JP2007236917A - 運動計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能であり、違和感なく手軽に長時間装着して、運動状況及び心拍数を、連続的且つ高精度に計測すること。
【解決手段】３軸方向にベクトルを持った加速度を検出する３軸加速度センサ２０と、本体の下面に設けられて生体表面に接触する第１の電極と、本体に設けられ指を接触可能な第２の電極とを有し、心電位を検出する心電位検出手段１１と、３軸加速度センサにより検出された各方向の加速度をスカラ量に変換し、該スカラ量に基づいて運動強度を演算すると共に、検出された心電位に基づいて心拍数を演算する演算手段２２と、該演算手段による演算結果を記憶するメモリ２３と、本体表面に設けられ、演算手段による演算結果を表示する表示部４とを備えている運動計測装置１を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、運動状況に関わらず、手首に装着した状態で運動量及び心拍数を同時に測定することができる運動計測装置に関するものである。

健康管理やリハビリ或いは研究等の用途に使用するために、使用者の身体に装着して運動状況や心拍数或いは消費エネルギー等を検出し、身体状態を監視する装置が従来から数多く知られている。

例えば、その１つとして、手首の上下方向の加速度と左右軸回りの回転角速度を運動センサにより検出し、それらの出力とその周期性に基づいて、運動の強度や行動種類（例えば、現在座っている若しくは歩いている等の行動種類）を識別し、行動種類に応じた消費エネルギーを算出することができる腕時計型の運動測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、別の装置の１つとして、加速度センサと角速度センサと光電式の脈波センサとを備え、これら各センサのデータにより、運動情報と生体情報とを組み合わせた身体情報の監視を行うことができる監視装置が提供されている（例えば、特許文献２参照）。

更に、別の装置の１つとして、胸部に取り付けたトランスミッタ（電極、検出回路、電源及び送信回路等により構成される）により、体動ノイズに強い心拍数を直接心臓の近傍で計測（心電位計測）し、測定結果を手首に取り付けた端末に表示することができる装置が知られている。
特開２００２−２６３０８６号公報 特開２００３−２４２８７号公報

しかしながら、上記従来の装置では以下の課題がまだ残されている。
即ち、特許文献１及び２に記載されている装置では、加速度と角速度とを検出するためのセンサを必要とするので、センサの種類が多く、また、センサのサイズが大きなってしまっていた。そのため、装置全体のサイズも大型化し易いものであった。よって、仮に腕時計型にしたとしてもサイズが大きくなってしまい、装着し難く、違和感を感じてしまうものであった。また、１日中連続的に着用した状態で長時間に亘る計測を行うことができなかった。その結果、その日の行動や運動による消費エネルギーを、シームレスにモニタリングすることができなかった。
加えて、加速度と角速度とに基づいて運動状況を判定するので、データ処理が複雑になり易かった。

特に、特許文献２に記載されている装置は、光電容積脈波或いは圧脈波を利用して脈拍数を計測するものであるため、激しい運動を行っている間は、精度の良い脈拍数を算出することができなかった。つまり、激しい運動中では、血液の流れる速度が増すので、光の透過量が変化して体動ノイズが増加してしまう。そして、この体動ノイズが脈拍信号を上回ってしまうので、上述したように脈拍数を精度良く算出することができなかった。その結果、運動中に身体状態を監視することができなかった。

また、胸部にトランスミッタを取り付ける装置は、激しい運動中でも連続的に心拍数の計測が可能なものであるが、直接胸部に装置を取り付けるため、圧迫感が強く１日に亘って装着し続けることが困難である。特に、女性の場合には、圧迫感や不快感を顕著に感じるものであった。

特に、使用者の運動負荷レベルは、年齢による差、体力による差等によって、使用者ごとに異なるものである。つまり、同じ運動負荷を与えたとしても、個人の心肺機能の差や、その日の体調等によって心拍数が異なるので、単に心拍数だけで運動負荷を判断すると、運動負荷の過不足が生じてしまう。そこで、このような不具合をなくすためには、少なくとも運動強度と心拍数の情報とが必要である。
この点、心拍数を単に計測するだけの上記装置は、心臓等に大きな負荷がかかることを防止することはできるが、運動量を直接的に評価するといったことができず、結局使用者の感覚に頼らざるを得ないものであった。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、小型化が可能であり、違和感なく手軽に長時間装着して、運動状況を連続的且つ高精度に計測することができると共に、任意での心拍数計測を運動状況に関係なく高精度に行うことができる運動計測装置を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明の運動計測装置は、本体と、該本体の下面を生体表面側に向けた状態で、該本体を腕に装着する固定手段と、３軸方向にベクトルを持った加速度を検出する３軸加速度センサと、前記本体の下面に設けられて前記生体表面に接触する第１の電極と、前記本体に設けられ指を接触可能な第２の電極とを有し、心電位を検出する心電位検出手段と、前記３軸加速度センサにより検出された各方向の加速度をスカラ量に変換し、該スカラ量に基づいて運動強度を演算すると共に、検出された前記心電位に基づいて心拍数を演算する演算手段と、該演算手段による演算結果を記憶する記憶手段と、前記本体表面に設けられ、前記演算手段による演算結果を表示する表示部とを備えていることを特徴とするものである。

