Effektene av lydenergi på lungegassutveksling

Lydbølger brukes i ulike industrier for å akselerere prosessen med å blande eller separere væsker (gasser/væsker). Vi har bevist at visse lydbølger trygt kan forbedre gassutvekslingen i lungene til rotter gjennom akselererende gassdiffusjon i luftveiene og alveolene. Nå vil vi se om lignende lydbølger kan forbedre gassutvekslingen hos mennesker.

Enheten som skaper lydbølgene er en sonisk trykkoscillator som kan lage lydbølger som i lydstyrke og frekvens ligner høy menneskelig sang eller skrik. Disse bølgene er hovedsakelig i frekvensområdet 50-500 Hz (Hertz, oscillasjoner per sekund) med intensitet på 85-105 dBs (deci Bells, enhet for lydtrykkintensitet).

Vi utførte to benketoppstudier og så lydbølgenes evne til å øke gassdiffusjonen. I en pilotstudie på rotter viste vi en sikker og signifikant forbedring i lungegassutveksling under påvirkning av lydenergi. Effekten av lydbølger på gassutveksling i et menneske, prinsippforskeren (PI), ble også analysert i en metabolsk test med lovende resultater. En klinisk signifikant forbedring i PIs pulmonalgassdiffusjon ble også notert i en DLCO-test (diffuserende lungekapasitet for karbonmonoksid). På nok en test, kunstig forstørret pulmonal dødromsstudie, ble PIs transkutane oksygen- og karbondioksidtrykk (PtcCO2 & PtcO2) målt, og resultatene indikerte tilstedeværelse av ønskede og sikre effekter av spesielle lydbølger i lungegassutveksling. De ovennevnte studiene støtter begrunnelsen, målene og metodikken til de foreslåtte studiene.

Våre menneskelige studier vil være sammensatt av en primær og en sekundær del. I den primære delen blir ikke lydbølgene introdusert direkte i forsøkspersonens lunger, og de blir heller levert inn i en åpen sylinder mens forsøkspersonene puster luften fra den lukkede enden av sylinderen. Lydintensiteten vil holdes i området 95-105dB.

I den andre delen av studiene introduseres lydbølgene med lavere intensitet (85-95dB) direkte inn i forsøkspersonenes lunger mens forsøkspersonene gjennomgår 1) en metabolsk test og 2) en lungediffusjonskapasitet (DLCO) test. Resultatene av disse testene vil bli sammenlignet med forsøkspersonens baseline testresultater (uten lydbølger).

I begge deler av studien vil forsøkspersonenes nesebor klemmes med vanlige neseklemmer i plast da de vil bli bedt om å holde et munnstykke og puste gjennom det.

I primærdelen vil lydbølger på 95-105dB leveres inn i en 16 L (liter) frustum (konisk sylinder). Frustums bredere base er åpen for romluft, men den mindre basen er lukket. Et 2x20 cm rør vil koble den lukkede enden av stumben til munnstykket. Forsøkspersonene vil puste inn og ut av den smalere (lukkede) bunnen av frustum gjennom munnstykket i 3 minutters sykluser etterfulgt av 3 minutters sykluser med å puste frisk romluft. Forsøkenes PtcCO2 og PtcO2 vil bli målt med stumpen holdt i forskjellige romlige orienteringer i forhold til den åpne basen som vil være 1) vertikal oppover (+90 grader med horisont), 2) horisontal (0 grader), vertikal nedover (- 90 grader), og vippet til -45 graders vinkler. Denne testen vil ta minst 6x4=24 minutter, og ikke mer enn 30 minutter for hvert emne. Deretter vil samme tester bli utført med lydenergi introdusert i frustum. Total tid for å studere hvert emne vil være ca. 48-60 minutter.

