本文通過分析動脈流量與肌肉萎縮之間的內在聯系,為臨床上殘肢康復研究提供必要的信息和理論支撐。對單側截肢患者的殘肢與健肢的動脈模型進行三維重建,通過血流動力學數值計算對各動脈出口質量流量進行雙側對比分析;測量雙側大腿肌肉面積,并分析殘肢的肌肉萎縮程度。通過血供關系對比分析動脈流量與肌肉萎縮程度之間的關系。結果表明,股直肌、股外側肌、股內側肌萎縮較為嚴重,其滋養血管股淺動脈及旋股外動脈質量流量縮減也較嚴重;股薄肌、長收肌、股二頭肌長頭肌肉萎縮程度較輕,而其滋養血管股深動脈及旋股內動脈質量流量縮減也較輕。殘肢肌肉的萎縮程度與對應供血動脈的質量流量縮減程度成正相關,兩者在康復過程中或存在相互促進的關系。
引用本文: 何思利, 蔣文濤, 董瑞琪, 晏菲, 徐智, 樊瑜波. 動脈流量對于肌肉萎縮的影響. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(1): 68-72, 79. doi: 10.7507/1001-5515.201801032 復制
引言
截肢不僅是為了緊急拯救患者的生命,而是為了在挽留患者生命的同時減輕患者今后的痛苦,給予患者心理以及生理上的幸福與舒適。然而就目前的截肢手術來說無法完美解決這個問題,在患者進行截肢手術后,會出現一系列的后遺癥。這些后遺癥嚴重地影響了患者的正常生活,例如:殘肢肌肉萎縮[1],深部軟組織損傷[2],潰爛、水泡、浮腫、壓瘡等皮膚問題[3-4]等等。而且,這些后遺癥會同時對患者生理和心理造成傷害,非常不利于患者的康復,迫切需要得到緩解和解決。
目前國內外已經進行過不少關于截肢的相關研究。例如:Guzman 等[5]通過對 229 名患者的下肢多層計算機斷層掃描進行評估,認為脛動脈硬化程度可作為截肢的判據;Bemben 等[6]通過對八名單側截肢患者在截肢后的 6 個月和 12 個月進行多項指標的評估,認為患者在截肢后早期即可發生骨質量和強度的快速和實質性的損失,12 個月后不能恢復活力;Isakov 等[7]通過用測力儀測量等速向心和偏心,以及等長的大腿肌肉的力量,證明在截肢后的第一年,膝下截肢者的殘肢大腿肌肉強度明顯下降;Dong 等[8]利用 Hausdorff 距離比較兩名受試者的動脈樹空間結構變化,認為假肢不僅可以實現殘肢的功能補償,而且可以促進下肢的生理狀態調整,以適應新的步態。這些研究從下肢的截肢到殘肢的康復都做出了細致的研究。然而關于下肢截肢還有一個必須要考慮的因素,就是殘肢中的血流動力學問題。血流作為供給氧氣以及營養物質給下肢的載體,在下肢的發育以及殘肢的康復中起著舉足輕重的作用,而血流動力學問題更是其中最為重要的因素之一。目前已有研究發現,下肢血管的血流動力學環境與肌肉萎縮、血栓、壓瘡和深部軟組織損傷有著密切關系。如:Dong 等[9]通過對下肢截肢和康復的血液動力學研究成果進行調查,對下肢截肢和康復做出系統的血流動力學綜述;Yan 等[10]通過對比壁面剪切力與氧氣對于動脈粥樣硬化的影響,發現需要同時考慮剪切力和氧氣來預測動脈粥樣硬化在下肢截肢后的發展。然而,這些研究都沒有對下肢細致的分支血管與截肢后遺癥之間的關系進行研究,因此本研究從細致的下肢血管與后遺癥之間關系入手,通過對肌肉萎縮程度與下肢動脈流量之間的關系進行研究,得出殘肢動脈流量對殘肢肌肉萎縮的影響。
1 材料與方法
1.1 對象
模型建立對象根據以下標準進行篩選:① 單側膝上截肢患者;② 年齡 18~60 歲之間,性別不限;③ 截肢水平為大腿中段或下段,以保證殘肢長度;④ 截肢手術未伴有其他血管手術;⑤ 接受了良好的術后即時處理;⑥ 術后無下肢外周血管疾病;⑦ 殘端皮膚和軟組織狀態良好。經過篩選,選取一名 20 歲由于腫瘤行左大腿中段截肢的女性患者為對象,根據董瑞琪[11]采集到的臨床數據,盡管截肢患者情況不盡相同,但綜合來說縮窄程度最大的血管為股淺動脈與旋股外動脈,其次是旋股內動脈,最后為股深動脈,各患者殘肢的血管形狀具有相似性,本文志愿者也具有相同的血管形狀特征,因此具有普適性。
1.2 模型建立
為獲得與血管真實情況相同的幾何模型,對同一患者的殘肢及健肢使用電子計算機斷層掃描(computed tomography,CT)獲得血管的增強 CT 圖像。同時為了獲得貼近患者真實血管形態的模型,通過 mimics 軟件提取出殘肢及健肢的股動脈、股淺動脈、股深動脈、旋股內動脈、旋股外動脈及其分支血管的中心線,獲得三維模型。在建模過程中,為保持三維模型與實際血管情況一致,保留了模型中殘肢與健肢血管的區別。為了獲得有效的計算模型,通過 gambit 建立各部分血管并在分叉處進行合并,同時延長入口血管,得到如圖 1 所示模型。

