Effekterna av ljudenergi på lunggasutbyte

Ljudvågor används i olika industrier för att påskynda processen att blanda eller separera vätskor (gaser/vätskor). Vi har bevisat att vissa ljudvågor på ett säkert sätt kan förbättra gasutbytet i lungorna hos råttor genom att accelerera gasdiffusion i deras luftvägar och alveoler. Nu vill vi se om liknande ljudvågor kan förbättra gasutbytet hos människor.

Enheten som skapar ljudvågorna är en ljudtrycksoscillator som kan göra ljudvågor som liknar hög ljudstyrka och frekvens som högljudd mänsklig sång eller skrik. Dessa vågor ligger huvudsakligen i frekvensområdet 50-500 Hz (Hertz, svängningar per sekund) med en intensitet på 85-105 dBs (deci Bells, enhet för ljudtrycksintensitet).

Vi utförde två bänkstudier och bevittnade ljudvågornas förmåga att öka gasdiffusionen. I en pilotstudie på råttor visade vi en säker och signifikant förbättring av lunggasutbytet under påverkan av ljudenergi. Effekterna av ljudvågor på gasutbytet hos en människa, principalforskaren (PI), analyserades också i ett metabolt test med lovande resultat. En kliniskt signifikant förbättring av PI:s lunggasdiffusion noterades också i ett DLCO-test (diffuserande lungkapacitet för kolmonoxid). Vid ytterligare ett annat test, artificiellt förstorad lungdödrumsstudie, mättes PI:s transkutana syre- och koldioxidtryck (PtcCO2 & PtcO2) och resultaten indikerade närvaron av önskade och säkra effekter av särskilda ljudvågor i lunggasutbyte. Ovannämnda studier stödjer logiken, målen och metodiken för de föreslagna studierna.

Våra humanstudier kommer att bestå av en primär och en sekundär del. I den primära delen förs ljudvågorna inte in i försökspersonernas lungor direkt utan de levereras snarare till en cylinder med öppen ände medan försökspersonerna andas luften från cylinderns slutna ände. Ljudintensiteten kommer att hållas i intervallet 95-105dB.

I den andra delen av studierna introduceras ljudvågorna med lägre intensitet (85-95dB) direkt i försökspersonernas lungor medan försökspersonerna genomgår 1) ett metabolt test och 2) ett lungdiffusionskapacitetstest (DLCO). Resultaten av dessa tester kommer att jämföras med försökspersonens baslinjetestresultat (utan ljudvågor).

I båda delarna av studien kommer försökspersonernas näsborrar att klämmas fast med vanliga näsklämmor i plast då de kommer att uppmanas att hålla ett munstycke och andas genom det.

I den primära delen kommer ljudvågor på 95-105dB att levereras till en 16 L (liter) frustum (konisk cylinder). Frustums bredare bas är öppen för rumsluft men dess mindre bas är stängd. Ett 2x20 cm rör kommer att ansluta den stängda änden av stummunstycket till munstycket. Försökspersonerna kommer att andas in och ut ur den smalare (stängda) basen av frustum genom munstycket under 3 minuters cykler följt av 3 minuters cykler med inandning av frisk rumsluft. Försökspersonernas PtcCO2 och PtcO2 kommer att mätas med stumpen hållen i olika rumsliga orienteringar med avseende på dess öppna bas som kommer att vara 1) vertikalt uppåt (+90 grader med horisonten), 2) horisontellt (0 grader), vertikalt nedåt (- 90 grader) och lutas till -45 graders vinkel. Detta test kommer att ta minst 6x4=24 minuter och inte mer än 30 minuter för varje ämne. Sedan kommer samma tester att göras med ljudenergi införd i frustum. Total tid för att studera varje ämne kommer att vara cirka 48-60 minuter.

