KR20200060440A - 호흡 음향 장치 - Google Patents

Abstract

인공적으로 폐 및 기도에 진동을 보내어서 기도에 부착된 점액을 유동화하여 그 배출을 촉진하기 위한 호흡 음향 장치를 용이하게 동작시킬 수 있고, 운반하기 쉬운 것으로 한다.
호흡 음향 장치(1)는 중공(11)을 가지는 하우징(10)과, 이 중공(11)과 연통하는 통기로(21)를 가지는 마우스피스(20)를 구비한다. 하우징(10)은 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 공기를 반사하는 반사단(12)과, 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 공기가 빠져나가는 개방단(13)을 가진다. 기침 등의 급격한 호기가 마우스피스(20)를 통하여 하우징(10) 내에 불어넣어지면, 그 호기에 의한 잡음을 구강 및 하부 기도의 공동과 공명시키고, 그곳에서 발생한 저주파의 음향 충격파로 사용자의 폐와 기도를 진동시킨다.

Description

호흡 음향 장치

본 발명은 사람의 하부 기도에 부착된 점액의 배출을 촉진하기 위한 호흡 음향 장치에 관한 것이다. 구체적으로 설명하면, 본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치는 기침 등의 급격한 호기(呼氣, exhalation)에 의한 잡음을 구강 및 하부 기도의 공동과 공명시키고, 그곳에서 발생한 저주파의 음향 충격파로 사용자의 폐와 기도를 진동시키는 것이다.

사람의 하부 기도에는 점액을 제거하기 위한 자연스러운 수단으로서, 16∼25Hz(구체적으로는, 18Hz 부근)의 주파수로 진동하는 미소한 선모가 구비되어 있다. 선모는 분비되는 점액에 의해 기도에 침입한 이물이나 세균을 포착하여, 그 점액을 기도의 밖으로 내보낸다. 이와 같이, 선모는 기도를 깨끗하게 유지하고, 감염증이나 기도의 폐색을 방지하는 역할을 하고 있다.

이 선모의 진동 주파수는 선모 진동 주파수(CBF: Cilia Beating Frequency)로서 알려지고, 사람에 한정되지 않고, 쥐에서 코끼리에 이르기까지 대부분의 포유류에서 같은 주파수라고 일컬어지고 있다. 기도 점액은 16∼25Hz의 주파수의 진동이 가해짐으로써 점체로부터 유체, 더욱 엷은 분비물로 상(相)이 극적으로 변화하여, 기도 밖으로의 배출이 촉진된다. 즉, 선모는 그 주기적 운동의 진동에 의해 점액을 유동화하는 것과 함께, 또한, 그 주기적 운동에 의하여 유동화된 점액을 구강측으로 내보냄으로써 기도의 클리닝을 실시하고 있다. 점액은 하부 기도에서 인두에 이르기까지 주로 중력을 거슬러서 위쪽으로 내보내어지기 때문에 어느 정도의 점성은 필요하지만, 그 점액의 유동성이 높으면 보다 용이하게 기도 밖으로 배출할 수 있다. 통상, 기도 밖으로 배출된 기도 점액은 주로 무의식적으로 삼켜지고 있다. 건강한 사람이면, 이와 같은 선모 및 점액에 의한 생체 방어 시스템은 스무드하게 기능하고 있어서, 하루에 60∼100㎖ 정도의 기도 점액을 배출하고, 삼키고 있다고 일컬어지고 있다.

그러나 연령이나 질병에 의한 기능 저하나 알레르기나 공기 중의 먼지, 또는 질병 등에 의한 염증 반응의 증대 등에 의해, 선모 및 점액에 의한 생체 방어 시스템이 정상적으로 기능하지 않게 되는 일이 있다. 예를 들면, 기도 점액이 과잉하게 분비되어 유동화되기 어려워지거나, 선모의 운동 성능이 저하하여 점액에 충분한 상 변화를 일으키지 않고 점액이 잘 배출되지 않는 경우가 있다. 그 경우에는, 점액이 기도를 폐색하여 호흡 기능을 저하시키는 일이 있다. 그래서 인공적으로 기도에 진동을 발생시키고, 점액에 필요한 상 변화를 일으켜서, 선모의 운동을 보조하여 점액의 배출을 촉진할 수 있으면, 폐색한 기도의 클리어런스를 개선할 수 있다.

또한, 의사에 의한 호흡기계 질환의 검사에서는 검사에 이용하기 위해 환자의 객담(喀痰, sputum)이 채취되는 경우가 있다. 그러나 객담의 채취 시에 일정량 이상이고 또한 유동성이 높은 하부 기도 분비물이 인두에 가까운 곳에 없으면, 환자는 검사에 유효한 품질을 가지는 객담을 내뱉을 수 없다. 내원 시에 검사용 샘플을 채취할 수 없는 경우에는, 가래를 뱉기 쉬울 때에 자택에서 채취하여 재내원하거나, 그래도 채취할 수 없는 경우에는, 위액 채취나 기관지경에 의한 검사 등, 보다 침습적인 방법을 이용할 필요가 있다. 그래서 내원 시에 단시간에 검사용 객담을 채취할 수 있도록 인공적으로 기도에 진동을 발생시켜서, 일정량 이상이고 또한 유동성이 높은 객담을 인두 부근으로 유도할 수 있으면, 이들의 진단 시간을 단축하고, 또한 침습적 방법을 취하지 않고 해결되기 때문에 환자의 부담을 경감할 수 있다.

