前言

嚴重的橫膈膜功能障礙可導致呼吸衰竭，并需要永久性的機械通氣。然而，通過口腔或氣管切開術，并使用永久固定的機械呼吸機可能會阻礙患者的說話、吞咽能力和活動能力。因此，研究團隊展示了在不同呼吸強度的豬模型中，植入膈膜上方的收縮軟機器人驅動器在吸氣時可以增強其運動。橫膈膜輔助植入物與原生呼吸刺激的同步驅動增加了潮氣量和吸氣流量。植入物干預膈肌而不是上呼吸道，能夠增加通氣的生理指標，可以在不犧牲生活質量的情況下恢復呼吸性能。

背景

橫膈肌是負責吸氣的主要肌肉，占健康個體吸氣潮氣量的70%。膈肌功能障礙可由多種功能障礙引起，包括膈神經損傷和神經肌肉疾病。由于這些病因的退行性性質，使得患者通常會出現機械性呼吸衰竭。嚴重的膈肌功能障礙或癱瘓可導致慢性呼吸衰竭。當疾病進展超過無創治療的治療能力時，患者必須做出艱難的決定，選擇通過氣管切開術進行永久性有創通氣，或在了解其疾病的最終本質后尋求姑息治療。

有創通氣可能會干擾患者生活質量的許多方面，如妨礙說話，需要全職護理，并可能需要患者進入護理機構。因此目前迫切需要治療性通氣的選擇，在不犧牲生活質量的情況下恢復呼吸性能，特別是對于那些有最嚴重的橫膈膜功能障礙的患者。

理想的軟體機器人驅動器能夠復制復雜的、重復的肌肉收縮，如隔膜，同時對生物組織無害。以前，完全植入的軟體驅動器已經顯示出了增強心臟功能的能力，而許多其他新開發的可植入式機器人也已經在廣泛的生物應用中顯示出了實用性。由于呼吸衰竭的機械性質，特別是在肌肉萎縮等情況的情況下，植入隔膜的軟機器人驅動器有可能機械支持和增強其功能。以前研究軟機器人應用于增強呼吸的工作很少，為數不多的例子之一是利用介電彈性體片用于完全取代切除的隔膜和產生運動。相比之下，研究團隊的工作是在保持原有隔膜完好的情況下，增強了豬的相關生理指標（通氣量，潮氣量等）。

實驗內容

1、軟體機器人用于機械輔助隔膜運動

圖1 a.在松弛（左）和收縮（右）狀態下固定在肋骨上的天然隔膜的橫向橫截面示意圖。b.PAM組件。c.單個PAM在無加壓和加壓狀態下的樣子。d.通過將PAMs置于隔膜上方來增加隔膜運動的橫向橫截面示意圖。松弛狀態未加壓（左）狀態，推動隔膜尾部處于加壓（右）狀態。e.在活豬模型中位于隔膜的PAMs（黑色）位置的可視化。f，g.在未加壓(f)和加壓(g)狀態下使用 PAMs的體內豬隔膜的橫向透視視圖。驅動器的充氣氣球用虛線勾畫出，并用箭頭表示。A和P分別表示動物的前后方向。

如圖1a所示，當隔膜收縮時，隔膜的弧度縮短，整個隔膜片向下移動，充當泵。胸腔容積增加，壓力降低，最終驅動呼吸。

研究團隊利用氣動人工肌肉（PAMs）的收縮功能來模擬和增強橫膈肌的自然收縮，選擇了較為經典的McKibben型PAM。McKibben型PAM是由可伸縮的編織網，圍繞著可通氣的橡膠管構成（如圖1b）。在本次研究組，PAM在20psi增壓下可產生40N的收縮力。從理論上可以利用它的線性收縮來擬合天然隔膜的固有曲率。因此研究團隊將PAM置于隔膜上方，末端固定于肋骨上（如圖1d）。隨著加壓，PAM的長度縮短，PAM機械地向下推動隔膜。之后，研究團隊通過手術將一對McKibben氣動肌肉植入到活豬的體內位于心臟外側的前后方向（如圖1e）。在整個實驗過程中都對膈肌進行了透視（圖1f，g）。

在動物體實驗中，研究團隊模擬了動物的各類呼吸功能不全（如通過麻醉誘導呼吸抑制，通過切斷膈神經誘導膈肌癱瘓）。通過超聲（b型）斷層成像顯示PAM對隔膜的推動，監測其位移情況。（圖2a，b）。為了量化設備和橫膈肌的運動，采用了M型模式超聲，該模式適用于進行運動分析。圖2c，d記錄了隔膜每次呼吸時的位移變化，不對PAM加壓時，隔膜位移為0.37厘米。加壓后，增加至1.92厘米。

圖2 a,b.隔膜的二維視圖。a為松弛狀態，b為加壓狀態。c.無輔助通氣時的橫膈膜運動狀態。d.有輔助通氣時的橫膈膜運動狀態。橙色虛線表示隔膜，藍色虛線圓圈表示PAM橫截面，藍色星形表示隔膜的空間位置。

