Vibration-induced muscle injury in the hand - experimental and clinical studies

Abstract

Exposure to vibration is known to cause vasospastic white fingers and/or sensorineural symtoms such as numbness and tingling in fingers and/or musculoskeletal disorders such as reduction in muscle force, fatigue and reduced endurance. Classifications for the vasospastic and sensorineural symptoms are established.



The general purpose of this thesis was to test the hypothesis that vibration exposure causes muscle injury.



In an experimental model, muscle biopsies from hind paws of rats demonstrated that short-term vibration exposure caused damage to the muscles directly exposed to vibration stimuli. Degenerative changes were observed after two and regenerative activity after five days of exposure. Morphological changes, indicated by increased percentage of fibres with internal myonuclei and increased muscle fibre cross-sectional area, were differentiated between muscle fibre types and also related to the physical characteristics of the vibration. The level of tissue displacement was demonstrated to be a crucial factor for the severity of muscle damage.



Biopsies from a human hand muscle, the abductor pollicis brevis (APB) muscle, in 20 patients suffering from hand-arm vibration syndrome (HAVS), and thus subjected to long-term vibration exposure from hand-held vibrating tools, demonstrated several morphological changes reflecting damage to both muscle fibres and motor nerves. These findings can well explain the commonly observed loss of hand strength despite well-preserved muscle volume in these patients. In two populations, in total 102 vibration-exposed workers with and without the classified symptoms of HAVS, measurements of muscle strength in grip (mainly extrinsics) and in various hand muscles (intrinsics) revealed greater loss in intrinsic hand muscles than in extrinsic muscles. However, this greater loss of intrinsic muscle strength was not demonstrated to be determinant for subjective hand weakness but might be of importance for the impaired dexterity often noted. The greatest strength reduction was demonstrated for radial abduction of the index finger. Therefore, the first dorsal interosseus (IOD I) muscle is suggested as an important and reliable indicator of intrinsic muscle dysfunction and recommended to be tested in long-term vibration exposed individuals. A linear dose-response relationship between duration of exposure and morphological abnormalities as well as impairment of muscle function could not be demonstrated.



The results from these studies clearly indicate the incompleteness of the present classifications for vibration-induced symptoms and emphasise the need to also include symptoms of muscular origin.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Störningar i händernas finmotorik, kraft och känsel är vanliga symtom efter långvarigt bruk av handhållna vibrerande verktyg. I gynnsamma och lindriga fall kan dessa besvär gå tillbaka efter upphörande av expositionen för vibrationer. I mer avancerade fall tilltar besvären och ett hand-arm vibration syndrom (HAVS) utvecklas. Detta tillstånd utgör ett av de allvarligare yrkessjukdomarna i industrialiserade länder. Enbart i Sverige arbetar över 400 000 personer med någon form av vibrerande verktyg under mer än 1/4 av sin arbetstid.



Vita fingrar och känselstörningar i fingrarna är de vanligast förekommande besvären associerade med vibrationsexposition. Många noterar också en tilltagande kraftnedsättning i händerna trots en välbevarad muskelvolym i underarmar och händer. Kraftnedsättningen kommer i regel smygande och uppfattas av de drabbade först när den är uppemot 25 %.



Kartläggning av de vasospastiska (vita fingrar) och de sensorineurala (känselnedsättning) besvären och dess bakomliggande orsaker är omfattande medan den muskulära komponenten är föga utredd.



I denna avhandling prövas hypotesen att vibrationsexposition kan orsaka skada på handens muskler.



Histokemiska analyser av muskler har utförts dels på råttors fotsulemuskler i en experimentell vibrationsmodell och dels på provbitar (biopsier) av tummuskler från patienter med HAVS. Resultaten i djurförsöken visar att redan efter två dagars vibrationsexposition kan förändringar i musklerna påvisas. Dessa utgörs av mera centralt belägna cellkärnor i muskelfibrerna samt en ökning av muskelfibrernas tvärsnittyta. De observerade tecknen på muskelskada tilltar efter ytterligare dagar av exposition då även tecken på reparation kan observeras. De i djurförsöken iakttagna förändringarna kan också ses i de under lång tid vibrationsexponerade patienternas tummuskler. I dessa noterades ytterligare tydliga förändringar vilka talar för att skadan ej enbart drabbar musklerna utan även de muskelförsörjande nerverna. Olika vibrationsparametrar, såsom frekvens och vävnadsförskjutning, har i djurmodellen analyserats med avseende på skadepåverkan på muskler. Mest avgörande för utbredningen av muskelskadan visade sig förskjutningen av vävnad att vara.



De mikroskopiskt iakttagna fynden kan delvis ge förklaring åt avsaknaden av volymminskning i muskulaturen och också förklara den kraftnedsättning som de vibrationsexponerade patienterna uppvisar.