在 gambit 劃分網格過程中,為保證計算精度同時減少計算時間,提高收斂性,對模型劃分六面體網格,分叉處采用四面體網格劃分方法,如圖 2 所示。同時,對復雜形狀的動脈單獨布點,加密網格。為了保證網格的順利過渡,在六面體網格與四面體網格之間采用楔形網格。為了使模型貼近真實的血管壁面血流動力學狀況,對血管三維模型添加邊界層。將網格文件導入 fluent 中進行數值計算并驗證網格無關性。

1.3 肌肉萎縮程度測量方法
對同一患者采用核磁共振掃描成像(magnetic resonance imaging,MRI),采集大腿肌肉橫截面圖像。獲取橫截面圖像時,為了準確地對殘肢與健肢的肌肉面積進行比較,將殘肢的總長度定義為坐骨結節到殘肢末端,分別選取位于殘肢總長度 30% ± 5%、40% ± 5%、50% ± 5%、60% ± 5%、70% ± 5% 位置的 MRI 圖像,以及健肢相應位置的 MRI 圖像,如圖 3 所示。

為了準確地測量各塊肌肉橫截面積,將每層 MRI 圖像上肌肉分為 11 塊,分別為股直肌(RF)、股中間肌(VI)、股外側肌(VL)、股內側肌(VM)、股薄肌(GRAC)、縫匠肌(SART)、長收肌(AL)、大收肌(AM)、半膜肌(SEMI_M)、半腱肌(SEMI_T)和股二頭肌長頭(BF),對每塊肌肉單獨測量橫截面積,如圖 4 所示。

1.4 邊界條件
本項目建立在以下假設上展開研究:血液流動為定常流動,血管壁為不可滲透的無滑移剛性壁面。血液是具有各向同性、不可壓縮的牛頓流體,具有恒定密度和黏度。其控制方程為 N-S 方程。
根據采集到的患者實際超聲數據,設定入口速度邊界條件,設置健肢入口速度為 0.38 m/s,殘肢入口速度為 0.23 m/s[11],各出口采用 0 壓力出口條件。
2 結果
根據數值計算結果,得到各出口血管的質量流量,如表 1 所示。觀察表 1 可得,股淺動脈及旋股外動脈與股深動脈及旋股內動脈相比,殘肢質量流量與健肢質量流量的比值較低。

為了準確地對殘肢與健肢的肌肉面積進行比較,選取位于大腿 30% ± 5%、40% ± 5%、50% ± 5%、60% ± 5%、70% ± 5% 位置處的 5 層圖像,使用殘肢肌肉橫截面積和健肢肌肉橫截面積的比值來衡量殘肢肌肉萎縮程度,如表 2 所示。可觀察到,部分肌肉的該比值較低,如股直肌、股外側肌、股內側肌,這三塊肌肉的殘肢肌肉橫截面積和健肢肌肉橫截面積的比值范圍分別為 0.26~0.43、0.10~0.37、0.10~0.27,而部分肌肉比值較高,如股薄肌、長收肌、股二頭肌長頭,這三塊肌肉的殘、健肢肌肉橫截面積比值范圍分別為 0.54~1.33、0.28~1.13、0.55~0.99。

