Los efectos de la energía del sonido en el intercambio de gases pulmonares

Las ondas sonoras se utilizan en diversas industrias para acelerar el proceso de mezcla o separación de fluidos (gases/líquidos). Hemos demostrado que ciertas ondas de sonido pueden mejorar de forma segura el intercambio de gases en los pulmones de ratas mediante la aceleración de la difusión de gases dentro de sus vías respiratorias y alvéolos. Ahora queremos ver si ondas de sonido similares pueden mejorar el intercambio de gases en humanos.

El dispositivo que crea las ondas de sonido es un oscilador de presión sónica capaz de hacer que las ondas de sonido sean similares en volumen y frecuencia a los cantos o gritos humanos fuertes. Estas ondas se encuentran principalmente en el rango de frecuencia de 50-500 Hz (Hertz, oscilaciones por segundo) con una intensidad de 85-105 dBs (deci Bells, unidad de intensidad de presión sonora).

Realizamos dos estudios de laboratorio y fuimos testigos de la capacidad de las ondas de sonido para aumentar la difusión de gas. En un estudio piloto en ratas mostramos una mejora segura y significativa en el intercambio de gases pulmonares bajo la influencia de la energía del sonido. Los efectos de las ondas sonoras en el intercambio de gases en un sujeto humano, el investigador principal (PI), también se analizaron en una prueba metabólica con resultados prometedores. También se observó una mejora clínicamente significativa en la difusión de gas pulmonar del PI en una prueba de DLCO (capacidad pulmonar de difusión de monóxido de carbono). En otra prueba más, un estudio del espacio muerto pulmonar agrandado artificialmente, se midieron las presiones transcutáneas de oxígeno y dióxido de carbono (PtcCO2 y PtcO2) del PI y los resultados indicaron la presencia de efectos deseados y seguros de ondas sonoras particulares en el intercambio de gases pulmonares. Los estudios mencionados anteriormente respaldan la justificación, los objetivos y la metodología de los estudios propuestos.

Nuestros estudios humanos estarán compuestos por una parte primaria y una secundaria. En la parte primaria, las ondas de sonido no se introducen directamente en los pulmones de los sujetos, sino que se envían a un cilindro de extremo abierto mientras los sujetos respiran el aire del extremo cerrado del cilindro. La intensidad del sonido se mantendrá en el rango de 95-105dB.

En la segunda parte de los estudios, las ondas de sonido de menor intensidad (85-95dB) se introducen directamente en los pulmones de los sujetos mientras estos pasan por 1) una prueba metabólica y 2) una prueba de capacidad de difusión pulmonar (DLCO). Los resultados de estas pruebas se compararán con los resultados de la prueba de referencia del sujeto (sin ondas sonoras).

En ambas partes del estudio, las fosas nasales de los sujetos se sujetarán con pinzas nasales de plástico ordinarias, ya que se les pedirá que sostengan una boquilla y respiren a través de ella.

En la parte primaria, las ondas de sonido de 95-105dB se enviarán a un tronco (cilindro cónico) de 16 L (litros). La base más ancha del tronco está abierta al aire de la habitación, pero su base más pequeña está cerrada. Un tubo de 2x20 cm conectará el extremo cerrado del tronco a la boquilla. Los sujetos estarán inhalando y exhalando por la base más angosta (cerrada) del tronco a través de la boquilla durante ciclos de 3 minutos seguidos de ciclos de 3 minutos respirando aire fresco de la habitación. La PtcCO2 y la PtcO2 de los sujetos se medirán con el tronco sostenido en varias orientaciones espaciales con respecto a su base abierta, que será 1) vertical hacia arriba (+90 grados con el horizonte), 2) horizontal (0 grados), vertical hacia abajo (- 90 grados) e inclinado en ángulos de -45 grados. Esta prueba tomará por lo menos 6x4=24 minutos, y no más de 30 minutos para cada sujeto. Luego se realizarán las mismas pruebas con energía sonora introducida en el tronco. El tiempo total de estudio de cada materia será de aproximadamente 48-60 minutos.

