Профессиональное воздействие вибрации на весь организм среди ветеранов вооруженных сил США: острый и хронический вклад в развитие заболеваний опорно-двигательного аппарата и боли в области позвоночника

Заболевания опорно-двигательного аппарата (ОДА) и боль, связанная с позвоночником, являются серьезными проблемами для здоровья среди ветеранов. Боль в пояснице является наиболее распространенным хроническим болевым синдромом среди ветеранов, что в значительной степени способствует обращению за медицинской помощью и росту расходов на лечение в рамках Администрации здравоохранения ветеранов (VHA). Поскольку расходы VHA на вневедомственную помощь более чем удвоились в период с 2017 по 2021 год, растущий спрос на услуги по лечению хронической боли подчеркивает необходимость лучшего понимания механизмов, способствующих дегенерации позвоночника в этой популяции. Имеются данные о том, что профессиональное воздействие общей вибрации (WBV) связано с повышенным риском множества негативных последствий для здоровья, включая боль в спине и шее, связанную с ОДА. Однако, несмотря на обширные исследования этиологии боли в пояснице и дегенерации дисков, сохраняются серьезные пробелы в отношении раннего выявления дегенерации замыкательных пластинок и влияния острого или хронического воздействия WBV на здоровье межпозвонковых дисков (МПД).

Повсеместное распространение боли в пояснице среди населения в целом, но особенно среди ветеранов, показывает, что существует острая медицинская потребность в лучшем понимании биомеханики здоровья позвоночника. Это исследование может помочь клинической практике путем выявления биомаркеров раннего обнаружения с помощью неинвазивных методов МРТ и изучения гидратации как защитного механизма.

Проблема боли в пояснице и здоровья позвоночника особенно актуальна для ветеранов, потому что, хотя военнослужащие в целом здоровее, чем типичный взрослый житель США аналогичного возраста на момент поступления на службу (из-за строгих физических и психических требований для вступления в армию, постоянных стандартов физической подготовки и доступа к комплексному медицинскому обслуживанию), исследования показали, что ветераны имеют более низкое общее качество жизни, связанное со здоровьем, чем не ветераны, и высокую распространенность состояний, связанных с болью в спине. Ветераны часто подвергались воздействию WBV в течение своей военной карьеры, находясь в бронетехнике, тяжелых транспортных средствах или самолетах. Многие ветераны также продолжают подвергаться воздействию WBV в своей послевоенной карьере, причем 28,5% работают в сфере природных ресурсов, строительства и обслуживания или производства, транспортировки и перемещения материалов. Эти и многие другие профессии могут подвергать рабочих воздействию WBV при управлении транспортными средствами (грузовиками, строительной и тяжелой техникой) или использовании инструментов, где амплитуда вибрации достаточно велика для передачи телу. Это воздействие WBV во время военной и послевоенной карьеры несет повышенный риск негативных последствий для здоровья, включая боль в спине и шее, связанную с ОДА.

Хотя мы знаем, что многие ветераны подвергаются этим условиям, и они связаны с повышенным риском боли в ОДА, понимание биомеханики поможет понять, как предотвращать и лечить эти долгосрочные или хронические травмы. Это пробелы в знаниях, которые мы определили в отношении здоровья межпозвонковых дисков и воздействия WBV:

1. Сегментарная и региональная специфика динамики жидкости в дисках при WBV изучена недостаточно. Хотя суточные паттерны миграции жидкости в дисках задокументированы, влияние острого или хронического WBV на распределение жидкости в пульпозном ядре и фиброзном кольце, особенно на разных уровнях поясничного отдела, остается неизвестным.

2. Раннюю дегенерацию замыкательных пластинок в настоящее время невозможно обнаружить неинвазивно. Изменения костного мозга по типу Модика, наблюдаемые с помощью МРТ, недостаточно чувствительны и отражают позднюю стадию патологии. Ни один клинический метод визуализации не позволяет надежно идентифицировать ранние дегенеративные изменения хрящевых или костных замыкательных пластинок.

