Régulation respiratoire en boucle fermée extracorporelle pour les patients ayant des difficultés respiratoires à l'aide d'un robot bionique souple
Rapport académique sur les articles scientifiques
En médecine moderne, la régulation de la respiration est cruciale pour les patients souffrant de troubles respiratoires. Cependant, les respirateurs à pression positive actuellement utilisés en clinique présentent des problèmes de dépendance à long terme et de dommages, tandis que des dispositifs d’assistance externe comme le “poumon d’acier” offrent des solutions alternatives non invasives mais n’ont pas encore atteint les performances des muscles respiratoires biomimétiques. Par conséquent, les auteurs de cet article proposent un exosquelette robotique biomimétique souple, capable de réaliser une régulation respiratoire en boucle fermée par simulation de respiration naturelle.
Contexte académique
Les respirateurs sont largement utilisés en clinique, mais avec le vieillissement de la population et la persistance de la pandémie de COVID-19, la demande d’assistance respiratoire a considérablement augmenté. Les dispositifs d’assistance respiratoire actuels, y compris les respirateurs à pression positive et négative, présentent des limitations. Par exemple, les respirateurs à pression positive peuvent provoquer des lésions par pression et des effets hémodynamiques indésirables. Les respirateurs à pression négative reproduisent mieux la respiration naturelle mais sont souvent rigides et encombrants. Les dispositifs biomimétiques d’assistance respiratoire existants ont également des défauts, tels que l’absence d’assistance active à l’inhalation et à l’expiration. Par conséquent, il est crucial de développer un robot souple d’assistance respiratoire offrant à la fois un soutien actif bilatéral simulant la respiration naturelle et une bonne portabilité.
Source de l’article
Cet article, intitulé “Extracorporeal Closed-Loop Respiratory Regulation for Patients with Respiratory Difficulty Using a Soft Bionic Robot”, a été rédigé par des chercheurs de l’Université Beihang (北京航空航天大学) et du troisième Hôpital de l’Université de Pékin (北京大学第三医院), incluant Yan Zhang, Qinggang Ge, Zongyu Wang et al., et a été accepté pour publication dans le IEEE Transactions on Biomedical Engineering.
Processus de travail de la recherche
L’équipe de recherche a conçu un exosquelette robotique souple pour la régulation respiratoire non invasive. Le système comprend deux modules : un module d’inhalation et un module d’exhalation. Le module d’inhalation crée une chambre à vide à l’aide d’une coque à rigidité variable pour appliquer une pression négative sur la cage thoracique, augmentant ainsi la capacité pulmonaire ; le module d’exhalation utilise un réseau de muscles artificiels en origami souple et applique une pression positive pour comprimer les muscles abdominaux et soulever le diaphragme, facilitant l’expiration.
Conception et performance du module d’inhalation : La coque à rigidité variable du module est fabriquée à partir de matériaux pliables multicouches. De plus, un anneau d’étanchéité biocompatible a été conçu pour maintenir la forme de la coque sous pression négative. Les expériences montrent qu’avec une pression négative de -15 kPa, la coque conserve sa forme en mode serrage et s’effondre en mode relâché. La chambre à vide réagit bien aux signaux de contrôle variables.
Conception et performance du module d’exhalation : Le module d’exhalation comprend huit moteurs en origami souple faits de silicone et renforts en fibre de Kevlar. Après l’application d’une pression positive de 15 kPa à 25 kPa, ils fournissent une force de sortie avec un certain délai mais peuvent générer jusqu’à 400N de force, répondant aux besoins en assistance respiratoire.
Surveillance respiratoire externe et analyse des données : Des unités de mesure inertielle (IMU) miniatures détectent le mouvement thoracique et déclenchent l’assistance du robot. En comparant avec les variations de capacité pulmonaire mesurées par un masque respiratoire, un algorithme de détection de la respiration en temps réel basé sur IMU a été conçu, permettant de capturer efficacement les mouvements respiratoires des patients.
Conception du système de contrôle en boucle fermée : Un modèle de couplage force-respiration humain a été créé, et un contrôleur basé sur le modèle a été conçu pour ajuster les paramètres du système respiratoire en temps réel et en continu. La courbe cible de respiration a été conçue en forme d’onde triangulaire et adaptée aux données réelles de l’IMU pour garantir la précision du contrôle.