為了分析殘肢供血動脈流量對于對應殘肢肌肉萎縮的影響,將肌肉萎縮程度與對應滋養血管的質量流量的縮減程度進行對比,如圖 5 所示。挑選 11 組肌肉中萎縮程度較輕以及最嚴重的 6 組肌肉進行對比,股薄肌、長收肌、股二頭肌長頭的滋養血管均為股深動脈及旋股內動脈,股直肌、股外側肌、股內側肌則主要由股淺動脈及旋股外動脈進行滋養[11]。

3 討論
由于大腿截肢后動脈的結構發生巨大變化,殘肢的動脈質量流量相對健肢也會發生變化。為了準確得到殘肢動脈質量流量的縮減情況,對表 1 的數據結果進行分析,可以看出股淺動脈及旋股外動脈上,殘肢動脈的質量流量縮減情況嚴重,而在股深動脈、旋股內動脈上殘肢動脈的質量流量縮減情況較輕。
大腿截肢后,殘肢由于血供等情況的影響,肌肉會發生萎縮。為了定量評價殘肢肌肉的萎縮情況,通過表 2 得到的肌肉橫截面比值數據進行分析,股直肌、股外側肌、股內側肌的殘肢肌肉面積和健肢肌肉面積的比值較低,可得知殘肢中這三塊肌肉的萎縮程度最為嚴重,相反股薄肌、長收肌、股二頭肌長頭殘肢的肌肉面積相對健肢肌肉面積的比值較高,可知截肢后,殘肢上這三塊肌肉的萎縮程度最輕。
眾所周知,殘肢的肌肉萎縮可以通過一些康復手段緩解。例如,采用按摩、石蠟浴[12]、動作訓練等方法進行康復,這些手段可促進血液循環,增強毛細血管的通透性,利于殘肢組織的增生;還可通過音頻電療法,使局部血運增強,缺氧狀態好轉,可達到良好的消炎、消腫、解痙、鎮痛和軟化疤痕以及消除粘連的作用[13];此外還有磁場治療,以引起機體的神經體液調節變化,有效地改善殘端肢體的血液循環,改善局部組織營養,降低神經的興奮性,達到明顯的消炎鎮痛作用[13]。由此可見,殘肢康復與血管的供血存在密切關系。
結合前文討論,可以發現殘肢動脈的質量縮減情況各不相同,同時殘肢各組肌肉的萎縮情況也不相同,這可能是由于血供情況的差異導致的。為了直觀地得到肌肉萎縮與動脈質量流量之間的關系,對肌肉萎縮程度與對應滋養血管的質量流量的縮減程度進行對比。如圖 5 所示,挑選出了萎縮程度最嚴重和最輕的 6 組肌肉進行對比,可以看出肌肉萎縮程度較為嚴重的股直肌、股外側肌、股內側肌的滋養血管中均包含質量流量縮減程度較嚴重的股淺動脈及旋股外動脈,而肌肉萎縮程度較輕的股薄肌、長收肌、股二頭肌長頭均由質量流量縮減程度較輕的股深動脈及旋股內動脈滋養。可知流量縮減越是厲害,肌肉萎縮程度越是嚴重,反之亦然。
根據廢用性萎縮的說法,各動脈供血流量的差異可能是由于肌肉處于廢用性的狀態,血流量的差異導致氧氣及營養物質供給的差異,猜想患者股直肌、股外側肌、股內側肌可能運動較少,處于廢用性狀態。但除此以外,假肢接受腔與殘端的適配性、截肢面的縫合方式與截肢水平等因素均可能造成肌肉萎縮,而這些因素應該是通過血供對肌肉造成影響,在將來的研究中需要進一步對這些因素進行考慮。
4 結論
綜上所述可得出結論,殘肢肌肉的萎縮程度與對應的供血血管有著密切的聯系,血管出口質量流量縮減程度越高則肌肉的萎縮程度越嚴重,兩者在康復過程中或存在相互促進的關系。所以在平時對截肢患者進行護理和治療時,應加強殘肢的鍛煉,從物理和藥理多方面促進殘肢血液循環,加強殘肢動脈的血液流動,以減緩殘肢肌肉的萎縮,同時應對股直肌、股外側肌、股內側肌等容易萎縮的肌肉加以更多的鍛煉,有效地減緩肌肉的萎縮。
本研究基于單側大腿截肢患者實測醫學圖像,進行了大腿殘肢與健肢動脈的數值計算,對殘肢以及健肢的動脈與肌肉萎縮情況進行了對比分析,針對分析結果提出了對于臨床的建議,可以為臨床上殘肢康復提供必要信息和理論支撐。
引言
