Application of medium and high frequency electrotherapy in the department of orthopedics after metal implant implantation

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.53.028

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Medium and high frequency electrotherapy is a physical treatment method commonly used in clinical treatment of diseases, especially in the Departments of orthopedics and rehabilitation. However, the rehabilitation therapeutics usually takes “local metal implants” as a contraindication in medium and high frequency electrotherapy. Thus, in the department of orthopedics, the patients after the implantation of metal plant usually cannot be treated with medium and high frequency electrotherapy.
OBJECTIVE: To review the present situation of current domestic and foreign research on medium and high frequency electrotherapy in department of orthopedics after metal implant implantation, to expound the promoting effects on recovery and thermal damage of medium and high frequency electrotherapy in department of orthopedics after metal implant implantation, and to explore the effect and clinical application of medium and high frequency electrotherapy in the department of orthopedics after with metal implant implantation.
METHODS: A computer-based search of PubMed and China National Knowledge Infrastructure was performed by the first author to retrieve articles concerning medium and high frequency electrotherapy and metal implants using the keywords of “middle and high frequency electrotherapy, metal implant, heat damage” in the title and abstract. Repeated and old studies were excluded. Totally 40 literatures were in accordance with the inclusion criteria. There were 33 Chinese articles and 7 English articles.
RESULTS AND CONCLUSION: With the development of titanium alloy implant materials, more and more basic and clinical research found in the moderate and high frequency electrotherapy treatment dose can promote tissue healing, eliminate swelling and relieve pain. However, many questions have not been fully explained, such as the dose of high frequency electrotherapy on injuring surrounding metal implant, type of thermal damage and histological changes. If the titanium alloy implants with different coating were used, whether they could reduce heat injury. These all need our further research.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

全文链接：

Key words: electric stimulation therapy, prostheses and implants, metals, rehabilitation, review

CLC Number:

R318

Wang Gang, Bai Yue-hong. Application of medium and high frequency electrotherapy in the department of orthopedics after metal implant implantation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(53): 8679-8684.

