JPH0738885B2 - 筋持久力測定装置とその筋持久力測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は筋持久力を主体にして体
力を測定する装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】運動生理学に基礎を置いた体力基準のう
ち全身持久力（または有酸素性体力）を主体にした体力
基準には最大酸素摂取量（ＶＯ2max）が広く用いられて
いる。しかし最大酸素摂取量の実測は生体をオールアウ
トに追い込むためかなりの危険が伴い安全とはいいがた
い。他方、特公平１ー４２６９４号は、生体の負担を少
なくし、測定が安全に終了するように、日本人の平均的
推定最大脈拍値であるＨＲmax を基準にしてその７５％
の脈拍（７５％ＨＲmax ）でテストを終了することを開
示している。この場合７５％ＨＲmax における負荷値を
推定値として用い、実測最大酸素摂取量との相関に基づ
いてその実用性を見出している（この負荷値をＰＷＣ７
５％ＨＲmaxと呼ぶ。「ＰＷＣ７５％ＨＲmax の全身持
久力性の評価尺度としての妥当性の検討」、Ｊ．Ｊ．ｏ
ｆ Ｓｐｏｒｔｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ、第３巻、７号、５
５９〜５６２ページ、昭和５９年７月１５日）。しかし
ＨＲmax は全体の平均的推定値であるという点、また脈
拍数の測定のみでは心臓の負担度（心筋の酸素摂取量で
表わす）は正確に把握できない等の不都合があった。と
くに個人のＨＲmax のバラツキと全体の推定ＨＲmax と
に誤差が生じやすいというきらいがあった。

【０００３】そこで最近は個人の全身持久力の６０％程
の負担度で実測しようとする傾向があり、とくにＡＴ
（無酸素性作業閾値）やＶＴ（換気性作業閾値）、ＬＴ
（乳酸性作業閾値）等が用いられる。しかし実測のため
推定による誤差の問題は回避できる反面、ＶＴは呼気ガ
ス分析、ＬＴは採血が伴い容易に実施できるとは言い難
い（「運動負荷テストと評価法」、谷口興一他、南江
堂、「ＡＴの話」山本義春他、ブックハウスＨＤ）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の事情を
考慮してなされたものであり、生体への負担が少なく、
しかも呼気ガス分析や採血を伴わずに全身持久力を測定
できる筋持久力測定装置および方法を提供することを目
的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は以上の目的を達
成するために、自転車エルゴメータでランプ負荷を生成
し、この間の被験者の生体情報を測定し、負荷変化にと
もなう生体情報の値の変曲点を求め、この変曲点の負荷
の値を筋持久力の評価値とするようにしている。生体情
報としては、収縮期血圧と脈拍数との積、脈派振幅、脈
派微分値、脈派振幅の時間波形信号、収縮期血圧、拡張
期血圧、平均血圧、心拍数、心電位振幅、心電位振幅の
時間波形信号およびこれらの組合せからなるグループか
ら選択できる。より具体的例では心筋のＶＯ2maxと相関
の高い心拍数と収縮期血圧との積（ＰＲＰ：Ｐｒｅｓｕ
ｒｅ Ｒａｔｅ Ｐｒｏｄｕｃｔ）を、心臓の負担度の
指標として利用し、その変曲点から持久力を算出するよ
うにしている。

【０００６】生体情報の変曲点は運動時における血中カ
テコールアミン（アドレナリンおよびノルアドレナリ
ン）の関係および血管の収縮との関係、血中カテコール
アミンの急増点がＶＯ2maxの５０％であること等の関連
があり（「運動生理生化学」培風館、山田他、ｐｐ２１
７〜２２２）、また運動中発生する乳酸との関連でその
近辺に閾値が存在することがＬＴ、ＶＴとの関連から解
明されており（「運動負荷テストのモニタリングを考え
る」、田中宏暁、第４５回体力医学会、ワークショップ
予稿集Ｐ１０２）、この変曲点を持久力測定評価に用い
ることの有効性が裏付けられている。

