动脉流量对于肌肉萎缩的影响

Abstract

This study analyzed the inherent relation between arterial blood mass flow and muscle atrophy of residual limb to provide some necessary information and theoretical support for the clinical rehabilitation of lower limb amputees. Three-dimensional arterial model reconstruction was performed on both intact side and residual limb of a unilateral transfemoral amputee who is the subject. Then hemodynamic calculation was carried out to comparatively analyze the mass flow state at each arterial outlet of both lower extremities. The muscle atrophy ratio of residual limb was calculated by measuring the cross-sectional area of bilateral muscles. Based on the blood supply relationship, the correlation between arterial blood flow reduction ratio and muscle atrophy ratio was discussed. The results showed that the mass flow of superficial femoral arteries and lateral circumflex femoral arteries severely reduced. Meanwhile rectus femoris, vastus lateralis and vastus medialis which were fed by these arteries showed great atrophy too. On the contrary, the mass flow of deep femoral arteries and medial femoral circumflex arteries slightly reduced. Meanwhile gracilis, adductor longus, long head of biceps which were fed by these arteries showed mild atrophy too. These results indicated that there might be a positive and promotion correlation between the muscle atrophy ratio and the blood mass flow reduction ratio of residual limb during rehabilitation.

引言

截肢不仅是为了紧急拯救患者的生命，而是为了在挽留患者生命的同时减轻患者今后的痛苦，给予患者心理以及生理上的幸福与舒适。然而就目前的截肢手术来说无法完美解决这个问题，在患者进行截肢手术后，会出现一系列的后遗症。这些后遗症严重地影响了患者的正常生活，例如：残肢肌肉萎缩^[1]，深部软组织损伤^[2]，溃烂、水泡、浮肿、压疮等皮肤问题^[3-4]等等。而且，这些后遗症会同时对患者生理和心理造成伤害，非常不利于患者的康复，迫切需要得到缓解和解决。

目前国内外已经进行过不少关于截肢的相关研究。例如：Guzman 等^[5]通过对 229 名患者的下肢多层计算机断层扫描进行评估，认为胫动脉硬化程度可作为截肢的判据；Bemben 等^[6]通过对八名单侧截肢患者在截肢后的 6 个月和 12 个月进行多项指标的评估，认为患者在截肢后早期即可发生骨质量和强度的快速和实质性的损失，12 个月后不能恢复活力；Isakov 等^[7]通过用测力仪测量等速向心和偏心，以及等长的大腿肌肉的力量，证明在截肢后的第一年，膝下截肢者的残肢大腿肌肉强度明显下降；Dong 等^[8]利用 Hausdorff 距离比较两名受试者的动脉树空间结构变化，认为假肢不仅可以实现残肢的功能补偿，而且可以促进下肢的生理状态调整，以适应新的步态。这些研究从下肢的截肢到残肢的康复都做出了细致的研究。然而关于下肢截肢还有一个必须要考虑的因素，就是残肢中的血流动力学问题。血流作为供给氧气以及营养物质给下肢的载体，在下肢的发育以及残肢的康复中起着举足轻重的作用，而血流动力学问题更是其中最为重要的因素之一。目前已有研究发现，下肢血管的血流动力学环境与肌肉萎缩、血栓、压疮和深部软组织损伤有着密切关系。如：Dong 等^[9]通过对下肢截肢和康复的血液动力学研究成果进行调查，对下肢截肢和康复做出系统的血流动力学综述；Yan 等^[10]通过对比壁面剪切力与氧气对于动脉粥样硬化的影响，发现需要同时考虑剪切力和氧气来预测动脉粥样硬化在下肢截肢后的发展。然而，这些研究都没有对下肢细致的分支血管与截肢后遗症之间的关系进行研究，因此本研究从细致的下肢血管与后遗症之间关系入手，通过对肌肉萎缩程度与下肢动脉流量之间的关系进行研究，得出残肢动脉流量对残肢肌肉萎缩的影响。

1. 材料与方法

1.1. 对象

模型建立对象根据以下标准进行筛选：① 单侧膝上截肢患者；② 年龄 18～60 岁之间，性别不限；③ 截肢水平为大腿中段或下段，以保证残肢长度；④ 截肢手术未伴有其他血管手术；⑤ 接受了良好的术后即时处理；⑥ 术后无下肢外周血管疾病；⑦ 残端皮肤和软组织状态良好。经过筛选，选取一名 20 岁由于肿瘤行左大腿中段截肢的女性患者为对象，根据董瑞琪^[11]采集到的临床数据，尽管截肢患者情况不尽相同，但综合来说缩窄程度最大的血管为股浅动脉与旋股外动脉，其次是旋股内动脉，最后为股深动脉，各患者残肢的血管形状具有相似性，本文志愿者也具有相同的血管形状特征，因此具有普适性。

1.2. 模型建立

为获得与血管真实情况相同的几何模型，对同一患者的残肢及健肢使用电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）获得血管的增强 CT 图像。同时为了获得贴近患者真实血管形态的模型，通过 mimics 软件提取出残肢及健肢的股动脉、股浅动脉、股深动脉、旋股内动脉、旋股外动脉及其分支血管的中心线，获得三维模型。在建模过程中，为保持三维模型与实际血管情况一致，保留了模型中残肢与健肢血管的区别。为了获得有效的计算模型，通过 gambit 建立各部分血管并在分叉处进行合并，同时延长入口血管，得到如图 1 所示模型。

图 1.

