妇产科学第九 [生物力学在妇产科学的研究进展]

生物力学在妇产科学的研究进展

生物力学与医学发展 生物力学是把力学原理与技术应用于生物学， 解释生命过程中所发生的各种力学现象而形成的学 科。生物力学是一门古老的 学科，早在公元前4世纪 就有生物力学内容的记载。作为一门独立学科，生物 力 学兴起于20世纪60年代中、后期，以现代医学的 需要和生物医学工程的发展为 背景，从一开始便与 临床医学紧密相关。在临床诊断与治疗过程中，医生 们不 断提出各式各样的有关力学的问题，诸如人体 的各类组织的特性，各种器官的 结构与功能，血液、 体液的成分与流动、交换规律以及与人体疾病、保 健、修 复等有关的众多力学问题。为解决这些问题，多重要成果。生物力学史上一个光 辉的例子是血液 循环的发现。1615年，Harvey根据动脉中的血液与 静脉中的血 液不同的特点，推理形成了血液循环的 看法。之后，Malpighi于1661年解剖了 青蛙的肺，首 次在显微镜下观察到微循环的存在，从而证实了 Harvey的推论， 在生物力学发展的历史长河中还有 许多这样光辉的例子。然而生物力学又是一 门年轻 的学科，最近一二十年才有了突飞猛进的发展。近年 来人们对医药卫生 的进步一则以喜，一则以忧。喜其 增进了人民的健康与寿命；
忧其费用太大变 成国家 及国民经济的一个重大负担。生物力学为改进诊断 及治疗方案增加了新 工具，有助于提高效率，减轻负 担，所以引起广泛的兴趣。生物力学的研究领 域非常 广泛，诸如动物体的游动、运动；
植物体的营养水分 的输送；
人体组织 与器官的功能、萌生、发育、破损、 消亡等机理；
血液、体液、气体和水分的 流动和扩散 规律及其效应等。这些研究领域，对于人类健康、人 类社会发展都 有重要的意义。

生物力学在妇产科学的研究进展一、妊娠宫颈的生物力学研究 女性生殖道是肌肉发达的器官，其中的平滑肌 细胞按圆形和螺旋状模式 排列。实际上，在人的子宫 中，其壁的体积仅有30%M0%是肌肉，宫颈则仅含 10%，其余的全是结缔组织。在生殖道的结缔组织 中，其主要的成分是基质， 未妊娠个体中基质对纤维 元的比值是1.5 1，而到临产前宫颈中的比值达到5 I。

在妊娠期间，基质按整体生长速度增长，胶原生长较 慢，而弹性蛋白和网状蛋 白则几乎完全不生长，因此 结缔组织的成分就改变了。子宫颈作为一种黏弹性 体，具有以下特性：①松弛(relaxation): 一个物体突 然发生应变，此后此应变保 持常数，该物体内相应的 应力随时间而减少。②蠕变(creep):若一个物体突然 受 应力的作用，此后此应力保持常数，而该物体将持 续发生变形，这一现象称为 蠕变。③滞后(lag):若一 个物体承受循环载荷，加载时的应力应变关系通常 与 卸载过程的应力应变关系存在某些差异，这一现 象称为滞后。

随着生命中器官功能的改变，组织的机械特性 也要改变。印象最深 的例子可能属1956年Harkness 对妊娠期和分娩后小鼠的研究。研究发现未妊娠 的 小鼠的子宫颈中胶原按重量含5%〜10%。小鼠子宫 颈进入阴道有两条通道 （子宫鹿角），在小鼠子宫颈 的横截面上，两个通道呈现扁平的椭圆，每一通 道的 段小鼠中切出的子宫颈，用特定的生物力学测量仪 进行检测，研究结果显 示：未妊娠或妊娠12 d以内 的小鼠宫颈相对地不可伸长，并且蠕变很小。妊娠 后 期宫颈扩大，并变得非常容易扩张，在常载荷下蠕变 也大些。在21 d时，在 相当大的恒定载荷作用下，宫 颈以一恒定的速率蠕变。在小鼠出生后的1d以内， 尽管这时的宫颈要比妊娠前大一些，但宫颈已恢复 到其原来的特性。研究指出：
临产期子宫颈蠕变特性 是由于基质的改变。用胰蛋白酶处理宫颈组织，虽然 胰 蛋白酶并不能侵蚀胶原，但发现蠕变率增加了很 多。研究还发现，未妊娠的小 鼠宫颈中的含水量有周 期改变，而干重不变，当组织膨胀时，最大的张力强 度 要降低。因此含水量增加的扩张的子宫和基质性 质变化，可能是子宫颈在分娩 过程中出现奇迹般扩 张的原因。