【０００７】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照して
説明する。まず本発明の体力測定装置の第１の実施例に
ついて説明しよう。図１は、この実施例の体力測定装置
の全体およびその利用態様を示しており、この図におい
て、体力測定装置は自転車エルゴメータ本体１、カフ２
および脈拍センサ３からなっている。自転車エルゴメー
タ本体１は負荷生成部４、ペダル５、ハンドル６、サド
ル７、コントロール・ボックス８およびプリンタ９から
なっている。負荷生成部４は通常のものと同様に重り方
式、ベルト摩擦方式または電磁ブレーキ方式で負荷を生
成するものであり、ランプ負荷（負荷が時間の経過とと
もに漸増する）を生成できるようになっている。好まし
くは、この負荷生成部４に定ワットコントロール（ペダ
ルの回転数Ｎが変化してもトルクＴを制御して負荷Ｗ＝
Ｎ×Ｔが目標値（ランプ値）に保持される）のものを用
い、負荷を安定に供給する。

【０００８】図２はコントロール・ボックス８およびプ
リンタ９を詳細に示すものである。図２においてコント
ロール・ボックス８の上面には「筋持久力」、「脈
拍」、ペダル「回転数」、「負荷」の状態、「年齢」お
よび「性別」を表示する表示部８ａ〜８ｈが設けられ、
また「負荷」の状態、「年齢」および「性別」を選択す
るスイッチ８ｉ〜８ｏが設けられている。プリンタ９は
測定データを印字するとともに、メモリ・カード１０を
用いた入出力を行なえるようになっている。

【０００９】図３はコントロール・ボックス８の内部回
路構成を示すものであり、この図において、コントロー
ル・ボックス８の主たる機能はマイクロコンピュータ１
１によって実行されている。まずマイクロコンピュータ
１１は「負荷」の状態、「年齢」および「性別」のスイ
ッチ８ｉ〜８ｏから入力データを受け取り、またはメモ
リ・カード１０からデータを受け取り（図２では図示し
ない）、どのようなランプ負荷を生成するかを決定す
る。そしてマイクロコンピュータ１１は回転数検出回路
１２からブレーキ負荷ユニット１３の回転数データＮを
受け取り、所望の負荷（Ｗ＝Ｎ×Ｔ）を発生させるトル
クを指示するデータをブレーキ負荷ユニット１３にＤ／
Ａ変換器１４を介して供給する。このようにして被験者
に応じたランプ負荷が生成される。

【００１０】またマイクロコンピュータ１１は先の入力
データ（とくに年齢および性別）から測定継続時間を算
出するようになっている。測定は脈拍値が推定ＨＲmax
の７５％になるまで継続される。この測定継続時間の算
出には一般に知られている、日本人の推定ＨＲmax を用
いた。これは男性でＨＲmax ＝２０９−０．６９×年
齢、女性でＨＲmax ＝２０５−０．７５×年齢で表わさ
れている。

【００１１】他方カフ２からの血圧データは血圧検出基
板ユニット１５に供給され、このユニット１５により収
縮期血圧が検出され、マイクロコンピュータ１１に供給
される。また脈拍センサ３からの光電変換データは光電
脈波検出回路１６に送られ、これに基づいて脈拍が検出
され、マイクロコンピュータ１１に送られる。マイクロ
コンピュータ１１は脈拍データおよび最大血圧データに
基づいてＰＲＰを算出し、さらにＰＲＰの負荷変化に対
する変曲点を検出し、この変曲点の負荷値を筋持続力と
する。

【００１２】またマイクロコンピュータ１１は表示部８
ａ〜８ｈにそれぞれ対応する表示を行なわせる。なお１
７はブザーである。体力を測定するときに、被験者はカ
フ２および脈拍センサ３を装着して自転車エルゴメータ
に乗り、メモリ・カード１０のセットまたはキー入力に
より年齢、性別およびランプ負荷の大きさを入力する。
ランプ負荷の大きさはたとえば低体力者用の６ｗ／分、
一般体力者用の１２ｗ／分、アスリート等高体力者用の
２４ｗ／分に切り変えられる。プログラム・スタートと
同時に負荷が漸増し、その間脈拍（または心拍）値、収
縮期血圧が１分毎または３０秒毎に測定される。そして
脈拍と収縮期血圧とからＰＲＰが算出される。

