全身振動訓練治療骨質(zhì)疏松癥的臨床和基礎(chǔ)研究進展

張麗，甕長水

全身振動訓練治療骨質(zhì)疏松癥的臨床和基礎(chǔ)研究進展

張麗，甕長水

全身振動訓練是通過機械振動和外在抗阻負荷誘發(fā)神經(jīng)肌肉反射、同時給予骨骼重復性的應力刺激進而改善肌肉-骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的訓練技術(shù)，是一種新興的非藥物、無創(chuàng)的骨質(zhì)疏松癥干預方式。本文對全身振動訓練治療骨質(zhì)疏松癥的安全性、有效性以及作用機制進行綜述，以期為該技術(shù)在臨床的應用和推廣提供參考。

振動訓練；骨質(zhì)疏松癥；肌肉骨骼系統(tǒng)；老年人；綜述

[本文著錄格式]張麗，甕長水.全身振動訓練治療骨質(zhì)疏松癥的臨床和基礎(chǔ)研究進展[J].中國康復理論與實踐,2014,20(10): 935-939.

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis)是一種中老年人群中常見的、以骨量減少、骨組織微結(jié)構(gòu)破壞、骨脆性增加和易于骨折為特征的代謝性骨病。隨著老齡化社會的到來，骨質(zhì)疏松癥已經(jīng)成為世界性的公共健康問題。流行病學調(diào)查顯示，全球約有2億骨質(zhì)疏松癥患者，而我國也有將近8000萬患者[1]。骨質(zhì)疏松癥的嚴重后果是發(fā)生脆性骨折，可導致老年人群病殘率和死亡率增加，對其健康狀態(tài)和生活質(zhì)量造成嚴重危害，并帶來沉重的家庭、社會和經(jīng)濟負擔[1]。

骨質(zhì)疏松癥的預防和治療包括基礎(chǔ)措施(合理飲食、適當日曬、良好的生活方式等)、藥物干預以及運動療法等綜合治療，其中針對骨質(zhì)疏松癥的運動訓練方法存在耗時長、依從性差、對患者體能要求較高、存在一定損傷風險等問題。積極探索新的治療技術(shù)，對增強療效、提高患者生活質(zhì)量具有重要意義。

全身振動療法(whole-body vibration therapy)，或稱全身振動訓練(whole-body vibration training)，最早在國外應用于航天訓練、熱身、肌力增強訓練等多個領(lǐng)域，并發(fā)揮獨特的優(yōu)勢，近年來該項技術(shù)開始應用于肌肉-骨骼系統(tǒng)的臨床康復[2-3]。本文在回顧相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，對全身振動訓練治療骨質(zhì)疏松癥的療效和作用機制進行綜述，以期為該技術(shù)的臨床應用提供參考。

1 全身振動訓練的概念和分類

全身振動訓練是一種通過機械振動和外在抗阻負荷誘發(fā)神經(jīng)肌肉反射，促進肌肉收縮，同時給予骨骼重復性的應力刺激進而改善肌肉-骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的康復訓練方法[4]。在臨床上，全身振動訓練可以直接作用于神經(jīng)、骨骼、肌肉和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)[5]，其即刻效應表現(xiàn)為改善局部循環(huán)狀態(tài)、增加肌肉爆發(fā)力，長期效應主要表現(xiàn)為增強肌肉耐力、改善平衡功能、增加骨密度，適用于肌少癥、膝/髖骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥等多種肌肉-骨骼-關(guān)節(jié)系統(tǒng)疾病，腦卒中、帕金森病、多發(fā)性硬化等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，以及代謝綜合征、虛弱等臨床癥候群的治療[2-3,6-7]。

根據(jù)作用模式，振動訓練可分為直接振動和間接振動兩大類。直接振動是指將振動刺激直接施加于肌腹或肌腱上，效應部位相對局限，適用于小范圍病變的治療；間接振動是指振蕩器置于遠端，振動刺激經(jīng)由機體間接傳遞給目標肌群和骨骼結(jié)構(gòu)。全身振動訓練即屬于間接振動的范疇。訓練時受試者多取直立位或微曲蹲位，站立在振動平臺上，機械刺激從平臺傳輸?shù)较轮脱?。Rubin等的研究證實，人處于直立位，振動頻率為30 Hz時，會有70%的機械振動能量傳遞到股骨和腰椎[8]。全身振動訓練是目前振動治療中應用最廣泛的方式。

