低氧训练对青年女性骨密度的影响研究

邵梦霓，闻剑飞，况敬凯，王 波，王志红，李佳锡

（合肥师范学院 体育科学学院，安徽 合肥 230601）

低氧训练是目前比较热门的一种训练方式，最开始应用于运动队训练中。随着全民健身的推广，低氧训练在大众健身领域的应用也逐渐值得期待。低氧训练是在运动训练周期中持续或间断采用低氧条件刺激，人工模拟低氧环境并配合运动训练来增加机体的缺氧程度，以调动体内的机能潜力，产生有利于提高运动能力的抗缺氧生理反应及适应性[1]。目前常用的低氧训练是使用人工呼吸面罩给予运动者持续性低流量氧气。在低氧环境中运动者会出现机体的适应性改变，包括心率加快、心脏排血量增加、血中携氧红细胞和血红蛋白含量增加、呼吸频率、深度的增加从而改善气体交换，这些改变可以让人体单位时间内吸入氧气量增多从而维持血氧饱和度的稳定正常。已经有大量的实验[2]证明低氧训练在控制体重、心肺功能的提高以及改善运动员的有氧运动能力等方面有着重要作用。

骨骼是人体最坚硬的器官，具有支撑、保护人体的作用。骨密度（bone mineral density，BMD）是指骨组织中单位面积骨矿物质的含量，也称之为骨量。可使用一种称为密度计的程序来计算骨密度或骨量，单位一般为g/cm2。骨密度是诊断骨质疏松诊断的敏感指标，可以用来进行骨折的风险评估。但近年来有大鼠实验发现，长期低氧环境会抑制大鼠成骨细胞的增殖，刺激破骨细胞的活性，造成大鼠骨量的降低[3]。也有研究指出4周低氧训练可降低肥胖大鼠体重、促进肥胖大鼠骨形成和骨吸收，骨代谢处于动态平衡[14]。所以低氧训练对人体的骨密度究竟是正向影响还是负向影响目前尚无统一定论。

目前低氧训练对青少年骨代谢影响的报道较少，而青少年时期正是一生中骨量积累的顶峰时期，在这个年龄阶段积累足够的骨量可以有效预防以后出现的骨量流失[15]。因此本实验通过为期6周的低氧和常氧持续跑台训练，观察低氧训练对女青年骨密度相关指标的影响，探讨其中可能的机制，为科学推广低氧训练模式在大众健身中的应用提供一定的参考依据。

1 实验对象和方法

1.1 实验对象

通过填写《体力活动调查问卷》、使用体成分仪测BMI数值筛选出适合的合肥师范学院非体育专业女学生30名。受试对象均无吸烟史、无饮酒习惯、无规律运动习惯、无骨骼疾病史、近期未服用过影响骨代谢的药物（如激素类或固醇类）等。且无胃肠道疾病、肾脏疾病、糖尿病等影响骨代谢的相关疾病。

所有受试者在实验前告知其实验过程及可能存在的实验风险，并签署实验知情同意书。实验过程中饮食参照实验前，无特殊要求及饮食控制和食物补充。

实验测试前将30名实验对象随机分成低氧持续训练组（n=15）、常氧持续训练组（n=15），但中途有一人因受伤退出实验，实际参与实验人数为29人。实验对象的基本情况见表1。

表1 受试者实验前基本情况（±σ）

表1 受试者实验前基本情况（±σ）

注：与常氧组相较P＜0.05

骨骼肌含量/kg 20.91±1.73 20.72±2.45组别低氧组（n=15）常氧组（n=14）年龄/岁19.27±0.46 19.43±0.51体质量/kg 55.23±5.23 53.21±5.29 BMI/(kg·cm-2)21.12±1.37 20.36±1.86体脂肪含量/kg 16.29±2.80 14.97±3.86

1.2 实验方法

1.2.1 实验测试方案

实验前测：两组受试者在正式实验前均进行体成分和骨密度的检测。

运动干预方案：实验前受试者均进行1周适应性训练。实验组采用持续低氧跑台训练6周（低氧模拟的海拔高度为3 000 m），每周训练3次，每次持续40 min，运动过程中通过配带polar心率表控制心率在120～160次/min之间，以监测运动强度。对照组采用持续常氧跑台训练，训练强度、频次、时长均与低氧训练相同。实验过程中饮食参照实验前，无特殊要求及饮食控制或补充。实验后测：测试指标与实验前相同。

