美国退伍军人职业性全身振动暴露：对肌肉骨骼疾病和脊柱区域疼痛的急性和慢性影响

肌肉骨骼（MSK）疾病和脊柱相关疼痛是退伍军人群体中的主要健康问题。 腰痛是退伍军人中最常见的慢性疼痛病症，显著增加了退伍军人健康管理局（VHA）的医疗资源使用和治疗成本。 随着2017年至2021年间VHA社区护理支出增长超过一倍，对慢性疼痛服务日益增长的需求突显了需要更好地理解导致该人群脊柱退化的机制。 有证据表明，职业性全身振动（WBV）暴露与多种负面健康后果的风险增加相关，包括背部和颈部的MSK疼痛。 然而，尽管对腰痛病因和椎间盘退化的研究广泛，但在早期检测终板退化以及急性或慢性WBV暴露对椎间盘健康的影响方面仍存在重大空白。

腰痛在普通公众中普遍存在，尤其在退伍军人中更为突出，这表明对脊柱健康的生物力学有更深入理解的强烈医疗需求。 本研究可通过非侵入性MRI技术识别早期检测生物标志物，并研究水合作用作为保护机制，从而帮助临床实践。

腰痛和脊柱健康问题在退伍军人中尤为相关，因为虽然服役人员在入伍时通常比同龄美国成年人更健康（由于加入军队的严格身心筛查要求、持续的体能标准以及全面的医疗保健），但研究表明退伍军人的整体健康相关生活质量低于非退伍军人，且背部疼痛相关病症的患病率较高。 退伍军人在军旅生涯中经常在装甲或重型车辆或飞机中暴露于WBV。 许多退伍军人在退役后的职业生涯中继续暴露于WBV，其中28.5%从事自然资源、建筑和维护或生产、运输和物料搬运工作。 这些工作以及许多其他工作可能使工人在操作车辆（卡车、建筑和重型机械）或操作振动幅度足够大以传递到身体的工具时暴露于WBV。 这些在军旅生涯和退役后职业生涯中的WBV暴露增加了负面健康后果的风险，包括背部和颈部的MSK疼痛。

虽然我们知道许多退伍军人暴露于这些条件，并且它们与MSK疼痛风险增加相关，但理解生物力学将有助于理解如何预防和治疗这些长期或慢性损伤。 这些是我们已识别的关于椎间盘健康和WBV暴露相关的知识空白：

1. WBV下节段和区域特异性椎间盘流体动力学知之甚少。 虽然日间椎间盘流体迁移模式已有记录，但急性或慢性WBV对髓核和纤维环流体分布的影响，尤其是在腰椎水平上，仍然未知。

2. 目前无法无创检测早期终板退化。 通过MRI可观察到的Modic骨髓变化缺乏敏感性，并反映晚期病理。 没有临床成像方法能可靠识别软骨或骨终板的早期退行性改变。

3. WBV暴露下终板健康与椎间盘流体运输之间的关系尚不明确。 终板退化可能破坏区域流体交换，并可能驱动节段依赖性对WBV诱导的椎间盘损伤的易感性。

4. 先前的研究尚未整合先进的定量MRI技术来评估终板灌注、椎间盘流体运动和WBV反应。

尽管动态对比增强MRI可以测量终板灌注，但对钆滞留的担忧限制了其使用。 非对比替代方案如动脉自旋标记（ASL）尚未应用于终板评估。

本研究将通过结合多参数MRI和选择具有急性和纵向职业WBV暴露的组别来评估椎间盘流体运输和终板健康，从而解决这些空白。 通过解决这些空白，本研究将增进对WBV对脊柱健康的生物力学和生理影响的理解。

我们旨在通过比较有WBV暴露史或持续暴露的退伍军人组别，并使用先进MRI技术研究椎间盘（IVD）和椎骨终板健康，来理解WBV暴露与脊柱健康之间的联系。 我们还旨在研究WBV暴露前后IVD和椎骨终板生物学的急性变化，以及个体水合状态是否影响IVD水动力学。

