微波辐射对犬股骨力学性能的影响
作者：吴增晖 刘景发 钟世镇 范建中
单位：吴增晖、刘景发 510010 广州市 广州军区广州总医院骨科；钟世镇 第一军医大学解剖学教研室；范建中 南方医院理疗科
关键词：微波；生物力学；高热；骨
中国临床解剖学杂志CHINESE JOURNAL OF CLINICAL ANATOMY1999年 第17卷 第4期 Vol 【摘 要】 目的：测试微波辐射下犬股骨的生物力学性能，分析微波对股骨强度的影响。方法：成年杂种犬12只，显露股骨干，左侧为实验组，右侧为对照组，利用微波对股骨干中段进行65℃加热10 min。术后45d和90d取材。测试CT值和生物力学特性。结果：肉眼观察微波辐射区股骨干色泽呈灰白样，X线和CT表现同正常对照组。最大压缩强度、弹性模量均与正常组无显著性差异。结论：微波辐射破坏了骨组织的血供和再生，但3个月内对骨强度的破坏不显著。
, 百拇医药
The effects of microwave induced hyperthermia
on the biomechanics of canine femur
Wu Zenghui,Liu Jingfa,Zhong Shizhen,et al.
Department of Orthopedics,Guangzhou General Hospital of PLA,Guangzhou,510010
Objective:To investigate the effects of microwave induced hyperthermia on the mineral desity and biomechanics of canine femur.Methods:The left femurs of 12 dogs were irradiated by microwave of 65℃ for 10 minutes.The right femurs were taken as control.Both the right and left femur of 6 canine were sacnning by CT and evaluted biomechanically at 45 and 90 days after irradiation.Results:The color of the irradiated femur was greyish white.There was no significant difference in CT parameter,compressive stress,strain and elastic modules between both groups.Conclusions:The microwave irradiation may spoil the blood supply and osseous anagenesis of femur,but its mineral density would not decrease at least three months after irradiation
, 百拇医药
Key words Microwave Biomechanics Hyperthermia Bone
微波应用于临床的抗肿瘤治疗，具有定位准确、迅速、有效和方便，并发症少等优点。对原发性恶性骨肿瘤病人利用微波在体原位灭活肿瘤组织，保存瘤段骨比以往的保肢手术更具优越性[1，2]。但微波加热组织凝固后，对骨组织生物力学的性能有无改变报道甚少[3]，了解骨组织微波灭活后生物力学特性的改变，对临床骨肿瘤保肢后的功能锻炼和康复具有指导意义。
1 材料和方法
普通家犬12只，年龄12～18个月，体重15～20kg，雌雄不拘。实验前摄股骨X线正侧位片和股骨CT扫描，以排除骨折和畸形，测定CT值。左侧股骨为实验组，右侧为对照组。
取大腿中下段前外侧切口，长约10 cm，显露股骨中下2/3，用东风钻钻4孔，直径2 mm，孔间隔30 mm，将针状辐射器插入孔内，进行微波辐射，照射时间为10 min，输出功率120W(每个辐射器30W)，温度65℃。手术结束后缝合伤口，常规饲养。手术后45d和90d，各处死6只，取股骨24条，分成4组，每组6条股骨。取材后立即摄股骨X线正侧位片和CT扫描。
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将股骨中下段用薄钢锯锯开，然后在沙板上细心磨修，制成长20 mm，宽5 mm，高2.5 mm的试件，用塑料保鲜袋密封置于-20℃的冰箱内保存。实验前9h取出，室温下自然解冻，用SWD-10型材料试验机进行压缩试验，压缩速度为1 mm/ min。
2 结果
2.1 股骨定量CT值
在Somaton-Dr-HCT机上测试，先进行微波辐射前的股骨中下段CT扫描，术后45d和90d再行相同部位的CT值测定，结果见(表1)。
