JP4792657B2 - 運動強度検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば小型で携帯性に優れ、スポーツや運動療法を行うときに人体に装着できる脈波センサを用い、その脈波センサにより得られた脈波信号を利用して運動強度を検出することができる運動強度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、人間の運動中の状態を検出する方法として、カルボーネンの式等を用いて運動中の脈拍数を求め、この脈拍数により運動強度を求める方法や、血中の乳酸値を測定して運動強度を求める方法が知られている。
【０００３】
尚、カルボーネンの式とは、運動時の目標脈拍数を、下記式（１）にて規定したものであり、ここで、運動強度（Ｋ）は、通常４０〜５０％として計算する。
運動時の目標心拍数＝
｛(220−年齢)−安静時心拍数｝×運動強度Ｋ＋安静時心拍数・・（１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者のカルボーネンの式等を用いる方法の場合は、個人差が大きく精度が低いという問題があった。また、後者の血中の成分を用いる方法の場合は、採血を行うために、被測定者の苦痛を伴い、運動の最中の測定は困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、体調・体力などの個人差の影響が少なく、運動中でも容易に計測可能な脈波信号を用いて、精度良く運動強度を求めることができる運動強度検出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明は、新しく開発した高性能な脈波計（脈波センサ）を用いて、運動強度と脈波信号との関係を見い出したことにより、本発明に到ったものである。特に、以下に示す様に、運動限界における脈波の基線等の大きなゆらぎに関しては、全く知られていない新規なものであり、本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
【０００７】
（１）請求項１の発明の運動強度検出装置では、ゆらぎ検出手段により、（例えば脈波センサによって）測定された脈波信号に基づいて、多数の脈波信号からなる脈波列の変動である脈波信号のゆらぎを示すゆらぎ成分を検出し、運動強度検出手段により、脈波信号のゆらぎ成分に基づいて運動強度を求める。
詳しくは、脈波信号のゆらぎ成分として、脈波信号を周波数解析した０．０５〜０．２Ｈｚの範囲の周波数成分を求め、その周波数成分に基づいて、運動強度を検出する。
【０００８】
本発明者らの研究により、図２（ａ）に示す様に、運動強度が増加するにつれて、脈波信号の低周波のゆらぎ（同図では特に１１．５min以降に増大している）が現れることが解明されている。
この脈波信号のゆらぎ（従ってゆらぎ成分）とは、心拍に対応する１拍毎の脈波の変動ではなく、多数の脈波の信号（脈波列の信号）を各脈波より大きな波動状の信号として認識したものであり、通常は各脈波より低周波の信号である。このゆらぎは、例えば図２（ｂ）に拡大して示す様に、脈波信号の中央値である基線（同図の破線で示す脈波基線）などにより表すことができる。このゆらぎをＭＶＷと呼ぶ。
【０００９】
つまり、運動強度が増加すると、脈波信号のゆらぎの状態が変化するので、この運動状態とゆらぎの状態との関係を利用して、ゆらぎから運動強度を求めることができる。
詳しくは、脈波信号の（例えばＦＦＴによる）周波数解析を行うと、０．０５〜０．２Ｈｚの範囲内にて特徴のあるピークが得られる。後述する様に、このピークの程度を示す強度又はパワーＢは、本発明者らの研究により、図３に示す様に、運動強度が大きくなるほど大きくなることが分かっている。従って、脈波信号のゆらぎ成分として、脈波信号を周波数解析した０．０５〜０．２Ｈｚの範囲の周波数成分を求め、その周波数成分に基づいて、運動強度を検出することができる。
尚、前記ゆらぎ成分とは、ゆらぎの状態を示す値である。
【００１１】
（２）請求項２発明では、ゆらぎ成分に基づいて、運動強度が危険な運動の範囲の限界である運動限界に達したか否かを判定する。
前記図２に示す様に、運動強度が増加すると、脈波信号のゆらぎが増加するが、このゆらぎは血管の運動によって発生すると考えられる。つまり、血圧の調整が、もはや心臓の心拍数制御だけでは限界に達しているか或いは心臓の制御限界になったと考えられる。従って、例えば基線の過度のゆらぎにより、運動強度が危険な運動の範囲の限界である運動限界に達したと見なすことができる。