또한, 기도 점액을 배출하여 기도의 폐색을 개선하기 위해, 생체가 의식적으로 또는 반사적으로 실시하는 행위가, 급격한 호기의 배출, 즉, 기침이다. 기침은 많은 에너지를 소모하는 반사 운동이고, 1회의 해소(cough)로 2kcal의 에너지를 소비한다고 일컬어지고 있다. 또한, 기침에 의하여 토출되는 공기의 유속은 시속 160㎞ 이상에 달한다고도 일컬어지고 있다. 그러나 기침의 작용은 기도를 수축시키는 것과 함께, 그 안에 존재하는 공기를 그 수축에 의해 급격히 유출시켜서, 표면으로부터 점액층에 힘을 가하여 박리시키고, 배출을 촉진할 뿐이다. 이 때문에, 단단하고 두꺼워진 점액을 밖으로 배출하여 기도의 폐색을 개선하기 위해서는, 점액의 점성을 변화시키지 않고, 점액층의 표면에밖에 힘이 미치지 않는 기침의 효과는 극히 한정적이라고 하지 않을 수 없다. 이 때문에, 기침을 해도 점액이 배출되지 않아서, 과잉하게 기침을 반복하여, 체력만 빼앗기고 증상을 악화시키는 예가 적지 않다.

특허 문헌 1: 특허 제 4025293호 공보

그런데 종래부터 사용자의 하부 기도를 인공적으로 진동시켜서 점액의 배출을 촉진하는 장치의 하나로서, 입에서 하부 기도로 공기압의 펄스를 보내는 장치가 알려져 있다. 그러나 이 장치에서는 공기압 펄스가 입으로부터 기로(氣路)가 연결되어 있는 부위로밖에 도달하지 않아서, 점액층의 하층 부분이나 폐색한 끝의 기도에는 효과를 가져올 수 없었다. 또한, 사용자의 호기에 의하여 공기압 펄스를 발생시키는 장치도 알려져 있지만, 이 장치를 이용하여 충분한 펄스를 발생시키기 위해서는 필요하게 되는 호기압(呼氣壓)이 높아서, 극히 한정된 사용자 밖에 효과를 가져올 수 없었다. 또한, 인공적으로 공기압의 펄스를 기도에 보내는 장치는 폐의 취약한 공기 주머니를 손상시킬 위험성이 있을 정도의 높은 공기압을 생성하는 경우가 있어서, 사용자에게 위험이 동반되는 것이었다.

또한, 사용자의 폐를 인공적으로 진동시키는 별도의 종래의 장치로서, 하우징 내에 공기를 불어넣고, 리드(lead)를 진동시킴으로써 18Hz 부근의 저주파 오디오를 발생시키는 것이 알려져 있다(특허 문헌 1). 그러나 이 종래 장치는 리드를 진동시킴으로써 음파를 발생시키고, 그 음파와 체강의 공명을 통하여 저주파 오디오를 발생시키는 것이기 때문에 호기가 적은 경우나 불어넣음의 테크닉이 적절하지 않아서, 사용자가 리드를 진동시킬 수 없는 경우에는 효과를 가져올 수 없다는 결점이 있었다. 또한, 이 종래 장치는 음향학적인 관점에서 말하면, 호기의 에너지를 일단 리드의 운동 에너지로 바꾸고나서 음향 에너지와 결합시키기 때문에 부품의 분할 및 에너지의 손실이 발생하고 있었다. 또한, 이 종래 장치에서는 장치에 의하여 발생하는 음파를 보다 저주파측으로 하기 위해, 그 길이를 약 30㎝ 정도로 할 필요가 있어서, 그 사이즈가 유아의 사용이나 운반의 방해로 되는 일도 있었다.

그래서 본 발명은 인공적으로 폐 및 기도에 진동을 보내어서 하부 기도 분비물을 유동화하고, 그 배출을 촉진하기 위한 호흡 음향 장치로서, 보다 폭넓은 연령층 및 병태의 사용자가 충분한 효과를 발휘할 수 있도록 용이하게 동작시킬 수 있고, 또한 사이즈가 보다 작아서 운반하기 쉬운 것을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발명자들은 상기 목적을 달성하는 수단에 대하여 예의 검토한 결과, 사용자의 기침 등의 급격한 호기에 의해 발생하는 잡음을 구강 및 하부 기도의 공동과 헬름홀츠(helmholtz) 공명시키고, 그에 의하여 발생한 저주파의 음향 충격파로 폐 및 기도의 점액의 점성을 변화시켜서, 폐로부터 점액을 배출시킨다는 지견을 얻었다. 그리고 그를 위한 장치로서, 중공의 하우징에 마우스피스를 설치하고, 하우징의 일부를 반사단으로 하고, 별도부를 개방단으로 하여, 마우스피스로부터 불어넣어진 호기가 하우징의 반사단에서 반사하여 개방단으로 빠져나간다는 기구를 가지는 것을 개발했다. 본 발명의 발명자들은 이 기구에 따르면, 누구나 용이하게 동작시킬 수 있고, 또한 장치 전체의 사이즈를 소형화할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성시켰다. 구체적으로 설명하면, 본 발명은 이하의 구성을 가진다.

