呼吸筋トレーニング器具

本発明は、吸気筋トレーニング器具及び呼気筋トレーニング器具の両方を含む呼吸筋トレーニング器具に関するものである。

吸気筋トレーニング器具の形態の呼吸筋トレーニング器具は、例えば、英国特許公開公報第２２７８５４５号及び米国特許公開公報第４８５４５７４号によって、よく知られている。 これら公知の器具はそれぞれ、吸入されたり吐出されたりする空気の流通用にマウスピースの形態をとる排気口を有するチャンバと、空気が吸入されてチャンバに進入し開口まで通過することを可能にする吸気口と、開口を通って進入する吐出された空気がチャンバから脱出することを可能にする一方向の排気弁と、チャンバへと吸入されうる空気の侵入を阻止し、一定の閾値圧力で開くようになっているバルブとを含んでいる。 この閾値圧力は、呼吸毎又はセッション毎にユーザによって変更可能であるが、この公知の器具は、予め選択した一定の負荷を吸気に対して効果的に与える。 すなわち、負荷は、空気の流れに依存せずまた、時間や肺気量によって変化しないという点で一定である。

しかしながら、呼吸筋の力学的特徴によって、呼吸筋の強度（延いては肺の中で呼吸筋が発生させることができる圧力）は、肺が膨らむ程度に応じて変化するということが示される。 その結果、呼吸筋に一定の抵抗負荷をかけると、高肺気量では筋肉に負荷がかかり過ぎて呼気が早く終了してしまったり、及び／又は、低肺気量では最適以下の負荷になってしまったりする。

従って、本発明は、公知の器具の欠点を克服又は少なくとも改善し、異なる肺気量で変化する呼吸筋の能力に関連して変化する呼吸筋への動的負荷を与えることができる呼吸筋トレーニング器具を提供することを目的とする。

本発明によれば、 本体部とマウスピース部とを備える呼吸筋トレーニング器具であって、
前記マウスピース部が、
可変オリフィスバルブ組立体を含むチャンバであって、前記バルブ組立体が、空気の流通用に少なくとも１つの開口部を有する固定された第１のバルブプレートと、前記第１のバルブプレートに対して可動であり、空気の流通用に少なくとも１つの開口部を有する第２のバルブプレートとを含んでいる、チャンバと、
空気を前記チャンバの中に吸い込めるようにする、前記バルブ組立体の第１の側にある吸気口と、
ユーザが前記バルブ組立体を通過した空気を吸い込めるようにする、前記バルブ組立体の第２の側にある排気口と、 を含んでおり、
前記本体部が、
前記バルブ組立体全体の差圧を測定する圧力センサと、
前記バルブ組立体の開口の面積を測定する手段と、
前記圧力センサが測定した差圧及び前記バルブ組立体の開口の面積に基づいて前記マウスピース部の前記バルブ組立体のオリフィスを変更するアクチュエータを含む制御手段と、を含んでいる、呼吸筋トレーニング器具において、
前記マウスピース部が前記本体部から分離可能であり、前記第２のバルブプレートが、その周縁部の少なくとも一部の周りに、前記制御手段の一部を形成する前記アクチュエータと係合する歯状部を有し、前記アクチュエータが、ギアボックスの一部を形成する少なくとも１つのギアによって前記第２のバルブプレートへ駆動力を伝え、前記ギアボックスが、前記マウスピース部との接触面の一部を成す弓形部分を含むことを特徴とする、呼吸筋トレーニング器具を提供する。

前記バルブ組立体の前記開口の面積を測定する前記手段は、光学的又は磁気的エンコーダ等の位置フィードバック手段を含んでもよく、又は、前記バルブ組立体を操作するアクチュエータが、前記バルブの前記開口の面積を測定する手段としての役割を担ってもよい。

前記制御手段は、前記バルブ組立体を操作するためのアクチュエータを含み、前記アクチュエータは、ステッパーモータ、直流サーボモータ、超音波モータ、又は他のアクチュエータ型の装置から選択してもよい。

前記第１のバルブプレート及び前記第２のバルブプレートには、それぞれ、扇形の複数の開口部が形成され、前記複数の開口部は各バルブプレートの軸周りに等間隔に配置され、前記開口部と略同じ寸法の中実な領域によって分離されてもよい。

