下肢截肢后殘肢的肌肉萎縮對患者康復十分不利。為探明殘肢肌肉萎縮的生物力學機制,本研究利用大腿截肢患者殘肢的磁共振斷層影像(MRI),建立了包含肌肉、骨骼以及主要血管的殘肢有限元模型,研究分析了下肢假肢接受腔對殘肢軟組織及血管的生物力學影響。結果發現,旋股外側動脈降支因擠壓而發生的狹窄最為嚴重,股深動脈的狹窄則相對較小;旋股外側靜脈的降支、股靜脈、股深靜脈狹窄的程度依次降低,大隱靜脈的狹窄程度較為嚴重。前側肌群中應力應變最高;下側肌群在股骨的末端處出現應力集中,并且其他生物力學指標在下側區域中也相對較高。本研究在一定程度上揭示了接受腔對血管的擠壓是導致肌肉萎縮的重要原因,這為進一步研究殘肢肌肉的萎縮機制和采取有效的預防措施提供了理論參考。
引用本文: 王振澤, 徐智, 晏菲, 儲照偉, 蔣文濤, 樊瑜波. 下肢假肢接受腔對殘肢肌肉萎縮影響的數值研究. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(6): 887-891, 899. doi: 10.7507/1001-5515.201803060 復制
引言
下肢截肢術后經常伴隨著各種并發癥,殘肢肌肉萎縮是其中之一[1-2]。截肢患者須定期對假肢接受腔進行修型,這給截肢患者生活帶來很大不便,也增大了患者恢復運動能力的難度。如果沒有及時地對接受腔進行修型,則會導致殘肢與接收腔之間松動,產生軟組織上的應力集中,特別是在骨突出的地方,極易對軟組織造成損傷[3]。
許多學者對肌肉萎縮的機制進行了研究。一種觀點認為,正常情況下運動神經對其支配的骨骼肌有“營養作用”,其末梢經常釋放某些物質,持續調節被支配肌肉的代謝活動,影響其結構、生理生化的變化[4]。因此,當肌肉由于廢用失去神經的營養作用時必將逐漸產生萎縮。另外,一些學者通過實驗發現,特異性的神經沖動不僅能夠防止肌肉萎縮,而且可以增加特定肌纖維的數量。因而他們認為,肌肉廢用時運動神經沖動的降低,是直接造成殘肢萎縮的原因之一[5-6]。此外,還有一種觀點認為,肌肉廢用時的氧化應激反應是促進肌肉萎縮的重要因素。由于氧化應激的作用,體內可產生過氧化脂質,一方面使溶酶體通透性增強,促進蛋白質分解;另一方面使線粒體功能減退,阻礙蛋白質的合成[7]。兩方面共同作用,最終導致蛋白質含量減少,產生肌肉萎縮[8-9]。截肢術后伴隨著殘肢肌肉的廢用,必定引起肌肉萎縮。
然而,Caron 等[10]的實驗發現,1% 和 20% 氧氣濃度環境下培養的肌細胞蛋白質的合成與分解速率是不同的,并且通過測量蛋白激酶與糖原合成酶激酶-3 發現,在低氧暴露環境下,肌細胞里面的蛋白激酶與糖原合成酶激酶-3 都有所減少,從而說明低氧環境對蛋白質的合成具有抑制作用,即缺氧也會導致肌肉萎縮。基于此,本研究猜測:殘肢內部的血管受到來自于接受腔的壓迫,影響了血液中氧分的供應,從而導致了殘肢肌肉萎縮的產生。與此同時,本研究期望探索一條有效的途徑了解假肢接受腔對下肢殘肢內部組織的力學影響。
大量研究表明,在研究假肢接收腔與殘肢之間載荷傳遞方面,有限元是最為有效的方法之一[3, 11-14],特別是近年來,有限元模擬已從簡化的二維模型發展到非線性三維模型,從單一步態靜態模擬發展到了全周期步態動態模擬[11],相關研究工作也讓我們對假肢接收腔、殘肢的幾何形狀和力學屬性,以及殘肢表面的摩擦性質有了進一步了解。然而,前人有關殘肢的研究主要聚焦于殘肢表面的應力分布以及患者的舒適程度,關于血管受到的影響則主要集中在血管樹幾何結構的改變以及動脈內血流動力學狀態的變化[15-17],對血管本身受到的擠壓狀況很少給予關注。因此,本研究旨在通過有限元模型,分析探討接收腔對殘肢軟組織及血管的影響。
