中、小劑量微波對鈦合金植入物周圍組織影響體內(nèi)研究

中、小劑量微波對鈦合金植入物周圍組織影響的體內(nèi)研付騰飛*市宜山路600200233：研究目的：攜帶金屬植入物是否微波治療的癥學(xué)術(shù)界一直存在爭議。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，當(dāng)組織內(nèi)有金屬物體并處于高頻電場作用下會(huì)引起植入物局部溫度過高。但對于鈦合金等非磁性和低磁性植入材料在高頻電磁場中是否引起熱積聚，體內(nèi)植入鈦合金是否可以進(jìn)行微波治療及合適劑量暫無。本研究對兔鈦合金內(nèi)固定模型施以梯度劑量微波治療，通過觀察不同劑量治療區(qū)域局部骨骼肌和神經(jīng)組織形態(tài)學(xué)、肌組織溫度、電生理學(xué)的變化，評價(jià)其安全性并尋找有效照射劑量，為高頻電療的臨床實(shí)踐提供理論依據(jù)。對象與方法：純種新西蘭成年兔12實(shí)驗(yàn)組，對側(cè)下肢進(jìn)行假手術(shù)作為對照組。按微波照射劑量分為20W、40W、60W、80W四組，每組3只。在麻醉下進(jìn)行微波照射（2450MHz,30min）,同時(shí)使用電偶測溫儀測量照射區(qū)域肌組織溫度變化。隨后肌電圖檢測坐骨神經(jīng)混合肌肉動(dòng)作電位（CMAP）觀察神經(jīng)功能。處死動(dòng)物，取股骨旁鈦合金周圍肌組織、神經(jīng)組織行病理學(xué)檢查。結(jié)果：小劑量（20W、40W）微波照射30分鐘，對照組與實(shí)驗(yàn)組溫度變化差異不顯著（各點(diǎn)高于對照組（P<0.05）42.10±0.17℃42.8±0.10℃（P<0.01），坐骨神經(jīng)CMAP波幅42.9±0.4450.8±0.40℃（P<0.01）。坐骨神經(jīng)CMAP波幅、速度下降顯著（P<0.01）。各劑量照射后肌組織、神經(jīng)組織無明顯病理結(jié)論：本研究表明，2450MHz微波連續(xù)中等劑量（60-80W）照射30分鐘可引起鈦合金植入物周圍組織熱損傷。小劑量（20-40W）連續(xù)照射30分鐘，植入物局部組織未見明顯熱損傷微波是頻率為300M到300GHz的電磁波，由于微波可引起組織內(nèi)微粒的運(yùn)動(dòng)，在組織內(nèi)就可產(chǎn)生熱效應(yīng)。這種熱效應(yīng)具有降低感覺神經(jīng)的興奮性，減輕疼痛；增加血液循環(huán)，加快組織細(xì)胞代謝；降低肌肉和結(jié)締組織張力，改善骨折及手術(shù)引起的組織粘連，降低疼痛域的作用[1]。因此，在骨科康復(fù)的早期階段具有重要的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，隨著各種醫(yī)療技術(shù)的廣泛應(yīng)用，患者體內(nèi)存在各種人工金屬植入物的情況越來越常見。根據(jù)物理學(xué)原理由于金屬在高頻電場中產(chǎn)生的分流效應(yīng)（ShuntingEffect）及感應(yīng)電流引起金屬植入物表面電流密集，而引起金屬熱積聚，可能導(dǎo)致植入部位組織灼傷[2]。但近年來逐漸有學(xué)者提出某些金屬植入物的存在對于高頻電的實(shí)施并不是絕對。因?yàn)殡S著材料科學(xué)的發(fā)展，醫(yī)用內(nèi)固定材料已經(jīng)由傳統(tǒng)醫(yī)用不銹鋼向鈦合金、合金不斷更新?lián)Q代。新材料的生物特性穩(wěn)定，磁導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)均較低，這些特征都使得體內(nèi)存在金屬植入物患者術(shù)后應(yīng)用各種高頻電療法成為可能。近年來也不斷有支持這一假設(shè)。Heick[3]、等[4]對的和腰背肌植入鐵、銅、鋁進(jìn)行脈沖短波治療，輻射后金屬片下無灼熱感。David等應(yīng)用脈沖短波療法為一位肘關(guān)節(jié)骨折鈦合金內(nèi)固定術(shù)后患者改善其關(guān)節(jié)活動(dòng)度[5]。Muranaka以明膠模擬組織髖關(guān)節(jié)金屬植入物，射頻熱使膝髖關(guān)節(jié)植入物溫度變化的結(jié)果顯示鈷鉻合金較鈦合金升溫高[12]。然而，國內(nèi)外尚無在金屬植入物存在條件下對動(dòng)物實(shí)施1000MHz以上高頻電療的相關(guān)研究。本課題針對臨床鈦合金植入物術(shù)后康復(fù)治療中的理論瓶頸，提出對鈦合金內(nèi)固定材料植入后應(yīng)用微波療法的假說。預(yù)將骨折微波療法臨床治療處方（劑量和時(shí)間）應(yīng)用于內(nèi)固定手術(shù)對象，通過觀察不同劑量梯度治療區(qū)域局部肌組織及神經(jīng)組織形態(tài)學(xué)、肌組織溫度、電生理學(xué)的變化，評價(jià)治療的安全性，開創(chuàng)性的探索微波療法應(yīng)用于鈦合金內(nèi)固定術(shù)后康復(fù)可行性，期待對傳統(tǒng)內(nèi)固定術(shù)后康復(fù)治療理論予以革新，使該類患者能早日受益。