呼吸困難患者のための軟性バイオニックロボットを使用した体外閉ループ呼吸調節

2024-05-25 Sat
科学論文総合学術報道現代医学において、呼吸調節は呼吸機能障害患者にとって非常に重要です。しかし、現在臨床で使用されている陽圧式呼吸器には長期間の依存や外傷などの問題があります。また、いわゆる「アイアン・ラング」などの体外補助機器は非侵襲的な代替手段を提供していますが、現存する人工駆動装置は未だに生体模倣の呼吸筋を実現できていません。これに基づき、本論文の著者は自然な呼吸をシミュレートするバイオニックソフトエクソスケルトンロボットを提案し、体外閉ループ呼吸調節を実現可能としています。
学術背景呼吸器は臨床で広く使用されていますが、人口の高齢化や新型コロナウイルスのパンデミックに伴い、呼吸機能補助の需要が大幅に増加しています。現在の呼吸補助機器には陽圧式と陰圧式がありますが、それぞれに一定の制約があります。例えば、陽圧呼吸器は気圧外傷や不良な血行動態学的影響を引き起こす可能性があります。陰圧呼吸器は自然な呼吸により近いですが、通常は剛性が高く、かさばります。現存のバイオニック呼吸補助装置にも欠点があり、吸気と呼気の両方を積極的に補助する機能がありません。そのため、自然な呼吸をシミュレートしつつ、良好な装着性を持つソフト呼吸補助ロボットの開発が非常に重要です。
論文概要この論文は「Extracorporeal Closed-Loop Respiratory Regulation for Patients with Respiratory Difficulty Using a Soft Bionic Robot」と題され、北京航空航天大学（Beihang University）と北京大学第三医院（Peking University Third Hospital）の研究者たちにより共同で執筆されました。著者にはYan Zhang、Qinggang Ge、Zongyu Wangなどが含まれ、IEEE Transactions on Biomedical Engineeringに受理されています。
研究作業の流れ研究チームは非侵襲的な呼吸調節のためのソフトエクソスケルトンロボットを設計しました。このシステムは吸気モジュールと呼気モジュールの2つのモジュールで構成されています。吸気モジュールは硬度可変のシェルを用いて真空キャビティを形成し、胸郭に陰圧をかけて肺容量を増加させます。呼気モジュールはソフトな折り紙アレイを使用し、陽圧をかけて腹筋を圧迫し、横隔膜を持ち上げて呼気を促進します。
吸気モジュールの設計と性能：
このモジュールの設計では、重ね合わせた材料を折り畳む構造により硬度の可変シェルを実現しています。また、皮膚に優しいシールリングを設計し、陰圧をかけてもシェルが形状を保つようにしています。実験によると、-15 kPaの陰圧をかけた状態でもシェルは保持され、弛緩状態では崩れます。陰圧キャビティは連続的に変化する制御信号に対して良好な圧力応答を示しました。
呼気モジュールの設計と性能：
呼気モジュールは8つのソフトな折り紙駆動器で構成されており、各駆動器はシリコーンゴムとケブラー繊維で強化されています。15 kPaから25 kPaの陽圧を掛けることで、一定の遅延がありますが、最大で400Nの力を提供し、呼吸の補助に適しています。
体外呼吸の監視とデータ分析：
小型の慣性計測装置（IMU）センサーを使用して胸腔の動きを検出し、ロボットの補助をトリガーします。呼吸マスクで測定した肺容量の変化と比較することで、IMUに基づいたリアルタイムな呼吸検出アルゴリズムを設計し、患者の呼吸運動を効果的に捕捉します。
閉ループ制御システムの設計：
人と機械のカップリング呼吸力学モデルを構築し、モデルベースのコントローラーを設計して、呼吸システムのパラメータを調整し、連続かつリアルタイムな呼吸調節を実現します。目標呼吸曲線は三角波形として設計され、実際のIMUデータにフィットさせて、制御の正確性を確保しています。
健康な被験者と呼吸困難患者のテスト：
10名の健康な被験者と10名の呼吸困難患者に対してテストを行いました。その結果、健康な被験者はロボットの補助により、呼吸幅が明らかに増加し、呼吸パラメータ（ピーク吸気流量、ピーク呼気流量、吸気量、呼気量）が顕著に改善されました。呼吸機能障害患者に対しても、このソフトロボットは大幅に換気機能を改善し、血液ガス検査の結果も明らかに改善しました。
研究結果吸気と呼気モジュールの性能：
吸気モジュールは硬度の変わるシェルの形状を保持し、-5 kPaの陰圧で胸部に顕著な拡張力を与えました。呼気モジュールは短い遅延があるものの十分な圧縮力を提供し、呼気を補助しました。
呼吸監視とデータ分析：
IMUセンサーのデータと呼吸マスクによる測定データは高い一致度を示し、被験者の呼吸状態を正確に反映しました。アルゴリズムの設計により、IMUセンサーは呼吸の開始点と終了点を迅速に検出し、コントローラーが正確に呼吸を補助できるようにしました。
閉ループ制御システムの有効性：
目標呼吸曲線とリアルタイムIMUデータのフィット度は高く、制御誤差は許容範囲内でした。特に呼吸機能障害のない被験者に対しては、ロボットの補助を受けた呼吸幅が強制呼吸と同等以上に大きくなりました。
健康な被験者と患者の呼吸調節効果：
健康な被験者に対しては、ロボット補助後の呼吸幅が明らかに増加し、呼吸パラメータが顕著に改善されました。患者に対しても、呼吸調節後の換気能力が大幅に向上し、一部の患者の血液ガス指標も明らかに改善されました。これにより、このソフトロボットが呼吸困難患者に適用可能なことが証明されました。
研究結論と価値本研究は、非侵襲的に呼吸調節を実現するソフトエクソスケルトンロボットシステムを提案し、呼吸機能障害患者に対して顕著な補助効果を示しました。このロボットは病院や家庭環境において、特に長期的な通気支援が必要な患者に対して呼吸機能を補助する可能性があります。さらに、このシステムは自然な呼吸を模倣する両方向のサポートを提供し、現存の呼吸装置に対する非侵襲的な代替手段を提供しました。
研究のハイライト自然な呼吸を模倣した設計：
ソフトロボットは陰圧で胸郭を拡張し、陽圧で腹筋を圧迫することで、自然な呼吸を模倣する両方向の積極的な補助を実現しました。
リアルタイム監視と閉ループ制御：
IMUセンサーを使用して呼吸状態をリアルタイムで監視し、閉ループ制御システムによって動的にロボットのパラメータを調整し、精密な呼吸調節を実現しました。
広範な適用性：
このロボットは呼吸機能障害患者にとって有効であるだけでなく、健康な被験者に対しても換気能力の改善効果を示し、病院、家庭、さらには高地酸素欠乏環境にも適用できます。
今後の研究方向このソフトロボットは一定の優位性を示しましたが、今後はシール性能と動的応答性の向上が必要です。また、様々なタイプの呼吸疾患に適応するための制御戦略を開発し、具体的な臨床ニーズにより良く応えることが求められます。
この研究は呼吸補助技術に対する革新的かつ効果的なソリューションを提供し、重要な科学的価値と応用前景を持っています。