中文字幕一级黄色A级片|免费特级毛片。性欧美日本|偷拍亚洲欧美1级片|成人黄色中文小说网|A级片视频在线观看|老司机网址在线观看|免费一级无码激情黄所|欧美三级片区精品网站999|日韩av超碰日本青青草成人|一区二区亚洲AV婷婷

前言

嚴重的橫膈膜功能障礙可導致呼吸衰竭，并需要永久性的機械通氣。然而，通過口腔或氣管切開術，并使用永久固定的機械呼吸機可能會阻礙患者的說話、吞咽能力和活動能力。因此，研究團隊展示了在不同呼吸強度的豬模型中，植入膈膜上方的收縮軟機器人驅(qū)動器在吸氣時可以增強其運動。橫膈膜輔助植入物與原生呼吸刺激的同步驅(qū)動增加了潮氣量和吸氣流量。植入物干預膈肌而不是上呼吸道，能夠增加通氣的生理指標，可以在不犧牲生活質(zhì)量的情況下恢復呼吸性能。

背景

橫膈肌是負責吸氣的主要肌肉，占健康個體吸氣潮氣量的70%。膈肌功能障礙可由多種功能障礙引起，包括膈神經(jīng)損傷和神經(jīng)肌肉疾病。由于這些病因的退行性性質(zhì)，使得患者通常會出現(xiàn)機械性呼吸衰竭。嚴重的膈肌功能障礙或癱瘓可導致慢性呼吸衰竭。當疾病進展超過無創(chuàng)治療的治療能力時，患者必須做出艱難的決定，選擇通過氣管切開術進行永久性有創(chuàng)通氣，或在了解其疾病的最終本質(zhì)后尋求姑息治療。

有創(chuàng)通氣可能會干擾患者生活質(zhì)量的許多方面，如妨礙說話，需要全職護理，并可能需要患者進入護理機構(gòu)。因此目前迫切需要治療性通氣的選擇，在不犧牲生活質(zhì)量的情況下恢復呼吸性能，特別是對于那些有最嚴重的橫膈膜功能障礙的患者。

理想的軟體機器人驅(qū)動器能夠復制復雜的、重復的肌肉收縮，如隔膜，同時對生物組織無害。以前，完全植入的軟體驅(qū)動器已經(jīng)顯示出了增強心臟功能的能力，而許多其他新開發(fā)的可植入式機器人也已經(jīng)在廣泛的生物應用中顯示出了實用性。由于呼吸衰竭的機械性質(zhì)，特別是在肌肉萎縮等情況的情況下，植入隔膜的軟機器人驅(qū)動器有可能機械支持和增強其功能。以前研究軟機器人應用于增強呼吸的工作很少，為數(shù)不多的例子之一是利用介電彈性體片用于完全取代切除的隔膜和產(chǎn)生運動。相比之下，研究團隊的工作是在保持原有隔膜完好的情況下，增強了豬的相關生理指標（通氣量，潮氣量等）。

實驗內(nèi)容

1、軟體機器人用于機械輔助隔膜運動

圖1 a.在松弛（左）和收縮（右）狀態(tài)下固定在肋骨上的天然隔膜的橫向橫截面示意圖。b.PAM組件。c.單個PAM在無加壓和加壓狀態(tài)下的樣子。d.通過將PAMs置于隔膜上方來增加隔膜運動的橫向橫截面示意圖。松弛狀態(tài)未加壓（左）狀態(tài)，推動隔膜尾部處于加壓（右）狀態(tài)。e.在活豬模型中位于隔膜的PAMs（黑色）位置的可視化。f，g.在未加壓(f)和加壓(g)狀態(tài)下使用 PAMs的體內(nèi)豬隔膜的橫向透視視圖。驅(qū)動器的充氣氣球用虛線勾畫出，并用箭頭表示。A和P分別表示動物的前后方向。

