微波對骨折后鈦合金內(nèi)固定物的影響

鄒玉珍，白躍宏

微波技術(shù)于1947年開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]，開始只是應(yīng)用于微波理療，隨著微波在消除多種炎癥及組織凝固等方面獨(dú)特療效的凸顯，其作用才日益引起醫(yī)學(xué)工作者的重視。骨折的愈合涉及一系列復(fù)雜的骨性組織的再生和重建。根據(jù)Einhorn的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，5%～10%的骨折患者會(huì)出現(xiàn)骨折的延遲愈合，其中絕大部分患者會(huì)發(fā)生骨折不愈合[2]。因此醫(yī)學(xué)工作者一直致力于尋找有效的方法來降低骨折延遲愈合的發(fā)生，早期實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，微波是一種有效促進(jìn)骨折愈合的方法[3-5]。然而臨床醫(yī)生和物理治療師更關(guān)心微波對植入鈦合金內(nèi)固定骨折患者進(jìn)行照射的效率和安全性，因?yàn)檫@樣的植入物在臨床上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)意義上，各種形式的微波治療已被禁止對體內(nèi)有金屬植入物的患者進(jìn)行使用[6-7]。因?yàn)槲⒉ぐl(fā)的電磁波反射和渦流會(huì)使金屬植入物升溫，會(huì)對附近的組織造成熱損傷[8]。然而對有金屬植入物的患者應(yīng)用微波治療的危害仍然缺乏基于實(shí)驗(yàn)研究的可靠證據(jù)，一些醫(yī)務(wù)工作者認(rèn)為這一禁忌似乎是基于微波對心臟起搏器和神經(jīng)刺激器有不良影響的共識(shí)而推廣的，而不是經(jīng)體內(nèi)研究證實(shí)得出的。這篇文章的目的就是通過近幾年來國內(nèi)外相關(guān)的試驗(yàn)研究來評價(jià)微波治療應(yīng)用于內(nèi)固定骨折康復(fù)的可行性和安全性。

1 微波的物理特性

微波具有波粒二象性，屬于非電離輻射,其量子的能量在10ev以下。當(dāng)微波作用于生物體時(shí),它的量子能量不足以破壞物質(zhì)的化學(xué)鍵，也不會(huì)使物質(zhì)產(chǎn)生電離作用,故不會(huì)改變物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，只是對分子的自由旋轉(zhuǎn)度起作用，可引起分子的電磁振蕩[9]。微波在高水分的組織中(如肌肉組織)吸收快、穿透深度小,而在低水分的組織(如骨組織和脂肪組織)中則吸收慢、穿透深度深[10]。微波的頻率對介質(zhì)的穿透深度也有影響，頻率越高、穿透能力越弱[9]。根據(jù)這一特性,臨床上常應(yīng)用不同頻段的微波治療不同性質(zhì)的疾病。目前常用的是915MHz與2450MHz微波,其中以2450MHz微波最為常用。

2 微波的生物學(xué)效應(yīng)

關(guān)于微波與生物體相互作用的機(jī)理，早期普遍認(rèn)為只有熱效應(yīng)[11-12]，但作用過程中出現(xiàn)的一些異常現(xiàn)象確無法用熱效應(yīng)解釋[12-14]。近年來不少學(xué)者已經(jīng)證實(shí)了微波非熱效應(yīng)的存在。

2.1 微波的熱效應(yīng) 生物體組織內(nèi)大部分是由水和蛋白質(zhì)等極性分子組成,在微波電場力矩的作用下,極性分子沿著微波電場的方向進(jìn)行有序排列的取向運(yùn)動(dòng),并隨著高頻電場的交變而來回轉(zhuǎn)動(dòng),在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中與相鄰的分子產(chǎn)生類似摩擦、碰撞而生成熱量[1]。與其它的熱療方法不同,微波生熱的特點(diǎn)是其熱源不是由外部提供,而是生物體組織自身，被輻射部位組織按其組成物質(zhì)的吸收特性就地生熱，在被輻射物體內(nèi)外同時(shí)發(fā)熱，不需要傳熱過程，所以微波加熱升溫快，停止后降溫也快。在微波輻射場內(nèi)的組織損傷是均勻性的，而場外的組織損傷則較輕,這種熱效應(yīng)效率高,均衡性和熱穩(wěn)定性好。

