颈部脊髓损伤患者吸气肌力量训练研究进展

冯燕 周凤 牛陵川

近年来，脊髓损伤的发病率居高不下，全球每年约有25万～50万人发生脊髓损伤，发展中国家发病率高于发达国家，男性多于女性，且青壮年多发。高坠伤(41.3%)和交通意外伤(22.3%)是颈部脊髓损伤的主要致因[1-2]。其中，颈部脊髓损伤患者占比高达41.2%，而肺部感染是脊髓损伤患者最常见的并发症，发生率高达32.59%[2]。一项美国大型研究表明，脊髓损伤患者感染COVID-19的概率、感染严重程度和死亡率都高于普通人群[3]。呼吸系统并发症是脊髓损伤患者死亡的主要原因，对患者而言，这是比原发疾病更为凶险的问题[2]，因此预防和治疗脊髓损伤患者呼吸系统并发症至关重要。大量研究表明，吸气肌力量训练不仅能显著提高颈部脊髓损伤患者肺活量(vital capacity，VC)、最大吸气压 (maximum inspiratory pressure，MIP)、最大自主通气量(maximum voluntary ventilation，MVV)等指标，还能降低肺部感染发生率，减轻呼吸困难症状，改善患者心理健康水平，提高患者的生活质量[4]。本文就目前颈部脊髓损伤患者的吸气肌功能障碍，吸气肌力量训练理论依据和训练方法进行以下综述。

1 颈部脊髓损伤患者吸气肌功能障碍

吸气肌分为主要吸气肌和辅助吸气肌。膈肌是主要吸气肌，为穹窿状结构，由2条膈神经支配，平静呼吸时，膈肌能满足60%～70%的通气需求。辅助吸气肌包括肋间外肌、胸锁乳突肌和斜方肌等，在呼吸功或通气需求增加时参与呼吸过程[5]。由于吸气肌解剖位置的特殊性，临床上评估或训练过程中，难以将膈肌和辅助吸气肌区分开来，故不单独赘述。颈部脊髓损伤患者吸气肌功能障碍主要表现为以下方面。

1.1 神经源性损伤 颈部脊髓损伤患者吸气肌受累程度取决于损伤平面和损伤程度[1]，节段越高，吸气肌功能障碍越重，肺功能下降越多。膈肌是最主要的吸气肌，能吸入2/3的潮气量，由C3～C5发出的膈神经支配，而辅助吸气肌由C1～C8支配，所以颈部脊髓损伤不仅影响膈肌功能，也会影响辅助吸气肌功能。吸气肌失神经支配会导致吸气肌力量下降，进而引起VC、一秒呼出量(forced expiratory volume in 1s，FEV1)、MVV等指标下降[6]。

1.2 废用性功能下降 颈部脊髓损伤患者，由于长期制动和机械通气相关膈肌功能障碍(ventilator-induced diaphragmatic dysfunction，VIDD)，膈肌纤维会明显减少，尤其是使用控制机械通气模式(controlled mechanical ventilation，CMV)的患者，膈肌厚度每天会下降1.5%～7.5%[7]。有研究发现，颈部脊髓损伤患者膈肌厚度与ICU住院时长呈负相关，与功能独立性评分呈正相关(P＜0.05)[8]。一项土耳其的小样本量的横断面研究发现，脊髓损伤患者所有的肺功能测试指标(除FEV1/FVC外)均显著下降[9]。

1.3 自主神经功能紊乱 颈部脊髓损伤后由于吸气肌功能障碍，导致肺活量下降，为了满足呼吸需求，双侧迷走神经会进行调节，增加呼吸频率，保证分钟通气量[10]。此外颈部脊髓损伤后，吸气肌力量下降，呼吸频率增加，吸气肌耗能会增加，需要的血供也会增加，由于这种吸气肌窃流现象和代谢反射，中枢神经系统会抑制高强度活动，降低患者的活动水平，患者在进行低强度活动时，疲劳感增加，辅助呼吸肌过多参与，氧气利用率下降，诱发活动后呼吸困难[11]。

