基于運動特征的人體骨密度發展現狀與影響機制研究

周磊 丁亮

（東南大學 江蘇 南京 211189）

悠悠民生，健康最大。人民的健康問題是關乎國家建設和可持續發展的重大問題。2016 年，國務院《“健康中國2030”規劃綱要》指出新階段我國“全民健康”的新目標和新要求，提出開展健康骨骼行動，主張國民積極參與體育鍛煉，增強體質。當下，由于現代人群長期久坐、伏案工作彎腰、熬夜、精神壓力大、活動量少，日常飲食上又存在偏食、高鹽飲食、快餐，大量飲用碳酸飲料、咖啡等飲品，喜歡吸煙、酗酒等不良生活方式，以致危害人體的骨骼健康。本文從運動的相關要素及特性出發探究其對人體骨密度的作用機制及干預療效，以期通過有效的運動干預，尋求預防和改善骨骼健康問題的解決方案，對促進骨骼健康發展意義重大。

1、人體骨健康的發展現狀

骨骼的健康發展關乎人體內外系統的功能和生命健康。一項全球研究顯示，2019 年全球骨病患病病例約4.55 億，自1990 年以來增加近70%，其中新發病例1.78億，同比1990年增長33.4%（如圖1）。

圖1 1990-2019 年全球骨病患病率增長變化圖

在我國，從兒童到中青年，再到老年人群，骨關節炎、骨質疏松、脆性骨折等骨骼健康問題日益凸顯。2018 年中國骨質疏松癥流行病學調查結果發現，我國僅骨質疏松癥的患病率就高達13%，預計到2035 年，每年骨質疏松的數量將達到483 萬例次，到2050 年預計約達到599 萬。我國存在骨骼健康風險的人群比例逐年增加。Peng Chen 等對中國骨質疏松癥患病率進行薈萃分析中發現(如圖2)，從2003-2015 年的12 年間，我國骨質疏松的患病率明顯增加，其中發病年齡在15-24 歲年齡段的骨質疏松患病率達16.96%，25-35 歲年齡段的骨質疏松發病率高達28.09%。骨骼健康風險的增加，不僅大大提高骨病的風險指數，還可能引發某些并發癥及慢性疾病，不僅嚴重危害人體健康，也給公共衛生系統造成了極大的負擔。

圖2 2003-2015 年中國居民各年齡段骨質疏松患病率

由于人們長期忽視骨骼健康問題，對骨健康狀況缺乏關注及監測，導致了骨性疾病患病率急劇上升。不僅多發于老年人群，在中青年人群中的發病風險也持續增大。2018 年國家衛生健康委的一項調查顯示，我國居民對骨骼健康問題的認知普遍不足，20-40 歲人群關于骨質疏松癥相關知識的知曉率僅為11.7%，其中男性10.5%，女性13%，城市地區為17.8%， 農村地區為8.1%。在骨質疏松癥患者中，知曉自身患病的比例也比較低。其中，20-50 歲人群接受過骨密度監測的比例僅為2.8%。

2、骨密度診斷與人體健康

骨密度(bone mineral density，BMD)又稱骨骼礦物質密度，是衡量骨骼強度、反映骨骼代謝狀況、評價骨骼健康的重要指標。其診斷參數主要是反映骨密度及彈性的超聲波傳導速度(SOS)、表示受檢者與同齡同性別骨密度平均聲速值百分比的骨質疏松指數(OI)、用以判斷人體BMD 是否正常的T 值(T-score)及反映被檢者與正常同齡人BMD 差異的Z 值(Z-score)。對正常人群的診斷標準通常使用低于-2.0 標準差法。

世界衛生組織（WHO）制定的骨密度診斷標準，采用T 評分和Z 評分判斷患者骨密度情況。指標計算方法及診斷標準如下：

2.1、T 值計算方法及診斷標準

2.2、Z 值計算方法及診斷標準

表2 Z 值對照標準

人體骨量自出生起隨年齡增長呈現出先緩慢上升，在達到一定峰值時維持一段平臺期，此后呈現逐年下降的變化趨勢。當骨骼在某一時期達到最大骨量，即骨峰值時，骨密度達到最大值。隨后骨量開始流失，繼而出現骨質疏松等骨骼健康問題。除年齡和性別外，人體骨密度還與遺傳、運動、身體成分、生活習慣和飲食等諸多因素有關。

