JP4210321B1 - 運動負荷量監視トレーニングマシン - Google Patents

Abstract

【課題】運動時の代謝状態を監視できる運動負荷量監視トレーニングマシンを提供する。
【解決手段】ヘモグロビン検出手段１１からの光強度データを用いて酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データを演算し、心拍検出手段１２からの心拍データから心拍数を演算し、演算で得た酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データと心拍数と入力された体重データと年齢データから運動時の負荷量あるいは代謝優位度あるいは脂質代謝速度あるいは脂質代謝量を演算する血中酸素濃度・代謝優位度演算部１３１１と、代謝優位度などのデータの変化に応じて利用者に与える運動負荷量を決定する運動負荷量決定部１３１２とを備えた運動負荷量監視装置と、利用者に運動負荷を与えるトレーニングマシンとからなる運動負荷量監視トレーニングマシン。
【選択図】図１

Description

本発明は、心拍数と筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を用いて、運動時の代謝状態を検出しこの代謝状態から運動負荷量を監視し制御する運動負荷量監視装置を備えたトレーニングマシンに関する。

静岡大学の庭山雅嗣准教授の論文によると、２つの波長のＬＥＤ（発光ダイオード）と、ＬＥＤからの距離の異なる２つのＰＤ（ホトダイオード）を設け、筋組織中を透過した透過光の強度により筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を測定することが可能であること、測定精度に影響を与える測定箇所の脂肪層の影響を補正することが可能であることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、同准教授は、空間分解ＮＩＲＳを用いた筋組織酸素濃度計測における誤差補正とその補正法として、筋組織の酸素濃度計測における種々の誤差要因を論理的・実験的に分析した結果、定量化には、脂肪層厚と筋組織の散乱係数の影響が主な誤差要因であることが示されたこと、ヘモグロビン濃度の絶対量に関しては、脂肪層厚と筋の散乱係数が大きく影響すること、これに対し、血中酸素飽和度すなわち血中酸素濃度を求めた場合、筋の散乱係数の影響は少なく、脂肪層厚の影響の補正により、定量性を大幅に向上できることを示唆している（例えば、非特許文献２参照）。

本出願人らは、被測定者の筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を演算するのに必要な前記筋組織を透過した光強度データを検出するヘモグロビン検出手段と、被測定者の心拍数を演算するのに必要なデータを取得する心拍検出手段と、被測定者の体重と年齢の入力手段を備え、前記光強度データから酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を演算し、この酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度と心拍数と体重と年齢から運動時の負荷量あるいは代謝優位度あるいは脂質代謝速度あるいは脂質代謝量を演算する主装置とからなる運動負荷量測定装置について、平成１９年７月１３日付けで特許出願（特願２００７−１８４３９７号）しており、平成２０年２月８日に登録（特許第４０７７０２４号）されている。

上記発明の運動負荷量測定装置は、健康維持を目的とした運動時に、運動負荷量を被測定者に知らせる運動負荷量測定装置において、筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度の割合と呼気ガスの呼吸商に相関があることを利用し、運動時の代謝優位度を常時観測して、長時間継続可能かつ脂質燃焼効率を高く維持できる運動負荷量を算出し、さらに運動強度を示す心拍数を同時に測定することで脂質代謝量を算出し、被測定者に知らせるものである。

ここで、代謝優位度とは、運動時に必要なエネルギーを、血液中の糖質から取り込むか、体内の脂質から取り込むか、の割合のことであり、代謝優位度から得られる脂質代謝割合と消費カロリーと脂質代謝速度の関係は、下記（１）式で示される。
脂質代謝速度 ＝ 消費カロリー × 脂質代謝割合 … （１）

以下、上記発明の運動負荷量測定装置の構成を、図３を用いて説明する。運動負荷量測定装置１０は、光学的に筋組織中のヘモグロビン濃度を検出するヘモグロビン検出部１１と、運動時の心拍を検出する心拍検出部１２と、ヘモグロビン濃度および心拍ならびに脂肪層厚などの各種データを用いて運動開始からの脂質代謝量および運動負荷量を演算し表示する主装置１３とから構成される。ヘモグロビン検出部１１と主装置１３および心拍検出部１２と主装置１３は、互いにケーブルなどの通信手段１５で接続される。

ヘモグロビン検出部１１は、筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を演算するのに必要な筋組織の光学的データを光学的手法によって取得するセンサーである。

