熱場對于OA兔沙療過程中骨質(zhì)骨量影響的研究*

田偉，居來提·買提肉孜△，阿迪娜爾·阿布力孜，尼加提·外力，李艷娜，張銳，艾則孜·艾合買提尼亞孜

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊830047；2.新疆醫(yī)科大學(xué)第四附屬醫(yī)院，烏魯木齊834000；3.新疆醫(yī)科大學(xué)第六附屬醫(yī)院，烏魯木齊830054；4.新疆維吾爾自治區(qū)維吾爾醫(yī)醫(yī)院，烏魯木齊830049）

1 引 言

維醫(yī)沙療作為一種傳統(tǒng)的物理療法，副作用相對較小，可以減輕患者在治療過程中的痛苦，對于骨性關(guān)節(jié)炎的治療起到了良好的效果。沙療作用原理主要在于天然熱沙中某些礦物的特殊物理性質(zhì)發(fā)揮的生物物理效應(yīng)和生物化學(xué)效應(yīng)，沙粒的熱量傳遞效應(yīng)、生物礦物物理效應(yīng)和電磁效應(yīng)，促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)功能激活與恢復(fù)，促進(jìn)局部血液循環(huán)的加快［1］。通過熱、磁、力的綜合作用治療疾病的一種方法［2］。因此，深入研究多物理場的耦合作用對骨重建的影響很關(guān)鍵。

在骨力學(xué)的研究當(dāng)中，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的討論。早期的德國科學(xué)家Wolff提出了著名的“Wolff定律”，骨重建對載荷的適應(yīng)性反應(yīng)，認(rèn)為外載的反復(fù)刺激是維持骨密度及增長的關(guān)鍵［3］。而唐麗靈則發(fā)現(xiàn)骨也有一個(gè)最適應(yīng)的應(yīng)力范圍，應(yīng)力過低或過高都會(huì)使骨逐漸萎縮，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞［4］。馬宗民認(rèn)為力學(xué)調(diào)控機(jī)制是維持骨量的關(guān)鍵，外力作用的幅度決定了骨量的增減，骨組織內(nèi)部對外力作用具有敏感性［5］。也有學(xué)者從生物學(xué)及細(xì)胞因子的角度出發(fā)，衛(wèi)榮通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沙療過程中的傳熱效應(yīng)可以抑制關(guān)節(jié)液中的細(xì)胞因子水平的異常升高而發(fā)揮作用［6］。Shui C，Scutt A等研究表明局部低熱刺激可以促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖分化，促進(jìn)成骨細(xì)胞合成細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、多種生長因子和細(xì)胞因子［7］。諸多的物理化學(xué)刺激通過影響OPGRANKL-RANK系統(tǒng)，參與調(diào)解破骨細(xì)胞的生成，從而影響骨重建過程［8-10］?？偠灾?，在力學(xué)環(huán)境（刺激）下生物體的生長、重建及一些適應(yīng)性變化（力學(xué)信號感受、響應(yīng)機(jī)制）［11］是我們今后研究的重點(diǎn)。

本研究采用CT掃描手段分析及計(jì)算各骨質(zhì)層骨體積及骨量變化情況，通過傳熱模擬沙療過程中溫度及熱應(yīng)力在股骨中的分布情況。通過對比來進(jìn)一步探討溫度對于骨重建的影響，為應(yīng)用醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 本研究采用成熟期10只10月齡雄性新西蘭大白兔，每只體重在3.8±0.2Kg，由新疆醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供，在新疆醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)人員和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的幫助下，新西蘭大白兔的飼養(yǎng)工作及股骨組織的材料提取順利完成。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生產(chǎn)許可證號碼【SYXK（新）2011-0003】，使用許可證號碼為【SYXK（新）2011-0001】。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器 造模試劑為3%木瓜蛋白酶（Papain）；mimics17.0軟件；宏碁 Acer ATC705計(jì)算機(jī)；Siemens/Emotion 6排螺旋CT，CT掃描的主要參數(shù)：最小斷層厚度為0.3 mm，CT圖像像素為512×512（pixel）。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 建立OA兔模型 將我們本次研究所采用的新西蘭大白兔進(jìn)行為期兩周的飼養(yǎng)，以確保實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透黜?xiàng)生命指標(biāo)平穩(wěn)，對兔子的右后股骨膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射濃度為3%木瓜蛋白酶0.3 ml，建立兔骨性關(guān)節(jié)炎的模型。

2.2.2 CT掃描方法 通過Siemens/Emotion 6排螺旋CT對兔股骨模型進(jìn)行四次掃描，分別在正常飼養(yǎng)之后進(jìn)行第一次掃描（第1天）；然后在兔OA模型建立一周后進(jìn)行第二次掃描（第14天）；并開始進(jìn)行埋沙治療，治療一周以后進(jìn)行第三次掃描（第21天）；治療兩周后進(jìn)行最后一次掃描（第28天），最后對CT掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