2.2 微波的非熱效應(yīng) 微波的非熱效應(yīng)是除熱效應(yīng)以外的其他效應(yīng)，指在不引起明顯溫升的情況下，細(xì)胞所出現(xiàn)的生理病理的變化[14]。其作用機(jī)制還未能達(dá)到徹底認(rèn)識(shí)的程度，學(xué)者們提出了幾種假說。其中的“壓電效應(yīng)”引起了較多醫(yī)學(xué)工作者的關(guān)注，這種假說認(rèn)為，生物體中的骨膠質(zhì)和晶狀無機(jī)磷灰石等具有壓電性質(zhì)，其在電磁場的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，故微波有加速骨折愈合的作用[15]。

熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的產(chǎn)生取決于微波的頻率、強(qiáng)度、波形和處理時(shí)間等[16-17]。所以在不同條件下，這兩種效應(yīng)的表現(xiàn)各有側(cè)重。當(dāng)熱效應(yīng)較顯著時(shí)，非熱效應(yīng)常常會(huì)被掩蓋[13，17]。

3 微波治療促進(jìn)骨折愈合的機(jī)制

Leon等[3-5]使用專用的微波治療系統(tǒng)，通過體內(nèi)和體外的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了微波治療對骨的影響，證實(shí)微波治療能促進(jìn)骨質(zhì)沉積，是一種有效促進(jìn)骨折愈合的方法。微波熱效應(yīng)引起機(jī)體產(chǎn)生的最有利的生理反應(yīng)就是使局部血流量增加[18-19]。這一改變與中樞神經(jīng)系統(tǒng)(下丘腦)的神經(jīng)調(diào)節(jié)和血管活性物質(zhì)(如緩激肽、組胺)的釋放有關(guān)，通過引起血管的舒張和毛細(xì)血管通透性的增強(qiáng)使得血流灌注增加[19-20]。血流量增加帶來的極大益處是氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的增加，這兩者是機(jī)體合成代謝和組織修復(fù)所必需的。毛細(xì)血管通透性的增強(qiáng)使得巨噬細(xì)胞和粒細(xì)胞更易向受損區(qū)域聚集，促進(jìn)毒素和壞死物的清除[21]。同時(shí)，升高的溫度會(huì)使得軟骨降解酶的活性下降[22]，干擾膠原酶、氧化酶和其它炎癥相關(guān)酶的活性[23]。最后，高熱激發(fā)熱休克蛋白表達(dá)增加，加快蛋白合成和減少蛋白退化[24-25]。

高熱還能改變膠原蛋白的機(jī)械性能，當(dāng)膠原在加熱時(shí)進(jìn)行被動(dòng)拉伸，即使在冷卻后也仍能保持[26]，相比未經(jīng)加熱就被拉伸，加熱后不易發(fā)生斷裂[27]。另外，氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的補(bǔ)充能加速肌細(xì)胞內(nèi)線粒體中氧化磷酸化過程，使ATP生成加快[28]。由于ATP的增加和軟組織中膠原蛋白的機(jī)械性能的改變，肌肉的收縮性能增強(qiáng)[29]。

4 微波對金屬植入物的影響

因?yàn)槲⒉▽饘儆袕?qiáng)烈的致熱作用，故一般認(rèn)為微波不可以在金屬植入物區(qū)域進(jìn)行治療使用。關(guān)于這種不受歡迎的致熱作用的產(chǎn)生已經(jīng)提出了兩種機(jī)制，其一便是認(rèn)為由金屬表面的電磁波反射引起的[30]，兩倍劑量的輻射可能會(huì)使金屬植入物附近的組織迅速升溫。此外，電磁場引起的渦旋電流也是一個(gè)重要的因素。Cooper等[31]研究發(fā)現(xiàn)，金屬植入物在生物體組織中相當(dāng)于一個(gè)小型的輻射天線，能引起生物體電磁場的重新分布，當(dāng)金屬植入物附近的電磁場方向與金屬垂直時(shí)，較比相同體積的無金屬植入物的組織，其磁通量和能量吸收更多。位在電磁場中的金屬表面會(huì)激發(fā)出渦流，激發(fā)的渦流會(huì)產(chǎn)生第二電磁場。

