低氧訓(xùn)練對青年女性骨密度的影響研究

邵夢霓，聞劍飛，況敬凱，王 波，王志紅，李佳錫

（合肥師范學(xué)院 體育科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

低氧訓(xùn)練是目前比較熱門的一種訓(xùn)練方式，最開始應(yīng)用于運(yùn)動隊訓(xùn)練中。隨著全民健身的推廣，低氧訓(xùn)練在大眾健身領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸值得期待。低氧訓(xùn)練是在運(yùn)動訓(xùn)練周期中持續(xù)或間斷采用低氧條件刺激，人工模擬低氧環(huán)境并配合運(yùn)動訓(xùn)練來增加機(jī)體的缺氧程度，以調(diào)動體內(nèi)的機(jī)能潛力，產(chǎn)生有利于提高運(yùn)動能力的抗缺氧生理反應(yīng)及適應(yīng)性[1]。目前常用的低氧訓(xùn)練是使用人工呼吸面罩給予運(yùn)動者持續(xù)性低流量氧氣。在低氧環(huán)境中運(yùn)動者會出現(xiàn)機(jī)體的適應(yīng)性改變，包括心率加快、心臟排血量增加、血中攜氧紅細(xì)胞和血紅蛋白含量增加、呼吸頻率、深度的增加從而改善氣體交換，這些改變可以讓人體單位時間內(nèi)吸入氧氣量增多從而維持血氧飽和度的穩(wěn)定正常。已經(jīng)有大量的實驗[2]證明低氧訓(xùn)練在控制體重、心肺功能的提高以及改善運(yùn)動員的有氧運(yùn)動能力等方面有著重要作用。

骨骼是人體最堅硬的器官，具有支撐、保護(hù)人體的作用。骨密度（bone mineral density，BMD）是指骨組織中單位面積骨礦物質(zhì)的含量，也稱之為骨量。可使用一種稱為密度計的程序來計算骨密度或骨量，單位一般為g/cm2。骨密度是診斷骨質(zhì)疏松診斷的敏感指標(biāo)，可以用來進(jìn)行骨折的風(fēng)險評估。但近年來有大鼠實驗發(fā)現(xiàn)，長期低氧環(huán)境會抑制大鼠成骨細(xì)胞的增殖，刺激破骨細(xì)胞的活性，造成大鼠骨量的降低[3]。也有研究指出4周低氧訓(xùn)練可降低肥胖大鼠體重、促進(jìn)肥胖大鼠骨形成和骨吸收，骨代謝處于動態(tài)平衡[14]。所以低氧訓(xùn)練對人體的骨密度究竟是正向影響還是負(fù)向影響目前尚無統(tǒng)一定論。

目前低氧訓(xùn)練對青少年骨代謝影響的報道較少，而青少年時期正是一生中骨量積累的頂峰時期，在這個年齡階段積累足夠的骨量可以有效預(yù)防以后出現(xiàn)的骨量流失[15]。因此本實驗通過為期6周的低氧和常氧持續(xù)跑臺訓(xùn)練，觀察低氧訓(xùn)練對女青年骨密度相關(guān)指標(biāo)的影響，探討其中可能的機(jī)制，為科學(xué)推廣低氧訓(xùn)練模式在大眾健身中的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 實驗對象和方法

1.1 實驗對象

通過填寫《體力活動調(diào)查問卷》、使用體成分儀測BMI數(shù)值篩選出適合的合肥師范學(xué)院非體育專業(yè)女學(xué)生30名。受試對象均無吸煙史、無飲酒習(xí)慣、無規(guī)律運(yùn)動習(xí)慣、無骨骼疾病史、近期未服用過影響骨代謝的藥物（如激素類或固醇類）等。且無胃腸道疾病、腎臟疾病、糖尿病等影響骨代謝的相關(guān)疾病。

所有受試者在實驗前告知其實驗過程及可能存在的實驗風(fēng)險，并簽署實驗知情同意書。實驗過程中飲食參照實驗前，無特殊要求及飲食控制和食物補(bǔ)充。

實驗測試前將30名實驗對象隨機(jī)分成低氧持續(xù)訓(xùn)練組（n=15）、常氧持續(xù)訓(xùn)練組（n=15），但中途有一人因受傷退出實驗，實際參與實驗人數(shù)為29人。實驗對象的基本情況見表1。

表1 受試者實驗前基本情況（±σ）

表1 受試者實驗前基本情況（±σ）

注：與常氧組相較P＜0.05

骨骼肌含量/kg 20.91±1.73 20.72±2.45組別低氧組（n=15）常氧組（n=14）年齡/歲19.27±0.46 19.43±0.51體質(zhì)量/kg 55.23±5.23 53.21±5.29 BMI/(kg·cm-2)21.12±1.37 20.36±1.86體脂肪含量/kg 16.29±2.80 14.97±3.86

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗測試方案

實驗前測：兩組受試者在正式實驗前均進(jìn)行體成分和骨密度的檢測。

運(yùn)動干預(yù)方案：實驗前受試者均進(jìn)行1周適應(yīng)性訓(xùn)練。實驗組采用持續(xù)低氧跑臺訓(xùn)練6周（低氧模擬的海拔高度為3 000 m），每周訓(xùn)練3次，每次持續(xù)40 min，運(yùn)動過程中通過配帶polar心率表控制心率在120～160次/min之間，以監(jiān)測運(yùn)動強(qiáng)度。對照組采用持續(xù)常氧跑臺訓(xùn)練，訓(xùn)練強(qiáng)度、頻次、時長均與低氧訓(xùn)練相同。實驗過程中飲食參照實驗前，無特殊要求及飲食控制或補(bǔ)充。實驗后測：測試指標(biāo)與實驗前相同。

