<p>對我們很多人來說，呼吸是自然而然的。在這些場景背后，我們的橫膈膜&mdash;&mdash;位于胸腔下方的圓頂形肌肉&mdash;&mdash;就像一個(gè)緩慢而穩(wěn)定的蹦床，向下推動(dòng)以創(chuàng)造一個(gè)真空空間，讓肺部擴(kuò)張并吸入空氣，然后在空氣被擠出時(shí)放松。通過這種方式，橫膈膜自動(dòng)控制我們的肺活量，是負(fù)責(zé)我們呼吸能力的主要肌肉。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但當(dāng)橫膈膜的功能受到損害時(shí)，呼吸本能就變成了一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。慢性膈肌功能障礙可發(fā)生在患有肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)、肌肉萎縮癥(muscular dystrophy)和其他神經(jīng)肌肉疾病的人，以及癱瘓患者，膈神經(jīng)損傷(刺激膈肌收縮)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院的工程師們進(jìn)行了一項(xiàng)新的概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)，旨在有朝一日提高膈肌維持生命的功能，并改善膈肌功能障礙患者的肺活量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種柔軟的、機(jī)器人的、可植入的呼吸機(jī)，旨在增強(qiáng)隔膜的自然收縮。該系統(tǒng)的核心是兩根柔軟的氣球狀管子，可以被植入橫膈膜上。當(dāng)用外部泵充氣時(shí)，這些管子就像人造肌肉一樣向下推隔膜，幫助肺擴(kuò)張。管子可以以與隔膜的自然節(jié)奏相匹配的頻率充氣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員在動(dòng)物模型中演示了植入式呼吸機(jī)，并表明在膈肌功能受損的情況下，該系統(tǒng)能夠顯著提高肺部吸入的空氣量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這種植入式系統(tǒng)能夠用于治療慢性膈肌功能障礙之前，還有很多工作要做。但初步結(jié)果為研究人員渴望優(yōu)化的輔助呼吸技術(shù)開辟了一條新的道路。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這是一種新通風(fēng)方式的概念證明，&rdquo;機(jī)械工程副教授、麻省理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所(Institute for Medical engineering and Science)成員艾倫&middot;羅奇(Ellen Roche)說。&ldquo;這種設(shè)計(jì)的生物力學(xué)更接近正常的呼吸，而不是將空氣推入肺部的呼吸機(jī)，你需要戴口罩或做氣管切開術(shù)。在將其植入人體之前還有很長的路要走。但令人興奮的是，我們可以證明我們可以用植入的東西來增強(qiáng)通風(fēng)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>羅氏和她的同事今天在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。她在麻省理工學(xué)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;以及瑞士洛桑大學(xué)醫(yī)院的Jean Bonnemain，以及波士頓兒童醫(yī)院的Mossab Saeed和Nikolay Vasilyev。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong>溫和的壓力</strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)的植入式呼吸機(jī)設(shè)計(jì)源自羅氏之前在心臟輔助設(shè)備方面的工作。在哈佛大學(xué)(Harvard University)讀研究生時(shí)，羅氏發(fā)明了一種心臟套筒，可以包裹在心臟周圍，以緩解壓力，并在器官泵血時(shí)提供支持。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在在麻省理工學(xué)院，她和她的研究小組發(fā)現(xiàn)，類似的軟機(jī)器人輔助可以應(yīng)用于其他組織和肌肉。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們想，另一塊循環(huán)泵血并維持生命的肌肉是什么?隔膜。&rdquo;羅奇說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>早在Covid-19大流行開始之前，該團(tuán)隊(duì)就開始探索可植入呼吸機(jī)的設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)呼吸機(jī)的使用隨著病例的增加而激增。這些呼吸機(jī)產(chǎn)生正壓，空氣通過患者的中央氣道向下推，被迫進(jìn)入肺部。</p> <p>&nbsp;</p> <p>相反，隔膜產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)肌肉收縮并向下推時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，將空氣吸入肺部，類似于拉動(dòng)自行車打氣筒的手柄吸入空氣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>羅氏的團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)一種負(fù)壓呼吸機(jī)，這種系統(tǒng)可以幫助增強(qiáng)隔膜的自然功能，特別是對于那些長期呼吸功能障礙的人。</p> <p>她說:&ldquo;我們真正考慮的是那些患有退行性疾病的慢性病患者，他們的病情正在逐漸惡化。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>&ldquo;呼吸的工作&rdquo;</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>論文中報(bào)道的新系統(tǒng)由兩個(gè)長而軟的充氣管組成，這是一種被稱為McKibben致動(dòng)器的氣動(dòng)裝置。研究小組將這些管子改造成橫膈膜(從前到后)，并連接到圓頂狀肌肉兩側(cè)的胸腔。每根管子的一端連接到一個(gè)薄薄的外部管道，該管道通向一個(gè)小型泵和控制系統(tǒng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過分析隔膜的收縮，研究小組可以對泵進(jìn)行編程，使其以相似的頻率充氣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>羅奇說:&ldquo;我們意識到，我們不需要完全模仿橫隔膜的運(yùn)動(dòng)方式&mdash;&mdash;我們只需要在它自然收縮時(shí)給它一個(gè)額外的向下的推力。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員在被麻醉的豬身上測試了該系統(tǒng)，將管子植入動(dòng)物的橫膈膜上，并通過手術(shù)將管子的末端連接到肌肉兩端的肋骨上。他們監(jiān)測了動(dòng)物的氧氣水平，并使用超聲波成像觀察了它們的隔膜功能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究小組發(fā)現(xiàn)，總的來說，植入式呼吸機(jī)增加了豬的潮氣量，也就是每次呼吸時(shí)肺能吸入的空氣量。最顯著的改善出現(xiàn)在膈肌收縮和人造肌肉同步的情況下。在這些情況下，呼吸機(jī)幫助隔膜吸入的空氣量是沒有幫助時(shí)的三倍。</p> <p>&nbsp;</p> <p>羅奇說:&ldquo;我們很高興看到潮汐量發(fā)生了這樣的變化，我們能夠挽救通風(fēng)系統(tǒng)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)正在努力優(yōu)化該系統(tǒng)的各個(gè)方面，目標(biāo)是有朝一日將其應(yīng)用于慢性膈肌功能障礙患者。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們的愿景是，我們知道這個(gè)系統(tǒng)的某些部分可以小型化。&rdquo;羅奇說。&ldquo;泵和控制系統(tǒng)可以戴在腰帶或背包上，甚至可能完全植入。有植入式心臟泵，所以我們知道這是可行的。目前，我們正在學(xué)習(xí)很多關(guān)于生物力學(xué)和呼吸工作的知識，以及我們?nèi)绾瓮ㄟ^這種新方法來增強(qiáng)這一切。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)研究得到了CIHR、肌肉萎縮癥協(xié)會(huì)、國家衛(wèi)生研究所、SICPA基金會(huì)和洛桑大學(xué)醫(yī)院改善基金、SMA2布朗獎(jiǎng)學(xué)金和國家科學(xué)基金會(huì)的部分支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>