Повреждение межпозвоночного диска и космический полет
Астронавты сообщили об увеличении случаев болей в спине во время космических полетов , а грыжа межпозвоночных дисков (МПД) была диагностирована по возвращении участников космических полетов Скайлэб и Шаттл .
Эти состояния и симптомы могут быть следствием предыдущей травмы спины, но данные о травмах МПД вызывают беспокойство. [ кем? ] что астронавты подвергаются повышенному риску повреждения межпозвоночных дисков во время сценариев нагрузки, возникающих во время исследовательских миссий (возвращение в гравитационное поле и деятельность на поверхностях планет). На сегодняшний день данные полетов, связанные с потенциальными травмами спины, сосредоточены на удлинении позвоночника и хорошо изученном влиянии механической разгрузки на межпозвоночные диски.
Причины и текущие исследования
[ редактировать ]Шестьдесят восемь процентов первых астронавтов, летавших в космос до 1991 года, сообщали о генерализованной боли в спине. [1] Боль считается наиболее болезненной во время раннего полета и уменьшается по мере полета.
Возможные причины болей в спине в полете могут быть связаны с:
- удлинение позвоночного столба из-за снижения гравитационных сил [ нужна ссылка ]
- Слабость мышц корпуса и спины [2] [3] включая космическую атрофию мышц спины
- повышенная нагрузка на проксимальные капсулы фасеточных суставов [4]
- переломы иннервируемых концевых пластинок позвонков [5] [6]
- дегенерация диска [7]
- грыжа фиброзного кольца [8]
Независимо от причины, астронавты могут подвергаться повышенному риску травмы или повреждения межпозвоночных дисков, когда опухшие диски подвергаются чрезмерным нагрузкам или крутящим моментам во время работы на поверхностях планет. Исследовательские миссии на поверхностях планет могут также вызвать проблемы с обитаемостью, которые могут вызвать чрезмерное скручивающее напряжение, что является установленным фактором риска образования грыжи фиброзного кольца . [9]
В настоящее время имеется минимальное количество данных во время и после полета, которые характеризуют изменения в межпозвоночных дисках у членов экипажа и позволяют оценить, насколько эти изменения могут предрасполагать диски к травмам при перенагрузке. студенистого грыжа Известно, что ядра возникает у авиаторов, подвергающихся воздействию высоких перегрузок . [10] и произошло у космонавтов после миссии.
Относительный риск повреждения межпозвоночных дисков был исследован лишь недавно. [11] но в настоящее время нет доказательств, связывающих происхождение повреждения межпозвоночного диска с изменениями диска в результате космического полета.
На основании анализа ткани межпозвоночных дисков невзвешенных животных биохимические изменения в студенистом ядре во время космического полета повлияют на способность осмотического давления и эластичности студенистого ядра противостоять сжимающей нагрузке . [12] [13] [14] Биохимические изменения в межпозвоночных дисках членов экипажа после полета не выявлены, но проводятся исследования in vitro с эксплантатами бычьего хряща с использованием магнитно-резонансной технологии для корреляции изменений содержания протеогликанов в межпозвоночных дисках с Т 1 ро . релаксацией протонов [15] Этот биомаркер позволит проводить неинвазивный мониторинг содержания протеогликанов как метод оценки биохимического воздействия невесомости.
Информация о компьютерном моделировании
[ редактировать ]Исследования, применяющие моделирование методом конечных элементов (МКЭ) к МПД в условиях более низкого осмотического давления космической среды, показывают, что появление трещины в МПД, испытывающем более низкое осмотическое давление, увеличивает риск травмы МПД. [16] FEM также использовался, чтобы продемонстрировать, что сама по себе статическая нагрузка не будет способствовать вытеснению жидкости из МПД, опухших во время постельного режима или невесомости. Вытеснение жидкости будет увеличиваться с увеличением частоты нагрузки. [17]
Необходимо продолжить дальнейшую работу над этой возможностью моделирования.