1 模型與研究方法
1.1 研究對象
本研究對象為一位 24 歲大腿截肢男性(由于外傷實施大腿截肢術),身高 175 cm,體重 80 kg,身體狀況良好,無其他神經、骨骼和肌肉病史。本研究已獲得香港理工大學人類受試者倫理委員會的批準(批準文號:HSEARS20130828001),參與者已簽署知情同意書。
1.2 模型建立及邊界條件
為確保模型的準確性和真實性,本研究對患者殘肢進行了核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)掃描,沿大腿殘肢間隔 1.5 mm 進行一次冠狀面成像。根據不同的灰度值和血管在 MRI 圖像中灰白色管狀結構的顯示特征,采用 MIMICS(version 10.0,Materialise,比利時)和 Rapidform(version 2004,INUS technology INC,韓國)對肌肉、骨骼及主要血管進行三維重建(見圖 1a)。根據重建的殘肢外表面,利用商業軟件 Pro/E(version 5.0,Parametric Technology Corporation,美國)建立內表面與殘肢外形一致、厚度為 4 mm 的接受腔模型[12],接受腔材料為聚丙烯均聚物。將各個實體模型導入有限元軟件 ABAQUS(version 6.4,Dassault Systèmes Simulia Corporation,美國),通過布爾運算組裝得到系統模型。其中,軟組織中包含具有血管形態的空腔,骨頭和肌肉作為一個整體,殘肢與接受腔被考慮為相互接觸的不同結構,摩擦系數設為 0.5。各個組成部分材料均假設為均勻、線彈性和各向同性。取軟組織、骨頭和接受腔的彈性模量分別為 200 kPa、10 GPa、1 500 MPa,取泊松比分別 0.49、0.3、0.3[12]。采用四面體線性單元 C3D4 對模型進行離散化,在血管的鄰近部位進行適當加密(見圖 1a),離散后的模型單元數量為 1 461 351。將大腿動靜脈血壓假設為一常數,取大腿中部的平均動脈壓 13.3 kPa[18]作為動脈血管邊界條件,取大腿中部靜脈壓 5.32 kPa[19]作為靜脈血管的邊界條件。將殘肢的上表面進行固定,在接受腔的末端施加外載荷[14]。根據 Lee 等[20]測得的外載荷曲線,選取外載荷最大的時刻,采用準靜態的方式將外載加于接受腔末端,從下往上、從后往前、從內向外三個方向的力分別為 780、135、122 N,力矩分別為 4.5、20.13、21.7 N·m。

a. 大腿殘肢的幾何模型和網格模型;b. 殘肢血管樹幾何模型;c. 殘肢肌群劃分示意圖
Figure1. The models and diagramsa. the geometrical model and mesh model of the transfemoral residual limb; b. the geometrical model of the vascular tree in the residual limb; c. the schematic diagram of the muscles in the residual limb
2 結果
