(57)【要約】呼吸トレーニング装置は、取り外し可能に連結された呼吸気ダクト（２）を備えた外側ケーシング（１）と、口金（３）と、空気袋（５）と、制御機器（１４）を備えている。この呼吸気ダクト（２）内には弁装置、しかもピストン弁が組み込まれている。このピストン弁は弁体を備え、この弁体は自由に移動可能であり、呼吸気ダクト（２）に対して固定連結されていない。ケーシング部分（１）および／または弁装置のケーシング内には、力を発生する手段が設けられ、この手段は弁体をシール位置に保持し、弁の必要な開放力を決定する。呼吸気に接触するすべての部分は簡単に分解および洗浄可能である。上記のトレーニング装置への新鮮空気の供給を監視するための方法は本願の他の構成対象である。
2004521698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
口金（３）と、この口金（３）に接続する、空気用入口／出口（４）を備えた呼吸気ダクト（２）と、この呼吸気ダクト（２）に連結された可撓性の空気袋（５）と、呼吸気ダクト（２）から出る使用済み空気の流出量と呼吸気ダクト（２）内に入る新鮮空気の流入量を調整するための弁装置（６）とを備えている、呼吸機能のためのトレーニング装置において、弁装置が少なくとも１個のピストン弁（６）を備え、このピストン弁（６）が空気通過室（２６）とこの空気通過室（２６）の周壁に設けられたシール面（２７）とを有するケーシング部分（２２）を備え、このケーシング部分（２２）の空気通過室（２６）内に弁体（２３）が配置され、この弁体（２３）が空気通過室（２６）内でスライドするように案内され、かつ空気通過室（２６）内の空気の流れ軸線（２８）の方向にシール位置から、空気通過室（２６）の横断面の少なくとも一部を開放する位置に自由に摺動可能であり、この弁体（２３）が外側のシール範囲を有するピストン（２４）と、空気通過室（２６）内でのスライド案内のための案内部材（２５）とを備え、この場合ピストン（２４）のシール範囲が弁体（２３）のシール位置で空気通過室（２６）の周壁のシール面（２７）と協働し、空気通過室（２６）の横断面を閉鎖し、このシール位置に弁体（２３）を位置決めするための力を発生する手段が設けられていることを特徴とするトレーニング装置。
【請求項２】
力を発生する手段（２９）が磁気的な要素であり、弁体（２３）が磁気材料からなる少なくとも１つの部品（３２）を有し、磁界を発生するための少なくとも１個の部品（３３）または磁気材料からなる少なくとも１個の部品（３４）が弁（６）のケーシング部分（２２）の範囲内に配置され、これらの部品（３２，３３／３４）が弁体（２３）のシール位置で、空気通過室（２６）の流れ軸線（２８）に対してほぼ半径方向の共通の平面（３５）内にあることを特徴とする、請求項１記載のトレーニング装置。
【請求項３】
ピストン弁（６）のケーシング部分（２２）内の磁界を発生するための部品が、永久磁石（３４）または電磁石（３３）であることを特徴とする、請求項２記載のトレーニング装置。
【請求項４】
弁体（２３）内の磁気材料からなる部品（３２）が、磁気的に強い材料、例えば永久磁石からなり、磁気的に弱い材料、例えば鉄からなるリング状の部品（３４）がピストン弁（６）のケーシング部分（２２）内に配置されていることを特徴とする、請求項２記載のトレーニング装置。
【請求項５】
弁体（２３）内の磁気材料からなる部品（３２）が、磁気的に弱い材料、例えば鉄からなり、ピストン弁（６）のケーシング部分（２２）内の磁気材料からなる部品（３４）が磁気的に強い材料、例えば永久磁石からなっていることを特徴とする、請求項２記載のトレーニング装置。
【請求項６】
弁体（２３）内の磁気材料からなる部品（３２）と、ピストン弁（６）のケーシング部分（２２）内の磁気材料からなる部品（３４）が磁気的に強い材料、例えば永久磁石からなっていることを特徴とする、請求項２記載のトレーニング装置。
【請求項７】
磁気的に強い材料、特に永久磁石からなる少なくとも２個の部品（３４）が弁（６）のケーシング部分（２２）内に組み込まれ、この部品（３４）が空気通過室（２６）の縦軸線に対して対称に配置されていることを特徴とする、請求項２記載のトレーニング装置。
【請求項８】
ピストン弁（６）のケーシング部分（２２）が呼吸気ダクト（２）に一体的に統合され、空気通過室（２６）の流れ軸線（２８）がほぼ呼吸気ダクト（２）の縦軸線（３６）の方向に延び、この呼吸気ダクト（２）が外側ケーシング（１）に取り外し可能に保持されていることを特徴とする、請求項１記載のトレーニング装置。
【請求項９】
呼吸気ダクト（２）がピストン弁（６）のケーシング部分（２２）および弁体（２３）と共に、殺菌に耐える材料からなっていることを特徴とする、請求項８記載のトレーニング装置。
【請求項１０】
磁気材料からなる部品（３４）またはピストン弁（６）のケーシング部分（２２）に付設された磁界を発生するための部品（３３）と、弁体（２３）の位置を検出するためのセンサ（３７，３８）が、外側ケーシング（１）内に配置され、呼吸気ダクト（２）と、弁体（２３）を有するピストン弁（６）のためのケーシング部分（２２）がこの外側ケーシング（１）内に取り外し可能に挿入され、かつその中で固定されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載のトレーニング装置。
【請求項１１】
弁（６）のケーシング部分（２２）の範囲内の力を発生する手段（３３，３４）が交換可能であり、異なる力発生手段（３３，３４）が挿入可能であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載のトレーニング装置。
