Yrkesmessig eksponering for helkroppsvibrasjon blant amerikanske militærveteraner: Akutte og kroniske bidrag til muskel- og skjelettlidelser og ryggsmerter

Muskuloskeletale (MSK) lidelser og ryggrelatert smerte er store helseproblemer blant veteraner. Lavryggsmerte er den vanligste kroniske smerteplagen blant veteraner, og bidrar betydelig til helsetjenestebruk og økende behandlingskostnader innenfor Veteran Health Administration (VHA). Ettersom VHA sine utgifter til samfunnspleie mer enn doblet seg mellom 2017 og 2021, understreker den økende etterspørselen etter kroniske smertebehandlinger behovet for en bedre forståelse av mekanismene som bidrar til ryggdegenerasjon i denne befolkningen. Det finnes bevis for at yrkesmessig eksponering for helkroppsvibrasjon (WBV) er assosiert med en økt risiko for en rekke negative helseutfall, inkludert MSK-smerte i rygg og nakke. Imidlertid, til tross for omfattende forskning på lavryggsmerteetiologi og diskdegenerasjon, består det store kunnskapshull rundt tidlig oppdagelse av endplate-degenerasjon og virkningen av akutt eller kronisk WBV-eksponering på IVD-helse.

Den allestedsnærværende naturen til lavryggsmerte i allmennheten, men spesielt blant veteraner, viser at det er et sterkt medisinsk behov for bedre forståelse av biomekanikken i rygghelse. Denne studien kan hjelpe klinisk praksis ved å identifisere biomarkører for tidlig oppdagelse med ikke-invasive MRI-teknikker og å undersøke hydrering som en beskyttende mekanisme.

Problemet med lavryggsmerte og rygghelse er spesielt relevant innenfor veteraner fordi selv om tjenestemedlemmer generelt er sunnere enn den typiske amerikanske voksne i samme alder når de går inn i tjeneste (på grunn av strenge fysiske og mentale screeningskrav for å bli med i militæret, kontinuerlige fitness-standarder og tilgang til omfattende helsehjelp), har forskning vist at veteraner har dårligere generell helserelatert livskvalitet enn ikke-veteraner og en høy forekomst av ryggsmerterelaterte tilstander. Veteraner har ofte vært eksponert for WBV under sin militære karriere mens de var i pansrede eller tunge kjøretøy eller i fly. Mange veteraner blir også fortsatt eksponert for WBV i sine etter-militære karrierer, med 28,5% som jobber i naturressurser, bygg og vedlikehold eller produksjon, transport og materialbehandling. Disse jobbene og mange andre kan utsette arbeidere for WBV mens de opererer kjøretøy (lastebiler, bygg- og tungt maskineri), eller opererer verktøy hvor vibrasjonsamplituden er stor nok til å overføres til kroppen. Disse WBV-eksponeringene under deres militære karriere og etter-militære karriere bærer med seg en økt risiko for negative helseutfall, inkludert MSK-smerte i rygg og nakke.

Selv om vi vet at mange veteraner er eksponert for disse forholdene og at de er assosiert med en økt risiko for MSK-smerte, vil forståelsen av biomekanikken hjelpe til med å forstå hvordan man kan forebygge og behandle disse langvarige eller kroniske skadene. Dette er kunnskapshull som vi har identifisert i forhold til intervertebraldiskhelse og eksponering for WBV:

1. Segment- og regionspesifikk diskvæskedynamikk under WBV er dårlig forstått. Selv om døgnrytmiske diskvæskemigrasjonsmønstre har blitt dokumentert, forblir virkningen av akutt eller kronisk WBV på nucleus pulposus og annulus fibrosus væskefordeling, spesielt på tvers av lumbale nivåer, ukjent.

2. Tidlig endplate-degenerasjon kan for øyeblikket ikke oppdages ikke-invasivt. Modic beinmargsendringer som kan observeres med MRI mangler følsomhet og reflekterer senstadiepatologi. Ingen klinisk bildeformingsmetode identifiserer pålitelig tidlige degenerative endringer i de brusk- eller beinendplatene.

