Un ventilatore robotico morbido impiantabile aumenta l'ispirazione in un modello di maiale con insufficienza respiratoria

Dec 07, 2023

Nature Biomedical Engineering volume 7, pagine 110–123 (2023) Citare questo articolo

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Una grave disfunzione del diaframma può portare a insufficienza respiratoria e alla necessità di ventilazione meccanica permanente. Tuttavia, l'ancoraggio permanente a un ventilatore meccanico attraverso la bocca o tramite tracheostomia può ostacolare la parola, la capacità di deglutizione e la mobilità del paziente. Qui mostriamo, in un modello suino di insufficienza respiratoria varia, che un attuatore robotico morbido contrattile impiantato sopra il diaframma aumenta il suo movimento durante l'inspirazione. L'attivazione sincronizzata dell'impianto di assistenza diaframmatica con lo sforzo respiratorio nativo ha aumentato i volumi correnti e mantenuto le velocità del flusso di ventilazione entro l'intervallo normale. Gli impianti robotici che intervengono sul diaframma piuttosto che sulle vie aeree superiori e che aumentano i parametri fisiologici della ventilazione possono ripristinare le prestazioni respiratorie senza sacrificare la qualità della vita.

Il diaframma è il muscolo principale responsabile dell'ispirazione e contribuisce fino al 70% del volume corrente inspiratorio in un individuo sano1,2. La disfunzione del diaframma può derivare da una varietà di eziologie tra cui il trauma del nervo frenico3 e la malattia neuromuscolare4,5. A causa della natura degenerativa di molte di queste eziologie, l’insufficienza respiratoria meccanica esiste come uno spettro continuo di disfunzioni. Una grave disfunzione o paralisi del diaframma può portare a insufficienza respiratoria cronica. Quando la malattia progredisce oltre la capacità di trattamento del trattamento non invasivo, i pazienti devono prendere la difficile decisione di optare per una ventilazione invasiva permanente tramite tracheostomia o di perseguire cure palliative con una consapevolezza della natura terminale della loro malattia. La ventilazione invasiva può interferire con molti aspetti della qualità della vita di un paziente, come ostacolare la parola, richiedere cure a tempo pieno e possibilmente richiedere il trasferimento del paziente in una struttura sanitaria. C’è un urgente bisogno di opzioni di ventilazione terapeutica che ripristini le prestazioni respiratorie senza sacrificare la qualità della vita, soprattutto per i soggetti affetti dai casi più gravi di disfunzione del diaframma.

La respirazione è un processo fondamentalmente meccanico. Il diaframma è un muscolo a forma di cupola che guida fino al 70% della respirazione1,6. Gli attuatori robotici morbidi sono ideali per riprodurre contrazioni muscolari complesse e ripetitive, come quella del diaframma, interfacciandosi in modo non distruttivo con il tessuto biologico. In precedenza, attuatori morbidi completamente impiantati hanno dimostrato la capacità di aumentare la funzione cardiaca7,8,9,10,11 e molti altri robot impiantabili di nuova concezione hanno mostrato utilità in un'ampia gamma di applicazioni biologiche12,13,14,15,16,17, 18,19,20. A causa della natura meccanica dell’insufficienza respiratoria, soprattutto nel contesto di condizioni come la distrofia muscolare, gli attuatori robotici morbidi impiantati applicati al diaframma hanno il potenziale per supportare e aumentare meccanicamente la sua funzione. Il lavoro precedente sullo studio della robotica morbida applicata all’aumento della respirazione è minimo; uno dei pochi esempi riporta un foglio di elastomero dielettrico utilizzato per sostituire completamente un diaframma asportato e generare movimento12,21. Al contrario, il lavoro qui presentato lascia intatto il diaframma nativo mentre dimostra la funzione in termini di aumento di parametri fisiologici clinicamente rilevanti (flussi di ventilazione, volumi e pressioni) oltre al movimento del diaframma in un modello suino in vivo invece di replicare esclusivamente il movimento del diaframma mentre asportazione del diaframma nativo.

Qui mostriamo un sistema di assistenza del diaframma che funziona come un ventilatore impiantabile utilizzando attuatori robotici morbidi per aumentare meccanicamente la funzione del diaframma durante l'inspirazione, aumentando l'ispirazione. Come prova di concetto, simuliamo una serie di insufficienza respiratoria all'interno di ciascun animale (in particolare, induciamo depressione respiratoria tramite anestetici e paralisi del diaframma recidendo il nervo frenico) e quindi dimostriamo la capacità del sistema di assistenza di aumentare i flussi respiratori, volumi e pressioni. Investighiamo anche parametri specifici della funzione inspiratoria, inclusi il picco di flusso inspiratorio e la pressione transdiaframmatica22. Mostriamo che per ottenere un'assistenza inspiratoria efficace, l'attivazione del sistema di assistenza deve essere sincronizzata con lo sforzo respiratorio sottostante del soggetto. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo costruito un sistema di controllo in cui l'attivazione viene attivata dall'inizio dell'inspirazione. Attraverso l'analisi delle forme d'onda respiratorie, indaghiamo l'allineamento ottimale dell'attuazione con lo sforzo respiratorio nativo del soggetto. Aumentando la funzione del diaframma in modo biomimetico, dimostriamo la replica e l’aumento della biomeccanica nativa della respirazione in cui una pressione pleurica e alveolare negativa guida il flusso d’aria, in contrapposizione alla ventilazione a pressione positiva della ventilazione meccanica standard.