본 발명은 호흡 음향 장치(1)에 관한 것이다. 본 발명의 호흡 음향 장치(1)는 기침 등의 급격한 호기에 의한 잡음을 구강 및 하부 기도의 공동과 헬름홀츠 공명시키고, 그곳에서 발생한 저주파의 음향 충격파로 사용자의 폐와 기도를 진동시키기 위한 장치이다. 호흡 음향 장치(1)는 하우징(10)과 마우스피스(20)를 구비한다. 또한, 하우징(10)과 마우스피스(20)는 일체 성형된 것이어도 좋고, 별도 부재로 구성되어 있어도 좋다. 하우징(10)은 중공(11)을 가진다. 마우스피스(20)는 이 하우징(10)의 중공(11)과 연통하는 통기로(21)를 가진다. 또한, 하우징(10)은 반사단(12)과 개방단(13)을 가지고 있다. 하우징(10)의 반사단(12)은 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 공기를 반사한다. 또한, “반사단”이란, 공기압의 고정단 반사가 일어나는 단부이다. 반사단(12)은 완전히 폐색된 단부이어도 좋고, 하나 또는 복수의 개구가 부분적으로 형성된 단부이어도 좋다. 한편, 하우징(10)의 개방단(13)은 단부에 공기 흐름을 저해하는 요소를 가지지 않고, 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 공기가 빠져나가게 되어 있다. 이에 따라, 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 호기의 적어도 일부는 하우징(10)의 반사단(12)에서 반사하고, 그 후, 개방단(13)으로 빠져나가게 되어, 그 때에 하우징(10)의 내부에서 발생한 공기의 난류 또는 소용돌이에 의한 잡음과, 사용자의 기도에서 발생하는 기침 그 자체의 잡음이 구강 및 하부 기도가 형성하는 공동과 헬름홀츠 공명을 일으키게 된다. 또한, “헬름홀츠 공명”이란, 개구부를 가진 용기의 내부에 있는 공기가 스프링으로서의 역할을 하여 공명(공진)함으로써 소리를 발생하는 현상이다. 본 발명에 관련되는 장치에 있어서는, 하우징(10)의 중공(11) 및 사용자의 구강 및 하부 기도가 상기의 “용기”로서 기능한다.

본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치(1)에 있어서, 하우징(10)은 통형상인 것이 바람직하다. 통형상이란, 2개의 단부를 가지는 가늘고 긴 형상으로서, 일단부에서 타단부까지 중공(11)이 관통하고 있는 형상을 의미한다. 통형상에는, 원통상, 삼각통상, 사각통상, 그 밖의 다각통상이 포함된다. 또한, 통형상의 하우징(10)은 직선적으로 형성된 것인 것이 바람직하지만, 만곡 또는 굴곡된 것이어도 좋다. 통형상의 하우징(10)은 일단이 반사단(12)으로 되고, 타단이 개방단(13)으로 된다. 또한, 본 발명에서 마우스피스(20)는 통형상의 하우징(10)의 반사단(12)과 개방단(13)의 사이에 설치되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치(1)에 있어서, 마우스피스(20)의 통기로(21)의 내경 단면적은 0.64∼9㎠인 것이 바람직하다. 이와 같이, 마우스피스(20)의 내경 단면적을 비교적 크게 함으로써 기침 등의 급격한 호기를 하우징(10) 내에 불어넣는 것이 용이하게 된다. 본 발명은 기본적으로 사용자의 기침의 에너지를 이용하여 저주파의 음향 충격파를 효율적으로 발생시키는 것을 상정한 것이기 때문에 마우스피스(20)의 내경 단면적은 상기와 같이 큰 것이 바람직하다.

본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치(1)에 있어서, 마우스피스(20)의 통기로(21)와 하우징(10)의 중공(11)은 동일 단면인 것이 바람직하다. 즉, 마우스피스(20)의 통기로(21)와 하우징(10)의 중공(11)의 단면 형상이 동일하고, 또한 그들의 내경 단면적이 대략 동등한 것이 바람직하다. 또한, 양자의 내경 단면적의 오차가 ±5％까지이면 “동일 단면”으로 한다.

본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치(1)에서는 하우징(10)의 개방단(13)의 내경 단면적(S[㎠])과, 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 공기가 하우징(10)의 반사단(12)에서 반사하여 개방단(13)으로부터 빠져나갈 때까지의 장치 내의 통로의 길이의 합계값(I[㎝])은 이하의 식으로 나타나는 관계를 만족하도록 설계되어 있는 것이 바람직하다.

[식]

여기에서, f는 주파수 16∼25Hz이고, c는 음속 35000㎝／s이고, V는 폐의 총 폐용량(total lung capacity) 1500∼9000㎖이다.

이와 같이, 하우징(10)의 개방단(13)의 내경 단면적(S)과 공기의 통로의 길이(I)를 설계함으로써 헬름홀츠 공명에 의하여 주파수 16∼25Hz의 저주파의 음향 충격파를 효율 좋게 발생시킬 수 있다. 이와 같은 주파수대의 충격파를 기도 내에 발생시킴으로써 기도 점액의 상이 점체로부터 유체, 더욱 엷은 분비물로 변화하기 때문에 점체의 기도 밖으로의 배출을 촉진할 수 있다. 또한, 총 폐용량(V)은 호흡 음향 장치(1)를 사용하는 사용자에게 맞추어서 설정하면 좋다. 예를 들면, 폐의 총 폐용량(V)은 성인 남성에서는 5500∼6000㎖, 성인 여성에서는 4500∼5500㎖, 어린이에서는 1500㎖∼2500㎖ 정도라고 되어 있다.