5 微波治療內(nèi)固定骨折患者

5.1 可行性 早期杜杰等[32]將鐵、鋁、銅三種不同金屬片依次置于健康人的腰背部皮膚表面，分別測定在微波輻射前后相應(yīng)部位的體表溫度，結(jié)果顯示三種金屬在微波作用后其體表溫度比作用前高，具有顯著性差異。巴方等[33]對兔肱骨植入鋼板的實(shí)驗(yàn)組和未植入鋼板的對照組經(jīng)超短波治療后的溫度進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)組比對照組溫度升高明顯。此外，Muranaka等[34-35]在體外對鈷鉻合金植入物和鈦合金植入物射頻加熱的特性進(jìn)行了評估，結(jié)果顯示，溫度升高速度和最大溫升鈦合金植入物均明顯低于鈷鉻合金植入物。與傳統(tǒng)的醫(yī)用不銹鋼等植入材料相比，醫(yī)用鈦合金的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率更低[36-37]，熱積累的更少，而且具有良好的加工性能和生物相容性[38]，因此是較理想的外科植入物用金屬材料。在早期實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)[39-40]，在模擬的人體組織內(nèi)微波并不會(huì)對金屬植入物進(jìn)行加熱，除非當(dāng)金屬相對于周圍組織為較低電阻時(shí)，它才成為分流通路。這條通路的加入減小了電路中的總電阻并成為電磁場集中的區(qū)域。當(dāng)棒狀金屬垂直于電磁場方向放置或者較細(xì)金屬絲位于電磁場內(nèi)時(shí)，植入金屬也相當(dāng)于一個(gè)分流通路。分流時(shí)間越長電磁場越集中，組織灼傷的可能性就越大。這種情況下的發(fā)熱集中在金屬兩端而不是沿著整個(gè)金屬片。因此，只要通過放射圖像確保微波輻射的加熱與鈦合金植入物的主軸不垂直，而成一直線，就應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)微波對內(nèi)固定患者的安全治療。

5.2 安全性 由于微波優(yōu)先對水加熱，與骨組織相比，肌肉組織由于含水量較高，所以吸收微波能量更強(qiáng)[41]。因此，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)研究主要通過關(guān)注金屬植入物附近的肌肉組織的溫度來判斷實(shí)驗(yàn)的安全性。早期研究發(fā)現(xiàn)[42-43]，細(xì)胞內(nèi)的酶和蛋白質(zhì)在體溫超過43°C時(shí)才開始變性。細(xì)胞死亡的速度與時(shí)間和溫度有關(guān)，通過不同的加熱機(jī)制得到的時(shí)間與溫度的數(shù)據(jù)可運(yùn)用幾種方式來規(guī)范成統(tǒng)一常用的模式。在一篇經(jīng)典論文里，提議了一種簡單的方法來實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換[44]。這一計(jì)算學(xué)(Computational electromagnetics，CEM)稱為“等熱劑量”。轉(zhuǎn)換公式為：CEM43℃=tR(43-T)。其中t表示暴露的總時(shí)間，T為時(shí)間間隔t期間的平均溫度，R為常數(shù)，當(dāng)T<43°C時(shí)，R=0.25，T>43°C時(shí)，R=0.5。其與多種組織熱損傷具有很好的相關(guān)性，因此實(shí)驗(yàn)中不同的時(shí)間、溫度數(shù)據(jù)可被轉(zhuǎn)變?yōu)樵?3℃時(shí)所需的等效時(shí)間后，再統(tǒng)一進(jìn)行熱劑量評估。

5.3 研究進(jìn)展 Seiger[45]和Draper[46]通過脈沖短波透熱療法提高了鈦合金植入患者踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍(Range of motion,ROM)。同時(shí)，所有受試者在治療過程中和治療結(jié)束后均無不適感，疼痛，燒灼感的主訴。張晗[47]、Ye等[48]在家兔模型上證實(shí)了連續(xù)低劑量的微波照射加速骨折愈合，并且不會(huì)引起鈦合金植入物周圍組織明顯的熱損傷。幾個(gè)研究的一致性結(jié)果表明，微波是治療鈦合金內(nèi)固定骨折一項(xiàng)極有前景的治療手段。

6 未來研究的方向

為量化和限制電磁輻射的量，國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE 2006)和國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)(ICNIRP 1998)均制定了SAR標(biāo)準(zhǔn)[49]。因此在之后的研究中，利用充足數(shù)量的動(dòng)物模型，增加對SAR測量監(jiān)測并進(jìn)行長期的跟蹤觀察是否有不良事件發(fā)生，綜合評價(jià)微波治療的療效和安全性。

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