La parte secundaria del estudio se compone de dos secciones. En la primera sección, se medirá la capacidad de difusión de los pulmones mientras el transductor reproduce las ondas sonoras y las envía a través de una boquilla a la cavidad oral de los sujetos. Las ondas sonoras viajarán por las vías respiratorias pulmonares hacia los alvéolos. Un examinador escuchará la pared torácica para asegurarse de que el sujeto esté permitiendo que las ondas viajen por las vías respiratorias sin obstruir el camino hacia las ondas de sonido levantando la lengua sin darse cuenta o conteniendo la respiración. Dicha boquilla se conecta a través de un conector en Y a la máquina DLCO y al tubo que emite las ondas sonoras. La duración del efecto de sonido ejercido será de solo 9 segundos según el protocolo de una prueba DLCO de rutina. Este período coincide con el momento en que el sujeto respira profundamente y lo mantiene durante 9 segundos. La capacidad de difusión pulmonar de los sujetos se medirá y comparará con los resultados de las pruebas sin sonido. Aunque la prueba utiliza una cantidad muy pequeña de monóxido de carbono (CO) como gas trazador, la cantidad se considera insignificante y bastante segura. Esta prueba se ha realizado en humanos de forma rutinaria durante muchos años sin efectos secundarios perceptibles conocidos. Ha sido aprobado por la FDA hace muchos años. Hay una gran cantidad de literatura médica sobre la seguridad y los métodos utilizados en DLCO. También hay varios videos de YouTube que muestran cómo se hace DLCO. Alentaremos a los participantes a ver estos videos antes de los estudios. Los sujetos estarán sentados cómodamente en una silla y sosteniendo la boquilla en la boca y respirando el aire de la habitación. Pueden interrumpir fácilmente la prueba en cualquier momento simplemente sacándose la boquilla de la boca.

En la segunda sección, los sujetos se someterán a pruebas metabólicas en las que se medirá el oxígeno (O2) y el dióxido de carbono (CO2) exhalados con y sin efectos de sonido. Las pruebas metabólicas han sido aprobadas por la FDA durante muchos años y generalmente se consideran muy seguras. Durante la prueba, los participantes respiran por la boquilla con las fosas nasales tapadas. Los gases de respiración se proporcionarán conectando la boquilla a un tubo que normalmente tiene un flujo base de aire ambiente de 40 l/min o más. Para mostrar una mejora de la oxigenación a través de la energía del sonido, tendremos que crear un entorno respiratorio subóptimo e hipoxia inducida artificialmente. La hipoxia leve generalmente es bien tolerada por humanos sanos, aunque puede hacer que el individuo sienta dificultad para respirar y taquipnea. Agregaremos nitrógeno al aire suministrado para reducir la fracción de oxígeno inhalado (FiO2) al 17,5 %, lo que corresponde a la respiración a una altitud de 7500 pies (aproximadamente 2250 m), o similar a una estación de esquí, excepto que no preguntamos nuestros sujetos se involucren en un ejercicio vigoroso como esquiar, y la prueba dura solo ~ 20 minutos. La FiO2 reducida reducirá el pulso de los sujetos (SpO2) al 92-94 %, lo que generalmente se considera seguro y bien tolerado por todos los sujetos humanos normales sin afecciones cardiopulmonares. La alcalosis respiratoria leve y transitoria resultante no tiene importancia clínica, ya que solo implica una prueba de 20 minutos y el desequilibrio del pH se amortiguaría de forma natural sin inducir anomalías electrolíticas.

El transductor acústico, como se mencionó brevemente antes, es un generador de ondas de sonido simple y se compone de un generador de tonos (generalmente una computadora), un amplificador electrónico, un transductor acústico similar a un altavoz común y un embudo y un sistema de tubería que dirige el sonido. ondas de sonido en la boquilla de los sujetos. Su función es muy similar a pararse frente a un altavoz y dejar que los sonidos penetren en la boca/nariz y en las vías respiratorias pulmonares, excepto que para proteger los oídos e intensificar los sonidos se usa un embudo para capturar las ondas y dirigirlas. en la cavidad oral a través de un tubo. El dispositivo es fabricado, sintonizado y calibrado por el investigador principal. Puede producir tonos desde 20 Hz hasta alrededor de 11 KHz con intensidades útiles que van desde 65dB hasta un máximo de 110dB. El dispositivo simple se ha utilizado con éxito en ratas y humanos (PI) sin efectos secundarios perceptibles.

Para una descripción más detallada de la metodología y los resultados de nuestros estudios anteriores, consulte los documentos adjuntos con la literatura de referencia.

