JP4732527B2 - 呼吸判定装置 - Google Patents
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Description
呼吸は、生体データ(血圧,体温,皮膚温,脳波,脈波など)の中で、唯一自己コントロール可能なものであることから、例えば、呼吸をコントロールすることによって、ヨガ、気功、カイロプラクティック、あるいは座禅などの健康法として世の中に広がっている。また、呼吸法は胸式と腹式に分けられる。腹式呼吸は、ダイエットやボイストレーニングなどにも応用されている。
しかしながら、従来の技術では、生体電気インピーダンスから呼吸が胸式であるか腹式であるかを知ることができなかった。
そこで、本発明は、被験者の呼吸が胸式呼吸であるか腹式呼吸であるかを判定可能な装置を提供することを課題とする。
吸気と呼気とからなる呼吸を行うと、呼吸に寄与する部位の筋肉や臓器の生体電気インピーダンスが変化する。胸式呼吸と腹式呼吸とで同じように生体電気インピーダンスが増加減少する部位と、胸式呼吸と腹式呼吸とで生体電気インピーダンスの増加減少が反対となる部位とを含む部分を測定対象とすることで、1つの測定対象であっても腹式呼吸と胸式呼吸の判定が可能となる。
この補正には、例えば、生体電気インピーダンスの平均値で正規化する処理が含まれる。さらに、被験者の年齢、身長、体重、あるいは体脂肪率といった身体的特徴を示す指標を変数として、生体電気インピーダンスを補正してもよい。この場合には、個々人の内臓組織や腹部骨格筋、あるいは内臓脂肪や皮下脂肪の量などのバラツキの影響を受けにくくでき、より正確な判定が可能となる。
また、補正部は、吸気での相違を統計上のバランスに一致させるように補正し、判定部は呼気での相違を判定に用いるようにしてもよい。より具体的には、補正部は、測定された生体電気インピーダンスに補正係数を乗算して補正済の生体電気インピーダンスを生成する。この補正係数は、吸気における生体電気インピーダンスの変化が吸気における統計上の生体電気インピーダンスの変化と一致するように設定してもよい。
さらに、前記判定部は、前記差分生体電気インピーダンスを積分する積分部を備え、積分結果に基づいて、被験者の呼吸について腹式呼吸と胸式呼吸とを判定してもよい。
より具体的には、前記判定部は、前記測定部によって測定された前記第1生体電気インピーダンスの変化の周期から、吸気と呼気とからなる1呼吸のストローク期間を検知する検知部と、前記ストローク期間ごとに、前記第2生体電気インピーダンスが閾値以上となる第1の面積と前記差分が閾値以下となる第2の面積とを算出する面積算出部と、前記ストローク期間ごとに、前記第1の面積と前記第2の面積の差分を算出する差分面積算出部とを備え、前記差分面積算出部によって算出された差分面積に基づいて、被験者の呼吸について腹式呼吸と胸式呼吸とを判定することが好ましい。この発明によれば、呼吸の1ストロークを肺の動きを直接反映させた第1生体電気インピーダンスの変化に基づいて判別するので、1呼吸のストローク期間を正確に検知することができる。くわえて、呼吸パターンリズム誘導部によって音声や表示によって目標とする呼吸のパターンや呼吸リズムを報知する場合には、被験者の呼吸が誘導されることになるから、呼気及び吸気の1ストローク期間をより正確に検知することができる。さらに、腹式呼吸では、呼気時において腹部の生体電気インピーダンスが肺・呼吸筋の生体電気インピーダンス変化を打ち消す方向に変化する一方、胸式呼吸では、呼気時において腹部の生体電気インピーダンスがさほど変化しないので、差分面積によって、腹式呼吸の程度と胸式呼吸の程度を判定することが可能となる。
<1−1:生体測定装置の構成>
図1は、本発明の実施形態に係る生体測定装置1の構成を示すブロック図である。この生体測定装置1は、生体の状態を測定するものであるが、その機能の一部は、呼吸の種別や胸式呼吸の程度及び腹式呼吸の程度を判定する呼吸判定装置としての役割を担う。
生体測定装置1は、体重を測定すると共に装置全体の動作を管理する管理部100と、被験者の各部位の生体電気インピーダンスを測定する生体電気インピーダンス測定部200とを備える。管理部100は、体重計110、第1記憶部120、第2記憶部130、音声処理部140、スピーカ145、入力部150、並びに表示部160を備える。これらの構成要素は、バスを介してCPU(Central Processing Unit)170と接続されている。CPU170は、装置全体を制御する制御中枢として機能する。なお、CPU170は図示せぬクロック信号発生回路からクロック信号の供給を受けて動作する。また、各構成要素には図示せぬ電源スイッチがオン状態になると、電源回路から電源が供給される。