ヘモグロビン検出部１１は、被測定者の主動筋あるいは運動負荷による影響を受けている筋肉（例えば、太もも）の筋組織内における酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度の演算に必要な筋組織中の光吸収を読み取る光学的測定器であり、異なる２波長（たとえば、７７０ｎｍ、８３０ｎｍ）の近赤外光を主動筋へ向けて発光する例えば２つのＬＥＤ素子からなる発光部１１１と、発光部１１１からそれぞれ異なる距離をおいて配置され発光部１１１からの近赤外光を受光する、例えばＰＤからなる第１の受光部１１２−１および第２の受光部１１２−２とを有している。ヘモグロビン検出部１１は、発光部１１１から波長７７０ｎｍと８３０ｎｍの光を順に主動筋のある部位（太もも）の表面に照射し、脂肪組織と筋組織を透過して２つの受光部１１２−１、１１２−２で検出した光量のデータ（データ数４）を主装置１３へ送出する。それぞれの受光部１１２−１、１１２−２で検出した光量（強度）は、発光部１１１と受光部１１２−１、１１２−２との距離によって異なっている。すなわち、発光部１１１から近い位置にある第１の受光部１１２−１には、筋組織より表面にある脂肪組織のみを通過した光が多く到達する。また、発光部１１１から離れた位置にある第２の受光部１１２−２には、脂肪組織および筋組織の両方を通過した光が多く到達する。筋組織中の酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの光の吸収特性は、それぞれ波長をパラメータとして異なっていることから、受光部ごとに受光した波長ごとの光の強度を検出して、それらの光強度データを例えば空間分解法などの手法を用いて演算処理することによって、筋組織中の酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの濃度をそれぞれ演算することができる。筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度は、運動の状態を示す指標となる。

心拍検出部１２は、心拍数の演算に必要な動脈の光吸収を読み取る光学的測定器であり、動脈によく吸収される波長の光を発光する例えばＬＥＤからなる発光部１２１と、それに対向して配置される例えばＰＤからなる受光部１２２とから構成され、例えば、洗濯はさみのような形状のクリップの２つの先端部に発光部１２１と受光部１２２を対向して配置する。例えば耳たぶをはさんで受光部１２２が検出する光量は血流の脈動によって変化する。心拍検出部１２は、血液の脈動によって変化する受光部１２２で検出した光量のデータ（データ数１）を主装置１３へ送出する。

主装置１３は、ヘモグロビン検出部１１からの光強度データに基づいて得た酸素化ヘモグロビン濃度データおよび脱酸素化ヘモグロビン濃度データと、心拍検出部１２からの光強度データに基づいて得た心拍に関するデータと、外部から入力されるヘモグロビン検出部位の脂肪層厚データおよび体重と年齢などの被測定者のプロファイルデータ（個人データ）から、脂質代謝量と運動負荷量と心拍数および代謝優位度を演算し、その結果を表示部に表示する演算処理・表示装置である。主装置１３は、演算処理部１３１と、表示部１３２と、記憶部１３３と、入力部１３４と、警報部１３５と、電源１３６とを有して構成される。主装置１３には、このほかに電源スイッチ、データの入力キー、セットキーなどが設けられる。

演算処理部１３１は、ヘモグロビン検出部１１からの光強度データと脂肪層厚データを用いて筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度データを演算して取得し、心拍検知部１２からの光強度データを用いて心拍数を演算して取得し、酸素化ヘモグロビン濃度データおよび脱酸素化ヘモグロビン濃度データと、心拍数データと、体重と年齢などの個人データ（個人プロファイルデータ）などを用いて、運動中の脂質代謝量と運動負荷量および代謝優位度を演算して取得する手段である。運動中の代謝優位度を取得することによって、被測定者は、脂質代謝の優位を保つために運動負荷をかけすぎないように運動量を調整し、運動を継続する。運動負荷が過大になり、脂質代謝よりも糖質代謝が優位になった状態を一定時間継続した時には、演算処理部１１１は、警報部１３５から警報を発するように働く。

消費カロリーは、心拍数データおよび被測定者の体重データと年齢データから得られる。代謝優位度および脂質代謝割合は酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データから得られる。したがって、上記（１）式で示される脂質代謝速度は、心拍数データおよび体重データと年齢データと酸素化ヘモグロビン濃度データおよび脱酸素化ヘモグロビン濃度データから得ることができる。

