JP4818035B2

JP4818035B2 - 睡眠時消費カロリー測定装置

Info

Publication number: JP4818035B2
Application number: JP2006252501A
Authority: JP
Inventors: 周一和泉
Original assignee: Tanita Corp
Current assignee: Tanita Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: JP2008073082A; US20080071196A1; EP1902674A2; DE602007001925D1; US7686772B2; CN101147674A; EP1902674B1; EP1902674A3; CN101147674B

Description

本発明は、睡眠時の消費カロリーを測定する装置に関する。

従来、装置使用者（以下、単に「使用者」と略称する）の身体状態に基づいて寝床環境温度等の睡眠環境を制御する装置として開示されている技術において、使用者の生体電気インピーダンス値、体重値及び睡眠時の身体振動情報から睡眠時の消費カロリーを演算する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、前記と同様の技術において、使用者の睡眠時の皮膚温度と睡眠段階とから消費カロリーを演算する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−１６４４９６号公報特公平７−１１４１４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、睡眠時の身体振動情報を呼吸数と心拍数とから推定するものであるが、呼吸及び心拍の強度（大きさ）は一定でなく、例えば、同じ呼吸数であっても、大きな呼吸に基づいて演算された消費カロリーと小さな呼吸に基づいて演算された消費カロリーとでは、同じ消費カロリーとは言えないため、呼吸数と心拍数とに基づく身体振動情報だけでは正確な消費カロリーを演算することが難しい場合があった。

また、特許文献２に記載の技術は、消費カロリーと睡眠段階との相関を利用したものであるが、各睡眠段階における消費カロリーの個人差を考慮していないため、正確な消費カロリーを演算されているとは言えなかった。

従って、本発明は、上述の課題を解決し、睡眠時の身体振動の大きさを判別し、睡眠時の呼吸に伴って発生する身体振動と心拍に伴って発生する身体振動との両方（以下、「呼吸・心拍振動」と言う。）に基づく消費カロリーと、睡眠時の前記呼吸・心拍振動以外の身体振動（以下、「体動」と言う。）の強度に基づく消費カロリーと、から睡眠時の消費カロリーを求めることによって、より正確な睡眠時の消費カロリーを求める睡眠時消費カロリー測定装置を提供する。

上記課題を解決するために本発明は、被測定者の身体情報を入力する入力手段と、睡眠時の身体振動を検出する検出手段と、前記身体振動に基づいて消費カロリーを演算する演算手段とを備える睡眠時消費カロリー測定装置において、睡眠時の身体振動の各信号が呼吸・心拍振動と体動とのうち何れの信号であるかを判別し及び前記体動の強度を判定する判定手段と、前記呼吸・心拍振動の所定期間の信号と、入力された身体情報に基づいて得られる睡眠時代謝と、に基づいて、睡眠時消費カロリーを演算するための基準値たる係数を演算する係数演算手段と、前記呼吸・心拍振動の信号の大きさに応じた消費カロリー及び前記各強度の体動の信号の大きさに応じた消費カロリー並びに前記係数とに基づいて、睡眠時消費カロリーを演算する消費カロリー演算手段と、少なくとも、前記判定手段で判別及び判定するための閾値、係数を演算するための演算式及び睡眠時消費カロリーを演算するための演算式を、予め記憶しておく記憶手段とを備える睡眠時消費カロリー測定装置を提供する。

また、前記消費カロリー演算手段は、各信号の波形と波形形成の基準たる基線との成す面積を各信号の大きさとして演算する。

更に、前記消費カロリー演算手段は、各体動強度毎のサンプリング区間の総和及び前記面積の総和に基づいて、前記各強度の体動の信号の大きさに応じた消費カロリーを演算する。

