LIPUS在骨科的应用课件.ppt

1、AdvantageAdvantage对骨折愈合的促进作用。对骨骼肌损伤的修复作用。对关节软骨再生的作用。低强度脉冲超声波（LIPUS）对骨折愈合的作用。男，43岁，从1米高处摔下，右小腿剧痛伴活动障碍2小时。尽管现代骨科治疗技术在不断发展，依然有10%左右的骨折病例最终会发生延迟愈合或骨不连，常需要植骨手术治疗。因此需要寻求更加有效安全的加 速骨折愈合的方法。Low intensity pulsed ultrasoundLow intensity pulsed ultrasound 低强度脉冲超声波（LIPUS）是一种超过人类听阈范围的高频声波，这种声波以压力波的形式存在，可对骨和周围组织产生

2、微型压力作用。因此，超声波可以替代一定的外力刺激，依照Wolffs定律导致细胞生化性能发生改变，从而促进骨折愈合。低强度(30mW/cm2)强度低于胎儿超声无热信号(无热)组织渗透深度12.7 厘米早在1952年意大利学者Corradi和Cozzolino首先报道了用非脉冲的持续性超声信号可以刺激兔双侧桡骨骨痂生长。最初采用的物理信号条件在各研究报告中并不一致。Yang比较50mW/cm2和100mW/cm2LIPUS对大鼠闭合双侧股骨骨折愈合修复的影响，3周后骨痂生物力学测试发现，50mW/cm2强度组最大扭矩和刚度均高于对照侧，有显著性统计学差异；100mW/cm2强度组虽较对照侧最大扭矩

3、和刚度有增加趋势，但无统计学差异。前生后世前生后世Rubin C.Bolander M.Ryaby JP,et al.The use of low-intensity ultrasound to accelerate the healing of fractures.J Bone Joint Surg Am.2001:83A:259-70.生物组织对LIPUS强度的选择反应性和敏感性也为体外实验所证实。Reher比较了不同强度和不同频率的超声波对成纤维细胞增殖，胶原蛋白和非胶原蛋白分泌的影响，结果发现采用30mW/cm2强度促进成纤维细胞向骨形成方向转化的能力最强。这些研究结果进一步证实了采用

4、30mW/cm2强度的低频脉冲超声波治疗的有效性，成为目前LIPUS临床应用中常用的强度。强度之争强度之争Reher P,Doan N,Brandnock B,et al.Therapeutic ultrasound for osteoradionecrosis:an in vitro comparison between 1MHz and 45KHz machines.Eur J Cancer 1998:34:1962-8.主要仪器：立刻生TM低强度脉冲超声波治疗仪 由杭州核新生物医疗技术有限公司提供。超声波强度为40mW/cm2，超声波频率为1.5MHz，脉冲频率为1KHz，脉冲宽度为20

5、0ms，间隙时间为800ms。国内曾经的品牌国内曾经的品牌 第一个经过严格观察的、双盲、安慰剂对照的临床试验证实了LIPUS加速骨折愈合的疗效：1994年，Heckman首次报道了LIPUS对67例闭合或I度开放性胫骨骨折愈合的影响。67侧患者中33例接受LIPUS治疗，34例为安慰治疗，治疗时问为20周。每份结果都由两位研究者判断，结果治疗组骨折临床愈合时间分别缩短24%和38%。对照组33例中36最后发生了骨折延迟愈合，而治疗组33例中只有6发生了骨折延迟愈合，认为LIPUS不仅可以促进骨折愈合而且可以确保骨折愈合后的效果。最有力的证据之一最有力的证据之一 第二个经过严格观察的、双盲、安慰

6、剂对照的临床试验证实了LIPUS加速骨折愈合的疗效：1997年，Kristiansen报道了LIPUS治疗31例桡骨远端骨折的临床试验。61侧患者中31例接受LIPUS治疗，30例为安慰治疗。由两位研究者判断骨折愈合时间，结果治疗组骨折临床愈合时间分别缩短38%和36%。此外，LIPUS治疗组骨折再移位率为20%，较对照组43%显著降低。最有力的证据之二最有力的证据之二 2000年，Mayr等证实运用LIPUS治疗舟状骨骨折可提早19天治愈，即愈合时间缩短了30。2007年，我们课题组对高能量损伤造成的胫骨骨折进行了低强度脉冲超声波治疗，发现治疗组较对照组效果明显。最近的证据最近的证据Mayr

