WO2002081034A2 - Trainingsgerät für die atmungsfunktion und verfahren zur überwachung der frischluftzufuhr - Google Patents

Trainingsgerät für die atmungsfunktion und verfahren zur überwachung der frischluftzufuhr Download PDF

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WO2002081034A2
WO2002081034A2 PCT/CH2002/000194 CH0200194W WO02081034A2 WO 2002081034 A2 WO2002081034 A2 WO 2002081034A2 CH 0200194 W CH0200194 W CH 0200194W WO 02081034 A2 WO02081034 A2 WO 02081034A2
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valve
air
valve body
training device
piston
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    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B21/00—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices
    • A63B21/00192—Exercising apparatus for developing or strengthening the muscles or joints of the body by working against a counterforce, with or without measuring devices using resistance provided by magnetic means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B23/00—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body
    • A63B23/18—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for improving respiratory function
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A63B23/00—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body
    • A63B23/18—Exercising apparatus specially adapted for particular parts of the body for improving respiratory function
    • A63B23/185—Rhythm indicators

Definitions

  • the invention relates to a training device for the respiratory function with a mouthpiece, a respiratory air duct adjoining the mouthpiece with an inlet / outlet opening for air, a flexible air bag connected to the respiratory air duct and a valve arrangement for regulating the amount of exhausted air from the respiratory air duct and the amount of fresh air entering the breathing air duct and a method for operating such a device.
  • Training devices of this type serve to strengthen the respiratory muscles. On the one hand, this can serve therapeutic purposes, but on the other hand, healthy people can improve respiratory functions and increase respiratory performance. The latter is of interest, for example, to people doing sports. Devices of this type are known, for example from WO 9917842.
  • the device described in WO 9917842 has a tubular breathing air channel which is provided with a mouthpiece at one end. At the end of the breathing air duct facing away from the mouthpiece, the latter is branched, a portion of the duct opening into a flexible bag and being connected to it.
  • the second branch of the breathing air channel is connected to a valve arrangement, via which used air can flow out of the breathing air channel or fresh air can be sucked into the breathing air channel.
  • the valve arrangement is a spring reed valve (reed type), which opens at a predetermined negative pressure and enables fresh air to be drawn in through the breathing air duct.
  • the valve closes and is further designed so that when a correct excess pressure in the breathing air channel in turn opens and allows used air to flow out of the breathing air channel into the environment.
  • the basic function of the known training device is that the person who uses the device breathes only through the mouthpiece and thus the training device. With each breathing cycle, part of the exhaled air is stored in the bag and only when the bag is full, due to the resulting excess pressure, the valve opened and the remaining volume exhaled through the valve. When changing from the exhalation process to the inhalation process, the valve closes and the person breathing through the mouthpiece first breathes in the entire contents of the bag volume.
  • the previously known device has a control device which specifies the frequency at which breathing should take place and a control device for monitoring the CO 2 content of the breathing air.
  • the CO 2 content in the air we breathe should remain constant in a predetermined area that is not harmful to health.
  • the components of the training device through which breathing air flows are contaminated during every training process and must be able to be cleaned. Especially when the device is used therapeutically, the affected parts must be sterilized. In the previously known devices, these processes cause difficulties; in particular, cleaning the valve arrangement is difficult and involves considerable effort.
  • the use according to the invention of a piston valve in the valve arrangement leads to several advantages.
  • the housing part of the piston valve can form an integral part of the breathing air channel and the valve body can be arranged and guided directly inside the breathing air channel. This ensures an optimal flow of the breathing air in the direction of the flow axis in the air passage space of the breathing air duct and the valve housing part.
  • the valve body has a piston which seals against a sealing surface on the air passage space and is slidably guided in the air passage space via guide parts and displaceable in both directions of the flow axis.
  • the valve body has no mechanical connections to the housing part of the piston valve, but there are additional force-generating means which position the valve body in relation to the housing part of the piston valve in the sealing position.
  • These force-generating means also generate the forces to return the valve body from a deflected position to the sealing position.
  • the force exerted by the force-generating means on the valve body is predetermined so that the valve body can be moved from the sealing position into an open position when the air bag is full or empty due to the overpressure or underpressure in the breathing air channel.
  • the force-generating means are advantageously magnetic elements; on the one hand, at least one component made of a magnetic material is arranged in the valve body. On the other hand, at least one component for generating a magnetic field or at least one component made of a magnetic material is installed in the housing part of the valve.
  • the components for generating the desired magnetic forces are arranged in the sealing position of the valve body approximately in a common radial plane to the longitudinal axis of the air passage space.
  • the component for generating a magnetic field in the housing Part of the valve is expediently formed by a permanent magnet or by an electromagnet, the magnetic field of which can be regulated by changing the current.
  • the use of magnetic fields to generate the necessary holding and restoring forces has the great advantage that the forces can be transmitted to the valve body without contact.
  • valve arrangement becomes very simple, since no additional force transmission elements are necessary.
  • magnetic components or the components for generating a magnetic field can be completely encapsulated, so that safe cleaning and, if necessary, sterilization of the components in contact with breathing air is possible.
  • the only movable component in this arrangement is the valve body with the piston, which is freely displaceable in the air passage space of the breathing air duct.
  • magnetic elements as force-generating means permits several advantageous embodiments. It is possible to install a component made of magnetically hard material, for example a permanent magnet, in the valve body and to install an annular component made of a magnetically soft material, for example iron, in the housing part of the piston valve. However, it is also possible to use a component made of magnetically soft material, for example iron, in the valve body and to use one or more components made of magnetically hard material, for example permanent magnets, in the housing part of the piston valve. A particularly compact solution is obtained if the magnetic elements in the valve body as well as in the housing part of the piston valve consist of a magnetically hard material, for example permanent magnets in both cases.
  • a component made of magnetically hard material for example a permanent magnet
  • two components made of magnetically hard material are expediently installed in the housing part of the valve or in the region of the housing part, these components being symmetrically opposed with respect to the longitudinal axis of the air passage space.
  • a major advantage of all these embodiments is that the magnetic elements or their pole arrangements and the predetermined strength of the magnetic field enable the valve body to be positioned precisely in the sealing position, with the desired holding force.
  • constant or decreasing forces act on the valve body via the opening path, so that a very rapid, complete opening of the air passage space in the valve is possible.
  • the valve arrangement according to the invention therefore enables a more precise determination and delimitation of the air volume which, in addition to the content of the bag volume, is exhaled from the training device or inhaled into the training device and thus into the lungs of the person exercising.
  • a piston valve according to the invention now also makes it possible to integrate the housing part of the piston valve in one piece into the breathing air duct, i.e. combine all components that are in contact with breathing air in a single component.
  • This component namely the breathing air channel, is detachably held in a casing and in such a way that it can be removed and cleaned in a simple manner. Since the valve body is guided freely in the breathing air channel, it can be removed from it in a simple manner and all these components can be cleaned in the simplest way. Conveniently, they consist of a material that is resistant to sterilization processes.
  • the components made of magnetic material or the components for generating a magnetic field, which are assigned to the housing part of the piston valve, and sensors for determining the position of the valve body are expediently arranged.
  • This jacket housing also includes a handle for holding the training device and the transmission elements for the data determined by the position sensors and any other devices. Since the casing does not come into contact with the breathing air, it does not have to be sterilizable and its shape can be designed in a wide range, since the requirements for cleaning options are much lower.
  • the training device can be used for two different training variants of breathing. Namely for endurance training or for strength training. Endurance training works with the breathing frequency and the depth of breathing. In resistance training, the resistance that is opposed to breathing processes is also changed.
  • the force-generating means in the area of the housing part of the piston valve are interchangeable or electromagnets are used, the current supply of which can be regulated.
  • the opening force of the piston valve can be changed by using differently powerful means for generating force. As a result, the force generated by breathing to open the valve is also changed.
  • the change in the magnetic field has the same effect when using electromagnets.
  • this valve arrangement can be equipped with a switch.
  • the electromagnet is linked to a control unit. This control unit then controls the opening and closing of the piston valve depending on the specified breathing frequencies or breathing cycles.
  • resilient elements are used as the force-generating means. At least one resilient element is connected on the one hand to an end region of the valve body and on the other hand to the housing part of the piston valve or the breathing air channel.
  • This arrangement also results in a simplified structural design compared to the known solution and the advantages of the freely movable valve body with the piston are retained.
  • Spiral springs can be used in a known manner as resilient elements, these being designed in such a way that they can be easily removed and cleaned with the valve body. For certain applications, it may be appropriate to provide two piston valves acting in parallel and to assign the inhalation function or the exhalation function to each of the valves.
  • the first piston valve then regulates the amount of exhausted air from the breathing air channel, and the second of the piston valves controls the amount of fresh air entering the breathing air channel.
  • the displacement of the valve body is advantageously limited by end stops. These end stops determine the opening positions of the piston valve for the exit of used air from the breathing air duct and for the entry of fresh air into the breathing air duct.
  • sensors arranged in the housing part of the piston valve or in the jacket housing, which serve to determine the position of the valve body in the air passage space. These sensors are used to determine whether the valve body is in one of the opening positions and to determine the period in which the piston valve is open. The opening times of the piston valve are monitored and registered and are used to monitor the correct ratio between the volume of breathing air in the bag and the breathing air flowing out or in via the piston valve.
  • a Hall sensor As sensors in each case in the housing part of the piston valve or in the jacket housing on both sides of the sealing position of the valve body.
  • These Hall sensors react in a known manner to changes in the magnetic field by movements of the valve body in the direction of the longitudinal axis of the air passage channel and can therefore generate corresponding position signals.
  • the Hall sensors can be replaced in a manner known per se by reed sensors, optical sensors or pressure sensors.
  • the sensors are connected to a transducer and to an electronic control unit via an interface and a data line.
  • the term control device is to be interpreted in the broadest sense and also includes, for example, the use of a computer.
  • This control unit contains, for example Input unit for target data for breathing training, a microprocessor, a data memory and at least one display device for control and monitoring information.
  • the desired limit values or control values for the breathing cycles are specified via this control unit.
  • the breathing activities of the person using the training device are determined by comparison with the measurement data of the sensors arranged in the area of the valve arrangements, and these data are compared with the target data. In the event of deviations from the target data, the control unit automatically determines the necessary corrections and displays them via the display device.
  • the person using the training device must then change their breathing processes, in particular the frequency and / or depth of breathing, until they match the target data.
  • the control unit triggers an alarm function, since the CO 2 content in the inhaled and exhaled air then no longer corresponds to the target values. Since with this use of at least one piston valve according to the invention, the open positions and thus the opening times of the valve body and from this the relationships of the moving air volumes to one another can be determined exactly, the arrangement of a CO 2 sensor is not necessary. This further simplifies the training device and also simplifies handling by the people training or to be treated. Due to the special design of the valve body, the training device is relatively insensitive to posture and also makes handling easier in this regard.
  • the respiratory training device is used by a person, for therapeutic purposes or for training the respiratory function, individual personal specifications must be specified. These are based on empirical values.