【００１２】
よって、本発明では、脈波信号に基づいて検出された運動強度に基づいて、運動限界に達したか否かを判定することができる。
（３）請求項３の発明では、脈波信号のゆらぎ成分として、脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分を用いる。
【００１３】
脈波信号のゆらぎの状態を把握する場合には、脈波信号の基線（各脈波の上下のピークの中央値をつないだもの：図２（ｂ）の破線参照）のゆらぎ成分や、脈波信号の包絡線（各脈波のピークをつないだもの：図２（ｂ）の一点鎖線参照）のゆらぎ成分を用いることができる。
【００１４】
尚、包絡線としては、上ピーク同士を結んだ上包絡線と下ピーク同士を結んだ下包絡線がある。
（４）請求項４の発明では、脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分が、所定の判定値以上となった場合には、運動強度が運動限界に達したと判定する。
【００１５】
例えば正常時（運動をしていない状態）の脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分を基準とし、その基準値に基づいて実験等により運動限界を示す判定値を設定しておく。
よって、測定されたゆらぎ成分が、その判定値以上となった場合には、運動限界ＭＤに達したと判定することができる。この運動限界ＭＤは、単なる運動強度最大を示す運動負荷最大（最大負荷限界ＭＣ）を超えた危険域である。
【００１６】
（５）請求項５の発明では、脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分として、脈波信号を周波数解析して得られる０．０５〜０．２Ｈｚの範囲の所定の周波数成分の強度又はパワーＢ（例えば０．１Ｈｚ近傍のゆらぎ成分を示すもの）を求め、この強度又はパワーＢの変化に基づいて、運動強度を検出する。
【００１７】
脈波信号の（例えばＦＦＴによる）周波数解析を行うと、基線又は包絡線のゆらぎ成分は各脈波に比べて低周波であるので、０．０５〜０．２Ｈｚの範囲内にて特徴のあるピークが得られる。
このピークの程度を示す強度又はパワーＢは、本発明者らの研究により、図３に示す様に、運動強度が大きくなるほど大きくなることが分かっている。従って、強度又はパワーＢに基づいて、運動強度を検出することができる。
【００１８】
（６）請求項６の発明では、ゆらぎ成分を示す周波数成分の強度又はパワーＢと脈波を示す周波数成分の強度又はパワーＡとの比Ｂ／Ａに基づいて、運動強度を検出する。
前記図３に示す様に、脈波信号の周波数解析を行うと、基線又は包絡線のゆらぎ成分と各脈波に対応したピークが得られる。
【００１９】
本発明者らの研究により、ゆらぎ成分に対応する強度又はパワーＢは、運動強度が大きくなるほど大きくなり、逆に、脈波に対応する強度又はパワーＡは、運動強度が大きくなるほど相対的に小さくなることが分かっている。
従って、脈波に対応する強度又はパワーＡとゆらぎ成分に対応する強度又はパワーＢとの比Ｂ／Ａに基づいて、運動強度を検出することができる。例えばこの比Ｂ／Ａが逆転した場合に、運動限界に達したと判定することができる。
【００２０】
また、本発明では、Ｂ／Ａを用いるので、脈波の個体差による影響を軽減でき、より精度の高い運動強度の検出を行うことができる。
（７）請求項７の発明では、脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分として、脈波信号を周波数解析して得られる０．０５〜０．２Ｈｚの範囲の所定の周波数成分を求め、この周波数成分の分布の変化に基づいて、運動強度を検出する。
【００２１】
本発明者らの研究により、ゆらぎ成分を示す周波数成分は、運動強度が大きくなるほど単一周波数成分となることが分かっている。従って、ゆらぎ成分を示す周波数成分の周波数分布の変化から、運動強度を検出することができる。
（８）請求項８の発明は、測定した脈波信号に基づいて、多数の脈波信号からなる脈波列の変動である脈波信号のゆらぎを示すゆらぎ成分を検出するゆらぎ検出手段と、脈波信号のゆらぎ成分に基づいて、運動強度を検出する運動強度検出手段と、を備えた運動強度検出装置であって、脈波信号のゆらぎ成分の実際の振幅ＤＢと、脈波の心拍成分の実際の振幅ＤＡとの比ＤＢ／ＤＡに基づいて、運動強度を検出する。
【００２２】
本発明者らの研究により、運動強度が大きくなると、脈波信号のゆらぎ成分の実際の振幅ＤＢが大きくなることが分かっている。この実際の振幅ＤＢとは、周波数解析によるゆらぎ成分のピークの強度ではなく、例えば図２（ｂ）に示す様な実際の信号列のゆらぎ成分の振幅ＤＢである。