交流電流出力回路210は、制御プログラムで定められた周波数の交流信号を、制御プログラムで定められた実効値となるように基準電流Irefを生成する。基準電流検出回路220は、被測定対象に流れる基準電流Irefの大きさを検出して電流データDiとしてCPU170に出力するとともに、被験者(人体)に基準電流Irefを通電する。この場合、電極切換回路252は、電流電極X1〜X4の中から2つを選択して電流を供給する。
さらに、電位差検出回路230は、電圧電極Y1〜Y4の中から選択された2つの電圧電極の間の電位差を検出して電位差信号ΔVを生成する。A/D変換器240は電位差信号ΔVをアナログ信号からデジタル信号に変換し電圧データDvとしてCPU170に出力する。CPU170は電圧データDvと電流データDiとに基づいて生体電気インピーダンスZ(=Dv/Di)を計算する。
CPU170は、体重、各種の部位生体電気インピーダンス(例えば、上肢生体電気インピーダンス、下肢生体電気インピーダンス、体幹生体電気インピーダンス)、を演算し、かつ、各種の入出力、測定、演算等について制御する。なお、生体電気インピーダンスなどに基づいて、内臓脂肪/皮下脂肪、内臓脂肪量、皮下脂肪率、皮下脂肪量、全身の脂肪率、身体の各部位の脂肪率(上肢脂肪率、下肢脂肪率、体幹脂肪率など)を演算することもできる。
図5は、生体測定装置1の動作を示すフローチャートである。まず、入力部150における電源スイッチ(図示省略)がオンされると、図示せぬ電力供給部から電気系統各部に電力を供給し、表示部160により身長を含む身体特定情報(身長、性別、年齢など)を入力するための画面を表示する(ステップS1)。
続いて、入力部150から身長、性別、年齢等が入力されると、体重計110により体重が測定され、CPU170は体重を取得する(ステップS2)。
次に、呼吸解析の原理について説明する。図6は、体幹部の組織の概略を示す模式図である。この図に示すように体幹部の組織は、横隔膜によって上下に分けられている。上部には肺と内外肋間筋などの胸部骨格筋とが形成されている。一方、下部には内臓組織と内外腹斜筋・腹横筋や腹直筋などからなる腹部骨格筋が形成されている。
腹式呼吸及び胸式呼吸のいずれにしても、呼気時に横隔膜は上昇して肺が圧縮され、吸気時に横隔膜は下降して肺は伸長拡大する。胸式呼吸に無い腹式呼吸の特徴は、腹直筋や内外腹斜筋・腹横筋などの腹部呼吸筋の伸縮により内臓組織と伴に横隔膜を上下させる点にある。
筋肉や組織が動くと、対応する部位の生体電気インピーダンスが変化する。したがって、胸式呼吸や腹式呼吸の特徴を反映させた生体電気インピーダンスを測定することによって、被験者の呼吸の種別を特定することが可能となる。なお、一般の人の呼吸は、胸式呼吸と腹式呼吸が混在している。
なお、体幹上部の生体電気インピーダンスZbには、上肢骨格筋の生体電気インピーダンスZ5が含まれている。上肢骨格筋は、呼吸に直接的に寄与する筋肉ではない。したがって、計測中に上肢骨格筋が動くのは、計測精度の観点から望ましくない。本実施形態において被験者は、図2に示す測定装置の台座部20の上に立ち、左右の腕を下げた状態で30L及び30Rを握り計測を行う。このため、計測中に上肢骨格筋が動くことがないので、体幹上部の生体電気インピーダンスZbの変化分に着目すれば、呼吸に関係する生体電気インピーダンスの変化を精度良く検出することが可能となる。
次に、呼吸解析処理について2つの態様を説明する。
図9に、呼吸解析処理の第1態様の処理内容を示す。まず、CPU170は、ステップS3のインピーダンス測定処理で計測された体幹中部の生体電気インピーダンスZaと体幹上部の生体電気インピーダンスZbとを取得する(ステップS11)。例えば、体幹中部の生体電気インピーダンスZaと体幹上部の生体電気インピーダンスZbとは、図10に示すように変化する。
次に、CPU170は、差分ΔZを所定の閾値と比較し(ステップS13)、その比較結果に基づいて腹式呼吸及び胸式呼吸を判定する(ステップS14)。例えば、図11に示すように閾値REFを設定すると、腹式呼吸の呼気を検出することができる。図12に比較結果の比較結果信号DETをを示す。同図において、ローレベルの期間は腹式呼吸の呼気の期間である。したがって、短い周期で第1検出信号DET1のハイレベルとローレベルとが切り替わっている期間は腹式呼吸の期間であるといえる。一方、ハイレベルが長く続く期間は胸式呼吸の期間であるといえる。したがって、図12における期間Tfは腹式呼吸の期間であり、期間Tkは胸式呼吸の期間である。