Den sekundära delen av studien består av två avsnitt. I det första avsnittet kommer diffusionskapaciteten i lungorna att mätas medan ljudvågorna spelas av givaren och levereras via en munstycke in i försökspersonernas munhåla. Ljudvågorna kommer att färdas ner i lungluftvägarna och in i alveolerna. En granskare kommer att lyssna på bröstväggen för att säkerställa att försökspersonen tillåter vågorna att färdas ner i luftvägarna utan att hindra vägen till ljudvågorna genom att oavsiktligt hålla upp tungan eller hålla andan. Nämnda munstycke är via en Y-kontakt ansluten till DLCO-maskinen och röret som levererar ljudvågorna. Varaktigheten av den utövade ljudeffekten kommer att vara endast 9 sekunder enligt protokollet för en rutinmässig DLCO-testning. Denna period sammanfaller med den tidpunkt då motivet tar ett djupt andetag och håller det i 9 sekunder. Lungdiffusionskapaciteten hos försökspersonerna kommer att mätas och jämföras med ljudlösa testresultat. Även om testet använder mycket liten mängd kolmonoxid (CO) som spårgas, men mängden anses vara försumbar och ganska säker. Detta test har gjorts på människor rutinmässigt i många år utan några kända urskiljbara biverkningar. Det har godkänts av FDA för många år sedan. Det finns ett överflöd av medicinsk litteratur om säkerhet och metoder som används i DLCO. Det finns också flera YouTube-videor som visar hur DLCO går till. Vi kommer att uppmuntra deltagarna att titta på dessa videor innan studierna. Försökspersonerna kommer att sitta bekvämt på en stol och hålla munstycket i munnen och andas rumsluften. De kan enkelt avbryta testet när som helst genom att helt enkelt ta ut munstycket ur munnen.

I det andra avsnittet kommer försökspersonerna att gå under metaboliska tester där deras utandade syre (O2) och koldioxid (CO2) mäts med och utan ljudeffekter. Metaboliska tester har godkänts av FDA i många år och anses allmänt vara mycket säkra. Under testet andas deltagarna från munstycket med näsborrarna fastklämda. Andningsgaser kommer att tillhandahållas genom att ansluta munstycket till ett rör som vanligtvis har ett basflöde av rumsluft 40L/min eller mer. För att visa förbättring av syresättning via ljudenergi måste vi skapa en suboptimal andningsmiljö och artificiellt inducerad hypoxi. Mild hypoxi tolereras i allmänhet väl av friska människor även om det kan göra att individen känner sig andfådd och takypneisk. Vi kommer att lägga till kväve till den tillförda luften för att få ner andelen inandat syre (FiO2) till 17,5 %, vilket motsvarar andning på en höjd av 7500 fot (cirka 2250m), eller liknande en skidort, förutom att vi inte frågar våra ämnen att engagera sig i intensiv träning som skidåkning, och testet är bara ~20 minuter. Den sänkta FiO2 kommer att sänka försökspersonernas pulsoxe (SpO2) till 92-94%, vilket generellt anses säkert och väl tolererat av alla normala människor utan hjärt- och lungtillstånd. Den resulterande milda och övergående respiratoriska alkalosen har ingen klinisk betydelse eftersom den endast involverar ett 20 minuters test och pH-obalansen skulle buffras naturligt utan att inducera några elektrolytavvikelser.

Den akustiska givaren, som nämnts kort tidigare, är en enkel ljudvågsgenerator och består av en tongenerator (vanligtvis en dator), en elektronisk förstärkare, en akustisk givare som liknar en vanlig högtalare och ett tratt- och slangsystem som styr ljudvågor in i försökspersonernas munstycke. Dess funktion är väldigt lik att stå framför en högtalare och låta ljuden tränga in i munnen/näsan och ner i lungluftvägarna förutom att för att skydda öronen och intensifiera ljuden används en tratt för att fånga upp vågorna och rikta dem. in i munhålan via ett rör. Enheten är tillverkad, inställd och kalibrerad av huvudutredaren. Den kan producera toner från 20 Hz till cirka 11 KHz med användbara intensiteter från 65dB till maximalt 110dB. Den enkla enheten har framgångsrikt använts på råttor och en människa (PI) utan några märkbara biverkningar.

För mer detaljerad beskrivning av metodiken och resultaten av våra tidigare studier, hänvisa till bifogade dokument med den refererade litteraturen.