【００１３】図４の（Ａ）に示すようにＰＲＰは変曲点
を有し、この変曲点に対応する負荷を持久力の測定値と
する。なお図４は漸増率１２ｗ／分のランプ負荷を用い
た場合であり、（Ａ）がＰＲＰを負荷に対応して表わす
ほか、（Ｂ）がＰＲＰ、収縮期血圧（ＳＹＳ）、拡張期
血圧（ＤＩＡ）、脈拍（ＨＲ）を測定時間に関連付けて
表わし、また（Ｃ）が負荷およびペダル回転数を測定時
間に対応して表わしている。

【００１４】図５は実施例との比較を行なうために従来
の方法を例にとって示したものであり、階段負荷時のＰ
ＲＰ、収縮期血圧（ＳＹＳ）、拡張期血圧（ＤＩＡ）、
心拍を表わしている。この場合も負荷の増大に応じて、
心臓の負担度を表わすＰＲＰが途中で急激に変化するこ
とがわかる。しかし負荷が階段状に変化するためこの変
化点をリアルタイムでかつ正確に判別するのは困難であ
る。さらに負荷が急変すると被験者の体力に応じた酸素
負債が発生し、乳酸の蓄積を促し、足に負担がかかるこ
とが知られており、この点でも不都合である。

【００１５】つぎに変曲点検出手法について説明する。
変曲点は以下のようにして求められる。 （１）収縮期血圧の補間ステップ（図６） ＰＲＰは１秒毎に算出するが、収縮期血圧は３０秒また
は６０秒毎にしか測定しないので、これを直線補間して
１秒毎の値を求める。

【００１６】期間ΔＴ・（ｎ−１）〜ΔＴ・ｎのｋ測定
時刻（秒） （ｋ秒後がΔＴ・（ｎ−１）とΔＴ・（ｎ−１）の間に
入った場合の血圧は

【００１７】

【数１】

【００１８】となる。また実測血圧測定時刻はｋ＝ΔＴ
・ｎ （ｎ＝１〜）である。 （２）心拍数の移動平均化ステップ（図７） １秒毎の瞬時心拍数を＋−１０秒の範囲で移動平均す
る。

【００１９】

【数２】

【００２０】（３）ＰＲＰ算出ステップ（図８）

【００２１】

【数３】

【００２２】（４）変曲点前の直線の検出ステップ（図
９、１０および１１） ＰＲＰ／１００と負荷Ｗとから変曲点を検出する。ここ
でＰＲＰを１／１００にしているのは負荷ｗとの桁合わ
せのためである。変曲点を検出するためにまず変曲点以
前の直線を検出し、こののちＰＲＰがこの直線からずれ
る位置を変曲点とする。変曲点前の直線は生体情報が安
定する時点（以下起点と呼ぶ。この実施例では１２０秒
経過後）以降の１秒毎の瞬時のＰＲＰと、起点を通る所
定範囲の直線（図９のＹ1 、Ｙ2 、．．ＹF ．．で指示
される直線参照）との間の相関を求め、相関の高い直線
を変曲点前の直線として判別する。

【００２３】具体的には以下のようにして変曲点前の直
線を検出する。 （サブステップ１）Ｘ1 を決定する。Ｘ1 は１２０秒経
過時の負荷値（Ｗ）である。 （サブステップ２）Ｙ1 を決定する。Ｙ1 は１２０秒経
過時のＰＲＰ／１００の値である。 （サブステップ３）ＸUPを適当に決める（この実施例で
は１００に設定した）。 （サブステップ４）ＹUPを適当に決める（この実施例で
はＹ1 ＋２５０に設定した）。 （サブステップ５）ＰＲＰの平均値＜ＰＲＰ＞を求め
る。 （サブステップ６）点（ｘ1 ，Ｙ1 ）を通り傾きＢi の
直線を算出する。