材料與方動(dòng)物模型建本實(shí)驗(yàn)選用12只新西蘭大白兔體重為2.0-3.2kg，由市第六人民醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。30mg/kg戊巴比妥鈉耳緣靜脈注射麻醉成功后，常規(guī)、鋪巾。以各兔的右腿為實(shí)驗(yàn)對象，在兔右側(cè)股后部切口進(jìn)入，分離肌層，充分顯露股骨，將鈦合金內(nèi)固定物固定于股骨上段（LCP,T-plate2.4,SynthesCompany,USA），后縫合傷口。各兔左腿做為對照，做假手術(shù)不植入鈦合金內(nèi)固定物。肌組織溫度測按微波照射劑量分為四組，分別為：20W、40W、60W、80W組，在麻醉下進(jìn)行相應(yīng)劑量微波照射。每只兔以左腿為對照，右腿為實(shí)驗(yàn)對象，使用2450MHz微波治療儀（PM-800,ITCompany,Japan）以股骨上段為中心，微波探頭距離皮膚10cm，分別對實(shí)驗(yàn)組（腿）對照組（左腿）連續(xù)照射30分鐘。兩次照射休息一小時(shí)，以使動(dòng)物照射局部及體溫恢復(fù)正常。微波照射同時(shí)進(jìn)行肌組織溫度測定。將電偶測溫儀的探頭置入股骨上段表面的股二頭肌內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組探頭垂直于鈦合金鋼板正中孔上方5mm，對照組置于對應(yīng)位置?；旌霞∪鈩?dòng)作電位（compoundmuscleactionpotentialCMAP)）照射后，麻醉下采用KeypointPortable生理信號處理系統(tǒng)以及相關(guān)設(shè)備。將接地線置于對側(cè)小腿皮膚上。沿原手術(shù)入路切開皮膚、肌肉，解剖分離坐骨神經(jīng)。將一個(gè)雙極針狀刺激電極鉤在大腿中段坐骨神經(jīng)，將記錄電極刺入同側(cè)腓腸肌。調(diào)節(jié)好電極位置，保持電極與神經(jīng)干良好的接觸。刺激近端，找出引起誘發(fā)動(dòng)作電位的閾值和最大刺激后再重復(fù)刺激數(shù)次，待熒屏上顯示的神經(jīng)干復(fù)合動(dòng)作電位圖形穩(wěn)定，偽跡及動(dòng)作電位起點(diǎn)清楚行儀器自動(dòng)測量數(shù)據(jù)。記錄復(fù)合肌肉動(dòng)作電位（compoundmuscleactionpotential，CMAP）測量其潛伏期（latentperiod）和波幅（amplitude）。以兩記錄電極點(diǎn)的潛伏期之差除該兩點(diǎn)間的距離，便得出兩點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)傳導(dǎo)速度(MNCV)。MNCV（m/s）=S（m）/（T1-T2）。T1、T2分別代表兩記錄電極潛伏期，S代表兩點(diǎn)間距離。檢測參數(shù)：刺激用方波1.0s，強(qiáng)度為25mA，掃描速度為5ms／D，靈敏0.1～1.0mV／D。組織學(xué)檢處死動(dòng)物，取照射區(qū)肌組織、神經(jīng)組織，固定的標(biāo)本常規(guī)脫水，石蠟包埋，4-5μm切片，常規(guī)脫蠟水化，蘇木素染色2分鐘，襯染20秒，脫水，透明，封片，統(tǒng)計(jì)學(xué)分meanSDSPSS14.0t驗(yàn)，差異具有顯著性為P<0.05。結(jié)肌組織溫度變20W、40W微波照射30分鐘，肌組織溫度升高，但對照組與實(shí)驗(yàn)組溫度變化差異不顯著（P>0.05）。60W15分鐘后，實(shí)驗(yàn)組溫度明顯高于對照組（P<0.05），溫度峰值分別為對照42.100.17℃，實(shí)驗(yàn)42.80.10℃（P<溫度峰值分別為對照組42.9±0.4450.8±0.40℃（P<0.01）。坐骨神經(jīng)CMAP測20W、40W微波照射30分鐘，對照組與實(shí)驗(yàn)組傳導(dǎo)速度差異無顯著性（各點(diǎn)P60.35.1m/s23.76.7m/s（P0.01）波20W、40W、60W微波照射30分鐘，對照組與實(shí)驗(yàn)組波幅差異不顯著（各點(diǎn)P16.41.9mv（P0.01）光學(xué)顯微20W、40W、60W、80W微波照射30分鐘，實(shí)驗(yàn)組肌組織HE染色，可見清晰的橫紋，肌纖維清晰，排列整齊。坐骨神經(jīng)HE染色，組織結(jié)構(gòu)無明顯病理學(xué)變化。討高頻電療法的熱效應(yīng)主要取決于其頻率和作用于的方式。本研究采用臨床康復(fù) 微波儀器，對動(dòng)物模型實(shí)施由小劑量到中劑量梯度（輸出功 20W、40W、60W80W）的連續(xù)微波照射來研究微波對鈦合金植入物周圍組織的短期效應(yīng)。