患有严重呼吸困难或神经肌肉疾病（如肌萎缩侧索硬化症 (ALS)）的人必须依靠手术植入的呼吸管进行通气。这些管子可能很笨重，影响他们的生活质量。
但是，麻省理工学院的工程师们希望通过创造一种可以植入患者胸部的软体呼吸机来改变这种状况，他们的研究最近发表在《自然生物医学工程》杂志上。在猪身上进行测试时，吸入的空气量增加了三倍。
“有许多肌肉退行性疾病会导致膈肌衰竭，”从而需要长期通气，领导这项工作的生物医学工程师 Ellen Roche 说。Roche 之前曾开发出一种帮助衰弱心脏泵血的装置，因此她想，“也许我们可以像帮助心脏一样帮助膈肌。”
软体呼吸机的影响
许多膈肌失去功能的人目前依靠呼吸机，呼吸机通过永久插入喉咙的管子将空气推入和推出肺部。它可以延长他们的生命，但这意味着他们必须连接到机器，可能会失去说话的能力，并且通常需要全天候护理。
相比之下，新装置的工作方式就像膈肌上方额外的一组肌肉，可扩张和收缩。它不是将空气推入肺部，而是产生负压将其吸入。
“总的来说，这是一个简单的机械概念，”Roche 说。
至关重要的是，这种新型呼吸机最终将避免外科喉管。华盛顿大学ALS中心的神经学家Robert C. Bucelli没有参与这项工作，但他认为这种方法可以为因ALS等神经肌肉疾病而呼吸困难的人带来“显著的改变”。
“这绝对令人兴奋，是一个很好的起点，”Bucelli 说。
测试呼吸机
迄今为止，Roche 和她的团队已经在猪身上测试了该设备，这些猪被麻醉以削弱其呼吸。通过使用传感器测量猪在试图吸气时口腔气流的变化，他们可以将呼吸机收缩的“肌肉”与自然的呼吸节律同步。在反应最好的猪身上，新的呼吸机使吸入肺部的空气量增加了近三倍。
“我对他们的设备效果之好印象深刻，”没有参与这项工作的布里斯托大学软体机器人工程师 Andrew Conn 说。他强调，辅助膈肌的自然功能而不是完全绕过它，将使该呼吸机对许多不同的用户特别有用。
这是因为虽然有些人可能需要终身通气，但其他人可以通过康复和治疗恢复其自然的膈肌功能。
“[在这种情况下]这些设备是理想的，”Conn 说，因为它们可以根据需要提供尽可能多的辅助。
展望未来
然而，这种新型呼吸机仍处于开发阶段。例如，Roche 和她的团队希望将传感机制升级为一种使用植入电极来拾取膈肌神经信号的机制，而不是通过口腔的气流。
从临床角度来看，布切利说，该装置需要根据个体膈肌功能进行调整，因为这差异很大。另一个担忧是人们是否能够清嗓子。在传统呼吸机上，护理人员可以通过导管直接接触气道，因此可以介入提供帮助。
这是一个关键点，Roche 正在研究如何处理不同的呼吸动作，例如咳嗽、打喷嚏和深呼吸。
“我们还没有达到那个目标，但我们正在努力同步，以便患者可以轻松地说‘我要咳嗽’或‘我要深呼吸’，系统会跟上，”Roche 说。然而，对于晚期ALS患者，Bucelli 担心其他周围肌肉的无力可能会使他们难以咳嗽或保护气道。
为呼吸机提供动力和控制的机器是最后的障碍。康恩说，人造肌肉需要一定量的压缩空气才能收缩，这意味着它们需要连接到泵。目前，这是通过穿过皮肤的空气管实现的。
罗氏的团队希望将泵和控制器都装进一个放在臀部的小包里，让用户可以自由独立活动。但康恩表示，长期计划应该是一个完全可植入的系统，因为任何需要永久穿透皮肤的管线都可能带来感染风险。
这将需要一个可植入泵，世界各地的研究小组，包括康恩自己的小组，都在忙于开发一个。他乐观地认为这触手可及。
“我们对解决这个问题很感兴趣，”康恩说，“人体中的起搏器证明了这是可能的。”