二、盆底功能障碍性疾病的生物力学研究 1.盆底组织中胶原的研究女性盆底功能障碍性疾病( pelvic floor dysfunction , PFD) 是中老年女性常见病, 发病率约为40%, 主要包括盆腔器官脱 垂( pelvic organ prolapse , POP) 及压力性尿失禁( stressurinary incontinence, SUI) 。近年PFD 的发病率越来越高, 女性盆底是由封闭骨盆出口的多层肌肉、筋膜、韧 带等构成复杂的盆底支持系统, 其相互作用和支持, 承托并保持子宫、膀胱和直 肠等盆腔脏器于正常位置。据研究表明胶原组织是生物软组织的主要成分, 软组 织的力学性质在很大程度上取决于胶原组织。同样胶原作为盆底支持组织的主要 成分对组织抗拉伸强度具有重要的影响, 在维持骨盆器官正常生理位置及控尿 功能中均发挥重要作用。目前国内外已有大量研究证实盆底的结缔组织主要由I 型胶原和III 型胶原组成。I 型胶原与支持作用有关, 硬度较大, 直径较粗。III 型 胶原与组织的弹性有关, 弹性大, 直径较细。伤口愈合时, III 型胶原是主要成分, 几个月后逐渐被I 型胶原所替代。发生SUI 和POP时, 盆底支持组织的胶原含量、 不同类型间的比例以及结构功能可发生改变。盆底支持组织的超微结构研究是生 物力学研究的基础, 目前主要有以下方面研究: ①关于胶原含量。Jackson 发现 子宫脱垂患者阴道组织胶原含量减少20%;
Keane 等发现SUI 患者阴道筋膜总胶 原蛋白含量减少25%等。②关于胶原形态学和超微结构。Lang 等和Falconer 等 发现SUI 患者胶原直径明显增加, 分别增加25%和30%;FitzGerald 等和Falconer 等发现SUI 患者尿道周围结缔组织胶原超微结构发生明显改变, 功能受 损;Barbiero 等研究发现生殖道脱垂患者胶原纤维变细变短, 胶原间距变宽。③关 于胶原交连结构。Keane等发现SUI 患者胶原蛋白的交连结构减少。

2. 阴道组织的生物力学研究大量研究证实女 性盆底组织胶原纤维 改变，这必将影响盆底支持组 织的生物力学性质。国外学者认为PFD是一种缘 于 盆底支持组织生物力学性质进行性减退导致的疾 病。近年来，国外学者为进 一步明确该观点对绝经前 后POP患者阴道组织进行生物力学研究。Goh™就 详 细描述了测量阴道组织黏弹性的一种新的物理方 法。将POP患者分为绝经前和 绝经后两组。在进行 阴道壁修复术时，沿阴道前壁纵轴正中切开，取一纵 行组 织条块进行拉伸试验。最终获得最大拉力值和 最大延伸长度。作为数学等式， 弹性模量=最大拉力/ 横截面积/延伸度改变/原来长度。通过实验发现绝 弹性减 少，僵硬度增加。但黏性、塑性均未见明显变 化。Cosson等_进一步对16例绝经 后脱垂患者的 阴道组织的生物力学特性进行研究。从16例行阴式 修补术患者阴 道后壁获取标本，进行拉伸和压缩试 验。结果发现每例患者拉伸和压缩试验结 果变异度 很大。进一步论证同样采用阴道组织作为补片进行 修补后患者疗效差 异的原因，是与其自身组织的生 物力学性质有关。因此阴道组织的生物力学性 质应 作为POP患者进行修补术的一个重要参考因素。

