低頻脈沖超聲對大鼠骨骼肌疲勞的恢復效果研究

雷極英，楊雪冰，王春寧，宋琳哲，郭建中

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低頻脈沖超聲對大鼠骨骼肌疲勞的恢復效果研究

雷極英，楊雪冰，王春寧，宋琳哲，郭建中

(陜西師范大學物理學與信息技術學院陜西省超聲重點實驗室，陜西西安 710062)

建立大鼠的運動疲勞模型，研究低頻脈沖超聲對骨骼肌運動疲勞的恢復效果，通過對肌肉組織的物理(體重)和生化(肌酸激酶(Creatine Kinase, CK)，血尿素氮(Blood Urea Nitrogen, BUN)，肌酐，丙二醛和鈣離子)指標分析，研究低頻脈沖超聲與大鼠骨骼肌疲勞恢復效果的相關性。結果表明，在進行超聲照射后，大鼠血清中的CK值和BUN值較疲勞組得到一定的緩解，體重存在一定范圍的上升。初步的實驗表明低頻脈沖超聲對緩解肌肉的疲勞有一定的促進作用。

超聲治療；肌肉疲勞；運動疲勞模型

0 引言

肌肉組織運動后的疲勞與恢復是肌肉組織的正常生理現象。促進肌肉組織運動疲勞狀態的恢復，對人們的正常生活，特別是運動訓練有重要的意義。我們知道，按摩有助于緩解肌肉疲勞，除此之外，Tavares F[1]提出的冷水浸泡法，利用在冷環境下血管的收縮，降低組織由于炎癥而引起的肌肉不適以及腫脹。Lisa E. Heaton[2]提出的食療方法，通過對蛋白質、糖原和其他一些營養物質的搭配，來加速細胞修復。但對于緩解肌肉疲勞來講，持續時間較長，且冷水浸泡法可能會影響訓練中的肌肉尺寸適應性。陳思穎[3]經過試驗闡述了電刺激的效果在某些方面不如低頻超聲。

研究表明，低頻超聲在細胞恢復、骨愈合[4]、消除炎癥[5]等方面都取得了很好的效果。本文針對低頻超聲對細胞功能的恢復問題，通過大鼠的運動模型，研究肌肉組織運動疲勞的恢復效果。

1 實驗模型

1.1 實驗模型

實驗模型是：采用大鼠轉輪式跑步機建立疲勞模型，優勢在于當大鼠出現心理排斥，并減少運動趨勢時，仍可以被動地進行跑步訓練，使得模型更好地建立。

實驗采用雄性斯潑累格·多雷(Sprague Dawley, SD)大鼠，鼠齡6 周齡，體重160±20 g。飼料為大鼠專用飼料，自由飲食飲水，自然光照，溫度適宜。將SD大鼠隨機分成對照組(Control Group, CG)*3只和實驗組(Experimental Group, EG)*7只，實驗組又分為干預組(Intervention Group, IG)*2只和疲勞組(Fatigue Group, FG)*5只。實驗流程如圖1所示。

本文采取的肌肉狀態表征參量是：

物理量：體重

生化指標：肌酸激酶(Creatine Kinase, CK)，血尿素氮(Blood Urea Nitrogen, BUN)，肌酐(Creatinine, CRE)，丙二醛(Malonaldehyde, MDA)和鈣離子。

圖1 大鼠疲勞模型建立及超聲治療的實驗流程圖

1.2 實驗方法

將大鼠按圖1所示的實驗流程，隨機分成對照組(CG)和實驗組(SG)，實驗組又分成超聲干預組(IG)和疲勞組(FG)。對照組不做任何處理，自由飲食飲水。實驗組的大鼠在正式疲勞之前，進行3 d的適應性跑步訓練[6]，后進行為期22 d的轉輪式跑步訓練，適應性階段和疲勞階段的跑步強度和時間如表1所示。跑步的強度和時間參考Bedford 理論設計[7]。其中速度的單位是m·min-1，時間的單位是min。

表1 大鼠疲勞運動訓練方案(m·min-1×min)