3. Forholdet mellom endplate-helse og diskvæsketransport under WBV-eksponering er uklart. Endplate-degenerasjon forstyrrer sannsynligvis regional væskeutveksling og kan drive segmentavhengig mottakelighet for WBV-indusert diskskade.

4. Ingen tidligere studier har integrert avanserte kvantitative MRI-teknikker for å evaluere endplate-perfusjon, diskvæskebevegelse og WBV-respons.

Selv om dynamisk kontrastforsterket MRI kan måle endplate-perfusjon, begrenser bekymringer om gadolinium-retensjon bruken. Ikke-kontrastalternativer som arteriell spinmerking (ASL) har ikke blitt brukt til endplate-vurdering.

Denne studien vil adressere disse hullene ved å kombinere multi-parametrisk MRI og grupper valgt for både akutt og longitudinell yrkesmessig eksponering for WBV for å evaluere IVD-væsketransport og endplate-helse. Ved å adressere disse hullene vil denne studien fremme forståelsen av de biomekaniske og fysiologiske virkningene av WBV på rygghelse.

Vi søker å forstå forbindelsen mellom WBV-eksponering og rygghelse ved å sammenligne grupper av veteraner med historikk om eller pågående eksponering for WBV og bruke avanserte MRI-teknikker for å studere intervertebraldisk (IVD) og vertebral endplate-helse. Vi søker også å studere de akutte endringene i IVD og vertebral endplate-biologi før og etter eksponering for WBV og om individuell hydreringsstatus påvirker IVD-vannsdynamikk.

De spesifikke målene er:

Mål 1: Bestemme virkningen av akutt og longitudinell WBV på lumbal ryggrads endplate-helse.

Mål 2: Bestemme hvordan segmental lumbal og regional IVD-væskefordeling og transport akutt påvirkes av WBV og bestemme om det er korrelasjoner med endplate-helse.

Mål 3: Bestemme om individuell hydreringsstatus påvirker IVD-vannsdynamikk etter akutt vibrasjonseksponering.

Vi antar følgende

Spesifikt mål 1 Hypotesen 1: Multi-parametrisk MRI vil avdekke at veteraner med tidligere militær WBV-eksponering har mer degenerative endplate-markører sammenlignet med veteraner uten yrkesmessig WBV-eksponering.

Hypotese 2: Multi-parametrisk MRI hos veteraner med nåværende yrkesmessig eksponering for WBV, men uten tidligere militær WBV-eksponering, vil ha tidligere uttrykk for degenerative endplate-markører sammenlignet med veteraner uten WBV-eksponering.

Hypotese 3: Endringshastigheten for degenerative endplate-markører over studiens fireårige varighet vil være større for veteraner med nåværende yrkesmessig WBV-eksponering enn for veteraner som hadde tidligere militær yrkesmessig WBV-eksponering.

Spesifikt mål 2 Hypotesen 1: Veteraner som rutinemessig opplever yrkesmessig WBV vil vise mindre IVD regional væskefordeling før og etter eksperimentell WBV, mens de uten daglig WBV vil ha større endringer i IVD regional væskefordeling etter eksperimentell WBV, med vann som beveger seg fra NP inn i AF eller ut av disken.

Hypotese 2: Veteraner som rutinemessig opplever yrkesmessig WBV vil vise en kraniell til kaudal reduksjon i vanntransport samt en reduksjon i grunnlinjevannfordeling.

Hypotese 3: Degenerativ endplate-helse vil være korrelert med redusert lumbal ryggradsvannfordeling og transport.

Spesifikt mål 3 Hypotesen 1: Deltakere i en lav-hydreringsstatus vil vise en større reduksjon i intervertebraldisk (IVD) vanninnhold og endrede væsketransportmetrikker etter 30 minutter med kontrollert sittende vibrasjon enn deltakere i en normal/høy-hydreringsstatus.

