纵向生物力学特性因素在人体四肢主要动脉损伤修复方法选择时的作用
作者：颉强 黄耀添 赵黎 杨柳 李珏
单位：颉强 黄耀添 赵黎 杨柳(710032西安,第四军医大学西京医院全军骨科研究所)；李珏(西安交通大学工程力学研究所)
关键词：生物力学；四肢；动脉；创伤和损伤；吻合术；外科
中华骨科杂志001012 【摘要】目的探讨人体四肢正常动、静脉的纵向残余应变特性和应力-应变关系,以及人体四肢主要动脉伤不同长度血管损伤与修复方法选择之间的关系,比较由于血管纵向生物力学特性而产生的修复差异,为临床血管损伤的修复效果及近、远期疗效评价提供依据。方法以人体正常血管标本为研究对象,通过血管拉伸试验及检测血管纵向伸长率,获取四肢正常动、静脉纵向残余应变及应力-应变变化规律。对损伤部位相同而修复方法不同的血管真性缺损长度做t检验,通过95%分布区间分析两种修复方法的选取界限。对自体静脉移植修复血管中真性缺损长度与移植长度作线性相关与线性回归分析。结果人体四肢主要动脉由近心端向远心端纵向伸长率逐渐减小,应力-应变关系曲线逐渐右移,静脉与之相反；相对应部位动、静脉间应力-应变关系曲线差异有非常显著性意义(P<0.01)。四肢主要动脉与头静脉、大隐静脉纵向伸长率间差异有显著性意义(P<0.05)。根据血管真性缺损长度选择端端吻合与自体静脉移植修复肱动脉、股动脉、动脉伤,缺损长度间差异有非常显著性意义(P<0.01)。静脉移植修复肱动脉、股动脉、动脉真性缺损长度与移植长度间存在线性相关。结论人体四肢主要动脉由近心端向远心端,纵向残余应变逐渐减小,血管刚度值逐渐减小；静脉与之相反。提示临床修复四肢不同部位动、静脉伤时,应考虑其相应血管的纵向生物力学特性影响,选用各自适合的修复方法。
, 百拇医药
Longitudinal stress and strain of normal human vascular system of the extremities, and the blood vessels following venous repair
JI Qiang
(Institute of Orthopaedics, Xijing Hospital, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, China)
HUANG Yaotian
(Institute of Orthopaedics, Xijing Hospital, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, China)
, 百拇医药
ZHAO Li, et al.
(Institute of Orthopaedics, Xijing Hospital, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, China)
【Abstract】 Objective To investigate the longitudinal residue strain and stress- strain relation of normal human vascular system of the extremities and the relation between the different defect length and the option of repair, as well as a comparison of the different selection of the methods of repair judged from the longitudinal biomechanical effect. Methods A mechanical analysis including stretch experiment and longitudinal stretch ratio measurement were undertaken to evaluated the longitudinal residue strain and stress- strain relation of arteries and veins of the extremities in human. The results of different methods for repair of the defect of the same kind of vessels were compared with Student- t test. The length precinct to repair arterial injuries between end- to- end anastomoses and vein graft through 95% distribution region was evaluated. Results The longitudinal stretch ratio of arterial system of the extremities decreased from the proximal to the distal ends of the vascular branches and the stress- strain relation curve of artery turned gradually to the right side, while that of veinous system exhibited a contrary picture. There was significant difference among the stretch ratio of artery and those of branchiocephalic vein or great saphenous vein (P<0.05). A significant difference was also seen between the defect length of brachial artery repaired by end- to- end anastomosis and the defect length of brachial artery repaired by autogenous vein graft (P< 0.01). The same thing happened with the injured femoral artery and popliteal artery (P< 0.01). Conclusion The longitudinal residue strain and the stiffness of extremities artery decreased along the vascular branches however there was an increase of the same parameters in the venous system. These results suggested that in the repair of the different vascular injuries the selection of surgical method must be in concert with the different biomechanical effect.