本発明の睡眠時消費カロリー測定装置は、被測定者の身体情報を入力する入力手段と、睡眠時の身体振動を検出する検出手段と、前記身体振動に基づいて消費カロリーを演算する演算手段とを備える睡眠時消費カロリー測定装置において、睡眠時の身体振動の各信号が呼吸・心拍振動と体動とのうち何れの信号であるかを判別し及び前記体動の強度を判定する判定手段と、前記呼吸・心拍振動の所定期間の信号と、入力された身体情報に基づいて得られる睡眠時代謝と、に基づいて、睡眠時消費カロリーを演算するための基準値たる係数を演算する係数演算手段と、前記呼吸・心拍振動の信号の大きさに応じた消費カロリー及び前記各強度の体動の信号の大きさに応じた消費カロリー並びに前記係数とに基づいて、睡眠時消費カロリーを演算する消費カロリー演算手段と、少なくとも、前記判定手段で判別及び判定するための閾値、係数を演算するための演算式及び睡眠時消費カロリーを演算するための演算式を、予め記憶しておく記憶手段とを備えることから、被験者個人の身体の動きに伴う消費カロリーをより詳細に取得することを可能とし、より正確な睡眠時消費カロリーの測定を可能とする。

また、前記消費カロリー演算手段は、各信号の波形と波形形成の基準たる基線との成す面積を各信号の大きさとして演算し、更に、前記消費カロリー演算手段は、各体動強度毎のサンプリング区間の総和及び前記面積の総和に基づいて、前記各強度の体動の信号の大きさに応じた消費カロリーを演算することから、より正確な睡眠時消費カロリーの測定を可能とすることはもちろん、いわゆる睡眠の周期や質を判定するパラメータとして用いる場合であっても、信頼性の高い判定を可能とするものである。

本発明の睡眠時消費カロリー測定装置は、被測定者の身体情報を入力する入力手段と、睡眠時の身体振動を検出する検出手段と、前記身体振動に基づいて消費カロリーを演算する演算手段とを備える睡眠時消費カロリー測定装置において、睡眠時の身体振動の各信号が呼吸・心拍振動と体動とのうち何れの信号であるかを判別し及び前記体動の強度を判定する判定手段と、前記呼吸・心拍振動の所定期間の信号と、入力された身体情報に基づいて得られる睡眠時代謝と、に基づいて、睡眠時消費カロリーを演算するための基準値たる係数を演算する係数演算手段と、前記呼吸・心拍振動の信号の大きさに応じた消費カロリー及び前記各強度の体動の信号の大きさに応じた消費カロリー並びに前記係数とに基づいて、睡眠時消費カロリーを演算する消費カロリー演算手段と、少なくとも、前記判定手段で判別及び判定するための閾値、係数を演算するための演算式及び睡眠時消費カロリーを演算するための演算式を、予め記憶しておく記憶手段とを備える。

また、前記消費カロリー演算手段は、各信号の波形と波形形成の基準たる基線との成す面積を各信号の大きさとして演算するものであり、前記消費カロリー演算手段は、各体動強度毎のサンプリング区間の総和及び前記面積の総和に基づいて、前記各強度の体動の信号の大きさに応じた消費カロリーを演算するものである。

以下、本発明の実施例たる睡眠時消費カロリー測定装置１（以下、「本装置１」と言う。）を、図面を用いて説明する。まず、図１及び図２を用いて、本装置１の構成を説明する。図１は、本装置１の外観斜視図を示す図である。図２は、電気回路構成の概要を示すブロック図である。

