尼加提·外力，居來提·買提肉孜，李艷娜,田偉

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

研究報(bào)告

沙療溫度對骨重建實(shí)驗(yàn)的影響及傳熱數(shù)值模擬研究

尼加提·外力，居來提·買提肉孜*，李艷娜,田偉

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

目的 研究沙療溫度對骨重建實(shí)驗(yàn)的影響及傳熱數(shù)值模擬研究。方法 采用CT掃描的手段分別進(jìn)行4次掃描(建立實(shí)驗(yàn)對象OA模型前后各1次、進(jìn)行沙療第1周和第2周后各1次)。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS軟件,分析了各股質(zhì)層骨量的變化，將肌肉、股骨和骨髓，裝配后劃分網(wǎng)格，把建立的三維模型的STL格式導(dǎo)入到COMSOL軟件進(jìn)行傳熱模擬及分析溫度場產(chǎn)生的應(yīng)力對骨重建的影響。結(jié)果 分析4次CT掃描數(shù)據(jù)的變化和熱應(yīng)力模擬，在沙療溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力環(huán)境下，軟質(zhì)骨體積減少，而密、硬質(zhì)骨體積增加。傳熱數(shù)值模擬很好的體現(xiàn)了大腿及股骨部位的溫度分布。結(jié)論 沙療溫度對股骨產(chǎn)生的熱應(yīng)力對骨重建起促進(jìn)作用。

沙療；傳熱；骨密度；熱應(yīng)力；數(shù)值模擬

埋沙療法，簡稱沙療是吐魯番勞動人民利用當(dāng)?shù)鼐哂刑厥獾臍夂驐l件和地理?xiàng)l件來創(chuàng)造的一種治療各種骨病的方法。經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域的骨病學(xué)專家學(xué)者對維醫(yī)沙療的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)維醫(yī)沙療對關(guān)節(jié)炎、頸椎腰腿痛、風(fēng)濕、骨質(zhì)疏松等各種骨病有很明顯的療效。骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA) 即退行性骨關(guān)節(jié)病(degenerative joint disease)，是在力學(xué)因素和生物學(xué)因素共同作用下，軟骨細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)及軟骨下骨三者間分解和合成代謝失衡的結(jié)果[1]。據(jù)美國關(guān)節(jié)炎基金會1973年的研究表明，美國患骨性關(guān)節(jié)炎的人數(shù)已經(jīng)達(dá)到2000萬，年齡45～65歲之間的患者占75%以上[2]。骨性關(guān)節(jié)炎雖然造成死亡率不是很高，但是造成嚴(yán)重的關(guān)節(jié)疼痛和功能障礙。藥物可以防治關(guān)節(jié)炎，但是價(jià)格昂貴，治療周期時(shí)間長而產(chǎn)生較多的副作用，因而限制了其作用。沙療可以有效地加速局部血液循環(huán)，其過程可能是熱沙的作用，使得血管擴(kuò)張、血液循環(huán)改善，促進(jìn)骨代謝。破骨細(xì)胞是在骨吸收中起主要作用的細(xì)胞，目前認(rèn)為破骨細(xì)胞主要來源于骨髓中造血干細(xì)胞的前破骨細(xì)胞，其分化發(fā)育信號由成骨細(xì)胞調(diào)節(jié)[3]。應(yīng)力是骨骼在我們的日?；顒又兴惺艿淖畛Ｒ姷囊环N物理因子，它對于機(jī)體的骨骼代謝及骨健康狀態(tài)有著十分重要的影響。應(yīng)力應(yīng)變對骨生長和股重建的影響是當(dāng)前骨科學(xué)和應(yīng)用生物材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究集中在骨折愈合方面[4]。已有不少研究結(jié)果證實(shí)：局部骨組織細(xì)胞的細(xì)胞因子的異常表達(dá)可能是力學(xué)刺激調(diào)節(jié)骨轉(zhuǎn)換并且對骨量影響的最終因素之一。力學(xué)刺激對于骨代謝的影響機(jī)制十分復(fù)雜，包括其對于骨形成、骨吸收以及骨轉(zhuǎn)換等各個方面。骨細(xì)胞通過感受力學(xué)刺激,產(chǎn)生具有合成代謝功能的細(xì)胞因子如胰島素樣生長因子I (IGF-1)等以旁分泌方式作用位于骨表面的成骨細(xì)胞增加成骨作用[5]。Reed等[6]發(fā)現(xiàn)血漿IGF-1水平與成骨細(xì)胞活性指標(biāo)有密切的相關(guān),而Zhang等[7]則證實(shí)力學(xué)刺激可能通過調(diào)節(jié)IGF-1的表達(dá)對骨代謝起作用。骨髓基質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程需要經(jīng)過分化、增殖、礦化、休止四個階段。

