老年人骨质疏松运动预防策略研究进展

2019-05-14孙悦婉王冬梅孙璟川

中国生物医学工程学报 2019年2期

孙悦婉王冬梅* 王玮孙璟川

1(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200000)2(第二军医大学附属长征医院骨科，上海 200003)

引言

日前，随着全球人口老龄化进程加速，老年人口数量与日俱增，其健康和疾病问题亦备受关注。其中骨质疏松症是中老年人群的常见病，以骨量减少、骨微结构破坏、骨强度下降、骨脆性增加、骨折风险增大等为特点。老年人发生骨质疏松后易引发躯体的疼痛及骨折，严重者可造成瘫痪，给个人、家庭及社会造成沉重负担。骨质疏松症影响了世界超过2.2亿的人口[1]，2015年中国骨质疏松症总患病率为12.4%，总人数已超过1.6亿。据预测，到2020年，我国骨质疏松患者人数将增加至2.8亿。我国50岁左右的男性和女性在一生中患骨质疏松性骨折的可能性分别为13.1%和39.7%[2]。骨质疏松危害大且发病率高，其早期预防尤为重要。

在1989年，WHO明确提出骨质疏松预防的三大原则：补钙、饮食调节和运动疗法[3]。其中，运动疗法以其有效、价廉、安全、简便、副作用少、依从性高等特点越来越多地用于临床实践中。已有研究表明，运动对于预防骨质疏松和提高骨密度有积极作用[4]。同时有研究表明，运动和康复措施可改善平衡障碍，降低跌倒风险，还具有减少体脂量、改善糖尿病和高脂血症等方面的作用，从而提升老年人生活质量[5-9]。目前常见的运动处方主要为有氧、抗阻和振动运动。因此，下面着重对这3种运动在老年人骨质疏松预防中的作用做系统综述，重点阐述其实现方法、效果及特点，并对目前存在的问题进行讨论，帮助专业人员在该研究领域更深入地开展工作。

1 有氧运动

有氧运动是指机体在氧气充足的情况下进行体育活动。目前，关于运动疗法对老年人骨质疏松预防的作用研究主要集中在单一运动项目，如太极、走步、广场舞等。大量研究结果均显示，有氧运动可以有效延缓因年龄增长导致的骨量流失和骨质量下降，缓解骨质疏松，降低骨折的发生[10]。同时，有氧运动方式对中老年人群的身体各围度指标均有改善作用，体重和体脂率均有下降趋势[11-13]。下面重点对太极和行走两种典型运动形式对预防老年骨质疏松的效果进行阐述。

太极作为中国传统运动文化的精髓，深受广大人民的喜爱。有研究选取45名老年女性，分为太极柔力球组和对照组作为受试对象，柔力球组进行6个月的干预。实验后太极柔力球组与实验前相比，上肢、大腿及躯干等部位的骨密度值略有下降，但无显著性差异；而对照组实验后与实验前相比，对应身体各部位的骨密度均明显下降，且与实验前呈非常显著性差异[14]。虞定海等[15]将117名绝经妇女分为太极健骨操组、太极组和对照组，进行12个月的干预，发现实验组腰椎骨密度增加，结论为太极健骨操和太极均具有延缓绝经期女性骨质疏松的作用。以上研究均表明，太极运动对延缓老年人骨密度下降是有效的，但由于太极招式众多，每个研究中所选取的太极方式也不完全相同，因此不能完全证明太极对预防老年人骨质疏松有积极影响。徐世民等[16]对现有的太极对绝经后女性骨密度影响研究的文献进行了Meta分析，分析结果表明，目前尚未有足够的证据证明太极对预防绝经后女性骨密度的影响积极有效。Liu等[17]对6篇文献研究结果进行Meta分析，认为太极干预组和对照组的腰椎和胫骨骨密度无明显差异，因此断定太极在预防绝经后妇女腰椎和股骨颈骨密度降低方面没有显著作用。目前对于太极运动的研究所采用的太极招式、干预时长、运动频率等研究方法存在着异质性，使得分析结果无显著性差异(P>0.05)，因此无法得出太极运动对老年人骨密度有积极作用的结论。事实上，也没有足够的证据说明太极运动对骨密度不产生任何作用，或者是练习太极会对机体产生潜在性的危害。有研究指出，练习太极运动有助于提高身体的平衡性、增强肌肉力量、柔韧性和预防摔倒[18]。同时，太极拳对心血管系统、呼吸系统、运动系统的作用效果明显，而且对中枢神经、内分泌系统、免疫系统这三大调节系统都具有改善作用[19]。

