米国退役軍人における全身振動への職業的曝露：筋骨格系障害および脊椎領域の疼痛への急性および慢性寄与

筋骨格系（MSK）障害と脊椎関連痛は退役軍人における主要な健康問題です。 腰痛は退役軍人において最も一般的な慢性疼痛状態であり、退役軍人健康管理（VHA）内での医療利用の増加と治療費の上昇に大きく寄与しています。 2017年から2021年にかけてVHAの地域医療費が2倍以上に増加した中で、慢性疼痛サービスの需要増加は、この集団における脊椎変性のメカニズムに対する理解の向上の必要性を強調しています。 職業的な全身振動（WBV）曝露は、背中や首の筋骨格痛を含む多数の健康悪化リスクの増加と関連しているという証拠があります。 しかし、腰痛の病因と椎間板変性に関する広範な研究にもかかわらず、終板変性の早期検出と急性または慢性のWBV曝露が椎間板（IVD）の健康に与える影響については、主要なギャップが残っています。

一般市民、特に退役軍人における腰痛の遍在性は、脊椎健康の生体力学に対するより良い理解が医学的に強く求められていることを示しています。 本研究は、非侵襲的なMRI技術による早期検出バイオマーカーの同定と、保護メカニズムとしての水分補給の調査を通じて、臨床実践に貢献できます。

腰痛と脊椎健康の問題は退役軍人において特に重要です。なぜなら、軍務に就く時点では（厳格な身体的・精神的スクリーニング要件、継続的な適性基準、包括的な医療へのアクセスのため）、軍務員は一般に同年齢の米国成人よりも健康であるものの、研究によれば退役軍人は非退役軍人よりも全体的な健康関連QOLが低く、腰痛関連疾患の有病率が高いことが示されているからです。 退役軍人は軍務中、装甲車両や重車両、航空機内でWBVに曝露されることがよくあります。 多くの退役軍人は退役後の職業でもWBVに曝露され続けており、28.5%が天然資源、建設・保守、または生産、運輸・資材運搬の仕事に従事しています。 これらの仕事やその他多くの職業では、車両（トラック、建設・重機）の運転時や、振動振幅が体に伝わるほど大きい工具の操作時に、労働者がWBVに曝露される可能性があります。 軍務中および退役後のこれらのWBV曝露は、背中や首の筋骨格痛を含む健康悪化リスクの増加をもたらします。

多くの退役軍人がこれらの状態に曝露されており、筋骨格痛のリスク増加と関連していることはわかっていますが、生体力学を理解することは、長期的または慢性的な損傷を予防・治療する方法を理解するのに役立ちます。 これらは、椎間板の健康とWBV曝露に関連して特定した知識のギャップです：

1. WBV下でのセグメントおよび領域特異的な椎間板液動態は十分に理解されていません。 椎間板の日内水分移動パターンは記録されていますが、急性または慢性のWBVが髄核と線維輪の水分分布、特に腰椎レベルにわたって及ぼす影響は不明です。

2. 早期の終板変性は現在、非侵襲的に検出できません。 MRIで観察可能なModic骨髄変化は感度に欠け、末期の病理を反映しています。 早期の軟骨性または骨性終板の変性変化を確実に識別する臨床画像法はありません。

3. WBV曝露下での終板の健康状態と椎間板の水分輸送の関係は不明です。 終板変性は局所的な水分交換を妨げ、WBV誘発性椎間板損傷に対するセグメント依存的な感受性を促進する可能性があります。

4. 終板灌流、椎間板水分移動、WBV反応を評価するための高度な定量的MRI技術を統合した先行研究はありません。

動的造影MRIは終板灌流を測定できますが、ガドリニウム残留に関する懸念からその使用は制限されています。 非造影の代替法である動脈スピンラベリング（ASL）は終板評価に適用されていません。

