De effecten van geluidsenergie op pulmonaire gasuitwisseling

Geluidsgolven worden in verschillende industrieën gebruikt om het proces van het mengen of scheiden van vloeistoffen (gassen/vloeistoffen) te versnellen. We hebben bewezen dat bepaalde geluidsgolven de gasuitwisseling in de longen van ratten veilig kunnen verbeteren door de gasdiffusie in hun luchtwegen en longblaasjes te versnellen. Nu willen we zien of vergelijkbare geluidsgolven de gasuitwisseling bij mensen kunnen verbeteren.

Het apparaat dat de geluidsgolven creëert, is een sonische drukoscillator die geluidsgolven kan maken die qua luidheid en frequentie vergelijkbaar zijn met luid menselijk gezang of geschreeuw. Deze golven bevinden zich voornamelijk in het frequentiebereik van 50-500 Hz (Hertz, oscillaties per seconde) met een intensiteit van 85-105 dBs (deci Bells, eenheid van geluidsdrukintensiteit).

We hebben twee benchtop-onderzoeken uitgevoerd en waren getuige van het vermogen van geluidsgolven om de gasdiffusie te vergroten. In een pilotstudie bij ratten hebben we een veilige en significante verbetering van de pulmonale gasuitwisseling aangetoond onder invloed van geluidsenergie. De effecten van geluidsgolven op de gasuitwisseling bij een mens, de hoofdonderzoeker (PI), werd ook geanalyseerd in een metabolische test met veelbelovende resultaten. Een klinisch significante verbetering in de pulmonale gasdiffusie van de PI werd ook opgemerkt in een DLCO-test (diffuserende longcapaciteit voor koolmonoxide). Bij weer een andere test, een kunstmatig vergrote longdode ruimtestudie, werden de transcutane zuurstof- en kooldioxidedrukken (PtcCO2 & PtcO2) van de PI gemeten en de resultaten wezen op de aanwezigheid van gewenste en veilige effecten van bepaalde geluidsgolven bij pulmonale gasuitwisseling. De bovengenoemde studies ondersteunen de grondgedachte, doelstellingen en methodologie van de voorgestelde studies.

Onze mensstudies zullen bestaan ​​uit een primair en een secundair deel. In het eerste deel worden de geluidsgolven niet rechtstreeks in de longen van de proefpersoon gebracht, maar in een cilinder met open uiteinde, terwijl de proefpersonen de lucht uit het gesloten uiteinde van de cilinder inademen. De geluidsintensiteit wordt binnen het bereik van 95-105dB gehouden.

In het tweede deel van de onderzoeken worden de geluidsgolven met een lagere intensiteit (85-95dB) rechtstreeks in de longen van de proefpersonen gebracht terwijl de proefpersonen 1) een metabolische test en 2) een longdiffusiecapaciteitstest (DLCO) ondergaan. De resultaten van deze tests worden vergeleken met de basislijntestresultaten van de proefpersoon (zonder geluidsgolven).

In beide delen van het onderzoek worden de neusgaten van de proefpersonen afgeklemd door gewone plastic neusklemmen terwijl hen wordt gevraagd een mondstuk vast te houden en er doorheen te ademen.

In het primaire deel worden geluidsgolven van 95-105 dB afgeleverd in een afgeknotte cilinder van 16 L (liter). De bredere basis van de afgeknotte kegel staat open voor kamerlucht, maar de kleinere basis is gesloten. Een buis van 2x20 cm verbindt het gesloten uiteinde van de afgeknotte kegel met het mondstuk. De proefpersonen ademen in en uit de smallere (gesloten) basis van de afgeknotte kegel door het mondstuk gedurende cycli van 3 minuten, gevolgd door cycli van 3 minuten waarin frisse kamerlucht wordt ingeademd. De PtcCO2 en PtcO2 van de proefpersonen worden gemeten met de afgeknotte kegel in verschillende ruimtelijke oriëntaties met betrekking tot de open basis die 1) verticaal naar boven (+90 graden met horizon), 2) horizontaal (0 graden), verticaal naar beneden (- 90 graden) en gekanteld tot -45 graden. Deze toets duurt minimaal 6x4=24 minuten en maximaal 30 minuten per vak. Vervolgens worden dezelfde tests uitgevoerd met geluidsenergie die in de afgeknotte kegel wordt ingebracht. De totale tijd voor het bestuderen van elk onderwerp zal ongeveer 48-60 minuten zijn.

