用于呼吸困难患者体外闭环呼吸调节的仿生软体机器人

2024-05-25 Sat
科学论文综合学术报道在现代医学中，呼吸调节对于呼吸功能障碍患者至关重要。然而，目前临床使用的正压呼吸机存在长期依赖和损伤等问题，而类似”铁肺”这样的体外辅助设备虽提供了无创替代方案，但现有的人工驱动器尚未达到仿生呼吸肌的效果。基于此，本文的作者提出了一种仿生软体外骨骼机器人，通过模拟自然呼吸，能够实现体外闭环呼吸调节。
学术背景呼吸机在临床上被广泛应用，但随着人口老龄化及新冠疫情的持续，呼吸功能辅助的需求大大增加。目前的呼吸辅助设备，包括正压和负压呼吸机，都存在一定局限性。比如，正压呼吸机会引起气压伤和不良血流动力学效应。负压呼吸机虽然能更接近自然呼吸，但通常结构刚性且笨重。现有的仿生呼吸辅助设备也存在一些缺点，如没有主动的吸气和呼气辅助。因此，开发一种既能提供仿自然呼吸双向主动支持，又具有良好穿戴性的软体呼吸辅助机器人显得尤为重要。
论文来源这篇论文题为《Extracorporeal Closed-Loop Respiratory Regulation for Patients with Respiratory Difficulty Using a Soft Bionic Robot》，由Beihang University（北京航空航天大学）和Peking University Third Hospital（北京大学第三医院）的研究人员合作完成，包括Yan Zhang、Qinggang Ge、Zongyu Wang等人，已被IEEE Transactions on Biomedical Engineering接受发表。
研究工作流程研究团队设计了一种软体外骨骼机器人，用于无创呼吸调节。该系统包括两个模块：吸气模块和呼气模块。吸气模块通过一个变刚度壳体形成真空腔，对胸廓施加负压以增加肺容量；呼气模块采用软体折纸阵列，在正压作用下压迫腹肌和抬升膈肌，以促进呼气。
吸气模块的设计与性能：
该模块设计中，变刚度壳体可以通过层叠材料的折叠构造来实现。此外，还设计了一个皮肤友好的密封环，以确保在施加负压时壳体保持原状。实验表明，当施加-15 kPa负压时壳体在夹持状态下保持形状，在松弛状态下塌缩。负压腔在连续变化的控制信号下表现出良好的压力响应。
呼气模块的设计与性能：
呼气模块由八个软体折纸驱动器组成，每个驱动器由硅橡胶和凯夫拉丝增强材料制成。在施加15 kPa至25 kPa的正压后，它们产生的输出力量有一定延迟，但可以提供高达400N的力量，适合于辅助呼吸的需求。
体外呼吸监测与数据分析：
使用小型惯性测量单元（IMU）传感器检测胸腔运动并触发机器人辅助。通过与呼吸面罩测量的肺容量变化进行对比，设计了一种基于IMU的实时呼吸检测算法，能有效捕捉患者的呼吸运动。
闭环控制系统设计：
构建了人机耦合呼吸力学模型，并设计了基于模型的控制器，通过调整呼吸系统的参数，实现连续、实时的呼吸调节。目标呼吸曲线被设计为三角波形，通过实际IMU数据进行拟合，以确保控制的精确性。
健康受试者和呼吸困难患者的测试：
对10名健康受试者和10名呼吸困难患者进行了测试。结果显示，健康受试者在机器人的辅助下，呼吸幅度明显增大，呼吸参数如峰值吸气流、峰值呼气流、吸气量和呼气量均有显著提高。对于呼吸功能障碍患者，这种软体机器人也显著改善了其通气能力，且血气检测结果也有明显改善。
研究结果吸气和呼气模块的性能：
吸气模块在夹持状态下可保持变硬的壳体形状，并在负压达到-5 kPa时对胸部施加显著的扩张力。呼气模块提供的力量在响应控制信号时有短暂延迟，但能够提供足够的压缩力以辅助呼气。
呼吸监测和数据分析：
IMU传感器的数据和呼吸面罩测量的数据高度一致，可以准确反映受试者的呼吸状况。通过算法设计，IMU传感器能够及时检测到呼吸的起点和终点，确保控制器能够准确辅助呼吸。
闭环控制系统的有效性：
目标呼吸曲线与实时IMU数据拟合度高，控制误差在可接受范围内。特别是对于无呼吸功能障碍的参与者，机器人辅助的呼吸幅度和强制呼吸相似甚至更大。
健康受试者和患者的呼吸调节效果：
对于健康受试者，机器人辅助后的呼吸幅度明显增加，呼吸参数得到显著改善。对于患者，呼吸调节后的通气能力显著提高，部分患者的血气指标也有明显改善，证明了这种软体机器人在呼吸困难患者中的应用潜力。
研究结论与价值本研究提出了一个软体外骨骼机器人系统，能够非侵入式地实现呼吸调节，对呼吸功能障碍患者表现出显著的辅助效果。无论在医院还是家庭环境中，这种机器人都有潜力用于辅助呼吸功能，特别是对那些需要长时间通气支持的患者。此外，该系统通过仿自然呼吸的双向支持，为现有呼吸设备提供了一个无创的替代方案。
研究亮点仿自然呼吸的设计：
软体机器人通过负压扩展胸廓和正压压缩腹肌，实现了仿自然呼吸的双向主动辅助。
实时监测与闭环控制：
使用IMU传感器实时监测呼吸状况，并通过闭环控制系统动态调整机器人参数，实现了精准的呼吸调节。
广泛适用性：
这种机器人不仅对呼吸功能障碍患者有效，在健康受试者中的应用也显示出改善通气能力的潜力，适用于医院、家庭甚至高原缺氧环境。
未来研究方向尽管该软体机器人表现出一定优势，但未来仍需进一步优化以提升其密封性能和动态响应。此外，还应根据不同类型的呼吸疾病，开发适应性的控制策略，以更好地满足具体的临床需求。
这项研究为呼吸辅助技术提供了一个创新且有效的解决方案，具有重要的科学价值和应用前景。