声能对肺部气体交换的影响

声波用于各种行业以加速混合或分离流体（气体/液体）的过程。 我们已经证明，某些声波可以通过加速气道和肺泡内的气体扩散来安全地改善大鼠肺部的气体交换。 现在我们想看看类似的声波是否可以改善人体的气体交换。

产生声波的设备是一种声压振荡器，它能够使声波的响度和频率与人类大声歌唱或尖叫声相似。 这些波主要在 50-500 赫兹（赫兹，每秒振荡次数）的频率范围内，强度为 85-105 分贝（分贝，声压强度单位）。

我们进行了两项台式研究，见证了声波增强气体扩散的能力。 在大鼠的初步研究中，我们显示在声能的影响下肺部气体交换得到安全和显着的改善。 声波对人类受试者气体交换的影响，主要研究者 (PI)，也在代谢测试中进行了分析，并取得了有希望的结果。 在 DLCO（一氧化碳扩散肺活量）测试中也注意到 PI 肺部气体扩散的临床显着改善。 在另一项测试中，人工扩大的肺死腔研究中，测量了 PI 的经皮氧气和二氧化碳压力（PtcCO2 和 PtcO2），结果表明特定声波在肺部气体交换中存在所需的安全效果。 上述研究支持拟议研究的基本原理、目标和方法。

我们的人类研究将由主要部分和次要部分组成。 在初级部分，声波并没有直接进入受试者的肺部，而是被传送到一个开口端的圆柱体中，而受试者则从圆柱体的封闭端呼吸空气。 声音强度将保持在95-105dB的范围内。

在研究的第二部分，当受试者进行 1) 代谢测试和 2) 肺扩散能力 (DLCO) 测试时，将较低强度 (85-95dB) 的声波直接引入受试者的肺部。 这些测试的结果将与受试者的基线测试结果（没有声波）进行比较。

在研究的两个部分中，受试者的鼻孔将被普通的塑料鼻夹夹住，因为他们将被要求拿着一个咬嘴并通过它呼吸。

在初级部分，95-105dB 的声波将传递到一个 16 L（升）的截锥体（锥形圆柱体）中。 平截头体较宽的底部对室内空气开放，但其较小的底部是封闭的。 一根 2x20 厘米的管子将平截头体的封闭端连接到吹嘴。 受试者将通过喉舌吸入和呼出截锥体的较窄（封闭）底部 3 分钟，然后呼吸新鲜室内空气 3 分钟。 受试者的 PtcCO2 和 PtcO2 将通过相对于其开放式底座保持在不同空间方向的截锥体进行测量，这些空间方向为 1) 垂直向上（与地平线成 +90 度）、2) 水平（0 度）、垂直向下（- 90 度），并倾斜至 -45 度角。 该测试至少需要 6x4=24 分钟，每个科目不超过 30 分钟。 然后将对引入平截头体的声能进行相同的测试。 学习每门科目的总时间约为 48-60 分钟。

研究的第二部分由两个部分组成。 在第一部分中，当声波由换能器播放并通过喉舌传送到受试者的口腔时，将测量肺部的扩散能力。 声波将沿着肺气道传播并进入肺泡。 检查者将聆听胸壁，以确保受试者允许波沿着气道传播，而不会因无意中抬起舌头或屏住呼吸而阻碍声波的路径。 所述吹嘴通过 Y 形连接器连接到 DLCO 机器和传送声波的管子。 根据常规 DLCO 测试的协议，施加音效的持续时间仅为 9 秒。 这段时间恰逢受试者深吸一口气并保持 9 秒的时间。 将测量受试者的肺扩散能力并与无声测试结果进行比较。 虽然该测试使用极少量的一氧化碳（CO）作为示踪气体，但该量被认为可以忽略不计且相当安全。 该测试已在人体中常规进行多年，没有已知的明显副作用。 它在多年前就已获得 FDA 的批准。 有大量关于 DLCO 中使用的安全性和方法的医学文献。 还有多个 YouTube 视频展示了 DLCO 是如何完成的。 我们将鼓励参与者在研究前观看这些视频。 受试者将舒适地坐在椅子上，将咬嘴含在嘴里并呼吸室内空气。 他们可以随时通过简单地将咬嘴从嘴里取出来轻松中断测试。

