Gli effetti dell'energia sonora sullo scambio gassoso polmonare

Le onde sonore sono utilizzate in vari settori per accelerare il processo di miscelazione o separazione di fluidi (gas/liquidi). Abbiamo dimostrato che alcune onde sonore possono migliorare in modo sicuro lo scambio di gas nei polmoni dei ratti accelerando la diffusione del gas all'interno delle vie aeree e degli alveoli. Ora vogliamo vedere se onde sonore simili possono migliorare lo scambio di gas negli esseri umani.

Il dispositivo che crea le onde sonore è un oscillatore di pressione sonora in grado di produrre onde sonore simili per volume e frequenza al canto o alle urla umane ad alto volume. Queste onde sono principalmente nella gamma di frequenza di 50-500 Hz (Hertz, oscillazioni al secondo) con un'intensità di 85-105 dB (deci Bells, unità di intensità della pressione sonora).

Abbiamo eseguito due studi da banco e abbiamo assistito alla capacità delle onde sonore di aumentare la diffusione del gas. In uno studio pilota sui ratti abbiamo mostrato un sicuro e significativo miglioramento dello scambio gassoso polmonare sotto l'influenza dell'energia sonora. Gli effetti delle onde sonore sullo scambio di gas in un soggetto umano, il ricercatore principale (PI), sono stati analizzati anche in un test metabolico con risultati promettenti. Un miglioramento clinicamente significativo nella diffusione del gas polmonare del PI è stato notato anche in un test DLCO (diffusione della capacità polmonare per il monossido di carbonio). In un altro test, lo studio dello spazio morto polmonare ingrandito artificialmente, sono state misurate le pressioni transcutanee di ossigeno e anidride carbonica (PtcCO2 e PtcO2) ei risultati sono stati indicativi della presenza di effetti desiderati e sicuri di particolari onde sonore nello scambio gassoso polmonare. Gli studi sopra menzionati supportano la logica, gli obiettivi e la metodologia degli studi proposti.

I nostri studi sull'uomo saranno composti da una parte primaria e da una secondaria. Nella parte primaria, le onde sonore non vengono introdotte direttamente nei polmoni dei soggetti e vengono piuttosto consegnate in un cilindro ad estremità aperta mentre i soggetti respirano l'aria dall'estremità chiusa del cilindro. L'intensità del suono sarà mantenuta nell'intervallo di 95-105 dB.

Nella seconda parte degli studi, le onde sonore di minore intensità (85-95 dB) vengono introdotte direttamente nei polmoni dei soggetti mentre i soggetti vengono sottoposti a 1) un test metabolico e 2) un test della capacità di diffusione polmonare (DLCO). I risultati di questi test verranno confrontati con i risultati del test di base del soggetto (senza onde sonore).

In entrambe le parti dello studio, le narici dei soggetti saranno bloccate da normali pinze nasali di plastica poiché verrà chiesto loro di tenere un boccaglio e respirare attraverso di esso.

Nella parte primaria, le onde sonore di 95-105 dB verranno emesse in un tronco (cilindro conico) da 16 L (litro). La base più ampia del tronco è aperta all'aria ambiente ma la sua base più piccola è chiusa. Un tubo di 2x20 cm collegherà l'estremità chiusa del tronco al boccaglio. I soggetti inspireranno ed espireranno dalla base più stretta (chiusa) del tronco attraverso il boccaglio per cicli di 3 minuti seguiti da cicli di 3 minuti di respirazione di aria fresca della stanza. La PtcCO2 e la PtcO2 dei soggetti saranno misurate con il tronco tenuto in vari orientamenti spaziali rispetto alla sua base aperta che sarà 1) verticale verso l'alto (+90 gradi con l'orizzonte), 2) orizzontale (0 gradi), verticale verso il basso (- 90 gradi) e inclinato ad angoli di -45 gradi. Questo test richiederà almeno 6x4=24 minuti e non più di 30 minuti per ogni materia. Successivamente verranno effettuate le stesse prove con l'energia sonora immessa nel tronco. Il tempo totale per lo studio di ciascuna materia sarà di circa 48-60 minuti.