在治療和預防骨骼健康問題上，傳統藥物治療以激素為主，長期使用激素將對人體造成不可逆的損害，增加生殖器官惡性病變的風險。而傳統合成代謝藥物和抗吸收藥物雖能夠在一定程度上預防骨質疏松，但此類藥物成本高且副作用大。當前，運動影響人體能量代謝，改善人體生理機制已被廣泛接受，許多慢性疾病的預防與治療都引入了運動療法。研究發現，運動對骨量的影響比例遠超骨代謝相關激素、鈣、維生素D 等作用。運動作為關鍵變量被廣泛用于骨密度的調節和控制，是影響人體BMD 的重要物理因素，對骨骼健康問題具有積極效用。

3、體育運動對人體骨密度的影響

骨骼的新陳代謝與骨形成和骨吸收有關。研究表明，運動能夠影響骨代謝，使BMD 增加，延緩骨量流失。這是由于運動通過直接與間接兩種方式作用于骨骼，增加骨骼的負載，能夠刺激骨形成，使骨徑變粗，提高骨的抗壓、抗彎及抗扭轉力等性能。然而，運動對人體的刺激反應比較復雜，除不同方式、強度及頻率的區別，還體現在機體與骨代謝相關的激素水平等問題上。因此，根據年齡的階段性特征選擇適宜的運動方式及強度對人體骨健康的促進作用更明顯。

3.1、體育運動對不同年齡人群骨密度的影響

人體骨骼在不同年齡階段表現出不同的力學特性。幼兒時期，骨骼的有機質和無機質比例均衡，各占50%，骨骼柔軟而富有彈性；成人骨骼的有機質和無機質的比例接近3:7，骨骼硬度較大，彈性適中，骨的力學特性處于最佳狀態；而老年人骨骼中無機物含量較高，骨骼脆性較高，具有較高的骨折風險。正是由于各年齡段人群特點不同，使運動對不同年齡人群的BMD 產生差異性影響。青春期是影響峰值骨量最敏感時期，人體50%的峰值骨量在此時期形成。青少年時期進行運動訓練能夠顯著促進骨骼發育，更有助于BMD 的提高。

Janz 等探究4-6 歲的學齡前兒童日?；顒恿颗cBMD 的關系，發現體力活動與兒童的骨礦物含量和BMD 均相關且具有促進作用。Hind 等發現青春發育期之前參加身體活動可額外增加約1%-6%的骨量，而青春發育期后額外增加的骨量僅有0.3%-2%?？梢姡瑑和瘯r期特別是青春發育期前進行體育運動更能促進骨量的增長和骨骼發育。另有研究表明，青少年時期增加的骨量在成年期以后仍然與初始骨量有密切相關性，老年期近60%的骨質疏松是由青少年時期總骨量（bone mineral content，BMC）的積累過少引起的。劉忠民等對147 名20-60 歲的女性進行運動干預，測量受試者跟骨BMD，發現運動對不同年齡段女性的跟骨BMD 具有促進作用，其中20 歲、40 歲、50 歲三個年齡段存在顯著差異。因此，青少年時期是影響成年后人體的骨量峰值的關鍵時期，通過運動干預能更有助于人體基礎骨量的提高。

3.2、不同運動強度對骨密度的影響

運動強度與BMD 密切相關，不同的強度設置影響干預的效果和水平，對BMD 影響不同。相關研究顯示，當強度處于骨骼承受力的閾值內時，運動強度與BMD 呈正相關。隨著運動強度增大，BMD 呈增長趨勢，當超出閾值，骨代謝發展受抑，無法有效提升BMD 且增加了骨折風險。