2 吸气肌力量训练理论依据

吸气肌属于骨骼肌，由于其血供来源丰富、需氧酶含量高，是所有骨骼肌中最耐疲劳的肌肉，分Ⅰ型纤维和Ⅱ型纤维。其肌力训练原则与骨骼肌类似[5，11]，遵循“ 抗阻、适度疲劳、超量恢复，个体化”几大原则。

2.1 膈神经交叉现象(crossed phrenic phenomenon，CPP) 1895年发现狗在C2脊髓半切后，同侧膈肌失神经支配，随后切断对侧膈神经，导致对侧膈神经瘫痪，之后先瘫痪侧的膈肌恢复了运动，这种现象被称为CPP。此后发现大鼠在C2半切后2周后发现膈神经出现电位活动，而不需要双侧半切，这种现象被称为自发性膈神经交叉现象。触发CPP的中枢位于双侧延髓腹侧呼吸组，主要机制是轴突交叉，也存在树突交叉。这为颈部脊髓损伤后膈肌失神经支配提供了治疗新思路，即便是完全性脊髓损伤，也可能出现这种神经调节或神经重塑现象，但是恢复的膈肌其活动度明显下降[12]。IMT能加速颈部脊髓损伤患者CPP，提高MIP，减少呼吸依赖和呼吸系统并发症。

2.2 中枢代偿 对于各种原因导致的生理应激，比如神经源性疾病、急/慢性损伤，神经系统的可塑性会发挥重大的代偿作用，促进神经肌肉的重塑[13]。Nguyen等[14]研究发现，颈部脊髓损伤患者为代偿膈肌的失神经支配和肌肉萎缩，在平静呼吸时，呼吸中枢驱动会增加，膈肌运动神经元放电频率和动作电位幅度都要高于正常人群，以满足通气需求。外周肌力训练可以增加皮质或脊髓水平的中枢驱动，增强运动单元的放电频率[15]。

3 吸气肌力量训练处方

3.1 种类 吸气肌力量训练方法多种多样，主要包括吸气肌抗阻训练(inspiratory resistance training，IRT)和等碳酸过度通气训练(isocapnic hyperpnoea training，IHT)，根据抗阻的方式不同，IRT又分为气流抗阻训练(inspiratory flow resistance load，IFRL)和阈值负荷训练 (inspiratory threshold resistance load，ITRL)[6]；IHT分为常氧状态下的IHT和低氧状态下的IHT[16]。

3.2 吸气肌气流抗阻训练(IFRL) IFRL的原理是通过一个限制气流的小孔进行吸气，调节小孔直径可以改变气流阻力，代表设备是Diemolding Healthcare Division(DHD)抗阻训练器，共有6档阻力，小孔直径从2～7 mm，直径越大，阻力越小。一项纳入30名C4～C7，ASIA分级为A的脊髓损伤患者研究发现，通过DHD进行吸气肌抗阻训练(处方为渐进式抗阻，15～20 min/次，2次/d，7 d/周，持续6周)，患者的VC、MVV、Borg评分都有明显改善[17]。其优点是操作简单、成本较低，适合患者进行自我训练和家庭康复。缺点是阻力调节范围小，阻力精确度欠佳，阻力大小容易受气流速度影响。由于其阻力调节的不确定性，循证相关研究较少。

3.3 吸气肌阈值负荷训练(ITRL) ITRL的原理是通过一个加压阀门进行吸气，可以直接通过调节压力改变阈值负荷，当患者吸气压达到阈值时，才能完成吸气动作。代表设备有Threshold IMT、Powerlung、Power Breathe K5等，Threshold IMT阻力最大只有41 cmH2O(1 cmH2O＝0.098 kPa)[18]，当需要更大的训练强度时，可以选择阻力更大的Powerlung或Power Breathe K5。