この発明に係る運動計測装置においては、まず、本体の下面を生体表面、即ち、皮膚側に向けた状態で、該本体を固定手段によって腕(手首)に装着する。この際、本体の下面に設けられた第１の電極が皮膚に接触した状態となっている。
この状態で腕を動かすと、３軸加速度センサが、３軸の各方向（ＸＹＺ方向）にベクトルを持った加速度を検出して演算手段に送る。演算手段は、送られてきた各方向の加速度をスカラ量に変換すると共に、変換したスカラ量から運動強度の演算を行う。また、この運動強度は、記憶手段に記憶されると共に表示部に表示される。

これにより、使用者は現在の運動強度を容易に確認することができる。特に、３軸加速度センサを用いているので、あらゆる方向の運動を１つのセンサで検出することができる。よって、従来のように複数のセンサを用いて運動強度を求めるものとは異なり、センサが占有するスペースを最小限にすることができる。よって、小型化を図ることができ、腕時計タイプとして違和感なく装着することができる。その結果、長時間（例えば、１日中）装着したとしても、不快感や拘束感を感じることなく、連続的な計測を行うことができる。

また、３軸加速度センサは、あらゆる方向の加速度を検出するので、方向性を選ばずに装着することができる。例えば、手首の外側に本体が位置するように装着したり、手首の内側に本体が位置するように装着したりすることが可能である。よって、装着性に優れている。また、動きの自由度の高い腕に装着するので、加速度を高精度に検出できる。そのため、腕の振り方を特定する必要がなく、使用者は自然な状態で日常を過ごすことができる。更に、３軸加速度センサで検出された加速度を、単にスカラ量に変換して、該スカラ量から運動強度を求めるので、データ処理が容易であり、ハードウエア及びソフトウエアのコスト低減にも寄与することができる。

また、心拍数を測定する場合には、使用者は本体に設けられた第２の電極に指を接触させる。これにより、心臓を間に挟んだ閉回路が構成された状態になるので、心電位検出手段がそのときの心電位を検出できる。そして、演算手段が、この心電位から心拍数の演算を行う。また、この心拍数は、運動強度と同様に記憶手段に記憶されると共に表示部に表示される。

このように、本体が腕時計タイプであるので、使用者は必要な時に簡単に指を第２の電極に触れて、心拍数の確認を行える。特に、両電極による心電位に基づいて心拍数を計測するので、従来の光電脈波を検出するものとは異なり、体動ノイズの影響を受ける事なく、運動中であっても高精度に心拍数を計測することができる。よって、使用者は、運動中であっても自身の心拍数を正確に把握することができる。また、使用者が第２の電極に触れたときだけ、心拍数を測定するので、消費電力を極力抑えることができる。

また、表示部には、心拍数と共に上述した運動強度も表示されるため、使用者は現在の運動量（運動負荷）が適正であるか否かを判断することができる。例えば、他人と同じ運動を行っているが、心拍数が高いので自分にとっては運動量が高く負荷が大きい運動である等、客観的に判断することができる。このように、運動強度と心拍数とを関係付けながら、身体状態を監視することができる。また、演算された運動強度及び心拍数は、記憶手段に記憶されているので、過去の身体状態を確認することも可能である。

上述したように、本発明の運動計測装置によれば、小型化が可能であり、違和感なく手軽に長時間装着して、運動状況を連続的且つ高精度に計測することができると共に、任意での心拍数計測を運動状況に関係なく高精度に行うことができる。その結果、身体状態を正確に監視することができる。

また、本発明の運動計測装置においては、上記本発明の運動計測装置において、前記表示部が、前記運動強度と前記心拍数とを相関付けたデータを計測時間毎にグラフ表示することを特徴とするものである。

この発明に係る運動計測装置においては、表示部が、運動強度と心拍数とを相関付けたデータを計測時間毎にグラフ表示するので、使用者はグラフから心肺機能の推移を一目で確認することができる。例えば、同じ運動強度なのに、心拍数が徐々に低下若しくは増加している等を確認することができる。

また、本発明の運動計測装置は、上記本発明の運動計測装置において、前記演算手段が、前記運動強度と予め決められた閾値とを比較して運動の種類を判断すると共に、歩行又は走行していると判断したときに、運動強度の変化具合から歩数計測を開始することを特徴とするものである。

