血管_神经和肌肉的扩张研究

血管_神经和肌肉的扩张研究 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报V o l. 17 N o. 1 第 17 卷 第 1 期 1998 年 3 月 M a rch 1998 CH IN E SE JOU RN A L O F B IOM ED ICA L EN G IN E ER IN G 3 血管、神经和肌肉的扩张研究 曾衍钧付广宇 () 北京工业大学, 北京 100022 夏兆骥李静平 () 北京医科大学, 北京 100083 ( )对扩张的隐血管 动脉和静脉、隐神经和缝匠肌的几何尺寸、肌节数量、应力2应变关系和应 力松弛进行了研究。采用了 16 只狗作为实验对象, 因为狗软组织生物力学特性和人体生物力学特 性非常相似。 ( ) 本实验动物模型采用间断注水低压 < 5. 33扩张方式对血管、周围神经及骨骼肌的扩张 k P a 是安全而有效的。本研究为临床上替代血管、神经和肌肉瓣的游离移植提出了一种可选择的新技 术。 关键词: 扩张; 隐血管; 隐神经; 骨骼肌 R 318. 01 分类号: 0 前言 尽管软组织扩张术作为整形外科的一项新兴医学技术出现不久, 但软组织的扩张现象本 身就存在于动物体中。 它是人体的一种生理现象, 如妊娠、肥胖和良性肿瘤均可使表面皮肤扩 张而增大。 人体组织在受到内部或外部机械力作用时, 可随之变形并逐渐适应。 在医学上, 将 1 这一特性用于整形外科, 称之为软组织扩张术。 1976 年, 研制成功了第一个硅胶扩 R ado van 张器。 到 1984 年, 软组织扩张术在整形外科中已成为一种比较普遍应用的技术。 临床中经常遇到有关血管、神经、肌肉等软组织缺损的病理, 对于一定数量或面积的缺损 的修复非常困难, 需要有一种较好的方法来代替组织移植。 因此, 人们开始了血管、神经、肌肉 等软组织扩张的探讨。 2 等提出应用组织扩张术延长轴型血管, 以及延长后的血管能否耐受显微血管吻合S ta rk 过程。同时对 大鼠隐血管进行了快速扩张的研究, 结果发现隐动、静脉延长长度无差别; 血 SD 管延长了 30, 140% , 延长最快的平均速率可达 45% ƒ天; 在每天延长率超过 10% 时, 开始有 血栓形成。 而每天延长率小于 10% 时, 当延长率超过 190% 时扩张的血管仍全部保持通畅, 因 此每天延长率低于 10% 可能是血管扩张的安全界线。这也说明小容量多间期的注水较大容量 3 注水更易为血管耐受。 报道了动脉术中扩张的实验研究及临床应用, 经扩张延长的血Co h en 管通畅良好, 而未经扩张的血管, 其拉长长度在 10时, 均因张力大, 吻合后不易畅通。 mm 4 () 对神经进行延伸实验的是从1989开始的, 他在 214 只大白鼠身上埋置 12的M ile rm l 3 国家自然科学基金和北京市自然科学基金资助项目 扩张器对坐骨神经进行扩张, 一般进行超过 15 天的缓慢扩张, 但对 3 天的扩张, 神经仍可忍 () 受。 结论是: 1周围神经扩张后可以获得增长, 但去除扩张力后, 一部分增长和神经可以回 () 缩, 成为静止长度, 即实际延伸长度; 2在扩张后期, 实际增长到达 80% 时, 仍未见机械性神 经纤维断裂, 这可能是由于扩张缓慢而均衡所致。 但根据过去资料, 神经最大拉长度限于 () 20% , 如超过 30% 时, 即可发生神经断裂; 3在扩张过程中, 神经的张力负荷和注入容量的大小成正比。 在两次注射的间隔时间内, 可产生适应性变化, 因此认为小剂量注射长间隔可能更 () 易为神经所忍受, 且注射时间的间隔较注入容量更重要; 4当增长度超过 50% 时, 牵拉作用 ( 可进一步引起传导速率的降低 增长 10%, 40% 时, 传导率平均是对照组的 6212% , 而增长 ) () 50% 时则为对照组的 4615% ; 5扩张 40% 时可得到实际增长度 20, 30% , 但有一定的功能 减退, 传导速率降低。 5 ( ) 等1991对狗的骨神经进行扩张以修复一段 2的神经缺损, 同时与对侧用神 W oo d cm 经移植手段修复同样长度的神经缺损进行比较, 18 个月后二者神经传导率及腓肠肌收缩力无 明显差异, 腓肠肌的重量移植组高。因此作者认为传统的软组织扩张术可以用来延长周围神经 以修复神经缺损, 这种治疗手段优于神经移植, 因此神经向远端生长需通过移植段的两个断 端, 而扩张后只需通过一个断端。 