概念验证设计有两个柔软的气球状管子,被植入横膈膜上。这些管子就像人工肌肉一样,在用外部泵充气后,向下推隔膜,帮助肺扩张。外部泵的充气频率可以与隔膜的自然节奏相匹配。
对很多人来说,呼吸是自然而然的。然而,患有肌萎缩侧索硬化症、肌肉萎缩症和其他神经肌肉疾病的人,以及瘫痪和膈神经损伤(膈神经刺激膈肌收缩)的患者,膈肌的功能可能会受损。
机械工程副教授、麻省理工学院医学工程与科学研究所成员艾伦·罗奇在一份报告中说:“这是一种新通风方式的概念证明。新闻发布会上.“这种设计的生物力学更接近正常的呼吸,而不是将空气推入肺部的呼吸机,你需要戴口罩或做气管切开术。在将其植入人体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植入的东西来增强通风。”
这种植入物的设计源自罗氏之前对心脏辅助设备的研究。她之前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持。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循环抽血并维持生命?隔膜,”罗奇说。植入式呼吸机是如何开发出来的
传统的呼吸机产生正压,空气通过患者的中央气道向下推,被迫进入肺部。然而,隔膜会产生负压,将空气吸入肺部。
麻省理工学院的设计是一种负压呼吸机,可以增强隔膜的自然功能,特别是那些长期呼吸功能障碍的人。
植入式呼吸机上的两个充气管采用了一种被称为麦吉本驱动器的气动装置。这些管从前到后横膈膜,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个薄薄的外部空气管道,该管道连接到一个小型泵和控制系统。
该泵可以被编程,以隔膜收缩的相似频率充气管道。
罗奇说:“我们意识到,我们不需要完全模仿横隔膜的运动方式——我们只需要在它自然收缩时给它一个额外的向下的推力。”
到目前为止,研究人员已经在麻醉猪身上测试了该系统,并将管子植入动物的膈肌上。他们通过外科手术将管子的末端连接在肌肉的两端,并通过超声成像监测动物的氧气水平和观察膈肌功能。
麻省理工学院的研究小组发现,总的来说,植入式呼吸机增加了猪的潮汐量,也就是每次呼吸时肺能吸入的空气量。最大的改善出现在横膈膜收缩和人造肌肉同步的情况下。呼吸机帮助隔膜吸入的空气量是没有辅助时的三倍。
罗奇说:“我们很高兴看到潮汐量发生了这样的变化,我们能够挽救通风系统。”
现在,该团队正在努力优化该系统,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,”罗奇说。“泵和控制系统可以戴在腰带或背包上,甚至可能完全植入。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工作的知识,以及我们如何通过这种新方法来增强这一切。”
这项研究发表在《自然生物医学工程》杂志上,并得到了CIHR、肌肉萎缩症协会、国家卫生研究所、SICPA基金会和洛桑大学医院改善基金、SMA2布朗奖学金和国家科学基金会的部分支持。
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