Os efeitos da energia sonora na troca gasosa pulmonar

As ondas sonoras são utilizadas em diversas indústrias para acelerar o processo de mistura ou separação de fluidos (gases/líquidos). Provamos que certas ondas sonoras podem melhorar com segurança a troca gasosa no pulmão de ratos por meio da difusão acelerada de gás dentro de suas vias aéreas e alvéolos. Agora queremos ver se ondas sonoras semelhantes podem melhorar a troca gasosa em humanos.

O dispositivo que cria as ondas sonoras é um oscilador de pressão sônica capaz de produzir ondas sonoras semelhantes em volume e frequência ao canto ou grito humano alto. Essas ondas estão principalmente na faixa de frequência de 50-500 Hz (Hertz, oscilações por segundo) com intensidade de 85-105 dBs (deci Bells, unidade de intensidade de pressão sonora).

Realizamos dois estudos de bancada e testemunhamos a capacidade das ondas sonoras de aumentar a difusão do gás. Em um estudo piloto em ratos, mostramos uma melhora segura e significativa na troca gasosa pulmonar sob influência da energia sonora. Os efeitos das ondas sonoras nas trocas gasosas em um sujeito humano, o investigador principal (PI), também foram analisados ​​em um teste metabólico com resultados promissores. Uma melhora clinicamente significativa na difusão de gás pulmonar do PI também foi observada em um teste de DLCO (capacidade pulmonar de difusão de monóxido de carbono). Em outro teste, estudo do espaço morto pulmonar artificialmente aumentado, as pressões transcutâneas de oxigênio e dióxido de carbono do PI (PtcCO2 e PtcO2) foram medidas e os resultados indicaram a presença de efeitos desejados e seguros de ondas sonoras específicas na troca gasosa pulmonar. Os estudos acima mencionados apóiam a lógica, os objetivos e a metodologia dos estudos propostos.

Nossos estudos humanos serão compostos de uma parte primária e uma secundária. Na parte primária, as ondas sonoras não são introduzidas diretamente nos pulmões dos sujeitos e sim entregues em um cilindro aberto enquanto os sujeitos respiram o ar da extremidade fechada do cilindro. A intensidade do som será mantida na faixa de 95-105dB.

Na segunda parte dos estudos, as ondas sonoras de menor intensidade (85-95dB) são introduzidas diretamente nos pulmões dos sujeitos enquanto os sujeitos passam por 1) um teste metabólico e 2) um teste de capacidade de difusão pulmonar (DLCO). Os resultados desses testes serão comparados com os resultados do teste de linha de base do sujeito (sem ondas sonoras).

Em ambas as partes do estudo, as narinas dos participantes serão fechadas por grampos de nariz de plástico comuns, pois eles serão solicitados a segurar um bocal e respirar através dele.

Na parte primária, ondas sonoras de 95-105dB serão entregues em um frustum (cilindro cônico) de 16 L (litro). A base mais larga do frustum é aberta ao ar ambiente, mas sua base menor é fechada. Um tubo de 2x20 cm conectará a extremidade fechada do tronco ao bocal. Os sujeitos estarão inspirando e expirando pela base mais estreita (fechada) do tronco através do bocal por ciclos de 3 minutos seguidos por ciclos de 3 minutos de respiração de ar fresco do ambiente. O PtcCO2 e PtcO2 dos sujeitos serão medidos com o tronco mantido em várias orientações espaciais em relação à sua base aberta que será 1) vertical para cima (+90 graus com o horizonte), 2) horizontal (0 graus), vertical para baixo (- 90 graus) e inclinada para ângulos de -45 graus. Este teste levará pelo menos 6x4=24 minutos, e não mais que 30 minutos para cada sujeito. Em seguida, os mesmos testes serão feitos com a energia sonora introduzida no frustum. O tempo total para estudar cada assunto será de aproximadamente 48-60 minutos.