Secundair deel van de studie bestaat uit twee delen. In het eerste deel wordt de diffusiecapaciteit van de longen gemeten terwijl de geluidsgolven door de transducer worden afgespeeld en via een mondstuk in de mondholte van de proefpersoon worden afgeleverd. De geluidsgolven reizen door de longluchtwegen en in de longblaasjes. Een onderzoeker luistert naar de borstwand om er zeker van te zijn dat de proefpersoon de golven door de luchtwegen laat stromen zonder het pad naar de geluidsgolven te belemmeren door per ongeluk de tong omhoog te houden of de adem in te houden. Dit mondstuk is via een Y-connector verbonden met het DLCO-apparaat en de buis die de geluidsgolven levert. De duur van het uitgeoefende geluidseffect is slechts 9 seconden volgens het protocol van een routinematige DLCO-test. Deze periode valt samen met het moment waarop de proefpersoon diep ademhaalt en deze 9 seconden vasthoudt. De longdiffusiecapaciteit van de proefpersonen wordt gemeten en vergeleken met geluidloze testresultaten. Hoewel de test een zeer kleine hoeveelheid koolmonoxide (CO) als tracergas gebruikt, wordt de hoeveelheid als verwaarloosbaar en redelijk veilig beschouwd. Deze test wordt al vele jaren routinematig uitgevoerd bij mensen zonder bekende waarneembare bijwerkingen. Het is vele jaren geleden door de FDA goedgekeurd. Er is een overvloed aan medische literatuur over de veiligheid en methoden die bij DLCO worden gebruikt. Er zijn ook meerdere YouTube-video's die laten zien hoe DLCO wordt gedaan. We zullen de deelnemers aanmoedigen om deze video's vóór de studies te bekijken. De proefpersonen zitten comfortabel op een stoel en houden het mondstuk in hun mond en ademen de kamerlucht in. Ze kunnen de test op elk moment gemakkelijk onderbreken door simpelweg het mondstuk uit hun mond te halen.

In het tweede deel ondergaan proefpersonen metabolische tests waarbij hun uitgeademde zuurstof (O2) en koolstofdioxide (CO2) worden gemeten met en zonder geluidseffecten. Metabolische tests zijn al vele jaren goedgekeurd door de FDA en worden over het algemeen als zeer veilig beschouwd. Tijdens de test ademen de deelnemers uit het mondstuk met hun neusgaten dichtgeknepen. Ademgassen worden geleverd door het mondstuk aan te sluiten op een buis die gewoonlijk een basisstroom van kamerlucht heeft van 40 l/min of meer. Om verbetering van de oxygenatie via geluidsenergie te laten zien, zullen we een suboptimale ademhalingsomgeving en kunstmatig veroorzaakte hypoxie moeten creëren. Milde hypoxie wordt over het algemeen goed verdragen door gezonde mensen, hoewel het individu zich kortademig en tachypnisch kan voelen. We voegen stikstof toe aan de toegevoerde lucht om de fractie ingeademde zuurstof (FiO2) terug te brengen tot 17,5%, wat overeenkomt met ademhalen op een hoogte van 7500 voet (ongeveer 2250 m), of vergelijkbaar met een skigebied, behalve dat we niet vragen onze proefpersonen om deel te nemen aan krachtige oefeningen zoals skiën, en de test duurt slechts ~ 20 minuten. De verlaagde FiO2 zal de polsslag (SpO2) van de proefpersonen verlagen tot 92-94%, wat over het algemeen als veilig wordt beschouwd en goed wordt verdragen door alle normale menselijke proefpersonen zonder cardiopulmonale aandoeningen. De resulterende milde en voorbijgaande respiratoire alkalose heeft geen klinische betekenis, aangezien het slechts een test van 20 minuten betreft en de pH-onbalans op natuurlijke wijze wordt gebufferd zonder elektrolytafwijkingen te veroorzaken.

De akoestische transducer is, zoals eerder kort vermeld, een eenvoudige geluidsgolfgenerator en bestaat uit een toongenerator (meestal een computer), een elektronische versterker, een akoestische transducer vergelijkbaar met een gewone luidspreker, en een trechter- en buizensysteem dat de geluidsgolven in het mondstuk van de proefpersonen. De functie lijkt erg op het staan ​​voor een luidspreker en het geluid door de mond/neus en de longluchtwegen laten dringen, behalve dat om de oren te beschermen en het geluid te versterken een trechter wordt gebruikt om de golven op te vangen en te richten. via een buisje in de mondholte. Het apparaat is gemaakt, afgesteld en gekalibreerd door de hoofdonderzoeker. Het kan tonen produceren van 20 Hz tot ongeveer 11 KHz met bruikbare intensiteiten van 65 dB tot maximaal 110 dB. Het eenvoudige apparaat is met succes gebruikt bij ratten en een mens (PI) zonder waarneembare bijwerkingen.

