飞轮等惯性训练对改善肌肉萎缩、预防运动损伤和康复治疗的研究进展

苏玉莹

随着运动员竞技水平和比赛密度的不断提高，教练员和科研人员越来越注重运动员的损伤预防和康复。传统的抗阻训练和离心训练在预防损伤和伤后康复具有一定的优越性。离心训练被证明在增强肌腱刚度、心血管和膝关节的前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）重建等方面具有较好的效果（雷蕾 等，2017；Kaux et al.，2013；Lepley et al.，2015；Nakamura et al.，2008；Okamoto et al.，2009）。近几年，离心收缩和抗阻训练相结合的离心阻力训练成了研究热点，能够提供离心阻力的飞轮训练器已经应用到高水平运动员的训练中。飞轮等惯性训练（以下简称“飞轮训练”）指使用飞轮设备进行抗阻训练时，由于飞轮运动不涉及生物力学的杠杆问题，并且飞轮旋转皮带的加速和减速带动肌肉快速做抵抗运动，所产生的离心和向心力几乎相等，既能够保证足够的阻力，又能最大程度地发展肌肉离心收缩力，增加了抗阻训练的多样性。飞轮训练区别于等张训练和等速训练，它既可以保证足够的阻力又可以有效的发展离心收缩力，为不同运动员的训练需求提供不同的训练模式（Alkner et al.，2003）。例如，在高山滑雪项目运动中使滑雪板转动的关键是需要很大的离心收缩力，而飞轮训练可以比传统的抗阻训练更好地控制和发展离心收缩（Berg et al.，1995）。传统的抗阻训练不容易提供离心负荷，离心收缩在很大程度上处于欠负荷状态，因为它受到向心作用期间提升负荷的限制，只有在接近1 RM抗阻训练期间，才能产生最大的离心负荷，而飞轮训练可以在不同的负荷下产生最大离心收缩力。飞轮训练的独特训练方法和传统深蹲等训练都能确保足够的阻力，且每次飞轮训练都会使训练者付出最大的努力完成。飞轮训练相比深蹲等抗阻训练能产生较大的输出功率和肌电募集（Norrbrand et al.，2011）。

通过查阅中国知网、维普和万方等数据库发现，余志斌（2007）较早对飞轮训练进行了研究，介绍了这种设备可以预防处于失重环境下的航天员肌肉萎缩问题。此后直到2018年才有2篇期刊文献和1篇会议论文研究飞轮训练，其中，郑天晨等（2018）和闫琪等（2018）介绍了飞轮训练的应用，王林杰等（2018）比较了飞轮训练与杠铃、提踵和硬拉对下肢肌群肌电的影响。此后，郑天晨（2019）还比较了飞轮深蹲和杠铃深蹲对下肢肌群的不同效果。我国目前对飞轮训练的研究有待进一步完善。由于这种飞轮训练设备在国外已广泛应用，并在提高运动能力、预防运动损伤和帮助神经或骨科康复方面取得了较为成熟的研究成果。因此，本研究梳理了关于飞轮训练对预防运动损伤和康复影响的相关文献。

1 飞轮训练的起源与发展

利用飞轮为肌肉产生阻力的训练历史最早可以追溯到1796年，法国人费朗西斯·朗德斯描述了一种在此原理下设计的全身运动装置悠悠球（YO-YOTM），系飞轮训练器的前身（Tesch et al.，2005）。该装置如将悠悠球的底部固定，绳索不停的上下运动，产生快速的加速，减速动力。20世纪上半叶，August Krogh及其同事根据这一原理进行了各种实验研究，主要是探索骨骼肌的生物力学，并没有利用这个工具进行运动训练（Berg et al.，1991；Pearson et al.，2001）。20世纪80年代，航空航天事业快速发展，但航天员太空飞行造成的肌肉萎缩问题一直成为医学界的困扰。传统的杠铃和哑铃不适用于太空失重的环境。航天局和医学界急需一种代替这种哑铃的训练设备，可以在太空失重环境下进行抗阻训练，预防肌肉萎缩问题。Berg等（1994）首次介绍了利用飞轮训练器的惯性原理进行抗阻训练，发现这种装置类似于传统的杠铃训练，能够满足太空飞行设备的需求，可以有效对抗微重力下的肌肉萎缩和力量损失。此后，Berg等（1995）对飞轮训练受试者的肌电图进行分析发现，这种装置可以产生更大的离心收缩力从而使肌肉力量增加，该研究为宇航员太空飞行的训练提供了可能。1996年，在哥伦比亚号航天飞机上机组人员对这种新型设备进行了测试和并使用设备进行了训练（Tesch et al.，2005）。为了应对航天员太空飞行失重条件造成的肌肉萎缩和神经肌肉功能障碍，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和国际空间医学站将这种飞轮抗阻装置逐渐的应用到航天员太空飞行中。随着研究的深入，发现这种设备不仅适用于航天员训练，而且在竞技体育、大众健身和老年人的康复中都有显著效果（Monajati et al.，2018）。自此，飞轮等惯性设备被广泛应用于训练中，弥补了传统训练的不足。现在的飞轮训练器加入了生物电阻装置和蓝牙传输程序，可以对训练效果进行实时监控，还能够根据训练需求和计划，发展向心和离心收缩力的大小，使训练更具科学性和针对性。图1、2所示为kbox飞轮训练器及利用飞轮训练器做深蹲动作。