【００２３】
従って、実際の振幅ＤＢを測定することにより、運動強度を検出することができる。この場合は、脈波信号の周波数解析を行わなくても済むので、演算処理の負担が軽減され、速やかに運動強度の検出を行うことができる。
尚、この場合は、上述したＦＦＴなどの周波数解析を行った場合に比べて、多少精度は落ちるかも知れないが、実用的には十分であり、速やかに演算結果が得られるという利点は大きなものである。
【００２４】
しかも、本発明では、両振幅の比ＤＢ／ＤＡを用いるので、脈波の個体差による影響を軽減でき、より精度の高い運動強度の検出を行うことができる。
【００２５】
尚、ここで、脈波の心拍成分の実際の振幅ＤＡとは、周波数解析による脈波を示すピークの強度ではなく、例えば図２（ｂ）に示す様な実際の個々の脈波の振幅ＤＢである。
【００３２】
（９）請求項９の発明では、運動強度の検出の際に、運動前の脈拍数に対する運動時の脈拍数の変化率に基づいた条件を加える。
上述した様に脈波信号のゆらぎ成分により運動強度を検出することができるが、運動強度が増加すれば脈拍数は増加するので、この脈拍数の条件を加味して判断することにより、運動強度の検出の精度を一層向上することができる。
【００３３】
例えば運動時の脈拍数が運動前の脈拍数の所定倍になった場合には、運動強度が増加したと考えられるので、この脈拍数の変化率に基づいた条件を加えることにより、より精度の高い運動強度の検出を行うことができる。
【００３４】
（１０）請求項１０の発明では、運動強度の検出結果を報知する。例えば光、音、無線などを利用して報知する。
従って、この報知された結果に基づいて、運動強度を弱めたり中止したりして、最適な状態で安全に運動を行うことができる。
【００４１】
尚、脈波センサを用いて、脈波を検出する場合には、その測定部位として、腕（手首甲、上腕）、額、こめかみ等が、装着性に優れており、ゆらぎ成分を好適に検出することができる
【００４２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の運動強度検出装置の実施の形態の例（実施例）について、図面に基づいて説明する。
（実施例１）
ａ）まず、本実施例の運動強度検出装置の基本構成について、図１に基づいて説明する。
【００４３】
図１に示す様に、本実施例の運動強度検出装置は、人体の例えば指や手首等に取り付けて使用される脈波センサ１と、この脈波センサ１から出力される測定結果に基づいて脈波を計測するとともに、その脈拍信号に基づいて運動強度に関する処理等を行うデータ処理装置３とを備えている。尚、前記脈波センサ１を取り付ける場所としては、指、手首、腕、額、こめかみ、すねなどが好ましい。
【００４４】
前記脈波センサ１は、発光素子（例えば発光ダイオード：ＬＥＤ）５と、その駆動回路７と、受光素子（例えばフォトダイオード：ＰＤ）９と、光を通過させる透明な窓１１とを備える、周知の光学式反射型センサである。
この脈波センサ１においては、発光素子５から人体に向かって光が照射されると、光の一部が人体の内部を通る毛細動脈に当たって、毛細動脈を流れる血液中のヘモグロビンに吸収され、残りの光が毛細動脈で反射して散乱し、その一部が受光素子９に入射する。この時、血液の脈動により毛細動脈にあるヘモグロビンの量が波動的に変化するので、ヘモグロビンに吸収される光も波動的に変化する。その結果、毛細動脈で反射して受光素子９で検出される受光量が変化し、その受光量の変化を脈波情報（例えば電圧信号）としてデータ処理装置３に出力している。
【００４５】
一方、前記データ処理装置３は、検出回路１３と、ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）１５と、マイクロコンピュータ１７とを内蔵するとともに、データを（マニュアル等により）入力するための入力部１９と、検出結果等を表示する表示部２１とを備えている。
【００４６】
このうち、検出回路１３では、脈波センサ１から得られた電圧信号を増幅し、ＡＤＣ１５では、検出回路１３から得られた電圧信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換する。
また、マイクロコンピュータ１７は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた電子回路であり、ＡＤＣ１５から得られたデジタル信号を処理するためのプログラムが記憶されている。つまり、脈波センサ１で検出された脈波信号を計測し、運動強度を検出するためのアルゴリズムに基づいたプログラムが組み込まれている。