La parte secondaria dello studio è composta da due sezioni. Nella prima sezione, verrà misurata la capacità di diffusione dei polmoni mentre le onde sonore vengono riprodotte dal trasduttore e consegnate tramite un boccaglio nella cavità orale dei soggetti. Le onde sonore viaggeranno lungo le vie aeree polmonari e negli alveoli. Un esaminatore ascolterà la parete toracica per assicurarsi che il soggetto stia permettendo alle onde di viaggiare lungo le vie aeree senza ostruire il percorso delle onde sonore tenendo inavvertitamente la lingua sollevata o trattenendo il respiro. Detto bocchino è collegato tramite un connettore a Y alla macchina DLCO e al tubo che eroga le onde sonore. La durata dell'effetto sonoro esercitato sarà di soli 9 secondi come da protocollo di un test DLCO di routine. Questo periodo coincide con il momento in cui il soggetto fa un respiro profondo e lo trattiene per 9 secondi. La capacità di diffusione polmonare dei soggetti sarà misurata e confrontata con i risultati del test senza suono. Sebbene il test utilizzi una quantità molto piccola di monossido di carbonio (CO) come gas tracciante, la quantità è considerata trascurabile e abbastanza sicura. Questo test è stato eseguito regolarmente negli esseri umani per molti anni senza effetti collaterali noti distinguibili. È stato approvato dalla FDA molti anni fa. Esiste un'abbondanza di letteratura medica riguardante la sicurezza e i metodi utilizzati nel DLCO. Ci sono anche diversi video di YouTube che mostrano come è fatto DLCO. Incoraggeremo i partecipanti a guardare questi video prima degli studi. I soggetti saranno seduti comodamente su una sedia e terranno il boccaglio in bocca e respireranno l'aria della stanza. Possono facilmente interrompere il test in qualsiasi momento semplicemente togliendosi il boccaglio dalla bocca.

Nella seconda sezione, i soggetti verranno sottoposti a test metabolici in cui vengono misurati l'ossigeno espirato (O2) e l'anidride carbonica (CO2) con e senza effetti sonori. I test metabolici sono stati approvati dalla FDA per molti anni e sono generalmente considerati molto sicuri. Durante il test, i partecipanti respirano dal boccaglio con le narici serrate. I gas respiratori verranno forniti collegando il boccaglio a un tubo che di solito ha un flusso di base di aria ambiente di 40 L/min o più. Per mostrare il miglioramento dell'ossigenazione attraverso l'energia sonora, dovremo creare un ambiente respiratorio non ottimale e un'ipossia indotta artificialmente. L'ipossia lieve è generalmente ben tollerata dagli esseri umani sani, sebbene possa far sentire l'individuo senza fiato e tachipnoico. Aggiungeremo azoto all'aria fornita per portare la frazione di ossigeno inalato (FiO2) al 17,5% che correla la respirazione a un'altitudine di 7500 piedi (circa 2250 m), o simile a una stazione sciistica, tranne per il fatto che non chiediamo ai nostri soggetti di essere coinvolti in esercizi vigorosi come lo sci, e il test dura solo ~ 20 minuti. La FiO2 abbassata ridurrà il pulsossimetro (SpO2) dei soggetti al 92-94%, che è generalmente considerato sicuro e ben tollerato da tutti i soggetti umani normali senza condizioni cardiopolmonari. L'alcalosi respiratoria lieve e transitoria risultante non ha alcun significato clinico in quanto comporta solo un test di 20 minuti e lo squilibrio del pH verrebbe tamponato naturalmente senza indurre alcuna anomalia elettrolitica.

Il trasduttore acustico, come accennato brevemente in precedenza, è un semplice generatore di onde sonore ed è composto da un generatore di suoni (solitamente un computer), un amplificatore elettronico, un trasduttore acustico simile a un normale altoparlante e un sistema di tubi e imbuto che dirige il onde sonore nel boccaglio dei soggetti. La sua funzione è molto simile a quella di stare davanti a un altoparlante e lasciare che i suoni penetrino nella bocca/naso e lungo le vie aeree polmonari, tranne per il fatto che per proteggere le orecchie e intensificare i suoni viene utilizzato un imbuto per catturare le onde e dirigerle nella cavità orale attraverso un tubo. Il dispositivo è realizzato, messo a punto e calibrato dall'investigatore principale. Può produrre toni da 20 Hz a circa 11 KHz con intensità utili che vanno da 65dB ad un massimo di 110dB. Il semplice dispositivo è stato utilizzato con successo nei ratti e nell'uomo (PI) senza effetti collaterali riconoscibili.

