离心运动训练在康复治疗中的应用进展①

史姗姗，庞伟,1b,2

1.佳木斯大学，a.康复医学院，b.儿童康复神经实验室，黑龙江佳木斯市154007；2.佳木斯大学附属第三医院，黑龙江佳木斯市154007

在人体的各种运动当中，离心运动是一种普遍存在的关键运动方式，它为跑、跳、投等动作提供初始姿态与力量，是每个动作的初始动力。随着人们对力量训练研究的不断深入，离心力量的重要性得到普遍认可。许多科学研究证明，离心力量训练在改善运动成绩、疾病康复等方面都有着独特的优越性。

骨骼肌在相同的运动负荷下，离心收缩比向心收缩产生更大的力；同时离心运动通过肌肉组织上的高负荷与肌肉收缩的小能量需求相结合的模式[1]，在运动损伤、不能进行传统抗阻力量训练的人群中发挥重要作用，是当前康复医学研究中的热点之一。本文就离心运动训练的特点、作用机制及在康复治疗中的具体应用进行阐述，为今后更好地将离心运动训练应用于疾病的康复治疗提供参考。

1 离心收缩的特点及作用机制

1.1 离心收缩

离心收缩是指肌肉收缩期间动力矩小于阻力矩，使本该缩短的肌肉被动地拉长[2]，也就是说当作用在肌肉上的外力大于它所产生的力量时，肌肉发生离心或拉长的收缩。

离心收缩具有产生高的力和消耗低代谢成本的性质[3]。离心收缩这两种性质的功能意义很早就在Hill的三名学生的实验中得到证实；他们通过将两个固定式自行车靠背连接，一个骑车人向前踏，另一个骑车人通过制动向后移动的踏板来阻止这种向前的动作；更小的Bigland抵制踏板很容易就可以达到更大的Richie的功率输出，并且只需要一小部分的氧气消耗[4]。

离心运动具有缓冲并储存能量的作用，在高速运动中，当脚与地面接触并且伸肌进行拉伸缩短期间，肌肉-肌腱单元中储存能量。在脚抬起之前的最后缩短阶段，它们释放储存在初始拉伸阶段的大部分能量。离心收缩允许机械能在身体减速时消耗能量[5]。例如下楼梯/下坡行走时，股四头肌和跖屈肌肉在延长的同时产生力量，发挥防止向下运动的破坏作用并保持平衡，它们也允许将动能转化为肌腱的弹性能量。

离心收缩在运动控制中起关键作用[6-7]。快速的离心收缩可以改变运动单位的募集顺序，即先兴奋支配快肌中的大运动神经元[8]。相对于向心运动而言，离心运动训练更能促进新生血管和胶原纤维的生成，促进损伤早期肌腱的愈合[9]。离心收缩可以增加肌肉的峰值力矩[10]，刺激肌卫星细胞的活化和增生[11]，从而有效地预防肌肉萎缩。基于离心收缩的性质，离心训练的好处也日益得到认可，特别是对于不能进行高强度运动锻炼的人。

1.2 离心收缩的生理机制

与等长收缩和向心收缩不同，许多关于主动延长肌肉(离心收缩)的观察结果不能用滑动丝和交叉理论来解释。在过去的一个世纪里，生理学家在阐明肌肉收缩的分子机制方面取得了稳定的进展。然而，这一进展迄今未能明确地解释肌肉离心收缩的高力量和低能量成本。已经提出的用于解释在活动拉伸期间增加的肌肉力量的假设包括跨桥机制、肌节和半肌节长度不均匀性以及肌肉激活时结构元素的接合。迄今为止，这些解释都没有被普遍接受，但是也没有任何一个被完全排除。

1.2.1 主动拉伸过程中和伸展之后力量增加的生理机制

现有的证据表明，力量增强是由肌肉肌节中的一个弹性元素(与活化有关)和交叉桥梁(与弹性元素相互作用以调节其长度和刚度)之间的相互作用所引起的。肌肉发展的力量不仅取决于肌节长度和跨桥的形成，而且取决于缩短或延长速度，运动越快，形成的跨桥数量就越少，跨桥脱离率也越高，收缩速度越大，肌球蛋白可以与肌动蛋白结合的时间越短[12]。此外，在快速运动期间，肌球蛋白分子的S2复合物(即肌球蛋白尾部的柔性片段靠近球状头部)不会被完全延伸[13]。根据Huxley的模型，活性延长过程中产生的较大的力可能是由于肌球蛋白的S2部分进一步更大的拉伸，随着延长加速，肌球蛋白头能结合肌动蛋白的数量就会减少，但是其中很大一部分会保留在附着位置，如果这些跨桥更多地伸展，它们将不可避免地被迫分离，其机制是，这些较粗的细肌丝头能够很快地重新结合到细肌丝上，这可能是肌肉在延长收缩和较低能量成本的情况下能够产生高力量的原因[14]。