Three-dimensional geometry of intact side and residual limb

健肢与残肢的三维几何模型

在 gambit 划分网格过程中，为保证计算精度同时减少计算时间，提高收敛性，对模型划分六面体网格，分叉处采用四面体网格划分方法，如图 2 所示。同时，对复杂形状的动脉单独布点，加密网格。为了保证网格的顺利过渡，在六面体网格与四面体网格之间采用楔形网格。为了使模型贴近真实的血管壁面血流动力学状况，对血管三维模型添加边界层。将网格文件导入 fluent 中进行数值计算并验证网格无关性。

图 2.

Hexahedral mesh in the main part and tetrahedral mesh in bifurcation

主干部分的六面体网格和分叉处四面体网格

1.3. 肌肉萎缩程度测量方法

对同一患者采用核磁共振扫描成像（magnetic resonance imaging，MRI），采集大腿肌肉横截面图像。获取横截面图像时，为了准确地对残肢与健肢的肌肉面积进行比较，将残肢的总长度定义为坐骨结节到残肢末端，分别选取位于残肢总长度 30% ± 5%、40% ± 5%、50% ± 5%、60% ± 5%、70% ± 5% 位置的 MRI 图像，以及健肢相应位置的 MRI 图像，如图 3 所示。

图 3.

The scanning area of both lower extremities in MRI

MRI 图像中大腿肌肉采集层位置

为了准确地测量各块肌肉横截面积，将每层 MRI 图像上肌肉分为 11 块，分别为股直肌（RF）、股中间肌（VI）、股外侧肌（VL）、股内侧肌（VM）、股薄肌（GRAC）、缝匠肌（SART）、长收肌（AL）、大收肌（AM）、半膜肌（SEMI_M）、半腱肌（SEMI_T）和股二头肌长头（BF），对每块肌肉单独测量横截面积，如图 4 所示。

图 4.

Illustration of 11 measured muscles

用于测量的 11 块大腿肌肉

1.4. 边界条件

本项目建立在以下假设上展开研究：血液流动为定常流动，血管壁为不可渗透的无滑移刚性壁面。血液是具有各向同性、不可压缩的牛顿流体，具有恒定密度和黏度。其控制方程为 N-S 方程。

根据采集到的患者实际超声数据，设定入口速度边界条件，设置健肢入口速度为 0.38 m/s，残肢入口速度为 0.23 m/s^[11]，各出口采用 0 压力出口条件。

2. 结果

根据数值计算结果，得到各出口血管的质量流量，如表 1 所示。观察表 1 可得，股浅动脉及旋股外动脉与股深动脉及旋股内动脉相比，残肢质量流量与健肢质量流量的比值较低。

表 1. Mass flow of each vessel outlet of intact side and residual limb (10^–3 kg/s) .

残肢及健肢各血管出口质量流量表（10^–3 kg/s）

肢体	股浅动脉	股深动脉	旋股内动脉	旋股外动脉
残肢	2.43	2.74	0.14	1.17
健肢	8.55	3.68	0.18	4.70
残/健	0.28	0.74	0.78	0.25

为了准确地对残肢与健肢的肌肉面积进行比较，选取位于大腿 30% ± 5%、40% ± 5%、50% ± 5%、60% ± 5%、70% ± 5% 位置处的 5 层图像，使用残肢肌肉横截面积和健肢肌肉横截面积的比值来衡量残肢肌肉萎缩程度，如表 2 所示。可观察到，部分肌肉的该比值较低，如股直肌、股外侧肌、股内侧肌，这三块肌肉的残肢肌肉横截面积和健肢肌肉横截面积的比值范围分别为 0.26～0.43、0.10～0.37、0.10～0.27，而部分肌肉比值较高，如股薄肌、长收肌、股二头肌长头，这三块肌肉的残、健肢肌肉横截面积比值范围分别为 0.54～1.33、0.28～1.13、0.55～0.99。

表 2. Cross-sectional area ratio of muscles of residual limb and intact side in each layer of thigh.