1.2.2 实验仪器

智能化低氧健身系统（型号：DYS-2，中国合肥）、Polar心率遥测表、运动跑台、体成分分析仪（Inbody370,韩国）、IIM-BDI-500A型（中国科学院研发）超声骨密度测试仪。

1.2.3 骨密度的测定

采用IIM-BDI-500A型（中国科学院研发）定量超声骨密度测试仪对右足跟骨骨密度进行测试。在测试前先进行机器的校正和预热，输入受试者年龄、身高、体重等基本信息。受试者坐位，右脚脱袜，用75%医用酒精局部消毒后涂抹耦合剂于足踝及探头上。然后足跟、小腿紧密贴住仪器，防止出现空隙影响测试结果，测试中始终保持足部的静止和身体的放松。测试指标主要有骨量（BMD）、超声声速（speed of sound，SOS）、超声振幅 衰 减 值（broadband ultrasound attenuation，BUA）、计算机自动分析结果得到跟骨硬度指数（stiffness index，STI）、T值（表示测试者骨强度高于或低于年轻成年人参考均值的偏离程度）。目前WHO推荐骨密度T值≥-1为正常；-2.5＜T值＜-1为骨量减少；T值≤-2.5为骨质疏松。

1.3 统计学处理

采用SPSS20.0软件对数据进行处理分析，所有数值首先进行正态分布检验，以数据服从正态分布（近似正态分布）为前提条件，再进行方差齐性检验，结果以均值±标准差（+σ）表示。组内实验前后的数据对比用配对样本T检验，实验组和对照组之间的对比用独立样本T检验，显著性水平α=0.05，P＜0.05为显著性差异。

2 结果

2.1 实验前后体成分比较

由表2可知低氧组和常氧组体成分的前后变化情况。

体成分组内比较。低氧组体重、BMI、骨骼肌含量较实验前略有降低，体脂肪含量较实验前略有升高，但前后对比均无统计学差异（P＞0.05）。常氧组体重、BMI、体脂肪含量、骨骼肌含量较实验前均略有升高，但前后对比均无统计学差异（P＞0.05）。

体成分组间比较。实验前、后低氧组和常氧组间的体重、BMI、体脂肪含量、骨骼肌含量均无统计学差异（P＞0.05）。

表2 实验前后两组体成分的比较（±σ）

表2 实验前后两组体成分的比较（±σ）

注：与实验前相较P＜0.05；与常氧组相较P＜0.05

骨骼肌含量/kg 20.91±1.73 20.66±1.67 0.24±0.75 20.72±2.45 20.85±2.32-0.14±0.48组别低氧组常氧组实验前实验后前后差值实验前实验后前后差值体质量/kg 55.23±5.23 55.17±4.51 0.06±2.18 53.21±5.29 53.35±4.99-0.14±1.85 BMI/(kg·cm-2)21.12±1.37 21.10±1.36 0.02±1.80 20.36±1.86 20.42±1.75-0.58±0.71体脂肪含量/kg 16.29±2.80 16.83±2.49-0.54±1.41 14.97±3.86 15.16±3.77-0.18±1.36

2.2 实验前后骨密度指标比较

由表3可知低氧组和常氧组骨密度指标的前后变化情况。

骨密度指标组内比较：低氧组的BMD、T值、STI、BUA、SOS数值较实验前均有升高，其中BMD、T值、STI、SOS数值前后对比均有统计学差异（P＜0.05）。常氧组的 BMD、T值、STI、BUA、SOS数值较实验前均有升高，且以上指标前后对比均有统计学差异（P＜0.05）。

骨密度指标组间比较：实验前、后低氧组和常氧组间的 BMD、T值、STI、BUA、SOS 值均无统计学差异（P＞0.05）。

表3 实验前后两组间骨密度指标的比较（±σ）

表3 实验前后两组间骨密度指标的比较（±σ）

注：★表示组内比较，与实验前相较P＜0.05；组间比较，与低氧组相较▲P＜0.05；不标注则为不显著，P＞0.05

SOS/(m·s-1）1 588.47±20.77 1 622.00±17.92★-33.53±22.50 1 587.79±32.09 1 611.29±34.83★-23.50±30.18组别低氧组实验后常氧组实验后组别实验前实验前前后差值实验前前后差值低氧组实验后BMD/(g·cm-2)1.18±0.08 1.33±0.09★-1.47±0.10 1.17±0.11 1.27±0.14★-0.09±0.11 T值-0.23±0.60 0.78±0.65★-1.02±0.76-0.14±0.77 0.50±1.07★-0.64±0.73 STI 99.87±11.16 120.4±12.03★-20.53±14.22 100.14±15.50 113.43±20.15★-13.28±15.73 BUA/(dB·MHz-1)46.29±3.85 47.21±4.49-0.91±2.27 44.61±3.19 47.40±2.37★-2.79±3.41