3. Взаимосвязь между здоровьем замыкательных пластинок и транспортом жидкости в дисках при воздействии WBV неясна.

   Дегенерация замыкательных пластинок, вероятно, нарушает региональный обмен жидкостью и может обусловливать сегментозависимую восприимчивость к повреждению диска, вызванному WBV.

4. Ни в одном предыдущем исследовании не применялись современные количественные методы МРТ для оценки перфузии замыкательных пластинок, движения жидкости в дисках и реакции на WBV.

Хотя динамическая контрастная МРТ может измерять перфузию замыкательных пластинок, опасения по поводу задержки гадолиния ограничивают ее использование. Альтернативы без контраста, такие как артериальная спиновую маркировку (ASL), не применялись для оценки замыкательных пластинок.

Это исследование устранит эти пробелы, комбинируя мультипараметрическую МРТ и группы, отобранные как для острого, так и для длительного профессионального воздействия WBV, для оценки транспорта жидкости в МПД и здоровья замыкательных пластинок. Устраняя эти пробелы, данное исследование углубит понимание биомеханических и физиологических воздействий WBV на здоровье позвоночника.

Мы стремимся понять связь между воздействием WBV и здоровьем позвоночника, сравнивая группы ветеранов с историей или продолжающимся воздействием WBV и используя передовые методы МРТ для изучения здоровья межпозвонковых дисков (МПД) и замыкательных пластинок позвонков. Мы также стремимся изучить острые изменения в биологии МПД и замыкательных пластинок позвонков до и после воздействия WBV, а также то, влияет ли индивидуальное состояние гидратации на динамику воды в МПД.

Конкретные цели:

Цель 1: Определить влияние острого и длительного WBV на здоровье замыкательных пластинок поясничного отдела позвоночника.

Цель 2: Определить, как сегментарное и региональное распределение и транспорт жидкости в МПД поясничного отдела подвергаются острому воздействию WBV, и определить, существуют ли корреляции со здоровьем замыкательных пластинок.

Цель 3: Определить, влияет ли индивидуальное состояние гидратации на динамику воды в МПД после острого вибрационного воздействия.

Мы выдвигаем следующие гипотезы

Гипотеза 1 для Конкретной цели 1: Мультипараметрическая МРТ покажет, что ветераны с предыдущим военным воздействием WBV имеют больше маркеров дегенерации замыкательных пластинок по сравнению с ветеранами без профессионального воздействия WBV.

Гипотеза 2 для Конкретной цели 1: Мультипараметрическая МРТ у ветеранов с текущим профессиональным воздействием WBV, но без предыдущего военного воздействия WBV, выявит более раннее проявление маркеров дегенерации замыкательных пластинок по сравнению с ветеранами без воздействия WBV.

Гипотеза 3 для Конкретной цели 1: Скорость изменения маркеров дегенерации замыкательных пластинок в течение четырехлетнего периода исследования будет выше у ветеранов с текущим профессиональным воздействием WBV, чем у ветеранов, имевших предыдущее военное профессиональное воздействие WBV.

Гипотеза 1 для Конкретной цели 2: Ветераны, которые регулярно испытывают профессиональное воздействие WBV, будут демонстрировать меньшее региональное распределение жидкости в МПД до и после экспериментального WBV, в то время как у тех, кто не испытывает ежедневного WBV, будут наблюдаться более значительные изменения в региональном распределении жидкости в МПД после экспериментального WBV, с перемещением воды из пульпозного ядра в фиброзное кольце или из диска.

Гипотеза 2 для Конкретной цели 2: Ветераны, которые регулярно испытывают профессиональное воздействие WBV, будут демонстрировать снижение транспорта воды в краниокаудальном направлении, а также снижение базового распределения воды.

Гипотеза 3 для Конкретной цели 2: Дегенеративное состояние замыкательных пластинок будет коррелировать со снижением распределения и транспорта воды в поясничном отделе позвоночника.