Denne forskningen er relevant for VA på grunn av at omtrent 50% av veteraner opplever kronisk smerte med lavryggsmerte som den vanligste typen kronisk smerte. Dette er en av de vanligste årsakene til å søke behandling innenfor VHA, og dette skaper en betydelig økonomisk belastning for Veterans Health Administration. Det er også data som viser at selv om tjenestemedlemmer generelt er sunnere enn den typiske amerikanske voksne når de går inn i tjeneste, er det en høy forekomst av lavryggsmerte blant tjenestemedlemmer og at veteraner har dårligere generell helserelatert livskvalitet enn ikke-veteraner. Yrkesmessig eksponering for vibrasjon er assosiert med en økt risiko for en rekke negative helseutfall, inkludert MSK-smerte i rygg og nakke.

Studiedesign:

Denne studien vil undersøke akutte og kroniske effekter av yrkesmessig helkroppsvibrasjon på helsen til lumbal ryggrads endplater og intervertebraldisker ved å studere veteraner som hadde yrkesmessig eksponering for WBV i sin militære yrke og veteraner med nåværende sivile yrker som involverer WBV. Den omtrentlige studietidslinjen, som skissert i stipendforslaget, er vist nedenfor. Lumbal ryggrads endplate-egenskaper og intervertebraldisk perfusjon og hydrering i begge studiegruppene vil bli sammenlignet med alders- og kjønnsmatchede veteran-kontroller uten historikk for yrkesmessig WBV. Frivilligpopulasjonen vil bli valgt for å representere den etniske og kjønnsfordelingen av Zablocki Veterans Affairs Medical Center pasientpopulasjonen. Nåværende og militære yrker vil bli valgt for å maksimere konsistens i WBV-egenskaper. For eksempel inkluderer ZVAMC-pasientpopulasjonen både lastebilsjåfører og tungt maskineri-operatører. Imidlertid, gitt at WBV-egenskapene (f.eks., frekvens og størrelse på vibrasjon) mellom disse yrkene er forskjellige, som sannsynligvis vil ha forskjellige akutte og kroniske effekter på ryggraden, vil preferanse i forskningspopulasjonen bli gitt for å maksimere konsistens i WBV-miljøet på tvers av forskningssubjektpopulasjonen. Vi vil følge en lignende prosedyre for å velge veteraner med militær yrkesmessig WBV. Yrker unike for militæret, som helikoptermannskap, vil få prioritet selv om andre yrker som lastebilsjåfører, etc. vil bli målrettet hvis vi ikke er i stand til å rekruttere veteraner med tidligere militær helikopteryrke i tilstrekkelig antall. Det første spørreskjemaet vil også inkludere Oswestry Disability Index (ODI), som vil gi informasjon om virkningen av lavryggsmerte for hvert potensielle subjekts daglige aktiviteter og funksjon. ODI vil også bli brukt i utvalget av subjekter for MRI-delen av studien for å sikre et konsistent utvalg. Alle interesserte veteraner vil bli samtykket og rekruttert til studien før det forhåndsscreening-intervjuet, og veteraner som passer inn i de valgte gruppene for MRI-studien vil motta en separat invitasjon til å delta i den delen av studien. De fem gruppene av veteraner som vil være nødvendige for å fullføre denne studien er beskrevet nedenfor.