本装置１は、寝具に横臥した人体の前記呼吸・心拍振動と体動とを含む身体振動を検出するためのマット型睡眠時身体振動検出部２（以下、「検出部２」と言う。）とコントロール部３とから成る。コントロール部３は、本装置１の制御を行なう制御部４、前記検出された身体振動が呼吸・心拍振動か体動かの判別や前記呼吸・心拍振動の波形信号（以下、「呼吸・心拍振動信号」と言う。）及び前記体動の波形信号（以下、「体動信号」と言う。）の強度の判定等を行なうための判定部５、及び、消費カロリーを演算するための基準値に相当する係数を演算する係数演算部６と前記体動信号の強弱に基づいて測定エポック毎に消費カロリーを演算する消費カロリー演算部７とを含み、その他各種演算を行なう演算部８を内部に備えたＣＰＵ９を備えて成り、ここでは図示しないが、ＣＰＵ９は、公知の計数手段たるカウンタや計時手段たるタイマを内部に備えて成るものとする。また、コントロール部３内において、前記ＣＰＵ９は、入力されたＩＤ登録情報、検出された身体振動の信号、呼吸・心拍振動信号及び体動信号などの各種信号並びに体動信号の各種判定に関する判定基準並びに消費カロリー演算値等を記憶する記憶部１０、身体情報の入力部や測定開始／終了スイッチなどを備えた操作部１１、測定ガイダンス又は判定結果若しくは演算結果等を表示する表示部１２及び電源１３を接続して成り、更に、公知の信号処理フィルタ１４及びＡ／Ｄコンバータ１５を介して検出部２に接続して成る。

次に、図３乃至図６を用いて、本装置１の動作を説明する。図３は、主たる動作を示すメインルーチンのフローチャートである。図４は、睡眠時の身体振動に基づく消費カロリー演算に係る動作を示すサブルーチンのフローチャートである。図５の（ａ）〜（ｊ）は、表示例を示す図である。図６は、体動信号の大きさに基づく体動の強度判定を示す図である。

まず、図３のフローチャートにおいて、本装置１のメインルーチンの動作を説明する。本装置１の電源をオンすると、ステップＳ１において、測定システムの初期化を行ない、ステップＳ２において、個人認証のためのＩＤ登録済みか否かを判定する。例えば、図５（ａ）の表示例の如く複数表示されたＩＤ番号から操作部１１を用いて選択したＩＤ番号が、ＩＤ登録済みか否かを判定する。選択したＩＤ番号がＩＤ登録済みであった場合にはＹＥＳに進み、ステップＳ４において、記憶部１０から選択されたＩＤ番号に該当する登録情報を呼び出す。また、ＩＤ登録済みでないＩＤ番号又は使用者が本装置１での測定が初めてである場合に選択する「Ｆｉｒｓｔ」を選択した場合にはＮＯに進み、ステップＳ３において、図５（ｂ）〜（ｇ）の表示例の如く、ガイダンスに従って、操作部１１を用いて身体情報を入力してＩＤ登録をするものであり、登録が完了すると、ステップＳ４にて図５（ｈ）の表示例の如く、登録情報が呼び出される。ここで、本実施例においては、ＩＤ登録に必要な身体情報は、性別、年齢、身長及び体重であるとする。

続くステップＳ５において、前記呼び出された身体情報に基づいて、演算部８にて、安静時代謝（kcal/min）：Basal Metabolic Rate（以下、「BMR」と言う。）及び睡眠時代謝（kcal/min）：Sleep Metabolic Rate（以下、「SMR」と言う。）を演算する。但し、これら演算は、公知であるため説明を省略する。

演算が終了すると、ステップＳ６において、図５（ｉ）の表示例のようにガイド表示し、操作部１１にて測定開始の操作がなされたか否かが判定される。測定開始操作がなされない場合にはＮＯに進み、ステップＳ７において、所定時間経過したか否かが判定され、所定時間経過していなければＮＯに進み、ステップＳ６にて測定開始操作の判定を繰り返し、所定時間経過したらＹＥＳに進み、電源を自動オフして本装置１の動作を終了する。また、前記ステップＳ６において測定開始操作がなされた場合にはＹＥＳに進み、図４のフローチャートを用いて後述する、睡眠時の身体振動に基づく消費カロリー演算のサブルーチンに移行する。このとき、図５（ｊ）の表示例のように表示するものとする。前記サブルーチンを抜けると、ステップＳ９において、操作部１１にて測定終了の操作がなされたか否かが判定される。測定終了操作が成されない場合にはＮＯにすすみ、再び、ステップＳ８にてサブルーチンに移行し、測定終了操作が成された場合にはＹＥＳに進み、ステップＳ１０において、前記ステップＳ８にて移行するサブルーチンで演算された消費カロリーから、演算部８にて睡眠時の総消費カロリーを演算する。続くステップＳ１１において、前記総消費カロリーを表示部１２に表示して、本装置１の測定を終了する。