Риск в контексте сценариев геологоразведочных работ
[ редактировать ]Определение причины болей в спине и травм МПД в результате космического полета остается открытым вопросом. Рассмотренные допущения и презумпции включают:
- отсутствие осевой нагрузки и сил из-за атрофии мышц спины предрасполагают членов экипажа к травмам МПД.
- риск вредных изменений спины, структуры и биохимии МПД будет возрастать с увеличением разгрузочных периодов в невесомости
- Риск травмы спины и повреждения МПД будет выше при большей силе перегрузки, испытываемой во время входа в атмосферу, приземления и действий на поверхности.
Доказательства космического полета
[ редактировать ]Во время 84-дневной миссии «Скайлэб-4» удлинение позвоночника одного астронавта было измерено и зафиксировано до 1/16 дюйма (Торнтон, 1987). В этом исследовании описано бессимптомное увеличение роста во время полета, которое прекратилось через 29 дней. Общее увеличение высоты составило 1,5 дюйма (3,8 см), измеренное в конце миссии. Предполагается, что это удлинение связано с расширением межпозвоночных дисков во время невесомости (осевой разгрузки). Астронавт также сообщил о боли в спине в день приземления, связанной с грыжей межпозвоночного диска.
Обзор карты астронавта
[ редактировать ]Ретроспективный обзор карт для оценки частоты повреждений межпозвоночных дисков после того, как у нескольких астронавтов шейного или поясничного отдела . в сразу после полета развилась грыжа студенистого ядра [11] В этом исследовании специально сравнивали частоту повреждений межпозвоночных дисков у астронавтов с контрольной группой людей соответствующего возраста, которые никогда не летали в космос. Этот обзор также должен прояснить, существует ли повышенный риск повреждения межпозвоночных дисков из-за:
- воздействие сред с высокой и низкой гравитацией
- длительные периоды пребывания в ненормальной позе
- изменения структуры межпозвонкового диска вследствие расширения при отсутствии осевой нагрузки
Неясно, увеличивают ли изменения, вызванные космическим полетом, риск повреждения межпозвоночных дисков, поскольку есть свидетельства того, что многие из травмированных астронавтов ранее неоднократно подвергались чрезмерным перегрузкам в качестве пилотов высокопроизводительных реактивных самолетов (6-20 перегрузок) или вибрационным воздействиям. военнослужащих в качестве пилотов вертолетов.
Патофизиология повреждения межпозвоночных дисков после космического полета четко не определена. Задокументированное увеличение объема диска после космического полета, а также травмы межпозвоночных дисков после перезагрузки в условиях земной гравитации позволяют предположить, что адаптивные изменения межпозвоночного диска в условиях невесомости нарушают баланс между осмотическим давлением студенистого ядра и резистивной коллагеновой структурой анул . фибрози , тем самым снижая способность структуры межпозвоночного диска противостоять повторному воздействию сил перегрузки. Неоднократные предыдущие воздействия чрезмерных сил перегрузки в высокопроизводительных струях также могли ослабить структуры межпозвоночных дисков, особенно в шейных позвонках, увеличивая восприимчивость этих дисков к повреждениям. Относительный риск повреждения межпозвоночных дисков, вызванного космическим полетом, необходимо определить путем сравнения абсолютных рисков среди астронавтов с риском наземной контрольной группы с аналогичной историей полетов.
Наземные доказательства
[ редактировать ]Изменения объема межпозвоночных дисков были количественно оценены с помощью магнитно-резонансной томографии в ответ на различные сценарии осевой разгрузки. [18] Площади поперечного сечения и константы поперечной протонной релаксации (Т2) МПД являлись показателями, используемыми для мониторинга адаптивных изменений межпозвоночных дисков к ночному постельному режиму (в течение 5 недель и 17 недель) и после 8 суток космического полета. Усредненное увеличение МПД при постельном режиме, по-видимому, достигло равновесия где-то между 9 часами и 4 днями разгрузки, при этом увеличение варьировалось от 10 до 40% от исходных значений перед постельным режимом (среднее значение = 22%). Наблюдалось небольшое увеличение времени релаксации Т2 по сравнению с увеличением площади диска. Восстановление объемов МПД после разгрузки не оценивалось систематически, но в Таблице 1 представлено относительное сравнение времени, прошедшего в 1 G, когда измеренные объемы МПД не отличались от исходных измерений; Относительные периоды восстановления, по-видимому, удлиняются по мере увеличения периода адаптации МПД к разгрузке.