表示部１３２は、液晶表示装置（ＬＣＤ）からなる表示装置を有しており、演算結果である脂質代謝量と運動負荷量と心拍数および代謝優位度などの代謝状態、データ入力時の年月日、時刻、年齢、性別、脂肪層厚、体重などの個人プロファイルのデータを表示する手段である。

記憶部１３３は、上記の演算などに使用する各種の演算式や、入力データ、演算処理した結果などを格納する手段である。

入力部１３４は、脂肪層厚データ、年齢、性別、体重などの外部からの個人プロファイルに関する各種データなどを入力する手段である。

警報部１３５は、脂質代謝よりも糖質代謝が優位になった状態を一定時間継続した時に警報音を発して被測定者に通知する手段であり、例えば、スピーカーで構成される。

電源１３６は、乾電池などの一次電池もしくは二次電池で構成され、主装置１３を動作させる電源であり、かつ、ヘモグロビン検出部１１および心拍検出部１２へ動作電力を供給する手段である。

上記運動負荷量測定装置１０の使用態様を説明する。まず、ヘモグロビン検出部１１を太もも（外側広筋）に接触させサポーターや包帯などで固定する。さらに、主装置１３を腰ベルト部に、心拍検出部１２を耳たぶにそれぞれ装着し、ヘモグロビン検出部１１および心拍検出部１２を、主装置３へ通信手段１５で接続する。

電源スイッチをオンにして電源を入れる。データ管理に必要な項目と、脂肪層厚を含む被測定者のプロファイル（年齢、性別、体重など）を、データ入力キーを操作して入力する。その後、主装置１３のセットボタンを操作して、運動開始前に、一定時間の安静状態の筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度および心拍数のデータを取得し演算処理して、主装置１３の記憶部１３２に記録する。一定時間経過すると運動中表示が点灯し、数値表示に０．０ｇがセットされ、計測を開始する。被測定者が測定を開始すると、代謝優位度表示に代謝優位度を表示する。

運動中、主装置１３の表示部１３２には、代謝優位度の指標である運動開始からの脂質代謝量、運動負荷量が常時表示される。

被測定者は、脂質代謝の優位を保つために運動負荷が過大にならないように調整し、運動を継続する。脂質代謝よりも糖質代謝が優位になった状態を一定時間継続した時には、主装置１３のアラームが鳴動し、被測定者に警告する。

各部間の信号のやり取りを説明する。主装置１３からヘモグロビン検出部１１へは制御信号と電源電圧が供給される。ヘモグロビン検出部１１から主装置１３へは、発光部１１１により照射された光のうち、脂肪組織および筋組織を透過して、２つの受光部１１２−１，１１２−２に検出された光量を示す電圧値（データ数：２波長×２箇所＝４）が送られる。主装置１３から心拍検出部１２へは、制御信号と電源電圧が供給される。心拍検出部１２から主装置１３へは、発光部１２１により照射された光のうち、耳たぶを透過して、対向して配置された受光部１２２に検出された光量を示す電圧値（データ数：１）が送信される。

演算処理部１３１は、外部から入力された脂肪層厚ならびに体重と年齢のデータと、ヘモグロビン検出部の受光部１１２−１，１１２−２、および心拍検出部１２の受光部１２２が読み取った電圧値のデータなどを用いて脂質代謝量と運動負荷量を演算し、演算結果を表示部１３２に出力する。

上記運動負荷量測定装置は、運動者の運動時の血中酸素濃度と運動者の脂肪層厚とを用いて代謝状態を測定するものであり、この装置をトレーニングマシンなどに適用することが示唆されている。

一方、筋力トレーニング、フィットネス、ダイエットエクササイズなどにおいて、トレーニングマシンとして振動台を有する機器によって身体に振動を与え脂肪を燃焼させる振動健康機が提案されている。このような振動健康機は、必要な運動量をその都度設定するか、一定のプログラムに従って運動量を変化させることが行なわれている。
「近赤外光を用いた筋組織酸素計測における脂肪層の影響とその補正」、医用電子と生体工学３６−１，４１／４８（１９９８）、庭山雅嗣外５名。 「空間分解ＮＩＲＳを用いた筋組織酸素濃度計測における誤差要因とその補正法」、脈管学４７−１，１７／２０（２００７）、庭山雅嗣外４名。