為詳細分析血管所受擠壓情況,本研究利用 MRI 圖像重建出殘肢主要血管模型,并且根據殘肢血管的解剖結構及生理功能,將動脈血管模型分為 6 個部分(見圖 1b),其中,FA 段為股動脈,DTA 段為股深動脈,LCFA 段為旋股外側動脈的降支,BFA1、BFA2、BFA3 分別為股動脈的 3 個分支;將靜脈血管劃分為 4 個部分(見圖 1b),其中,FV 段為股靜脈,DTV 段為股深靜脈,LCFV 段為旋股外側靜脈的降支,GSV 段為大隱靜脈。選取血管變形最大的橫截面,將其變形后與變形前的面積比作為衡量該段血管狹窄程度的指標。圖 2 顯示的是動、靜脈各段血管狹窄的情況,從中可以看出,動脈血管中旋股外側動脈的降支因擠壓而發生的狹窄最為嚴重,而股深動脈的狹窄程度相對較小。在靜脈血管中也有類似的規律,旋股外側靜脈的降支、股靜脈、股深靜脈的狹窄程度依次降低,大隱靜脈的狹窄程度也較為嚴重。

本研究根據人體解剖結構將殘肢肌肉劃分出三個區域,即前側肌群、內后側肌群和下側肌群(見圖 1c)。其中,前側肌群由縫匠肌與股四頭肌構成;內后側肌群域包含恥骨肌、股薄肌、長收肌、短收肌、大收肌、股二頭肌、半腱肌、半膜肌;考慮到截肢手術的特殊性,將股骨末端以下的肌肉定義為下側肌群。同時,從殘肢近端到遠端選取了四個間隔相同的橫截面,即 L1、L2、L3、L4(見圖 1c),以便更加直觀地分析殘肢的應力應變情況。圖 3 和表 1 顯示了這三個區域的應力應變,可以看出,前側肌群中的應變和應力水平最高;下側肌群在股骨的末端處出現應力集中,并且其他指標在下側區域中也相對較高。


3 討論
從計算結果可以看出,旋股外側動脈的降支由于擠壓發生的狹窄最為嚴重。在解剖生理學中,縫匠肌及股四頭肌(即本研究定義的前側肌群),主要是由旋股外側動脈的降支提供氧分。基于此,我們認為,前側肌群的萎縮會相對嚴重。事實上,Schmalz 等[2]通過超聲波掃描術,對 17 例穿戴假肢半年以上的下肢截肢者進行研究也發現,大腿股四頭肌、縫匠肌的萎縮最為明顯,減少量在 11.7%~30.4% 之間,這為我們的觀點提供了很好的印證。
圖 2 顯示了靜脈血管的變形情況。下肢靜脈持續受壓,會導致靜脈回流量減少,細胞間液增多,組織中淤血,長此以往,將引起組織中的細胞死亡[21]。因此,下肢殘肢靜脈因擠壓造成的回流受阻,也可能是導致殘肢肌肉萎縮的因素之一。由于不同的下肢深靜脈只收集相應動脈作用區域的靜脈血,我們認為,旋股外側靜脈降支受的擠壓較為嚴重,會使前側肌群更容易發生萎縮。
通過比較殘肢軟組織應變可以看出,前側肌群的變形程度要高于內后側和下側肌群。雖然本研究模型沒有完整建立肌群內部的血管,但不難推測前側肌群中的血管受到的擠壓相對嚴重,前側肌群氧氣的供應以及靜脈回流受到了較大的阻礙。
此外,Portnoy 等[13]認為較高的拉應變、壓應變以及 von Mises 應力能夠造成深層組織的損傷,因此,本研究認為這些指標較高的區域,更容易發生肌細胞的死亡,進而導致該部分肌肉萎縮。
本研究旨在利用包含肌肉、骨骼以及主要血管的殘肢有限元模型,從生物力學角度研究接受腔對大腿殘肢肌肉萎縮的影響。目前,關于大腿殘肢的生物力學研究相對較少,本研究為闡釋接受腔對大腿殘肢肌肉萎縮的生物力學影響提供了有效途徑。模擬過程中,將殘肢有限元模型中各個組成部分材料假設為均勻、線彈性和各向同性,這主要是因為,Sanders 等[22]通過有限元模擬與實驗的對比研究發現,在這一假設下有限元計算能夠有效且快速地預測小腿殘肢中生物力學參數分布規律。此外,本研究只采用準靜態的外載荷加載方式對某一特定步態進行了分析,并且沒有考慮接受腔的修型對殘肢產生的影響。我們認為,這些假設都會影響模擬結果的精準程度,但不影響定性分析結果,即接受腔對大腿殘肢內血管的擠壓,是造成大腿殘肢萎縮的重要原因。在今后的工作中,我們將嘗試采用更加貼合實際的材料屬性、更加精確的接受腔模型以及施加動態載荷進行模擬,更精確地評估接受腔對肌肉萎縮的影響,深入研討這一過程中的生物力學機制。同時,增加病例和采用更多手段研究(臨床跟蹤和動物實驗等)將是本研究后續的重要研究內容。
