不同频率振动训练对膝骨关节炎老年人下肢肌力和症状的影响

刘衡，叶姝

1.重庆大学体育学院，重庆市 401331；2.四川省体育科学研究所，四川成都市610041

膝骨关节炎(knee osteoarthritis,KOA)是一种退行性骨关节疾病，是由于关节滑膜退变引起的关节病变。KOA会引起老年人下肢疼痛、僵硬以及肌肉萎缩和肌力下降，并伴随步态异常，甚至影响生活质量，给家庭和社会带来较大负担[1]。如何提升KOA 老年人下肢肌力值得关注。振动训练能有效提升人体肌力已被越来越多的学者证实，大量研究从不同频率、振幅角度探讨振动训练对力量提升的效果[2-6]。因研究对象选择不同得出不一致的结论。刘北湘等[5]认为，35～45 Hz 的振动频率能提高大学生受试者膝关节的屈和伸肌峰力矩(120°/s)。有学者研究24 周同振幅不同频率振动训练对健康老年女性下肢关节肌力的差异，认为40～45 Hz 优于10～15 Hz[3]。早期的一项研究对运动员(垒球、游泳和跳水)进行8周同振幅25～35 Hz和35～50 Hz 的振动训练，发现两种频率刺激均显著提高受试者髋、膝和踝关节伸肌的峰力矩，且35～50 Hz组效果更佳[6]，但该作者未分析肌肉耐力的变化。另外，有学者对近年来振动训练对人体肌力的影响进行综述，认为不同频率振动训练对力量增加存在争议，亦有研究认为低频效果优于高频[7-8]。

老年人关节软组织僵硬或活动量不够，肌肉功能障碍会引发KOA，提升肌力水平会一定程度缓解KOA 症状[9]。等速肌力测试系统能精细反映受试者被测关节肌群的绝对力、爆发力和肌肉耐力。本研究探讨同振幅不同频率的振动训练对KOA 老年人下肢关节肌力和症状的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2019 年3 月至6 月，以走访和微信广告形式，募集我市经医院确诊的KOA老年人。

纳入标准：①60～69 岁；②参照美国风湿病学会(2001 年)标准[10]1～3 级KOA；③通过体力活动适应能力问卷(Physical Activity Readiness Questionnaire,PARQ)和心脑血管疾病的体检；④签署知情同意书。

排除标准：①心、脑血管疾病和认知功能障碍；②近期正在进行其他有规律的力量训练或运动；③下肢关节有关节或肌肉手术史，髋和踝骨关节炎。

共募集91 例，采用数字分配方式(受试者随机抽取1、2、3、4)随机分成对照组、低频组、中频组和高频组。在实验初期和中后期共有9 例由于个人或家庭原因退出，样本流失率为9.9%。最终有82 例完成整个实验过程，四组一般资料无显著性差异(P＞0.05)。见表1。

本研究符合赫尔辛基宣言，已经重庆大学伦理委员会审查通过(No.2018-0801)。

表1 受试者一般资料比较

1.2 方法

实验时间2019 年7 月～10 月，地点为我校体能实验室。低频组、中频组和高频组频率依次选择15 Hz、30 Hz 和45 Hz 振动训练，振幅选择3 mm[3,11-13]。使用Power-Plate 振动训练仪(美国)4 台，借鉴李静雅等[3]的研究方案，振动组在振动仪开启状态下，对照组在振动训练仪关闭状态下，完成半蹲、深蹲、左右弓箭步蹲和提踵4 个动作，每组10 次，共3 组，组间休息约20 s，约15 min，每周3 次，共16 周。整个实验过程有专门人员进行监督，保证训练安全和质量。

1.3 评价指标

1.3.1等速肌力测试

采用IsoMed 2000等速肌力测试仪(德国)，在振动训练前后进行双侧髋、膝和踝关节(60°/s、5 次和180°/s、25 次，两种角速度测试之间休息1 min)屈伸等速肌力测试。其中髋和踝关节测试时受试者取卧位，膝关节时取坐位。髋、膝和踝关节活动度分别为120°、80°和70°。正式测试前，进行2～3 次亚极限强度练习，确保数据可靠。

