Wpływ energii dźwięku na wymianę gazową w płucach

Fale dźwiękowe są wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu do przyspieszania procesu mieszania lub rozdzielania płynów (gazy/ciecze). Udowodniliśmy, że pewne fale dźwiękowe mogą bezpiecznie poprawić wymianę gazową w płucach szczurów poprzez przyspieszenie dyfuzji gazów w ich drogach oddechowych i pęcherzykach płucnych. Teraz chcemy sprawdzić, czy podobne fale dźwiękowe mogą poprawić wymianę gazową u ludzi.

Urządzenie, które wytwarza fale dźwiękowe, to oscylator ciśnienia akustycznego, który może wytwarzać fale dźwiękowe podobne pod względem głośności i częstotliwości do głośnego ludzkiego śpiewu lub krzyku. Fale te mieszczą się głównie w zakresie częstotliwości 50-500 Hz (Hertz, oscylacje na sekundę) o natężeniu 85-105 dB (deci Bells, jednostka natężenia ciśnienia akustycznego).

Przeprowadziliśmy dwa badania laboratoryjne i byliśmy świadkami zdolności fal dźwiękowych do zwiększania dyfuzji gazów. W badaniu pilotażowym na szczurach wykazaliśmy bezpieczną i znaczną poprawę wymiany gazowej w płucach pod wpływem energii akustycznej. Wpływ fal dźwiękowych na wymianę gazową u człowieka, głównego badacza (PI), został również przeanalizowany w teście metabolicznym z obiecującymi wynikami. Klinicznie istotną poprawę dyfuzji gazów w płucach PI odnotowano również w teście DLCO (dyfuzyjna pojemność płuc dla tlenku węgla). W jeszcze innym teście, badaniu sztucznie powiększonej martwej przestrzeni płucnej, zmierzono przezskórne ciśnienie tlenu i dwutlenku węgla (PtcCO2 & PtcO2) PI, a wyniki wykazały obecność pożądanych i bezpiecznych efektów poszczególnych fal dźwiękowych w płucnej wymianie gazowej. Powyższe badania potwierdzają przesłanki, cele i metodologię proponowanych badań.

Nasze badania na ludziach będą się składać z części pierwotnej i drugorzędnej. W pierwszej części fale dźwiękowe nie są wprowadzane bezpośrednio do płuc badanych, lecz są dostarczane do otwartego cylindra, podczas gdy badani oddychają powietrzem z zamkniętego końca cylindra. Natężenie dźwięku będzie utrzymywane w przedziale 95-105dB.

W drugiej części badań fale dźwiękowe o niższym natężeniu (85-95dB) są wprowadzane bezpośrednio do płuc badanych podczas 1) testu metabolicznego i 2) testu pojemności dyfuzyjnej płuc (DLCO). Wyniki tych testów zostaną porównane z podstawowymi wynikami testu badanego (bez fal dźwiękowych).

W obu częściach badania nozdrza badanych zostaną zaciśnięte zwykłymi plastikowymi zaciskami na nos, ponieważ zostaną poproszeni o trzymanie ustnika i oddychanie przez niego.

W pierwszej części fale dźwiękowe o natężeniu 95-105dB zostaną dostarczone do stożkowego walca o pojemności 16 litrów. Szersza podstawa ściętego jest otwarta na powietrze z pomieszczenia, ale jej mniejsza podstawa jest zamknięta. Rurka 2x20 cm połączy zamknięty koniec ściętego z ustnikiem. Badani będą wdychać i wydychać powietrze z węższej (zamkniętej) podstawy ściętego ściętego ustnika przez 3-minutowe cykle, po których następują 3-minutowe cykle oddychania świeżym powietrzem z pomieszczenia. PtcCO2 i PtcO2 badanych będą mierzone przy ściętym kształcie trzymanym w różnych orientacjach przestrzennych w odniesieniu do jego otwartej podstawy, która będzie 1) pionowo w górę (+90 stopni z horyzontem), 2) poziomo (0 stopni), pionowo w dół (- 90 stopni) i przechylony pod kątem -45 stopni. Ten test zajmie co najmniej 6 x 4 = 24 minuty i nie więcej niż 30 minut dla każdego przedmiotu. Następnie te same testy zostaną wykonane z energią dźwiękową wprowadzoną do ściętego. Całkowity czas studiowania każdego przedmiotu wyniesie około 48-60 minut.