4 結論
為研究假肢接受腔對血管的擠壓與肌肉萎縮之間的關系,本研究建立了包含肌肉、骨骼與血管的大腿殘肢有限元模型,在接受腔末端施加外載荷,綜合血管變形和軟組織應力應變分布進行分析,結果發現:
(1)旋股外側動脈的降支由于擠壓發生的狹窄最為嚴重。
(2)前側肌群的變形程度要高于內后側和下側肌群,因此前側肌群更易產生肌肉萎縮。
(3)本研究在一定程度上揭示了接受腔對血管的擠壓是導致殘肢肌肉萎縮的重要原因,這為進一步深入研究殘肢肌肉萎縮機制和采取有效預防措施提供了理論參考。
引言
下肢截肢術后經常伴隨著各種并發癥,殘肢肌肉萎縮是其中之一[1-2]。截肢患者須定期對假肢接受腔進行修型,這給截肢患者生活帶來很大不便,也增大了患者恢復運動能力的難度。如果沒有及時地對接受腔進行修型,則會導致殘肢與接收腔之間松動,產生軟組織上的應力集中,特別是在骨突出的地方,極易對軟組織造成損傷[3]。
許多學者對肌肉萎縮的機制進行了研究。一種觀點認為,正常情況下運動神經對其支配的骨骼肌有“營養作用”,其末梢經常釋放某些物質,持續調節被支配肌肉的代謝活動,影響其結構、生理生化的變化[4]。因此,當肌肉由于廢用失去神經的營養作用時必將逐漸產生萎縮。另外,一些學者通過實驗發現,特異性的神經沖動不僅能夠防止肌肉萎縮,而且可以增加特定肌纖維的數量。因而他們認為,肌肉廢用時運動神經沖動的降低,是直接造成殘肢萎縮的原因之一[5-6]。此外,還有一種觀點認為,肌肉廢用時的氧化應激反應是促進肌肉萎縮的重要因素。由于氧化應激的作用,體內可產生過氧化脂質,一方面使溶酶體通透性增強,促進蛋白質分解;另一方面使線粒體功能減退,阻礙蛋白質的合成[7]。兩方面共同作用,最終導致蛋白質含量減少,產生肌肉萎縮[8-9]。截肢術后伴隨著殘肢肌肉的廢用,必定引起肌肉萎縮。
然而,Caron 等[10]的實驗發現,1% 和 20% 氧氣濃度環境下培養的肌細胞蛋白質的合成與分解速率是不同的,并且通過測量蛋白激酶與糖原合成酶激酶-3 發現,在低氧暴露環境下,肌細胞里面的蛋白激酶與糖原合成酶激酶-3 都有所減少,從而說明低氧環境對蛋白質的合成具有抑制作用,即缺氧也會導致肌肉萎縮。基于此,本研究猜測:殘肢內部的血管受到來自于接受腔的壓迫,影響了血液中氧分的供應,從而導致了殘肢肌肉萎縮的產生。與此同時,本研究期望探索一條有效的途徑了解假肢接受腔對下肢殘肢內部組織的力學影響。
大量研究表明,在研究假肢接收腔與殘肢之間載荷傳遞方面,有限元是最為有效的方法之一[3, 11-14],特別是近年來,有限元模擬已從簡化的二維模型發展到非線性三維模型,從單一步態靜態模擬發展到了全周期步態動態模擬[11],相關研究工作也讓我們對假肢接收腔、殘肢的幾何形狀和力學屬性,以及殘肢表面的摩擦性質有了進一步了解。然而,前人有關殘肢的研究主要聚焦于殘肢表面的應力分布以及患者的舒適程度,關于血管受到的影響則主要集中在血管樹幾何結構的改變以及動脈內血流動力學狀態的變化[15-17],對血管本身受到的擠壓狀況很少給予關注。因此,本研究旨在通過有限元模型,分析探討接收腔對殘肢軟組織及血管的影響。
1 模型與研究方法
1.1 研究對象
本研究對象為一位 24 歲大腿截肢男性(由于外傷實施大腿截肢術),身高 175 cm,體重 80 kg,身體狀況良好,無其他神經、骨骼和肌肉病史。本研究已獲得香港理工大學人類受試者倫理委員會的批準(批準文號:HSEARS20130828001),參與者已簽署知情同意書。
1.2 模型建立及邊界條件