前記バルブ組立体は、前記バルブプレート同士を互いに向けて付勢するコイルバネ等のバイアス手段を含んでもよい。

前記バルブ組立体は、前記第１のバルブプレート及び前記第２のバルブプレートの間の相対移動を制限するエンドストップを含んでもよい。

前記第１のバルブプレートは、前記バルブプレート及び前記チャンバ間の相対移動量を許容するように前記チャンバに取り付けてもよい。

前記圧力センサは、前記バルブ組立体の上流側に第１のポート及び前記バルブ組立体の下流側に第２のポートを含んでもよい。

前記制御手段は、前記圧力センサの出力信号を前記制御手段に対する入力に適合した形式に変換する信号調整装置を含んでもよい。

前記制御手段は、前記バルブ組立体の前記オリフィスの必要な前記開口を測定するマイクロプロセッサを含んでもよい。 前記マイクロプロセッサは、例えば、容量及び／又は時間に伴って変化する、例えば、所定の差圧、流速又は抵抗負荷プロファイルを維持するために前記オリフィスを制御してもよい。 所定の差圧は、実際には大気圧との差圧のことなので、当該差圧は、口腔内圧Ｐ _{ＭＯＵＴＨ}と呼ばれることが多い。

前記器具は、ユーザに情報を提供するフィードバック手段を含んでもよい。 前記フィードバック手段には、ＬＣＤスクリーン、可聴ブザー、発光ダイオード、外部コンピュータとの接続、又は、触覚による振動フィードバックのうちの１つ以上を含んでもよい。

本発明に係る呼吸筋トレーニング器具の一実施形態の主要な構成要素を示すブロック図である。

本発明に係る呼吸筋トレーニング器具の他の実施形態の後部分解斜視図である。

図２に示した呼吸筋トレーニング器具の前面分解斜視図である。

図２及び図３の呼吸筋トレーニング器具が２つに切り離し可能であることを示す、器具の斜視図である。

最大圧力−流量の関係を示すグラフである。

図１〜４に示した器具の基本的な操作の流れを示す図である。

本発明に係る呼吸筋トレーニング器具の他の実施形態の主要な構成要素を示すブロック図である。

本発明をより良く理解し、本発明がどのように実行されるかをより明確に示すために、例として、添付の図面を参照する。

図１は、本発明に係る呼吸筋トレーニング器具の原理を、特に、吸気筋トレーニング器具の形態により図式的に説明する図であり、吸入した空気の流れの方向を示す矢印のある空気経路１と、可変オリフィスバルブ組立体３と、バルブ組立体のオリフィスを変化させるためのステッパーモータ等のアクチュエータ５を含み、当該アクチュエータは、バルブ組立体の開口の面積を測定するための手段を含む。 圧力センサ７は、バルブ組立体３全体の差圧を測定する。 このために、圧力センサ７は、バルブ組立体の（吸気時における）上流側に実際の大気圧Ｐ _ＡＴＭを測定するための空気経路１と連通する第１ポート９を有し、また、バルブ組立体の下流側に実際のユーザの口腔内圧Ｐ _{ＭＯＵＴＨ} 、すなわち肺の圧力を測定し空気経路１と連通する第２のポート１１を有する。

圧力センサ７は、信号調整装置１３に連結されており、信号調整装置１３は、例えば、圧電抵抗式圧力センサといった圧力センサからのアナログ出力を増幅及び濾過によって変換して、マイクロプロセッサが使用可能な信号を提供する。 そして、信号調整装置からの出力はマイクロプロセッサ１５へと引き渡される。 マイクロプロセッサ１５は、器具に必要なオリフィスを決定し、モータドライバ１７及びアクチュエータ５を用いてオリフィスを制御する。 器具用の電力は、バッテリパック１９及び電力管理システム２１によって提供される。

バルブ組立体のオリフィスは、例えば、所定の差圧、流速又は、耐性プロファイル（差圧及び流量の積によって決定されるもの）を維持するために、吸気の流れに対して変化する抵抗負荷を提供するように制御してもよい。 負荷は、容量又は時間に伴って変化させてもよい。

