Die Auswirkungen von Schallenergie auf den Lungengasaustausch

Schallwellen werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, um den Prozess des Mischens oder Trennens von Fluiden (Gase/Flüssigkeiten) zu beschleunigen. Wir haben bewiesen, dass bestimmte Schallwellen den Gasaustausch in der Lunge von Ratten durch Beschleunigung der Gasdiffusion in ihren Atemwegen und Alveolen sicher verbessern können. Nun wollen wir sehen, ob ähnliche Schallwellen den Gasaustausch beim Menschen verbessern können.

Das Gerät, das die Schallwellen erzeugt, ist ein Schalldruckoszillator, der in der Lage ist, Schallwellen zu erzeugen, die in Lautstärke und Frequenz dem lauten menschlichen Singen oder Schreien ähneln. Diese Wellen liegen hauptsächlich im Frequenzbereich von 50-500 Hz (Hertz, Schwingungen pro Sekunde) mit einer Intensität von 85-105 dBs (Dezi-Glocken, Einheit der Schalldruckintensität).

Wir führten zwei Benchtop-Studien durch und erlebten die Fähigkeit von Schallwellen, die Gasdiffusion zu verstärken. In einer Pilotstudie an Ratten zeigten wir eine sichere und signifikante Verbesserung des pulmonalen Gasaustauschs unter Einfluss von Schallenergie. Die Auswirkungen von Schallwellen auf den Gasaustausch bei einem menschlichen Probanden, dem Hauptprüfer (PI), wurden ebenfalls in einem Stoffwechseltest mit vielversprechenden Ergebnissen analysiert. Eine klinisch signifikante Verbesserung der pulmonalen Gasdiffusion des PI wurde auch in einem DLCO-Test (Diffusing Lung Capacity for Carbon Monoxide) festgestellt. Bei einem weiteren Test, einer künstlich vergrößerten pulmonalen Totraumstudie, wurden die transkutanen Sauerstoff- und Kohlendioxiddrücke (PtcCO2 & PtcO2) des PI gemessen und die Ergebnisse zeigten das Vorhandensein erwünschter und sicherer Wirkungen bestimmter Schallwellen beim pulmonalen Gasaustausch. Die oben genannten Studien unterstützen die Gründe, Ziele und Methoden der vorgeschlagenen Studien.

Unsere Humanstudien werden aus einem primären und einem sekundären Teil bestehen. Im Primärteil werden die Schallwellen nicht direkt in die Lunge der Probanden eingeleitet, sondern in einen Zylinder mit offenem Ende geleitet, während die Probanden die Luft aus dem geschlossenen Ende des Zylinders atmen. Die Schallintensität wird im Bereich von 95-105 dB gehalten.

Im zweiten Teil der Studien werden die Schallwellen geringerer Intensität (85–95 dB) direkt in die Lungen der Probanden eingeleitet, während die Probanden 1) einen Stoffwechseltest und 2) einen Lungendiffusionskapazitätstest (DLCO) durchlaufen. Die Ergebnisse dieser Tests werden mit den Ausgangstestergebnissen des Probanden (ohne Schallwellen) verglichen.

In beiden Teilen der Studie werden die Nasenlöcher der Probanden mit gewöhnlichen Plastiknasenklemmen abgeklemmt, da sie gebeten werden, ein Mundstück zu halten und durch es zu atmen.

Im Primärteil werden Schallwellen von 95-105 dB in einen 16 L (Liter) Kegelstumpf (konischer Zylinder) geliefert. Die breitere Basis des Kegelstumpfs ist zur Raumluft offen, aber seine kleinere Basis ist geschlossen. Ein 2 x 20 cm langer Schlauch verbindet das geschlossene Ende des Kegelstumpfes mit dem Mundstück. Die Probanden atmen in 3-Minuten-Zyklen durch das Mundstück durch die schmalere (geschlossene) Basis des Stumpfes ein und aus, gefolgt von 3-Minuten-Zyklen des Einatmens frischer Raumluft. PtcCO2 und PtcO2 der Probanden werden mit dem Kegelstumpf gemessen, der in verschiedenen räumlichen Ausrichtungen in Bezug auf seine offene Basis gehalten wird, die 1) vertikal nach oben (+90 Grad mit Horizont), 2) horizontal (0 Grad), vertikal nach unten (- 90 Grad) und in Winkeln von -45 Grad geneigt. Dieser Test dauert mindestens 6 x 4 = 24 Minuten und nicht mehr als 30 Minuten für jedes Fach. Dann werden dieselben Tests mit Schallenergie durchgeführt, die in den Stumpf eingeführt wird. Die Gesamtzeit für das Studium jedes Fachs beträgt ungefähr 48-60 Minuten.

