Новая технология сможет улучшить объем легких у людей с дисфункцией диафрагмы.
Для многих из нас акт дыхания происходит естественным образом. Наша диафрагма — куполообразная мышца, лежащая прямо под грудной клеткой, — работает как медленный и устойчивый батут, нажимая вниз, чтобы создать вакуум для расширения легких и всасывания воздуха, а затем расслабляясь, когда воздух выталкивается наружу. Таким образом, диафрагма автоматически контролирует объем наших легких и является основной мышцей, отвечающей за нашу способность дышать.
Но когда функция диафрагмы нарушена, инстинкт дыхания становится сложной задачей. Хроническая дисфункция диафрагмы может возникать у людей с БАС, мышечной дистрофией и другими нервно-мышечными заболеваниями, а также у пациентов с параличом и повреждением диафрагмального нерва, стимулирующего сокращение диафрагмы.
Новый экспериментальный проект инженеров Массачусетского технологического института направлен на то, чтобы в один прекрасный день улучшить функцию жизнеобеспечения диафрагмы и увеличить объем легких у людей с дисфункцией диафрагмы.
Команда Массачусетского технологического института разработала мягкий, роботизированный и имплантируемый аппарат ИВЛ, который предназначен для усиления естественных сокращений диафрагмы. В основе системы лежат две мягкие баллонообразные трубки, которые можно имплантировать так, чтобы они располагались над диафрагмой. При надувании внешним насосом трубки действуют как искусственные мышцы, нажимая на диафрагму и помогая легким расширяться. Трубки можно надувать с частотой, соответствующей естественному ритму диафрагмы.
Исследователи продемонстрировали имплантируемый вентилятор на животных моделях и показали, что в случаях нарушения функции диафрагмы система способна значительно увеличить количество воздуха, которое могут втянуть легкие.
Предстоит еще много работы, прежде чем такую имплантируемую систему можно будет использовать для лечения людей с хронической дисфункцией диафрагмы. Но предварительные результаты открывают новый путь в технологии вспомогательного дыхания, которую исследователи стремятся оптимизировать.
Это доказательство концепции нового способа вентиляции. Биомеханика этой конструкции ближе к нормальному дыханию, по сравнению с вентиляторами, которые нагнетают воздух в легкие, где у вас есть маска или трахеостомия. До того, как это будет имплантировано человеку, предстоит долгий путь. может увеличить вентиляцию с помощью чего-то имплантируемого,говорит Эллен Рош из Института медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института.
Дизайн имплантируемого аппарата ИВЛ вырос из предыдущей работы над вспомогательным устройством для сердца. Будучи аспирантом Гарвардского университета, компания «Рош» разработала сердечный рукав, предназначенный для наматывания вокруг сердца, чтобы уменьшить давление и обеспечить поддержку, когда орган качается. Сейчас в Массачусетском технологическом институте она и ее исследовательская группа обнаружили, что аналогичная мягкая роботизированная помощь может быть применена к другим тканям и мышцам.
Мы подумали, какая еще большая мышца циклически качается и поддерживает жизнь? Диафрагма,говорит Рош.
Команда начала изучать конструкции имплантируемого аппарата ИВЛ задолго до начала пандемии COVID-19, когда количество случаев использования обычных аппаратов ИВЛ резко возросло. Эти вентиляторы создают положительное давление, при котором воздух проталкивается через центральные дыхательные пути пациента и нагнетается в легкие.
Диафрагма, напротив, создает отрицательное давление. Когда мышца сокращается и давит вниз, она создает отрицательное давление, которое всасывает воздух в легкие, подобно тому, как если бы вы тянули ручку велосипедного насоса, чтобы втянуть воздух. Команда «Рош» стремилась разработать аппарат искусственной вентиляции легких с отрицательным давлением — систему, которая могла бы помочь увеличить естественную функцию диафрагмы, особенно для людей с длительной дисфункцией дыхания.
Новая система, о которой сообщается в статье, состоит из двух длинных, мягких и надувных труб, которые похожи на тип пневматических устройств, известных как приводы McKibben. Команда адаптировала трубки, чтобы они располагались поперек диафрагмы (спереди назад) и прикреплялись к грудной клетке по обе стороны от куполообразной мышцы. Один конец каждой трубки соединяется с тонкой внешней линией, которая идет к небольшому насосу и системе управления. Анализируя сокращения диафрагмы, команда может запрограммировать насос на надувание трубок с одинаковой частотой.
Исследователи протестировали систему на свиньях под наркозом, имплантировав трубки поверх диафрагмы животных и хирургическим путем прикрепив концы трубок к ребрам на обоих концах мышцы. Они контролировали уровень кислорода у животных и наблюдали за работой их диафрагмы с помощью ультразвукового изображения.
Команда обнаружила, что в целом имплантируемый вентилятор увеличивает дыхательный объем свиней или количество воздуха, которое легкие могут втягивать при каждом вдохе. Наиболее значительное улучшение наблюдалось в случаях, когда сокращения диафрагмы и искусственных мышц были синхронизированы. В этих случаях вентилятор помогал диафрагме втянуть в три раза больше воздуха, чем без посторонней помощи.
Идея заключается в том, что мы знаем, что некоторые части этой системы могут быть миниатюризированы. Насос и систему управления можно носить на ремне или рюкзаке или даже полностью имплантировать. Существуют имплантируемые сердечные насосы, поэтому мы знаем, что это выполнимо. На данный момент мы много изучаем биомеханику и работу дыхания, и как мы можем дополнить все это с помощью этого нового подхода,говорит Рош.