除太极外，行走运动也是常见的老年运动。Martyn等[20]对行走运动的骨质疏松预防效果的研究结果进行了Meta分析，发现行走对于维持绝经妇女的脊椎骨密度无显著作用，但对于股骨骨密度维持有积极作用,并认为其原因可能是行走所产生的应力刺激无法达到提高骨密度的所需的阈值。尽管普通行走运动对于维持骨密度的作用不明显，但有大量研究结果表明，快走运动对维持骨密度有积极作用。Bergströn等[21]对92名绝经后患骨质疏松妇女锻炼的生物力学效果进行了持续一年的跟踪研究，观察到髋部骨密度明显增加，表明快走对于治疗骨质疏松有积极作用。由于快走运动时肌肉对骨骼的刺激较大，因此在延缓骨密度流失方面的效果要好于太极运动[22]。有研究调查了105名有3年以上的相关运动经历的老人，分为太极拳组、快走组和游泳组，结果显示快走组根骨骨密度最高，而游泳组根骨骨密度最低[23]。因此说明快走相比太极和游泳更能维持老年人的骨密度。孙威等[24]将60名老年女性分为太极组、快走组和对照组，接受16周的训练，发现在停练阶段快走对骨密度和骨代谢的维持效果要好于太极拳锻炼。因此，相比于太极拳锻炼，老年人可以考虑将快走运动作为首选的改善骨密度的锻炼方式，以预防骨质疏松。

2 抗阻运动

抗阻训练(resistance training)也称为力量训练，是机体依靠骨骼肌肌力克服外界阻力的运动方式。骨组织和机械应力之间存在一种生理平衡，骨对应力的适应遵循Wolff定律[25]，即骨在需要的地方(承重和受应力刺激的部位)生长，在不需要的地方骨质吸收；并且在适宜的负荷下，运动强度越大，对骨的应力刺激也越大，越有利于骨密度的维持和提高。抗阻运动致使骨量增加，主要通过机械负荷的直接刺激和肌肉收缩的间接刺激来完成。Kawano等[26]的研究表明，在抗阻运动过程中肌肉收缩，牵拉连带骨干增加了骨的应力负荷，增加骨组织血液供应及减缓骨量丢失，可促进骨细胞的生成。目前已有大量研究表明，通过抗阻训练可以增加老年人的骨密度[27]。Kelley等[28]在对29篇文献研究结果的Meta分析后指出，抗阻训练对于维持绝经后妇女股骨、挠骨的骨密度有益。Bolam等[29]通过对现有文献研究成果的分析，讨论了抗阻训练对中老年人腰椎和股骨骨密度的影响，发现抗阻训练可以提高老年人骨密度，并且效果优于低强度的运动，如行走等。

目前对于抗阻训练预防骨质疏松的研究所采用的训练方式可分为两类：一类为简单的肢体动作，如伸髋、压腿、伸腿等；另一类为使用器械的运动，如负重运动和拉力带运动等。申潇竹等[30]对50名老年脑卒中患者进行抗阻训练，训练动作包括伸腿、屈腿、俯卧撑等，6个月后发现试验组腰椎、颈椎、股骨Wards三角及大粗隆骨密度值均明显高于对照组(38人)在相同部位的骨密度值(P<0.05)。此研究表明，采用简单肢体动作的抗阻训练，对提高老年人骨密度有积极作用。由于简单动作对场地和器材要求少，并且易于学习和掌握，因此适合老年人在日常生活中进行锻炼。