  • the vital capacity is measured and the bag volume required for the training is determined. In the standard case, the bag volume corresponds to 50% of the volume of the vital capacity. Further information on determining the bag volume is known from WO 9917842 and is also used here accordingly. From empirical values for a so-called minute ventilation, a correction factor for the training state of the person concerned and the bag volume, the respiratory rate is now calculated. A product is divided from the two factors training condition and minute ventilation by the bag volume.
  • WO 9917842 more detailed information is contained in WO 9917842 and can also be used in addition.
  • the affected person breathes through the training device, a portion of the breathing air volume being removed from the air bag when inhaled and then a portion of the air volume being supplied from the ambient air via the valve arrangement when the bag is empty.
  • the valve arrangement is opened by the negative pressure generated in the breathing air duct as a result of the inhalation process.
  • the valve arrangement closes and a part of the air volume is first supplied to the air bag and stored therein. After the bag has been filled, an excess pressure is created in the breathing air channel as a result of the exhalation process and the valve arrangement is opened again and a part of the exhaled air is released into the ambient air via this.
  • the respiratory rate and the bag volume are dependent on each other, the CO 2 content in the breathing air is kept approximately constant via these device functions or inhalation cycles. This prevents hyper or hypoventilation from occurring. It is particularly advantageous if the respiratory rate is given to a control device as the target value.
  • Devices are to be understood as control devices which have at least one microprocessor or comprise, for example, a computer.
  • the time period for one inhalation or exhalation cycle is determined from the predetermined breathing frequency via the control device or its processor.
  • the duration of the open state of the valve arrangement is measured on the valve arrangement and the corresponding measured values are transmitted to the control unit.
  • a ratio value is determined and compared with a predetermined stored value.
  • This predefined stored value is known from experience curves which were determined when the CO 2 content of the breathing air was approximately constant. If the calculated ratio deviates from the stored and specified value, the control unit uses a display Device generates a correction and / or alarm display and the person using the training device must adapt their breathing processes to the values specified by the device. For people with average training, it proves to be advantageous to set the ratio between the calculated cycle duration of the inhalation or exhalation process and the opening duration of the valve arrangement to approximately 2: 1.
  • force-generating means which can be regulated or controlled, are used on the valve arrangement for positioning the valve body on the valve arrangement, there is the further advantage that corrections of the breathing processes can also be carried out by regulating the opening times of the valve arrangement.
  • the desired opening times of the valve arrangement are predefined on the control unit, which generates corresponding control pulses for the force-generating means.
  • the force-generating means carry out the corresponding opening and closing processes of the valve arrangement, which are then only partially or no longer influenced by the overpressure or underpressure in the breathing air duct.
  • This configuration of the training device and the corresponding control specifications are intended in particular for use under expert supervision so that compliance with the correct breathing data is ensured.
  • FIG. 1 is an overall view of the training device according to the invention for the respiratory function and the associated control device
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the breathing air channel in the training device with the piston valve
  • FIG. 3 shows a perspective view of the valve body of the piston valve
  • FIG. 4 shows a cross section through the breathing air channel of the training device
  • Fig. 5 shows a cross section through a schematically illustrated valve arrangement with springs as a force-generating means
  • Fig. 6 shows a cross section through a schematic representation of a breathing air duct with two piston valves.
  • the training device for the respiratory function. It essentially consists of a jacket housing 1, a breathing air channel 2 inserted into this jacket housing 1, a mouthpiece 3 which is connected to the breathing air channel via a connecting pipe 8 and an air bag 5.
  • the training device is equipped with a cable or data line 13 Control unit 14 connected.
  • the control unit 14 contains a processor and data memory, which, however, can also be part of a portable or stationary computer connected to the control unit.
  • the casing 1 has a handle 7, with which the training device can be held manually in the required and desired manner.
  • the mouthpiece 3 is put into the mouth by a person who uses the device for training or therapeutic purposes and after the airway is closed via the nose, breathing is carried out completely via the training device.
  • the breathing air flows through the connecting pipe 8 into the breathing air channel 2.
  • This breathing air channel 2 is Y-shaped and branches into two channels, a branch pipe 9 leading to the air bag 5 and the actual breathing air channel 2 to an inlet and outlet opening 4 for breathing or fresh air.
  • a valve arrangement 6, which is described in more detail in FIGS. 2 to 4, is arranged in the breathing air channel 2.
  • the air bag 5 is detachable via a connection element 12, connected to the branch pipe 9, and air bags 5 with different volumes are available, which are used depending on the lung vital capacity of the person exercising.
  • the valve arrangement 6 initially closes the inlet and outlet opening 4, so that the flexible air bag 5 is first filled with exhaled air.
  • valve arrangement 6 is closed again for the time being and therefore the breathing air contained in the air bag 5 is first inhaled again.
  • a negative pressure is created in the connecting pipe 8 and in part of the breathing air duct 2, which opens the valve arrangement 6.
  • Fresh air is now inhaled through the inlet opening 4 for the remaining inhalation cycle.
  • the respiratory rate per minute is specified via the control unit 14 and its input unit 15.
  • the breathing processes effectively carried out by the exercising person are shown in the example shown on a display element 17 and on a second display element 16, which is designed as a display, speech outputs are displayed, for example correction or error messages.
  • the control device 14 or its display elements 16, 17 display alarm signals.
  • the vital capacity of the lungs of the person to be trained or to be treated therapeutically must first be determined in a known manner.
  • the volume of the air bag 5 to be used and the breathing frequency with which the person is to breathe can then be determined mathematically or with the aid of tables.
  • the respective training status and the desired training process must be taken into account.
  • Bags 5 with a volume of 0.5 1 to 3.5 I, in 0.5 I steps, are provided for normal training processes.
  • the vital capacity is determined with 5 1 and from this the volume of the air bag 5 with 50% of the vital capacity is 2.5 I.
  • the minute volume depends on size and weight and is, for example, 150 I.
  • the calculated respiratory rate is then between 20 up to 24 cycles / min. 2 shows a longitudinal section through the upper region of the casing 1 and the breathing air channel 2 used therein with the valve arrangement 6.
  • the valve arrangement is a piston valve 6, which has considerable advantages over the known valves.
  • the breathing air channel 2 is detachably inserted into the casing 1 and is detachably fastened in the casing 1 by means of the connection element 10 and the closure element 11.
  • the connection element 10 is arranged on the side on which the connection tube 8 for the mouthpiece 3 is located.
  • An external thread 18 is arranged on the breathing air channel 2 and the connection element 10 has an internal thread 44.
  • the connecting tube 8 is connected to the breathing air channel 2 by means of the connecting element 10 via a sealing ring 19, which at the same time forms a holding shoulder.
  • the breathing air channel 2 is Y-shaped and has an air passage space 26 and a flow channel 30 branching off from it.
  • the flow channel 30 leads, as already described, to the air bag 5, which is connected to the branch pipe 9 of the breathing air channel 2 via the connection element 12.
  • the piston valve 6 is arranged after the branching of the flow duct 30.
  • This piston valve 6 consists of a housing part 22, which forms an integral part of the breathing air channel 2.
  • a sealing surface 27 is arranged in the area of the housing part 22, which extends in the direction of the flow axis 28 only over a partial area, for example over 9 mm in the example shown, the diameter of the air passage space 26 in the area of the sealing position being approximately 23 mm.
  • the air passage space 26 Before and after this sealing surface 27, the air passage space 26 has a larger cross section than in the sealing area.
  • a valve body 23 is inserted into the air passage space 26 in the area of the housing part 22. This valve body has a piston 24 and a guide part 25 and 46. The valve body 23 is slidably guided via the piston 24 and the guide part 25 in the air passage space 26 of the breathing air duct 2 and is freely movable in the direction of the arrows 31. The movement of the valve body in the direction of the arrows 31 or in the direction of the flow axis 28 in the air passage space 26 is beat 42, 43 limited, which are shown in Fig. 4. The valve body 23 is installed and removed from that side of the breathing air duct 2 on which the inlet / outlet opening 4 is arranged.
  • an external thread 20 is arranged on the breathing air channel 2 at this end region, which interacts with an internal thread 45 on the closure element 11.
  • the flow axis 28 of the air passage space 26 in the region of the piston valve 6 coincides with the longitudinal axis 36 of the breathing air channel 2.
  • the various components of the training device can be separated from one another in a simple manner by removing the connecting element 10 and the terminating element 11 and the connecting element 12.
  • the breathing air channel 2 is simple in shape and has no complicated shaped elements which are difficult or impossible to clean.
  • the valve body 23 is also shaped so that it can be optimally cleaned. This also applies to the other components that come into contact with breathing air, namely the mouthpiece 3, the connecting pipe 8 and, for example, the closure element 11.
  • valve body 23 can be installed and removed in the simplest way, since it has no direct mechanical connection to the housing part 22 or breathing air channel 2. This leads to a considerable simplification of the cleaning and handling of the device.
  • the arrangement according to the invention also makes it possible for every person who uses the training device to assign those parts which are contaminated with breathing air specifically, that is to say person-related.
  • the casing 1 and the control device 14 can be used by different, ie several people, since it does not come into contact with breathing air. In the normal case, a superficial cleaning is sufficient.
  • This embodiment according to the invention enables such breathing training devices to be used cost-effectively, particularly in therapeutic use, where several different people are treated in succession. For a new use of the breathing training device, all parts that come into contact with breathing air can be exchanged in a simple manner and the device is immediately available again.
  • 3 shows a valve body 23 according to the invention, which is part of the piston valve 6.
  • the guide part 25 is connected to the piston 24 on the one hand and the guide part 46 on the opposite side.
  • the two guide parts 25 and 46 essentially consist of 4 symmetrically arranged ribs, between which there are flow channels 47, 48 for the air.
  • the guide part 25 In the end region 41 of the guide part 25, which faces away from the piston 24, the guide part 25 has a larger diameter than the piston 24. Between the piston 24 and the end region 41, the diameter of the ribs of the guide part 25 is reduced and stop surfaces 49 are formed , The diameter of the ribs of the guide part 46 is also reduced compared to the piston 24.
  • FIG. 4 shows a cross section through the breathing air channel 2 along the axis 36 according to FIG. 2.
  • This illustration shows the force-generating means 29 which hold the valve body 23 in the sealing position or determine the opening forces for the piston valve 6 and in the area of the housing part 22 is arranged.
  • the force-generating means 29 consist of magnetic elements, the valve body 23 containing a component 32 made of a magnetic material, and means with two components 34 made of a magnetic material are arranged in the region of the housing part 22 of the valve 6.
  • these magnetic elements 32, 34 are positioned in a common radial plane 35 to the flow axis 28 of the air passage space 26.
  • the two components 34 are permanent magnets, ie magnetic elements made of a magnetically hard material.
  • the magnetic component 32 in the valve body 23 is also formed by a permanent magnet or consists of a magnetically hard material.
  • the axes of the magnetic elements 32 and 34 run approximately parallel to the flow axis 28 and the pole arrangements are oriented identically.
  • the two magnetic components 34 are arranged in the casing 1 symmetrically to the flow axis 28 and abut the housing part 22 of the piston valve 6.
  • the magnetic component 32 is positioned in the piston 24 or valve body 23 approximately in the plane 35 and thus the valve body 23 is held in the sealing position.