1.2.2 titin在拉伸后残余力量增强中的作用

titin的分子结构是一个弹性蛋白质，它是已知最大的蛋白质[15]。也许是因为它巨大的尺寸，对于Huxley而言是未知的，因此没有被整合到滑丝理论中。自从发现titin以来，已经推测它对被动肌张力以及肌节完整性有重要意义。titin刚度有助于残余力的增强[16-17]。titin使肌节具有可调刚度，可能更有效地将交叉桥梁力传递到Z线[18]。Nishikawa等[19]的研究表明，巨型蛋白质titin可能作为一个能够储存和释放弹性势能的内部弹簧参与肌肉的收缩。在跨桥循环期间，肌动蛋白以肌球蛋白翻译的形式旋转[20]。titin表现为“缠绕丝”，收缩时被Ca2+释放激活，并且当titin通过跨桥中的肌球蛋白翻译旋转时缠绕在肌动蛋白丝上[21]。

离心运动引起残余力量增强[22]。这种残余力增强的机制，似乎能解释所有目前通过的实验观察，该机制的提出是基于结构蛋白titin对肌肉激活的参与和与被动拉伸相比titin抗活性的增加。这种从被动状态到活动状态的电阻变化被认为是基于：①活化后通过titin结合钙；②活化后，titin与肌动蛋白结合；③titin与肌动蛋白结合后转向僵硬的titin片段[23]。尽管提出的机制有一些实验证据，但必须强调的是，这里提出的许多细节仍不清楚。

1.3 与向心收缩相比，离心收缩表现出不同的神经驱动

在神经驱动方面，向心和离心收缩似乎也有很大不同。肌电图振幅在向心收缩过程中通常比在离心收缩期间更大[24]，可能是因为在离心收缩期间神经自主激活较低[25]。离心收缩时肌肉的力量越大，募集的运动单位就越少[26]。然而，离心收缩神经激活的机制还不是十分清楚。虽然一些学者认为，这种抑制作用可能是由于高尔基肌腱器官的兴奋而施加于肌腱复合物上的过度张力，导致运动神经元对输入下行输入物的反应减弱，也可能涉及运动皮质输出量的减少或促进外周突触前抑制的增加[26]。

1.4 离心运动中的肌肉酸痛

正如任何新的任务都可能导致肌肉酸痛一样，定期重复这项任务通常会导致特定的肌肉适应，从而防止损伤甚至疼痛。离心训练最初以低强度开始，随着时间的推移，力量和持续时间逐渐增加，就不会造成伤害。

过度或不当的离心运动训练会造成肌肉的延迟酸痛或肌肉损伤，但延迟性肌肉酸痛发生后，通过肌肉活检并没有发现肌肉坏死的情况，而出现了肌动蛋白和中间肌丝在局部增多的现象，这是肌动蛋白和中间肌丝合成和重组的结果，从而产生新的肌小节[27]。这表明肌肉对离心刺激产生肌肉酸痛的过程是肌原纤维和骨架蛋白重建的过程，是肌肉主动、适应的表现。因此，定期地、有目的地安排离心性力量练习，是有效预防肌肉酸痛的重要手段。

1.5 离心运动的方式及强度

离心运动训练多采用下坡走、下楼梯、慢蹲、离心测功计、离心功率自行车的方式进行。目前已经验证过的离心运动训练方式可以安全有效地应用在慢性心脏疾病、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)、运动损伤、老年人肌肉减少症、前交叉韧带(anterior cruciateligament,ACL)修复后、癌症幸存者、2型糖尿病以及神经系统疾病的康复训练中。但是也有个别报道称，离心运动训练方式不如单独传统的康复训练效果，例如对于多发性硬化的康复。

对于离心运动的强度，通过研究的总体经验表明，适度负重离心运动每周进行3次，在增加肌肉力量和肌肉体积方面是有效的，初始负荷为50～75 W，最初持续5～10 min。载荷的上升可以安全地进行2～3周的时间，达到理想的负载，实际康复目的应该为400～600 W[28]。20 min是个人训练的充足时间。若作为高负荷训练的一种选择，我们发现4 min或5 min的效果同样有效，而且不太累[29]。

