Uszkodzenie krążka międzykręgowego i lot kosmiczny - Intervertebral disc damage and spaceflight
Astronauci stwierdzili zwiększoną częstość występowania bólu pleców podczas lotów kosmicznych, a po powrocie uczestników lotów kosmicznych Skylab i Shuttle zdiagnozowano przepukliny krążków międzykręgowych (IVD) .
Te stany i objawy mogą wynikać z wcześniejszych urazów pleców, ale dowody na urazy IVD budzą obawy, że astronauci są narażeni na zwiększone ryzyko uszkodzenia krążka międzykręgowego podczas scenariuszy obciążenia podczas misji eksploracyjnych (ponowne wejście w pole grawitacyjne i działania na planetach powierzchnie). Do tej pory dane z lotu związane z potencjalnymi urazami kręgosłupa skupiały się na wydłużeniu kręgosłupa i dobrze poznanych skutkach mechanicznego odciążenia krążków międzykręgowych.
Przyczyny i aktualne badania
Sześćdziesiąt osiem procent wczesnych astronautów, którzy latali w kosmosie do 1991 roku, zgłaszało uogólniony ból pleców. Ból jest uważany za najbardziej bolesny podczas wczesnego lotu i zmniejsza się wraz z postępem lotu.
Możliwe przyczyny bólu pleców w locie mogą być związane z:
- wydłużenie kręgosłupa pod wpływem obniżonych sił grawitacyjnych
- Osłabienie mięśni tułowia i pleców, w tym zanik mięśni pleców wywołany przez przestrzeń
- zwiększone obciążenie torebek stawu proksymalnego
- złamane unerwione płytki końcowe kręgów
- zwyrodnienie dysku
- przepuklina pierścienia włóknistego
Niezależnie od przyczyny astronauci mogą być narażeni na zwiększone ryzyko urazu lub uszkodzenia krążka międzykręgowego, gdy spuchnięte krążki zostaną poddane nadmiernym siłom lub momentom obrotowym podczas pracy na powierzchniach planetarnych. Misje eksploracyjne na powierzchniach planet mogą również powodować problemy z zamieszkiwaniem, które mogą wywoływać nadmierne naprężenia skrętne, ustalony czynnik ryzyka przepukliny pierścienia włóknistego .
Obecnie istnieje niewiele danych z lotu i po locie, które charakteryzowałyby zmiany w krążkach międzykręgowych u członków załogi, aby ocenić, w jaki sposób te zmiany predysponują krążki do obrażeń podczas ponownego ładowania. Wiadomo, że przepuklina jądra miażdżystego występuje u lotników wystawionych na działanie środowisk o dużym przeciążeniu i występuje u astronautów po zakończeniu misji.
Względny wskaźnik ryzyka uszkodzenia krążka międzykręgowego został zbadany dopiero niedawno, ale obecnie nie ma dowodów, które łączyłyby pochodzenie uszkodzenia krążka międzykręgowego ze zmianami w krążku w wyniku lotu kosmicznego.
W oparciu o analizę tkanki krążka międzykręgowego nieważonych zwierząt, zmiany biochemiczne w jądrze miażdżystym podczas lotu kosmicznego wpłyną na zdolność ciśnienia osmotycznego i elastyczność jądra miażdżystego do opierania się obciążeniom ściskającym . Zmiany biochemiczne w krążkach międzykręgowych członków załogi po locie nie zostały zidentyfikowane, ale prowadzone są badania in vitro z wykorzystaniem eksplantów chrząstki bydlęcej w celu wykorzystania technologii rezonansu magnetycznego do skorelowania zmian w zawartości proteoglikanów krążków międzykręgowych z relaksacją protonów T 1 rho . Ten biomarker umożliwi nieinwazyjne monitorowanie zawartości proteoglikanów jako metody oceny biochemicznego wpływu nieważkości.
Informacje o symulacji komputerowej
Badania nad zastosowaniem modelowania elementów skończonych (FEM) do IVD przy niższym ciśnieniu osmotycznym środowiska kosmicznego pokazują, że pojawienie się pęknięcia w IVD przy niższym ciśnieniu osmotycznym zwiększy ryzyko urazu IVD. MES wykorzystano również do wykazania, że samo obciążenie statyczne nie będzie sprzyjać wyciskaniu płynu z naczyń in vitro spuchniętych podczas leżenia w łóżku lub nieważkości. Wydalanie płynu będzie wzrastać wraz ze wzrostem częstotliwości ładowania.
Należy kontynuować przyszłe prace w zakresie tej zdolności symulacyjnej.