Sekundær del av studiet er satt sammen av to deler. I den første delen vil diffusjonskapasiteten til lungene måles mens lydbølgene spilles av transduseren og leveres via en munnstykke inn i forsøkspersonens munnhule. Lydbølgene vil bevege seg nedover lungeluftveiene og inn i alveolene. En undersøker vil lytte til brystveggen for å forsikre seg om at forsøkspersonen lar bølgene bevege seg nedover luftveiene uten å hindre veien til lydbølgene ved utilsiktet å holde tungen oppe eller holde pusten. Nevnte munnstykke er koblet via en Y-kontakt til DLCO-maskinen og røret som leverer lydbølgene. Varigheten av den utøvde lydeffekten vil være bare 9 sekunder i henhold til protokollen for en rutinemessig DLCO-testing. Denne perioden faller sammen med tiden da motivet trekker pusten dypt og holder den i 9 sekunder. Lungediffusjonskapasiteten til forsøkspersonene vil bli målt og sammenlignet med lydløse testresultater. Selv om testen bruker svært små mengder karbonmonoksid (CO) som sporgass, men mengden anses som ubetydelig og ganske sikker. Denne testen har blitt utført på mennesker rutinemessig i mange år uten kjente merkbare bivirkninger. Det har blitt godkjent av FDA for mange år siden. Det finnes en overflod av medisinsk litteratur om sikkerheten og metodene som brukes i DLCO. Det er også flere YouTube-videoer som viser hvordan DLCO gjøres. Vi vil oppfordre deltakerne til å se disse videoene før studiene. Forsøkspersonene vil sitte komfortabelt på en stol og holde munnstykket i munnen og puste inn romluften. De kan enkelt avbryte testen når som helst ved ganske enkelt å ta munnstykket ut av munnen.

I den andre delen skal forsøkspersonene gå under metabolske tester hvor deres utåndede oksygen (O2) og karbondioksid (CO2) måles med og uten lydeffekter. Metabolske tester har vært godkjent av FDA i mange år og anses generelt som svært trygge. Under testen puster deltakerne fra munnstykket med neseborene fastklemt. Pustegasser vil tilveiebringes ved å koble munnstykket til et rør som vanligvis har en basisstrøm av romluft på 40L/min eller mer. For å vise oksygeneringsforbedring via lydenergi må vi skape et suboptimalt respirasjonsmiljø og kunstig indusert hypoksi. Mild hypoksi tolereres generelt godt av friske mennesker, selv om det kan få individet til å føle seg kortpustet og takypneisk. Vi vil tilføre nitrogen til den tilførte luften for å få ned brøkdelen av inhalert oksygen (FiO2) til 17,5 % som korrelerer pust i en høyde på 7500 fot (omtrent 2250m), eller lignende til et skianlegg, bortsett fra at vi ikke spør. fagene våre å bli involvert i hard trening som ski, og testen er bare ~20 minutter. Den senkede FiO2 vil bringe forsøkspersonenes pulsokse (SpO2) ned til 92-94 %, som generelt anses som trygt og godt tolerert av alle normale mennesker uten kardiopulmonale tilstander. Den resulterende milde og forbigående respiratoriske alkalose har ingen klinisk betydning da den bare involverer en 20-minutters test og pH-ubalansen vil bufres naturlig uten å indusere noen elektrolyttavvik.

Den akustiske transduseren, som kort nevnt tidligere, er en enkel lydbølgegenerator og består av en tonegenerator (vanligvis en datamaskin), en elektronisk forsterker, en akustisk svinger som ligner på en vanlig høyttaler, og et trakt- og rørsystem som styrer lydbølger inn i forsøkspersonens munnstykke. Funksjonen er veldig lik det å stå foran en høyttaler og la lydene trenge inn i munnen/nesen og ned i lungeluftveiene, bortsett fra at for å beskytte ørene og forsterke lydene brukes en trakt for å fange opp bølgene og dirigere dem. inn i munnhulen via et rør. Enheten er laget, innstilt og kalibrert av hovedetterforskeren. Den kan produsere toner fra 20 Hz til omtrent 11 KHz med nyttige intensiteter fra 65dB til maksimalt 110dB. Den enkle enheten har vært vellykket brukt i rotter og et menneske (PI) uten noen merkbare bivirkninger.

For mer detaljert beskrivelse av metodikken og resultatene av våre tidligere studier, se vedlagte dokumenter med referert litteratur.