另外神经移植手术时间长, 而且取得移植段神经要以牺牲相 关的正常神经为代价, 因此带来的并发症是无法避免的。 目前关于骨骼肌扩张的文献报告甚 少, 人们在进行皮肤及肌皮瓣扩张中发现不论扩张器 置于肌肉的上方或下方, 肌肉组织都表现明显的萎缩, 质量与厚度明显降低, 但其功能仍存在, 在去除扩张器后减小的体积仍可恢复。 超微结构示肌纤维中出现大量线粒体, 肌节异常排列, 6() 1993对鼠的骨骼肌进行扩张研究, 肌节平均数量增加 4615% , 这 但肌间小血管正常。 K im 些发现揭示了骨骼肌的扩张并不是肌肉的单纯“拉长”过程, 而是伴随着每个肌纤维的肌节数 量增加的肌肉生长过程。 1 实验对象和方法 本研究采用成年杂狗作为实验动物, 共 16 只动物, 平均体重 16. 0?2. 7, 雌雄不限, 在 k g 右下肢股部埋置扩张器, 为扩张侧; 左下肢作相同的手术, 但不埋置扩张器, 以相同材料的硅胶 片代替, 为对照侧。所有动物编号分室饲养, 予混合饲料, 每日三次。扩张器选用北京橡胶制品 设计院的产品, 额定容量为 200的椭圆形扩张器。 术后每日观察切口情况, 第 10, 12 天拆 m l 线, 14 天开始注水, 每 3, 4 天注水一次, 注水在麻醉下进行, 每次注射水量以扩张器囊内压不 超过 5133为准。在注水量达额定容量时为扩张完成。平均注水时间为 1114?413 天, 平均 k P a 注水量为 17613?2818。 于最后一次注水完成后第 1、3、5 天取材。m l 仔细分离隐血管神经束, 由隐动脉发出点及膝关节处切断该束, 近远断端结扎, 取下血管 神经束段迅速在无水生理盐水中冲洗。在放大六倍的手术显微镜下, 剥离出隐神经、隐动脉、隐 () 静脉并用显微测距尺测量隐动脉、隐神经外径和壁厚 任取三点得平均外径及壁厚, 测隐神经 ()宽和厚 假设其横断面为长方形。 测量完成后, 试件立即浸入生理盐水中保存。在 48 小时之内, 在 机上完成应力2应 In st ro n 变、应力松弛实验。 由于每只实验动物只能取下 20, 30长的扩张侧和对照侧隐血管神经束各一段, 且由mm 2 实验结果 211 血管长度、壁厚、直径的测量 () 扩张侧血管长度 见表 1增加 1. 5, 2. ( ) 41. 8875, 增加率最小 25% , 最大 40% , 局 cm cm 部段达 100% , 平均为 31145% , 对照侧长度较原长度平均缩短 0115。 cm () 表 1 扩张后血管长度的变化 cm 原长度扩张侧取材时长度对照侧取材时长度 ()()810 510, 310 19 212, 119, 118 51 6 ()()810 215, 216, 219 611 212, 211, 210 2 6 ()()814 214, 410, 210 517 118, 210, 119 3 6 ()()715 315, 310, 210 518 119, 210, 119 4 6 ()()719 215, 216, 218 610 210, 210, 210 5 6 ()()718 312, 214, 212 516 119, 115, 212 6 6 ()()810 810 518 118, 210, 210 7 6 ()()8 6 715 715 519 210, 119, 210 θ () 118875 - 0. 15 增加值 x - 2. 5% 31145% 增加率 在 6 倍手术显微镜下以显微测距尺测量血管壁厚度共得 12 组数据表明血管扩张后管壁的厚度与对照侧无显著差异。隐动脉扩张侧为 0145?0110, 对照侧为 0143?0111; 隐静脉扩张 侧为 0127?0115, 对照侧为 0127?0114。 在 6 倍手术显微镜下以显微侧距尺测量动脉外径共得到 13 组数据, 隐动脉扩张后其外径与对照侧相比亦无显著性差异, 扩张侧为 1161?0120, 实验侧为 1159?0125。 212 肌肉长度、宽度和肌节数 扩张完成后, 侧缝匠肌近远端标志点间的距离及中点平面的宽度、结果见表 2 和表 3。 由结果可知, 扩张后缝匠肌长度平均增加 18154% , 宽度在标志段中点平面增加 83133% , 厚度明显变薄, 未做测量。 m 在肌肉的纵断面上, 骨骼肌的横纹被染成深蓝色。在光学显微镜下放大 1000 倍, 以显微测 (微计测量肌节的长度变化 计数 011长度肌纤维中横纹数目, 由此算出该段肌纤维肌节的 mm ) 平均长度 () ) (平均每个肌节的长度 ƒ肌节的数目×1000 = 0. 