肺のガス交換に対する音響エネルギーの影響

音波は、流体 (気体/液体) を混合または分離するプロセスを加速するために、さまざまな産業で使用されています。 特定の音波がラットの気道と肺胞内のガス拡散を促進することにより、ラットの肺のガス交換を安全に改善できることを証明しました。 次に、同様の音波が人間のガス交換を改善できるかどうかを確認したいと考えています.

音波を発生させる装置は、人間の大きな歌声や叫び声と同様の大きさと周波数の音波を発生させることができる音圧発振器です。 これらの波は、主に 50 ～ 500 Hz (ヘルツ、1 秒あたりの振動) の周波数範囲にあり、強度は 85 ～ 105 dB (デシ ベル、音圧強度の単位) です。

私たちは 2 つのベンチトップ研究を実施し、音波がガス拡散を増強する能力を目の当たりにしました。 ラットのパイロット研究では、音響エネルギーの影響下で肺のガス交換が安全かつ大幅に改善されることを示しました。 人間の被験者、主任研究員 (PI) のガス交換に対する音波の影響も代謝テストで分析され、有望な結果が得られました。 PI の肺ガス拡散における臨床的に有意な改善は、DLCO (一酸化炭素の拡散肺容量) テストでも認められました。 さらに別の試験、人為的に拡大された肺死腔研究では、PI の経皮酸素圧と二酸化炭素圧 (PtcCO2 & PtcO2) が測定され、結果は、肺ガス交換における特定の音波の望ましい安全な効果の存在を示していました。 上記の研究は、提案された研究の理論的根拠、目的、および方法論をサポートしています。

私たちの人間の研究は、一次部分と二次部分で構成されます。 最初の部分では、音波は被験者の肺に直接導入されるのではなく、被験者がシリンダーの閉じた端から空気を吸っている間に、開いた端のシリンダーに届けられます。 音の強さは95～105dBの範囲に保たれます。

研究の第 2 部では、被験者が 1) 代謝テストと 2) 肺拡散能 (DLCO) テストを受けている間、低強度 (85-95dB) の音波が被験者の肺に直接導入されます。 これらのテストの結果は、被験者のベースライン テスト結果 (音波なし) と比較されます。

研究の両方の部分で、被験者の鼻孔は通常のプラスチック製の鼻クランプで固定され、マウスピースを持って呼吸するように求められます.

1 次部分では、95 ～ 105dB の音波が 16 L (リットル) の円錐台 (円錐筒) に届けられます。 フラスタムの広い底部は室内の空気に対して開いていますが、小さい方の底部は閉じています。 2x20 cm のチューブは、錐台の閉じた端をマウスピースに接続します。 対象者は、マウスピースを介して円錐台の狭い (閉じた) 基部から 3 分間のサイクルで息を吸ったり吐いたりし、続いて 3 分間の新鮮な部屋の空気を吸うサイクルが続きます。 被験者の PtcCO2 と PtcO2 は、1) 垂直上向き (水平に対して +90 度)、2) 水平 (0 度)、垂直下向き (- 90 度)、-45 度の角度に傾けます。 このテストには少なくとも 6x4 = 24 分かかり、被験者ごとに 30 分を超えません。 次に、円錐台に導入された音響エネルギーで同じテストが行​​われます。 各教科の合計学習時間は約 48 ～ 60 分です。

研究の二次部分は2つのセクションで構成されています。 最初のセクションでは、音波がトランスデューサによって再生され、マウスピースを介して被験者の口腔内に送達されている間に、肺の拡散能力が測定されます。 音波は肺気道を通って肺胞に入ります。 検査官は、胸壁に耳を傾け、被験者がうっかり舌を上げたり息を止めたりして、音波への経路を妨げることなく、波が気道を下って移動できるようにしていることを確認します。 このマウスピースは、Y コネクタを介して DLCO マシンと、音波を伝えるチューブに接続されています。 効果音の持続時間は、定期的な DLCO テストのプロトコルに従ってわずか 9 秒です。 この期間は、被験者が深呼吸をして 9 秒間息を止めている時間と一致します。 被験者の肺拡散能力が測定され、無音試験の結果と比較されます。 テストではトレーサーガスとして非常に少量の一酸化炭素 (CO) を使用しますが、その量はごくわずかであり、非常に安全であると考えられています。 この検査は、何年にもわたって日常的に人間で行われており、認識できる副作用は知られていません. それは何年も前に FDA によって承認されています。 DLCO で使用される安全性と方法に関する医学文献は豊富にあります。 DLCO がどのように行われるかを示す複数の YouTube ビデオもあります。 参加者には、研究の前にこれらのビデオを視聴することをお勧めします。 被験者は椅子に快適に座り、マウスピースを口にくわえ、部屋の空気を吸い込みます。 マウスピースを口から外すだけで、いつでも簡単にテストを中断できます。