7、 E，Rutzki MM，Rutzki M，et a1Does low intensity，pulsedUltrasound speed heMMing of seaphoid fractures?Handchir Mikrochir Plast Chir，2000，32(2)：11522 瑞典学者Emami在观察新鲜胫骨骨折交锁髓内钉固定后LIPUS治疗的效果时，发现LIPUS不能促进骨折愈合，作者分析原因可能与采用的固定方式有关，认为以往的临床报道均采用石膏外固定，或内固定物效果不够强大，而交锁髓内钉可以提供坚强，符合应力方式的生物刺激，因此提出在应用LIPUS时要注意固定方式的选择和适应

8、证的问题。不同声音不同声音 Emami A.Petren-Mallmin,Larsson S.No effect of low-intensity ultrasound on healing time of intramedullary fixed fibial fracture.J Orthop Trauma 1999;13(4):252-7.Leung等针对开放性、粉碎性和节段性骨折进行严格的扩展型自锁髓内钉固定(闭合性骨干骨折或开放性（Gustillo I、)或外固定(Gustillo和干骺端骨折)，手术后应用LIPUS治疗，临床和影像学评估表明LIPUS治疗组胫骨骨折愈合速度至少加快了

9、40。相反的结果相反的结果 Leung KS，Lee WS，Tsui HF，et a1Complex tibiMM fracture outcomes following treatment with low-intensity pulsed ultra-soundUhrasound Med Biol，2004，30(3)：38995 Mayr观察了42例骨延迟愈合和不愈合病例，平均骨折时间1.3年，经LIPUS骨折愈合率达88平均愈合时间为(139.012.3)d。同时，Mayr还总结了1994-07/1997-07，所有关于LIPUS治疗骨折延迟愈台和不愈合的临床试验结果，可以发现LIPU

10、S治疗骨折延迟愈合和骨不连的有效率平均为86。NoIte等治疗29例骨折不愈合病例，LIPUS治疗有效率为86，与以往报道一致。同时，他们还按照肥大性、萎缩性和营养不良性骨不连标准对29例病例分类，证明LIPUS治疗各型骨不连均有效。治疗骨延迟愈合和骨不连治疗骨延迟愈合和骨不连 由于LIPUS促进骨折愈合的作用可以克服机体不良代谢状态(糖尿病、骨质疏松等)和不良生活方式(吸烟，酗酒等)的影响，因此也被用于病理性骨折如先天性胫骨假关节形成，或延长截骨手术后的物理治疗。克服不良因素导致的影响克服不良因素导致的影响 LIPUS促进骨折愈合的观点已为广泛接受，但它是如何发挥作用，如何启动或激活骨折延迟

11、愈合和骨不连的生物反应呢？在细胞和分子水平上的作用途径依然是目前研究的热点。？Fracture HealingFracture Healing骨折愈合的修复是一个复杂的生物学过程，涉 及一系列细胞激活，细胞外基质的沉积、矿化的改变及空间结构的恢复。骨折愈合主要分为三个阶段：炎症期、修复期、重建期。LIPUS在这三个阶段实现促进骨和软骨形成，加速血管生成的效果。Low intensity pulsed ultrasoundLow intensity pulsed ultrasound Lteif A A,Han K,Mather K J.Obesity,insulin resistance,an

12、d themetabolic syndrome:determinantsof endothelial dysfunction inwhites and blacks.Circulation,2013,112(1):32-38.首先LIPUS可直接参与骨折修复过程的一系列细胞信号改变。LIPUS在体内传导时，直接作用于细胞膜上的压力感受器，生物应力信号的改变引起细胞生物化学反应。所产生的剪切力或血流的改变直接作用于细胞膜上的第二信号系统，腺苷酸环化酶C激活，膜通道开放，使钙离子内流增加，增加体外培养软骨细胞内钙离子的含量，从而促进软骨内化骨；或引起细胞骨架蛋白结构信号改变，影响与细胞代谢有关基因