【００２４】点（Ｘ1 ，Ｙ1 ）を基点にした直線を Ｙ＝Ａ＋Ｂ・Ｘ・・・・・・・・（式４） で定義すれば Ｂi ＝ｉ／（ＸUP−Ｘ1 ）・・・（式５） （ｉ＝１〜ＹUP−Ｙ1 ） Ａi ＝Ｙi −Ｂi ・Ｘ1 ・・・・（式６） Ｙi ＝Ａi ＋Ｂi ・Ｘ・・・・・（式７） （Ｘ＝Ｘ１〜Ｗｍａｘ、Ｗｍａｘは終了時負荷） により傾きＢi で点（Ｘ1 ，Ｙ1 ）を通る直線Ｙi を算
出できる（図９）。 （サブステップ７）ｉ（＝１〜ＹUP−Ｙ1 ）の各々につ
いて、直線Ｙi の近傍に位置するＰＲＰの瞬時値の個数
ｎi とそのｎi 個の瞬時値の平均値＜ＰＲＰi ＞を求め
る。近傍に位置するかどうかは閾値をたとえば＋−５と
して、 Ｙi （Ｘ）−５＜ＰＲＰ（Ｘ）＜Ｙi （Ｘ）＋５・・・・・（式８） が成立するかどうかから判別できる。 （サブステップ８）変曲点以降のＰＲＰも変曲点以前の
ＰＲＰと同様に多くフィットする直線Ｙi（図１１のＦ4
）を目標の変曲点前の直線の候補から外す。そうしな
いと正規の変曲点前直線（図１１のＦ3 ）にかわってＦ
4 が判別されるおそれがある。

【００２５】すなわち、まず測定時間ＴＭの半分をＴＭ
1/2 する。時間間隔ＴＭ1/2 〜ＴＭで式８が成立するＰ
ＲＰの個数をｎ1/2 とする。ｉの各々についてｎ1/2 が ｎ1/2 ＞ｎi −ｎ1/2 ・・・・・・（式９） のときｎi ＝０とする。後述のように最大のｎi の直線
が変曲点前直線の候補であるから、ｎを０にすればこの
直線は候補から外される。 （サブステップ９）目標の変曲点前直線を決定する。す
なわちｎi が最大でかつ ＜ＰＲＰi ＞ ＜ ＜ＰＲＰ＞ ・・・・・・（式１０） の直線Ｙi を目標の変曲点前直線ＹF とする。式１０は
直線Ｙiが変曲点より上のＰＲＰにフィットするときに
（図１０の直線Ｆ2 ）これを過って目標の直線とするこ
とを防ぐものである。 （５）変曲点検出ステップ 検出直線ＹF （Ｘ）により、負荷Ｘ＝Ｘ1 〜Ｗmax に対
して ＰＲＰ（ＸV ）＜ＹF （ＸV ）＋５・・・・・（式１１） の条件を満たす最大のＸV を体力評価値とする。

【００２６】以上で変曲点すなわち体力評価値の検出手
法の説明を終える。つぎにこの実施例の実験結果を挙
げ、その有効性を示す。図１２、図１３および図１４は
それぞれ低体力者、一般の体力者、高体力者のそれぞれ
のＰＲＰの変化おび変曲点（体力評価値）を示す。いず
れの場合にも有効に変曲点が求められている。また図１
６はさきの特公平１−４２６９４号の発明で求めたＰＷ
Ｃ７５％ＨＲによる全身持久力の評価値と、この実施例
の評価値との間の相関を示している。

【００２７】図から明らかなようにこの実施例の評価値
は有酸素性体力と高い相関を有し、その相関は０．９２
７４であった。以上説明したように説明したようにこの
実施例では自転車エルゴメータでランプ負荷を発生さ
せ、そのときの被験者のＰＲＰの変曲点を求め、この変
曲点の負荷値を体力測定結果としている。したがって生
体をオールアウトの状態に追い込むことなく、かつ間接
的な方法における推定式による誤差を招来することな
く、全身持久力の指標である最大酸素摂取量の実測値を
得ることができる。

【００２８】しかもＰＲＰは脈拍および収縮期血圧から
簡易に求められ、容易に体力測定結果を得ることができ
る。またＰＲＰ算出に際し血圧も実測するので、心拍数
のみの測定にくらべて安全性が高い。またこの実施例で
は測定開始当初、たとえば最初の１２０秒のＰＲＰデー
タを無視しているので、この間の生体情報の不安定性に
起因する誤差を回避することができる。

