基于运动特征的人体骨密度发展现状与影响机制研究

周磊 丁亮

（东南大学 江苏 南京 211189）

悠悠民生，健康最大。人民的健康问题是关乎国家建设和可持续发展的重大问题。2016 年，国务院《“健康中国2030”规划纲要》指出新阶段我国“全民健康”的新目标和新要求，提出开展健康骨骼行动，主张国民积极参与体育锻炼，增强体质。当下，由于现代人群长期久坐、伏案工作弯腰、熬夜、精神压力大、活动量少，日常饮食上又存在偏食、高盐饮食、快餐，大量饮用碳酸饮料、咖啡等饮品，喜欢吸烟、酗酒等不良生活方式，以致危害人体的骨骼健康。本文从运动的相关要素及特性出发探究其对人体骨密度的作用机制及干预疗效，以期通过有效的运动干预，寻求预防和改善骨骼健康问题的解决方案，对促进骨骼健康发展意义重大。

1、人体骨健康的发展现状

骨骼的健康发展关乎人体内外系统的功能和生命健康。一项全球研究显示，2019 年全球骨病患病病例约4.55 亿，自1990 年以来增加近70%，其中新发病例1.78亿，同比1990年增长33.4%（如图1）。

图1 1990-2019 年全球骨病患病率增长变化图

在我国，从儿童到中青年，再到老年人群，骨关节炎、骨质疏松、脆性骨折等骨骼健康问题日益凸显。2018 年中国骨质疏松症流行病学调查结果发现，我国仅骨质疏松症的患病率就高达13%，预计到2035 年，每年骨质疏松的数量将达到483 万例次，到2050 年预计约达到599 万。我国存在骨骼健康风险的人群比例逐年增加。Peng Chen 等对中国骨质疏松症患病率进行荟萃分析中发现(如图2)，从2003-2015 年的12 年间，我国骨质疏松的患病率明显增加，其中发病年龄在15-24 岁年龄段的骨质疏松患病率达16.96%，25-35 岁年龄段的骨质疏松发病率高达28.09%。骨骼健康风险的增加，不仅大大提高骨病的风险指数，还可能引发某些并发症及慢性疾病，不仅严重危害人体健康，也给公共卫生系统造成了极大的负担。

图2 2003-2015 年中国居民各年龄段骨质疏松患病率

由于人们长期忽视骨骼健康问题，对骨健康状况缺乏关注及监测，导致了骨性疾病患病率急剧上升。不仅多发于老年人群，在中青年人群中的发病风险也持续增大。2018 年国家卫生健康委的一项调查显示，我国居民对骨骼健康问题的认知普遍不足，20-40 岁人群关于骨质疏松症相关知识的知晓率仅为11.7%，其中男性10.5%，女性13%，城市地区为17.8%， 农村地区为8.1%。在骨质疏松症患者中，知晓自身患病的比例也比较低。其中，20-50 岁人群接受过骨密度监测的比例仅为2.8%。

2、骨密度诊断与人体健康

骨密度(bone mineral density，BMD)又称骨骼矿物质密度，是衡量骨骼强度、反映骨骼代谢状况、评价骨骼健康的重要指标。其诊断参数主要是反映骨密度及弹性的超声波传导速度(SOS)、表示受检者与同龄同性别骨密度平均声速值百分比的骨质疏松指数(OI)、用以判断人体BMD 是否正常的T 值(T-score)及反映被检者与正常同龄人BMD 差异的Z 值(Z-score)。对正常人群的诊断标准通常使用低于-2.0 标准差法。

世界卫生组织（WHO）制定的骨密度诊断标准，采用T 评分和Z 评分判断患者骨密度情况。指标计算方法及诊断标准如下：

2.1、T 值计算方法及诊断标准

2.2、Z 值计算方法及诊断标准

表2 Z 值对照标准

人体骨量自出生起随年龄增长呈现出先缓慢上升，在达到一定峰值时维持一段平台期，此后呈现逐年下降的变化趋势。当骨骼在某一时期达到最大骨量，即骨峰值时，骨密度达到最大值。随后骨量开始流失，继而出现骨质疏松等骨骼健康问题。除年龄和性别外，人体骨密度还与遗传、运动、身体成分、生活习惯和饮食等诸多因素有关。