2.2.3 三維模型建立及骨體積計(jì)算方法 CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入mimics中，并根據(jù)其CT值的不同劃分為軟質(zhì)骨（148～661）、密質(zhì)骨（662～1988）和硬質(zhì)骨（1989～3071）。為了更深層探究骨量變化，在此基礎(chǔ)上我們對三大骨質(zhì)層進(jìn)行更為細(xì)致的劃分：把軟質(zhì)骨細(xì)劃為三層，每170個(gè)灰度值為一層；密質(zhì)骨劃分為六層，每220個(gè)灰度值為一層；硬質(zhì)骨劃分為三層，每317個(gè)灰度值為一層。進(jìn)行模型的建立。利用骨單元體積法進(jìn)行計(jì)算，骨體積計(jì)算公式：Bone Volume＝Pixel size2×Slice Increment×Number of Pixels（mm3），P為單元底面積邊長，S為切片厚度，N為骨單元數(shù)，用CT掃描后處理得到的體積代表骨量，其趨勢即為骨量變化。

3 結(jié)果

3.1 CT掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過四次掃描結(jié)果，我們可以觀察到各骨質(zhì)層變化情況。軟質(zhì)骨當(dāng)中CT值范圍在319～489這一掃描區(qū)間內(nèi)變化較為明顯，尤其是在股骨頭位置。密質(zhì)骨當(dāng)中CT值范圍在1325～1545這一掃描區(qū)間內(nèi)變化比較明顯，主要變化集中在股骨端部。而硬質(zhì)骨當(dāng)中CT值范圍在2307～2624這一掃描區(qū)間內(nèi)變化較為明顯，主要體現(xiàn)在骨干部位。

圖1 沙療前后軟質(zhì)骨（319～489）骨量分布情況Fig 1 Sand and soft bone before and after therapy（319～489），bone mass distribution

圖2 沙療前后密質(zhì)骨（1325～1545）骨量分布情況Fig 2 Sand compact bone before and after therapy（1325～1545），bone mass distribution

圖3 沙療前后硬質(zhì)骨（2307～2624）骨量分布情況Fig 3 Sand hard bone before and after therapy（2307～2624），bone mass distribution

從圖1我們可以觀察到軟質(zhì)骨的量在注射藥物后先減少，通過沙療后緩慢的增加。尤其在股骨粗隆部位變化較為明顯，因?yàn)樵摬课坏墓墙M織的主要成分為松質(zhì)骨［12］，占骨總量的50%。而從圖2和圖3當(dāng)中，密質(zhì)骨和硬質(zhì)骨的骨量在注射藥物后先減少，沙療后逐漸增加。結(jié)合圖2和圖4的對比，密質(zhì)骨骨量變化趨勢較為明顯。

3.2 傳熱數(shù)值模擬

3.2.1 傳熱理論 與普通的材料不同，在人體的內(nèi)部組織和皮下脂肪層中，存在血液灌注和組織代謝產(chǎn)熱，因此其傳熱規(guī)律可用經(jīng)典的Pennes生物傳熱方程進(jìn)行描述：

圖4 骨質(zhì)層骨量變化折線圖Fig 4 Bone bone mass changes

式中Q為外部熱源項(xiàng)，Qbio反映了出入控制體的血流所傳輸?shù)臒崃俊met為新陳代謝熱源。ρ［Kg·K］表示生物組織密度，Cp［J/（kg·K）］為生物組織的常壓熱容，ρb表示血液密度，T表示溫度，t表示時(shí)間，ωb為血液灌注率，k為組織的熱導(dǎo)率。Cb為血液比熱容，Tb為動(dòng)脈血的溫度。

3.2.2 傳熱模擬過程 通過對模型進(jìn)行生物材料屬性和生物熱參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，得到了整個(gè)OA模型（肌肉，股骨，骨髓）的溫度分布云圖和股骨的溫度分布云圖。見表1，表2，圖5，圖6。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

表2 生物熱參數(shù)Table 2 Bio thermal parameters

由模擬計(jì)算可以看出股骨兩端溫度較高（達(dá)到316.65 k），而中間部位的溫度較低（達(dá)到311.65 k）。通過對比CT掃描結(jié)果，溫度高的區(qū)域骨量變化最為明顯，溫度升高，局部血液循環(huán)加快。

3.2.3 股骨熱應(yīng)力分布 由于溫度產(chǎn)生熱應(yīng)力是骨質(zhì)層骨量發(fā)生變化的重要物理因素，對骨組織進(jìn)行熱應(yīng)力參數(shù)［13］的設(shè)定后進(jìn)行了熱應(yīng)力分析。見表3，圖7。

