MIT 엔지니어들이 부드럽고 이식 가능한 인공호흡기를 설계했습니다.

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우리 중 많은 사람들에게 호흡 행위는 자연스럽게 일어납니다. 무대 뒤에서 우리의 횡경막(흉곽 바로 아래에 있는 돔 모양의 근육)은 느리고 꾸준한 트램폴린처럼 작동하여 아래로 밀어서 폐가 팽창하고 공기를 흡입할 수 있는 진공을 만든 다음 공기가 밀려나면서 이완됩니다. . 이러한 방식으로 횡격막은 폐활량을 자동으로 조절하며 호흡 능력을 담당하는 주요 근육입니다.

그러나 횡격막의 기능이 손상되면 호흡 본능이 힘든 작업이 됩니다. 만성 횡경막 기능 장애는 ALS, 근이영양증, 기타 신경근 질환이 있는 사람, 마비 환자, 횡경막 수축을 자극하는 횡격막 신경 손상 환자에게서 발생할 수 있습니다.

MIT 엔지니어의 새로운 개념 증명 설계는 언젠가 횡경막의 생명 유지 기능을 향상시키고 횡경막 기능 장애가 있는 사람들의 폐활량을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

MIT 팀은 횡경막의 자연 수축을 강화하도록 설계된 부드럽고 로봇식이며 이식 가능한 인공호흡기를 개발했습니다. 시스템의 중심에는 다이어프램 위에 이식할 수 있는 두 개의 부드러운 풍선 모양의 튜브가 있습니다. 외부 펌프로 팽창시키면 튜브는 인공 근육 역할을 하여 횡격막을 누르고 폐가 확장되도록 돕습니다. 튜브는 진동판의 자연스러운 리듬에 맞는 빈도로 팽창될 수 있습니다.

연구진은 동물 모델에서 이식형 인공호흡기를 시연했으며, 횡경막 기능이 손상된 경우 시스템이 폐가 끌어들일 수 있는 공기의 양을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다.

이러한 이식형 시스템을 사용하여 만성 횡경막 기능 장애가 있는 인간을 치료하려면 아직 해야 할 일이 많이 남아 있습니다. 그러나 예비 결과는 연구원들이 최적화하고자 하는 보조 호흡 기술의 새로운 길을 열었습니다.

"이것은 환기를 위한 새로운 방법의 개념 증명입니다."라고 MIT의 기계 공학 및 과학 연구소의 회원이자 기계 공학 부교수인 Ellen Roche는 말합니다. “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.”

Roche와 그녀의 동료들은 오늘 Nature Biomedical Engineering에 결과를 발표했습니다. MIT의 공동 저자로는 제1저자이자 대학원생이었던 Lucy Hu, Manisha Singh, Diego Quevedo Moreno 등이 있습니다. 스위스 로잔 대학 병원의 Jean Bonnemain, 보스턴 아동 병원의 Mossab Saeed 및 Nikolay Vasilyev와 함께.

부드러운 압력

팀의 이식형 인공호흡기 디자인은 심장 보조 장치에 대한 Roche의 이전 연구에서 비롯되었습니다. Roche는 Harvard University의 대학원생으로서 심장을 감싸 압력을 완화하고 장기 펌프를 지원하도록 설계된 심장 슬리브를 개발했습니다.

현재 MIT에서 그녀와 그녀의 연구 그룹은 유사한 부드러운 로봇 보조 장치가 다른 조직과 근육에도 적용될 수 있음을 발견했습니다.

“우리는 주기적으로 펌핑하고 생명을 유지하는 또 다른 큰 근육이 무엇인지 생각했습니다. 다이어프램입니다.”라고 Roche는 말합니다.

팀은 코로나19 팬데믹이 시작되기 훨씬 전부터 이식형 인공호흡기 설계를 탐색하기 시작했는데, 당시 기존 인공호흡기의 사용이 사례와 함께 급증했습니다. 이러한 인공호흡기는 양압을 생성하여 공기가 환자의 중앙 기도를 통해 아래로 밀려 폐로 들어가게 합니다.