目前负重运动的研究中多采用负重背心、哑铃等器材来增加老年人的自重，从而解决了人体自重无法达到骨重建应力刺激阈值的问题。Pruitt等[31]对27名绝经7年内妇女进行负重训练，受试者随机分为对照组和每周训练3次的负重训练组。9 个月后训练组椎骨骨密度增加了1.6%，对照组下降了3.6%。虽然训练组的增加并不显著，但是其与对照组的变化相比却很明显，所以可以认为负重训练对维持椎骨骨密度有积极作用。除负重运动，使用拉力带进行的训练多为渐进式抗阻训练。渐进性抗阻训练(progressive resistance training)是指在训练过程中不断增加阻力负荷以刺激肌肉连续适应性和提高力量的过程。而拉力带被拉长时阻力是从零开始，被拉长的比例是与阻力增加比例协调递增的，从而可以有效地进行抗阻训练。同时，阻力的方向不会受地心引力影响，完全由拉力带的拉力方向决定，使得训练动作更为灵活。胡煜等[32]将60例65岁以上老人随机分为3组，分别为对照组、有氧运动组和有氧运动+渐进式抗阻运动组，进行6个月的训练，抗阻运动组使用Thera-Band渐进式弹性阻力训练带进行训练。结果表明，抗阻运动组T2、T4、左髋部骨密度增高较对照组及有氧运动组更明显(P<0.05)，L2、L4的骨密度升高与运动阻力大小的增加存在相关性。该研究说明，渐进式抗阻训练对提高骨密度有积极作用。

由于抗阻运动的强度更高，在相同时间内，对于提高骨密度较有氧运动更为有效。在一项针对71名老年女性的研究中，随机分为抗阻运动组、有氧运动组和对照组，进行1周3次，持续8个月的运动训练，仅抗阻运动组股骨转子骨密度提高2.9%，全髋提高1.5%，有氧运动组和对照组均无明显骨密度增加，但两个运动组的平衡功能均有所提高[33]。表1中对比分析了代表性研究的实验要素，从中也可以看出，有氧运动实验结果多为维持骨密度，而抗阻训练则能提高老年人骨密度。尽管抗阻运动效率较高，但骨质疏松是一种全身性骨病，而抗阻训练是对局部肌肉的锻炼，因此具有部位特异性，所产生的刺激只能作用在局部骨骼，较有氧运动作用范围小，因此将抗阻运动和有氧运动相结合是一种较为全面的运动方案。有研究将40名中年男女随机分为运动组和对照组，实验组采用有氧运动结合抗阻力量练习方式，对照组采用单纯有氧运动方式。2 个月的运动干预结束后，实验组骨矿物含量、超声声速、跟骨超声振幅、骨强度均出现增长，而对照组均出现不同程度下降[34]。并且，已有研究成果表明抗阻运动不仅对预防骨质疏松有积极作用，并且对提高心血管功能起着重要的作用。同时，抗阻运动也可以提高老年人自理能力，改善生活质量[35]。

3 振动运动

全身振动训练是一种通过机械振动和外在抗阻负荷诱发神经肌肉反射，促进肌肉收缩，同时给予骨骼重复性的应力刺激进而改善肌肉-骨骼系统结构和功能的康复训练方法。2001年，由NASA资助的科学家们和国际太空生物医学研究协会发现了轻微的振动(0.3g，90 Hz)可能刺激骨生长，科学家们建议航天员可以通过每天站在一个轻微振动的平台上 10～20 min来防止骨丢失[36]。目前，机械振动作为一种短期、简便、无创、不良反应少的物理疗法，在骨质疏松预防中受到广泛关注。

机械振动的成骨效应已在多项细胞和动物实验中得到验证，并获得临床试验的支持。2001年，Rubin等[37]对成年绵羊施加机械振动(0.3g，30 Hz，20 min /d)并研究其对骨密度的影响，持续1年后发现，实验组绵羊股骨近端的骨小梁密度较对照组提高34.2%，由此证明机械振动能够作用于骨组织，对复杂的骨重塑周期产生影响，从而刺激骨的形成，提高骨密度。随后，Rubin等[38]又尝试将机械振动用于人体。选择70名绝经后妇女志愿者作为测试对象，研究短时间(<20 min)、低强度机械信号(0.2 g，30 Hz)在抑制骨质疏松方面的作用效果。结果显示，经过连续12个月的振动刺激，绝经后骨质疏松妇女股骨颈骨密度较对照组增加 2.17%，腰椎骨密度较对照组增加1.5%。Ma等[39]对3 599篇研究全身振动对于预防绝经后女性骨流失作用的文献进行Meta分析，结果表明，低幅度全身振动疗法可以显著降低绝经后妇女腰椎骨质丢失。此外，有研究结果显示全身振动可以同时增强骨骼肌肌肉力量和运动功能，改善平衡、协调性和步态能力，适合作为一种干预手段预防跌倒[40]。