不同強度的干預對機體的作用效果存在區別。低強度運動不能有效提高BMD，這是由于低強度負荷低于骨應變的應力閾值，不能有效刺激骨組織，無法達到明顯增強BMD 的作用。而中等強度運動更具效用，主要表現在骨代謝水平及BMD 的提高上。其作用機制如下：（1）適宜強度的運動通過應力對骨產生負荷，骨骼接受刺激并產生應變使成骨細胞活性增加，骨形成大于骨吸收使骨礦物質積累，造成BMD 增加；（2）機體進行適宜強度的運動時，一系列的生化反應增加了前列腺素的合成與釋放，促進細胞內DNA 和RNA 生成，引發骨細胞的分化與增值，導致新骨形成；（3）適宜強度的運動影響體內性激素水平，骨代謝受骨血流量等多種機制作用，使骨量升高。劉玉琳等在不同強度跑步運動對2 型糖尿病并發骨質疏松大鼠的研究中，發現中低強度運動對改善骨質疏松具有積極影響。強度過大則可能引起骨代謝的負向發展，導致BMD 下降，不利于骨健康。目前已有研究對此作出解釋：（1）大強度運動引發機體內分泌功能失調，運動醫學中的“女運動三聯征”就是從該方面對骨密度降低做出解釋。長期進行大強度運動使機體過度疲勞，干擾了下丘腦—垂體—性腺軸，使性激素的生成受抑，血液中雌激素（雄激素）濃度降低，骨代謝過程中骨吸收大于骨形成，從而導致BMD 下降；（2）大強度運動造成肌肉疲勞，減弱了肌肉對應力的緩沖作用，導致應力集中，因而出現骨折及骨量流失。曹鵬在探究不同負荷跑臺運動對老齡雌性大鼠骨量及骨代謝指標影響的實驗中，論證了低、中強度對老齡雌性大鼠BMD 的積極作用，而大強度運動無顯著效果。此外，Frost 提出“力學穩態理論”也解釋了過量運動導致BMD 下降的機理。

從運動強度的角度研究能夠維持和增加BMD 水平的運動處方，發現力量性訓練的強度為1RM 的60%-80%，耐力訓練的強度為人體最大心率的60%-85%，或大于本人無氧閾水平均能維持和增加BMD。而強度過大甚至可能引起BMD 下降。因此，一般認為運動強度保持人體最大攝氧量的60%-70%能夠更好地促進骨密度增大，從而達到更好的鍛煉效果。

3.3、不同運動時間和頻率對骨密度的影響

在特定運動項目與運動強度的干預下，不同的運動時間周期和頻率對人體BMD 的影響不同。選擇和確定運動的頻率和時間尤為重要。戴金彪等以714 名青春期女性為研究對象，發現戶外活動高于6h/week 的女性較于6h/week 的女性BMD 值更高。修曉雨等按運動項目及運動頻率將受試者分為體育專業組(頻率為5 次/周)，體育人口組(頻率為3-4 次/周）和對照組(頻率為1-2 次/周)，測量并比較其BMD，得出體育專業組和體育人口組的BMD 改善作用高于對照組，其中短跑專項組、武術專項組效果顯著。經研究比較，認為運動頻率≥3 次/周、運動時間≥30min/次的安排可作為青年時期促進骨健康的運動處方。陳曉紅等將3 月齡雌性大鼠隨機分為9 組：去卵巢組(OVX 組),假手術組(SHAM 組),去卵巢+運動組(OVX+T 組),分別于4 周、8 周、12 周取材測試，用DXA 測定大鼠全身BMD，結果顯示：與同期去卵巢組大鼠相比,去卵巢結合4 周運動組無顯著變化,去卵巢結合八周運動組、去卵巢結合12 周運動組顯著升高，雖仍低于同期SHAM 組，但兩者之間無顯著性差異，由此得出結論：持續4 周的中等強度跑臺運動未對去卵巢大鼠的骨密度產生明顯影響；持續8 周及以上的中等強度跑臺運動不僅可顯著抑制去卵巢大鼠的骨吸收，還能明顯改善由于去卵巢所導致的BMD下降。一般來說，適宜的運動次數為3-5 次/周，但運動次數和頻率的選擇還需結合專項運動的具體特性，如趙杰修對運動干預提高BMD 的研究分析中發現大于3 次/周的運動安排對骨密度改善無顯著性，而小于3 次/周則更有益。因此，運動頻次的選擇對人體骨密度的作用并非完全線性相關，適宜的運動方式及頻次的選擇才更具優勢。