Der sekundäre Teil des Studiums besteht aus zwei Abschnitten. Im ersten Abschnitt wird die Diffusionskapazität der Lunge gemessen, während die Schallwellen vom Wandler abgespielt und über ein Mundstück in die Mundhöhle der Probanden abgegeben werden. Die Schallwellen wandern durch die Lungenluftwege und in die Alveolen. Ein Untersucher hört auf die Brustwand, um sicherzustellen, dass der Proband die Wellen durch die Atemwege laufen lässt, ohne den Weg zu den Schallwellen zu behindern, indem er versehentlich die Zunge hochhält oder den Atem anhält. Dieses Mundstück ist über einen Y-Verbinder mit der DLCO-Maschine und dem Rohr verbunden, das die Schallwellen liefert. Die Dauer des ausgeübten Klangeffekts beträgt nur 9 Sekunden gemäß dem Protokoll eines routinemäßigen DLCO-Tests. Dieser Zeitraum fällt mit der Zeit zusammen, in der das Subjekt tief einatmet und 9 Sekunden lang anhält. Die Lungendiffusionskapazität der Probanden wird gemessen und mit geräuschlosen Testergebnissen verglichen. Obwohl der Test eine sehr kleine Menge Kohlenmonoxid (CO) als Tracergas verwendet, wird die Menge als vernachlässigbar und ziemlich sicher angesehen. Dieser Test wird seit vielen Jahren routinemäßig beim Menschen durchgeführt, ohne dass erkennbare Nebenwirkungen bekannt sind. Es wurde vor vielen Jahren von der FDA zugelassen. Es gibt eine Fülle von medizinischer Literatur über die Sicherheit und Methoden, die bei DLCO verwendet werden. Es gibt auch mehrere YouTube-Videos, die zeigen, wie DLCO durchgeführt wird. Wir werden die Teilnehmer ermutigen, sich diese Videos vor den Studien anzusehen. Die Probanden sitzen bequem auf einem Stuhl, halten das Mundstück im Mund und atmen die Raumluft ein. Sie können den Test jederzeit einfach unterbrechen, indem sie einfach das Mundstück aus dem Mund nehmen.

Im zweiten Abschnitt werden die Probanden Stoffwechseltests unterzogen, bei denen ihr ausgeatmeter Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2) mit und ohne Geräuscheffekte gemessen werden. Stoffwechseltests sind seit vielen Jahren von der FDA zugelassen und gelten allgemein als sehr sicher. Während des Tests atmen die Teilnehmer mit zugehaltenen Nasenlöchern aus dem Mundstück. Atemgase werden bereitgestellt, indem das Mundstück an einen Schlauch angeschlossen wird, der normalerweise einen Grundfluss von Raumluft von 40 l/min oder mehr hat. Um eine Verbesserung der Oxygenierung durch Schallenergie zu zeigen, müssen wir eine suboptimale Atmungsumgebung und künstlich induzierte Hypoxie schaffen. Leichte Hypoxie wird im Allgemeinen von gesunden Menschen gut vertragen, obwohl sie dazu führen kann, dass sich die Person kurzatmig und tachypnoisch fühlt. Wir fügen der zugeführten Luft Stickstoff hinzu, um den Anteil des eingeatmeten Sauerstoffs (FiO2) auf 17,5 % zu senken, was dem Atmen in einer Höhe von 7500 Fuß (ca. 2250 m) oder ähnlich einem Skigebiet entspricht, außer dass wir nicht danach fragen Unsere Probanden können sich auf intensive Übungen wie Skifahren einlassen, und der Test dauert nur etwa 20 Minuten. Das verringerte FiO2 senkt den Pulsoximeter (SpO2) der Probanden auf 92-94 %, was im Allgemeinen als sicher und gut verträglich für alle normalen menschlichen Probanden ohne Herz-Lungen-Erkrankungen angesehen wird. Die daraus resultierende leichte und vorübergehende respiratorische Alkalose hat keine klinische Bedeutung, da sie nur einen 20-minütigen Test beinhaltet und das pH-Ungleichgewicht auf natürliche Weise gepuffert wird, ohne irgendwelche Elektrolytanomalien hervorzurufen.

Der akustische Wandler ist, wie bereits kurz erwähnt, ein einfacher Schallwellengenerator und besteht aus einem Tongenerator (normalerweise einem Computer), einem elektronischen Verstärker, einem akustischen Wandler, der einem gewöhnlichen Lautsprecher ähnelt, und einem Trichter- und Schlauchsystem, das den Schall leitet Schallwellen in das Mundstück der Probanden. Seine Funktion ist sehr ähnlich dem, vor einem Lautsprecher zu stehen und die Geräusche in Mund/Nase und die Lungenluftwege dringen zu lassen, nur dass zum Schutz der Ohren und zur Intensivierung der Geräusche ein Trichter verwendet wird, um die Wellen einzufangen und zu lenken über einen Schlauch in die Mundhöhle. Das Gerät wird vom Hauptforscher hergestellt, abgestimmt und kalibriert. Es kann Töne von 20 Hz bis etwa 11 KHz mit nützlichen Intensitäten von 65 dB bis maximal 110 dB erzeugen. Das einfache Gerät wurde erfolgreich bei Ratten und einem Menschen (PI) ohne erkennbare Nebenwirkungen eingesetzt.

