低强度脉冲超声波促进骨折愈合的研究进展

李*伟

1950s研究者在干骨研究中发现骨在承受应力时其凹凸两侧可产生电位。骨的压电性质首先发表在日本的文献中，而最初在西方国家没有引起广泛影响[1]。但在矫形学中压电性质的基本原理可以解释骨折位置的力学环境对骨折修复结构的影响[2-4]。
每年有数百万人在日常活动、运动中以及由于骨质疏松而骨折，骨折后骨痂形成而自然愈合。骨折愈合包括不同类型细胞和蛋白的暂时性协调运动以及数百种基因的表达来完成结构的完整。临床上约5-10%的患者因为愈合过程受损而导致延迟愈合或骨不连，而需要进一步手术治疗[5]。
在每日的行医过程中，医师面临的挑战不仅是应用有效地非侵袭性或尽可能少侵袭的方法处理初始骨折以增加其成骨作用，发现骨折修复过程中并发症并尽早干预同样重要。目前，骨折愈合情况根据临床和X线检查进行评估，这两种方法依赖于医师的专业知识和临床判断[6-8]。
在过去的50年里，大量物理学和生物学方法的研究致力于如何促进骨折愈合。物理学方法包括机械**、电磁场和低强度脉冲超声波（LIUS）。LIUS是一种机械能，以声压压力波的形式传播到达生物组织并对其产生微型压力作用，现在广泛作为医学诊断和治疗工具[9]。
1低强度脉冲超声波在新鲜骨折中的应用
早在1953年，Corradi和Cozzolino[17]首先在临床观察中发现超声波可**骨折愈合。他们发现US可使体重支撑提前出现，缩短骨折愈合时间。但是直到1980s这一观察才引起基础科学家和医师的注意，从这一时期开始，低强度脉冲超声波促进骨折愈合在***外实验、动物实验和临床实验以及病例研究中积累了大量认识。
在一些研究中，LIUS应用于不同类型的动物骨折模型。为了测定超声波在骨折治疗中的最佳信号参数，Duarte[18]运用影象学和组织学方法研究发现：30mW/cm2强度的脉冲超声波对兔腓骨截骨术模型每天照射20分钟，实验组骨折部位皮质融合速度比对照组加快28%。以上数据证明超声波加快骨折愈合是通过**骨痂增生实现的，而且在超声波的**下，软骨内骨化过程提前发生。Pilla[19]等在一组安慰剂的对照的兔腓骨中段骨折模型的研究中，发现应用低强度脉冲超声波每天照射20分钟可加速骨折抗扭力及强度的恢复。随后，一些不同骨折模型的研究证明了LIUS可加速骨折愈合过程。
1994年美国食品和药物管理局（FAD）对低强度脉冲超声波在加速新鲜骨折愈合的作用予以认可。LIUS应用于临床闭合性和一级开放性桡骨远端背侧成角骨折和开放性高位胫骨[20]骨折的治疗已进行安慰剂对照临床研究评估。HecKman[21]等通过多中心安慰剂临床实验对67例闭合性和开放性胫骨骨折的患者进行了超声波对骨折愈合效应的评估，实验组临床愈合时间较对照组缩短了24%，临床和影象学愈合时间较对照组缩短了38%。在另外一个随机对照实验中，Emami[22]等发现胫骨骨折后髓内钉固定的患者予LIUS治疗后没有受益。尽管以上两个实验都予相同的LIUS干预，但是HecKman研究中予管型外固定骨折而Emami实验中予骨髓内钉固定，早期的体重支撑所产生的机械应力**可能掩盖超声波所产生的效应。另一方面认为金属钉可能减弱超声波的效应，但是动物实验发现不支持这一解释。在另外一个随机对照临床实验中，LIUS对61例桡骨远端背侧成角骨折的患者进行照射，实验组骨折连接时间较对照组缩短38%[23]。
2低强度脉冲超声波在延迟愈合和骨不连中的应用
尽管骨折后骨痂形成是自然生物反应而且最后能使骨骼恢复其完整性，但是在美国每年5.6百万的骨折患者中延迟愈合者比例达5-10%[24]。影响骨延迟愈合和骨不连的因素包括粉碎性骨折、感染、软组织严重损伤、骨折部位以及固定不充分。过度吸烟、饮酒、糖尿病以及年龄也是骨不连的影响参数。
外科手术是处理骨不连的金标准，成功率为70-90%，其目的在于切除妨碍有活力骨折段间的软组织、固定和加快生物学修复过程[25]。为了提高和**骨不连的愈合，许多生物学和生物物理学干预得已发展。生物学介入包括自体骨头移植、人工代用品骨移植以及纯化或重组的具有软骨形成和成骨的骨生长因子。生物物理学介入包括非侵袭性方法，如体外震波、电**、低强度脉冲超声波。