次に、図４のフローチャートを用いて、前記図３のステップＳ８における、睡眠時の身体振動に基づく消費カロリー演算に係る動作を示すサブルーチンの動作を説明する。図３にてステップＳ８に移行すると、図４のステップＳ２１において、ＣＰＵ９内の制御部４にて検出部２を制御してデータのサンプリングを行ない、ステップＳ２２において、予め設定された測定エポック分のサンプリングデータが得られたか否かを判定する。測定エポック分のサンプリングデータが未だ得られていない場合にはＮＯに進み、再びステップＳ１に戻ってデータのサンプリングを繰り返し、測定エポック分のサンプリングデータが得られた場合にはＹＥＳに進み、ステップＳ２３において、検出部２で検出された身体振動信号たる前記サンプリングデータに基づいて、判定部５にて体動信号を判定する。この体動信号の判定は、まず、前記測定エポック中の身体振動信号の波形につき、１波形毎の振幅、周期及び数を求めて記憶部１０に記憶し、次の２つの条件のうちの少なくとも一方を満たす信号を体動信号として判別するものである。１つ目の条件は、前記１波形の振幅が予め設定された閾値：Ａ０以上となることであり、２つ目の条件は、対象となる１波形の振幅及びその前後の波形の振幅の分散値が予め設定された閾値：Ｂ０以上となることである。本ステップでは、この判定を測定エポック中の身体振動信号の全波形について行い、判定結果を各波形毎に記憶部１０に記憶するものとする。このとき、体動信号と判定された波形は、ＣＰＵ９内に備えたカウンタにてカウントと共に記憶されるものとする。ここで、前記閾値Ａ０及びＢ０は、呼吸・心拍振動と体動とを判別する閾値であり、実測データに基づいて求められる値であるとする。

ステップＳ２４からステップＳ２６までの動作は、前記記憶された体動信号の１カウント順に繰り返す動作である。すなわち、ステップＳ２４において、記憶部１０から１カウントの体動信号（１波形）を読み込み、ステップＳ２５において、前記体動信号の体動強度を判定し、判定結果を１カウントの体動信号に対応させて記憶部１０に記憶し、ステップＳ２６において、体動信号の全カウントが完了したか否かを判定し、完了していなければＮＯに進み、次のカウントの体動信号の強度判定をすべく、ステップＳ２４に戻り、次カウントの体動信号を読み込む。

ここで、前記ステップＳ２５の体動強度判定について説明する。一般に、人の生活において、運動の強度は、強い、普通、弱い及び非常に弱いとして区分され、この区分に応じて、体重値：Wt、性別係数：Sex（男性：0.001及び女性：0）として、各平均カロリー消費量を以下の式で表されることが知られている。
強い運動時の平均消費カロリー：SPMR(kcal/min)＝Wt×(0.156＋12×Sex)
普通の運動時の平均消費カロリー：NPMR(kcal/min)＝Wt×(0.077＋7×Sex)
弱い運動時の平均消費カロリー：WPMR(kcal/min)＝Wt×(0.048＋3×Sex)
非常に弱い運動時の平均消費カロリー：VWPMR(kcal/min)＝Wt×(0.025＋2×Sex)
前記体動強度判定は、これに基づいて、体動を、予め設定した体動信号の振幅の大きさによって、強い体動、普通の体動、弱い体動及び非常に弱い体動の４つに区分するものであり、各体動の平均消費カロリーは、各々前記運動の強度の平均消費カロリーに相当するものであるとする。例えば、図６に示す体動の強度判定表に示すように、体動信号の振幅：Ａの大きさの範囲によって区分するものとする。但し、Ａ０〜Ａ３及びＰ０〜Ｐ３の各数値は、実測データに基づいて求められる値であるとし、当然、Ａ０＜Ａ１＜Ａ２＜Ａ３である。