【請求項１２】
力を発生する手段（２９）が弾性的な要素（３９，４０）であり、少なくとも１個のこの弾性的な要素（４０）が一方では弁体（２３）の端範囲（４１）に、他方ではピストン弁（６）のケーシング部分（２２）に連結されていることを特徴とする、請求項１記載のトレーニング装置。
【請求項１３】
弁装置が平行に作用する２個のピストン弁（６′，６″）を備え、第１のピストン弁（６′）が呼吸気ダクト（２′）からの使用済み空気の流出量を制御する働きをし、第２のピストン弁（６″）が呼吸気ダクト（２′）への新鮮空気の流入量を制御する働きをすることを特徴とする、請求項２または１２記載のトレーニング装置。
【請求項１４】
空気通過室（２６）内の弁体（２３）の摺動距離が２個の端ストッパー（４２，４３）によって制限され、この端ストッパー（４２，４３）が流れ軸線（２８）方向において、ケーシング部分（２２）内の弁体（２３）のシール位置に対して設定された各々１つの間隔を有し、第１のストッパー（４３）が呼吸気ダクト（２）からの使用済み空気の流出のためのピストン弁（６）の開放位置を決定し、第２のストッパー（４１）が呼吸気ダクト（２）内への新鮮空気の流入のためのピストン弁（６）の開放位置を決定することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つまたは請求項１２に記載のトレーニング装置。
【請求項１５】
空気通過室（２６）内の弁体（２２）の位置を検出するための少なくとも１個のセンサ（３７，３８）が、ピストン弁（６）のケーシング部分（２２）内と弁体（２２）のピストン（２４）の摺動範囲内に配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つまたは請求項１２または１３に記載のトレーニング装置。
【請求項１６】
各々１個のホールセンサ（３７，３８）がケーシング部分（２２）内において弁体（２２）のシール位置の両側に組み込まれ、この両ホールセンサ（３７，３８）が、空気通過室（２６）の流れ軸線（２８）の方向における弁体（２３）の移動による磁界の変化によって、信号を発生することを特徴とする、請求項１５記載のトレーニング装置。
【請求項１７】
センサ（３７，３８）が測定値ピックアップに接続され、この測定値ピックアップがインターフェースとデータライン（１３）を介して制御機器（１４）に接続されていることを特徴とする、請求項１５記載のトレーニング装置。
【請求項１８】
制御機器（１４）が呼吸トレーニングの目標データのための入力ユニット（１５）と、マイクロプロセッサと、データメモリと、制御情報とチェック情報のための少なくとも１個の表示要素（１６，１７）を備えていることを特徴とする、請求項１７記載のトレーニング装置。
【請求項１９】
ピストン弁（６）のケーシング部分（２２）の範囲内に磁界を発生するための部品が電磁石（３３）であり、この電磁石（３３）が制御機器（１４）を介して接続または遮断可能であることを特徴とする、請求項２記載のトレーニング装置。
【請求項２０】
息を吸うときに先ず最初に空気量の一部が空気袋（５）から取り出され、続いて空気袋（５）が空になった状態で空気量の一部が大気から弁装置（６）を経て供給され、息を吐き出す際に先ず最初に空気容積の一部が空気袋（５）に供給されてその中に蓄えられ、空気袋の充填の後で、吐き出し空気の一部が弁装置（６）を経て大気に放出され、トレーニングを開始する前に個人に関する袋容積が決定され、かつ個人に関する呼吸周波数が計算され、この呼吸周波数が入力ユニット（１５）を介して目的値として制御機器（１４）のプロセッサで設定される、請求項１記載の呼吸機能のためのトレーニング装置の、人が使用するときの新鮮空気供給を監視するための方法において、プロセッサが息を吸うサイクロと息を吐き出すサイクルの持続時間を求め、息を吸うサイクルと息を吐き出すサイクル中の弁装置（６）の開放状態の持続時間が測定され、かつ測定値としてプロセッサに送られ、息を吸う過程と息を吐く過程の計算されたサイクル時間と弁装置（６）の開放時間との比が求められ、かつ個人に関する設定記憶された値と比較され、測定された値が記憶された値からずれている際に、プロセッサによって表示装置（１６）を介して、補正表示および／またはアラーム表示が行われ、それによって呼吸気内のＣＯ2 含有量がほぼ一定に保たれることを特徴とする方法。
【請求項２１】
息を吸う過程と息を吐く過程の計算された持続時間と弁装置（６）の開放時間との比が約２：１に定められることを特徴とする、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
弁装置（６）の開放時間が設定され、制御機器（１４）が対応する制御パルスを発生し、弁装置（６）において制御可能な手段（３３）がこの制御パルスの機能として弁（６）の開放と閉鎖を行うことを特徴とする、請求項２０または２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、口金と、この口金に接続する、空気用入口／出口を備えた呼吸気ダクトと、この呼吸気ダクトに連結された可撓性の空気袋と、呼吸気ダクトから出る使用済み空気の流出量と呼吸気ダクト内に入る新鮮空気の流入量を調整するための弁装置とを備えている、呼吸機能のためのトレーニング装置と、このような装置を運転するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のトレーニング装置は、呼吸筋肉を強化する働きをする。これは一方では治療のために役立ち、他方では健康な人の呼吸機能を改善し、呼吸出力を高めるために役立つ。呼吸出力の向上は例えばスポーツ選手の場合に重要である。この種の装置は例えば特許文献１によって公知である。