Гипотеза 1 для Конкретной цели 3: Участники в состоянии низкой гидратации будут демонстрировать большее снижение содержания воды в межпозвонковых дисках (МПД) и измененные показатели транспорта жидкости после 30 минут контролируемой вибрации в положении сидя, чем участники в состоянии нормальной/высокой гидратации.

Это исследование актуально для VA, поскольку примерно 50% ветеранов испытывают хроническую боль, причем боль в пояснице является наиболее распространенным типом хронической боли. Это одна из наиболее частых причин обращения за помощью в VHA, что создает значительное финансовое бремя для Администрации здравоохранения ветеранов. Также имеются данные, показывающие, что, несмотря на то, что военнослужащие в целом здоровее, чем типичный взрослый житель США при поступлении на службу, среди военнослужащих наблюдается высокая частота болей в пояснице и что ветераны имеют более низкое общее качество жизни, связанное со здоровьем, чем не ветераны. Профессиональное воздействие вибрации связано с повышенным риском множества негативных последствий для здоровья, включая боль в спине и шее, связанную с ОДА.

Дизайн исследования:

Это исследование изучит острые и хронические эффекты профессиональной общей вибрации всего тела на здоровье замыкательных пластинок поясничного отдела позвоночника и межпозвонковых дисков, изучая ветеранов, которые подвергались профессиональному воздействию WBV в своей военной профессии, и ветеранов с текущей гражданской профессией, связанной с WBV. Примерные сроки исследования, изложенные в заявке на грант, представлены ниже. Характеристики замыкательных пластинок поясничного отдела позвоночника, а также перфузия и гидратация межпозвонковых дисков в обеих исследуемых группах будут сравниваться с контрольной группой ветеранов, сопоставимых по возрасту и полу, без истории профессионального воздействия WBV. Добровольцы будут отбираться так, чтобы представлять этническое и половое распределение пациентов Медицинского центра по делам ветеранов Заблоцкого (ZVAMC). Текущие и военные профессии будут отбираться для максимизации согласованности характеристик WBV. Например, популяция пациентов ZVAMC включает как водителей грузовиков, так и операторов тяжелого оборудования. Однако, учитывая, что характеристики WBV (например, частота и величина вибрации) между этими профессиями различаются, что, вероятно, будет иметь различные острые и хронические эффекты на позвоночник, предпочтение в исследовательской популяции будет отдано максимизации согласованности условий WBV среди участников исследования. Мы будем следовать аналогичной процедуре при выборе ветеранов с военным профессиональным воздействием WBV. Профессии, уникальные для военной службы, такие как экипажи вертолетов, будут иметь приоритет, хотя другие профессии, такие как водители грузовиков и т.д., также будут рассматриваться, если мы не сможем набрать достаточное количество ветеранов с предыдущей военной профессией, связанной с вертолетами. Первоначальный опросник также будет включать Индекс инвалидности Освестри (ODI), который предоставит информацию о влиянии боли в пояснице на повседневную деятельность и функционирование каждого потенциального субъекта. ODI также будет использоваться при отборе субъектов для части исследования с МРТ для обеспечения согласованности выборки. Все заинтересованные ветераны дадут согласие и будут включены в исследование до предварительного собеседования, и ветераны, подходящие для выбранных групп для исследования МРТ, получат отдельное приглашение для участия в этой части исследования. Пять групп ветеранов, необходимых для завершения этого исследования, описаны ниже.

