固定功能矫治器前伸大鼠下颌后髁突适应性生长改建特征的计算机辅助图像分析
作者：赵志河 Rabie ABM Urban Hgg 沈 刚
单位：
赵志河 华西医科大学口腔医学院正畸学教研室 610041；Rabie ABM,Urban Hgg 香港大学牙学院；沈 刚 上海第二医科大学口腔医学院正畸学教研室
关键词：髁突；生长改建；下颌前伸；图像分析
华西口腔医学杂志990221 摘要 目的:探讨持续性前伸大鼠下颌条件下髁突后部的适应性生长改建特征。方法:模拟临床固定功能矫治器，引导大鼠下颌前伸，制取相应的组织切片，采用Leica Q550IW计算机辅助图像分析系统进行精确定量分析。结果:对照组各层细胞面积随生长发育过程而变化，除生发层外，各层变化基本稳定。实验组和对照组进行比较，纤维层面积无显著性差异，其余各层都存在显著性差异，最能体现生长改建活跃程度的生发层及移行层有较剧烈的变动。结论:大鼠下颌持续性前伸引发了髁突软骨内各细胞层面积的变化，从而引起髁突从软骨到骨的改建，为临床上采用固定功能矫治器提供了实验依据。
, 百拇医药
Image Analysis of Condylar Cartilaginous Adaptation
to Mandibular Protrusion in Rats
Zhao Zhihe
Department of Orthodontics, College of Stomatology, West China University of Medical Sciences
Rabie ABM, Urban H
gg
Faculty of Dentistry, the University of Hong Kong
, 百拇医药
Shen Gang
Department of Orthodontics, School of Stomatology, Shanghai Second Medical University
Abstract Objective: To quantify chondrogenesis in condylar cartilage in response to active forward positioning of mandible.Methods:Identical bite-jumping appliances were fixed to upper incisors of animals in experimental groups, causing a continuous mandibular forward positioning. Histological sections were performed through mandibular condyle and were stained with HE under the same condition.Chondrogenesis was quantified by measuring the area of cells in resting,proliferative, hypertrophic and erosive zones in the superioposterior region, through computer-assisted image analyzing system (Q550IW, Leica) with the advanced software(Leica Qwin Pro,V2.2). Statistical analysis was performed with GraphPad 3.0.Results:①comparison among experimental groups revealed a fluctuation in proliferative zone, with 21-day group being the greatest (0.058±0.004 mm2) and 14-day the least (0.012±0.001 mm2). A change in erosive zone was also depicted by a peak of 0.112±0.001 mm2 in 7-day group and a bottom of 0.018±0.002 mm2 in 14-day group(P<0.001).②comparison among the control groups manifested stable zonation, except for a slump of proliferative zone descending from 0.069±0.005 mm2 in 3-day group to 0.009±0.001 mm2 in 21-day group(P<0.001).③comparison between experimental and control groups demonstrated significant discrepancy in proliferative zone, hypertrophic zone and erosive zone(P<0.001). Conclusion: Mandibular forward positioning stimulates and accelerates cartilaginous remodeling in mandibular condyle.