この発明に係る運動計測装置においては、演算手段が、演算した運動強度を閾値と比較することで、運動の種類を判断して分類する。例えば、運動強度が閾値より低い場合には、使用者が座っている等の静止状態だと判断し、閾値よりも高い場合には、使用者が歩行中若しくは走行中であると判断する。
そして、演算手段は、使用者が歩行又は走行していると判断したときに、運動強度の変化具合から歩数の計測を開始させる。これにより、本当に歩いている若しくは走っているときの歩数を、正確に計測することができる。

また、本発明の運動計測装置は、上記本発明の運動計測装置において、前記演算手段が、前記運動の種類と計測した前記歩数と計測時間とから消費エネルギーを演算することを特徴とするものである。

この発明に係る運動計測装置においては、演算手段が運動の種類、歩数、計測時間から消費エネルギーの演算を行う。特に、単に歩数から消費エネルギーを演算するのではなく、長時間に亘って刻々と変化する運動の種類（歩行若しくは走行等）を考慮して演算を行うので、使用者は正確な消費エネルギーを知ることができる。

また、本発明の運動計測装置は、上記本発明の運動計測装置において、信号を受信したときに、その旨を報知する報知手段を備え、前記演算手段が、演算された前記心拍数が予め設定された範囲内であるか否かを判断すると共に、範囲外と判断したときにその旨を報知するように前記報知手段に信号を出力することを特徴とするものである。

この発明に係る運動測定装置においては、演算手段が心拍数を演算した後、該心拍数が予め設定された範囲内であるか否かの判断を行う。そして、演算手段は、範囲外であると判断すると、その旨を知らせるために報知手段に信号を出力する。報知手段は、この信号を受け取ると、使用者に対して報知（例えば、音を鳴らしたり、振動させたり、光を発する等）を行い、心拍数が範囲外であることを知らせる。これにより、使用者は、現在の運動量の過不足を客観的且つ速やかに知ることができる。

また、本発明の運動計測装置は、上記本発明の運動計測装置において、前記演算手段が、前記運動の種類を判断した結果、歩行又は走行していると判断したときだけ前記信号を出力することを特徴とするものである。

この発明に係る運動計測装置においては、演算手段は、心拍数が予め設定された範囲外であったとしても、行動種類が歩行又は走行していると判断したときにだけ、報知手段に信号を出力する。つまり、実際に歩行若しくは何らかの運動を行っている時だけ、報知するようになっている。言い換えると、実際には座った状態で作業をしているときに、何らかの原因により心拍数が増加した場合や、食事中に心拍数が増加した等の場合には、報知手段に信号を出力しない。このように運動種類に関連付けながら報知を行えるので、使用者にとって使い易い。

また、本発明の運動計測装置は、上記本発明のいずれかの運動計測装置において、演算条件及び判断条件を入力可能な入力手段を備えていることを特徴とするものである。

この発明に係る運動計測装置においては、使用者は、入力手段により様々な演算条件及び判断条件のパラメータ（例えば、年齢、性別や体重等の個人データ）を適宜入力できるので、各使用者に合わせたより正確な身体状態の監視を行うことができる。

また、本発明の運動計測装置は、上記本発明のいずれかの運動計測装置において、前記本体が、内部への液体の侵入を防止する水密構造とされていることを特徴とするものである。

この発明に係る運動計測装置においては、本体が水密構造とされているので、使用者が水の中にいたとしても、計測を行うことができる。例えば、水泳中や入浴中であっても、計測を行うことができる。このように使用範囲を広げることができ、使い易さが向上する。

本発明に係る運動計測装置によれば、小型化が可能であり、違和感なく手軽に長時間装着して、運動状況を連続的且つ高精度に計測することができると共に、任意での心拍数計測を運動状況に関係なく高精度に行うことができる。その結果、身体状態を正確に監視することができる。

以下、本発明に係る運動計測装置の一実施形態を、図１から図６を参照して説明する。
本実施形態の運動計測装置１は、腕時計型のものであって、手首（腕）に装着した状態で、運動強度や心拍数を計測するものである。この運動計測装置１は、図１から図４に示すように、各種の電子部品を内蔵したハウジング（本体）２と、ハウジング２の下面を生体表面側、即ち、皮膚側に向けた状態でハウジング２を手首に装着する固定手段３とを備えている。

ハウジング２は、プラスチックやアルミニウム等の金属材料からなり、所定の厚みを持って、例えば、上面視略長方形状に形成されている。この際、ハウジング２は、適宜図示しないＯリングやシール等によって内部に液体が侵入しないようになっている。つまり、水密構造とされている。
また、ハウジング２の表面には、後述する演算手段２２による演算結果を始めとする各種の情報を表示する表示部４と、使用者が演算条件や判断条件等の各種のデータを入力可能な複数のボタン５、６からなる入力手段７と、使用者が指を接触可能な心電位計測用のタッチ電極（第２の電極）８とが設けられている。