  • the acting magnetic forces are determined in a known manner so that the valve body 23 is only deflected from the sealing position in the direction of the arrows 31 at a desired underpressure or overpressure.
  • electromagnets 33 in the casing 1 or in the area of the housing part 22 of the piston valve 6 instead of the permanent magnets 34, which are activated by electrical currents.
  • the corresponding power supply and control signal supply takes place from the control unit 14 via the cable 13 and further connecting lines, not shown, in the casing 1.
  • This arrangement makes it possible to change the opening forces for opening the valve, as can be expedient during strength training.
  • the valve opening times can be influenced and controlled from the control unit. This may be desirable if the device is used professionally.
  • a further possible embodiment also consists in the magnetic element being formed from a permanent magnet 32 in the valve body 23 and the magnetic elements being formed from a magnetically soft material, for example iron, in the housing part 1, an annular element advantageously being used.
  • the magnetic component 32 in the valve body 23 consists of magnetically soft material, for example iron
  • the two magnetic components 34 in the region of the valve housing 22 consist of a magnetically hard material, ie consist of a permanent magnet. All of these arrangements fulfill the desired functions according to the invention.
  • Two sensors 37, 38 are arranged on both sides of the sealing position between the piston 24 and the sealing surface 27 on the housing part 22 at a distance from the sealing plane 35 in the casing housing 1.
  • the same functions could also be recorded by reed sensors, optical sensors or pressure sensors.
  • These sensors 37 or 38 determine whether the valve body 23 is in the opening position for breathing in fresh air or in the opening position for expelling breathing air through the opening 4.
  • the opening position for the inflow of fresh air through the opening 4 is determined by a stop 42 at the end of the sealing surface 27 and a stop 49 on the ribs of the guide part 25. This opening position and the duration of the opening is detected by the sensor 37.
  • the opening position of the valve body 23 for the outflow of used air through the opening 4 is determined by the end region 41 on the guide part 25 and the inner surface on the closing element 11, which forms an end stop 43.
  • This opening position is assigned to the sensor 38, which determines the opening state and the duration of the opening.
  • the valve body 23 slides in the air passage space 26, this sliding movement generating very little frictional loss.
  • the arrangement according to the invention has the advantage that the forces required to deflect the valve body 23 from the sealing position into the opening position are not progressively increasing the further the body is deflected, but rather this force either remains constant or decreases.
  • the resultant advantage is that when the holding force in the sealing position is exceeded, the valve body 23 is immediately deflected completely into the open position and the complete flow cross-section is thus released for the air.
  • the throughflow quantities of air are thus determined in a sufficiently precise manner by the opening times of the piston valve 6 and no additional sensors for determining the CO 2 content of the air are necessary.
  • FIG. 5 essentially shows the breathing air channel 2 and the piston valve 6 in a schematic representation.
  • the casing 1 and the other attachments are not shown.
  • the housing part 22 of the piston valve 6 is an integral part of the breathing air channel 2.
  • the housing part 22 has the sealing surface 27 and the piston 24 is arranged accordingly on the valve body 23.
  • the configuration of the valve body 23 and the sealing surface 27 corresponds to the embodiments according to FIGS. 3 and 2.
  • the force-generating means 29 in this exemplary embodiment are not, however, by magnetic elements, but formed by the two coil springs 39 and 40. The forces of these two spiral springs 39 and 40 hold the valve body 23 in the sealing position and allow a deflection in the direction of the two arrows 31. This results in the same mode of operation as described for FIGS. 1 to 4.
  • This embodiment can be used in certain cases where a device which is as inexpensive as possible is desired and a progressive increase in the opening forces on the valve body 23 can also be tolerated, ie a device with a lower working accuracy is permissible.
  • the advantages of the piston valve according to the invention are still retained.
  • the training device can also be equipped with two piston valves 6 'and 6 ", as is also shown schematically in FIG. 6.
  • a breathing air channel 2' has two pipe branches 50, 51 branching off to the side, each of which has one at its outer end Have inflow opening 52 or an outflow opening 53.
  • the breathing air channel 2 also has a branch pipe 9 which leads to the air bag 5.
  • a valve body 23 is arranged in each of the two pipe sections 50, 51, the embodiment of which corresponds to the valve body according to FIG Both valve bodies 23 have a piston 24, in which a magnetic component in the form of a permanent magnet 32 is built in.
  • the necessary sealing surface 27 ' which cooperates with the piston 24, is arranged on the inner surface of the tube pieces 50, 51.
  • the valve 6 "in the pipe section 50 has the function of allowing fresh air to be sucked in via the opening 52.
  • the opening position of the valve body 23 is determined by the sensor 37 and the opening time is also determined.
  • the valve 6 'in the pipe section 51 has only the function of allowing used air to flow out through the opening 53, specifically when the air bag 5 is filled.
  • the opening position and the opening time of the valve body 23 determined by the sensor 38.
  • This arrangement with two piston valves 6 'and 6 "makes it possible to define different opening forces for the opening time for the intake of fresh air or for the opening time for the outflow of breathing air into the environment. This can be expedient for certain training and / or therapy programs and be of interest.
  • the vital capacity is person-dependent and the respiratory limit is person and gender-dependent.
  • the following procedure is necessary to calculate the respiratory rate of a specific person.
  • the vital capacity (V c ) is measured in a known manner.
  • the volume of the air bag 5 is set so that it is 50% of the vital capacity.
  • the respiratory limit (MW) is determined according to the following function:
  • a respiratory minute volume (AMV) is recommended for endurance training, which is 60% of the respiratory limit (MW).

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Abstract

Das Atmungstrainingsgerät umfasst ein Mantelgehäuse (1) mit einem Iösbaren, damit verbundenen Atemluftkanal (2), ein Mundstück (3), einen Luftbeutel (5) und ein Steuergerät (14). Im Atemluftkanal (2) ist eine Ventilanordnung eingebaut und zwar ein Kolbenventil. Dieses Kolbenventil ist mit einem Ventilkörper ausgestattet, welcher frei beweglich ist und keine feste Verbindung zum Atemluftkanal (2) aufweist. Im Gehäuseteil (1) und/oder im Gehäuse der Ventilanordnung sind krafterzeugende Mittel vorhanden, welche den Ventilkörper in der Dichtungsposition halten und die notwendigen Öffnungskräfte für das Ventil bestimmen. Alle Teile, welche mit Atemluft in Kontakt sind, sind einfach ausbaubar und zu reinigen.

Description

Trainingsgerät für die Atmungsfunktion
Die Erfindung betrifft ein Trainingsgerät für die Atmungsfunktion mit einem Mundstück, einem an das Mundstück anschliessenden Atemluftkanal mit einer Ein/- Austrittsöffnung für Luft, einem mit dem Atemluftkanal verbundenen flexiblen Luftbeutel und einer Ventilanordnung für die Regelung der Austrittsmenge von ver- brauchter Luft aus dem Atemluftkanal und der Eintrittsmenge von frischer Luft in den Atemluftkanal sowie ein Verfahren für den Betrieb eines derartigen Gerätes.
Trainingsgeräte dieser Art dienen dazu, die Atmungsmuskulatur zu stärken. Dies kann einerseits therapeutischen Zwecken dienen, anderseits können aber auch gesunde Personen die Atmungsfunktionen verbessern und die Atmungsleistung steigern. Letzteres ist beispielsweise bei sporttreibenden Personen von Interesse. Geräte dieser Art sind bekannt, beispielsweise aus WO 9917842.
Das in WO 9917842 beschriebene Gerät weist einen rohrförmigen Atemluftkanal auf, welcher an einem Ende mit einem Mundstück versehen ist. An dem vom Mundstück abgewendeten Ende des Atemluftkanales ist dieser verzweigt, wobei ein Teilstück des Kanales in einen flexiblen Beutel mündet und mit diesem verbunden ist. Der zweite Zweig des Atemluftkanales ist mit einer Ventilanordnung verbunden, über welche verbrauchte Luft aus dem Atemluftkanal ausströmen kann oder frische Luft in den Atemluftkanal eingesaugt werden kann. Bei der Ventilanordnung handelt es sich um ein Federzungenventil (Reed Typ), welches bei einem vorbestimmten Unterdruck öffnet und das Ansaugen von Frischluft durch den Atemluftkanal ermöglicht. Bei Normaldruck im Atemluftkanal schliesst das Ventil und ist im Weiteren so ausgebildet, dass es bei Erreichen eines be- stimmten Überdruckes im Atemluftkanal wiederum öffnet und ein Abströmen von verbrauchter Atemluft aus dem Atemluftkanal in die Umgebung ermöglicht. Die Grundfunktion des vorbekannten Trainingsgerätes besteht darin, dass die Person, welche das Gerät benutzt, nur über das Mundstück und damit das Trainingsgerät atmet. Dabei wird bei jedem Atmungszyklus ein Teil der ausgeatmeten Luft im Beutel gespeichert und erst wenn dieser voll ist, durch den entstehenden Überdruck, das Ventil geöffnet und das Restvolumen über das Ventil ausgeatmet. Beim Wechsel vom Ausatmungsvorgang zum Einatmungsvorgang schliesst das Ventil und die über das Mundstück atmende Person atmet zuerst den gesamten Inhalt des Beutelvolumens ein. Erst wenn der Beutel leer ist, entsteht im Atemluftkanal der gewünschte Unterdruck und das Ventil öffnet sich wieder und ermöglicht das zusätzliche Einatmen von Frischluft. Das Volumen, des mit dem Atemluftkanal verbundenen Beutels, wird dabei personenspezifisch bestimmt. Im Weiteren verfügt das vorbekannte Gerät über eine Steuervorrichtung, welche angibt, mit welcher Frequenz geatmet werden soll und über eine Kontroll-einrichtung zur Überwachung des CO2-Gehaltes der Atemluft. Während des Trainingsablaufes soll der CO2-Gehalt in der Atemluft in einem vorgegebenen, gesundheitlich nicht schädlichen Bereich konstant bleiben. Die von Atemluft durchströmten Bestandteile des Trainingsgerätes werden bei jedem Trainingsvorgang verunreinigt und müssen gereinigt werden können. Insbesondere bei der therapeutischen Anwendung des Gerätes müssen die betroffenen Teile sterilisiert werden. Bei den vorbekannten Geräten bereiten diese Vorgänge Schwierigkeiten, insbesondere ist die Reinigung der Ventilanordnung schwierig und mit erheblichem Aufwand verbunden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Trainingsgerät für die Atmungsfunktion zu schaffen, welches einfach im Aufbau ist, bei welchem die bewegten und die mit Atemluft in Kontakt stehenden Teile ohne Hilfsmittel ausgebaut werden können, die mit Atemluft in Kontakt kommenden Teile des Gerätes bei Bedarf sterilisierbar sind und bei welchem die Ventil-anordnung bzw. die Funktion des Ventils weitgehendst unabhängig von der Lage des Ventils ist. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und im Patentanspruch 20 definierten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich nach den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
Die erfindungsgemässe Verwendung eines Kolbenventils in der Ventilanordnung führt zu mehreren Vorteilen. Das Gehäuseteil des Kolbenventils kann einen integralen Bestandteil des Atemluftkanales bilden und der Ventilkörper kann direkt im Inneren des Atemluftkanales angeordnet und geführt werden. Dadurch ist eine optimale Strömung der Atemluft in Richtung der Strömungsachse im Luftdurch- lassraum des Atemluftkanales und des Ventilgehäuseteiles gewährleistet. Der Ventilkörper weist einen Kolben auf, welcher gegen eine Dichtfläche am Luftdurchlassraum dichtet und ist über Führungsteile gleitend im Luftdurchlassraum geführt und in beide Richtungen der Strömungsachse verschiebbar. Der Ventilkörper weist keine mechanischen Verbindungen zum Gehäuseteil des Kolben- ventiles auf, sondern es sind zusätzliche krafterzeugende Mittel vorhanden, welche den Ventilkörper gegenüber dem Gehäuseteil des Kolbenventils in der Dichtungsposition positionieren. Diese krafterzeugenden Mittel erzeugen auch die Kräfte, um den Ventilkörper aus einer ausgelenkten Position wieder in die Dichtungsposition zurückzuführen. Die Kraft, welche von den krafterzeugenden Mitteln auf den Ventilkörper ausgeübt wird, ist dabei so vorbestimmt, dass sich der Ventilkörper bei vollem oder leerem Luftbeutel durch den Über- oder Unterdruck im Atemluftkanal von der dichtenden Position in eine Öffnungsposition verschieben lässt.
