基于血流限制的运动锻炼在失重生理防护中的应用进展

王子牛， 李小涛∗， 刘书娟， 王惠娟， 王颜晴， 张剑锋， 高 原， 杨长斌

（1.西安电子科技大学体育部／特殊环境生理与体能训练军民融合创新研究中心， 西安 710126； 2.中国航天员科研训练中心航天医学基础与应用国家重点实验室， 北京 100094； 3.空军军医大学， 西安 710032）

1 引言

长期太空失重环境会导致人体多个生理系统功能产生废用性、退行性改变，因此必须采取有效的失重防护和对抗措施，体育运动锻炼是目前失重生理效应防护中最为有效的措施之一。 中国航天医学研究人员经过长期的实验研究，针对中国航天员制定了具有中国特色的失重防护方案。 但面对未来更长时间的深空探测，该防护策略还有待进一步完善和优化。 当前国际空间站多采用的中低强度运动锻炼失重生理效应防护方案耗时较长且防护效果有限，高强度锻炼虽更为有效，但需要较大的锻炼设备和较高的维修成本。

血流限制是将充气袖带或弹力带等绕于肢体近端外围，通过调节袖带压力或弹力带长度对肢体加压，使相应部位动脉和静脉血流部分阻断以调节相关肌群血流供应的方法。 基于血流限制的研究可追溯到20 世纪60 年代，但直到20 世纪末才被应用于运动训练中。 20 多年的研究证明血流限制结合较低强度的运动锻炼即可使肌肉力量和有氧耐力得到有效改善，并有效预防废用性骨骼肌萎缩。 该方法被广泛应用于竞技体育训练、运动健身、老龄医学及康复领域，但由于缺乏明确的统一参考标准，其个性化的袖带压力参考标准仍有待于进一步研究。 基于血流限制的运动锻炼相关研究主要针对一般健康人群，针对航天员等特殊人群开展的相关研究极为有限。 本文对当前基于血流限制的运动锻炼进行分类阐述，旨在为中国航天员基于运动锻炼的失重生理效应防护提供新的思路和借鉴。

2 血流限制在运动锻炼中的应用

2.1 基于血流限制的抗阻锻炼

研究发现，血流限制结合抗阻锻炼时肌肉可产生很好的适应，从每天2 次持续6 d 到每周2 d持续8 周的多项实验均发现血流限制训练对肌肉围度及肌肉力量的显著提升作用。 Luebbers等研究了举重运动员采取血流限制结合低负荷抗阻锻炼的训练效果，实验以一次重复次数的最大负荷（1 Repetition Maximum， 1RM）为负荷参照标准，采用≤30% 1RM 的低负荷抗阻锻炼结合血流限制进行为期6 周的干预后发现，最大深蹲力量显著提高，且血流限制结合低负荷抗阻锻炼组（≤30% 1RM）与单纯大负荷锻炼组（≥65%1RM）并无显著差异。 Loenneke 等认为每周进行2～3 d 的血流限制抗阻锻炼效果最佳，而力量的增长与持续时间的周数有显著的相关性。

Ferenc 等研究了230 mmHg 完全血流阻断下70% 1RM 急性高强度抗阻锻炼对下肢肌肉血管生成的影响，结果发现进行血流阻断的一侧腿部骨骼肌血管生成与修复相关蛋白mRNA 表达显著升高、肌细胞内线粒体数量增加。 Bjrnsen等发现血流阻断结合低强度锻炼可以减轻肌肉延迟性酸痛的发生，同时促使I 型肌纤维和II 型肌纤维的肌核数量、卫星细胞数增加，股直肌和股外侧肌的围度在结束干预后增加5%～10%，而作为慢肌纤维的I 型肌纤维面积在干预后有所降低。 Ma 等的研究再次证实血流限制结合低强度运动可减少运动性肌肉损伤的负面影响。 但血流限制加压带通常置于四肢近端，主要对四肢骨骼肌群的血流进行调节，对躯干肌及肢体近端核心肌群的作用相对有限。 因此对核心肌力要求较高的竞技运动项目运动员来说，血流限制的抗阻锻炼作用有限。 但对于处于失重环境中的航天员来说，血流限制训练或许可以在有效缓解体液头向转移造成的头面部充血颅内压升高等现象的同时，有效对抗四肢承重肌的萎缩。

