工程师设计出一种柔软的植入式呼吸机

新设计与隔膜配合使用以改善呼吸。

对于我们中的许多人来说，呼吸的动作是自然而然的。在幕后，我们的隔膜——胸腔下方的圆顶状肌肉——像一个缓慢而稳定的蹦床一样工作，向下推动为肺部创造真空以扩张和吸入空气，然后随着空气被推出而放松。通过这种方式，横膈膜自动控制我们的肺活量，是负责我们呼吸能力的主要肌肉。

但是，当隔膜的功能受到损害时，呼吸本能就变成了一项艰巨的任务。慢性膈肌功能障碍可发生在肌萎缩侧索硬化症、肌营养不良症和其他神经肌肉疾病患者，以及瘫痪患者和膈神经受损，刺激膈肌收缩。

麻省理工学院工程师的一项新概念验证设计旨在有朝一日增强隔膜的维持生命功能并提高隔膜功能障碍患者的肺活量。

麻省理工学院团队开发了一种柔软的机器人植入式呼吸机，旨在增强横膈膜的自然收缩。该系统的核心是两个柔软的气球状管，可以植入横隔膜上方。当用外部泵充气时，这些管子充当人造肌肉，向下推动隔膜并帮助肺部扩张。管子可以以与隔膜的自然节律相匹配的频率充气。

研究人员在动物模型中展示了植入式呼吸机，并表明在隔膜功能受损的情况下，该系统能够显着提高肺部吸入的空气量。

在将这种可植入系统用于治疗患有慢性膈肌功能障碍的人类之前，还有很多工作要做。但初步结果为研究人员渴望优化的辅助呼吸技术开辟了一条新途径。

“这是一种新通气方式的概念证明，”麻省理工学院机械工程副教授兼医学工程与科学研究所成员 Ellen Roche 说。“这种设计的生物力学更接近正常呼吸，而不是将空气推入肺部的呼吸机，而呼吸机需要面罩或气管切开术。将其植入人体还有很长的路要走。但令人兴奋的是，我们可以证明我们可以通过可植入的东西来增强通气。”

罗氏和她的同事们 在 《自然生物医学工程》杂志上发表了他们的研究结果。她在麻省理工学院的合著者包括第一作者和前研究生 Lucy Hu，以及 Manisha Singh 和 Diego Quevedo Moreno;与瑞士洛桑大学医院的 Jean Bonnemain 以及波士顿儿童医院的 Mossab Saeed 和 Nikolay Vasilyev 一起。

柔软的压力

该团队的植入式呼吸机设计源于罗氏之前在心脏辅助设备方面的工作。作为哈佛大学的研究生，罗氏开发了一种心脏套管，旨在包裹心脏以减轻压力并在器官泵时提供支持。

现在在麻省理工学院，她和她的研究小组发现类似的软机器人辅助可以应用于其他组织和肌肉。

“我们想，另一块循环泵血并维持生命的大肌肉是什么?隔膜，”罗氏说。

早在 Covid-19 大流行开始之前，该团队就开始探索植入式呼吸机的设计，当时传统呼吸机的使用随着病例的增加而激增。这些呼吸机产生正压，其中空气被向下推通过患者的中央气道并被迫进入肺部。

相比之下，隔膜会产生负压。当肌肉收缩并向下推动时，它会产生负压，将空气吸入肺部，类似于拉动自行车打气筒的手柄来吸入空气。

罗氏团队希望设计一种负压呼吸机——一种可以帮助增强横膈膜自然功能的系统，特别是对于那些长期存在呼吸功能障碍的人。

“我们真正想到的是患有这些退行性疾病的慢性病患者，这些退化性疾病正在逐渐恶化，”她说。

“呼吸的工作”

论文中报道的新系统由两个长而柔软的充气管组成，它们采用一种称为 McKibben 致动器的气动装置。该团队调整了管子使其横跨隔膜(从前到后)并连接到圆顶状肌肉两侧的胸腔。每根管子的一端连接到一根细长的外部空气管路，该空气管路连接到一个小型泵和控制系统。

通过分析隔膜的收缩，该团队可以对泵进行编程，以类似的频率为管子充气。

“我们意识到我们不必完全模仿隔膜的运动方式——我们只需要在它自然收缩时给它一个额外的向下推力，”Roche 说。

研究人员在麻醉的猪身上测试了该系统，将管子植入动物的隔膜上，并通过手术将管子的末端连接到肌肉两端的肋骨上。他们监测了动物的氧气水平，并使用超声成像观察了它们的隔膜功能。

研究小组发现，一般来说，植入式呼吸机增加了猪的潮气量，即肺部每次呼吸吸入的空气量。在隔膜和人造肌肉同步收缩的情况下，可以看到最显着的改善。在这些情况下，呼吸机帮助隔膜吸入比没有辅助时多三倍的空气量。

“我们很高兴看到潮气量可以发生这样的变化，并且我们能够挽救通气，”罗氏说。

该团队正在努力优化系统的各个方面，目标是有朝一日将其应用于慢性膈肌功能障碍患者。

“愿景是，我们知道这个系统的某些部分可以小型化，”罗氏说。“泵和控制系统可以戴在腰带或背包上，甚至可以完全植入。有植入式心脏泵，所以我们知道这是可行的。目前，我们正在学习很多关于生物力学和呼吸作用的知识，以及我们如何通过这种新方法来增强这一切。”

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