, 百拇医药
【Key words】 Biomechamics; Extremities; Arteries; Wounds and injuries; Anastomasis,surgical
人体四肢主要动脉损伤后通常采用端端吻合进行修复,当缺损长度较大时常用静脉移植方法。但两者都存在一定的近、远期栓塞率,从而导致血管修复失败[1,2]。以往的研究多是从血管通畅情况以及血管壁组织形态变化来观察[2],近年来力学因素的影响越来越受到重视[3,4]。
迄今为止,对于纵向残余应力-应变的研究工作仅限于几种常见的动物,人体血管的变化情况尚未见报道[5,6]。因此研究人体血管纵向残余应力-应变对加深认识血管的正常生理特性和病理变化,研究血管中的血液流动有重要意义。
本研究通过分析不同长度血管损伤与修复方法的选择,比较由于纵向生物力学特性不同而产生的修复差异,试图从人体四肢动、静脉的纵向残余应变及应力-应变关系方面探讨四肢动、静脉的血管生物力学特性对损伤修复方法选择的影响,为临床血管伤修复方法的选择提供理论依据。
, 百拇医药
资料与方法
一、临床资料
(一)一般资料
我们修复的252例,281条血管中,大于18岁的177例,185条血管获得评价。其中男159例,女18例；年龄18～71岁,平均36.5岁,其中20～40岁者120例。端端吻合修复86例94条血管,自体静脉移植修复91例91条血管(表1)。
表1端端吻合与自体静脉移植修复四肢主要动脉伤比较(条)
血管名称
端端吻合
静脉移植
锁骨下动脉
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3
4
腋 动 脉
5
5
肱 动 脉
38
25
尺 动 脉
12
3
桡 动 脉
14
, http://www.100md.com 4
髂 外 动 脉
1
3
股 动 脉
10
27
动 脉
9
19
胫 后 动 脉
2
1
合 计
, 百拇医药
94
91
(二)研究方法
根据血管损伤患者的不同真性缺损长度选择两种不同的方法。根据临床常见情况,本实验主要就肱动脉、股动脉、动脉的修复作比较研究。对损伤部位相同而修复方法不同的血管真性缺损长度做t检验,通过95%分布区间分析两种修复方法的选取界限。对自体静脉移植修复血管中真性缺损长度与移植长度作线性相关与线性回归分析。所有数据应用第四军医大学军事卫勤系统计学教研室统计软件NOSA2.0处理。
二、实验部分
(一)动、静脉血管标本的切取与保存
标本取自因急性头部外伤致死的3具男性尸体,年龄18～30岁,死后2h内取材。解剖时用亚甲蓝在四肢主要动、静脉血管上做标记点,用游标卡尺测定各标记点间距,避开较大分支以减少分支处对管壁力学特性的影响,切取标记段血管并立即置入装有Kreb液的冰盒中,在0℃～5℃冰箱内冷藏保存。
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(二)力学测试
(1)纵向伸长率的测定:将血管置于室温下装有Kreb液的培养皿中,15min后用游标卡尺测得血管上亚甲蓝标记点间距。血管纵向伸长率表示血管的纵向残余应变,由实验中亚甲蓝标记点间距切取前后变化值计算获得(实验温度20℃～25℃),取材后2h内完成全部测试。纵向伸长率可表示如下：λ=ΔLvivo/ΔLo
ΔLvivo和ΔLo分别代表血管取材前和纵向残余应变释放后标记点的间距。
(2)拉伸试验:拉伸测量仪由西安交通大学工程力学研究所提供。待测血管一端与拉力换能器相连,另一端与位移器相连,并确保血管不扭曲。测量仪试验前经过标定,灵敏度、线性度、重复性良好并消除零点漂移[7]。
取长1.0cm待测血管装入仪器后进行单向拉伸试验,血管始终保持在Kreb液中,取材后5h内完成全部测试(实验温度20℃～25℃)。每一血管标本加载、卸载血管位移长度与对应载荷值均取三次的平均值,用实测数据拟合出应力-应变曲线。拟合处理采用NOSA2.0软件。
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结果
一、人体四肢主要动、静脉纵向伸长率的变化
人体四肢主要动、静脉的纵向伸长率见表2。结果表明各动脉由近心端向远心端延伸时其纵向伸长率逐渐减小,说明动脉由近心端向远心端走行时其纵向残余应变逐渐减小,而各静脉血管的纵向伸长率则相反,近心端小于远心端,说明其纵向残余应变在逐渐增大。各血管段动脉、静脉纵向伸长率相比,静脉大于动脉,说明同一水平、同一位置相对应的静脉血管纵向残余应变大于动脉。
四肢主要动脉与头静脉、大隐静脉纵向伸长率相比(t检验),可见四肢各主要动脉与头静脉纵向伸长率间差异有显著性意义(P<0.05),除锁骨下动脉、股动脉与大隐静脉纵向伸长率差异无显著性意义(P>0.05)外,其余四肢动脉与大隐静脉纵向伸长率间差异有显著性意义(P<0.05)。
表2人体四肢主要动、静脉的纵向伸长率(
±s)
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部位
血管名称
