全身振動訓練在膝骨關節炎康復中的應用進展

楊德洪 王奎玲

(1.上海應用技術大學體育部 上海 201418;2.聯勤保障部隊天津康復療養中心接診隨訪科 天津 300110)

膝關節骨關節炎（KOA）是一種退行性骨關節疾病，其致病原因多樣。KOA 的特征為關節軟骨的退化和侵蝕、滑膜炎、軟骨下骨硬化和骨刺的形成，其癥狀主要表現為關節疼痛、僵硬以及活動受限［1］。KOA 是世界范圍內最常見的骨關節疾病［2］。世界衛生組織預測，到2020年，KOA將成為世界第四大致殘原因［3］。流行病學研究表明，西方國家人口中II 級或更高級的KOA患病率為30%～40%，亞洲人口中患病率為60%甚至更高［4-5］，而我國60 歲以上人口發病率超過50%，75歲以上則超過80%［6］。晚期KOA可導致膝關節呈現不同程度的畸形以致殘疾，嚴重影響患者的生活質量。KOA 常用的治療方法包括外科手術、藥物治療及非藥物治療，如運動療法等［7］。相對于藥物及手術治療，適宜的運動療法無創傷，無副作用，且具有增加患者膝關節活動范圍，提高膝關節周圍肌肉（群）力量及耐力，改善平衡能力，提高日常活動能力等諸多優點［8-9］。但對于因年老體弱，體重過大或者疾病本身等原因所致的運動受限的KOA患者來說，可選擇的運動療法的范圍并不廣泛。

全身振動訓練（WBVT）是一種利用振動臺，按照設定的振動頻率及幅度產生的機械振動波刺激機體，以引起肌肉振動并使神經肌肉系統產生調節適應，從而提高其功能的訓練方法。由于WBVT 類似于“被動訓練”，無需肌肉劇烈收縮，而且運動強度也可以精確控制（通過調節振頻和振幅實現），因此在應用于一些特殊群體的身體鍛煉及慢性疾病康復的過程中具有安全易行的優勢。許多研究者［10-15］已從不同人群及角度對WBVT 的應用進行了探索，如運動員訓練、大眾健身、特殊群體的運動康復及老年人慢性疾病的預防和治療等。研究結果表明，WBVT是安全可行的，并且在緩解疼痛，提高和改善神經肌肉系統的機能與身體功能方面具有積極作用。該文檢索了近年來國內外把WBVT應用于KOA治療與康復過程的相關文獻進行綜述，闡述了WBVT 的干預效果，并對其可能的作用機制進行分析與探討，以期為該領域的后續研究提供思路及借鑒。

1 WBVT對KOA患者疼痛的影響及其機制

疼痛是KOA 患者的主要癥狀之一，也是導致患者膝關節活動功能降低的重要因素，因此許多研究者把WBVT 作為治療和康復手段，對KOA 患者的疼痛癥狀進行干預。劉珂等人［16］采用30Hz的振頻和低振幅，對中老年KOA 患者進行為期4 周的隨機對照WBVT，結果顯示患者的疼痛水平顯著降低；來章琦等人［17-18］分別采用20Hz、6～8Hz 的振頻和2mm、2.5mm 的振針對同一類型的人群進行8 周和4 周的WBVT，結果都顯示WBVT組的視覺模擬評分法（VAS）疼痛評分顯著降低。國外研究中，Sim?o 等［19］針對老年KOA 患者進行12 周的WBVT 干預，振頻設定為35～40Hz，振幅4mm，結果顯示患者自我痛感顯著降低；Wang等［20］的研究則采用振頻35Hz，振幅4～6mm，共計24周的干預方案，受試者為中老年KOA患者，干預結果證實患者疼痛水平明顯降低；Park 等人［21］則針對中老年女性患者進行了8 周的WBVT 干預，振頻和振幅分別為12～14Hz 和2.5～5mm，結果也顯示受試者的疼痛量表評分顯著降低；Yoon等人［22］的研究結果也與上述相類似，其振動方案為振頻30～40Hz，振幅2.5mm，共持續20 周，結果顯示WBVT 在緩解患者疼痛方面也具有明顯效果。而Neto等人［23］則針對KOA 患者進行了急性（一次性）干預和持續性干預研究，其振頻為5～14Hz，振幅分別為2.5mm、5mm 和7.5mm，結果顯示急性訓練后（振頻5Hz）WBVT 組VAS 評分降低50%，累積訓練后降低60%，提示延長干預時間可能會使患者疼痛進一步緩解。在上述所有研究中，研究者采用的振頻范圍為5～40Hz，振幅2～7.5mm，干預周期從急性（一次性）至24周不等，干預結果卻相對一致，提示不同的WBVT方案在緩解KOA 患者疼痛方面具有相同或類似的效果。但也有研究結果提示WBVT后KOA患者的疼痛癥狀并沒有明顯緩解。Bokaeian［24］的研究結果指出，8 周的WBVT 配合下肢力量訓練后，患者的VAS 評分沒有明顯降低。這種結果不一致現象可能是由于干預方法的不同和（或）受試者病理狀況的差異所導致。