본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치(1)에 있어서, 하우징(10)의 반사단(12)은 개구를 가지지 않는 것이어도 좋고, 하나 또는 복수의 개구를 가지는 것이어도 좋고, 또는 개구 면적을 조정 가능한 기구를 가지는 것이어도 좋다. 다만, 하우징(10)의 반사단(12)에 개구가 존재하는 경우이어도, 반사단(12)의 개구 총 단면적은 하우징(10)의 개방단(13)의 개구 단면적의 75％ 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치(1)에 따르면, 보다 간편하게 사용자의 폐 및 기도를 인공적으로 진동시켜서, 폐 및 기도의 점액의 점성을 변화시킬 수 있다. 따라서, 누구나 이 장치를 이용하여 폐 및 기도의 점액을 제거하고, 그 폐색을 개선할 수 있다. 또한, 의사에 의한 진단 시에, 사용자로부터 객담 샘플을 용이하게 채취할 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 호흡 음향 장치(1)는 사용자의 기침 등의 급격한 호기에 의해 발생하는 잡음을 구강 및 하부 기도의 공동과 헬름홀츠 공명시키고, 그에 따라서 발생한 저주파의 음향 충격파로 폐 및 기도의 점액의 점성을 변화시켜서, 폐로부터 점액을 배출하는 것을 촉진한다. 앞서 서술한 대로, 기침은 기도의 폐색을 개선하고자 생체가 의식적 또는 반사적으로 실시하는 것이다. 그러나 기침 그 자체의 작용은 기도의 수축 및 기도 내의 공기의 토출뿐이고, 점액의 점성을 변화시키지 않아서, 점액층의 표면으로밖에 힘이 미치지 않기 때문에 단단해진 점액을 밖으로 배출하여 기도의 폐색을 개선하기 위해서는, 효과는 극히 한정적이다. 여기에서, 기침이 가지는 에너지에 착안하면, 생체는 1회의 해소로 약 2kcal의 에너지를 소모하고 있다고 한다. 또한, 기침에 의하여 토출되는 공기의 유속은 시속 160㎞ 이상이라고도 일컬어지고 있다. 또한, 기침에는 기도에서 발생하는 큰 잡음이 동반한다. 이들의 에너지 중 조금이라도 폐 및 기도의 점액을 효율적으로 진동시켜서, 배출을 촉진하기 위한 것으로서 이용할 수 있으면, 사용자의 증상을 개선하는 데 매우 유효하다.

본 발명의 호흡 음향 장치(1)에서는 파이프와 같은 중공의 하우징(10) 내에 마우스피스(20)를 통하여 기침에 의한 급격한 호기를 받아들여서, 기도에서 발생하는 기침 그 자체의 잡음과, 그 하우징(10) 내부를 흐르는 공기가 소용돌이 또는 진동을 발생시킴으로써 발생한 잡음이 구강 및 하부 기도가 형성하는 공동과 헬름홀츠 공명을 일으키도록 한다. 이에 따라, 기침이 가지는 에너지인 잡음과 그 호기가 직접적으로 음향 에너지와 결합하여 저주파의 음향 충격파가 발생하고, 에너지 손실이 보다 적어지기 때문에 심플한 형상이고 작은 사이즈의 장치이어도, 점액 배출의 효과를 충분히 가져올 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 종래의 호흡 음향 장치(특허 문헌 1)와 같이, 리드나 금속제 볼 등의 음파나 펄스를 발생시키기 위한 별도의 부품을 이용할 필요가 없고, 또한, 그들의 부품을 운동시키는 에너지도 불필요해지기 때문에 에너지 손실이 보다 적고, 또한 장치의 구조를 보다 심플한 것으로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치(1)는, 그 중공의 하우징(10)의 직경이나 공기의 통로의 형상, 내부 표면의 요철 등에 의하여 공기의 흐름에 대해서 적절한 저항을 구비함으로써 음향 저항을 만들어내고, 구강 및 하부 기도의 외관의 용적을 증대시켜서, 보다 저주파의 음파의 발생을 지지할 수 있다. 즉, 구강 및 폐를 라우드스피커(loudspeaker) 봉입 용기로서 생각하면, 본 장치의 하우징(10)을 라우드스피커의 포트와 같이 간주할 수 있다. 이와 같이, “틸 스몰(Thiele small)” 라우드스피커 파라미터에 기초하는 음향 결합 기술을 이용함으로써 베이스 리플렉스(bass reflex)형 스피커와 같이, 구강 및 하부 기도의 본래의 용적보다도 보다 저주파의 소리를 지지할 수 있다. 이 음향 저항에 의해 구강 및 하부 기도는 그보다도 훨씬 큰 용적으로 동작하고 있는 것처럼 행동할 수 있고, 기침의 잡음과, 급격한 호기의 불어넣음에 의해 장치 내에서 발생한 잡음 중의 보다 저주파 성분과 공명할 수 있기 때문에 저주파의 충격파를 보다 효율적으로 발생시켜서, 점액을 유동화시키는 효과를 높일 수 있다. 또한, 이 음향 저항에 의하여 발생하는 호기에 대한 배압이 저주파의 음향 충격파를 하부 기도에 효과적으로 전달하도록 작용한다. 이와 같이, 본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치(1)는, 그 형상에 따라서 하우징(10) 내의 공기 흐름에 대하여 저항을 줌으로써 음향 저항을 만들어내고, 기도 및 폐로의 저주파의 음향 충격파의 발생 및 전달을 보다 효율적으로 실시할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의한 호흡 음향 장치(1)는 기침에 의한 급격한 호기에 의하여 하우징(10) 내부에서 발생한 잡음과, 기도에서 발생한 기침 그 자체의 잡음이 음향 저항에 의하여 외관상의 용적이 증가한 것처럼 행동하는 구강 및 하부 기도의 공동과 헬름홀츠 공명을 일으킴으로써 기도 및 폐로 저주파의 음향 충격파를 발생시키고, 보다 콤팩트하고 심플한 구조이어도, 기도 점액을 효율적으로 유동화시켜서, 그 점액의 배출을 촉진할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관련되는 호흡 음향 장치의 전체 구조를 나타내고 있다.
도 2는 호흡 음향 장치의 사용 방법을 모식적으로 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관련되는 호흡 음향 장치의 단면 구조를 나타내고 있다.
도 4는 헬름홀츠 공명의 공진 주파수를 구하는 일반적인 방정식을 나타내고 있다.
도 5는 개구 면적을 조절 가능한 반사단의 예를 나타내고 있다.