Die krafterzeugenden Mittel sind in vorteilhafter Weise magnetische Elemente, dabei wird einerseits im Ventilkörper mindestens ein Bauteil aus einem magnetischen Werkstoff angeordnet. Anderseits wird im Gehäuseteil des Ventils mindestens ein Bauteil zur Erzeugung eines Magnetfeldes oder mindestens ein Bauteil aus einem magnetischen Werkstoff eingebaut. Die Bauteile zur Erzeugung der gewünschten magnetischen Kräfte sind in der dichtenden Position des Ventilkörpers etwa in einer gemeinsamen Radialebene zur Längsachse des Luftdurchlassraumes angeordnet. Das Bauteil zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Gehäu- seteil des Ventils wird zweckmässigerweise durch ein Dauermagnet oder durch einen Elektromagneten, dessen Magnetfeld durch Veränderung des Stromes regelbar ist, gebildet. Die Verwendung von Magnetfeldern zur Erzeugung der notwendigen Halte- und Rückstell kräfte hat den grossen Vorteil, dass die Kräfte be- rührungslos auf den Ventilkörper übertragen werden können. Die gesamte Bauweise der Ventilanordnung wird sehr einfach, da keine zusätzlichen Kraftübertragungselemente notwendig sind. Zudem lassen sich die magnetischen Bauteile oder die Bauteile zur Erzeugung eines Magnetfeldes vollständig gekapselt einbauen, so dass eine sichere Reinigung und bei Bedarf auch eine Sterilisation der mit Atemluft in Kontakt stehenden Bauteile möglich ist. Das einzige bewegliche Bauteil ist bei dieser Anordnung der Ventilkörper mit dem Kolben, welcher frei im Luftdurchlassraum des Atemluftkanales verschiebbar ist.
Weitere Vorteile bestehen darin, dass die Verwendung magnetischer Elemente als krafterzeugende Mittel mehrere vorteilhafte Ausführungsformen zulässt. Es ist möglich, im Ventilkörper ein Bauteil aus magnetisch hartem Werkstoff, z.B. einen Dauermagneten, einzubauen und im Gehäuseteil des Kolbenventils ein ringförmiges Bauteil aus einem magnetisch weichen Werkstoff, z.B. Eisen, einzubauen. Es ist aber auch möglich, im Ventilkörper ein Bauteil aus magnetisch weichem Werk- stoff, z.B. Eisen, zu verwenden und im Gehäuseteil des Kolbenventils ein oder mehrere Bauteile aus magnetisch hartem Werkstoff, z.B. Dauermagneten, einzusetzen. Eine besonders kompakte Lösung ergibt sich, wenn sowohl im Ventilkörper als auch im Gehäuseteil des Kolbenventils die magnetischen Elemente aus einem magnetisch harten Werkstoff, z.B. in beiden Fällen aus Dauermagneten, bestehen. In zweckmässiger Weise werden in diesem Falle im Gehäuseteil des Ventils oder im Bereiche des Gehäuseteiles zwei Bauteile aus magnetisch hartem Werkstoff eingebaut, wobei sich diese Bauteile in Bezug auf die Längsachse des Luftdurchlassraumes symmetrisch gegenüberliegen. Ein wesentlicher Vorteil all dieser Ausführungsformen besteht darin, dass die magnetischen Elemente bzw. deren Polanordnungen und die vorbestimmte Stärke des Magnetfeldes eine genaue Positionierung des Ventilkörpers in der Dichtposition ermöglichen und zwar mit der gewünschten Haltekraft. Beim Öffnen bzw. Verschieben des Ventilkörpers von der Dichtposition in eine Öffnungsposition wirken über den Öffnungsweg gleichbleibende oder abnehmende Kräfte auf den Ventilkörper, so dass eine sehr rasche vollständige Öffnung des Luftdurchlassraumes im Ventil möglich ist. Dies im Gegensatz zu den bekannten federbelasteten Membranventilen oder Feder- zungenventilen, bei welchen der Öffnungsbewegung eine progressiv zunehmende Kraft entgegengesetzt wird. Die erfindungsgemässe Ventilanordnung ermöglicht deshalb eine genauere Bestimmung und Abgrenzung des Luftvolumens, welches zusätzlich zum Inhalt des Beutelvolumens aus dem Trainingsgerät ausgeatmet oder in das Trainingsgerät und damit in die Lunge der trainierenden Person ein- geatmet wird.
Die erfindungsgemässe Verwendung eines Kolbenventils macht es nun auch möglich, das Gehäuseteil des Kolbenventils einstückig in den Atemluftkanal zu integrieren, d.h. alle Bauteile, welche mit Atemluft in Kontakt stehen, in einem ein- zigen Bauteil zusammenzufassen. Dieses Bauteil, nämlich der Atemluftkanal, ist lösbar in einem Mantelgehäuse gehalten und zwar so, dass er in einfacher Weise ausgebaut und gereinigt werden kann. Da der Ventilkörper frei im Atemluftkanal geführt ist, kann er in einfacher Weise aus diesem entnommen und alle diese Bauteile können in einfachster Weise gereinigt werden. In zweckmässiger Weise bestehen sie aus einem Material, welches beständig gegen Sterilisationsvorgänge ist.
Im Mantelgehäuse, in welchem der Atemluftkanal lösbar gehalten ist, sind zweckmässigerweise auch die Bauteile aus magnetischem Werkstoff oder die Bauteile zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welche dem Gehäuseteil des Kolbenventils zugeordnet sind sowie Sensoren zur Ermittlung der Position des Ventilkörpers, angeordnet. Dieses Mantelgehäuse umfasst auch einen Handgriff zur Halterung des Trainingsgerätes sowie die Übertragungsorgane für die von den Positionssensoren ermittelten Daten und allfällige weitere Einrichtungen. Da das Mantelgehäuse nicht mit der Atemluft in Kontakt kommt, muss es nicht sterilisierbar sein und auch dessen Form kann in einem weiten Bereich gestaltet werden, da die Anforderungen an die Möglichkeiten zu Reinigungen wesentlich geringer sind.
Das erfindungsgemässe Trainingsgerät ist für zwei unterschiedliche Trainingsva- rianten der Atmung einsetzbar. Nämlich für ein Ausdauertraining oder für ein Krafttraining. Beim Ausdauertraining wird mit der Atmungsfrequenz und der Tiefe der Atmung gearbeitet. Beim Krafttraining wird zusätzlich der Widerstand, welcher den Atmungsvorgängen entgegengesetzt wird, verändert. Dazu sind die krafterzeugenden Mittel im Bereich des Gehäuseteiles des Kolbenventils austauschbar oder es sind Elektromagnete eingesetzt, deren Stromzufuhr regelbar ist. Durch Einsatz unterschiedlich starker Mittel zur Krafterzeugung kann die Öffnungskraft des Kolbenventils verändert werden. Dies hat zur Folge, dass die durch die Atmung erzeugte Kraft zum öffnen des Ventils ebenfalls verändert wird. Die gleiche Wirkung hat die Veränderung des Magnetfeldes bei Einsatz von Elektromagneten.
Bei Verwendung eines Elektromagneten im Bereich des Gehäuseteiles des Kolbenventils ergibt sich der weitere Vorteil, dass diese Ventilanordnung schaltbar ausgestattet sein kann. Dazu wird der Elektromagnet mit einem Steuergerät verknüpft. Dieses Steuergerät steuert dann das öffnen und Schliessen des Kolben- ventils in Abhängigkeit von den vorgegebenen Atmungsfrequenzen bzw. Atmungszyklen.
Eine weitere vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn als krafterzeugende Mittel federnde Elemente verwendet werden. Dabei ist mindestens ein federndes Element einerseits mit einem Endbereich des Ventilkörpers und anderseits mit dem Gehäuseteil des Kolbenventils bzw. dem Atemluftkanal verbunden. Auch bei dieser Anordnung ergibt sich gegenüber der bekannten Lösung eine vereinfachte konstruktive Gestaltung und die Vorteile des frei beweglichen Ventilkörpers mit dem Kolben bleiben erhalten. Als federnde Elemente können in bekannter Weise Spi- ralfedern eingesetzt werden, wobei diese so ausgebildet sind, dass sie in einfacher Weise mit dem Ventilkörper ausgebaut und gereinigt werden können. Für bestimmte Anwendungsfälle kann es zweckmässig sein, zwei parallel wirkende Kolbenventile vorzusehen und je einem der Ventile die Einatmungsfunktion bzw. die Ausatmungsfunktion zuzuordnen. Das erste Kolbenventil regelt dann die Austrittsmenge von verbrauchter Luft aus dem Atemluftkanal, und das zweite der Kolbenventile regelt die Eintrittsmenge von frischer Luft in den Atemluftkanal. Sowohl bei der Verwendung von einem wie auch von zwei Kolbenventilen ist der Verschiebeweg des Ventilkörpers in vorteilhafter Weise durch Endanschläge begrenzt. Diese Endanschläge bestimmen die Öffnungspositionen des Kolbenventils für den Austritt von verbrauchter Luft aus dem Atemluftkanal und für den Eintritt von frischer Luft in den Atemluftkanal.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die im Gehäuseteil des Kolbenventils oder im Mantelgehäuse angeordneten Sensoren, welche der Ermittlung der Position des Ventilkörpers im Luftdurchlassraum dienen. Mittels dieser Sensoren wird festge- stellt, ob sich der Ventilkörper in einer der Öffnungspositionen befindet und es wird der Zeitraum festgestellt, in welchem das Kolbenventil geöffnet ist. Die Öffnungszeiten des Kolbenventils werden überwacht und registriert und dienen der Überwachung des korrekten Verhältnisses zwischen dem Atemluftvolumen im Beutel und der über das Kolbenventil abströmenden oder zuströmenden Atemluft.
