成都华西华科研究所分析骨功能适应性与QCT骨密度软件体模检测

人类在对自然环境的适应和改造的过程中，不断进 化。作为起支持、保护并完成各种动作的骨骼系统中的 主要承力骨，已经通过数百万年的进化过程，得到了最优 化的结构形态。也就垃说骨以最优的结构形态去适应相 应的力学环境。同时，当力学环境改变时，骨的组织结构 形态会发生变化，仍以M优结构形态去适应新的力学环 境。这种功能称为骨的功能适应性。本节将介绍Wolff 定律，骨塑建和骨取建，Frost的力学调控理论，以及骨的 应力一生长关系。

一、Wolff 定律（Wolff's law}

一个多世纪以前，人类已经获得了骨结构与力学环境有关的定性认识。1867年，一位德国解剖学家Von Meyer•在研究骨骼的形态时注意到股骨近端小梁骨的方 向性排列。当他在一个学术会议上发表这一结果时，一 位瑞士工程师Culmann注意到Meyer的小梁骨图（图1.  15b)与他先前做的起東机的主应力迹线（图8- 15c) 有惊人的相似。他们交换意见后，提出了小梁骨结构的 轨道理论，即小梁骨沿主应力方向排列。与Meyer和 Culmami同时代的一位德国解剖学家Julius Wolff将他们 的理论又向前推进了一步。Wolff 1892年总结骨小梁 的形态与应力迹线相匹配（现在称迹线假设），并融合了 其它人的观点，指出骨食适应外部栽荷作用的能力；骨的 形态和功能的每一种变化，或单独功能的改变，都将按照 一定的数学规则而导致其结构的改变。形成重量最小， 强度最大的力学上的最优结构。也就是说，骨小梁不仅 是沿主应力方向排列，而且当主应力方向发生改变时，卄 小梁也会据此改变方向。这是在人类历史上第一次提出 骨结构响应于力学环境的变化，即在笛要的地方就生长， 不黹要的地方就吸收。这样就把优化的观点与骨功能适 应性联系在一起。人们把Wolff的这些主要观点命名为 “Wolff定律"。至今.对这个主题的研究还在继续进行。

b田8-丨5 Wolff定律的解释图 _a.股哲近墙结构；b.股骨近端小梁骨排列的方向性；c.起 重机的主应力迹线

二、骨塑建和骨重建（Bone modeling and re- modeling)

卄绀织中有两个组织水平的箪本谰控机制：卄塑迮 (modeling)和骨承建（remodeling)。我们在这里主要介 绍它们与力学环境的关系。

(一）骨塑建

卄钠逮，又称fl•啭形或钟逮造，包括成骨漂移和破骨 漂移^U2]。这两个过程可以在器官水平和组织水平进行。 成竹溧移足指在付局部原有的骨世不足以承受外力时， 该W部处于胙止期的骨表面被激活而开始成骨，使得骨 M不断坩加，直至该局部骨组织的应变恢复到正常水平， 骨衣曲也由成骨東新恢复到静止状态。破骨漂移是指当 骨局部职有的骨MM得相对过多，该局部处于静止期的 骨表面被激活而进人破骨过程，骨里因此而不断减少，直 至该局部骨组织的应变恢复到正常水平，骨表面也由破

骨重新恢复到静止。

在骨骼的生长期，骨塑建与骨的生长是同时进行的 (图8-丨6^[12]):骨两端的软骨性生长板的软骨内成骨导致 了骨的纵向生长而使其长度增加，骨外表面骨钥建所引起 的新骨形成导致了骨的横向生长而使其宽度增加，处于辅 助地位的破骨漂移的主要任务姓由成骨漂移生成的不承 受外力的多余骨组织吸收掉，因而增加了骨髓腔的直径。

图8-16长骨在纵向生长时.骨*建醺费它的形状^[~ 图中的为破骨漂移，“ + ”为成骨漂移。在A区破骨潭 移吸收掉原有的突出部使钟端维持屮状。在B区的成 骨漂移使密质骨的庠度在A区被吸收掉时得以维持。在C K的破骨漯移使骨f的钟《腔随着骨干的增长而延伸。在 D区的成贷漂移使骨干增粗。在EK的破骨漂移使骨干的 骨《腔增大…般来说，骨槊建过程主要发生在生长期，对于成年 人正常的活动，骨塑建几乎处于关闭状态。怛是当伢组 织外力环境发生改变，具体地，如果受力过大使某局部的 最大应变超过“塑建阈值”（在下一节详细介绍〉.骨塑建 的成骨漂移就会开启，增加局部的骨1和强度，使应变值 恢复到塑建阈值以内，成骨漂移则又恢复到静止状态。 如果受力过小，破付漂移就会开启，减少局部的#M和强 度。在外力幅度不变而分布规律发生改变时，破骨漂移 和成竹溧移躭会协同作用将骨组织移动到承受外力所需的部位。这样，骨塑建调整了骨的儿何形状及质缳分布， 使其与变化了的力学环境相适应。