【０００３】
この特許文献１に記載された装置は管状の呼吸気ダクトを備えている。この呼吸気ダクトは一端に口金を備えている。口金とは反対の呼吸気ダクトの端部において、呼吸気ダクトは分岐している。この場合、ダクトの一部は可撓性の袋に開口し、この袋に接続されている。呼吸気ダクトの第２の分岐部は弁装置に接続されている。使用済みの空気が呼吸気ダクトからこの弁装置を経て流出するかあるいは新鮮な空気が弁装置を経て呼吸気ダクトに吸い込まれる。弁装置は弾性弁（リードタイプ）である。この弾性弁は所定の負圧のときに開放し、呼吸気ダクトから新鮮空気の吸込みを可能にする。弁は、呼吸気ダクト内の圧力が標準圧力のときに閉じ、そして呼吸気ダクト内の圧力が所定の正圧に達するときに再び開放し、使用済み呼吸気を呼吸気ダクトから大気に流出させるように形成されている。この公知のトレーニング装置の基本機能は、装置を使用する人が口金を介してのみ、ひいてはトレーニング装置を介して呼吸することにある。その際、呼吸サイクルの度に、吐き出した空気の一部が袋に貯蔵され、袋が一杯になって初めて、正圧によって弁が開放し、残りの空気量が弁から吐き出される。吐く過程から吸う過程に交代する際に、弁が閉じ、口金を介して呼吸する人が先ず最初に袋の全内容物を呼吸する。袋が空になって初めて、呼吸気ダクト内に所望な負圧が発生し、弁が再び開放し、新鮮空気の付加的な呼吸吸込みを可能にする。その際、呼吸気ダクトに接続された袋の容積は個人に合わせて決定される。公知の装置は更に、どれ位の周波数で呼吸すべきかを表示する制御機器と、呼吸器のＣＯ2 含有量を監視するためのチェック装置を備えている。トレーニング経過中に、呼吸器内のＣＯ2 含有量は健康にとって有害でない設定された範囲内に一定に保たれる。呼吸気が流通するトレーニング装置の部品はトレーニングの際に汚れるので、洗浄しなければならない。特に装置を治療のために使用する場合には、当該の部品を殺菌しなければならない。公知の装置の場合、この洗浄や殺菌は困難であり、特に弁装置の洗浄が困難で、多大なコストがかかる。
【特許文献１】
国際出願（ＷＯ）９９１７８４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、構造が簡単で、可動部品と呼吸気に接触する部品を補助手段なしで分解することができ、呼吸気に接触する装置の部品を必要時に殺菌することができ、弁装置または弁の機能が弁の位置に充分に左右されない、呼吸機能のためのトレーニング装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は請求項１と請求項２０に記載した特徴によって解決される。本発明の有利な実施形は従属請求項の特徴によって生じる。
【０００６】
本発明に従い弁装置でピストン弁を使用することにより、多くの利点がある。ピストン弁のケーシング部分は呼吸気ダクトの一体構成部品を形成し、弁体は呼吸気ダクトの内部に直接配置および案内される。それによって、呼吸気ダクトと弁ケーシング部分の空気通過室内の流れ軸線の方向における呼吸気の最適な流れが保証される。弁体はピストンを備えている。このピストンは空気通過室のシール面に対してシールされ、案内部材を介してスライドするように空気通過室内で案内され、そして流れ軸線の両方向に摺動可能である。弁体はピストン弁のケーシング部分に対する機械的な連結部を備えておらず、力を発生する付加的な手段が設けられている。この手段はピストン弁のケーシング部分に対して弁体をシール位置に位置決めする。この力発生手段は更に、弁体を移動位置から再びシール位置に戻すための力を発生する。その際、力を発生する手段によって弁体に加えられる力は、空気袋が一杯の場合または空の場合に呼吸気ダクト内の正圧または負圧によって弁体をシール位置から開放位置に摺動させることができるように定められている。
【０００７】
力発生手段が磁気的な要素であると有利である。その際、磁気材料からなる少なくとも１個の部品が弁体内に配置されている。他方では、磁界を発生するための少なくとも１個の部品または磁気材料からなる少なくとも１の部品が弁のケーシング部分内に組み込まれている。所望な磁力を発生するための部品は弁体のシール位置で、空気通過室の縦軸線に対してほぼ半径方向の共通の平面内に配置されている。弁のケーシング部分内に磁界を発生するための部品は好ましくは永久磁石あるいは電磁石によって形成されている。この電磁石の磁界は電流を変更することによって調整可能である。必要な保持力と戻し力を発生するために磁界を使用すると、力を弁体に非接触式に伝達することができるという大きな利点がある。弁装置の全体構造は非常に簡単である。というのは、力を伝達するための付加的な要素が不要であるからである。更に、磁気部品または磁界を発生する部品は、完全に包囲されて組み込まれるので、確実な洗浄と、必要なときには呼吸気に接触する部品の殺菌を行うことができる。この構造の場合の唯一の可動部品はピストンを備えた弁体である。このピストンは呼吸気ダクトの空気通過室内で自由に摺動可能である。
【０００８】
