成都华西华科研究所分析骨的应力生长与QCT骨密度软件体模检测

骨的应力一生长关系

应力与生长的关系是生物力学活的灵魂。当前生物 力学的前沿是不同层次的牛.命体的结构与功能关系的定 m规律的研究。对于骨力学而言柒中地体现为骨的功能 适砬性研究上，实质上是力学环境与#结构、功能的定虽 关系，就是骨的受力生氏关系研究。下面分别介绍不同 的栽荷特征下骨的生长特点。

(一）静态载荷与动态载荷

俗话说，生命在于运动。这句话揭示了运动对生命 的車:要作用。对于我们研究的骨骼应力一生长关系问 题，可以反过来问-•下：静态栽荷是否也问样能引起伢生 长呢？

早在1957年，Evans通过临床和实验结果得出，压应 力能够剌激新骨的形成，它是讶折愈合的一个重要因 索^[251。Hert等研究了承受间歌性负载的兔，他们指出， 间歇性应力对骨的功能适应性是一个形态发生的剌激， 也就是说，不管作用的是拉应力还是压应力，能引起骨响 应的，必须是间歇式动载荷，而非静载^[26】。Skerry和 Lanyon通过实验得出结论：只有动态的应变才有生骨的

作用，与其大小相等的静态栽荷不仅缺乏牛骨的响应，而 且与废用没有区别，即都会产生M宥的骨损失^[~。

可见，刺激毋生长的载荷必须是动态载荷。然而，什 么样的动态载荷对于维持伢擞及促进骨生长最为有效 呢？以下分别从动态载術的不同特征来回答这个问题。

(二）   动态载荷循环次数对骨维护及生长的影响

Rubin和Lanyon设计了 一个实验，他们用手术的方 法使火鸡的尺种隔离开来，在其上作用可以控制的动态 栽荷，不仅能控制尺骨承载的大小，而&能拧制栽荷循环 的数S^[28i。这个设计方案能够在排除正常口常活动带 来的千扰应变的条件下，记录人工载荷产生的适应性应 变响应。他们发现，每天作用4个循环的载荷足以使与 废用有关的背损失停止，即它足以起到维护骨质里的作 用；而每天超过1800个術环的载荷并不能够显者地剌激 骨東建。运用这个实验模沏得出了東要的结论：每天作 用36个載荷循环就可优化成讶激励下产生敢大的结构 适应性朱兴华等以成龄豚鼠为研究对象，研究了在不同步 速下，长时间增加运动童对长讨表面里建的影响按 照每天不同的步速、不间的运动时间分成3组，运动期限 为3个月。结果表明，3组豚鼠肱骨骨干表面都产生了 比较明显的表面重迮（主要是外膜向外生长）。步速较低 时重建联随步速堉加而加大，步速超过一定值以后反而 下降。说明审建该有极限值存在，步速有嵌优范围。

Mosley解释了上述现象¹他认为骨并不是受口 常的活动所调整，而是响应于来自短暂的载荷周期的较 为特殊的、区别于正常活动的激励。因此，骨的适应性响 应不是与整个的应变历程都有关，而是仅与这些应变之 中的一小部分有关，这一小部分应变的幅m是比较大的。 由于这样的应变并不是经常发生的，因此涛要相对较少 的循环次数就会产生最大的适应性骨生成响应也就不足 为奇了。

(三）  动态载荷频率对骨维护及生长的影响Forwood和Turner〜¹进行了鼠胫骨弯曲实验，他们发现頻率大于0.5Hz的动栽荷对于骨的形成非常有效。

动态载荷的频率不仅与骨的维护和生长密切相关， 还对骨折愈合过程发挥积极的作用。陈II平等对76只 兔构造实验性骨折，以5种频率分组定时刺激¹〜。结果 表明，各频率组振动侧骨折愈合速度及质M均优于对照 侧，尤其以频率25Hz和50Hz的结果表现为嵌优，其强度 口J提高28%〜30%。他们的实验结采与Smith和Gilli- Kan的实验结果相一致：他们发现，钟骼对15~30H_Z的 动态应变很敏感^[561。在此范闱内，很小的应变可产生比 较大的成骨反应。

关于栽荷频率和骨形成速度的关系有两种町能的解 释。第一种是#细胞对频率较典的力学激励更为敏感； 笫二种是较商的頻率蚜以增加骨组织内部细胞外流体的 流动，它能增加细胞上的流体剪应力而产生应力势 (SGP)，这个SGP能够激活休眠的骨细胞^[~。基于目前的研究成果，Forwood和Turner认为后者似乎更合理些。 因为细胞培养实验没有明确的证据表明受栽过程中栽荷 频率和骨细胞响应的敏感性之间的关系

