运动锻炼对30 d -6°头低位卧床所致承重骨丢失的影响

作者：刘玉盛 ,吴斌　费军　,谈诚　赵东明　,孙洪义　,谷志明　,吴萍　,刘兴华　,王俊　,仲崇发　,耿捷　,孙喜庆    作者单位：(1.中国航天员科研训练中心，北京 100094; 2.中国人民解放军306医院，北京 100101; 3.第四军医大学航空航天生物动力学教研室，陕西西安 710032)
【摘要】  目的 观察下肢肌力锻炼和功率车锻炼对30 d -6°头低位卧床引起骨丢失的防护效果，为筛选航天员暴露于空间微重力环境下运动锻炼方法提供参考。方法 15名男性青年受试者分为卧床对照组、下肢肌力锻炼组和功率车锻炼组，每组5人，在30 d -6°头低位卧床期间，两个运动锻炼组共进行了25 d(次)的运动锻炼，下肢肌力组每天锻炼16～18 min, 功率车组每天锻炼30 min。分别于卧床前和起床后测量了全身骨密度(BMD QDR4500/W Hologic)和腰椎骨小梁比值(CT PhilipsMx8000)。结果 与卧床前相比，对照组卧床以后全身骨矿含量显著下降(P<0.05)、左髋总骨密度和右髋大转子骨密度显著下降(P<0.01)，第2～4腰椎骨小梁比值显著下降(P<0.05)，功率车锻炼组虽然全身骨密度显著增加，但是第3～4腰椎骨密度却显著下降(P<0.05)，下肢肌力锻炼组全身和腰椎及髋部等承重部位的骨矿含量和骨密度均无明显下降。结论 30 d -6°头低位卧床可引起腰椎和髋骨等承重部位明显的骨丢失，功率车锻炼方法不能改善腰椎部位的骨丢失，下肢肌力锻炼方法对于维持全身和承重部位的骨密度具有明显的防护效果，该结果将对我国载人航天飞行失重对抗措施方案的制定提供重要的参考。

【关键词】  头低位卧床;运动锻炼;承重骨;骨丢失

Effects of Exercise Training on Weightbearing Bone Loss during 30 d -6°Headdown Bed Rest.LIU Yusheng, WU Bin, FEI jun, TAN Cheng, ZHAO Dongming, SUN Hongyi, GU Zhiming, WU Ping, LIU Xinghua,WANG Jun, ZHONG Chongfa, GENG Jie, SUN Xiqing.Space Medicine & Medical Engineering,2010,23(1):1～5

　　Abstract: Objective To observe the protective effects of the lower limb muscular strength exercise training and the bicycle ergometer exercise training method on weightbearing bone loss during 30 d -6° headdown bed rest (HDBR), and screening available exercise training method for space flight astronauts exposed to space microgravity. Methods Fifteen men were divided into three groups,control group (A ), lower limb muscular strength exercise training group (B) and bicycle ergometer exercise training group (C), with 5 in each group. The both exercise groups were conducted 25 times exercise training during 30 d -6° HDBR. B group was 16～18 min everyday, and C group 30 min. The exercise training was carried out in -6° head down tilt supine position. Before and after 30 d -6° HDBR, the whole body bone mineral density (BMD QDR4500/W Hologic), whole body bone mineral content (BMC), and lumbar spine trabecular ratio (CT PhilipsMx8000) were measured. Results Compared with preHDBR, in group A:the left hip total BMD, the right hip trochanter BMD and the lumbar spine(2～4) trabecular ratio significantly decreased; in group C, even though whole body BMD increased significantly, the lumbar spine(3～4) BMD decreases significantly; in group B, the whole body BMD and weightbearing bone BMD did not decrease significantly. Conclusion This study showes that the control group weightbearing bone ie. lumbar spine and hip bone BMD significant decreased during 30 d -6°HDBR, the bicycle ergometer exercise training methods even though whole body BMD increase significantly, but not maintain lumbar spine BMD during 30 d -6°HDBR, however, the lower limb muscular strength exercise training methods has significant protective effect on whole body and weightbearing bone BMD during 30 d -6° HDBR. These study results provide valuable basis in fomulating countermeasures protocols for space flight astronauts exposed to space microgravity.