2、測量體內潮氣量和吸氣峰值流量

研究團隊為了評估膈膜輔助系統增強呼吸功能的能力，使用儀器收集動物生理數據，包括呼吸系統內的呼吸流量、體積和壓力。軟體機器人驅動器的增壓通過定制的控制系統進行控制，將與生理數據相同的驅動壓力數據輸入高分辨率數據采集系統。

通氣是驅動二氧化碳交換的關鍵，因此我們首先測試了流量和容積波形作為衡量通氣功能的標準。流量用肺活量儀測量，吸氣峰值流量可作為吸氣功能的臨床指標，它可以直接展示出膈肌輔助系統的效果。將流量與時間積分，可以得到一個隨時間變化的容積波形。每次呼吸量（潮氣量）和呼吸頻率（分鐘通氣量）是直接測量通氣量的最相關參數。呼吸系統內的壓力，如胸膜和腹腔壓力，揭示了物理上驅動通氣的呼吸系統生物力學的信息。

實驗開始時，使用異氟醚對動物進行適當麻醉，并進行機械通氣。異氟醚會引起呼吸抑制，使潮氣量減少，呼吸頻率增加。在整個植入手術中，機械通氣被用來支持動物。研究團隊對每個實驗個體采取了一系列的呼吸測試，并在無輔助通氣（其中任何自發的呼吸都是由于原始的呼吸驅動）和推桿輔助通氣期間收集數據。機械通氣被用來恢復和維持呼吸測試之后和之間的正常通氣狀態。在試驗期間，所有的膈神經都是完好的。

圖3 a.記錄實驗的驅動壓力變化，流量和潮氣量。灰色區域表示隔膜輔助系統關閉時間。b.記錄了一組峰值驅動壓力，峰值吸氣流量和潮氣量。灰色區域表示隔膜輔助系統關閉時間。c,d.表示五個實驗體在隔膜輔助系統開啟（左側）和關閉（右側）前后30秒時的平均峰值吸氣流量和潮氣量的變化。e.記錄了五個試驗體在輔助系統開啟和關閉前后30秒時的，體重標準化每分鐘通氣量，以及其相對于正常通氣量（深色）的位置。

根據圖3的結果表明，隔膜輔助系統可以顯著提升實驗體的吸氣峰值流量和潮氣量，在開啟系統時通氣量會有一個瞬時的跳躍，關閉時會略有下降，但明顯高于未開啟時。在五個實驗體的實驗中，不同實驗體對輔助系統的反應性不同。實驗體A的反應變化較為明顯，其他實驗體僅表現出了輕微反應甚至有了反效果（實驗體E）。在進行體重標準化每分鐘通氣量的計算后，可以發現每個實驗體在輔助系統的作用下，都達到了正常范圍的低標準。

3、同步呼吸

與機械通氣一樣，在實驗系統中，實驗者與輔助系統的運動同步對增強呼吸能力至關重要，異步通氣可能會破壞性地干擾原有的呼吸，導致使用輔助通氣比不使用更糟糕。

為了使輔助系統的驅動與實驗者的原有呼吸同步，研究團隊建立了一個控制系統（如圖4a，b）。該系統利用肺活量流量傳感器采集實驗者數據，根據流量設定了一個閾值，當流量超過閾值時，會發出一個流量脈沖發送到控制器中，控制器會觸發一個加壓和減壓周期變化的壓力波動，用于加壓空缺填充以及清空PAMs。

圖4 a.控制系統原理圖。b.一組理想的同步波形。c.代表使用獨立驅動方式的驅動壓力，流量和潮氣量的波形數據。d.代表使用同步驅動方式的驅動壓力，流量和潮氣量的波形數據。e,f.表示六個實驗者在獨立驅動（淺色）和同步驅動（深色）產生的流量對比。g,h.表示獨立驅動和同步驅動的M型超聲分析。橙色箭頭指向異步橫膈肌收縮。

控制系統可以實現一套獨立于實驗體原有呼吸節奏的方案和與原有呼吸同步的方案。在圖4c中，可以看出由于獨立驅動模式與原有呼吸的節奏不匹配，在波形中反映出了混亂干擾。而圖4d中的同步驅動方案的波形就更為均勻。從后面的結果中可以看出，獨立驅動表現出的潮氣量和流量的方差要要高于同步驅動。這是由于獨立驅動干擾了原有的呼吸，使實驗體呼吸發生了失調。從圖4g中可以看出，獨立驅動的隔膜收縮并不是均勻的波形。

總結

研究團隊使用氣動軟機器人驅動器來支持和增強呼吸，演示了呼吸生理指標的急性增強和作為概念驗證設備的可行性。在呼吸功能不全的大型動物模型中，一組手術植入膈膜上方的兩組PAMs可以為膈膜提供機械支持。研究了其與呼吸系統和實驗體的相互作用，并使用多模態指標來評估呼吸功能。