陳 偉，邢 欣，王 娟，朱燕賓，張曉娟，張英澤

(河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院創(chuàng)傷急救中心，河北省骨科研究所，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050051)

物理學(xué)的進(jìn)步推動(dòng)著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展。廣泛使用于醫(yī)學(xué)診斷、檢測(cè)的設(shè)備如體溫計(jì)、聽(tīng)診器或X線攝像、超聲、CT、MRI，均是基于物理學(xué)原理研發(fā)。與其他醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)一樣，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)正常組織、結(jié)構(gòu)和功能的觀測(cè)，異常結(jié)構(gòu)(畸形)和疾病的診斷、治療和預(yù)防，同樣離不開(kāi)對(duì)物理學(xué)理論、技術(shù)和方法的應(yīng)用(圖1)。治療骨科損傷和疾病需要使用的接骨板、髓內(nèi)釘、椎弓根釘棒系統(tǒng)、關(guān)節(jié)假體等植入物的設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)依賴(lài)于材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)和生物力學(xué)、聲學(xué)和電磁學(xué)的應(yīng)用；采用矯形手術(shù)、關(guān)節(jié)置換手術(shù)、減壓手術(shù)等治療骨科傷病時(shí)，最佳手術(shù)方式的設(shè)計(jì)和植入物的選擇均依賴(lài)力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等原理和技術(shù)的應(yīng)用；采用高能聚焦超聲治療、微波治療、射頻熱療等熱療手段或者質(zhì)子治療儀治療骨與軟組織腫瘤也是聲學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和高能物理相關(guān)理論和技術(shù)的應(yīng)用[1-2]。物理學(xué)在醫(yī)學(xué)實(shí)踐的長(zhǎng)期應(yīng)用過(guò)程中，逐漸形成了醫(yī)學(xué)物理學(xué)這一交叉融合學(xué)科[1]。然而，醫(yī)學(xué)工作者，特別是骨科醫(yī)生，通常聚焦物理學(xué)為醫(yī)學(xué)研究和實(shí)踐提供的更先進(jìn)、更精密、更便捷的儀器和方法，而鮮有人系統(tǒng)總結(jié)物理學(xué)的基本原理、技術(shù)、方法在骨科疾病診治和預(yù)防中的應(yīng)用和效果，也鮮有人總結(jié)其研究方法和研究范式。針對(duì)這一空白，筆者組建了包含骨科臨床醫(yī)生、研究人員、物理學(xué)專(zhuān)家和數(shù)學(xué)專(zhuān)家的研究團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建骨科物理學(xué)體系，用物理學(xué)原理解釋、解決骨科臨床和研究中的問(wèn)題，以進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)骨與軟組織正常結(jié)構(gòu)和功能的研究，促進(jìn)骨科傷患致傷原因、致病機(jī)制的研究，促進(jìn)骨科診療技術(shù)的創(chuàng)新，促進(jìn)診治水平的提高。

圖1 物理學(xué)及其分支科學(xué)在骨科的應(yīng)用

1 應(yīng)用物理學(xué)指導(dǎo)骨與軟組織結(jié)構(gòu)和功能研究

各種宏觀和微創(chuàng)的物理工具廣泛用于觀測(cè)人體骨骼、肌、神經(jīng)血管以及各種細(xì)胞、細(xì)胞器和蛋白的結(jié)構(gòu)及功能。Yang等[3]采用冷凍電鏡技術(shù)和蛋白質(zhì)制備與鑒定平臺(tái)對(duì)PIEZO的轉(zhuǎn)導(dǎo)力學(xué)刺激的機(jī)制進(jìn)行研究，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械力受體PIEZO1通道在脂膜上受力狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)解析，揭示了其受力形變與脂膜曲率感知的特性，定量了其皮牛尺度的機(jī)械敏感性，建立了其曲率感知理論學(xué)說(shuō)，從根本上解答了其將物理機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化成生物電信號(hào)這一PIEZO諾獎(jiǎng)研究的未解之謎。

