Virkningerne af lydenergi på pulmonal gasudveksling

Lydbølger bruges i forskellige industrier til at accelerere processen med at blande eller adskille væsker (gasser/væsker). Vi har bevist, at visse lydbølger sikkert kan forbedre gasudvekslingen i lungerne hos rotter ved at accelerere gasdiffusion i deres luftveje og alveoler. Nu vil vi se, om lignende lydbølger kan forbedre gasudvekslingen hos mennesker.

Enheden, der skaber lydbølgerne, er en sonisk trykoscillator, der er i stand til at lave lydbølger, der ligner høje menneskers sang eller skrig i lydstyrke og frekvens. Disse bølger er hovedsageligt i frekvensområdet 50-500 Hz (Hertz, svingninger pr. sekund) med en intensitet på 85-105 dBs (deci Bells, enhed for lydtrykintensitet).

Vi udførte to bench top undersøgelser og så lydbølgernes evne til at øge gasdiffusion. I et pilotstudie i rotter viste vi en sikker og signifikant forbedring i lungegasudveksling under påvirkning af lydenergi. Virkningerne af lydbølger på gasudveksling i et menneske, principal investigator (PI), blev også analyseret i en metabolisk test med lovende resultater. En klinisk signifikant forbedring i PI's pulmonal gasdiffusion blev også noteret i en DLCO (diffuserende lungekapacitet for kulilte) test. På endnu en test, kunstigt forstørret pulmonal dødrumsundersøgelse, blev PI's transkutane oxygen- og kuldioxidtryk (PtcCO2 & PtcO2) målt, og resultaterne indikerede tilstedeværelsen af ​​ønskede og sikre effekter af særlige lydbølger i lungegasudveksling. Ovennævnte undersøgelser understøtter rationalet, målene og metodikken for de foreslåede undersøgelser.

Vores menneskelige studier vil være sammensat af en primær og en sekundær del. I den primære del indføres lydbølgerne ikke direkte i forsøgspersonernes lunger, og de afgives snarere i en åben cylinder, mens forsøgspersonerne indånder luften fra den lukkede ende af cylinderen. Lydintensiteten vil blive holdt i området 95-105dB.

I anden del af undersøgelserne introduceres lydbølgerne med lavere intensitet (85-95dB) direkte i forsøgspersonernes lunger, mens forsøgspersonerne gennemgår 1) en metabolisk test og 2) en lungediffusionskapacitet (DLCO) test. Resultaterne af disse tests vil blive sammenlignet med forsøgspersonens baseline testresultater (uden lydbølger).

I begge dele af undersøgelsen vil forsøgspersonernes næsebor blive klemt fast af almindelige plastiknæseklemmer, da de bliver bedt om at holde et mundstykke og trække vejret igennem det.

I den primære del vil lydbølger på 95-105dB blive leveret til en 16 L (liter) frustum (konisk cylinder). Frustums bredere base er åben for rumluft, men dens mindre base er lukket. Et 2x20 cm rør vil forbinde den lukkede ende af stumhulen til mundstykket. Forsøgspersonerne vil trække vejret ind og ud af den smallere (lukkede) base af frustum gennem mundstykket i 3 minutters cyklusser efterfulgt af 3 minutters cyklusser med indånding af frisk rumluft. Forsøgspersonernes PtcCO2 og PtcO2 vil blive målt med stumsten holdt i forskellige rumlige orienteringer i forhold til dens åbne base, som vil være 1) lodret opad (+90 grader med horisont), 2) vandret (0 grader), lodret nedad (- 90 grader), og vippet til -45 graders vinkler. Denne test vil tage mindst 6x4=24 minutter og ikke mere end 30 minutter for hvert emne. Derefter vil de samme test blive udført med lydenergi indført i frustum. Samlet tid til at studere hvert emne vil være cirka 48-60 minutter.