また、ハウジング２の側面には、表示部４の内部に組み込まれたライト４ａをＯＮ／ＯＦＦ操作するライトボタン９が設けられており、ハウジング２の下面には、皮膚に常に接触する心電位計測用の下面電極（第１の電極）１０が設けられている。この下面電極１０と上記タッチ電極８とで、心電位を検出する心電位検出手段１１を構成している。

上記固定手段３は、ハウジング２に基端側が取り付けられて手首に装着可能な第１のバンド１５及び第２のバンド１６を有している。第１のバンド１５及び第２のバンド１６は、ハウジング２の長手方向に、該ハウジング２を挟んで対向するように設けられている。また、両バンド１５、１６は、伸縮自在な弾性材料により形成されている。
第１のバンド１５には、先端にバックル１５ａ及びタング１５ｂが取り付けられている。また、第２のバンド１６には、タング１５ｂが挿入される挿入孔１６ａが該第２のバンド１６の長手方向に沿って複数形成されている。これにより、使用者の手首の太さに応じて第１のバンド１５及び第２のバンド１６の長さを調整することができるようになっている。これにより、ハウジング２を装着している間、下面電極１０を確実に皮膚に接触させることができるようになっている。

また、ハウジング２内には、図４に示すように、３軸方向にベクトルを持った加速度を検出する３軸加速度センサ２０と、該３軸加速度センサ２０により検出された各方向の加速度をスカラ量に変換し、該スカラ量に基づいて運動強度を演算すると共に、上記心電位検出手段１１により検出された心電位に基づいて心拍数を演算する演算手段２２と、該演算手段２２による演算結果を記憶するメモリ（記憶手段）２３と、演算手段２２から出力された信号を受信したときに音声を出力するアラーム等の音声出力部（報知手段）２４とが内蔵されている。

また、ハウジング２内には、上記演算手段２２及び上記メモリ２３の他、計測時間を計る計時手段２５及び計測データ保存手段２６からなる制御回路２７が内蔵されている。この制御回路２７には、複数のボタン５、６からなる入力手段７、表示部４、ライトボタン９でＯＮ／ＯＦＦ操作されるライト４ａ及び音声出力部２４が接続されている。
また、この制御回路２７には、３軸加速度センサ２０で検出された加速度データが、増幅手段３０及びＡ／Ｄ変換手段３１を介して入力されると共に、心電位検出手段１１で検出された心電位データが、フィルタ手段３２、増幅手段３３及び上記Ａ／Ｄ変換手段３１を介して入力されるようになっている。
なお、増幅手段３３の増幅率は、増幅率設定手段３４により適宜に調整されるようになっている。

３軸加速度センサ２０は、３次元、即ち、３軸（Ｘ・Ｙ・Ｚ）方向の加速度を検出するもので、例えば、ピエゾ抵抗型の３軸加速度センサである。特に、ピエゾ抵抗効果を利用して検出するタイプのものは、近年、マイクロマシニング技術により、信号増幅回路やＡ／Ｄ変換回路、温度補償回路まで含めて、ワンパッケージの小型薄型モジュールとして安価に市場に提供されている。また、その検出原理は、例えば、上面にピエゾ抵抗素子を有する薄いシリコンの梁（ビーム）によって錘を支え、加速度によって錘が動いた時の、ピエゾ抵抗素子の抵抗変化に基づいて加速度を検出するというものである。

本実施形態の運動計測装置１は、運動センサとして上記３軸加速度センサ２０のみを使用し、角速度センサ等の他のセンサは全く使用していない。また、心電位検出手段１１は、タッチ電極８及び下面電極１０により、心臓の活動に伴って発生する微小な起電力を、Ｒ−Ｒ間隔（心室が収縮する間隔）で計測することで、心電位の検出を行っている。

また、本実施形態の運動計測装置１は、演算手段２２が運動強度と心拍数とを相関付けた状態でグラフ表示できるように演算を行うと共に、表示部４がこの相関付けたデータを計測時間毎にグラフ表示するようになっている。
また、演算手段２２は、演算した運動強度を、予め設定された閾値と比較して運動の種類、例えば、座って静かにしている（静止状態）或いは歩いている（歩行状態）或いは走っている（走行状態）等を判断すると共に、歩行又は走行していると判断したときに、運動強度の変化具合から歩数の計測を開始するようになっている。
また、演算手段２２は、運動の種類と計測した歩数と計測時間とから消費エネルギーの演算を行うようにもなっている。

