飞轮抗阻训练对老年人骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力影响的Meta分析

王皎琴，傅鸿浩，张 强，张 明

跌倒是导致老年人伤残、失能和死亡的重要原因之一。有研究报道，大约30%的社区老年人每年至少发生一次跌倒事故，其中50%的老年人反复发生跌倒［1-2］。老年人跌倒的致因很复杂，涉及多种内在因素（肌肉力量、平衡能力降低、骨质疏松、肌肉减少等）和外在因素（环境）［3］，但最为核心的是增龄引起的肌肉力量下降［4-5］、肌肉萎缩和平衡能力减弱［5-6］。运动干预可有效预防老年人跌倒［7-9］。

虽然传统抗阻训练（通常涉及自由重量和负重片器械［10］）已广泛用于预防老年人跌倒［8-11］，但传统中等强度抗阻训练通常不会改善老年人的平衡能力［7］。这其中的原因可能是传统中等强度抗阻训练无法提供足够的与平衡控制相关的神经肌肉刺激［12］。传统的高强度抗阻训练可较好地增加肌肉质量和力量素质，以及神经对肌肉的控制能力，以增强平衡所需的刺激［13-15］，但其造成的心血管压力和机体代谢压力较大。相较而言，老年人更适合离心抗阻练习，这是因为离心抗阻训练对老年人的机体代谢、神经和心血管产生的压力较小［16］，感知努力减少［17］。此外，研究还表明，老年人的离心收缩力量随年龄的增长而下降的幅度较小［18］。鉴于离心抗阻训练能使老年人产生更高水平的力量和爆发力，建议通过离心超负荷训练来帮助老年人改善肌肉质量和力量素质，进而提高平衡能力和运动功能表现，预防跌倒［19］。

飞轮抗阻训练（flywheel resistance training,FRT）是一种典型的离心超负荷训练（见图1）。FRT通过飞轮训练器转动产生阻力来进行训练。其设计原理类似于悠悠球［20］，训练时可产生更大的离心超负荷［21-22］。当前，FRT在老年人群中的应用效果存在差异。有研究表明，FRT可显著改善老年人下肢骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力［23-25］，而其他研究则发现，FRT对老年人肌肉适应性和功能改善并未出现显著性差异［26-27］。这可能是由于FRT对老年人肌肉适应性和平衡能力的改善作用因训练时间、方法设计的不同而产生的差异。与此同时，这些研究的结局指标相对单一，研究样本量较少，且FRT对老年人肌肉适应性和平衡能力的训练效果存在不确定性。基于此，本研究旨在系统综述老年人FRT相关文献的基础上，探讨FRT对改善老年人骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力的效果，为提升和保持老年人肌肉健康水平以及平衡能力的进一步研究提供参考。

图1 为YoYoTM的Hooper’s Box（215型）的飞轮深蹲［28］

1 研究方法

1.1 文献检索

文献检索数据库包括：Web of Science、Pubmed、Cochrane library、SportDiscus、Scopus、中国知网、万方数据库。英文数据库以“flywheel”or“flywheel resistance”or“flywheel device”or“flywheel training”or“flywheel overload training”or“inertial training”or“inertial resistance”or“inertial exercise”or“isoinertial training”or“accentuated eccentric”or“isoinertial exercise”or“isoinertial resistance”or“older”or“elderly”or“old”等为检索词；中文数据库以“飞轮抗阻训练”“飞轮训练”“离心超负荷训练”“等惯性训练”为检索词，在各数据库中进行混合检索。检索时间为从数据库建库开始到2021年11月。收集所有关于FRT对老年人骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力影响的中英文文献。

1.2 纳入与排除标准

1.2.1 研究设计

所选研究为随机对照试验(randomized controlled trial，RCT)、临床对照试验(clinical controlled trial，CCT)或类实验（quasi experiment，QE）。