由于富含水分的組織能較多地吸收微波能量，而脂肪、骨骼等含水量少的組織吸收較少，因此本研究選取植入物周圍肌組織為測溫對象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小劑量微波照射（20W、40W）對鈦合金周圍肌肉組織溫度影響不顯著，而中劑量（60W、80W）微波連續(xù)照射，使得鈦合金周圍肌肉組織溫度顯著升高。對于高頻電場中存在金屬植入物組織熱損傷的原因即金屬有反射微波的能力，這使得在同等劑量微波照射下，金屬植入物局部組織同時(shí)接受微波源照射和金屬反射劑量的微波，局部組織過熱。對此，是否可以減小劑量使得微波電療既能發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)達(dá)到臨床治療效果又不引起熱損傷的較少。等[4]利用2450MHz微波輸出功率30W對植入不同金屬（鐵、銅、鋁）的肌肉組織照射10分鐘，發(fā)現(xiàn)金屬周圍組織溫度升高較對照無顯著差異，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。因此，小劑量微波使鈦合金周圍肌肉升溫不明顯，應(yīng)用相對安全。但在中等劑量微波場中，鈦合金周圍肌組織升溫表現(xiàn)出升溫速度快，達(dá)到峰值高的特點(diǎn)。80W照射峰值溫度50.8℃，已明顯超出微波療療溫度42-45℃。既往研究顯示，溫度超過43℃細(xì)胞的蛋白和酶開始變性。此外，中等劑量微波照射也影響照射區(qū)內(nèi)神經(jīng)的結(jié)構(gòu)和電生理功能。CMAP波幅代表所測神經(jīng)纖維束整體動(dòng)作電位幅度，60W、80W照射后引起CMAP波幅下降，表明坐骨神經(jīng)的神經(jīng)纖維束受損[6]。本研究中，坐骨神經(jīng)未與鈦合金植入物直接接觸，分析其受到損傷原因可能是由于鈦合金植入物引起局部組織過熱，神經(jīng)組織對電、熱損害敏感[7]，間接引起照射區(qū)坐骨神經(jīng)的熱損傷。Nutt等[8]研究，雙側(cè)腦組織深部植入神經(jīng)刺激電極(deepbrainstimulator,DBS)的帕金森氏病患者，接受頜面部手術(shù)后為促進(jìn)傷口愈合施以脈沖短波熱療后，Ruggera等[9]利用等效模體模擬得出其原因即腦組織的熱損傷。因此，在有鈦合金內(nèi)固定物的情況下行中等劑量微波療法可引起植入物周圍組織的熱損傷，應(yīng)作為絕對嚴(yán)格控制。本研究表明，2450MHz微波連續(xù)中等劑量（60-80W）照射30分鐘可引起鈦合金植入物周圍組織熱損傷。小劑量（20-40W）連續(xù)照射30分鐘，植入物局部組織未見明顯熱損傷表現(xiàn)。參考文獻(xiàn)AaronR.K.,BoyanB.D.,CiomborD.M.,etal.Stimulationofgrowthfactorsynthesisbyelectricandelectromagneticfields.ClinOrthopRelatRes,2004(419):30-7.TurkEA,KopanogluE,GuneyS,etal.AsimpleyticalexpressionforthegradientinducedpotentialonactiveimplantsduringMRI.IEEETransBiomedEng,2012，59:2845-2851.HeickA.,EspersenT.,PedersenH.L.,etal.Isdiathermysafeinwomenwithcopper-bearingIUDs?ActaObstetGynecolScand,1991.70(2):153-5.,,梁閩南,等.微波電場中金屬物對體表組織的影響.中華理療雜志1997(02):DraperD.O.,CasJ.C.,CasD.Low-WattPulsedShortwaveDiathermy.HumanKinetics-AthleticTherapyToday,2004.9(5):28-32.GuptaR,NassiriN,HazelA,BathenM,MozaffarT.ChronicnervecompressionaltersSchwanncellmyelinarchitectureinamurinemodel.MuscleNerve.2012Feb;45(2):231-41.ReillyJP.Scalesofreactiontoelectricshock:thresholdsandbiophysicalmechanisms.AnnNYAcadSci1994;720:21-37.NuttJG,NygaardTG.Responsetolevodopatreatmentindopa-responsivedystonia.ArchNeurol,2001，58:905-910.RuggeraPS,WittersDM,vonMaltzahnG,etal.Invitroassessmentoftissueheatingnearmetallicmedicalimplantsbyexposuretopulsedradiofrequencydiathermy.PhysMed