更に、演算手段２２は、演算された心拍数が予め設定された範囲内であるか否かを判断すると共に、範囲外であると判断したときに、その旨を音声により報知するように音声出力部２４に信号を出力するようになっている。この際、演算手段２２は、運動の種類が、歩行又は走行していると判断したときだけ信号を出力するようになっている。
これら演算手段２２のデータ処理に関しては、後に詳細に説明する。

次に、上述したように構成された運動計測装置１により、使用者の手首に装着された状態で運動強度及び心拍数を計測する場合について、図５及び図６に示すフローチャートを中心に説明する。
まず、使用者の手首を巻回するように両バンド１５、１６を巻き、手首の太さに応じて第１のバンド１５のタング１５ｂを第２のバンド１６の挿入孔１６ａ内に挿入して、ハウジング２を手首に装着する。これにより、下面電極１０を確実に皮膚に接触させることができる。

この状態で腕を動かすと、３軸加速度センサ２０が、各方向（ＸＹＺ方向）の加速度を検出して、増幅手段３０に送る。増幅手段３０は、この各方向の加速度を処理し易い大きさに増幅した後、Ａ／Ｄ変換手段３１に出力する。Ａ／Ｄ変換手段３１は、増幅された各方向の加速度をデジタル信号に変換して、各方向のベクトル信号、即ち、３次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）データを生成する（Ｓ１）。また、Ａ／Ｄ変換手段３１は、生成した３次元データを演算手段２２に送る。

演算手段２２は、送られてきた３次元データを、所定の式（３Ｄ＝√（Ｘ²＋Ｙ²＋Ｚ²）に基づいてスカラ量に変換する（Ｓ２）。更に、変換したスカラ量をＬＰＦ（ローパスフィルタ）処理することで、運動強度の演算を行う（Ｓ３）。このＬＰＦ処理は、スカラ量から高周波成分を除去して運動判定に必要な低周波成分のみを取り出すための処理で、具体的には、３軸加速度センサ２０のサンプリングを８７ｍＳ毎に行い、１１個のデータを移動平均することで、０．５Ｈｚのフィルタ処理を行う。なお、この際、後にデータを扱い易いように、所定の係数αを乗算しても構わない。

また、演算手段２２によって演算された運動強度は、メモリ２３に記憶される（Ｓ４）と共に表示部４に表示される。
これにより、使用者は現在の運動強度を容易に確認することができる。特に、３軸加速度センサ２０を用いているので、あらゆる方向の運動を１つのセンサで検出することができる。よって、従来のように複数のセンサを用いて運動強度を求めるものとは異なり、センサが占有するスペースを最小限にすることができる。よって、小型化を図ることができ、腕時計タイプとして違和感なく装着することができる。その結果、長時間（例えば、１日中）装着したとしても、不快感や拘束感を感じることなく、連続的な計測を行える。

また、３軸加速度センサ２０は、あらゆる方向の加速度を検出するので、方向性を選ばずに装着することができる。例えば、手首の内側にハウジング２が位置するように装着したり、手首の外側にハウジング２が位置したりするように装着することが可能である。よって、装着性に優れている。また、動きの自由度の高い手首に装着するので、加速度を高精度に検出できる。そのため、腕の振り方を特定する必要がなく、使用者は自然な状態で日常を過ごすことができる。
また、３軸加速度センサ２０で検出された加速度を、スカラ量に変換して運動強度を求めるので、データ処理が容易であり、ハードウエア及びソフトウエアのコスト低減にも寄与することができる。

一方、心拍数を測定する場合には、使用者はハウジング２のタッチ電極８に指先を接触させる。これにより、心臓を間に挟んだ閉回路が構成された状態になるので、心電位検出手段１１がこのときの心電位を検出できる。そして、心電位検出手段１１は、検出した心電位をフィルタ手段３２に出力する。フィルタ手段３２は、検出した心電位をフィルタ処理して余分な信号を取り除いた後、増幅手段３３に出力する。増幅手段３３は、心電位を処理し易い大きさに増幅した後、Ａ／Ｄ変換手段３１に出力する。Ａ／Ｄ変換手段３１は、増幅された心電位をデジタル信号に変換して、心電位データを生成（Ｓ５）した後、演算手段２２に出力する。
演算手段２２は、送られてきた心電位データを、Ｒ−Ｒ間隔で計測（Ｓ６）すると共に、１分間の心拍数に換算する（Ｓ７）。換算された心拍数は、運動強度と共にメモリ２３に記憶される（Ｓ４）と共に表示部４に表示される（Ｓ８）。