截肢不僅是為了緊急拯救患者的生命,而是為了在挽留患者生命的同時減輕患者今后的痛苦,給予患者心理以及生理上的幸福與舒適。然而就目前的截肢手術來說無法完美解決這個問題,在患者進行截肢手術后,會出現一系列的后遺癥。這些后遺癥嚴重地影響了患者的正常生活,例如:殘肢肌肉萎縮[1],深部軟組織損傷[2],潰爛、水泡、浮腫、壓瘡等皮膚問題[3-4]等等。而且,這些后遺癥會同時對患者生理和心理造成傷害,非常不利于患者的康復,迫切需要得到緩解和解決。
目前國內外已經進行過不少關于截肢的相關研究。例如:Guzman 等[5]通過對 229 名患者的下肢多層計算機斷層掃描進行評估,認為脛動脈硬化程度可作為截肢的判據;Bemben 等[6]通過對八名單側截肢患者在截肢后的 6 個月和 12 個月進行多項指標的評估,認為患者在截肢后早期即可發生骨質量和強度的快速和實質性的損失,12 個月后不能恢復活力;Isakov 等[7]通過用測力儀測量等速向心和偏心,以及等長的大腿肌肉的力量,證明在截肢后的第一年,膝下截肢者的殘肢大腿肌肉強度明顯下降;Dong 等[8]利用 Hausdorff 距離比較兩名受試者的動脈樹空間結構變化,認為假肢不僅可以實現殘肢的功能補償,而且可以促進下肢的生理狀態調整,以適應新的步態。這些研究從下肢的截肢到殘肢的康復都做出了細致的研究。然而關于下肢截肢還有一個必須要考慮的因素,就是殘肢中的血流動力學問題。血流作為供給氧氣以及營養物質給下肢的載體,在下肢的發育以及殘肢的康復中起著舉足輕重的作用,而血流動力學問題更是其中最為重要的因素之一。目前已有研究發現,下肢血管的血流動力學環境與肌肉萎縮、血栓、壓瘡和深部軟組織損傷有著密切關系。如:Dong 等[9]通過對下肢截肢和康復的血液動力學研究成果進行調查,對下肢截肢和康復做出系統的血流動力學綜述;Yan 等[10]通過對比壁面剪切力與氧氣對于動脈粥樣硬化的影響,發現需要同時考慮剪切力和氧氣來預測動脈粥樣硬化在下肢截肢后的發展。然而,這些研究都沒有對下肢細致的分支血管與截肢后遺癥之間的關系進行研究,因此本研究從細致的下肢血管與后遺癥之間關系入手,通過對肌肉萎縮程度與下肢動脈流量之間的關系進行研究,得出殘肢動脈流量對殘肢肌肉萎縮的影響。
1 材料與方法
1.1 對象
模型建立對象根據以下標準進行篩選:① 單側膝上截肢患者;② 年齡 18~60 歲之間,性別不限;③ 截肢水平為大腿中段或下段,以保證殘肢長度;④ 截肢手術未伴有其他血管手術;⑤ 接受了良好的術后即時處理;⑥ 術后無下肢外周血管疾病;⑦ 殘端皮膚和軟組織狀態良好。經過篩選,選取一名 20 歲由于腫瘤行左大腿中段截肢的女性患者為對象,根據董瑞琪[11]采集到的臨床數據,盡管截肢患者情況不盡相同,但綜合來說縮窄程度最大的血管為股淺動脈與旋股外動脈,其次是旋股內動脈,最后為股深動脈,各患者殘肢的血管形狀具有相似性,本文志愿者也具有相同的血管形狀特征,因此具有普適性。
1.2 模型建立
為獲得與血管真實情況相同的幾何模型,對同一患者的殘肢及健肢使用電子計算機斷層掃描(computed tomography,CT)獲得血管的增強 CT 圖像。同時為了獲得貼近患者真實血管形態的模型,通過 mimics 軟件提取出殘肢及健肢的股動脈、股淺動脈、股深動脈、旋股內動脈、旋股外動脈及其分支血管的中心線,獲得三維模型。在建模過程中,為保持三維模型與實際血管情況一致,保留了模型中殘肢與健肢血管的區別。為了獲得有效的計算模型,通過 gambit 建立各部分血管并在分叉處進行合并,同時延長入口血管,得到如圖 1 所示模型。

