Äänienergian vaikutukset keuhkojen kaasunvaihtoon

Ääniaaltoja käytetään eri teollisuudenaloilla nesteiden (kaasujen/nesteiden) sekoitus- tai erotteluprosessin nopeuttamiseen. Olemme osoittaneet, että tietyt ääniaallot voivat turvallisesti parantaa kaasunvaihtoa rottien keuhkoissa kiihdyttämällä kaasun diffuusiota niiden hengitysteissä ja keuhkorakkuloissa. Nyt haluamme nähdä, voivatko samanlaiset ääniaallot parantaa kaasunvaihtoa ihmisillä.

Ääniaaltoja luova laite on äänenpaineoskillaattori, joka pystyy saamaan ääniaallot samankaltaiseksi voimakkuudessa ja taajuudessa kuin ihmisen kovaäänistä laulua tai huutoa. Nämä aallot ovat pääasiassa taajuusalueella 50-500 Hz (Hertz, värähtelyt sekunnissa) intensiteetillä 85-105 dBs (deci Bells, äänenpaineen intensiteetin yksikkö).

Teimme kaksi pöytätutkimusta ja näimme ääniaaltojen kyvyn lisätä kaasun diffuusiota. Rotilla tehdyssä pilottitutkimuksessa osoitimme turvallisen ja merkittävän parannuksen keuhkojen kaasunvaihdossa äänienergian vaikutuksesta. Ääniaaltojen vaikutuksia kaasunvaihtoon ihmiskohteessa, päätutkijassa (PI), analysoitiin myös aineenvaihduntatestissä lupaavin tuloksin. Kliinisesti merkittävä parannus PI:n keuhkojen kaasudiffuusioon havaittiin myös DLCO-testissä (diffusing lung capatention for hiilimonoksidi). Vielä toisessa kokeessa, keinotekoisesti suurennetussa keuhkojen kuolleen tilan tutkimuksessa, PI:n transkutaaniset hapen ja hiilidioksidin paineet (PtcCO2 & PtcO2) mitattiin ja tulokset osoittivat tiettyjen ääniaaltojen toivottujen ja turvallisten vaikutusten läsnäoloa keuhkojen kaasunvaihdossa. Edellä mainitut tutkimukset tukevat ehdotettujen tutkimusten perusteita, tavoitteita ja metodologiaa.

Ihmisopinnot koostuvat ensisijaisesta ja toissijaisesta osasta. Ensisijaisessa osassa ääniaaltoja ei johdeta suoraan koehenkilön keuhkoihin, vaan ne johdetaan avoimen pään sylinteriin, kun taas koehenkilöt hengittävät ilmaa sylinterin suljetusta päästä. Äänen voimakkuus pidetään välillä 95-105 dB.

Tutkimusten toisessa osassa alhaisemman intensiteetin (85-95 dB) ääniaallot johdetaan suoraan koehenkilöiden keuhkoihin samalla, kun koehenkilöt käyvät läpi 1) aineenvaihduntatestin ja 2) keuhkojen diffuusiokykytestin (DLCO). Näiden testien tuloksia verrataan koehenkilön lähtötason testituloksiin (ilman ääniaaltoja).

Molemmissa tutkimuksen osissa koehenkilöiden sieraimet puristetaan tavallisilla muovisilla nenäpuristimilla, kun heitä pyydetään pitämään suukappaletta ja hengittämään sen läpi.

Ensisijaisessa osassa 95-105 dB:n ääniaallot toimitetaan 16 litran (litra) frustumiin (kartiomainen sylinteri). Frustumin leveämpi pohja on avoin huoneilmalle, mutta pienempi pohja on suljettu. 2x20 cm letku yhdistää katkaistun suljetun pään suukappaleeseen. Koehenkilöt hengittävät sisään ja ulos katkaistun katkaisun kapeamman (suljetun) pohjan kautta suukappaleen kautta 3 minuutin jaksot, joita seuraa 3 minuutin jakso hengittää raikasta huoneilmaa. Koehenkilöiden PtcCO2- ja PtcO2-arvot mitataan katkaistun katkaisun asennoissa sen avoimen pohjan suhteen, joka on 1) pystysuora ylöspäin (+90 astetta horisontin kanssa), 2) vaakasuora (0 astetta), pystysuora alaspäin (- 90 astetta) ja kallistettuna -45 asteen kulmiin. Tämä testi kestää vähintään 6x4 = 24 minuuttia ja enintään 30 minuuttia jokaista kohdetta kohden. Sitten samat testit tehdään katkaisuun syötetyllä äänienergialla. Jokaisen aineen opiskeluaika on yhteensä noin 48-60 minuuttia.