Raab等[18]研究发现，脊髓损伤患者吸气肌阈值负荷训练效果与强度呈正相关，训练强度每增加10 cmH2O，MIP增加7%。Boswell等[19]随机对62名四肢瘫患者进行IRT，训练强度从30%MIP开始，每周增加10%，上限80%MIP，发现渐进式IRT相较于对照组，MIP增加了11.5 cmH2O(P＜0.001)，且IMT对血流动力学和心功能参数无不良影响[20]。验证了颈部SCI患者进行渐进式高强度IRT效果会更好。

训练总量对MIP并没有积极影响，研究发现每增加1 000次IRT重复次数，MIP只增加大约1%[18]。肌力训练前4周的内在机制主要是神经适应，由于功能需求增加，中枢神经系统会做出应答反应，表现为运动单元募集增加，肌间和肌内协调性提高[15]；4周后的训练效应，外周结构的变化，可能才是力量的增加。一项进行持续6周IRT训练的随机对照试验随访一年发现，患者训练后一年的呼吸系统并发症显著减少，但MIP变化不大，可能与自我训练缺失有关，所以有必要增加训练时间，维持训练效应，将标准化IMT作为家庭康复的重要内容[4，19]。

Briskey等[21]研究发现，健康成人进行IRT时，强度设置为70%MIP时会引起血浆F2异前列腺素的增加，引起系统性氧化应激反应，导致膈肌过度疲劳，但是尚无关于脊髓损伤患者的报道。

因此，颈部SCI患者进行渐进式高强度抗阻训练时，应遵循适度疲劳、个体化的原则，选择最佳训练强度，且训练时间应大于4周。阈值负荷设备的阻力调节范围更大，阻力精确度更高，不易受气流速度的影响，操作更安全，适用于早期脊髓损伤患者，可密切监测吸气肌力量变化，严格控制吸气压力，实现肺保护通气。所以在临床上应用更广泛。

3.4 等碳酸过度通气训练(IHT) IHT属于呼吸肌耐力训练，其原理也是呼吸肌疲劳，通过调节通气量来改变训练强度，比如要求患者达到40%或50%的MVV。由于呼吸肌正常状态下是低阻力做功，部分学者认为，对呼吸肌而言，IHT相较于IRT是一种更为自然的训练方法。Mueller等[22]随机对24名颈部脊髓损伤患者进行IRT、IHT和激励式肺量计训练(incentive spirometry training，IST)，发现在完全性颈段脊髓损伤患者中，高强度的IRT(80%MIP)训练效应优于IHT和IST。Katayama等[16，23]发现低氧状态和常氧状态下的IHT都能增加运动员耐力，低氧状态更能激活辅助吸气肌，但是低氧状态下呼吸肌更易疲劳，并没有带来额外训练效益。

Mueller等[24]研究发现，四肢瘫患者使用SpiroTiger进行常氧状态下的IH训练，强度应设置为40%MVV，才能保证训练时间10～20 min，强度过低，达不到训练效果；强度过高，患者会不耐受。

IHT代表设备是Spirotiger，其优点是能显著提高SCI患者的MIP和MVV，减少SCI患者肺部并发症，延缓呼吸肌疲劳[16]；其缺点是耗时、患者依从性较差、对患者体能要求较高，可能加重患者心血管负担。适用于血流动力学、神经系统状态稳定的SCI恢复期患者，需要实时监测训练反应，避免过度通气和低氧血症。

4 小结

综上所述，对颈部脊髓损伤急性期或恢复期的患者，进行IMT是必要且安全的。IMT能有效预防和控制呼吸系统并发症，对减少呼吸困难症状、住院花费等有重要意义。IMT目前更多采用阻力调节更精确的阈值负荷训练设备，建议进行渐进式高强度抗阻训练，遵循适度疲劳、个体化和循序渐进的原则。训练频率和时间与训练效果可能没有密切相关性，但训练时间至少应持续4周，频率和时间的增加对训练效果是否具有叠加效应还需要进一步研究。