1.2.2 研究对象

无慢性疾病、关节损伤的60岁及以上的健康老年人。

1.2.3 干预措施

实验组为FRT；对照组保持常规活动或其他运动干预。当对照组与实验组基线不一致时，提取进行FRT的老年人自身训练前后对照的相关数据。

1.2.4 结局指标

选择能反映肌肉力量、骨骼肌肌肥大、平衡能力的相关指标。肌肉力量指标包括：等速肌力、最大自主随意收缩（maximum voluntary contraction,MVC）；骨骼肌肌肥大指标包括：肌肉厚度、肌肉生理横断面积；平衡能力指标包括：30 s坐立起测试（30 s Sit to Stand，30 s STS）、计时起立—走测试（Timed Up and Go，TUG）。

1.2.5 排除标准

1）不符合纳入标准的文献；2）综述类文献；3）非中英文文献；4）结局指标数据不全，导致数据不能提取的文献。

1.3 文献筛选与资料提取

1.3.1 文献筛选

将各个数据库检索到的相关文献导入文献管理软件进行去重处理。由2位研究人员按照纳入和排除标准采用独立双盲的方式对文献进行筛选。先阅读标题和摘要以及鉴别文献类型，对文献进行初步剔除，得到合格的文献后下载全文并进行全文筛选。筛选结束后，2位研究人员将提取的文献进行比对，若有分歧，则与第3位研究人员共同讨论决定是否纳入。

1.3.2 资料提取

对符合纳入标准的文献进行独立提取，用事先设计的资料提取表格提取信息。内容包括：1）基本资料，主要为第一作者、发表年限；2）研究特征，主要为样本量、研究对象（年龄、性别）、干预内容、干预时间、干预频率和干预周期；3）结局指标，主要为肌肉力量、骨骼肌肌肥大和平衡能力的指标。

1.4 统计分析

运用“ReviewManager 5.3”软件制作文献筛选图以及相关的统计学处理，并用“PEDro”量表评估纳入文献的偏倚风险。纳入文献的结局指标属于连续型变量，由于测试人员、仪器、手段、方法以及测试指标单位等存在不一致，为避免研究差异导致的报告误差偏大，选择标准均数差（SMD），各效应量均给出其点估计值和95%的置信区间（95%CI）。采用的统计模型根据纳入研究间的异质性而定。同质性检验（即Q检验，检验水准为a=0.1）为χ2检验。当p＜a时，表明研究间存在异质性；当p≥a时，则认为各研究间是同质的。纳入研究间的异质性程度采用p值和I2进行定量分析，I2代表各研究间的异质水平，取值范围为0～100%。当I2≤50%且p＞0.10时，可认为各研究间异质性较低，采用固定效应模型进行Meta分析；当I2＞50%或p＜0.10时，可认为各研究间存在异质性，采用随机效应模型进行Meta分析。同时根据Cohen的解释，效应量≤0.2为微小效应量、效应量在0.2～0.5为小效应量、效应量在0.5～0.8为中等效应量，效应量≥0.8为大效应量［29］，将Meta分析的检验水准设为p＜0.05。

2 研究结果

2.1 文献检索结果

通过检索各数据库，获得文献1 285篇，通过其他途径手工检索到3篇，共1 288篇。导入文献管理软件去除重复文献后，共收录831篇文献。在阅读标题和摘要以及区分文献类型的基础上剔除778篇文献，剩余53篇文献，在进一步阅读全文基础上再剔除43篇文献，最终纳入定性文献为10篇，文献筛选流程如图2所示。

图2 文献筛选流程示意图

2.2 纳入本研究文献的基本特征

本研究共纳入文献10篇，其中，7篇为RCT，3篇为QE。纳入文献均报告了实验组和对照组的样本量，但有1篇文献未显示具体的受试者性别数量［30］。共纳入受试者249名，其中实验组129名、对照组120名，受试者平均年龄介于64～76.7岁之间。本研究纳入的文献中有6篇文献中的实验组干预内容包括飞轮深蹲［23-24,26-27,31-32］；3篇文献中的实验组干预内容包括膝关节屈伸［25,30,33］;2篇文献中的实验组干预内容包括提踵［27,31］；仅1篇文献中实验组干预内容涉及到硬拉［26］。有5篇文献中的对照组干预内容包括保持常规活动［23-24,27,31,34］；1篇文献包括固定器械膝关节屈伸［25］、杠铃深蹲［26］、壶铃深蹲［32］；2篇文献包括自行车运动［30,33］。练习动作的重复组数集中在4组、重复次数集中在6～12次、干预频率介于2～3次/周、干预周期介于6～13周。纳入文献的详细特征见表1。