図２から図４に示した吸気筋トレーニング器具は、図４に示したように、本体部２３及び分離可能なマウスピース部２５を備える。 器具の主要な構成要素から分離可能であるマウスピース部２５を用いることによって、ユーザは、可変オリフィスバルブ組立体と共に、マウスピース部を清浄（例えば、洗浄）することが可能となる。

マウスピース部は、複数の開口部を有する略円形の固定バルブプレート３１が合わさっているバルブハウジング２９に取り付けられるマウスピース２７を備える。 例えば、３つの開口部があり、その各々が円の扇形の形状を持ち、バルブプレートの軸回りに等間隔に配置され、開口部と略同じ寸法の中実な領域によって分離されていてもよい。 複数の開口部を有する略円形の回動可能バルブプレート３３は、固定バルブプレート３１の中央から軸方向に突出しているスピゴットに取り付けられ、少なくともその周縁部の一部の周りに延びる歯状部３５を有する。 例えば、開口部の配置は、固定バルブプレートと実質的に同じであってもよい。 従って、回動可能バルブプレート３３は、回動可能バルブプレート３３と固定バルブプレート３１との２組の開口部が一致すると様々な程度でバルブが開くように、また、開口部が一致しないとバルブが閉じるように、固定バルブプレート３１に対して回動可能である。 コイルバネ等のバイアス手段３７は、固定バルブプレートに対して回動可能バルブプレートを押し付ける。 器具が単に吸気筋トレーニング器具としてだけに用いられる場合には、両バルブプレートが呼気の間に分離できるようにバイアス手段の強度は比較的低いが、器具が呼気筋トレーニング器具として用いられる場合は、バイアスばねの強度は、両バルブプレートの分離を防止するために十分である必要がある、あるいは、そのような分離を防ぐために他の対策が必要となる。 他の対策としては、単に呼気筋トレーニング器具用として意図した器具において両バルブプレートの順番を逆にしたり、二重目的の器具において、両バルブプレートのうちの一方を、他方の２枚のバルブプレートの間に挟んだりすることが含まれる。 バルブプレート３３の回転運動を完全に閉じた構成と完全に開いた構成の間に制限するために、エンドストップ３９を回動可能バルブプレート３３の一方の面に形成する。 エンドストップ３９は、固定バルブプレート３１に形成された周縁凹部に係合している。 当然のことながら、２枚のバルブプレートにおける開口部の数及び形状を変更可能であり、これにより、例えば、負荷に対する応答性、分解能及び範囲を決定することもできる。 また、マウスピース部２５は後部通気孔４１をも含む。 吸気中に空気は後部通気孔４１を通って進入し、バルブ組立体を通過してマウスピース２７に流れる。 後部通気孔４１の上面は、空気経路１の上部領域を形成する。 バルブハウジング２９及び固定バルブプレート３１との間のキーイングアレンジメントにより、僅かな量の相対的回転が可能にする。 これは、エンドストップが２枚のバルブプレートの間の更なる回転を防止した後にも、引き続き僅かに回転できるようにするためである。 これにより、バルブ組立体の完全に閉じた位置を、位置フィードバックを必要とすることなく正確にリセットすることが可能となる。

バルブ組立体が完全に閉じている（あるいは「ホーム」）ポジションは、例えば、ステップ位置が欠損した場合や位置フィードバックデータが欠如している場合（すなわち、開ループステッパーモータ操作中）において、公知のステッパーモータ位置で正確にリセットされなければならない。 ホームポジションは、バルブ組立体がエンドストップ３９によって許容するよりも更に多く動くようにステッパーモータ５に指示するマイクロプロセッサ１５によって設定される。 回動可能バルブプレート３３が、バルブ組立体の完全に開いた位置又は完全に閉じた位置でエンドストップに当たり、かつ、ステッパーモータが回転し続けると、両バルブプレート（３１，３３）は互いに対しては静止したままであるが、両バルブプレートは一体となってバルブハウジング２９に対して回転し続けてもよい。 この方法によると、ステッパーモータが停止した際に、相対的なステッパーモータの位置と両バルブプレートの位置とが分かる。 バルブチャンバに対する両バルブプレートの動きはバルブプレート同士の動きとは異なるため、通常の操作において、バルブプレート同士の相対的な位置、すなわち、バルブの開口の面積が常に分かる。