これにより、使用者は心拍数を確認することができる。特に、ハウジング２が腕時計タイプであるので、使用者は必要なときに簡単に指をタッチ電極８に触れて心拍数の確認を行える。また、下面電極１０及びタッチ電極８による心電位に基づいて心拍数を計測するので、従来の光電脈波を検出するものとは異なり、体動ノイズの影響を受けることなく、運動中であっても高精度に心拍数を計測することができる。よって、使用者は、運動中であっても自身の心拍数を正確に把握することができる。また、使用者がタッチ電極８に触れたときだけ心拍数の計測を行うので、消費電力を極力抑えることができる。

また、表示部４には、心拍数と共に上述した運動強度も表示されるため、使用者は現在の運動量（運動負荷）が適正であるか否かを判断することができる。例えば、他人と同じ運動を行っているが、心拍数が高いので自分にとっては運動量が高く負荷が大きい運動である等、客観的に判断することができる。このように、運動強度と心拍数とを関係付けながら、身体状態を監視することができ、運動負荷が個々人に適しているか否かの評価を簡単に行うことができる。また、演算された運動強度及び心拍数は、メモリ２３に記憶されているので、過去の身体状態を確認することも可能である。

また、演算手段２２は、演算した運動強度及び心拍数を互いに相関付けてグラフ表示するための演算を行う（Ｓ９）と共に、演算結果を表示部４に送る。表示部４は、これを受けて運動強度と心拍数とを相関付けたデータを計測時間毎にグラフ表示する（Ｓ１０）。これにより、使用者はグラフから心肺機能の推移を一目で確認することができる。例えば、同じ運動強度なのに、心拍数が徐々に低下若しくは増加している等を確認することができる。

また、演算手段２２は、演算した運動強度から歩数をカウントするための処理として、運動強度をゼロクロスデータに変換処理する（Ｓ１１）。これは、スカラ量データから０．５ＨｚのＬＰＦ処理を行ったデータを減算して求め、スカラ量の平均をゼロレベルにスライドさせる処理である。そして、演算手段２２は、この処理を行った後に、スカラ量の変化曲線がゼロラインとクロスする回数をカウントするゼロクロス計数を行う（Ｓ１２）。つまり、ここで運動強度が周期性を持つ場合には、運動の周波数が求まる。

次に、演算手段２２は、運動強度を予め設定してある閾値と比較することで、運動の種類を判断して分類する（Ｓ１３）。例えば、運度強度が閾値より低い場合には、使用者が座っている等の静止状態だと判断し、閾値よりも高い場合には、使用者が歩行中若しくは走行中であると判断する。そして、演算手段２２は、判断した結果、歩行中若しくは走行中であると判断すると、ゼロクロスデータから運動強度の変化具合を読み取って、歩数計数を開始（Ｓ１４）させると共に、歩数を表示部４に表示させる（Ｓ１５）。これにより、使用者は、実際に歩いている若しくは走っているときの歩数を、正確に知ることができる。

また、この歩数の元となるゼロクロスデータは、計測時刻データ（タイムスタンプ）と共にメモリ２３に記憶される（Ｓ４）。そして、演算手段２２は、閾値と比較することで判断した運動の種類、歩数、計測時間から消費エネルギーの演算を行う（Ｓ１６）と共に、演算した消費エネルギーを表示部４に表示させる（Ｓ１７）。
特に、単に歩数から消費エネルギーを演算するのではなく、長時間に亘って刻々と変化する運動の種類を考慮して演算を行うので、使用者は正確な消費エネルギーを知ることができる。

この際、使用者が予め入力手段７により、様々な演算条件及び判断条件のパラメータ、例えば、年齢、性別や体重等の個人データを入力しておくことで、より正確な消費エネルギーを演算することができる。

また、演算手段２２は、演算した心拍数が予め設定された範囲内であるか否かを判断して、範囲外であると判断したときに、その旨を使用者に音声で知らせる報知判断（Ｓ１８）を行う。また、この際、演算手段２２は、運動の種類を判断した結果、歩行又は走行していると判断したときだけ報知（Ｓ１９）を行う。この報知判断について、以下に詳細に説明する。

まず、図６に示すように、使用者は入力手段７により予め心拍数報知条件、即ち、心拍数の上限値及び下限値を入力して、心拍数の適正範囲を設定しておく（Ｓ２０）。この条件の下、演算手段２２は演算した心拍数が、適正範囲内であるか否かの判断を行う（Ｓ２１）。その結果、範囲内であると判断した場合には、報知を行わない（Ｓ２２）。一方、心拍数が範囲外であると判断した場合には、運動強度が閾値以上であるか否かを判断する（Ｓ２３）。