このようなトレーニングマシンでは、利用者の現実の代謝優位度の様子を知ることなく予め設定した運動量のパターンによって運動しており、例えばダイエットエクササイズなどでは、利用者の体力などに応じた効率的な代謝優位度や消費カロリーを得る運動を行なうことができない。

本発明は、運動時の糖質代謝と脂質代謝の割合、すなわち代謝優位度、脂質代謝量、運動負荷量を演算し取得できる運動負荷量監視装置をトレーニングマシンに一体化し、トレーニングマシンをより効果的に使用し、代謝優位度の維持やカロリー消費をより的確に行なえるトレーニングマシンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、利用者の筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を演算するのに必要な前記筋組織を透過した光強度データを取得するヘモグロビン検出手段と、利用者の心拍数を演算するのに必要なデータを取得する心拍検出手段と、利用者の脂肪層厚データと体重データと年齢データなどの個人プロファイルデータを入力する入力手段を備えるとともに、前記光強度データから酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データを演算し、前記心拍データから心拍数を演算し、演算で得た酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データと心拍数と入力された体重データと年齢データから運動時の負荷量および脂質代謝量あるいは代謝優位度あるは脂質代謝速度を演算する演算処理部とを有する運動負荷量監視装置と、利用者に運動負荷を与えるトレーニングマシンとからなる運動負荷量監視トレーニングマシンにおいて、前記運動負荷量監視装置は、利用者の目的にあった運動負荷量の遷移を設定したプログラムを格納するプログラム格納部と、前記光強度データから酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データを演算し、前記心拍データから心拍数を演算し、演算で得た酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データと心拍数と入力された体重データと年齢データから運動時の負荷量および脂質代謝量あるいは代謝優位度あるいは脂質代謝速度を演算する血中酸素濃度・代謝優位度演算部と、脂質代謝量あるいは代謝優位度もしくは脂質代謝速度のデータの変化に応じて利用者に与える運動負荷量を決定する運動負荷量決定部とを備えた。

本発明は、上記運動負荷量監視トレーニングマシンにおいて、前記トレーニングマシンは、振動健康機であり、前記運動負荷量を振動数によって制御されるものとした。

また、本発明は、上記運動負荷量監視トレーニングマシンにおいて、前記運動負荷量監視装置を前記トレーニングマシン本体に設け、前記ヘモグロビン検出手段および心拍検出手段と前記運動負荷量監視装置との間を通信手段により接続した。

さらに、本発明は、上記運動負荷量監視トレーニングマシンにおいて、前記運動負荷量監視装置は、トレーニングマシンを高い運動負荷で始動し、血中酸素濃度が予め設定した血中酸素濃度基準値を下回って安定した状態になった後、運動負荷量を減少させて脂質代謝優位の運動を継続するように動作する。

本発明によれば、健康維持を目的とした運動時に、筋組織中のヘモグロビン濃度と呼気ガスの呼吸商に相関があることを利用し、運動時の代謝優位度を常時観測して、長時間継続可能かつ脂質代謝効率を高く維持できる運動負荷量を算出し、さらに運動強度を示す心拍数を同時に測定することで、運動による脂質代謝量を算出し、長時間持続可能かつ脂肪代謝効率を高く維持する運動負荷量を設定することができ、脂質代謝効率を促進するよう効果的利用が可能なトレーニングマシンを提供することができる。

まず、本発明における、演算原理を以下に説明する。一般に、運動に必要なエネルギーは、糖質代謝と脂質代謝の両方によってまかなわれる。この時、長時間継続が困難な運動状態（無酸素運動：重負荷の運動）では、糖質代謝の割合が大きくなる。逆に長時間継続可能な運動状態（有酸素運動：軽負荷の運動）では、脂質代謝の割合が大きくなる。

運動の負荷を大きくすれば、消費カロリー（代謝量全体）が大きくはなるが、糖質代謝が優位となり、また疲労のため、継続して運動することができず、結果的に脂肪を燃焼させることはできない。逆に、運動の負荷が小さすぎると、脂質代謝が優位となり、効率は良いが、そもそも消費カロリーそのものが小さくなり、結果的に脂肪を多く燃焼させることはできない。