本体部２３は、前方ハウジング部４３及び後方ハウジング部４５を含む。 両ハウジング部の上部領域は、マウスピース２５との接触面を形成するために湾曲している。 ギアボックス４７は弓形部分を含み、当該弓形部分もマウスピース部２５との接触面の一部を成す。 ステッパーモータアクチュエータ４９がギアボックス４７に装着される。 ステッパーモータアクチュエータ４９は、回動可能バルブプレートの歯状の周縁部３５と係合する噛み合いギア５１を用いて回動可能バルブプレート３３を駆動する。 ステッパーモータを操作することにより、呼吸の空気の流れに対する抵抗を変えるためにバルブ組立体の開口が徐々に咬み合わさる。 ステッパーモータは電気パルスを不連続の機械的運動へと変換する。 ステッパーモータはシャフトを含み、当該シャフトは所定の順序においてマイクロプロセッサ１５が電気的コマンドパルスをモータに与えると不連続の階段的増加により回転する。 ステッパーモータの不連続な運動は、ステッパーモータに送信されてきたコマンドパルスによって決定されるため、シャフトの回転位置、すなわち、バルブの位置（及びそれに伴う開口）は、マイクロプロセッサによって直接決定される。 第１圧力タッピング５３は、後部通気孔４１内の空気経路の入口領域の中へと延びて大気圧を表示し、一方、第２圧力タッピング５５は、第１の圧力タッピングから離れて配置され、マウスピース部２５の領域内における空気経路の出口領域へと延びてマウスピース内の圧力を表示する。

なお、噛み合いギアは、ドライブベルト配列と交換してもよいし、ステッパーモータは、直流サーボモータ、超音波モータ又は他のアクチュエータ型の装置と交換してもよいことに留意されたい。 更に、図７に示すように、位置フィードバック手段５９は、例えば、光学的又は磁気的エンコーダの形態で必要に応じて設けることができる。 位置フィードバック手段５９は、バルブの位置を測定するためにアクチュエータ４９又は回動可能バルブプレート３３のどちらか一方に取り付けることができる。 マイクロプロセッサが、アクチュエータにバルブプレートを動かすように指示するコマンドを送信すると、位置エンコーダがバルブプレートの位置に関してマイクロプロセッサにフィードバックを提供する。 これは、マイクロプロセッサが、気流を計算することができるように、また、要求された設定ポイント、すなわち、差圧、流速又は抵抗負荷プロファイルに更に近づくように再度バルブプレートを動かすようアクチュエータに指示することができるようにするためである。

位置フィードバック手段は、マイクロプロセッサがアクチュエータに対してコマンドを出してもバルブの位置を直接決定できないような状況において特に有益である。 これは、一般的にアクチュエータがステッパーモータ以外であって、マイクロプロセッサがアクチュエータに対し既知の位置へとバルブプレートを動かすように指示することができない場合に起こる。

電子部品は本体部２３の中に収容されているが、図２から図４には図示しない。 また、本体部は、バッテリパックを再充填するためのポート５７を含んでもよい。 ポート５７は、外部コンピュータとの通信にも役立つ。

差圧は、第１圧力タッピング５３及び第２の圧力タッピング５５によってサンプルされ、圧力変換器７によって測定される。 バルブ組立体の開口の面積は、回動可能バルブプレート３３の位置を測定するための上述したステッパーモータアクチュエータ４９又は位置エンコーダフィードバック手段のどちらか一方を用いることで常に分かる。 流速は、以下の関係式に従って、圧力及び面積データを用いることでリアルタイムにマイクロプロセッサ１５が計算する。
Ｑ＝Ｃ _Ｆ .Ａ.√（２.ΔＰ／ρ）
上記式中、
Ｑ＝流速Ａ＝バルブ開口の面積ΔＰ＝バルブ組立体全体の差圧Ｃ _Ｆ ＝流量係数ρ＝密度である。

これは、Ｑ＝Ｋ.Ａ.√ΔＰに近似してもよい。
ここで、Ｋは、器具における直接的な実験によって決定される、バルブ開口の面積及び／又は圧力（すなわち、動的流量係数）に基づく表形式の変数である。 或いは、Ｋは、器具の構造に基づいた実験によって簡単に決定できる定数によって近似してもよい。

