工程师设计柔软的植入式呼吸机

新设计与横膈膜配合使用，以改善呼吸。

对于我们许多人来说，呼吸行为是自然而然的。在幕后，我们的横膈膜 - 胸腔下方的圆顶形肌肉 - 就像一个缓慢而稳定的蹦床，向下推以创造一个真空，让肺部膨胀并吸入空气，然后在空气被推出时放松。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，当横膈膜的功能受到损害时，呼吸本能就变成了一项艰巨的任务。慢性横膈膜功能障碍可发生于ALS、肌肉萎缩症和其他神经肌肉疾病患者，以及瘫痪和膈神经损伤的患者，膈神经损伤刺激横膈膜收缩。

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提高横膈膜的生命维持功能，并改善横膈膜功能障碍患者的肺活量。

麻省理工学院的团队开发了一种柔软的、机器人的、可植入的呼吸机，旨在增强横膈膜的自然收缩。该系统的核心是两个柔软的球囊状管，可以植入到横膈膜上。当用外部泵充气时，管子充当人造肌肉，向下推动横膈膜并帮助肺部扩张。电子管可以按一定频率充气，以匹配振膜的自然节律。

研究人员在动物模型中展示了植入式呼吸机，并表明在横膈膜功能受损的情况下，该系统能够显着改善肺部可以吸入的空气量。

在这种植入式系统可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。但初步结果为辅助呼吸技术开辟了一条新的道路，研究人员渴望对其进行优化。

“这是一种新通风方式的概念证明，”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，在那里你有面罩或气管切开术。在植入人类之前还有很长的路要走。但令人兴奋的是，我们可以证明我们可以用可植入的东西来增强通气。

罗氏和她的同事在《自然生物医学工程》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露西·胡，以及马尼莎·辛格和迭戈·克维多·莫雷诺;以及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。

软压

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

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

“我们想，还有什么大肌肉可以周期性地泵送，并且能维持生命?隔膜，“罗氏说。

该团队早在 Covid-19 大流行开始之前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，其中空气通过患者的中央气道向下推并被迫进入肺部。

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。

罗氏的团队希望设计一种负压呼吸机，该系统可以帮助增强横膈膜的自然功能，特别是对于那些长期呼吸功能障碍的人。

“我们真的想到了患有这些退行性疾病的慢性病患者，这些疾病正在逐渐恶化，”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执行器的气动装置。该团队将管子调整为横膈膜(从前到后)并连接到圆顶形肌肉两侧的胸腔。每根管子的一端连接到一个薄的外部空气管路，该空气管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，以类似的频率给管子充气。

“我们意识到我们不必完全模仿隔膜的移动方式 - 我们只需要在它自然收缩时给它额外的向下推动力，”罗氏说。

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

研究小组发现，一般来说，植入式呼吸机增加了猪的潮气量，或者肺部每次呼吸时可以吸入的空气量。在横膈膜和人造肌肉的收缩同步的情况下，最显着的改善是观察到的。在这些情况下，呼吸机帮助隔膜吸入的空气量是没有帮助的三倍。

“我们很高兴看到潮气量可以发生这样的变化，我们能够挽救通风，”罗氏说。

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

“我们的愿景是，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，所以我们知道它是可行的。目前，我们正在学习很多关于生物力学和呼吸工作的知识，以及如何通过这种新方法增强所有这些。