I en fältstudie undersöktes 81 vibrationsexponerade friska heltidsarbetande industriarbetare med avseende på vibrationsrelaterade besvär. Trettiofem procent av industriarbetarna uppvisade HAVS symtom och 17 % noterade köldintolerans i fingrarna utan att dessa vitnade. Tecken på köldintolerans uppträdde tidigare jämfört med de andra symtomen och kan därför tolkas som en tidig markör vid vibrationsskada. Elva procent av industriarbetarna noterade nedsatt kraft i händerna. Kraften i såväl underarmens (extrinsic) som handens (intrinsic) muskler uppmättes, de senare med en mätutrusning som framtagits för mätning av tummens, pekfingrets och lillfingrets intrinsic muskler. Uppmätta värden jämfördes med motsvarande värden hos 45 friska ej vibrationsexponerade poliser, i jämförbar ålder, vilka utgjorde kontrollpersoner. Resultaten visar att de vibrationsexponerade industriarbetarna hade 7 % reducerad kraft i underarmsmusklerna och 18-20 % i handens muskler, dvs. en större reduktion i handens muskler än i underarmens. Anmärkningsvärt var att de industriarbetare som uppgav nedsatt kraft ej visade någon objektiv nedsättning av kraften, varken i underarmens eller i handens muskler, i jämförelse med de andra ”icke svaga” arbetarna. Detta fynd talar för att 20 % kraftnedsättning i handens muskler är av ringa betydelse för den upplevda kraftnedsättningen.



En liknande studie utfördes bland 21 patienter, alla med olika yrken, remitterade till en handkirurgisk klinik på grund HAVS. Dessa patienter uppvisade betydligt mer uttalade besvär än industriarbetarna både beträffande vita fingrar och känselstörningar men också gällande den upplevda kraftnedsättning som 2/3 uppgav. Mätningarna av muskelkraften avslöjade nedsättning motsvarande 18 % för underarmsmusklerna, 37 % för kraften att föra pekfingret ut från handen och 28 % reduktion i kraften att föra tummen vinkelrätt ut från handflatan i jämförelse med motsvarande värden för 21 ej vibrationsexponerade manschettarbetare. Med utgångspunkt från detta resultat rekommenderas att kraften i pekfingret rutinmässigt testas hos patienter med HAVS då denna kan betraktas som markör för vibrationsorsakad kraftnedsättning i handens muskler. Bland de patienter som uppgav kraftnedsättning befanns kraften i underarmens muskler nedsatt med 27 % i jämförelse med de ”icke svaga” HAVS patienterna medan handens intrinsic muskler ej var försvagade. Detta antyder att en kraftnedsättning av denna storleksordning noteras som svaghet även om kraften i vissa av handens muskler är än mer reducerad.



Den påvisade kraftnedsättningen i handens intrinsic muskler kan antas vara av betydelse för den minskade fingerfärdighet som HAVS patienter ofta anger. Undersökningarna kunde inte påvisa något rätlinjigt förhållande mellan mängden vibrationsexposition och muskelskadans omfattning och ej heller något förhållande till graden av kraftnedsättningen.



De skalor som idag används för klassifikation av HAVS inkluderar inte muskelkomponenten i syndromet. Funna resultat påvisar behovet av att inkludera muskelsymtomen i dessa klassifikationsskalor.

• author: Necking, Lars
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Associate Professor Pedowitz, Robert A., San Diego
• organization: Hand Surgery, Malmö (research group)
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Surgery
• keywords: traumatologi, Surgery, muscle morphometry, intrinsic hand muscle, muscle strength, muscle injury, hand weakness, Vibration exposure, hand-arm vibration syndrome, orthopaedics, traumatology, Kirurgi, ortopedi
• pages: 112 pages
• defense location: Jubileumsaulan, Malmö University Hospital, Malmö
• defense date: 2003-04-10 09:15:00
• ISBN: 91-628-5565-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Necking LE, Dahlin LB, Fridén J, Lundborg G, Lundström R and Thornell L-E. Vibration-induced muscle injury. An experimental model and preliminary findings. Journal of Hand Surgery 17B: 270-274, 1992. Article: Necking LE, Lundström R, Lundborg G, Thornell L-E and Fridén J.Skeletal muscle changes after short term vibration. Scandinavian Journal of Plastic and Reconstructive Surgery and Hand Surgery 30: 99-103, 1996. Article: Necking LE, Lundström R, Dahlin LB, Lundborg G, Thornell L-E andFridén J. Tissue displacement is a causative factor in vibration-induced muscle injury. Journal of Hand Surgery 21B: 753-757, 1996. Article: Necking LE, Lundborg G, Lundström R, Thornell L-E and Fridén J.Hand muscle pathology after long-term vibration exposure. Submitted. Article: Necking LE, Lundborg G and Fridén J. Hand muscle weakness in long-term vibration exposure. Journal of Hand Surgery 27B: 520-525, 2002 Article: Necking LE, Fridén J and Lundborg G. Reduced muscle strength in abduction of the index finger: An important clinical sign in Hand-Arm Vibration Syndrome. Scandinavian Journal of Plastic and Reconstructive Surgery and Hand Surgery. Accepted for publication, 2002.
• id: 0c6bc6be-4528-491d-bd7c-4c8787c66fed (old id 465512)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:12:28
• date last changed: 2018-11-21 20:57:26