Druga część opracowania składa się z dwóch części. W pierwszej części mierzona będzie zdolność dyfuzyjna płuc, podczas gdy fale dźwiękowe są odtwarzane przez przetwornik i dostarczane przez ustnik do jamy ustnej badanych. Fale dźwiękowe będą przemieszczać się w dół dróg oddechowych płuc i do pęcherzyków płucnych. Egzaminator słucha ściany klatki piersiowej, aby upewnić się, że badany pozwala falom przemieszczać się w drogach oddechowych bez blokowania ścieżki fal dźwiękowych przez nieumyślne podnoszenie języka lub wstrzymywanie oddechu. Wspomniany ustnik jest połączony za pomocą złącza Y z urządzeniem DLCO i rurką, która dostarcza fale dźwiękowe. Czas trwania wywieranego efektu dźwiękowego wyniesie tylko 9 sekund, zgodnie z protokołem rutynowego badania DLCO. Okres ten pokrywa się z czasem, w którym badany bierze głęboki oddech i wstrzymuje go przez 9 sekund. Zdolność dyfuzyjna płuc badanych zostanie zmierzona i porównana z wynikami testów bezdźwięcznych. Wprawdzie w teście jako gaz znakujący wykorzystuje się bardzo małą ilość tlenku węgla (CO), ale ilość tę uważa się za znikomą i całkiem bezpieczną. Ten test był rutynowo wykonywany na ludziach przez wiele lat bez znanych zauważalnych skutków ubocznych. Został zatwierdzony przez FDA wiele lat temu. Istnieje mnóstwo literatury medycznej dotyczącej bezpieczeństwa i metod stosowanych w DLCO. Istnieje również wiele filmów na YouTube pokazujących, jak odbywa się DLCO. Będziemy zachęcać uczestników do obejrzenia tych filmów przed rozpoczęciem studiów. Badani będą siedzieć wygodnie na krześle i trzymać ustnik w ustach i oddychać powietrzem pokojowym. Mogą łatwo przerwać test w dowolnym momencie, po prostu wyjmując ustnik z ust.

W drugiej części uczestnicy przejdą testy metaboliczne, podczas których mierzone będzie wydychane tlen (O2) i dwutlenek węgla (CO2) z efektami dźwiękowymi i bez nich. Testy metaboliczne zostały zatwierdzone przez FDA od wielu lat i są ogólnie uważane za bardzo bezpieczne. Podczas testu uczestnicy oddychają przez ustnik z zaciśniętymi nozdrzami. Gazy do oddychania będą dostarczane przez podłączenie ustnika do rurki, która zwykle ma podstawowy przepływ powietrza w pomieszczeniu 40 l/min lub więcej. Aby pokazać poprawę natlenienia za pomocą energii akustycznej, będziemy musieli stworzyć suboptymalne środowisko oddechowe i sztucznie wywołaną hipoksję. Łagodne niedotlenienie jest na ogół dobrze tolerowane przez zdrowych ludzi, chociaż może powodować duszność i przyspieszenie oddechu. Do dostarczanego powietrza dodamy azot, aby obniżyć frakcję wdychanego tlenu (FiO2) do 17,5%, co odpowiada oddychaniu na wysokości 7500 stóp (około 2250 m) lub podobnie jak w ośrodku narciarskim, z wyjątkiem tego, że nie prosimy naszych pacjentów, aby zaangażowali się w energiczne ćwiczenia, takie jak jazda na nartach, a test trwa tylko ~20 minut. Obniżone FiO2 obniży puls ox (SpO2) badanych do 92-94%, co jest ogólnie uważane za bezpieczne i dobrze tolerowane przez wszystkich normalnych ludzi bez chorób sercowo-płucnych. Wynikająca z tego łagodna i przejściowa alkaloza oddechowa nie ma znaczenia klinicznego, ponieważ obejmuje tylko 20-minutowy test, a zaburzenie równowagi pH zostanie naturalnie zbuforowane bez wywoływania jakichkolwiek nieprawidłowości elektrolitowych.

Przetwornik akustyczny, jak wspomniano pokrótce wcześniej, jest prostym generatorem fal dźwiękowych i składa się z generatora tonu (zwykle komputera), wzmacniacza elektronicznego, przetwornika akustycznego podobnego do zwykłego głośnika oraz systemu lejków i rurek, które kierują fale dźwiękowe do ustników badanych. Jego funkcja jest bardzo podobna do stania przed głośnikiem i przepuszczania dźwięków do ust/nosa i do dróg oddechowych płuc, z tą różnicą, że w celu ochrony uszu i zintensyfikowania dźwięków lejek służy do wychwytywania fal i kierowania nimi do jamy ustnej przez rurkę. Urządzenie jest wykonane, dostrojone i skalibrowane przez głównego badacza. Może wytwarzać tony od 20 Hz do około 11 kHz z użyteczną intensywnością w zakresie od 65 dB do maksymalnie 110 dB. To proste urządzenie zostało z powodzeniem zastosowane u szczurów i ludzi (PI) bez zauważalnych skutków ubocznych.

Bardziej szczegółowy opis metodologii i wyników naszych poprzednich badań można znaleźć w załączonych dokumentach wraz z przywołaną literaturą.

