Влияние звуковой энергии на легочный газообмен

Звуковые волны используются в различных отраслях промышленности для ускорения процесса смешивания или разделения жидкостей (газов/жидкостей). Мы доказали, что определенные звуковые волны могут безопасно улучшать газообмен в легких крыс за счет ускорения диффузии газа в их дыхательных путях и альвеолах. Теперь мы хотим посмотреть, могут ли подобные звуковые волны улучшить газообмен у людей.

Устройство, создающее звуковые волны, представляет собой генератор звукового давления, способный создавать звуковые волны, подобные по громкости и частоте громкому человеческому пению или крику. Эти волны в основном находятся в частотном диапазоне 50-500 Гц (Герц, колебания в секунду) с интенсивностью 85-105 дБ (деци Белла, единица интенсивности звукового давления).

Мы провели два лабораторных исследования и стали свидетелями способности звуковых волн усиливать диффузию газа. В пилотном исследовании на крысах мы показали безопасное и значительное улучшение газообмена в легких под влиянием звуковой энергии. Влияние звуковых волн на газообмен у человека, главного исследователя (PI), также было проанализировано в метаболическом тесте с многообещающими результатами. Клинически значимое улучшение диффузии легочных газов PI также было отмечено в тесте DLCO (диффузионная способность легких по монооксиду углерода). В еще одном тесте, искусственно увеличенном легочном мертвом пространстве, были измерены чрескожные давления кислорода и углекислого газа (PtcCO2 и PtcO2) PI, и результаты указывали на наличие желаемых и безопасных эффектов определенных звуковых волн в легочном газообмене. Вышеупомянутые исследования поддерживают обоснование, цели и методологию предлагаемых исследований.

Наши исследования человека будут состоять из первичной и вторичной частей. В начальной части звуковые волны не вводятся непосредственно в легкие испытуемых, а скорее доставляются в цилиндр с открытым концом, в то время как испытуемые дышат воздухом из закрытого конца цилиндра. Интенсивность звука будет поддерживаться в диапазоне 95-105 дБ.

Во второй части исследований звуковые волны более низкой интенсивности (85-95 дБ) непосредственно вводятся в легкие испытуемых, в то время как испытуемые проходят 1) метаболический тест и 2) тест диффузионной способности легких (DLCO). Результаты этих тестов будут сравниваться с исходными результатами тестов субъекта (без звуковых волн).

В обеих частях исследования ноздри испытуемых будут зажиматься обычными пластиковыми зажимами для носа, поскольку им будет предложено держать мундштук и дышать через него.

В начальной части звуковые волны мощностью 95-105 дБ будут подаваться в 16-литровый усеченный конус (конический цилиндр). Более широкое основание усеченного конуса открыто для комнатного воздуха, но его меньшее основание закрыто. Трубка 2x20 см соединит закрытый конец усеченного конуса с мундштуком. Субъекты будут вдыхать и выдыхать через более узкое (закрытое) основание усеченного конуса через мундштук в течение 3-минутных циклов, за которыми следуют 3-минутные циклы дыхания свежим комнатным воздухом. PtcCO2 и PtcO2 испытуемых будут измеряться с усеченным конусом, удерживаемым в различных пространственных ориентациях относительно его открытого основания, которое будет 1) вертикально вверх (+90 градусов относительно горизонта), 2) горизонтально (0 градусов), вертикально вниз (- 90 градусов) и под углом -45 градусов. Этот тест займет не менее 6x4=24 минут и не более 30 минут на каждый предмет. Затем такие же испытания будут проведены со звуковой энергией, введенной в усеченный конус. Общее время изучения каждого предмета составит примерно 48-60 минут.