13、表达的改变，刺激细胞进行合成代谢；细胞信号细胞信号 LIPUS可以通过调节甲状旁腺素(PTH)、前列腺素-2(PGE2)和细胞外钙离子的含量发挥作用。可促进小鼠3T3细胞PGE2的合成，且上调PGE2、分泌基因COX-2 mRNA的表达，后者又进一步增加PGE2的合成，而PGE2具有促成骨细胞的增殖和骨形成的作用。HormoneHormone 骨折修复过程中的炎症反应消退后或炎症反应的后期，肉芽组织开始形成，多潜能间充质细胞开始侵入。此时，骨膜组织和骨髓内血管的再生有助于促进愈合修复的细胞进入骨折间隙。LIPUS作用后迅速引起脊髓基质干细胞和间充质细胞cfos基因的表达增加。Ito等发现在人内

14、皮细胞与人成骨细胞共培养体系中，LIPUS可以刺激血小板衍化生长因子（PDGF)的生成。此外，研究证实LIPUS能增加血供和促进狗尺骨骨折部位血管再生。这个作用从骨折后13d开始，一直持续到第10天。肉芽组织和血供肉芽组织和血供 Nolte等观察LIPUS对体外培养17日龄小鼠蜕化足跖骨的影响，发现能明显增加钙化骨的长度，肥大软骨细胞周围为大量的矿化基质所包围，与对照组有显著差异。可以解释LIPUS增强促进软骨内化骨和提高生物力学性能，从而影响整个骨折愈合修复过程。体外鸡胸骨培养发现给予LIPUS刺激后，在肥大细胞内为主要表现的X型胶原的免疫组织化学染色明显增强，但在以透明软骨为主的区域内LI

15、PUS并不能增加X型胶原的染色，说明LIPUS促进骨折愈合的作用可能刺激软骨内肥大软骨细胞向分化终末端演变而实现。软骨内钙化软骨内钙化 LIPUS还可以通过影响骨重建，改善骨痂结构，增强骨的生物力学性能，发挥促进骨折愈合的作用。定量显微CT分析矿化后的再生骨结构，证实LIPUS治疗可以增加骨体积分数BVF和小梁类型因子TBPf。BVF和TBPf指数的增加提示新生骨痂内骨小梁集中排列在沿骨的应力轴方向，小梁之间的连接更紧密，结构也更趋正常组织。作用机制作用机制 Yang等对生物学和生物力学参数检查结果分析证实，LIPUS能上调大鼠骨折愈合修复过程中Aggrecan基因表达的作用与结构性能的增强直

16、接相关。LIPUS可能通过减缓骨吸收来促进骨折愈合。可能通过抑制成骨细胞分泌白细胞介素-6，抑制破骨细胞前提细胞破骨细胞的转化，从而降低骨吸收；也可以使成骨细胞分泌肿瘤坏死因子a减少，促进1型胶原的合成，促进骨形成。基因表达基因表达 自2002年始，本课题组对LIPUS促进骨折愈合的作用机制展开研究，发现经LIPUS作用后，骨折区域成纤维细胞生长因子明显增多，生物力学强度明显提高。根据LIPUS对骨和成骨细胞的作用，推测其对于骨细胞重要来源之一的BMSCs也应当有类似的效应，能够促进BMSCs的增殖分化，并且得到初步证实。近几年发表的相关论著近几年发表的相关论著1梁伟，苟三怀，欧阳跃平，等.低

