이식형 소프트 로봇 인공호흡기는 호흡 부전의 돼지 모델에서 영감을 증가시킵니다.

Dec 07, 2023

Nature Biomedical Engineering 7권, 110~123페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

심각한 횡경막 기능 장애는 호흡 부전을 일으키고 영구적인 기계적 환기가 필요할 수 있습니다. 그러나 입을 통해 또는 기관 절개술을 통해 기계식 인공호흡기에 영구적으로 묶는 것은 환자의 언어, 삼키는 능력 및 이동성을 방해할 수 있습니다. 여기에서는 다양한 호흡 부전의 돼지 모델에서 횡격막 위에 이식된 수축성 소프트 로봇 액츄에이터가 흡기 중에 움직임을 증가시킨다는 것을 보여줍니다. 기본 호흡 노력과 다이어프램 보조 임플란트의 동기화된 작동으로 일회 호흡량이 증가하고 환기 유속이 정상 범위 내로 유지되었습니다. 상기도가 아닌 횡경막에 개입하고 환기의 생리적 지표를 증가시키는 로봇 임플란트는 삶의 질을 희생하지 않고 호흡 성능을 복원할 수 있습니다.

횡경막은 흡기를 담당하는 주요 근육이며 건강한 개인의 흡기 일회 호흡량의 최대 70%를 차지합니다1,2. 횡경막 기능 장애는 횡격막 신경 외상3 및 신경근 질환4,5을 포함한 다양한 원인으로 인해 발생할 수 있습니다. 이러한 많은 병인의 퇴행성 특성으로 인해 기계적 호흡 부전은 지속적인 기능 장애 스펙트럼으로 존재합니다. 심한 횡경막 기능 장애나 마비는 만성 호흡 부전으로 이어질 수 있습니다. 질병이 비침습적 치료의 치료 능력 이상으로 진행되는 경우, 환자는 질병의 말기 특성을 이해하고 기관 절개술을 통한 영구 침습적 환기를 선택할지 아니면 완화 치료를 추구할지 어려운 결정을 내려야 합니다. 침습적 환기는 언어 장애, 풀타임 치료 필요, 환자를 치료 시설로 이동해야 하는 등 환자의 삶의 질에 대한 여러 측면을 방해할 수 있습니다. 특히 가장 심각한 횡경막 기능 장애가 있는 환자의 경우 삶의 질을 저하시키지 않고 호흡 성능을 회복하는 치료적 환기 옵션이 시급히 필요합니다.

호흡은 근본적으로 기계적 과정입니다. 횡경막은 호흡의 최대 70%를 구동하는 돔 모양의 근육입니다1,6. 소프트 로봇 액추에이터는 횡격막과 같은 복잡하고 반복적인 근육 수축을 재현하는 동시에 생물학적 조직과 비파괴적으로 인터페이스하는 데 이상적입니다. 이전에는 완전히 이식된 소프트 액추에이터가 심장 기능을 향상시키는 능력을 보여줬고7,8,9,10,11 새로 개발된 기타 많은 이식형 로봇 공학은 광범위한 생물학적 응용 분야에서 유용성을 보여주었습니다12,13,14,15,16,17 18,19,20. 호흡 부전의 기계적 특성으로 인해, 특히 근이영양증과 같은 상황에서 횡경막에 적용되는 이식된 소프트 로봇 액츄에이터는 그 기능을 기계적으로 지원하고 강화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 호흡 증강에 적용된 소프트 로봇 공학을 조사한 이전 연구는 거의 없습니다. 몇 가지 예 중 하나는 절단된 다이어프램을 완전히 교체하고 모션을 생성하는 데 사용되는 유전체 탄성중합체 시트를 보고합니다. 대조적으로, 여기에 제시된 작업은 다이어프램 모션을 단독으로 복제하는 것과는 반대로 생체 내 돼지 모델에서 다이어프램 모션 외에도 임상적으로 관련된 생리적 측정항목(환기 흐름, 부피 및 압력)의 증가 측면에서 기능을 시연하면서 기본 다이어프램을 그대로 유지합니다. 기본 다이어프램을 절제합니다.

여기에서는 흡입 중에 다이어프램 기능을 기계적으로 강화하여 영감을 증가시키는 소프트 로봇 액츄에이터를 사용하여 이식형 인공호흡기 역할을 하는 다이어프램 보조 시스템을 시연합니다. 개념 증명으로 우리는 각 동물의 다양한 호흡 부전을 시뮬레이션합니다. 특히 마취제를 통해 호흡 억제를 유발하고 횡경막 신경을 절단하여 횡격막 마비를 일으킨 다음 보조 시스템이 호흡 흐름을 증가시키는 능력을 보여줍니다. 부피와 압력. 또한 최대 흡기 유량 및 경횡경막압을 포함한 흡기 기능의 특정 지표를 조사합니다22. 우리는 효과적인 영감 지원을 달성하기 위해 보조 시스템의 작동이 대상의 기본 호흡 노력과 동기화되어야 함을 보여줍니다. 이를 달성하기 위해 영감이 시작되면 작동이 시작되는 제어 시스템을 구축했습니다. 호흡 파형 분석을 통해 우리는 피험자의 기본 호흡 노력에 따른 최적의 작동 정렬을 조사합니다. 생체 모방 방식으로 횡격막 기능을 강화함으로써 우리는 표준 기계 환기의 양압 환기와는 반대로 음의 흉막 및 폐포 압력이 공기 흐름을 유도하는 호흡의 기본 생체 역학의 복제 및 강화를 보여줍니다.