判断結果、運動強度が閾値以下であると判断した場合には、報知を行わない（Ｓ２２）。つまり、運動以外の理由で心拍数が上がったものと判断して報知を行わない。例えば、座った状態で作業をしているときに何らかの原因により心拍数が増加した場合や、食事中に心拍数が増加した等の場合には、報知を行わない。
一方、運動強度が閾値以上であると判断した場合には、実際に運動を行っていると判断して、音声出力部２４に信号を出力する。音声出力部２４は、この信号を受けてアラーム等の音を鳴らしてその旨を知らせて報知する（Ｓ１９）。
これにより、使用者は現在の運動の過不足を客観的且つ速やかに知ることができる。特に、運動の種類に関連付けながら報知されるので、使用者にとって使い易い。

上述したように本実施形態の運動計測装置１によれば、小型化が可能であり、違和感なくて手軽に長時間装着して、運動状況を連続的且つ高精度に計測することができると共に、任意での心拍数計測を運動状況に関係なく高精度に行うことができる。その結果、身体状態を正確に監視することができる。
また、歩数や消費エネルギー等に関しても、正確に知ることができる。これにより、例えば、１日の消費カロリーを連続計算することも可能である。従って、通勤通学や買い物等の僅かな移動時間や断続的な運動であっても、全体でどの程度の運動量になるのかを容易に計測することができる。
また、ハウジング２が水密構造とされているので、使用者が水泳中や入浴中であっても、計測を行うことができる。よって、使用範囲を広げることができ、使いや易さが向上する。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、心拍数の計測は任意に行うものであるが、その操作を促すように、例えば、運動中の適当な間隔で音声出力部から警告音を出しても構わない。このようにすれば、消費電力の低減を図ることができる。
また、報知手段として音声出力部を備え、音声により使用者に報知を行ったが、音声に限られるものではない。例えば、ハウジングを振動させて使用者に報知したり、光りを発して使用者に報知したりするように報知手段を構成しても構わない。

また、運動中の心拍数のデータを長期間保持し、運動負荷に対する心拍数の関係を使用者毎に自動学習するようにプログラミングしても構わない。こうすることで、より精度の高い結果を表示することができる。

（実施例）
次に、実際に実験を行ったデータに基づいて、上記実施形態についてより具体的に説明する。
図７は、静止状態、歩行状態及びランニング状態の３つの運動状態において、運動計測装置１により運動強度（運動量）と脈拍数（心拍数）とを時間の経過と共にそれぞれ計測した結果を示すグラフである。この図７に示すように、静止状態から歩行状態、歩行状態からランニング状態といったように、体に負荷がかかる運動状態に移行するにつれて運動強度及び脈拍数が増加していることが正確に確認できた。また、静止状態を除く歩行状態及びランニング状態のそれぞれにおいて、時間の経過と共に脈拍数が増加していることが正確に確認できた。
なお、この図７に示すグラフは、表示部４に表示されるので、使用者は心肺機能の推移を一目で確認することができ、身体状態を正確に監視することができる。

ここで、静止状態から歩行状態に実際に移行した際の運動強度とゼロクロス信号とを、時間の経過と共に演算手段２２がそれぞれ演算した結果を図８にグラフとして示す。なお、この図８において、上段のグラフが運動強度を示し、下段のグラフがゼロクロス信号を示している。また、運動強度１０未満が静止状態、運動強度１０以上が歩行状態と判断するように、予め演算手段２２の閾値を設定している。
実際に測定開始から３秒間静止した後、歩行した結果、図８に示すように、その旨が正確にデータとして計測できたことを確認することができた。即ち、運動強度が３秒間までは閾値である１０未満であり、３秒経過した後、閾値を越えるように推移していることが確認できた。

また、図８に示すゼロクロス信号は、演算手段２２が運動強度からデータ変換したものである。このゼロクロス信号に基づいて、実際に歩行した際の歩数を計測することができる。つまり図８に示す運動強度により、歩行状態は３秒から３５秒の間続いている。この間、ゼロクロス信号が“０”とクロスするゼロクロスポイントは、１１８ポイントである。従って、歩数の換算式（歩数＝クロスポイント／２）から、歩数＝１１８／２＝５９歩であったことを容易に確認することができる。即ち、３２秒間を歩数５９歩で歩行したことを確認することができた。

次に、図７に示す歩行状態において、歩行開始から約３１０秒経過した時点での心拍数計測を行った結果を図９及び図１０に示す。図９は、歩行中における手首と指との間の心電位波形を示す図であり、図１０は図９に示す心電位波形をＢＰＦ処理した後の心電位波形を示す図である。なお、使用者がタッチ電極８に１０秒間指先を接触させることで、心電位波形の測定を行った。但し、１０秒間に限られるものではなく、心拍数計測に必要な時間、即ちタッチ電極８に指先を接触させる時間を予め定めておけば、この時間は自由に設定して構わない。