本研究は、多パラメータMRIと、急性および長期的な職業的WBV曝露のために選ばれたグループを組み合わせて、IVD水分輸送と終板の健康状態を評価することで、これらのギャップに対処します。 これらのギャップに対処することで、本研究はWBVが脊椎健康に及ぼす生体力学的および生理学的影響の理解を進めます。

我々は、WBV曝露歴または継続的曝露のある退役軍人のグループを比較し、高度なMRI技術を用いて椎間板（IVD）と椎体終板の健康状態を研究することで、WBV曝露と脊椎健康の関連性を理解しようとしています。 また、WBV曝露前後のIVDと椎体終板の生物学における急性変化、および個人の水分状態がIVD水分動態に影響を与えるかどうかも研究します。

具体的な目的は以下の通りです：

目的1：急性および長期的なWBVが腰椎終板の健康状態に及ぼす影響を明らかにする。

目的2：WBVによってセグメント腰椎および局所IVDの水分分布と輸送がどのように急性影響を受けるかを明らかにし、終板の健康状態との相関があるかどうかを判断する。

目的3：急性振動曝露後のIVD水分動態に個人の水分状態が影響を与えるかどうかを明らかにする。

我々は以下の仮説を立てます：

目的1 仮説1：多パラメータMRIは、職業的WBV曝露歴のない退役軍人と比較して、軍務でのWBV曝露歴のある退役軍人により多くの変性終板マーカーが現れることを明らかにする。

仮説2：軍務でのWBV曝露歴はないが、現在職業的にWBVに曝露されている退役軍人の多パラメータMRIでは、WBV曝露歴のない退役軍人と比較して、変性終板マーカーの早期発現が見られる。

仮説3：研究の4年間における変性終板マーカーの変化率は、現在職業的にWBVに曝露されている退役軍人の方が、過去に軍務で職業的WBVに曝露された退役軍人よりも大きい。

目的2 仮説1：日常的に職業的WBVを経験する退役軍人は、実験的WBVの前後でIVDの局所水分分布が少なくなり、日常的にWBVを経験しない退役軍人は、実験的WBV後にIVDの局所水分分布が大きく変化し、水分が髄核から線維輪へ、または椎間板外へ移動する。

仮説2：日常的に職業的WBVを経験する退役軍人は、頭側から尾側への水分輸送の減少と、ベースライン水分分布の減少を示す。

仮説3：変性終板の健康状態は、腰椎の水分分布と輸送の減少と相関する。

目的3 仮説1：低水分状態の参加者は、30分間の制御座位振動後、椎間板（IVD）水分含有量のより大きな減少と、水分輸送指標の変化を示す（正常/高水分状態の参加者と比較して）。

この研究は、約50%の退役軍人が慢性疼痛を経験し、腰痛が最も一般的な慢性疼痛のタイプであるため、VAに関連しています。 これはVHA内で医療を求める最も一般的な理由の一つであり、退役軍人健康管理に重大な財政的負担をもたらしています。 また、軍務員は軍務に就く時点では一般に米国成人よりも健康であるにもかかわらず、軍務員における腰痛の発生率が高く、退役軍人は非退役軍人よりも全体的な健康関連QOLが低いことを示すデータもあります。 職業的な振動曝露は、背中や首の筋骨格痛を含む多数の健康悪化リスクの増加と関連しています。

