MIT 연구진, 이식형 로봇 인공호흡기 개발

브리아나 웨슬링 | 2022년 12월 20일

Ellen Roche와 그녀의 팀이 디자인한 부드러운 이식형 인공호흡기를 착용한 모습. | 출처: MIT, M. Scott Brauer

MIT 연구원들은 횡경막의 자연적인 수축을 증가시킬 수 있는 부드러운 로봇식 이식형 인공호흡기를 설계했습니다.

이식형 인공호흡기는 횡경막 위에 이식되는 두 개의 부드러운 풍선 모양 튜브로 만들어집니다. 외부 펌프로 팽창시키면 튜브는 횡경막을 아래로 누르고 폐가 팽창하는 데 도움이 되는 인공 근육 역할을 합니다. 튜브는 다이어프램의 자연스러운 리듬에 맞게 팽창될 수 있습니다.

횡격막은 흉곽 바로 아래에 있습니다. 이는 아래로 눌러 폐가 팽창하여 공기를 흡입할 수 있는 진공을 만든 다음 이완하여 공기를 내보냅니다.

인공호흡기의 튜브는 일종의 공압 장치인 McKibben 액추에이터와 유사합니다. 팀은 횡경막 양쪽의 흉곽에 튜브를 부착하여 장치가 근육을 가로질러 앞에서 뒤로 놓이도록 했습니다. 얇은 외부 에어라인을 사용하여 팀은 튜브를 소형 펌프 및 제어 시스템에 연결했습니다.

이 연성 인공호흡기는 기계공학과 부교수이자 MIT 의료공학 및 과학 연구소 회원인 Ellen Roche와 동료들이 설계했습니다. 연구팀은 인공호흡기에 대한 개념 증명 설계를 만들었습니다.

Roche는 MIT News에 "이것은 환기를 위한 새로운 방법의 개념 증명입니다."라고 말했습니다. “이 디자인의 생체 역학은 마스크나 기관절개술이 있는 폐로 공기를 밀어넣는 인공호흡기에 비해 정상적인 호흡에 더 가깝습니다. 이것이 인간에게 이식되기까지는 갈 길이 멀다. 하지만 이식 가능한 장치로 환기를 강화할 수 있다는 것을 보여줄 수 있다는 것은 매우 흥미로운 일입니다.”

Roche에 따르면 이식형 펌프의 작업량을 최대화하는 열쇠는 다이어프램이 자연스럽게 수축할 때 다이어프램을 아래쪽으로 추가로 밀어주는 것입니다. 즉, 팀에서는 다이어프램이 어떻게 움직이는지 정확히 모방하려고 할 필요가 없으며 해당 푸시를 제공할 수 있는 장치를 만들기만 하면 됩니다.

이식형 인공호흡기는 횡격막을 가로질러 놓인 두 개의 튜브로 만들어집니다. | 출처: MIT

Roche와 그녀의 팀은 마취된 돼지를 대상으로 시스템을 테스트했습니다. 장치를 이식한 후 돼지의 산소 수준을 모니터링하고 초음파 영상을 사용하여 횡경막 기능을 관찰했습니다. 일반적으로 연구팀은 인공호흡기가 돼지의 폐가 숨을 쉴 때마다 흡입할 수 있는 공기의 양을 증가시킨다는 사실을 발견했습니다. 이 장치는 횡격막과 인공 근육의 수축이 동시에 작동하여 돼지의 폐가 도움 없이 3배의 공기를 흡입할 수 있을 때 가장 잘 작동했습니다.

연구팀은 이 장치가 ALS, 근위축증 및 기타 신경근 질환, 마비 및 횡경막 신경 손상으로 인해 발생할 수 있는 만성 횡경막 기능 장애로 어려움을 겪는 사람들에게 도움이 될 수 있기를 바라고 있습니다.

연구팀에는 MIT 출신 대학원생인 로슈(Roche), 마니샤 싱(Manisha Singh), 디에고 케베도 모레노(Diego Quevedo Moreno), 스위스 로잔 대학병원의 장 보네메인(Jean Bonnemain), 보스턴 아동병원의 모사브 사이드(Mossab Saeed)와 니콜라이 바실리예프(Nikolay Vasilyev)가 포함됐다.