根據(jù)振動方向，全身振動訓練可分為垂直振動、水平振動和以水平面為軸的擺動振動三種模式[9-10]。根據(jù)振動的方式，又可分為同步振動模式和交替振動模式。不同振動模式對機體的刺激效應存在一定差異[11]。同步振動模式采用頻率較高(一般為數(shù)十赫茲)，刺激肌肉收縮、維持振動傳遞的效應更為直接、有效；交替振動刺激模擬人體行走狀態(tài)下的運動模式，在促進肌肉收縮的同時，對骨骼、平衡和姿勢控制能力以及步態(tài)功能亦有促進和加強作用。同時由于采用頻率相對較低(一般低于30 Hz)，可有效降低機械共振作用引起的副作用和并發(fā)癥風險，因此近年來在臨床上的應用發(fā)展迅速[12]。

2 全身振動訓練治療骨質(zhì)疏松癥的臨床研究

2.1 骨骼

關(guān)于全身振動訓練對骨骼組織效應的臨床證據(jù)最早來自于Verbovo?等的研究。他們發(fā)現(xiàn)，6個月全身振動訓練增加了絕經(jīng)后女性骨質(zhì)疏松癥患者的下肢肌肉力量和髖部骨密度[13]。Torvinen等的研究發(fā)現(xiàn)，對絕經(jīng)后女性骨質(zhì)疏松癥患者每天進行10 min、垂直方向、為期8個月的全身振動訓練，可有效地延緩其股骨上端的骨丟失過程，治療和預防骨質(zhì)疏松癥[14]。Ruan等也發(fā)現(xiàn)，3～6個月的全身振動訓練(頻率30 Hz，振幅5 mm，每次10 min，每周5次)可以有效改善絕經(jīng)后女性骨質(zhì)疏松癥患者的慢性背部疼痛癥狀，增加其股骨頸和腰椎的骨密度[15]。在此基礎(chǔ)上，Gusi等進一步采用雙能X線骨密度測定(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)和平衡功能評估，比較步行訓練與全身振動訓練(頻率12.6 Hz，振幅3 mm，每次6 min，每周3次，訓練周期為8個月)在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥且具有骨折高風險的女性患者中預防骨折的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全身振動訓練可以有效增強股骨頸和腰椎的骨密度，且比步行訓練組股骨頸骨密度的改善程度高出4.3%，同時平衡能力得以改善，有效降低跌倒和脆性骨折的發(fā)生風險[16]。

當然，并非所有的研究都取得一致的結(jié)果和結(jié)論。如Iwamoto等的研究表明，對絕經(jīng)后女性骨質(zhì)疏松癥患者進行全身振動訓練后發(fā)現(xiàn)，骨密度無明顯改善，但進一步分析發(fā)現(xiàn)，研究中采用振動頻率為20 Hz，每周1次，每次訓練時間為4 min，推測振動刺激強度不足可能是骨骼效應不明顯的原因[17]。Lau和Mikhael等的薈萃分析結(jié)果也證實，全身振動訓練對絕經(jīng)后中老年女性骨質(zhì)疏松癥患者的髖關(guān)節(jié)或腰椎骨密度有明顯的改善作用，但與主動運動方式比較并無顯著性差異[18-19]。

然而，全身振動訓練區(qū)別于其他運動訓練方法的優(yōu)勢并不在于治療效應更為顯著，而是能夠以更小的負荷有效提高和改善骨質(zhì)結(jié)構(gòu)和骨密度，使得該方法更適合于骨質(zhì)疏松人群中高齡、運動功能受損、長期臥床或活動受限以及超重或肥胖患者[20]；而且由于肌肉-骨骼結(jié)構(gòu)對全身振動訓練的振動劑量和強度非常敏感，很短時間的訓練過程即可產(chǎn)生效應。Skerry等發(fā)現(xiàn)，僅僅作用于骨組織72 s的振動刺激即可產(chǎn)生最大的成骨負荷效應[21]。因此，全身振動訓練時間很短(一般不超過10 min)，且操作方法簡單，更易于為老年患者所接受。

2.2 骨外組織

對于骨質(zhì)疏松癥患者，跌倒的發(fā)生可產(chǎn)生嚴重后果，即發(fā)生脆性骨折，主要多見于腰椎、髖部及上肢腕部的骨折，嚴重危害老年人的健康和生活質(zhì)量。老年人群跌倒的發(fā)生是多種風險因素，如下肢肌肉力量下降、平衡功能和協(xié)調(diào)性受損以及步態(tài)異常等綜合作用的結(jié)果，因此針對跌倒的預防也應該制定多因素的綜合干預方案。