研究デザイン：

本研究は、軍務で職業的WBVに曝露された退役軍人と、現在WBVを含む民間職業に従事する退役軍人を研究することで、職業的全身振動の腰椎終板と椎間板の健康への急性および慢性影響を調査します。 助成提案で概説されたおおよその研究タイムラインを以下に示します。 両研究グループの腰椎終板特性と椎間板灌流・水分状態を、職業的WBV曝露歴のない年齢・性別を一致させた退役軍人対照群と比較します。 ボランティア集団は、ザブロッキ退役軍人医療センターの患者集団の民族・性別分布を代表するように選ばれます。 現在および軍務の職業は、WBV特性の一貫性を最大化するように選択されます。 例えば、ZVAMCの患者集団にはトラック運転手と重機オペレーターの両方が含まれます。 しかし、これらの職業間のWBV特性（例：振動の周波数と大きさ）は異なり、脊椎への急性および慢性影響も異なる可能性があるため、研究対象集団全体でWBV環境の一貫性を最大化するように研究集団を優先します。 軍務での職業的WBVのある退役軍人の選択にも同様の手順を踏みます。 ヘリコプター乗員など軍務特有の職業が優先されますが、十分な数の軍務ヘリコプター職業歴のある退役軍人を登録できない場合は、トラック運転手などの他の職業も対象とします。 初期アンケートにはオズウェストリー障害指数（ODI）も含まれ、各候補者の日常生活活動と機能に対する腰痛の影響に関する情報を提供します。 ODIはまた、MRI部門の研究対象者の選択にも使用され、一貫したサンプルを確保します。 すべての関心のある退役軍人は、事前スクリーニング面接前に研究に同意・登録され、MRI研究の選択グループに該当する退役軍人は、その部門への参加に関する別の招待状を受け取ります。 本研究を完了するために必要な5つの退役軍人グループを以下に説明します。

• 現在WBVグループ（グループ1）は、軍務での職業的WBV曝露歴はないが、退役軍人として民間職業でWBVに曝露されている退役軍人で構成されます。 これらの個人は45歳未満で、民間職業WBV曝露歴が5年未満です。 このグループは、民間職業WBV曝露が終板変性、IVD液動態、脊椎構造変性指標に及ぼす影響を示します。 この4年間のプロトコル（目的1）の過程で得られる3回の多パラメータMRIスキャンにより、終板の健康状態の追跡と、腰椎コブ角、椎間板/椎間孔寸法、終板変性、椎間板灌流・水分状態などの脊椎構造特性の進行変化の識別が可能になります。 これらの変化は、各登録被験者が維持するWBVログと相関付けられ、研究期間中の職業的曝露の種類と期間の週次推定値を提供します。 実験的急性WBVプロトコル（目的2）は、腰椎終板と椎間板のWBVへの急性反応を概説します。このプロトコルは、午前中のベースライン立位MRIスキャン、30分間の実験的WBV、午後のWBV後立位MRIスキャンで構成されます。 被験者は、MRI部門への参加のために選択され、職業的WBV特性（例：重機オペレーター対長距離トラック運転手）と職業期間の一貫性を確保し、登録時の現在の脊椎健康状態に影響を与える可能性のある進行中の職業的WBVの変動を減らします。
• 軍務WBVグループ（グループ2）は、少なくとも6年間の軍務WBV曝露歴のある退役軍人（例：重機オペレーター、ヘリコプターパイロット、小型船舶オペレーター）で構成されます。 これらの個人は45歳未満で、民間職業WBV曝露歴はありません。 このグループは、研究開始時と終了時に2回の仰臥位多パラメータMRIスキャンシリーズ（目的1）と、上記の実験的急性WBVプロトコル（目的2）を受けます。 事前スクリーニングプロセスにより、職業の種類と期間に関して類似した軍務WBV特性を持つ個人のグループを選択できます。 被験者は、MRI部門への参加のために選択され、軍務WBV特性（例：ヘリコプターパイロット対高速艇運転手）と軍務期間の一貫性を確保し、登録時の現在の脊椎健康状態に影響を与える可能性のあるWBV歴の変動を減らします。
• WBVなしグループ（対照群）（グループ3）は、軍務または民間職業でのWBV曝露歴のない退役軍人で構成されます。 これらの個人は、現在WBVグループおよび軍務WBVグループと年齢・性別を一致させ、水分制限はありません。 このグループは、3回の多パラメータMRIスキャン（目的1）と1回の急性WBVプロトコル曝露（目的2）を含む、現在WBVグループと同じ手順を受けます。
• 水分補給群（グループ4）。 研究の目的1および2のWBVなしグループは目的3に参加し、十分に水分補給された状態と脱水状態の両方で多パラメータMRIスキャンを受けます。 同意後、水分摂取ベースラインを提供するために3日間の水分ログが維持されます。 到着前の3日間、女性参加者は少なくとも2.7リットル（11カップ）、男性参加者は少なくとも3.7リットル（16カップ）の水分を摂取するよう求められます。 水分状態は、尿比重値が1.010未満である測定で確認されます。 多パラメータMRIスキャンの前日、参加者は激しい運動を控えるよう求められます。 このグループは、研究の3年目に水分補給MRIプロトコルに参加します。
• 脱水群（グループ5）。 研究の目的1および2のWBVなしグループは目的3に参加し、十分に水分補給された状態と脱水状態の両方で多パラメータMRIスキャンを受けます。 同意後、水分摂取ベースラインを提供するために3日間の水分ログが維持されます。 到着前の3日間、女性参加者は約1.3リットル（5.5カップ）、男性参加者は約1.8リットル（8カップ）の水分を摂取するよう求められます。 水分状態は、尿比重値が1.020を超える測定で確認されます。 多パラメータMRIスキャンの前日、参加者は激しい運動を控えるよう求められます。 このグループは、研究の4年目に脱水MRIプロトコルに参加します。

