微波对骨折后钛合金内固定物的影响

邹玉珍，白跃宏

微波技术于1947年开始应用于医学领域[1]，开始只是应用于微波理疗，随着微波在消除多种炎症及组织凝固等方面独特疗效的凸显，其作用才日益引起医学工作者的重视。骨折的愈合涉及一系列复杂的骨性组织的再生和重建。根据Einhorn的调查研究发现，5%～10%的骨折患者会出现骨折的延迟愈合，其中绝大部分患者会发生骨折不愈合[2]。因此医学工作者一直致力于寻找有效的方法来降低骨折延迟愈合的发生，早期实验研究证实，微波是一种有效促进骨折愈合的方法[3-5]。然而临床医生和物理治疗师更关心微波对植入钛合金内固定骨折患者进行照射的效率和安全性，因为这样的植入物在临床上已经被广泛应用。传统意义上，各种形式的微波治疗已被禁止对体内有金属植入物的患者进行使用[6-7]。因为微波激发的电磁波反射和涡流会使金属植入物升温，会对附近的组织造成热损伤[8]。然而对有金属植入物的患者应用微波治疗的危害仍然缺乏基于实验研究的可靠证据，一些医务工作者认为这一禁忌似乎是基于微波对心脏起搏器和神经刺激器有不良影响的共识而推广的，而不是经体内研究证实得出的。这篇文章的目的就是通过近几年来国内外相关的试验研究来评价微波治疗应用于内固定骨折康复的可行性和安全性。

1 微波的物理特性

微波具有波粒二象性，属于非电离辐射,其量子的能量在10ev以下。当微波作用于生物体时,它的量子能量不足以破坏物质的化学键，也不会使物质产生电离作用,故不会改变物质的化学性质，只是对分子的自由旋转度起作用，可引起分子的电磁振荡[9]。微波在高水分的组织中(如肌肉组织)吸收快、穿透深度小,而在低水分的组织(如骨组织和脂肪组织)中则吸收慢、穿透深度深[10]。微波的频率对介质的穿透深度也有影响，频率越高、穿透能力越弱[9]。根据这一特性,临床上常应用不同频段的微波治疗不同性质的疾病。目前常用的是915MHz与2450MHz微波,其中以2450MHz微波最为常用。

2 微波的生物学效应

关于微波与生物体相互作用的机理，早期普遍认为只有热效应[11-12]，但作用过程中出现的一些异常现象确无法用热效应解释[12-14]。近年来不少学者已经证实了微波非热效应的存在。

2.1 微波的热效应 生物体组织内大部分是由水和蛋白质等极性分子组成,在微波电场力矩的作用下,极性分子沿着微波电场的方向进行有序排列的取向运动,并随着高频电场的交变而来回转动,在转动的过程中与相邻的分子产生类似摩擦、碰撞而生成热量[1]。与其它的热疗方法不同,微波生热的特点是其热源不是由外部提供,而是生物体组织自身，被辐射部位组织按其组成物质的吸收特性就地生热，在被辐射物体内外同时发热，不需要传热过程，所以微波加热升温快，停止后降温也快。在微波辐射场内的组织损伤是均匀性的，而场外的组织损伤则较轻,这种热效应效率高,均衡性和热稳定性好。

2.2 微波的非热效应 微波的非热效应是除热效应以外的其他效应，指在不引起明显温升的情况下，细胞所出现的生理病理的变化[14]。其作用机制还未能达到彻底认识的程度，学者们提出了几种假说。其中的“压电效应”引起了较多医学工作者的关注，这种假说认为，生物体中的骨胶质和晶状无机磷灰石等具有压电性质，其在电磁场的作用下，会产生机械应力，故微波有加速骨折愈合的作用[15]。

热效应和非热效应的产生取决于微波的频率、强度、波形和处理时间等[16-17]。所以在不同条件下，这两种效应的表现各有侧重。当热效应较显著时，非热效应常常会被掩盖[13，17]。

3 微波治疗促进骨折愈合的机制

Leon等[3-5]使用专用的微波治疗系统，通过体内和体外的实验系统地研究了微波治疗对骨的影响，证实微波治疗能促进骨质沉积，是一种有效促进骨折愈合的方法。微波热效应引起机体产生的最有利的生理反应就是使局部血流量增加[18-19]。这一改变与中枢神经系统(下丘脑)的神经调节和血管活性物质(如缓激肽、组胺)的释放有关，通过引起血管的舒张和毛细血管通透性的增强使得血流灌注增加[19-20]。血流量增加带来的极大益处是氧气和营养物质的增加，这两者是机体合成代谢和组织修复所必需的。毛细血管通透性的增强使得巨噬细胞和粒细胞更易向受损区域聚集，促进毒素和坏死物的清除[21]。同时，升高的温度会使得软骨降解酶的活性下降[22]，干扰胶原酶、氧化酶和其它炎症相关酶的活性[23]。最后，高热激发热休克蛋白表达增加，加快蛋白合成和减少蛋白退化[24-25]。