【００２９】また変曲点を検出する手法も極めて単純な
算術で実行でき、しかも誤検出に十分対処するものであ
るので、正確かつ簡易に体力を測定算出できる。さらに
自転車エルゴメータの負荷は定ワットコントロール方式
のものを用いているので、ペダル回転速度にゆらぎがあ
っても安定してランプ負荷を発生でき、この結果正確な
体力測定値を得ることができる。

【００３０】なおこの実施例ではＰＲＰの変曲点の負荷
を体力測定値としたけれども、そのほかに脈波振幅、脈
波微分値、脈波振幅の時間波形信号、収縮期血圧、拡張
期血圧、平均血圧、心拍、心電位振幅、心電位振幅時間
波形信号またはこれらの組合せによる指数値を用い、こ
の指数値の変曲点から体力測定値を得るようにしてもよ
い。

【００３１】次に本発明を医療分野において適用した第
２の実施例について説明しよう。図１６は全体のシステ
ム構成および利用態様を示す。この図においてシステム
は自転車エルゴメータ２１、自動血圧計２２、脈拍計２
３、心電計２４、光電式脈波センサ２５、カフ２６、Ｅ
ＣＧ電極２７およびパーソナルコンピュータ２８からな
っている。このシステムでは自動血圧計２２、脈拍計２
３、心電計２４、光電式脈波センサ２５、カフ２６、Ｅ
ＣＧ電極２７を用いて臨床データを収集するのに合わせ
て体力測定値を得ることができる。

【００３２】図１７は図１６の実施例のシステムブロッ
ク図であり、この図において図１６と対応する箇所には
対応する符号を付してその詳細な説明は省略する。図１
７においてパーソナルコンピュータ２８はディスク装置
２９から解析ソフトウェアを読み込み、実質的には第１
の実施例の場合と同様の変曲点分析および持久力測定値
の算出を行なう。また持久力測定値を含めた種々の臨床
データがこのディスク装置２９にストアされる。また種
々のデータ等はプリンタ３０にも出力できる。またＩＣ
カード／メモリ・カード入出力装置３１を用いて用いる
こともできる。

【００３３】なおこの実施例の機能、動作は本質的に第
１の実施例と同様であるので、その詳細な説明はここで
は繰り返さない。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば自
転車エルゴメータでランプ負荷を生成し、この間の被験
者のＰＲＰ等の指標の変曲点を検出し、この変曲点にお
ける負荷の値を全身持久力の測定結果としている。した
がって最大酸素摂取量による測定のように生体をオール
アウトの状態にする必要がなく、このため被験者に過大
な負担を強いることがなく、危険も少ない。また平均的
な推定式を用いて間接的に全身持久力を測定するのでな
く、個々人のデータの実測値から得た変曲点を利用して
全身持久力を得ているので、平均的な推定式による誤差
を回避できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の全体的な構成を説明す
る図である。