n
纵向伸长率
上肢
锁骨下动脉
4
1.56±0.07
腋 动 脉
5
1.48±0.05
肱 动 脉
4
, 百拇医药
1.38±0.04
尺 动 脉
5
1.27±0.03
桡 动 脉
5
1.27±0.03
下肢
股 动 脉
4
1.62±0.07
动 脉
5
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1.44±0.08
上肢
锁骨下静脉
3
1.59±0.01
肱 静 脉
4
1.67±0.01
头 静 脉
5
1.74±0.05
下肢
股 静 脉
, 百拇医药
4
1.68±0.04
大 隐 静 脉
4
1.66±0.02
静 脉
5
1.61±0.10
二、人体四肢正常血管的应力-应变关系
人体四肢各主要动、静脉的应力-应变关系拟合曲线参数见表3,正常动脉由近心端向远心端走行时,应力-应变关系曲线逐渐右移,说明血管刚度值逐渐减小。而静脉则相反,曲线逐渐左移,说明血管刚度值逐渐增大。并且相对应部位的动、静脉之间,血管的应力-应变关系曲线明显不同(P<0.01)。
, 百拇医药
表3人体四肢正常动、静脉应力-应变关系拟合曲线参数
部位
血管名称
C
α
β
R
上肢
锁骨下动脉
0.01
7.01
9.76
0.99
, 百拇医药
腋 动 脉
0.03
5.49
6.08
0.98
肱 动 脉
0.14
4.85
8.07
0.99
尺 动 脉
0.20
2.63
, 百拇医药
3.63
0.95
桡 动 脉
0.06
4.64
9.70
0.95
下肢
股 动 脉
0.02
2.73
2.37
0.94
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动 脉
0.02
4.68
11.03
0.99
上肢
锁骨下静脉
0.02
4.41
11.48
0.97
肱 静 脉
0.01
, 百拇医药
4.02
7.87
0.99
头 静 脉
0.01
5.93
9.15
0.94
下肢
股 静 脉
0.02
3.67
8.45
, 百拇医药
0.97
大 隐 静 脉
0.01
5.52
13.03
0.98
静 脉
0.03
4.26
6.96
0.98
注:拟合曲线模型:P=C×[eα×(λ-1)-β],P代表应力,λ代表应变,C、α、β为拟合参数(常数)。R为确定系数,P<0.01
, 百拇医药
三、不同长度血管损伤修复方法的选择
端端吻合修复肱动脉真性缺损长度与自体静脉移植修复肱动脉真性缺损长度间差异有非常显著性意义(P<0.01)。两种修复方法修复股动脉间、动脉间真性缺损长度差异有非常显著性意义(P<0.01)。端端吻合修复肱动脉真性缺损长度95%分布区间上限为3.17cm,股动脉为2.81cm,动脉为2.44cm。静脉移植修复肱动脉真性缺损长度95%分布区间下限为2.82cm,股动脉为2.41cm,动脉为2.17cm(见表4)。
表4人体四肢主要动脉伤修复损伤长度(±s,cm)
修复方法
血管名称
n
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真性缺损长度
95%置信区间(cm)
端端吻合
肱 动 脉
38
1.58±0.53
3.17(上限)
尺 动 脉
12
1.50±0.55
2.41(上限)
桡 动 脉
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14
1.56±0.61
2.43(上限)
股 动 脉
10
1.41±0.58
2.81(上限)
动 脉
9
1.86±0.40
2.44(上限)
静脉移植
, 百拇医药 肱 动 脉
25
6.09±2.86
2.82(下限)
股 动 脉
27
6.45±4.51
2.41(下限)
动 脉
19
5.36±3.40
2.17(下限)
静脉移植修复肱动脉、股动脉、动脉真性缺损长度与移植长度间均存在线性相关(P<0.01)。
, 百拇医药
讨论
人体四肢主要动脉损伤指在上肢肱动脉或下肢动脉以近的动脉损伤以及尺、桡动脉或胫前、胫后动脉同时损伤,如不修复将影响肢体血液循环[8]。
人体四肢主要动脉损伤修复后存在一定的术后问题,如近、远期栓塞的发生、管腔狭窄、吻合口动脉瘤形成等[1,2],可导致血管修复失败。其影响因素也很多,如吻合口张力的选择,组织清创的程度,手术操作时损伤程度等。以往的研究多是从血管通畅情况以及管壁组织形态变化来观察[3],近年来力学因素的影响越来越受到重视[3,4],缺损长度的判定及修复方法的选择尤为重要。
修复不同部位以及修复动脉和静脉血管损伤时,在选择修复方法、移植长度时尚有差异。本研究从血管纵向力学特性方面作了初步探讨,显示纵向伸长率的大小反映血管纵向残余应变的大小。正常情况下若无其他外力存在,血管游离后其纵向残余应变可完全释放,而正常动脉与静脉由于其内部结构的不同；以及同是动脉或静脉,其部位、节段的不同,纵向残余应变也不相同[3]。因而对人体不同种类、不同部位的血管力学特性进行深入研究与比较显得十分必要。