目前对于振动运动的研究主要集中在振动治疗仪的应用及其全身振动的效果。方斌等[41]选择了114例骨质疏松患者，分为全身振动+碳酸钙组、阿仑膦酸钠+碳酸钙组和碳酸钙组。对全身振动组进行1次/d，20 min/次，每周5次的振动训练，振动频率为30～35 Hz，振幅为0.3g。持续6个月后发现，振动组和阿仑膦酸钠治疗组腰椎、左侧股骨颈的骨密度均较治疗前增加，差异有统计学意义(P<0.05)。李志春等[42]选择了70例45～75岁的中老年骨质疏松患者，分为全身振动组和对照组。对振动组的被试者进行振动实验(10 min/d，每周 5次)，3个月后发现振动组在振动治疗后腰椎骨密度平均上升1.29%，股骨的骨密度平均上升1.65%，上升的有效率为80%。以上研究均表明，全身振动对于预防骨质疏松、提高骨密度具有积极作用。

从现有的研究来看，振动运动与阻抗运动相比，对于提高骨密度和肌肉力量更为有效。Verschuere等[43]把70位老年人志愿者随机分为全身振动组、抗阻训练组和对照组，全身振动组和抗阻训练组每周训练3次，共24周。全身振动组在振动台上进行动力性和静力性伸膝练习，抗阻训练组进行动力性的屈伸练习，强度为20 RM到8 RM。振动训练后等长和等动肌肉力量分别提高了15% 和16%，髋部的骨密度提高了0.93%；而抗阻训练组和对照组的髋部骨密度分别降低了0.60%和0.62%。同时从表1中的实验时间来看，振动运动相比抗阻运动能够在更短的时间内实现骨密度的提高。到目前为止，将振动运动和阻抗运动进行对比的研究较少，因此仍需进一步地研究验证振动运动与阻抗运动的有效性差异。

然而，全身振动训练区别于其他运动训练方法的优势并不完全在于治疗效应更为显著，而在于能够以较小的负荷有效提高骨密度，使得该方法更适合于骨质疏松人群中高龄、运动功能受损、长期卧床或活动受限的患者。而且由于肌肉-骨骼结构对全身振动训练的振动剂量和强度非常敏感，很短时间的训练过程即可产生效果。Skerry等[44]研究发现，仅仅作用于骨组织72 s的振动刺激即可产生成骨负荷效应。因此，如表1所示，全身振动训练时间很短(一般不超过 20 min)，且操作方法简单，更易于为老年患者所接受。

目前，振动运动对于骨密度的作用机理尚不明确。普遍认为，机械振动对于骨的作用来自两个方面：振动引起的机械应力对骨的作用和振动引起的肌肉力对骨的作用。有学者认为，骨组织中存在一类对应力刺激敏感的细胞，这类细胞通过细胞核的振荡来感知机械应力的变化，进而引起骨量和结构的改变，以应对机械载荷[45]。也有学者认为，正常情况下骨量的维持或增加取决于骨负荷或骨应力，二者主要来自肌肉的主动收缩，肌力对骨结构和骨量具有决定作用，并且肌力的改变总是先于骨强度的改变。振动运动通过增强肌肉收缩来增加肌力，使得肌肉对骨的作用力增加，从而提高骨密度[46]。