Bei Verwendung eines magnetischen Elementes der erfindungsgemässen Art im Ventilkörper ist es zweckmässig, im Gehäuseteil des Kolbenventils oder im Mantelgehäuse beidseits der Dichtungsposition des Ventilkörpers als Sensoren je einen Hall-Sensor einzubauen. Diese Hall-Sensoren reagieren in bekannter Weise auf Veränderungen des Magnetfeldes durch Bewegungen des Ventilkörpers in Richtung der Längsachse des Luftdurchlasskanales und können somit entsprechende Positionssignale erzeugen. Die Hall-Sensoren können in an sich bekannter Weise durch Reed-Sensoren, optische Sensoren oder Druck-Sensoren ersetzt werden. Die Sensoren sind mit einem Messwertaufnehmer und über eine Schnitt- stelle und eine Datenleitung mit einem Steuergerät verbunden. Dabei ist der Begriff Steuergerät im weitesten Sinne auszulegen und umfasst beispielsweise auch den Einsatz eines Computers. Dieses Steuergerät enthält beispielsweise eine Eingabeeinheit für Zieldaten des Atemtrainings, einen Mikroprozessor, einen Datenspeicher und mindestens eine Anzeigevorrichtung für Steuer- und Kontrollinformationen. Die gewünschten Grenzwerte bzw. Kontrollwerte für die Atmungszyklen werden über dieses Steuergerät vorgegeben. Durch Vergleich mit den Mess- daten, der im Bereich der Ventilanordnungen angeordneten Sensoren, werden die Atmungsaktivitäten der Person ermittelt, welche das Trainingsgerät benutzt und diese Daten werden mit den Zieldaten verglichen. Bei Abweichungen von den Zieldaten ermittelt das Steuergerät automatisch die notwendigen Korrekturen und zeigt diese über die Anzeigevorrichtung an. Die das Trainingsgerät benutzende Person muss dann ihre Atmungsvorgänge, insbesondere die Frequenz und/oder Tiefe der Atmung verändern, bis sie mit den Zieldaten übereinstimmen. Überschreiten die Abweichungen ein vorgegebenes Mass, so wird über das Steuergerät eine Alarmfunktion ausgelöst, da dann der CO2-Gehalt in der ein- und ausgeatmeten Luft nicht mehr den Zielwerten entspricht. Da bei dieser erfindungsge- mässen Verwendung von mindestens einem Kolbenventil die Offen-Stellungen und damit die Öffnungszeiten des Ventilkörpers sowie daraus die Verhältnisse der bewegten Luftvolumen zueinander genau ermittelt werden können, ist die Anordnung eines Cθ2-Sensors nicht notwendig. Dadurch wird eine zusätzliche Vereinfachung des Trainingsgerätes erreicht und auch die Handhabung durch die trai- nierenden oder zu behandelnden Personen wird vereinfacht. Infolge der speziellen Gestaltung des Ventilkörpers ist das Trainingsgerät relativ iageunempfindlich und erleichtert auch in dieser Beziehung die Handhabung.
Bei Verwendung des erfindungsgemässen Atmungstrainingsgerätes durch eine Person, zu therapeutischen Zwecken oder zum Training der Atmungsfunktion, müssen individuelle personenbezogene Vorgaben festgelegt werden. Diese beruhen auf Erfahrungswerten. Als Erstes wird die Vitalkapazität gemessen und daraus, das für das Training gewünschte Beutelvolumen bestimmt. Das Beutelvolumen entspricht dabei im Standardfall 50% des Volumens der Vitalkapazität. Wei- tere Angaben zur Bestimmung des Beutelvolumens sind aus WO 9917842 bekannt und finden auch hier entsprechend Anwendung. Aus Erfahrungswerten für ein sogenanntes Atemminutenvolumen, einem Korrekturfaktor für den Trainings- zustand der betroffenen Person und dem Beutelvolumen wird nun die Atemfrequenz errechnet. Dabei wird ein Produkt aus den beiden Faktoren Trainingszustand und Atemminutenvolumen durch das Beutelvolumen dividiert. Auch hierzu sind genauere Angaben in WO 9917842 enthalten und ergänzend anwendbar. Während des Trainings atmet die betroffene Person durch das Trainingsgerät, wobei beim Einatmen zuerst ein Teil des Atmungsluftvolumens dem Luftbeutel entnommen wird und anschliessend bei entleertem Beutel ein Teil des Luftvolumens über die Ventilanordnung aus der Umgebungsluft zugeführt wird. Die Ventilanordnung wird dabei durch den infolge des Einatmungsvorganges im Atemluft- kanal erzeugten Unterdruckes geöffnet. Beim Wechsel vom Einatmungs- zum Ausatmungsvorgang schliesst die Ventilanordnung und es wird zuerst ein Teil des Luftvolumens dem Luftbeutel zugeführt und darin gespeichert. Nach dem Füllen des Beutels entsteht infolge des Ausatmungsvorganges im Atemluftkanal ein Überdruck und die Ventilanordnung wird wieder geöffnet und ein Teil der ausge- atmeten Luft wird über diese an die Umgebungsluft abgegeben. Da die Atemfrequenz und das Beutelvolumen voneinander abhängig sind, wird über diese Gerätefunktionen bzw. Einatmungszyklen der CO2-Gehalt in der Atmungsluft in etwa konstant gehalten. Dadurch wird verhindert, dass Hyper- oder Hypoventilationen auftreten. Besonders vorteilhaft ist es nun, wenn die Atemfrequenz einem Steuer- gerät als Zielwert vorgegeben wird. Als Steuergerät sind Einrichtungen zu verstehen, welche mindestens über einen Mikroprozessor verfügen oder beispielsweise einen Computer umfassen. Über das Steuergerät, bzw. dessen Prozessor, wird aus der vorgegebenen Atemfrequenz die Zeitdauer für je einen Einatmungs- bzw. Ausatmungszyklus ermittelt. An der Ventilanordnung wird die Dauer des geöffne- ten Zustandes der Ventilanordnung gemessen und die entsprechenden Messwerte werden an das Steuergerät übermittelt. Durch Vergleich der errechneten Zyklusdauern des Ein- oder Ausatmungsvorganges und der Öffnungsdauer der Ventilanordnung wird ein Verhältniswert ermittelt und mit einem vorgegebenen gespeicherten Wert verglichen. Dieser vorgegebene gespeicherte Wert ist aus Erfahrungskurven bekannt, welche bei etwa konstantem CO2-Gehalt der Atmungsluft ermittelt wurden. Weicht der errechnete Verhältniswert vom gespeicherten und vorgegebenen Wert ab, so wird vom Steuergerät über eine Anzeige- Vorrichtung eine Korrektur und/oder Alarmanzeige erzeugt und die Person, welche das Trainingsgerät benutzt, muss ihre Atmungsvorgänge an die vom Gerät vorgegebenen Werte anpassen. Für durchschnittlich trainierte Personen erweist es sich als vorteilhaft, das Verhältnis zwischen errechneter Zyklusdauer des Ein- oder Ausatmungsvorganges und der Öffnungsdauer der Ventilanordnung auf etwa 2:1 festzulegen. Wenn an der Ventilanordnung, zur Positionierung des Ventilkörpers an der Ventilanordnung, krafterzeugende Mittel eingesetzt sind, welche regel- oder steuerbar sind, so ergibt sich der weitere Vorteil, dass Korrekturen der Atmungsvorgänge auch über die Regelung der Öffnungszeiten der Ventilanord- nung vorgenommen werden können. Die gewünschten Öffnungszeiten der Ventilanordnung werden dabei am Steuergerät vorgegeben, welches entsprechende Steuerimpulse für die krafterzeugenden Mittel erzeugt. Als Funktion dieser Steuerimpulse führen die krafterzeugenden Mittel die entsprechenden Öffnungsund Schliessvorgänge der Ventilanordnung aus, welche dann nur noch teilweise oder überhaupt nicht mehr vom Über- oder Unterdruck im Atemluftkanal beein- flusst werden. Diese Ausgestaltung des Trainingsgerätes und die entsprechenden Steuervorgaben sind insbesondere für die Anwendung unter fachkundiger Aufsicht vorgesehen, damit die Einhaltung der korrekten Atmungsdaten gewährleistet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Gesamteinsicht des erfindungsgemässen Trainingsgerätes für die Atmungsfunktion und des zugehörigen Steuergerätes,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Atemluftkanal im Trainingsgerät mit dem Kolbenventil, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Ventilkörpers des Kolbenventils, Fig. 4 einen Querschnitt durch den Atemluftkanal des Trainingsgerätes,
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine schematisch dargestellte Ventilanordnung mit Federn als krafterzeugende Mittel, und Fig. 6 einen Querschnitt durch eine schematische Darstellung eines Atemluftkanales mit zwei Kolbenventilen.