17、强度脉冲超声波影响兔骨髓基质干细胞与磷酸三钙复合修复骨缺损的实验研究.中国矫形外科杂志,2008.16(23).1807-1810.2 梁伟，苟三怀，齐进，等.低强度脉冲超声波对体外培养的兔骨髓基质干细胞成骨作用的影响.第二军医大学学报，2007.28(6).603-606.3 梁伟，苟三怀，欧阳跃平，等.低强度脉冲超声波对磷酸三钙与兔骨髓基质干细胞相容性的影响.生物骨科材料与临床研究，2007.4(3).5-7.4 梁伟，苟三怀，欧阳跃平，等.低强度脉冲超声波治疗高能量胫骨骨折的临床观察.生物骨科材料与临床研究，2007.04(1).15-17.5 王琪，苟三怀，刘岩，欧阳跃平，梁伟，韩庆林

18、，王以进.低强度脉冲超声波促进骨折愈合的生物力学试验研究.第二军医大学学报，2005.25(6).658-660.作为一种新的物理疗法，LIPUS的优势在于它不是依赖单一机制或者骨折愈合修复过程的单一阶段，而是通过调节骨折愈合修复的几个环节发挥作用。同时，在治疗骨折延迟愈合和骨不连上可以缩短治疗时间，减少手术痛苦和降低费用；在不利于骨折愈合因素存在的条件下如糖尿病、骨质疏松等，采用LIPUS治疗是骨折愈合的保证之一。小小 结结LIPUS对骨骼肌损伤的修复作用。软组织挫伤系指人体运动系统皮肤以下骨骼之外的肌肉、韧带、筋膜、肌腱、滑膜、脂肪、关节囊等组织以及周围神经、血管的不同情况的损伤。这些组织

19、受到外来内在的不同致伤因素的作用，造成组织破坏和组织生理功能紊乱产生损伤。软组织损伤软组织损伤软组织损伤软组织损伤 大于90肌肉的损伤是挫伤或牵拉伤。肌肉挫伤可导致肌肉功能障碍，并有再损伤的可能性。超声波是临床用于治疗各类型损伤的方法之一，但作用机制及临床效能的理论依据无良好大样本随机对照的实验依据，使临床应用受到很大限制。软组织损伤软组织损伤 Takakura等对膝关节内侧副韧带横断术后的兔模型给予每天20分钟的LIPUS治疗，研究结果表明LIPUS可加速内侧副韧带的早期愈合。Enwemeka等证实每天运用平均强度为0.5Wcm2的超声治疗5分钟，可促进患者术后跟腱的修复。Karnes等人利

20、用趾长伸肌损伤的兔模型，每天给予持续的1.0MHz、0.5Wcm2的超声治疗，结果证实收缩性肌肉损伤在治疗7天后，肌肉力量可明显改善。腓肠肌挫伤腓肠肌挫伤 杨志金等进行了动物实验：成年雄性SD大鼠30只，将其中24只作为实验组，制作成双侧腓肠肌挫伤模型，损伤24 h后，对大鼠左后肢使用频率3 Hz，强度0.25 Wcm2，50 循环的脉冲超声波治疗，每日1次，持续5 rnin；右后肢行假治疗。另6只作为空白对照组。分别于损伤后14、21、28及35 d 时取材进行生物力学指标测试。Result Result 结果发现：治疗28 d时，实验组大鼠左后肢最大载荷及屈服强度已恢复至正常水平，与对照组

21、 比较差异无统计学意义；左后肢35 d的肌肉湿重和抗拉强度也与对照组差异无统计学意义。右后肢35 d时各项指标仍明显低于对照组(PO01)。结论：超声波治疗可促进骨骼肌挫伤的愈合，并能显著提高其愈合质量。DiscussDiscuss 以前的观点认为，骨骼肌细胞属于终末分化永久性细胞，不再具有分裂和再生能力，损伤后多为疤痕愈合。近年相关研究表明。骨骼肌损伤后是可以再生的。但肌肉损伤愈合较慢。且自然修复功能往往恢复不完 全。因而重视肌肉损伤的早期治疗，预防并发症的发 生，积极探索促进肌肉损伤快速修复且功能恢复完全 的治疗方法，显得尤为重要。DiscussDiscuss 动物实验表明，超声 波可以促