이하, 도면을 이용하여 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다. 본 발명은 이하에 설명하는 형태에 한정되는 것은 아니고, 이하의 형태로부터 당업자가 자명한 범위에서 적절히 변경한 것도 포함한다. 또한, 본원 명세서에 있어서, “A∼B”란, “A 이상 B 이하”인 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관련되는 호흡 음향 장치(1)를 나타내고 있다. 도 1에 나타나는 바와 같이, 호흡 음향 장치(1)는 중공(11)을 가지는 하우징(10)과, 이 중공(11)에 연통하는 통기로(21)를 가지는 마우스피스(20)를 구비한다. 하우징(10)은 원통상으로 구성되어 있고, 그 일단이 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 공기를 반사하는 반사단(12)으로 되고, 그 타단이 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 공기가 빠져나가는 개방단(13)으로 되어 있다. 반사단(12)은 밀폐하거나, 또는 작은 개구가 있는 캡을 배치함으로써 공기의 흐름을 저해하여 공기 흐름의 반사를 일으키기 위한 하우징(10)의 단부이다. 또한, 개방단(13)은 공기 흐름을 저해하는 요소가 없는 하우징(10)의 단부이다. 본 실시 형태에서 하우징(10)의 반사단(12)에는 캡(30)이 착탈 가능하게 부착되어 있다. 캡(30)은 개구를 가지지 않는 것이고, 하우징(10)에 부착되어 있는 상태에서 반사단(12)을 완전히 폐색한다.

본 실시 형태에 있어서, 하우징(10)은 반사단(12)과 개방단(13)을 연결하는 중공(11)이 일직선상으로 형성되어 있고, 이들의 반사단(12)과 개방단(13)의 사이에 마우스피스(20)가 설치되어 있다. 또한, 하우징(10)의 중공(11)의 중심축과 마우스피스(20)의 통기로(21)의 중심축이 대략 직각(85∼95도)을 이루도록 하우징(10)에 마우스피스(20)가 부착되어 있다. 또한, 도 1에 나타나는 바와 같이, 하우징(10)과 마우스피스(20)의 접속점은 하우징(10)의 길이의 중앙으로부터 어긋난 위치에 설치되어 있는(오프셋되어 있는) 것이 바람직하다. 즉, 도 1에 나타낸 예에서는, 마우스피스(20)로부터 하우징(10)의 반사단(12)까지의 거리가 마우스피스(20)로부터 하우징(10)의 개방단(13)까지의 거리보다도 짧게 설정되어 있다. 이에 따라, 마우스피스(20)를 통하여 불어넣어진 호기가 하우징(10) 내에서 2방향으로 나누어지고, 개방단(13)으로부터 빠져나가는 것보다도 먼저 반사단(12)에 도달하여 공기 흐름의 반사를 일으키기 때문에 반사의 효과가 높아지고 공기 흐름에 더욱 저항이 주어져서 음향 저항으로서의 효과를 크게 할 수 있다.

본 실시 형태에서는 하우징(10)과 마우스피스(20)가 일체 성형되어 있고, 캡(30)만이 별도 부재로 구성되어 있다. 하우징(10)이나 마우스피스(20), 또는 캡(30)을 구성하는 소재는 공기를 통과시키기 어렵고, 하우징(10) 내에 공기의 흐름을 만들어낼 수 있는 것이면 어떠한 것이어도 좋고, 예를 들면, 플라스틱 등의 수지, 종이나 나무, 부직포 등의 가연성 소재, 유리나 금속 등을 비용이나 용도에 따라서 적절히 선택할 수 있다.

도 2는 호흡 음향 장치(1)의 사용 방법의 예를 나타낸 모식도이다. 도 2에 나타나는 바와 같이, 사용자는 하우징(10)을 파지하고(바람직하게는 양손으로), 마우스피스(20)를 입으로 문 상태에서 기침 등의 급격한 호기에 의하여 마우스피스(20) 내에 공기를 불어넣는다. 기침 등의 급격한 호기에 의하여 마우스피스(20)로부터 하우징(10) 내로 불어넣어진 공기는 우선, 마우스피스(20)의 통기로(21) 내부를 지나고, 하우징(10)의 중공(11)의 내벽면에 부딪혀서 2방향으로 나누어진다. 이때, 하우징(10) 내부 표면과의 마찰로 진동을 일으킨 공기 흐름이나 하우징(10)과 마우스피스(20)의 접속점에 있는 볼록부에 그 형상을 따라서 각도가 바뀐 공기 흐름이 부딪힘으로써 소용돌이가 발생하고, 그 소용돌이가 잡음을 만들어낸다. 또한, 상기와 같이, 하우징(10)과 마우스피스(20)의 접속점은 오프셋되어 있고, 하우징(10)의 일단은 반사단(12)으로 되어 있기 때문에 공기의 흐름은 반사단(12)에서 차단되는 것과 함께, 중공(11) 내부로 반사하여 타단측의 개방단(13)을 향한다. 이와 같은 반사단(12)에 의한 유로의 제한에 의해 하우징(10) 내에 불어넣어진 공기의 흐름에 대하여 저항이 발생되고, 이것이 음향 저항으로서 작용한다. 또한, 이와 같은 하우징(10)의 형상은 구강 및 하부 기도의 공동이 보다 큰 외관상의 용적을 가지고 있는 것처럼 행동하여, 보다 저주파의 음향 에너지를 지지할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 하우징(10)의 중공(11)의 내벽의 표면에 요철을 부여함으로써 더욱 공기 흐름에 저항을 줄 수도 있다. 또한, 이 음향 저항에 의하여 발생하는 호기에 대한 배압이 저주파의 음향 충격파를 하부 기도에 효과적으로 전달하도록 작용한다.