　　Key words:head down bed rest;exercise training;weightbearing bone;bone loss

　　Address reprint requests to:LIU Yusheng.China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China

　　骨丢失是航天员从事空间活动面临的严重不良反应之一，其主要特点是在空间滞留时间越长骨丢失越严重，而且恢复时间越长，发生在承重部位的骨丢失对中长期航天飞行航天员身体健康构成了潜在的威胁[13]，因此，采用何种措施预防和对抗空间微重力环境引起的骨丢失问题，长期以来一直是航天医学亟待解决的重要课题之一[45]。在地面进行的头低位模拟失重研究表明，长期卧床可引起腰椎和髋骨等承重部位明显的骨丢失[67]，“和平”号航天员在飞行4.5～6月后腰椎骨丢失率为5%～10%、股骨颈丢失1%～11%，丢失最明显的部位是大转子(2%～10%)[8]。国际空间站第2～8批长期考察组的16名航天员飞行1年以后，腰椎骨丢失为0.9%，股骨颈丢失为1.4%。空间运动锻炼的研究表明，阻力和有氧运动锻炼虽然能够促进骨的形成，但是大转子等承重部位的骨密度还是发生了明显的丢失[910]，从骨丢失的恢复情况来看，返回地面1年以后腰椎骨丢失仍未完全恢复。到目前为止，虽然运动锻炼已成为对抗航天微重力环境的主要对抗措施之一，但是，对骨丢失的防护效果并不十分理想，其原因之一可能是与以往的锻炼方法主要偏重于心血管和骨骼肌等方面的全身性效应，而对承重骨的刺激不够有关。因此，针对上述问题，我们设计了一种大腿屈伸和小腿蹬伸相组合的下肢肌力锻炼方法，本研究的主要目的在于观察这种下肢肌力锻炼方法和功率车锻炼方法对于30 d -6°头低位卧床引起的骨丢失的防护效果，为中长期载人航天飞行航天员骨丢失对抗措施的进一步应用提供科学依据。

　　1 方法

　　1.1 受试者

　　〖HT]15名男性青年受试者随机分为对照组(A组)、下肢肌力锻炼组(B组)和功率车锻炼组(C组)，每组5人，3组受试者的年龄(18～25岁)、身高(170～180 cm)、体重(55～82 kg)均无显著性差异，受试者心血管和呼吸系统功能正常，无腰、腿痛病史，体育锻炼时间也无明显差别。

　　1.2 卧床

　　受试者在30 d -6°卧床期间禁止下地站立、行走和任何体力活动，允许在床上绕身体纵轴变换体位，禁止用枕头。大便、生理指标检查和运动锻炼均乘坐-6°头低位推车，室温控制在22～26 ℃，饮食不限量，受试者24 h活动情况均被闭路电视监控。

　　1.3 肢肌力锻炼方案

　　在30 d卧床期间下肢肌力锻炼组共安排5个锻炼周期，每个周期为6 d，第1～5天下午锻炼，第6天休息，累计锻炼25次，锻炼周期与负荷强度安排见表1。

　　1.3.1 大腿屈伸锻炼

　　受试者仰卧位于-6°下肢肌力锻炼器上，双手抓住锻炼器把柄，双肩紧靠肩托，双脚蹬在踏板上，双侧大、小腿之间的夹角为60°，用力向前蹬伸踏板，每组负荷持续30 s,两组负荷之间休息1 min。

　　1.3.2 小腿蹬伸锻炼

　　小腿蹬伸锻炼是在大腿屈伸锻炼休息3 min后进行，受试者仰卧位于-6°下肢肌力锻炼器上，双手抓住锻炼器把柄，双肩紧靠肩托，双下肢始终保持伸直状态，双脚前脚掌蹬在踏板上用力向前蹬伸踏板，维持阶段和提高阶段每组负荷持续30 s,强化阶段第5天每组负荷持续45 s，两组负荷之间休息1 min。

　　终止指标为按照计划完成锻炼科目，锻炼时出现难以忍受的疼痛、力竭或其他不能继续运动的情况(由施训者酌情判定)。

　　1.4 功率车锻炼方案

　　表1 30 d卧床期间大、小腿锻炼周期与负荷安排表在30 d卧床期间功率车组的锻炼周期及时间安排与B组相同，受试者仰卧位于-6°功率车上休息3 min，按下列负荷强度进行锻炼:50%(7 min)→60%(2 min)→50%(2 min)→70%(2 min)→50%(2 min)→80%(2 min)→50%(2 min)→90%(2 min)→50%(2 min)→80%(2 min)→50%(3 min)→30%(2 min)，踏车速度为60 r/min，连续运动30 min，运动中监测心率和血压。

　　终止指标为 达到亚最大心率标准[(220-年龄)×75%]，力竭或由于其他原因不能继续运动(由施训者酌情判定)。

　　1.5 全身骨密度测量方法

　　受试者分别于卧床前和起床后第3天进行了两次全身骨密度测量。测量仪器为全身骨密度仪QDR 4500W(S/N 50273 HOLOGIC)。主要分析指标：腰椎(总腰椎、第1～4腰椎)、左、右髋部(总髋、股骨颈、大转子、内测)以及全身(头、躯体、)骨矿含量(bone mineral content,BMC)和骨密度(bone mineral density,BMD)。