2 离心运动在康复中的应用

2.1 心脏疾病

慢性心力衰竭患者的运动能力较低。在心脏疾病的康复训练中探索离心运动的最初动机，是离心运动能够以低代谢成本实现肌肉组织上的高负荷需求。离心运动训练能改善冠状动脉疾病患者的步行能力。有研究表明，与向心运动相比，离心运动降低了与葡萄糖有关的有氧代谢的压力，并将心肺应变降低至心脏患者可接受的水平，试验中离心运动期间的峰值吸氧量(-17%)、峰值通气量(-23%)、心输出量峰值(-16%)和血乳酸(-37%)均低于向心运动[30]。Meyer等[31]的研究表明，通过双能X线吸收测定法(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)和肌肉活检，离心运动训练的患者肌肉力矩显著增加6%～15%，在向心和离心训练方式下，DXA腿部肌肉质量增加3%；另外DXA显示，在离心训练的患者中，腿和全身脂肪量显著降低；肌肉纤维的大小，毛细血管和肌肉超微结构组成保持不变，线粒体体积密度减少20%。

在心脏病患者中使用离心训练方案发现了一些额外的收益。Theodorou等[32]对两组心力衰竭患者(每组6例)进行一项研究，对心力衰竭患者在SmartEscalator设备上进行楼梯降序和升序训练，每周3次，6周后，台阶下降运动中，离心、向心和等距峰值力矩分别增加12.3%、7.7%和8.8%；而楼梯上升运动中，离心、向心和等距峰值力矩分别增加7.1%、9.6%和5.9%。结果表明，具有强烈离心收缩成分的活动可以增加老年人或耐力不佳者的肌肉力量，例如下楼梯这项活动。Besson等[33]将30例慢性心力衰竭患者(射血分数＜45%、纽约心脏协会心功能2级或以上)随机分为向心和离心运动组，每次30 min，每周3次，共7周；向心运动在传统的功率计上进行，自感劳累分级(rating of perceived exertion,RPE)为12～14(有点吃力，相当于65%最大心率)的工作负荷下完成，离心运动是在离心测功计上以RPE为9～11的工作负荷下完成；结果离心组运动时心率保持稳定，向心组运动时心率提高，两组的6分钟步行试验(6 Minutes Walking Test,6MWT)距离均有所改善(离心组+53 m；向心组+33 m)，6MWT氧气量摄取在离心运动组中保持稳定，而在向心运动组中增加；说明由RPE量身定制的离心运动训练可能是慢性心力衰竭患者的有效且安全的替代方法。

以上所有研究均发现离心运动对于各种心脏病患者是一种安全的训练方式。离心运动方案的效果与常规向心训练方式相似，但可以在较低的代谢负荷下获得，并且在某些情况下具有额外益处，例如增加的肌肉性能或体积。

2.2 COPD

运动性肌肉功能障碍是与COPD相关的高度流行和致残的病症，并且特征在于显著的虚弱和易增加的疲劳性。在COPD患者中，这些症状的基础结构和代谢改变包括肌肉萎缩和氧化能力的侵蚀，这通过低线粒体含量和向糖酵解表型的纤维型转变来反映[34]。离心运动利用延长肌肉作用的独特性质，与向心缩短作用相比，导致更高的发力能力；此外，离心运动的另外一个优点是它们需要较低的代谢成本和低心肺负荷来达到给定的肌力水平[35]。因此，相同的新陈代谢需求下，离心运动允许比常规向心运动高4～5倍的肌肉机械负荷[36]。

MacMillan等[37]研究显示，离心测力计训练促进严重COPD患者的运动肌力，但不能改善线粒体的适应性。Rocha Vieira等[38]对6例重度COPD患者进行渐进式中度离心运动训练，5周后，所有患者均从最低的10 W工作负荷增加到60%峰值耗氧量(以向心运动的方式达到)的目标强度；患者的平均能量比基线水平高7倍，心率保持在峰值的85%。该研究允许患者以最小的肌肉酸痛、呼吸困难和肌肉疲劳工作；在训练期结束时，患者可以在相同的代谢负荷和呼吸机工作量的5倍负荷下做离心运动工作。基于这些结果，研究者支持在COPD患者中使用离心运动训练方式。

2.3 运动损伤

力量和肌肉质量的维持和改善都是各种人群体育锻炼干预的重要目标[39]。高强度离心运动不仅可导致肌肉肥大和骨矿化增加，还可改善损伤后肌腱重塑。高强度离心训练是一种有效的替代肌腱重塑手术的方法，且成功率高，恢复时间短于常规物理治疗[40]。在高速运动中，当脚与地面接触并登地的过程中，肌肉-肌腱单元中储存能量，在脚抬起之前的最后缩短阶段，它们释放储存在初始拉伸阶段的大部分能量。

