Yrkesmässig exponering för helkroppsvibration bland amerikanska militärveteraner: Akuta och kroniska bidrag till muskuloskeletala störningar och ryggsmärtor

Muskuloskeletala (MSK) störningar och ryggrelaterad smärta är stora hälsoproblem bland veteraner. Ländryggssmärta är den vanligaste kroniska smärtproblematiken bland veteraner och bidrar avsevärt till sjukvårdsutnyttjande och ökande behandlingskostnader inom Veterans Health Administration (VHA). Då VHA:s utgifter för samhällsvård mer än fördubblades mellan 2017 och 2021 understryker det växande behovet av tjänster för kronisk smärta nödvändigheten av en förbättrad förståelse för de mekanismer som bidrar till ryggdegeneration i denna population. Det finns bevis för att yrkesmässig exponering för helkroppsvibration (WBV) är associerad med en ökad risk för en mängd negativa hälsoresultat, inklusive MSK-smärta i rygg och nacke. Trots omfattande forskning om ländryggssmärtas etiologi och diskdegeneration kvarstår dock stora kunskapsluckor kring tidig upptäckt av endplatedegeneration och effekten av akut eller kronisk WBV-exponering på IVD-hälsa.

Den allmänna förekomsten av ländryggssmärta i allmänheten men särskilt bland veteraner visar att det finns ett starkt medicinskt behov av en bättre förståelse för ryggens biomekanik. Denna studie kan hjälpa klinisk praxis genom att identifiera biomarkörer för tidig upptäckt med icke-invasiva MR-tekniker och att undersöka hydrering som en skyddande mekanism.

Problemet med ländryggssmärta och ryggens hälsa är särskilt relevant inom veteraner eftersom medan militärpersonal generellt är friskare än den typiska amerikanska vuxna i liknande ålder när de går in i tjänst (på grund av rigorösa fysiska och mentala screeningskrav för att gå med i militären, kontinuerliga fitnessstandarder och tillgång till omfattande sjukvård), har forskning visat att veteraner har sämre övergripande hälso-relaterad livskvalitet än icke-veteraner och en hög prevalens av ryggsmärta-relaterade tillstånd. Veteraner har ofta exponerats för WBV under sin militära karriär i pansar- eller tunga fordon eller i flygplan. Många veteraner fortsätter också att exponeras för WBV i sina eftermilitära karriärer med 28,5% som arbetar inom naturresurser, konstruktion och underhåll eller produktion, transport och materialhantering. Dessa jobb och många andra kan exponera arbetare för WBV vid körning av fordon (lastbilar, konstruktions- och tunga maskiner), eller vid användning av verktyg där vibrationsamplituden är tillräckligt stor för att överföras till kroppen. Dessa WBV-exponeringar under deras militära karriär och eftermilitära karriär bär med sig en ökad risk för negativa hälsoresultat inklusive MSK-smärta i rygg och nacke.

Medan vi vet att många veteraner exponeras för dessa förhållanden och att de är associerade med en ökad risk för MSK-smärta, kommer förståelse för biomekaniken att hjälpa till att förstå hur man förebygger och behandlar dessa långvariga eller kroniska skador. Dessa är kunskapsluckor som vi har identifierat i relation till intervertebraldiskens hälsa och exponering för WBV:

1. Segment- och regionsspecifik diskfluidynamik under WBV är dåligt förstådd. Medan dygnsvariationer i diskfluidmigration har dokumenterats, förblir effekten av akut eller kronisk WBV på nucleus pulposus och annulus fibrosis fluidistribution, särskilt över ländryggsnivåer, okänd.

2. Tidig endplatedegeneration kan för närvarande inte detekteras icke-invasivt. Modic-förändringar i benmärg som kan observeras med MRI saknar känslighet och reflekterar senstadiepatologi. Ingen klinisk bildgivningsmetod identifierar pålitligt tidiga degenerativa förändringar av de broskiga eller beniga endplattorna.

