更贴近生物力学！新植入式呼吸机能增强横膈膜收缩改善呼吸

横膈膜（Thoracic diaphragm）是人体能正常执行呼吸功能背后的重要功臣，慢性横膈肌功能障碍会让看似本能的呼吸动作变成艰钜的任务。为了提供相关疾病治疗上更多选择，麻省理工（MIT）团队设计出一种新概念的植入式呼吸机，透过辅助横隔膜收缩的自然呼吸方式来改善呼吸功能，希望有朝一日能协助提高横隔膜功能障碍患者的生活品质。

柔软的机器人植入式呼吸机

传统呼吸机原理是运用正压，透过机器将空气推送注入患者气管进入肺部，相较之下，人体自然的呼吸方式是透过横隔膜向下推动时造成胸腔负压，让肺部扩张并吸入空气，研究团队希望设计一种更贴近自然功能的横膈膜负压辅助系统，来帮助那些长期存在呼吸功能障碍的人。

过去作为哈佛大学的研究生时，麻省理工机械工程副教授 Ellen Roche 曾设计一款心脏辅助设备套管，能包裹心脏减轻压力并在心脏跳动泵血时提供支持，在最新研究中，Roche 和团队发现类似的柔软机器人辅助系统也可以应用于其他组织和肌肉，像是呼吸动作中至关重要的横隔膜。

运用 Roche 过去研究的基础，团队设计出一款新型植入式呼吸机，系统核心包含两个长而柔软的气球状充气管可以植入横膈膜上方，由前至后横跨横膈膜并连接到两侧胸腔，每根管子一端连接到一根细长的外部空气管路，管路再连接到一个小型帮浦和控制系统。当使用帮浦充气时，管子就能充当人造肌肉，向下推动横隔膜来辅助肺部扩张。

通过分析横隔膜的收缩，团队可以对帮浦进行编程，使其与横隔膜自然节律相配的频率来为管子充气，研究人员表示，他们意识到系统不必完全模仿横隔膜的运动方式——只需要在它自然收缩时给它一个额外的向下推力即可。

动物模型测试中显著改善肺部吸入空气量

在针对呼吸功能不全的猪模型测试中，研究人员在安装系统后监测氧气水平，并使用超音波成像观察了横隔膜功能，结果显示，植入式呼吸机能显著提高动物在平静呼吸时肺部吸入的空气量，在系统与横隔膜同步收缩下能看到最显著的改善，与未使用呼吸机辅助时相比约增加 3 倍。

研究人员认为，这是一种全新通气方式的概念证明。不是用机器施压将空气推入肺部，新型呼吸机的设计是辅助横膈膜收缩，以更贴近正常生物力学方式让患者呼吸，尽管人体应用前仍需许多测试验证，但初步结果为研究人员希望改良的辅助呼吸系统开辟了一条新途径。

展望未来，团队认为植入式呼吸机仍有需多进步空间，一些部分可以小型化，让泵和控制系统可以配戴在腰带或背包上或甚至完全植入，团队目前正持续探索更多生物力学和呼吸作用的知识，尝试改良系统各方面，希望有朝一日能提供肌萎缩性侧索硬化症（ALS）、肌肉萎缩症（muscular dystrophy）等慢性横膈肌功能障碍患者更好的呼吸支持。

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参考资料：
1. Nature Biomedical Engineering, 2022,https://doi.org/10.1038/s41551-022-00971-6
2. https://news.mit.edu/2022/diaphragm-implantable-ventilator-1212