本文通過建立兔骨關(guān)節(jié)炎三維模型在模擬吐魯番沙療場建立的沙療實(shí)驗(yàn)[8]，對兔股骨進(jìn)行CT掃描分析、傳熱模擬和熱應(yīng)力模擬后考察了沙療產(chǎn)生的熱應(yīng)力對骨重建的影響及進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 材料與方法

1.1.1 實(shí)驗(yàn)動物

清潔級成年雄性新西蘭兔10只，10月齡，體重為(3.8±0.2)kg，由新疆醫(yī)科大學(xué)動物實(shí)驗(yàn)中心提供【SCXK(新)2011-0003】，飼養(yǎng)及組織取材均于新疆醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心實(shí)驗(yàn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行【SYXK(新)2011-0001】。本實(shí)驗(yàn)所有操作均符合中華人民共和國《實(shí)驗(yàn)動物管理?xiàng)l例》。

1.1.2 儀器與試劑

上海生工 (Sangon Biotech) 生物工程公司提供的3%木瓜蛋白酶(papain)。Siemens/Emotion 6 排螺旋 CT， CT 掃描主要參數(shù)：最小斷層厚度為 0.3 mm，CT 圖像像素為 512×512(Pixel)； Mimics17.0 軟件；惠普 HP Compaq 8200 Elite Microtower 計(jì)算機(jī)。

1.2 方法

1.2.1 建立OA模型

將實(shí)驗(yàn)對象飼養(yǎng)兩周使之適應(yīng)飼養(yǎng)環(huán)境之后，進(jìn)行第1次掃描，第7天對兔右腿膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射濃度為3%劑量為0.3 mL的木瓜蛋白酶，建立OA模型。第14天再進(jìn)行第2次掃描，進(jìn)行沙療1周后(第21天)再進(jìn)行第3次掃描，沙療第2周后(第28天)再進(jìn)行第4次掃描。

我正在發(fā)愣，巴克夏推了推我。一看，她落落大方地把行李和臉盆牙具放到地上說：“謝謝大家來接我——”一看是我們，便笑道：“是你們？怎么樣？說話算數(shù)，言而有信吧？”說著向我伸過手來。

我們研究的是沙療溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力對股重建的影響，所以在其皮膚下組織溫度具體的分布和傳熱情況，是我們研究討論的重點(diǎn)。因此我們將大腿分割為肌肉層、骨骼和骨髓三部分，其閾值范圍分別為肌肉(-203～147)，骨骼(148～3701)，骨髓(-185～60)。

1.2.2 治療方法

在新疆大學(xué)南校區(qū)建立的四季沙療室中，利用夜間采用雙面加熱的方法對沙體加熱，使其溫度與吐魯番沙療場沙療溫度基本吻合。沙療進(jìn)行時(shí)間為每天的北京時(shí)間12:30～13:00和18：00～18:30對OA兔進(jìn)行兩次各30 min的14 d沙療,并在埋沙治療時(shí)，對膝關(guān)節(jié)處沙療的溫度進(jìn)行每5 min 1次的測量和記錄,得到的沙療溫度范圍是38.5～45℃，這溫度范圍是跟吐魯番沙療所的沙療溫度基本吻合。