(二）骨重建

骨重建M维持骨组织代谢和力学功能的重要机制。 与骨塑建不同，骨重逮存在于在人生的全过程，使骨组织 不断地自我调整和自我史新。它是由成骨细胞和破骨细 胞相互锅连构成基本多细胞单位（basic multicellul.ar _Units,BMU_S)，引起骨的更新或转换。骨重建发生在皮质 骨或小梁骨表面，或皮质骨内部的Haversian系统。骨重 述呈周期性，经瀲活、骨吸收、逆转、骨形成后再进人静止 期。一个#重建周期约为3个月。骨组织不断的自我更 新使密质骨的平均骨龄维持在20年左右，使松质骨的平 均骨龄维持在4年左右^h21。

正常活动范围内，#重建比较稳定，只是在废用状态 (如长期卧床的病人、制动病人，或长期处于失重状态的 宇航员），或因超负荷运动而使骨组织内部微裂纹剧增， 或绝经后妇女雌激索水平下降等悄况下，骨承建频率会 大幅度增加，以适应变化了的力学环境、修补傲裂纹或导 致病理性失骨。

三、Frost的力学调控理论（Frost ’ s mecha- nostat theory)

美国专家Frost总结了有关于骨功能适应性的生物学 调整过程的研究，提出：骨功能适应的控制过程是生物学 的，但力学环境起支配作用，通过力学反溃和调定点控制 M部骨质敏，达到应变与背质徵的平衡，去适应力学环境。

(一）Frost力学调控系统的提出

Frost认为^h31，骨组织对其力学环境的适应能力，说 明了骨组织中可能存在者与室内调节温度的“温度调控 系统” (Thermostat)类似的调拧系统：即一个由温度感受 器，升温/降M机制和反馈回路机制组成的系统。当温度 感受器监测到室温A于/低于指定温度（W值）时，降温/升 温机制开始丄作，使室内M度达到到指定范围内。因此， 他把这种引起骨童重新分配而适应力学环境的机制称为 骨的“力学调控系统"（Mechanosut)。骨力学调控系统可 用图8- 17表示。

健康/疾病肌肉收缩这一力学调控系统的主要控制因素是口常生活中由 肌肉收縮而产生的外力作用（Mechanical Usage),它使骨 组织产生变形和微裂纹~。骨组织内部对外力作用的敏 感性被称为阈值。日常生活中由肌肉收缩而产生的外力 作用是力学调控系统的主要控制因素。如果不考虑性別、年龄和身高，局部肌肉强度是决定骨骼强度的重要因 素。在日常生活中，机体为了克服甫力和外力，使肢体活 动，肌肉需要动用比体重多很多倍的力擞。例如，足球运 动员在比赛时，股#受到的肌力负荷是其体重的5倍。 研究S示肌肉强度和肌肉含置及其附昔的骨骼的骨里呈正相关^ Frost认为，肌力决定骨结构和骨里，使骨强度 适应运动负荷。在所有的运动中，举重运动员的肌肉最 强，肌力最大.而马拉松、长跑和游泳运动员的#里较低。 研究还显示，肌力的变化先于骨强度的变化，背强度的变 化是由肌力变化引起的〇当废用或雌激索缺乏时，肌力 下降的速度要快于#强度下降的速度¹

在生长发育期，人体体重与肌力不断增加，使骨骼系 统持续处于轻度超负荷状态，引起骨塑建使得骨燉增加 和板层骨形成。成年人的骨强度与肌力大体相平衡，骨 骼系统内部以维护模式的骨重建为主，防止骨丢失。而 老年人由于肌力的喊弱和活动啻的减少，使#骼处于相 对废用状态，发生废用模式的骨重建，导致#M减少。

(二）力学调控系统的阈值 Frost认为由最小有效应变（MES>^n5]定义的不同的 应变阈值可以瀲活不同的适应性过程（阁8~丨8)。具体 地，骨東建阈值为200_Me，当力学环境引起的骨内最大应 变小于此值时，骨组织处于废用状态（范围），它感受到现 有骨最超出承受外力作用的笛要，合成和分泌特定的生 化G兮指令，促使骨〇i违激活频率大幅度增加，H时使讶 吸收里大于背形成M.总讶里滅少。这样，#内嵌大应变 又倾向于升商到这个阈值以匕使骨重建过程结束。当 外力作用引起骨内最大应变在200和100(^_e之间时，骨 组织处于适应状态（范围>,骨组织感受到现有毋燉大体 上满足承受外力的需耍，仅在个别局部有过高或过低的