, 百拇医药
本研究表明四肢正常动脉由近心端向远心端,其纵向残余应变逐渐减小；而四肢正常静脉纵向残余应变逐渐增大。对于同一水平部位的动脉与静脉而言,其纵向残余应变也不相同。顾玉东[9]研究认为,动脉回缩程度大于静脉,与我们结论相反,考虑认为静脉弹性纤维虽较动脉少,但由于其管壁薄,管腔相对较大,收缩余地更大,其内部各组织结构成分的空间排布不同可能也起一定作用。对于移植血管时常选取的头静脉与大隐静脉,我们将其与四肢各主要动脉的纵向伸长率进行比较,发现大多差异有显著性意义(P<0.05)。因而在移植血管时,不可采用同一模式,应针对不同血管、不同部位、不同比例选取移植静脉长度。
本研究通过人体四肢正常动脉间应力-应变关系的比较,说明随血管由近心端向远心端走行时,血管刚度值逐渐减小,是管壁材料平均刚度值的减小和管壁材料变薄共同作用的结果。人体四肢正常静脉间应力-应变关系的比较则正好相反,随血管近心端向远心端走行,血管刚度值逐渐增大,表明血管的力学性质不仅取决于弹性纤维、胶原纤维和平滑肌的含量比例,还取决于这些组织在血管壁中的结构和空间排布。而相对应的正常动、静脉之间应力-应变关系的比较也不相同。这些刚度值及应力-应变关系曲线的差异体现出动、静脉血管中各种组织在结构和空间排布上的差异,与血管纵向残余应变随血管走行的变化规律一致,解释了生物力学差异的原因。说明不同血管伤修复的基准状态与目标状态不同,修复方法的选择也不同,从生物力学角度阐明了临床修复差异的原因。
, 百拇医药
本研究通过分析血管损伤患者的真性缺损长度、修复方法、移植长度等因素发现,当肱动脉真性缺损长度在2.82～3.17cm以上时多选用静脉移植法修复,在此界限以下可选用端端吻合法修复。当股动脉真性缺损长度在2.41～2.81cm以上时多选用静脉移植法修复,以下可选用端端吻合法修复。当动脉真性缺损长度在2.17～2.44cm以上时多选用静脉移植法修复,以下可用端端吻合法修复。
对于静脉移植修复血管损伤的移植长度选择问题,本文也作了初步探讨。对于肱动脉伤,真性缺损长度与移植长度间关系可用线性回归方程:Y=1.006104+1.010742×X表示。对于股动脉伤,上述关系表示为:Y=2.811523+0.753906×X。动脉伤表示为:Y=0.329048+1.169678×X。这些参数的不同说明对于不同血管、不同部位损伤以及动、静脉之间,在选择修复方法、移植长度间存在不同,也对临床手术有一定的参考价值。
许多研究认为血管修复时要保证吻合口适宜的张力[3,5,6]。这一要求可通过根据损伤长度选择合适的修复方法来达到。以往研究都是通过几种实验动物讨论力学因素影响[5,6],而未涉及具有临床指导意义的人体血管。因而对人体四肢血管纵向应力-应变关系的深入研究,可为吻合口合适张力的选择提供力学基础。这种张力对吻合血管的影响在于血管伸展性的变化局限。血管伸长由外膜和中膜中的平滑肌、弹性纤维、胶原纤维共同控制,其伸长时维持变形状态但有一定限度,超出限度会撕裂血管每一层结构,导致血管壁组织形态变化[5,6]。临床上由于治疗需要,常需要牵拉残留段血管以及屈曲邻近关节等手段修复血管伤,对于移植血管长度、吻合口张力的选择等方面无一定依据。对于在体(实验取材前)血管,真正缺损长度或损伤长度还受其他因素影响,如周围组织牵拉、残留段血管生物力学影响等,主要是残留血管游离段纵向残余应变的完全释放加血管束缚段纵向残余应变的完全释放[6]。由于本实验取材条件有限,尚缺此部分的实验,有待于今后进一步研究。
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(19502009)
参考文献
1，Mc Geachie JK, Meagher S,Prendergast FJ. Vein- to- artery grafts: the long- term development of neointimal hyperplasia and its relationship to vasa vasorum and sympathetic innervation. Aust N Z J Surg, 1989, 59:59- 65.
2，Chervu A, Moore WS. An overview of intimal hyperplasia. Surg Gynecol Obstet, 1990, 171:433- 437.
3，Han HC, Fung YC. Longitudinal strain of canine and porcine aortas. J Biomech, 1995, 28:637- 641.
, http://www.100md.com
4，Han HC, Zhao L, Huang M, et al. Postsurgical change of the opening angle of canine autogenous vein graft. J Biomech Eng, 1998, 120:211- 216.
