热场对于OA兔沙疗过程中骨质骨量影响的研究*

田伟，居来提·买提肉孜△，阿迪娜尔·阿布力孜，尼加提·外力，李艳娜，张锐，艾则孜·艾合买提尼亚孜

（1.新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐830047；2.新疆医科大学第四附属医院，乌鲁木齐834000；3.新疆医科大学第六附属医院，乌鲁木齐830054；4.新疆维吾尔自治区维吾尔医医院，乌鲁木齐830049）

1 引 言

维医沙疗作为一种传统的物理疗法，副作用相对较小，可以减轻患者在治疗过程中的痛苦，对于骨性关节炎的治疗起到了良好的效果。沙疗作用原理主要在于天然热沙中某些矿物的特殊物理性质发挥的生物物理效应和生物化学效应，沙粒的热量传递效应、生物矿物物理效应和电磁效应，促进神经系统功能激活与恢复，促进局部血液循环的加快［1］。通过热、磁、力的综合作用治疗疾病的一种方法［2］。因此，深入研究多物理场的耦合作用对骨重建的影响很关键。

在骨力学的研究当中，国内外学者也进行了大量的讨论。早期的德国科学家Wolff提出了著名的“Wolff定律”，骨重建对载荷的适应性反应，认为外载的反复刺激是维持骨密度及增长的关键［3］。而唐丽灵则发现骨也有一个最适应的应力范围，应力过低或过高都会使骨逐渐萎缩，甚至发生结构破坏［4］。马宗民认为力学调控机制是维持骨量的关键，外力作用的幅度决定了骨量的增减，骨组织内部对外力作用具有敏感性［5］。也有学者从生物学及细胞因子的角度出发，卫荣通过实验发现沙疗过程中的传热效应可以抑制关节液中的细胞因子水平的异常升高而发挥作用［6］。Shui C，Scutt A等研究表明局部低热刺激可以促进成骨细胞增殖分化，促进成骨细胞合成细胞外基质蛋白、多种生长因子和细胞因子［7］。诸多的物理化学刺激通过影响OPGRANKL-RANK系统，参与调解破骨细胞的生成，从而影响骨重建过程［8-10］。总而言之，在力学环境（刺激）下生物体的生长、重建及一些适应性变化（力学信号感受、响应机制）［11］是我们今后研究的重点。

本研究采用CT扫描手段分析及计算各骨质层骨体积及骨量变化情况，通过传热模拟沙疗过程中温度及热应力在股骨中的分布情况。通过对比来进一步探讨温度对于骨重建的影响，为应用医学领域提供参考依据。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验动物 本研究采用成熟期10只10月龄雄性新西兰大白兔，每只体重在3.8±0.2Kg，由新疆医科大学动物实验中心提供，在新疆医科大学实验中心实验人员和实验设备的帮助下，新西兰大白兔的饲养工作及股骨组织的材料提取顺利完成。实验动物生产许可证号码【SYXK（新）2011-0003】，使用许可证号码为【SYXK（新）2011-0001】。

2.1.2 实验试剂及仪器 造模试剂为3%木瓜蛋白酶（Papain）；mimics17.0软件；宏碁 Acer ATC705计算机；Siemens/Emotion 6排螺旋CT，CT扫描的主要参数：最小断层厚度为0.3 mm，CT图像像素为512×512（pixel）。

2.2 实验方法

2.2.1 建立OA兔模型 将我们本次研究所采用的新西兰大白兔进行为期两周的饲养，以确保实验模型各项生命指标平稳，对兔子的右后股骨膝关节腔内注射浓度为3%木瓜蛋白酶0.3 ml，建立兔骨性关节炎的模型。

2.2.2 CT扫描方法 通过Siemens/Emotion 6排螺旋CT对兔股骨模型进行四次扫描，分别在正常饲养之后进行第一次扫描（第1天）；然后在兔OA模型建立一周后进行第二次扫描（第14天）；并开始进行埋沙治疗，治疗一周以后进行第三次扫描（第21天）；治疗两周后进行最后一次扫描（第28天），最后对CT扫描的数据进行整理。

2.2.3 三维模型建立及骨体积计算方法 CT扫描数据导入mimics中，并根据其CT值的不同划分为软质骨（148～661）、密质骨（662～1988）和硬质骨（1989～3071）。为了更深层探究骨量变化，在此基础上我们对三大骨质层进行更为细致的划分：把软质骨细划为三层，每170个灰度值为一层；密质骨划分为六层，每220个灰度值为一层；硬质骨划分为三层，每317个灰度值为一层。进行模型的建立。利用骨单元体积法进行计算，骨体积计算公式：Bone Volume＝Pixel size2×Slice Increment×Number of Pixels（mm3），P为单元底面积边长，S为切片厚度，N为骨单元数，用CT扫描后处理得到的体积代表骨量，其趋势即为骨量变化。

3 结果

3.1 CT扫描实验结果

通过四次扫描结果，我们可以观察到各骨质层变化情况。软质骨当中CT值范围在319～489这一扫描区间内变化较为明显，尤其是在股骨头位置。密质骨当中CT值范围在1325～1545这一扫描区间内变化比较明显，主要变化集中在股骨端部。而硬质骨当中CT值范围在2307～2624这一扫描区间内变化较为明显，主要体现在骨干部位。

图1 沙疗前后软质骨（319～489）骨量分布情况Fig 1 Sand and soft bone before and after therapy（319～489），bone mass distribution