　　1.6 腰椎骨小梁面积、骨皮质/松质比值测量方法

　　受试者分别于卧床前和卧床第28天进行了腰椎骨小梁体积测量，测量仪器：高分辨CT(PhilipsMx8000)，扫描部位：腰椎(L2～L4)，扫描层厚：0.6 mm，螺距：0.625，矩阵：512×512，三维重建分辨率：1 024×1 024。分析指标及方法：应用高分辨CT所配计算骨小梁体积的软件QCTA检测腰椎椎体兴趣区内小梁骨总面积，计测小梁骨总面积/椎体皮质下最大面积之比值，在同一椎体横断面分别测量骨皮质和骨松质及其比值。

　　1.7 统计分析

　　所有数据以x±s表示，同组卧床前、后比较采用配对t检验，组间比较采用双样本t检验，以P<0.05为统计学显著性意义。

　　2 结果

　　2.1 全身骨矿含量

　　与卧床前相比，A组卧床后全身和头部骨矿含量下降幅度显著大于C组(P<0.05，图1)，B组头部轻微下降、躯体和全身轻微增加，C组头部和全身增加，而躯体则轻微下降。图1 30 d -6°头低位卧床后全身骨矿含量和骨密度的变化

　　2.2 全身骨密度

　　与卧床前相比，A组卧床后头部、躯体和全身骨密度均下降，B组头部下降、躯体和全身均增加。但是，C组头部骨密度的增加幅度显著大于A、B组(P<0.05，图1)。

　　2.3 腰椎骨矿含量

　　与卧床前相比，卧床后3组第1腰椎骨矿含量均增加，总腰椎和第3～4腰椎均下降。但是，变化幅度无显著性差异(图2)。

　　2.4 腰椎骨密度

　　与卧床前相比，卧床后3组总腰椎和第3～4腰椎骨密度均下降。但是，C组第3～4腰椎的下降幅度显著大于A、B组(P<0.05)。另外，A组第2腰椎下降幅度也显著大于B组(P<0.05，图2)。

　　2.5 腰椎骨小梁面积比值

　　与卧床前相比，卧床第28天3组第2～3腰椎骨小梁面积比值均下降。但是，A组第4腰椎下降幅度显著大于B、C组(P<0.05，图3)。

　　2.6 腰椎骨皮质/松质比值

　　与卧床前相比，卧床第28天3组第2～3腰椎骨皮质/松质比值均增加，但是，A组第4腰椎增加幅度显著大于B组(P<0.05，图3)。

　　2.7 左髋骨矿含量

　　与卧床前相比，卧床后A组内测和总髋骨矿含量下降幅度显著大于B、C组(P<0.05～0.01)。另外，除C组大转子部位的骨矿含量下降外，3组其它部位均为不同程度增加(图4)。

　　2.8 左髋骨密度

　　与卧床前相比，卧床后股骨颈骨密度3组均增加，大转子和内测部均下降。但是，A组总髋的下降幅度显著大于C组(P<0.05，图4)。

　　2.9 右髋骨矿含量

　　与卧床前相比，卧床后3组股骨颈、内测和总髋骨矿含量均不同程度增加。但是，C组大转子部位的下降幅度显著大于A组(P<0.05，图5)。

　　2.10 右髋骨密度

　　与卧床前相比，卧床后3组股骨颈骨密度均增加，而内测部均下降，但是，大转子部位A组的下降幅度显著大于B组(P<0.05，图5)，3组总髋部位的骨密度变化不明显。

　　3 讨论

　　运动锻炼是现有空间失重对抗措施的核心部分，其主要作用是对心血管系统、肌肉以及骨骼系统施加适度的负荷，以减轻失重引起的全身性功能紊乱[4，11]。所采用的方法主要有功率车、跑台和拉力器等，其中功率车和跑台对心血管和承重肌肉系统具有良好的刺激作用，拉力器的主要作用是锻炼手、躯干和腹部的肌肉。但是，从以往的空间飞行应用情况来看，对骨丢失的防护效果并不理想，其原因之一可能是与上述几种锻炼方法对承重骨的刺激强度较小有关。由于人在地面生活中的力学环境是在不断的变化，例如自身体重、肌肉拉力等，每当力学环境变化后，原有的骨量分布已不能适应，某些部位因骨量不足而负荷增加，某些部位则因骨量过多而负荷减少，这些变化引起了骨量的重新分布，使骨量不足的部位增加骨量、骨量过多的部位减少骨量，从而达到重新适应新的力学环境[1213]。然而，在失重或模拟失重情况下，由于承重骨卸荷和机体活动受限，致使骨组织对力学环境的依赖性出现了脱失，因而出现了全身性骨矿含量的重新分布及承重部位的骨丢失。因此，无论是在地面或者是在空间微重力环境下，机械负荷对骨细胞来说都是一种独特的有效刺激，这种刺激不仅可以改善骨强度而且也可以改善随年龄增加而引发的骨丢失[14]。由于通过骨骼肌的收缩运动来改变骨组织的应力应变环境是一种对抗骨丢失的主动效应过程，因此，当我们在筛选航天失重环境下骨丢失的对抗措施时，运动锻炼应该作为首选的一种主要对抗措施。