Второстепенная часть исследования состоит из двух разделов. В первом разделе будет измеряться диффузионная способность легких, когда звуковые волны воспроизводятся преобразователем и доставляются через мундштук в полость рта испытуемых. Звуковые волны будут проходить по легочным дыхательным путям в альвеолы. Исследователь будет слушать грудную клетку, чтобы убедиться, что субъект позволяет волнам проходить вниз по дыхательным путям, не препятствуя пути звуковых волн, непреднамеренно удерживая язык или задерживая дыхание. Указанный мундштук соединен Y-образным соединителем с машиной DLCO и трубкой, передающей звуковые волны. Продолжительность оказываемого звукового эффекта составит всего 9 секунд согласно протоколу рутинного тестирования DLCO. Этот период совпадает со временем, когда испытуемый делает глубокий вдох и задерживает его на 9 секунд. Диффузионная способность легких испытуемых будет измеряться и сравниваться с результатами беззвучного теста. Хотя в тесте используется очень небольшое количество окиси углерода (CO) в качестве индикаторного газа, это количество считается незначительным и вполне безопасным. Этот тест регулярно проводился на людях в течение многих лет без каких-либо известных заметных побочных эффектов. Он был одобрен FDA много лет назад. Существует множество медицинской литературы о безопасности и методах, используемых в DLCO. Есть также несколько видеороликов на YouTube, показывающих, как делается DLCO. Мы рекомендуем участникам просмотреть эти видеоролики перед занятиями. Субъекты будут удобно сидеть на стуле, держать мундштук во рту и дышать комнатным воздухом. Они могут легко прервать тест в любой момент, просто вынув мундштук изо рта.

Во втором разделе испытуемые пройдут метаболические тесты, в ходе которых измеряется их выдыхаемый кислород (O2) и углекислый газ (CO2) со звуковыми эффектами и без них. Метаболические тесты были одобрены FDA в течение многих лет и, как правило, считаются очень безопасными. Во время теста участники дышат через мундштук с зажатыми ноздрями. Дыхательные газы будут обеспечены путем подсоединения мундштука к трубке, которая обычно имеет базовый поток комнатного воздуха 40 л/мин или более. Чтобы показать улучшение оксигенации с помощью звуковой энергии, нам придется создать субоптимальную дыхательную среду и искусственно вызвать гипоксию. Легкая гипоксия, как правило, хорошо переносится здоровыми людьми, хотя она может вызвать у человека одышку и тахипноэ. Мы добавим азот в подаваемый воздух, чтобы снизить долю вдыхаемого кислорода (FiO2) до 17,5%, что соответствует дыханию на высоте 7500 футов (приблизительно 2250 м) или аналогично горнолыжному курорту, за исключением того, что мы не спрашиваем наши испытуемые должны были участвовать в энергичных упражнениях, таких как катание на лыжах, а тест длился всего ~ 20 минут. Пониженный FiO2 снизит пульс ox (SpO2) субъекта до 92-94%, что обычно считается безопасным и хорошо переносимым всеми нормальными людьми без сердечно-легочных заболеваний. Возникающий в результате умеренный и преходящий респираторный алкалоз не имеет клинического значения, поскольку он включает только 20-минутный тест, а дисбаланс pH будет компенсироваться естественным путем, не вызывая каких-либо нарушений электролитного баланса.

Акустический преобразователь, как кратко упоминалось ранее, представляет собой простой генератор звуковых волн и состоит из тонального генератора (обычно компьютера), электронного усилителя, акустического преобразователя, подобного обычному громкоговорителю, и системы воронки и трубок, которая направляет звук. звуковые волны в мундштук испытуемого. Его функция очень похожа на то, что вы стоите перед громкоговорителем и позволяете звукам проникать в рот / нос и вниз по легочным дыхательным путям, за исключением того, что для защиты ушей и усиления звуков используется воронка для улавливания волн и их направления. в полость рта через трубку. Устройство изготавливается, настраивается и калибруется главным исследователем. Он может воспроизводить тона от 20 Гц до 11 кГц с полезной интенсивностью от 65 дБ до 110 дБ. Простое устройство было успешно использовано на крысах и человеке (PI) без каких-либо заметных побочных эффектов.

Для более подробного описания методологии и результатов наших предыдущих исследований, пожалуйста, обратитесь к приложенным документам со ссылкой на литературу.