3. Sambandet mellan endplatehälsa och diskfluidtransport under WBV-exponering är oklart. Endplatedegeneration stör sannolikt regional fluidutbyte och kan driva segmentspecifik mottaglighet för WBV-inducerad diskskada.

4. Inga tidigare studier har integrerat avancerade kvantitativa MR-tekniker för att utvärdera endplateperfusion, diskfluidrörelse och WBV-respons.

Även om dynamisk kontrastförstärkt MRI kan mäta endplateperfusion, begränsar oro för gadoliniumretention dess användning. Icke-kontrastalternativ som arterial spin labeling (ASL) har inte tillämpats på endplatebedömning.

Denna studie kommer att adressera dessa luckor genom att kombinera multiparametrisk MRI och grupper valda för både akut och longitudinell yrkesmässig exponering för WBV för att utvärdera IVD-fluidtransport och endplatehälsa. Genom att adressera dessa luckor kommer denna studie att främja förståelsen för de biomekaniska och fysiologiska effekterna av WBV på ryggens hälsa.

Vi strävar efter att förstå kopplingen mellan WBV-exponering och ryggens hälsa genom att jämföra grupper av veteraner med historik av eller pågående exponering för WBV och använda avancerade MR-tekniker för att studera intervertebraldiskens (IVD) och vertebroendplatehälsa. Vi strävar också efter att studera de akuta förändringarna i IVD och vertebroendplatebiologi före och efter exponering för WBV och huruvida individuellt hydreringsstatus påverkar IVD-vattendynamik.

De specifika målen är:

Mål 1: Bestämma effekten av akut och longitudinell WBV på ländryggens endplatehälsa.

Mål 2: Bestämma hur segmental ländryggs- och regional IVD-fluidistribution och -transport akut påverkas av WBV och avgöra om det finns korrelationer med endplatehälsa.

Mål 3: Bestämma huruvida individuell hydreringsstatus påverkar IVD-vattendynamik efter akut vibrationsexponering.

Vi hypoteserar följande

Specifikt Mål 1 Hypotes 1: Multiparametrisk MRI kommer att avslöja att veteraner med tidigare militär WBV-exponering har fler degenerativa endplatemarkörer jämfört med veteraner utan yrkesmässig WBV-exponering.

Hypotes 2: Multiparametrisk MRI hos veteraner med nuvarande yrkesmässig exponering för WBV, men utan tidigare militär WBV-exponering, kommer att ha tidigare uttryck av degenerativa endplatemarkörer jämfört med veteraner utan WBV-exponering.

Hypotes 3: Förändringshastigheten för degenerativa endplatemarkörer under studiens fyraårsperiod kommer att vara större för veteraner med nuvarande yrkesmässig WBV-exponering än för veteraner som hade tidigare militär yrkesmässig WBV-exponering.

Specifikt Mål 2 Hypotes 1: Veteraner som regelbundet upplever yrkesmässig WBV kommer att uppvisa mindre IVD-regional fluidistribution före och efter experimentell WBV, medan de utan daglig WBV kommer att ha större förändringar i IVD-regional fluidistribution efter experimentell WBV, med vatten som rör sig från NP till AF eller ut ur disken.

Hypotes 2: Veteraner som regelbundet upplever yrkesmässig WBV kommer att uppvisa en kraniokaudal minskning i vattentransport samt en minskning i baslinjevattendistribution.

Hypotes 3: Degenerativ endplatehälsa kommer att korrelera med minskad ländryggsvattendistribution och -transport.

Specifikt Mål 3 Hypotes 1: Deltagare i ett lågt hydreringsläge kommer att uppvisa en större minskning i intervertebraldiskens (IVD) vattenhalt och förändrade fluidtransportmått efter 30 minuter av kontrollerad sittande vibration än deltagare i ett normalt/högt hydreringsläge.