　　本研究结果表明，30 d卧床后对照组受试者虽然全身骨密度下降不明显，但是，左髋总骨密度和右髋大转子部位的骨密度显著下降、第3～4腰椎及总腰椎骨密度明显下降、第2～4腰椎骨小梁显著下降，提示该组受试者在30 d卧床以后腰椎和髋骨等承重部位存在着明显的骨丢失现象。功率车训练组虽然卧床后全身骨矿含量和骨密度都表现为增加，但是，由于总腰椎和第3～4腰椎骨密度显著降低，表明卧位功率车锻炼不能有效改善腰椎部位的骨丢失现象。其原因可能是与受试者在功率车锻炼时躯干和腰椎的活动受限有关。不过，这种情况在空间失重环境下可能不受影响，因为航天员在空间进行功率车锻炼时可采取坐位姿势，躯干和腰椎的活动基本上不受限制。

　　本研究中的下肢肌力锻炼方案是基于骨组织对力学环境的依赖特性并结合30 d -6°头低位模拟失重环境而专门设计的，其主要特点是在大腿屈伸锻炼的基础上添加了小腿蹬伸的组合式锻炼方法，而且运动负荷强度是随着卧床天数的增加而逐渐增加和强化。与以往的研究相比[5-6，15]，我们设计的这种下肢肌力锻炼方法具有3个特点：1)受力的直接部位是髋骨和脊柱，即：大腿屈伸锻炼的主要受力部位是髋骨和脊椎、而小腿蹬伸的主要受力部位也是髋骨和脊椎。由于小腿蹬伸锻炼是在大腿屈伸锻炼之后3 min进行的，因此，这种组合式锻炼对于髋骨和脊椎具有双重的刺激作用;2)每次锻炼的运动强度是逐渐加大;3)运动负荷是随着卧床天数的增加而逐渐增加和强化。实验结果显示，与卧床前相比，卧床以后下肢肌力锻炼组无论是全身骨密度还是承重部位的骨密度都没有出现明显降低，表明该锻炼方法对于髋骨和腰椎等承重部位骨密度的维持具有良好的防护效果。该结果提示：在制定中长期空间飞行运动锻炼方案时应该重点考虑两个方面的问题，首先要合理分配全身性锻炼(例如跑台和功率车)与专项性锻炼(例如下肢肌力)的比例。其次是锻炼的负荷强度应随着航天飞行时间的延长而逐渐增加，这样才有可能进一步减缓或阻止承重部位的骨丢失。

　　一般情况下，骨密度的大小与骨矿含量的多少成正比，但是，本研究发现，卧床后受试者左、右髋骨局部骨矿含量和骨矿密度存在着明显的不一致的现象，可能意味着卧床以后受试者全身骨矿含量和承重部位的骨矿含量发生了重新分布。由于中长期空间飞行失重骨丢失的易发部位主要是髋骨和腰椎等承重部位，因此，当航天员从空间返回到地面以后面临的最大危险之一是意外摔倒和骨折的发生。由此可见，观察航天员承重部位骨矿含量和骨密度的变化情况，对于制定航天员从空间返回后的康复方案具有一定的实际意义。

　　总之，本研究结果表明，对照组受试者在30 d卧床以后髋骨和腰椎等承重部位存在着明显的骨丢失现象，功率车锻炼组虽然全身骨密度增加，但是，腰椎骨丢失现象明显，而下肢肌力锻炼组髋骨和腰椎等承重部位以及全身骨密度均没有发生明显的骨丢失现象，表明我们设计的这种下肢肌力锻炼方法对于维持全身和承重部位的骨密度具有明显的防护效果。

　　(致谢：本实验研究得到了北京理工大学张春林、中国航天员科研训练中心李莹辉、王林杰、李勇枝、万玉民、张晓铀、张丹、曹毅、仝飞舟、孙华娣、谢俊水、马玉飞、郭亮等同志的大力帮助和支持，在此表示衷心感谢!)

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