表1 纳入文献的基本特征

2.3 纳入文献的偏倚风险评估

本次研究采取物理治疗证据数据库(physio-therapy evidence database，PEDro)量表［35-36］，对所有纳入文献进行了偏倚风险评估。“PEDro”量表共由11个题目组成，除第一题不计入总分以外，其余每题各记1分，共计10分（凡是得分≥6分的研究文献即认为其质量较高）。其中，9～10分为高质量文献、6～8分为较高质量文献、4～5分为一般质量文献、低于4分为低质量文献［37］。本次纳入的10篇文献中，较高质量的文献有7篇，一般质量的文献3篇，纳入被试条件明确，研究采取盲法的文献较少，研究文献的方法学质量较高（见表2）。

表2 纳入文献的PEDro得分

2.4 FRT对老年人骨骼肌肌肥大的影响

有4篇文献共纳入8项相关研究［27,30-31,33］比较了FRT对老年人骨骼肌肌肥大的影响。同一篇文献中，当同一个结局指标有多种测试手段的数据进行比较时，将其视为多项研究。如图3所示，此8项研究之间无异质性(I2=0%，p=0.98)，运用固定效应模型进行分析。Meta分析结果显示，合并效应量（SMD=0.43，95%CI为［0.13，0.73］，p=0.006）的结果差异有显著性。根据Cohen的解释，SMD为0.43，为小效应量［29］，说明与对照组相比，FRT能够改善老年人的骨骼肌肌肥大。

图3 FRT对老年人骨骼肌肌肥大影响的Meta分析结果

2.5 FRT对老年人肌肉力量的影响

有5篇文献共纳入7项相关研究［24,26,30,33-34］，比较了FRT对老年人下肢等速肌力的影响。如图4所示，此7项研究之间具有中度异质性(I2=57%，p=0.03)，运用随机效应模型进行分析。Meta分析结果显示，合并效应量（SMD=0.66,95%CI为［0.18，1.14］，p=0.007）的结果差异有显著性。根据Cohen的解释，SMD为0.66，为中等效应量［29］，说明FRT能够在一定程度上有效改善老年人的下肢等速肌力。

图4 FRT对老年人等速肌力影响的Meta分析结果

有4篇文献共纳入5项相关研究［25-26,30,33］，比较了FRT对老年人MVC力量的影响。如图5所示，此5项研究之间具有中度异质性(I2=61%，p=0.04)，运用随机效应模型进行分析。Meta分析结果显示，合并效应量（SMD=0.71,95%CI为［0.09，1.32］，p=0.02）的结果差异有显著性。根据Cohen的解释，SMD为0.71，为中等效应量［29］，说明FRT能够在一定程度上有效改善老年人下肢MVC力量。

图5 FRT对老年人最大随意收缩力量影响的Meta分析结果

2.6 FRT对老年人平衡能力的影响

有6篇文献共纳入6项相关研究［24,26-27,31-32,34］，比较了FRT对老年人30 s STS测试成绩。如图6所示，此5项研究之间无异质性（I2=0%，p=0.47），运用固定效应模型进行分析。Meta分析结果显示，合并效应量（SMD=0.69,95%CI为［0.35，1.04］，p＜0.000 1）的结果差异有显著性。根据Cohen的解释，SMD为0.69，为中等效应量［29］，说明FRT在一定程度上能够有效改善老年人30 s STS测试成绩。