| Период разгрузки | Относительное время до выздоровления |
|---|---|
| 8 дней космического полета | < 24 часов |
| 5 недель постельного режима | дни |
| постельный режим 17 недель | > 6 недель |
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Крыло, ПК; Цанг, ИК; Сусак, Л; Ганьон, Ф; Ганьон, Р; Поттс, Дж. Э. (апрель 1991 г.). «Боль в спине и изменения позвоночника в условиях микрогравитации». Ортопедические клиники Северной Америки . 22 (2): 255–62. дои : 10.1016/S0030-5898(20)31651-5 . ПМИД 1826549 .
- ^ Двир, З; Китинг, Дж. Л. (1 апреля 2003 г.). «Усилия по разгибанию туловища у пациентов с хронической дисфункцией поясницы». Позвоночник . 28 (7): 685–92. дои : 10.1097/01.BRS.0000051917.04731.A4 . ПМИД 12671356 . S2CID 46115716 .
- ^ Хо, CW; Чен, LC; Сюй, ХХ; Чанг, СЛ; Ли, МХ; Цзян, С.Х.; Цай, К.К. (15 сентября 2005 г.). «Изокинетическая мышечная сила туловища и двусторонних коленей у молодых людей с грыжей поясничного отдела позвоночника». Позвоночник . 30 (18): Е528-33. дои : 10.1097/01.brs.0000179307.34310.7d . PMID 16166880 . S2CID 30373006 .
- ^ Монета, Великобритания; Видеман Т; Кайванто К; Эйприл С; Спайви М; Ванхаранта Х; Сакс БЛ; Гайер Р.Д.; Хохшулер С.Х.; Рашбаум Р.Ф. и; и др. (1994). «Сообщается о боли во время поясничной дискографии как функции разрывов колец и дегенерации диска. Повторный анализ 833 дискограмм». Позвоночник . 19 (17): 1968–1974. дои : 10.1097/00007632-199409000-00018 . ПМИД 7997931 . S2CID 24563029 .
- ^ Боос, Н; Рейдер, Р.; Шаде, В; Спратт, К.Ф.; Земмер, Н.; Эби, М (1995). «Премия Volvo 1995 года в области клинических наук. Диагностическая точность восприятия работы магнитно-резонансной томографии и психосоциальные факторы при выявлении симптоматических грыж дисков». Позвоночник . 20 (24): 2613–2625. дои : 10.1097/00007632-199512150-00002 . ПМИД 8747239 . S2CID 29745205 .
- ^ Хикс, Г.С.; Даддлстон, Вашингтон; Рассел, Л.Д.; Холман, HE; Шеперд, Дж. М.; Браун, Калифорния (2002). "Люмбаго". Американский журнал медицинских наук . 324 (4): 207–211. дои : 10.1097/00000441-200210000-00007 . ПМИД 12385493 . S2CID 220571404 .
- ^ Штраус, Б.Н. (2002). «Хроническая боль спинального происхождения: стоимость вмешательства». Позвоночник . 27 (22): 2614–2619. дои : 10.1097/00007632-200211150-00041 . ПМИД 12436003 .
- ^ Коллакотт, Э.А.; Циммерман, Дж. Т.; Уайт, Д.В.; Риндоне, JP (2000). «Биполярные постоянные магниты для лечения хронической боли в пояснице: пилотное исследование». ДЖАМА . 283 (10): 1322–1325. дои : 10.1001/jama.283.10.1322 . ПМИД 10714732 .