他の利点は、力発生手段として磁気要素を使用すると、多数の有利な実施形が許容されることにある。磁気的に強い材料、例えば永久磁石からなる部品を弁体に組込み、磁気的に弱い材料、例えば鉄からなるリング状の部品をピストン弁のケーシング部分に組み込むことができる。しかし、磁気的に弱い材料、例えば鉄からなる部品を弁体内で使用し、磁気的に強い材料、例えば永久磁石からなる部品をピストン弁のケーシング部分内で使用することもできる。ピストン弁の弁体とケーシング部分内で使用される磁気的な要素が、磁気的に強い材料、例えば両者が永久磁石からなっていると、きわめてコンパクトな解決策が生じる。この場合、弁のケーシング部分またはケーシング部分の範囲内に、磁気的に強い材料からなる２個の部品が組み込まれｔいると合目的である。これらの部品は空気通過室の縦軸線に関して対称に向き合っている。このすべての実施形の重要な利点は、磁気的な要素またはその磁極構造体と磁界の予め定めた強さが、シール位置における弁体の正確な位置決めを可能にし、しかも所望な保持力で位置決めを可能にすることにある。シール位置から開放位置への弁体の開放または摺動時に、開放ストロークにわたって同じ力または小さくなる力が弁体に作用するので、弁内の空気通過室のきわめて迅速な開放が可能である。これは公知のばね付勢式ダイヤフラム弁または開放運動が漸進的に増大する力に逆らって行われる弾性弁と好対照である。従って、本発明による弁装置は、袋の内容物に加えてトレーニング装置から吐き出されるかまたはトレーニング装置ひいてはトレーニングする人の気道に吸い込まれる空気量の正確な決定と制限を可能にする。
【０００９】
ピストン弁の本発明による使用は更に、ピストン弁のケーシング部分を呼吸気ダクトに一体的に統合すること、すなわち呼吸気に接触するすべての部品を１個の部品にまとめることを可能にする。この部品、すなわち呼吸気ダクトは外側ケーシング内に取り外し可能に保持され、しかも簡単に分解および洗浄することができるように保持されている。弁体が呼吸気ダクト内で自由に案内されているので、弁体はこの呼吸気ダクトから簡単に取り出すことができ、このすべての部品は簡単に洗浄可能である。部品は好ましくは殺菌に耐える材料からなっている。
【００１０】
呼吸気ダクトを取り外し可能に保持した外側ケーシング内には好ましくは、磁気材料からなる部品またはピストン弁のケーシング部分に付設された磁界を発生する部品と、弁体の位置を検出するためのセンサが配置されている。この外側ケーシングは更に、トレーニング装置を保持するための取っ手と、位置センサによって検出されたデータの伝送機構と、その他の装置を含んでいる。外側ケーシングは呼吸気に接触しないので、殺菌不要であり、その形は広い範囲内で形成可能である。というのは、洗浄の要求が非常に小さいからである。
【００１１】
本発明によるトレーニング装置は呼吸の異なる２つのトレーニング方法のために使用可能である。すなわち、継続的な（辛抱強い）トレーニングと筋力トレーニングのために使用可能である。継続的なトレーニングの場合、呼吸周波数と呼吸の深さが変更される。筋力トレーニングの場合には更に、呼吸に逆らう抵抗が変更される。そのために、力を発生する手段がピストン弁のケーシング部分の範囲内で交換可能であるかあるいは電流供給を調節可能である電磁石が使用される。力発生のために異なる強さの手段を使用することにより、ピストン弁の開放力を変更可能である。その結果、呼吸によって生じる弁の開放力が同様に変更される。同じ作用は電磁石使用時の磁界の変更によっても達成される。
【００１２】
ピストン弁のケーシング部分の範囲に電磁石を使用する際、この弁装置を開閉可能であると更に有利である。そのために、電磁石は制御装置に接続されている。この制御装置は設定された呼吸周波数または呼吸サイクルに依存してピストン弁の開閉を制御する。
【００１３】
他の有利な解決策では、力発生手段としてばね要素が使用される。その際、少なくとも１個のばね要素が一方では弁体の端範囲に連結され、他方ではピストン弁のケーシング部分または呼吸気ダクトに連結されている。この構造体の場合にも、公知の解決策と比べて、構造が簡単になり、ピストンを備えた弁体の自由な可動性の利点が維持される。弾性的な要素としては、公知のごとく、コイルばねを使用することができる。この場合、コイルばねは弁体と共に簡単に分解および洗浄できるように形成されている。
【００１４】
所定の用途のために、平行に作用する２個のピストン弁を設け、各々の弁に息を吸う機能と息を吐く機能を割り当てると合目的である。第１のピストン弁は呼吸気ダクトからの使用済みの空気の流出量を調節し、第２のピストン弁は呼吸気ダクトへの新鮮空気の流入量を調節する。１個のピストン弁の使用時にも２個のピストン弁の使用時にも、弁体の摺動ストロークを端ストッパーによって有利に制限することができる。この端ストッパーは呼吸気ダクトからの消費済み空気の流出と、呼吸気ダクト内への新鮮空気の流入のためのピストン弁の開放位置を決定する。
【００１５】
他の利点は、ピストン弁のケーシング部分または外側ケーシング内に配置されたセンサによって生じる。このセンサは空気通過室内の弁体の位置を検出する働きをする。このセンサによって、弁体が開放位置にあるかどうかが判り、ピストン弁の開放時間が判る。ピストン弁の開放時間が監視され、検知され、そして袋内の呼吸気の量と、ピストン弁を経て流出または流入する呼吸気の量との間の正しい比の監視のために役立つ。
【００１６】