したがって、差分ΔSは、被験者の呼吸に占める腹式呼吸、胸式呼吸の程度を示す指標である。よって、差分ΔSから、呼吸の種別や、その依存度などを判定することが可能となる。
ここで、表示部160には、図15に示すようにリアルタイムで、現状の呼吸が胸式呼吸か腹式呼吸のどちらの依存性が強いか(方向)とその大きさをバーグラフ表示してもよい。また、バーグラフ表示において、呼吸の深さをバーグラフで表示してもよい。また、例えば、図19に示すように、バーグラフ表示を時間変化させてもよい。この例では、差分ΔZ=0を基準として正方向を胸式呼吸、負方向を腹式呼吸とし、1呼吸ごとにバーグラフ表示を変化させている。これにより、被験者はリアルタイムで腹式呼吸と胸式呼吸との依存度の変化を知ることができる。
この例では、1つのバーがΔZ=0.5に相当している。ここで、胸式呼吸及び腹式呼吸の程度は5段階で表示される。胸式呼吸か腹式呼吸かの判定基準は、1段階では、判定不能(胸式呼吸とも腹式呼吸ともいえない)、2段階以上で、胸式呼吸又は腹式呼吸と判定するようにしてもよい。例えば、胸式呼吸及び腹式呼吸の段階がいずれも1以下であれば、判定不能となる。また、胸式呼吸の段階が2以上で腹式呼吸の段階が1以下の場合には、胸式呼吸と判定する。また、腹式呼吸の段階が2以上で胸式呼吸の段階が1以下の場合には、腹式呼吸と判定する。そして、胸式呼吸及び腹式呼吸の段階がいずれも2以上の場合には、完全呼吸と判定する。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下の変形が可能である。
(1)上述した実施形態では、バーグラフ表示を報知の一例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図20に示すように呼吸の深さを肺の模式図によって表示してもよい。この場合には、吸気の時間が長くなるにつれ肺の色つきの面積が拡大し、呼気の時間が長くなるにつれ肺の色つきの面積が減少する。これは、測定結果に基づいて表示してもよいし、あるいは、呼吸の指導情報として表示してもよい。
また、図16に示すように胸式と腹式の依存度を時間変化のグラフで表示部160に表示してもよい。図17に示すように呼吸の深さを胸式呼吸と腹式呼吸の依存度と共に表示してもよい。このように、時系列に腹式呼吸と胸式呼吸の割合変化を表示すると、呼吸法トレーニングのためのバイオフィードバック情報としての活用することができる。
さらに、腹式呼吸・胸式呼吸の割合変化に合わせて呼吸指導情報を表示することによって、指導情報と実測情報のずれを被験者に報知することができ、バイオフィードバックの効果をより一層高めることができる。例えば、呼気と吸気の大きさを図18に示すように表示してもよい。この例では、指導情報を点線で示し、実測情報を実線で示してある。
また、リアルタイムによる表示以外に、何周期かの計測区間のデータを解析して、腹式と胸式の(依存性)判定結果を表示してもよい。
くわえて、音声による呼吸法指導メッセージ(呼吸リズム等をの指導)やリラックス環境づくりのためのバックグラウンド音刺激(音声やミュージックや滝の音や鳥などの鳴き声とか)の組み合わせてもよい。
この場合には、耳電極を用いることによって、体幹上部の生体電気インピーダンスの測定について両腕計測ではなく片腕計測が可能となる。なお、耳電極を用いる場合には、イヤホンやヘッドホンに耳電極を組み込むことによって、音声等の音報知・音刺激との組み合わせが効果的である。
また、上述した実施形態では、立位での計測であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、便座での生体電気インピーダンスを計測するようにしてもよい。この場合には、便座や手摺に電極確保することができる。さらに、ポケッタブルやウェアラブルでのリラクゼーション姿勢(椅子座位等)で生体電気インピーダンスを計測するようにしてもよい。この場合には、マッサージチェアー等の手摺と足置き等に電極確保することができる。
さらに、入浴中の呼吸計測も可能である。この場合には、浴槽手摺部と浴槽底の御尻や足裏接触側面部に電極を設ける。浴槽内のお湯よりも、体幹の方が、生理食塩水でできているので電流通電が支配的になる。よって、入浴中にリラックスした状態で呼吸法のトレーニングを行うことができる。