在第二部分中，受试者将接受新陈代谢测试，在有声效和无声效的情况下测量他们呼出的氧气 (O2) 和二氧化碳 (CO2)。 代谢测试已被 FDA 批准多年，通常被认为是非常安全的。 在测试过程中，参与者在鼻孔被夹住的情况下从咬嘴呼吸。 呼吸气体将通过将咬嘴连接到通常具有 40 升/分钟或更高室内空气基本流量的管子来提供。 为了通过声能显示氧合作用的改善，我们将不得不创造一个次优的呼吸环境和人工诱导的缺氧。 健康人通常可以很好地耐受轻度缺氧，尽管它可能会使人感到呼吸急促和呼吸急促。 我们将向供应的空气中添加氮气，使吸入氧气 (FiO2) 的比例降至 17.5%，这与在海拔 7500 英尺（约 2250 米）或类似滑雪胜地的呼吸有关，除了我们不要求我们的受试者参与滑雪等剧烈运动，而测试仅需约 20 分钟。 降低的 FiO2 将使受试者的脉搏氧 (SpO2) 降至 92-94%，这通常被认为是安全的，并且所有没有心肺疾病的正常人类受试者都能很好地耐受。 由此产生的轻微和短暂的呼吸性碱中毒没有临床意义，因为它只涉及 20 分钟的测试，并且 pH 失衡会自然缓冲，不会引起任何电解质异常。

如前所述，声学换能器是一个简单的声波发生器，由音调发生器（通常是计算机）、电子放大器、类似于普通扬声器的声学换能器以及引导声波的漏斗和管道系统组成。声波进入受试者的喉舌。 它的功能非常类似于站在扬声器前，让声音进入嘴巴/鼻子并向下进入肺部气道，不同之处在于为了保护耳朵和增强声音，使用漏斗来捕获波浪并引导它们通过管子进入口腔。 该设备由主要研究者制造、调整和校准。 它可以产生从 20 Hz 到大约 11 KHz 的音调，有用强度范围从 65dB 到最大 110dB。 这种简单的装置已成功用于大鼠和人类 (PI)，没有任何明显的副作用。

有关我们先前研究的方法和结果的更详细描述，请参阅随附文件和参考文献。

数据采集​​：

在研究的第一部分，受试者的 PtcCO2、PtcO2、心率、呼吸频率、分钟通气量和血压数据将被记录到电子表格中，并保存在受密码保护的计算机上。

将使用 LLUMC 呼吸科的 DLCO 机器测量和记录声音振动影响下的肺扩散能力变化。 除了 DLCO 机器的内存之外，数据还将使用加密的 MS-Excel 保存在受密码保护的计算机上。 在代谢测试期间，将持续监测 O2 和 CO2 的吸入和呼出浓度以及受试者的心率、呼吸率、脉搏血氧饱和度、血压、受试者的一般舒适度和他/她的临床健康状况。 加密和密码保护的数据将收集在 Microsoft 电子表格中，供生物统计学家进行统计分析。

风险和伤害：

人耳特别容易被响亮的声音损坏。 低至 110 分贝的声级可能会导致耳朵疼痛或不适，但通常认为疼痛的声级在 125-135 分贝的范围内。 其他器官对声波的耐受性要好得多，在低于 160-170dB 的声强水平下通常不会发生组织损伤。 在研究期间将监测和记录声音强度。 考虑到声压级是以对数标度测量的事实，强度将始终保持在 105dB 以下，这大大低于任何有害水平。

在代谢测试期间，受试者的脉搏血氧饱和度将保持在 92% 以上，以避免任何不良影响。 人类对这些水平的耐受性非常好，通常医生不会在这些水平下为患者补充任何氧气。 当截锥体保持在 +90 度位置时，在截锥体测试期间会发生非常短暂的高碳酸血症缺氧，因为 SpO2 将在大约 3 分钟内骤降至 70 秒以上至 90 秒以下，这是该测试的极限。 如果受试者的 SpO2 低于 80%，我们将在 3 分钟里程碑之前停止测试。 短暂而短暂的缺氧和高碳酸血症耐受性良好。 每当进行测试时，医生将始终在场。 在测试前立即进行彻底的体检也将确保受试者的安全。

代谢研究和 DLCO 测试已经常规进行多年/几十年，通常被认为是非常安全的。 在 DLCO 中用作示踪气体的吸入一氧化碳量明显低于任何有毒水平。 这些测试早已获得 FDA 的批准，即使在患有肺部疾病的患者中也被认为是安全的。

好处：

这些研究对参与研究的受试者没有任何直接或直接的好处。 预计声波可能有助于降低“通气引起的肺损伤或 VILI”的发生率和严重程度，其程度尚待测量。 这一假设背后的主要原因是，与目前可用的技术相比，在呼吸气体中加入适当的声波将使我们能够以更低的 FiO2 和/或更低的平均气道压力 (Pmaw) 有效地为肺部通气。 众所周知，高 FiO2/Pmaw 是 VILI 的两个主要预测指标。 还预计心肺复苏 (CPR) 和许多急性或慢性肺部疾病（如 COPD、哮喘、囊性纤维化、支气管肺发育不良、限制性肺病、急性肺损伤、气胸、RDS 和其他一些病症）的结果可能会有所改善通过使用适当的声波。