【００４７】
ｂ）次に、前記運動強度を検出するための原理及び手順について説明する。
<1>＜脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎの利用＞
・本発明者らの研究によれば、運動強度の増加に伴って、脈波信号のゆらぎ（例えば脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ）が発生することが分かっている。
【００４８】
この基線等のゆらぎ（従ってゆらぎを示すゆらぎ成分）は、血管の運動によって発生すると考えられるが、これは血圧の調整が、もはや心臓の心拍数制御だけでは限界に達しているか或いは心臓の制御限界になったと考えられる。
図２にその実測値の例を示すが、運動強度の増加（この場合は持続時間の経過）に伴い、各心拍に対応した脈波よりもはるかに大きな波動である脈波信号（脈波列の信号）の基線のゆらぎ、即ち各脈波より低周波のゆらぎ成分が発生していることが分かる。また、同様に包絡線のゆらぎも発生していることが分かる。尚、図２（ｂ）は図２（ａ）の一部を拡大したものである。
【００４９】
従って、この脈波信号の基線等のゆらぎ成分によって、運動時の危険度、即ち運動強度が危険な運動の範囲の限界である運動限界ＭＤに達したか否かが分かるので、基線等のゆらぎ成分を運動強度を示すデータとして求めることにより、発作等の発生に対する警告や防止を行うことができる。
【００５０】
尚、前記ゆらぎを示す周波数（ゆらぎ成分）は、０．２５Ｈｚ以下の０．０５〜０．２Ｈｚの範囲内である。
・具体的には、脈波信号に対して（例えばＦＦＴによる）周波数解析を行うと、図３に示す様に、基線又は包絡線のゆらぎ成分と各脈波に対応した成分のピークが得られる。尚、図３（ａ）は安静時のデータであり、図３（ｂ）は限界運動時のデータである。
【００５１】
前記基線等のゆらぎ成分に対応する強度又はパワーＢは、運動強度が大きくなるほど大きくなり、逆に、脈波に対応する強度又はパワーＡは、運動強度が大きくなるほど相対的に小さくなる。
尚、前記強度又はパワーは、一般的に、周波数解析（ＦＦＴ）によって得られる値（周波数成分の大きさを示す値）であり、強度（Ｉ：インデンシティ）の２乗がパワー（Ｐ）である。
【００５２】
従って、脈波に対応する強度又はパワーＡとゆらぎ成分に対応する強度又はパワーＢとの比Ｂ／Ａに基づいて、運動強度を検出することができる。例えばこの比Ｂ／Ａが逆転した場合に、運動限界ＭＤに達したと判定することができる。
<2>＜脈拍間隔のゆらぎの利用＞
図４（ａ）に、脈波センサ１によって測定された脈波信号を示すが、各心拍に対応する脈波のピークが、ほぼ所定間隔毎に出力されていることが分かる。
【００５３】
図４（ｂ）は、この脈拍間隔、例えば脈波のピークと脈波のピークとの間隔（立ち上がりや立ち下がりの間隔でもよい）である時間（ｍ）を、時系列データとして並べたもの（脈波間隔信号）、即ち、測定開始からの経過時間における脈拍間隔を縦軸にとったものである。
【００５４】
この図４（ｂ）から、上述した<1>の（脈拍間隔ではない）脈波信号の基線等と同様に、脈拍間隔の時系列データも上下にうねっていること、即ち脈拍間隔がゆらいでいることが分かる。
従って、この脈拍間隔の時系列データに対して例えば周知のＦＦＴによる周波数解析を行い、０．１５〜０．４５Ｈｚの周波数帯域の成分を脈拍間隔ゆらぎ成分（ＨＦ成分）として取り出す。尚、この帯域の周波数成分を取り出す方法としては、ソフトやハードなどの例えばバンドパスフィルタなどを利用して行うことができる。
【００５５】
そして、運動強度が増加するに従って、このゆらぎを示すＨＦ成分が低下するという現象があるので、ＨＦ成分の変化から運動強度を求めることが可能である。
つまり、図５に、０．１５〜０．４５Ｈｚの平均脈拍間隔変動量（経時変化）を示すが、準備体操或いは軽く運動を始めた最初の３分間のゆらぎのＨＦ成分の平均値をＭＡ点とし、ＭＡ点の５０％をＭＢ点とすると、このＭＢ点が有酸素運動の限界（適正運動限界）にほぼ相当する。
【００５６】
尚、前記図５に示す０．１５〜０．４５Ｈｚの平均脈拍間隔変動量とは、脈拍間隔に対する（所定の時間Δｔにおける）例えば周知のＦＦＴによる周波数解析の結果から、０．１５〜０．４５Ｈｚの間の周波数成分のパワーの積分値（図６の斜線で示すＨＦ成分）を求め、この積分値を経過時間に伴ってプロットしたものである。つまり、図５は、ゆらぎを示すＨＦ成分が、運動強度によりどの様に変化するかを示している。