圖5 模型溫度分布云圖Fig 5 Temperature distribution on the model

圖6 股骨溫度分布云圖Fig 6 Temperature distribution on the femur

圖7 股骨不同溫度梯度（38℃～45℃）熱應(yīng)力分布情況a.38℃熱應(yīng)力；b.39℃熱應(yīng)力；c.40℃熱應(yīng)力；d.41℃熱應(yīng)力；e.42℃熱應(yīng)力；f.43℃熱應(yīng)力；g.44℃熱應(yīng)力；h.45℃熱應(yīng)力Fig 7 Thermal stress distribution of thigh bone under different temperatcere gradient a.38℃thermal stress；b.39℃thermal stress；c.40℃thermal stress；d.41℃thermal stress；e.42℃thermal stress；f.43℃thermal stress；g.44℃thermal stress；h.45℃thermal stress

表3 應(yīng)力參數(shù)Table 3 Stress parameters

通過觀察不同溫度梯度（38℃～45℃）熱應(yīng)力變化情況，股骨骨干部位的熱應(yīng)力變化最為明顯。在開始階段隨著溫度的逐漸升高，產(chǎn)生的應(yīng)力也在逐漸升高，當(dāng)溫度在42℃時(shí)這時(shí)由溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力最大（1.36E-8Pa）。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，應(yīng)力值有所下降。說明在42℃時(shí)，溫度產(chǎn)生熱應(yīng)力對于骨重建影響最為明顯。

4 討論

沙療過程中的熱量傳遞以及股骨內(nèi)部熱應(yīng)力的變化是影響骨重建的重要因素。從宏觀角度考慮出發(fā)，由于溫度的升高使血液循環(huán)加快，從而導(dǎo)致骨重建速率提高。而從細(xì)胞因子微觀角度分析，熱刺激可以促進(jìn)OPG的表達(dá)，降低RANKL的表達(dá)，促進(jìn)RANKL與誘導(dǎo)物受體OPG的結(jié)合，從而使OPG/RANKL比值增大抑制破骨細(xì)胞生成［14-16］，活化成骨細(xì)胞，抑制骨吸收。而現(xiàn)在普遍認(rèn)為骨組織內(nèi)部存在一種力學(xué)感受細(xì)胞，通過把外力刺激轉(zhuǎn)化為一定的生物學(xué)信號，從而影響骨重建的過程［17］。

本研究通過CT掃描方法得到了骨質(zhì)層骨量變化情況，并通過數(shù)值模擬的方法獲得了股骨溫度分布云圖和熱應(yīng)力分布云圖。通過四次掃描結(jié)果（見圖1～4）可以發(fā)現(xiàn)在建立OA模型后，軟質(zhì)骨骨量增加，而密質(zhì)骨和硬質(zhì)骨骨量減少。通過沙療以后軟質(zhì)骨骨量減少，而密質(zhì)骨和硬質(zhì)骨骨量增加。而硬質(zhì)骨層主要集中在骨干部位，作為承載骨，硬質(zhì)骨骨量的的增加對其力學(xué)性能的改善具有良好的影響［18］。從股骨的溫度分布云圖可以看出兩端部比骨干部位溫度高，且變化快。由于股骨頭兩端的毛細(xì)血管比較多，血液供應(yīng)充足，代謝產(chǎn)熱較快［19］。而股骨兩端是軟質(zhì)骨和密質(zhì)骨占主要成分，所以該部位的變化比較明顯。由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力隨著溫度的升高而不斷增大，當(dāng)溫度升高到42℃左右時(shí)，應(yīng)力達(dá)到幅值，說明該溫度范圍對骨重建的調(diào)節(jié)最為明顯。而后隨著溫度的繼續(xù)升高，應(yīng)力值有所下降。有研究表明當(dāng)溫度高于45℃使，部分酶失活以及變性，從而影響細(xì)胞的新陳代謝［20-22］，影響骨重建過程。骨內(nèi)膜在骨重建過程中也起到了重要的作用，溫度升高，促進(jìn)骨細(xì)胞的分化，加速該部位的鈣鹽沉積，所以引起骨髓腔部位的應(yīng)力發(fā)生明顯變化。

雖然本研究通過沙療實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬說明溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力變化會(huì)對骨重建起到良好的促進(jìn)作用，生物活體本身是一個(gè)復(fù)雜的自平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)，組織在沙療的過程中會(huì)有代謝產(chǎn)熱、血液灌注等影響，以及如何定量的分析影響程度是我們下一步要重點(diǎn)考慮的問題。