Tutkimuksen toissijainen osa koostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä osiossa mitataan keuhkojen diffuusiokapasiteettia, kun anturi toistaa ääniaaltoja, ja ne välitetään suukappaleen kautta koehenkilön suuonteloon. Ääniaallot kulkevat keuhkojen hengitysteihin ja alveoleihin. Tutkija kuuntelee rintakehän seinämää varmistaakseen, että tutkittava päästää aallot kulkemaan hengitysteitä pitkin estämättä polkua ääniaalloille pitämällä vahingossa kieltä ylhäällä tai pidättämällä hengitystä. Mainittu suukappale on yhdistetty Y-liittimen kautta DLCO-koneeseen ja putkeen, joka välittää ääniaallot. Äänitehosteen kesto on vain 9 sekuntia rutiininomaisen DLCO-testauksen protokollan mukaan. Tämä ajanjakso on sama kuin aika, jolloin kohde hengittää syvään ja pidättelee sitä 9 sekunnin ajan. Koehenkilöiden keuhkojen diffuusiokapasiteetti mitataan ja verrataan äänettömiin testituloksiin. Vaikka testissä käytetään hyvin pientä määrää hiilimonoksidia (CO) merkkikaasuna, määrää pidetään merkityksettömänä ja melko turvallisena. Tämä testi on tehty ihmisillä rutiininomaisesti useiden vuosien ajan ilman tunnettuja havaittavia sivuvaikutuksia. Sen on hyväksynyt FDA monta vuotta sitten. DLCO:ssa käytettyjä turvallisuutta ja menetelmiä koskevaa lääketieteellistä kirjallisuutta on runsaasti. Siellä on myös useita YouTube-videoita, jotka osoittavat, kuinka DLCO tehdään. Kannustamme osallistujia katsomaan nämä videot ennen opintoja. Koehenkilöt istuvat mukavasti tuolilla ja pitävät suukappaletta suussaan ja hengittävät huoneilmaa. He voivat helposti keskeyttää testin milloin tahansa yksinkertaisesti ottamalla suukappaleen suustaan.

Toisessa osiossa koehenkilöt menevät aineenvaihduntatesteihin, joissa mitataan heidän uloshengitettyä happea (O2) ja hiilidioksidia (CO2) ääniefekteillä ja ilman. FDA on hyväksynyt aineenvaihduntatestit useiden vuosien ajan, ja niitä pidetään yleensä erittäin turvallisina. Testin aikana osallistujat hengittävät suukappaleesta sieraimet puristettuina. Hengityskaasut saadaan aikaan yhdistämällä suukappale putkeen, jonka huoneilman perusvirtaus on yleensä 40 l/min tai enemmän. Jotta hapetus paranee äänienergian avulla, meidän on luotava alioptimaalinen hengitysympäristö ja keinotekoisesti aiheutettu hypoksia. Terveet ihmiset sietävät yleensä hyvin lievää hypoksiaa, vaikka se saattaa aiheuttaa hengenahdistuksen ja takypneian tunteen. Lisäämme typpeä syötettyyn ilmaan, jotta sisäänhengitetyn hapen osuus (FiO2) laskee 17,5 prosenttiin, mikä korreloi hengitystä 7500 jalan (noin 2250 m) korkeudessa tai vastaavalla tavalla kuin hiihtokeskuksessa, paitsi että emme kysy. koehenkilömme osallistua voimakkaaseen harjoitteluun, kuten hiihtoon, ja testi on vain ~20 minuuttia. Alennettu FiO2 laskee koehenkilöiden pulssioksi (SpO2) 92-94 %:iin, jota pidetään yleisesti turvallisena ja hyvin siedettynä kaikille normaaleille ihmisille, joilla ei ole sydän- ja keuhkosairauksia. Tuloksena olevalla lievällä ja ohimenevällä hengitysteiden alkaloosilla ei ole kliinistä merkitystä, koska se vaatii vain 20 minuutin testin ja pH-epätasapaino puskuroituisi luonnollisesti aiheuttamatta elektrolyyttihäiriöitä.

Akustinen muunnin, kuten lyhyesti aiemmin mainittiin, on yksinkertainen ääniaaltogeneraattori, ja se koostuu äänigeneraattorista (yleensä tietokoneesta), elektronisesta vahvistimesta, tavallisen kaiuttimen kaltaisesta akustisesta muuntimesta sekä suppilo- ja letkujärjestelmästä, joka ohjaa äänenvoimakkuutta. ääniaaltoja koehenkilön suukappaleeseen. Sen tehtävä on hyvin samanlainen kuin seisominen kaiuttimen edessä ja antaa äänten tunkeutua suuhun/nenään ja keuhkojen hengitysteihin, paitsi että korvien suojaamiseksi ja äänien vahvistamiseksi käytetään suppiloa aaltojen vangitsemiseen ja ohjaamiseen. suuonteloon putken kautta. Päätutkija valmistaa, virittää ja kalibroi laitteen. Se voi tuottaa ääniä 20 Hz - noin 11 KHz hyödyllisillä intensiteeteillä 65 dB:stä enintään 110 dB:iin. Yksinkertaista laitetta on käytetty menestyksekkäästi rotilla ja ihmisillä (PI) ilman havaittavia sivuvaikutuksia.

