MIT-Forscher entwickeln implantierbares Roboter-Beatmungsgerät

Von Brianna Wessling | 20. Dezember 2022

Ellen Roche mit dem von ihr und ihrem Team entwickelten weichen, implantierbaren Beatmungsgerät. | Quelle: MIT, M. Scott Brauer

Forscher am MIT haben ein weiches, robotergestütztes implantierbares Beatmungsgerät entwickelt, das die natürlichen Kontraktionen des Zwerchfells verstärken kann.

Das implantierbare Beatmungsgerät besteht aus zwei weichen, ballonähnlichen Schläuchen, die so implantiert werden, dass sie über dem Zwerchfell liegen. Wenn sie mit einer externen Pumpe aufgeblasen werden, fungieren die Schläuche als künstliche Muskeln, die das Zwerchfell nach unten drücken und die Expansion der Lunge unterstützen. Die Schläuche können entsprechend dem natürlichen Rhythmus des Zwerchfells aufgeblasen werden.

Das Zwerchfell liegt knapp unterhalb des Brustkorbs. Es drückt nach unten, um ein Vakuum zu erzeugen, in das sich die Lunge ausdehnt, damit sie Luft ansaugen kann, und entspannt sich dann, um Luft herauszulassen.

Die Schläuche im Beatmungsgerät ähneln McKibben-Aktuatoren, einer Art pneumatischem Gerät. Das Team befestigte die Schläuche auf beiden Seiten des Zwerchfells am Brustkorb, sodass das Gerät von vorne nach hinten über den Muskel lag. Mithilfe einer dünnen externen Luftleitung verband das Team die Schläuche mit einem kleinen Pumpen- und Steuersystem.

Dieses weiche Beatmungsgerät wurde von Ellen Roche, einer außerordentlichen Professorin für Maschinenbau und Mitglied des Instituts für Medizintechnik und Wissenschaft am MIT, und ihren Kollegen entworfen. Das Forschungsteam erstellte ein Proof-of-Concept-Design für das Beatmungsgerät.

„Dies ist ein Proof of Concept einer neuen Art der Beatmung“, sagte Roche gegenüber MIT News. „Die Biomechanik dieses Designs ähnelt eher der normalen Atmung im Vergleich zu Beatmungsgeräten, die Luft in die Lunge drücken, wo man eine Maske oder ein Tracheostoma hat. Es ist ein langer Weg, bis es einem Menschen implantiert wird. Aber es ist spannend, dass wir zeigen konnten, dass wir die Beatmung durch etwas Implantierbares verbessern können.“

Laut Roche liegt der Schlüssel zur Maximierung der Arbeitsleistung der implantierbaren Pumpe darin, dem Zwerchfell bei seiner natürlichen Kontraktion einen zusätzlichen Druck nach unten zu verleihen. Das bedeutet, dass das Team nicht versuchen musste, die Bewegung des Zwerchfells genau nachzuahmen, sondern lediglich ein Gerät entwickeln musste, das diesen Druck ausüben kann.

Das implantierbare Beatmungsgerät besteht aus zwei Schläuchen, die über dem Zwerchfell liegen. | Quelle: MIT

Roche und ihr Team testeten das System an narkotisierten Schweinen. Nach der Implantation des Geräts überwachten sie den Sauerstoffgehalt der Schweine und nutzten Ultraschallbildgebung, um die Funktion des Zwerchfells zu beobachten. Im Allgemeinen stellte das Team fest, dass das Beatmungsgerät die Luftmenge erhöhte, die die Lunge der Schweine mit jedem Atemzug ansaugen konnte. Das Gerät funktionierte am besten, wenn die Kontraktionen des Zwerchfells und der künstlichen Muskeln synchron arbeiteten und es den Schweinen ermöglichte, dreimal so viel Luft einzusaugen, wie sie ohne Hilfe könnten.

Das Team hofft, dass sein Gerät Menschen helfen könnte, die mit chronischen Funktionsstörungen des Zwerchfells zu kämpfen haben, die durch ALS, Muskeldystrophie und andere neuromuskuläre Erkrankungen, Lähmungen und Schäden am Zwerchfellnerv verursacht werden können.

Zum Forschungsteam gehörten Roche, eine ehemalige Doktorandin am MIT Lucy Hu, Manisha Singh, Diego Quevedo Moreno, Jean Bonnemain vom Universitätsklinikum Lausanne in der Schweiz sowie Mossab Saeed und Nikolay Vasilyev vom Boston Children's Hospital.