如圖1a所示，當隔膜收縮時，隔膜的弧度縮短，整個隔膜片向下移動，充當泵。胸腔容積增加，壓力降低，最終驅(qū)動呼吸。

研究團隊利用氣動人工肌肉（PAMs）的收縮功能來模擬和增強橫膈肌的自然收縮，選擇了較為經(jīng)典的McKibben型PAM。McKibben型PAM是由可伸縮的編織網(wǎng)，圍繞著可通氣的橡膠管構(gòu)成（如圖1b）。在本次研究組，PAM在20psi增壓下可產(chǎn)生40N的收縮力。從理論上可以利用它的線性收縮來擬合天然隔膜的固有曲率。因此研究團隊將PAM置于隔膜上方，末端固定于肋骨上（如圖1d）。隨著加壓，PAM的長度縮短，PAM機械地向下推動隔膜。之后，研究團隊通過手術將一對McKibben氣動肌肉植入到活豬的體內(nèi)位于心臟外側(cè)的前后方向（如圖1e）。在整個實驗過程中都對膈肌進行了透視（圖1f，g）。

在動物體實驗中，研究團隊模擬了動物的各類呼吸功能不全（如通過麻醉誘導呼吸抑制，通過切斷膈神經(jīng)誘導膈肌癱瘓）。通過超聲（b型）斷層成像顯示PAM對隔膜的推動，監(jiān)測其位移情況。（圖2a，b）。為了量化設備和橫膈肌的運動，采用了M型模式超聲，該模式適用于進行運動分析。圖2c，d記錄了隔膜每次呼吸時的位移變化，不對PAM加壓時，隔膜位移為0.37厘米。加壓后，增加至1.92厘米。

圖2 a,b.隔膜的二維視圖。a為松弛狀態(tài)，b為加壓狀態(tài)。c.無輔助通氣時的橫膈膜運動狀態(tài)。d.有輔助通氣時的橫膈膜運動狀態(tài)。橙色虛線表示隔膜，藍色虛線圓圈表示PAM橫截面，藍色星形表示隔膜的空間位置。

2、測量體內(nèi)潮氣量和吸氣峰值流量

研究團隊為了評估膈膜輔助系統(tǒng)增強呼吸功能的能力，使用儀器收集動物生理數(shù)據(jù)，包括呼吸系統(tǒng)內(nèi)的呼吸流量、體積和壓力。軟體機器人驅(qū)動器的增壓通過定制的控制系統(tǒng)進行控制，將與生理數(shù)據(jù)相同的驅(qū)動壓力數(shù)據(jù)輸入高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

通氣是驅(qū)動二氧化碳交換的關鍵，因此我們首先測試了流量和容積波形作為衡量通氣功能的標準。流量用肺活量儀測量，吸氣峰值流量可作為吸氣功能的臨床指標，它可以直接展示出膈肌輔助系統(tǒng)的效果。將流量與時間積分，可以得到一個隨時間變化的容積波形。每次呼吸量（潮氣量）和呼吸頻率（分鐘通氣量）是直接測量通氣量的最相關參數(shù)。呼吸系統(tǒng)內(nèi)的壓力，如胸膜和腹腔壓力，揭示了物理上驅(qū)動通氣的呼吸系統(tǒng)生物力學的信息。

實驗開始時，使用異氟醚對動物進行適當麻醉，并進行機械通氣。異氟醚會引起呼吸抑制，使潮氣量減少，呼吸頻率增加。在整個植入手術中，機械通氣被用來支持動物。研究團隊對每個實驗個體采取了一系列的呼吸測試，并在無輔助通氣（其中任何自發(fā)的呼吸都是由于原始的呼吸驅(qū)動）和推桿輔助通氣期間收集數(shù)據(jù)。機械通氣被用來恢復和維持呼吸測試之后和之間的正常通氣狀態(tài)。在試驗期間，所有的膈神經(jīng)都是完好的。