【００５７】
従って、前記ＭＢ点当たりまでが、適正運動領域であり、このＭＢ点を超えて低下した場合には、適正範囲外の無酸素運動領域とみなすことができる。
また、ＭＡ点の１０％をＭＣ点とすると、このＭＣ点は、これ以上脈拍を上げられない最大負荷状態と見なすことができる。
【００５８】
よって、前記ＭＢ点を超えて（即ち適正範囲を超えて）ＨＦ成分が低下した場合には、使用者に対して、運動強度の低減又は中止を促すことが好ましく、特にＭＣ点を超えて低下する場合には、限界状態であるので、そのことを警告する。更に、前述のＢ／Ａが（予め危険を示す値として設定された）所定値を超えた時は、危険として、即時に運動の休止を警告する。
【００５９】
ｃ）次に上述した原理及び手順にて行われる本実施例の制御処理、即ち運動時における運動強度の検出処理等について、図７のフローチャートに基づいて説明する。
図７に示す様に、まず、運動が開始されると、ステップ（Ｓ）１００にて、脈波の計測を開始する。具体的には、脈波センサ１からの信号を、データ処理装置３内に取り込み、デジタル信号に変換してからマイクロコンピュータ１７に入力する。
【００６０】
続くステップ１１０では、前記脈波センサ１からの（デジタル変換された）信号（脈波信号）から、脈波数を求める。また、脈拍間隔のデータに対してＦＦＴ等の周波数解析を実施し、脈拍間隔ゆらぎ成分であるＨＦ成分を求める。
続くステップ１２０では、前記ステップ１１０にて求めた脈拍数及びＨＦ成分を、表示部２１に表示する。
【００６１】
続くステップ１３０では、前記ＨＦ成分が適正な範囲（適正運動限界ＭＢに達しない適正運動範囲内）であるか否かを判定する。例えばＨＦ成分が適正運動限界を示すＭＢに到達したか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ１４０に進み、一方否定判断されるとステップ１５０に進む。尚、更に、ＨＦ成分が最大負荷限界を示すＭＣに到達したか否かを判定してもよい。
【００６２】
また、このステップ１３０では、前記適正運動限界ＭＢの判定や、最大負荷限界ＭＣの判定の際には、判定の精度を高めるために、脈拍数を加味して判定を行う。例えば安静時（運動前）の脈波数に対する今回の測定時（運動中）の脈拍数の変化率を求め、この変化率が所定値以上となった場合に、上述した判定が適正なものであるとする。
【００６３】
ステップ１５０では、前記ステップ１３０で適正運動範囲外と判定されたので、表示部２１に適正運動範囲外であることを表示する。また、ＨＦ成分が最大負荷限界を示すＭＣ点に到達した場合には、その旨を表示してもよい。
続くステップ１６０では、入力された目標運動強度に対し、適正運動範囲外であることをアラームにて報知し、ステップ２１０に進む。また、ＨＦ成分が最大負荷限界を示すＭＣ点に到達した場合には、アラーム音を変えて報知てもよい。
【００６４】
一方、ステップ１４０では、既に適正運動範囲内であると判定されているが、より正確に運動強度を検出するために、ＭＶＷを検出する。
このＭＶＷとは、前記<1>の基線（又は包絡線）のゆらぎ成分である。具体的には、脈波信号を周波数解析して得られる０．１〜０．２５Ｈｚの範囲内のゆらぎ成分である。
【００６５】
ここでは、ＭＶＷを示す値として、例えば前記図３に示す様に、（周波数解析してなる各ピークである）基線のゆらぎ成分の強度又はパワーＢと脈波の強度又はパワーＡとの比Ｂ／Ａを求める。
続くステップ１７０では、ＭＶＷが発生したか否かを判定する。即ち、危険領域である運動限界ＭＤに到達したことを示す様な値が検出された否かを判定する。
【００６６】
例えば、今回の運動時の基線のゆらぎ成分の強度又はパワーＢと脈波の強度又はパワーＡとの比Ｂ／Ａが、安静時のＢ／Ａに対して何倍に増大したかによって、運動限界ＭＤに達した否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ１８０に進み、一方否定判断されるとステップ１９０に進む。
【００６７】
また、このステップ１７０では、前記運動限界ＭＤの判定の際には、判定の精度を高めるために、脈拍数を加味して判定を行う。例えば正常時の脈波数に対する今回の測定時の脈拍数の変化率を求め、この変化率が所定値以上となった場合に、上述した判定が適正なものであるとする。
【００６８】
ステップ１９０では、ＭＶＷが発生したので、運動限界ＭＤの危険な運動状態に達したことを表示する。
続くステップ２００では、運動限界ＭＤに達したことをアラームにて報知し、ステップ２１０に進む。
【００６９】