2.2 基于血流限制的有氧耐力锻炼

基于血流限制的有氧耐力锻炼一般采取血流限制结合步行、慢跑或自行车等方式进行。 以往研究普遍认为，有氧耐力锻炼不会提升肌肉力量和肌肉体积，甚至较大训练量的有氧锻炼还会降低力量训练的效果，而基于血流限制的低强度有氧耐力锻炼（20%～40% VO）却可以同时获得肌肉力量和有氧代谢能力的提升。 Abe等以20%的VO的负荷进行为期3 周每周2次血流限制的步行训练后发现，腿部力量的1RM增加了8%，大腿肌肉横截面提升了约6%，而未结合血流阻断的单纯步行锻炼组未见明显改变；此外，相比同样速度的正常步行，血流阻断时身体代谢提高约3%，心率增加约30 bpm。 同样，持续3 周，每周进行3 次，每次持续15 min，负荷为40%的VO的血流阻断结合自行车锻炼，发现大腿横截面提升3.4%，膝关节力量提升7.7%，VO提升6.4%；而对照组在进行相同强度并持续40 min的干预后，并没有产生肌肉力量或有氧运动能力的变化。 通常有氧运动锻炼的强度维持在75%的VO以改善有氧运动能力，而在结合血流限制后通过更低的训练强度更短的训练时间即可提升有氧运动能力，同时还可以增加肌肉力量与围度。

2.3 基于血流限制的康复锻炼

血流限制与运动锻炼的结合有利于缩短伤后或术后康复期的时长，其作为一种低风险的肌肉康复措施被广泛应用于各类康复人群。 基于血流限制的较小负荷的抗阻锻炼即可有效促进肌肉体积和肌肉力量的改善，而基于血流限制的较低强度有氧锻炼即可有效提升人体的有氧运动能力。

肢体骨骼或关节手术后，由于相关禁忌患者往往不能进行较大负荷的运动锻炼，因此相关骨骼肌在长期无负荷状态下自然出现废用性萎缩，表现为骨骼肌体积和横截面积减小、肌肉力量下降。 基于血流限制的小负荷运动锻炼即可有效对抗长期卧病在床或肢体固定导致的废用性骨骼肌萎缩。 血流限制导致的反应性充血可促使肌肉血流量一过性增加，并导致血管容量增加，从而促使受伤早期骨骼肌的康复和相关组织的机能改善。 膝关节术后康复期采用血流阻断结合抗阻训练，股四头肌与腘绳肌的峰值力量与传统康复治疗手段改善更为明显，股四头肌横截面积下降幅度远小于普通康复锻炼组，且基于血流限制的运动康复锻炼可显著缩短患者的康复时间。健康志愿者在踝关节支具固定同时排除任何负重维持14 d 后，下肢远端相关肌群均出现不同程度的肌肉萎缩，所有志愿者分别采取基于血流限制的运动康复和静力性用力康复锻炼；结果发现：静力性康复锻炼组踝关节跖屈背屈肌力相比实验前均显著下降，下肢远端肌围度也显著下降，而基于血流限制的运动康复组相关肌力与肌围度相比实验前无显著下降。 在结合血流限制的低强度运动中，运动负荷过小可能也无法达到理想的康复效果，Visser 等对膝关节交叉韧带重建手术后已发生股四头肌萎缩的运动员连续分别采用血流限制结合小于10% 1RM 的小负荷抗阻锻炼和普通康复锻炼进行干预，结果发现2 组志愿者股四头肌横截面积均显著下降且组间无显著差异。因此基于血流限制的抗阻锻炼负荷可能存在一个最低有效阈值。

