体外冲击波在治疗骨组织疾病中的临床应用

袁伟健，周海昱，姜文学

(天津市第一中心医院骨科，天津 300000)

体外冲击波(extracorporeal shock wave，ESW)是在体外产生的压力波，可以聚焦在体内的特定部位，以达到治疗的目的。体外冲击波最初于1980年引入临床用于碎石术以破坏肾结石[1]，如今已成为治疗尿石症的常规首选方法[2]，并应用于胆囊结石、腮腺结石等疾病的治疗[3]。目前，ESW已经在多个领域得到了应用。研究证明低能量冲击波能够上调血管生成因子的表达，从而促进血管生成，改善微循环，这为使用ESW对于心肌缺血的治疗提供理论依据。临床应用ESW治疗心绞痛、心肌梗死等缺血性心脏病已取得了显著疗效[4]，同时这一发现也为促进切口愈合[5]、糖尿病足的治疗[6]以及促进复合组织同种异体移植的成活[7]等研究中取得了一些进展。近年来越来越多的研究显示低强度ESW治疗勃起功能障碍拥有良好的疗效，虽然其安全性、有效性仍需进一步研究，但也为勃起功能障碍的非手术治疗提供新的可能[8]。这些研究显示了ESW在临床治疗的应用越来越广泛。

ESW在骨骼肌肉疾病的治疗研究中也得到快速的发展。应用ESW治疗骨骼肌肉疾病获得越来越多的关注，大量研究证实了ESW在治疗骨科疾病中的优势。目前ESW已用于治疗多种骨科疾病，如骨折不愈合、足底筋膜炎、肌腱炎、股骨头坏死、骨质疏松及皮肤溃疡等疾病[9]。本文旨在对ESW及其作用机理进行叙述性概述，并对ESW在目前骨组织疾病中的临床应用以及未来的潜在研究领域进行总结。

1 ESW的治疗机制

ESW是声能从正相位到负相位的快速、短暂和明显的单次波动，其能量的大小取决于物理治疗刺激的性质、施加的角度和感应压力值。ESW在水及明胶中传递能量衰减最小，同时ESW在不同的声阻抗界面会产生反射和折射[10]。声能负相产生的拉伸力导致水分子转变为空化气泡，称为空化效应。随着气泡的膨胀，空化气泡立即被压缩，这导致气泡中所含气体的温度升高，在内部形成巨大的压力梯度，并将水介质以能量波的形式向前推动。人体软组织与水的声阻抗相似，因此，高能量的单脉冲可以在软组织中以波状方式传播，且能量衰减最小，可作用到深部骨组织[11]。ESW按照能量大小可划分为高能量ESW、中能量ESW和低能量ESW。目前高能量ESW多用于治疗骨不连、股骨头坏死等深部骨组织疾病，而低能量和中能量ESW多用于治疗软组织及软骨损伤疾病。冲击波治疗影响骨组织修复的确切机制尚不完全清楚。多数人认为高能量ESW在软组织和骨骼的交界处，声阻抗的突然变化使脉冲能量释放作用在骨骼组织上，造成局部骨质坏死，并激活间充质干细胞，促进其向成骨细胞的募集和分化，从而促进骨的生长[12]。同时ESW治疗的机械刺激改变细胞膜表面的离子通道，从而抑制神经膜去极化作用产生镇痛，也减轻了患者的症状[13]。而对于中、低能量ESW，在最近的多项研究中表明[14]，低能量ESW能够促进血管内皮生长因子(vascular endothelial groxth factor，VEGF)、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMP)、胰岛素样生长因子(insulin like growth factor，IGF)、血小板源性生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF)、转化生长因子(transforming growth factor，TGF)-β、一氧化氮(NO)等生成，这些因子能够促进血管生成，加快软组织的修复，同时也能促进新骨的生成。根据其传播方式，ESW可分为两类：聚焦式ESW和放射式ESW。聚焦式ESW是将声能集中在目标组织明确的点上，在使用高能量ESW治疗时，尤其是高能量ESW时，需要准确识别要治疗的区域，才能产生最佳的治疗效果，并且避免了对周围组织的损害。为此，进行治疗时必须在X线、核磁共振或超声引导下进行[15]。因此，聚焦式ESW多用于治疗骨折延迟愈合、骨不连以及深部骨组织疾病，如股骨头坏死、骨质疏松等。放射性ESW是将能量传递到更大的表面积，然而穿透的深度会更低，因此，治疗用途限于诸如皮肤溃疡等浅表病变[16]。

