工程师们设计了一种柔软的、可植入的通风机

对我们很多人来说，呼吸是自然而然的。在这些场景背后，我们的横膈膜——位于胸腔下方的圆顶形肌肉——就像一个缓慢而稳定的蹦床，向下推动以创造一个真空，让肺部扩张并吸入空气，然后在空气被挤出时放松。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。慢性膈肌功能障碍可发生在患有肌萎缩侧索硬化症(ALS)、肌肉萎缩症(muscular dystrophy)和其他神经肌肉疾病的人，以及瘫痪患者，膈神经损伤(刺激膈肌收缩)。

麻省理工学院的工程师们进行了一项新的概念验证设计，旨在有朝一日提高膈肌维持生命的功能，并改善膈肌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，旨在增强隔膜的自然收缩。该系统的核心是两根柔软的气球状管子，可以被植入横膈膜上。当用外部泵充气时，这些管子就像人造肌肉一样向下推隔膜，帮助肺扩张。管子可以以与隔膜的自然节奏相匹配的频率充气。

研究人员在动物模型中演示了植入式呼吸机，并表明在膈肌功能受损的情况下，该系统能够显著提高肺部吸入的空气量。

在这种植入式系统能够用于治疗慢性膈肌功能障碍之前，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的道路。

“这是一种新通风方式的概念证明，”机械工程副教授、麻省理工学院医学工程与科学研究所(Institute for Medical engineering and Science)成员艾伦·罗奇(Ellen Roche)说。“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。”

罗氏和她的同事于12月12日发表了他们的研究结果自然生物医学工程．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;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。

温和的压力

该团队的植入式呼吸机设计源自罗氏之前在心脏辅助设备方面的工作。在哈佛大学(Harvard University)读研究生时，罗氏发明了一种心脏套筒，可以包裹在心脏周围，以缓解压力，并在器官泵血时提供支持。

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肌肉是什么?隔膜，”罗奇说。

早在COVID-19大流行开始之前，该团队就开始探索可植入呼吸机的设计，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，空气通过患者的中央气道向下推，被迫进入肺部。

相反，横膈膜创造负压．当肌肉收缩并向下推时，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吸入空气。

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

她说:“我们真正考虑的是那些患有退行性疾病的慢性病患者，他们的病情正在逐渐恶化。”

“呼吸的工作”

论文中报道的新系统由两个长而软的充气管组成，这是一种被称为McKibben致动器的气动装置。研究小组将这些管子改造成横膈膜(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个薄薄的外部管道，该管道通向一个小型泵和控制系统。

通过分析隔膜的收缩，研究小组可以对泵进行编程，使其以相似的频率充气。

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。”

研究人员在被麻醉的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。他们监测了动物的氧气水平，并使用超声波成像观察了它们的隔膜功能。

研究小组发现，总的来说，植入式呼吸机增加了猪的潮气量，也就是每次呼吸时肺能吸入的空气量。最显著的改善出现在膈肌收缩和人造肌肉同步的情况下。在这些情况下，呼吸机帮助隔膜吸入的空气量是没有帮助时的三倍。

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。”

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疾病患者隔膜功能障碍。

“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。”

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