在治疗和预防骨骼健康问题上，传统药物治疗以激素为主，长期使用激素将对人体造成不可逆的损害，增加生殖器官恶性病变的风险。而传统合成代谢药物和抗吸收药物虽能够在一定程度上预防骨质疏松，但此类药物成本高且副作用大。当前，运动影响人体能量代谢，改善人体生理机制已被广泛接受，许多慢性疾病的预防与治疗都引入了运动疗法。研究发现，运动对骨量的影响比例远超骨代谢相关激素、钙、维生素D 等作用。运动作为关键变量被广泛用于骨密度的调节和控制，是影响人体BMD 的重要物理因素，对骨骼健康问题具有积极效用。

3、体育运动对人体骨密度的影响

骨骼的新陈代谢与骨形成和骨吸收有关。研究表明，运动能够影响骨代谢，使BMD 增加，延缓骨量流失。这是由于运动通过直接与间接两种方式作用于骨骼，增加骨骼的负载，能够刺激骨形成，使骨径变粗，提高骨的抗压、抗弯及抗扭转力等性能。然而，运动对人体的刺激反应比较复杂，除不同方式、强度及频率的区别，还体现在机体与骨代谢相关的激素水平等问题上。因此，根据年龄的阶段性特征选择适宜的运动方式及强度对人体骨健康的促进作用更明显。

3.1、体育运动对不同年龄人群骨密度的影响

人体骨骼在不同年龄阶段表现出不同的力学特性。幼儿时期，骨骼的有机质和无机质比例均衡，各占50%，骨骼柔软而富有弹性；成人骨骼的有机质和无机质的比例接近3:7，骨骼硬度较大，弹性适中，骨的力学特性处于最佳状态；而老年人骨骼中无机物含量较高，骨骼脆性较高，具有较高的骨折风险。正是由于各年龄段人群特点不同，使运动对不同年龄人群的BMD 产生差异性影响。青春期是影响峰值骨量最敏感时期，人体50%的峰值骨量在此时期形成。青少年时期进行运动训练能够显著促进骨骼发育，更有助于BMD 的提高。

Janz 等探究4-6 岁的学龄前儿童日常活动量与BMD 的关系，发现体力活动与儿童的骨矿物含量和BMD 均相关且具有促进作用。Hind 等发现青春发育期之前参加身体活动可额外增加约1%-6%的骨量，而青春发育期后额外增加的骨量仅有0.3%-2%。可见，儿童时期特别是青春发育期前进行体育运动更能促进骨量的增长和骨骼发育。另有研究表明，青少年时期增加的骨量在成年期以后仍然与初始骨量有密切相关性，老年期近60%的骨质疏松是由青少年时期总骨量（bone mineral content，BMC）的积累过少引起的。刘忠民等对147 名20-60 岁的女性进行运动干预，测量受试者跟骨BMD，发现运动对不同年龄段女性的跟骨BMD 具有促进作用，其中20 岁、40 岁、50 岁三个年龄段存在显著差异。因此，青少年时期是影响成年后人体的骨量峰值的关键时期，通过运动干预能更有助于人体基础骨量的提高。

3.2、不同运动强度对骨密度的影响

运动强度与BMD 密切相关，不同的强度设置影响干预的效果和水平，对BMD 影响不同。相关研究显示，当强度处于骨骼承受力的阈值内时，运动强度与BMD 呈正相关。随着运动强度增大，BMD 呈增长趋势，当超出阈值，骨代谢发展受抑，无法有效提升BMD 且增加了骨折风险。