A parte secundária do estudo é composta por duas seções. Na primeira seção, a capacidade de difusão dos pulmões será medida enquanto as ondas sonoras são tocadas pelo transdutor e entregues através de um bocal na cavidade oral dos sujeitos. As ondas sonoras viajarão pelas vias aéreas pulmonares e entrarão nos alvéolos. Um examinador ouvirá a parede torácica para se certificar de que o sujeito está permitindo que as ondas viajem pelas vias aéreas sem obstruir o caminho para as ondas sonoras, segurando inadvertidamente a língua para cima ou prendendo a respiração. O referido bocal é conectado por meio de um conector em Y à máquina DLCO e ao tubo que fornece as ondas sonoras. A duração do efeito sonoro exercido será de apenas 9 segundos conforme o protocolo de um teste DLCO de rotina. Este período coincide com o momento em que o sujeito está respirando fundo e segurando por 9 segundos. A capacidade de difusão pulmonar dos sujeitos será medida e comparada com os resultados do teste sem som. Embora o teste use uma quantidade muito pequena de monóxido de carbono (CO) como gás traçador, a quantidade é considerada insignificante e bastante segura. Este teste tem sido feito em humanos rotineiramente por muitos anos, sem efeitos colaterais discerníveis conhecidos. Foi aprovado pela FDA há muitos anos. Existe uma abundância de literatura médica sobre a segurança e os métodos usados ​​na DLCO. Existem também vários vídeos do YouTube mostrando como o DLCO é feito. Incentivaremos os participantes a assistir a esses vídeos antes dos estudos. Os sujeitos estarão sentados confortavelmente em uma cadeira e segurando o bocal na boca e respirando o ar ambiente. Eles podem facilmente interromper o teste a qualquer momento simplesmente tirando o bocal da boca.

Na segunda seção, os participantes serão submetidos a testes metabólicos, onde o oxigênio exalado (O2) e o dióxido de carbono (CO2) são medidos com e sem efeitos sonoros. Os testes metabólicos foram aprovados pelo FDA por muitos anos e geralmente são considerados muito seguros. Durante o teste, os participantes respiram pelo bocal com as narinas fechadas. Os gases respiratórios serão fornecidos conectando o bocal a um tubo que geralmente tem um fluxo básico de ar ambiente de 40L/min ou mais. Para mostrar melhora da oxigenação via energia sonora, teremos que criar um ambiente respiratório abaixo do ideal e hipóxia induzida artificialmente. A hipóxia leve é ​​geralmente bem tolerada por humanos saudáveis, embora possa fazer com que o indivíduo sinta falta de ar e taquipneico. Adicionaremos nitrogênio ao ar fornecido para reduzir a fração de oxigênio inalado (FiO2) para 17,5%, o que corresponde à respiração a uma altitude de 7.500 pés (aproximadamente 2.250m), ou semelhante a uma estação de esqui, exceto que não pedimos nossos sujeitos se envolvam em exercícios vigorosos como esquiar, e o teste dura apenas cerca de 20 minutos. A FiO2 reduzida reduzirá a pulsação (SpO2) dos sujeitos para 92-94%, o que é geralmente considerado seguro e bem tolerado por todos os sujeitos humanos normais sem condições cardiopulmonares. A alcalose respiratória leve e transitória resultante não tem significado clínico, pois envolve apenas um teste de 20 minutos e o desequilíbrio do pH seria tamponado naturalmente sem induzir qualquer anormalidade eletrolítica.

O transdutor acústico, como mencionado brevemente anteriormente, é um gerador de ondas sonoras simples e é composto por um gerador de tom (geralmente um computador), um amplificador eletrônico, um transdutor acústico semelhante a um alto-falante comum e um sistema de funil e tubulação que direciona o ondas sonoras no bocal dos sujeitos. Sua função é muito semelhante a ficar em frente a um alto-falante e deixar que os sons penetrem pela boca/nariz e desçam pelas vias aéreas pulmonares, exceto que, para proteger os ouvidos e intensificar os sons, um funil é usado para capturar as ondas e direcioná-las na cavidade oral através de um tubo. O dispositivo é fabricado, ajustado e calibrado pelo investigador principal. Ele pode produzir tons de 20 Hz a cerca de 11 KHz com intensidades úteis variando de 65dB a um máximo de 110dB. O dispositivo simples foi usado com sucesso em ratos e humanos (PI) sem nenhum efeito colateral perceptível.