また、このとき、前記１波形毎に、前記１波形を成す各サンプリング値を結ぶ線分と前記サンプリング値の大きさの基準たるサンプリング基準値（ここでは、サンプリング値の大きさがゼロとなる点であるとする。）を結ぶ直線（以下、「基線」と言う。）とのなす面積：Area(n)を求める。前記面積：Area(n)は、１サンプリング時間：tとするときの、各サンプリング値：Sample(n)（測定エポック内の各サンプリングデータ）と前記基線の値：Sample(0)との差分の絶対値の総和を以て、以下の式で演算されるものである。
Area(n)＝Σ(|Sample(n)-Sample(0)|×t)
更に、測定エポック中に現れる各体動信号毎にサンプリング区間と前記面積を求めると共に、各体動強度毎に総和を求め、記憶部１０に記憶する。
ここで、前記サンプリング区間及びその区間の面積を各々以下のように定義するものとする。
測定エポック（全サンプリング期間）：Epoch(sec)及びその期間の面積総和：Area(x)
強い体動のサンプリング区間総和：Epoch1(sec)及びその区間の面積総和：Area1
普通の体動のサンプリング区間総和：Epoch2(sec)及びその区間の面積総和：Area2
弱い体動のサンプリング区間総和：Epoch3(sec)及びその区間の面積総和：Area3
非常に弱い体動のサンプリング区間総和：Epoch4(sec)及びその区間の面積総和：Area4

測定エポック中の全カウントにつき、前記体動判定が終了するとＹＥＳに進み、ステップＳ２７において、前記測定エポック中に体動と判定された身体振動があったか否かを判定する。すなわち、呼吸・心拍振動のみの静的な睡眠状態か又は体動を伴った動的な睡眠状態かを判定する。体動がない場合には、測定エポック中の身体振動信号は、呼吸・心拍振動信号である、すなわち、測定エポックが静的な睡眠状態にあると判定してＮＯに進み、ステップＳ２８において、測定エポックの身体振動信号の消費カロリー演算の基準値に相当する係数（以下、「係数」と言う。）が記憶部１０に記憶されているか否かを更に判定する。記憶されていなければＮＯに進み、ステップＳ２９において、係数演算部６にて前記係数を演算し及び設定してから、後述するステップＳ３１の消費カロリー演算ステップに進み、記憶されていればＹＥＳに進み、前記ステップＳ２９の手順を飛ばして、前記ステップＳ３１に進む。

ここで、前記ステップＳ２９の係数の演算及び設定について説明する。まず、前記係数とは、前記静的な睡眠状態でのサンプリング期間たる前記測定エポック：Epoch(sec)において、各サンプリング値を結ぶ線分と前記サンプリング値の大きさの基準たる基線とのなす面積：Area0と図３のステップＳ５にて演算及び記憶されたSMR(kcal/min)とに基づいて演算される、単位面積当たりのカロリー消費量：E_area(kcal/min)のことを言い、以下の式で演算されるものである。
E_area＝SMR×Epoch／60(sec/min)／Area0
ここで、前記面積：Area0は、１サンプリング時間：tとするときの、各サンプリング値：Sample(x)（測定エポック内の各サンプリングデータ）と前記基線の値：Sample(0)との差分の絶対値の総和を以て、以下の式で演算されるものである。
Area0＝Σ(|Sample(x)-Sample(0)|×t)

また、前記ステップＳ２７にて、測定エポック中に体動があったと判定された場合にはＹＥＳに進み、ステップＳ３０において、前記ステップＳ２８と同様にして、前記係数が設定済みか否か、すなわち記憶部１０に記憶されているか否かを判断する。係数が記憶されていればＹＥＳに進み、ステップＳ３１において消費カロリーを演算するステップに進み、係数が記憶されていなければＮＯに進み、図３のフローチャートに示したメインルーチンに戻る。