Figures/Tables 1

2.1 中高频电疗的作用特点和治疗作用中高频电疗与低频电相比，能够克服组织电阻，能够作用到更深的组织。人体组织对不同频率电流的电阻不同，对低频电的电阻较高，随着电流频率的增高，人体的电阻逐渐下降[1-3]。除了电阻特性以外，人体组织还具有电容的特性。频率较高的电流较容易通过电容，中高频电比低频电易于通过电容。由于人体对频率较高交流电的电阻和容抗都较低，因此总的阻抗也小得多，所通过的电流较多。并且中高频电疗不会损伤皮肤，可以作用于骨折术后的切口深部的组织。中高频电治疗作用主要是温热效应，能够均匀作用于皮肤、深部组织。温热效应主要作用如下：①促进局部血液循环，可以使局部血液流量显著增加[4-5]，血液循环的增加是中高频电疗的作用基础。②镇痛作用，对神经痛、肌肉痉挛性疼痛、因肿胀引起的张力性疼痛、炎性疼痛均有良好的止痛效果[6-11]。除了温热效应外，中高频电疗还有非热效用。如加强白细胞吞噬活动[12-13]；神经纤维、肉芽组织再生加速；增高神经系统的兴奋性；限制条件反射活动等。 2.2 中高频电疗在组织愈合中的作用中高频电疗促进软组织愈合主要是温热作用，温热作用最重要的生理反应是增加局部血液循环[14-16]。血液循环的增加是由于血管开放和毛细血管通透性增加等生理反应引起的。血液循环的增加，能给受热部位带来更多的营养物质和氧气。而营养物质和氧气对任何组织的新陈代谢过程都至关重要，是组织愈合必需的物质。除此之外，组织液渗出液增加了，从而使巨噬细胞和白细胞能够作用于受伤的组织。治疗区域血液循环的增加还能加快清除坏死的组织和炎性渗出，并加速局部血肿的吸收[17-18]。中高频电疗引起的局部热疗能增加细胞凋亡[19]，并且能促进对组织愈合有强大作用的细胞因子的分泌。中高频电疗还能缓解局部疼痛，对解释缓解疼痛的原理有两种理论：代谢理论和神经调节理论。代谢理论认为疼痛缓解是因为在治疗区域与炎症有关的物质被血液循环带走了，这将阻断对神经末梢刺激而引起的疼痛。代谢理论能够解释在急性疼痛中中高频电疗的止痛作用，而神经调节理论认为慢性疼痛中主要是无髓的C型神经纤维在起调节作用。神经调节理论认为疼痛是由于局部疼痛刺激传导系统的过度兴奋或是脊髓控制改变引起的。在研究慢性疼痛中，有实验发现经过60 min的温热治疗后坐骨神经的疼痛传导速度将显著减慢。传导速度的减慢会间接的减少传导疼痛的信号物质，并使脊髓控制水平重置。中高频电疗的温热作用还能改变细胞的通透性，显著增加新陈代谢，并且随着温度的增高，许多酶的活性也增加。肌肉组织在微波治疗中温度高于41 ℃时，还会产生热休克蛋白[20]。由温热作用产生的热休克蛋白作为细胞表面的肽类物质，在帮忙免疫系统识别损伤细胞中起重要作用[21]。中高频电疗作为常用的物理治疗方法，在骨科手术后不仅能够减轻组织水肿[22]，缓解疼痛，并对骨折愈合有辅助作用。电疗促进骨折愈合的机制可能与下列因素有关[23]：①电流刺激的逆压电效应。当给骨组织施加电场时，正负极之间产生应力和应变，这种骨折断端间的应力有利于骨折愈合。②电流刺激对细胞直接作用。即微电流导致细胞分化。③电流刺激可使骨、软骨细胞周围微循环发生化学改变，如pH值升高，加速骨的生长。④电磁场可对钙盐产生某种动力学影响，促进钙盐向阴极运动并沉积，从而加速组织钙化过程，有利于骨痂成熟。此外，电磁场可以激活骨细胞内的环磷酸腺苷(cAMP)系统，再依次活化各种酶系统，然后各酶系统激活骨或软骨细胞产生特殊生理作用。⑤电刺激激活细胞内的cAMP系统，具有类似激素的作用，对骨细胞构成一种细胞外信息。⑥电刺激改善血液循环。 2.3 金属植入物对中高频电疗治疗的影响随着医学技术发展，外科植入物用金属材料也在不断发展变化，尤其在骨科，用金属器械替代人体内坏死组织，制作人工假体、关节以及内固定器械已越来越普遍[24-25]。与不锈钢等常用的植入材料相比，钛合金因为具有优良的生物相容性、耐腐蚀性、力学性能和加工性能，而且价格比贵金属医用制品低廉，从而成为最吸引人的生物医学金属材料。钛合金具有比重小，比强度高，弹性模量低，耐腐蚀等特点，并具有良好的生物相容性和加工程序性，且资源丰富，近年来已发展成为外科较理想的功能结构材料[26-28]。传统观点认为，对手术后体内有金属植入物的患者，物理治疗尤其是中高频电疗是禁止使用的。由于体内有金属植入物，物理治疗产生的能量在该金属物附近汇聚，会使金属植入物周围组织产生热损伤。另外，中高频电疗可使金属发生电离，破坏其表面的抗氧化涂层。但由于科技水平的提高，植入物材料不断的创新，现行的材料(如钛合金等)或许可以一定程度耐受中高频电疗为机体和金属本身所带来的各种改变。为了探讨手术置入金属内植物后，是否能够进行中高频电疗，许多人进行了大量的临床和基础研究。 2.4 中高频电疗在金属植入物置入后的基础实验研究为验证骨折金属植入物内固定后中高频电疗的可行性，张晗等[29]将24只成年大白兔随机分为3组，制作骨折模型，并使用钛合金钢板植入物固定。使用中高频电疗连续治疗30 d行X射线、肌电图、组织学检查及生化指标检测。结果表明高频电疗及中频电疗法可应用于骨折内固定后，且对骨折修复具有促进作用，高频治疗的效果优于中频治疗。为了进一步验证高频电疗对骨折钛合金内固定后治疗的安全性和有效性，Ye等[30-31]对兔骨折钛合金植入物内固定后使用2 450 MHz，25 W微波高频电疗10 min/d，治疗时监测肌肉组织的温度变化，并在治疗30 d后对内固定物周围组织行组织学和透射电镜检查了解高频电疗的安全性，并行X射线检查了解高频电疗对骨折钛合金内固定后促进骨折愈合作用。结果发现实验组中钛合金内植入物周围组织的温度在微波高频治疗并没有显著升高，同时组织学和透射电镜检查没有发现明显的组织损伤改变，而微波高频治疗能够促进骨折愈合。高频治疗动物实验研究中，巴方等[32]为探讨超短波治疗是否会造成兔子体内不锈钢植入物部位周围组织热损伤，采用兔子上臂肱骨制作骨折模型，采用荧光光纤测温仪记录温热量超短波治疗时肱骨表面的温度变化，并在术后连续15 d温热量超短波治疗，15 d后取两组骨折周围骨组织、肌肉及神经做病理检查。结果示钢板内固定组温度变化较大，病理未见明显炎症反应，神经及内固定物周围未见异常，他们认为超短波可以安全应用于体内有金属的部位(图2)。有研究显示在离体组织的实验中也未发现高频电疗对金属植入物有选择性加热作用。谢涛等[33]还在兔子体内证实高频电疗对金属内植入物感染有明显的预防作用。"

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