Recopilación de datos:

Durante la primera parte del estudio, los datos de PtcCO2, PtcO2, frecuencia cardíaca, frecuencia respiratoria, volumen por minuto y presión arterial de los sujetos se registrarán en una hoja de cálculo y se guardarán en computadoras protegidas con contraseña.

Las variaciones de la capacidad de difusión pulmonar bajo la influencia de las vibraciones del sonido se medirán y registrarán utilizando una máquina DLCO en el departamento respiratorio de LLUMC. Los datos también se guardarán en computadoras protegidas con contraseña utilizando MS-Excel encriptado además de la memoria de la máquina DLCO. Durante las pruebas metabólicas, las concentraciones inhaladas y exhaladas de O2 y CO2 se controlarán continuamente junto con la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria, la oximetría de pulso, la presión arterial, el nivel de comodidad general del sujeto y su bienestar clínico. Los datos cifrados y protegidos con contraseña se recopilarán en hojas de cálculo de Microsoft para su análisis estadístico por parte de un bioestadístico.

RIESGO Y LESIONES:

Los oídos humanos son particularmente propensos a sufrir daños por sonidos fuertes. El dolor de oído o la incomodidad pueden ocurrir a niveles de sonido tan bajos como 110dB, pero generalmente se considera que los niveles de sonido dolorosos están en el rango de 125-135dB. Otros órganos toleran mucho mejor las ondas de sonido y normalmente no se produce daño tisular en niveles de intensidad de sonido inferiores a 160-170 dB. La intensidad del sonido será monitoreada y registrada durante los estudios. Las intensidades siempre se mantendrán por debajo de 105dB, lo que está significativamente por debajo de cualquier nivel dañino considerando el hecho de que los niveles de presión sonora se miden en escala logarítmica.

Durante las pruebas metabólicas, la oximetría de pulso de los sujetos se mantendrá por encima del 92 % para evitar efectos nocivos. Estos niveles son muy bien tolerados por los seres humanos y, por lo general, los médicos no suplementan oxígeno a los pacientes en estos niveles. Se producirá una hipoxia muy breve con hipercapnia durante la prueba frustum cuando el frustum se mantenga en la posición de +90 grados, ya que la SpO2 caerá en picado desde los 70 superiores hasta los 90 inferiores en aproximadamente 3 minutos, que es el límite de esta prueba. Detendremos la prueba antes del punto de referencia de 3 minutos si la SpO2 de un sujeto fue inferior al 80 %. La hipoxia e hipercapnia breves y transitorias son bien toleradas. Un médico estará presente en todo momento mientras se realicen las pruebas. Un examen médico completo inmediatamente antes de las pruebas también garantizará la seguridad de los sujetos.

Los estudios metabólicos y las pruebas de DLCO se han realizado de forma rutinaria durante muchos años/décadas y, en general, se consideran muy seguros. La cantidad de monóxido de carbono inhalado que se usa como gas trazador en DLCO está significativamente por debajo de cualquier nivel tóxico. Estas pruebas han sido aprobadas por la FDA durante mucho tiempo y se consideran seguras incluso en pacientes con trastornos pulmonares.

BENEFICIOS:

Los estudios no tienen ningún beneficio directo o inmediato para los sujetos que participan en el estudio. Se ha anticipado que las ondas de sonido pueden ayudar a disminuir la incidencia y la gravedad de la "lesión pulmonar inducida por ventilación o VILI" en un grado que aún no se ha medido. La razón principal detrás de esta postulación es que la adición de ondas sonoras adecuadas a los gases respiratorios nos permitirá ventilar de manera efectiva los pulmones con una FiO2 más baja y/o una presión media en las vías respiratorias (Pmaw) menor en comparación con las tecnologías disponibles actualmente. Se sabe desde hace mucho tiempo que los valores altos de FiO2/Pmaw son los dos principales predictores de VILI. También se prevé que el resultado de la reanimación cardiopulmonar (RCP) y muchos trastornos pulmonares agudos o crónicos, como la EPOC, el asma, la fibrosis quística, la displasia broncopulmonar, los trastornos pulmonares restrictivos, la lesión pulmonar aguda, el neumotórax, el SDR y algunas otras afecciones pueden mejorar. mediante el uso de ondas sonoras adecuadas.