(四）   应变速率对骨生长的影响

王前等测ft了新鲜人体股骨密质的动态力学特 性^:<，得到低应变率（2x l〇_³/_s)下其弹性模徼为13. 6GPa,与高应变率(6xl〇²/_s)下股骨密质的弹性模儇18. 3GPa之间存在显着差异，说明人体股骨密质骨是粘弹性 材料。

O’Connor等在羊的前肢内棺人不锈钢钢钉，通过它 作用外载，实验表明，应变速率能够解释68%〜81 %的 骨表面处骨形成的变化和43%的皮质骨内部骨形成的 变化另一个关于应变率对骨生长的虽要性的证据来自 Turner等的骨軍建模拟实验^:421。在他们对鼠胫付施加 的栽荷中，静态载荷和动态栽荷的比例是可调的，但是在 骨组织中产生相等的最大应变值，只是位变速率不同。 结果表明，与应变速率较低的实验组相对比，两个应变速 串较A的实验组的骨形成量产生了敁者的增加，相对的 #形成速度与成变速率成正比。

(五）   废用下骨结构的变化

在微垔力下长期航空^■行的宇航员、长期卧床的病 人，还有制动的病人等，都会使骨骼处于低负荷状态。在Jee和Li的实验中固定，鼠的后肢^[<31。对于固 定肢，由于与取逹有关的骨损失在增加，与塑建有关的骨 形成在减少，26周以后.胫骨的松质骨和皮质骨区域明 M地减少。

对于低负荷状态下骨结构的变化，我国的生物力学 工作者也进行了大量的实验研究工作，特别娃对于低负 荷状态下骨里减少的机制的研究是相当深人的。

朱兴华等进行了未成龄和成龄豚R的肱骨、桡骨和 尺骨的功能适应性研究^[~。豚鼠左前肢掌骨被手术切 除，用四环索迹线法标记骨的生长情况。结果表明，由于 去除鞏脊使受力明显变小，各#发生了明显的骨损失，且 远端比近端骨损失t大。未成龄豚鼠大最的骨损失主要 发生于骨外膜处，成龄豚鼠主要发生于#内膜处。其中 未成龄豚鼠肱骨第一个20天的损失M占总损失量的65. 30%,第二个20天占26.30%,第三个20天占8.40%。 可见廿损失主要发生在第一个20天。

闫策龙等对未成龄大鼠实行左后肢固定.造成肢体 废用模邢，分别在4,12,20,28周处死后进行三点弯曲力 学实验和横截面的形态计里学观察，分析其树料力学性 能和结构力学性能^3sl。结果表明，废用抑制骨外膜的骨 增加而改变骨干的横截面形态，导致了其强度和刚度的 下降。

六 过载下骨结构的变化

超重状态会使骨胳发生变化。Chamay和Tschantz 切除了犬的桡伢，9周以后，观察到尺竹皮质骨的厚度呈 现60%〜100%的过度增长…¹。他们提出这种现象是由 于桡骨去除后，尺骨的受力环境发生变化而引起的。

Goodship等进行了猪的在体试验研究^t47]，他们去除 猪尺骨的一部分，由桡骨承受所有的栽荷而引起骨甫建， 用应变计立接测抵宽建前后的应变，审建开始时桡骨内 的M大应变儿乎变为重建前的2倍，之后新骨不断形成， 到3个月后新钟完全长好，骨电建过程结束，此时其鼓大 应变与正常桡骨几乎相等。

Jce等在Jee和Li的实验基础h,又研究了鼠的前 肢^:481。由于后肢固定+动，其前肢承受的载荷就大大增 加了。实验表明，由于1迮过程的骨吸收受到抑制，钟形 成速度在增加，因此松质骨的质S在增加；而通过皮质钟 内部的钟吸收的减少和11•膜处明建活动的稍稍增加，皮 质#的质M就得以维护了。

*心等研究了去除豚鼠尺骨以后，桡骨的适应性骨 M逮行为^[4<3。他们用手术切除豚鼠左前肢尺骨中段 10mm,将右前肢作为对照肢。试验结果表明，由于去除 试验肢尺骨，桡卄受力急剧增大，引起了十分惊人的骨重 建（阁8-19>。桡竹面积每个月增长值占总增长值的百 分数均值为：笫一个月75%,第二个月20%,第三个月 5%。可见重建主要发生在初期，重迮平衡时间可以认定 为3个月。

图8-丨9实验肢桡伢中央截面骨重疰情况 a实验肢桡骨中央截面骨重述照片；b实验肢挠骨中央籤面

计算图形。阁闭合曲线0与1,0与2,0与3,0与4之间的 图形分别表示初始、宽述30天、60天、90天的截面。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  
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