弁体内において本発明による磁気要素を使用する際、ピストン弁のケーシング部分または外側ケーシング内において、弁体のシール位置の両側に、センサとして各々１個のホールセンサを組み込むことが合目的である。このホールセンサは公知のごとく空気通過ダクトの縦軸線の方向における弁体の移動によって磁界の変化に反応し、それに対応する位置信号を発生する。ホールセンサはそれ自体公知のごとく、リードセンサ、光学式センサまたは圧力センサによって置換可能である。センサは測定値ピックアップに接続され、かつインターフェースとデータラインを介して制御機器に接続されている。その際、制御機器の用語は広い意味で解釈すべきであり、例えばコンピュータの使用も含む。この制御機器は例えば呼吸トレーンングの時間データのための入力ユニットと、マイクロプレセッサと、データ記憶装置と、制御情報とチェック情報のための少なくとも１の表示装置を含んでいる。呼吸サイクルのための所望な限界値またはチェック値はこの制御機器を介して設定される。弁装置の範囲に配置されたセンサの測定データとの比較によって、トレーニング装置を利用する人の肺活量が求められ、このデータが目標データと比較される。目標データからずれている場合には、制御機器は必要な補正値を自動的に求め、表示装置を介して表示する。トレーニング装置を使用する人はその呼吸過程、特に呼吸の周波数および／または深さを、目標データと一致するまで変更しなければならない。偏差が設定された基準を上書きすると、制御機器を介して呼吸機能が開始される。というのは、吸う空気または吐く空気内のＣＯ2 含有量がもはや目標値に一致していないからである。少なくとも１個のピストン弁の本発明によるこの使用時に、弁体の開放位置ひいては開放時間と可動の空気量の相互の比を正確に求めることができるので、ＣＯ2 センサの配置は不要である。それによって、トレーニング装置が一層簡単になり、トレーニングする人または治療する人による取り扱い操作も簡単になる。弁体の特別な構造により、トレーニング装置は比較的に姿勢に鈍感であり、姿勢にかかわらず取り扱い操作が容易である。
【００１７】
人が呼吸機能の治療またはトレーニングのために、本発明による呼吸トレーニング装置を使用する際、個人に関する個別的な設定を行うことができる。この設定は経験値に基づいている。最初に、肺活量が測定され、それから、トレーニングのために適した空気袋容積が決定される。その際、空気袋の容積は標準の場合、肺活量の５０％の容積に相当する。空気袋の容積を決定するための他のデータはＷＯ９９１７８４２によって知られており、ここでも使用される。いわゆる１分あたりの呼吸量の経験値、当該の人のトレーニング状態のための補正係数および空気袋容積から、呼吸周波数が計算される。その際、トレーニング状態と１分あたりの呼吸量の両係数の積が空気袋容積によって割られる。これについても、正確なデータがＷＯ９９１７８４２に含まれており、補足的に使用可能である。トレーニング中、当該の人はトレーニング装置によって呼吸する。この場合、息を吸う際に先ず最初に呼吸気量の一部が空気袋から取り出され、続いて袋が空になって空気量の一部が弁装置を経て大気から供給される。その際、弁装置は息を吸うことにより呼吸気ダクト内に発生した負圧によって開放する。息を吸う過程から息を吐く過程への交代時に、弁装置が閉じ、先ず最初に空気量の一部が空気袋に供給され、その中に蓄えられる。袋の充填の後で、息を吐く過程によって呼吸気ダクト内に正圧が発生し、弁装置が再び開放し、吐き出された空気の一部が弁装置を経て大気に放出される。呼吸周波数と袋容積が互いに依存しているので、この装置機能または息を吸うサイクルによって、呼吸気内のＣＯ2 含有量がほぼ一定に保たれる。それによって、通気超過または通気不足が生じることが防止される。呼吸周波数が目標値として制御機器で設定されると特に有利である。制御機器とは、少なくとも１個のマイクロプロセッサを備えているかあるいは例えばコンピュータを備えている装置であると理解される。制御機器またはそのプロセッサを介して、設定された呼吸周波数から、息を吸うサイクルまたは吐くサイクルの持続時間が求められる。弁装置において、弁装置の開放状態の時間が測定され、この測定値が制御機器に送られる。息を吸うサイクルまたは吐くサイクルの計算されたサイクル持続時間と弁装置の開放持続時間を比較することによって、比の値が求められ、設定記憶された値と比較される。この設定記憶された値は、呼吸気のＣＯ2 含有量がほぼ一定である場合に求めた経験曲線によって知られている。計算された比の値が記憶設定された値と異なっている場合には、制御機器によって表示装置を介して、補正および／またはアラームが表示され、トレーニング装置を使用する人はその呼吸過程を、制御機器によって設定された値に合わせなればならない。トレーニングをする平均的な人のために、息を吸う過程と吐く過程の計算された持続時間と弁装置の開放持続時間との比を約２：１に定めると有利であることが判った。弁装置における弁体の位置決めのために、力を発生する制御または調整可能な手段が弁装置で使用されるときには、呼吸過程の補正が弁装置の開放時間の調整によっても行うことができるという他の利点が生じる。その際、弁装置の所望な開放時間は、力を発生する手段のための制御パ��スを発生する制御機器で設定される。この制御パルスの機能として、力を発生する手段は弁装置の開閉過程を行う。そして弁装置は呼吸気ダクト内の正圧または負圧によって部分的にしかまたは全く影響を受けない。トレーニング装置のこの構造と制御データは特に、正しい呼吸データの維持を保証するために、専門的な観点での用途のために設けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、添付の図を参照して本発明を実施の形態に基づいて詳しく説明する。
【００１９】