图1 瑞典kbox飞轮训练器（郑天晨，2019）Figure 1. Swedish Kbox Flywheel Trainer

图2 使用飞轮训练器做深蹲Figure 2. Do Squats Using Flywheel Training Facility

2 飞轮训练的生理机制

肌肉在收缩产生张力的同时被拉长的收缩称为离心收缩（王瑞元等，2013）。离心收缩被证明在促进神经肌肉适应性等方面具有一定优越性（许智勇等，2018；Blazevich et al.，2007；Hortobagyi et al.，1996；Nardone et al.，1989；Reeves et al.，2009）。当使用飞轮设备进行训练时，肌肉为了抵抗飞轮绳索转动产生的力，不断进行向心-离心收缩的循环模式。肌肉先做离心式拉长，然后做向心式收缩，这种肌肉运动“拉长-缩短周期”模式被称为快速伸展缩短周期（stretch-shortening cycle，SSC）（Komi，1987）。飞轮训练与跑步和跳跃类项目不同，飞轮训练的特点是短暂的离心运动启动了SSC，不断的离心收缩力和较高的SSC活动来支撑飞轮等惯性的运动（Martinez-Aranda et al.，2017）。有研究表明，飞轮训练的效果表现由肌肉过度牵拉产生牵张反射、神经系统动员和肌腱复合体的效果3种生理机制影响。

2.1 肌肉过度牵拉产生牵张反射的效果

肌肉在被拉长的同时会产生较大的张力称为牵张反射。随着离心收缩力的增加，肌肉会产生较大的张力。Norrbrand等（2010）通过实验发现，飞轮训练可以使肌肉产生较大的离心收缩力，更好的提高肌肉运动能力。Dudley等（1991）通过飞轮训练和深蹲抗阻训练对比发现，飞轮组的离心收缩力远大于深蹲抗阻训练组。一个循环的飞轮动作通常会在非常短的时间内完成，产生动能消耗的时间被压缩，因此，会产生更大的离心峰值力和功率。飞轮训练时较大的离心收缩产生牵张反射，刺激肌肉产生更大的张力。

2.2 神经系统动员的效果

短时间的SSC运动可以改善神经系统以提高肌肉的肌群力量发展速率（ratio of force development，RFD）并提高肌肉的快速发力能力（李志远等，2019）。有研究表明，飞轮训练后下肢肌群RFD明显高于深蹲训练（Fernandez-Gonzalo et al.，2014a；Norrbrand et al.，2011；Wernbom et al.，2007）。Stasinaki等（2019）对慢速和快速的飞轮下蹲进行实验发现，快速下蹲组的RFD显著提高。飞轮训练的RFD在训练后会显著提高，神经系统动员肌肉能力也会提高，一般会用短时间的刺激神经系统来提高RFD。另外，慢性中风患者进行飞轮训练后，其步态、平衡等有所提高，这可能是由于飞轮训练提高了神经系统对肌肉的动员和控制能力（Fernandez-Gonzalo et al.，2014b，2016）。

2.3 肌腱复合体的效果

随着超声波影像法深入科研领域，使学者可以观察到肌肉在运动时肌腱复合体的变化。肌腱复合体指肌肉和肌腱的联合体，人体肌肉收缩产生的力必须通过肌腱传到骨骼，通过骨杠杆的转换作用于外界物体，从而产生运动（李玉章等，2010）。当肌肉进行SSC运动时，肌腱中的弹性势能会释放更多的能量，肌腱为了能够储存更多的弹性势能，肌腱复合体的性质结构会产生变化，如刚度和弹性增加、长度和粗细的变化。Stasinaki等（2019）发现，18名年轻运动员在快速飞轮训练后，肌腱复合体的产生了适应的变化。Hortobagyi等（2009）研究表明，老年人进行飞轮训练后肌腱刚度增加。