对犬股骨先进行微波辐射前后自身对照CT值t检验，然后分别对辐射后45d和90d的左右犬股骨及二组间的t检验，结果P>0.05，说明微波辐射后犬股骨CT值无明显改变。
表1 微波辐射前后犬股骨的CT值
±s 组 别
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左
右
术 前
1305.2±193.4
1356.5±179.0
术后45d
1156.1±282.7
1148.6±318.2
术后90d
1152.5±276.3
1139.6±291.8
2.2 微波辐射对股骨压缩特性的影响
, 百拇医药
犬股骨中下段试件体积为20.0 mm×5.0 mm×2.5 mm，由于是密质骨为主，试件表现脆性材料的性质，压缩至屈服点时，骨组织呈粉碎性骨折的表现。载荷—变形曲线(附图)：屈股点表示试件载荷的最大值，此时骨质断裂，承受载荷的能力下降。L点对应的位移表示试件的变形量，上升曲线下的面积表示试件包含的能量，切线的斜率(tgα)表示刚度。结果见(表2、3)。
附图 犬股骨试件的载荷—变形曲线
表2 微波辐射45 d后犬股骨试件压缩实验参数±s 参 数
左
右
, http://www.100md.com 最大载荷
438.0±168.2
443.9±187.1
最大变形
0.61±0.16
0.61±0.16
刚 度
984.2±372.6
1145.8±543.1
能 量
0.173±0.06
0.165±0.04
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应 力
48.7±22.5
53.6±20.6
应 变
0.026±0.01
0.032±0.01
弹性模量
293.8±121.2
307.2±171.9
3 微波辐射90 d后犬股骨试件压缩实验参数±s
, http://www.100md.com 参 数
左
右
最大载荷
441.2±176.7
447.6±194.9
最大变形
0.61±0.16
0.61±0.15
刚 度
1035.8±421.3
1146.7±496.2
, 百拇医药
能 量
0.169±0.05
0.167±0.041
应 力
51.0±20.6
54.1±21.5
应 变
0.025±0.01
0.024±0.01
弹性模量
294.7±131.3
304.2±163.9
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分别对对照组与微波辐射组，45d和90d的辐射组间进行两两比较t检验，结果P>0.05，说明微波辐射45d和90d后犬股骨的压缩力学特性无明显变化。3 讨论
3.1 微波辐射后骨矿物质含量的变化
在临床上，定量CT值对预测骨质疏松病人的骨持重能力和评价骨量的变化是一较灵敏的手段[4]。吴春营等[5]用人尸体骨，检测了定量CT值与骨组织形态计量学和骨灰化分析进行比较，结果表明定量CT值可反应骨质的矿化情况，可视为对骨量观测的一个敏感方法。本实验测量了犬股量经微波辐射后第45d和90d的定量CT值，辐射后与正常股骨及辐射后不同时间的CT值比较无显著差异(P>0.05)，说明30W的微波辐射10 min，对犬股骨的骨矿物质含量无明显影响，反映了已矿化的骨质经微波辐射后丢失甚少。虽然有的文献报道[6]定量CT值会因骨髓内不同含量的脂肪带来对骨矿含量的低估。但本文采用犬左右股骨的自身对照，没有个体间的误差，可以排除不同个体骨髓内脂肪差异所带来的CT值误差。所以本实验能客观和敏感地反应微波辐射后的骨矿状况，有利于正确评价微波辐射后骨密度的状况。国内已将定量CT值应用于临床，测量椎体内骨矿密度，反应骨质疏松的状况，预防椎骨承受重力和牵张力后失代偿性塌陷的发生和治疗随访观察等。在微波技术日益进入临床应用的今天对分析和评估微波治疗后骨髂的密度改变，本文提供了动物实验的参数，对临床医师具有重要的参考价值。
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3.2 微波辐射对骨压缩特性的影响
强度和刚度是骨的重要力学特性，在压缩载荷的试验中，载荷-变形曲线能反映结构强度的三个参数：①结构在破坏前所能承受的载荷，②结构在破坏前所能承受的变形，③结构在破坏前所能贮存的能量。结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。由于骨试件在压缩时，骨的横截面影响骨的强度和刚度。面积越大，强度和刚度也越大，破坏载荷和刚度的大小与横截面积成正比。所以本实验在做犬股骨压缩骨块时，尽量做到各试件的长、宽、高一致，避免因试件大小不一而导致结果的误差。