流量は、流速を時間に対して積分することで計算される。
Ｖ＝∫Ｑ.ｄｔ

このように、本発明に係る吸気筋トレーニング器具によれば、流速、流量及び口腔内圧を圧力センサのみによって測定することができる。

本発明に係る吸気筋トレーニング器具を用いる１つの手順によると、肺気量を用いた最大吸気口腔内圧の変動は個々のユーザに対して以下に近似することが既に示されている。
Ｐ _ＭＡＸ ＝Ｐ _{ＭＡＸ（ＲＶ）} −（Ｐ _{ＭＡＸ（ＲＶ）} .（Ｖ ^２ ＋２.Ｖ）／（ＶＣ ^２ ＋２.ＶＣ））
上記式中、
Ｐ _ＭＡＸ ＝任意の肺気量における最大口腔内圧Ｖ＝肺気量（残気量より大きい）
ＶＣ＝ユーザの肺活量Ｐ _{ＭＡＸ（ＲＶ）} ＝残気量におけるユーザの最大口腔内圧（最大呼気の末期においてユーザの肺の中に残っている空気の量）
である。

全ての肺気量において最適なトレーニング刺激を確実なものとするために、吸気筋トレーニング負荷は、吸気を通して上記に定義される関係式に従ってユーザの最大口腔内圧の固定比率に維持される。 例えば、Ｐ _ＭＡＸの５０％でのトレーニングに対しては、
Ｐ _ＬＯＡＤ ＝０.５×Ｐ _ＭＡＸ ＝０.５×［Ｐ _{ＭＡＸ（ＲＶ）} −（Ｐ _{ＭＡＸ（ＲＶ）} .（Ｖ ^２ ＋２.Ｖ）／（ＶＣ ^２ ＋２.ＶＣ）］

従って、本発明は、ユーザの呼吸筋、特にユーザの吸気筋に対して可変的な負荷を与えることができる呼吸筋トレーニング器具を提供する。

特定のユーザに対して正しい負荷を設定するために、ＶＣ及びＰ _{ＭＡＸ（ＲＶ）}の値が必要となる。

ＶＣ（肺活量）の値は、一定の低負荷の元で、最大限の呼気の間にユーザが計測した、計算された流れ（差圧及び面積データから計算したもの）から直接積分される。

Ｐ _{ＭＡＸ（ＲＶ）}は、図５に示すように、最大吸気圧と最大吸気流との周知の逆相関関係を用いて、一定の低負荷の元で最大呼気時にユーザによって計測された最大流量（Ｑ _{ＭＡＸ（ＬＯＡＤ）} ）から推測される。 他の公知の方法も用いることができる。

よって、
Ｐ _{ＭＡＸ（ＲＶ）} ）＝Ｐ _ＬＯＡＤ ＋Ｇ.Ｑ _{ＭＡＸ（ＬＯＡＤ）}
上記式中、
Ｐ _ＬＯＡＤ ＝吸気の際にかかる一定の低い抵抗負荷Ｑ _{ＭＡＸ（ＬＯＡＤ）} ＝Ｐ _ＬＯＡＤにおいて記録された最大吸気の流れＧ＝最大圧力−流量の関係の勾配（実験から近似された固定値）
である。

一旦ＶＣ及びＰ _{ＭＡＸ（ＲＶ）}が決定すると、予め定義された二次関係式による負荷を徐々に（例えば、１度目の呼吸に対してＰ _ＭＡＸの２５％、次の呼吸に対してＰ _ＭＡＸの５０％）与え、ユーザに対して負荷を段階的に導入してもよい。 ユーザの生理学的なパラメータ（ＶＣ及びＱ _{ＭＡＸ（ＬＯＡＤ）} ）が決定され、理想的な負荷プロファイルが決定され、吸気の気流に対して負荷が課される操作の実現可能な基本的流れを、図６に示す。