研究顯示，全身振動訓練在增加骨質(zhì)疏松癥患者骨密度的同時，也會對上述老年人常見的跌倒風險因素產(chǎn)生正性改善作用：全身振動訓練可以誘發(fā)肌肉張力性振動反射(tonic vibration reflex,TVR)，降低張力及本體感受器——高爾基腱器官(Golgi tendon organ,GTO)的抑制反應，并激活肌梭(muscle spindle,MS)產(chǎn)生興奮訊號，刺激脊髓α運動神經(jīng)元，引起肌肉反射性收縮。因此，能夠有效地增強下肢肌肉力量和本體感覺功能，可提高神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對骨骼的保護作用[3]。

多個臨床試驗結(jié)果表明，全身振動訓練可增加老年人下肢肌肉的最大力量、爆發(fā)力及耐力，增強運動功能，提高計時起立-行走測試(Timed Up and Go Test,TUGT)成績，并能增強本體感覺、平衡功能和靈活性，改善其健康狀態(tài)[22-23]。Bogaerts等報道為期1年的全身振動訓練對老年人群心肺功能和肌肉力量的影響，結(jié)果表明全身振動訓練可明顯改善心肺功能和肌力，效果與抗阻訓練效果相似[24]。針對性的系統(tǒng)評價結(jié)果也顯示，全身振動訓練對肌肉-骨骼組織的形態(tài)和功能可產(chǎn)生確實有效的改善作用，而且與主動運動比較，全身振動訓練對下肢的肌力力量和功能具有更加明顯的促進效應[18]。

現(xiàn)有的臨床研究證明，全身振動訓練不僅可增加原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥患者的骨密度，特別是腰椎、髖部以及下肢骨密度，促進骨形成，延緩骨吸收和骨丟失過程[17,25]，而且可以同時增強骨骼肌肌肉力量和運動功能[24,26]，改善平衡、協(xié)調(diào)性和步態(tài)能力[27-29]，從而能夠同時達到治療骨質(zhì)疏松癥、預防跌倒和脆性骨折的效果[30]，因此更加適合和滿足骨質(zhì)疏松癥綜合治療和管理的需求。

就全身振動訓練應用于中老年骨質(zhì)疏松癥患者的安全性而言，目前尚未發(fā)現(xiàn)嚴重的并發(fā)癥或副反應報道。但有文獻認為，不適當?shù)貞没蛘駝訒r間過長，可能會導致肌肉-骨骼的慢性疲勞或損傷[31]。因此臨床應用全身振動設(shè)備時，須持續(xù)監(jiān)測患者治療反應，同時，嚴格掌握全身振動訓練的臨床禁忌癥，如下肢血管血栓形成、急性疝氣、訓練部位肌肉骨骼系統(tǒng)病變急性期(如椎間盤突出癥急性期、肌肉/筋膜的急性炎癥、骨折初期)，以及局部皮膚新鮮創(chuàng)面或疤痕等，十分必要。

3 全身振動訓練治療骨質(zhì)疏松癥的機制研究

3.1 骨細胞代謝

骨骼生物力學效應的本質(zhì)是骨骼系統(tǒng)對機械力學信號的應變過程，適當?shù)臋C械負荷引起的骨應變會誘導骨量增加和骨結(jié)構(gòu)改善[32-33]。全身振動訓練即是通過機械振動所產(chǎn)生的外源性應力和經(jīng)由肌肉收縮傳導的內(nèi)源性應力，直接和間接引起骨組織發(fā)生應變，進而在骨重建過程中發(fā)揮重要的作用。研究顯示，機械振動作為一種低強度的力學刺激信號，以較高的頻率作用于骨骼時，可通過拉伸應力和壓縮應力的形式，轉(zhuǎn)變?yōu)楣切纬苫蚬俏盏纳盘柌鬟f給效應細胞，刺激骨祖細胞-成骨細胞活性，抑制骨溶解過程，從而促進骨密度的增加[21]。