图2 沙疗前后密质骨（1325～1545）骨量分布情况Fig 2 Sand compact bone before and after therapy（1325～1545），bone mass distribution

图3 沙疗前后硬质骨（2307～2624）骨量分布情况Fig 3 Sand hard bone before and after therapy（2307～2624），bone mass distribution

从图1我们可以观察到软质骨的量在注射药物后先减少，通过沙疗后缓慢的增加。尤其在股骨粗隆部位变化较为明显，因为该部位的骨组织的主要成分为松质骨［12］，占骨总量的50%。而从图2和图3当中，密质骨和硬质骨的骨量在注射药物后先减少，沙疗后逐渐增加。结合图2和图4的对比，密质骨骨量变化趋势较为明显。

3.2 传热数值模拟

3.2.1 传热理论 与普通的材料不同，在人体的内部组织和皮下脂肪层中，存在血液灌注和组织代谢产热，因此其传热规律可用经典的Pennes生物传热方程进行描述：

图4 骨质层骨量变化折线图Fig 4 Bone bone mass changes

式中Q为外部热源项，Qbio反映了出入控制体的血流所传输的热量。Qmet为新陈代谢热源。ρ［Kg·K］表示生物组织密度，Cp［J/（kg·K）］为生物组织的常压热容，ρb表示血液密度，T表示温度，t表示时间，ωb为血液灌注率，k为组织的热导率。Cb为血液比热容，Tb为动脉血的温度。

3.2.2 传热模拟过程 通过对模型进行生物材料属性和生物热参数设定，进行了有限元分析计算，得到了整个OA模型（肌肉，股骨，骨髓）的温度分布云图和股骨的温度分布云图。见表1，表2，图5，图6。

表1 材料属性Table 1 Material properties

表2 生物热参数Table 2 Bio thermal parameters

由模拟计算可以看出股骨两端温度较高（达到316.65 k），而中间部位的温度较低（达到311.65 k）。通过对比CT扫描结果，温度高的区域骨量变化最为明显，温度升高，局部血液循环加快。

3.2.3 股骨热应力分布 由于温度产生热应力是骨质层骨量发生变化的重要物理因素，对骨组织进行热应力参数［13］的设定后进行了热应力分析。见表3，图7。

图5 模型温度分布云图Fig 5 Temperature distribution on the model

图6 股骨温度分布云图Fig 6 Temperature distribution on the femur

图7 股骨不同温度梯度（38℃～45℃）热应力分布情况a.38℃热应力；b.39℃热应力；c.40℃热应力；d.41℃热应力；e.42℃热应力；f.43℃热应力；g.44℃热应力；h.45℃热应力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 应力参数Table 3 Stress parameters

通过观察不同温度梯度（38℃～45℃）热应力变化情况，股骨骨干部位的热应力变化最为明显。在开始阶段随着温度的逐渐升高，产生的应力也在逐渐升高，当温度在42℃时这时由温度产生的热应力最大（1.36E-8Pa）。当温度继续升高时，应力值有所下降。说明在42℃时，温度产生热应力对于骨重建影响最为明显。

4 讨论

沙疗过程中的热量传递以及股骨内部热应力的变化是影响骨重建的重要因素。从宏观角度考虑出发，由于温度的升高使血液循环加快，从而导致骨重建速率提高。而从细胞因子微观角度分析，热刺激可以促进OPG的表达，降低RANKL的表达，促进RANKL与诱导物受体OPG的结合，从而使OPG/RANKL比值增大抑制破骨细胞生成［14-16］，活化成骨细胞，抑制骨吸收。而现在普遍认为骨组织内部存在一种力学感受细胞，通过把外力刺激转化为一定的生物学信号，从而影响骨重建的过程［17］。

本研究通过CT扫描方法得到了骨质层骨量变化情况，并通过数值模拟的方法获得了股骨温度分布云图和热应力分布云图。通过四次扫描结果（见图1～4）可以发现在建立OA模型后，软质骨骨量增加，而密质骨和硬质骨骨量减少。通过沙疗以后软质骨骨量减少，而密质骨和硬质骨骨量增加。而硬质骨层主要集中在骨干部位，作为承载骨，硬质骨骨量的的增加对其力学性能的改善具有良好的影响［18］。从股骨的温度分布云图可以看出两端部比骨干部位温度高，且变化快。由于股骨头两端的毛细血管比较多，血液供应充足，代谢产热较快［19］。而股骨两端是软质骨和密质骨占主要成分，所以该部位的变化比较明显。由于温度变化产生的热应力随着温度的升高而不断增大，当温度升高到42℃左右时，应力达到幅值，说明该温度范围对骨重建的调节最为明显。而后随着温度的继续升高，应力值有所下降。有研究表明当温度高于45℃使，部分酶失活以及变性，从而影响细胞的新陈代谢［20-22］，影响骨重建过程。骨内膜在骨重建过程中也起到了重要的作用，温度升高，促进骨细胞的分化，加速该部位的钙盐沉积，所以引起骨髓腔部位的应力发生明显变化。

虽然本研究通过沙疗实验和数值模拟说明温度产生的热应力变化会对骨重建起到良好的促进作用，生物活体本身是一个复杂的自平衡调节系统，组织在沙疗的过程中会有代谢产热、血液灌注等影响，以及如何定量的分析影响程度是我们下一步要重点考虑的问题。