LaStayo等[41]研究显示，进行离心运动的受试者跳频增加10%以上，而对照组的跳频保持不变，因此中度负重离心运动可以改变肌腱弹性。在一项对高山滑雪运动员的训练中，对照组每周进行3次体重训练，离心组辅助减重运动，每次进行中度负重离心运动20 min，结果只有在补充离心运动的组中，运动员的肌肉量和跳跃高度(+6.5%)才增加[42]。

离心训练可以改善神经肌肉的协调性和肌肉力量，减少肌腱载荷，从而改善肌腱的健康[43]。有研究表明对14例男性运动员进行加重的离心负荷之后6周，蹲跳表现和Ⅱx型纤维横截面积增加[44]。

综上所述，适度的离心运动增加肌肉-肌腱单元主动和被动拉伸时的能量，导致弹性应变能量恢复的增强，这导致反弹活动(如跳跃)的性能得到改善。

2.4 老年人肌肉减少症

肌肉减少一般作为一些疾病的常见症状和预后不良的指标，如心脏衰竭、COPD、慢性肾功能衰竭、慢性肝衰竭，以及许多恶性肿瘤。肌肉减少症也是60岁以上的老年人容易发生的自然过程，且老龄化往往伴随着有氧运动能力的显著下降。因此，为了防止肌肉减少，保证生活质量和独立性，有必要让患者和老年人恢复运动。而中度负重离心运动似乎是运动耐力普遍较低，特别是老年人这种运动耐量较低群体的选择，因为离心运动可以以低代谢成本提供高机械负荷。

LaStayo等[45]探讨对老年人渐进性离心抵抗训练11周的安全性和有效性，训练结束后，受试者离心工作的能力增加3倍，大腿肌肉量(通过DXA估计)增加6%；虽然肌肉损伤和炎症标志物保持不变，但是随着离心运动训练，胰岛素样生长因子有增加的趋势。

在一项为期3个月的老年人抗跌倒训练的研究中，所有的参与者在训练之前的1年内至少有1次跌倒，将符合条件的老年人随机分为抗阻离心运动组和传统抗阻训练组，结果两组的肌肉力量和横截面积的改变没有差异，但是在3个月的运动和9个月的随访之后，只有不到一半的受试者经历了跌倒或接近跌倒[46]。

另一项研究对取自同侧13例离心训练组和14例对照组的股外侧肌进行肌肉活组织检查，通过超微结构形态测定法和转录组学技术分析肌肉活组织检查，建立与肌肉生长、重塑和修复有关的转录物的基因表达谱以及与肌肉代谢和线粒体有关的转录物的基因表达谱；发现胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)的增加与两种训练模式所观察到的肌肉生长相关；编码肌肉生长，重塑和修复的转录本的表达在离心运动中比在向心运动中增加更多；令人惊讶的是，离心运动减少了编码线粒体和代谢转录物的基因的表达；这些转录水平的变化与线粒体体积分数的显著降低相平行[47]。

对于老年人来说，离心运动训练对于身体组成和强度的改善似乎特别方便，但是以降低肌肉氧化能力为代价。离心运动被认为是预防和减少肌肉减少症的一种选择[48]。肌肉生长和修复的积极变化，加上肌肉线粒体和代谢可能的减少，需要进一步的审查和更多的离心运动训练方案的工作，特别是在用于对抗老年性肌肉减少症时。未来可能将激素替代疗法(hormone replacement therapy,HRT)与离心负荷训练结合起来治疗老年性肌肉减少症。有研究证实，最大的离心运动与HRT结合，比单独离心运动可导致绝经后妇女更大的肌源性反应[49]。

2.5 ACL修复

需要修复和术后康复的ACL损伤在足球、篮球、手球等团队运动中频繁出现。Dragoo等[50]报道称，每10,000次游戏暴露的ACL破裂率为8.6。Gerber等[51]应用中度负重离心运动ACL重建后干预的个案研究，康复干预在手术3周后开始，在12周的时间内逐渐增加离心运动训练强度；一项后续研究随机分配32例患者到为期12周的传统组和离心运动组；研究证明，ACL重建后可以安全地进行中度负重离心运动，他注意到在训练干预的任何时候都没有膝盖疼痛或积液，此训练方案在股四头肌力量和跳跃距离方面的有效性，这些使用中度负重离心运动训练方案组的康复效果明显好于传统康复组[52]。