图6 FRT对老年人30 s坐立起测试结果影响的Meta分析结果

有4篇文献共纳入4项相关研究［23,27,31-32］，比较了FRT对老年人坐立起走测试。如图7所示，此4项研究之间无异质性(I2=0%，p=0.43)，运用固定效应模型进行分析。Meta分析结果显示，合并效应量（SMD=-0.92，95%CI为［-1.35，-0.49］，p＜0.000 1）的结果差异有显著性。根据Cohen的解释，SMD的绝对值为0.92，为大效应量［29］，说明FRT能够非常有效地改善老年人TVG测试成绩。

图7 FRT对老年人计时起立-行走测试结果影响的Meta分析结果

3 讨论

3.1 FRT对老年人骨骼肌肌肥大与肌肉力量影响的分析

本研究结果显示，FRT对老年人的骨骼肌肌肥大和肌肉力量改善效果显著。骨骼肌肌肥大是指肌肉大小的增加伴随着肌原纤维蛋白的增加,可通过肌肉生理横断面积或肌肉体积来描述［38］。骨骼肌肌肥大主要表现为肌肉形态学适应，即肌原纤维增粗和肌纤维数量的增加，从而引起单个肌纤维横断面积，乃至整块肌肉横断面积增加。其他形态学适应还包括肌纤维类型、羽状角、肌丝密度以及结缔组织和肌腱结构的变化［39］。本研究中的肌肉力量是指最大肌力，即人体肌肉最大随意收缩时表现出来的最高力值［40］，常用等速肌力和MVC测量。研究表明，肌肥大与肌肉力量呈正相关［41］。一方面，肌肉体积或肌肉横断面积的增加，可提高肌肉产生力的能力，为肌肉后期最大力量训练阶段提供良好的结构和功能基础［41］。另一方面，肌肉力量增加可提高肌纤维蛋白合成能力，扩大肌肉生理横断面积［42］。

FRT对老年人的骨骼肌肌肥大和肌肉力量的改善效果与前人的相关研究一致［43-44］。Fernandez等对32名老年中风患者进行为期12周、每周2次的飞轮举腿干预训练。干预结束后，发现干预腿的股四头肌肌肉生理横断面积增加8.2%；股四头肌肌肉体积增加9.4%，MVC力量增加19.8%；对照组肌肥大和肌肉力量无显著变化［43］。同样，Seynnes等对7名健康男性进行为期35 d的飞轮抗阻训练，每周干预3次，每次做4组，重复7次的膝关节伸展运动。干预3周后，被试股四头肌中央和远端肌肉生理横断面积分别增加3.5%和5.2%，35 d后股四头肌中央和远端肌肉生理横断面积分别增加5.4%～7.6%和6.6%～8.2%，MVC力量增加了33.2%～44.6%［44］。