Сбор данных:

В ходе первой части исследования данные об испытуемых с PtcCO2, PtcO2, частотой сердечных сокращений, частотой дыхания, минутным объемом и артериальным давлением будут регистрироваться в электронной таблице и сохраняться на защищенных паролем компьютерах.

Изменения диффузионной способности легких под влиянием звуковых колебаний будут измеряться и регистрироваться с помощью аппарата DLCO в дыхательном отделении LLUMC. Данные также будут сохранены на защищенных паролем компьютерах с использованием зашифрованного MS-Excel в дополнение к памяти машины DLCO. Во время метаболических тестов будут постоянно контролироваться концентрации O2 и CO2 во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, а также частота сердечных сокращений испытуемых, частота дыхания, пульсоксиметрия, артериальное давление, общий уровень комфорта субъекта и его/ее клиническое самочувствие. Зашифрованные и защищенные паролем данные будут собраны в электронных таблицах Microsoft для статистического анализа специалистом по биостатистике.

РИСК И ТРАВМЫ:

Человеческие уши особенно подвержены повреждению громкими звуками. Боль в ушах или дискомфорт могут возникать при уровне звука всего 110 дБ, но обычно считается, что уровень болезненного звука находится в диапазоне 125-135 дБ. Другие органы гораздо лучше переносят звуковую волну, а повреждение тканей обычно не происходит при уровне интенсивности звука менее 160-170 дБ. Интенсивность звука будет контролироваться и записываться во время исследований. Интенсивность всегда будет поддерживаться на уровне ниже 105 дБ, что значительно ниже любых вредных уровней, учитывая тот факт, что уровни звукового давления измеряются в логарифмической шкале.

Во время метаболических тестов пульсоксиметрия испытуемых будет поддерживаться выше 92%, чтобы избежать каких-либо побочных эффектов. Эти уровни очень хорошо переносятся людьми, и обычно врачи не снабжают пациентов кислородом при таких уровнях. Очень короткая гипоксия с гиперкапнией произойдет во время теста усеченной пирамиды, когда усеченный конус удерживается в положении +90 градусов, поскольку SpO2 резко упадет от верхних 70 до нижних 90 примерно за 3 минуты, что является пределом этого теста. Мы остановим тест до 3-минутного ориентира, если SpO2 субъекта опустится ниже 80%. Кратковременная и преходящая гипоксия и гиперкапния переносится хорошо. Медицинский врач будет присутствовать все время, когда проводятся тесты. Тщательный медицинский осмотр непосредственно перед тестами также обеспечит безопасность испытуемых.

Метаболические исследования и тесты DLCO регулярно проводятся в течение многих лет/десятилетий и обычно считаются очень безопасными. Количество вдыхаемого монооксида углерода, используемого в качестве индикаторного газа в DLCO, значительно ниже любых уровней токсичности. Эти тесты давно одобрены FDA и считаются безопасными даже у пациентов с легочными заболеваниями.

ПРЕИМУЩЕСТВА:

Исследования не приносят прямой или непосредственной пользы субъектам, участвующим в исследовании. Ожидалось, что звуковые волны могут помочь снизить частоту и тяжесть «вентиляционно-индуцированного повреждения легких или VILI» до степени, которую еще предстоит измерить. Основная причина этого постулата заключается в том, что добавление соответствующих звуковых волн к дыхательным газам позволит нам эффективно вентилировать легкие с более низким FiO2 и/или меньшим средним давлением в дыхательных путях (Pmaw) по сравнению с доступными в настоящее время технологиями. Давно известно, что высокие показатели FiO2/Pmaw являются двумя основными предикторами VILI. Также ожидается, что исход сердечно-легочной реанимации (СЛР) и многих острых или хронических заболеваний легких, таких как ХОБЛ, астма, муковисцидоз, бронхолегочная дисплазия, рестриктивные заболевания легких, острое повреждение легких, пневмоторакс, РДС и некоторые другие состояния, могут улучшиться. за счет использования правильных звуковых волн.