Dalen[7]和Carter[8]曾观察了骨组织密度、骨矿物质含量对骨质力学性质的影响，认为骨质密度和骨质内矿物质含量越高骨的压缩强度越大，应变率越小。因为随着骨质内矿物质含量的增加，骨有机成分减小，无机成分增多，骨的强度和刚度增大，而变形减少，本文犬股骨经微波辐射后骨矿物质含量无明显变化，骨试件的压缩强度、刚度、应力、应变等也无显著性差异，其骨矿物质与骨压缩特性的关系与文献报道一致。Vahey[9]等研究了犬近端股骨的压缩特性，结果犬股骨近端的生物力学特性与人股骨的近端非常接近，骨试件破坏前的平均应变为0.0259，最大应变为0.0288，作者的实验结果较Vahey的结果略小。但弹性模量差异较大，可能与部位有关。在临床上，不少作者[10]进行了胫骨近端骨应变的分布规律研究，这为膝关节的矫形或人工关节置换提供生物力学基础。作者的实验证明微波辐射对骨力学的影响较小，消除了临床上微波治疗骨肿瘤后骨强度下降的忧虑。
, 百拇医药
由于输出功率30W，辐射时间10 min，已达到微波组织凝固的温度。在临床进行微波在体灭活恶性骨肿瘤的治疗中，照射范围包括了肿瘤边缘5～7 cm的正常骨组织。根据犬股骨的生物力学测试，可推测人体骨微波照射后不会造成骨强度和刚度的减弱。
参考文献
1 Lu Shibi,Wang Jifang,Shong Liangfa,et al.Malignant bone tumour of lower limb treatment with hyperthermic therapy during operation.Hyperthermia and Oncology,1984,1:847
2 Fan QY,Ma BA,Qlu XC,et al.Preliminary report on treatmrnt of bone tumors with microwave-induced hyperthermia.Bioelectromagnetics,1996,17(3):218
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3 胡永成，王继芳，卢世壁，等.微波加热对骨组织生物力学的影响.中华骨科杂志，1997，17(10)：645
4 Genant HK,Steiger P,Block JE,et al.Quantitative computed tomography.Update Calcif Tiss Inter,1987,41:874
5 吴春营，邱明才，李景学，等.单能定量CT测定人体骨矿含量的准确性.中华放射学杂志，1990，24(6)：331
6 Cann CE.Quantitaive CT for determination of bone mineral density:a review.Radiology,1988,166:509
7 Dalen N,Olsson KE.Bone mineral content and physical activity.Acta Orthop Scand,1974,45:170
, 百拇医药
8 Carter DR,Hayes WC.Bone compressive strength:The influence of density and strain rate.Science,1976,194:1174
9 Vahey JW,Lewis JL,Vanderby R,et al.Elastic moduli,yield stress,and ultimate stress of cancellous bone in the canine proximal femur.J Biomech,1987,20:29
10 Ivarsson I,Gillquist J.The strain destribution in the upper tibia after insertion of two different unicomprtmental prostheses.Clin Ortho,1992,279:194
(收稿：1999-03-09), 百拇医药
单位：吴增晖、刘景发 510010 广州市 广州军区广州总医院骨科；钟世镇 第一军医大学解剖学教研室；范建中 南方医院理疗科
关键词：微波；生物力学；高热；骨
中国临床解剖学杂志CHINESE JOURNAL OF CLINICAL ANATOMY1999年 第17卷 第4期 Vol 【摘 要】 目的：测试微波辐射下犬股骨的生物力学性能，分析微波对股骨强度的影响。方法：成年杂种犬12只，显露股骨干，左侧为实验组，右侧为对照组，利用微波对股骨干中段进行65℃加热10 min。术后45d和90d取材。测试CT值和生物力学特性。结果：肉眼观察微波辐射区股骨干色泽呈灰白样，X线和CT表现同正常对照组。最大压缩强度、弹性模量均与正常组无显著性差异。结论：微波辐射破坏了骨组织的血供和再生，但3个月内对骨强度的破坏不显著。
, 百拇医药
The effects of microwave induced hyperthermia
on the biomechanics of canine femur
Wu Zenghui,Liu Jingfa,Zhong Shizhen,et al.