, 百拇医药
Key words: condyle remodeling mandibular protrusion image analysis
临床上，常用功能矫治器治疗Ⅱ类Ⅰ分类错，即通过下颌功能性前伸，实现刺激髁突的适应性生长改建。髁突的适应性生长改建从髁突未分化细胞层开始，逐渐分化为软骨细胞、骨细胞，其分化过程是渐进的，并可从髁突软骨细胞的分层上表现出来。国内外对髁突软骨比较公认的分层是[1]，由髁突表面从上到下依次为：纤维层、生发层、成熟层、移行层。关节软骨内各细胞层的变化是反映整个髁突适应性改建的重要指标。许多学者[1～8]通过各种实验手段对下颌前伸条件下的髁突软骨内的变化进行了研究，但大多进行的是细胞的组织学、组织化学和分子生物学等研究，而从宏观上对下颌持续性前伸条件下髁突改建的面积变化特征进行定量研究报道较少。另外，根据生物力学的研究结果[9]，功能性矫治器的矫治力传递到髁突后，在整个髁突的应力分布是不同的，应力主要集中于其后部。因此，本研究借助先进的计算机图像分析系统，对髁突后份软骨内的适应性改建进行精确的定量分析，从软骨内各细胞层面积的变化来评价其适应性改建的特征。
, 百拇医药
1 材料和方法
1.1 实验设计
随机地将100只5周龄SD雌性大白鼠分为实验组和对照组，设5个实验组，每组大鼠15只，同时设与之对应的5个对照组，每组大鼠5只。给大鼠自由饮水和定时摄软食。设计采用咬合前伸矫治器(bite-jumping appliance)[2]，将其粘固于大鼠上颌切牙并用口外固位臂固位，由矫治器的斜面导板引导实验组大鼠下颌每天24小时持续向前向下移位，在实验过程中观察大鼠适应情况并测量体重。分别于实验的第3、7、14、21、30天处死实验组及相应对照组动物，取标本，常规固定，石蜡包埋，包埋时尽量将下颌支平面平行并紧贴石蜡底面，便于相同部位的切片比较。沿髁突前后向切片，厚度为6 μm,HE染色在同一条件下完成。
1.2 计算机辅助图像分析系统
该系统[3]能通过颜色、密度、形状的差别，区分被观测物体内不同的组成部分，并精确地计算各组成部分的面积等。对不同的被观测标本可以用同一敏感度进行测量，以便进行比较。本实验采用该系统对髁突后部的纤维层、生发层、成熟层和移行层的面积进行精确的测量，以便进行比较和分析。
, http://www.100md.com
1.3 实验数据处理
虽然在对标本进行包埋时将下颌支平面与石蜡底面紧贴并平行，但进行比较的切片仍然不可能处于髁突完全相同的部位，为了排除由于切片部位差异对所测面积的影响，采用以下公式进行校正：个体校正面积=(个体实测面积/个体实测髁突纵剖面面积)×全部实测髁突纵剖面面积平均值。统计采用GraphPad Instat(GraphPad Software Inc. Version 3.00，美国)进行，各实验组和对照组之间的比较用t检验，各实验组之间和各对照组之间组内比较用方差分析。
2 结 果
对照组和实验组大鼠髁突后份各细胞层面积变化结果见表1和图1～5。
表1 髁突软骨后份各细胞层面积及统计分析(
±s, mm2) 髁突软骨层面
, http://www.100md.com
组别
3 d
7 d
14 d
21 d
30 d
方差分析
纤维层
实验组
0.02488±0.00203
0.01921±0.00157
0.01545±0.00044
, http://www.100md.com
0.00925±0.00075
0.01268±0.00103
***
对照组
0.02680±0.00226
0.02031±0.00171
0.01560±0.00067
0.01003±0.00085
0.01205±0.00102
***
t检验
, 百拇医药
NS
NS
NS
NS
NS
生发层
实验组
0.03109±0.00254
0.02374±0.00194
0.01207±0.00098
0.05841±0.00477
0.03038±0.00248
, 百拇医药
***
对照组
0.06985±0.00591
0.04013±0.00339
0.03448±0.00292
0.00985±0.00083
0.03867±0.00327
***
t检验
***
***
***
, http://www.100md.com
***
***
成熟层
实验组
0.03001±0.00245
0.03582±0.00292
0.03596±0.00245
0.03080±0.00251
0.02699±0.00221
***
对照组
0.08873±0.00751
, http://www.100md.com
0.05582±0.00472
0.06134±0.00130
0.06342±0.00536
0.05139±0.00435
**
t检验
***
***
***
***
***
移行层
, 百拇医药
实验组
0.04503±0.00381
0.04362±0.00369
0.03420±0.00274
0.02468±0.00208
0.02219±0.00187
***
对照组
0.07556±0.00617
0.11266±0.00921
0.07853±0.00151
, 百拇医药
0.03263±0.00266
0.02783±0.00227
***
t检验
***
***
***
***
***
注:**P<0.01 *** P<0.001 NS P>0.05
图1 用计算机辅助图像分析系统测量实验第21天髁突后份成熟层面积 HE×150
, 百拇医药
图2 髁突后份纤维层面积随时间的变化
图3 髁突后份生发层面积随时间的变化