【図２】上述第１の実施例のコントロールボックスの外
観を示す斜視図である。

【図３】上述第１の実施例の回路構成を示す示すブロッ
ク図である。

【図４】上述第１の実施例の動作、原理を説明するグラ
フである。

【図５】図４のグラフと対比させられる従来の階段状負
荷でのデータを示すグラフである。

【図６】上述第１の実施例の変曲点検出および全身持久
力測定手法を説明する、収縮期血圧のグラフである。

【図７】上述第１の実施例の変曲点検出および全身持久
力測定手法を説明する、心拍数のグラフである。

【図８】上述第１の実施例の変曲点検出および全身持久
力測定手法を説明する、ＰＲＰのグラフである。

【図９】上述第１の実施例の変曲点検出および全身持久
力測定手法とくに変曲点前の直線を判別する手法の詳細
を説明するグラフである。

【図１０】上述第１の実施例の変曲点検出および全身持
久力測定手法とくに変曲点前の直線の誤検出の回避を説
明するグラフである。

【図１１】上述第１の実施例の変曲点検出および全身持
久力測定手法とくに変曲点前の直線の誤検出の回避を説
明するグラフである。

【図１２】上述実施例を低体力者に適用した実験例を示
すグラフである。

【図１３】上述実施例を中体力者に適用した実験例を示
すグラフである。

【図１４】上述実施例を高体力者に適用した実験例を示
すグラフである。

【図１５】上述第１の実施例の測定と従来のＰＷＣ７５
％ＨＲmax の測定との相関を示すグラフである。

【図１６】本発明の第２の実施例の全体的な構成を示す
図である。

【図１７】上述第２の実施例のシステム構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 自転車エルゴメータ本体 ２ カフ ３ 脈拍センサ ８ コントロール・ボックス １５ 血圧検出基板ユニット １６ 光電脈派検出回路 １３ ブレーキ負荷ユニット。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ランプ負荷を生成する自転車エルゴメータ
   と、被験者の所定の生体情報を検出する検出手段と、上
   記生体情報の検出値の上記ランプ負荷の増加にともなう
   変化の変曲点を検出する手段と、上記変曲点が生じると
   きの上記ランプ負荷の値を筋持久力測定値として出力す
   る手段とを有することを特徴とする筋持久力測定装置。
2. 【請求項２】上記生体情報を、収縮期血圧と脈拍数との
   積、脈派振幅、脈派微分値、脈派振幅の時間波形信号、
   収縮期血圧、拡張期血圧、平均血圧、心拍数、心電位振
   幅、心電位振幅の時間波形信号およびこれらの組合せか
   らなるグループから選択した請求項１記載の筋持久力測
   定装置。
3. 【請求項３】上記変曲点の検出に上記生体情報の測定開
   始直後の測定値を用いないようにした請求項１または２
   記載の筋持久力測定装置。
4. 【請求項４】上記変曲点を検出する手段は、変曲点の前
   の直線を検出し、この直線から逸脱を開始する点を変曲
   点と判別する請求項１、２または３記載の筋持久力測定
   装置。
5. 【請求項５】上記変曲点を検出する手段は、複数の直線
   の各々について、上記生体情報の測定間隔毎の瞬時値の
   うち、当該直線の近傍に位置するものの個数を求め、こ
   の個数が最大になる直線を、上記変曲点前の直線と判別
   する請求項４記載の筋持久力測定装置。
6. 【請求項６】上記変曲点を検出する手段は、複数の直線
   の各々について、全測定期間の前半における、上記生体
   情報の測定間隔毎の瞬時値のうち、当該直線の近傍に位
   置するものの個数が、全測定期間の後半における、上記
   生体情報の測定間隔毎の瞬時値のうち、当該直線の近傍
   に位置するものの個数より少ないかどうかを判別し、少
   ないと判別される直線を、上記変曲点の前の直線の候補
   から外す請求項４または５記載の筋持久力測定装置。
7. 【請求項７】上記変曲点を検出する手段は、複数の直線
   の各々について、上記生体情報の測定間隔毎の瞬時値の
   うち、当該直線の近傍に位置するものの平均値が、上記
   測定間隔毎の瞬時値すべての平均値を超えるかどうかを
   判別し、超えると判別される直線を、上記変曲点の前の
   直線の候補から外す請求項４、５または６記載の筋持久
   力測定装置。
8. 【請求項８】上記自転車エルゴメータは仕事率一定の目
   標負荷を生成するために、ペダルの回転数が変化に応じ
   てトルクを可変するようになっている請求項１、２、
   ３、４、５、６または７記載の筋持久力測定装置。
9. 【請求項９】上記生体情報はすくなくとも血圧と心拍数
   に依存する請求項１記載の筋持久力測定装置。
10. 【請求項１０】上記血圧の長時間間隔毎の実測値を補間
    して短時間間隔毎の瞬時値とする請求項９記載の筋持久
    力測定装置。
11. 【請求項１１】自転車エルゴメータを用いてランプ負荷
    を生成するステップと、被験者の所定の生体情報を検出
    するステップと、上記生体情報の検出値の上記ランプ負
    荷の増加にともなう変化の変曲点を検出するステップ
    と、上記変曲点が生じるときの上記ランプ負荷の値を筋
    持久力測定値として出力するステップとを有することを
    特徴とする筋持久力測定方法。