在上述研究中，Sim?o指出WBVT可以使受試者炎癥標志物sTNFR1 和sTNFR2 的血漿濃度顯著降低；而Penninx等人［25］則證實，sTNFR1和sTNFR2濃度的增高與受試者關節炎癥狀加重之間存在密切相關。因此，標志物濃度的降低表明患者的KOA 炎癥反應得到減輕，從而使受試者的自我痛感降低［19］。另外，Yoon 研究表明WBVT 結合補充山楂酸（Maslinic Acid）可以顯著降低重度KOA（K-L≥3，Kellgren and Lawrence 分級）患者的疼痛水平，其原因主要為山楂酸的補充有效緩解了患者的炎癥反應［22］。山楂酸是從橄欖中自然提取的一種健康安全的提取物，其藥理作用包括消炎、抗腫瘤和抗氧化等［26-27］，該研究把其與WBVT 相結合應用于KOA 患者的治療與康復，在WBVT 和藥物都可減輕炎癥反應的雙重作用下，患者的疼痛癥狀得到顯著緩解。這無疑為減輕重度KOA 患者疼痛并改善膝關節功能提供了一條新的思路。劉珂等人［16］認為，振動刺激作用、本體感覺反饋抑制減少了疼痛勢差并提高了痛覺閾值，這些也可能為其作用機制。Daria等人［28］的研究表明，短期低頻振動訓練可以增加肌肉的興奮性，從而有效緩解肌肉和肌腱的疼痛，并提高肢體活動的協調性。此外，Elboim［29］的研究證實，因膝關節周圍肌肉（群）的力量不足所致的不穩定性也是KOA 患者行走時產生疼痛的原因之一，因而疼痛水平的降低也得益于WBVT 帶來的膝關節周圍肌力的改善。因此，WBVT 可以緩解KOA 患者疼痛，可能是上述機制綜合作用的結果，其明確的作用機理需要更多相關研究加以探求和驗證。

2 WBVT對KOA患者行走機能的影響及其機制

因KOA 所致的膝關節疼痛及僵硬，患者的下肢活動減少，以致其行走機能逐漸降低甚至喪失。因此，近年來許多研究者也從不同角度針對KOA 患者的行走機能進行了全身振動干預，以觀察WBVT 對行走機能的影響狀況。干預目標包括下肢肌肉（群）力量、平衡能力、行走速度等。

2.1 WBVT對肌肉力量的影響及其機制

肌肉力量是決定個體活動能力的主要因素，因而膝關節周圍的肌肉力量是評價行走機能的重要指標。劉珂［16］的研究表明，經過4周的WBVT后，KOA患者股四頭肌肌力明顯提高，肌肉狀態和膝關節功能顯著改善；來章琦［17］的研究結果則證實，8 周干預后，患者膝關節伸肌、屈肌力矩最大平均值及伸肌峰值、屈肌峰值功率平均值均明顯上升。Bokaeian 等人［24］的研究中，將振頻設定為25～30Hz，振幅為2mm，經過8周的WB‐VT 干預，患者股四頭肌最大力矩、總功和爆發力顯著改善；Trans等人［30］則針對中老年女性KOA患者進行干預，其振頻同樣設定為25～30Hz，8周WBVT后，受試者膝關節屈伸肌力皆顯著增加；Tsuji 等［31］同樣針對中老年女性患者進行干預，振頻和振幅分別設定為30～40Hz 和2.5mm，8 周振動干預后，患者膝關節最大肌力和爆發力也明顯提高；而Park 等人［21-22］的實驗結果也表明，WBVT 對中老年女性KOA 患者的股四頭肌肌力具有明顯的提升作用，患者的膝關節功能得到明顯改善。上述研究結果提示，雖然WBVT 干預方案不盡相同，但對患者的干預效果卻較為統一。另外，Zhang Juan 等人［32］研究顯示，振頻20Hz 且膝關節屈曲60°的訓練方案對50～70 歲KOA 患者的膝關節屈、伸肌群的激活效率是最高的，這無疑為該領域的后續研究提供了重要參考。

