橫膈膜（Thoracic diaphragm）是人體能正常執行呼吸功能背後的重要功臣，慢性橫膈肌功能障礙會讓看似本能的呼吸動作變成艱鉅的任務。為了提供相關疾病治療上更多選擇，麻省理工（MIT）團隊設計出一種新概念的植入式呼吸機，透過輔助橫隔膜收縮的自然呼吸方式來改善呼吸功能，希望有朝一日能協助提高橫隔膜功能障礙患者的生活品質。
柔軟的機器人植入式呼吸機
傳統呼吸機原理是運用正壓，透過機器將空氣推送注入患者氣管進入肺部，相較之下，人體自然的呼吸方式是透過橫隔膜向下推動時造成胸腔負壓，讓肺部擴張並吸入空氣，研究團隊希望設計一種更貼近自然功能的橫膈膜負壓輔助系統，來幫助那些長期存在呼吸功能障礙的人。
過去作為哈佛大學的研究生時，麻省理工機械工程副教授 Ellen Roche 曾設計一款心臟輔助設備套管，能包裹心臟減輕壓力並在心臟跳動泵血時提供支持，在最新研究中，Roche 和團隊發現類似的柔軟機器人輔助系統也可以應用於其他組織和肌肉，像是呼吸動作中至關重要的橫隔膜。
運用 Roche 過去研究的基礎，團隊設計出一款新型植入式呼吸機，系統核心包含兩個長而柔軟的氣球狀充氣管可以植入橫膈膜上方，由前至後橫跨橫膈膜並連接到兩側胸腔，每根管子一端連接到一根細長的外部空氣管路，管路再連接到一個小型幫浦和控制系統。當使用幫浦充氣時，管子就能充當人造肌肉，向下推動橫隔膜來輔助肺部擴張。
通過分析橫隔膜的收縮，團隊可以對幫浦進行編程，使其與橫隔膜自然節律相配的頻率來為管子充氣，研究人員表示，他們意識到系統不必完全模仿橫隔膜的運動方式——只需要在它自然收縮時給它一個額外的向下推力即可。
動物模型測試中顯著改善肺部吸入空氣量
在針對呼吸功能不全的豬模型測試中，研究人員在安裝系統後監測氧氣水平，並使用超音波成像觀察了橫隔膜功能，結果顯示，植入式呼吸機能顯著提高動物在平靜呼吸時肺部吸入的空氣量，在系統與橫隔膜同步收縮下能看到最顯著的改善，與未使用呼吸機輔助時相比約增加 3 倍。
研究人員認為，這是一種全新通氣方式的概念證明。不是用機器施壓將空氣推入肺部，新型呼吸機的設計是輔助橫膈膜收縮，以更貼近正常生物力學方式讓患者呼吸，儘管人體應用前仍需許多測試驗證，但初步結果為研究人員希望改良的輔助呼吸系統開闢了一條新途徑。
展望未來，團隊認為植入式呼吸機仍有需多進步空間，一些部分可以小型化，讓泵和控制系統可以配戴在腰帶或背包上或甚至完全植入，團隊目前正持續探索更多生物力學和呼吸作用的知識，嘗試改良系統各方面，希望有朝一日能提供肌萎縮性側索硬化症（ALS）、肌肉萎縮症（muscular dystrophy）等慢性橫膈肌功能障礙患者更好的呼吸支持。
延伸閱讀：對抗呼吸道病毒的第一道防線，鼻腔內的免疫機制新發現參考資料：
1. Nature Biomedical Engineering, 2022,https://doi.org/10.1038/s41551-022-00971-6
2. https://news.mit.edu/2022/diaphragm-implantable-ventilator-1212
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