Ryzyko w kontekście operacyjnych scenariuszy poszukiwawczych
Otwartą kwestią pozostaje zdefiniowanie przyczyny bólu pleców i urazu IVD spowodowanego lotem w kosmos. Rozważane założenia i domniemania obejmują:
- brak obciążeń osiowych i sił wynikających z zaniku mięśni pleców predysponuje członków załogi do urazów in vitro
- ryzyko szkodliwych zmian na plecach i strukturze IVD i biochemii wzrośnie wraz ze wzrostem okresów nieobciążonych w stanie nieważkości
- ryzyko urazów pleców i uszkodzeń IVD będzie większe przy większych siłach przeciążenia doświadczanych podczas ponownego wejścia, lądowania i czynności na powierzchni
Dowód lotu kosmicznego
Podczas 84-dniowej misji Skylab 4 wydłużenie kręgosłupa jednego astronauty zostało zmierzone i zarejestrowane do 1/16 cala (Thornton, 1987). W badaniu tym opisano bezobjawowy wzrost wysokości podczas lotu, który ustabilizował się po 29 dniach. Całkowity wzrost wysokości wynosił 1,5 cala (3,8 cm), mierzony pod koniec misji. Przypuszcza się, że to wydłużenie jest spowodowane rozszerzaniem się krążków międzykręgowych podczas nieważkości (odciążenie osiowe). Astronauta zgłosił również ból pleców w dniu lądowania, który był związany z przepukliną krążka międzykręgowego.
Przegląd wykresu astronautów
Retrospektywny przegląd wykresu w celu oceny częstości występowania uszkodzenia krążka międzykręgowego po tym, jak kilku astronautów rozwinęło przepuklinę jądra miażdżystego szyjnego lub lędźwiowego w okresie bezpośrednio po locie. W badaniu tym porównano w szczególności częstość występowania uszkodzeń krążka międzykręgowego u astronautów z dopasowaną wiekowo populacją kontrolną osób, które nigdy nie latały w kosmosie. Przegląd ten powinien również wyjaśnić, czy istnieje zwiększone ryzyko uszkodzenia krążka międzykręgowego z powodu:
- narażenie na środowiska o wysokiej i niskiej grawitacji
- wydłużone okresy w nieprawidłowej postawie
- zmiany w strukturze krążka międzykręgowego spowodowane ekspansją przy braku obciążenia osiowego
Nie jest jasne, czy zmiany spowodowane lotem kosmicznym zwiększają ryzyko uszkodzenia krążka międzykręgowego, ponieważ istnieją dowody na to, że wielu rannych astronautów było wcześniej wielokrotnie narażonych na nadmierne siły przeciążenia jako wyczynowi piloci odrzutowców (6-20 przeciążeń) lub na wibracje. jako piloci helikopterów.
Patofizjologia urazu krążka międzykręgowego po locie kosmicznym nie została jednoznacznie zidentyfikowana. Udokumentowane rozszerzenie objętości krążka międzykręgowego po locie kosmicznym, wraz z uszkodzeniami krążka międzykręgowego po ponownym obciążeniu ziemskiej grawitacji, sugeruje, że adaptacyjne zmiany krążka międzykręgowego w stanie nieważkości zaburzają równowagę między ciśnieniem osmotycznym jądra miażdżystego a oporową strukturą kolagenową pierścieni. zwłóknienia , zmniejszając w ten sposób zdolność struktury krążka międzykręgowego do wytrzymania ponownej ekspozycji na siły G. Wielokrotne, wcześniejsze ekspozycje na nadmierne siły G w wysokowydajnych dyszach mogły również osłabić struktury krążków międzykręgowych, szczególnie w kręgach szyjnych, zwiększając podatność tych krążków na uszkodzenia. Względne ryzyko urazu krążka międzykręgowego wywołanego lotem kosmicznym należy określić, porównując bezwzględne ryzyko populacji astronautów z grupą kontroli lądowej o podobnej historii lotów.
Dowody naziemne
Zmiany objętości krążka międzykręgowego zostały określone ilościowo za pomocą rezonansu magnetycznego w odpowiedzi na różne scenariusze odciążenia osiowego. Powierzchnie przekroju poprzecznego i poprzeczne stałe relaksacji protonów (T2) IVD były wskaźnikami stosowanymi do monitorowania adaptacyjnych zmian krążków międzykręgowych do nocnego leżenia w łóżku (w ciągu 5 tygodni i 17 tygodni) oraz po 8 dniach lotu kosmicznego. Uśredniona ekspansja IVD z odpoczynkiem w łóżku wydawała się osiągać równowagę w dowolnym miejscu między 9 godzinami a 4 dniami rozładunku, z ekspansją w zakresie od 10 do 40% wartości wyjściowych przed snem (średnia = 22%). Wystąpiły łagodne wzrosty czasów relaksacji T2 w stosunku do wzrostu powierzchni krążka. Przywrócenie objętości IVD po wyładowaniu nie było oceniane systematycznie, ale Tabela 1 przedstawia względne porównanie czasu, jaki upłynął w 1 G, w którym to czasie zmierzone objętości IVD nie różniły się od pomiarów podstawowych; względne okresy rekonwalescencji wydają się wydłużać wraz ze wzrostem okresu adaptacji IVD do rozładunku.
| Okres rozładunku | Względny czas przed regeneracją |
|---|---|
| 8 dni lotu kosmicznego | <24 godziny |
| 5 tygodni odpoczynek | dni |
| 17 tygodni odpoczynek | > 6 tygodni |
Zobacz też
Bibliografia
Ten artykuł zawiera materiał z domeny publicznej z dokumentu National Aeronautics and Space Administration : „Human Health and Performance Risks of Space Exploration Missions” (PDF) . (NASA SP-2009-3405)