一方、ステップ１８０では、前記ステップ１３０にて、適正運動範囲内であると判定され、且つ、ステップ１７０にて、運動限界ＭＤではないと判定されたので、適正運動範囲内であることを、表示部２１に表示する。
続くステップ２１０では、運動を継続するか否かを、マニュアル（人の操作）により入力部１９から入力された信号に基づいて判定する。ここで肯定判断されると前記ステップ１１０に戻り、一方否定判断されるとステップ２２０に進む。
【００７０】
ステップ２２０では、脈波計測を終了し、一旦本処理を終了する。
従って、上述した処理により、運動強度を精度良く検出して、運動をしている人に対して、適切な表示や指示などを行うことができる。
ｄ）次に、本実施例の運動強度検出装置におけるキャリブレーションの手法について、図８のフローチャートに基づいて説明する。
【００７１】
図８に示す様に、ステップ３００にて、入力部１９などを利用して、運動を行う人の年齢、性別、体重などの個人データを入力する。
続くステップ３１０では、運動メニューを選択する。例えば「１：健康増進」が選択された場合には、ステップ３２０にて、運動強度を３０％（即ち運動負荷最大の３０％）に設定する。一方「２：体力増強」が選択された場合には、ステップ３３０にて、運動強度を５０％（運動負荷最大の５０％）に設定する。
【００７２】
尚、ここで、運動負荷最大（ＭＣ）とは、その人が持っている心臓の制御限界と考えられる。この状態を超える負荷が加わること又はこの状態を長く維持することで、循環系が限界に達した場合には、それが血管が暴れ出す運動限界（ＭＤ）であり、危険な状態に入ったと考えられる。
【００７３】
続くステップ３４０では、安静時の脈波を計測する。
続くステップ３５０では、ウオーミングアップを開始する。
続くステップ３６０では、運動時の脈波の計測を開始する。
続くステップ３７０では、脈波数及びＨＦ成分を算出する。
【００７４】
具体的には、安静時と、ウオーミングアップ時（準備体操或いは軽運動）とにおいて、その脈拍数とＨＦ成分とを求める。
続くステップ３９０では、運動時の脈拍数及びＨＦ成分の範囲を決定する。
具体的には、個人データとどの様な運動をしたいかとの入力情報に基づいて、ウオーミングアップ時のデータと安静時のデータとから、脈波数の上昇の程度とＨＦ成分の下降の傾きを求め、その人個人の心肺機能にあった目標負荷時の脈拍数とＨＦ成分量と決定する。
【００７５】
続くステップ４００では、例えばスイッチ操作のミスなどによるエラーの有無を判断する。ここで「有り」の場合にはステップ４１０に進み、一方、「無し」の場合にはステップ４２０に進み。
ステップ４１０では、エラーの発生を表示部２１に表示し、前記ステップ３４０に戻る。
【００７６】
一方、ステップ４２０では、ウオーミングアップを終了し、一旦本処理を終了する。
本処理により、各個人の目的に対応した運動時の脈拍数及びＨＦ成分の適切な範囲を決定することができる。
【００７７】
ｅ）この様に本実施例では、脈波センサ１により、運動を行う人の脈波を測定し、その脈拍間隔の周波数解析を行って脈拍間隔ゆらぎ成分（ＨＦ成分）を算出し、ＨＦ成分に基づいて、運動強度が適正な運動範囲か否か判定している。
これにより、運動時に、その運動が適正な運動範囲（適正運動限界ＭＢ以内）であるかどうかが分かるので、適正な運動範囲でない場合には、その旨を報知することにより、運動を中止したり緩めることにより、常に最適な運動を行うことが可能になる。
【００７８】
更に、運動強度が最大負荷限界ＭＣに達した場合にも、その旨を報知することができるので、安全に運動を行うことができる。
特に本実施例では、運動時において、脈波信号に対して周波数解析を行って、上述した脈波の基線（又は包絡線）のゆらぎ成分を求め、そのゆらぎ成分に基づいて、運動強度が危険な状態を示す運動限界ＭＤに達したどうかを判定している。
【００７９】
これにより、運動強度が危険な状態であることが分かるので、運動強度が運動限界ＭＤに達した場合には、その旨を報知することにより、運動を中止したり緩めることにより、安全に運動を行うことができる。
また、本実施例では、脈拍数を加味して、運動範囲（適正運動限界ＭＢ、最大負荷限界ＭＣ）の判定や運動限界ＭＤの判定を行っているので、精度の高い判定を行うことができるという利点がある。
【００８０】
更に、本実施例では、ＭＶＷの発生の判定の際に強度又はパワーの比Ｂ／Ａを用いるので、脈波の個体差による影響を軽減でき、より精度の高い運動強度の検出を行うことができるという効果もある。
（実施例２）
次に実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００８１】
