In-line miniature 3D-printed pressure-cycled ventilator maintains respiratory homeostasis in swine with induced acute pulmonary injury

doi:10.1126/scitranslmed.abm8351

.2022年10月12日；14（666）：eabm8351。

doi:10.1126/scitranslmed.abm8351。 Epub 2022年10月12日。

在线式微型3D加压循环呼吸机维持诱导性急性肺损伤猪的呼吸稳态

附属公司

¹美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院NIH临床中心介入肿瘤、放射和成像科学中心，邮编20892。
²fluidIQ公司，路易斯，DE 19958，美国。
^三美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院兽医资源部，邮编：20892。
⁴州际灾难医疗合作组织，美国密苏里州圣路易斯63141。
⁵美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院院长办公室临床研究室，邮编：20892。
⁶美国国家癌症研究所，美国国立卫生研究院，马里兰州贝塞斯达，20892。
⁷美国德克萨斯州加尔维斯顿市德克萨斯大学医学分院健康职业学院呼吸护理系，邮编77555。
⁸美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院NIH临床中心围手术期医学部，邮编：20892。

PMID： 36223450
预防性维修识别码： PMC9884101型
内政部： 10.1126/scitranslmed.abm8351

在线式微型3D加压循环呼吸机维持诱导性急性肺损伤猪的呼吸稳态

威廉·普里查德等。科学转化医学. 2022.

.2022年10月12日；14（666）：eabm8351。

doi:10.1126/scitranslmed.abm8351。 Epub 2022年10月12日。

附属公司

¹美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院NIH临床中心介入肿瘤、放射和成像科学中心，邮编20892。
²fluidIQ公司，路易斯，DE 19958，美国。
^三美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院兽医资源部，邮编：20892。
⁴州际灾难医疗合作组织，美国密苏里州圣路易斯63141。
⁵美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院院长办公室临床研究室，邮编：20892。
⁶美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院国家癌症研究所，邮编：20892。
⁷美国德克萨斯州加尔维斯顿市德克萨斯大学医学分院健康职业学院呼吸护理系，邮编77555。
⁸美国马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院NIH临床中心围手术期医学部，邮编：20892。

PMID： 36223450
预防性维修识别码： PMC9884101型
内政部： 10.1126/scitranslmed.abm8351

摘要

新冠肺炎疫情表明，需要廉价、易用、快速大规模生产的复苏设备，这些设备可以快速分发到急需的地区。基于射流原理的在线微型呼吸机通过在强制吸气和辅助呼气之间随着气道压力的变化自动振荡来为患者通气，只需要持续供应加压氧气。在此，我们设计了三个微型呼吸机模型，以在特定压力范围内沿着临床肺损伤（轻度、中度和重度损伤）的连续体进行操作。在肺部模拟器中评估的三维（3D）打印原型设备生成的气道压力、潮气量和肺部疾病状态目标范围内的分钟通气量，每一个都是为了支持。在家猪肺损伤诱导前后的试验中，当与适当程度的肺损伤相匹配时，轻度和中度损伤的呼吸机符合设计标准。尽管严重受伤的呼吸机提供了规定的设计压力，但呼吸频率随着分钟通气量的减少而提高，这是由于肺部顺应性低于设计参数。呼吸频率反映了每个呼吸机与肺部损伤状态的匹配程度，可以指导临床使用呼吸机型号的选择。这种简单的设备可以帮助缓解在大流行和其他需要快速获得先进的气道管理的灾害期间，或在免提通风的运输应用中，传统呼吸机的短缺。

PubMed免责声明

利益冲突声明

竞争利益：作者CJ、BRF、TB、DS和BKW是本手稿中提出的技术的创造者，正在申请专利（PCT/US2021/035043，通风设备和相关方法；29/786216；63/328599；和63/337997），是开发该设备的公益公司fluidIQ的少数股东和高管。AM是fluidIQ的一名官员。此外，BRF是州际灾难医疗协作组织的首席医疗官；圣路易斯华盛顿大学助理教授，但该项目没有使用大量大学资源；MedAware Solutions and Ploto的小股东和顾问。结核病目前或曾经在移植受者科学登记咨询委员会任职；美国胸科学会公共咨询圆桌会议名誉成员；肺健康基金会咨询委员会主席；美国威斯蒂基金会董事会；顾问和股东，BlueLight AI；他是三湖基金会、ForaCare Suisse、miRagen Therapeutics、New Amsterdam Sciences、Respivant和Wesper的顾问。DS是水电设备公司的员工。AM是IT Strategic Alliances，Inc（DBA as Enroute）的员工。BJW是NIH与飞利浦和飞利浦研究公司之间合作研发协议（CRADA）的首席研究员。飞利浦向美国国立卫生研究院支付特许权使用费，以获得与美国国立卫生研究院的许可协议，然后美国国立卫生研究院向BJW支付飞利浦许可专利的特许权使用费。BJW是NIH与NVIDIA、XACT Robotics、Celsion Corp、Siemens、Promaxo和BTG/Biocompatibles（现为Boston Scientific）之间CRADA的首席研究员。BJW和NIH与以下公司签订了材料转移或合作协议：Angiodynamics、3T Technologies、Profound Medical、Exact Imaging、Johnson and Johnson、Endocare/Healthtronics、QT Imaging、Imactus、Arcitrax、Theromics、Promaxo和Medtronic。在提交的工作之外，BJW是美国国立卫生研究院拥有的50项已颁发专利的主要发明人，但与本工作无关（可根据要求提供列表），其中一部分已由美国国立卫生研究院授权给飞利浦。BJW和NIH报告了与佳能医疗就无专利算法软件达成的许可协议。BJW是分配给HHS NIH美国政府的与药物洗脱珠技术相关的专利和未决专利的主要联合发明人，其中一些可能与BTG Biocompatibles/Boston Scientific联合发明家。BKW是Vero Biotech咨询委员会成员和顾问；FluidIQ顾问；并获得Vapotherm，Inc和Aerogen Medical的研究资助。NIH工作人员没有相互冲突的利益，对研究的进行、任何数据的纳入、手稿的准备和提交出版的决定具有最终控制权。