Den sekundære del af undersøgelsen er sammensat af to afsnit. I det første afsnit vil diffusionskapaciteten af ​​lungerne blive målt, mens lydbølgerne afspilles af transduceren og leveres via et mundstykke ind i forsøgspersonernes mundhule. Lydbølgerne vil bevæge sig ned gennem lungeluftvejene og ind i alveolerne. En eksaminator vil lytte til brystvæggen for at sikre, at forsøgspersonen tillader bølgerne at bevæge sig ned ad luftvejene uden at blokere vejen til lydbølgerne ved uforvarende at holde tungen oppe eller holde vejret. Nævnte mundstykke er forbundet via et Y-stik til DLCO-maskinen og røret, som afgiver lydbølgerne. Varigheden af ​​den udøvede lydeffekt vil kun være 9 sekunder i henhold til protokollen for en rutinemæssig DLCO-test. Denne periode falder sammen med det tidspunkt, hvor motivet tager en dyb indånding og holder den i 9 sekunder. Lungediffusionskapaciteten hos forsøgspersonerne vil blive målt og sammenlignet med lydløse testresultater. Selvom testen bruger en meget lille mængde kulilte (CO) som sporgas, men mængden anses for ubetydelig og ganske sikker. Denne test er blevet udført på mennesker rutinemæssigt i mange år uden kendte mærkbare bivirkninger. Det er blevet godkendt af FDA for mange år siden. Der er en overflod af medicinsk litteratur om sikkerhed og metoder, der anvendes i DLCO. Der er også flere YouTube-videoer, der viser, hvordan DLCO udføres. Vi vil opfordre deltagerne til at se disse videoer før undersøgelserne. Forsøgspersonerne vil sidde behageligt på en stol og holde mundstykket i munden og indånde rumluften. De kan nemt afbryde testen til enhver tid ved blot at tage mundstykket ud af munden.

I andet afsnit skal forsøgspersonerne gennemgå stofskiftetest, hvor deres udåndede ilt (O2) og kuldioxid (CO2) måles med og uden lydeffekter. Metaboliske tests har været godkendt af FDA i mange år og anses generelt for at være meget sikre. Under testen trækker deltagerne vejret fra mundstykket med klemt næsebor. Åndedrætsgasser vil blive tilvejebragt ved at forbinde mundstykket til et rør, som normalt har en basisstrøm af rumluft på 40 l/min eller mere. For at vise iltningsforbedring via lydenergi bliver vi nødt til at skabe et suboptimalt åndedrætsmiljø og kunstigt induceret hypoxi. Mild hypoxi tolereres generelt godt af raske mennesker, selvom det kan få individet til at føle åndenød og takypnø. Vi vil tilføje nitrogen til den tilførte luft for at bringe fraktionen af ​​inhaleret ilt (FiO2) ned til 17,5 %, hvilket svarer til vejrtrækning i en højde af 7500 fod (ca. 2250 m) eller lignende til et skisportssted, bortset fra at vi ikke spørger vores emner til at blive involveret i kraftig motion som skiløb, og testen er kun ~20 minutter. Den sænkede FiO2 vil bringe forsøgspersonernes puls ox (SpO2) ned til 92-94 %, hvilket generelt anses for sikkert og veltolereret af alle normale mennesker uden kardiopulmonale tilstande. Den resulterende milde og forbigående respiratoriske alkalose har ingen klinisk betydning, da den kun involverer en 20 minutters test, og pH-ubalancen vil blive bufferet naturligt uden at inducere nogen elektrolytabnormiteter.

Den akustiske transducer er, som kort nævnt tidligere, en simpel lydbølgegenerator og er sammensat af en tonegenerator (normalt en computer), en elektronisk forstærker, en akustisk transducer, der ligner en almindelig højttaler, og et tragt- og slangesystem, der styrer lydbølger ind i forsøgspersonernes mundstykke. Dens funktion minder meget om at stå foran en højttaler og lade lydene trænge ind i mund/næse og ned i lungeluftvejene bortset fra, at for at beskytte ørerne og forstærke lydene bruges en tragt til at fange bølgerne og dirigere dem. ind i mundhulen via et rør. Enheden er lavet, tunet og kalibreret af den primære efterforsker. Den kan producere toner fra 20 Hz til omkring 11 KHz med nyttige intensiteter fra 65dB til maksimalt 110dB. Den simple enhed er med succes blevet brugt til rotter og et menneske (PI) uden nogen mærkbare bivirkninger.

For mere detaljeret beskrivelse af metodikken og resultaterne af vores tidligere undersøgelser henvises til de vedhæftede dokumenter med den refererede litteratur.