图4 髁突后份成熟层面积随时间的变化
图5 髁突后份移行层面积随时间的变化
2.1 对照组大鼠髁突各细胞层面积随生长发育过程的变化特征
如表图所示，从5周龄到9周龄，纤维层面积逐渐缓慢变薄，9周龄后有所增厚。生发层面积变化特征与纤维层相似，但变化更为明显。成熟层和移行层的变化相对比较平稳。各细胞层面积的变化特征与该层细胞在生长发育过程中的生理功能特性有关。
, 百拇医药
2.2 实验组和对照组之间髁突各细胞层面积变化特征的比较
如表图所示，实验组和对照组比较，纤维层面积无显著性差异，其余各层都存在显著性差异，其中以生发层和移行层的变化特别明显，这体现了实验组因为有下颌持续性前伸的功能刺激，髁突改建比对照组明显活跃。
3 讨 论
在本实验中，对照组各细胞层面积随生长发育的变化特征与饶跃等[10]的组织学研究结果基本一致。实验组各细胞层面积随下颌功能性前伸的变化特征为，纤维层面积基本不受下颌功能性前伸的影响与周征的组织学研究结果一致[8]，而生发层面积在实验第3～14天，实验组小于对照组，从第16天以后开始上升，于第21天时达到峰值,与颞下颌关节窝新骨形成量达到高峰的时间一致[11]。这可能是大鼠此时正处于生长发育青春高峰期以及固定功能矫治器共同作用的结果。根据饶跃等[10]的研究结果，本实验的第21天正处于大鼠髁突软骨生长发育的第二周期,而该期相似于人类的青春期,所以本实验从定量分析的角度进一步证实了青春期是矫形治疗的最佳时期。成熟层面积在整个实验期间，对照组一致明显大于实验组，这可能是由于实验组内更多的成熟层细胞及时地被转化成了成骨细胞，以适应下颌前伸所激发的剧烈的组织改建。而对照组该层细胞为适应生长发育所引发的缓慢稳定的改建要求，较少细胞被转化为成骨细胞。移行层是从软骨转化为骨的临界区域，该层内即有末期成熟软骨细胞，又有成骨细胞。该细胞层面积大小，直接反映了软骨转化为骨的进度。本实验中实验组移行层面积始终明显大于对照组，证实下颌的持续性前伸加速了髁突的改建速度。
, http://www.100md.com
作者简介：赵志河现在香港大学牙学院学习
沈 刚现在香港大学牙学院学习
参考文献
1 Ghafari J，Degroote C.Condylar cartilage response to continuous mandibular displacement in the rat. Angle Orthod, 1986,56(1):49～57
2 Petrovic AG，Stutzmann JJ，Oudet CL.Control processes in the postnatal growth of the condylar cartilage of the mandible.In：McNamara JA Jr ed. Determinants of mandibular form and growth. Center for Human Growth and Development，Michigan: Ann Arbor，1975：101～153
, http://www.100md.com
3 Kohlberger PD，Obermair A, Sliutz G，et al.Quantitative immunohistochemistry of factor Ⅷ-related antigen in breast carcinoma. Am J Pathol，1996，105(6):705～710
4 Charlier JP，Petrovic A, Stutzmann JH.Effects of mandibular hyperpropulsion on the prechondroblastic zone of young rat condyle. Am J Orthod,1969,55(1)：71～74
5 Engelsma SO，Jansen HWB，Duterloo HS.An in-vivo transplantation study of the mandibular condyle in a functional position in the rat. Arch Oral Biol， 1980，25(5):305～311
, 百拇医药
6 Rowe TK，Carlson DS.The effect of bite-opening appliances on mandibular rotational growth and remodeling in the rhesus monkey(Macaca mulatta).Am J Orthod Dentofacial Orthop，1990，98(6):544～549
7 Bouvier M，Hylander WL.The effect of dietary consistency on morphology of the mandibular condylar cartilage in young Macaques(Macaca mulatta).In：Factors and Mechanisms Influencing Bone Growth.New York： AR Liss Inc,1982：569～579
8 周 征，罗颂椒，徐国标.前伸下颌后大鼠下颌髁突软骨生长改建的定量组织学研究.口腔正畸学杂志，1998，5(2)：74～76
, 百拇医药
9 周学军.人体下颌骨矫形的生物力学研究——三维各向异性有限元分析.博士学位论文.成都：华西医科大学，1996
10 饶 跃，罗颂椒，肖邦良.大鼠下颌髁突生长发育的组织学和组织化学研究.华西口腔医学杂志,1990， 8(l)：30～32