2 結(jié)果

2.1 骨質(zhì)骨量的變化

利用Mimics軟件處理CT掃描的數(shù)據(jù)所得三維模型，從直觀的角度可以發(fā)現(xiàn)，密度最大的硬質(zhì)骨的外形上，在沙療前后硬質(zhì)骨的分布情況有明顯的變化規(guī)律。(見圖1)。

由圖2可知，第1次CT掃描數(shù)據(jù)是給實(shí)驗(yàn)兔打藥前的各股質(zhì)層的骨量掃描數(shù)據(jù)，打藥后的第7天進(jìn)行第2次掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)軟質(zhì)骨的體積增加，密質(zhì)骨和硬質(zhì)骨的體積減少，這說明兔右腿股骨患關(guān)節(jié)炎。進(jìn)行沙療后第3、4次掃描發(fā)現(xiàn)軟質(zhì)骨的體積減少，密質(zhì)骨和硬質(zhì)骨的體積增加。

圖1 沙療前后硬質(zhì)骨分布情況Fig.1 Distribution of hard bone before and after sand treatment

圖2 四次掃描后各股質(zhì)層骨量的變化折線圖Fig.2 The changes of bone mass in each layer of the femur after four times of scanning

2.2 傳熱數(shù)值模擬

2.2.1 傳熱理論

皮膚的傳熱屬于生物傳熱學(xué)的研究范圍 ,與工

程材料的傳熱很不一樣。Pennes的灌流組織傳熱模型考慮了血管的傳熱作用和生命體代謝產(chǎn)熱因素,形式比較簡單,但能較好地反映生物傳熱的過程, 是目前使用最多的生物傳熱模型。本文采用它對生物組織的傳熱過程進(jìn)行分析和仿真,其方程為：

式中Q為外部熱源項(xiàng)，Qbio反映了出入控制體的血流所傳輸?shù)臒崃?。Qmet為新陳代謝熱源。ρ[Kg·K]表示生物組織密度，Cp[J/(kg·K]為生物組織的常壓熱容，ρb表示血液密度，T表示溫度，t表示時(shí)間，b為血液灌注率，k為組織的熱導(dǎo)率。Cb為血液比熱容，Tb為動脈血的溫度。

2.2.2 三維模型的建立及傳熱仿真

利用Comsol軟件對生物組織傳熱給物理參數(shù)(表1、2)進(jìn)行了有限元仿真。圖3，4是整個OA模型(肌肉、股骨、骨髓)和股骨的溫度分布云圖。

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

表2 生物熱參數(shù)Tab.2 Biothermal parameters

圖3 整個模型的溫度分布云圖Fig.3 Temperature distribution of the whole model

圖4 股骨的溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution of the femur

由股骨三維模型的溫度分布圖可知股骨在肌肉層薄的區(qū)域溫度較高(達(dá)到316.65 K)，股骨的中間部位由于肌肉層較厚，在肌肉組織內(nèi)的生物調(diào)節(jié)下，熱量傳到股骨中間部位就相對較小(311.65 K)及溫度的變化是不均勻的，導(dǎo)致其部位溫度相對較低。

2.2.3 溫度場對股骨產(chǎn)生的應(yīng)力

本文利用Comsol軟件對骨組織設(shè)置楊氏模量為1.4e11 Pa，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)為0.1e-6等熱應(yīng)力參數(shù)[9]后進(jìn)行了熱應(yīng)力分析。

圖5 溫度312.65K的應(yīng)力分布云圖Fig.5 Stress distribution of temperature 312.65 K

圖6 溫度316.15K的應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress distribution of temperature 316.65 K

由模擬結(jié)果圖可知，傳熱溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力主要影響在骨髓上，傳熱溫度為312.65 K時(shí)最大應(yīng)力為2.21E-8 Pa, 傳熱溫度為316.65 K時(shí)最大應(yīng)力為2.43E-8 Pa。這說明，沙療過程中傳熱溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力值隨傳熱溫度增強(qiáng)。