ここで、前記ステップＳ３１の測定エポックにおける消費カロリー：Eは、以下の式で表され、予め記憶部１０に記憶されているものである。
E＝E_area×(Area(x)−Area1−Area2−Area3−Area4)
＋SPMR×Epoch1／60＋NPMR×Epoch2／60＋WPMR×Epoch3／60＋VWPMR×Epoch4／60
すなわち、前記ステップＳ２７において、測定エポック中に体動がないと判定された場合、すなわち、測定エポックが静的な睡眠状態であると判定された場合の消費カロリーは、上式より、E＝E_area×Area(x)から演算されるものである。
従って、測定エポックの消費カロリー：Eは、前述したように、係数演算部６による係数：E_area、身体情報として入力された体重及び性別及び前記体動強度の判定に基づく前記各体動のサンプリング区間とその区間の面積とを既知とすることによって、消費カロリー演算部７において演算されるものである。

なお、図３のフローチャートのステップＳ１０で演算された睡眠時の総消費カロリーは、続くステップＳ１１にて結果表示するのみであったが、前記総消費カロリーや例えば、測定エポック毎の消費カロリーの推移等から、いわゆる睡眠の周期や質を判定するパラメータとして用いても良い。

また、ステップＳ２５の体動強度判定において、体動信号の振幅の大きさから体動の強度を判定したが、同様にして、体動信号の周期の大きさから体動の強度を判定しても良い。

また、各身体振動信号の基線との成す面積は、１サンプリングデータ毎の基線との差分に基づいて演算したが、隣り合うサンプリングデータを結ぶ線分と基線とに基づく積分値でも良い。

本装置１の外観斜視図を示す図である。本装置１の電気回路構成の概要を示すブロック図である。主たる動作を示すメインルーチンのフローチャートである。睡眠時の身体振動に基づく消費カロリー演算に係る動作を示すサブルーチンのフローチャートである。（ａ）〜（ｊ）は、表示例を示す図である。体動信号の大きさに基づく体動の強度判定を示す図である。

符号の説明

１本装置
２検出部
３コントロール部
４制御部
５判定部
６係数演算部
７消費カロリー演算部
８演算部
９ＣＰＵ
１０記憶部
１１操作部
１２表示部
１３電源
１４フィルタ
１５Ａ／Ｄコンバータ

Claims

被測定者の身体情報を入力する入力手段と、睡眠時の身体振動を検出する検出手段と、前記身体振動に基づいて消費カロリーを演算する演算手段とを備える睡眠時消費カロリー測定装置において、
睡眠時の身体振動の各信号が呼吸・心拍振動と体動とのうち何れの信号であるかを判別し及び前記体動の強度を判定する判定手段と、
前記呼吸・心拍振動の所定期間の信号と、入力された身体情報に基づいて得られる睡眠時代謝と、に基づいて、睡眠時消費カロリーを演算するための基準値たる係数を演算する係数演算手段と、
前記呼吸・心拍振動の信号の大きさに応じた消費カロリー及び前記各強度の体動の信号の大きさに応じた消費カロリー並びに前記係数とに基づいて、睡眠時消費カロリーを演算する消費カロリー演算手段と、
少なくとも、前記判定手段で判別及び判定するための閾値、係数を演算するための演算式及び睡眠時消費カロリーを演算するための演算式を、予め記憶しておく記憶手段とを備えることを特徴とする睡眠時消費カロリー測定装置。
前記消費カロリー演算手段は、各信号の波形と波形形成の基準たる基線との成す面積を各信号の大きさとして演算することを特徴とする請求項１記載の睡眠時消費カロリー測定装置。
前記消費カロリー演算手段は、各体動強度毎のサンプリング区間の総和及び前記面積の総和に基づいて、前記各強度の体動の信号の大きさに応じた消費カロリーを演算することを特徴とする請求項２記載の睡眠時消費カロリー測定装置。