5，Zhang F, Lineaweaver WC, Buntic R, et al. Mechanical evaluation of anastomotic tension and patency in arteries. J Reconstr Microsurg, 1996, 12:121- 126.
6，侯黎升,黄耀添,招明高.兔股动脉裂隙宽度与实际缺损长度的关系.第四军医大学学报,1998,19:443-445.
7，Shen Q, Zong W, Jiang D, et al. A capacitive isometric tensile test device for soft tissue. Chinese J Biomech Instru, 1994, 18:329- 332.
8，Lu YP, Huang YT, Zhao L, et al. Management of major arterial injuries of limbs:a study of 166 cases. Cardiovasc Surg, 1993, 1:486- 488.
9，顾玉东.显微外科手术的生物力学问题.中华外科杂志,1985,23:697-700.
(收稿日期:1999-12-21), 百拇医药
单位：颉强 黄耀添 赵黎 杨柳(710032西安,第四军医大学西京医院全军骨科研究所)；李珏(西安交通大学工程力学研究所)
关键词：生物力学；四肢；动脉；创伤和损伤；吻合术；外科
中华骨科杂志001012 【摘要】目的探讨人体四肢正常动、静脉的纵向残余应变特性和应力-应变关系,以及人体四肢主要动脉伤不同长度血管损伤与修复方法选择之间的关系,比较由于血管纵向生物力学特性而产生的修复差异,为临床血管损伤的修复效果及近、远期疗效评价提供依据。方法以人体正常血管标本为研究对象,通过血管拉伸试验及检测血管纵向伸长率,获取四肢正常动、静脉纵向残余应变及应力-应变变化规律。对损伤部位相同而修复方法不同的血管真性缺损长度做t检验,通过95%分布区间分析两种修复方法的选取界限。对自体静脉移植修复血管中真性缺损长度与移植长度作线性相关与线性回归分析。结果人体四肢主要动脉由近心端向远心端纵向伸长率逐渐减小,应力-应变关系曲线逐渐右移,静脉与之相反；相对应部位动、静脉间应力-应变关系曲线差异有非常显著性意义(P<0.01)。四肢主要动脉与头静脉、大隐静脉纵向伸长率间差异有显著性意义(P<0.05)。根据血管真性缺损长度选择端端吻合与自体静脉移植修复肱动脉、股动脉、动脉伤,缺损长度间差异有非常显著性意义(P<0.01)。静脉移植修复肱动脉、股动脉、动脉真性缺损长度与移植长度间存在线性相关。结论人体四肢主要动脉由近心端向远心端,纵向残余应变逐渐减小,血管刚度值逐渐减小；静脉与之相反。提示临床修复四肢不同部位动、静脉伤时,应考虑其相应血管的纵向生物力学特性影响,选用各自适合的修复方法。
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Longitudinal stress and strain of normal human vascular system of the extremities, and the blood vessels following venous repair
JI Qiang
(Institute of Orthopaedics, Xijing Hospital, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, China)
HUANG Yaotian
(Institute of Orthopaedics, Xijing Hospital, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, China)
, 百拇医药
ZHAO Li, et al.
(Institute of Orthopaedics, Xijing Hospital, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, China)
【Abstract】 Objective To investigate the longitudinal residue strain and stress- strain relation of normal human vascular system of the extremities and the relation between the different defect length and the option of repair, as well as a comparison of the different selection of the methods of repair judged from the longitudinal biomechanical effect. Methods A mechanical analysis including stretch experiment and longitudinal stretch ratio measurement were undertaken to evaluated the longitudinal residue strain and stress- strain relation of arteries and veins of the extremities in human. The results of different methods for repair of the defect of the same kind of vessels were compared with Student- t test. The length precinct to repair arterial injuries between end- to- end anastomoses and vein graft through 95% distribution region was evaluated. Results The longitudinal stretch ratio of arterial system of the extremities decreased from the proximal to the distal ends of the vascular branches and the stress- strain relation curve of artery turned gradually to the right side, while that of veinous system exhibited a contrary picture. There was significant difference among the stretch ratio of artery and those of branchiocephalic vein or great saphenous vein (P<0.05). A significant difference was also seen between the defect length of brachial artery repaired by end- to- end anastomosis and the defect length of brachial artery repaired by autogenous vein graft (P< 0.01). The same thing happened with the injured femoral artery and popliteal artery (P< 0.01). Conclusion The longitudinal residue strain and the stiffness of extremities artery decreased along the vascular branches however there was an increase of the same parameters in the venous system. These results suggested that in the repair of the different vascular injuries the selection of surgical method must be in concert with the different biomechanical effect.