11 赵志河, Urban Hgg,Rabie ABM,等.固定功能矫治器前伸大鼠下颌后颞下颌关节窝新骨形成的定量评价.华西口腔医学杂志,1999,17(2):152～154
(1998-12-24收稿), 百拇医药
单位：
赵志河 华西医科大学口腔医学院正畸学教研室 610041；Rabie ABM,Urban Hgg 香港大学牙学院；沈 刚 上海第二医科大学口腔医学院正畸学教研室
关键词：髁突；生长改建；下颌前伸；图像分析
华西口腔医学杂志990221 摘要 目的:探讨持续性前伸大鼠下颌条件下髁突后部的适应性生长改建特征。方法:模拟临床固定功能矫治器，引导大鼠下颌前伸，制取相应的组织切片，采用Leica Q550IW计算机辅助图像分析系统进行精确定量分析。结果:对照组各层细胞面积随生长发育过程而变化，除生发层外，各层变化基本稳定。实验组和对照组进行比较，纤维层面积无显著性差异，其余各层都存在显著性差异，最能体现生长改建活跃程度的生发层及移行层有较剧烈的变动。结论:大鼠下颌持续性前伸引发了髁突软骨内各细胞层面积的变化，从而引起髁突从软骨到骨的改建，为临床上采用固定功能矫治器提供了实验依据。
, 百拇医药
Image Analysis of Condylar Cartilaginous Adaptation
to Mandibular Protrusion in Rats
Zhao Zhihe
Department of Orthodontics, College of Stomatology, West China University of Medical Sciences
Rabie ABM, Urban H
ggFaculty of Dentistry, the University of Hong Kong
, 百拇医药
Shen Gang
Department of Orthodontics, School of Stomatology, Shanghai Second Medical University
Abstract Objective: To quantify chondrogenesis in condylar cartilage in response to active forward positioning of mandible.Methods:Identical bite-jumping appliances were fixed to upper incisors of animals in experimental groups, causing a continuous mandibular forward positioning. Histological sections were performed through mandibular condyle and were stained with HE under the same condition.Chondrogenesis was quantified by measuring the area of cells in resting,proliferative, hypertrophic and erosive zones in the superioposterior region, through computer-assisted image analyzing system (Q550IW, Leica) with the advanced software(Leica Qwin Pro,V2.2). Statistical analysis was performed with GraphPad 3.0.Results:①comparison among experimental groups revealed a fluctuation in proliferative zone, with 21-day group being the greatest (0.058±0.004 mm2) and 14-day the least (0.012±0.001 mm2). A change in erosive zone was also depicted by a peak of 0.112±0.001 mm2 in 7-day group and a bottom of 0.018±0.002 mm2 in 14-day group(P<0.001).②comparison among the control groups manifested stable zonation, except for a slump of proliferative zone descending from 0.069±0.005 mm2 in 3-day group to 0.009±0.001 mm2 in 21-day group(P<0.001).③comparison between experimental and control groups demonstrated significant discrepancy in proliferative zone, hypertrophic zone and erosive zone(P<0.001). Conclusion: Mandibular forward positioning stimulates and accelerates cartilaginous remodeling in mandibular condyle.