在 gambit 劃分網格過程中,為保證計算精度同時減少計算時間,提高收斂性,對模型劃分六面體網格,分叉處采用四面體網格劃分方法,如圖 2 所示。同時,對復雜形狀的動脈單獨布點,加密網格。為了保證網格的順利過渡,在六面體網格與四面體網格之間采用楔形網格。為了使模型貼近真實的血管壁面血流動力學狀況,對血管三維模型添加邊界層。將網格文件導入 fluent 中進行數值計算并驗證網格無關性。

1.3 肌肉萎縮程度測量方法
對同一患者采用核磁共振掃描成像(magnetic resonance imaging,MRI),采集大腿肌肉橫截面圖像。獲取橫截面圖像時,為了準確地對殘肢與健肢的肌肉面積進行比較,將殘肢的總長度定義為坐骨結節到殘肢末端,分別選取位于殘肢總長度 30% ± 5%、40% ± 5%、50% ± 5%、60% ± 5%、70% ± 5% 位置的 MRI 圖像,以及健肢相應位置的 MRI 圖像,如圖 3 所示。

為了準確地測量各塊肌肉橫截面積,將每層 MRI 圖像上肌肉分為 11 塊,分別為股直肌(RF)、股中間肌(VI)、股外側肌(VL)、股內側肌(VM)、股薄肌(GRAC)、縫匠肌(SART)、長收肌(AL)、大收肌(AM)、半膜肌(SEMI_M)、半腱肌(SEMI_T)和股二頭肌長頭(BF),對每塊肌肉單獨測量橫截面積,如圖 4 所示。

1.4 邊界條件
本項目建立在以下假設上展開研究:血液流動為定常流動,血管壁為不可滲透的無滑移剛性壁面。血液是具有各向同性、不可壓縮的牛頓流體,具有恒定密度和黏度。其控制方程為 N-S 方程。
根據采集到的患者實際超聲數據,設定入口速度邊界條件,設置健肢入口速度為 0.38 m/s,殘肢入口速度為 0.23 m/s[11],各出口采用 0 壓力出口條件。
2 結果
根據數值計算結果,得到各出口血管的質量流量,如表 1 所示。觀察表 1 可得,股淺動脈及旋股外動脈與股深動脈及旋股內動脈相比,殘肢質量流量與健肢質量流量的比值較低。

為了準確地對殘肢與健肢的肌肉面積進行比較,選取位于大腿 30% ± 5%、40% ± 5%、50% ± 5%、60% ± 5%、70% ± 5% 位置處的 5 層圖像,使用殘肢肌肉橫截面積和健肢肌肉橫截面積的比值來衡量殘肢肌肉萎縮程度,如表 2 所示。可觀察到,部分肌肉的該比值較低,如股直肌、股外側肌、股內側肌,這三塊肌肉的殘肢肌肉橫截面積和健肢肌肉橫截面積的比值范圍分別為 0.26~0.43、0.10~0.37、0.10~0.27,而部分肌肉比值較高,如股薄肌、長收肌、股二頭肌長頭,這三塊肌肉的殘、健肢肌肉橫截面積比值范圍分別為 0.54~1.33、0.28~1.13、0.55~0.99。

為了分析殘肢供血動脈流量對于對應殘肢肌肉萎縮的影響,將肌肉萎縮程度與對應滋養血管的質量流量的縮減程度進行對比,如圖 5 所示。挑選 11 組肌肉中萎縮程度較輕以及最嚴重的 6 組肌肉進行對比,股薄肌、長收肌、股二頭肌長頭的滋養血管均為股深動脈及旋股內動脈,股直肌、股外側肌、股內側肌則主要由股淺動脈及旋股外動脈進行滋養[11]。