2.4 运动锻炼中血流限制的作用机制

血流限制和运动锻炼过程中，代谢副产物的堆积引起参与收缩的肌纤维快速疲劳，从而诱导骨骼肌不断增加高阈值肌纤维的募集，以激活更多数量的肌纤维，达到有效改善神经肌肉募集和动员的目的。 血流限制的运动过程产生的大量代谢副产物会导致相关肌群内pH 值下降，进而刺激传入神经相关感受器，促使脑垂体反射性释放生长激素活动的增强，生长激素浓度显著增加甚至达到静息时的数百倍。 生长激素的分泌进而促使肝脏胰岛素样生长因子的大量释放，生长激素和类胰岛素增长因子1 分泌增加，促使肌纤维合成增加。

血流限制和运动均会促使相关肌细胞内环境发生缺血、缺氧、pH 值下降以及伴随肌肉舒张收缩发生的间断性缺血再灌注，从而诱发一氧化氮合酶（Nitric Oxide Synthase，NOS）与热休克蛋白（Hot Shock Proteins，HSPs）活性上调。 NOS可通过NO 激活雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路增强蛋白合成，同时通过干细胞生长因子激活卫星细胞的分化融合促使肌纤维增粗。 HSPs 有助于蛋白质的转运组装，并在维持细胞稳态中发挥作用，而HSP72 可抑制肌肉萎缩相关分子信号通路，并降低大运动量肌肉收缩过程伴随的蛋白降解。

血流限制的运动锻炼过程中，肌肉舒张时静脉血液淤积及运动过程中代谢副产物的堆积产生的压力梯度可促使血液向肌纤维充盈，从而引起肌细胞的肿胀。 这种运动所致的肌肉充血反应一方面可能有助于减少肌细胞中相关蛋白的水解，另一方面有可能促进肌肉相关蛋白的合成。因此有观点认为，血流限制的运动锻炼过程中，骨骼肌细胞水合作用的增强导致肌纤维充血肿胀反应，有可能是基于血流限制的运动锻炼促进肌肉体积增长的机制之一。

3 血流限制实施时需关注的问题

3.1 血流限制的加压带

尽管血流限制作为一种辅助锻炼措施广受关注，但该技术仍不成熟，缺少统一标准，在应用时具体实施方法仍存在较大差异。 运动期间血流限制带对血管施加的压力可能会引起肌肉感觉不适，而这种不适与袖带宽度及位于袖带与血管之间的软组织垫层密切相关。 相关研究中采用的袖带一般是宽度3 ～13 cm 的弹力带或充气加压袖带，各种袖带结合低负荷强度的运动均可导致肌肉力量和大小的改善，但窄袖带需要施加较大的压力（160 ～180 mmHg），相比宽袖带只需较低的压力（90 ～120 mmHg）即可实现静脉血流的阻断。 宽袖带在使用更低的压力时，即可对肌肉力量和大小的改善产生相同效果，舒适度明显得到提升，而窄袖带有可能会导致肌肉不适感增加促使运动持续时间缩短。

3.2 血流限制的压力

血流限制时施加的压力值是基于血流限制的运动锻炼的主要变量，对需要关注心血管反应的相关人群尤为重要。 Patterson 等认为在实施血流阻断时需根据个体差异调整相关变量，在负荷允许的条件下增加阻断压力。 个体化压力需依据参与者身体成分和血流动力学的差异进行相应调整，压力的设置需确保运动相关肌群受压的不适感最小化和锻炼的有效性。 当前相关研究对血流限制的压力设定较为随意，通常以静脉血流阻断最低压力为标准，也有以参与者个体特征为基础进行压力估算。 基于血流限制的运动锻炼研究中采取的压力存在较大差异，对于压力设置策略尚未达成明确共识。