本團(tuán)隊(duì)采用顯微維氏硬度技術(shù)(顯微壓痕硬度測(cè)量?jī)x)定量測(cè)量了全身骨骼皮質(zhì)和松質(zhì)骨的硬度分布，建立了國(guó)內(nèi)外第一個(gè)人體骨骼骨硬度數(shù)據(jù)庫(kù)，出版了國(guó)內(nèi)外第一部《骨硬度學(xué)》[4-7]；借助數(shù)字化放射檢查(digital radiography，DR)、CT以及Mimics、3D軟件系統(tǒng)測(cè)量了人體骨骼各部位的徑線、曲度和角度，建立了第一個(gè)“人體全身骨骼角度和曲度”數(shù)據(jù)庫(kù)[8-10]，第一本專(zhuān)著即將出版；借助CT、Micro-CT以及生物力學(xué)手段，研究了長(zhǎng)骨兩端骨小梁復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性[11]。上述系列研究成果，為適配骨骼特有結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的材料研發(fā)、3D打印設(shè)計(jì)、力生物學(xué)研究提供了詳實(shí)數(shù)據(jù)，為仿生內(nèi)植物設(shè)計(jì)和修復(fù)材料研發(fā)提供了科學(xué)參考。

2 應(yīng)用物理學(xué)指導(dǎo)骨科傷患致傷/病機(jī)制的研究

物理學(xué)的理論和技術(shù)為深入研究骨科傷患致傷/病機(jī)制提供了科學(xué)手段。作用力與反作用力是力學(xué)的兩個(gè)重要概念，也是導(dǎo)致骨折的物理學(xué)機(jī)制。高處墜落傷導(dǎo)致的跟骨骨折中，部分患者合并腰椎骨折。高處墜落傷產(chǎn)生的軸向暴力經(jīng)脊柱、骨盆、股骨、脛骨向下傳遞，而其來(lái)自底面的反作用自跟骨向上傳導(dǎo)；當(dāng)兩者交匯于跟骨且達(dá)到一定閾值后，導(dǎo)致跟骨骨折；當(dāng)兩者交匯于腰椎，則造成腰椎骨折。骨關(guān)節(jié)炎是最常見(jiàn)的骨科退行性疾病。本團(tuán)隊(duì)采用影像學(xué)技術(shù)和生物力學(xué)技術(shù)分析軀干和下肢骨骼的動(dòng)態(tài)形變，總結(jié)提出膝關(guān)節(jié)不均勻沉降理論、骨動(dòng)態(tài)形變定律，并據(jù)此設(shè)計(jì)了腓骨近端截骨術(shù)、脛腓骨近端高位截骨可吸收墊片植入或四點(diǎn)支撐接骨板固定等微創(chuàng)保膝手術(shù)[12-14]。部分學(xué)者使用Micro CT、共聚焦顯微鏡、原子力顯微鏡、鈣離子成像技術(shù)等從微觀形態(tài)、電生理角度觀察軟骨、軟骨下骨、半月板及各種細(xì)胞在不同干預(yù)條件下的改變，這些基礎(chǔ)研究成果為關(guān)節(jié)炎的發(fā)生機(jī)制的闡述和診治技術(shù)的創(chuàng)新提供了更有針對(duì)性的靶標(biāo)。

3 應(yīng)用物理學(xué)指導(dǎo)骨科疾病診療技術(shù)的創(chuàng)新

人體各部位骨骼、韌帶、肌腱和關(guān)節(jié)等組織具有獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)、生理特性和不可替代的力學(xué)功能。目前常用的內(nèi)植物，包括采用3D打印等先進(jìn)技術(shù)制作的個(gè)體化內(nèi)植物，依然很難高度仿真骨關(guān)節(jié)和軟組織的結(jié)構(gòu)，難以很好地替代其功能。本團(tuán)隊(duì)充分利用骨科物理學(xué)的技術(shù)和方法，系統(tǒng)分析骨盆后環(huán)尤其是骶髂韌帶復(fù)合體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)傳導(dǎo)特性、下脛腓聯(lián)合的三維結(jié)構(gòu)和微動(dòng)彈性的力學(xué)特點(diǎn)，研制更加仿生的骨盆后環(huán)微創(chuàng)可調(diào)式接骨板和下脛腓仿生彈性固定裝置。微創(chuàng)可調(diào)式接骨板模擬人體骨盆后環(huán)及骶髂后韌帶復(fù)合體“吊橋樣結(jié)構(gòu)”及生物力學(xué)特性，在牢固固定骨盆后環(huán)的同時(shí)可更好地恢復(fù)其力學(xué)傳導(dǎo)特性[15]。下脛腓仿生彈性固定裝置將剛性固定、柔性固定和個(gè)體化加壓骨栓有機(jī)整合，在固定下脛腓分離的同時(shí)滿足其微動(dòng)關(guān)節(jié)的特性，有助于下脛腓聯(lián)合功能的恢復(fù)[16]。