应变或者傲裂纹，因而仅在特定的局部合成和分泌特定 的生化信号指令，贵重建激活頻率基本处于正常范围，应 变过离处骨吸收M小于骨形成量；应变过低处骨吸收最 大于骨形成敏，总钟贵基本不变。骨塑建阈值为1000^, 当外力作用引起骨内最大应变在1000和3000_Me之间 时，骨组织处于中度超负荷状态（范围），背组织感受到现 有的骨®不能满足外力作用洛要，合成和分泌特定的生 化信号指令，激活骨塑建的板层骨（丨amellar bone)成骨漂 移机制，同时使正在进行的骨東建机制的骨吸收里小于 骨形成ft,骨》因而逐渐增加。这样，骨内最大应变又倾 向于降低到塑建阈值以下，骨塑建过程结束，骨组织又回 到适应状态（范围）。因此，1000〜3000^的范围可以看 成力学因素控制骨塑建的MES的正常设定范围。或者 如Frost所述，这个范闱至少有一个作用是使窀建调整卄 质擞，以使结构最大应变降低到塑违阈值以下。病理性 骨塑建阈值为3000/xe，当外力作用引起骨内甩大应变大 于此值时，脊组织处于病理性超负荷状态（范围）。骨组 织感受到现有的#设明显小于外力作用的霈要，合成和 分泌特定的生化信号指令，激活骨塑建的编织骨（woven bone)成骨漂移机制，快速而大fi地成骨，同时使正在进 行的骨重建机制的骨吸收ft小于成骨屋，总骨S迅速增 加。当应变达到2500(^6时，正常的板状骨就会骨折，这 一点对应者骨的极限强度。

骨重建M值

200}!. strain Op. strain

骨建造阈值

1000)i strain

病理性 骨建造阈值

3000p. strain

适应范围-

•中度超负荷范

面病理性超负

骨的极限强度-骨折

25000|x strain

荷范围 

骨重建

费嫌

»令今板层脊漂移 ♦♦♦网状骨溱移

""骨建造

阁8-丨8力学调控系统的《值⑴

(三）板层骨与编织骨

通过上面的介绍，我们知道当力学环境引起的骨内 最大应变超过骨頌建阈值（1000 /xe)时，板M骨的成骨漂 移机制被激活而形成板《毋；当力学环境引起的骨内最 大应变超过病理性許塑违阈值（3000_Me)时，骨费建的编 织骨成骨溧移机制就会被激活而形成编织骨。Bertram 和Sw_artz^U63的研究表明，骨功能适应性引起的编织骨的 形成，是作为对载荷的初期的响应。尽管编织骨对于骨 愈合和迅速生长非常承要，它不是在健康成年骨骼中能看到的响应，除非是在特殊的环境下（Burr等…¹)。这个 时候，编织#可以使截面尺寸快速，甚至几乎是立即地增 大，这样才可以使结构的最大应变降低到阈值以下之后。 随着骨敎建的进行，它再巩固强化成为板状骨结构 Turner等⑶⁵研究了鼠胫脊的板状骨和编织骨形成的力 学栽荷阈值。他们每天对鼠胫骨作用36个循环頻率为 2Hz的正弦型栽荷，不同组鼠作用的栽荷幅值不同，分別 为27,33,40,52,64N。12天后，观察到载荷幅值大于 40N时，胫骨骨膜表面有编织骨形成，而且当超过这个激励阈值以后，形成的编织#里与应变大小无关，它总是以 最大的形成速度适应于力学栽荷。而皮质骨的内表面只 形成板状骨。当载荷幅值超过40N的阈值（大约 1050#)时，板状骨的形成M随应变呈线性增加。当应变 小于1050_Me时，没有观察到#形成。