具体目标如下：

目标1：确定急性和纵向WBV对腰椎终板健康的影响。

目标2：确定节段性腰椎和区域IVD流体分布和运输如何受WBV急性影响，并确定是否与终板健康相关。

目标3：确定个体水合状态是否影响急性振动暴露后的IVD水动力学。

我们假设如下：

具体目标1 假设1：多参数MRI将显示，与无职业WBV暴露的退伍军人相比，有先前军事WBV暴露的退伍军人具有更多的退行性终板标志物。

假设2：多参数MRI将显示，当前有职业WBV暴露但无先前军事WBV暴露的退伍军人，与无WBV暴露的退伍军人相比，将更早表达退行性终板标志物。

假设3：在研究为期四年的时间内，当前有职业WBV暴露的退伍军人的退行性终板标志物变化率将大于有先前军事职业WBV暴露的退伍军人。

具体目标2 假设1：经常经历职业WBV的退伍军人在实验性WBV前后将表现出较少的IVD区域流体分布，而无日常WBV的退伍军人在实验性WBV后将表现出更大的IVD区域流体分布变化，水从NP移动到AF或移出椎间盘。

假设2：经常经历职业WBV的退伍军人将表现出从头侧到尾侧的水运输减少以及基线水分布减少。

假设3：退行性终板健康将与腰椎水分布和运输减少相关。

具体目标3 假设1：处于低水合状态的参与者在30分钟受控坐姿振动后，将比处于正常/高水合状态的参与者表现出更大的椎间盘（IVD）水含量减少和改变的流体运输指标。

这项研究与VA相关，因为约50%的退伍军人经历慢性疼痛，其中腰痛是最常见的慢性疼痛类型。 这是VHA内寻求护理的最常见原因之一，这给退伍军人健康管理局带来了重大的财务负担。 还有数据显示，尽管服役人员在入伍时通常比典型美国成年人更健康，但服役人员中腰痛的发生率很高，且退伍军人的整体健康相关生活质量低于非退伍军人。 职业振动暴露与多种负面健康后果的风险增加相关，包括背部和颈部的MSK疼痛。

研究设计：

本研究将通过研究在军事职业中有职业WBV暴露的退伍军人以及当前涉及WBV的平民职业的退伍军人，调查职业性全身振动对腰椎终板和椎间盘健康的急性和慢性影响。 拨款提案中概述的大致研究时间线如下所示。 两个研究组的腰椎终板特征和椎间盘灌注及水合将与年龄和性别匹配的无职业WBV史的退伍军人对照组进行比较。 志愿者人群的选择将代表Zablocki退伍军人事务医疗中心患者人群的种族和性别分布。 当前和军事职业的选择将最大化WBV特征的一致性。 例如，ZVAMC患者人群包括卡车司机和重型设备操作员。 然而，鉴于这些职业之间的WBV特征（例如振动频率和幅度）不同，这可能对脊柱产生不同的急性和慢性影响，研究人群的优先选择将最大化研究受试者人群中WBV环境的一致性。 我们将采用类似程序选择有军事职业WBV的退伍军人。 军事特有的职业，如直升机机组人员，将优先考虑，但如果我们无法招募到足够数量的有先前军事直升机职业的退伍军人，也将针对其他职业如卡车司机等。 初始问卷还将包括Oswestry功能障碍指数（ODI），这将提供关于腰痛对每位潜在受试者日常活动和功能影响的信息。 ODI还将用于选择MRI研究部分的受试者，以确保样本一致性。 所有感兴趣的退伍军人都将在预筛选访谈前同意并加入研究，符合MRI研究选定组别的退伍军人将收到单独邀请参与该部分研究。 完成本研究所需的五组退伍军人描述如下。