3 讨论

3.1 运动训练后对骨密度指标效果评价

本实验的定量超声仪是通过计算超声波在骨组织中的SOS变化以及BUA来反映骨骼的骨量、显微结构[4]。测定的骨密度指标包括骨量BMD、SOS、BUA，跟STI。其中BMD指标可以直接反映骨量的情况。BUA是指超声波在骨和软组织中吸收和散射的超声能量信号。BUA的大小主要受BMD的影响，其次是骨结构（比如骨小梁的数目、连接方式、小梁走向等），因此骨密度越大，BUA值愈大。T值为受试者实测的骨密度与青年人（20岁）骨密度峰值的比较值；T值变大代表骨密度增加[5]。SOS是指超声波的在介质中的传导速度，一般固体中传播速度最快，液体中次之，气体中最慢，所以骨密度越大，传导速度越快。STI由计算机自动计算公式获得，其与骨密度也是呈正相关。本实验研究发现低氧和常氧运动后，两组跟骨骨密度相关指标的数值较实验前都有增加，除了低氧组的BUA较之前相比略微增加，无统计学差异（P＞0.05），其余指标前后对比都有明显的统计学差异（P＜0.05），说明低氧组和常氧组训练后受试者的跟骨骨密度都有明显提高。

3.2 运动对骨密度的影响

青春发育期是骨量发育的重要时期，15～25岁时增加骨含量达到1 000 g，成年以后骨丢失约为500 g，40岁以后骨量开始逐渐下降[16]。人体骨骼的代谢情况主要受到激素水平、营养状态、体力活动水平和外界环境的影响[17]。美国运动医学学会指出，增加骨量、提高骨密度的最有效措施就是规律科学的运动刺激。合理的运动可以加速血液循环提供更多的营养物质，以及促进骨骼生长激素的分泌，提高骨钙素和骨碱性磷酸酶含量从增加骨强度。在运动系统中，肌肉和骨的生长发育相辅相成，肌肉收缩力量的大小也可以影响骨密度。运动时肌肉的牵拉力会通过骨骼杠杆传递出去来克服外界阻力，对骨骼的负荷刺激越大骨合成的增加越多。骨细胞可以将牵拉力的力学刺激转化成生化信号调节骨骼的新城代谢而出现成骨细胞的兴奋[6]。传统意义上用BMD作为测试骨强度的指标，能够时刻反映骨组织的健康状态[7]。

不同形式的运动在一定程度上都具有成骨效应，比如各种形式的抗体重运动（包括慢跑、登山、步行等）、休闲运动（包括太极拳、广场舞等）、抗阻运动等都可以改善绝经后妇女的骨密度，而从不运动的绝经后女性则会表现出骨密度的明显降低。不同的运动形式对骨密度改善的程度也不同。有研究表明，年龄、体成分相似的人群，跑步的人群具有较高的全身尤其是腿部的骨密度，而单车组腰椎则表现出较低的骨密度，可见高冲击性运动改善全身骨密度的效果更好。大鼠实验也表明跑台运动健骨的效果从高到低依次为骨盆、后肢骨、肋骨、脊椎骨、前肢骨，因此受力轴上的骨密度升高最明显[8]。另外，不同的训练强度、运动负荷对骨的负荷刺激具有差异性。目前对于提高骨密度比较推荐的是中等强度到较大强度运动负荷[18]。有研究表明，采用不同强度的间歇跑台训练大鼠，结果发现中等强度的间歇运动对大鼠骨量的增加最显著。王雷[9]发现每周5次、每次2～3 h的7周大强度健美操训练后，在校大学生的跟骨骨密度显著下降，并且在停训后6～7周骨密度才恢复如前，可见大强度的运动反而会引起骨密度的降低。因此，适宜的有氧运动可以有效维持骨量，而长期过度的有氧训练会使得骨代谢负平衡[10]。根据骨骼的重塑特点，在重塑过程中，理论上骨质空腔被新生的骨质填满需要六个月的时间，所以长期规律的运动才能有效改善骨密度。一般建议引起骨密度增加的运动频次以每周2次为最低运动计量，运动持续的周期因年龄而异。具有骨质疏松患病风险的中老年人群而言，骨密度的改善通常需要12周及以上的时间[11]，对于生长发育期的青少年而言，4周的耐力训练也可以引起骨密度的变化[12]。