3. PFD发病机制的生物力学研究近年来国内 外学者从生物力学角度对PFD的发病机制进行研 究。盆筋膜腱弓已被证实对阴道前壁具有支持作用， 经研究发现盆筋膜腱弓组成是84%的m型胶原、 13%的弹性蛋白和少量的平滑肌。

I / (DI+V)胶原比 率在未受激素治疗的绝经后妇女有显著的下降，这 主要是由 于I型胶原显著下降[12]。而经过激素治疗 的绝经后妇女则无显著变化。绝经前 后妇女弹性蛋 白和平滑肌均无显著变化。由于I型胶原的显著下 降使胶原比率 下降，导致绝经后妇女盆筋膜腱弓弹 性、塑性显著下降，这是绝经后妇女容易 发生PFD 的重要原因。Dietz等[13]对180例18-24岁的未婚少 女进行研究，反复 用阴道B超测量少女仰卧位或蹲 位时作咽鼓管吹气动作时尿道、膀胱颈、宫颈、 直肠 壶腹的下降程度，发现在作咽鼓管吹气动作尿道轴 平均旋转32度；
膀胱颈 平均下降17.4 mm;宫颈平 均下降30.8 mm;直肠壶腹平均下降7.8 mm。长期以 来 一直认为PFD的重要危险因素是分娩，这项研究 证实PFD很可能有其先天因素。

Vardy等[14]评估雷 诺西芬、他莫昔芬、雌激素对绝经后女性泌尿生殖道 的细 胞学和生物力学的影响。研究发现雌激素与雷 诺西芬或他莫昔芬对泌尿生殖道 的生物力学特性的 影响有显著差异。这与泌尿生殖道有雌激素受体的 组织学研 究相一致。此项研究提示结合型雌激素与 选择性雌激素受体对绝经后女性泌尿 生殖道萎缩及 盆底器官脱垂可能有作用。

4. 盆底重建术修补材料的生物力学研究目前国内外普遍采用手术方 法对PFD进行治疗，修补材 料显得很重要。要求其既坚固耐用，又要保持阴道 的 柔韧性。因此国外对自体移植物和异体移植物进行 了大量的生物力学研究 [15_17]。Lemer等运用生物测力 计对4种移植物洎体腹直肌筋膜、溶剂固定的尸 体 阔筋膜、冷冻干燥固定的尸体阔筋膜、尸体真皮等移 植物进行最大抗拉力和 弹性试验。发现自体腹直肌 特性方面没有显著差异，而冷冻干燥的尸体阔筋膜 最大抗拉力和弹性均明显下降。Choe等[18]检查耻骨 阴道吊带的弹性强度，发 现合成纤维和真皮均具有 最好的弹性强度，尸体阔筋膜、自体腹直肌筋膜、阴 道 黏膜次之。Sclafani等[19]比较了溶剂固定的尸体阔 筋膜、冷冻干燥的尸体阔筋 膜，以及两种实体真皮移 植物AlloDerm和DuraDerm的显微结构和物理特 性。

研究发现溶剂固定的尸体阔筋膜、AlloDerm比 另两种移植物更坚固，而且纤维 结构也更接近活体 组织，而AlloDerm更具有弹性。Clemons等[2ff|也进行 了跟 踪调查证实AlloDerm在最初的2年对阴道前 壁脱垂患者的主、客观症状均有明显 改善，是安全可 靠的移植替代物。目前对女性生殖系统的生物力学研究还很少， 生物力学分析也不太 一致。这可能归咎于不同部位 的活检、不同的实验组、种群的异质性等。而女 性生 殖系统生物力学特性的进一步研究将有助于进一步 了解妇产科学领域疾 患发病机理， 提高妇产科学手 术的技巧和预测性。运用生物力学这个工具将推 动 妇产科学更好的发展。