• Nåværende WBV-gruppe (Gruppe 1) vil bestå av veteraner uten historikk for aktiv tjeneste yrkesmessig WBV-eksponering, men med sivil yrkesmessig WBV-eksponering som veteran. Disse individene vil være under 45 år gamle og ha mindre enn 5 års sivil yrkesmessig WBV-eksponering. Denne gruppen vil demonstrere effektene av sivil yrkesmessig WBV-eksponering på endplate-degenerasjon, IVD-væskedynamikk og ryggradsstrukturelle degenerasjonsmetrikker. Tre multi-parametriske MRI-skanninger innhentet i løpet av dette fireårige protokollen (mål 1) vil tillate sporing av endplate-helse og identifikasjon av progressive endringer i ryggradsstrukturelle egenskaper som lumbal Cobb-vinkel, disk/foraminal dimensjoner, endplate-degenerasjon og intervertebraldisk perfusjon og hydrering. Disse endringene vil bli korrelert med WBV-logger vedlikeholdt av hvert rekruttert subjekt som vil gi ukentlige estimater av typen og varigheten av yrkesmessig eksponering over studiens varighet. En eksperimentell akutt WBV-protokoll (mål 2) vil skissere den akutte responsen til lumbal ryggrads endplater og intervertebraldisker til WBV. Denne protokollen vil bestå av en grunnlinje oppreist MRI-skanning om morgenen, 30 minutter med eksperimentell WBV, og en andre post-WBV oppreist MRI-skanning om ettermiddagen. Subjekter vil bli valgt for deltakelse i MRI-delen av studien for å sikre konsistens i yrkesmessige WBV-egenskaper (f.eks., tungt maskineri-operatører versus langtransport lastebilsjåfører) og varighet av yrke for å redusere variabiliteten i pågående yrkesmessig WBV som kan påvirke den nåværende rygghelsen på rekrutteringstidspunktet.
• Militær WBV-gruppe (Gruppe 2) vil bestå av veteraner med minst 6 års aktiv tjeneste WBV-eksponering (f.eks., tungt maskineri-operatører, helikopterpiloter, småbåt-operatører). Disse individene vil være under 45 år gamle og ha ingen sivil yrkesmessig eksponering for WBV. Denne gruppen vil gjennomgå to serier av liggende multi-parametriske MRI-skanninger ved begynnelsen og slutten av studien (mål 1) og den eksperimentelle akutte WBV-protokollen som beskrevet ovenfor (mål 2). Vår forhåndsscreening-prosess vil tillate oss å velge en gruppe individer som hadde lignende aktiv tjeneste WBV-egenskaper når det gjelder type og varighet av yrke. Subjekter vil bli valgt for deltakelse i MRI-delen av studien for å sikre konsistens i militære WBV-egenskaper (f.eks., helikopterpiloter versus hurtigbåtførere) og varighet av militært yrke for å redusere variabiliteten i WBV-historie som kan påvirke den nåværende rygghelsen på rekrutteringstidspunktet.
• Ingen WBV-gruppe (Kontrollgruppe) (Gruppe 3) vil bestå av veteraner uten historikk for aktiv tjeneste eller sivil yrkesmessig eksponering for WBV. Disse individene vil være alders- og kjønnsmatchet med Nåværende WBV- og Militær WBV-grupper og vil ikke oppleve noen væskebegrensning. Denne gruppen vil gjennomgå de samme prosedyrene som Nåværende WBV-gruppen, inkludert tre multi-parametriske MRI-skanninger (mål 1) og en eksponering for den akutte WBV-protokollen (mål 2).
• Hydrert gruppe (Gruppe 4). Ingen WBV-gruppen fra mål 1 og 2 av studien vil delta i mål 3, og delta i multi-parametriske MRI-skanninger i både en godt hydrert tilstand og en dehydrert tilstand. En 3-dagers væskelogg vil bli vedlikeholdt etter samtykke for å gi et væskeinntaksgrunnlag. De 3 dagene før deres ankomst vil deltakerne bli bedt om å innta minst 2,7 liter (11 kopper) væske per dag for kvinnelige deltakere, og minst 3,7 liter (16 kopper) for mannlige deltakere. Hydreringsstatus vil bli bekreftet med målinger av urinspecifikk gravitasjon verdier mindre enn 1,010. Dagen før multi-parametrisk MRI-skanning vil deltakerne bli bedt om å avstå fra streng trening. Denne gruppen vil delta i den hydrerte MRI-protokollen i løpet av år 3 av studien.
• Dehydrert gruppe (Gruppe 5). Ingen WBV-gruppen fra mål 1 og 2 av studien vil delta i mål 3, og delta i multi-parametriske MRI-skanninger i både en godt hydrert tilstand og en dehydrert tilstand. En 3-dagers væskelogg vil bli vedlikeholdt etter samtykke for å gi et væskeinntaksgrunnlag. De 3 dagene før deres ankomst vil deltakerne bli bedt om å innta omtrent 1,3 liter (5,5 kopper) væske per dag for kvinnelige deltakere, og omtrent 1,8 liter (8 kopper) for mannlige deltakere. Hydreringsstatus vil bli bekreftet med målinger av urinspecifikk gravitasjon verdier større enn 1,020. Dagen før multi-parametrisk MRI-skanning vil deltakerne bli bedt om å avstå fra streng trening. Denne gruppen vil delta i den dehydrerte MRI-protokollen i løpet av år 4 av studien.