一連のトレーニングは、ユーザインターフェースを介してユーザによって開始される。 そして、ユーザは、可変オリフィスバルブ組立体が一定の低い口腔内圧（例えば、１０ｃｍＨ _２ Ｏ）を維持している間に、器具を通して最大限の吸気を行う。 吸気の間、ユーザの肺活量（ＶＣ）及び最大流量（Ｑ _{ＭＡＸ（ＬＯＡＤ）} ）を測定する。 上述したように、この情報から理想的な負荷プロファイルが決定する。 そして、ユーザは、通常通り器具を通して空気を吐き出す。 呼気の間、低い正の口腔内圧がバルブと制御機構によって維持されている。 この負荷は最小であり、呼気に対して有意な抵抗を示さない。

呼気の後、吸入した空気量及び計算した理想的な負荷プロファイルに伴って変わる負荷プロファイルを器具が提供している間に、ユーザは２回目の最大限の吸気を行うが、このとき理想的な負荷よりも減少した比率で行う（例えば、Ｐ _ＭＡＸの２５％）。 この吸気中の負荷は、吸気に対して急激に予想外の高負荷がかかることを防ぎながら、負荷を徐々に導入するために低減したレベルである。 そして、ユーザは、バルブが略一定の低い正の口腔内圧を維持している間に通常通り再び空気を吐き出す。

そして、ユーザは、計算した理想的な負荷プロファイルに従って器具が全トレーニング負荷（例えば、Ｐ _ＭＡＸの５０％）を提供している間に、３回目の最大限の吸気を行う。 このレベルでの負荷を、吸気筋をしっかりと鍛えるために呼吸３０回分程繰り返す。

或いは、減少する負荷の強さは、ユーザにとって最も適当な負荷を選択するように多くの呼吸の間に手動で変更することもできる。

本発明に係る呼吸筋トレーニング器具は、例えば、Ｐ _ＬＯＡＤの等式における係数を変えたり、結果として得られる曲面の凸状及び／又はＸ軸との交差点を変更したりする等の代替的手順と併せて用いることができる。

本発明に係る呼吸筋トレーニング器具は、様々な方法でユーザに対してフィードバックを提供してもよい。 例えば、フィードバックは、ＬＣＤスクリーン、可聴ブザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の１つ以上のユーザインターフェース、又は、器具を外部コンピュータに接続することによって提供してもよい。 フィードバック情報には、呼吸筋の（口腔内圧に由来する）強度、呼吸筋力、トレーニングサイクル中の呼吸筋の仕事量及び／又は呼吸筋の持久力等の呼吸筋の能力の計測値及び／又は、肺気量及び／又は最大流量等の生理学的データを含んでもよい。 フィードバック情報は、呼吸筋の漸増を最適化すると共に、過呼吸による脱力を最小化するための呼吸数ガイダンス、又は、いつパフォーマンスが低下しているのか及び／又は個人のベストレベルを越えたかどうか等の指標等の、動機付け用のガイダンスも提供することができる。

代替的負荷プロトコル及び呼吸操作により、本発明による器具を、最大圧力−容量プロファイル、流量−容量ループ、呼吸困難なスコア及び気道抵抗等の他の測定も行えるように適合させることができる。 また、この器具を用いて、例えば、嚢胞性線維症の患者に対して粘液除去を助けるために振動する吸気負荷及び／又は呼気負荷をかけるために使用することもできる。

呼気の間も、吸気の際と同様に、所定の圧力、流量、耐性プロファイルをかけるために、可変オリフィスバルブ設備及び関連する制御機構を用いることができる。 上述したように、より効果的に呼気に負荷をかけるために、より効率的なバルブシールを提供して、正の口腔内圧がバルブプレート同士を圧迫するようにバルブ設備の配向を変更することが可能である。

通常の吸気筋トレーニング中には、各負荷のかかった吸気の後、ユーザはバルブ設備を通して空気を吐くが、有意な呼気負荷は通常かかっていない。 その代わりにバルブは略一定の、正の、低い口腔内圧を維持しているために用いられる。 この口腔内圧によって、呼吸の開始点及び終点の判断が容易になる。 すなわち、ユーザが息を吐き始め口腔内圧が増加すると、バルブが開き、呼気が終わりに向うにつれて流量が減少し口腔内圧が低下する間は、バルブが完全に閉じて呼気の流れがなくなるまで所定の圧力を維持するために、バルブは閉まる。