In der Darstellung gemäss Fig. 1 ist das gesamte Trainingsgerät für die At- mungsfunktion dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus einem Mantelgehäuse 1 , einem in dieses Mantelgehäuse 1 eingesetzten Atemluftkanal 2, einem Mundstück 3, welches über ein Anschlussrohr 8 mit dem Atemluftkanal verbunden ist und einem Luftbeutel 5. Über ein Kabel bzw. eine Datenleitung 13 ist das Trainingsgerät mit einem Steuergerät 14 verbunden. Im dargestellten Beispiel enthält das Steuergerät 14 einen Prozessor und Datenspeicher, welche aber auch Teil eines mit dem Steuergerät verbundenen, tragbaren oder stationären Computers sein können. Das Mantelgehäuse 1 weist einen Handgriff 7 auf, mit welchem das Trainingsgerät in der erforderlichen und gewünschten Weise manuell gehalten werden kann. Bei Benutzung des Trainingsgerätes wird das Mundstück 3 von ei- ner Person, welche das Gerät zu trainings oder therapeutischen Zwecken verwendet, in den Mund genommen und nach Verschliessen des Atemweges über die Nase erfolgt die Atmung vollständig über das Trainingsgerät. Dabei strömt die Atemluft über das Anschlussrohr 8 in den Atemluftkanal 2. Dieser Atemluftkanal 2 ist Y-förmig in zwei Kanäle verzweigt, wobei ein Abzweigrohr 9 zum Luftbeutel 5 führt und der eigentliche Atemluftkanal 2 zu einer Ein- und Austrittsöffnung 4 für Atmungs- bzw. Frischluft. Im Atemluftkanal 2 ist eine Ventilanordnung 6 angeordnet, welche in den Fig. 2 bis 4 näher beschrieben ist. Der Luftbeutel 5 ist über ein Anschlusselement 12 lösbar, mit dem Abzweigrohr 9 verbunden und es stehen Luftbeutel 5 mit unterschiedlichen Volumina zur Verfügung, welche in Abhängig- keit der Lungenvitalkapazität der trainierenden Person eingesetzt werden. Bei einem Atemzyklus, welcher beispielsweise mit einem Ausatmungsvorgang beginnt, verschliesst die Ventilanordnung 6 vorerst die Ein- und Austrittsöffnung 4, so dass zuerst der flexible Luftbeutel 5 mit ausgeatmeter Luft gefüllt wird. Sobald der Luftbeutel 5 voll ist, entsteht im Atemluftkanal 2 ein Überdruck und die Venti- lanordnung 6 öffnet den Durchfluss von Atemluft zur Ein-/Austrittsöffnung 4. Der verbleibende Teil von ausgeatmeter Luft strömt nun über diese Austrittsöffnung 4 in die Umgebungsluft ab. Beim anschliessenden Einatmungsvorgang ist die Ven- 1
tilanordnung 6 vorerst wieder geschlossen und es wird deshalb zuerst die im Luftbeutel 5 enthaltene Atemluft erneut eingeatmet. Sobald der Luftbeutel 5 leer ist, entsteht im Anschlussrohr 8 und in einem Teil des Atemluftkanales 2 ein Unterdruck, welcher die Ventilanordnung 6 öffnet. Für den verbleibenden Einatmungs- zyklus wird nun über die Eintrittsöffnung 4 Frischluft eingeatmet. In der Folge wiederholen sich nun diese Vorgänge zyklisch für jeden Atmungszyklus. Diese Vorgänge und die daraus resultierenden trainings bzw. therapeutischen Effekte sind detailliert in der als Stand der Technik benannten internationalen Patentanmeldung WO 9917842 und in der Publikation Vierteljahresschrift der naturforschen- den Gesellschaft in Zürich (1997) 142/4, Seiten 153 - 159 beschrieben. Um die gewünschten trainings bzw. therapeutischen Vorgänge korrekt durchzuführen, werden über das Steuergerät 14 und dessen Eingabeeinheit 15 die Atmungsfrequenz pro Minute vorgegeben. Die von der trainierenden Person effektiv durchgeführten Atmungsvorgänge werden im dargestellten Beispiel an einem Anzeige- element 17 angezeigt und an einem zweiten Anzeigeelement 16, welches als Display ausgebildet ist, werden Sprachausgaben angezeigt, beispielsweise Korrektur- oder Fehlerhinweise. Bei Atmungsvorgängen der trainierenden Person, welche von den Vorgaben über eine zulässige Abweichung hinaus abweichen, zeigt das Steuergerät 14 bzw. deren Anzeigeelemente 16, 17 Alarmsignale an. Um den korrekten Betrieb des Trainingsgerätes zu gewährleisten, muss als erstes die Vital kapazität der Lunge der zu trainierenden oder therapeutisch zu behandelnden Person in bekannter Weise ermittelt werden. Anschliessend kann das Volumen des einzusetzenden Luftbeutels 5 und die Atmungsfrequenz, mit welcher die Person atmen soll, rechnerisch oder mit Hilfe von Tabellen ermittelt wer- den. Dabei ist der jeweilige Trainingszustand und der gewünschte Trainingsablauf zu berücksichtigen. Für normale Trainingsvorgänge werden Beutel 5 mit Volumen von 0,5 1 bis 3,5 I, in 0,5 I Stufen zur Verfügung gestellt. Für eine gut trainierte männliche Person ergeben sich dann beispielsweise die folgenden Daten. Die Vitalkapazität wird mit 5 1 ermittelt und daraus ergibt sich das Volumen des Luft- beuteis 5 mit 50% der Vitalkapazität als 2,5 I. Das Atemminutenvolumen ist von Grosse und Gewicht abhängig und beträgt beispielsweise 150 I. Die errechnete Atemfrequenz liegt dann zwischen 20 bis 24 Zyklen/min. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den oberen Bereich des Mantelgehäuses 1 und den darin eingesetzten Atemluftkanal 2 mit der Ventilanordnung 6. Gemäss der Erfindung handelt es sich bei der Ventilanordnung um ein Kolbenventil 6, wel- ches gegenüber den bekannten Ventilen erhebliche Vorteile aufweist. Der Atemluftkanal 2 ist lösbar in das Mantelgehäuse 1 eingefügt und ist mittels des Anschlusselementes 10 und des Abschlusselementes 11 im Mantelgehäuse 1 lösbar befestigt. Das Anschlusselement 10 ist auf derjenigen Seite angeordnet, an welcher sich das Anschlussrohr 8 für das Mundstück 3 befindet. Am Atemluftkanal 2 ist ein Aussengewinde 18 angeordnet und das Anschlusselement 10 weist ein Innengewinde 44 auf. Über einen Dichtring 19, welcher gleichzeitig eine Halteschulter bildet, ist das Anschlussrohr 8 mittels des Anschlusselementes 10 mit dem Atemluftkanal 2 verbunden. Der Atemluftkanal 2 ist Y-förmig ausgebildet und weist einen Luftdurchlassraum 26 und einen davon abzweigenden Strömungska- nal 30 auf. Der Strömungskanal 30 führt dabei wie bereits beschrieben zum Luftbeutel 5, welcher über das Anschlusselement 12 mit dem Abzweigrohr 9 des Atemluftkanales 2 verbunden ist. In dem vom Anschlussrohr 8 abgewendeten Teil des Atemluftkanales 2 ist nach der Abzweigung des Strömungskanales 30 das Kolbenventil 6 angeordnet. Dieses Kolbenventil 6 besteht aus einem Gehäuseteil 22, welches einen integralen Bestandteil des Atemluftkanales 2 bildet. Am Mantel des Luftdurchlassraumes 26 ist im Bereich des Gehäuseteiles 22 eine Dichtfläche 27 angeordnet, welche sich in Richtung der Strömungsachse 28 nur über einen Teilbereich erstreckt, im dargestellten Beispiel beispielsweise über 9 mm, wobei der Durchmesser des Luftdurchlassraumes 26 im Bereich der Dichtposition ca. 23 mm beträgt. Vor und nach dieser Dichtfläche 27 weist der Luftdurchlassraum 26 einen grösseren Querschnitt auf als im Dichtbereich. Im Bereich des Gehäuseteiles 22 ist in den Luftdurchlassraum 26 ein Ventilkörper 23 eingesetzt. Dieser Ventilkörper weist einen Kolben 24 und ein Führungsteil 25 sowie 46 auf. Der Ventilkörper 23 ist über den Kolben 24 und das Führungsteil 25 im Luftdurchlass- räum 26 des Atemluftkanales 2 gleitend geführt und in Richtung der Pfeile 31 frei beweglich. Die Bewegung des Ventilkörpers in Richtung der Pfeile 31 bzw. in Richtung der Strömungsachse 28 im Luftdurchlassraum 26 wird durch Endan- schlage 42, 43 begrenzt, welche in Fig. 4 dargestellt sind. Der Ein- und Ausbau des Ventilkörpers 23 erfolgt von derjenigen Seite des Atemluftkanales 2, an welcher die Ein-/Austrittsöffnung 4 angeordnet ist. Dazu ist am Atemluftkanal 2 an diesem Endbereich ein Aussengewinde 20 angeordnet, welches mit einem Innen- gewinde 45 am Abschlusselement 11 zusammenwirkt. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel fällt die Strömungsachse 28 des Luftdurchlassraumes 26 im Bereich des Kolbenventils 6 mit der Längsachse 36 des Atemluftkanales 2 zusammen. Durch Entfernen des Anschlusselementes 10 und des Abschlusselementes 11 sowie des Anschlusselementes 12 lassen sich die verschiedenen Bauteile des Trainingsgerätes in einfacher Weise voneinander trennen. Der Atemluftkanal 2 ist einfach geformt und weist keine komplizierten Formelemente auf, welche schlecht oder nicht gereinigt werden können. Auch der Ventilkörper 23 ist so geformt, dass er optimal gereinigt werden kann. Dies trifft auch auf die anderen Bauteile zu, welche mit Atemluft in Kontakt kommen, nämlich das Mundstück 3, das Anschlussrohr 8 und beispielsweise das Abschlusselement 11. Alle diese Bauteile können aus einem Material hergestellt werden, welches bei Bedarf sterilisierbar ist. Der Ein- und Ausbau des Ventilkörpers 23 kann in einfachsterweise erfolgen, da er keine direkte mechanische Verbindung zum Gehäuseteil 22 bzw. Atemluft- kanal 2 aufweist. Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung der Reinigung und Handhabung des Gerätes. Die erfindungsgemässe Anordnung ermöglicht es auch jeder Person, welche das Trainingsgerät benutzt, diejenige Teile, welche mit Atemluft kontaminiert werden, speziell, d.h. personenbezogen, zuzuordnen.
