The hand-arm vibration syndrome : epidemiological and clinical studies of vascular and neurosensitive functions in cohorts of workers exposed to segmental vibration

Premesse: un’elevata esposizione a vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio (hand-transmitted vibration, HTV) è correlata con l’insorgenza di disturbi neurologici, vascolari periferici e osteoarticolari a carico degli arti superiori. Il termine “sindrome da vibrazione mano-braccio” (hand-arm vibration syndrome, HAVS) viene comunemente utilizzato per designare unitariamente il complesso di tali lesioni. La componente vascolare di tale sindrome è rappresentata da una forma secondaria di fenomeno di Raynaud, con attacchi vasospastici in relazione all’esposizione al freddo. La componente neurologica è caratterizzata da una neuropatia prevalentemente sensitiva, con conseguente ridotta sensibilità a livello delle dita,formicolii e/o torpore, alterata percezione cutanea, ridotta destrezza manuale e riduzione della forza di prensione. I lavoratori esposti ad HTV possono essere affetti da disturbi neurologici e/o vascolari separatamente o simultaneamente. Sono varie le indagini di laboratorio utilizzate nella diagnostica delle diverse componenti della sindrome da vibrazioni mano-braccio. I test con sufficiente validazione clinica sono rappresentati dalla misura delle soglie di percezione termotattile (thermal perception thresholds, TPT) e dalla misura delle soglie di percezione vibrotattile (vibrotactile perception thresholds, VPT) per la valutazione della componente neurosensitiva della HAVS, nonchè dalla misura delle pressioni sistoliche digitali dopo cold-test per la diagnosi del fenomeno di Raynaud secondario (vibration-induced white finger, VWF). Lo standard internazionale ISO 5349:2001 (International Organization for Standardization, ISO) suggerisce una metodologia per la misura e la valutazione della esposizione a vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio. La norma è ampiamente usata nella valutazione del rischio per le diverse patologie indicate con il termine unitario di sindrome da vibrazioni mano-braccio (HAVS). Lo standard internazionale ISO 5349-1 assume che gli effetti nocivi a carico degli arti superiori siano dipendenti dalla frequenza delle vibrazioni. La norma prevede l’impiego di un filtro di ponderazione in frequenza delle vibrazioni, chiamato Wh e derivato dalla curva di risposta a stimoli neurosensoriali durante studi sperimentali su soggetti giovani e sani. Attualmente, lo standard assume che il filtro di ponderazione sia valido per tutti effetti biologici avversi causati dalle vibrazioni HTV. Lo standard ISO prevede inoltre l’impiego del filtro di ponderazione per tutti e tre gli assi ortogonali (assi x, y, z), definiti da un sistema di coordinate riferito alla mano del soggetto. Per la valutazione del potenziale lesivo delle vibrazioni, lo standard ISO suggerisce il calcolo del valore totale delle vibrazioni (ahv), ovvero della radice quadrata della somma dei quadrati delle accelerazioni r.m.s. (root-mean-square) misurate lungo ciascuno dei tre assi. Poiché vari studi epidemiologici e biodinamici hanno rilevato che il filtro di ponderazione ISO non sembra essere ottimale per la valutazione del rischio da vibrazioni mano-braccio, alcuni Autori hanno proposto curve alternative di ponderazione in frequenza delle vibrazioni che sembrano meglio adattarsi al potenziale lesivo delle vibrazioni. Gli studi clinici e epidemiologici svolti nell’ambito del presente programma di ricerca avevano i seguenti obiettivi: Obiettivi: Studio 1) l'obiettivo dello studio 1 è stato quello di indagare il valore predittivo per l’incidenza del fenomeno di Raynaud secondario (VWF) di quattro diverse curve di ponderazione in frequenza delle vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio; Studi 2 e 3) lo scopo degli studi 2 e 3 a carattere longitudinale è stato quello di indagare le variazioni nel tempo della funzione neurosensitiva e vascolare periferica all’interno di un gruppo di lavoratori impiegati nell’industria dei motori navali ed esposti ad HTV generate da strumenti vibranti. Un ulteriore obiettivo è stato quello di esplorare in modo prospettico la possibile relazione tra disfunzioni vascolari ed alterata percezione termo- e vibrotattile e le misure di esposizione giornaliera alle vibrazioni; Studio 4) l'obiettivo