3.4、不同特性運動對骨密度的影響

運動方式的特點決定了其主要的特征形式，不同類型的體育運動具有自身不同的多種特性。同時，運動方式的選擇需與其運動特征相互匹配?？紤]體育運動的特性將其劃分為：耐力性運動、力量性運動和沖擊性運動。不同特征的體育運動方式存在特異性，對人體BMD 的作用特點及效果存在差異。

（1）耐力性運動項目對骨密度的影響。

耐力性運動對人體BMD 及BMC 的作用當前仍存有爭議，現有研究顯示兩種相悖的結果，以致其作用效果至今未有定論。Rockwell 等對長跑者第一腰椎骨礦物質含量進行CT 測量，發現長跑組骨礦物含量相比對照組增加近40%。而另有大量研究表明耐力性運動對改善人體骨密度并無顯著影響；如Krik 等對比長跑訓練與同齡不跑步訓練的絕經女性的脊椎骨礦物含量發現兩者并無差異。馬濤等研究表明，游泳、自行車等有氧耐力運動對骨密度的提高作用不明顯，甚至有降低作用。耐力性運動是以消耗糖和脂肪為主要代謝供能的運動，是相對較易于掌握的運動類型，常見的該類型項目有長距離跑步、游泳和騎自行車，以及健步走、健身操、廣場舞、慢跑、競走等，其特點是強度較低，持續時間長。張軍認為單一的有氧運動方式不能滿足人們對健康促進的需求，有氧鍛煉雖然可以促進脂肪分解，但難以控制機體的肌肉和骨量流失。當前，大多數研究肯定了耐力性運動對促進骨形成、提高腰椎、股骨、跟骨等部位BMD 的積極作用，而此變化可能只產生較小的影響。

（2）力量性運動項目對骨密度的影響。

力量性運動能夠提高BMD 改善骨質疏松已基本成為業界共識。力量性運動主要通過給肢體施加一定的阻力，使肌肉收縮力與外力同時作用于骨表面，骨表面細胞產生應力—應變刺激，引起骨骼興奮，刺激骨組織生成，從而引起骨密度增加，促進骨骼正向生長。朱建明等對我國運動干預骨質疏松癥研究發展現狀的分析表明，抗阻訓練在改善骨骼質量方面發揮著重要作用。Procopio 選取了12-20 歲女子競技體操運動員，隨機分為抗阻訓練和體操訓練組，力量訓練組進行10 周，每周2 次的抗阻訓練，體操訓練組繼續定期參加體操練習，研究表明抗阻訓練能夠顯著提高運動員BMD，力量性訓練的強度不同對人體BMD 影響具有顯著區別，適當強度的力量性訓練更有助于改善骨質疏松。較高強度的抗阻力量訓練優于普通低強度訓練，其原因可能在于一定范圍內的抗阻力量訓練強度越強，肌肉收縮速率越快，對骨骼刺激越大，骨骼生長能力越強。

