熱場對于OA兔沙療過程中骨質骨量影響的研究*

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.新疆大學機械工程學院，烏魯木齊830047；2.新疆醫科大學第四附屬醫院，烏魯木齊834000；3.新疆醫科大學第六附屬醫院，烏魯木齊830054；4.新疆維吾爾自治區維吾爾醫醫院，烏魯木齊830049）

1 引 言

維醫沙療作為一種傳統的物理療法，副作用相對較小，可以減輕患者在治療過程中的痛苦，對于骨性關節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發揮的生物物理效應和生物化學效應，沙粒的熱量傳遞效應、生物礦物物理效應和電磁效應，促進神經系統功能激活與恢復，促進局部血液循環的加快［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鍵。

在骨力學的研究當中，國內外學者也進行了大量的討論。早期的德國科學家Wolff提出了著名的“Wolff定律”，骨重建對載荷的適應性反應，認為外載的反復刺激是維持骨密度及增長的關鍵［3］。而唐麗靈則發現骨也有一個最適應的應力范圍，應力過低或過高都會使骨逐漸萎縮，甚至發生結構破壞［4］。馬宗民認為力學調控機制是維持骨量的關鍵，外力作用的幅度決定了骨量的增減，骨組織內部對外力作用具有敏感性［5］。也有學者從生物學及細胞因子的角度出發，衛榮通過實驗發現沙療過程中的傳熱效應可以抑制關節液中的細胞因子水平的異常升高而發揮作用［6］。Shui C，Scutt A等研究表明局部低熱刺激可以促進成骨細胞增殖分化，促進成骨細胞合成細胞外基質蛋白、多種生長因子和細胞因子［7］。諸多的物理化學刺激通過影響OPGRANKL-RANK系統，參與調解破骨細胞的生成，從而影響骨重建過程［8-10］?？偠灾诹W環境（刺激）下生物體的生長、重建及一些適應性變化（力學信號感受、響應機制）［11］是我們今后研究的重點。

本研究采用CT掃描手段分析及計算各骨質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力在股骨中的分布情況。通過對比來進一步探討溫度對于骨重建的影響，為應用醫學領域提供參考依據。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

2.1.1 實驗動物 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，由新疆醫科大學動物實驗中心提供，在新疆醫科大學實驗中心實驗人員和實驗設備的幫助下，新西蘭大白兔的飼養工作及股骨組織的材料提取順利完成。實驗動物生產許可證號碼【SYXK（新）2011-0003】，使用許可證號碼為【SYXK（新）2011-0001】。

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

2.2 實驗方法

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行為期兩周的飼養，以確保實驗模型各項生命指標平穩，對兔子的右后股骨膝關節腔內注射濃度為3%木瓜蛋白酶0.3 ml，建立兔骨性關節炎的模型。

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

2.2.3 三維模型建立及骨體積計算方法 CT掃描數據導入mimics中，并根據其CT值的不同劃分為軟質骨（148～661）、密質骨（662～1988）和硬質骨（1989～3071）。為了更深層探究骨量變化，在此基礎上我們對三大骨質層進行更為細致的劃分：把軟質骨細劃為三層，每170個灰度值為一層；密質骨劃分為六層，每220個灰度值為一層；硬質骨劃分為三層，每317個灰度值為一層。進行模型的建立。利用骨單元體積法進行計算，骨體積計算公式：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，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 結果

3.1 CT掃描實驗結果

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

圖1 沙療前后軟質骨（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，因為該部位的骨組織的主要成分為松質骨［12］，占骨總量的50%。而從圖2和圖3當中，密質骨和硬質骨的骨量在注射藥物后先減少，沙療后逐漸增加。結合圖2和圖4的對比，密質骨骨量變化趨勢較為明顯。

3.2 傳熱數值模擬

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

圖4 骨質層骨量變化折線圖Fig 4 Bone bone mass changes

式中Q為外部熱源項，Qbio反映了出入控制體的血流所傳輸的熱量。Qmet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表示時間，ωb為血液灌注率，k為組織的熱導率。Cb為血液比熱容，Tb為動脈血的溫度。

3.2.2 傳熱模擬過程 通過對模型進行生物材料屬性和生物熱參數設定，進行了有限元分析計算，得到了整個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Table 2 Bio thermal parameters

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

3.2.3 股骨熱應力分布 由于溫度產生熱應力是骨質層骨量發生變化的重要物理因素，對骨組織進行熱應力參數［13］的設定后進行了熱應力分析。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℃）熱應力分布情況a.38℃熱應力；b.39℃熱應力；c.40℃熱應力；d.41℃熱應力；e.42℃熱應力；f.43℃熱應力；g.44℃熱應力；h.45℃熱應力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 應力參數Table 3 Stress parameters

通過觀察不同溫度梯度（38℃～45℃）熱應力變化情況，股骨骨干部位的熱應力變化最為明顯。在開始階段隨著溫度的逐漸升高，產生的應力也在逐漸升高，當溫度在42℃時這時由溫度產生的熱應力最大（1.36E-8Pa）。當溫度繼續升高時，應力值有所下降。說明在42℃時，溫度產生熱應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部熱應力的變化是影響骨重建的重要因素。從宏觀角度考慮出發，由于溫度的升高使血液循環加快，從而導致骨重建速率提高。而從細胞因子微觀角度分析，熱刺激可以促進OPG的表達，降低RANKL的表達，促進RANKL與誘導物受體OPG的結合，從而使OPG/RANKL比值增大抑制破骨細胞生成［14-16］，活化成骨細胞，抑制骨吸收。而現在普遍認為骨組織內部存在一種力學感受細胞，通過把外力刺激轉化為一定的生物學信號，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層骨量變化情況，并通過數值模擬的方法獲得了股骨溫度分布云圖和熱應力分布云圖。通過四次掃描結果（見圖1～4）可以發現在建立OA模型后，軟質骨骨量增加，而密質骨和硬質骨骨量減少。通過沙療以后軟質骨骨量減少，而密質骨和硬質骨骨量增加。而硬質骨層主要集中在骨干部位，作為承載骨，硬質骨骨量的的增加對其力學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血管比較多，血液供應充足，代謝產熱較快［19］。而股骨兩端是軟質骨和密質骨占主要成分，所以該部位的變化比較明顯。由于溫度變化產生的熱應力隨著溫度的升高而不斷增大，當溫度升高到42℃左右時，應力達到幅值，說明該溫度范圍對骨重建的調節最為明顯。而后隨著溫度的繼續升高，應力值有所下降。有研究表明當溫度高于45℃使，部分酶失活以及變性，從而影響細胞的新陳代謝［20-22］，影響骨重建過程。骨內膜在骨重建過程中也起到了重要的作用，溫度升高，促進骨細胞的分化，加速該部位的鈣鹽沉積，所以引起骨髓腔部位的應力發生明顯變化。

雖然本研究通過沙療實驗和數值模擬說明溫度產生的熱應力變化會對骨重建起到良好的促進作用，生物活體本身是一個復雜的自平衡調節系統，組織在沙療的過程中會有代謝產熱、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考慮的問題。