有研究认为，与向心收缩相比，离心收缩是促进肌肉肥大和力量生长最有效的刺激因素［45-46］。一方面,飞轮离心训练器可为训练者提供离心超负荷训练，这是因为在使用飞轮训练器进行训练时，向心阶段与离心阶段产生的冲量由力和时间2个因素决定，即I=Ft。因此，离心阶段，人体只需用较短的时间（即较小动作范围内）就能抵抗向心阶段产生的冲量，这样在离心阶段便可产生更大的负荷，即离心超负荷［21-22］（指训练过程中施加在离心阶段的负荷强度大于向心阶段），使人体承受更大的负荷，募集更多的运动单位［21］。另一方面，飞轮离心训练器可产生适应性阻力，根据训练者的疲劳情况不断变化阻力的大小，其产生的阻力与训练者的发力程度呈正比［47］，使每次训练都能为训练者提供所能完成的最大负荷。此外，相比于传统训练方式，飞轮离心训练可以在每一次训练的向心阶段都募集更多的运动单位［21］。在传统抗阻训练中，向心阶段肌肉在不同关节角度下克服阻力的大小有所不同，肌肉黏滞点处所克服的最大阻力决定了肌肉向心阶段的最大负荷［10］，导致肌肉只能在每组训练的最后一次动作的黏滞点处达到最大募集，而其他动作环节处于次激活状态。同时，传统抗阻训练的负荷是根据向心阶段肌肉收缩克服的阻力来确定的，使离心阶段的负荷受到向心收缩能力的限制［48］。由于肌肉离心收缩产生的力比向心收缩大［49］，所以这种由向心阶段肌肉收缩克服阻力的能力而确定的训练负荷［50-52］，无法在离心阶段为肌肉提供足够大的负荷强度（有研究表明，这种传统训练方式只能提供最大离心负荷的40%～50%［53］），因此，不能引起肌肉最大程度地激活。相比之下，FRT因其适应性阻力和离心超负荷的特点，可克服传统抗阻训练方式中向心阶段低激活、离心阶段负荷不足的缺陷，能激活更多的运动单位、增加神经冲动频率、运动单位同步化、改善肌肉内和肌肉间的协调性［54］、增加肌纤维长度和改变羽状角大小［55］，从而使肌肉力量和肌肥大增加。此外，一方面，FRT以非常低的代谢成本进行，这是因为完成一个离心动作所需要的能量仅为同一周期中向心阶段所需能量的20%［56］。另一方面，飞轮训练的离心超负荷对代谢需求增加，促使蛋白质合成增加，从而使肌肥大和肌肉力量增加［57］。FRT对骨骼肌肌肥大的改善还可能与该训练引起的延迟性肌肉酸痛有关。有研究发现，在进行9周向心—离心膝伸肌群的抗阻训练后，老年人组股外侧肌肌节受损程度高达17%，但年轻人组只有2%～5%［58］。如果想通过运动达到有效刺激肌肉肥大及提升运动表现的目的，需由离心收缩诱发肌肉细微损伤，得以有效刺激卫星细胞参与损伤修复过程，从而达到明显的训练效果。

3.2 FRT对老年人平衡能力影响的分析

TUG测试在设计之初是用于测试老年人日常生活所需的平衡、步行等功能性移动的能力［59-60］，是目前测试老年人动态平衡能力的“金标准”［61］。而30 s STS既可以反映老年人下肢肌肉力量，也可以在一定程度上反映平衡能力［62］。虽然前人研究已证明下肢力量与站立坐起（sit to stand，STS）表现之间的相关关系［63-65］，但将STS测试仅作为下肢肌肉力量的测量方法［66］受到质疑，且已有研究证明STS测试可以评估老年人的下肢功能和力量以及平衡控制［67］。而且研究已证明30 s STS与FAB平衡量表评分具有显著的中度至良好的相关性，可以评估不同感官条件下的静态和动态平衡［68］，能够检测平衡能力随时间的变化情况［69］。

众所周知，导致老年人跌倒的因素较多，其中骨骼肌肌肥大、下肢肌力和平衡能力下降是最主要的因素［70］。本研究表明，FRT后老年人的骨骼肌肌肥大和力量素质有显著改善，TUG测试和30 s STS测试也有显著改善。该研究结果与前人相关研究一致。Onambele等人将24名年龄为(70±1.3)岁的老年人，随机分配到飞轮膝关节伸展训练组和对照组，训练为期12周，发现仅飞轮组的膝关节伸展力增加，平衡能力改善［25］。Naczk等人的研究也表明，FRT训练可明显改善老年人上下肢肌力，使其平衡和步态稳定性提高［34］。Hill等也发现，FRT训练可使老年人肌肉质量和厚度显著增加，身体功能明显改善［31］。Leszczak等研究了为期8周的离心运动对老年人身体功能的影响，在干预后，步行速度（ES=0.31）、8英尺TUG测试（ES=0.29）和30 s STS（ES=0.48）有所改善［71］。Raj等和Gault等的研究同样发现离心训练能改善老年人步行速度（ES=0.62;ES=0.31）［72-73］，与Dias等在6 m步行测试和椅子上升测试的研究结果相似［74］。以上研究均表明，离心运动对改善与老年人日常生活活动相关的身体素质有积极作用。