一定強度以上の運動を継続して実施すると、筋組織での酸素需要に対し、供給が追いつかず、酸素濃度が減少し、糖質代謝（無酸素運動）となる。血中酸素濃度の低下が収まった時点で、運動量を低下させると、筋組織は酸素需要と供給のバランスを元に戻す生理特性が働き、血中酸素濃度が増加し、被測定者に由来する基準値を超えると、脂質代謝が主要な代謝（有酸素運動）となり、脂質の代謝が進行し、最も効率よく脂肪を多く燃焼させることができる。

代謝状態と呼気ガスの関係を説明する。生体の代謝状態は呼気ガスから求められる。生理学の教科書「運動生理学、第６版」（Ｐ．Ｏ．オストランド、Ｋ．ラダール共著、浅野勝己訳、大修館書店、１９９０年５月１日発行）では、下記（２）式で示される呼気中の排出される二酸化炭素と摂取される酸素の比率（呼吸商）から代謝状態を定義している。
呼吸商 ＝ 呼気中の排出二酸化炭素量 ／ 摂取酸素量 … （２）

この呼吸商が、糖質代謝と脂質代謝の割合、すなわち代謝優位度を示している。上記呼吸商は、安静時は０．８５、糖質代謝優位では０．８５〜１．００、脂質代謝優位では０．７１〜０．８５であることが呼気ガス分析から得られている。

そして、呼吸商は酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度と相関を持っていることが実験的にわかっている。

すなわち、酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度の関係から呼吸商すなわち代謝優位度を得ることができる。

消費されるエネルギーから脂質代謝量を求めるためには、呼吸商から糖質代謝と脂質代謝の代謝割合を求め、脂質代謝割合に相当する消費エネルギーを脂肪量に換算することで、脂肪燃焼量が求まる。具体的には、被測定者（運動者）の体重と年齢と運動中の心拍数から消費カロリーを求めることができ、その消費エネルギーの代謝割合をヘモグロビン濃度の割合から求めることができるので、運動者の脂肪燃焼量を算出できる。

実験では、有酸素運動時の脂質代謝の割合が性差により変化することがわかっているため、性差も脂肪燃焼量の算出に用いることができる。

これらの演算式は、主装置１３の記憶部１３３に格納され、演算処理は、演算処理部１３１で行う。

上記説明では、ヘモグロビン検出部１１で取得した筋組織を通過した光強度データと脂肪層厚データを用いて、酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度のデータを取得したが、脂肪層厚データは脂肪層の存在による影響を少なくし測定精度を向上させるために用いており、測定精度が許容できる範囲であれば、脂肪層厚のデータを用いる必要はなく、ヘモグロビン検出部１１で検出した光強度データのみを用いて演算処理すればよい。この場合、演算処理部１３１で行う演算は、ヘモグロビン検出部１１で検出した光強度データのみを用いて行えばよい。

本発明にかかる運動負荷量監視トレーニングマシンの構成の一例を、図１を用いて説明する。本発明にかかる運動負荷量監視トレーニングマシン１は、検出部１００と、運動負荷量監視装置１３と、運動負荷量付与部１４と、通信手段１５とを有している。検出部１００は、ヘモグロビン検出部１１と、心拍検出部１２と、入出力インタフェース１０１を有している。入出力インタフェース１０１は、ヘモグロビン検出部１１および心拍検出部１２と、運動負荷量監視装置１３との間で電力や制御情報と検出データを送受信するインターェースである。

ヘモグロビン検出部１１は、図３に示したヘモグロビン検出部１１と同じ構成を有している。すなわち、異なる２波長（たとえば、７７０ｎｍ、８３０ｎｍ）の近赤外光を主動筋へ向けて発光する例えば２つのＬＥＤ（発光ダイオード）素子からなる発光部１１１と、第１の受光部１１２−１および第２の受光部１１２−２とを有している。

心拍検出部１２は、図３に示した心拍検出部１２と同じ構成を有している。すなわち、心拍検出部１１は、発光部１２１と、受光部１２２とを有している。

運動負荷量監視装置１３は、ヘモグロビン検出部１１で検出した光強度データと脂肪層厚に基づいて、酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データを得て、この酸素化ヘモグロビン濃度データおよび脱酸素化ヘモグロビン濃度データと心拍数および被測定者の体重データと年齢データから代謝優位度（血中酸素濃度：酸素飽和度）を演算する手段である。すなわち、前記運動負荷量監視装置１３は、利用者の運動中の血中酸素濃度をリアルタイムで演算し、この血中酸素濃度を用いて、時間とともに順次運動負荷付与量を決定してゆき、運動負荷付与量を運動負荷量付与部１４に出力する手段である。