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【Key words】 Biomechamics; Extremities; Arteries; Wounds and injuries; Anastomasis,surgical
人体四肢主要动脉损伤后通常采用端端吻合进行修复,当缺损长度较大时常用静脉移植方法。但两者都存在一定的近、远期栓塞率,从而导致血管修复失败[1,2]。以往的研究多是从血管通畅情况以及血管壁组织形态变化来观察[2],近年来力学因素的影响越来越受到重视[3,4]。
迄今为止,对于纵向残余应力-应变的研究工作仅限于几种常见的动物,人体血管的变化情况尚未见报道[5,6]。因此研究人体血管纵向残余应力-应变对加深认识血管的正常生理特性和病理变化,研究血管中的血液流动有重要意义。
本研究通过分析不同长度血管损伤与修复方法的选择,比较由于纵向生物力学特性不同而产生的修复差异,试图从人体四肢动、静脉的纵向残余应变及应力-应变关系方面探讨四肢动、静脉的血管生物力学特性对损伤修复方法选择的影响,为临床血管伤修复方法的选择提供理论依据。
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资料与方法
一、临床资料
(一)一般资料
我们修复的252例,281条血管中,大于18岁的177例,185条血管获得评价。其中男159例,女18例；年龄18～71岁,平均36.5岁,其中20～40岁者120例。端端吻合修复86例94条血管,自体静脉移植修复91例91条血管(表1)。
表1端端吻合与自体静脉移植修复四肢主要动脉伤比较(条)
血管名称
端端吻合
静脉移植
锁骨下动脉
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3
4
腋 动 脉
5
5
肱 动 脉
38
25
尺 动 脉
12
3
桡 动 脉
14
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髂 外 动 脉
1
3
股 动 脉
10
27
动 脉
9
19
胫 后 动 脉
2
1
合 计
, 百拇医药
94
91
(二)研究方法
根据血管损伤患者的不同真性缺损长度选择两种不同的方法。根据临床常见情况,本实验主要就肱动脉、股动脉、动脉的修复作比较研究。对损伤部位相同而修复方法不同的血管真性缺损长度做t检验,通过95%分布区间分析两种修复方法的选取界限。对自体静脉移植修复血管中真性缺损长度与移植长度作线性相关与线性回归分析。所有数据应用第四军医大学军事卫勤系统计学教研室统计软件NOSA2.0处理。
二、实验部分
(一)动、静脉血管标本的切取与保存
标本取自因急性头部外伤致死的3具男性尸体,年龄18～30岁,死后2h内取材。解剖时用亚甲蓝在四肢主要动、静脉血管上做标记点,用游标卡尺测定各标记点间距,避开较大分支以减少分支处对管壁力学特性的影响,切取标记段血管并立即置入装有Kreb液的冰盒中,在0℃～5℃冰箱内冷藏保存。
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(二)力学测试
(1)纵向伸长率的测定:将血管置于室温下装有Kreb液的培养皿中,15min后用游标卡尺测得血管上亚甲蓝标记点间距。血管纵向伸长率表示血管的纵向残余应变,由实验中亚甲蓝标记点间距切取前后变化值计算获得(实验温度20℃～25℃),取材后2h内完成全部测试。纵向伸长率可表示如下：λ=ΔLvivo/ΔLo
ΔLvivo和ΔLo分别代表血管取材前和纵向残余应变释放后标记点的间距。
(2)拉伸试验:拉伸测量仪由西安交通大学工程力学研究所提供。待测血管一端与拉力换能器相连,另一端与位移器相连,并确保血管不扭曲。测量仪试验前经过标定,灵敏度、线性度、重复性良好并消除零点漂移[7]。
取长1.0cm待测血管装入仪器后进行单向拉伸试验,血管始终保持在Kreb液中,取材后5h内完成全部测试(实验温度20℃～25℃)。每一血管标本加载、卸载血管位移长度与对应载荷值均取三次的平均值,用实测数据拟合出应力-应变曲线。拟合处理采用NOSA2.0软件。
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结果
一、人体四肢主要动、静脉纵向伸长率的变化
人体四肢主要动、静脉的纵向伸长率见表2。结果表明各动脉由近心端向远心端延伸时其纵向伸长率逐渐减小,说明动脉由近心端向远心端走行时其纵向残余应变逐渐减小,而各静脉血管的纵向伸长率则相反,近心端小于远心端,说明其纵向残余应变在逐渐增大。各血管段动脉、静脉纵向伸长率相比,静脉大于动脉,说明同一水平、同一位置相对应的静脉血管纵向残余应变大于动脉。
四肢主要动脉与头静脉、大隐静脉纵向伸长率相比(t检验),可见四肢各主要动脉与头静脉纵向伸长率间差异有显著性意义(P<0.05),除锁骨下动脉、股动脉与大隐静脉纵向伸长率差异无显著性意义(P>0.05)外,其余四肢动脉与大隐静脉纵向伸长率间差异有显著性意义(P<0.05)。
表2人体四肢主要动、静脉的纵向伸长率(
±s), http://www.100md.com