3 飞轮训练对改善肌肉萎缩、预防损伤和康复治疗的影响

3.1 对预防肌肉萎缩和改善老年人生活表现的影响

飞轮训练最早应用于预防航天员肌肉萎缩。有研究表明，运动员利用飞轮进行阻力训练可以引起骨骼肌肌肉肥大、增加肌肉力量和肌电活动的募集（Blazevich et al.，2007；Dudley et al.，1991；Fang et al.，2001；Seynnes et al.，2007；Tesch et al.，2004）。Norrbrand等（2008）和Wernbom等（2007）研究表明，飞轮训练引起的肌肉肥大效果至少是传统抗阻训练的两倍。Seynnes等（2007）发现，飞轮训练显著增加了肌肉筋膜长度和肌肉羽状角大小。对于卧床人群来说，每周飞轮训练干预3～4次后肌肉体积显著增加（Tesch et al.，2004）。另外，29天和90天的卧床休息会使股四头肌的尺寸分别减少10%和18%，当每3天进行1次飞轮训练（4组×7次）这种萎缩明显被抵消（Tesch et al.，2004a，2004b）。宇航员长时间的航天飞行会导致骨骼肌有氧能力降低和肌肉代谢紊乱，但通过高强度低次数的飞轮抗阻运动可以保持骨骼肌的耐力和完整性，因为飞轮训练能够增加磷酸果糖激酶的表达（Fernandez-Gonzalo et al.，2014c）。Irimia 等（2007）研究表明，飞轮训练可以抵消90天卧床休息导致肌肉代谢紊乱造成的肌肉萎缩问题。值得注意的是，使用飞轮训练每3天进行1次脚跟抬高和仰卧下蹲与传统的药物（帕米磷酸盐）干预骨质流失同样有效，可以减缓90天卧床休息后的骨密度下降（Rittweger et al.，2005）。

随着老年人年龄增加引起的肌肉萎缩和平衡性降低问题一直备受研究人员关注。飞轮训练似乎在提高老年人生活表现方面有一定效益。Onambele等（2009）在对70岁左右的男性和女性进行12周飞轮训练干预后发现，老年人肌力、伸肌功率和腓肠肌肌肉含量增加，另外，肌腱刚度和平衡性极其显著性提高（P＜0.01）。Brusehini等（2015）在对70岁健康男性进行为期8周的飞轮训练和高强度有氧训练后发现，他们的肌肉体积增加5%和肌肉张力增加10%。Sarmiento等（2014）对12名女性老年痴呆患者进行飞轮训练干预后发现，她们的步态质量得到改善，足底屈肌和踝关节伸肌提高。Hortobagyi等（2009）的研究发现，进行飞轮训练干预的老年组相比对照组来说，肌腱刚度增加，平衡能力得到改善。这对预防老年人摔倒有一定帮助。

综上所述，飞轮训练可有效增加肌肉体积、提高肌肉质量，预防肌肉萎缩，改善肌肉代谢紊乱，这对卧床人员后期的恢复和运动员的早期康复提供了帮助。此外，针对老年人生活质量来说，飞轮训练可以改善老年人肌肉萎缩，在其他身体适应性方面（如平衡性、神经肌肉的障碍方面）似乎也有效果，但这方面的研究相对较少，还需要进一步研究证明。

3.2 对预防运动损伤的影响

飞轮训练似乎可以增强肌肉韧性，避免损伤发生。Gual等（2016）对篮球、排球队伍中的38名女性和43名男性运动员进行实验，经过24周的飞轮训练干预后发现，飞轮训练可以增强下肢力量和跳跃能力，降低髌骨肌腱炎的症状（Gual et al.，2016）。在瑞典首届足球联赛的30名足球运动员中，15名干预组运动员除了规定训练外还进行飞轮训练干预，另15名对照组运动员仅进行规定训练。在整个赛季中，干预组运动员的腘绳肌拉伤率（3/15）明显低于对照组（10/15）（Askling et al.，2003）。Do Hoyo 等（2015）进一步证明，经过飞轮训练后的足球运动员总受伤率下降。Monajati等（2018）进行了为期6周的实验，比较了飞轮训练和自重训练对腘绳肌拉伤和ACL发生率的影响，结果表明，6周的飞轮训练能够更好地保护运动员避免腘绳肌和ACL的损伤，并提高短距离冲刺能力。肌肉损伤一般有3点特征：肌酸激酶（CK）活性降低、股四头肌等长峰值扭矩降低和肌肉酸痛。有研究表明，13名健康男性在4周飞轮训练后，CK和股四头肌峰值扭矩提高，肌肉酸痛感降低，这在一定程度上降低了运动损伤的发生（Coratella et al.，2016）。