Department of Orthopedics,Guangzhou General Hospital of PLA,Guangzhou,510010
Objective:To investigate the effects of microwave induced hyperthermia on the mineral desity and biomechanics of canine femur.Methods:The left femurs of 12 dogs were irradiated by microwave of 65℃ for 10 minutes.The right femurs were taken as control.Both the right and left femur of 6 canine were sacnning by CT and evaluted biomechanically at 45 and 90 days after irradiation.Results:The color of the irradiated femur was greyish white.There was no significant difference in CT parameter,compressive stress,strain and elastic modules between both groups.Conclusions:The microwave irradiation may spoil the blood supply and osseous anagenesis of femur,but its mineral density would not decrease at least three months after irradiation
, 百拇医药
Key words Microwave Biomechanics Hyperthermia Bone
微波应用于临床的抗肿瘤治疗，具有定位准确、迅速、有效和方便，并发症少等优点。对原发性恶性骨肿瘤病人利用微波在体原位灭活肿瘤组织，保存瘤段骨比以往的保肢手术更具优越性[1，2]。但微波加热组织凝固后，对骨组织生物力学的性能有无改变报道甚少[3]，了解骨组织微波灭活后生物力学特性的改变，对临床骨肿瘤保肢后的功能锻炼和康复具有指导意义。
1 材料和方法
普通家犬12只，年龄12～18个月，体重15～20kg，雌雄不拘。实验前摄股骨X线正侧位片和股骨CT扫描，以排除骨折和畸形，测定CT值。左侧股骨为实验组，右侧为对照组。
取大腿中下段前外侧切口，长约10 cm，显露股骨中下2/3，用东风钻钻4孔，直径2 mm，孔间隔30 mm，将针状辐射器插入孔内，进行微波辐射，照射时间为10 min，输出功率120W(每个辐射器30W)，温度65℃。手术结束后缝合伤口，常规饲养。手术后45d和90d，各处死6只，取股骨24条，分成4组，每组6条股骨。取材后立即摄股骨X线正侧位片和CT扫描。
, http://www.100md.com
将股骨中下段用薄钢锯锯开，然后在沙板上细心磨修，制成长20 mm，宽5 mm，高2.5 mm的试件，用塑料保鲜袋密封置于-20℃的冰箱内保存。实验前9h取出，室温下自然解冻，用SWD-10型材料试验机进行压缩试验，压缩速度为1 mm/ min。
2 结果
2.1 股骨定量CT值
在Somaton-Dr-HCT机上测试，先进行微波辐射前的股骨中下段CT扫描，术后45d和90d再行相同部位的CT值测定，结果见(表1)。
对犬股骨先进行微波辐射前后自身对照CT值t检验，然后分别对辐射后45d和90d的左右犬股骨及二组间的t检验，结果P>0.05，说明微波辐射后犬股骨CT值无明显改变。
表1 微波辐射前后犬股骨的CT值
±s 组 别, http://www.100md.com
左
右
术 前
1305.2±193.4
1356.5±179.0
术后45d
1156.1±282.7
1148.6±318.2
术后90d
1152.5±276.3
1139.6±291.8
2.2 微波辐射对股骨压缩特性的影响
, 百拇医药
犬股骨中下段试件体积为20.0 mm×5.0 mm×2.5 mm，由于是密质骨为主，试件表现脆性材料的性质，压缩至屈服点时，骨组织呈粉碎性骨折的表现。载荷—变形曲线(附图)：屈股点表示试件载荷的最大值，此时骨质断裂，承受载荷的能力下降。L点对应的位移表示试件的变形量，上升曲线下的面积表示试件包含的能量，切线的斜率(tgα)表示刚度。结果见(表2、3)。
附图 犬股骨试件的载荷—变形曲线
表2 微波辐射45 d后犬股骨试件压缩实验参数
±s 参 数左
右
, http://www.100md.com 最大载荷
438.0±168.2
443.9±187.1
最大变形
0.61±0.16
0.61±0.16
刚 度
984.2±372.6
1145.8±543.1
能 量
0.173±0.06
0.165±0.04
, http://www.100md.com
应 力
48.7±22.5
53.6±20.6
应 变
0.026±0.01
0.032±0.01
弹性模量
293.8±121.2
307.2±171.9
3 微波辐射90 d后犬股骨试件压缩实验参数
±s, http://www.100md.com 参 数
左
右
最大载荷
441.2±176.7
447.6±194.9
最大变形
0.61±0.16
0.61±0.15
刚 度
1035.8±421.3
1146.7±496.2
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能 量
0.169±0.05
0.167±0.041
应 力
51.0±20.6
54.1±21.5
应 变
0.025±0.01
0.024±0.01
弹性模量
294.7±131.3
304.2±163.9