Dataindsamling:

I løbet af den første del af undersøgelsen vil data med forsøgspersoners PtcCO2, PtcO2, hjertefrekvens, respirationsfrekvens, minutvolumen og blodtryk blive logget på et regneark og gemt på adgangskodebeskyttede computere.

Variationer i lungediffusionskapaciteten under påvirkning af lydvibrationer vil blive målt og registreret ved hjælp af en DLCO-maskine på LLUMC's respiratoriske afdeling. Data vil også blive gemt på adgangskodebeskyttede computere ved hjælp af krypteret MS-Excel ud over DLCO-maskinens hukommelse. Under de metaboliske tests vil inhalerede og udåndede koncentrationer af O2 og CO2 løbende blive overvåget sammen med forsøgspersonernes hjertefrekvens, åndedrætsfrekvens, pulsoxymetri, blodtryk, patientens generelle komfortniveau og hans/hendes kliniske velbefindende. De krypterede og adgangskodebeskyttede data vil blive indsamlet på Microsoft Spreadsheets til statistisk analyse af en biostatistiker.

RISIKO OG SKADE:

Menneskelige ører er særligt tilbøjelige til at blive beskadiget af høje lyde. Øresmerter eller ubehag kan forekomme ved lydniveauer så lave som 110dB, men smertefulde lydniveauer anses generelt for at ligge i området 125-135dB. Andre organer tolererer lydbølger meget bedre, og vævsskader forekommer normalt ikke ved lydintensitetsniveauer under 160-170dB. Lydintensiteten vil blive overvåget og optaget under undersøgelserne. Intensiteterne vil altid blive holdt på under 105dB, hvilket er væsentligt under eventuelle skadelige niveauer i betragtning af, at lydtrykniveauer måles i logaritmisk skala.

Under de metaboliske tests vil forsøgspersonernes pulsoximetri blive holdt over 92% for at undgå eventuelle bivirkninger. Disse niveauer tolereres meget godt af mennesker, og almindeligvis supplerer læger ikke ilt til patienter på disse niveauer. Meget kortvarig hypoxi med hyperkapni vil ske under frustum-testen, når frustum holdes ved +90 graders position, da SpO2 vil falde til øvre 70'er til nedre 90'ere på ca. 3 minutter, hvilket er grænsen for denne test. Vi standser testen før 3 minutters vartegn, hvis et forsøgspersons SpO2 gik under 80 %. Den korte og forbigående hypoxi og hyperkapni tolereres godt. En læge vil altid være til stede, når testene kører. En grundig lægeundersøgelse umiddelbart før testene vil også sikre forsøgspersonernes sikkerhed.

Metaboliske undersøgelser og DLCO-test er blevet udført rutinemæssigt i mange år/årtier og anses generelt for at være meget sikre. Mængden af ​​inhaleret kulilte, der anvendes som sporgas i DLCO, er væsentligt under eventuelle toksiske niveauer. Disse tests er blevet godkendt af FDA i lang tid og anses for sikre selv hos patienter med lungesygdomme.

FORDELE:

Undersøgelserne har ingen direkte eller umiddelbar fordel for de forsøgspersoner, der deltager i undersøgelsen. Det er blevet forventet, at lydbølger kan hjælpe med at mindske forekomsten og sværhedsgraden af ​​"ventilationsinduceret lungeskade eller VILI" i et omfang, der endnu ikke er målt. Hovedårsagen bag denne postulation er, at tilføjelse af passende lydbølger til åndedrætsgasser vil gøre os i stand til effektivt at ventilere lunger med lavere FiO2 og/eller mindre middelluftvejstryk (Pmaw) sammenlignet med de aktuelt tilgængelige teknologier. Det har været kendt i lang tid, at høj FiO2/Pmaw er de to vigtigste forudsigere for VILI. Det forventes også, at resultatet af kardiopulmonal genoplivning (CPR) og mange akutte eller kroniske lungelidelser såsom KOL, astma, cystisk fibrose, bronkopulmonal dysplasi, restriktive lungesygdomme, akut lungeskade, pneumothorax, RDS og nogle andre tilstande kan forbedres ved brug af ordentlige lydbølger.