機械振動刺激通過調(diào)節(jié)具有機械信號識別和應答能力的敏感細胞，包括骨祖細胞、成骨細胞、骨細胞和間充質(zhì)細胞的活性，并進一步影響其干細胞的增殖和分化來促進骨重建過程[34]。其中Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導通路的功能主要是介導細胞間黏附和參與基因表達，在細胞的增殖、分化和凋亡等方面具有重要的調(diào)節(jié)作用。針對卵巢切除后老年骨質(zhì)疏松癥大鼠的實驗研究發(fā)現(xiàn)，全身振動訓練后，大鼠瘦體重成分增加，脂肪成分減少，脛骨近端的骨密度顯著高于非全身振動組；同時大鼠骨髓細胞Wnt/β-catenin信號傳導通路中對骨細胞的增殖、分化起重要調(diào)節(jié)作用的磷酸化糖原合酶激酶-3β(p-GSK3β)表達量顯著高于非全身振動組，提示全身振動訓練能激發(fā)骨質(zhì)疏松癥大鼠模型中骨髓細胞GSK3β的蛋白表達，激活Wnt/β-catenin信號通路，刺激骨髓基質(zhì)干細胞向成骨細胞分化，增加骨轉(zhuǎn)換率，加速骨的重建和骨量的積累，從而改善由于卵巢切除后所引起的骨質(zhì)流失[35]。

在3種老年性骨質(zhì)疏松癥小鼠模型中，Wang等都發(fā)現(xiàn)，骨骼間質(zhì)干細胞受到低強度的機械振動信號刺激后，可以產(chǎn)生并分泌一種具有促進骨形成作用的Wnt信號通路調(diào)節(jié)因子R-Spondin 1，而且R-Spondin 1的分泌水平與振動強度之間存在正相關(guān)關(guān)系[36]。Pichler等通過潑尼松龍誘導的骨質(zhì)疏松癥大鼠模型，評估跑步機和全身振動訓練對骨細胞代謝通路的影響，結(jié)果表明，在非振動訓練組，核因子κ-B配體受體激活劑(receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand,RANKL)，又稱為破骨細胞分化因子(osteoclast differentiation factor,ODF)的表達顯著增加，可活化破骨細胞，加速骨質(zhì)破壞和吸收；而在振動訓練組ODF的表達量下降。與之相反，骨保護素(osteoprotegerin,OPG)，又稱為破骨細胞抑制因子(osteoclastogenesis inhibitory factor,OIF)的表達在非振動訓練組顯著下降，而在全身振動訓練組表達增加，通過與核因子κ-B受體激活劑的結(jié)合，減少破骨細胞的產(chǎn)生和活化。這些結(jié)果提示機械振動刺激可能促進成骨細胞活性，刺激新骨形成，抑制破骨細胞的活性，在一定程度上具有同化激素作用[37]。巫松輝等也發(fā)現(xiàn)，全身振動訓練的振動刺激能抑制RANKL誘導的破骨細胞形成，下調(diào)破骨細胞特異基因的表達，進一步地闡釋全身振動訓練抗骨質(zhì)疏松的作用機制[38]。

3.2 骨骼肌肉組織循環(huán)

已經(jīng)證實，鈣質(zhì)易在酸性環(huán)境中溶解。骨內(nèi)血流量的降低使局部微環(huán)境pH值下降，導致骨小梁外層鈣離子的溶解，加速骨質(zhì)流失，因此骨內(nèi)血流灌注減少也是造成骨質(zhì)疏松的重要因素。Jordan等認為，骨密度在一定程度上與骨灌注量直接相關(guān)[39]。全身振動訓練過程中，振動產(chǎn)生的機械應力作用于骨骼，可直接迅速促進骨內(nèi)血液循環(huán)，同時骨骼肌的頻繁收縮不僅大量增加肌肉的血液供應，而且也增加骨皮質(zhì)的血流量[39]。 Suhr等還發(fā)現(xiàn)，全身振動訓練產(chǎn)生的振動剪切應力可以誘導骨內(nèi)微小血管生成[40]。

骨骼血流量的增加，一方面將鈣和其他營養(yǎng)物質(zhì)運送到骨細胞，帶走代謝產(chǎn)物，加速骨內(nèi)營養(yǎng)供應和代謝過程；另一方面，使骨組織內(nèi)環(huán)境保持中性，可刺激骨祖細胞和成骨細胞活性，增強成骨細胞對鈣和其他礦物質(zhì)的吸收和利用，促使鈣質(zhì)成分在骨小梁外層的沉積和骨質(zhì)形成，同時抑制破骨細胞活性，減緩骨溶解和骨流失過程[39]。