部位
血管名称
n
纵向伸长率
上肢
锁骨下动脉
4
1.56±0.07
腋 动 脉
5
1.48±0.05
肱 动 脉
4
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1.38±0.04
尺 动 脉
5
1.27±0.03
桡 动 脉
5
1.27±0.03
下肢
股 动 脉
4
1.62±0.07
动 脉
5
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1.44±0.08
上肢
锁骨下静脉
3
1.59±0.01
肱 静 脉
4
1.67±0.01
头 静 脉
5
1.74±0.05
下肢
股 静 脉
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4
1.68±0.04
大 隐 静 脉
4
1.66±0.02
静 脉
5
1.61±0.10
二、人体四肢正常血管的应力-应变关系
人体四肢各主要动、静脉的应力-应变关系拟合曲线参数见表3,正常动脉由近心端向远心端走行时,应力-应变关系曲线逐渐右移,说明血管刚度值逐渐减小。而静脉则相反,曲线逐渐左移,说明血管刚度值逐渐增大。并且相对应部位的动、静脉之间,血管的应力-应变关系曲线明显不同(P<0.01)。
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表3人体四肢正常动、静脉应力-应变关系拟合曲线参数
部位
血管名称
C
α
β
R
上肢
锁骨下动脉
0.01
7.01
9.76
0.99
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腋 动 脉
0.03
5.49
6.08
0.98
肱 动 脉
0.14
4.85
8.07
0.99
尺 动 脉
0.20
2.63
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3.63
0.95
桡 动 脉
0.06
4.64
9.70
0.95
下肢
股 动 脉
0.02
2.73
2.37
0.94
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动 脉
0.02
4.68
11.03
0.99
上肢
锁骨下静脉
0.02
4.41
11.48
0.97
肱 静 脉
0.01
, 百拇医药
4.02
7.87
0.99
头 静 脉
0.01
5.93
9.15
0.94
下肢
股 静 脉
0.02
3.67
8.45
, 百拇医药
0.97
大 隐 静 脉
0.01
5.52
13.03
0.98
静 脉
0.03
4.26
6.96
0.98
注:拟合曲线模型:P=C×[eα×(λ-1)-β],P代表应力,λ代表应变,C、α、β为拟合参数(常数)。R为确定系数,P<0.01
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三、不同长度血管损伤修复方法的选择
端端吻合修复肱动脉真性缺损长度与自体静脉移植修复肱动脉真性缺损长度间差异有非常显著性意义(P<0.01)。两种修复方法修复股动脉间、动脉间真性缺损长度差异有非常显著性意义(P<0.01)。端端吻合修复肱动脉真性缺损长度95%分布区间上限为3.17cm,股动脉为2.81cm,动脉为2.44cm。静脉移植修复肱动脉真性缺损长度95%分布区间下限为2.82cm,股动脉为2.41cm,动脉为2.17cm(见表4)。
表4人体四肢主要动脉伤修复损伤长度(
±s,cm)修复方法
血管名称
n
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真性缺损长度
95%置信区间(cm)
端端吻合
肱 动 脉
38
1.58±0.53
3.17(上限)
尺 动 脉
12
1.50±0.55
2.41(上限)
桡 动 脉
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14
1.56±0.61
2.43(上限)
股 动 脉
10
1.41±0.58
2.81(上限)
动 脉
9
1.86±0.40
2.44(上限)
静脉移植
, 百拇医药 肱 动 脉
25
6.09±2.86
2.82(下限)
股 动 脉
27
6.45±4.51
2.41(下限)
动 脉
19
5.36±3.40
2.17(下限)
静脉移植修复肱动脉、股动脉、动脉真性缺损长度与移植长度间均存在线性相关(P<0.01)。
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讨论
人体四肢主要动脉损伤指在上肢肱动脉或下肢动脉以近的动脉损伤以及尺、桡动脉或胫前、胫后动脉同时损伤,如不修复将影响肢体血液循环[8]。
人体四肢主要动脉损伤修复后存在一定的术后问题,如近、远期栓塞的发生、管腔狭窄、吻合口动脉瘤形成等[1,2],可导致血管修复失败。其影响因素也很多,如吻合口张力的选择,组织清创的程度,手术操作时损伤程度等。以往的研究多是从血管通畅情况以及管壁组织形态变化来观察[3],近年来力学因素的影响越来越受到重视[3,4],缺损长度的判定及修复方法的选择尤为重要。