또한, 하우징(10)에 반사단(12)을 설치함으로써 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 공기가 반사단(12)을 거쳐서 개방단(13)으로부터 빠져나가는 경로를 지나기 때문에 헬름홀츠 공명을 일으킴에 있어서, 그 공명 현상의 영향 요소로 되는 포트(목 부분: 도 4의 부호 l)의 외관상의 길이를 길게 할 수 있다. 이에 따라, 보다 저주파의 공명을 일으킬 수 있다. 또한, 반사단(12)에 의한 하우징(10) 내의 밀폐성의 향상에 의하여 장치 내부의 압력은 상승하고, 공기의 유속이 빨라지며, 또한 파이프 내부의 공기의 유로는 보다 복잡해지기 때문에 발생하는 소용돌이가 커지고, 결과적으로 보다 큰 잡음이 발생하게 된다. 이렇게 하여 발생한 장치 내부의 잡음 및 기도에서 발생하는 기침 그 자체의 잡음이 구강 및 하부 기도의 공동과 헬름홀츠 공명을 일으키는 요인으로 된다.

이와 같이, 본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치(1)는 기침에 의한 급격한 호기에 의하여 하우징(10) 내부에서 발생한 잡음과 기도로부터의 기침 그 자체의 잡음을 음원으로 하고, 음향 저항에 의하여 외관상의 용적이 증가한 것처럼 행동하는 구강 및 하부 기도의 공동이 헬름홀츠 공명을 일으킴으로써 기도 및 폐로 저주파의 음향 충격파를 발생시키고, 그에 의해 기도 점액을 유동화시켜서 기도 외부로의 배출을 촉진할 수 있다. 여기에서, 헬름홀츠 공명에 의하여 결합된 저주파의 음향 충격파의 피크는 선모 진동 주파수의 18Hz 부근인 것이 바람직하지만, 이것과 완전히 같을 필요는 없다. 예를 들면, 16Hz∼25Hz 정도의 저주파음이 발생되어 있으면, 하모닉스(harmonics)에 의하여 선모 주파수와 동일한 유효한 진동을 기도 및 폐에 가져올 수 있다.

도 3은 호흡 음향 장치(1)의 단면 구조를 나타내고 있다. 도 3을 참조하여 호흡 음향 장치(1)의 각종 치수의 바람직한 예에 대해서 설명한다. 다만, 각종 치수는 이하에 설명하는 것에 한정되지 않는다.

우선, 마우스피스(20)의 통기로(21)의 사이즈는 급격한 호기를 하우징(10) 내에 불어넣을 때에 사용자의 부담으로 되지 않을 정도로 충분히 넓게 한다. 구체적으로는, 마우스피스(20)의 통기로(21)의 단면 형상이 원형인 경우, 그 통기로(21)의 직경(φDm)은 5∼25㎜인 것이 바람직하고, 10∼20㎜인 것이 특히 바람직하다. 또한, 마우스피스(20)의 통기로(21)의 내경 단면적(Sm)은 0.64∼9㎠인 것이 바람직하고, 0.80∼5㎠인 것이 보다 바람직하다. 특히, 통기로(21)의 내경 단면적(Sm)은 인간의 기관의 단면적에 가까운 1∼2㎠로 하는 것이 최적이다. 마우스피스(20)의 통기로(21)를 이와 같은 사이즈로 설정함으로써 구강 및 하부 기도 내의 공기를 스프링과 같이 공진시키는 압력 변동을 줄 수 있다. 또한, 음향 저항에 의하여 발생하는 배압이 하부 기도에 도달하여, 저주파의 충격파가 효율적으로 전달되게 된다. 또한, 더욱 바람직하게는, 통기로(21)의 단면의 폭을 8㎜ 이상으로 함으로써 상기의 효과를 가지도록 통기로(21)의 넓이를 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 호흡 음향 장치(1)에서는 마우스피스(20)의 통기로(21)의 단면과, 하우징(10)의 중공(11)을 동일 단면으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 적어도 마우스피스(20)의 통기로(21)의 내경 단면적(Sm)과 하우징(10)의 개방단(13)의 내경 단면적(S)이 동등해지고, 또한, 마우스피스(20)의 통기로(21)의 직경(φDm)과 하우징(10)의 개방단(13)의 직경(φDp)이 동등해진다. 이에 따라, 호흡 음향 장치(1)가 헬름홀츠 공명에서의 연속적인 포트로서, 그 내부의 공기가 스프링과 같이 진동하는 기능을 보다 효과적으로 제공할 수 있다. 또한, 마우스피스(20)의 통기로(21)와 하우징(10)의 중공(11)을 동일 단면으로 함으로써 적은 종류의 재료를 이용하여 간단한 공정으로 장치 전체를 제조할 수 있게 된다. 예를 들면, 1개의 파이프를 2개로 자르고, 한쪽의 가로벽에 구멍을 뚫고, 그 구멍에 다른쪽의 선단을 끼워넣음으로써 본 장치를 간단히 만들 수 있다. 또한, 통기로(21) 및 중공(11)이 동일 단면이면, 본 장치를 저비용으로 대량 생산하는 것이 가능하게 된다. 특히, 저자원의 발전 도상국에서는 이러한 제조 방법이 취해지는 일이 있다고 예상된다.