3.3 激素和細胞因子

骨骼細胞是多種正性激素和細胞因子的靶細胞，如睪酮與雌二醇可促進骨祖細胞的活性，加速骨膠原和骨基質(zhì)的形成，對維持骨細胞的正常代謝十分重要。

機械振動刺激可使睪酮、生長因子等多種增殖性激素的血清水平提高，可促進骨祖細胞向成骨細胞的增殖和分化，加速骨代謝；振動還能提高體內(nèi)降鈣素的含量，降低破骨細胞的活性和數(shù)量，抑制骨質(zhì)吸收和骨鈣釋放，同時調(diào)節(jié)成骨細胞的活性，骨形成增加，從而提高骨密度[41]。許猛子等對絕經(jīng)后女性骨質(zhì)疏松癥患者的研究發(fā)現(xiàn)，全身振動訓練(頻率30 Hz，每次10 min，每周3次)治療12周后，患者的腰椎骨密度上升，骨痛癥狀改善，而且改善程度均優(yōu)于服用碳酸鈣-維生素D3組患者；同時振動干預組患者血清白細胞介素1β(interleukin,IL-1β)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)水平降低，胰島素樣生長因子-I(insulin-like growth factors-1,IGF-1)水平增高，而服用碳酸鈣-維生素D3組患者未出現(xiàn)上述改變，提示全身振動訓練對骨質(zhì)疏松癥的治療機制也可能與其對IL-1β、TNF-α、IGF-1等細胞因子的調(diào)節(jié)作用有關(guān)[42]。司會群等觀察垂直方向全身振動訓練對去卵巢骨質(zhì)疏松癥大鼠模型骨密度和骨組織血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)蛋白表達的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全身振動訓練組脛骨近端骨密度顯著高于靜止組，同時全身振動訓練組第3腰椎、股骨遠端和脛骨近端VEGF蛋白表達均有所增加，而靜止組VEGF蛋白表達顯著降低，因此推斷全身振動訓練可能增加骨質(zhì)疏松癥大鼠骨組織VEGF蛋白的表達[43]。

4 小結(jié)

綜上所述，作為一種新興的治療骨質(zhì)疏松癥的非藥物、無創(chuàng)干預方式，全身振動訓練在骨質(zhì)疏松癥的治療和康復中發(fā)揮著獨特優(yōu)勢：在安全有效保存骨量、減少骨質(zhì)丟失的同時，尚能通過骨外效應，增加下肢肌肉力量，改善本體感覺和平衡功能，從而達到預防老年人跌倒、降低脆性骨折風險的效果，為骨質(zhì)疏松癥的綜合防治提供新的思路和方法。

現(xiàn)有的基礎(chǔ)和臨床研究對全身振動訓練治療骨質(zhì)疏松癥的安全性、有效性以及作用機制進行了初步探討，但由于目前該技術(shù)治療骨質(zhì)疏松癥的臨床應用和相關(guān)研究尚屬較新領(lǐng)域，尚缺乏統(tǒng)一的全身振動訓練方案和比較明確的振動劑量-效應關(guān)系，同時針對機械信號在骨骼細胞的轉(zhuǎn)導機制將是進一步認識全身振動作用機制的重要方向，也應予深入研究。

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Advance in Effectiveness and Biomechanism of Whole-body Vibration Therapy for Osteoporosis(review)

ZHANG Li,WENG Chang-shui.Department of Rehabilitation Medicine,Nan Lou,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China

Whole-body vibration therapy(WBVT),in which energy produced by a forced oscillation is transferred to the muscle and bone of an individual from a mechanical vibration platform,has been proposed as an alternative or adjunctive intervention for osteoporosis. In this review,the safety,effectiveness and the biomechanics of WBVT for the prevention and treatment of osteoporosis were discussed.

vibration therapy;osteoporosis;musculoskeletal system;elderly;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.10.010

R681

A

1006-9771(2014)10-0935-05

2014-04-09

2014-05-12)

1.全軍醫(yī)藥衛(wèi)生科研基金項目(No.11BJZ14)；2.解放軍總醫(yī)院臨床科研扶持基金項目(No.2013FC-TSYS-3009)。

解放軍總醫(yī)院南樓臨床部康復醫(yī)學科，北京市100853。作者簡介：張麗(1978-)，女，漢族，河北寧晉縣人，博士，主治醫(yī)師，主要研究方向：老年康復醫(yī)學臨床與基礎(chǔ)研究。通訊作者：甕長水，副主任醫(yī)師，E-mail:kfyx301@163.com。