運動負荷量監視装置１３は、血中酸素濃度や運動負荷量を演算する演算処理部１３１と、表示部１３２と、記憶部１３３と、入力部１３４と、警報部１３５と、入出力インタフェース１３８と、出力インタフェース１３８を有している。さらに、運動負荷量監視部１３は、このほかに、電源、電源スイッチ、データの入力キー、セットキーなどが設けられる。

演算処理部１３１は、血中酸素濃度・代謝優位度演算部１３１１と、運動負荷量決定部１３１２とを有している。

血中酸素濃度・代謝優位度演算部１３１１は、ヘモグロビン検出部１１からの光強度データと脂肪層厚データを用いて筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度データおよび脱酸素化ヘモグロビン濃度データを演算して取得し、心拍検知部１２からの心拍データを用いて心拍数を演算して取得し、酸素化ヘモグロビン濃度データおよび脱酸素化ヘモグロビン濃度データと、心拍数データと、体重データと年齢データなどの個人プロファイルデータなどを用いて、運動中の脂質代謝量と運動負荷量パターンおよび代謝優位度を演算して取得する。さらに、血中酸素濃度・代謝優位度演算部１３１１は、後述する使用態様における各種演算などの処理を行なう。

運動負荷量決定部１３１２は、運動中の利用者の代謝優位度を取得することによって、脂質代謝の優位を保つために運動負荷量を調整し、運動を継続させる。運動負荷量決定部１３１２は、運動負荷が過大になり、脂質代謝よりも糖質代謝が優位になった状態が一定時間継続したことを認識し、心拍数が利用者の年齢データから決定される最大心拍数の例えば６０％を越えると警報部１３５から警報を発するとともに、運動負荷量を減少させるよう生理特性を加味した遅れをもった比例制御をおこない、運動負荷量を減少させるよう運動負荷量付与部１４に指示する。さらに、運動負荷量決定部１３１２は、後述する使用態様における各種演算などの処理を行う。

表示部１３２は、トレーニングマシン１の利用者が運動中に見やすい位置に設けられたＬＣＤなどからなる表示装置を有しており、演算処理部１３１における演算結果である脂質代謝量と運動負荷量と心拍数および代謝優位度などの代謝状態、データ入力時の年月日、時刻、性別、脂肪層厚、体重などの個人データ、運動負荷量パターンの進行状況、カロリー消費量などを表示する手段である。

記憶部１３３は、運動負荷量を決定するために必要な年齢による最大心拍数や利用者の年齢データ、性別データ、体重データ、脂肪層厚データ、などの個人プロファイルデータ、利用者ごとに設定される血中酸素濃度基準値を格納する個人プロファイル・血中酸素濃度基準値格納部１３３１と、目的ごとに設定した運動負荷量の遷移をパターン化した運動負荷量パターンを格納する運動負荷量パターン（プログラム）格納部１３３２とを有している。さらに、記憶部１３３は、上記の各種演算などに使用する各種の演算式や、入力データ、演算処理した結果などを格納する。

入力部１３４は、脂肪層厚データ、年齢、性別、体重などの外部からの個人プロファイルに関する各種データなどを入力する手段である。

警報部１３５は、例えば、心拍数が利用者の年齢から決定される最大心拍数の例えば６０％を越えると警報音を発して利用者に通知する手段であり、例えば、スピーカーで構成される。

入出力インタフェース１３８は、通信手段１５を介してヘモロビン検出部１１および心拍検出部１２との間で検出情報や制御情報などを送受信するインタフェースである。この通信手段にはblue-toothなどの簡易無線通信手段を用いることも可能である。

出力インタフェース１３９は、運動負荷量決定部１３１２からの指示を、通信手段１５を介して運動負荷量付与部１４に出力するインタフェースである。

運動負荷量付与部１４は、例えば振動健康機の場合、振動数と振動幅が制御された振動を振動台から出力する手段であり、トレッドミルの場合は、ベルトの速度を制御して駆動する手段である。