2 ESW在治疗骨组织疾病中的主要应用

在既往使用ESW治疗肾结石时观察发现，碎石术期间与骨盆相互作用的冲击波会引起骨盆骨密度的增加，从而发现冲击波对骨骼的影响[17]。Haupt[18]在1988年应用冲击波治疗骨折不愈合获得了成功，为之后ESW在骨科的应用迈出了第一步，从此冲击波治疗骨组织疾病的研究开始大量出现。目前ESW主要用于治疗骨折不愈合、股骨头缺血性坏死、骨关节炎、骨质疏松症等骨组织疾病。

2.1 骨折不愈合 骨折不愈合是指骨折经治疗超过8个月后仍未达到骨性愈合。文献显示，所有骨折中有3%～5%演变为骨不连，其中，舟状骨(16%)、胫骨(14%)和股骨(14%)等骨不连率最高[19]。手术是目前治疗骨折不愈合的首选方法。骨不连的手术治疗效果总体上是相当成功的，据报道手术对于骨折不愈合的治愈率在74%～95%[20]。但是，手术后也可能会出现并发症，例如感染(5%)、神经血管损伤(7%)或与植入物相关的问题(5%)，需要进行额外的治疗[21]。如果通过无创的方法进行治疗，就能有效降低这些并发症发生的风险。Kertzman等[22]回顾性分析了22例经ESW治疗6个月的骨折不愈合患者，其中有16例患者治愈，治愈率为73%。各种研究结果表明，ESW治疗骨折不愈合的愈合率取决于骨折的部位及类型，之前的治疗方法，外伤与ESW治疗之间的时间，病变是否稳定和充分固定以及骨折断端之间间隙的大小等因素[23]。Alkhawashki等[24]使用ESW治疗44例患者的49处骨折不愈合，治愈率达到了75.5%，其余病例的失败是由于骨折断端间隙超过5 mm、骨折固定不稳定、骨折处血管受损和深度、低度感染所致。尽管一些临床研究显示在治疗骨折延迟愈合和骨折不愈合中ESW与外科手术拥有类似的疗效，但由于研究尚不健全，仍将使用ESW视为次要治疗选择[25]。Willems等[23]对两项随机对照试验和28项非随机研究进行荟萃分析，显示ESW治疗骨折不愈合或许有效，但目前大多研究质量不高，无法获得确定的结果。因此，目前对需要一些高质量的随机对照试验以证明ESW治疗的有效性。

2.2 股骨头缺血性坏死 股骨头缺血性坏死(avascular necrosis of femoral head，ANFH)是一种非常常见的骨科疾病，症状通常表现为剧烈疼痛、下肢活动受限等[26]。一般认为对于ANFH早期主要保髋方法是髓芯减压术，这种保髋治疗方法能够很好的减轻患者的症状，但是股骨头坏死的部分无法形成新骨，不能阻止疾病的进展，一旦股骨头发生严重塌陷，则需进行人工关节置换术[27]。ESW对骨组织生长具有促进作用，Zhai等[28]对骨髓间充质干细胞(marrow mesenchymal stem cells，MSCs)的细胞悬液进行ESW刺激，结果表明ESW能够诱导MSCs转化为成骨细胞，并抑制MSCs分化为脂肪细胞，这些都为ESW治疗ANFH提供了理论基础。对于早期ANFH，Gao等[29]对ESW治疗的335名早期ANFH患者(528髋)进行随访，其中83.9%的髋关节疼痛减轻并且功能得到恢复。对于晚期ANFH出现关节间隙狭窄及股骨头塌陷时，一般认为关节置换是唯一的治疗方法。Ma等[30]报道了1例使用ESW治疗先天性髋关节发育不良伴半脱位及ANFHⅣ级患者的研究结果，经过24个月的治疗，Harris评分由最初的33分增长到92分，疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale，VAS)评分由最初的8分降为0分，该病例报告证明了长期ESW治疗在晚期ANFH患者中的可行性。