くわえて、上述した実施形態の生体測定装置1に、血圧計の腕帯と手で握る等で接触させる血圧計を付加し、血圧計に電極配置して呼吸変化や腕の筋の緊張具合を血圧測定時の補正情報として活用してもよい。
また、上述した実施形態及び変形例において、計測される生体電気インピーダンスの変化は、計測区間の生体電気インピーダンスの平均値または、呼吸の中央値等を用いて正規化して用いてもよい。また、生体電気オンピーダンスの差分ΔZに腹式呼吸と胸式呼吸の相違が、補正前よりも大きく反映されるように、計測される生体電気インピーダンスを補正してもよい。この意味において正規化も補正の一態様である。被験者の年齢、身長、体重、あるいは体脂肪率といった身体的特徴を示す指標を変数として、生体電気インピーダンスを補正してもよい。これにより、体幹や上肢に分布する骨格筋分布等の体組成との関連情報を反映することができ、より、呼吸判別と呼吸の深さ(大きさ)の信頼性を上げることが可能となる。
120 第1記憶部
150 入力部
170 CPU
200 生体電気インピーダンス測定部
Claims (10)
- 肺と腹部とを含む部位について生体電気インピーダンスを測定する生体電気インピーダンス測定部と、
測定された前記部位の生体電気インピーダンスの時間変化に基づいて、被験者の呼吸について腹式呼吸と胸式呼吸とを判定する判定部と
を備える呼吸判定装置。 - 測定された前記部位の生体電気インピーダンスの時間変化は、呼気と吸気とからなる1呼吸ごとの周期性変化を有し、
前記判定部は、前記部位の生体電気インピーダンスを1呼吸の周期で積分し、積分結果を閾値と比較して、被験者の呼吸について腹式呼吸と胸式呼吸とを判定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の呼吸判定装置。 - 肺を含む第1の部位の第1生体電気インピーダンスと、腹式呼吸において前記第1生体電気インピーダンスの時間変化を打ち消すような変化を含む第2の部位の第2生体電気インピーダンスとを測定する生体電気インピーダンス測定部と、
前記第1生体電気インピーダンスの時間変化と前記第2生体電気インピーダンスの時間変化の相違に基づいて、被験者の呼吸について腹式呼吸と胸式呼吸とを判定する判定部と
を備える呼吸判定装置。 - 前記第1の部位は、肺を含み腹部を含まず、前記第2の部位は腹部を含むことを特徴とする請求項3に記載の呼吸判定装置。
- 前記判定部は、前記第1生体電気インピーダンスと前記第2生体電気インピーダンスの差分を差分生体電気インピーダンスとして算出する算出部を備え、前記差分生体電気インピーダンスの時間変化に基づいて、被験者の呼吸について腹式呼吸と胸式呼吸とを判定することを特徴とする請求項3又は4に記載の呼吸判定装置。
- 前記算出部は、
前記第1生体電気インピーダンスと前記第2生体電気インピーダンスとのうち少なくとも一方について補正する補正部を備え、
補正された前記第1生体電気インピーダンス及び前記第2生体電気インピーダンス、又は前記第1生体電気インピーダンスと前記第2生体電気インピーダンスのうち補正された一方と補正されていない他方の差分を前記差分生体電気インピーダンスとして算出する、
ことを特徴とする請求項5に記載の呼吸判定装置。 - 前記判定部は、前記差分生体電気インピーダンスを閾値と比較する比較部を備え、前記比較部の比較結果に基づいて、被験者の呼吸について腹式呼吸と胸式呼吸とを判定する、
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の呼吸判定装置。 - 前記判定部は、前記差分生体電気インピーダンスを積分する積分部を備え、積分結果に基づいて、被験者の呼吸について腹式呼吸と胸式呼吸とを判定する、
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の呼吸判定装置。 - 前記判定部は、被験者の呼吸について、腹式呼吸の程度と胸式呼吸の程度とを判定し、前記判定部の判定結果を報知する第1報知部を備えることを特徴とする請求項3乃至8のうちいずれか1項に記載の呼吸判定装置。
- 目標とする呼気のタイミング及び深さ、並びに目標とする吸気のタイミング及び深さを被験者に報知する第2報知部とを
備える請求項3乃至9のうちいずれか1項に記載の呼吸判定装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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