22、进软骨、韧带和肌腱等组织损伤的修复。Rantanen等经实验证实3.0 MHz、1.5 Wcm2的 脉冲超声波可促进大鼠挫伤腓肠肌肌卫星细胞增殖、分化，促进损伤肌肉修复。Ng GY。Fung DTThe effect of therapeutic ultrasound intensity on the ultrastructural morphology of tendon repairJ UItrasound Med Biol。200733(11)：1750一1754Da CA，Parizotto NA，Vidal BCThe effect of therapeutic ultrasound

23、 on repair of the achilles tendon(tendo calca neus)of the ratJUltrasound Med Biol，2001，27(12)：16911696DiscussDiscuss 超声波的作用深度与频率相关，频率低时作用部位较深，而频率高时作用部位较浅频率3MHz的超声波治疗深度可达12cm。治疗超声波可分连续式和脉冲式，连续式温热效应明显，脉冲式在每个脉冲后有时间间隔，热效应不明显。热效应和其强度相关。LIPUS促进损伤肌肉修复主要是利用其非热效应，包括机械效应、空化效应。Reher等证实LIPUS可促进血管生成白介素8（IL-8）、碱性

24、成纤维细胞生长因子（bFGF）和血管内皮生长因子（VEGF）生长，血管生长因子的生成能促进损伤骨骼肌修复，这也是超声波促进肌肉损伤修复的机制之一。作用机制作用机制 影响超声波治疗效果的因素较多，涉及强度、频率、作用时间、脉冲通断比等参数，而这些参数都与其生物效应有关。进一步探讨超声波促进骨骼肌损伤修复的作用机制及临床效能。通过设计良好的大样本实验，争取建立超声波治疗时间和计量相关的量效曲线；为超声波治疗肌肉损伤的时机、使用频率、强度、治疗持续时间等建立指导原则，均是该领域今后研究的重点。展望展望LIPUS对关节软骨再生的作用。关节软骨由软骨细胞和细胞外基质组成，后者又由蛋白多糖和胶原组成。蛋白

25、多糖和型胶原的合成减少、降解增加是造成关节软骨伤痛及退变的主要因素。随着对骨关节炎OA发病机制认识的逐步深入，发现该病的病例基础主要是关节软骨的病变。骨关节炎骨关节炎OAOA Jia等利用双侧髁间窝软骨表面的骨一软骨缺损的新西兰兔模型，以左侧膝为治疗组运用LIPUS治疗，以右侧为对照，证实LPUS可加速关节软骨的修复。软骨修复作用软骨修复作用 研究发现，LIPUS能够促进受损软骨修复，加速软骨细胞再生。贾小林等通过制备双侧髁间窝软骨表面的骨-软骨缺损的新西兰模型，左侧膝为治疗组，给予LIPUS治疗，右侧作为对照组，结果证实LIPUS可以加速关节软骨的修复。在LIPUS促进关节软骨修复过程中，逐

26、渐发现其对基质金属蛋白酶MMPs和胶原的影响。MMPs是一组锌离子依赖酶，主要生理作用是降解细胞外基质；可降解多种胶原及软骨中蛋白多糖的核心蛋白，还可裂解型胶原的非螺旋区。杨军等也在研究过程中发现MMPs在损伤后的软骨组织中表达增高，这也是导致关节软骨退变的重要因素。软骨修复作用软骨修复作用 (1)非侵入性：超声波具有穿透性，可进入和穿过生物组织，能够在体外施行治疗。(2)有效性：具有良好的效果。(3)安全性：对治疗的局部和全身均无损害。(4)操作方便、治疗时间短。虽然LIPUS具有优越的促进骨折愈合作用、对骨骼肌损伤的修复作用、对关节软骨再生的作用。但正式应用于临床治疗的时间并不长。尚有未能很好解决的问题：确切的作用机制、治疗过程中最佳参数、该治疗手段与其它手段的配合，还需要学者们继续探索。在在“环太平洋环太平洋-2014”任务阶段，担任骨科手术任务阶段，担任骨科手术主刀医师，多次圆满完成战伤手术演练。主刀医师，多次圆满完成战伤手术演练。赴斐济、汤加南太四国医疗服务赴斐济、汤加南太四国医疗服务