図１には、呼吸機能のためのトレーニング装置の全体が示してある。このトレーニング装置は実質的に、外側ケーシング１と、この外側ケーシング１内に挿入された呼吸気ダクト２と、接続管８を介して呼吸気ダクトに接続された口金３と、空気袋５とからなっている。トレーニング装置はケーブルまたはデータライン１３を介して制御機器１４に接続されている。図示した例では、制御機器１４はプロセッサとデータメモリを備えている。このプロセッサとデータメモリは、制御機器に接続された可搬式または定置式のコンピュータの一部であってもよい。外側ケーシング１は取っ手７を備えている。トレーニング装置はこの取っ手によって必要な方法および所望される方法で手動保持可能である。トレーニング装置の使用時に、口金３は、トレーニングのためあるいは治療のためにトレーニング装置を使用する人の口に収容され、鼻を介して気道を閉鎖した後で呼吸は完全にトレーニング装置を介して行われる。その際、呼吸気は接続管８を経て呼吸気ダクト２に流れる。この呼吸気ダクト２はＹ字状に２つのダクトに分岐している。この場合、一方の分岐管９は空気袋５に通じ、本来の呼吸気ダクト２は呼吸気または新鮮空気の入口兼出口４に通じている。呼吸気ダクト２内には弁装置６が配置されている。この弁装置は図２〜４に詳しく示してある。空気袋５は接続要素１２を介して分離可能に分岐管９に接続され、異なる容積の空気袋５が使用可能である。この空気袋はトレーニングする人の肺活量に依存して使用可能である。例えば息を吐き出すことによって開始される呼吸サイクルの場合、弁装置６が先ず最初に入口兼出口４を閉鎖し、それによって差し当たり可撓性の空気袋５に吐き出された空気が充填される。空気袋が５が一杯になるや否や、呼吸気ダクト２内には正圧が発生し、弁装置６は入口兼出口４への呼吸気の流通路を開放する。吐き出された空気の残りの部分は今やこの出口４を経て大気に流出する。それに続いて息を吸う際、弁装置６が先ず最初に再び閉じ、それによって空気袋５に含まれる呼吸気は新たに吸い込まれる。空気袋５が空になるや否や、接続管８と呼吸気ダクト２の一部内に負圧が発生する。この負圧は弁装置６を開放する。息を吸う残りのサイクルのために、入口４から新鮮空気が吸い込まれる。以下、この過程が各々の呼吸サイクルのために周期的に繰り返される。この過程と、それによって生じるトレーニング効果または治療効果は、技術水準として挙げた国際出願ＷＯ９９１７８４２号明細書と、刊行物である自然研究団体の季刊誌（チューリッヒ、１９９７年、１４２／４、第１５３〜１５９頁）に記載されている。所望なトレーニング作業または治療作業を正しく行うために、制御機器１４とその入力ユニット１５を介して、１分間あたりの呼吸周波数が設定される。トレーニングする人によって効果的に行われる呼吸過程は、図示した例では表示要素１７に表示され、ディスプレイとして形成された第２の表示要素１６には言語出力、例えば訂正指示または誤差指示が表示される。設定値からの許容偏差を超えている、トレーニングする人の呼吸過程の場合、制御機器１４またはその表示要素１６，１７はアラーム信号を表示する。トレーニング装置の正しい使用を保証するために、先ず第1 に、トレーニングすべき人または治療すべき人の肺活量を公知の方法で測定しなければならない。続いて、使用される空気袋５の容積と、人が呼吸する呼吸周波数が、計算でまたは表によって決定される。その際、その都度のトレーニング状態と所望なトレーニング経過を考慮すべきである。普通のトレーニング過程のためには、0.5 〜3.5 リットルの容積の0.5 リットルきざみの空気袋５が使用される。充分にトレーニングした男性は例えば次のようなデータを示す。測定された肺活量が５リットルであると、肺活量の５０％である空気袋５の容積は2.5 リットルになる。１分間あたりの呼吸量は身長や体重に依存し、例えば１５０リットルである。その場合、計算された呼吸周波数は２０〜２４サイクル／分である。
【００２０】
図２は外側ケーシング１の上側範囲と、その中に挿入された、弁装置６を有する呼吸気ダクト２の縦断面を示している。本発明による弁装置は、公知の弁と比べてきわめて有利であるピストン弁６である。呼吸気ダクト２は外側ケーシング１内に取り外し可能に装着され、接続要素１０と閉鎖要素１１によって外側ケーシング１に取り外し可能に固定されている。接続要素１０は、口金３のための接続管８が設けられている側に配置されている。呼吸気ダクト２にはおねじ１８が設けられ、接続要素１０はめねじ４４を有する。接続管８は、同時に保持肩部を形成するシールリング１９を介して接続要素１０によって呼吸気ダクト２に連結されている。呼吸気ダクト２はＹ字状に形成され、空気通過室２６とそれから分岐した流路３０を備えている。この流路３０は上述のように空気袋５に通じている。この空気袋は接続要素１２を介して呼吸気ダクト２の分岐管９に接続されている。接続管８とは反対側の呼吸気ダクト２の部分には、流路３０を分岐した後で、ピストン弁６が配置されている。このピストン弁６は呼吸気ダクト２の一体構成部分を形成するケーシング部分２２を備えている。ケーシング部分２２の範囲において、空気通過室２６の周壁にはシール面２７が配置されている。このシール面は流れ軸線２８の方向に一部範囲にわたって延びている。図示した例では例えば９ｍｍにわたって延びている。この場合、空気通過室２６の直径はシール位置の範囲において約２３ｍｍである。このシール面２７の前後において、空気通過室２６は、シール範囲よりも大きな横断面積を有する。ケーシング部分２２の範囲内において空気通過室２６内には弁体２３が挿入されている。この弁体はピストン２４と案内部材２５，４６を備えている。弁体２３はピストン２４と案内部材２５を介して呼吸気ダクト２の空気通過室２６内で滑動案内され、矢印３１の方向に自由に移動可能である。空気通過室２６内での矢印３１の方向または流れ軸線２８の方向の弁体の移動は、図４に示すストッパー４２，４３によって制限される。弁体２３の組込みと分解は、入口兼出口４を設けた、呼吸気ダクト２の側から行われる。そのために、呼吸気ダクト２の端範囲におねじ２０が設けられている。このおねじは閉鎖要素１１のめねじ４５に螺合する。図２に示した例では、空気通過室２６の流れ軸線２８がピストン弁６の範囲において呼吸気ダクト２の縦軸線３６と一致している。トレーニング装置のいろいろな部品は、接続要素１０と閉鎖要素１１と接続要素１２を取り外すことによって簡単に互いに分離可能である。呼吸気ダクト２は簡単に形成され、洗浄しにくいかまたは洗浄できない複雑な形状要素を備えていない。弁体２３も最適に洗浄できるように形成されている。これは、呼吸気に接触する他の部品、すなわち口金３と接続管８と例えば閉鎖要素１１にも当てはまる。これらのすべての部品は、必要に応じて殺菌可能な材料によって作ることができる。弁体２３の組込みおよび分解は簡単に行うことができる。なぜなら、ケーシング部分２２または呼吸気ダクト２に対する直接的な機械的連結部を備えていないからである。これは装置の洗浄と取り扱い操作を大幅に簡単化することになる。本発明による装置は、呼吸気に接触する部品を、トレーニング装置を利用するすべての人に、個別的に、すなわち個人に関連してあてがうことを可能にする。