(四）衰老彩响骨组织力学性能的生物学

机制

Frost用力学调控系统理论解释了衰老对骨绀织力 学性能的影响。他相信，外力作用对塑建漂移有影响，基 于基本多细胞单位的骨重建也以确定的方式影响骨质 馕，它们对力学激励的不同的适应性机理决定笤不同的 适应过程，而成年期骨骼似f是存在于应变的平衡区域 之内。他还指出.激活承建或明建的阈值，或称为其调定 点，受到体液或局部因素（如激素、类固醉或药物），或生 理上的骨疾病的影响。Frosfn研究了力学调定点的变 化在骨质疏松发病机制中的作用。他认为，老年肌肉力 里的减小会使塑建引起的骨增加停止，并且增加虫建吸 收紧邻骨髄的骨，其中后者的作用是使皮质变薄，减少小 梁骨的数M、厚度和连接性。即使在此时将外力作用恢 复到成年期的正常水平（里建就会开始以维护携式保存 现有的骨里），但是塑述仍然是关闭的。只有在儿里时期 和W年时期，大大提高的肌肉力里才可以使塑建增加骨 质M,冋时使重建继续保持已有骨量^这是因为只有在 儿童时期和样年时期，骨内应变才能在过载下超过两个 阈值范围，即一个重建阈佾和另一个高于它的塑逹阈值。 他还假设.由于一呰激素（如妇女绝经后引起雌激索水平 下降）、药物或其他厣因，力学调定点会被提高。此时即 使外力作用还是正常的，也会给骨一个虚假的“废用信 号”，因此废用的效果也就产生了。比如，如果正常的骨 细胞认为2000/xe能够维护骨质最，病态过程中由于调定 点的提高，细胞就可能会认为这个应变太小了，以致于感 觉到自己处于废用状态而不能维护现有的骨结构，因此 导致了骨质谩的丢失。

“老年期力学调定点提卨”是有一定实验依据的₆ Turner等^[22]的研究表明衰老b〖使鼠胫骨处骨形成的力 学载荷阈值发生改变。在这个实验中，老年鼠的讶形成 速度与先前Turner等&研究的成龄鼠的骨形成速度进 行了比较。在骨膜表面，当栽荷幅值超过40N时，有 59%的老年鼠存编织骨形成（而在[2CJ]中，所有的成龄鼠 都有编织骨形成）。可见，对于力学载荷，老年鼠的骨膜 有一个更高的可激活的阈值。但是一旦被激活，其细胞 有和成龄鼠一样的肜成编织骨的能力。而在皮质骨的内 表面，当载荷幅值达到64N时，骨形成里有少摄的增加。 我们知道，在文献[20]中，成龄鼠皮质骨内表面板状骨形 成的力学阈值为1050；^，肘老年鼠的皮质骨内表面滞要 超过1700_Me才能使骨形成fi增加。以上实验结果表明， 老年鼠胫骨的骨膜表面和皮质骨内表面对力学激励的反 应较成龄鼠迟钝。

上述实验表明，袞老可引起骨对于正常的力学激励 反应“迟钝”。那么我们可以设想：如果加大力学激励，比

如也让老年人从亊一些剧烈的、高强度的体育锻炼，会不 会使骨形成增加呢？答案是否定的。老年期骨骼对卨强 度的体育锻炼反应仍然表现得迟钝。厂1*〇81^[22]解释了其 中的原因。他指出.在儿童时期，肌肉力里的稳定的增长 会使骨骼受载和骨内应变都变大，以致超过塑建阈值，此 时就允许塑建继续增加骨和1建以维护模式保持已有的 骨，其结果是骨的强度和质量都增加了。在育年期，肌肉 力M达到稳定时期，骨骼强度已经增加到足以使骨内最 大应变滅小到塑建阈值之下，因此塑述就“关闭”了。然 而#内最大应变仍然高于较低的重建阈值，故重建继续 以维护模式保持已有的骨量。大多数老年人的肌肉力里 减弱，故其骨内的应变向着重達阈值的方向下降。那么 显然此时塑建仍然是“关闭”的，并且重建将转向废用模 式而开始去除紧邻骨髄的骨，这躭是众所周知的与年龄 有关的骨损失。许多老年人进行的高强度的体育锻炼， 它可以将#内应变提高到策逹阈值之上，即可将重建转 回到维护模式，使进一步的毋丢失减少或停止。可是，倘 若要使应变达到或超过塑建阈值，笛要的力里往往比绝 大多数老年人能够提供的肌肉力董大得多。因此，在儿 童时期和靑年时期，尚强度的锻炼能够稳定地增加#骼 强度和质S(因为塑建已经“开启”）；而在老年期，它仅能 够减少骨损失。在一定程度上，这个区别使骨看上去对 体育锻炼反应较迟钝。

可见，体育锻炼可以降低绝经后妇女的骨丢失速度。 秦岭和陈启明等近期亦证实了适合老年人从亊的奋中国 持色的太极拳锻练可有效降低绝经后妇女的骨丢失速 度^^2<)。长期体育运动可以降低髋部骨折的风险，但足 一旦运动停止，骨母丢失速度就会加快。所以治疗性的 运动训练应为长期的甚至是贯穿一生的。成都华西华科研究所分析研发定量CT QCT骨密度体模软件分析系统  
网址:http:// www.qctqct.cn  
手机 : 13072875151传真 :028-65830598
市场部电话 :028-65830598 028-67708638  83190122
在线 QQ:110480527 联系人 : 王先生
邮箱:samwangcn@126.com
地址 : 成都市静康路536号