圖2 大鼠轉輪式跑臺照片

實驗過程分為兩個階段，疲勞模型建立階段(同時進行超聲干預)時間為22 d和超聲治療階段(進行超聲照射治療)時間為14 d。

在疲勞模型建立期間，對干預組(IG)的兩只大鼠的大腿前側股四頭肌進行超聲干預，采用脈沖重復頻率為100 Hz，占空比20%，中心頻率為1.5 MHz，強度為30 mW·cm-2的低強度脈沖超聲，每天照射時間為20 min，照射周期為22 d。對照組(CG)不做任何處理，疲勞組(FG)只做訓練。在第23天，讓干預組(IG)的所有大鼠跑到力竭，三組隨機各處死一只。取其血液檢測生化指標(CRE，CK，BUN和鈣離子)。干預階段期間，每3 d測量一次體重。

在超聲治療階段，將疲勞組(FG)中4只大鼠隨機分成兩組，分別為超聲組(Ultrasonic Group, USG)和自由恢復組(Free Recovery Group, FRG)，超聲組(USG)對其照射與干預組(IG)相同條件的超聲，照射部位相同，自由恢復組(FRG)不做任何處理。治療階段時間為14 d，在第15 d處死，采血做生化指標(CK，BUM和MDA)檢測。治療階段期間，每2 d測一次體重。

2 實驗結果

實驗結果分兩個階段，干預階段和治療階段。每個階段的實驗數據為物理指標(體重)和生化指標(CK, BUM, CRE, MDA和鈣離子)。具體實驗數據如下。

2.1 干預階段實驗數據

圖3為干預階段干預組(IG)、疲勞組(FG)和對照組(CG)的體重變化。

表2為干預階段采集大鼠血液，血漿分離后血清中CRE，CK，鈣離子和BUN的含量。

2.2 治療階段實驗數據

表3為治療階段采集大鼠血液，血漿分離后血清中CK，BUN和MDA的含量，在殺鼠取血過程中由于自有恢復組(FRG)采血失敗，故沒有生化指標。

圖3 干預階段干預組(IG)、疲勞組(FG)和對照組(CG)的體重變化

表2 干預階段生化指標測試

圖4為治療階段超聲組(USG)、自由恢復組(FRG)和對照組(CG)的體重變化情況。

圖4 治療階段超聲組(USG)、自由恢復組(FRG)和對照組(CG)的體重變化

3 結果分析

3.1 干預階段

對表2干預階段的生化指標測試進行分析：干預組(IG)的肌酐含量明顯低于疲勞組(FG)，但仍然比對照組(CG)的含量高。肌酸激酶(CK)的含量值受時間的影響較大，可能會出現疲勞組(FG)在48 h內小于對照組(CG)的情況，超聲干預組(IG)的CK值會上升。疲勞組(FG)的鈣離子濃度比對照組(CG)有小范圍的下降[8]。干預組(IG)的血尿素氮含量低于疲勞組(FG)，但仍然比對照組(CG)高。

通過對圖3干預階段IG、FG、CG體重變化分析可知，在干預階段，對照組(CG)的大鼠體重呈明顯的上升趨勢，而干預組(IG)和疲勞組(FG)的體重上升緩慢，干預組(IG)的體重比疲勞組(FG)的體重上升要平緩。

3.2 治療階段

對表3治療階段生化指標測試進行分析可知：MDA反映了細胞的受損情況，MDA含量越高，生物膜受損越嚴重。就超聲組(USG)來說，其含量低于對照組(CG)。其余兩個指標的數據與實驗理論數據相差較大，可能是因為在采血過程中出現了溶血情況。

對圖4治療階段的USG，SRG，CG體重變化分析可知，對照組的體重一直趨于上升階段，且始終比超聲組(USG)和自由恢復組(FRG)要高，自由恢復組(FRG)的體重在自由恢復階段初期存在一個明顯的驟升階段，而超聲組(USG)始終緩慢增長，且是三組中體重最低的一組。