对于振动运动的频率，目前没有较为准确的最佳频率。由于人体有3个共振频率段:5～8 Hz、10～12 Hz、20～25 Hz，因此振动频率必须避开这些共振频率，以免造成机体损伤，而且低频率(<5 Hz)多诱发晕动相关病理现象，80 Hz 以上的振动因人体的阻尼几乎无法向远处传递，仅表现为局部振动[47]。研究表明，当机械振动的频率为30 Hz 时，有70% 的机械振动可以传递到大腿骨和脊骨[48]，这说明频率选为30 Hz较为合适。目前的研究共识是：高频(>30 Hz)、低强度(<0.3g，1g=9.8 m/s)和短时(<30 min)的全身振动有利于骨形成。现有研究存在的主要问题是若振动强度较大(>1g)，人体的不适感较强，不利于长期应用，而振动强度过低成骨效应也相应降低或消失。如何在两者之间寻找一个适宜的平衡点是未来研究需要考虑的重要内容。

表1 运动策略对比分析Tab.1 Contrastive analysis of sports strategies

4 强度与频率

对于运动强度，根据Wolff定律，运动强度需达到一定阈值才能对骨产生刺激，使骨密度增加，说明低强度的运动对骨密度作用不大。一项研究显示，对两组绝经后妇女进行抗阻运动训练，有相同的载荷、组数、重复数量等，速率较大的运动组可保持她们脊柱和髋部的骨密度，而另一组下降2%，该研究表明运动量相同情况下，需一定的运动强度才能对骨密度起到积极作用[49]。但运动强度过大，可能会对骨密度起负面作用。Rockwell等[50]发现，34～42岁妇女经过9个月的负重运动训练后，腰椎的骨密度反而出现下降。目前，对于运动强度，研究者达成的普遍共识是：低强度运动对提高骨密度的作用不明显；中等强度的各种形式的运动对改善骨代谢、提高骨密度有积极作用；过大强度运动可能会导致骨密度下降，对骨健康产生负面影响。

目前对于有氧运动的研究，主要是通过老年人的耗氧量和心率来控制运动过程中的运动强度。一般认为，运动强度保持在人体最大摄氧量的60%～70% 或者最大心率的70%～80% 能够更好地促进骨密度增长，保持或者延缓骨量流失，降低骨折风险，从而达到最佳的运动锻炼效果[51]。运动时心率的普遍标准为：老人的心律≤170次/min。当前应用最广和易于简单计算的心率公式[52]为

最佳心率范围=(220-年龄)×(70%-85%)

(1)

较为理想的运动强度应表现为: 老年人运动时不紧张，无面红耳赤，气不急喘，感觉轻松。如果运动后身体无发热感、无脉搏加速，或者运动后2 min即可恢复常态，则说明运动强度偏小；反之，如果运动后大汗淋漓、胸闷气短、运动后15 min脉搏还不能恢复到常态，则说明运动强度过大，需要适当减少运动强度[53]。对于抗阻运动的强度，通常用一次最大重复(1 RM)的百分比或最大重复次数(RM)来表示。用RM来确定适宜的训练负荷是最简单的方法，通常将1～6 RM负荷的训练称为高强度抗阻训练， 8～12 RM为中等强度，10～15 RM为低强度[54]。对于振动运动的强度，通常通过振动的加速度来表示，小于0.3g为低强度，0.3～1g为中等强度，大于1g为高强度[55]。

对于运动的时间，相关研究显示，8～12个月的运动持续时间才能增加少量的骨密度量[56]，这是由于骨的重建至少需要持续4～6个月。在表1中，除振动运动时间较短外，有氧和抗阻运动实验均需6个月以上，也间接证明骨的重建需较长时间。同时，如果运动负荷停止,则增加的骨量可再度消失，因此要维持已获得的骨量，必须对骨结构有着长期不断的负荷刺激。对于运动频率，从表1中可以得到，目前研究者的共识为每周3～5次。有学者将绝经妇女分为A、B、C三组，每周分别锻炼3、4、5次，经过半年时间，结果显示A 组的骨密度平均值上升5.3%。其余两组的骨密度没有明显变化[57]。该研究显示，骨密度值的变化与运动频率不存在正相关的关系。因此，运动处方可根据老年人身体状况，在每周3次的基础上进行调整。对于运动频率的研究，目前还不完善，需要进行进一步的研究。