• Группа текущего воздействия WBV (Группа 1) будет состоять из ветеранов без истории воздействия WBV во время активной службы, но с гражданским профессиональным воздействием WBV в качестве ветерана. Этим лицам будет менее 45 лет, и они будут иметь менее 5 лет гражданского профессионального воздействия WBV. Эта группа продемонстрирует эффекты гражданского профессионального воздействия WBV на дегенерацию замыкательных пластинок, динамику жидкости в МПД и показатели структурной дегенерации позвоночника. Три мультипараметрических МРТ-сканирования, полученные в ходе этого четырехлетнего протокола (цель 1), позволят отслеживать здоровье замыкательных пластинок и выявлять прогрессирующие изменения структурных характеристик позвоночника, таких как поясничный угол Кобба, размеры диска/фораминального отверстия, дегенерация замыкательных пластинок, а также перфузия и гидратация межпозвонковых дисков. Эти изменения будут коррелировать с журналами WBV, которые будет вести каждый включенный субъект и которые будут предоставлять еженедельные оценки типа и продолжительности профессионального воздействия в течение всего исследования. Экспериментальный протокол острого WBV (цель 2) определит острую реакцию замыкательных пластинок поясничного отдела позвоночника и межпозвонковых дисков на WBV. Этот протокол будет состоять из базового МРТ-сканирования в вертикальном положении утром, 30 минут экспериментального WBV и второго МРТ-сканирования в вертикальном положении после WBV днем. Субъекты будут отбираться для участия в части исследования с МРТ, чтобы обеспечить согласованность характеристик профессионального WBV (например, операторы тяжелого оборудования против дальнобойщиков) и продолжительности профессии, чтобы уменьшить изменчивость текущего профессионального WBV, который может влиять на текущее здоровье позвоночника на момент включения в исследование.
• Группа военного воздействия WBV (Группа 2) будет состоять из ветеранов с как минимум 6 годами воздействия WBV во время активной службы (например, операторы тяжелого оборудования, пилоты вертолетов, операторы малых судов). Этим лицам будет менее 45 лет, и у них не будет гражданского профессионального воздействия WBV. Эта группа пройдет две серии мультипараметрических МРТ-сканирований в положении лежа в начале и в конце исследования (цель 1) и экспериментальный протокол острого WBV, как описано выше (цель 2). Наш процесс предварительного отбора позволит нам выбрать группу лиц, имевших сходные характеристики WBV во время активной службы с точки зрения типа и продолжительности профессии. Субъекты будут отбираться для участия в части исследования с МРТ, чтобы обеспечить согласованность характеристик военного WBV (например, пилоты вертолетов против водителей скоростных катеров) и продолжительности военной профессии, чтобы уменьшить изменчивость истории WBV, которая может влиять на текущее здоровье позвоночника на момент включения в исследование.
• Группа без воздействия WBV (Контрольная группа) (Группа 3) будет состоять из ветеранов без истории воздействия WBV во время активной службы или в гражданской профессии. Эти лица будут сопоставлены по возрасту и полу с Группами текущего и военного воздействия WBV и не будут подвергаться каким-либо ограничениям жидкости. Эта группа пройдет те же процедуры, что и Группа текущего воздействия WBV, включая три мультипараметрических МРТ-сканирования (цель 1) и одно воздействие по протоколу острого WBV (цель 2).
• Гидратированная группа (Группа 4). Группа без воздействия WBV из целей 1 и 2 исследования будет участвовать в цели 3, проходя мультипараметрические МРТ-сканирования как в состоянии хорошей гидратации, так и в состоянии дегидратации. После получения согласия будет вестись 3-дневный журнал потребления жидкости для установления базового уровня потребления жидкости. За 3 дня до прибытия участникам будет предложено потреблять не менее 2,7 литров (11 чашек) жидкости в день для женщин-участниц и не менее 3,7 литров (16 чашек) для мужчин-участников. Статус гидратации будет подтверждаться измерениями удельного веса мочи менее 1,010. За день до мультипараметрического МРТ-сканирования участникам будет предложено воздержаться от интенсивных физических упражнений. Эта группа будет участвовать в протоколе МРТ в состоянии гидратации на 3-м году исследования.
• Дегидратированная группа (Группа 5). Группа без воздействия WBV из целей 1 и 2 исследования будет участвовать в цели 3, проходя мультипараметрические МРТ-сканирования как в состоянии хорошей гидратации, так и в состоянии дегидратации. После получения согласия будет вестись 3-дневный журнал потребления жидкости для установления базового уровня потребления жидкости. За 3 дня до прибытия участникам будет предложено потреблять около 1,3 литров (5,5 чашек) жидкости в день для женщин-участниц и около 1,8 литров (8 чашек) для мужчин-участников. Статус гидратации будет подтверждаться измерениями удельного веса мочи более 1,020. За день до мультипараметрического МРТ-сканирования участникам будет предложено воздержаться от интенсивных физических упражнений. Эта группа будет участвовать в протоколе МРТ в состоянии дегидратации на 4-м году исследования.