研究采用的压力范围较大（40 ～160 mmHg），且施加的压力与锻炼效果之间似乎并没有明显的剂量－反应效应关系。 McEwen 等建议施加个性化压力时可依据自身肢体血流完全阻断时所需压力的测量值进行设定，选择预期允许动脉流入的百分比。 Mouser 等认为在进行基于血流限制的运动锻炼时，采用个体化的相对压力有助于解决不同的袖带宽度导致的相同压力绝对值的差异问题。 随血流限制压力的增加，身体的主观不适感逐渐递增，从而可能导致运动能力下降。 血流限制时选择静脉完全阻断而动脉部分阻断的压力值，运动时骨骼肌舒张和收缩交替进行，产生的肌肉泵原理在很大程度上克服静息时静脉阻断造成的静脉回流受阻。 有研究认为，采用可使肌肉产生有效适应的最小压力阈值约为肢体血流完全阻断时所需压力的60%～80%。

3.3 血流限制的加压模式

血流限制的加压模式可分为间歇性加压和持续性加压，加压模式直接影响着运动锻炼的整体效果。 间歇性加压是在运动过程中间断性解除或降低压力，连续性加压是在运动过程中维持压力不变。 持续加压会带来更大的不适感和更严重的乳酸堆积，从而诱发较大的代谢压力和疲劳感。 因此在肌肉骨骼康复过程中需谨慎长时间采用持续加压的血流限制锻炼，而间歇性血流限制或许更具优势。 有氧运动过程中袖带可每隔一定时间重新充放气一次，使肢体相关肌群在压力完全解除后得到有效血氧及血糖的供应，在加压阻断时又再次接受缺血低氧刺激。 抗阻锻炼过程中可以采取组间间隔解除压力和血流限制，使相关肌群血供暂时恢复，锻炼时重新加压进行血流限制以再次经受缺血缺氧刺激。

3.4 基于血流限制的运动强度

基于血流限制的小负荷抗阻锻炼和大负荷抗阻锻炼均能获取与单纯大负荷抗阻锻炼相类似的训练效果和生理适应，但小负荷锻炼可耐受性更强，大强度的血流限制运动锻炼往往难以维持。在进行结合高强度（≥70% 1RM）的抗阻锻炼时，血流阻断会限制ATP 的再生从而导致血乳酸迅速升高。 血乳酸的升高会导致个体无法承受肌肉酸痛所带来的身体负面效应，进而影响到训练效果导致训练的中止。 在周期性有氧耐力锻炼和血流限制联合使用时，运动强度与运动可持续时间直接相关。 因此，基于血流限制的抗阻锻炼多采用20%～40% 1RM 进行，而基于血流限制的有氧锻炼则多用20%～40%的VO进行。

4 基于血流限制的失重生理效应防护

4.1 地面模拟失重环境基于血流限制的失重防护

中国载人航天领域对于血流限制的研究实际起步于1998 年，姜世忠等在人体－6°头低位卧床模拟失重期间，为对心血管系统进行防护，对受试者四肢进行40 mmHg 加压，限制其血液头向转移，结果发现短期模拟失重期间血流限制可有效对抗下肢静脉顺应性的降低，在一定程度预防大脑中动脉的血流速度的改变，从而对抗短期模拟失重后立位耐力的下降。 中国近20 年的研究初步认为，通过四肢加压套带进行血流限制可有效对抗失重导致的心血管功能失调，但尚未对血流限制与运动锻炼相结合的肌肉萎缩防护进行深入研究。

