体外冲击波疗法在创伤骨科领域的应用

2014-03-04 12:09:35

冲击波(extracorporeal shock wave,ESW )属于一种特殊形式的声波,具有宽频范围1 Hz~20 MHz的单一脉冲波,高压区振幅高达120 MPa,低压区张力为-10 MPa,脉冲波宽极小,上升速度极快,在10s内达到最大正振幅,可在三维空间传播,传播速度随压力的增加而加快。ESW在传导过程中,于不同声阻抗的材料界面之间形成反射和折射,并在材料内部形成能量衰减,阻抗大的材料吸收能量多,反之吸收能量少。ESW 的最佳传递介质是水和明胶,皮肤、脂肪、肌肉等组织同水的声阻抗接近,因此在穿过上述组织时引起的创伤极小。1986年,Haupt在实验中首次发现ESW可刺激成骨细胞的活性,具有潜在的成骨作用,进而可促进骨折的愈合。1988年,Haupt用ESW治疗了第一例骨折不愈合的患者。近20年来这种治疗方法被广泛应用于骨科,尤其在创伤骨科领域发展较快,并在治疗机理的研究、适应证的选择及治疗技术等方面取得了长足的进步,随之产生的骨科专用ESW设备已陆续在德国、瑞士、奥地利、英国及美国获得认证,本文就冲击波在创伤骨科方面应用进展情况综述如下。

1 ESW对创伤骨科疾病的治疗机制

1.1 ESW的成骨效应与代谢激活效应

ESW对骨的生物效应主要表现为出血,骨小梁的破坏、骨髓外流等,适当能量强度的冲击波可集聚并激活成骨细胞,达到促进骨及骨的愈合的效果。研究发现,一定强度的ESW可造成局部成骨细胞坏死,治疗后约72 h,作用部位周围的成骨细胞被激活并集聚,诱发成骨和骨痂的形成,这一发现成为治疗骨折的有效依据,同时间接作用的空化效应也诱发了成骨细胞移行和新的骨组织的形成。

代谢激活效应最有可能是由直接的机械效应引起的,一方面压力波可以改变离子通道,使神经膜的极性发生变化,通过抑制去极作用产生镇痛效应;另一方面,压力波可以使细胞内外离子交换过程活跃,代谢分解的终产物被清除和吸收。

1.2 ESW促进骨诱导因子的形成

高能ESW导致的新鲜骨折血肿中含有大量的细胞因子,如:骨形态发生相关蛋白(bone morphogenetic proteins,BMP)、转化生长因子(TGF)-β、胰岛素样生长因子(IGF)、FGF、PDGF、血管内皮生长因子(VEGF)等,对细胞增殖与分化及新骨的形成都有诱导和调节作用。

(1) ESW冲击波促进BMP的生成。BMP属于(TGF)-P的超家族,在BMP家族中,BMP-2、BMP-3、BMP-4和BMP-7具有促进骨折愈合和骨形成的作用,其中BMP-7在启动骨内成骨中起决定性作用。Wang F等在实验中发现,ESW治疗后局部间质细胞、新形成的软骨细胞和成骨细胞和成骨细胞中BMP-2、BMP-3、BMP-4呈强阳性表达,而在骨折愈合过程中的BMP-7 mRNA也有表达,表明BMP在ESW诱导成骨方面起重要作用;另外,损伤局部释放的BMP在冲击波诱导未分化间充质细胞分化为具有成骨能力的细胞,这些细胞进一步合成和分泌更多BMP,加强骨诱导作用,促进骨折愈合。

(2) ESW能通过促进IGF-I和TGF-β1表达来促进人骨髓间充质干细胞(hMSCs)向骨祖细胞转化。ESW刺激下,内源性IGF-I的表达出现较早,干预后2周的hMSCs胞浆及胞核中即出现大量黄色、棕黄色颗粒,IGF-I阳性表达明显;并呈现逐步升高趋势,在干预后的第9代IGF-I阳性率高达88.2%。ESW干预的晚期,TGF-β1出现并参与诱导了hMSCs分化过程。

(3) ESW作用于骨膜后引起P物质释放。

(4) 冲击波作用后,周围软组织中会产生血管生成生长因子、 VEGF和增殖细胞核抗原等因子。

1.3 ESW的机械应力效应

ESW进入机体,当介质密度不同会在界面处产生不同程度的机械应力效应,表现为对组织细胞的拉应张力和压力作用,进而引起组织间的松懈、细胞的强性变形,其影响的程度与能量大小有密切关系,当能量由低到高渐增时,组织观察可以看到受冲击波焦点作用的组织细胞产生如下变化:未见变化→轻微红肿→红肿→点状出血→片状出血→急性损伤。当然,机械应力的作用引起病灶组织细胞的热处理变化,进而加速毛细血管微循环,增加细胞吸氧功能等生理变化,达到治疗目的。