Per una descrizione più dettagliata della metodologia e dei risultati dei nostri studi precedenti, fare riferimento ai documenti allegati con la letteratura di riferimento.

Raccolta dati:

Durante la prima parte dello studio, i dati con PtcCO2, PtcO2, frequenza cardiaca, frequenza respiratoria, volume minuto e pressione sanguigna dei soggetti verranno registrati su un foglio di calcolo e salvati su computer protetti da password.

Le variazioni della capacità di diffusione polmonare sotto l'influenza delle vibrazioni sonore saranno misurate e registrate utilizzando una macchina DLCO presso il dipartimento respiratorio di LLUMC. I dati verranno inoltre salvati su computer protetti da password utilizzando MS-Excel crittografato oltre alla memoria della macchina DLCO. Durante i test metabolici, le concentrazioni inalate ed espirate di O2 e CO2 saranno continuamente monitorate insieme alla frequenza cardiaca dei soggetti, alla frequenza respiratoria, alla pulsossimetria, alla pressione sanguigna, al livello di comfort generale del soggetto e al suo benessere clinico. I dati crittografati e protetti da password verranno raccolti su Microsoft Spreadsheets per l'analisi statistica da parte di un biostatistico.

RISCHIO E LESIONI:

Le orecchie umane sono particolarmente soggette a danni da suoni forti. Il dolore o il fastidio all'orecchio può verificarsi a livelli sonori fino a 110 dB, ma i livelli sonori dolorosi sono generalmente considerati compresi tra 125 e 135 dB. Altri organi tollerano molto meglio l'onda sonora e il danno tissutale normalmente non si verifica a livelli di intensità sonora inferiori a 160-170 dB. L'intensità del suono sarà monitorata e registrata durante gli studi. Le intensità saranno sempre mantenute al di sotto di 105 dB, che è significativamente al di sotto di qualsiasi livello dannoso considerando il fatto che i livelli di pressione sonora sono misurati in scala logaritmica.

Durante i test metabolici, la pulsossimetria dei soggetti sarà mantenuta al di sopra del 92% per evitare effetti negativi. Questi livelli sono molto ben tollerati dagli esseri umani e normalmente i medici non integrano ossigeno ai pazienti a questi livelli. Un'ipossia molto breve con ipercapnia si verificherà durante il test del tronco quando il tronco viene tenuto nella posizione di +90 gradi poiché la SpO2 precipiterà da 70° a 90° in circa 3 minuti, che è il limite di questo test. Interromperemo il test prima del punto di riferimento dei 3 minuti se la SpO2 di un soggetto è scesa al di sotto dell'80%. L'ipossia e l'ipercapnia brevi e transitorie sono ben tollerate. Un medico sarà sempre presente durante l'esecuzione dei test. Un esame medico approfondito immediatamente prima dei test garantirà anche la sicurezza dei soggetti.

Studi metabolici e test DLCO sono stati eseguiti di routine per molti anni/decenni e sono generalmente considerati molto sicuri. La quantità di monossido di carbonio inalato utilizzato come gas tracciante nel DLCO è significativamente inferiore a qualsiasi livello tossico. Questi test sono stati approvati dalla FDA da molto tempo e sono considerati sicuri anche nei pazienti con disturbi polmonari.

BENEFICI:

Gli studi non hanno alcun beneficio diretto o immediato per i soggetti che partecipano allo studio. È stato anticipato che le onde sonore possono aiutare a ridurre l'incidenza e la gravità del "danno polmonare indotto dalla ventilazione o VILI" in una misura ancora da misurare. La ragione principale alla base di questa ipotesi è che l'aggiunta di adeguate onde sonore ai gas respiratori ci consentirà di ventilare efficacemente i polmoni con FiO2 inferiore e/o pressione media delle vie aeree (Pmaw) inferiore rispetto alle tecnologie attualmente disponibili. È noto da tempo che valori elevati di FiO2/Pmaw sono i due principali predittori di VILI. Si prevede inoltre che l'esito della rianimazione cardiopolmonare (RCP) e di molti disturbi polmonari acuti o cronici come BPCO, asma, fibrosi cistica, displasia broncopolmonare, disturbi polmonari restrittivi, danno polmonare acuto, pneumotorace, RDS e alcune altre condizioni possano migliorare attraverso l'uso di adeguate onde sonore.