Tests sur sujets sains et patients avec difficulté respiratoire : Des tests ont été réalisés sur 10 sujets sains et 10 patients souffrant de difficultés respiratoires. Les résultats montrent que, sous l’assistance du robot, les sujets sains ont eu une amplitude respiratoire significativement accrue, les paramètres respiratoires tels que le débit inspiratoire de pointe, le débit expiratoire de pointe, le volume inspiratoire et expiratoire ont tous été améliorés. Pour les patients avec une fonction respiratoire altérée, ce robot souple a également amélioré leur capacité de ventilation et les résultats des tests sanguins gazeux ont montré une amélioration significative.
Résultats de la recherche
Performance des modules d’inhalation et d’exhalation : Le module d’inhalation maintient la forme de la coque rigide en mode serrage et applique une force d’expansion significative sur la poitrine avec une pression négative de -5 kPa. Le module d’exhalation présente un léger retard dans la réponse aux signaux de contrôle mais fournit une force de compression suffisante pour assister l’expiration.
Surveillance respiratoire et analyse des données : Les données des capteurs IMU sont cohérentes avec les mesures du masque respiratoire et reflètent fidèlement l’état respiratoire des sujets. L’algorithme permet aux capteurs IMU de détecter rapidement le début et la fin de la respiration, assurant une assistance précise par le contrôleur.
Efficacité du système de contrôle en boucle fermée : La courbe cible de respiration s’adapte bien aux données IMU en temps réel, et l’erreur de contrôle reste dans des limites acceptables. En particulier, pour les participants sans troubles respiratoires, l’amplitude respiratoire assistée par le robot est similaire voire supérieure à celle de la respiration forcée.
Effet de régulation respiratoire chez les sujets sains et les patients : Pour les sujets sains, l’amplitude respiratoire assistée par le robot a considérablement augmenté et les paramètres respiratoires ont été améliorés. Pour les patients, la capacité de ventilation a été significativement améliorée après la régulation respiratoire et les indicateurs de gaz sanguin ont également montré une amélioration, prouvant le potentiel d’application de ce robot souple chez les patients présentant des difficultés respiratoires.
Conclusion et valeur de la recherche
Cette recherche propose un système de robot souple exosquelette capable de réaliser une régulation respiratoire non invasive, montrant des effets significatifs d’assistance pour les patients souffrant de troubles respiratoires. Que ce soit à l’hôpital ou à domicile, ce robot a le potentiel de fournir une assistance respiratoire, particulièrement pour les patients nécessitant un soutien ventilatoire à long terme. En outre, le système offre une alternative non invasive aux dispositifs respiratoires existants grâce à son soutien bilatéral imitant la respiration naturelle.
Points forts de la recherche
Conception imitant la respiration naturelle : Le robot souple étend la cage thoracique par pression négative et comprime les muscles abdominaux par pression positive, réalisant une assistance respiratoire active bilatérale imitant la respiration naturelle.
Surveillance en temps réel et contrôle en boucle fermée : Les capteurs IMU surveillent en temps réel l’état respiratoire et, grâce au système de contrôle en boucle fermée, ajustent dynamiquement les paramètres du robot pour une régulation respiratoire précise.
Large applicabilité : Ce robot est efficace non seulement chez les patients souffrant de troubles respiratoires mais également chez les sujets sains, montrant un potentiel pour améliorer la capacité de ventilation, applicable en milieu hospitalier, à domicile, voire en altitude où l’oxygène est rare.
Directions futures de recherche
Bien que ce robot souple présente certains avantages, des améliorations supplémentaires sont nécessaires pour optimiser ses performances d’étanchéité et sa réponse dynamique. En outre, des stratégies de contrôle adaptatives doivent être développées pour répondre aux différents types de troubles respiratoires, afin de mieux répondre aux besoins cliniques spécifiques.
Cette recherche offre une solution innovante et efficace aux technologies d’assistance respiratoire, avec une valeur scientifique et des perspectives d’application importantes.