4 結論

通過對整個實驗的實驗數據分析，可以得出，當超聲強度在30 mW·cm-2，脈沖重復頻率為100 Hz，占空比20%，中心頻率為1.5 MHz時，超聲對疲勞的減緩和治療都起到一定的促進作用。就本文而言，干預階段，超聲對緩解肌肉疲勞的作用更為明顯。通過對物理生化指標的分析可以明確得出，超聲可以用來減緩和治療疲勞。但具體的實驗數據與所參考的文獻存在差異，推測可能是由于實驗對象數量較少，存在明顯的個體差異，實驗過程不嚴謹所致。

[1] TAVARES F, SMITH T B, DRILLER M. Fatigue and recovery in rugby: a review[J]. Sports Medicine, 2017, 47(8): 1515-1530.

[2] HEATON L E, DAVIS J K, RAWSON E S, et al. Selected in-season nutritional strategies to enhance recovery for team sport athletes: a practical overview[J]. Sports Medicine, 2017, 47(11): 1-18.

[3] 陳思穎. 低強度超聲波與電磁場對改善運動后延遲性肌肉酸痛的作用研究[D]. 西安: 陜西師范大學, 2016.

CHEN Siying. Effect of low intensity ultrasound and electromagnetic field on the improvement of delayed muscle soreness after exercise[D]. Xi'an: Shaanxi Normal University, 2016.

[4] MAYR E, FRANKEL V H, RüTER A. Ultrasound: an alternative healing method for nonunions[J]. Archives of Orthopaedic & Trauma Surgery, 2000, 120(1-2): 1-8.

[5] YANG Y H, HE C Q, YANG L, et al. Effects of different intensity pulsed electromagnetic fields on serum estradiol of ovariectomized rats[J]. Journal of Sichuan University, 2008, 39(2):256.

[6] 劉曉莉, 羅勇, 喬德才. 大鼠一次性力竭跑臺運動模型的建立及動態評價[J]. 中國實驗動物學報, 2012, 20(3): 25-28.

LIU Xiaoli, LUO Yong, QIAO Decai. Establishment and dynamic evaluation of a rat model of one single bout exhaustive exercise on treadmill[J]. Acta Laboratorium Animalis Scientia Sinica, 2012, 20(3): 25-28.

[7] BEDFORD T G, TIPTON C M, WILSON N C, et al. Maximum oxygen consumption of rats and its changes with various experimental procedures[J]. Journal of Applied Physiology Respiratory Environmental & Exercise Physiology, 1979, 47(6): 1278.

[8] 汶希, 潘華山, 馮毅翀. 大鼠運動性疲勞模型的建立[J]. 中國實驗動物學報, 2009, 17(5): 368-372.

WEN Xi, PAN Huashan, FENG Yichong. Establishment of a rat model of exercise induced fatigue[J]. Acta Laboratorium Animalis Scientia Sinica, 2009, 17(5): 368-372.

Effect of low-frequency pulsed ultrasound on recovery ofskeletal musclefatigue in rats

LEI Ji-ying, YANG Xue-bing, WANG Chun-ning, SONG Lin-zhe, GUO Jian-zhong

(Shaanxi Province Key Laboratory of Ultrasound, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, Shaanxi, China)

The effect of low frequency pulsed ultrasound on the recovery of skeletal muscle fatigue is studied by establishing the exercise fatigue model in rats. The correlation between low frequency pulsed ultrasound and recovery of skeletal muscle fatigue in rats is investigated by analyzing physical (weight) and biochemical (CK, BUN, MDA, CRE and calcium) indexes of muscle tissue. The results show that the CK value and BUN value in the serum of the rats are more than those in the fatigue group (FG) after ultrasonic irradiation, and the body weight increases in a certain range. Preliminary experiments show that low-frequency pulsed ultrasound has a certain promoting effect on reliving muscle fatigue.

ultrasound treatment; muscle fatigue; motion fatigue model

TB559

A

1000-3630(2018)-04-0316-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.04.004

2017-12-04;

2018-02-18

國家自然科學基金(11574192、11727813)資助項目

雷極英(1993－), 女, 山西太原人, 碩士研究生, 研究方向為醫學超聲。

郭建中,E-mail: guojz@snnu.edu.cn