2 番目のセクションでは、被験者は呼気酸素 (O2) と二酸化炭素 (CO2) が音響効果の有無にかかわらず測定される代謝テストを受けます。 代謝検査は長年にわたって FDA によって承認されており、一般的に非常に安全であると考えられています。 テスト中、参加者は鼻孔を固定してマウスピースから呼吸します。 呼吸ガスは、マウスピースをチューブに接続することによって提供されます。このチューブは、通常、室内空気のベースフローが 40L/分以上です。 音響エネルギーによる酸素化の改善を示すためには、次善の呼吸環境と人工的に誘発された低酸素状態を作り出す必要があります。 軽度の低酸素症は、息切れや頻呼吸を引き起こす可能性がありますが、一般的に健康な人には十分許容されます。 供給された空気に窒素を追加して、吸入酸素の割合 (FiO2) を 17.5% に下げます。これは、高度 7500 フィート (約 2250 m) での呼吸と相関します。被験者はスキーなどの激しい運動に参加し、テストはわずか 20 分です。 低下した FiO2 は、被験者の脈 ox (SpO2) を 92 ～ 94% まで下げます。これは、心肺疾患のないすべての正常な被験者が安全で十分に許容できると一般的に考えられています。 結果として生じる軽度で一過性の呼吸性アルカローシスは、20 分間の検査しか必要とせず、pH の不均衡は電解質の異常を誘発することなく自然に緩衝されるため、臨床的意義はありません。

前述のように、音響トランスデューサーは単純な音波発生器であり、トーン ジェネレーター (通常はコンピューター)、電子アンプ、通常のラウドスピーカーに似た音響トランスデューサー、および音を導くファンネルとチューブ システムで構成されます。被験者のマウスピースに音波。 その機能は、拡声器の前に立って、耳を保護し、音を強めるために漏斗を使用して波を捕らえ、それらを導くことを除いて、音を口/鼻と肺気道に浸透​​させるのと非常に似ています。チューブで口腔内へ。 デバイスは主任研究者によって作成、調整、および校正されます。 20 Hz から約 11 KHz までのトーンを、65dB から最大 110dB までの有用な強度で生成できます。 シンプルなデバイスは、ラットと人間 (PI) で識別可能な副作用なしで正常に使用されています。

以前の研究の方法論と結果の詳細については、参照文献とともに添付文書を参照してください。

データ収集：

研究の最初の部分では、被験者の PtcCO2、PtcO2、心拍数、呼吸数、分時換気量、血圧のデータがスプレッドシートに記録され、パスワードで保護されたコンピューターに保存されます。

音響振動の影響下での肺拡散容量の変動は、LLUMC の呼吸部門にある DLCO 装置を使用して測定および記録されます。 データは、DLCO マシンのメモリに加えて、暗号化された MS-Excel を使用してパスワードで保護されたコンピューターにも保存されます。 代謝テスト中、O2 および CO2 の吸入および呼気濃度は、被験者の心拍数、呼吸数、パルスオキシメトリー、血圧、被験者の一般的な快適さレベル、および臨床的健康状態とともに継続的に監視されます。 暗号化され、パスワードで保護されたデータは、生物統計学者による統計分析のために Microsoft スプレッドシートに収集されます。

リスクと怪我:

人間の耳は、特に大きな音によって損傷を受けやすいです。 耳の痛みや不快感は 110dB という低い音レベルでも発生する可能性がありますが、痛みを伴う音のレベルは一般的に 125 ～ 135dB の範囲であると考えられています。 他の器官は音波に対してはるかに耐性があり、組織の損傷は通常、160～170dB 未満の音の強さのレベルでは発生しません。 調査中、音の強さを監視し、記録します。 強度は常に 105dB 未満に保たれます。これは、音圧レベルが対数スケールで測定されるという事実を考慮すると、有害なレベルを大幅に下回るものです。

代謝テスト中、被験者のパルスオキシメトリーは、悪影響を避けるために92％以上に保たれます。 これらのレベルは人間にとって非常によく許容され、通常、医師はこれらのレベルで患者に酸素を補給しません. SpO2 がこのテストの限界である約 3 分で 70 秒台後半から 90 秒台前半に急落するため、フラスタム テスト中に高炭酸ガス血症を伴う非常に短い低酸素症が発生します。 被験者の SpO2 が 80% を下回った場合、3 分のランドマークの前にテストを停止します。 短時間の一時的な低酸素症と高炭酸ガス血症は十分に許容されます。 テストが実行されているときはいつでも、医師が常駐します。 また、検査直前の健康診断を徹底することで、被験者の安全も確保します。

代謝研究と DLCO テストは何年も何十年も定期的に行われており、一般的に非常に安全であると考えられています。 DLCO でトレーサーガスとして使用される一酸化炭素の吸入量は、毒性レベルを大幅に下回っています。 これらの検査は、長い間 FDA によって承認されており、肺疾患の患者に対しても安全であると考えられています。

利点：

研究は、研究に参加している被験者に直接的または直接的な利益をもたらすものではありません. 音波は、まだ測定されていない程度まで、「換気誘発性肺損傷または VILI」の発生率と重症度を軽減するのに役立つ可能性があると予想されています。 この仮定の背後にある主な理由は、呼吸ガスに適切な音波を追加することで、現在利用可能な技術と比較して、より低い FiO2 および/またはより低い平均気道圧 (Pmaw) で効果的に肺を換気できるようになるということです。 高 FiO2/Pmaw が VILI の 2 つの主要な予測因子であることは長い間知られています。 また、心肺蘇生法 (CPR) や、COPD、喘息、嚢胞性線維症、気管支肺異形成、拘束性肺障害、急性肺損傷、気胸、RDS、およびその他の状態などの多くの急性または慢性肺障害の結果が改善される可能性があることも予想されます。適切な音波の使用を通じて。