Das Mantelgehäuse 1 und das Steuergerät 14 kann von verschiedenen, d.h. meh- reren Personen benutzt werden, da es nicht mit Atemluft in Kontakt kommt. Im Normalfalle genügt eine oberflächliche Reinigung. Diese erfindungsgemässe Ausgestaltung ermöglicht einen kostengünstigen Einsatz derartiger Atmungstrainingsgeräte insbesondere im therapeutischen Gebrauch, wo nacheinander mehrere unterschiedliche Personen behandelt werden. Für einen neuen Einsatz des Atmungstrainingsgerätes können in einfacher Weise alle mit Atemluft in Kontakt tretenden Teile ausgetauscht werden und das Gerät steht sofort wieder zur Verfügung. Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemässen Ventilkörper 23, welcher Bestandteil des Kolbenventiles 6 ist. An den Kolben 24 schliesst sich einerseits das Führungsteil 25 an und auf der gegenüberliegenden Seite das Führungsteil 46. Die beiden Führungsteile 25 und 46 bestehen im Wesentlichen aus 4 symmetrisch angeordneten Rippen, zwischen welchen sich Strömungskanäle 47, 48 für die Luft befinden. Im Endbereich 41 des Führungsteiles 25, welcher vom Kolben 24 abgewendet ist, weist das Führungsteil 25 einen grösseren Durchmesser auf als der Kolben 24. Zwischen dem Kolben 24 und dem Endbereich 41 ist der Durchmesser der Rippen des Führungsteiles 25 reduziert und es sind Anschlagflächen 49 ausgebildet. Auch der Durchmesser der Rippen des Führungsteiles 46 ist gegenüber dem Kolben 24 reduziert.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Atemluftkanal 2 entlang der Achse 36 gemäss Fig. 2. In dieser Darstellung sind die krafterzeugenden Mittel 29 gezeigt, welche den Ventilkörper 23 in der dichtenden Position halten bzw. die Öffnungskräfte für das Kolbenventil 6 bestimmen und im Bereich des Gehäuseteiles 22 angeordnet wird. Im dargestellten Beispiel bestehen die krafterzeugenden Mittel 29 aus magnetischen Elementen, wobei der Ventilkörper 23 ein Bauteil 32 aus einem magnetischen Werkstoff enthält und im Bereich des Gehäuseteiles 22 des Ventiles 6 Mittel mit zwei Bauteilen 34 aus einem magnetischen Werkstoff angeordnet sind. In der dichtenden Position des Ventilkörpers 23 sind diese magnetischen Elemente 32, 34 in einer gemeinsamen Radialebene 35 zur Strömungsachse 28 des Luftdurchlassraumes 26 positioniert. Bei den beiden Bauteilen 34 handelt es sich um Dauermagnete, d.h. um magnetische Elemente aus einem magnetisch harten Werkstoff. Auch das magnetische Bauteil 32 im Ventilkörper 23 ist durch einen Dauermagneten gebildet bzw. besteht aus einem magnetisch harten Werkstoff. Die Achsen der magnetischen Elemente 32 und 34 verlaufen etwa parallel zur Strömungsachse 28 und die Polanordnungen sind gleich ausge- richtet. Die beiden magnetischen Bauteile 34 sind im Mantelgehäuse 1 symmetrisch zur Strömungsachse 28 angeordnet und stossen an das Gehäuseteil 22 des Kolbenventils 6 an. Durch das von den beiden magnetischen Elementen 34 erzeugte Magnetfeld wird das magnetische Bauteil 32 im Kolben 24 bzw. Ventilkörper 23 etwa in der Ebene 35 positioniert und damit der Ventilkörper 23 in der dichtenden Position gehalten. Die wirkenden Magnetkräfte werden in bekannter Weise so bestimmt, dass der Ventilkörper 23 erst bei einem gewünschten Unter- bzw. Überdruck in Richtung der Pfeile 31 aus der dichtenden Position ausgelenkt wird. Es ist aber auch möglich, im Mantelgehäuse 1 bzw. im Bereich des Gehäuseteiles 22 des Kolbenventils 6 anstelle der Dauermagnete 34, Elektromagnete 33 einzusetzen, welche durch elektrische Ströme aktiviert werden. Die entsprechende Stromzufuhr und Steuersignalzufuhr erfolgt vom Steuergerät 14 über das Kabel 13 und weitere nicht dargestellte Verbindungsleitungen im Mantelgehäuse 1. Diese Anordnung ermöglicht es, die Öffnungskräfte für das öffnen des Ventils zu verändern, wie es bei einem Krafttraining zweckmässig sein kann. Im Weiteren ergibt sich aber auch der Vorteil, dass die Ventilöffnungszeiten vom Steuergerät aus beeinflusst und gesteuert werden können. Dies kann bei professioneller An- wendung des Gerätes wünschbar sein. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit besteht auch darin, dass im Ventilkörper 23 das magnetische Element aus einem Dauermagneten 32 gebildet ist und im Gehäuseteil 1 die magnetischen Elemente aus einem magnetisch weichen Werkstoff, z.B. Eisen, gebildet werden, wobei zweckmässigerweise ein ringförmiges Element Verwendung findet. Die gleiche Anordnung ist auch umgekehrt möglich, indem das magnetische Bauteil 32 im Ventilkörper 23 aus magnetisch weichem Werkstoff, z.B. Eisen, besteht und die beiden magnetischen Bauteile 34 im Bereich des Ventilgehäuses 22 aus einem magnetisch harten Werkstoff, d.h. aus einem Dauermagneten bestehen. Alle diese Anordnungen erfüllen die gewünschten erfindungsgemässen Funktionen. Beidseits der Dichtungsposition zwischen dem Kolben 24 und der Dichtfläche 27 am Gehäuseteil 22 sind mit Abstand zur Dichtebene 35 im Mantelgehäuse 1 zwei Sensoren 37, 38 angeordnet. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um Hall- Sensoren, mittels welcher Veränderungen des Magnetfeldes, welche bei Verschiebungen des Ventilkörpers 23 bzw. dessen magnetischen Bauteiles 32 ent- stehen, festgestellt werden können. Die gleichen Funktionen könnten auch von Reed-Sensoren, optischen Sensoren oder Druck-Sensoren erfasst werden. Mittels dieser Sensoren 37 oder 38 wird festgestellt, ob sich der Ventilkörper 23 in der Öffnungsposition für das Einatmen von Frischluft oder in der Öffnungsposition für das Ausstossen von Atemluft durch die Öffnung 4 befindet. Die Öffnungsposition für das Einströmen von Frischluft durch die Öffnung 4 wird durch einen Anschlag 42 am Ende der Dichtfläche 27 und einen Anschlag 49 an den Rippen des Führungsteiles 25 bestimmt. Über den Sensor 37 wird diese Öffnungsposition und die Zeitdauer der Öffnung erfasst. Die Öffnungsposition des Ventilkörpers 23 für das Ausströmen von verbrauchter Luft durch die Öffnung 4 ist durch den Endbereich 41 am Führungsteil 25 und die innere Fläche am Abschlusselement 11 , welche einen Endanschlag 43 bildet, bestimmt. Dieser Öffnungsposition ist der Sen- sor 38 zugeordnet, welcher den Öffnungszustand und die Zeitdauer der Öffnung feststellt. Bei diesen Bewegungen in Richtung der Pfeile 31 von der Dichtungsposition in die jeweilige Öffnungsposition gleitet der Ventilkörper 23 im Luftdurchlassraum 26, wobei diese Gleitbewegung nur sehr wenig Reibungsverluste erzeugt. Die erfindungsgemässe Anordnung hat den Vorteil, dass die notwendigen Kräfte, um den Ventilkörper 23 aus der Dichtungsposition in die Öffnungsposition auszulenken, nicht progressiv zunehmend sind je weiter der Körper ausgelenkt ist, sondern diese Kraft entweder konstant bleibt oder abnimmt. Der daraus resultierende Vorteil besteht darin, dass der Ventilkörper 23 bei Überschreiten der Haltekraft in der Dichtungsposition sofort vollständig in die Öffnungsposition aus- gelenkt wird und damit der vollständige Durchströmquerschnitt für die Luft freigegeben ist. Damit sind die Durchströmmengen von Luft in genügend genauer Weise durch die Öffnungszeiten des Kolbenventils 6 bestimmt und es sind keine zusätzlichen Sensoren zur Ermittlung des CO2-Gehaltes der Luft notwendig.
Fig. 5 zeigt im Wesentlichen den Atemluftkanal 2 und das Kolbenventil 6 in sche- matischer Darstellung. Dabei sind das Mantelgehäuse 1 und die übrigen Anbau- teile nicht dargestellt. Auch hier ist das Gehäuseteil 22 des Kolbenventils 6 integraler Bestandteil des Atemluftkanales 2. Das Gehäuseteil 22 weist die Dichtfläche 27 auf und am Ventilkörper 23 ist entsprechend der Kolben 24 angeordnet. Die Ausgestaltung des Ventilkörpers 23 und der Dichtfläche 27 entspricht dabei den Ausführungsformen gemäss Fig. 3 und 2. Die krafterzeugenden Mittel 29 sind bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch nicht durch magnetische Elemente, son- dem durch die beiden Spiralfedern 39 und 40 gebildet. Die Kräfte dieser beiden Spiralfedern 39 und 40 halten den Ventilkörper 23 in der Dichtposition und lassen eine Auslenkung in Richtung der beiden Pfeile 31 zu. Damit ergibt sich die gleiche Funktionsweise wie zu den Fig. 1 bis 4 beschrieben. Diese Ausführungsform kann in bestimmten Fällen eingesetzt werden, wo ein möglichst kostengünstiges Gerät gewünscht wird und auch eine progressive Zunahme der Öffnungskräfte am Ventilkörper 23 geduldet werden kann, d.h. ein Gerät mit einer geringeren Arbeitsgenauigkeit zulässig ist. Die Vorteile des erfindungsgemässen Kolbenventils bleiben trotzdem erhalten.
Das erfindungsgemässe Trainingsgerät kann auch mit zwei Kolbenventilen 6' und 6" ausgestattet werden wie dies in Fig. 6 ebenfalls in schematischer Weise dargestellt ist. Ein Atemluftkanal 2' weist dabei zwei seitlich abzweigende Rohrstücke 50, 51 auf, welche je an ihrem äusseren Ende eine Einströmöffnung 52 bzw. eine Ausströmöffnung 53 aufweisen. Der Atemluftkanal 2 weist ebenfalls ein Abzweigrohr 9 auf, welches zum Luftbeutel 5 führt. In den beiden Rohrstücken 50, 51 ist je ein Ventilkörper 23 angeordnet, dessen Ausführungsform dem Ventilkörper gemäss Fig. 3 entspricht. Die beiden Ventilkörper 23 weisen einen Kolben 24 auf, in welchem ein magnetisches Bauteil in der Form eines Dauermagneten 32 einge- baut ist. Am Innenmantel der Rohrstücke 50, 51 ist die notwendige Dichtfläche 27' angeordnet, welche mit dem Kolben 24 zusammenwirkt. Im Bereich dieser Dichtfläche 27' sind in den Rohrstücken 50 und 51 je zwei sich diametral gegenüberliegende magnetische Bauteile in der Form von Dauermagneten 34 eingebaut. Die beiden Ventilkörper 23 sind bei dieser Ausgestaltung von der Dichtungspositi- on nur in einer Richtung in eine Öffnungsposition auslenkbar.
Dabei hat das Ventil 6" im Rohrstück 50 die Funktion, das Ansaugen von Frischluft über die Öffnung 52 zu ermöglichen. Die Öffnungsposition des Ventilkörpers 23 wird dabei über den Sensor 37 festgestellt und auch die Öffnungszeit ermittelt. Das Ventil 6' im Rohrstück 51 hat demgegenüber nur die Funktion, das Ausströmen von verbrauchter Luft über die Öffnung 53 zu ermöglichen und zwar wenn der Luftbeutel 5 gefüllt ist. Auch hier wird die Öffnungsposition und die Öffnungs- zeit des Ventilkörpers 23 über den Sensor 38 ermittelt. Diese Anordnung mit zwei Kolbenventilen 6' und 6" ermöglicht es, für den Öffnungszeitpunkt für das Ansaugen von Frischluft oder für den Öffnungszeitpunkt für das Abströmen von Atemluft in die Umgebung unterschiedliche Öffnungskräfte festzulegen. Dies kann für be- stimmte Trainings- und/oder Therapieprogramme zweckmässig und von Interesse sein.
Beim erfindungsgemässen Verfahren zur Überwachung der Frischluftzufuhr am Atmungstrainingsgerät finden teilweise Basisdaten Verwendung, welche in Ver- suchsreihen an Testpersonen ermittelt wurden. So sind insbesondere die Vitalkapazität personenabhängig und der Atemgrenzwert ist personen- und geschlechtsabhängig. Für die rechnerische Ermittlung der Atemfrequenz einer bestimmten Person ist folgendes Vorgehen notwendig. Zuerst wird in bekannter Weise die Vitalkapazität (Vc) gemessen. Das Volumen des Luftbeutels 5 wird so festgelegt, dass es 50% der Vitalkapazität beträgt. Zusätzlich wird der Atemgrenzwert (MW) ermittelt und zwar nach folgender Funktion:
Männer: MW = (1.193xGrösse) - (0.816xAlter) - 37.949 Frauen: MW = (0.842xGrösse) - (0.685xAlter) - 4.868 Dabei ist die Grosse in cm und das Alter in Jahren einzusetzen.
Für das Ausdauertraining wird ein Atemminutenvolumen (AMV) empfohlen, welches 60% des Atemgrenzwertes (MW) beträgt.
