構建骨科物理學體系推動骨科創新進展

陳 偉，邢 欣，王 娟，朱燕賓，張曉娟，張英澤

(河北醫科大學第三醫院創傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學重點實驗室，河北 石家莊 050051)

物理學的進步推動著現代醫學的發展。廣泛使用于醫學診斷、檢測的設備如體溫計、聽診器或X線攝像、超聲、CT、MRI，均是基于物理學原理研發。與其他醫學專業一樣，運動系統正常組織、結構和功能的觀測，異常結構(畸形)和疾病的診斷、治療和預防，同樣離不開對物理學理論、技術和方法的應用(圖1)。治療骨科損傷和疾病需要使用的接骨板、髓內釘、椎弓根釘棒系統、關節假體等植入物的設計、制造和檢測依賴于材料力學、結構力學、彈性力學和生物力學、聲學和電磁學的應用；采用矯形手術、關節置換手術、減壓手術等治療骨科傷病時，最佳手術方式的設計和植入物的選擇均依賴力學、光學、電磁學等原理和技術的應用；采用高能聚焦超聲治療、微波治療、射頻熱療等熱療手段或者質子治療儀治療骨與軟組織腫瘤也是聲學、熱學、電磁學和高能物理相關理論和技術的應用[1-2]。物理學在醫學實踐的長期應用過程中，逐漸形成了醫學物理學這一交叉融合學科[1]。然而，醫學工作者，特別是骨科醫生，通常聚焦物理學為醫學研究和實踐提供的更先進、更精密、更便捷的儀器和方法，而鮮有人系統總結物理學的基本原理、技術、方法在骨科疾病診治和預防中的應用和效果，也鮮有人總結其研究方法和研究范式。針對這一空白，筆者組建了包含骨科臨床醫生、研究人員、物理學專家和數學專家的研究團隊，構建骨科物理學體系，用物理學原理解釋、解決骨科臨床和研究中的問題，以進一步促進對骨與軟組織正常結構和功能的研究，促進骨科傷患致傷原因、致病機制的研究，促進骨科診療技術的創新，促進診治水平的提高。

圖1 物理學及其分支科學在骨科的應用

1 應用物理學指導骨與軟組織結構和功能研究

各種宏觀和微創的物理工具廣泛用于觀測人體骨骼、肌、神經血管以及各種細胞、細胞器和蛋白的結構及功能。Yang等[3]采用冷凍電鏡技術和蛋白質制備與鑒定平臺對PIEZO的轉導力學刺激的機制進行研究，首次實現了對機械力受體PIEZO1通道在脂膜上受力狀態下的動態結構解析，揭示了其受力形變與脂膜曲率感知的特性，定量了其皮牛尺度的機械敏感性，建立了其曲率感知理論學說，從根本上解答了其將物理機械刺激轉化成生物電信號這一PIEZO諾獎研究的未解之謎。

本團隊采用顯微維氏硬度技術(顯微壓痕硬度測量儀)定量測量了全身骨骼皮質和松質骨的硬度分布，建立了國內外第一個人體骨骼骨硬度數據庫，出版了國內外第一部《骨硬度學》[4-7]；借助數字化放射檢查(digital radiography，DR)、CT以及Mimics、3D軟件系統測量了人體骨骼各部位的徑線、曲度和角度，建立了第一個“人體全身骨骼角度和曲度”數據庫[8-10]，第一本專著即將出版；借助CT、Micro-CT以及生物力學手段，研究了長骨兩端骨小梁復雜的三維空間結構和力學特性[11]。上述系列研究成果，為適配骨骼特有結構和力學特性的材料研發、3D打印設計、力生物學研究提供了詳實數據，為仿生內植物設計和修復材料研發提供了科學參考。

2 應用物理學指導骨科傷患致傷/病機制的研究

物理學的理論和技術為深入研究骨科傷患致傷/病機制提供了科學手段。作用力與反作用力是力學的兩個重要概念，也是導致骨折的物理學機制。高處墜落傷導致的跟骨骨折中，部分患者合并腰椎骨折。高處墜落傷產生的軸向暴力經脊柱、骨盆、股骨、脛骨向下傳遞，而其來自底面的反作用自跟骨向上傳導；當兩者交匯于跟骨且達到一定閾值后，導致跟骨骨折；當兩者交匯于腰椎，則造成腰椎骨折。骨關節炎是最常見的骨科退行性疾病。本團隊采用影像學技術和生物力學技術分析軀干和下肢骨骼的動態形變，總結提出膝關節不均勻沉降理論、骨動態形變定律，并據此設計了腓骨近端截骨術、脛腓骨近端高位截骨可吸收墊片植入或四點支撐接骨板固定等微創保膝手術[12-14]。部分學者使用Micro CT、共聚焦顯微鏡、原子力顯微鏡、鈣離子成像技術等從微觀形態、電生理角度觀察軟骨、軟骨下骨、半月板及各種細胞在不同干預條件下的改變，這些基礎研究成果為關節炎的發生機制的闡述和診治技術的創新提供了更有針對性的靶標。