• 当前WBV组（第1组）将包括无现役职业WBV暴露史，但作为退伍军人有平民职业WBV暴露的退伍军人。 这些个体将小于45岁，且平民职业WBV暴露少于5年。 该组将展示平民职业WBV暴露对终板退化、IVD流体动力学和脊柱结构退化指标的影响。 在这四年方案期间（目标1）获得的三次多参数MRI扫描将允许跟踪终板健康并识别脊柱结构特征的渐进变化，如腰椎Cobb角、椎间盘/椎间孔尺寸、终板退化以及椎间盘灌注和水合。 这些变化将与每位入组受试者维护的WBV日志相关联，该日志将提供研究期间每周职业暴露类型和持续时间的估计。 实验性急性WBV方案（目标2）将概述腰椎终板和椎间盘对WBV的急性反应。该方案将包括早晨的基线直立MRI扫描、30分钟的实验性WBV以及下午的第二次WBV后直立MRI扫描。 将选择受试者参与MRI研究部分，以确保职业WBV特征（例如重型设备操作员与长途卡车司机）和职业持续时间的一致性，以减少可能影响入组时当前脊柱健康的持续职业WBV的变异性。
• 军事WBV组（第2组）将包括至少有6年现役WBV暴露的退伍军人（例如重型设备操作员、直升机飞行员、小型船只操作员）。 这些个体将小于45岁，且无平民职业WBV暴露。 该组将在研究开始和结束时接受两次仰卧多参数MRI扫描系列（目标1）以及上述实验性急性WBV方案（目标2）。 我们的预筛选过程将允许我们选择一组在职业类型和持续时间方面具有相似现役WBV特征的个体。 将选择受试者参与MRI研究部分，以确保军事WBV特征（例如直升机飞行员与快艇驾驶员）和军事职业持续时间的一致性，以减少可能影响入组时当前脊柱健康的WBV历史变异性。
• 无WBV组（对照组）（第3组）将包括无现役或平民职业WBV暴露史的退伍军人。 这些个体将与当前WBV组和军事WBV组年龄和性别匹配，且不会经历任何液体限制。 该组将接受与当前WBV组相同的程序，包括三次多参数MRI扫描（目标1）和一次急性WBV方案暴露（目标2）。
• 水合组（第4组）。 研究目标1和2的无WBV组将参与目标3，在良好水合状态和脱水状态下参与多参数MRI扫描。 同意后将维护3天液体日志以提供液体摄入基线。 到达前3天，女性参与者将被要求每天至少消耗2.7升（11杯）液体，男性参与者至少3.7升（16杯）。 水合状态将通过尿液比重值小于1.010的测量来确认。 多参数MRI扫描前一天，参与者将被要求避免剧烈运动。 该组将在研究第3年参与水合MRI方案。
• 脱水组（第5组）。 研究目标1和2的无WBV组将参与目标3，在良好水合状态和脱水状态下参与多参数MRI扫描。 同意后将维护3天液体日志以提供液体摄入基线。 到达前3天，女性参与者将被要求每天消耗约1.3升（5.5杯）液体，男性参与者约1.8升（8杯）。 水合状态将通过尿液比重值大于1.020的测量来确认。 多参数MRI扫描前一天，参与者将被要求避免剧烈运动。 该组将在研究第4年参与脱水MRI方案。

被选入MRI研究部分的退伍军人将通过信件通知此决定，信件将描述他们的研究组别、将被要求参与的MRI程序、他们的研究特定受试者编号以及参与津贴。 然后他们必须通过签署并返回附带的同意书给研究团队来同意参与。 同意参与MRI研究部分后，研究团队成员将与他们合作安排MRI扫描，根据他们的研究组别在MCW影像研究中心（仰卧扫描）或Deerfield直立MRI中心（直立扫描）进行。 退伍军人随后将获得扫描日期/时间、到达时间、设施和停车位置（包括地图）、扫描时长、应穿衣物以及必要时任何液体限制的信息。 他们将被告知研究团队成员将在扫描地点与他们见面，扫描前，并指导他们完成整个过程。 退伍军人还将被告知他们已获得研究特定去标识化受试者编号以确保隐私，并且他们可以使用该编号在到达时向研究团队成员和MRI设施表明身份。

退伍军人将负责自行前往MRI设施。 到达后，研究团队成员将在设施处迎接他们。 研究团队成员将确认他们的研究特定受试者编号，描述将发生的程序、整个过程所需时间，并回答退伍军人可能有的任何问题。 退伍军人将被要求大约在MRI扫描时间前30分钟到达MRI设施。 如果退伍军人未穿着适合MRI的衣物，他们将被引导至更衣室，在那里可以换上设施提供的scrubs。 扫描前，退伍军人将被要求填写MRI筛查表，该表将询问与植入物和医疗状况相关的MRI相关问题。 MRI筛查表作为本IRB提交的一部分包含在内。