図９に示すように、この心電位波形は、運動の影響で信号の変動が重畳されている。そこで、心拍数の計測に必要なＲ_ｎ−Ｒ_１間隔を正確に計測するために、不要なノイズをＢＰＦ（バンドパスフィルタ）：１０Ｈｚ−１５Ｈｚで抑圧すると図１０に示す心電位波形が得られる。
この図１０に示すように、Ｒ_ｎ−Ｒ_１のピークが揃った信号が得られるため、閾値を変更することなく計数を行うことができる。ここで、計数を行う閾値としては、心電位のＲ波の最大波高値（Ｒｍａｘ）の半分とした。計数は、エッジの立ち上がり間隔の時間を計測し、１分間の心拍数に換算する。この換算式を以下に示す。

なお、ＨＲは、１分間の心拍数である。また、Δｔは、Ｒ_ｎ−Ｒ_１間隔（計測時間中）である。また、ｎはＲの数である。
ここで、上記式に基づいて図１０に示す心電位波形から心拍数を算出すると、ＨＲ＝６０／（９．５２−０．２６）×（１６−１）＝９７．１（拍／分）となり、四捨五入して９７（拍／分）が得られる。このように、運動中であっても心拍数を正確に計測することが確認できた。

本発明の係る運動計測装置の一実施形態を示す、全体外観図である。 図１に示す運動計測装置のハウジング周辺を、斜め上方から見た外観図である。 図１に示す運動計測装置のハウジング周辺を、斜め下方から見た外観図である。 図１に示すハウジング内の概略構成を示すブロック図である。 図４に示す演算手段を主とした処理内容を示すフローチャートである。 図５に示すフローチャートの中の、報知判断の内容を示すフローチャートである。 実際に実験を行った実施例を説明するための図であって、運動強度と心拍数とを時間の経過と共に計測したグラフである。 実際に実験を行った実施例を説明するための図であって、静止状態から歩行状態に移行した際の運動強度とゼロクロス信号とを時間の経過と共に計測したグラフである。 実際に実験を行った実施例を説明するための図であって、歩行中における手首と指との間の心電位波形を示すグラフである。 実際に実験を行った実施例を説明するための図であって、図９に示す心電位波形をＢＰＦ処理した後の心電位波形を示すグラフである。

符号の説明

１ 運動計測装置
２ ハウジング（本体）
３ 固定手段
７ 入力手段
８ タッチ電極（第２の電極）
１０ 下面電極（第１の電極）
１１ 心電位検出手段
２０ ３軸加速度センサ
２２ 演算手段
２３ メモリ（記録手段）
２４ 音声出力部（報知手段）

Claims (8)

1. 本体と、
   該本体の下面を生体表面側に向けた状態で、該本体を腕に装着する固定手段と、
   ３軸方向にベクトルを持った加速度を検出する３軸加速度センサと、
   前記本体の下面に設けられて前記生体表面に接触する第１の電極と、前記本体に設けられ指を接触可能な第２の電極とを有し、心電位を検出する心電位検出手段と、
   前記３軸加速度センサにより検出された各方向の加速度をスカラ量に変換し、該スカラ量に基づいて運動強度を演算すると共に、検出された前記心電位に基づいて心拍数を演算する演算手段と、
   該演算手段による演算結果を記憶する記憶手段と、
   前記本体表面に設けられ、前記演算手段による演算結果を表示する表示部とを備えていることを特徴とする運動計測装置。
2. 請求項１に記載の運動計測装置において、
   前記表示部は、前記運動強度と前記心拍数とを相関付けたデータを、計測時間毎にグラフ表示することを特徴とする運動計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の運動計測装置において、
   前記演算手段は、前記運動強度と予め決められた閾値とを比較して運動の種類を判断すると共に、歩行又は走行していると判断したときに、運動強度の変化具合から歩数計測を開始することを特徴とする運動計測装置。
4. 請求項３に記載の運動計測装置において、
   前記演算手段は、前記運動の種類と計測した前記歩数と計測時間とから消費エネルギーを演算することを特徴とする運動計測装置。
5. 請求項３又は４に記載の運動計測装置において、
   信号を受信したときに、その旨を報知する報知手段を備え、
   前記演算手段は、演算された前記心拍数が予め設定された範囲内であるか否かを判断すると共に、範囲外と判断したときにその旨を報知するように前記報知手段に信号を出力することを特徴とする運動計測装置。
6. 請求項５に記載の運動計測装置において、
   前記演算手段は、前記運動の種類を判断した結果、歩行又は走行していると判断したときだけ前記信号を出力することを特徴とする運動計測装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の運動計測装置において、
   演算条件及び判断条件を入力可能な入力手段を備えていることを特徴とする運動計測装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の運動計測装置において、
   前記本体は、内部への液体の侵入を防止する水密構造とされていることを特徴とする運動計測装置。
   
   

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