Denna forskning är relevant för VA på grund av att ungefär 50% av veteraner upplever kronisk smärta där ländryggssmärta är den vanligaste typen av kronisk smärta. Detta är en av de vanligaste orsakerna till att söka vård inom VHA och detta skapar en betydande ekonomisk börda för Veterans Health Administration. Det finns också data som visar att trots att militärpersonal generellt är friskare än den typiska amerikanska vuxna när de går in i tjänst, finns det en hög incidens av ländryggssmärta bland militärpersonal och att veteraner har sämre övergripande hälso-relaterad livskvalitet än icke-veteraner. Yrkesmässig exponering för vibration är associerad med en ökad risk för en mängd negativa hälsoresultat, inklusive MSK-smärta i rygg och nacke.

Studiedesign:

Denna studie kommer att undersöka akuta och kroniska effekter av yrkesmässig helkroppsvibration på hälsan hos ländryggens endplattor och intervertebraldiskar genom att studera veteraner som hade yrkesmässig exponering för WBV i sitt militära yrke och veteraner med nuvarande civila yrken som involverar WBV. Den ungefärliga studietidslinjen, som beskrivs i forskningsansökan, visas nedan. Ländryggens endplateegenskaper och intervertebraldiskens perfusion och hydrering i båda studiegrupperna kommer att jämföras med ålder- och könsmatchade veteran-kontroller utan historik av yrkesmässig WBV. Frivilligpopulationen kommer att väljas för att representera den etniska och könsfördelningen av Zablocki Veterans Affairs Medical Centers patientpopulation. Nuvarande och militära yrken kommer att väljas för att maximera konsistens i WBV-karakteristika. Till exempel inkluderar ZVAMC:s patientpopulation både lastbilsförare och tunga maskinoperatörer. Men med tanke på att WBV-karakteristika (t.ex. frekvens och magnitud av vibration) mellan dessa yrken är olika, vilket sannolikt har olika akuta och kroniska effekter på ryggen, kommer preferens i forskningspopulationen att ges för att maximera konsistens i WBV-miljön över forskningssubjektspopulationen. Vi kommer att följa en liknande procedur för att välja veteraner med militär yrkesmässig WBV. Yrken unika för militären, såsom helikopterbesättning, kommer att ges prioritet även om andra yrken som lastbilsförare etc. kommer att riktas in på om vi inte kan rekrytera veteraner med tidigare militärt helikopteryrke i tillräckligt antal. Det första frågeformuläret kommer också att inkludera Oswestry Disability Index (ODI), som kommer att ge information om ländryggssmärtans inverkan på varje potentiellt subjekts dagliga aktiviteter och funktion. ODI kommer också att användas i urvalet av subjekt för MRI-delen av studien för att säkerställa ett konsekvent urval. Alla intresserade veteraner kommer att samtycka och registreras i studien före förscreening-intervjun och veteraner som passar in i de utvalda grupperna för MRI-studien kommer att få en separat inbjudan att delta i den delen av studien. De fem grupperna av veteraner som kommer att krävas för att slutföra denna studie beskrivs nedan.