- ^ Фарфан, ХФ; Коссетт, JW; Робертсон, Г.Х.; Уэллс, Р.В.; Краус, Х (1970). «Влияние кручения на поясничные межпозвонковые суставы: роль кручения в возникновении дегенерации дисков» . J Bone Joint Surg Am . 52 (3): 468–497. дои : 10.2106/00004623-197052030-00006 . ПМИД 5425641 . Архивировано из оригинала 15 апреля 2014 г. Проверено 12 октября 2012 г.
- ^ Мейсон, Коннектикут; Харпер, JP; Шеннон, С.Г. (1996). «Грыжа студенистого ядра: частота и исходы среди авиаторов армии США». Авиат Спейс Энвайрон Мед . 67 (4): 338–340. ПМИД 8900985 .
- ^ Jump up to: а б Джонстон, СЛ; Кэмпбелл, МЛ; Шеринг, Р. (2009). Увеличение заболеваемости грыжей студенистого ядра среди космонавтов (Отчет).
- ^ Педрини-Милль, А; Мейнард, Дж.А.; Дурнова Г.Н.; Капланский А.С.; Педрини, Вирджиния; Чанг, CB; Федлер-Тростер, Дж (1992). «Влияние микрогравитации на состав межпозвоночного диска». J Appl Physiol . 73 (2 прип): 26С–32С. дои : 10.1152/яп.1992.73.2.S26 . ПМИД 1526953 .
- ^ Мори-Холтон, скорая помощь; Глобус, РК (2002). «Модель грызуна, разгружающего задние конечности: технические аспекты». J Appl Physiol . 92 (4): 1367–1377. doi : 10.1152/japplphysicalol.00969.2001 . ПМИД 11895999 . S2CID 15041219 .
- ^ Хаттон, туалет; Юн, СТ; Элмер, Вашингтон; Ли, Дж; Мураками, Х; Минамид, А.С.; Акамару, Т (2002). «Влияние подвешивания хвоста (или имитации невесомости) на поясничный межпозвоночный диск: исследование протеогликанов и коллагена». Позвоночник . 27 (12): 1286–1290. дои : 10.1097/00007632-200206150-00008 . ПМИД 12065975 . S2CID 24629490 .
- ^ Уитон, Эй Джей; Додж, Греция; Эллиотт, DM ; Николл, SB; Редди, Р. (2005). «Количественная оценка биомеханических и биохимических свойств хряща с помощью T 1rho магнитно-резонансной томографии » . Магнитный резонанс в медицине . 54 (5): 1087–1093. дои : 10.1002/мрм.20678 . ПМИД 16200568 .
- ^ Вогнум, С; Хьюг, Дж. М.; Баайенс, Ф.П. (2006). «Влияние изменений осмотического давления на открытие существующих трещин в двух моделях межпозвоночных дисков» . Позвоночник . 31 (16): 1783–1788. дои : 10.1097/01.brs.0000227267.42924.bb . ПМИД 16845351 . S2CID 36871706 .
- ^ Чунг, Дж. Т.; Чжан, М; Чоу, Д.Х. (2003). «Биомеханические реакции межпозвоночных суставов на статическую и вибрационную нагрузку: исследование методом конечных элементов». Клин Биохим . 18 (9): 790–799. дои : 10.1016/s0268-0033(03)00142-6 . ПМИД 14527805 .
- ^ ЛеБлан, AD; Эванс, HJ; Шнайдер, В.С.; Вендт, RE; Хедрик, Т.Д. (1994). «Изменения площади поперечного сечения межпозвоночных дисков при постельном режиме и космическом полете». Позвоночник . 19 (7): 812–817. дои : 10.1097/00007632-199404000-00015 . ПМИД 8202800 . S2CID 19464358 .
В этой статье использованы общедоступные материалы из Риски для здоровья человека и производительности миссий по исследованию космоса (PDF) . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . (НАСА SP-2009-3405).