MRI部門の研究に選ばれた退役軍人は、彼らの研究グループ、参加を求められるMRI手順、研究固有の被験者番号、参加報酬を説明する手紙でこの決定を通知されます。 その後、同封の同意書に署名して研究チームに返送することで、参加に同意する必要があります。 MRI部門の研究への参加に同意した後、研究チームメンバーが彼らと協力して、研究グループに応じてMCWイメージング研究センター（仰臥位スキャン）またはアップライトMRIオブディアフィールド（立位スキャン）でMRIスキャンをスケジュールします。 退役軍人はその後、スキャンの日時、到着時間、施設と駐車場の場所（地図を含む）、スキャン時間、服装、必要な場合の水分制限に関する情報を提供されます。 スキャン前に研究チームメンバーがスキャン場所で待ち合わせし、プロセスを案内することを通知されます。 退役軍人はまた、プライバシーを確保するために研究固有の匿名化された被験者番号が与えられており、到着時にその番号を使用して研究チームメンバーとMRI施設に身元を確認できることを通知されます。

退役軍人はMRI施設への自身の交通手段に責任を負います。 到着時、施設で研究チームメンバーが待ち合わせます。 研究チームメンバーは、彼らの研究固有の被験者番号を確認し、行われる手順、全体プロセスの所要時間を説明し、退役軍人が持つ可能性のある質問に答えます。 退役軍人はMRIスキャン時間の約30分前にMRI施設に到着するよう求められます。 退役軍人がMRI適切な服装をしていない場合、施設が提供するスクラブに着替えられる更衣室に案内されます。 スキャン前に、退役軍人はインプラントや病状に関するMRI関連の質問を含むMRIスクリーニングフォームに記入するよう求められます。 MRIスクリーニングフォームはこのIRB提出の一部として含まれています。

各MRIスキャンは60分を超えません。 目的1への参加には、合計3回のMRIスキャンが含まれます。研究1年目の最初のMRIスキャン、2年目または3年目の2回目、4年目の3回目です。目的2および3への参加には、同日に2回のMRIスキャンと1回の全身振動プロトコルが含まれます。 全身振動プロトコルは以下の通りです。 急性全身振動は、制御振動プラットフォームに取り付けられた低背もたれ椅子を通じて提供されます。 参加者は、5 Hz、ピークトゥピーク振幅3 mm、ピーク加速度2 m/s2の30分間の垂直振動セッションを経験します。 この曝露は以前に使用され、参加者にとって安全であると判断され、日内身長変化に測定可能な効果があることが示されました[Sullivan Spine 1990]。

