再談骨質重建

先前稍微討論過骨質重建的理論，總覺得好像哪裡不夠完整....再蒐集了一些資料後，發現真的是缺了好多，所以又興起了再重新完整討論一次的念頭，所以也花了一些時間整理資料。

首先對於骨質的生理適應現象先需要有一些基本的認識，其中包括了三個部分：

1. 成骨(Osteogenesis)
• 由軟組織形成。
• 發生在胚胎發展時期，骨質生長時期或骨質癒合時。
• 分成 intramembranous ossification 跟 endochondral ossification兩種，前者由soft fibrous tissue形成骨質，通常是較扁平的骨頭，ex:顱骨，顎骨跟鎖骨；後者由軟骨(cartilage)形成，通常形成四肢骨骼和脊椎。
• 會形成大量的骨質。
2. 骨質增生(Modeling)
• 由已經存在的骨質增生。
• 發生於骨質生長時期或骨質癒合時。
• 成骨細胞與破骨細胞同時在不同位置發生功用。
• 可能大量增加或再吸收骨質數量。
3. 骨質重建(Remodeling)
• 骨質再吸收與形成發生在同一個位置。
• 在成人骨骼中唯一發生的正常骨質生理機制。
• 此一機制可維持體內骨質正常數量，隨年紀增加可能會造成骨質流失，最後導致骨質疏鬆。

Stage I：力學刺激調控骨質適應現象 (Mechanically mediated bone adaptation theory)

西元1867年，德國解剖學家Von Meyer接受普魯士政府的補助進行一項研究計畫，其中他研究了近端股骨內部骨小樑的走向，並將所繪製的圖形發表，瑞士工程師Culmann注意到這張圖片中骨小樑的分佈方向，跟他自己所設計的曲線型起重機的主軸應力走向非常相似。因此兩人提出了一個假設：骨小樑的走向軌跡會跟主軸應力一致。請注意此時並未將骨質結構與力學刺激之間的關係連結起來！

因此接下來才有著名的Wolff's Law將他們的研究更進一步的演繹。同時Wolff認為骨質本身會朝著最佳化的情況進行適應性的行為；也就是說，骨骼會使用最少量的骨質去達到最大的力學負荷能力，隨著外力施加情況的改變，骨骼也會產生相對應的變化。同樣的，外力環境如何讓骨質去產生適應力學環境的改變，在此時並沒有一個明確的機制。

德國外科醫師Wilhem Roux於西元1881年提出一個想法：細胞活動是受到力學刺激的調控，骨質細胞會進行增生或是再吸收都是受到local stress的影響。西元1917年，美國Johns Hopkins University的解剖學家Koch對近端股骨進行應力分析，同時也進一步證明了先前的Wolff's的發現，骨小樑的走向確實與主軸應力方向有關，同時他認為骨質密度最大值會發生在剪應力最高的區域。

Stage II：骨質生理現象與力學之關連性

接下來的時間裡，有更多的臨床觀察或理論嘗試著解釋先前研究所觀察到的現象。約在西元1940年前後，有人提出一個實驗觀察結果，將骨組織承受一個已知施力模式下，發現在骨頭承受張力的位置，fibrous tissue有明顯的骨化情形發生，同時骨組織會順應著主軸應力方向增生增生。雖然如此，但是在這時候仍無法說明骨質隨著受力狀況改變的生理機轉為何，同時也無法將此一現象加以量化。

西元1960年代，Harold Frost提出重要的發現，他是第一個指出骨質remodeling跟modeling是不一樣的，同時他也認為在青少年的骨質順應力學刺激的改變與成人是不一樣的，此外應變(Strain)與骨量(Bone mass)之間的關係在骨質生長(modeling)與成熟(remodeling)過程中是不一樣的。這些理論在當時並不被接受，但在現今已經是被廣為接受的概念。

Stage III：相關實驗報告

Chamay and Tschantz (1972)將狗進行radius截骨術之後，發現radius硬質骨厚度變厚60-100%，雖然這個結果可以說明骨質順應現象，但是這個研究中的施力條件與正常情況不同；Dennis Carter將前述兩位學者的實驗加以變化，他將狗的ulna進行截骨術，量測radius的應變，其結果發現strain從600 microstrain增加到1500 microstrain，但經過八週之後，骨頭形狀並沒有明顯改變且骨礦物質也沒有沈積的現象。之後陸續又有很多的動物實驗，量測其於日常生活中的活動對骨質所造成的應變。Frost認為在某一個定量的應變範圍內，骨量的平衡是一種恆定的狀態；當開始老化以及發生病症時，骨質會改變可維持正常骨量的應變範圍，使得骨質可能開始減少。隨著電腦科技的進步，陸續有相當多的研究開始希望建立數學模型，以瞭解骨質增生或流失的過程與受力刺激之間的關係。


總結上述資料，我們可以歸納出以下幾點：

1. 骨質狀態(生長中、癒合中或成熟骨質)會決定它對力學刺激所產生的反應，特別是應變值的範圍。
2. 成熟骨質在承受固定範圍的應變值時會維持骨質的恆定。
3. 骨質的外型與數量會與受力形式相關，且會以最有效率的最佳方式呈現(以最少骨質量滿足所需的負荷力量要求)。