除針對KOA 患者外，也有研究者針對不同人群的下肢肌力進行全身振動干預。張少偉［33］針對老年人群進行8周的WBVT，振頻和振幅分別為25Hz和2mm，結果顯示受試者的膝關節伸肌群、踝關節屈伸肌群的肌肉力量具有明顯的改善；Aaboe［34］對患骨關節炎的老年女性進行8周的振頻為25～30Hz的振動干預，結果表明受試者膝關節屈伸肌力及膝關節等長肌力明顯提高；Elham 等人［35］則針對中年女性多重硬化癥患者進行干預，振頻2～20Hz，振幅5mm，8 周干預后患者膝伸肌的最大主動收縮力量顯著增加。上述針對不同人群的研究結果表明WBVT在改善下肢肌肉力量方面的確具有明顯的效果，而其安全易行的特點更有利于類似KOA患者等存在行走障礙的人群的康復治療。

WBVT 改善肌肉力量可能通過以下機制完成：振動臺產生的機械振動波誘發骨骼肌的牽張反射，以增強神經肌肉系統的功能，而神經系統對力量提高的調節主要體現在運動單位的募集、沖動頻率、神經協調、抑制的減小和反射的調節等方面［36］。振動訓練過程中，快速的關節活動和肌肉牽伸刺激肌梭傳入纖維，特別是激活初級肌梭末梢纖維的興奮性，導致運動神經元沖動頻率加快，強度增大，而運動神經元的興奮能進一步刺激梭內肌收縮并維持肌梭興奮信號的傳入，反饋性增加牽張反射和運動神經元輸出的強度，募集更多的運動單元參與工作，由此提高肌肉力量并改善神經肌肉的功能。

2.2 WBVT對平衡能力的影響及其機制

平衡能力在機體保持、獲得、恢復穩定狀態的過程中占據主要地位，是維持站立、行走以及協調完成各種動作的重要保障。Sim?o［19］的研究結果證實，12周的全身振動干預后被試者平衡能力顯著提升；Tsuji［31］研究認為，8 周WBVT 后，中老年女性受試者的平衡機能也得到顯著改善；Park［21］的研究結果表明，中老年女性KOA患者經過8周的WBVT后其動態平衡能力明顯改善。上述研究結果顯示不同干預周期的WBVT在提升中老年KOA 患者平衡能力方面皆具有良好效果。不僅限于KOA 患者，許多研究者也把WBVT 應用于其他人群，以觀察其對受試者平衡能力的影響。張國興［37］采用的振頻為20Hz，振幅為5mm，對老年腦卒中患者進行振動干預后，被試者平衡能力顯著改善；Christoph等人［38］針對多發性硬化癥老年人進行WBVT，其平衡能力也得到明顯提升；Silva［39］采用的振頻達到50Hz，經過8 周的振動干預后，腦卒中患者的平衡能力也有顯著提高。上述研究證實，不同研究者采用不同的振動干預方案應用于不同的人群，WBVT 在改善被試者平衡能力方面也具有較為一致的結果。

機體需要不同肌肉收縮與舒張的協調配合，才能夠維持平衡，因而除感覺輸入因素以外，肌肉力量在維持平衡過程中也占據重要地位。張建國［40］研究證實，肌肉力量的降低可使老年人身體姿勢控制與調節能力下降，因此導致其平衡能力的削弱。姚波［41］的研究結果表明，下肢伸膝肌力的降低是導致被試者靜態平衡能力下降的主要原因。而Lorder等人［42-43］的研究則證實，加強肌肉力量特別是下肢肌肉力量鍛煉，可有效改善中老年人的平衡能力。另外，Kerschan 等人［44］的研究表明，振動訓練能夠激活高爾基腱器，增加肌肉收縮的效率，提高肌肉間的協調能力，從而使機體對姿勢的控制更加準確，使平衡能力得到改善。由此可見，下肢肌肉力量的改善是平衡機能提高的重要因素。在上述WBVT 與KOA相關的研究中，Tsuji 等人［31］證實被試者的平衡能力顯著改善，而同時伴隨著股四頭肌最大肌力及爆發力的明顯提高，這一結果也印證了這一觀點。

除此之外，作為“平衡三聯”之一的本體感覺也是影響控制機體姿勢，維持正常平衡的重要因素［45］。韓秀蘭等人［46-47］通過研究證實，膝關節及踝關節的本體感覺訓練可以使老年腦卒中患者的平衡功能得到有效改善。張彪［48］認為，本體感覺訓練能夠激活更多的本體感受器，進而激活和募集相應數量的運動單位參與運動，從而提高人體平衡能力。許多研究證實，WBVT對改善膝、踝關節本體感覺具有良好效果。張會敏［49］針對膝關節前交叉韌帶重建手術后的患者，以30Hz振頻、3mm振幅進行8周的振動干預后，患者的膝關節本體感覺顯著改善；沈艷梅［50］的研究結果也提示WBVT可以使絕經后女性的本體感覺顯著提高。在WBVT與KOA相關的研究中，Trans［30］采用的振頻為25～30Hz，干預周期為8周，結果表明WBVT對膝關節本體感覺有顯著的改善作用；Zahedi［51］則采用“25Hz+高振幅”和“60Hz+低振幅”兩種方法進行了短期研究，結果顯示，“60Hz+低振幅”的干預方法對膝關節本體感覺有明顯的改善，而“25Hz+高振幅”組則無明顯影響，提示在短周期訓練中，高頻率振動對膝關節本體感覺的干預效果更加明顯。WBVT對本體感覺的改善作用可能通過以下機制完成：機械振動波刺激關節周圍的本體感受器，提高其收集關節的位置覺、運動覺和振動覺等信息的工作效率，并使感覺運動中樞對信息處理及反饋的過程更加高效，從而使本體感覺得以改善。