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分别对对照组与微波辐射组，45d和90d的辐射组间进行两两比较t检验，结果P>0.05，说明微波辐射45d和90d后犬股骨的压缩力学特性无明显变化。3 讨论
3.1 微波辐射后骨矿物质含量的变化
在临床上，定量CT值对预测骨质疏松病人的骨持重能力和评价骨量的变化是一较灵敏的手段[4]。吴春营等[5]用人尸体骨，检测了定量CT值与骨组织形态计量学和骨灰化分析进行比较，结果表明定量CT值可反应骨质的矿化情况，可视为对骨量观测的一个敏感方法。本实验测量了犬股量经微波辐射后第45d和90d的定量CT值，辐射后与正常股骨及辐射后不同时间的CT值比较无显著差异(P>0.05)，说明30W的微波辐射10 min，对犬股骨的骨矿物质含量无明显影响，反映了已矿化的骨质经微波辐射后丢失甚少。虽然有的文献报道[6]定量CT值会因骨髓内不同含量的脂肪带来对骨矿含量的低估。但本文采用犬左右股骨的自身对照，没有个体间的误差，可以排除不同个体骨髓内脂肪差异所带来的CT值误差。所以本实验能客观和敏感地反应微波辐射后的骨矿状况，有利于正确评价微波辐射后骨密度的状况。国内已将定量CT值应用于临床，测量椎体内骨矿密度，反应骨质疏松的状况，预防椎骨承受重力和牵张力后失代偿性塌陷的发生和治疗随访观察等。在微波技术日益进入临床应用的今天对分析和评估微波治疗后骨髂的密度改变，本文提供了动物实验的参数，对临床医师具有重要的参考价值。
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3.2 微波辐射对骨压缩特性的影响
强度和刚度是骨的重要力学特性，在压缩载荷的试验中，载荷-变形曲线能反映结构强度的三个参数：①结构在破坏前所能承受的载荷，②结构在破坏前所能承受的变形，③结构在破坏前所能贮存的能量。结构的刚度由弹性范围内的曲线斜率表示。由于骨试件在压缩时，骨的横截面影响骨的强度和刚度。面积越大，强度和刚度也越大，破坏载荷和刚度的大小与横截面积成正比。所以本实验在做犬股骨压缩骨块时，尽量做到各试件的长、宽、高一致，避免因试件大小不一而导致结果的误差。
Dalen[7]和Carter[8]曾观察了骨组织密度、骨矿物质含量对骨质力学性质的影响，认为骨质密度和骨质内矿物质含量越高骨的压缩强度越大，应变率越小。因为随着骨质内矿物质含量的增加，骨有机成分减小，无机成分增多，骨的强度和刚度增大，而变形减少，本文犬股骨经微波辐射后骨矿物质含量无明显变化，骨试件的压缩强度、刚度、应力、应变等也无显著性差异，其骨矿物质与骨压缩特性的关系与文献报道一致。Vahey[9]等研究了犬近端股骨的压缩特性，结果犬股骨近端的生物力学特性与人股骨的近端非常接近，骨试件破坏前的平均应变为0.0259，最大应变为0.0288，作者的实验结果较Vahey的结果略小。但弹性模量差异较大，可能与部位有关。在临床上，不少作者[10]进行了胫骨近端骨应变的分布规律研究，这为膝关节的矫形或人工关节置换提供生物力学基础。作者的实验证明微波辐射对骨力学的影响较小，消除了临床上微波治疗骨肿瘤后骨强度下降的忧虑。
, 百拇医药
由于输出功率30W，辐射时间10 min，已达到微波组织凝固的温度。在临床进行微波在体灭活恶性骨肿瘤的治疗中，照射范围包括了肿瘤边缘5～7 cm的正常骨组织。根据犬股骨的生物力学测试，可推测人体骨微波照射后不会造成骨强度和刚度的减弱。
参考文献
1 Lu Shibi,Wang Jifang,Shong Liangfa,et al.Malignant bone tumour of lower limb treatment with hyperthermic therapy during operation.Hyperthermia and Oncology,1984,1:847
2 Fan QY,Ma BA,Qlu XC,et al.Preliminary report on treatmrnt of bone tumors with microwave-induced hyperthermia.Bioelectromagnetics,1996,17(3):218
, http://www.100md.com
3 胡永成，王继芳，卢世壁，等.微波加热对骨组织生物力学的影响.中华骨科杂志，1997，17(10)：645
4 Genant HK,Steiger P,Block JE,et al.Quantitative computed tomography.Update Calcif Tiss Inter,1987,41:874
5 吴春营，邱明才，李景学，等.单能定量CT测定人体骨矿含量的准确性.中华放射学杂志，1990，24(6)：331
6 Cann CE.Quantitaive CT for determination of bone mineral density:a review.Radiology,1988,166:509
7 Dalen N,Olsson KE.Bone mineral content and physical activity.Acta Orthop Scand,1974,45:170
, 百拇医药
8 Carter DR,Hayes WC.Bone compressive strength:The influence of density and strain rate.Science,1976,194:1174
9 Vahey JW,Lewis JL,Vanderby R,et al.Elastic moduli,yield stress,and ultimate stress of cancellous bone in the canine proximal femur.J Biomech,1987,20:29
10 Ivarsson I,Gillquist J.The strain destribution in the upper tibia after insertion of two different unicomprtmental prostheses.Clin Ortho,1992,279:194
(收稿：1999-03-09), 百拇医药