1Λm )() ( 结果为对照侧 317209?010995= 272, 扩张侧为 318540?011817=218。 二Λm n Λm n () 者之间有显著差异 < 0. 01, 即扩张后肌节较对照侧平均增长 011331。 则按此种方法计 P Λm 算, 对照侧含有肌节的数量平均约为: () 5. 88753. 7209×10000? 15823 个 ƒ 而扩张侧为 () 7. 1125ƒ3. 854×10000? 18455 个 扩张侧的肌纤维中肌节的数量较对照侧多 2632 个, 增加率为 16163% , 提示肌纤维扩张后, 即 降, 肌节数目的增加则提示肌纤维的生长。 ()表 2 缝匠肌扩张后的长度变化 cm 对照侧扩张侧 扩张前扩张后扩张前扩张后 ()()()()6 3, 3 612 310, 312 10 316, 314 6 3, 3 71 ()()519 219, 310 716 318, 318 2 ()()518 310, 218 713 315, 318 3 ()()517 218, 219 710 318, 312 4 ()()516 218, 218 715 316, 319 5 ()()518 310, 218 615 315, 310 6 ()()611 310, 311 711 314, 317 7 ()()8 610 310, 310 619 316, 313 θ 518875?012031 711125?013523 x?S D ()表 3 缝匠肌扩张的宽度变化 cm 对照侧扩张侧 扩张前扩张后扩张前扩张后 216 15 17 18 2241 310 212 216 416 2 210 119 210 415 3 212 212 212 218 4 22245 16 15 16 11 117 210 117 218 6 7 116 210 116 313 8 210 210 210 510 θ 212125?014853 211625?012326 211750?014234 319875?018967 x?S D > 0. 05 < 0. 01 P P 应力2应变关系 213 拟合后隐动脉的应力2应变曲线如图 1 所 示。 图中 代表扩张后试件, 代表其对照侧 E C 试件。1、2、3、4、5 等为各动物对应的扩张注水 量和扩张时间分别为: 1: 注水 50, 扩张 2 周;m l 2: 注水 150m l, 扩张 2 周; 3: 注水 200m l, 扩张 2 周; 4: 注水 150, 扩张 10 周; 5: 注水 150,m lm l 扩张 20 周。 从图 1 可以看出, 当扩张器开始注水后, 扩 张试件的应力2应变曲线相应于其对照试件会 发生一定的偏离; 在扩张后的短时期内, 扩张时 ( ) 间大致相同的情况下 约 2 周, 扩张后试件与 张侧和对照侧试件的应力2应变曲线又趋于接近甚至重合。 隐神经、隐静脉也都表现出上面的 规律。 214 应力松弛 不同扩张程度的扩张段和对照侧隐神经的 ( ) 归一化应力松弛曲线 如图 2 所示。各扩张 G t 试件对应的扩张终期注水量和扩张时间分别 为: 1: 注水 50, 扩张 2 周; 2: 注水 150, 扩m lm l 张 2 周; 3: 注 水 200, 扩 张 2 周; 4: 注 水m l 150, 扩张 15 周。m l ( ) 从图看出, 扩张试件的 曲线低于其对 G t 图 2 隐神经的归一化应力松弛曲线( ) 照试件的 曲线。 在扩张初期, 扩张时间大G t () ( ) 致相同的情况下 约 2 周左右, 随着扩张器注水量的增加, 对应一特定时间 如 30 分钟扩张 ( ) () 段试件与其对照侧试件的 值的差值也相应增加。 当扩张时间足够长时 15 周或更长, 扩 G t ( ) 张和对照侧试件的 曲线又趋于接近甚至重合。隐静脉、隐动脉同样都表现出这样的规律。 G t 3 结论 1. 从大体、光镜及超微结构的观察, 隐动脉、隐静脉各层结构保持完整, 无血栓形成, 提示间断注水, 囊内压低于 5. 33的扩张力对于轴型血管来讲是安全而有效的。 本实验获得增 k P a 加近 2长的血管所需扩张时间约 2 周, 明显短于皮肤扩张所需的时间, 为临床应用提供了 cm 美好的前景。 2. 