為確保模型的準確性和真實性,本研究對患者殘肢進行了核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)掃描,沿大腿殘肢間隔 1.5 mm 進行一次冠狀面成像。根據不同的灰度值和血管在 MRI 圖像中灰白色管狀結構的顯示特征,采用 MIMICS(version 10.0,Materialise,比利時)和 Rapidform(version 2004,INUS technology INC,韓國)對肌肉、骨骼及主要血管進行三維重建(見圖 1a)。根據重建的殘肢外表面,利用商業軟件 Pro/E(version 5.0,Parametric Technology Corporation,美國)建立內表面與殘肢外形一致、厚度為 4 mm 的接受腔模型[12],接受腔材料為聚丙烯均聚物。將各個實體模型導入有限元軟件 ABAQUS(version 6.4,Dassault Systèmes Simulia Corporation,美國),通過布爾運算組裝得到系統模型。其中,軟組織中包含具有血管形態的空腔,骨頭和肌肉作為一個整體,殘肢與接受腔被考慮為相互接觸的不同結構,摩擦系數設為 0.5。各個組成部分材料均假設為均勻、線彈性和各向同性。取軟組織、骨頭和接受腔的彈性模量分別為 200 kPa、10 GPa、1 500 MPa,取泊松比分別 0.49、0.3、0.3[12]。采用四面體線性單元 C3D4 對模型進行離散化,在血管的鄰近部位進行適當加密(見圖 1a),離散后的模型單元數量為 1 461 351。將大腿動靜脈血壓假設為一常數,取大腿中部的平均動脈壓 13.3 kPa[18]作為動脈血管邊界條件,取大腿中部靜脈壓 5.32 kPa[19]作為靜脈血管的邊界條件。將殘肢的上表面進行固定,在接受腔的末端施加外載荷[14]。根據 Lee 等[20]測得的外載荷曲線,選取外載荷最大的時刻,采用準靜態的方式將外載加于接受腔末端,從下往上、從后往前、從內向外三個方向的力分別為 780、135、122 N,力矩分別為 4.5、20.13、21.7 N·m。

a. 大腿殘肢的幾何模型和網格模型;b. 殘肢血管樹幾何模型;c. 殘肢肌群劃分示意圖
Figure1. The models and diagramsa. the geometrical model and mesh model of the transfemoral residual limb; b. the geometrical model of the vascular tree in the residual limb; c. the schematic diagram of the muscles in the residual limb
2 結果
為詳細分析血管所受擠壓情況,本研究利用 MRI 圖像重建出殘肢主要血管模型,并且根據殘肢血管的解剖結構及生理功能,將動脈血管模型分為 6 個部分(見圖 1b),其中,FA 段為股動脈,DTA 段為股深動脈,LCFA 段為旋股外側動脈的降支,BFA1、BFA2、BFA3 分別為股動脈的 3 個分支;將靜脈血管劃分為 4 個部分(見圖 1b),其中,FV 段為股靜脈,DTV 段為股深靜脈,LCFV 段為旋股外側靜脈的降支,GSV 段為大隱靜脈。選取血管變形最大的橫截面,將其變形后與變形前的面積比作為衡量該段血管狹窄程度的指標。圖 2 顯示的是動、靜脈各段血管狹窄的情況,從中可以看出,動脈血管中旋股外側動脈的降支因擠壓而發生的狹窄最為嚴重,而股深動脈的狹窄程度相對較小。在靜脈血管中也有類似的規律,旋股外側靜脈的降支、股靜脈、股深靜脈的狹窄程度依次降低,大隱靜脈的狹窄程度也較為嚴重。