航天医学领域的主流观点是利用加压套带限制模拟失重期间血流的头向转移，减缓血容量的减少。 Toshiaki 等，在24 h－6°人体头低位卧床（Head Down Bed Rest，HDBR）模拟失重期间，采用下肢近端加压套带血流限制与卧床前坐姿对比观察人体血流动力学的反应，压力值分别为100、150、200 mmHg，每次持续10 min，休息10 min；结果发现连续增加的袖带压力改变血流限制水平可导致人体每搏输出量（Stroke Volume，SV）减少、心率（Heart Rate，HR）升高，去甲肾上腺素（Nora⁃drenaline，NA）、血管紧张素（Angiotensin，ANG）和血浆肾素活性（Plasma renin activity，PRA）相对升高，再现了人体立位时血流动力学和神经体液相关反应，从而可在模拟失重期间产生类似重力应激的效应。 Kubota 等也在24 hHDBR 期间，验证了血流限制与低强度的抗阻锻炼相结合的防护策略，实验采用150 ～160 mmHg持续血流限制结合30%1RM 的阻力负荷，进行4 组重复次数分别为30、15、15、15 次组间间歇1 min的腿部屈伸锻炼，结果发现实验组在进行基于血流限制的抗阻锻炼时相比单纯抗阻锻炼的对照组SV 下降、HR 升高，同时血液中PRA、ANG、NA 及乳酸浓度也显著升高，HDBR 期间的血流动力学和神经体液反应与下体负压时观察到的重力应激反应非常接近。 因此基于血流限制的应激结合运动锻炼也有可能是较为有效的失重生理效应防护策略之一。

4.2 空间飞行环境基于血流限制的失重防护

长期航天飞行后，若无相应的失重对抗防护措施，会发生心血管机能失调、肌肉力量减小和有氧运动能力下降等生理效应。 当前国际空间站在轨的各国航天员每天均要耗费大量时间使用跑步机、自行车和阻力器械等进行高强度运动锻炼，以对抗失重所致的不良生理效应。 这些耗时费力的失重生理效应防护对抗措施可在一定程度减弱肌肉萎缩、骨质丢失和肌力下降，但对失重所致的心血管机能失调及其在后续重返重力环境时表现出的立位耐力下降防护效果极其有限。

航天员在轨飞行时面临的失重环境会对人体心血管系统产生较大影响，血液头向分布是最先发生的生理反应。 而采用血流阻断对下肢血流进行限制促使血液滞留下肢，从而在一定程度减少头面部充血等不适，同时通过提高心血管外周总阻力、减少SV 与心排血量等血流动力学改变心血管功能状态。 Hackney 等认为国际空间站的航天员已经在无意间进行了结合血流限制的运动锻炼，航天员在进行自行车锻炼时存在的显著肌肉不适感就来自于腰肩等束缚带，这些束缚装置在低强度运动锻炼中不会产生任何不适反应，而在进行高强度锻炼时会随着运动锻炼负荷的增加在一定程度上限制肢体的血液循环，无法达到目标负荷，同时航天员感到腿部非常疲劳与明显的不适感。 国际空间站航天员所经历的血液循环受限与基于血流限制的运动锻炼极其相似。

基于血流限制的低负荷抗阻锻炼可增加普通健康人群的肌肉大小和力量、减轻特殊人群肢体肌肉萎缩和力量损失，而基于血流限制的低强度有氧锻炼可在增强肌肉的同时增加有氧运动能力，因此基于血流限制的有氧锻炼或许可以同时有效对抗失重所致肌肉萎缩和心血管功能失调。此外，在长期载人航天飞行期间当空间站相关运动硬件出现故障无法有效使用时，以基于血流限制的较低负荷的运动模式进行周期性有氧运动锻炼或许是一种极其有效和便捷的替代性辅助手段。 相比于单纯太空跑台、自行车、下体负压等大型设备，基于血流限制的运动锻炼仅需增加压套带即可增强生理应激反应，从而较大程度提高航天员的锻炼效果。

5 结论

长期载人航天飞行会导致航天员运动能力下降，而体育运动锻炼是目前失重生理效应防护的核心措施。 当前国际空间站所采用的中低强度运动锻炼失重生理效应防护方案耗时较长且防护效果有限，高强度锻炼虽能更为有效对抗失重所致的多系统不良生理效应但需要较大的锻炼设备和较高的维修成本。 基于血流限制的运动锻炼通过较低强度的锻炼就能达到高强度锻炼的防护效果，且同时改善肌肉力量和有氧运动能力，未来可作为中国空间站现有失重防护运动锻炼方案的辅助和补充。