Veteraner valgt for MRI-delen av studien vil bli informert om denne beslutningen via et brev som vil beskrive deres studiegruppe, MRI-prosedyrene de vil bli bedt om å delta i, deres studie-spesifikke subjektnummer og deres godtgjørelse for deltakelse. De må deretter samtykke til å delta ved å signere og returnere et inkludert samtykkeskjema til studieteamet. Etter at de har samtykket til å delta i MRI-delen av studien, vil et studieteammedlem jobbe med dem for å planlegge deres MRI-skanning(er) enten ved MCW Center for Imaging Research (liggende skanninger) eller Upright MRI of Deerfield (Oppreiste skanninger), avhengig av deres studiegruppe. Veteraner vil deretter bli gitt informasjon om dato/tid for deres skanning, når de skal ankomme, fasilitet- og parkeringslokasjoner (inkludert kart), hvor lenge skanningen vil ta, hva de bør ha på seg, og eventuelle væskebegrensninger hvis nødvendig. De vil bli informert om at et studieteammedlem vil møte dem på skanningslokasjonen, før deres skanning, og vil guide dem gjennom prosessen. Veteraner vil også bli informert om at de har fått et studie-spesifikt de-identifisert subjektnummer for å sikre deres personvern og at de kan bruke det nummeret til å identifisere seg for studieteammedlemmet og MRI-fasiliteten ved ankomst.

Veteraner vil være ansvarlige for sin egen transport til MRI-fasiliteten. Ved ankomst vil de bli møtt på fasiliteten av et studieteammedlem. Studieteammedlemmet vil bekrefte deres studie-spesifikke subjektnummer, beskrive prosedyrene som vil foregå, hvor lenge hele prosessen vil ta, og svare på eventuelle spørsmål veteranen måtte ha. Veteraner vil bli bedt om å ankomme MRI-fasiliteten omtrent 30 minutter før deres MRI-skanningstid. Hvis veteranen ikke har på seg MRI-passende klær, vil de bli guidet til et skifterom hvor de kan skifte til operasjonsklær levert av fasiliteten. Før skanning vil veteraner bli bedt om å fylle ut et MRI-screening-skjema som vil spørre MRI-relevante spørsmål om implantater og medisinske tilstander. MRI-screening-skjemaet er inkludert som en del av denne IRB-innleveringen.

Hver MRI-skanning vil vare maksimalt 60 minutter. Deltakelse i Mål 1 vil inkludere totalt tre MRI-skanninger; den første MRI-skanningen i år 1 av studien, den andre i år 2 eller 3, og den tredje i år 4. Deltakelse i Mål 2 og 3 vil inkludere 2 MRI-skanninger og en helkroppsvibrasjonsprotokoll på samme dag. Helkroppsvibrasjonsprotokollen vil bestå av følgende. Akutt helkroppsvibrasjon vil bli levert gjennom en lavryggsstol montert på en kontrollert vibrasjonsplattform. Deltakere vil oppleve en 30-minutters vertikal vibrasjonsøkt på 5 Hz med en peak-to-peak amplitude på 3 mm og en toppakselerasjon på 2 m/s². Denne eksponeringen ble brukt tidligere, vurdert til å være trygg for deltakere, og viste seg å ha en målbar effekt på døgnrytmiske høydeendringer [Sullivan Spine 1990].

Urinprøver vil bli samlet før MRI-skanninger for Hydrerte og Dehydrerte grupper i Mål 3. Ved ankomst til MRI-fasiliteten vil hvert subjekt bli gitt en urinsamlingsbeholder av studieteammedlemmet, som vil beskrive "clean-catch"-metoden for innsamling. Den metoden involverer å begynne å urinere, stoppe, samle urin midt i strømmen i beholderen, deretter fullføre urinering på toalettet. Subjektet vil deretter gi beholderen tilbake til studieteammedlemmet, som vil plassere den i en nedkjølt beholder. Etter MRI-skanningen vil studieteammedlemmet returnere den samme til våre laboratorier ved ZVAMC og analysere spesifikk gravitasjon av prøven ved hjelp av et refraktometer.