Die Ermittlung der Atemfrequenz (1/min) erfolgt nach der Funktion Atemfrequenz = AMV / 1.δxBeutelvolumen
Wird im Bereich dieser Werte trainiert, so ist sichergestellt, dass die trainierende Person nicht zuviel CO2 (hypokopnisch) oder zuwenig CO2 (hyperkopnisch) in der Atemluft aufweist. Abhängig von der Festlegung der Grenzwerte für den CO2- Gehalt in der Atmungsluft sind in den Formeln angepasste Konstanten einzusetzen. Diese Funktionen und Tabellenwerte gelten für gesunde Durchschnittsper- sonen. Für untrainierte Personen, andere Personengruppen oder beispielsweise kranke Personen sind individuelle Abklärungen und Anpassungen notwendig.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Trainingsgerät für die Atmungsfunktion, mit einem Mundstück (3), einem an das Mundstück (3) anschliessenden Atemluftkanal (2) mit einer Ein/- Austrittsöffnung (4) für Luft, einem mit dem Atemluftkanal (2) verbundenen flexiblen Luftbeutel (5) und einer Ventilanordnung (6) für die Regelung der Austrittsmenge von verbrauchter Luft aus dem Atemluftkanal (2) und der Eintrittsmenge von frischer Luft in den Atemluftkanal (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung mindestens ein Kolbenventil (6) um- fasst, wobei dieses Kolbenventil (6) ein Gehäuseteil (22) mit einem Luftdurchlassraum (26) und einer am Mantel dieses Luftdurchlassraumes (26) angeordneten Dichtfläche (27) aufweist, im Luftdurchlassraum (26) des Gehäuseteiles (22) ein Ventilkörper (23) angeordnet ist und dieser Ventilkörper (23) im Luftdurchlassraum (26) gleitend geführt und in Richtung der Strömungsachse (28) der Luft im Luftdurchlassraum (26) von einer dichtenden Position frei in eine Position verschiebbar ist, in welcher mindestens ein Teilquerschnitt des Luftdurchlassraumes (26) offen ist, dieser Ventilkörper (23) einen Kolben (24) mit einem äusseren Dichtbereich und ein Führungsteil (25) für die Gleitführung im Luftdurchlassraum (26) aufweist, wo- bei der Dichtbereich des Kolbens (24) in der Dichtungsposition des Ventilkörpers (23) mit der Dichtfläche (27) am Mantel des Luftdurchlassraumes (26) zusammenwirkt und den Querschnitt des Luftdurchlassraumes (26) verschliesst und krafterzeugende Mittel (29) zur Positionierung des Ventilkörpers (23) in dieser Dichtungsposition vorhanden sind.
2. Trainingsgerät nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die krafterzeugenden Mittel (29) magnetische Elemente sind, der Ventilkörper (23) mindestens ein Bauteil (32) aus einem magnetischen Werkstoff enthält und im Bereiche des Gehäuseteiles (22) des Ventils (6) mindestens ein Bauteil (33) zur Erzeugung eines Magnetfeldes oder mindestens ein Bauteil (34) aus einem magnetischen Werkstoff angeordnet ist, wobei diese Teile
(32, 33/34) in der dichtenden Position des Ventilkörpers (23) etwa in einer gemeinsamen Radialebene (35) zur Strömungsachse (28) des Luftdurchlassraumes (26) liegen.
3. Trainingsgerät nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Gehäuseteil (22) des Kol- benventils (6) ein Dauermagnet (34) oder ein Elekromagnet (33) ist.
4. Trainingsgerät nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (32) aus magnetischem Werkstoff im Ventilkörper (23) aus einem magnetisch harten Werkstoff z.B. einen Dauermagneten besteht und im Gehäuseteil (22) des Kolbenventils (6) ein ringförmiges Bauteil (34) aus ei- nem magnetisch weichen Werkstoff z.B. Eisen angeordnet ist.
5. Trainingsgerät nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (32) aus magnetischem Werkstoff im Ventilkörper (23) aus einem magnetisch weichen Werkstoff z.B. Eisen besteht und das Bauteil (34) aus magnetischem Werkstoff im Gehäuseteil (22) des Kolbenventils (6) aus ei- nem magnetisch harten Werkstoff z.B. einem Dauermagneten besteht.
6. Trainingsgerät nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (32) aus magnetischem Werkstoff im Ventilkörper (23) und das Bauteil (34) aus magnetischem Werkstoff im Gehäuseteil (22) des Kolbenventils (6) aus einem magnetisch harten Werkstoff z.B. einen Dauerma- gneten bestehen.
7. Trainingsgerät nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseteil (22) des Ventils (6) mindestens zwei Bauteile (34) aus magnetisch hartem Werkstoff, insbesondere Dauermagnete eingebaut und diese Bauteile (34) symmetrisch um die Längsachse des Luftdurchlassraumes (26) angeordnet sind.
8. Trainingsgerät nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (22) des Kolbenventils (6) einstückig in den Atemluftkanal (2) integriert ist, die Strömungsachse (28) des Luftdurchlassraumes (26) etwa in Richtung der Längsachse (36) des Atemluftkanales (2) verläuft und dieser Atemluftkanal (2) lösbar in einem Mantelgehäuse (1 ) gehalten ist.
9. Trainingsgerät nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Atemluftkanal (2) mit dem Gehäuseteil (22) des Kolbenventiles (6) sowie der Ventilkörper (23) aus einem Material bestehen, welches beständig gegen Sterilisationsvorgänge ist.
10. Trainingsgerät nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (34) aus magnetischem Werkstoff oder die Bauteile (33) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welche dem Gehäuseteil
(22) des Kolbenventils (6) zugeordnet sind sowie Sensoren (37, 38), zur Ermittlung der Position des Ventilkörpers (23), in einem Mantelgehäuse (1) angeordnet sind und der Atemluftkanal (2) und das Gehäuseteil (22) für das Kolbenventil (6) mit dem Ventilkörper (23) lösbar in dieses Mantelgehäuse (1 ) eingesetzt und darin befestigt sind.
11. Trainingsgerät nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die krafterzeugenden Mittel (33, 34) im Bereich des Gehäuseteiles (22) des Ventiles (6) auswechselbar und Mittel (33, 34) mit unterschiedlicher Krafterzeugung einsetzbar sind.
12. Trainingsgerät nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die krafterzeugenden Mittel (29) federnde Elemente (39, 40) sind und mindestens ein derartiges federndes Element (40) einerseits mit einem Endbe- reich (41) des Ventilkörpers (23) und anderseits mit dem Gehäuseteil (22) des Kolbenventils (6) verbunden ist.
13. Trainingsgerät nach Patentanspruch 2 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung zwei parallel wirkende Kolbenventile (6', 6") aufweist, wobei ein erstes der Kolbenventile (6') der Steuerung der Austrittsmenge von verbrauchter Luft aus dem Atemluftkanal (2') und ein zweites der Kolbenventile (6") der Steuerung der Eintrittsmenge von frischer Luft in den Atemluftkanal (2') dient.
14. Trainingsgerät nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebeweg des Ventilkörpers (23) im Luft- durchlassraum (26) durch zwei Endanschläge (42, 43) begrenzt ist, wobei diese Endanschläge (42, 43) in Richtung der Strömungsachse (28) je einen vorgegebenen Abstand zur Dichtposition des Ventilkörpers (23) im Gehäuseteil (22) aufweisen und ein erster Anschlag (43) die Öffnungsposition des Kolbenventils (6) für den Austritt von verbrauchter Luft aus dem Atemluft- kanal (2) und der zweite andere Anschlag (41 ) die Öffnungsposition des
Kolbenventils (6) für den Eintritt von frischer Luft in den Atemluftkanal (2) bestimmt.
15. Trainingsgerät nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 oder 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseteil (22) des Kolbenventils (6) und im Verschiebebereich des Kolbens (24) des Ventilkörpers (22) mindestens ein Sensor (37, 38) zur Ermittlung der Position des Ventilkörpers (22) im Luftdurchlassraum (26) angeordnet ist.
16. Trainingsgerät nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseteil (22) , beidseits der Dichtungsposition des Ventilkörpers (22), je ein Hall-Sensor (37, 38) eingebaut ist, wobei diese beiden Hall-Sensoren
(37, 38) infolge von Veränderungen des Magnetfeldes durch Bewegungen des Ventilkörpers (23) in Richtung der Strömungsachse (28) des Luft- durchlasskanales (26) Signale erzeugen.
17. Trainingsgerät nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (37, 38) mit einem Messwertaufnehmer verbunden ist und dieser
Messwertaufnehmer über eine Schnittstelle und eine Datenleitung (13) mit einem Steuergerät (14) verbunden ist.
18. Trainingsgerät nach Patentanspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) eine Eingabeeinheit (15) für Zieldaten des Atemtrainings, einen Mikroprozessor, einen Datenspeicher und mindestens ein Anzeigeelement (16, 17) für Steuer- und Kontrollinformationen aufweist.
19. Trainingsgerät nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Bereich des Gehäuseteiles (22) des Kolbenventiles (6) ein Elektromagnet (33) ist und dieses Elektromagnet (33) über ein Steuergerät (14) ein- und ausschaltbar ist.
20. Verfahren zur Überwachung der Frischluftzufuhr an einem Trainingsgerät für die Atmungsfunktion gemäss Patentanspruch 1 , bei Gebrauch durch eine Person, wobei beim Einatmen zuerst ein Teil des Luftvolumens einem Luftbeutel (5) entnommen wird und anschliessend bei entleertem Beutel (5) ein Teil des Luftvolumens über eine Ventilanordnung (6) aus der Umgebungsluft zugeführt wird und beim Ausatmen zuerst ein Teil des Luftvolu- mens dem Luftbeutel (5) zugeführt und darin gespeichert wird und nach dem Füllen des Beutels ein Teil der ausgeatmeten Luft über die Ventilanordnung (6) an die Umgebungsluft abgegeben wird und vor Aufnahme des Trainings ein personenbezogenes Beutelvolumen bestimmt sowie eine personenbezogene Atemfrequenz errechnet und diese Atemfrequenz über eine Eingabeeinheit (15) in einem Steuergerät (14) einem Prozessor als
Zielwert vorgegeben wird dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor die Zeitdauer für einen Einatmungs- bzw. Ausatmungszyklus ermittelt, die Dauer des geöffneten Zustandes der Ventilanordnung (6) während jedes Einatmungungs- und Ausatmungszyklus gemessen und als Messwert an den Prozessor übermittelt wird, das Verhältnis zwischen errechneter Zyklusdauer des Ein- oder Ausatmungsvorganges und der Öffnungsdauer der Ventilanordnung (6) ermittelt und mit einem personenbezogenen vorgegebenen, gespeicherten Wert verglichen wird und bei Abweichungen des gemessenen vom gespeicherten Wert vom Prozessor über eine Anzeigevor- richtung (16) eine Korrektur- und/oder eine Alarmanzeige erzeugt wird und damit der CO2-Gehalt in der Atemluft etwa konstant gehalten wird.
21. Verfahren nach Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen errechneter Zyklusdauer des Ein- oder Ausatmungs- Vorganges und der Öffnungsdauer der Ventilanordnung (6) auf etwa 2:1 festgelegt wird.
22. Verfahren nach Patentanspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszeiten der Ventilanordnung (6) vorgegeben werden, das Steuergerät (14) entsprechende Steuerimpulse erzeugt und an der Ventilanord- nung (6) steuerbare Mittel (33) als Funktion dieser Steuerimpulse Öffnungsund Schliessvorgänge des Ventils (6) ausführen.
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