dello studio 4 è stato quello di quantificare le variazioni nella funzione neurosensitiva periferica in una coorte di studenti in igiene dentale esposti a vibrazioni mano-braccio ad elevata frequenza generate da strumenti odontoiatrici (pre- vs post-esposizione e nel corso del follow-up di 1 anno). Soggetti e metodi: Studio 1) in uno studio longitudinale su una coorte di forestali e cavatori (N = 206) esposti ad HTV, è stata indagata la relazione tra l’incidenza di VWF e misure di esposizione alle vibrazioni espresse in termini di accelerazione equivalente ponderata in frequenza riferita ad 8 ore di lavoro [A(8)] e anni di follow-up. Per calcolare A(8), sono state impiegate 4 diverse curve di ponderazione in frequenza delle vibrazioni: (a) Wh è il filtro di ponderazione in frequenza definito dalla norma ISO 5349-1; (b) Wh-bl è il filtro di ponderazione lineare di Wh; (c) Whf è il filtro di ponderazione in frequenza basato sugli studi di biodinamica sull’energia assorbita delle vibrazioni da parte delle dita delle mani e (d) WhT è una ponderazione in frequenza basata su uno studio giapponese di prevalenza di VWF. Le relazioni tra VWF e le misure alternative di esposizione alle vibrazioni sono state valutate mediante l’utilizzo delle equazioni generalizzate di stima (GEE). Studi 2 e 3) due diverse coorti di soggetti (29 lavoratori esposti a vibrazioni vs 27 controlli per lo studio della funzione sensoriale periferica, e 68 lavoratori esposti a vibrazioni vs 133 controlli per lo studio della funzione vascolare periferica) sono stati sottoposti ad anamnesi mediante questionario, esame obiettivo e indagini di laboratorio al fine di indagare la funzione vascolare e neurosensitiva periferica. Le indagini cliniche e di laboratorio sono state effettuate sia allo studio trasversale che durante un periodo di follow-up compreso tra i 2 e gli 8 anni. Per la funzione vascolare, i risultati sono stati espressi in termini di variazioni percentuali delle pressioni sistoliche digitali (PSD) a 10°C in un dito test (PSD10°,t in mmHg) rispetto a PSD a 30°C nel medesimo dito (PSD30°,t in mmHg), corrette per le variazioni di PSD a 30°C e 10°C in un dito di controllo (PSD30°,c e PSD10°,c in mmHg, rispettivamente). Le PSD dopo cold test sono state misurate mediante metodo pletismografico strain-gauge utilizzando un HVLab multi-channel plethysmograph (HFRU, ISVR, University of Southampton, UK), secondo la procedura raccomandata dallo standard internazionale ISO 14835-2 (2005). Per la funzione neurosensitiva, le soglie termotattili per il caldo e per il freddo (TPT in °C) e le soglie di percezione vibrotattile (VPT in dB) a 31.5 e 125 Hz sono state misurate a livello delle falangi distali del II dito (per il nervo mediano) e del V dito (per il nervo ulnare) di entrambe le mani, sia nel gruppo degli esposti ad HTV che nel gruppo di controllo. Le soglie TPT e VPT sono state misurate utilizzando l’HVLab Thermal Aesthesiometer e l’HVLab Vibrotactile Perception Meter, rispettivamente, entrambi prodotti presso l’HFRU, ISVR, University of Southampton, UK. L’esposizione è stata stimata in termini di valore totale dell’accelerazione equivalente (av in ms-2 r.m.s.), tempo d’uso giornaliero degli utensili (T in ore), e accelerazione ponderata in frequenza normalizzata ad un periodo di lavoro di 8 ore (A(8) in ms-2 r.m.s.). La relazione tra le variazioni delle funzioni neurosensitiva e vascolare nel corso del follow-up e l’esposizione a vibrazioni mano-braccio è stata valutata con il metodo delle equazioni generalizzate di stima (GEE), modello che consente di "estrarre" la parte longitudinale della relazione dose-risposta. Studio 4) in 52 controlli e 30 studenti in igiene dentale, le soglie termotattili per il caldo e per il freddo (TPT in °C) e le soglie di percezione vibrotattile (VPT in ms-2 r.m.s.) a 31.5 Hz e 125 Hz sono state misurate a livello della parte volare delle falangi distali del II dito (nervo mediano) e del V dito (nervo ulnare) di entrambe le mani. Nel gruppo degli igienisti dentali, la funzione neurosensitiva è stata indagata sia pre-esposizione che post-esposizione nel corso di un primo studio trasversale e di un’indagine di follow-up a un anno di distanza. L’esposizione giornaliera è stata stimata in termini di accelerazione ponderata in frequenza normalizzata ad un periodo di lavoro di 8 ore [A(8) in ms-2 r.m.s.]