또한, 하우징(10)의 개방단(13)의 내경 단면적(S)과, 마우스피스(20)로부터 불어넣어진 공기가 하우징(10)의 반사단(12)에서 반사하여 개방단(13)으로부터 빠져나갈 때까지의 장치 내의 통로의 길이(I)는 이하의 식에 나타나는 관계를 만족하도록 설계되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 장치 내의 통로의 길이(I)는 도 3에 나타낸 마우스피스(20)의 통기로(21)의 길이(Lm)와, 마우스피스(20)로부터 하우징(10)의 반사단(12)까지의 길이(Ls)와, 하우징(10)의 반사단(12)으로부터 개방단(13)의 길이(L)의 합계값으로 된다(I＝Lm＋Ls＋L).

[식]

여기에서, f는 주파수 16∼25Hz로 하고, c는 음속 35000㎝／s로 하고, V는 폐의 총 폐용량 1500∼9000㎖로서 계산한다.

상기의 식은 헬름홀츠 공명의 주파수를 구하는 일반적인 방정식이고, 이것에 본 장치에 의하여 형성되는 포트의 길이(I＝Lm＋Ls＋L) 및 폐의 전체 용량(V)을 적용한 것이다. 다만, 이 방정식에서는 하부 기도에 의한 공동의 소재나 음향 저항 등에 의한 외관상의 용적의 확대 등의 요소는 가미되어 있지 않기 때문에 실제로 일어나고 있는 저주파의 충격파의 주파수를 규정하는 것은 아니고, 어디까지나 형상의 치수 범위를 개요로서 제공하는 것이다. 다만, 하부 기도의 공동과 기침에 의한 잡음을 공명시킨다는 본 발명의 기본 개념을 감안하여, 상기의 방정식을 적용한 치수 범위는 장치의 형상을 결정하는 데 있어서, 참고로 하기에 알맞은 것으로 생각된다. 또한, 도 4는 참고로서, 일반적인 헬름홀츠 공명의 방정식을 나타내고 있다. 도 4에 나타나는 바와 같이, 개구를 가지는 용기에 있어서, V는 용기의 전체 용량, S는 개구의 내경 단면적, I는 용기 내부에 통하는 포트의 길이이다. 이들의 V, S, I가 결정되면, 그 용기에서 발생하는 헬름홀츠 공명의 주파수(f)를 구할 수 있다.

예를 들면, 사용자가 작은 어린이로서, 그 총 폐용량(V)이 2400㎠인 것을 상정한 경우, 하우징(10)의 개방단(13)의 내경 단면적(S)을 1㎠로 하고, 마우스피스(20)의 통기로(21)의 내경 단면적(Sm)을 이것과 동일 면적으로 하고, 장치 내의 통로의 길이(I)를 33㎝로 설정하면, 상기 방정식으로부터, 헬름홀츠 공명에 의해 얻어지는 공진 주파수는 19.793Hz로 된다(음속(c)은 35000㎝／s로 계산). 이와 같이, 본 발명의 호흡 음향 장치(1)를 이용하면, 어린이이어도 간단히 기도 점액의 배출을 촉진하는 저주파를 발생시킬 수 있다.

또한, 도 3에서는 마우스피스(20)로부터 하우징(10)의 반사단(12)까지의 길이를 부호 Ls로 나타내고, 하우징(10)의 반사단(12)으로부터 개방단(13)까지의 길이를 부호 L로 나타내고 있다. 상기한 대로, 마우스피스(20)로부터 하우징(10)의 반사단(12)까지의 거리는 마우스피스(20)로부터 하우징(10)의 개방단(13)까지의 거리보다도 짧게 설정되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 마우스피스(20)로부터 반사단(12)까지의 길이(Ls)는 하우징(10)의 전체의 길이(L)에 대하여 10∼45％인 것이 바람직하고, 15∼40％인 것이 특히 바람직하다. 이에 따라, 마우스피스(20)를 통하여 불어넣어진 호기가 하우징(10)의 개방단(13)으로부터 빠져나가는 것보다도 먼저 반사단(12)에 도달하여 공기 흐름의 반사를 일으키게 된다.

또한, 도 3에서는 마우스피스(20)의 통기로(21)의 중심축과 하우징(10)의 중공(11)의 중심축이 이루는 각으로서, 반사단(12)측의 각도를 부호 θ로 나타내고 있다. 각도(θ)는 90도인 것이 바람직하지만, 70∼110도 또는 80∼100도의 범위로 해도 좋다. 또한, 마우스피스(20)를 통하여 불어넣어진 호기를 하우징(10)의 개방단(13)보다도 먼저 반사단(12)에 도달시키기 위해, 각도(θ)를 90도를 넘는 값으로 해도 좋다. 예를 들면, 각도(θ)를 95∼130도 또는 100∼120도로 할 수도 있다.

도 5는 하우징(10)의 반사단(12)의 변형예를 나타내고 있다. 도 5에 나타낸 예에서 하우징(10)의 반사단(12)은 하나 또는 복수의 개구를 가지는 것과 함께, 이 개구의 면적을 조절 가능한 기구를 가지고 있다.

구체적으로 설명하면, 도 5(a)에 나타낸 예에서는 각각 복수의 구멍을 가지는 2개의 덮개 부재를 중첩시킴으로써 반사단(12)이 구성되어 있다. 그리고 2개의 덮개 부재의 한쪽을 상대적으로 회전시킴으로써 양쪽의 덮개 부재의 구멍의 위치가 일치했을 때에 하우징(10) 내부로 통하는 개구가 열리고, 양쪽의 덮개 부재의 구멍의 위치가 불일치인 때에는 하우징(10) 내부로 통하는 개구가 닫히게 되어 있다. 또한, 덮개 부재의 회전 각도를 조절함으로써 개구의 면적을 미세 조정할 수도 있다.