平衡能力的变化与骨骼肌肌肥大和力量的增加显著相关［23,75］。在身体控制过程中，肌肉是将身体各部分移动到适当位置的唯一能量来源，面对外界干扰时，中枢神经系统会对躯干和腿部肌肉的活动进行主要的调整［76］。有研究显示，大腿和核心区肌肉厚度与动态平衡能力呈正相关，与跌倒风险呈负相关［77］。下肢肌肉力量有利于外周神经维持身体平衡［78-80］。股四头肌和髋关节周围肌群力量减弱会导致老年人在伸膝过程中出现无力现象，增加跌倒风险［81］。与没有跌倒经历的老年人相比，有跌倒经历的老年人踝关节趾屈、背伸肌力量显著下降［82-83］。本研究表明，FRT使老年人肌肥大和肌肉力量显著改善，进而促进其平衡能力出现相应的改善。此外，FRT对老年人平衡能力的改善，还可能与肌腱刚度增加有关［84］。Onambele等研究发现，飞轮组和对照组的腓肠肌肌腱刚度分别增加136%和54%（p＜0.01），肌腱刚度的较大增加与姿势平衡的改善有关（p＜0.01）［25］，而这种肌腱刚度的增加可能更多地来源于肌肉收缩的被动元件。根据Roig等的观点，老年人离心收缩力保持机制，涉及调节肌肉刚度的被动和主动元件，老年人肌肉被动刚度的增加和非收缩性蛋白质的积累，可为其在进行离心收缩时提供更高的机械优势［85］。可见，老年人离心收缩力下降幅度低于向心收缩力，是由于肌肉被动刚度的增加［85-87］。肌肉被动刚度的增加，对老年人平衡能力的改善也有一定的促进作用。

3.3 研究局限

目前，针对FRT在老年人群中的训练剂量问题缺乏进一步深入的研究。在训练强度方面，本次纳入的研究采用的惯性从0.025 kg·m2到0.075 kg·m2，均取得了良好的训练效果，而运动人群的肌肉慢性适应和运动能力改善的惯性范围在0.05～0.11 kg·m2［88］。有研究证明，飞轮训练期间使用较低的惯性［89-90］或较高的运动速度［91］会产生更大的肌肉力量增益效果，且较低的惯性（0.01～0.2 kg·m2）更容易出现离心超负荷现象［92］，可见，飞轮训练期间的惯性使用问题还存在较大争议。在训练量方面，Onambele等表明，渐进式负荷策略（1组×8次到4组×12次）可能更适合体弱、病患或老年参与者［25］，Spudic＇等同样也采用了渐进式负荷策略［32］。因为渐进式负荷训练可以有效减少剧烈的离心运动所引起的负面影响，例如肌肉酸痛的现象［93］。但是Sañudo等在其研究中采用的是4组×7次和4组×9次的固定负荷策略［23-24］，因此，渐进式（逐渐增加重复次数和组数）和固定负荷策略，究竟哪种对老年人群的慢性适应更有益，目前尚不明确。在训练内容干预方面，尽管有证据表明，飞轮训练的不同训练动作均可出现离心超负荷［94］，但不同训练动作对身体刺激存在明显差异。Sañudo等的研究认为，与腿部伸展训练相比，使用仰卧下蹲更能改善老年人的平衡能力。具体而言，髋外展肌、内收肌和踝关节跖/背屈肌对人的平衡能力有很大影响，并且无法通过单一关节的训练动作（例如腿部伸展）来改善这些肌群［23］。该研究模仿坐立时的下蹲动作，表明其对改善老年人的身体功能至关重要，因为该动作与肌肉力量和进行日常生活活动的能力有关［95］。但仍需进一步研究，以确定单关节动作和多关节动作对老年人身体素质和平衡能力造成差异的背后机制。故关于FRT在老年人群中的应用还需在研究的深度和广度上进一步加强。

4 结论

本研究证实了飞轮抗阻训练能够有效改善老年人骨骼肌肌肥大、肌肉力量和平衡能力，但是关于飞轮抗阻训练对老年人骨骼肌肌肥大和肌肉力量以及身体功能的影响在最佳惯性负荷、运动形式、负荷量以及干预周期等方面仍需进一步探究。建议在今后的研究中进行多中心、大样本和长期的随机对照试验，从而为临床提供更加可靠的循证依据。