Ветераны, отобранные для участия в части исследования с МРТ, будут проинформированы об этом решении письмом, в котором будет описана их группа исследования, процедуры МРТ, в которых их попросят участвовать, их индивидуальный номер субъекта исследования и их вознаграждение за участие. Затем они должны согласиться на участие, подписав и вернув приложенную форму согласия исследовательской группе. После того как они согласятся участвовать в части исследования с МРТ, член исследовательской группы согласует с ними график их МРТ-сканирования(ий) либо в Центре исследований визуализации MCW (сканирования в положении лежа), либо в Upright MRI of Deerfield (сканирования в вертикальном положении), в зависимости от их группы исследования. Затем ветеранам будет предоставлена информация о дате/времени их сканирования, времени прибытия, местонахождении учреждения и парковки (включая карту), продолжительности сканирования, что им следует надеть, и любых ограничениях по жидкости, если это необходимо. Им будет сообщено, что член исследовательской группы встретит их в месте сканирования до начала сканирования и проведет их через весь процесс. Ветеранам также будет сообщено, что им присвоен обезличенный номер субъекта исследования для обеспечения их конфиденциальности, и что они могут использовать этот номер для идентификации себя члену исследовательской группы и персоналу МРТ-центра по прибытии.

Ветераны будут сами отвечать за свою транспортировку в МРТ-центр. По прибытии их встретит в учреждении член исследовательской группы. Член исследовательской группы подтвердит их индивидуальный номер субъекта исследования, опишет процедуры, которые будут проводиться, общую продолжительность процесса и ответит на любые вопросы, которые могут возникнуть у ветерана. Ветеранов попросят прибыть в МРТ-центр примерно за 30 минут до времени их МРТ-сканирования. Если ветеран одет не в подходящую для МРТ одежду, его проводят в раздевалку, где он сможет переодеться в хирургический халат, предоставленный учреждением. Перед сканированием ветеранов попросят заполнить форму скрининга МРТ, которая содержит вопросы, связанные с МРТ, относительно имплантатов и медицинских состояний. Форма скрининга МРТ включена в данную заявку в КЭ.

Каждое МРТ-сканирование будет длиться не более 60 минут. Участие в Цели 1 будет включать в себя всего три МРТ-сканирования: первое МРТ-сканирование на 1-м году исследования, второе на 2-м или 3-м году и третье на 4-м году. Участие в Целях 2 и 3 будет включать 2 МРТ-сканирования и один протокол общей вибрации всего тела в один и тот же день. Протокол общей вибрации всего тела будет состоять из следующего. Острая общая вибрация всего тела будет осуществляться через стул с низкой спинкой, установленный на контролируемой вибрирующей платформе. Участники пройдут 30-минутную сессию вертикальной вибрации частотой 5 Гц с размахом амплитуды 3 мм и пиковым ускорением 2 м/с². Это воздействие использовалось ранее, было признано безопасным для участников и показало измеримое влияние на суточные изменения роста [Sullivan Spine 1990].

Образцы мочи будут собираться перед МРТ-сканированиями для Гидратированной и Дегидратированной групп в Цели 3. По прибытии в МРТ-центр каждому субъекту будет предоставлен контейнер для сбора мочи членом Исследовательской группы, который опишет метод «чистого сбора». Этот метод включает начало мочеиспускания, остановку, сбор средней порции мочи в контейнер, а затем завершение мочеиспускания в унитаз. Затем субъект вернет контейнер члену Исследовательской группы, который поместит его в охлаждаемый контейнер. После МРТ-сканирования член Исследовательской группы вернет образец в наши лаборатории в ZVAMC и проанализирует удельный вес образца с помощью рефрактометра.