. Le variazioni delle soglie termotattili e vibrotattili pre- vs post-esposizione sono state analizzate mediante il test t di Student per dati appaiati. Risultati: Studio 1) l'analisi dei dati ha suggerito che il calcolo di A(8) mediante la curva di ponderazione in frequenza Wh-bl, era associato ad una migliore predizione dell’occorrenza (incidenza cumulativa) di VWF rispetto alle altre misure alternative di esposizione giornaliera alle vibrazioni. La misura di A(8) con la curva di ponderazione in frequenza delle vibrazioni attualmente raccomandata dallo standard ISO (Wh) tendeva a sottostimare l’incidenza di VWF rispetto alle altre curve di ponderazione in frequenza. Studi 2 e 3) nello studio sulla funzione neurosensitiva periferica, i lavoratori esposti ad HTV hanno mostrato valori di soglia significativamente maggiori per TPT per il caldo e inferiori per il freddo rispetto ai controlli, mentre nessuna differenza nei valori di soglia VPT per entrambe le frequenze sono state osservate tra i due gruppi. Dopo aggiustamento per vari fattori confondenti, l'analisi dei dati effettuato con il metodo delle equazioni generalizzate di stima (modello transizionale) ha evidenziato una significativa associazione tra alterazioni della funzione termotattile e misure di esposizione a vibrazioni mano-braccio [Ah(eq,T), T, A(8)]. Nessuna associazione significativa è stata riscontrata tra variazioni delle soglie vibrotattili ed esposizione a HTV. Nello studio trasversale e longitudinale della funzione vascolare, il cold test ha rilevato una maggiore vasocostrizione digitale negli esposti a HTV rispetto ai controlli. Dopo correzione per i possibili fattori confondenti, l'analisi GEE dei dati di follow-up ha evidenziato una significativa associazione tra deterioramento della funzione vascolare dopo cold test ed esposizione giornaliera a vibrazioni mano-braccio espressa in termini di A(8). Non sono state osservate relazioni significative tra PSD a 10 °C e le caratteristiche individuali quali l'età, indice di massa corporea e consumo di alcool e tabacco in entrambi i controlli o gli operai esposti ad HTV; Studio 4) nel corso dello studio trasversale, non sono state evidenziate differenze statisticamente significative per le soglie vibrotattili a 31.5 Hz e 125 Hz e per le soglie termotattili per il caldo e per il freddo tra il gruppo degli igienisti dentali e quello di controllo, in corrispondenza sia del II dito (nervo mediano) che del V dito (nervo ulnare). Nel gruppo degli igienisti dentali, non sono state rilevate differenze significative tra pre- e post-esposizione sia per le soglie di percezione vibrotattile sia per le soglie di percezione termotattili sia allo studio trasversale sia allo studio di follow-up a distanza di un anno. Conclusioni: Studio 1) il presente studio prospettico di coorte suggerisce che le misure di esposizione giornaliera alle vibrazioni che danno maggior “peso” alle vibrazioni a media e alta frequenza sono migliori predittori della probabilità di insorgenza di VWF in coorti di esposti ad HTV. Studi 2 e 3) gli studi di follow-up sui lavoratori dei cantieri navali hanno confermato come l'esposizione a vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio determini il deterioramento della funzione vascolare periferica nel tempo. Questi risultati sono coerenti con quelli di precedenti indagini sperimentali e studi epidemiologici sia con disegno trasversale che longitudinale. Il deterioramento nella funzione neurosensitiva periferica nel tempo era limitato alle soglie di percezione termotattile a livello di II e V dito, mentre non sono state osservate differenze significative per le soglie di percezione vibratactile tra esposti e controlli. Questi risultati suggeriscono che l’esposizione a HTV determina in fase iniziale un danno a livello delle fibre di piccolo calibro, responsabili della percezione termica piuttosto che nelle fibre di grosso diametro, responsabili della percezione vibrotattile. Inoltre, i risultati di questo studio longitudinale suggeriscono una relazione significativa tra le diverse misure di esposizione a vibrazioni trasmesse al sistema mano-braccio e danno sensoriale nel corso del tempo. Tali dati confermano come la misura delle TPT può essere un utile metodo di indagine per rivelare ad uno stadio iniziale il danno neurosensitivo periferico indotto dall’esposizione a HTV; Studio 4) i risultati