Tarkempi kuvaus aikaisempien tutkimustemme metodologiasta ja tuloksista löytyy liitteenä olevista asiakirjoista, joissa on viitattu kirjallisuus.

Tiedonkeruu:

Tutkimuksen ensimmäisessä osassa tiedot koehenkilöiden PtcCO2:sta, PtcO2:sta, sykkeestä, hengitystiheydestä, minuuttitilavuudesta ja verenpaineesta kirjataan laskentataulukkoon ja tallennetaan salasanalla suojatuille tietokoneille.

Keuhkojen diffuusiokapasiteetin vaihtelut äänen värähtelyjen vaikutuksesta mitataan ja tallennetaan LLUMC:n hengitysosaston DLCO-koneella. Tiedot tallennetaan myös salasanalla suojatuille tietokoneille, joissa käytetään salattua MS-Exceliä DLCO-koneen muistin lisäksi. Aineenvaihduntatestien aikana seurataan jatkuvasti sisään- ja uloshengitettyjen O2- ja CO2-pitoisuuksia sekä tutkittavien sykettä, hengitysnopeutta, pulssioksimetriaa, verenpainetta, potilaan yleistä mukavuustasoa ja hänen kliinistä hyvinvointiaan. Salatut ja salasanalla suojatut tiedot kerätään Microsoft Spreadsheetsiin biostatistikon tilastoanalyysia varten.

RISKIT JA VAHINGOT:

Ihmisen korvat ovat erityisen alttiita kovien äänien aiheuttamille vaurioille. Korvakipua tai epämiellyttävää tunnetta voi esiintyä jopa 110 dB:n äänitasoilla, mutta kivuliaita äänitasoja pidetään yleensä 125-135 dB:n välillä. Muut elimet sietävät ääniaaltoa paljon paremmin ja kudosvaurioita ei normaalisti tapahdu alle 160-170 dB:n äänenvoimakkuustasoilla. Äänenvoimakkuutta seurataan ja tallennetaan opintojen aikana. Intensiteetit pidetään aina alle 105 dB:ssä, mikä on huomattavasti haitallisten tasojen alapuolella, kun otetaan huomioon, että äänenpainetasot mitataan logaritmisella asteikolla.

Aineenvaihduntatestien aikana koehenkilöiden pulssioksimetria pidetään yli 92 %:ssa haittavaikutusten välttämiseksi. Ihmiset sietävät näitä tasoja erittäin hyvin, ja tavallisesti lääkärit eivät lisää happea näillä tasoilla oleville potilaille. Erittäin lyhyt hypoksia ja hyperkapnia tapahtuu katkaisutestin aikana, kun katkaisua pidetään +90 asteen asennossa, koska SpO2 putoaa ylemmälle 70s:lle alempaan 90s noin 3 minuutissa, mikä on tämän testin raja. Keskeytämme testin ennen 3 minuutin rajaa, jos koehenkilön SpO2 alittaa 80 %. Lyhyt ja ohimenevä hypoksia ja hyperkapnia ovat hyvin siedettyjä. Lääkäri on läsnä koko ajan, kun testit ovat käynnissä. Perusteellinen lääkärintarkastus välittömästi ennen kokeita varmistaa myös koehenkilöiden turvallisuuden.

Aineenvaihduntatutkimuksia ja DLCO-testejä on tehty rutiininomaisesti useiden vuosien/vuosikymmenien ajan, ja niitä pidetään yleensä erittäin turvallisina. DLCO:ssa merkkikaasuna käytetyn hengitetyn hiilimonoksidin määrä on merkittävästi pienempi kuin myrkyllinen taso. Nämä testit ovat FDA:n hyväksymiä pitkään, ja niitä pidetään turvallisina jopa potilailla, joilla on keuhkosairauksia.

EDUT:

Tutkimuksista ei ole suoraa tai välitöntä hyötyä tutkimukseen osallistuville koehenkilöille. On odotettu, että ääniaallot voivat auttaa vähentämään "hengityksen aiheuttaman keuhkovaurion tai VILI:n" esiintyvyyttä ja vakavuutta siinä määrin, jota ei vielä mitata. Pääsyy tämän oletuksen taustalla on se, että kun lisäämme oikeita ääniaaltoja hengityskaasuihin, voimme tehokkaasti ventiloida keuhkoja alhaisemmalla FiO2:lla ja/tai pienemmällä keskimääräisellä hengitysteiden paineella (Pmaw) verrattuna tällä hetkellä saatavilla oleviin tekniikoihin. On tiedetty jo pitkään, että korkea FiO2/Pmaw ovat VILI:n kaksi tärkeintä ennustajaa. On myös odotettavissa, että sydän- ja keuhkoelvytys (CPR) ja monet akuutit tai krooniset keuhkosairaudet, kuten keuhkoahtaumatauti, astma, kystinen fibroosi, bronkopulmonaalinen dysplasia, rajoittavat keuhkosairaudet, akuutti keuhkovaurio, ilmarinta, RDS ja jotkut muut sairaudet voivat parantua. käyttämällä oikeita ääniaaltoja.