本研究结果显示，常氧训练组在6周训练后，在体重未有明显变化的前提下（体重对骨密度的影响较大，在一定范围内，体重越大骨密度越高），受试者的跟骨骨密度和训练前相较明显提高（P＜0.05）。说明中等强度的有氧运动在控制体重的同时可以提高青年女性的跟骨骨密度。

3.3 低氧对骨密度的影响

从骨细胞生长发育的角度来说，充足的氧气和营养能够促进成骨细胞的增殖[19]。有研究发现长期缺氧会抑制成骨细胞的兴奋，促进成骨细胞的凋亡，并且缺氧时间越长抑制越明显。同时缺氧会促进单核前体分化为破骨细胞，且氧分压越低生成的破骨细胞越多。乔林等[13]观察大鼠在低氧环境下生活4周后腰椎骨密度值变化不明显，12周有所下降但无显著性差异，低氧24周大鼠腰椎骨密度显著降低。路瑛丽[14]对肥胖大鼠进行低氧训练（模拟海拔350 m，持续运动1 h/d、6 d/周、共4周）后发现，4周低氧训练可降低肥胖大鼠的体重、脂体比，增加骨体比，同时促进肥胖大鼠骨形成和骨吸收，骨代谢处于动态平衡，但尚未对大鼠股骨和胫骨骨密度产生明显影响，其分析原因可能与低氧训练的周期较短有关系。缺氧对于骨细胞的影响程度与氧浓度、缺氧时间有密切关系，有研究表明，在3%氧浓度时，破骨细胞骨活性程度最大，但长期的低氧训练反而会刺激机体产生适应，降低破骨细胞的活性，对骨密度的影响由负向转化成正向。高原低氧环境对人体的研究发现，海拔越高，人体骨密度下降幅度越明显，同时在高原生活年限越短（＜5年者），骨密度值下降越明显。说明随着时间的持续，人体的适应性会越来越好，生活在不同海拔高度，居住时间长短不同会对骨密度产生不同的影响。但低氧对骨代谢的影响机制比较复杂，低氧方式、环境的不同对人体的结果可能不完全一致。目前大多数都是研究高原环境下长期居民的身体骨密度情况或者低氧环境下动物的体内骨质变化情况，而低氧训练、低氧健身是这几年逐渐流行起来的。

本实验结果和高欢的研究结果相似，高欢[12]对肥胖青少年进行为期4周每周6天的中低强度的平原训练、中低强度的低氧训练（模拟海拔2.3 km，低氧10 h/d，有氧运动2 h/d）、中低强度的高原训练（青海多巴居住运动），结果显示常氧组、低氧组和高原组青少年全身总骨密度均显著升高，且各组之间无显著性差异（P＞0.05）。实验结果表明持续6周的中等强度低氧（模拟海拔高度3 km）跑台训练后，受试者的体重变化不大，但受试者的跟骨骨密度较前有明显提高（P＜0.05），主要表现在骨量的提高、T值的改善等。同时常氧组的跟骨骨密度也较前有明显提高（P＜0.05）。组间相比实验后低氧组的骨密度改善幅度更明显，但两组前后比较均无显著性差异（P＞0.05）。可以肯定一周三次的低氧训练并不会对骨密度产生负效应，反而会增加骨密度。至于低氧训练组和常氧训练前后组间比较为什么没有差异性，可能是因为训练持续的周期较短，只有6周，如果延长至12周或半年，对于骨密度的影响可能会更加明显，并且本次实验只选取了3 km海拔高度，如果加入4 km或更高海拔的对比，可能对低氧训练的科学认识会更加全面化，因此低氧训练对青少年骨密度的影响规律还有待进一步研究。

4 小结

持续6周中等强度的低氧训练可以控制青年女性的体重，同时在提高跟骨骨密度方面也起着正向作用。