3 討論

硬質(zhì)骨的三維模型變化規(guī)律可以推斷：在股骨硬質(zhì)骨分布的區(qū)域，沙療傳熱通過對離子的作用,影響酶的活性,進(jìn)而影響這些酶參加新陳代謝反應(yīng)。同時(shí)也可加速局部血液循環(huán)，血管擴(kuò)張、血液循環(huán)改善。通過這些作用從而影響了硬質(zhì)骨的增多及分布面積增大。

骨組織的重建與應(yīng)力的關(guān)系是生物力學(xué)一個重要研究方向。研究骨骼的重建機(jī)理、骨生長與應(yīng)力關(guān)系的理論，就必然深刻地了解骨生理重建的實(shí)際過程，可以幫助我們從基礎(chǔ)的角度去理解骨骼的重建和生長機(jī)理，對在醫(yī)學(xué)上的采用有著廣泛的前途，對于矯形外科、骨傷的治療等很多方面都有著重要的作用[10, 11]。早在1884年，Wolff就提出了一個很重要的假說，通常稱為Wolff’s law：“骨在需要的環(huán)境就生長，不需要的環(huán)境就吸收”[12]。含義是，骨的生長、吸收、重建、消亡都與骨的受力狀態(tài)有密切地關(guān)系。這重要的假說給我們指出了力學(xué)與生命之間的密切關(guān)系。力學(xué)應(yīng)力對軟骨內(nèi)骨化和骨生長過程產(chǎn)生影響的，這理論是很早以前提出的。早在19世紀(jì)Hueter-Volkmann定律提出壓力抑制對軟骨生長而被張力加快骨生長[13]。這個簡單但是重要的基本假設(shè)與大量實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果是基本一致的，并且成為當(dāng)代臨床治療領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。

總之，沙療中傳熱作為重要因素，沙療溫度對股骨產(chǎn)生的熱應(yīng)力促進(jìn)骨髓基質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的能力，成骨細(xì)胞不斷形成類骨質(zhì),破骨細(xì)胞又不斷溶解吸收骨、抑制軟質(zhì)骨的生長而加快軟質(zhì)骨成為密、硬質(zhì)骨的速度，通過這些活動來完成骨重建。

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Effects of sand therapy temperature on the bone reconstruction and numerical study on the heat transfer

Nijat Wali, Jurat Matrozi*, LI Yan-na, TIAN Wei

(College of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

Objective To investigate the effects of sand therapy temperature on bone reconstruction and numerical study on the heat transfer. Methods CT scan imaging was performed respectively for four times (before and after OA model was set up, and after the first and second weeks during the sand therapy). Import the scan data to MIMICS software, and the changes of femoral bone mass layer were analyzed. After combining the muscle, femur, bone marrow and meshing, the established three-dimensional model of the STL format was introduced into the COMSOL software for heat transfer simulation and effect of stress on bone remodeling induced by temperature field. Results Changes of four CT scan data were analyzed. The soft bone volume was reduced, while the dense and hard bone volume were increased. Numerical simulation on the heat transfer showed the temperature distribution of the thigh and the femur. Conclusions The thermal stress produced by sand therapy temperature exert promoting effect on the femur bone remodeling.

Sand therapy; Heat transfer; Bone density; Thermal stress; Numerical modeling

Jurat Matrozi, E-mail: jurat@xju.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (編號：81160542)。

尼加提·外力(1988-)，男，在讀碩士研究生，研究方向：生物力學(xué)。E-mail: 1120684680@qq.com

居來提·買提肉孜 (1972-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：生物力學(xué)。E-mail: jurat@xju.edu.cn

Q95-33

A

1005-4847(2017) 02-0181-05

10.3969/j.issn.1005-4847.2017.02.012

2016-07-26