本発明者らの研究により、脈波の基線又は包絡線のゆらぎ成分を示す周波数（周波数解析によって得られたもの）は、運動強度が大きくなるほど単一周波数になることが分かっている。従って、そのゆらぎ成分を示す周波数分布の変化から、運動強度を検出することができる。
【００８２】
例えば脈波の基線のゆらぎ成分を示す周波数成分をモニタし、その周波数成分が所定の判定値以上に単一成分になった場合には、運動限界ＭＤに達したと判断することができる。
この場合には、例えば前記実施例１の図７のフローチャートのステップ１４０の処理を、脈波の基線のゆらぎ成分を示す周波数成分を検出する処理に変更し、ステップ１５０の処理を、その周波数が所定の判定値以上に単一成分になったか否かを判定する処理に変更することにより実現できる。
【００８３】
本実施例においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。
（実施例３）
次に実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００８４】
本発明者らの研究により、運動強度が大きくなると、前記図２に示す様に、脈波信号のゆらぎ成分の（周波数解析を行わない場合の）実際の振幅ＤＢが大きくなることが分かっている。従って、実際の振幅ＤＢから、運動強度を検出することができる。
【００８５】
例えば脈波の基線の実際の振幅ＤＢを求め、この振幅ＤＢと脈波の実際の振幅ＤＡ（例えば数個分の平均値）との振幅の比ＤＢ／ＤＡを求め、この振幅の比ＤＢ／ＤＡが所定の判定値以上となった場合には、運動限界ＭＤに達したと判断することができる。
【００８６】
この場合には、例えば前記実施例１の図７のフローチャートのステップ１４０の処理を、脈波の基線の実際の振幅ＤＢと脈波の実際の振幅ＤＡとの振幅の比ＤＢ／ＤＡを求める処理に変更し、ステップ１５０の処理を、その振幅の比ＤＢ／ＤＡが所定の判定値以上に高くなった否かを判定する処理に変更することにより実現できる。
【００８７】
尚、脈波の基線の実際の振幅ＤＢを求める方法として、各脈波の中央値から基線を算出してから、その基線の上ピークと下ピークとの間隔を求めればよい。
本実施例は、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、特に、脈波信号の周波数解析を行わなくても済むので、演算処理の負担が軽減され、運動時に速やかに運動強度の検出を行うことができるという利点がある。
【００８８】
また、本実施例では、判定の際に振幅の比ＤＢ／ＤＡを用いるので、脈波の個体差による影響を軽減でき、より精度の高い運動強度の検出を行うことができるという効果もある。
（実施例４）
次に実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００８９】
本実施例は、上記各実施例の運動強度の検出の手法を、生体負荷検出装置の環境負荷の検出に応用した例である。
具体的には、例えば高齢者や病人の入浴時に、測定対象者の脈波を検出し、その脈波を用いて、脈拍間隔ゆらぎ成分や脈波信号の基線（又は包絡線）のゆらぎ成分から、運動強度を検出する手法と同様にして環境負荷（即ち測定対象者に対して外部から加わる負荷）検出することができる。
【００９０】
つまり、運動負荷を環境負荷と見なして、同様な手法にて環境負荷を検出することができる。
従って、例えば運動負荷（環境負荷）が運動限界（環境負荷限界）に達した場合には、その旨を報知することにより、入浴等における循環系への過負荷による発作の検出や、心臓の異常（心不全等）の予知を行うことが可能である。
【００９１】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、前記実施例では、運動強度検出装置又は生体負荷検出装置について述べたが、本発明は、それらに限らず、上述したアルゴリズムに基づく処理を実行させるプログラムやそのプログラムを記憶している記録媒体にも適用できる。
【００９２】
この記録媒体としては、マイクロコンピュータとして構成される電子制御装置、マイクロチップ、フロッピィディスク（登録商標）、ハードディスク、光ディスク等の各種の記録媒体が挙げられる。つまり、上述した運動強度検出装置や生体負荷検出装置の処理を実行させることができるプログラムを記憶したものであれば、特に限定はない。
【００９３】
尚、前記プログラムは、単に記録媒体に記憶されたものに限定されることなく、例えばインターネットなどの通信ラインにて送受信されるプログラムにも適用される。