Para uma descrição mais detalhada da metodologia e resultados de nossos estudos anteriores, consulte os documentos anexos com a literatura referenciada.

Coleção de dados:

Durante a primeira parte do estudo, os dados de PtcCO2, PtcO2, frequência cardíaca, frequência respiratória, volume minuto e pressão arterial dos participantes serão registrados em uma planilha e salvos em computadores protegidos por senha.

As variações da capacidade de difusão pulmonar sob a influência de vibrações sonoras serão medidas e registradas usando uma máquina DLCO no departamento respiratório do LLUMC. Os dados também serão salvos em computadores protegidos por senha usando MS-Excel criptografado, além da memória da máquina DLCO. Durante os testes metabólicos, as concentrações inspiradas e expiradas de O2 e CO2 serão continuamente monitoradas juntamente com a frequência cardíaca, frequência respiratória, oximetria de pulso, pressão arterial, nível geral de conforto do indivíduo e seu bem-estar clínico. Os dados criptografados e protegidos por senha serão coletados em planilhas da Microsoft para análise estatística por um bioestatístico.

RISCO E LESÃO:

Os ouvidos humanos são particularmente propensos a danos causados ​​por sons altos. Dor de ouvido ou desconforto podem ocorrer em níveis de som tão baixos quanto 110dB, mas níveis de som dolorosos são geralmente considerados na faixa de 125-135dB. Outros órgãos toleram muito melhor as ondas sonoras e o dano tecidual normalmente não ocorre em níveis de intensidade sonora inferiores a 160-170dB. A intensidade do som será monitorada e registrada durante os estudos. As intensidades serão sempre mantidas abaixo de 105dB, o que está significativamente abaixo de qualquer nível nocivo considerando o fato de que os níveis de pressão sonora são medidos em escala logarítmica.

Durante os testes metabólicos, a oximetria de pulso dos sujeitos será mantida acima de 92% para evitar quaisquer efeitos nocivos. Esses níveis são muito bem tolerados pelos humanos e, normalmente, os médicos não suplementam os pacientes com oxigênio nesses níveis. Hipóxia muito breve com hipercapnia acontecerá durante o teste de frustum, quando o frustum é mantido na posição de +90 graus, pois o SpO2 cairá para 70s superior a 90s inferior em cerca de 3 minutos, que é o limite deste teste. Interromperemos o teste antes do marco de 3 minutos se o SpO2 de um sujeito cair abaixo de 80%. A hipóxia breve e transitória e a hipercapnia são bem toleradas. Um médico estará sempre presente sempre que os testes estiverem sendo executados. Um exame médico completo imediatamente antes dos testes também garantirá a segurança dos participantes.

Estudos metabólicos e testes de DLCO têm sido realizados rotineiramente por muitos anos/décadas e geralmente são considerados muito seguros. A quantidade de monóxido de carbono inalado usado como gás marcador em DLCO está significativamente abaixo de qualquer nível tóxico. Esses testes foram aprovados pelo FDA há muito tempo e são considerados seguros mesmo em pacientes com distúrbios pulmonares.

BENEFÍCIOS:

Os estudos não trazem nenhum benefício direto ou imediato para os participantes do estudo. Prevê-se que as ondas sonoras podem ajudar a diminuir a incidência e a gravidade da "lesão pulmonar induzida pela ventilação ou VILI" em uma extensão ainda a ser medida. A principal razão por trás dessa postulação é que a adição de ondas sonoras adequadas aos gases respiratórios nos permitirá ventilar efetivamente os pulmões com menor FiO2 e/ou menor pressão média das vias aéreas (Pmaw) em comparação com as tecnologias atualmente disponíveis. Sabe-se há muito tempo que altas FiO2/Pmaw são os dois principais preditores de VILI. Prevê-se também que o resultado da ressuscitação cardiopulmonar (RCP) e muitos distúrbios pulmonares agudos ou crônicos, como DPOC, asma, fibrose cística, displasia broncopulmonar, distúrbios pulmonares restritivos, lesão pulmonar aguda, pneumotórax, SDR e algumas outras condições podem melhorar através do uso de ondas sonoras adequadas.