上記の実施例では、心拍検出部１１として、耳たぶで心拍を検出する発光部１２１と受光部１２２を有する光学的心拍検出手段を用いたが、心拍検出部１２に用いる心拍検出手段としては、近赤外線を使用する、前腕部の脈動を常時検出する腕時計タイプの心拍検出手段、腕時計タイプだが指先を測定部に当てただけで測定するタイプ、胸に当てた胸ベルトで心筋が収縮するときに発生する生体電流を解析する方法、など様々な測定方法がある。本発明は、取扱いの容易さや装着感などを勘案して、これらの心拍検出手段を用いることも可能である。

また、軽度な運動状態の場合、ヘモグロビン検出部１１の発光部１１１と受光部１１２は心拍検出部１２の発光部１２１と受光部１２２としても機能できることが、実験的にわかっている。したがって、上記の実施例では、心拍数を検出する心拍検出部１２によって心拍数を検出しているが、ヘモグロビン検出部１１で検出した光強度データを用いて心拍数を演算することができる。この場合は、ヘモグロビン検出部１１または心拍検出部１２が双方の機能を兼ね備えることになる。

上記構成を有する運動負荷量監視トレーニングマシンの使用態様の一例を、図２を用いて説明する。図２は、本発明にかかる運動負荷量監視振動健康機における運動負荷量パターンの一例を示すもので、有酸素効果を得るためのシーケンスを示している。図２は、横軸に時間（分）を、縦軸に血中酸素濃度（％）および加振パターン（周波数：Ｈｚ）ならびに心拍数（Ｐｕｌｓｅ／ｍｉｎ）をそれぞれ示している。血中酸素濃度を実線で、加振パターンを点線で、心拍数を一点鎖線で示す。

まず、運動負荷量監視振動健康機の利用者は、自己の体重や年齢および性別などの個人プロファイルを入力部１３４から入力した後、ヘモグロビン検出部１１および心拍検出部１２を自己の身体に取り付け、各検出部と運動負荷量監視装置１３と通信手段１５で接続する。その後、利用者が振動を停止している振動健康機上に立ち、または腰を掛けると振動健康機は振動を開始する。その振動はそれから２分かけて５Ｈｚまで上昇する。演算処理部１３１は、ヘモグロビン検出部１１および心拍検出部１２からの情報を用いて血中酸素濃度を取得する。

その後、演算処理部１３１の運動負荷量決定部１３１２は、利用者のプロファイルデータなどを用いて、運動負荷量パターン格納部１３３２内から最適な運動負荷量パターンを選択し、この運動負荷量パターンを用いて振動台を制御する。例えばその後１分かけて２８Ｈｚまで上昇させてさらに１分３０秒間継続して２８Ｈｚで振動させ、利用者に無酸素運動を行なわせる。このとき、一時的に血中酸素濃度は上昇するが、この運動を継続することによって、血中酸素濃度は下降を開始する。この間の血中酸素濃度の最大値を血中酸素濃度基準値として、個人プロファイル・血中酸素濃度基準値格納部１３３１に格納する。ある時間が経過すると、血中酸素濃度は定常状態になり糖質代謝優位の状態となる。運動負荷量決定部１３１２は、現在の血中酸素濃度が血中酸素濃度基準値と比較してどれだけ下がったかの変位を計算し、個人プロファイル等によって決められた設定値を超えたことを検出すると、２８Ｈｚの振動状態を例えば４分間継続する。その後、運動負荷量制御パターンに従って振動数を１５Ｈｚに減少させて運動量を下げる。すると、血中酸素濃度は徐々に上昇し、やがて基準値を超えて脂質代謝優位の有酸素運動に移行する。

前記、振動による運動負荷を与えて無酸素運動を開始したとき、生体の生理現象として血中酸素濃度が短時間上昇する、このときの血中酸素濃度から、一定時間にわたり無酸素運動を継続しても血中酸素濃度の変位について、設定値以上の下降が検出出来ない場合は、さらに運動負荷量を増加させる様な制御機能を有する。

この後、運動負荷量決定部１３１２は、目的とする脂質代謝量と、利用者の体重や年齢および性別などのプロファイルデータ、運動負荷量パターンを用いて、有酸素運動を継続する時間を演算し、所望の運動量の脂質代謝を実行する。

運動負荷量パターンとその実行状態、運動に伴う脂質代謝の量を運動負荷量監視装置１３の表示部１３２に示すことによって、利用者は目的にあった運動を着実に実行していることを実感することができ、退屈な運動という感じを抱かないですむ。