不同强度的干预对机体的作用效果存在区别。低强度运动不能有效提高BMD，这是由于低强度负荷低于骨应变的应力阈值，不能有效刺激骨组织，无法达到明显增强BMD 的作用。而中等强度运动更具效用，主要表现在骨代谢水平及BMD 的提高上。其作用机制如下：（1）适宜强度的运动通过应力对骨产生负荷，骨骼接受刺激并产生应变使成骨细胞活性增加，骨形成大于骨吸收使骨矿物质积累，造成BMD 增加；（2）机体进行适宜强度的运动时，一系列的生化反应增加了前列腺素的合成与释放，促进细胞内DNA 和RNA 生成，引发骨细胞的分化与增值，导致新骨形成；（3）适宜强度的运动影响体内性激素水平，骨代谢受骨血流量等多种机制作用，使骨量升高。刘玉琳等在不同强度跑步运动对2 型糖尿病并发骨质疏松大鼠的研究中，发现中低强度运动对改善骨质疏松具有积极影响。强度过大则可能引起骨代谢的负向发展，导致BMD 下降，不利于骨健康。目前已有研究对此作出解释：（1）大强度运动引发机体内分泌功能失调，运动医学中的“女运动三联征”就是从该方面对骨密度降低做出解释。长期进行大强度运动使机体过度疲劳，干扰了下丘脑—垂体—性腺轴，使性激素的生成受抑，血液中雌激素（雄激素）浓度降低，骨代谢过程中骨吸收大于骨形成，从而导致BMD 下降；（2）大强度运动造成肌肉疲劳，减弱了肌肉对应力的缓冲作用，导致应力集中，因而出现骨折及骨量流失。曹鹏在探究不同负荷跑台运动对老龄雌性大鼠骨量及骨代谢指标影响的实验中，论证了低、中强度对老龄雌性大鼠BMD 的积极作用，而大强度运动无显著效果。此外，Frost 提出“力学稳态理论”也解释了过量运动导致BMD 下降的机理。

从运动强度的角度研究能够维持和增加BMD 水平的运动处方，发现力量性训练的强度为1RM 的60%-80%，耐力训练的强度为人体最大心率的60%-85%，或大于本人无氧阈水平均能维持和增加BMD。而强度过大甚至可能引起BMD 下降。因此，一般认为运动强度保持人体最大摄氧量的60%-70%能够更好地促进骨密度增大，从而达到更好的锻炼效果。

3.3、不同运动时间和频率对骨密度的影响

在特定运动项目与运动强度的干预下，不同的运动时间周期和频率对人体BMD 的影响不同。选择和确定运动的频率和时间尤为重要。戴金彪等以714 名青春期女性为研究对象，发现户外活动高于6h/week 的女性较于6h/week 的女性BMD 值更高。修晓雨等按运动项目及运动频率将受试者分为体育专业组(频率为5 次/周)，体育人口组(频率为3-4 次/周）和对照组(频率为1-2 次/周)，测量并比较其BMD，得出体育专业组和体育人口组的BMD 改善作用高于对照组，其中短跑专项组、武术专项组效果显著。经研究比较，认为运动频率≥3 次/周、运动时间≥30min/次的安排可作为青年时期促进骨健康的运动处方。陈晓红等将3 月龄雌性大鼠随机分为9 组：去卵巢组(OVX 组),假手术组(SHAM 组),去卵巢+运动组(OVX+T 组),分别于4 周、8 周、12 周取材测试，用DXA 测定大鼠全身BMD，结果显示：与同期去卵巢组大鼠相比,去卵巢结合4 周运动组无显著变化,去卵巢结合八周运动组、去卵巢结合12 周运动组显著升高，虽仍低于同期SHAM 组，但两者之间无显著性差异，由此得出结论：持续4 周的中等强度跑台运动未对去卵巢大鼠的骨密度产生明显影响；持续8 周及以上的中等强度跑台运动不仅可显著抑制去卵巢大鼠的骨吸收，还能明显改善由于去卵巢所导致的BMD下降。一般来说，适宜的运动次数为3-5 次/周，但运动次数和频率的选择还需结合专项运动的具体特性，如赵杰修对运动干预提高BMD 的研究分析中发现大于3 次/周的运动安排对骨密度改善无显著性，而小于3 次/周则更有益。因此，运动频次的选择对人体骨密度的作用并非完全线性相关，适宜的运动方式及频次的选择才更具优势。