di questo studio sembrano non essere in accordo con altre indagini di tipo trasversale e longitudinale che hanno rilevato una significativa associazione tra danno della funzione vibro e termotattile ed esposizione alle vibrazioni mano-braccio ad alta frequenza negli operatori sanitari dentali. Il nostro studio non ha evidenziato un deterioramento rilevante nelle soglie TPT e VPT misurate sia in acuto (pre- vs post-esposizione), sia alla fine di un breve follow-up. Tale riscontro potrebbe essere dovuto in parte alla giovane età dei soggetti esposti, ma soprattutto al basso livello di esposizione alle vibrazioni misurate (tra 0.2 e 0.6 m/s2 r.m.s.), che erano ben al di sotto dei limiti stabiliti imposti dalla normativa vigente (2,5 - 5,0 m/s2 r.m.s.). Background: excessive exposure to hand-transmitted vibration can induce disorders in the vascular, neurological and musculoskeletal systems of the upper limbs. The term "hand-arm vibration syndrome" (HAVS) is commonly used to refer to the complex of these disorders. Prolonged usage of vibrating tools can lead to damage to the peripheral arteries causing vasospastic attacks on exposure to cold (Raynaud’s phenomenon, RD). The digital nerves and sensory end organs may also be damaged by exposure to vibration, giving rise to reduced sensation in the fingers (sensorineural component of Hand–Arm Vibration Syndrome). Symptoms and signs of neurological dysfunction include tingling and numbness, damaged cutaneous perception, impaired manipulative dexterity and reduced grip strenght in the hands. Workers exposed to hand transmitted vibration may be affected with neurological and/or vascular disorders separately or simultaneously. Various vascular and neurological tests are used for the diagnosis of the components of the hand-arm vibration syndrome. A test battery has been proposed by the Stockholm Workshop 94, including the measurement of thermal perception thresholds (TPT) and the measurement of vibrotactile perception thresholds (VPT) for sensorineural components of HAVS, and the measurement of finger systolic blood pressure (FSBP) after local cooling for diagnosing and quantifying vibration white finger (VWF). The International Standard ISO 5349:2001 (International Organization for Standardization, ISO) suggests a methodology for the measurement and evaluation of human exposures to hand-transmitted vibration. This Standard is widely used in the assessment of risk of several different disorders of HAVS. The international standard ISO 5349-1 assumes that the adverse health effects of hand-transmitted vibration are frequency dependent. It is recommended to weight vibration magnitude (acceleration) according to a frequency-weighting curve (called Wh) which is derived from an experimental study of equal sensation contours produced by hand-transmitted vibration. It is not known whether this frequency weighting may be optimal for the evaluation and the assessment of all disorders caused by hand-transmitted vibration It is assumed that vibration in each of the three orthogonal directions (x-, y-, z-axes) is equally detrimental, and that the same frequency weighting may be used for each axis. The injury potential of hand-transmitted vibration is therefore estimated from the vibration total value, ahv, formed from the three frequency-weighted acceleration components at a surface in contact with the hand as defined in ISO 5349. Since at present it is not clear if such a frequency weighting can be deemed suitable for each type of disturbance, some Authors have proposed, in addition to the ISO frequency weighting, a set of new candidate frequency weightings for the evaluation of vibration exposures at the the workplace. The epidemiological and clinical studies of this research program were implemented with the following aims: Objectives: i) the aim of study 1 was to investigate the performance of four frequency weightings for hand-transmitted vibration to predict the incidence of vibration-induced white finger (VWF); ii) the purpose of longitudinal studies 2 and 3 was to investigate the changes over time of the sensory and vascular functions in the fingers of a group of workers employed in the industry of naval engines and exposed to HTV generated by hand-held tools. A further aim was to explore prospectively the possible relation between vascular, thermal and vibrotactile perception