等速肌力测试指标为峰力矩和肌肉耐力。峰力矩指在整个关节活动中肌肉收缩产生的最大输出力矩，能反映受试者的力量素质。60°/s测试结果能反映普通人群的绝对力量，180°/s 能反映普通人群的爆发力[14-16]。肌肉耐力指关节肌肉重复收缩时耐受疲劳的能力。在180°/s 测试中，采用最后5 次与最初5 次的总做功之比反映受试者的肌肉耐力水平，越接近1 表明相应肌群耐力越好[14]。

1.3.2症状测试

训练前后采用西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数(Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index,WOMAC)[17]测量疼痛、僵硬和身体功能分项得分。该问卷共24个问题，受试者针对每个问题做出“没有、轻微、中等、严重和非常严重”的选择，相应记0分，1分，2分，3分和4分。

1.4 统计学分析

采用SPSS 20.0 统计软件。计量资料经Shapiro-Wilk 检验均符合正态分布，以(±s)表示。组间比较采用单因素方差分析，事后多重比较采用LSD 检验。组内不同时间点进行独立样本t检验，显著水平α=0.05。

2 结果

2.1 峰力矩

2.1.160°/s

训练前，四组间各项数据均无显著性差异(P＞0.05)。训练前后比较，低频组下肢峰力矩无显著性差异(P＞0.05)；中频组膝关节伸肌峰力矩增加(P＜0.05)；高频组膝和踝关节伸肌峰力矩增加(P＜0.05)。训练后组间比较，四组间髋、膝和踝关节屈肌，髋关节伸肌峰力矩无显著性差异(P＞0.05)；中频组和高频组膝和踝关节伸肌峰力矩大于对照组，且高频组大于低频组和中频组(P＜0.05)。见表2。

2.1.2180°/s

训练前，四组间各项数据均无显著性差异(P＞0.05)。训练前后比较，低频组下肢峰力矩无显著性差异(P＞0.05)；中频组膝关节伸肌峰力矩增加(P＜0.05)；高频组膝和踝关节伸肌峰力矩明显增加(P＜0.01)。训练后组间比较，四组间髋、膝和踝关节屈肌峰力矩均无显著性差异(P＞0.05)；高频组髋、膝和踝关节伸肌峰力矩大于对照组和低频组(P＜0.05)。见表3。

2.2 肌肉耐力

训练前，四组间各项数据均无显著性差异(P＞0.05)。训练前后比较，低频组和中频组下肢肌肉耐力值无显著性差异(P＞0.05)；高频组髋和膝关节伸肌耐力增加(P＜0.05)。训练后组间比较，四组间髋、膝和踝关节屈肌耐力值，踝关节伸肌耐力值无显著性差异(P＞0.05)；高频组髋和膝关节伸肌耐力值高于其他组(P＜0.05)。见表4。

2.3 KOA症状测试结果

训练前，四组间各项数据均无显著性差异(P＞0.05)。训练前后比较，低频组和中频组WOMAC 疼痛、僵硬和身体功能得分虽有变化但无显著性差异(P＞0.05)；高频组疼痛得分显著减少(P＜0.001)。训练后组间比较，四组间WOMAC僵硬和身体功能得分无显著性差异(P＞0.05)；高频组WOMAC疼痛得分小于其他三组(P＜0.05)。见表5。

表2 各组下肢60°/s峰力矩(N·m)

表3 各组下肢180°/s峰力矩(N·m)

表4 各组下肢肌肉耐力值

表5 各组WOMAC评分比较

3 讨论

本研究对KOA 老年人进行16 周同振幅(3 mm)、不同频率(15Hz、30 Hz、45 Hz)的振动训练，以期探讨下肢关节屈伸肌群的绝对力、爆发力、肌肉耐力以及症状的变化。当人体在进行振动训练时，产生的负荷由振幅、频率和附加的负荷组成，其中振幅决定肌肉承受的离心作用力，频率决定肌肉承受的加速度力，附加的负荷决定肌肉的紧张度[17]。本研究统一振幅，附加的负荷由受试者自身体质量决定，为此本研究探讨肌肉承受的加速度力(频率不同)是否对肌力和症状产生不同的影响。

本研究显示，在同振幅前提下，高频振动训练有利于提高KOA 老年人膝、踝关节伸肌绝对力和爆发力，中频有利于提高膝关节伸肌绝对力和爆发力，而低频不足以引起下肢肌群绝对力和爆发力发生显著变化。