Datainsamling:

Under den första delen av studien kommer data med försökspersoners PtcCO2, PtcO2, hjärtfrekvens, andningsfrekvens, minutvolym och blodtryck att loggas in på ett kalkylblad och sparas på lösenordsskyddade datorer.

Variationer i lungdiffusionskapaciteten under påverkan av ljudvibrationer kommer att mätas och registreras med en DLCO-maskin på LLUMCs andningsavdelning. Data kommer också att sparas på lösenordsskyddade datorer med krypterad MS-Excel utöver minnet på DLCO-maskinen. Under de metaboliska testerna kommer inhalerade och utandade koncentrationer av O2 och CO2 att övervakas kontinuerligt tillsammans med försökspersoners hjärtfrekvens, andningsfrekvens, pulsoximetri, blodtryck, allmän komfortnivå för patienten och hans/hennes kliniska välbefinnande. De krypterade och lösenordsskyddade uppgifterna kommer att samlas in på Microsoft Spreadsheets för statistisk analys av en biostatistiker.

RISK OCH SKADA:

Mänskliga öron är särskilt benägna att skadas av höga ljud. Smärta eller obehag i öronen kan inträffa vid ljudnivåer så låga som 110dB men smärtsamma ljudnivåer anses generellt ligga i intervallet 125-135dB. Andra organ tolererar ljudvågor mycket bättre och vävnadsskador uppstår normalt inte vid ljudintensitetsnivåer mindre än 160-170dB. Ljudintensiteten kommer att övervakas och spelas in under studierna. Intensiteterna kommer alltid att hållas under 105dB vilket är betydligt under alla skadliga nivåer med tanke på att ljudtrycksnivåerna mäts i logaritmisk skala.

Under metaboliska tester kommer försökspersonernas pulsoximetri att hållas över 92 % för att undvika eventuella negativa effekter. Dessa nivåer tolereras mycket väl av människor och vanligtvis kompletterar läkare inte något syre till patienter på dessa nivåer. Mycket kort hypoxi med hyperkapni kommer att inträffa under frustumtestet när frustum hålls i +90 graders position eftersom SpO2 kommer att sjunka till övre 70s till lägre 90s på cirka 3 minuter, vilket är gränsen för detta test. Vi kommer att avbryta testet före landmärket på 3 minuter om en försökspersons SpO2 gick under 80 %. Kortvarig och övergående hypoxi och hyperkapni tolereras väl. En läkare kommer att vara närvarande närhelst testerna pågår. En grundlig medicinsk undersökning omedelbart före testerna kommer att säkra säkerheten för försökspersonerna också.

Metaboliska studier och DLCO-tester har gjorts rutinmässigt i många år/decennier och anses generellt vara mycket säkra. Mängden inhalerad kolmonoxid som används som spårgas i DLCO är betydligt under alla giftiga nivåer. Dessa tester har godkänts av FDA under lång tid och anses säkra även hos patienter med lungsjukdomar.

FÖRDELAR:

Studierna har ingen direkt eller omedelbar nytta för de försökspersoner som deltar i studien. Det har förutsetts att ljudvågor kan bidra till att minska förekomsten och svårighetsgraden av "ventilationsinducerad lungskada eller VILI" i en omfattning som ännu inte kan mätas. Det främsta skälet bakom denna postulation är att tillägg av lämpliga ljudvågor till andningsgaser kommer att göra det möjligt för oss att effektivt ventilera lungor med lägre FiO2 och/eller lägre medeltryck i luftvägarna (Pmaw) jämfört med den för närvarande tillgängliga tekniken. Det är känt sedan länge att hög FiO2/Pmaw är de två viktigaste prediktorerna för VILI. Det förväntas också att resultatet av hjärt-lungräddning (HLR) och många akuta eller kroniska lungsjukdomar som KOL, astma, cystisk fibros, bronkopulmonell dysplasi, restriktiva lungsjukdomar, akut lungskada, pneumothorax, RDS och vissa andra tillstånd kan förbättras genom att använda rätt ljudvågor.