3.4、不同特性运动对骨密度的影响

运动方式的特点决定了其主要的特征形式，不同类型的体育运动具有自身不同的多种特性。同时，运动方式的选择需与其运动特征相互匹配。考虑体育运动的特性将其划分为：耐力性运动、力量性运动和冲击性运动。不同特征的体育运动方式存在特异性，对人体BMD 的作用特点及效果存在差异。

（1）耐力性运动项目对骨密度的影响。

耐力性运动对人体BMD 及BMC 的作用当前仍存有争议，现有研究显示两种相悖的结果，以致其作用效果至今未有定论。Rockwell 等对长跑者第一腰椎骨矿物质含量进行CT 测量，发现长跑组骨矿物含量相比对照组增加近40%。而另有大量研究表明耐力性运动对改善人体骨密度并无显著影响；如Krik 等对比长跑训练与同龄不跑步训练的绝经女性的脊椎骨矿物含量发现两者并无差异。马涛等研究表明，游泳、自行车等有氧耐力运动对骨密度的提高作用不明显，甚至有降低作用。耐力性运动是以消耗糖和脂肪为主要代谢供能的运动，是相对较易于掌握的运动类型，常见的该类型项目有长距离跑步、游泳和骑自行车，以及健步走、健身操、广场舞、慢跑、竞走等，其特点是强度较低，持续时间长。张军认为单一的有氧运动方式不能满足人们对健康促进的需求，有氧锻炼虽然可以促进脂肪分解，但难以控制机体的肌肉和骨量流失。当前，大多数研究肯定了耐力性运动对促进骨形成、提高腰椎、股骨、跟骨等部位BMD 的积极作用，而此变化可能只产生较小的影响。

（2）力量性运动项目对骨密度的影响。

力量性运动能够提高BMD 改善骨质疏松已基本成为业界共识。力量性运动主要通过给肢体施加一定的阻力，使肌肉收缩力与外力同时作用于骨表面，骨表面细胞产生应力—应变刺激，引起骨骼兴奋，刺激骨组织生成，从而引起骨密度增加，促进骨骼正向生长。朱建明等对我国运动干预骨质疏松症研究发展现状的分析表明，抗阻训练在改善骨骼质量方面发挥着重要作用。Procopio 选取了12-20 岁女子竞技体操运动员，随机分为抗阻训练和体操训练组，力量训练组进行10 周，每周2 次的抗阻训练，体操训练组继续定期参加体操练习，研究表明抗阻训练能够显著提高运动员BMD，力量性训练的强度不同对人体BMD 影响具有显著区别，适当强度的力量性训练更有助于改善骨质疏松。较高强度的抗阻力量训练优于普通低强度训练，其原因可能在于一定范围内的抗阻力量训练强度越强，肌肉收缩速率越快，对骨骼刺激越大，骨骼生长能力越强。