【００２１】
外側ケーシング１と制御機器１４はいろいろな人、すなわち多くの人によって利用可能である。というのは、外側ケーシングと制御機器に呼吸気が接触しないからである。普通の場合、表面を洗浄するだけで充分である。本発明によるこの構造は、このような呼吸トレーニング装置を治療のために低コストで使用することを可能にする。この治療のための使用では、多数の人が順々に治療を受ける。呼吸トレーニング装置の新しい使用のために、呼吸気に接触するすべての部品は簡単に交換可能であり、装置は直ちに再使用可能である。
【００２２】
図３は、ピストン弁６の構成部品である本発明による弁体２３を示している。ピストン２４には一方では案内部材２５が接続し、反対側では案内部材４６が接続している。両案内部材２５，４６は実質的に、対称に配置された４個のリブからなっている。このリブの間に、空気のための流路４７，４８が設けられている。ピストン２４とは反対側の案内部材２５の端範囲４１において、案内部材２５はピストン２４よりも大きな直径を有する。ピストン２４と端範囲４１の間において、案内部材２５のリブの直径が小さくなっていて当接面４９が形成されている。案内部材４６のリブの直径もピストン２４よりも小さくなっている。
【００２３】
図４は図２の軸線３６に沿った呼吸気ダクト２の横断面を示している。この図には、力を発生する手段２９が示してある。この手段は弁体２３をシール位置に保持するかまたはピストン弁６の開放力を決定し、ケーシング部分２２の範囲に配置される。図示した例では、力を発生する手段２９は磁気要素からなっている。この場合、弁体２３は磁気材料からなる部品３２を含み、弁体６のケーシング部分２２の範囲内に、磁気材料からなる２個の部品３４を備えた手段が配置されている。弁体２３のシール位置では、この磁気的な部品３２，３４は空気通過室２６の流れ軸線２８に対して半径方向の共通の平面３５内に位置決めされている。両部品３４は永久磁石、すなわち磁気的に強い材料からなる磁気要素である。弁体２３内の磁気的な部品３２も、永久磁石によって形成されているかあるいは磁気的に強い材料からなっている。磁気要素３２，３４の軸線は流れ軸線２８に対してほぼ平行に延び、磁極構造体は同一に形成されている。磁気的な両部品３４は外側ケーシング１内に流れ軸線２８に対して対称に配置され、ピストン弁６のケーシング部分２２に当接する。磁気的な両要素３４によって発生する磁界により、磁気的な部品３２はピストン２４または弁体２３内でほぼ平面３５内に位置決めされ、それによって弁体２３はシール位置に保持される。作用する磁力は公知のごとく、所望な負圧または正圧のときに初めて弁体２３がシール位置から矢印３１の方向に移動するように定められる。しかし、永久磁石３４の代わりに、電流で作動する電磁石３３を、外側ケーシング１内またはピストン弁６のケーシング部分２２の範囲内に挿入してもよい。電流供給と制御信号供給は制御機器１４からケーブル１３と図示していない他の接続導体を介して外側ケーシング１内に行われる。この構造は、筋力トレーニングの場合に合目的であるような、弁の開放のための開放力を変更することを可能にする。更に、制御機器によって弁開放時間に影響を及ぼして弁開放時間を制御することができるという利点がある。これは装置のプロフェッショナル用途の場合に所望される。他の実施の形態では、弁体２３内で磁気要素が永久磁石３２によって形成され、ケーシング１内で磁気要素が磁気的に弱い材料、例えば鉄によって形成されている。この場合、リング状の要素を使用すると合目的である。弁体２３内の磁気的な部品３２を磁気的に弱い材料、例えば鉄によって形成し、弁ケーシング２２内の磁気的な両部品３４を磁気的に強い材料、すなわち永久磁石によって形成することにより、逆の配置構造も可能である。このすべての配置構造は本発明による所望な機能を満たす。ピストン２４とケーシング部分２２のシール面２７との間のシール位置の両側に、シール面３５に対して間隔をおいて、２個のセンサ３７，３８が外側ケーシング１内に配置されている。図示した例はホールセンサである。このホールセンサにより、弁体２３またはその磁気的な部分の移動時に発生する磁界の変化を検出することができる。同じ機能はリードセンサ、光学式センサまたは圧力センサによっても検出することができる。このセンサ３７または３８によって、弁体２３が新鮮空気を吸うための開放位置にあるかあるいは開口４から呼吸気を吐き出すための開放位置にあるかどうかが検出される。開口４から新鮮空気を吸うための開放位置はシール面２７の端部のストッパー４２と、案内部材２５のリブ上のストッパー４９によって決定される。この開放位置と開放時間はセンサ３７によって検出される。使用済み空気を開口４から流出させるための弁体２３の開放位置は、案内部材２５の端範囲４１と、端ストッパー４３を形成する閉鎖要素１１の内側の面とによって決定される。この開放位置にはセンサ３８が付設されている。このセンサは開放状態と開放時間を検出する。シール位置からその都度の開放位置への矢印３１の方向のこの移動時に、弁体２３は空気通過室２６内でスライドする。このスライド運動時に発生する摩擦損失はきわめて小さい。本発明による構造体は、シール位置から開放位置に弁体２３を移動させるために必要な力が、弁体の移動につれて漸進的に増大しないで、この力が一定であるかまた小さくなるという利点がある。それに伴い、シール位置での保持力を上回ると、弁体２３は開放位置に直ちに完全に移動い、それによって空気の流通横断面全体が完全に開放されるという利点がある。それによって、空気の流量はピストン弁６の開放時間によって充分に正確に決定され、空気中のＣＯ2 含有量を検出するための付加的なセンサが不要である。