Für eine detailliertere Beschreibung der Methodik und Ergebnisse unserer bisherigen Studien verweisen wir auf die beigefügten Dokumente mit der referenzierten Literatur.

Datensammlung:

Während des ersten Teils der Studie werden Daten mit PtcCO2, PtcO2, Herzfrequenz, Atemfrequenz, Minutenvolumen und Blutdruck der Probanden in eine Tabellenkalkulation eingetragen und auf passwortgeschützten Computern gespeichert.

Schwankungen der Lungendiffusionskapazität unter dem Einfluss von Schallschwingungen werden mit einem DLCO-Gerät in der Atemwegsabteilung des LLUMC gemessen und aufgezeichnet. Die Daten werden zusätzlich zum Speicher der DLCO-Maschine auch auf passwortgeschützten Computern mit verschlüsseltem MS-Excel gespeichert. Während der Stoffwechseltests werden die eingeatmeten und ausgeatmeten O2- und CO2-Konzentrationen zusammen mit der Herzfrequenz, der Atemfrequenz, der Pulsoxymetrie, dem Blutdruck, dem allgemeinen Wohlbefinden des Probanden und seinem klinischen Wohlbefinden kontinuierlich überwacht. Die verschlüsselten und passwortgeschützten Daten werden auf Microsoft Spreadsheets zur statistischen Analyse durch einen Biostatistiker gesammelt.

RISIKO UND VERLETZUNGEN:

Das menschliche Gehör ist besonders anfällig für Schäden durch laute Geräusche. Ohrenschmerzen oder -beschwerden können bei Schallpegeln von nur 110 dB auftreten, aber schmerzhafte Schallpegel liegen im Allgemeinen im Bereich von 125-135 dB. Andere Organe tolerieren Schallwellen viel besser und Gewebeschäden treten normalerweise nicht bei Schallintensitätspegeln von weniger als 160–170 dB auf. Die Schallintensität wird während der Studien überwacht und aufgezeichnet. Die Intensitäten werden immer unter 105 dB gehalten, was deutlich unter jeglichen schädlichen Werten liegt, wenn man bedenkt, dass Schalldruckpegel in logarithmischer Skala gemessen werden.

Während der Stoffwechseltests wird die Pulsoximetrie der Probanden über 92 % gehalten, um negative Auswirkungen zu vermeiden. Diese Konzentrationen werden von Menschen sehr gut vertragen, und normalerweise ergänzen Ärzte Patienten bei diesen Konzentrationen keinen Sauerstoff. Während des Kegelstumpftests tritt eine sehr kurze Hypoxie mit Hyperkapnie auf, wenn der Kegelstumpf in einer Position von +90 Grad gehalten wird, da der SpO2 in etwa 3 Minuten auf die oberen 70er bis unteren 90er abfällt, was die Grenze dieses Tests darstellt. Wir halten den Test vor dem 3-Minuten-Grenzwert an, wenn der SpO2-Wert eines Probanden unter 80 % gefallen ist. Die kurzzeitige und vorübergehende Hypoxie und Hyperkapnie wird gut vertragen. Während der Tests ist immer ein Arzt anwesend. Eine gründliche medizinische Untersuchung unmittelbar vor den Tests gewährleistet auch die Sicherheit der Probanden.

Stoffwechselstudien und DLCO-Tests werden seit vielen Jahren/Jahrzehnten routinemäßig durchgeführt und gelten allgemein als sehr sicher. Die Menge an eingeatmetem Kohlenmonoxid, die als Tracergas in DLCO verwendet wird, liegt deutlich unter allen toxischen Werten. Diese Tests sind seit langem von der FDA zugelassen und gelten auch bei Patienten mit Lungenerkrankungen als sicher.

VORTEILE:

Die Studien haben keinen direkten oder unmittelbaren Nutzen für die an der Studie teilnehmenden Probanden. Es wurde erwartet, dass Schallwellen dazu beitragen können, das Auftreten und die Schwere von „beatmungsinduzierten Lungenschäden oder VILI“ in einem noch zu messenden Ausmaß zu verringern. Der Hauptgrund für diese Annahme ist, dass die Hinzufügung geeigneter Schallwellen zu Atemgasen es uns ermöglicht, Lungen mit niedrigerem FiO2 und/oder geringerem mittlerem Atemwegsdruck (Pmaw) im Vergleich zu den derzeit verfügbaren Technologien effektiv zu belüften. Es ist seit langem bekannt, dass hohe FiO2/Pmaw die beiden wichtigsten Prädiktoren für VILI sind. Es wird auch erwartet, dass sich das Ergebnis der Herz-Lungen-Wiederbelebung (CPR) und vieler akuter oder chronischer Lungenerkrankungen wie COPD, Asthma, Mukoviszidose, bronchopulmonale Dysplasie, restriktive Lungenerkrankungen, akute Lungenverletzung, Pneumothorax, RDS und einige andere Erkrankungen verbessern können durch die Verwendung von richtigen Schallwellen.