实验性骨不连模型的建立是比较困难的。Takikawa[26]等运用超声波对鼠两侧胫骨骨折部位插入肌肉的骨不连模型进行治疗，6周的影象学评估显示：治疗组50%呈持续性愈合，而对照组保持不连接状态，这一结果也在三维微焦点X线和组织学观察中得到证实。Xavier和Duarte[27]在1983年运用30mw/cm2强度的LIUS对26例骨不连的患者每天照射20分钟，70%的患者得到治愈。同一研究组在1996年的一个回顾性调查研究中，358例骨不连的患者治愈率达85%[28]。最近更多的临床实验中，Mayer等[29]研究了29例延迟愈合（平均骨折时间4.5个月）和骨不连（平均35个月）的患者，给予超声波治疗，约100天后愈合率分别达到了88%和93%。NoltePA等[30]利用低强度脉冲超声波治疗29例多发部位、平均时间达13个月且手术失败次数平均为1.4次的骨不连患者，获得了86%的愈合率。在另一个类似的研究中，Gebauer等[31]研究了67例平均时间长达24.2个月、手术失败次数平均为2次的骨不连的患者来评价LIUS的效能，给予每日超声波干预，其中57例患者6个月得到愈合。
Rubin等[32]研究2000年7月的处方登记数据库发现延迟愈合（骨折后151天-255天）愈合率为89%（n=1370）,骨不连（骨折后时间超过255天）愈合率为83%（n=1546）。不同部位的骨不连的愈合率不同，比如肱骨愈合率为69%，股骨为82%，胫骨为84%，舟状骨为86%，桡骨和尺骨为87%，跖骨为89%。
这些研究结果表明LIUS有促进骨不连愈合作用，超声的利用减除了附加的手术治疗，但是平均愈合时间大约需要5个月。基础研究和四级临床证据得出：LIUS作为无损害非侵入性治疗更适应于最少有一次手术介入的骨不连。2000年2月美国食品和药物管理局（FAD）对低强度脉冲超声波在促进骨不连愈合的作用予以认可。
3低强度脉冲超声波促进骨痂形成的经骨应用
上述所有的临床研究中，LIUS是应用探头贴紧皮肤并固定于骨折部位方式进行。但是超声在传播中由于长骨周围覆盖的软组织的吸收作用而衰减而且与覆盖物的厚度成比例[33]。最近的研究报道超声波首次经骨应用于羊胫骨截骨术模型，影象学证明：愈合的时间加快了23%，羊胫骨术后75天LIUS治疗组的骨密度、强度有显著增加[34]。这些发现在另一个同样动物模型予超声波直接置于靠近截骨附近的骨外膜实验中得到证实，治疗组骨痂的骨密度显著高于对照组。
4低强度脉冲超声波监测骨痂形成的经骨应用
除了可以促进骨折愈合外，超声波已作为监测愈合过程的一种工具。大多数研究者运用轴向传递技术将一组或多组传感器和接受器（操作频率范围为0.2-2.5MHZ）放置于已知距离的皮肤表面。超声的传播速度为监测愈合的指标，传播速度由沿着长骨轴向传播到达的第一个波所需的时间决定[35]。动物和临床研究证明，完全愈合的骨折部位超声波传播速度至少可达未受损骨传播速度的80%。然而，骨折愈合进展所对应的速度图形没有定量化而且局部愈合的骨折和延迟愈合之间没有显著差异。经皮测量最大的缺陷是覆盖于骨的软组织影响测量结果的重复性和精确度而且这种方法只适应于皮下骨骼部位，比如胫骨和桡骨。最近引进的一套超声波经骨促进长骨愈合和检测骨痂形成系统的一些的评估参数中，超声的传播速度对新形成骨痂的反射性结构改变是最灵敏的[36]。
5低强度脉冲超声波的作用机制探讨
基础研究表明：超声波对骨折愈合过程中的3个主要阶段，即炎症反应期、修复期及重建期，都起到了有力的促进作用，促进血管生成、软骨和骨的形成。
超声波产生的声波代表一种机械信号，而骨组织恰好对此敏感，体外细胞培养和实验性动物骨折模型证明LIUS对细胞活动、细胞因子的释放和骨折愈合过程有生物学效应[10]。在动物模型中，超声可改变某些基因表达的时间过程和顺序，引起聚集蛋白聚糖基因的表达，促进软骨细胞蛋白多糖的合成[11]；增加软骨细胞培养液中的钙并**软骨内骨化[12-13]；使软骨细胞培养液中骨细胞中结合性钙离子浓度增高[14];调整环化酶的活性和成骨细胞中TGF-β的合成[14-15]。
研究表明超声波对骨折愈合过程的促进作用可能与以下生物学机制有关：超声波引起细胞膜结构变化，导致离子通透性的改变以及第二信使激活，后者引起基因的表达的改变，进一步使软骨及骨特异基因的表达上调，从而促进骨折愈合。超声可**骨折部位血管发生增加血流量[16]，促进生长因子及细胞因子等骨折愈合必需成分的运输加强。声压压力波可促进骨折部位液体的流动，增加营养物质的供给和代谢物质的排除，从而**成纤维细胞、软骨形成细胞和成骨细胞的增殖和分化[14]。
6前景和展望
骨折的愈合过程比较复杂，各个阶段相互依赖，在多种基因以及多种细胞相互协调、共同作用下得以进行。局部和全身状况可影响骨折的愈合，从而导致骨折延迟愈合或骨不连接。大量的研究已证明：低强度脉冲超声波作为一种非侵入性治疗手段，具有操作简单、经济、有效的特点，为新鲜骨折，尤其为骨延迟愈合和骨不连的治疗开辟广阔的前景。尽管有以上很好的研究，但低强度脉冲超声波对活组织的作用和**骨折愈合的机理仍不明确，需进一步深入探讨。