圖3 a.記錄實驗的驅(qū)動壓力變化，流量和潮氣量。灰色區(qū)域表示隔膜輔助系統(tǒng)關閉時間。b.記錄了一組峰值驅(qū)動壓力，峰值吸氣流量和潮氣量?；疑珔^(qū)域表示隔膜輔助系統(tǒng)關閉時間。c,d.表示五個實驗體在隔膜輔助系統(tǒng)開啟（左側(cè)）和關閉（右側(cè)）前后30秒時的平均峰值吸氣流量和潮氣量的變化。e.記錄了五個試驗體在輔助系統(tǒng)開啟和關閉前后30秒時的，體重標準化每分鐘通氣量，以及其相對于正常通氣量（深色）的位置。

根據(jù)圖3的結(jié)果表明，隔膜輔助系統(tǒng)可以顯著提升實驗體的吸氣峰值流量和潮氣量，在開啟系統(tǒng)時通氣量會有一個瞬時的跳躍，關閉時會略有下降，但明顯高于未開啟時。在五個實驗體的實驗中，不同實驗體對輔助系統(tǒng)的反應性不同。實驗體A的反應變化較為明顯，其他實驗體僅表現(xiàn)出了輕微反應甚至有了反效果（實驗體E）。在進行體重標準化每分鐘通氣量的計算后，可以發(fā)現(xiàn)每個實驗體在輔助系統(tǒng)的作用下，都達到了正常范圍的低標準。

3、同步呼吸

與機械通氣一樣，在實驗系統(tǒng)中，實驗者與輔助系統(tǒng)的運動同步對增強呼吸能力至關重要，異步通氣可能會破壞性地干擾原有的呼吸，導致使用輔助通氣比不使用更糟糕。

為了使輔助系統(tǒng)的驅(qū)動與實驗者的原有呼吸同步，研究團隊建立了一個控制系統(tǒng)（如圖4a，b）。該系統(tǒng)利用肺活量流量傳感器采集實驗者數(shù)據(jù)，根據(jù)流量設定了一個閾值，當流量超過閾值時，會發(fā)出一個流量脈沖發(fā)送到控制器中，控制器會觸發(fā)一個加壓和減壓周期變化的壓力波動，用于加壓空缺填充以及清空PAMs。

圖4 a.控制系統(tǒng)原理圖。b.一組理想的同步波形。c.代表使用獨立驅(qū)動方式的驅(qū)動壓力，流量和潮氣量的波形數(shù)據(jù)。d.代表使用同步驅(qū)動方式的驅(qū)動壓力，流量和潮氣量的波形數(shù)據(jù)。e,f.表示六個實驗者在獨立驅(qū)動（淺色）和同步驅(qū)動（深色）產(chǎn)生的流量對比。g,h.表示獨立驅(qū)動和同步驅(qū)動的M型超聲分析。橙色箭頭指向異步橫膈肌收縮。

控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)一套獨立于實驗體原有呼吸節(jié)奏的方案和與原有呼吸同步的方案。在圖4c中，可以看出由于獨立驅(qū)動模式與原有呼吸的節(jié)奏不匹配，在波形中反映出了混亂干擾。而圖4d中的同步驅(qū)動方案的波形就更為均勻。從后面的結(jié)果中可以看出，獨立驅(qū)動表現(xiàn)出的潮氣量和流量的方差要要高于同步驅(qū)動。這是由于獨立驅(qū)動干擾了原有的呼吸，使實驗體呼吸發(fā)生了失調(diào)。從圖4g中可以看出，獨立驅(qū)動的隔膜收縮并不是均勻的波形。

總結(jié)

研究團隊使用氣動軟機器人驅(qū)動器來支持和增強呼吸，演示了呼吸生理指標的急性增強和作為概念驗證設備的可行性。在呼吸功能不全的大型動物模型中，一組手術植入膈膜上方的兩組PAMs可以為膈膜提供機械支持。研究了其與呼吸系統(tǒng)和實驗體的相互作用，并使用多模態(tài)指標來評估呼吸功能。