, 百拇医药
Key words: condyle remodeling mandibular protrusion image analysis
临床上，常用功能矫治器治疗Ⅱ类Ⅰ分类错，即通过下颌功能性前伸，实现刺激髁突的适应性生长改建。髁突的适应性生长改建从髁突未分化细胞层开始，逐渐分化为软骨细胞、骨细胞，其分化过程是渐进的，并可从髁突软骨细胞的分层上表现出来。国内外对髁突软骨比较公认的分层是[1]，由髁突表面从上到下依次为：纤维层、生发层、成熟层、移行层。关节软骨内各细胞层的变化是反映整个髁突适应性改建的重要指标。许多学者[1～8]通过各种实验手段对下颌前伸条件下的髁突软骨内的变化进行了研究，但大多进行的是细胞的组织学、组织化学和分子生物学等研究，而从宏观上对下颌持续性前伸条件下髁突改建的面积变化特征进行定量研究报道较少。另外，根据生物力学的研究结果[9]，功能性矫治器的矫治力传递到髁突后，在整个髁突的应力分布是不同的，应力主要集中于其后部。因此，本研究借助先进的计算机图像分析系统，对髁突后份软骨内的适应性改建进行精确的定量分析，从软骨内各细胞层面积的变化来评价其适应性改建的特征。
, 百拇医药
1 材料和方法
1.1 实验设计
随机地将100只5周龄SD雌性大白鼠分为实验组和对照组，设5个实验组，每组大鼠15只，同时设与之对应的5个对照组，每组大鼠5只。给大鼠自由饮水和定时摄软食。设计采用咬合前伸矫治器(bite-jumping appliance)[2]，将其粘固于大鼠上颌切牙并用口外固位臂固位，由矫治器的斜面导板引导实验组大鼠下颌每天24小时持续向前向下移位，在实验过程中观察大鼠适应情况并测量体重。分别于实验的第3、7、14、21、30天处死实验组及相应对照组动物，取标本，常规固定，石蜡包埋，包埋时尽量将下颌支平面平行并紧贴石蜡底面，便于相同部位的切片比较。沿髁突前后向切片，厚度为6 μm,HE染色在同一条件下完成。
1.2 计算机辅助图像分析系统
该系统[3]能通过颜色、密度、形状的差别，区分被观测物体内不同的组成部分，并精确地计算各组成部分的面积等。对不同的被观测标本可以用同一敏感度进行测量，以便进行比较。本实验采用该系统对髁突后部的纤维层、生发层、成熟层和移行层的面积进行精确的测量，以便进行比较和分析。
, http://www.100md.com
1.3 实验数据处理
虽然在对标本进行包埋时将下颌支平面与石蜡底面紧贴并平行，但进行比较的切片仍然不可能处于髁突完全相同的部位，为了排除由于切片部位差异对所测面积的影响，采用以下公式进行校正：个体校正面积=(个体实测面积/个体实测髁突纵剖面面积)×全部实测髁突纵剖面面积平均值。统计采用GraphPad Instat(GraphPad Software Inc. Version 3.00，美国)进行，各实验组和对照组之间的比较用t检验，各实验组之间和各对照组之间组内比较用方差分析。
2 结 果
对照组和实验组大鼠髁突后份各细胞层面积变化结果见表1和图1～5。
表1 髁突软骨后份各细胞层面积及统计分析(
±s, mm2) 髁突软骨层面, http://www.100md.com
组别
3 d
7 d
14 d
21 d
30 d
方差分析
纤维层
实验组
0.02488±0.00203
0.01921±0.00157
0.01545±0.00044
, http://www.100md.com
0.00925±0.00075
0.01268±0.00103
***
对照组
0.02680±0.00226
0.02031±0.00171
0.01560±0.00067
0.01003±0.00085
0.01205±0.00102
***
t检验
, 百拇医药
NS
NS
NS
NS
NS
生发层
实验组
0.03109±0.00254
0.02374±0.00194
0.01207±0.00098
0.05841±0.00477
0.03038±0.00248
, 百拇医药
***
对照组
0.06985±0.00591
0.04013±0.00339
0.03448±0.00292
0.00985±0.00083
0.03867±0.00327
***
t检验
***
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成熟层
实验组
0.03001±0.00245
0.03582±0.00292
0.03596±0.00245
0.03080±0.00251
0.02699±0.00221
***
对照组
0.08873±0.00751
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0.05582±0.00472
0.06134±0.00130
0.06342±0.00536
0.05139±0.00435
**
t检验
***
***
***
***
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移行层
, 百拇医药
实验组
0.04503±0.00381
0.04362±0.00369
0.03420±0.00274
0.02468±0.00208
0.02219±0.00187
***
对照组
0.07556±0.00617
0.11266±0.00921
0.07853±0.00151
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0.03263±0.00266
0.02783±0.00227
***
t检验
***
***
***
***
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注:**P<0.01 *** P<0.001 NS P>0.05