• Nuvarande WBV-grupp (Grupp 1) kommer att bestå av veteraner utan historik av aktiv tjänstgöring yrkesmässig WBV-exponering, men med civil yrkesmässig WBV-exponering som veteran. Dessa individer kommer att vara under 45 år gamla och ha mindre än 5 års civil yrkesmässig WBV-exponering. Denna grupp kommer att demonstrera effekterna av civil yrkesmässig WBV-exponering på endplatedegeneration, IVD-fluidynamik och ryggstrukturella degenerationsmått. Tre multiparametriska MRI-skanningar erhållna under loppet av detta fyraårsprotokoll (mål 1) kommer att möjliggöra spårning av endplatehälsa och identifiering av progressiva förändringar i ryggstrukturella karakteristika såsom ländryggens Cobb-vinkel, disk/foraminaldimensioner, endplatedegeneration och intervertebraldiskens perfusion och hydrering. Dessa förändringar kommer att korreleras med WBV-loggar som upprätthålls av varje registrerat subjekt som kommer att ge veckovisa uppskattningar av typ och varaktighet av yrkesmässig exponering under studiens varaktighet. Ett experimentellt akut WBV-protokoll (mål 2) kommer att beskriva ländryggens endplattors och intervertebraldiskars akuta respons på WBV. Detta protokoll kommer att bestå av en baslinjeupprätt MRI-skanning på morgonen, 30 minuter av experimentell WBV och en andra post-WBV upprätt MRI-skanning på eftermiddagen. Subjekt kommer att väljas för deltagande i MRI-delen av studien för att säkerställa konsistens i yrkesmässiga WBV-karakteristika (t.ex. tunga maskinoperatörer kontra långfärdslastbilsförare) och yrkesvaraktighet för att minska variationen i pågående yrkesmässig WBV som kan påverka den nuvarande ryggens hälsa vid registrering.
• Militär WBV-grupp (Grupp 2) kommer att bestå av veteraner med minst 6 års aktiv tjänstgöring WBV-exponering (t.ex. tunga maskinoperatörer, helikopterpiloter, småbåtsoperatörer). Dessa individer kommer att vara under 45 år gamla och ha ingen civil yrkesmässig exponering för WBV. Denna grupp kommer att genomgå två serier av liggande multiparametriska MRI-skanningar i början och slutet av studien (mål 1) och det experimentella akuta WBV-protokollet som beskrivits ovan (mål 2). Vår förscreeningprocess kommer att tillåta oss att välja en grupp individer som hade liknande aktiv tjänstgöring WBV-karakteristika när det gäller typ och varaktighet av yrke. Subjekt kommer att väljas för deltagande i MRI-delen av studien för att säkerställa konsistens i militära WBV-karakteristika (t.ex. helikopterpiloter kontra snabbbåtsförare) och militär yrkesvaraktighet för att minska variationen i WBV-historik som kan påverka den nuvarande ryggens hälsa vid registrering.
• Ingen WBV-grupp (Kontrollgrupp) (Grupp 3) kommer att bestå av veteraner utan historik av aktiv tjänstgöring eller civil yrkesmässig exponering för WBV. Dessa individer kommer att vara ålder- och könsmatchade med Nuvarande WBV- och Militär WBV-grupper och kommer inte att uppleva någon vätskerestriktion. Denna grupp kommer att genomgå samma procedurer som Nuvarande WBV-gruppen, inklusive tre multiparametriska MRI-skanningar (mål 1) och en exponering för det akuta WBV-protokollet (mål 2).
• Hydrerad grupp (Grupp 4). Ingen WBV-gruppen från mål 1 och 2 av studien kommer att delta i mål 3, deltar i multiparametriska MRI-skanningar i både ett väl hydrerat tillstånd och ett dehydrerat tillstånd. En 3-dagars vätskelogg kommer att upprätthållas efter samtycke för att ge en vätskeintagsbaslinje. De 3 dagarna före deras ankomst kommer deltagare att ombes att konsumera minst 2,7 liter (11 koppar) vätskor per dag för kvinnliga deltagare och minst 3,7 liter (16 koppar) för manliga deltagare. Hydreringsstatus kommer att bekräftas med mätningar av urinspecifikt gravitetsvärden mindre än 1,010. Dagen före multiparametrisk MRI-skanning kommer deltagare att ombes att avstå från rigorös träning. Denna grupp kommer att delta i Hydrerad MRI-protokoll under år 3 av studien.
• Dehydrerad grupp (Grupp 5). Ingen WBV-gruppen från mål 1 och 2 av studien kommer att delta i mål 3, deltar i multiparametriska MRI-skanningar i både ett väl hydrerat tillstånd och ett dehydrerat tillstånd. En 3-dagars vätskelogg kommer att upprätthållas efter samtycke för att ge en vätskeintagsbaslinje. De 3 dagarna före deras ankomst kommer deltagare att ombes att konsumera cirka 1,3 liter (5,5 koppar) vätskor per dag för kvinnliga deltagare och cirka 1,8 liter (8 koppar) för manliga deltagare. Hydreringsstatus kommer att bekräftas med mätningar av urinspecifikt gravitetsvärden större än 1,020. Dagen före multiparametrisk MRI-skanning kommer deltagare att ombes att avstå från rigorös träning. Denna grupp kommer att delta i Dehydrerad MRI-protokoll under år 4 av studien.