dysfunctions and measures of daily vibration exposure; iii) the aim of study 4 was to investigate over time the changes in thermotactile and vibrotactile sensitivity in a cohort of dental hygiene students exposed to high-frequency vibration from dental tools. Subjects and methods: Study 1) in a longitudinal study of vibration-exposed forestry and stone workers (N=206), the incidence of VWF was related to measures of vibration exposure expressed in terms of 8-hour frequency-weighted energy-equivalent root-mean-square (rms) acceleration magnitude [A(8)] and years of follow-up. To calculate A(8), the r.m.s. acceleration magnitudes of vibration were weighted by means of four frequency weightings: (a) Wh (the frequency weighting specified in ISO 5349-1:2001); (b) Wh-bl (the band-limiting component of Wh); (c) Whf (a frequency weighting based on finger vibration power absorption); and (d) WhT (a frequency weighting based on a Japanese study of VWF prevalence). The relations of VWF to alternative measures of vibration exposure were assessed by the generalized estimating equations (GEE) method to account for the within-subject dependency of the observations over time. Studies 2 and 3) two different cohorts of subjects (N=29 vibration-exposed shipyard workers vs N=27 controls for the study of peripheral sensory function, N=68 vibration-exposed shipyard worker vs N=133 controls for the study of peripheral vascular function) was investigated by means of a medical interview, physical examination and laboratory methods for assessing peripheral vascular and sensory functions. Clinical and laboratory investigations was carried out at the initial survey and over follow-up period of 2 to 8 years. Finger systolic blood pressure (FSBP) at 10°C in a test finger as a percentage of FSBP at 30°C and 10° in a control finger (FSBP%10°C) were measured by means of an HVLab multichannel strain-gauge plethysmograph according to the procedure reccomanded by the international standard ISO 14835-2 (2005). Thermal perception thresholds for warmth and cold (TPT in °C,) and vibrotactile perception thresholds (VPT in dB) at 31.5 and 125 Hz were measured at the fingertips of digit II (for the median nerve) and digit V (for the ulnar nerve) of both hands in naval engine workers exposed to HTV. An HVLab thermal aesthesiometer and an HVLab tactile vibrometer, both manufactured at the University of Southampton’s Institute of Sound and Vibration Research, were used to measure warm and cold thresholds and vibrotactile thresholds, respectively. VPTs were measured at the fingertips of digits II and V of both hands using the up and down method of limits according to the recommendations of international standard ISO 13091-1 (2001). Vibration exposure was expressed in terms of equivalent frequency-weighted acceleration [Ah(eq,T) in ms-2 r.m.s.], duration of exposure (T in hours), and frequency-weighted acceleration normalized to a period of 8 h [A(8) in ms-2 rms]. The relations of TPT/VPT or FSBP to measures of daily vibration exposure were assessed by the generalized estimating equations (GEE), to “capture” the longitudinal part of the relationship. Study 4) in 52 controls and 30 dental hygiene students, thermal perception thresholds for warmth and cold (TPT in °C) and vibrotactile perception thresholds (VPT in ms-2 r.m.s) at 31.5 Hz and 125 Hz were measured at the fingertips of the 2nd digit and 5th digit of both hands. In the group of dental hygienists, the neurosensitive function was investigated both pre-exposure and post-exposure during a first study cross and an investigation of follow-up one year later. Vibration exposure was expressed in terms of frequency-weighted acceleration normalized to a period of 8-h [A(8) in ms-2 r.m.s.]