根据实验结果可知, 神经、血管在扩张后其生物力学特性会相应地发生改变: 在强度上, 扩张试件相对于正常试件强度要减弱, 这种减弱表现在扩张试件的应力2应变和应力松弛曲线 相对于其对照试件发生偏离; 但如果扩张程度停留在一定水平上, 随着时间的延续, 被扩张试 7 件又会慢慢得到强化, 这种强化表现在扩张试件和其对照试件实验曲线的再次接近或重合。 因此我们认为, 临床上要象通过组织扩张的方法得到可利用的、接近正常组织特性的血管 和神经, 扩张时间通常要比较长。 实验中, 15 周或更长是合适的扩张时间。 3. 本实验动物模型中缝匠肌扩张后保持了正常骨骼肌所具有的组织结构特征, 在体测量长度平均增加 18154% , 宽度增加 88133% , 厚度减薄。 光镜下见肌肉膜、肌束膜及肌外膜均增 厚, 这可能与宽度增加明显有关。 肌束间可见到口径较大的动、静脉及增生扩张的不同口径血管。等用墨汁灌注的方法观察到扩张的骨骼肌近远端之间形成明显的动脉弓, 可能为反 K im 复注水扩张缺血刺激的结果, 增加了骨骼肌的血液供给。 我们的标本中未发现明显的肌坏死及炎症现象, 在紧邻扩张器一侧的部分肌束内肌纤维 直径不等, 纤维间距离加大, 肌内膜中毛细血管增生扩张, 直径大的肌纤维可能为代偿性肥大 的结果, 而多数为直径较小的纤维。小纤维是原肌纤维萎缩还是新生的肌纤维有待于进一步研 究。 肌节的长度测量提示扩张后的肌纤维肌节长度略有增加, 与对照侧相比, 肌节数目增加16163% 。的实验证实, 扩张的肌纤维肌节数量增加, 并且认为扩张力是作用于整个肌纤 K im () () () 4. 扩张后“额外”组织的来源包括: 1原组织的伸长; 2相应区域的组织调整; 3新组织 的形成。扩张时间较短的“额外”组织主要来源前两种方式, 较长时间的扩张第三种组织来源比 例增加。 因此, 为减小扩张后组织回缩率, 应相应延长扩张时间。 4 参考文献 . . 1 R ado van CA d jacen t f lap deve lopm en t u sing exp andab le sila st ic im p lan t sA m e r ican So c ie ty o f P la st ic , , , 30, 1976and R eco n st ruc t ive Su rg ica l Fo rum Bo sto n M a ssSep tem be r . . 2 S ta rk GB e t a lR ap id e lo nga t io n o f a r te r ie s and ve in s in ra t s w ith a t issue exp ande rP la st ic R eco n st ruc2 1987, 80: 570 t ive Su rge ry. , . . 3 Co h en B E e t a lA cu te in t raop e ra t ive a r te r ia l leng th en ing fo r c lo su re o f la rge va scu la r gap sP la st ic R e2 , 1992, 90: 463co n st ruc t ive Su rge ry . . ,4 M ilne r R HT h e effec t o f t issue exp an sio n o n p e r ip h e ra l ne rve sB r it ish Jo u rna l o f P la st ic Su rge ry 1989, 42: 414 , . : 5 W o rd R J e t a lCo n t ro lled exp an sio n o f p e r ip h e ra l ne rve sCom p a r iso n o f ne rve g raff ing and ne rve ex2 ƒ. , 1991, 31: 686p an sio nrep a ir fo r can ine sc ie t ic ne rve defec t sJo u rna l o f T raum a , . . 6 K im e t a lH istom o rp ho lo g ic ch ange s in exp anded sk e le ta l m u sc le in ra t sP la st ic R eco n st ruc t ive , 1993, 92: 710Su rge ry , . . 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