修复不同部位以及修复动脉和静脉血管损伤时,在选择修复方法、移植长度时尚有差异。本研究从血管纵向力学特性方面作了初步探讨,显示纵向伸长率的大小反映血管纵向残余应变的大小。正常情况下若无其他外力存在,血管游离后其纵向残余应变可完全释放,而正常动脉与静脉由于其内部结构的不同；以及同是动脉或静脉,其部位、节段的不同,纵向残余应变也不相同[3]。因而对人体不同种类、不同部位的血管力学特性进行深入研究与比较显得十分必要。
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本研究表明四肢正常动脉由近心端向远心端,其纵向残余应变逐渐减小；而四肢正常静脉纵向残余应变逐渐增大。对于同一水平部位的动脉与静脉而言,其纵向残余应变也不相同。顾玉东[9]研究认为,动脉回缩程度大于静脉,与我们结论相反,考虑认为静脉弹性纤维虽较动脉少,但由于其管壁薄,管腔相对较大,收缩余地更大,其内部各组织结构成分的空间排布不同可能也起一定作用。对于移植血管时常选取的头静脉与大隐静脉,我们将其与四肢各主要动脉的纵向伸长率进行比较,发现大多差异有显著性意义(P<0.05)。因而在移植血管时,不可采用同一模式,应针对不同血管、不同部位、不同比例选取移植静脉长度。
本研究通过人体四肢正常动脉间应力-应变关系的比较,说明随血管由近心端向远心端走行时,血管刚度值逐渐减小,是管壁材料平均刚度值的减小和管壁材料变薄共同作用的结果。人体四肢正常静脉间应力-应变关系的比较则正好相反,随血管近心端向远心端走行,血管刚度值逐渐增大,表明血管的力学性质不仅取决于弹性纤维、胶原纤维和平滑肌的含量比例,还取决于这些组织在血管壁中的结构和空间排布。而相对应的正常动、静脉之间应力-应变关系的比较也不相同。这些刚度值及应力-应变关系曲线的差异体现出动、静脉血管中各种组织在结构和空间排布上的差异,与血管纵向残余应变随血管走行的变化规律一致,解释了生物力学差异的原因。说明不同血管伤修复的基准状态与目标状态不同,修复方法的选择也不同,从生物力学角度阐明了临床修复差异的原因。
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本研究通过分析血管损伤患者的真性缺损长度、修复方法、移植长度等因素发现,当肱动脉真性缺损长度在2.82～3.17cm以上时多选用静脉移植法修复,在此界限以下可选用端端吻合法修复。当股动脉真性缺损长度在2.41～2.81cm以上时多选用静脉移植法修复,以下可选用端端吻合法修复。当动脉真性缺损长度在2.17～2.44cm以上时多选用静脉移植法修复,以下可用端端吻合法修复。
对于静脉移植修复血管损伤的移植长度选择问题,本文也作了初步探讨。对于肱动脉伤,真性缺损长度与移植长度间关系可用线性回归方程:Y=1.006104+1.010742×X表示。对于股动脉伤,上述关系表示为:Y=2.811523+0.753906×X。动脉伤表示为:Y=0.329048+1.169678×X。这些参数的不同说明对于不同血管、不同部位损伤以及动、静脉之间,在选择修复方法、移植长度间存在不同,也对临床手术有一定的参考价值。
许多研究认为血管修复时要保证吻合口适宜的张力[3,5,6]。这一要求可通过根据损伤长度选择合适的修复方法来达到。以往研究都是通过几种实验动物讨论力学因素影响[5,6],而未涉及具有临床指导意义的人体血管。因而对人体四肢血管纵向应力-应变关系的深入研究,可为吻合口合适张力的选择提供力学基础。这种张力对吻合血管的影响在于血管伸展性的变化局限。血管伸长由外膜和中膜中的平滑肌、弹性纤维、胶原纤维共同控制,其伸长时维持变形状态但有一定限度,超出限度会撕裂血管每一层结构,导致血管壁组织形态变化[5,6]。临床上由于治疗需要,常需要牵拉残留段血管以及屈曲邻近关节等手段修复血管伤,对于移植血管长度、吻合口张力的选择等方面无一定依据。对于在体(实验取材前)血管,真正缺损长度或损伤长度还受其他因素影响,如周围组织牵拉、残留段血管生物力学影响等,主要是残留血管游离段纵向残余应变的完全释放加血管束缚段纵向残余应变的完全释放[6]。由于本实验取材条件有限,尚缺此部分的实验,有待于今后进一步研究。
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(19502009)
参考文献
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7，Shen Q, Zong W, Jiang D, et al. A capacitive isometric tensile test device for soft tissue. Chinese J Biomech Instru, 1994, 18:329- 332.
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9，顾玉东.显微外科手术的生物力学问题.中华外科杂志,1985,23:697-700.
(收稿日期:1999-12-21), 百拇医药