麻省理工学院的工程师开发了一种可植入呼吸机的概念验证设计，旨在改善膈肌功能障碍患者的肺容量。
这款可植入呼吸机由两个柔软的气球状管体组成，可以植入并平放在膈肌上方。
麻省理工学院表示，初步结果表明，该设备可能为辅助呼吸技术开辟一条新路径。
对我们many人来说，呼吸是一种自然而然的行为。在幕后，我们的膈肌——位于肋骨下方、呈圆顶状的肌肉——像一个缓慢而稳定的蹦床，向下收缩以形成负压，使肺部扩张并吸入空气，随后放松，将空气排出。通过这种方式，膈肌自动控制我们的肺容量，是负责我们呼吸能力的主要肌肉。
但当膈肌功能受损时，呼吸这一本能便成为一项艰难的任务。慢性膈肌功能障碍可发生于患有肌萎缩侧索硬化症（ALS）、肌营养不良症及其他神经肌肉疾病的人群，也可见于瘫痪患者以及刺激膈肌收缩的膈神经受损者。
麻省理工学院工程师提出的一项新的概念验证设计，旨在未来某一天增强膈肌维持生命的功能，并改善膈肌功能障碍患者的肺容量。
麻省理工学院团队开发了一种柔软、机器人化且可植入的呼吸机，旨在增强膈肌的自然收缩。该系统的核心是两个柔软的气球状管体，可植入并平放在膈肌上方。通过外部泵充气后，这些管体充当人工肌肉，向下按压膈肌，帮助肺部扩张。管体可以按照与膈肌自然节律相匹配的频率充气。
研究人员在动物模型中演示了这款可植入呼吸机，结果表明，在膈肌功能受损的情况下，该系统能够显著增加肺部能够吸入的空气量。
在此类可植入系统能够用于治疗慢性膈肌功能障碍患者之前，仍有大量工作需要完成。但初步结果为辅助呼吸技术开辟了一条新路径，研究人员渴望对其进行优化。
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“这是一种全新通气方式的概念验证，”麻省理工学院机械工程副教授、医学工程与科学研究所成员埃伦·罗奇（Ellen Roche）表示。“这一设计的生物力学特性更接近正常呼吸，而传统呼吸机则通过面罩或气管切开术将空气压入肺部。要将其植入人体，仍有很长的路要走。但令人兴奋的是，我们能够证明可以通过可植入装置增强通气功能。”
罗奇及其同事已发表了研究成果，于今日发表在《自然·生物医学工程》上。其在麻省理工学院的合著者包括第一作者、前研究生露西·胡（Lucy Hu），以及玛尼莎·辛格（Manisha Singh）和迭戈·克维多·莫雷诺（Diego Quevedo Moreno）；此外还有瑞士洛桑大学医院的让·博内曼（Jean Bonnemain），以及波士顿儿童医院的莫萨布·赛义德（Mossab Saeed）和尼古拉·瓦西列夫（Nikolay Vasilyev）。
柔性压力装置
该团队的可植入呼吸机设计源于罗奇此前在一款心脏辅助装置上的研究。罗奇在哈佛大学攻读研究生期间，开发了一种心脏套，可包裹在心脏外部，在心脏搏动时减轻压力并提供支持。
如今，她在麻省理工学院与其研究团队发现，类似的柔性机器人辅助装置也可应用于其他组织和肌肉。
“我们在思考，还有哪一块大型肌肉会周期性地收缩，并维持生命？那就是膈肌，”罗奇说。
早在新冠疫情爆发、传统呼吸机使用量随病例数激增之前，该团队就已开始探索可植入呼吸机的设计。这些传统呼吸机会产生正压，即空气被向下压入患者的中央气道，并被强制送入肺部。
相比之下，膈肌会产生负压。当肌肉收缩并向下运动时，会形成负压，将空气吸入肺部，这类似于拉动自行车打气筒的手柄来吸入空气。
罗奇的团队致力于设计一种负压呼吸机——一种能够帮助增强膈肌自然功能的系统，尤其适用于长期存在呼吸功能障碍的患者。
“我们当时真正考虑的是那些患有进行性恶化退行性疾病的慢性病患者，”她说。
“呼吸的负担”
论文中报告的新系统由两根长而柔软、可充气的管体组成，其设计借鉴了一类被称为麦基本（McKibben）致动器的气动装置。团队对管体进行了改进，使其横跨膈肌（从前向后）放置，并附着于圆顶状肌肉两侧的肋骨上。每根管体的一端连接一根细小的外部气管，气管通向一个小型泵和控制系统。
通过分析膈肌的收缩情况，团队可以对泵进行编程，使其以相近的频率为管体充气。
“我们意识到，我们并不必完全精确地模仿膈肌的运动方式——只需在膈肌自然收缩时给它一个额外的向下推力，”罗奇说。
研究人员在麻醉的猪身上测试了该系统，将管体植入动物的膈肌上方，并通过手术将管体两端分别固定在肌肉两侧的肋骨上。他们监测了动物的血氧水平，并使用超声成像观察其膈肌功能。
团队发现，总体而言，可植入呼吸机提高了猪的潮气量，即肺部每次呼吸能够吸入的空气量。当膈肌与人工肌肉的收缩同步时，改善最为显著。在这些情况下，呼吸机帮助膈肌吸入的空气量是无辅助情况下的三倍。
“我们很高兴看到潮气量能够发生如此大的变化，我们也成功实现了通气功能的挽救，”罗奇说。
团队正在致力于优化该系统的各个方面，目标是未来某一天将其应用于慢性膈肌功能障碍患者。
“我们的愿景是，我们知道该系统的某些部分可以实现小型化，”罗奇说。“泵和控制系统可以佩戴在腰带或背包上，甚至有可能完全植入体内。目前已有可植入式心脏泵，因此我们知道这是可行的。眼下，我们正在深入了解生物力学和呼吸负担，并探索如何通过这一全新方法增强这些功能。”
本研究部分得到了CIHR、肌营养不良症协会、美国国立卫生研究院、SICPA基金会、洛桑大学医院改善基金、SMA2 Brown奖学金以及美国国家科学基金会的支持。