（3）沖擊性運動項目對骨密度的影響。

沖擊性運動是指運動過程中受力點對機體瞬間的反作用力。根據運動項目特征可分為高沖擊運動和低沖擊運動。跑步、籃球、體操等運動項目就屬于高沖擊性運動，而游泳、劃船等項目則屬于低沖擊性運動。Cassell 比較了青少年體操運動員、游泳運動員與非運動員的差異，發現體操運動員BMD 更高，相比耐力性運動和力量性運動，大沖擊量運動更有利于骨質增長和BMD 的提高。Stanforth D 等對18-23 歲籃球、排球、足球、游泳、田徑短跑和跳遠的女子一級運動員進行為期3 年的BMD 測試，測試全身、四肢、脊柱、骨盆BMD 及BMC 水平，將18-24 歲女大學生作為對照組，發現籃球、排球、足球和田徑運動員BMD 均高于游泳運動員，且沖擊性與非沖擊性的BMD 與BMC 差異較大。才冬冬研究運動訓練對大學生跟骨BMD 的影響中比較了各運動項目的作用差異，發現排球項目相比田徑、籃球、乒乓球等項目影響效果更突顯。李煒斌通過對各項目組的分析比較，發現足球、籃球等競技運動對兒童前臂和跟骨骨密度有顯著的促進作用；但游泳等非負重、非沖擊性運動對兒童骨密度的影響較小。高沖擊、抗阻性和克服重力訓練對骨密度的影響效果最好，其次是耐力項目。而低沖擊和無負重訓練對人體骨密度幾乎沒有影響。

由此可見，高沖擊力的負荷運動能提高少年運動員的BMD。高沖擊性運動主要在跳躍運動中出現，WitzkeKA 等對青春期女子進行9 個月的跳躍訓練，發現長時間的跳躍訓練可以增加青春期女子的骨峰量。Fuchs 等人的研究表明進行適宜的跳躍運動能增加其股骨和腰椎BMD。袁華春等在研究跳躍運動對青少年骨密度影響時發現，規律性跳躍可顯著增加青少年BMD。

跳繩作為規律性、連續性跳躍運動方式之一，在運動過程中會對人體產生持續性沖擊作用，對人體BMD 具有積極影響，由于跳繩運動中，人體與地面產生相互作用力，使得骨骼受到規律而連續的沖擊作用，在這種持續應力擠壓下，人體骨骼的骨量和骨質會發生變化，有益于BMD 的提高。Robin K 研究跳繩運動對改善青春期前兒童BMD 的作用機制時發現，跳繩運動在地面的反作用力是人體體重的8 倍，可以有效的增加兒童股骨頸和腰椎BMD。曾捷研究跳躍運動對青少年跟骨骨密度與體質的影響時，對青少年實施為期3年的跳繩干預，分為實驗組與對照組各50人，并測量受試者BMD 及體質健康相關指標，結果發現，跳繩運動顯著提高青少年跟骨骨密度，能夠有效改善青少年學生體質健康狀況。邱超波采用不同負荷的跳繩運動對青年男性骨密度進行研究，分別對受試者進行沙背心負重、加重繩和增加跳繩頻率3 種負荷方式進行12 周的運動干預，得出負重負荷對BMD 的效果優于繩重負荷和次數負荷，對比上肢BMD 發現繩重負荷更優。由此，選擇有效的運動手段、制定合理的運動安排對人體骨健康具有更為積極的促進作用。

4、結論

事實上，運動在骨發育、成長和老化的整個進程中都起著關鍵作用。運動致使骨內微電位產生變化，隨著運動負荷的增加，骨內產生的負性微電位易結合陽性鈣離子，促進骨的生成。在運動過程中，機械負荷作用于骨骼，肌肉收縮過程也會造成對骨骼的擠壓，能夠直接或間接的作用于骨骼，促進骨的新陳代謝，使骨形態發生適應性變化，不僅能夠減緩人體隨年齡增長的骨量流失，同時提高骨密度和人體峰值骨量，對治療和預防骨骼健康問題收效顯著。

不同的運動對改善人體骨密度的作用不同，在選擇合適運動方式的前提下，需充分考慮運動的特點，制定合理的運動計劃，綜合強度、時間和頻率等各類要素。研究發現，不同特征的運動方式對骨質發展的影響迥異，其中抗阻訓練與沖擊性運動更有利于骨量與骨強度的提高。其次，沖擊性運動對增加骨密度，改善骨質作用相比其他特性的運動更為顯著，尤以反復縱跳更為突出。其主要機理在于人體進行縱跳練習時需克服縱向負荷，受到來自地面的連續性、規律性的反向沖擊，從而使皮質骨加厚，骨密度增大。