3 應用物理學指導骨科疾病診療技術的創新

人體各部位骨骼、韌帶、肌腱和關節等組織具有獨特的解剖結構、生理特性和不可替代的力學功能。目前常用的內植物，包括采用3D打印等先進技術制作的個體化內植物，依然很難高度仿真骨關節和軟組織的結構，難以很好地替代其功能。本團隊充分利用骨科物理學的技術和方法，系統分析骨盆后環尤其是骶髂韌帶復合體的結構和力學傳導特性、下脛腓聯合的三維結構和微動彈性的力學特點，研制更加仿生的骨盆后環微創可調式接骨板和下脛腓仿生彈性固定裝置。微創可調式接骨板模擬人體骨盆后環及骶髂后韌帶復合體“吊橋樣結構”及生物力學特性，在牢固固定骨盆后環的同時可更好地恢復其力學傳導特性[15]。下脛腓仿生彈性固定裝置將剛性固定、柔性固定和個體化加壓骨栓有機整合，在固定下脛腓分離的同時滿足其微動關節的特性，有助于下脛腓聯合功能的恢復[16]。

股骨粗隆間骨折是臨床常見損傷，盡管內植物設計和手術技術不斷進步，采用Gamma釘、PFNA等固定股骨粗隆間骨折，術后內固定物松動、脫出、斷裂等并發癥發生風險仍較高。本團隊根據對股骨近端皮質骨和松質骨復雜三維空間結構和應力傳導特性，創新性地將三角形穩定結構的概念引入內植物的設計中，充分利用結構力學、彈性力學和生物力學手段，研發三角支撐髓內釘，在臨床應用顯著降低內固定物相關并發癥發生率[17-19]。

本團隊基于力學作用力與反作用力的基本原理，研發了順勢雙反牽引復位器，通過骨對骨直接牽引，順應肢體長軸閉合復位重疊骨折，并借助骨折周圍肌、肌腱和韌帶的封套作用，將牽引力轉化為擠壓力復位側方移位和前后移位，為經皮植入接骨板或髓內釘創造了條件[20-22]。

目前應用日漸廣泛的骨科手術機械人系統，是物理學、計算機科學和人工智能等領域最先進的理論、技術的結合體，其中涉及到力學、光學、電磁學、熱學、原子物理學、固體物理學的眾多物理分支。完善骨科物理學的理論體系必將進一步推動骨科先進診療器械設備的研發。

4 應用物理學指導骨科新材料的研發

骨科治療技術的進步離不開各種先進材料的應用。鈦合金、聚甲基丙烯酸甲酯、Mg合金、聚氨基酸水凝膠等新型、功能性材料的研發不僅涉及到材料學與化學，其物理性能的研究，尤其是是否適配骨骼結構、功能的重建，需要材料力學、復合材料力學、分析力學、結構學、彈性力學和流變學等物理分支技術的驗證。因此，深入掌握上述理論技術，形成骨科物理學分支和更加有針對性、有效的研究方法，能更好地促進骨科新型材料的研發，使其結構、理化特性和力學強度更好地適應人體骨與軟組織的生理結構特點和功能需求。

綜上所述，骨科物理學是把物理學的原理和方法應用于運動系統正常結構和功能研究，應用于運動系統損傷和疾病的機制研究、診斷、治療和預防的一門交叉學科。充分掌握并運用物理學的理論和技術指導骨科研究和臨床實踐，將進一步豐富骨科研究方法，革新研究理念和研究范式，可以更好地推動骨科相關研究和診療技術創新從定性走向定量，從宏觀水平走向細胞水平、分子水平和原子水平，從手工、機械、接觸型的技術走向精準化、智能化、非接觸型的技術；而骨科物理學的構建以及精準微創智能骨科技術器械的研發需求也會進一步促進物理學的發展，拓展其研究領域和觸角，發現更深層次的宇宙與生命規律。因此，進一步發展、完善骨科物理學體系是踐行“四個面向”的現實需求，也是突破現有理論技術瓶頸的新路徑。