Raadpleeg de bijgevoegde documenten met de literatuur waarnaar wordt verwezen voor een meer gedetailleerde beschrijving van de methodologie en resultaten van onze eerdere onderzoeken.

Gegevensverzameling:

Tijdens het eerste deel van het onderzoek worden gegevens met de PtcCO2, PtcO2, hartslag, ademhalingsfrequentie, minuutvolume en bloeddruk van proefpersonen geregistreerd op een spreadsheet en opgeslagen op met een wachtwoord beveiligde computers.

Variaties in de diffusiecapaciteit van de longen onder invloed van geluidstrillingen zullen worden gemeten en vastgelegd met behulp van een DLCO-machine op de respiratoire afdeling van het LLUMC. Naast het geheugen van de DLCO-machine worden gegevens ook opgeslagen op met een wachtwoord beveiligde computers met behulp van versleutelde MS-Excel. Tijdens de metabolische tests worden de ingeademde en uitgeademde concentraties van O2 en CO2 continu gecontroleerd, samen met de hartslag, ademhalingsfrequentie, pulsoxymetrie, bloeddruk, algemeen comfortniveau van de proefpersoon en zijn/haar klinisch welzijn. De gecodeerde en met een wachtwoord beveiligde gegevens worden verzameld op Microsoft Spreadsheets voor statistische analyse door een biostatisticus.

RISICO EN LETSEL:

Menselijke oren zijn bijzonder gevoelig voor schade door harde geluiden. Oorpijn of ongemak kan optreden bij geluidsniveaus van slechts 110 dB, maar over het algemeen wordt aangenomen dat pijnlijke geluidsniveaus in het bereik van 125-135 dB liggen. Andere organen verdragen geluidsgolven veel beter en weefselbeschadiging treedt normaal gesproken niet op bij geluidsintensiteitsniveaus van minder dan 160-170 dB. De geluidsintensiteit zal tijdens de onderzoeken worden gecontroleerd en geregistreerd. De intensiteiten worden altijd onder de 105 dB gehouden, wat aanzienlijk lager is dan eventuele schadelijke niveaus gezien het feit dat geluidsdrukniveaus worden gemeten op logaritmische schaal.

Tijdens de metabolische tests wordt de pulsoximetrie van de proefpersoon boven de 92% gehouden om nadelige effecten te voorkomen. Deze niveaus worden zeer goed verdragen door mensen en gewoonlijk vullen artsen bij deze niveaus geen zuurstof aan patiënten aan. Zeer korte hypoxie met hypercapnie zal optreden tijdens de afgeknotte test wanneer de afgeknotte kegel in een positie van +90 graden wordt gehouden, aangezien de SpO2 in ongeveer 3 minuten zal dalen tot boven de 70 tot onder de 90 seconden, wat de limiet is van deze test. We stoppen de test vóór de mijlpaal van 3 minuten als de SpO2 van een proefpersoon onder de 80% komt. De kortstondige en voorbijgaande hypoxie en hypercapnie wordt goed verdragen. Tijdens de testen zal er altijd een arts aanwezig zijn. Een grondig medisch onderzoek vlak voor de tests zal ook de veiligheid van de proefpersonen waarborgen.

Metabolische studies en DLCO-testen worden al vele jaren/decennia routinematig uitgevoerd en worden over het algemeen als zeer veilig beschouwd. De hoeveelheid ingeademd koolmonoxide die als tracergas in DLCO wordt gebruikt, ligt aanzienlijk onder de toxische niveaus. Deze tests zijn al lange tijd goedgekeurd door de FDA en worden als veilig beschouwd, zelfs bij patiënten met longaandoeningen.

VOORDELEN:

De onderzoeken hebben geen direct of onmiddellijk voordeel voor de proefpersonen die aan het onderzoek deelnemen. Verwacht werd dat geluidsgolven de incidentie en ernst van "ventilatie-geïnduceerde longbeschadiging of VILI" kunnen helpen verminderen in een nog te meten mate. De belangrijkste reden achter deze veronderstelling is dat toevoeging van goede geluidsgolven aan ademgassen ons in staat zal stellen om longen effectief te ventileren met een lagere FiO2 en/of lagere gemiddelde luchtwegdruk (Pmaw) in vergelijking met de momenteel beschikbare technologieën. Het is al lang bekend dat hoge FiO2/Pmaw de twee belangrijkste voorspellers van VILI zijn. Er wordt ook verwacht dat het resultaat van cardiopulmonale reanimatie (CPR) en veel acute of chronische longaandoeningen zoals COPD, astma, cystische fibrose, bronchopulmonale dysplasie, restrictieve longaandoeningen, acuut longletsel, pneumothorax, RDS en sommige andere aandoeningen kunnen verbeteren door gebruik te maken van de juiste geluidsgolven.