1.4 ESW的空化效应

研究表明,在ESW传送路径中,介质含有微小气泡时,气体在冲击波的应力作用下,会以极高速度膨化。人体软组织、细胞、血液中含有大量微小气泡,在骨科治疗中,病灶范围内大量气泡的空化效应,是疏通生理性关节软组织粘连的有利因素。空化效应是ESW独有的一种特性,在治疗应用中,往往被认为是造成创伤的不利因素,但在特定环境和条件下,不利因素也可以转化成积极因素。

1.5 ESW压电效应

日本学者YASNDA、FUKADA在研究了骨的生物现象之后,得出这样的结论:机械应力作用于骨,先引起电位变化,然后是骨生成。在使用ESW对骨不连进行的治疗中取得了较好的效果,也证明了机械应力的作用可以大大促进新骨生成及愈合。实际上,这个过程也就是ESW的应力引起的压电效应改变了骨折处的电位,活化了细胞,促进骨痂生成。

1.6 ESW的痛觉神经感受器的封闭作用

ESW对痛觉神经感受器的刺激,改变了感受器对疼痛的接受频率及其周围化学介质的组成,抑制神经末梢细胞,使后续向心冲动无法传递,因此可缓解局部疼痛。

2 应用ESW技术治疗创伤骨科疾病

2.1 创伤骨科疾病中采用ESW技术治疗的适应证

2.1.1创伤后骨不连  随着社会的发展,高能量损伤越来越多,骨折延迟愈合及骨不连的发病率明显增高,冲击波可适用于各种原因导致的骨不连,尤其对肥大型骨不连具有更好的效果。肥大型骨不连本身骨不连断端血运存在,只是骨折修复处于停滞状态,应用冲击波治疗后激活了骨不连的愈合状态。因此肥大型骨不连是体外冲击波疗法的绝对适应证。另外,大多数学者认为骨端间隙<5 mm的治疗效果优于骨端间隙>5 mm的骨折,但Bulut等则通过动物实验发现冲击波对骨端间隙6 mm的骨折仍有较好的治疗效果,他们认为这可能与导致骨折的原因不同有关。研究证实,使用ESWT治疗骨不连及骨折延迟愈合时,骨折愈合率达62% ~83%。

2.1.2 人工关节翻修术  由于在人工关节翻修术中假体及骨水泥的取除有时相当困难,便有学者研究是否在术前、术中应用ESWT破坏骨水泥-骨界面及骨水泥-假体界面而方便移除假体及骨水泥。Karpman进行体外研究发现,在冲击波处理区的骨水泥有许多微细断裂,骨水泥-骨界面有明显破坏,相邻骨皮质有细微破坏,认为可将冲击波定位于骨水泥中央而不是骨水泥-骨界面上来减轻骨皮质的损伤。由于冲击波有刺激新骨生成的效应,便有在生物固定式假体应用ESWT以促进假体周围骨形成的研究。对少数患者应用ESWT发现可减轻假体松动引发的症状并有新骨形成。

2.1.3 创伤性股骨头坏死  Ludwing等应用ESWT治疗Ⅰ、Ⅱ期(ARCO分期)成人股骨头缺血性坏死,治疗前后Harris评分由43.3分上升到92分,提示早期合理地应用ESWT可有效治疗成人股骨头缺血性坏死;邢更彦等应用ESWT治疗成人股骨头缺血性坏死,Ⅰ~Ⅲ期(Ficat分期)治疗后MRI检查坏死区域所占比例明显下降,髋关节Harris评分明显提高,Ficat疼痛指数明显下降,与治疗前比较差异有明显的统计学意义(P<0.01)。

2.1.4 骨腱结合部的急性损伤  骨腱结合部(肌腱在骨的附着部位)损伤是运动员常见损伤之一,若为急性撞击性损伤,通过组织学检查可见肌腱吻合处早期充血、水肿、炎细胞反应,继之以毛细血管形成,纤维母细胞增生,并产生胶原纤维。研究结果提示:ESWT对病灶和疼痛部位在肌肉、肌腱、肌腱附着点及筋膜处有明显的松解作用、缓解疼痛的作用,ESWT可以通过影响局部血管生成来促进损伤愈合过程。

2.2 应用ESW治疗创伤骨科疾病的并发症

2.2.1 内脏器损伤  肺组织是人体中对冲击波高度敏感的部位,所以应尽量减少胸部疾患的应用,如第一肋、锁骨、胸骨骨折的治疗。

2.2.2 皮肤出血  高能量冲击波可能损伤大血管及神经,存在大血管和神经的部位是冲击波治疗的禁忌部位。可造成外周和深部组织毛细血管壁的损害,也可造成肌肉的出血和水肿,严重者Ⅰ型肌纤维出现不可逆的退行性改变。患者如有任何类型的出、凝血障碍疾病如血友病都应排除。