3 討論
由于大腿截肢后動脈的結構發生巨大變化,殘肢的動脈質量流量相對健肢也會發生變化。為了準確得到殘肢動脈質量流量的縮減情況,對表 1 的數據結果進行分析,可以看出股淺動脈及旋股外動脈上,殘肢動脈的質量流量縮減情況嚴重,而在股深動脈、旋股內動脈上殘肢動脈的質量流量縮減情況較輕。
大腿截肢后,殘肢由于血供等情況的影響,肌肉會發生萎縮。為了定量評價殘肢肌肉的萎縮情況,通過表 2 得到的肌肉橫截面比值數據進行分析,股直肌、股外側肌、股內側肌的殘肢肌肉面積和健肢肌肉面積的比值較低,可得知殘肢中這三塊肌肉的萎縮程度最為嚴重,相反股薄肌、長收肌、股二頭肌長頭殘肢的肌肉面積相對健肢肌肉面積的比值較高,可知截肢后,殘肢上這三塊肌肉的萎縮程度最輕。
眾所周知,殘肢的肌肉萎縮可以通過一些康復手段緩解。例如,采用按摩、石蠟浴[12]、動作訓練等方法進行康復,這些手段可促進血液循環,增強毛細血管的通透性,利于殘肢組織的增生;還可通過音頻電療法,使局部血運增強,缺氧狀態好轉,可達到良好的消炎、消腫、解痙、鎮痛和軟化疤痕以及消除粘連的作用[13];此外還有磁場治療,以引起機體的神經體液調節變化,有效地改善殘端肢體的血液循環,改善局部組織營養,降低神經的興奮性,達到明顯的消炎鎮痛作用[13]。由此可見,殘肢康復與血管的供血存在密切關系。
結合前文討論,可以發現殘肢動脈的質量縮減情況各不相同,同時殘肢各組肌肉的萎縮情況也不相同,這可能是由于血供情況的差異導致的。為了直觀地得到肌肉萎縮與動脈質量流量之間的關系,對肌肉萎縮程度與對應滋養血管的質量流量的縮減程度進行對比。如圖 5 所示,挑選出了萎縮程度最嚴重和最輕的 6 組肌肉進行對比,可以看出肌肉萎縮程度較為嚴重的股直肌、股外側肌、股內側肌的滋養血管中均包含質量流量縮減程度較嚴重的股淺動脈及旋股外動脈,而肌肉萎縮程度較輕的股薄肌、長收肌、股二頭肌長頭均由質量流量縮減程度較輕的股深動脈及旋股內動脈滋養。可知流量縮減越是厲害,肌肉萎縮程度越是嚴重,反之亦然。
根據廢用性萎縮的說法,各動脈供血流量的差異可能是由于肌肉處于廢用性的狀態,血流量的差異導致氧氣及營養物質供給的差異,猜想患者股直肌、股外側肌、股內側肌可能運動較少,處于廢用性狀態。但除此以外,假肢接受腔與殘端的適配性、截肢面的縫合方式與截肢水平等因素均可能造成肌肉萎縮,而這些因素應該是通過血供對肌肉造成影響,在將來的研究中需要進一步對這些因素進行考慮。
4 結論
綜上所述可得出結論,殘肢肌肉的萎縮程度與對應的供血血管有著密切的聯系,血管出口質量流量縮減程度越高則肌肉的萎縮程度越嚴重,兩者在康復過程中或存在相互促進的關系。所以在平時對截肢患者進行護理和治療時,應加強殘肢的鍛煉,從物理和藥理多方面促進殘肢血液循環,加強殘肢動脈的血液流動,以減緩殘肢肌肉的萎縮,同時應對股直肌、股外側肌、股內側肌等容易萎縮的肌肉加以更多的鍛煉,有效地減緩肌肉的萎縮。
本研究基于單側大腿截肢患者實測醫學圖像,進行了大腿殘肢與健肢動脈的數值計算,對殘肢以及健肢的動脈與肌肉萎縮情況進行了對比分析,針對分析結果提出了對于臨床的建議,可以為臨床上殘肢康復提供必要信息和理論支撐。