Набор для Цели 1 включает в себя всего 3 экспериментальные группы (Текущее воздействие WBV, Военное воздействие WBV и Без воздействия WBV) и три МРТ на субъекта. Требуется 39 субъектов (по 13 на группу), которые пройдут в общей сложности 117 МРТ-сканирований в положении лежа.

Цель 2 включает в себя всего 3 экспериментальные группы (Текущее воздействие WBV, Военное воздействие WBV и Без воздействия WBV) и два МРТ-сканирования в вертикальном положении на субъекта. Требуется 39 субъектов (по 13 на группу), для общего количества 78 МРТ-сканирований в вертикальном положении. Однако мы считаем, что размер эффекта для этого эксперимента будет выше, чем размер эффекта в предварительных данных, поскольку предлагаемый эксперимент будет измерять острые механически индуцированные изменения гидратации диска после WBV, тогда как межгрупповые различия в наших предварительных данных были результатом хронических дегенеративных изменений гидратации диска.

Поэтому мы ожидаем, что сможем обнаружить статистически значимые и достаточно мощные межгрупповые различия в ходе этого эксперимента даже с меньшими размерами групп.

Цель 3 включает в себя всего 2 экспериментальные группы (гидратированная и дегидратированная) и два МРТ-сканирования на субъекта. Требуется 34 субъекта (по 17 на группу), которые пройдут в общей сложности 68 МРТ-сканирований.

Потенциальные субъекты исследования будут идентифицированы с помощью Инфраструктуры информатики и вычислений VA (VINCI). Все потенциальные субъекты будут уведомлены письмом о том, что они соответствуют предварительным требованиям для включения в исследование, проводимое исследователями в ZVAMC. Им будет предложено ответить по телефону или электронной почте, если они заинтересованы, и будет сообщено, что мы свяжемся с ними по телефону примерно через две недели после даты письма, чтобы подтвердить их желание участвовать. Этот протокол является обычным для других исследований с участием людей в ZVAMC и используется нашим Отделом трансляционных исследований (TRU) в течение многих лет. Все заинтересованные ветераны будут опрошены в удобное для них время по телефону или лично, чтобы определить их пригодность для включения в это исследование.

Ветераны, давшие согласие на первоначальное включение, получат базовые опросники о военной службе, текущем и предыдущем воздействии общей вибрации всего тела, интенсивности боли, инвалидности, связанной с болью, и модификаторах боли, используя перечисленные ниже опросники. Члены исследовательской группы будут регулярно просматривать список ветеранов, согласившихся на первоначальное включение. Мы прекратим набор новых субъектов, когда получим достаточное количество для формирования сопоставимых когорт для каждой экспериментальной группы на основе сходства возраста, характеристик общей вибрации всего тела и профиля боли.

Субъекты из каждой сопоставимой когорты будут приглашены к участию в Целях 1 и 2 (Группы 1, 2 и 3) или Цели 3 (дополнительный набор в Группу 3). Цели 1 и 2 включат 39 субъектов (по 13 на группу для Групп 1, 2 и 3), которые получат в общей сложности 5 МРТ-сканирований (3 в MCW и 2 в Upright MRI of Deerfield). Цель 3 включит дополнительно 34 субъекта (по 17 на группу x 2 группы), каждый из которых получит 2 МРТ-сканирования в MCW. В результате в исследование будет включено минимум 73 ветерана ZVAMC (13 на группу x 3 группы для Целей 1 и 2; 17 на группу x 2 группы для Цели 3). Однако мы ожидаем, что некоторые субъекты могут не захотеть участвовать в нескольких частях исследования. Поскольку каждая Цель включает повторные измерения, чтобы субъекты могли служить собственным контролем, протокол исследования позволит набирать отдельные когорты ветеранов для каждой Цели. Следовательно, максимальное количество участников исследования, если бы у нас были отдельные когорты для каждой Цели, составило бы 112 ветеранов (39 для Цели 1, 39 для Цели 2, 34 для Цели 3).