Gromadzenie danych:

Podczas pierwszej części badania dane z PtcCO2, PtcO2 badanych, częstością akcji serca, częstością oddechów, objętością minutową i ciśnieniem krwi zostaną zapisane w arkuszu kalkulacyjnym i zapisane na komputerach chronionych hasłem.

Zmiany pojemności dyfuzyjnej płuc pod wpływem wibracji dźwiękowych będą mierzone i rejestrowane za pomocą aparatu DLCO na oddziale oddechowym LLUMC. Dane będą również zapisywane na komputerach chronionych hasłem przy użyciu szyfrowanego programu MS-Excel oprócz pamięci maszyny DLCO. Podczas testów metabolicznych w sposób ciągły monitorowane będą wdychane i wydychane stężenia O2 i CO2, a także tętno, częstość oddechów, pulsoksymetria, ciśnienie krwi, ogólny poziom komfortu pacjenta i jego stan kliniczny. Zaszyfrowane i chronione hasłem dane będą gromadzone w Arkuszach kalkulacyjnych Microsoft w celu analizy statystycznej przez biostatystyka.

RYZYKO I USZKODZENIA:

Ludzkie uszy są szczególnie podatne na uszkodzenia spowodowane głośnymi dźwiękami. Ból ucha lub dyskomfort mogą wystąpić już przy poziomie głośności 110 dB, ale zazwyczaj uważa się, że bolesne poziomy dźwięku mieszczą się w zakresie 125-135 dB. Inne narządy znacznie lepiej znoszą fale dźwiękowe, a uszkodzenie tkanek zwykle nie występuje przy poziomach natężenia dźwięku mniejszych niż 160-170 dB. Natężenie dźwięku będzie monitorowane i rejestrowane podczas badań. Intensywność będzie zawsze utrzymywana poniżej 105 dB, co jest znacznie poniżej jakichkolwiek szkodliwych poziomów, biorąc pod uwagę fakt, że poziomy ciśnienia akustycznego są mierzone w skali logarytmicznej.

Podczas testów metabolicznych pulsoksymetria badanych będzie utrzymywana powyżej 92%, aby uniknąć jakichkolwiek złych skutków. Poziomy te są bardzo dobrze tolerowane przez ludzi i zwykle lekarze nie uzupełniają tlenu pacjentom na tych poziomach. Bardzo krótkie niedotlenienie z hiperkapnią wystąpi podczas testu ściętego, gdy ścięty jest utrzymywany w pozycji +90 stopni, ponieważ SpO2 gwałtownie spadnie do górnych 70s do dolnych 90s w ciągu około 3 minut, co jest limitem tego testu. Zatrzymamy test przed 3-minutowym punktem zwrotnym, jeśli SpO2 pacjenta spadnie poniżej 80%. Krótka i przejściowa hipoksja i hiperkapnia są dobrze tolerowane. Lekarz będzie obecny przez cały czas trwania testów. Dokładne badanie lekarskie bezpośrednio przed badaniem zapewni również bezpieczeństwo badanych.

Badania metaboliczne i testy DLCO są wykonywane rutynowo od wielu lat/dekad i są ogólnie uważane za bardzo bezpieczne. Ilość wdychanego tlenku węgla używanego jako gaz znakujący w DLCO jest znacznie poniżej jakichkolwiek poziomów toksycznych. Testy te są od dawna zatwierdzone przez FDA i są uważane za bezpieczne nawet u pacjentów z chorobami płuc.

KORZYŚCI:

Badania nie przynoszą żadnych bezpośrednich ani natychmiastowych korzyści osobom biorącym udział w badaniu. Oczekuje się, że fale dźwiękowe mogą pomóc zmniejszyć częstość występowania i nasilenie „uszkodzenia płuc wywołanego wentylacją lub VILI” w stopniu, który jeszcze nie został zmierzony. Głównym powodem tego postulatu jest to, że dodanie odpowiednich fal dźwiękowych do gazów oddechowych umożliwi skuteczną wentylację płuc przy niższym FiO2 i/lub mniejszym średnim ciśnieniu w drogach oddechowych (Pmaw) w porównaniu z obecnie dostępnymi technologiami. Od dawna wiadomo, że wysokie FiO2/Pmaw to dwa główne predyktory VILI. Przewiduje się również, że wynik resuscytacji krążeniowo-oddechowej (CPR) i wielu ostrych lub przewlekłych chorób płuc, takich jak POChP, astma, mukowiscydoza, dysplazja oskrzelowo-płucna, restrykcyjne zaburzenia płuc, ostre uszkodzenie płuc, odma opłucnowa, RDS i niektóre inne stany mogą ulec poprawie poprzez zastosowanie odpowiednich fal dźwiękowych.