一项更为系统的研究[53]涉及40例患者，比较ACL手术后康复治疗与通过渐进中度负重离心运动增强的康复计划，患者使用自我选择的20～40 RPM和5 min的初始训练持续时间，Borg疲劳评分为“非常轻微”，结果膝关节没有疼痛和积液，训练时间增加到30 min，并在9～12周感觉到“艰难”。这项研究进一步比较了外科手术，即骨-接骨移植与半腱肌-股薄肌移植，通过MRI估计，股四头肌和臀大肌的肌肉体积在离心训练的患者中增加1倍以上；1年后进行的一项随访研究重新评估17例偏瘫患者和15例常规康复组患者，使用MRI和功能测试，离心组仍然显示显著的股四头肌和臀大肌体积增加[54]。同样，中度负重离心运动使康复训练组的股四头肌力量和跳台距离在手术后1年仍然更好。

上述研究表明，中度负重离心运动是运动问题康复过程中潜在的有价值的工具，其重点是在低关节负荷下肌肉体积和强度的增加。然而需要注意的是，离心收缩训练也能减少反射活性，引起关节的不稳定[55]。

2.6 其他疾病

有学者对1例患有双侧膝关节炎的58岁男性进行为期12周的离心运动加强训练，患者完成了每周2次的膝关节屈肌和伸肌的离心加强方案，没有加剧膝盖疼痛的症状，使用超声测量股直肌的肌肉形态，肌肉峰值力矩的等速测量在60°/s和180°/s获得，结果显示患者的肌肉形态、肌力、功能表现、疼痛和全身疾病状态均得到改善[56]。20例较老的癌症幸存者(10例乳腺癌、5例前列腺癌、4例结直肠癌、1例淋巴瘤)，并有中度肌肉无力和疲劳的主诉，经过12周的渐进式离心负荷训练(每周3次)，膝关节伸长力矩峰值显著增加11%，计时测试提高14%[57]。对10例前列腺癌男性使用相似的(12周)渐进中度负重离心训练计划，观察到膝伸肌强度和股四头肌体积显著增加，与患者是否接受雄激素剥夺治疗无关[58]。两项研究均表明，离心运动在癌症幸存者中具有良好的耐受性，并且患者可以从离心运动方案中获得肌肉力量和运动的益处。

相对于正常人而言，糖尿病患者的肌肉力量和质量相对较低[59]。因此，为了提高肌肉力量和体积，中等载荷离心锻炼方案被应用在2型糖尿病患者中。Marcus等[60]比较15例2型糖尿病患者的有氧运动和有氧运动联合中度负重离心运动16周的情况，所有患者血糖控制和身体表现均改善；此外，使用辅助离心运动的组还显示大腿瘦肉组织和体质量指数的进一步改善。在一项针对16例更年期糖耐量减低妇女的研究中，10例受试者参加为期12周的中度负重离心运动训练，而另外6例则作为非运动对照，结果显示离心运动改善肌肉质量和功能，而不会影响胰岛素敏感性。从这些初步研究来看，中度负重离心运动可以安全地应用于2型糖尿病患者。

少数参与者进行的离心运动训练计划已被用于各种神经系统疾病。14例脑瘫儿童进行涉及肘屈曲的渐进离心运动方案，他们与一组年龄匹配的正常发育儿童组比较，通过离心力量训练，脑瘫儿童在整个运动范围内力矩改善，表明力量得到增加[61]。20例帕金森病患者随机分成两组，进行康复训练12周，结果显示，进行高强度离心性肌力训练的患者，肌力、运动迟缓和生活质量评分均比对照组有更大程度的改善，然而需要注意的是仍需要更多的研究来确定这种高强度离心训练方式是否具有长期的影响[62]。

与上述结果不同的是，有研究将19例多发性硬化患者随机分为标准运动组和标准运动结合离心运动组，12周训练后，标准运动结合离心运动组并没有导致更大的腿部力量收益，反而是标准运动组平衡性提高，并且比组合训练方式更能提升上下楼梯的能力[63]。离心运动在神经系统疾病中矛盾的结果需要在实验设计中进行更多的研究来验证。

3 结语和展望

综上所述，离心运动训练在许多不同领域都有很好的应用前景，但需要更多的深入研究来解释和证明神经肌肉系统如何适应离心运动训练，从而设计和优化个性化的离心运动训练策略，才能在目标人群的康复中发挥更大的作用。因此，进一步发展参数，优化强度和持续时间，将是今后重点关注和研究的内容。

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