本研究根據人體解剖結構將殘肢肌肉劃分出三個區域,即前側肌群、內后側肌群和下側肌群(見圖 1c)。其中,前側肌群由縫匠肌與股四頭肌構成;內后側肌群域包含恥骨肌、股薄肌、長收肌、短收肌、大收肌、股二頭肌、半腱肌、半膜肌;考慮到截肢手術的特殊性,將股骨末端以下的肌肉定義為下側肌群。同時,從殘肢近端到遠端選取了四個間隔相同的橫截面,即 L1、L2、L3、L4(見圖 1c),以便更加直觀地分析殘肢的應力應變情況。圖 3 和表 1 顯示了這三個區域的應力應變,可以看出,前側肌群中的應變和應力水平最高;下側肌群在股骨的末端處出現應力集中,并且其他指標在下側區域中也相對較高。


3 討論
從計算結果可以看出,旋股外側動脈的降支由于擠壓發生的狹窄最為嚴重。在解剖生理學中,縫匠肌及股四頭肌(即本研究定義的前側肌群),主要是由旋股外側動脈的降支提供氧分。基于此,我們認為,前側肌群的萎縮會相對嚴重。事實上,Schmalz 等[2]通過超聲波掃描術,對 17 例穿戴假肢半年以上的下肢截肢者進行研究也發現,大腿股四頭肌、縫匠肌的萎縮最為明顯,減少量在 11.7%~30.4% 之間,這為我們的觀點提供了很好的印證。
圖 2 顯示了靜脈血管的變形情況。下肢靜脈持續受壓,會導致靜脈回流量減少,細胞間液增多,組織中淤血,長此以往,將引起組織中的細胞死亡[21]。因此,下肢殘肢靜脈因擠壓造成的回流受阻,也可能是導致殘肢肌肉萎縮的因素之一。由于不同的下肢深靜脈只收集相應動脈作用區域的靜脈血,我們認為,旋股外側靜脈降支受的擠壓較為嚴重,會使前側肌群更容易發生萎縮。
通過比較殘肢軟組織應變可以看出,前側肌群的變形程度要高于內后側和下側肌群。雖然本研究模型沒有完整建立肌群內部的血管,但不難推測前側肌群中的血管受到的擠壓相對嚴重,前側肌群氧氣的供應以及靜脈回流受到了較大的阻礙。
此外,Portnoy 等[13]認為較高的拉應變、壓應變以及 von Mises 應力能夠造成深層組織的損傷,因此,本研究認為這些指標較高的區域,更容易發生肌細胞的死亡,進而導致該部分肌肉萎縮。
本研究旨在利用包含肌肉、骨骼以及主要血管的殘肢有限元模型,從生物力學角度研究接受腔對大腿殘肢肌肉萎縮的影響。目前,關于大腿殘肢的生物力學研究相對較少,本研究為闡釋接受腔對大腿殘肢肌肉萎縮的生物力學影響提供了有效途徑。模擬過程中,將殘肢有限元模型中各個組成部分材料假設為均勻、線彈性和各向同性,這主要是因為,Sanders 等[22]通過有限元模擬與實驗的對比研究發現,在這一假設下有限元計算能夠有效且快速地預測小腿殘肢中生物力學參數分布規律。此外,本研究只采用準靜態的外載荷加載方式對某一特定步態進行了分析,并且沒有考慮接受腔的修型對殘肢產生的影響。我們認為,這些假設都會影響模擬結果的精準程度,但不影響定性分析結果,即接受腔對大腿殘肢內血管的擠壓,是造成大腿殘肢萎縮的重要原因。在今后的工作中,我們將嘗試采用更加貼合實際的材料屬性、更加精確的接受腔模型以及施加動態載荷進行模擬,更精確地評估接受腔對肌肉萎縮的影響,深入研討這一過程中的生物力學機制。同時,增加病例和采用更多手段研究(臨床跟蹤和動物實驗等)將是本研究后續的重要研究內容。
4 結論
為研究假肢接受腔對血管的擠壓與肌肉萎縮之間的關系,本研究建立了包含肌肉、骨骼與血管的大腿殘肢有限元模型,在接受腔末端施加外載荷,綜合血管變形和軟組織應力應變分布進行分析,結果發現:
(1)旋股外側動脈的降支由于擠壓發生的狹窄最為嚴重。
(2)前側肌群的變形程度要高于內后側和下側肌群,因此前側肌群更易產生肌肉萎縮。
(3)本研究在一定程度上揭示了接受腔對血管的擠壓是導致殘肢肌肉萎縮的重要原因,這為進一步深入研究殘肢肌肉萎縮機制和采取有效預防措施提供了理論參考。