. Changes in vibrotactile and thermal perception thresholds and pre- vs post-exposure were analyzed using the Student test for paired data. Results: Study 1) data analysis with a GEE logistic model and a measure of statistical fit suggested that estimation of A(8) by weighting the tool r.m.s. accelerations with Wh-bl gave better predictions of the cumulative incidence of VWF than the other alternative measures of daily vibration exposure. Values of A(8) derived from the currently recom¬mended ISO frequency weighting Wh produced poorer predictions of the incidence of VWF than those obtained with frequency weightings Whf or WhT. Studies 2 and 3) in the study of peripheral sensory function, at baseline, the HTV workers showed significantly higher TPT for warmth and lower TPT for cold than the controls, while no differences in the VPTs at both frequencies were observed between the two groups. After adjustment for several confounders, data analysis with the generalised estimating equations method and a transition model showed that the changes over time in the TPTs of the HTV workers were significantly related to all measures of daily vibration exposure [Ah(eq,T), T, A(8)]. No significant associations were observed for VPTs at either 31.5 or 125 Hz. In the study of vascular function, the prevalence of vibration-induced white finger (VWF) at baseline was 10.3% in the HTV workers, and the cumulative incidence of VWF was 8.2% over the follow-up period. At baseline, the HTV workers showed a significantly stronger cold-induced vasoconstriction ofthe digital arteries than the controls. After adjustment for confounders, data analysis with the generalized estimating equations (GEE) method showed that the changes over tintein FSBP at 10°C were significantly associated with both a positive history of VWF and a measure of daily vibration exposure expressed in terms of frequency weighted acceleration normalised toa period of 8-h, A(8) in ms-2 r.m.s. No significant relations were observed between FSBP at 10°C and individual characteristics such as age, body mass index,and alcohol and tabacco consumption in either the controls or the HTV workers. Study 4) at baseline, there were no significant differences in either TPT or VPT between the two groups. No significant changes in tactile sensitivity were observed in the dental hygienists over 1-year follow-up period. Conclusions: Study 1) this prospective cohort study suggests that measures of daily vibration exposure which give relatively more weight to intermediate and high frequency vibration are more appropriate for assessing the probability of VWF. Studies 2 and 3) the follow-up studies of shipyard workers showed that exposure to hand-transmitted vibration can deteriorate finger circulation over time. This findings is consistent with those of previous experimental investigations and epidemiological studies with either cross-sectional or longitudinal design. Peripheral sensory dysfunction over time in the digits innervated (index finger) and the ulnar nerve (little finger) was limited to deterioration of thermal thresholds, while no significant differences were observed for vibratactile perception thresholds. These findigs suggest that in the vibration exposed workers of this study sensory nerve damage was at an early stage and occurred primarily in the small-calibre nerve fibres of the fingers which conduct thermal sensation, rather than in the large-diameter fibres which are sensitive to tactile, pressure and vibration stimuli. Also, the findings of this longitudinal study suggest a significant exposure–response relationship between thermal sensory impairment over time and measures of vibration exposure. The measurement of TPT may be a useful testing method to assess vibration-induced neuropathy at an early stage. The findings of this longitudìnal study suggest that the mesurement of FSBP during local cooling is a useful testing method to assess the deterioration of peripheral vascular function over time in HTV workers. Study 4) in this study, short term exposure to high-frequency vibration from dental tools did not affect tactile sensitivity in a cohort of young dental hygienists. The results of this study do not appear to be in agreement with other surveys which found a significant association between damage of vibro- and thermotactile functions and exposure to high-frequency vibration in young dental hygienists. Our study did not detect a significant changes of termotactile perception thresholds and vibrotactile perception thresholds measured both in acute conditions (pre- vs post-exposure) both at the end of a short follow-up. This findings can be attributed to several factors, such as the young age of dental hygienists, the short duration of their exposure (one year), the intermittent nature of daily exposure, and the low level of daily exposure to vibration (0.1 to 0.3 ms-2 rms, i.e. below the exposure limits established by current national and international standards (2.5 - 5.0 ms-2 r.m.s.)).