Veteraner utvalda för MRI-delen av studien kommer att informeras om detta beslut via ett brev som kommer att beskriva deras studiegrupp, MRI-procedurerna som de kommer att ombes att delta i, deras studiespecifika subjektnummer och deras arvode för deltagande. De måste sedan samtycka till att delta genom att signera och returnera ett inkluderat samtyckesformulär till studieteamet. Efter att de har samtyckt till att delta i MRI-delen av studien kommer en studieteammedlem att arbeta med dem för att schemalägga deras MRI-skanning(ar) antingen vid MCW Center for Imaging Research (liggande skanningar) eller Upright MRI of Deerfield (upprätta skanningar), beroende på deras studiegrupp. Veteraner kommer sedan att tillhandahållas med information om datum/tid för deras skanning, när de ska anlända, facilitets- och parkeringsplatser (inklusive karta), hur länge skanningen kommer att ta, vad de ska ha på sig och eventuella vätskerestriktioner om nödvändigt. De kommer att informeras om att en studieteammedlem kommer att möta dem på skanningsplatsen, före deras skanning, och kommer att guida dem genom processen. Veteraner kommer också att informeras om att de har fått ett studiespecifikt de-identifierat subjektnummer för att säkerställa deras integritet och att de kan använda det numret för att identifiera sig för studieteammedlemmen och MRI-faciliteten vid ankomst.

Veteraner kommer att vara ansvariga för sin egen transport till MRI-faciliteten. Vid ankomst kommer de att mötas på faciliteten av en studieteammedlem. Studieteammedlemmen kommer att bekräfta deras studiespecifika subjektnummer, beskriva procedurerna som kommer att ske, hur lång hela processen kommer att ta och svara på eventuella frågor som veteranen kan ha. Veteraner kommer att ombes att anlända till MRI-faciliteten cirka 30 minuter före deras MRI-skannings tid. Om veteranen inte har MRI-lämpliga kläder kommer de att guidas till ett omklädningsrum där de kan byta till operationskläder som tillhandahålls av faciliteten. Före skanning kommer veteraner att ombes att fylla i ett MRI-screeningformulär som kommer att ställa MRI-relevanta frågor om implantat och medicinska tillstånd. MRI-screeningformuläret ingår som en del av denna IRB-inlämning.

Varje MRI-skanning kommer att vara högst 60 minuter. Deltagande i Mål 1 kommer att inkludera totalt tre MRI-skanningar; den första MRI-skanningen under år 1 av studien, den andra under år 2 eller 3 och den tredje under år 4. Deltagande i Mål 2 och 3 kommer att inkludera 2 MRI-skanningar och ett helkroppsvibrationsprotokoll samma dag. Helkroppsvibrationsprotokollet kommer att bestå av följande. Akut helkroppsvibration kommer att levereras genom en lågryggad stol monterad på en kontrollerad vibrerande plattform. Deltagare kommer att uppleva en 30-minuters vertikal vibrationssession på 5 Hz med en peak-to-peak amplitud på 3 mm och en toppacceleration på 2 m/s2. Denna exponering användes tidigare, bedömdes vara säker för deltagare och visades ha en mätbar effekt på dygnsvariationer i längd [Sullivan Spine 1990].

Urinprover kommer att samlas in före MRI-skanningar för Hydrerade och Dehydrerade grupper i Mål 3. Vid ankomst till MRI-faciliteten kommer varje subjekt att tillhandahållas med en urinsamlingsbehållare av Studieteammedlemmen, som kommer att beskriva "clean-catch"-metoden för insamling. Den metoden innebär att börja urinera, stoppa, samla urin mitt i strömmen i behållaren, sedan avsluta urinering i toaletten. Subjektet kommer sedan att ge behållaren tillbaka till Studieteammedlemmen, som kommer att placera den i en kylbehållare. Efter MRI-skanningen kommer Studieteammedlemmen att returnera densamma till våra labb vid ZVAMC och analysera specifik gravitet av provet med hjälp av en refraktometer.

