線による酸素濃度推定器２の光源および検出器のプローブ（図示せず）を、被験者の計測したい筋肉（本実施形態では上腕二頭筋）に光が伝播する適当な距離（本実施形態では３ｃｍ）で装着する。その後、酸素飽和度推定器２を動作させ、所定の負荷を印加する前の酸素飽和度ＳＯ２ｐｒｅをパーセント表示部８に送信する。そして、最小値検出器３のスタートスイッチ３１をＯＮにする。次に、負荷印加装置１により所定の負荷を被験者の上腕二頭筋に印加する。前述したように、ここで、負荷印加装置１はアイソメトリック（等尺性）の所定の負荷を被験者の上腕二等筋に負荷しする。具体的には固定して動かない棒を中心として手前に引くように上腕二頭筋に力を発揮させる。
【００２０】
所定時間経過後、被験者に加えていた負荷を取り除く。その後、酸素飽和度推定器２の測定を終了し、最小検出器３のストップスイッチをＯＮする。このとき、最小検出器３で検出した酸素飽和度の最小値ＳＯ２が記録部５に記録される。次に、記録部５に記録された酸素飽和度の最小値ＳＯ２および被験者の最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎはパーセント演算部８に送られる。これよりパーセント演算部６に送られているパラメータは、負荷印加前の酸素飽和度ＳＯ２ｐｒｅ，最大筋力発揮時の最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎ，検出した酸素飽和度の最小値Ｓ０２の３つとなる。
【００２１】
次に、パーセント演算部６において、発揮筋力の演算を行う。先にも延べたように、使用するパラメータはＳＯ２ｐｒｅ，ＳＯ２ｍｉｎ，Ｓ０２の３つであるが、酸素飽和度と発揮筋力が比例関係であることから、３つのパラメータを次式に適応することによって発揮筋力のパーセンテージが算出される。
発揮筋力(%）=(SO2pre−SO2)/(SO2pre−SO2min) x 100
この式により発揮筋力のパーセンテージが算出でき、発揮筋力推定値表示部７に送られ、表示される。この様に、本実施形態では酸素飽和度と発揮筋力の相関テーブルがなくても発揮筋力のパーセンテージを推定することが可能である。但し、本実施形態はあくまでも発揮筋力の推定値を求めるものであり、より正確な発揮筋力を求めたい場合には前述した図３の装置を用いるのが望ましい。
【００２２】
第二実施形態はこれに限られるものではない。例えば、図５では所定時間負荷を印加し、その時間内での酸素飽和度の最小値ＳＯ２を基に発揮筋力を推定したが、所定時間を設定しなくともリアルタイムで酸素飽和度を推定し、これをＳＯ２として上記演算をパーセント演算部で行うことによって、リアルタイムで発揮筋力を発揮筋力推定値表示部７にて表示・観測することも可能である。また、最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎにおける最大発揮筋力の大きさがわかっていれば、これを発揮筋力パーセンテージに掛け合わせることによってパーセント表示ではなく図３の装置のように発揮筋力量を算出することも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の発揮筋力推定装置は、酸素飽和度と発揮筋力の相関テーブルを用いることによって、所定の負荷を印加しているときの被験者の発揮筋力を光技術を用いた方法によってリアルタイムに推定することが可能である。これを利用すれば、被験者の科学的な運動トレーニングを非侵襲な方法で且つ簡易な装置によって実現することができる。
【００２４】
また、酸素飽和度と発揮筋力の相関テーブルがなくても、酸素飽和度と発揮筋力が比例関係を示すことを利用し、被験者の最大筋力発揮時の最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎをあらかじめ測定しておくことにより、発揮筋力のパーセンテージの推定が可能となる。これにより、測定に時間のかかる相関テーブルをあらかじめ用意しておく必要はなくなり、最大筋力発揮時の最小酸素飽和度ＳＯ２ｍｉｎをその場で推定することにより、すぐに科学的運動トレーニングを開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）被験者に休憩を挟みながら負荷を印加したときの酸素飽和度と時間の関係を示す図である。
（ｂ）被験者に休憩を挟みながら負荷を印加したときの発揮筋力と時間の関係を示す図である。
【図２】酸素飽和度と発揮筋力の相関テーブルを示す図である。
【図３】本発明の請求項１の実施形態にかかる発揮筋力推定装置の概略図を示す図である。
【図４】（ａ）各被験者の最大発揮筋力と時間の関係を示す図である。
（ｂ）各被験者が最大筋力を発揮しているときの酸素飽和度と時間の関係を示す図である。
【図５】本発明の請求項２の実施形態にかかる発揮筋力推定装置の概略図を示す図である。
【符号の説明】
１…負荷印加装置、２…酸素飽和度推定装置、３…最小値検出部、４…個人ＩＤ、５…記録部、６…発揮筋力算出部、７…発揮筋力推定値表示部、８…パーセント演算部
【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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