【００２４】
図５は吸気ダクト２とピストン弁６を概略的に示している。その際、外側ケーシング１とその他の取付け部品は図示していない。この場合にも、ピストン弁６のケーシング部分２２は呼吸気ダクト２の一体構成部品である。ケーシング部分２２はシール面２７を備え、弁体２３上にピストン２４が配置されている。その際、弁体２３とシール面２７の形状は図３と２の実施の形態に一致している。しかし、本実施の形態では、力を発生する手段２９は磁気的な要素によってではなく、両コイルばね３９，４０によって形成されている。この両コイルばね３９，４０の力は弁体２３をシール位置に保持し、両矢印３１方向への移動を可能にする。それによって、図１〜４に示した作用と同じ作用が生じる。この実施の形態は、できるだけ低コストの装置が望まれ、弁体２３の開放力の漸進的な増大が許容される、すなわち作動精度の悪い装置が許容される場合に使用可能である。それにもかかわらず、本発明によるピストン弁の利点は維持される。
【００２５】
本発明によるトレーニング装置は、図６に概略的に示すように、２個のピストン弁６′と６″を備えることができる。その際、呼吸気ダクト２′は側方に分岐した２つの管部分５０，５１を備えている。この管部分はその外側端部に、流入口５２または流出口５３を備えている。呼吸気ダクト２′は同様に分岐管９を備えている。この分岐管は空気袋５に通じている。両管部分５０，５１内にはそれぞれ１個の弁体２３が配置されている。この弁体の実施の形態は図３の弁体に一致している。両弁体２３はピストン２４を備えている。このピストン内には、永久磁石３２の形をした磁気部品が組み込まれている。管部分５０，５１の内壁には必要なシール面２７′が配置されている。このシール面はピストン２４と協働する。このシール面２７′の範囲において、永久磁石３４の形をした直径方向に対向する２個の磁気部品が管部分５０，５１内に組み込まれている。このシール位置のこの形状の場合、両弁体２３は開放位置の方にのみ移動可能である。
【００２６】
その際、管部分５０内の弁６″は開口５２から新鮮空気を吸い込む機能を有する。弁体２３の開放位置はセンサ３７によって検出され、更に開放時間も検出される。これに対して、管部分５１内の弁６′は、空気袋５が充填されているときにも、使用済み空気を開口５３から流出させる機能を有する。この場合にも、弁体２３の開放位置と開放時間はセンサ３８を介して検出される。２個のピストン弁６′，６″を備えたこの構造体は、新鮮空気の吸込みのための開放時点または呼吸気を大気に流出させるための開放時点について、異なる開放力を定めることができる。これは所定のトレーニングプログラムおよび／または治療プログラムにとって合目的であり、かつ重要である。
【００２７】
呼吸トレーニング装置への新鮮空気の供給を監視するための本発明による方法の場合、試験人の一連の試験で検出された基礎データが部分的に使用される。特に肺活量は個人に依存し、呼吸数は個人と性別に依存する。所定の人の呼吸数を計算によって求めるためには、次の方法が必要である。先ず最初に、公知のごとく、肺活量（Ｖc ）が測定される。空気袋５の容積は、肺活量の５０％になるように定められる。更に、呼吸数（ＭＶＶ）が次の式に従って求められる。
【００２８】
男性：ＭＶＶ＝（1.193 ×身長）−（0.816 ×年齢）−37.949
女性：ＭＶＶ＝（0.842 ×身長）−（0.685 ×年齢）−4.868
その際、身長はcm、年齢は年数である。
【００２９】
継続的なトレーニングのためには、呼吸数（ＭＶＶ）の６０％である１分あたりの呼吸量（ＡＭＶ）が推奨される。
【００３０】
呼吸周波数（1/min ）は次式に従って求められる。
【００３１】
呼吸周波数＝ＡＭＶ／1.5 ×空気容積
この値の範囲内でトレーニングすると、トレーニングする人は呼吸気内に多すぎるＣＯ2 （通気不足）または少なすぎるＣＯ2 （通気超過）を有しない。呼吸気内のＣＯ2 含有量の限界値の決定に依存して、式内で適合した定数を使用することができる。この関数と表の値は健康な平均的な人に当てはまる。トレーニングしていない人、他のグループの人または例えば病人のためには、個別的な解明および適合が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】呼吸機能のための本発明によるトレーニング装置とそれに関連する制御機器の全体を示す図である。
【図２】ピストン弁を備えたトレーニング装置の呼吸気ダクトの縦断面図である。
【図３】ピストン弁の弁体の斜視図である。
【図４】トレーニング装置の呼吸気ダクトの横断面図である。
【図５】力を発生する手段としてばねを備えた弁装置の概略的な横断面図である。
【図６】２個のピストン弁を備えた呼吸気ダクトの概略的な横断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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