綜上所述，WBVT 主要通過改善KOA 患者膝關節周圍肌肉（群）肌力及其膝、踝關節的本體感覺，使其平衡能力得以提升。

2.3 WBVT對行走速度的影響及其機制

行走速度是下肢活動能力的綜合體現，也是評價行走機能的關鍵指標。賈玥［52］針對中老年KOA 患者研究發現，8周的WBVT干預可以顯著提升患者的行走速度；在前述相關WBVT和KOA的研究中，Bokaeian［24］、Sim?o［19］和Wang［20］同樣也發現，WBVT在提升患者的行走速度方面具有良好效果。除此之外，Osugi［53］的研究對象也為患骨關節炎的老年人群體，其以20Hz的振頻進行24周的振動干預后，被試者的行走速度也顯著改善；Hilgers［54］則針對多發性硬化癥患者進行干預研究，振頻為25～45Hz，干預周期為3 周，結果表明，被試者10m 行走速度也顯著提高；Wei［55］、Ebersbach［56］和Ness［57］則分別對患肌少癥、帕金森癥和脊髓損傷的老年人進行WBVT，結果證實，被試者的步行速度皆明顯提升。研究結果提示，在改善存在行走障礙的特殊人群的行走速度方面，WBVT確實具有良好效果。

行走速度的快慢取決于步頻和步幅。影響步頻的主要因素有下肢的負重能力、軀干的穩定性及下肢的控制能力［58］；而影響步幅的主要因素中，除了軀干穩定性之外，主要還包括下肢肌肉力量的強弱。伍勰［59］研究指出，步幅降低與股四頭肌和小腿三頭肌的肌力衰退有關；錢競光［60］認為，髖、膝、踝關節周圍肌肉力量及韌帶強度的衰減導致下肢各關節承重能力降低，為獲得穩定的支撐，需要減小步幅，延長雙支撐相時間以降低觸地負荷，從而使行走速度降低。因此，下肢各關節周圍肌力的降低，是導致步幅減小，從而降低行走速度的主要原因。從前述分析中可知，WBVT 可以明顯改善KOA 患者的股四頭肌肌力及平衡能力。股四頭肌肌力的提升，使患者下肢的承重能力增加，以獲得穩定支撐，進而相應地縮短行走過程中的雙支撐相時間以增長步幅；而平衡能力的改善則使軀干穩定性增強，從而縮短步態周期，使步頻增快。因此，WBVT通過改善KOA 患者的下肢肌力及平衡能力，從而增加步頻和步幅，以使其行走速度得以明顯改善。正如上述賈玥［52］的研究結果所顯示，8周振動干預后，KOA患者的步態周期明顯縮短，步頻和步長顯著增加，因而其行走速度明顯提升。

目前，對WBVT 作用的生理機制認識還不夠深入和廣泛，因而其確切的更深層次的機制還需更多相關研究加以探求。

從以上分析看來，WBVT 對KOA 患者的行走機能具有良好的改善效果。正如QIU［61］所指出的那樣，與單純強化訓練相比，WBVT對KOA患者的疼痛、膝伸肌肌力和身體功能有額外的積極影響，可以納入KOA患者的治療方案。但由于不同研究可能存在振動參數（振頻、振幅及持續時間）、肌肉行為學、被試者的病理狀況、訓練體位及測量儀器等方面的差異［62］，有些研究結果之間可能存在一定程度的不一致性。但因WBVT安全易行的特性，且有許多相關研究結果已證實了其有效性，從為特殊人群探求適合的康復及鍛煉途徑考慮，持續開展這一領域的研究是非常有意義的。

3 結語

KOA 在世界范圍內是發病率較高的骨關節疾病。近年來，因WBVT安全易行且有效的特點，被逐漸應用于KOA的治療與康復，并得到越來越多的關注。國內外相關文獻分析結果顯示，WBVT 可以有效緩解KOA患者的疼痛癥狀，并可明顯改善其肌肉功能及行走機能。WBVT 的干預效果受到振頻、振幅及干預周期等因素的影響，因而針對KOA患者的不同年齡層次及病理狀況，為其探求適宜的振動干預方案是未來該研究領域的重點內容。