Rekrytering Mål 1 har totalt 3 experimentgrupper (Nuvarande WBV, Militär WBV och Ingen WBV) och tre MRI per subjekt. 39 subjekt (13 per grupp) krävs, som kommer att genomgå totalt 117 liggande MRI.

Mål 2 har totalt 3 experimentgrupper (Nuvarande WBV, Militär WBV och Ingen WBV) och två upprätta MRI per subjekt. 39 subjekt (13 per grupp) krävs, för totalt 78 upprätta MRI. Men vi anser att effektstorleken för detta experiment kommer att vara högre än effektstorleken i preliminära data eftersom det föreslagna experimentet kommer att mäta akuta mekaniskt inducerade förändringar i diskhydrering efter WBV, medan gruppvisa skillnader i våra preliminära data var resultatet av kroniska degenerativa förändringar i diskhydrering.

Därför förväntar vi oss att ha förmågan att detektera statistiskt signifikanta och tillräckligt kraftfulla gruppvisa skillnader under detta experiment, även med mindre gruppstorlekar.

Mål 3 har totalt 2 experimentgrupper (hydrerad och dehydrerad) och två MRI per subjekt. 34 subjekt (17 per grupp) krävs, som kommer att genomgå totalt 68 MRI.

Potentiella forskningssubjekt kommer att identifieras med hjälp av VA Informatics and Computing Infrastructure (VINCI). Alla potentiella subjekt kommer att meddelas via brev att de uppfyller de preliminära kraven för inklusion i en forskningsstudie som genomförs av forskare vid ZVAMC. De kommer att ombes att svara via telefon eller e-post om intresserade och meddelas att vi kommer att följa upp med ett telefonsamtal cirka två veckor efter brevdatumet för att bekräfta om de skulle vilja delta. Detta protokoll är vanligt för andra mänskliga studier vid ZVAMC och har använts av vår Translational Research Unit (TRU) i åratal. Alla intresserade veteraner kommer att intervjuas vid en tidpunkt som de väljer via telefon eller personliga intervjuer för att avgöra deras lämplighet för inklusion i denna studie.

Veteraner som samtycker till initial registrering kommer att tillhandahållas med baslinjefrågeformulär om militärtjänst, nuvarande och tidigare helkroppsvibrationsexponering, smärtintensitet, smärtrelaterad funktionsnedsättning och smärtmodifierare, med hjälp av frågeformulären listade nedan. Studieteammedlemmar kommer att granska listan över veteraner som har samtyckt till den initiala registreringen på löpande basis. Vi kommer att sluta registrera nya subjekt när vi har erhållit ett tillräckligt antal för matchade kohorter för varje experimentgrupp baserat på likhet i ålder, helkroppsvibrationskarakteristika och smärtprofil.

Subjekt från varje matchad kohort kommer att ombes att delta i Mål 1 och 2 (Grupp 1, 2 och 3) eller Mål 3 (ytterligare Grupp 3 registrering). Mål 1 och 2 kommer att registrera 39 subjekt (13 per grupp för Grupp 1, 2 och 3) som kommer att få totalt 5 MRI-skanningar (3 vid MCW och 2 vid Upright MRI of Deerfield). Mål 3 kommer att registrera ytterligare 34 subjekt (17 per grupp x 2 grupper) som var och en kommer att få 2 MRI-skanningar vid MCW. Detta kommer att resultera i minst 73 ZVAMC-veteraner (13 per grupp x 3 grupper för Mål 1 och 2; 17 per grupp x 2 grupper för Mål 3) registrerade i studien. Men vi förväntar oss att vissa subjekt kanske inte är villiga att delta i flera delar av studien. Eftersom varje mål inkluderar upprepade mätningar så att subjekt kan användas som sina egna kontroller, kommer studieprotokollet att tillåta separata kohorter av veteraner att registreras i varje mål. Därför skulle den maximala registreringen för studien, om vi hade separata kohorter för varje mål, vara 112 veteraner (39 för Mål 1, 39 för Mål 2, 34 för Mål 3).