在同振幅和附加负荷不变条件下，随着振动频率增加，受试者肌群受的刺激和强度增大[11]。随着振动频率增加，肌梭内纤维的长度变化加快，神经脉冲的频率和强度增加，进而能募集更多的运动单位参与运动[18]。上述观点被多项研究证实[6,11,19]。本研究对象为KOA老年人，其中膝和踝关节伸肌变化与上述结论一致，然而髋关节屈伸肌与任满迎等[6]研究不一致，膝和踝关节屈肌变化与卢澎涛[11]研究不一致。可能与本研究未附加额外的负荷有关，任满迎等[6]研究对象附加杠铃负重(30%最大深蹲负荷)。另外，受试者年龄和职业也可能是造成结论不一的原因。本研究对象为KOA老年人，平时较少进行有规律的力量训练，因此在进行振动训练后，下肢肌群的绝对力和爆发力有积极变化。当人体站立在振动平台上进行振动刺激，下肢肌群的运动单位得到更多活化，进一步完善了肌腱的收缩功能，相比无振动训练时激发了更多的肌纤维参与收缩，经过反复刺激后改善肌力[20-23]。另外，振动增加肌肉温度、血流量和振动性阻力的紧张反射，改善神经肌肉性能[24]，亦是改善肌力的原因。

值得注意的是，本研究发现16周不同频率的振动训练均不足以引起KOA 老年人下肢屈肌变化，可能与在振动平台上设计的动作或干预的时间不够长有关。有研究认为[11]，老年人是否容易发生跌倒与下肢肌力有较强的联系，无跌倒史的老年女性膝关节屈肌和踝关节伸肌显著大于有跌倒史的受试者，而踝关节伸肌最能预测老年人是否会发生跌倒，其次是膝关节。本研究提示，同振幅下高频振动训练对预防KOA老年人跌倒有积极的意义。

本研究显示，在同振幅前提下，高频振动训练有利于提高KOA 老年人的髋和膝关节伸肌耐力，而低频和中频不足以引起下肢肌群耐力发生显著变化。

受试者在振动平台上进行振动训练时，被振动部位低阈值的肌纤维参与收缩，缓解了高阈值肌纤维的疲劳[25]。鉴于本研究高频组的髋和膝关节进行25次伸运动时肌群做功衰减力度减弱，而低频和中频无近似的结论，我们推测，16周45 Hz的振动训练能让KOA老年人被测关节低阈值的肌纤维更多参与收缩，肌耐力提高。值得注意的是，髋和膝关节屈肌和踝关节屈伸肌耐力无明显变化，这可能与本研究未专门对受试者进行屈肌的训练以及研究对象特殊性有关。KOA老年人活动受限，下肢肌群活动量相比正常人要少，而振动训练能够一定程度提升他们的肌肉耐力水平，这是本研究的新发现。

本研究显示，在同振幅前提下高频振动训练有利于减轻KOA 老年人疼痛症状，而低频和中频不足以引起KOA症状发生显著变化。

有研究认为[26]，4周30 Hz的振动训练能够显著降低KOA 老年人的疼痛症状。Li 等[27]认为相比一般的抗阻力量训练，振动训练并没有显著改善患者的疼痛症状，但与无力量训练组相比有积极效果。本研究发现，仅45 Hz 振动训练能减轻KOA 老年人疼痛症状。这可能与受试者选择以及干预时间不同有关。由于本研究高频组下肢关节力量改善明显优于中频和低频组，我们推测KOA 老年人下肢肌力提升减轻了疼痛症状，因KOA 患者膝关节周围肌力不足会导致关节不稳定，一定程度加剧了行走时的疼痛感。另外，振动训练能增加受试者被振动部位疼痛阈值[28]，这也是改善KOA老年人疼痛症状的因素。

本研究仍存在一定的局限性，如样本量不足，选取的是轻度KOA 患者、可能不适合重度患者，未测量运动能力的变化等，有待后续进一步探讨。

综上所述，在同振幅前提下，16 周45 Hz 振动训练能提高KOA 老年人膝和踝关节伸肌绝对力和爆发力，髋和膝关节伸肌的耐力，减轻疼痛症状。30 Hz振动训练能提高KOA 老年人膝关节伸肌绝对力和爆发力，而15 Hz 不足以引起下肢关节肌力和症状发生显著变化。建议轻度KOA 老年患者，选择较高频率的振动训练。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。