图1 用计算机辅助图像分析系统测量实验第21天髁突后份成熟层面积 HE×150
, 百拇医药
图2 髁突后份纤维层面积随时间的变化
图3 髁突后份生发层面积随时间的变化
图4 髁突后份成熟层面积随时间的变化
图5 髁突后份移行层面积随时间的变化
2.1 对照组大鼠髁突各细胞层面积随生长发育过程的变化特征
如表图所示，从5周龄到9周龄，纤维层面积逐渐缓慢变薄，9周龄后有所增厚。生发层面积变化特征与纤维层相似，但变化更为明显。成熟层和移行层的变化相对比较平稳。各细胞层面积的变化特征与该层细胞在生长发育过程中的生理功能特性有关。
, 百拇医药
2.2 实验组和对照组之间髁突各细胞层面积变化特征的比较
如表图所示，实验组和对照组比较，纤维层面积无显著性差异，其余各层都存在显著性差异，其中以生发层和移行层的变化特别明显，这体现了实验组因为有下颌持续性前伸的功能刺激，髁突改建比对照组明显活跃。
3 讨 论
在本实验中，对照组各细胞层面积随生长发育的变化特征与饶跃等[10]的组织学研究结果基本一致。实验组各细胞层面积随下颌功能性前伸的变化特征为，纤维层面积基本不受下颌功能性前伸的影响与周征的组织学研究结果一致[8]，而生发层面积在实验第3～14天，实验组小于对照组，从第16天以后开始上升，于第21天时达到峰值,与颞下颌关节窝新骨形成量达到高峰的时间一致[11]。这可能是大鼠此时正处于生长发育青春高峰期以及固定功能矫治器共同作用的结果。根据饶跃等[10]的研究结果，本实验的第21天正处于大鼠髁突软骨生长发育的第二周期,而该期相似于人类的青春期,所以本实验从定量分析的角度进一步证实了青春期是矫形治疗的最佳时期。成熟层面积在整个实验期间，对照组一致明显大于实验组，这可能是由于实验组内更多的成熟层细胞及时地被转化成了成骨细胞，以适应下颌前伸所激发的剧烈的组织改建。而对照组该层细胞为适应生长发育所引发的缓慢稳定的改建要求，较少细胞被转化为成骨细胞。移行层是从软骨转化为骨的临界区域，该层内即有末期成熟软骨细胞，又有成骨细胞。该细胞层面积大小，直接反映了软骨转化为骨的进度。本实验中实验组移行层面积始终明显大于对照组，证实下颌的持续性前伸加速了髁突的改建速度。
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作者简介：赵志河现在香港大学牙学院学习
沈 刚现在香港大学牙学院学习
参考文献
1 Ghafari J，Degroote C.Condylar cartilage response to continuous mandibular displacement in the rat. Angle Orthod, 1986,56(1):49～57
2 Petrovic AG，Stutzmann JJ，Oudet CL.Control processes in the postnatal growth of the condylar cartilage of the mandible.In：McNamara JA Jr ed. Determinants of mandibular form and growth. Center for Human Growth and Development，Michigan: Ann Arbor，1975：101～153
, http://www.100md.com
3 Kohlberger PD，Obermair A, Sliutz G，et al.Quantitative immunohistochemistry of factor Ⅷ-related antigen in breast carcinoma. Am J Pathol，1996，105(6):705～710
4 Charlier JP，Petrovic A, Stutzmann JH.Effects of mandibular hyperpropulsion on the prechondroblastic zone of young rat condyle. Am J Orthod,1969,55(1)：71～74
5 Engelsma SO，Jansen HWB，Duterloo HS.An in-vivo transplantation study of the mandibular condyle in a functional position in the rat. Arch Oral Biol， 1980，25(5):305～311
, 百拇医药
6 Rowe TK，Carlson DS.The effect of bite-opening appliances on mandibular rotational growth and remodeling in the rhesus monkey(Macaca mulatta).Am J Orthod Dentofacial Orthop，1990，98(6):544～549
7 Bouvier M，Hylander WL.The effect of dietary consistency on morphology of the mandibular condylar cartilage in young Macaques(Macaca mulatta).In：Factors and Mechanisms Influencing Bone Growth.New York： AR Liss Inc,1982：569～579
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