（3）冲击性运动项目对骨密度的影响。

冲击性运动是指运动过程中受力点对机体瞬间的反作用力。根据运动项目特征可分为高冲击运动和低冲击运动。跑步、篮球、体操等运动项目就属于高冲击性运动，而游泳、划船等项目则属于低冲击性运动。Cassell 比较了青少年体操运动员、游泳运动员与非运动员的差异，发现体操运动员BMD 更高，相比耐力性运动和力量性运动，大冲击量运动更有利于骨质增长和BMD 的提高。Stanforth D 等对18-23 岁篮球、排球、足球、游泳、田径短跑和跳远的女子一级运动员进行为期3 年的BMD 测试，测试全身、四肢、脊柱、骨盆BMD 及BMC 水平，将18-24 岁女大学生作为对照组，发现篮球、排球、足球和田径运动员BMD 均高于游泳运动员，且冲击性与非冲击性的BMD 与BMC 差异较大。才冬冬研究运动训练对大学生跟骨BMD 的影响中比较了各运动项目的作用差异，发现排球项目相比田径、篮球、乒乓球等项目影响效果更突显。李炜斌通过对各项目组的分析比较，发现足球、篮球等竞技运动对儿童前臂和跟骨骨密度有显著的促进作用；但游泳等非负重、非冲击性运动对儿童骨密度的影响较小。高冲击、抗阻性和克服重力训练对骨密度的影响效果最好，其次是耐力项目。而低冲击和无负重训练对人体骨密度几乎没有影响。

由此可见，高冲击力的负荷运动能提高少年运动员的BMD。高冲击性运动主要在跳跃运动中出现，WitzkeKA 等对青春期女子进行9 个月的跳跃训练，发现长时间的跳跃训练可以增加青春期女子的骨峰量。Fuchs 等人的研究表明进行适宜的跳跃运动能增加其股骨和腰椎BMD。袁华春等在研究跳跃运动对青少年骨密度影响时发现，规律性跳跃可显著增加青少年BMD。

跳绳作为规律性、连续性跳跃运动方式之一，在运动过程中会对人体产生持续性冲击作用，对人体BMD 具有积极影响，由于跳绳运动中，人体与地面产生相互作用力，使得骨骼受到规律而连续的冲击作用，在这种持续应力挤压下，人体骨骼的骨量和骨质会发生变化，有益于BMD 的提高。Robin K 研究跳绳运动对改善青春期前儿童BMD 的作用机制时发现，跳绳运动在地面的反作用力是人体体重的8 倍，可以有效的增加儿童股骨颈和腰椎BMD。曾捷研究跳跃运动对青少年跟骨骨密度与体质的影响时，对青少年实施为期3年的跳绳干预，分为实验组与对照组各50人，并测量受试者BMD 及体质健康相关指标，结果发现，跳绳运动显著提高青少年跟骨骨密度，能够有效改善青少年学生体质健康状况。邱超波采用不同负荷的跳绳运动对青年男性骨密度进行研究，分别对受试者进行沙背心负重、加重绳和增加跳绳频率3 种负荷方式进行12 周的运动干预，得出负重负荷对BMD 的效果优于绳重负荷和次数负荷，对比上肢BMD 发现绳重负荷更优。由此，选择有效的运动手段、制定合理的运动安排对人体骨健康具有更为积极的促进作用。

4、结论

事实上，运动在骨发育、成长和老化的整个进程中都起着关键作用。运动致使骨内微电位产生变化，随着运动负荷的增加，骨内产生的负性微电位易结合阳性钙离子，促进骨的生成。在运动过程中，机械负荷作用于骨骼，肌肉收缩过程也会造成对骨骼的挤压，能够直接或间接的作用于骨骼，促进骨的新陈代谢，使骨形态发生适应性变化，不仅能够减缓人体随年龄增长的骨量流失，同时提高骨密度和人体峰值骨量，对治疗和预防骨骼健康问题收效显著。

不同的运动对改善人体骨密度的作用不同，在选择合适运动方式的前提下，需充分考虑运动的特点，制定合理的运动计划，综合强度、时间和频率等各类要素。研究发现，不同特征的运动方式对骨质发展的影响迥异，其中抗阻训练与冲击性运动更有利于骨量与骨强度的提高。其次，冲击性运动对增加骨密度，改善骨质作用相比其他特性的运动更为显著，尤以反复纵跳更为突出。其主要机理在于人体进行纵跳练习时需克服纵向负荷，受到来自地面的连续性、规律性的反向冲击，从而使皮质骨加厚，骨密度增大。