MITのエンジニアが柔らかい埋め込み型人工呼吸器を設計

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私たちの多くにとって、呼吸という行為は自然なことです。 舞台裏では、胸郭のすぐ下にあるドーム型の筋肉である横隔膜が、ゆっくりと安定したトランポリンのように機能し、肺を拡張して空気を取り込むための真空を作り出すために押し下げられ、空気が押し出されるにつれてリラックスします。 。 このように、横隔膜は肺活量を自動的に制御し、呼吸能力に関与する主要な筋肉です。

しかし、横隔膜の機能が損なわれると、呼吸の本能は骨の折れる仕事になります。 慢性的な横隔膜機能不全は、ALS、筋ジストロフィー、その他の神経筋疾患を患う人や、麻痺のある患者、横隔膜の収縮を刺激する横隔神経の損傷などで発生する可能性があります。

MITのエンジニアによる新しい概念実証デザインは、いつか横隔膜の生命維持機能を高め、横隔膜機能不全の人々の肺活量を改善することを目的としている。

MIT チームは、横隔膜の自然な収縮を増強するように設計された、柔らかいロボットの埋め込み型人工呼吸器を開発しました。 システムの中心には、横隔膜の上に埋め込むことができる 2 本の柔らかい風船のようなチューブがあります。 外部ポンプで膨張すると、チューブが人工筋肉として機能し、横隔膜を押し下げて肺の拡張を助けます。 チューブは、横隔膜の自然なリズムに一致する周波数で膨張させることができます。

研究者らは動物モデルで埋め込み型人工呼吸器を実証し、横隔膜機能が低下した場合でも、システムが肺に取り込める空気の量を大幅に改善できることを示した。

このような埋め込み型システムを慢性横隔膜機能障害のある人間の治療に使用できるようになるまでには、やるべきことがまだ多くあります。 しかし、この予備的な結果は、研究者らが最適化を熱望している呼吸補助技術に新たな道を開くものである。

「これは、新しい換気方法の概念実証です」と、機械工学の准教授であり、マサチューセッツ工科大学医工学科学研究所のメンバーでもあるエレン・ロシュ氏は言います。 「この設計の生体力学は、マスクや気管切開のある肺に空気を送り込む人工呼吸器とは異なり、通常の呼吸に近いものです。 これが人間に移植されるまでには長い道のりがあります。 しかし、植え込み可能なもので換気を強化できることを証明できるのは興味深いことです。」

ロシュと彼女の同僚は本日、その結果を Nature Biomedical Engineering 誌に発表しました。 MIT における彼女の共著者には、筆頭著者で元大学院生のルーシー・フー、マニシャ・シン、ディエゴ・ケベド・モレノが含まれます。 スイスのローザンヌ大学病院のジャン・ボヌマン氏、ボストン小児病院のモサブ・サイード氏とニコライ・ヴァシリエフ氏らも参加した。

柔らかな圧力

同チームの植込み型人工呼吸器の設計は、心臓補助装置に関するロシュ社の以前の研究から発展したものである。 ハーバード大学の大学院生だったロシュ氏は、心臓の周りを包み込み圧力を軽減し、臓器のポンプとしてのサポートを提供するように設計された心臓スリーブを開発しました。

現在 MIT に在籍している彼女と研究グループは、同様のソフトなロボット支援が他の組織や筋肉にも適用できることを発見しました。

「私たちは、周期的にポンプを動かし、生命を維持しているもう一つの大きな筋肉は何だろうかと考えました。 横隔膜です」とロシュ氏は言う。

研究チームは、新型コロナウイルス感染症（Covid-19）のパンデミックが始まるかなり前から、従来の人工呼吸器の使用が症例数とともに急増していた時期に、埋め込み型人工呼吸器の設計の検討を開始した。 これらの人工呼吸器は陽圧を生成し、空気が患者の中心気道を通って押し下げられ、肺に押し込まれます。