数字

图1。 — **图1微型呼吸机流型的计算流体动力学建模。**
微型呼吸机内的速度矢量场如图所示(A类)和到期日(B类). 氧气管道的流入通过带刺连接器（星号）和连接器（交叉影线）连接到患者电路。外部通风口（匕首）由保护条保护，以防意外堵塞。灵感激发期间的系统模型(C类)和到期日(D类)如图所示，包括（从左到右）：连接到带刺连接器的氧气供应线；直列式微型呼吸机；带切断阀的气道压力计（M，P）；90°抗窒息肘（AA）；和热湿交换过滤器（HMEF）。流量用颜色编码表示空气流速，范围为0-100 m/s，箭头表示空气流向矢量。这些可能在相应的电影S1和S2中得到更好的理解。

图2。 — **图2 3D绘制的直列式微型呼吸机。**
在线微型呼吸机的照片显示，该呼吸机在流入处连接到氧气管（星号），在患者流出处连接到气管插管（交叉影线）。大气排气口（匕首）凹进，以防止操作过程中意外堵塞。外形尺寸为2.4 cm x 7.4 cm。比例尺=2 cm。

图3。 — **图3在目标条件下使用的每个微型呼吸机的体外压力和体积曲线。**
连续呼吸超过12秒的气道压力和容量曲线，绿色（圆圈）(A类)，黄色（方形）(B类)、和红色（圆形）(C类)微型呼吸机是针对每一个呼吸机的情况显示的，使用肺模拟器测试其预期的肺损伤程度。绿色（圆形）、黄色（方形）和红色（圆形）微型呼吸机分别记录了176次、237次和324次呼吸。在每对图中，压力曲线位于顶部，体积曲线位于底部。

图4。 — **图4试管内使用微型呼吸机记录的所有呼吸的潮气量和呼吸频率。**
显示了2244次体外微型呼吸机呼吸的总数据。曲线拟合被生成为具有95%置信区间和所示曲线拟合的较窄置信度的三阶多项式。作为参考，图中显示了急性呼吸窘迫综合征平均成人的建议呼吸频率范围（14-26 bpm，水平阴影区），以保持4-8 mL/kg的潮气量预测体重（220-570 mL，垂直阴影区）。绿色（圆形）、黄色（方形）和红色（三角形）的总呼吸量分别为829、750和665次。每个单独呼吸机的数据分别显示在图S1中。

图5。 — **图5活体肺损伤前后的放射成像。**
胸部x光检查前(A类)以及之后(B类)术前肺损伤和锥束CT(C类)以及之后(D类)吐温-20洗涤剂对猪的肺损伤（胸部x光片代表n=3，CBCT代表n=2）。图像显示双侧肺部出现广泛的气道巩固（箭头所示）。CBCT图像是轴向平面上3mm厚多平面重建的最大强度投影。PA=肺动脉；B=支气管；下腔静脉；Ao=胸主动脉。

图6。 — **图6体内损伤后的肺部病理学。**
用5%吐温-20清洁剂损伤后肺实质的苏木精和伊红染色切片（代表n=1）。(A类)肺不张合并实变（星号）。支气管损伤（交叉阴影），坏死和上皮脱落。(B类)肺受累较少，肺实质充气（匕首），气道正常（箭头所示）。放大倍数为20倍，两幅图像中的条代表1厘米。

图7。 — **图7：使用微型呼吸机在体（猪）记录的所有呼吸的潮气量和呼吸频率。**
显示了三个微型呼吸机的体内总数据。曲线拟合以四阶多项式的形式生成，置信区间为95%，曲线拟合的置信区间较窄。作为参考，图中显示了急性呼吸窘迫综合征平均成年人的建议呼吸频率范围（14-26 bpm，水平阴影区），以保持4-8 mL/kg的潮气量预测体重（220-570 mL，垂直阴影区）。绿色（圆形）、黄色（方形）和红色（三角形）的总呼吸量分别为3953、2281和2975次。每个单独呼吸机的数据分别显示在图S2中。

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