또한, 도 5(b)에 나타낸 예에서는 카메라의 조리개 날개와 같은 기구에 의하여 반사단(12)이 구성되어 있다. 이 기구는 개구의 주위에 복수의 날개 부재가 설치되어 있고, 각 날개 부재를 개구의 중심을 향하여 연장 돌출시키면 개구가 닫히고, 각 날개 부재를 반사단(12)의 외부 가장자리측으로 퇴행시키면 개구가 열리게 되어 있다. 또한, 각 날개 부재의 연장 돌출량을 조정함으로써 개구의 면적을 미세 조정할 수도 있다.

다만, 상기와 같이 반사단(12)에 하나 또는 복수의 개구를 설치하는 경우, 반사단(12)의 개구 총 단면적이 지나치게 크면, 반사단(12)에 의한 공기의 흐름에 대한 저항 및 반사 작용이 약해져 버려서, 장치에 의하여 폐 및 기도에 효과적인 저주파의 음향 충격파를 발생시킬 수 없게 될 가능성이 있다. 이 때문에, 반사단(12)의 개구 총 단면적은 개방단(13)의 개구 단면적에 대하여 75％ 이하로 하는 것이 적절하고, 50％ 이하, 또는 30％ 이하로 하는 것이 특히 바람직하다.

이와 같이, 반사단(12)에 개구를 설치하거나, 그 개구 단면적을 조정할 수 있도록 함으로써 호흡 음향 장치(1)의 공진 주파수를 미조정할 수 있다. 또한, 호기에 대한 저항을 조정하여, 불어넣음을 보다 쉽게 할 수도 있다. 따라서, 반사단(12)에서의 개구 단면적을 조정함으로써 사용자의 연령이나 호흡 기능, 증상에 맞춘 장치의 동작 호기압, 공진 주파수를 설정할 수 있어서, 적절히 작용 효과를 가져오도록 조정할 수 있다.

이상, 본원 명세서에서는 본 발명의 내용을 표현하기 위해, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태의 설명을 실시했다. 다만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본원 명세서에 기재된 사항에 기초하여 당업자가 자명한 변경 형태나 개량 형태를 포함하는 것이다.

예를 들면, 호흡 음향 장치(1)를 접이 가능한 구성으로 하거나, 또는 분할 및 조립 가능한 구성으로 할 수도 있다. 또한, 호흡 음향 장치(1)를 한 종류의 소재로 구성하는 경우에 한정되지 않고, 몇 가지의 소재의 조합에 의해 장치 전체를 일회용으로 하거나, 또는 장치의 일부(예를 들면, 마우스피스(20))를 일회용으로 할 수도 있다. 또한, 사용 후에 세정하기 쉽도록 하우징(10)을 열 수 있는 설계도 가능하다.

산업상의 이용 가능성

본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치는 상기와 같은 방법을 이용하여 저주파의 음향 충격파를 기도 및 폐에 발생시키고, 하부 기도 점액의 클리어런스를 향상시키는 것으로, 많은 분야에서 사용할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 점액의 배출을 촉진하여 질환에 의한 하부 기도의 폐색을 개선해서, 호흡 기능을 개선할 수 있다. 또한, 하부 기도의 폐색을 개선함으로써 진해 작용을 가져와서, 환자의 소모, 증상 악화를 예방할 수 있다. 또한, 환자의 배담(排痰)의 유도에 의해 하부 기도 유래의 객담 샘플의 채취를 도와서, 결핵이나 폐암의 신속 진단에 공헌할 수 있다. 수술 후의 배담 불량에 의한 폐렴, 무기폐(atelectasis) 등의 사고 방지에도 효과적이다. 또한, 건강한 사람이어도, 운동하기 전이나 관악기 등의 연주를 실시하기 전, 가창(歌唱)하기 전이나 공기가 옅어지는 고산으로의 등산 전 등, 본 발명에 관련되는 호흡 음향 장치를 이용하여 기도의 점액의 배출을 촉진하고, 호흡 기능을 향상시킴으로써 성능을 향상시키거나, 안전성을 높일 수 있다.

1: 호흡 음향 장치
10: 하우징
11: 중공
12: 반사단
13: 개방단
20: 마우스피스
21: 통기로
30: 캡

Claims (6)

1. 중공을 가지는 하우징과, 상기 중공과 연통하는 통기로를 가지는 마우스피스를 구비하고,
   상기 하우징은,
   상기 마우스피스로부터 불어넣어진 공기를 반사하는 반사단과,
   상기 마우스피스로부터 불어넣어진 공기가 빠져나가는 개방단을 가지는
   호흡 음향 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 하우징은 통형상으로서, 일단이 상기 반사단으로 되고, 타단이 상기 개방단으로 되는 것이고,
   상기 마우스피스는 상기 하우징의 상기 반사단과 상기 개방단의 사이에 설치되어 있는
   호흡 음향 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 마우스피스의 통기로의 내경 단면적은 0.64∼9㎠인
   호흡 음향 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 마우스피스의 통기로와 상기 하우징의 중공은 동일 단면인
   호흡 음향 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 개방단의 내경 단면적(S[㎠])과, 상기 마우스피스로부터 불어넣어진 공기가 상기 반사단에서 반사하여 개방단으로부터 빠져나갈 때까지의 상기 장치 내의 통로의 길이의 합계값(I[㎝])은 이하의 식으로 나타나는 관계를 만족하는
   호흡 음향 장치.
   [식]
   

   

   
   여기에서, f는 주파수 16∼25Hz이고, c는 음속 35000㎝／s이고, V는 폐의 총 폐용량 1500∼9000㎖이다.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 반사단은 개구를 가지지 않거나, 하나 또는 복수의 개구를 가지거나, 또는 개구 면적을 조정 가능한 기구를 가지고, 상기 반사단의 개구 총 단면적은 상기 개방단의 개구 단면적의 75％ 이하인
   호흡 음향 장치.

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