Rekruttering Mål 1 har totalt 3 eksperimentelle grupper (Nåværende WBV, Militær WBV og Ingen WBV), og tre MRI-er per subjekt. 39 subjekter (13 per gruppe) kreves, som vil gjennomgå totalt 117 liggende MRI-er.

Mål 2 har totalt 3 eksperimentelle grupper (Nåværende WBV, Militær WBV og Ingen WBV), og to oppreiste MRI-er per subjekt. 39 subjekter (13 per gruppe) kreves, for totalt 78 oppreiste MRI-er. Imidlertid føler vi at effektstørrelsen for dette eksperimentet vil være høyere enn effektstørrelsen i de foreløpige dataene siden det foreslåtte eksperimentet vil måle akutt mekanisk-induserte endringer i diskhydrering etter WBV, mens gruppeforskjeller i våre foreløpige data var resultatet av kroniske degenerative endringer i diskhydrering.

Derfor forventer vi å ha evnen til å oppdage statistisk signifikante og tilstrekkelig kraftige gruppeforskjeller under dette eksperimentet, selv med mindre gruppestørrelser.

Mål 3 har totalt 2 eksperimentelle grupper (hydrert og dehydrert), og to MRI-er per subjekt. 34 subjekter (17 per gruppe) kreves, som vil gjennomgå totalt 68 MRI-er.

Potensielle forskningssubjekter vil bli identifisert ved bruk av VA Informatics and Computing Infrastructure (VINCI). Alle potensielle subjekter vil bli varslet via brev om at de oppfyller de foreløpige kravene for inkludering i en forskningsstudie utført av forskere ved ZVAMC. De vil bli bedt om å svare via telefon eller e-post hvis interessert og varslet om at vi vil følge opp med et telefonanrop omtrent to uker etter brevdatoen for å bekrefte om de ønsker å delta. Denne protokollen er vanlig for andre humane studier ved ZVAMC og har vært i bruk av vår Translational Research Unit (TRU) i årevis. Alle interesserte veteraner vil bli intervjuet på et tidspunkt av deres valg via telefon eller personlige intervjuer for å avgjøre deres egnethet for inkludering i denne studien.

Veteraner som samtykker til innledende rekruttering vil bli gitt grunnlinjespørreskjemaer om militærtjeneste, nåværende og tidligere helkroppsvibrasjonseksponering, smerteintensitet, smerterelatert funksjonshemming og smerteendringsfaktorer, ved bruk av spørreskjemaene listet nedenfor. Studieteammedlemmer vil gjennomgå listen over veteraner som har samtykket til den innledende rekrutteringen på løpende basis. Vi vil stoppe rekruttering av nye subjekter når vi har oppnådd et tilstrekkelig antall for matchede kohorter for hver eksperimentell gruppe basert på likhet i alder, helkroppsvibrasjonsegenskaper og smerteprofil.

Subjekter fra hver matchet kohort vil bli bedt om å delta i Mål 1 og 2 (Gruppe 1, 2 og 3) eller Mål 3 (ekstra Gruppe 3 rekruttering). Mål 1 og 2 vil rekruttere 39 subjekter (13 per gruppe for Gruppe 1, 2 og 3) som vil motta totalt 5 MRI-skanninger (3 ved MCW og 2 ved Upright MRI of Deerfield). Mål 3 vil rekruttere ytterligere 34 subjekter (17 per gruppe x 2 grupper) som hver vil motta 2 MRI-skanninger ved MCW. Dette vil resultere i et minimum av 73 ZVAMC-veteraner (13 per gruppe x 3 grupper for Mål 1 og 2; 17 per gruppe x 2 grupper for Mål 3) rekruttert til studien. Imidlertid forventer vi at noen subjekter kanskje ikke er villige til å delta i flere deler av studien. Siden hvert mål inkluderer gjentatte målinger slik at subjekter kan brukes som sine egne kontroller, vil studieprotokollen tillate separate kohorter av veteraner å bli rekruttert i hvert mål. Derfor vil maksimal rekruttering for studien, hvis vi hadde separate kohorter for hvert mål, være 112 veteraner (39 for Mål 1, 39 for Mål 2, 34 for Mål 3).