2.2.3 疼痛  当治疗足底筋膜炎或外上髁炎时部分患者会感到疼痛或不适,能量高于20 kV时深部骨痛更容易发生,但使用低能量治疗时大多数患者无疼痛出现。局麻、镇静剂的应用和神经阻滞会减轻疼痛与不适。

2.2.4 骨骺损伤  儿童在接受治疗时应注意保护骨骺,以免影响骨髂发育。

3 骨科冲击波治疗机的发展

冲击波治疗机主要由冲击波源、耦合装置、治疗床、控制台和定位系统组成。其中,冲击波源和定位系统是冲击波治疗机的核心技术。Rompo等根据ESW第二焦点的能流密度将其分为3级:高于0.6 mJ/mm2为高能量冲击波,接近于0.28 mJ/mm2为中能量冲击波,低于0.08 mJ/mm2为低能量冲击波。

3.1 冲击波源

冲击波治疗机的波源种类有液电式、电磁式和压电式三种。

3.1.1 液电式波源  通过某一点处液体的突然蒸发来释放球形高能冲击波,是一种点波源,是最可靠的冲击波发生方法。

3.1.2 电磁式波源  将贮存在电容器内的电路脉冲传导通过一个扁平铜线圈,产生脉冲磁场,使处于磁场中的弹性铜膜产生机械振动,进而推动膜外的流体来产生冲击波。这种“面式冲击波”经声透镜或反射体聚焦后,可在一点上得到增强,最终也可形成聚焦冲击波。在产生与液电式冲击波相等功率时,电磁式波源耗能更大。电磁式冲击波峰值压力的特点是呈阶梯样分布,幅度可从最小至最大。

3.1.3 压电式波源  是用压电晶体来产生冲击波,属于展式波源。当外界电场通过压电晶体时,其体积会发生改变,即“反压电效应”,晶体的运动会引发出一个压力波。当晶体复原时,同样也会产生张力波。和前两种波源相比,压电式冲击波的特点是:能量和频率可调范围最大,但输出功率最低。

3.2 定位方式

3.2.1 患者反馈定位  它无需影像定位系统,主要是通过患者反馈来确定治疗的靶位。先由医生触诊患者的疼痛部位,然后根据患者的疼痛反馈来指明和调整治疗的部位。在治疗头的耦合垫上有一个指示冲击波Z轴方向的标记,用来辅助视觉定位。此外,激光指示器发出的一束红光可在患者皮肤上标识出冲击波焦点的侧方几何中心。通过充满或排空水囊可确认治疗焦点的穿透深度(水压最小时穿透深度最大;水压最大时穿透深度最小)。

3.2.2 超声定位系统  依探头位置而分为内置式和外置式两种。在内置式超声系统中,探头位于冲击波源的中央。探头可以绕着其轴线转动或沿着轴线方向移动。内置式超声系统的优势在于超声系统和治疗源使用同一个窗口。其劣势在于内置式探头阻碍了一部分冲击波,使超声图像中出现伪影。因为探头直接被定位在冲击波场内,所以探头寿命大为缩短。外置式系统的探头位于人造臂上,可同中心地围绕治疗焦点移动。ESWT中,由于超声探头直接接触皮肤,所以衍射弓l起的声像几何图形偏差最小。这样,可在术前和术中从不同的方向扫描治疗区,实时观察焦点。

3.2.3 X线定位系统  最新型的体外冲击波治疗系统采用了C型臂X线机,使用特殊设计的软、硬件程序的C型臂X线机能够围绕冲击波焦点行等中心移动。这种设计使得在行前、后位X线透视时可以通过在水平方向上移动冲击波源或移动病人来将焦点移动到目标区。然后,将X线装置等中心地调至一个倾斜的位置,以使目标在垂直位上调整到位。

3.2.4 双定位系统  超声定位和X线定位各有优缺点,如果将两者合二为一,组合成双定位系统,就可取长补短。双定位需要一个超声系统和一个X线系统来完成。这样可以对治疗目标进行精确定位和对治疗的全过程进行实时调控,同时又可以使辐射量降至最小,目前认为这是最好的定位法。

4 展望

ESWT应用于治疗骨骼系统创伤疾患已10余年时间,许多病人已从中获益。大量的研究结果表明,体外冲击波治疗是一种无全身并发症、有效、非侵袭性、并发症少的治疗方法,对多种创伤骨科疾患及慢性软组织损伤疾病(足底筋膜炎、跟痛症、肩关节疼痛、肱骨外上髁炎、棘上韧带炎和腰痛)的治疗展示了其美好的应用前景,但目前尚缺乏对慢性骨损伤(疲劳骨折)的研究和冲击波对骨创伤作用点范围、强度、作用方式的研究,随着一系列基础与临床研究的深入开展,体外冲击波应用范围将越来越广泛,必将对骨科疾病的治疗产生深远的影响并发挥更大的社会效益和经济效益。

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