Datainnsamling:

I løpet av den første delen av studien vil data med forsøkspersoners PtcCO2, PtcO2, hjertefrekvens, respirasjonsfrekvens, minuttvolum og blodtrykk logges på et regneark og lagres på passordbeskyttede datamaskiner.

Variasjoner i lungediffusjonskapasitet under påvirkning av lydvibrasjoner vil bli målt og registrert ved hjelp av en DLCO-maskin ved luftveisavdelingen til LLUMC. Data vil også bli lagret på passordbeskyttede datamaskiner som bruker kryptert MS-Excel i tillegg til minnet til DLCO-maskinen. Under metabolske testene vil inhalerte og utåndede konsentrasjoner av O2 og CO2 kontinuerlig overvåkes sammen med forsøkspersonens hjertefrekvens, pustefrekvens, pulsoksymetri, blodtrykk, generelle komfortnivå for forsøkspersonen og hans/hennes kliniske velvære. De krypterte og passordbeskyttede dataene vil bli samlet inn på Microsoft Spreadsheets for statistisk analyse av en biostatistiker.

RISIKO OG SKADE:

Menneskelige ører er spesielt utsatt for skade av høye lyder. Øresmerter eller ubehag kan oppstå ved lydnivåer så lave som 110dB, men smertefulle lydnivåer anses generelt å være i området 125-135dB. Andre organer tåler lydbølger mye bedre og vevsskader oppstår normalt ikke ved lydintensitetsnivåer mindre enn 160-170dB. Lydintensiteten vil bli overvåket og registrert under studiene. Intensitetene vil alltid holdes under 105dB, som er betydelig under eventuelle skadelige nivåer tatt i betraktning det faktum at lydtrykknivåer måles i logaritmisk skala.

Under stoffskiftetestene vil forsøkspersonens pulsoksymetri holdes over 92 % for å unngå uønskede effekter. Disse nivåene tolereres veldig godt av mennesker, og vanligvis tilfører ikke leger noe oksygen til pasienter på disse nivåene. Svært kort hypoksi med hyperkapni vil skje under frustum-testen når frustum holdes i +90 graders posisjon, da SpO2 vil stupe til øvre 70 til nedre 90 på ca. 3 minutter, som er grensen for denne testen. Vi vil stanse testen før landemerket på 3 minutter hvis et forsøkspersons SpO2 gikk under 80 %. Kortvarig og forbigående hypoksi og hyperkapni tolereres godt. En lege vil til enhver tid være tilstede når testene pågår. En grundig medisinsk undersøkelse rett før prøvene vil sikre sikkerheten til forsøkspersonene også.

Metabolske studier og DLCO-tester har blitt gjort rutinemessig i mange år/tiår og anses generelt som svært trygge. Mengden inhalert karbonmonoksid brukt som sporgass i DLCO er betydelig under eventuelle giftige nivåer. Disse testene har vært godkjent av FDA i lang tid og anses som trygge selv hos pasienter med lungesykdommer.

FORDELER:

Studiene har ingen direkte eller umiddelbar fordel for forsøkspersonene som deltar i studien. Det har vært forventet at lydbølger kan bidra til å redusere forekomsten og alvorlighetsgraden av "ventilasjonsindusert lungeskade eller VILI" i en grad som ennå ikke er målt. Hovedårsaken bak denne postulasjonen er at tilsetning av riktige lydbølger til pustegasser vil gjøre oss i stand til å effektivt ventilere lunger med lavere FiO2 og/eller mindre gjennomsnittlig luftveistrykk (Pmaw) sammenlignet med dagens tilgjengelige teknologier. Det har vært kjent i lang tid at høy FiO2/Pmaw er de to viktigste prediktorene for VILI. Det er også forventet at utfallet av hjerte-lunge-redning (HLR) og mange akutte eller kroniske lungelidelser som KOLS, astma, cystisk fibrose, bronkopulmonal dysplasi, restriktive lungelidelser, akutt lungeskade, pneumotoraks, RDS og noen andre tilstander kan forbedres. ved bruk av riktige lydbølger.