高热还能改变胶原蛋白的机械性能，当胶原在加热时进行被动拉伸，即使在冷却后也仍能保持[26]，相比未经加热就被拉伸，加热后不易发生断裂[27]。另外，氧气和营养物质的补充能加速肌细胞内线粒体中氧化磷酸化过程，使ATP生成加快[28]。由于ATP的增加和软组织中胶原蛋白的机械性能的改变，肌肉的收缩性能增强[29]。

4 微波对金属植入物的影响

因为微波对金属有强烈的致热作用，故一般认为微波不可以在金属植入物区域进行治疗使用。关于这种不受欢迎的致热作用的产生已经提出了两种机制，其一便是认为由金属表面的电磁波反射引起的[30]，两倍剂量的辐射可能会使金属植入物附近的组织迅速升温。此外，电磁场引起的涡旋电流也是一个重要的因素。Cooper等[31]研究发现，金属植入物在生物体组织中相当于一个小型的辐射天线，能引起生物体电磁场的重新分布，当金属植入物附近的电磁场方向与金属垂直时，较比相同体积的无金属植入物的组织，其磁通量和能量吸收更多。位在电磁场中的金属表面会激发出涡流，激发的涡流会产生第二电磁场。

5 微波治疗内固定骨折患者

5.1 可行性 早期杜杰等[32]将铁、铝、铜三种不同金属片依次置于健康人的腰背部皮肤表面，分别测定在微波辐射前后相应部位的体表温度，结果显示三种金属在微波作用后其体表温度比作用前高，具有显著性差异。巴方等[33]对兔肱骨植入钢板的实验组和未植入钢板的对照组经超短波治疗后的温度进行比较，实验数据表明，实验组比对照组温度升高明显。此外，Muranaka等[34-35]在体外对钴铬合金植入物和钛合金植入物射频加热的特性进行了评估，结果显示，温度升高速度和最大温升钛合金植入物均明显低于钴铬合金植入物。与传统的医用不锈钢等植入材料相比，医用钛合金的磁导率和电导率更低[36-37]，热积累的更少，而且具有良好的加工性能和生物相容性[38]，因此是较理想的外科植入物用金属材料。在早期实验已经发现[39-40]，在模拟的人体组织内微波并不会对金属植入物进行加热，除非当金属相对于周围组织为较低电阻时，它才成为分流通路。这条通路的加入减小了电路中的总电阻并成为电磁场集中的区域。当棒状金属垂直于电磁场方向放置或者较细金属丝位于电磁场内时，植入金属也相当于一个分流通路。分流时间越长电磁场越集中，组织灼伤的可能性就越大。这种情况下的发热集中在金属两端而不是沿着整个金属片。因此，只要通过放射图像确保微波辐射的加热与钛合金植入物的主轴不垂直，而成一直线，就应该能实现微波对内固定患者的安全治疗。

5.2 安全性 由于微波优先对水加热，与骨组织相比，肌肉组织由于含水量较高，所以吸收微波能量更强[41]。因此，当前的实验研究主要通过关注金属植入物附近的肌肉组织的温度来判断实验的安全性。早期研究发现[42-43]，细胞内的酶和蛋白质在体温超过43°C时才开始变性。细胞死亡的速度与时间和温度有关，通过不同的加热机制得到的时间与温度的数据可运用几种方式来规范成统一常用的模式。在一篇经典论文里，提议了一种简单的方法来实现这一转换[44]。这一计算学(Computational electromagnetics，CEM)称为“等热剂量”。转换公式为：CEM43℃=tR(43-T)。其中t表示暴露的总时间，T为时间间隔t期间的平均温度，R为常数，当T<43°C时，R=0.25，T>43°C时，R=0.5。其与多种组织热损伤具有很好的相关性，因此实验中不同的时间、温度数据可被转变为在43℃时所需的等效时间后，再统一进行热剂量评估。

5.3 研究进展 Seiger[45]和Draper[46]通过脉冲短波透热疗法提高了钛合金植入患者踝关节活动范围(Range of motion,ROM)。同时，所有受试者在治疗过程中和治疗结束后均无不适感，疼痛，烧灼感的主诉。张晗[47]、Ye等[48]在家兔模型上证实了连续低剂量的微波照射加速骨折愈合，并且不会引起钛合金植入物周围组织明显的热损伤。几个研究的一致性结果表明，微波是治疗钛合金内固定骨折一项极有前景的治疗手段。

6 未来研究的方向

为量化和限制电磁辐射的量，国际电气和电子工程师协会(IEEE 2006)和国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP 1998)均制定了SAR标准[49]。因此在之后的研究中，利用充足数量的动物模型，增加对SAR测量监测并进行长期的跟踪观察是否有不良事件发生，综合评价微波治疗的疗效和安全性。

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