当肌肉进行离心收缩时，肌纤维和细胞外基质受到干扰，进而刺激蛋白质合成，增加代谢应激的发生率（Schoenfeld，2010）。因此，有研究认为，离心收缩和拉伸是促进肌肉生长的最有效刺激因素（Hornberger et al.，2006；Vandenburgh，1987）。离心收缩改善了神经肌肉的力量和协调性，增强了肌腱以及肌肉运动能力的表达（史珊珊等，2018）。飞轮训练在离心负荷和阻力负荷的双重刺激下，不仅有利于运动表现，还可以预防肌肉拉伤、增强韧带的强度和防止软组织损伤。但关于飞轮训练是否比其他训练形式的离心负荷更有效果还有待进一步研究证明。

3.3 对康复治疗的影响

篮球和排球运动员患有髌骨肌腱炎的风险很高，Abat等（2015）对41名患有髌骨肌腱炎的运动员在进行组织内电解治疗时施加飞轮训练，经过几次治疗，他们的症状得到了明显改善。Romero等（2011）对10名患有髌骨肌腱炎的患者进行为期12周的训练，采用视觉模拟评分法（VAS）和髌骨肌腱病问卷（VISA）进行测试，结果表明，训练后下肢离心收缩力增加90%，垂直跳跃能力得到提高，VAS和VISA分别提高60%和86%，肌腱炎症状得到了改善，提示飞轮训练可以改善患病者肌肉功能并减轻主观疼痛。Greenwood等（2007）对29名膝关节损伤患者进行3个月的飞轮训练，训练后膝关节肌力、平衡能力和输出功率均有提高，说明训练对膝关节损伤的恢复起到了帮助。

综上所述，利用飞轮训练可以提高肌肉力量、站立平衡和跳跃能力。这在提高肌肉功能方面起到了积极作用，飞轮的过度离心负荷促使肌肉和肌腱抗牵拉能力增强，从而提高了运动能力和损伤后的康复。

3.4 对中枢神经适应性的影响

离心训练在提高肌肉力量和增加肌肉肥大方面起到重要作用（Dudley et al.，1991；Onambele et al.，2009；Seynnes et al.，2007；Tesch et al.，2004），这可能是因为离心训练依赖于独特的神经策略来促进和激发运动动作电位，并使运动单位发挥其作用（Enoka，1996；Hedayatpour et al.，2015）。有研究表明，通过脑功能磁共振成像发现，离心运动比向心运动更能吸引大脑的功能区域（Fang et al.，2004）。对于中风患者来说，中枢神经功能下降会导致肌肉萎缩和其他损害性变化等问题的发生。Fernandez-Gonzalo等（2014b）对12名中风患者进行了每周2次，共8周的飞轮训练干预，训练后平衡、感知参与和步态等均有显著提高，研究认为，飞轮训练可以改善慢性中风患者的神经肌肉功能和平衡等。在这项研究结果的推动下，Fernandez-Gonzalo等（2016）后续又将32例中风患者分为2组，实验组进行12周飞轮训练，对照组不做训练，结果显示经过飞轮训练的患者股四头肌体积增加9.4%，平衡能力、步态、认知和处理速度等均有提高。值得注意的是，虽然Ryan等（2011）通过传统的抗阻训练也使中风患者产生了类似效果，但传统抗阻训练至少需要比飞轮训练多6组的重复次数才能达到类似的结果。此外，飞轮训练引起的这些表现和大脑皮层某些区域的肌肉活动参与表现相类似（Fang et al.，2001；Hedayatpour et al.，2015）。这表明，飞轮训练可以改善重要的认知能力，比如执行力、注意力和信息处理速度，诱发中枢神经系统的适应性。这些研究的发现对患有神经疾病的患者和医生提供了重要的参考价值。关于中枢神经系统和飞轮训练之间的相互作用还需要进一步探究，例如，通过大脑核磁共振来辨别这种独特的运动刺激所针对的大脑皮层的具体区域和他们之间的生理机制。对患有神经疾病的患者进行临床试验，制定安全有效和康复的飞轮训练计划。

4 结论与展望

飞轮训练为日常训练和康复提供了新的思路和方法。这种离心抗阻训练可有效提高神经系统和肌肉的功能，并且在降低运动损伤和康复方面有较好成效。

目前我国在飞轮训练器方面的研究相对较少，还需要进一步加强。在未来的研究中，针对不同人群，应确立比较优化的运动方案，制定针对不同需求人群的运动处方，防止运动过度或负荷不足。飞轮训练对康复和提高肌肉运动能力的表现应对比不同的训练方式（如传统抗阻训练和离心训练）之间的效果，制定最佳的训练方式。关于飞轮训练对中风患者的神经适应性值得进一步研究，找出他们之间潜在的生理机制，可为神经康复治疗提供参考和借鉴。