2.3 膝骨关节炎 膝关节骨关节炎(knee osteoarthritis，KOA)是最常见的关节病变之一，其特征是进行性膝关节疼痛、肿胀，在某些严重的情况下可能导致为关节畸形，最终使患者丧失正常的生活和工作能力[31]。膝关节置换术仍然是针对晚期KOA的最有效方法，但手术也会增加患者的手术风险和经济损失，因此，如何治疗早中期KOA并延缓其发展仍是临床亟待解决的重要问题。Ochiai等[32]首先在动物实验中验证了ESW对于KOA大鼠的治疗是有效的，之后多个机构对ESW治疗KOA进行了临床研究。然而，Mayer-wanger等[33]在动物研究中发现高能ESW能引起大鼠软骨细胞膜脱落和坏死。Zhong等[34]的研究也显示，对于轻度至中度膝关节骨关节炎，低剂量ESW治疗在缓解疼痛和改善功能方面优于安慰剂，但对关节软骨有一些负面影响。不过多数研究对于使用ESW治疗KOA的疗效是肯定的。Kang等[35]研究发现与阿伦磷酸盐治疗相比，ESW治疗能更快的减轻KOA患者的骨髓水肿，这显示ESW治疗能更快的减轻患者的疼痛。Xu等[36]对比使用ESW和非甾体抗炎药治疗KOA的患者，结果表明使用ESW治疗的患者疼痛明显减轻，步态分析也显示与治疗前有明显好转，且治疗效果与非甾体抗炎药相比无统计学差异，这显示了ESW治疗对于KOA患者有减轻疼痛和改善膝关节功能的潜力。因此，对ESW治疗KOA的机制和前景进行进一步探索将是很必要的。

2.4 骨质疏松症 骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种以骨量低、骨微结构恶化和破裂以及骨强度受损为特征的疾病，在老年人和绝经后妇女中很常见[37]。OP患者骨折的概率明显提升，而骨折也会加剧骨质疏松的程度并增加了复发性骨折的发生率，因此，在发生骨折之前预防和治疗骨质疏松症非常重要[38]。当前用于预防和治疗骨质疏松症的常用包括降钙素、双膦酸盐、活性维生素D、雌激素受体调节剂、甲状旁腺激素类似物和RANKL抑制剂等，已被证实治疗骨质疏松具有良好的疗效[39]。但是，药物治疗也存在一些缺点，例如，较高的费用、较长治疗过程以及存在潜在的副作用等[40]。ESW能够影响骨髓基质细胞向骨祖细胞的分化，并增加几种生长因子的表达，为骨质疏松的治疗提供了新的方法。van der Jagt等[41]在动物研究发现在切除卵巢的大鼠中，ESW治疗可减少骨质流失，刺激了骨小梁和骨皮质体积的增加。Shi等[42]的研究比较了ESW和阿仑膦酸钠对于治疗绝经后骨质疏松患者的短期疗效，经12个月的治疗，高能量ESW比阿仑膦酸钠能更有效的提高患者髋部骨密度绝对值，在短期内对于骨质疏松的治疗拥有很好的疗效。虽然与药物治疗相比，ESW治疗仅对局部有效，但ESW能快速增加患者髋部骨密度，能更快的降低髋部骨质疏松性骨折的风险。

3 问题与展望

ESW治疗因其无创、快速、便利的特点，越来越多的应用于骨科治疗中，许多原本需要手术治疗的患者，通过这种保守治疗取得了满意的疗效。虽然在临床研究中，已报告了一些ESW治疗的并发症，最常见的是局部皮肤发红、肿胀和瘀斑。但是，这些症状无需进一步治疗即可逐渐消失，并且对身体没有明显危害[42]。目前，尚无关于ESW剂量的通用标准。因此，必须进行额外的ESW随机对照及双盲临床试验，以获得更好的结果并避免并发症。我们相信，随着对ESW研究的不断深入，必将在骨科和其他学科的治疗中发挥巨大的作用。