不同高度层的大腿残肢肌肉横截面积和健肢肌肉横截 面积比值表

肌肉	30% ± 5%	40% ± 5%	50% ± 5%	60% ± 5%	70% ± 5%
VI	0.49	0.49	0.59	0.72	0.77
VM	0.18	0.21	0.27	0.17	0.10
RF	0.27	0.37	0.43	0.40	0.26
VL	0.26	0.37	0.31	0.15	0.10
SART	0.36	0.43	0.67	1.16	0.56
AL	1.11	0.98	1.01	1.13	0.28
AM	0.64	0.61	0.51	0.42	0.22
GRAC	0.88	1.21	1.04	1.33	0.54
SEMI-M	1.04	0.53	0.57	0.78	1.00
SEMI-T	0.48	0.54	0.46	0.16	0.12
BF	0.70	0.99	0.91	0.84	0.55

为了分析残肢供血动脉流量对于对应残肢肌肉萎缩的影响，将肌肉萎缩程度与对应滋养血管的质量流量的缩减程度进行对比，如图 5 所示。挑选 11 组肌肉中萎缩程度较轻以及最严重的 6 组肌肉进行对比，股薄肌、长收肌、股二头肌长头的滋养血管均为股深动脉及旋股内动脉，股直肌、股外侧肌、股内侧肌则主要由股浅动脉及旋股外动脉进行滋养^[11]。

图 5.

The relationship between atrophy ratio and the reduction ratio of mass flow

肌肉萎缩程度与质量流量的缩减程度关系图

3. 讨论

由于大腿截肢后动脉的结构发生巨大变化，残肢的动脉质量流量相对健肢也会发生变化。为了准确得到残肢动脉质量流量的缩减情况，对表 1 的数据结果进行分析，可以看出股浅动脉及旋股外动脉上，残肢动脉的质量流量缩减情况严重，而在股深动脉、旋股内动脉上残肢动脉的质量流量缩减情况较轻。

大腿截肢后，残肢由于血供等情况的影响，肌肉会发生萎缩。为了定量评价残肢肌肉的萎缩情况，通过表 2 得到的肌肉横截面比值数据进行分析，股直肌、股外侧肌、股内侧肌的残肢肌肉面积和健肢肌肉面积的比值较低，可得知残肢中这三块肌肉的萎缩程度最为严重，相反股薄肌、长收肌、股二头肌长头残肢的肌肉面积相对健肢肌肉面积的比值较高，可知截肢后，残肢上这三块肌肉的萎缩程度最轻。

众所周知，残肢的肌肉萎缩可以通过一些康复手段缓解。例如，采用按摩、石蜡浴^[12]、动作训练等方法进行康复，这些手段可促进血液循环，增强毛细血管的通透性，利于残肢组织的增生；还可通过音频电疗法，使局部血运增强，缺氧状态好转，可达到良好的消炎、消肿、解痉、镇痛和软化疤痕以及消除粘连的作用^[13]；此外还有磁场治疗，以引起机体的神经体液调节变化，有效地改善残端肢体的血液循环，改善局部组织营养，降低神经的兴奋性，达到明显的消炎镇痛作用^[13]。由此可见，残肢康复与血管的供血存在密切关系。

结合前文讨论，可以发现残肢动脉的质量缩减情况各不相同，同时残肢各组肌肉的萎缩情况也不相同，这可能是由于血供情况的差异导致的。为了直观地得到肌肉萎缩与动脉质量流量之间的关系，对肌肉萎缩程度与对应滋养血管的质量流量的缩减程度进行对比。如图 5 所示，挑选出了萎缩程度最严重和最轻的 6 组肌肉进行对比，可以看出肌肉萎缩程度较为严重的股直肌、股外侧肌、股内侧肌的滋养血管中均包含质量流量缩减程度较严重的股浅动脉及旋股外动脉，而肌肉萎缩程度较轻的股薄肌、长收肌、股二头肌长头均由质量流量缩减程度较轻的股深动脉及旋股内动脉滋养。可知流量缩减越是厉害，肌肉萎缩程度越是严重，反之亦然。

根据废用性萎缩的说法，各动脉供血流量的差异可能是由于肌肉处于废用性的状态，血流量的差异导致氧气及营养物质供给的差异，猜想患者股直肌、股外侧肌、股内侧肌可能运动较少，处于废用性状态。但除此以外，假肢接受腔与残端的适配性、截肢面的缝合方式与截肢水平等因素均可能造成肌肉萎缩，而这些因素应该是通过血供对肌肉造成影响，在将来的研究中需要进一步对这些因素进行考虑。

4. 结论

综上所述可得出结论，残肢肌肉的萎缩程度与对应的供血血管有着密切的联系，血管出口质量流量缩减程度越高则肌肉的萎缩程度越严重，两者在康复过程中或存在相互促进的关系。所以在平时对截肢患者进行护理和治疗时，应加强残肢的锻炼，从物理和药理多方面促进残肢血液循环，加强残肢动脉的血液流动，以减缓残肢肌肉的萎缩，同时应对股直肌、股外侧肌、股内侧肌等容易萎缩的肌肉加以更多的锻炼，有效地减缓肌肉的萎缩。

本研究基于单侧大腿截肢患者实测医学图像，进行了大腿残肢与健肢动脉的数值计算，对残肢以及健肢的动脉与肌肉萎缩情况进行了对比分析，针对分析结果提出了对于临床的建议，可以为临床上残肢康复提供必要信息和理论支撑。

Funding Statement

国家自然科学基金项目（11272224）