每次MRI扫描将持续不超过60分钟。 参与目标1将包括总共三次MRI扫描；第一次在研究第1年，第二次在第2或第3年，第三次在第4年。参与目标2和3将包括2次MRI扫描和同一天的一次全身振动方案。 全身振动方案将包括以下内容。 急性全身振动将通过安装在受控振动平台上的低背椅传递。 参与者将经历30分钟的垂直振动会话，频率为5 Hz，峰峰值振幅为3 mm，峰值加速度为2 m/s²。 此暴露先前已使用，被确定对参与者安全，并已显示对日间身高变化有可测量影响[Sullivan Spine 1990]。

目标3中水合组和脱水组的MRI扫描前将收集尿液样本。到达MRI设施后，每位受试者将由研究团队成员提供尿液收集容器，并描述收集的“清洁中段尿”方法。 该方法涉及开始排尿，停止，将中段尿液收集到容器中，然后在马桶中完成排尿。 受试者随后将容器交还给研究团队成员，后者将其放入冷藏容器中。 MRI扫描后，研究团队成员将将其返回ZVAMC我们的实验室，并使用折射计分析样本的比重。

招募目标1共有3个实验组（当前WBV、军事WBV和无WBV），每名受试者三次MRI。 需要39名受试者（每组13名），他们将接受总共117次仰卧MRI。

目标2共有3个实验组（当前WBV、军事WBV和无WBV），每名受试者两次直立MRI。 需要39名受试者（每组13名），总共78次直立MRI。 然而，我们认为本实验的效应量将高于初步数据中的效应量，因为拟议实验将测量WBV后椎间盘水合的急性机械诱导变化，而我们初步数据中的组间差异是椎间盘水合慢性退行性变化的结果。

因此，我们预计即使组规模较小，也能在本实验中检测到统计学显著且适当功效的组间差异。

目标3共有2个实验组（水合和脱水），每名受试者两次MRI。 需要34名受试者（每组17名），他们将接受总共68次MRI。

潜在研究受试者将使用VA信息学和计算基础设施（VINCI）识别。 所有潜在受试者将通过信件通知他们符合ZVAMC调查员进行的研究的初步纳入要求。 他们将被要求通过电话或电子邮件回复是否感兴趣，并被告知我们将在信件日期后大约两周通过电话跟进确认他们是否愿意参与。 此协议是ZVAMC其他人体研究的常见做法，并已由我们的转化研究单位（TRU）使用多年。 所有感兴趣的退伍军人都将通过电话或面对面访谈在他们选择的时间进行访谈，以确定他们是否适合纳入本研究。

同意初始入组的退伍军人将获得关于军事服务、当前和先前全身振动暴露、疼痛强度、疼痛相关残疾和疼痛调节因素的基线问卷，使用下面列出的问卷。 研究团队成员将定期审查已同意初始入组的退伍军人名单。 当我们根据年龄、全身振动特征和疼痛特征的相似性为每个实验组获得足够数量的匹配队列时，我们将停止招募新受试者。

来自每个匹配队列的受试者将被要求参与目标1和2（第1、2和3组）或目标3（额外的第3组入组）。 目标1和2将入组39名受试者（第1、2和3组每组13名），他们将接受总共5次MRI扫描（3次在MCW，2次在Deerfield直立MRI中心）。 目标3将额外入组34名受试者（每组17名 x 2组），每名将在MCW接受2次MRI扫描。 这将导致至少73名ZVAMC退伍军人（目标1和2：每组13名 x 3组；目标3：每组17名 x 2组）入组研究。 然而，我们预计一些受试者可能不愿意参与研究的多个部分。 由于每个目标包括重复测量以便受试者可以作为自身对照，研究协议将允许为每个目标入组单独的退伍军人队列。 因此，如果我们为每个目标有单独的队列，研究的最大入组人数将为112名退伍军人（目标1：39名，目标2：39名，目标3：34名）。