（２）また、前記運動強度検出装置や生体負荷検出装置は、脈波センサから得られた信号を、すぐそばにあるデータ処理装置に直接に入力する場合だけでなく、脈波センサからの得られたデータを例えばパソコン等の装置に入力し、そのデータを例えばインターネット等を利用して遠隔地にあるデータ処理装置に送信にして、運動強度や生体負荷の判定を行う場合に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１の運動強度検出装置の概要を示す説明図である。
【図２】 脈波信号を示し、（ａ）は脈波信号を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の脈波信号の一部を拡大して示すグラフである。
【図３】 脈波信号を周波数解析した結果を示し、（ａ）は安静時における周波数成分を示すグラフ、（ｂ）は限界負荷運動時における周波数成分を示すグラフである。
【図４】 脈波信号を示し、（ａ）は脈波波形を示すグラフ、（ｂ）は脈拍間隔の時系列データを示すグラフである。
【図５】 脈波間隔変動量を表すグラフである。
【図６】 脈波信号のＨＦ成分を示す説明図である。
【図７】 実施例１の運動強度を検出する処理を示すフローチャートである。
【図８】 実施例１のキャリブレーションの手法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…脈波センサ
３…データ処理装置
５…発光素子
９…受光素子
１７…マイクロコンピュータ
１９…表示部
２０…表示部

Claims (10)

1. 測定した脈波信号に基づいて、多数の脈波信号からなる脈波列の変動である脈波信号のゆらぎを示すゆらぎ成分を検出するゆらぎ検出手段と、
   前記脈波信号のゆらぎ成分に基づいて、運動強度を検出する運動強度検出手段と、
   を備えた運動強度検出装置であって、
   前記脈波信号のゆらぎ成分として、前記脈波信号を周波数解析した０．０５〜０．２Ｈｚの範囲の周波数成分を求め、該周波数成分に基づいて、前記運動強度を検出することを特徴とする運動強度検出装置。
2. 前記ゆらぎ成分に基づいて、前記運動強度が危険な運動の範囲の限界である運動限界に達したか否かを判定することを特徴とする前記請求項１に記載の運動強度検出装置。
3. 前記脈波信号のゆらぎ成分として、脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分を用いることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の運動強度検出装置。
4. 前記脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分が、所定の判定値以上となった場合には、前記運動強度が前記運動限界に達したと判定することを特徴とする前記請求項３に記載の運動強度検出装置。
5. 脈波信号の基線又は包絡線のゆらぎ成分として、前記脈波信号を周波数解析して０．０５〜０．２Ｈｚの範囲の所定の周波数成分の強度又はパワーＢを求め、この強度又はパワーＢの変化に基づいて、前記運動強度を検出することを特徴とする前記請求項３又は４に記載の運動強度検出装置。
6. 前記ゆらぎ成分を示す周波数成分の強度又はパワーＢと前記脈波を示す周波数成分の強度又はパワーＡとの比Ｂ／Ａに基づいて、前記運動強度を検出することを特徴とする前記請求項５に記載の運動強度検出装置。
7. 前記脈波信号を周波数解析した０．０５〜０．２Ｈｚの範囲の周波数成分の分布の変化に基づいて、前記運動強度を検出することを特徴とする前記請求項３又は４に記載の運動強度検出装置。
8. 測定した脈波信号に基づいて、多数の脈波信号からなる脈波列の変動である脈波信号のゆらぎを示すゆらぎ成分を検出するゆらぎ検出手段と、
   前記脈波信号のゆらぎ成分に基づいて、運動強度を検出する運動強度検出手段と、
   を備えた運動強度検出装置であって、
   前記脈波信号のゆらぎ成分の実際の振幅ＤＢと、前記脈波の心拍成分の実際の振幅ＤＡとの比ＤＢ／ＤＡに基づいて、前記運動強度を検出することを特徴とする運動強度検出装置。
9. 前記運動強度の検出の際に、運動前の脈拍数に対する運動時の脈拍数の変化率に基づいた条件を加えることを特徴とする前記請求項１〜８のいずれか１項に記載の運動強度検出装置。
10. 前記運動強度の検出結果を報知することを特徴とする前記請求項１〜９のいずれか１項に記載の運動強度検出装置。

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