本発明によれば、健康維持を目的とした運動時に、筋組織中のヘモグロビン濃度と呼気ガスの呼吸商に相関があることを利用し、運動時の代謝優位度を常時観測して、長時間継続可能かつ脂質代謝効率を高く維持できる運動負荷量を検出し、さらに運動強度を示す心拍数を同時に測定することで、運動負荷量と運動による脂質代謝量を検出し、これに基づいて振動健康機における最適な運動量を設定することができる。

このようにして、本発明によれば、利用者の目的に応じて、脂質代謝を行なう運動量を決定することができ、目的にあった効率的な運動を無理なくかつ退屈感なしに行うことができる。

上記の説明では、トレーニングマシンとして振動健康機を対象として説明したが、本発明は、トレッドミルやエアロバイクなどの、各種エクササイズ機器などに適用することができる。

本発明にかかる運動負荷量監視トレーニングマシンの構成を説明する図。 本発明にかかる運動負荷量監視トレーニングマシンの動作を説明する図。 本発明に用いる運動負荷量監視装置の構成を説明する図。

符号の説明

１：運動負荷量監視トレーニングマシン
１０：運動負荷量監視装置（運動負荷量検出装置）
１００：検出部
１０１：入出力インタフェース
１１：ヘモグロビン検出部
１１１：発光部
１１２：受光部
１２：心拍検出部
１２１：発光部
１２２：受光部
１３：運動負荷量監視装置（主装置）
１３１：演算処理部
１３１１：血中酸素濃度・代謝優位度演算部
１３１２：運動負荷量決定部
１３２：表示部
１３３：記憶部
１３３１：個人プロファイル・血中酸素濃度基準値格納部
１３３２：運動負荷量パターン格納部
１３４：入力部
１３５：警報部
１３８：入出力インタフェース
１３９：出力インタフェース
１５：通信手段

Claims (3)

1. 利用者の筋組織中の酸素化ヘモグロビン濃度と脱酸素化ヘモグロビン濃度を演算するのに必要な前記筋組織を透過した光強度データを取得するヘモグロビン検出手段と、利用者の心拍数を演算するのに必要なデータを取得する心拍検出手段と、利用者の体重データと年齢データを入力する入力手段を備えるとともに前記光強度データから酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データを演算し、前記心拍データから心拍数を演算し、演算で得た酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データと心拍数と入力された体重データと年齢データから運動時の負荷量および脂質代謝量あるいは代謝優位度あるいは脂質代謝速度を演算する演算処理部とを有する運動負荷量監視装置と、利用者に運動負荷を与えるトレーニングマシンとからなる運動負荷量監視トレーニングマシンにおいて、
   前記運動負荷量監視装置は、利用者の目的にあった運動負荷量の遷移を設定したプログラムを格納するプログラム格納部と、前記光強度データから酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データを演算し、前記心拍データから心拍数を演算し、演算で得た酸素化ヘモグロビン濃度データと脱酸素化ヘモグロビン濃度データと心拍数と入力された体重データと年齢データから運動時の負荷量および脂質代謝量あるいは代謝優位度あるいは脂質代謝速度を演算する血中酸素濃度・代謝優位度演算部と、脂質代謝量あるいは代謝優位度もしくは脂質代謝速度のデータの変化に応じて利用者に与える運動負荷量を決定する運動負荷量決定部とを備え、トレーニングマシンを高い運動負荷で始動し、血中酸素濃度が予め設定した血中酸素濃度基準値を下回って安定した状態になった後、運動負荷量を減少させて脂質代謝優位の運動を継続するように動作させる
   ことを特徴とする運動負荷量監視トレーニングマシン。
2. 請求項１に記載の運動負荷量監視トレーニングマシンにおいて、
   前記トレーニングマシンは、振動健康機であり、前記運動負荷量は振動数によって制御されるものである
   ことを特徴とする運動負荷量監視トレーニングマシン。
3. 請求項１又は請求項２に記載の運動負荷量監視トレーニングマシンにおいて、
   前記運動負荷量監視装置を前記トレーニングマシン本体に設け、
   前記ヘモグロビン検出手段および心拍検出手段と前記運動負荷量監視装置との間を通信手段により接続した
   ことを特徴とする運動負荷量監視トレーニングマシン。

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