股骨粗隆間骨折是臨床常見(jiàn)損傷，盡管內(nèi)植物設(shè)計(jì)和手術(shù)技術(shù)不斷進(jìn)步，采用Gamma釘、PFNA等固定股骨粗隆間骨折，術(shù)后內(nèi)固定物松動(dòng)、脫出、斷裂等并發(fā)癥發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)仍較高。本團(tuán)隊(duì)根據(jù)對(duì)股骨近端皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)和應(yīng)力傳導(dǎo)特性，創(chuàng)新性地將三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的概念引入內(nèi)植物的設(shè)計(jì)中，充分利用結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)和生物力學(xué)手段，研發(fā)三角支撐髓內(nèi)釘，在臨床應(yīng)用顯著降低內(nèi)固定物相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生率[17-19]。

本團(tuán)隊(duì)基于力學(xué)作用力與反作用力的基本原理，研發(fā)了順勢(shì)雙反牽引復(fù)位器，通過(guò)骨對(duì)骨直接牽引，順應(yīng)肢體長(zhǎng)軸閉合復(fù)位重疊骨折，并借助骨折周?chē)?、肌腱和韌帶的封套作用，將牽引力轉(zhuǎn)化為擠壓力復(fù)位側(cè)方移位和前后移位，為經(jīng)皮植入接骨板或髓內(nèi)釘創(chuàng)造了條件[20-22]。

目前應(yīng)用日漸廣泛的骨科手術(shù)機(jī)械人系統(tǒng)，是物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能等領(lǐng)域最先進(jìn)的理論、技術(shù)的結(jié)合體，其中涉及到力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、原子物理學(xué)、固體物理學(xué)的眾多物理分支。完善骨科物理學(xué)的理論體系必將進(jìn)一步推動(dòng)骨科先進(jìn)診療器械設(shè)備的研發(fā)。

4 應(yīng)用物理學(xué)指導(dǎo)骨科新材料的研發(fā)

骨科治療技術(shù)的進(jìn)步離不開(kāi)各種先進(jìn)材料的應(yīng)用。鈦合金、聚甲基丙烯酸甲酯、Mg合金、聚氨基酸水凝膠等新型、功能性材料的研發(fā)不僅涉及到材料學(xué)與化學(xué)，其物理性能的研究，尤其是是否適配骨骼結(jié)構(gòu)、功能的重建，需要材料力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、分析力學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、彈性力學(xué)和流變學(xué)等物理分支技術(shù)的驗(yàn)證。因此，深入掌握上述理論技術(shù)，形成骨科物理學(xué)分支和更加有針對(duì)性、有效的研究方法，能更好地促進(jìn)骨科新型材料的研發(fā)，使其結(jié)構(gòu)、理化特性和力學(xué)強(qiáng)度更好地適應(yīng)人體骨與軟組織的生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能需求。

綜上所述，骨科物理學(xué)是把物理學(xué)的原理和方法應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)正常結(jié)構(gòu)和功能研究，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)損傷和疾病的機(jī)制研究、診斷、治療和預(yù)防的一門(mén)交叉學(xué)科。充分掌握并運(yùn)用物理學(xué)的理論和技術(shù)指導(dǎo)骨科研究和臨床實(shí)踐，將進(jìn)一步豐富骨科研究方法，革新研究理念和研究范式，可以更好地推動(dòng)骨科相關(guān)研究和診療技術(shù)創(chuàng)新從定性走向定量，從宏觀水平走向細(xì)胞水平、分子水平和原子水平，從手工、機(jī)械、接觸型的技術(shù)走向精準(zhǔn)化、智能化、非接觸型的技術(shù)；而骨科物理學(xué)的構(gòu)建以及精準(zhǔn)微創(chuàng)智能骨科技術(shù)器械的研發(fā)需求也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)物理學(xué)的發(fā)展，拓展其研究領(lǐng)域和觸角，發(fā)現(xiàn)更深層次的宇宙與生命規(guī)律。因此，進(jìn)一步發(fā)展、完善骨科物理學(xué)體系是踐行“四個(gè)面向”的現(xiàn)實(shí)需求，也是突破現(xiàn)有理論技術(shù)瓶頸的新路徑。