目的3の水分補給群と脱水群では、MRIスキャン前に尿サンプルが収集されます。MRI施設到着時、各被験者は研究チームメンバーから尿収集容器を提供され、「クリーンキャッチ」収集法を説明されます。 この方法は、排尿を開始し、停止し、中間尿を容器に収集し、その後トイレで排尿を終了することを含みます。 被験者はその後、容器を研究チームメンバーに渡し、研究チームメンバーはそれを冷蔵容器に入れます。 MRIスキャン後、研究チームメンバーは同じものをZVAMCの研究室に戻し、屈折計を使用してサンプルの比重を分析します。

募集目的1には合計3つの実験グループ（現在WBV、軍務WBV、WBVなし）があり、被験者ごとに3回のMRIが必要です。 39名の被験者（グループごとに13名）が必要で、合計117回の仰臥位MRIを受けます。

目的2には合計3つの実験グループ（現在WBV、軍務WBV、WBVなし）があり、被験者ごとに2回の立位MRIが必要です。 39名の被験者（グループごとに13名）が必要で、合計78回の立位MRIです。 しかし、提案された実験はWBV後の椎間板水分状態の急性機械的誘発変化を測定するのに対し、予備データのグループ間差は椎間板水分状態の慢性的変性変化の結果であったため、この実験の効果量は予備データの効果量よりも高いと感じています。

したがって、より小さなグループサイズでも、この実験中に統計的に有意で適切な検出力を持つグループ間差を検出する能力があると予想します。

目的3には合計2つの実験グループ（水分補給と脱水）があり、被験者ごとに2回のMRIが必要です。 34名の被験者（グループごとに17名）が必要で、合計68回のMRIを受けます。

潜在的な研究対象者は、VA情報学・計算インフラストラクチャ（VINCI）を使用して特定されます。 すべての潜在的な対象者は、ZVAMCの研究者が実施する研究への参加の予備要件を満たしていることを手紙で通知されます。 関心がある場合は電話またはメールで応答するよう求められ、手紙の日付から約2週間後に電話でフォローアップし、参加希望を確認することを通知されます。 このプロトコルはZVAMCの他の人間研究で一般的であり、我々のトランスレーショナルリサーチユニット（TRU）によって長年使用されています。 すべての関心のある退役軍人は、電話または対面面接で都合の良い時間に面接され、この研究への適格性が判断されます。

初期登録に同意した退役軍人は、以下のアンケートを使用して、軍務、現在および過去の全身振動曝露、疼痛強度、疼痛関連障害、疼痛修飾因子に関するベースラインアンケートを提供されます。 研究チームメンバーは、初期登録に同意した退役軍人のリストを継続的にレビューします。 年齢、全身振動特性、疼痛プロファイルの類似性に基づいて、各実験グループの一致コホートの十分な数を取得した時点で、新規被験者の登録を停止します。

各一致コホートの被験者は、目的1および2（グループ1、2、3）または目的3（追加のグループ3登録）への参加を求められます。 目的1および2は、合計5回のMRIスキャン（MCWで3回、アップライトMRIオブディアフィールドで2回）を受ける39名の被験者（グループ1、2、3ごとに13名）を登録します。 目的3は、MCWでそれぞれ2回のMRIスキャンを受ける追加の34名の被験者（グループごとに17名×2グループ）を登録します。 これにより、研究に登録されるZVAMC退役軍人は少なくとも73名（目的1および2：グループごとに13名×3グループ；目的3：グループごとに17名×2グループ）になります。 しかし、一部の被験者が研究の複数の部門への参加を希望しない可能性があります。 各目的には被験者自身を対照として使用できる反復測定が含まれているため、研究プロトコルでは各目的に別々の退役軍人コホートを登録することが可能です。 したがって、各目的に別々のコホートがある場合の研究の最大登録数は、112名の退役軍人（目的1：39名、目的2：39名、目的3：34名）になります。