1.2.2 實驗儀器

智能化低氧健身系統(tǒng)（型號：DYS-2，中國合肥）、Polar心率遙測表、運(yùn)動跑臺、體成分分析儀（Inbody370,韓國）、IIM-BDI-500A型（中國科學(xué)院研發(fā)）超聲骨密度測試儀。

1.2.3 骨密度的測定

采用IIM-BDI-500A型（中國科學(xué)院研發(fā)）定量超聲骨密度測試儀對右足跟骨骨密度進(jìn)行測試。在測試前先進(jìn)行機(jī)器的校正和預(yù)熱，輸入受試者年齡、身高、體重等基本信息。受試者坐位，右腳脫襪，用75%醫(yī)用酒精局部消毒后涂抹耦合劑于足踝及探頭上。然后足跟、小腿緊密貼住儀器，防止出現(xiàn)空隙影響測試結(jié)果，測試中始終保持足部的靜止和身體的放松。測試指標(biāo)主要有骨量（BMD）、超聲聲速（speed of sound，SOS）、超聲振幅 衰 減 值（broadband ultrasound attenuation，BUA）、計算機(jī)自動分析結(jié)果得到跟骨硬度指數(shù)（stiffness index，STI）、T值（表示測試者骨強(qiáng)度高于或低于年輕成年人參考均值的偏離程度）。目前WHO推薦骨密度T值≥-1為正常；-2.5＜T值＜-1為骨量減少；T值≤-2.5為骨質(zhì)疏松。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

采用SPSS20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，所有數(shù)值首先進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，以數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布（近似正態(tài)分布）為前提條件，再進(jìn)行方差齊性檢驗，結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（+σ）表示。組內(nèi)實驗前后的數(shù)據(jù)對比用配對樣本T檢驗，實驗組和對照組之間的對比用獨立樣本T檢驗，顯著性水平α=0.05，P＜0.05為顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 實驗前后體成分比較

由表2可知低氧組和常氧組體成分的前后變化情況。

體成分組內(nèi)比較。低氧組體重、BMI、骨骼肌含量較實驗前略有降低，體脂肪含量較實驗前略有升高，但前后對比均無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。常氧組體重、BMI、體脂肪含量、骨骼肌含量較實驗前均略有升高，但前后對比均無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。

體成分組間比較。實驗前、后低氧組和常氧組間的體重、BMI、體脂肪含量、骨骼肌含量均無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。

表2 實驗前后兩組體成分的比較（±σ）

表2 實驗前后兩組體成分的比較（±σ）

注：與實驗前相較P＜0.05；與常氧組相較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組別低氧組常氧組實驗前實驗后前后差值實驗前實驗后前后差值體質(zhì)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體脂肪含量/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 實驗前后骨密度指標(biāo)比較

由表3可知低氧組和常氧組骨密度指標(biāo)的前后變化情況。

骨密度指標(biāo)組內(nèi)比較：低氧組的BMD、T值、STI、BUA、SOS數(shù)值較實驗前均有升高，其中BMD、T值、STI、SOS數(shù)值前后對比均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。常氧組的 BMD、T值、STI、BUA、SOS數(shù)值較實驗前均有升高，且以上指標(biāo)前后對比均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。

骨密度指標(biāo)組間比較：實驗前、后低氧組和常氧組間的 BMD、T值、STI、BUA、SOS 值均無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05）。

表3 實驗前后兩組間骨密度指標(biāo)的比較（±σ）

表3 實驗前后兩組間骨密度指標(biāo)的比較（±σ）

注：★表示組內(nèi)比較，與實驗前相較P＜0.05；組間比較，與低氧組相較▲P＜0.05；不標(biāo)注則為不顯著，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組別低氧組實驗后常氧組實驗后組別實驗前實驗前前后差值實驗前前后差值低氧組實驗后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 討論

3.1 運(yùn)動訓(xùn)練后對骨密度指標(biāo)效果評價

本實驗的定量超聲儀是通過計算超聲波在骨組織中的SOS變化以及BUA來反映骨骼的骨量、顯微結(jié)構(gòu)[4]。測定的骨密度指標(biāo)包括骨量BMD、SOS、BUA，跟STI。其中BMD指標(biāo)可以直接反映骨量的情況。BUA是指超聲波在骨和軟組織中吸收和散射的超聲能量信號。BUA的大小主要受BMD的影響，其次是骨結(jié)構(gòu)（比如骨小梁的數(shù)目、連接方式、小梁走向等），因此骨密度越大，BUA值愈大。T值為受試者實測的骨密度與青年人（20歲）骨密度峰值的比較值；T值變大代表骨密度增加[5]。SOS是指超聲波的在介質(zhì)中的傳導(dǎo)速度，一般固體中傳播速度最快，液體中次之，氣體中最慢，所以骨密度越大，傳導(dǎo)速度越快。STI由計算機(jī)自動計算公式獲得，其與骨密度也是呈正相關(guān)。本實驗研究發(fā)現(xiàn)低氧和常氧運(yùn)動后，兩組跟骨骨密度相關(guān)指標(biāo)的數(shù)值較實驗前都有增加，除了低氧組的BUA較之前相比略微增加，無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05），其余指標(biāo)前后對比都有明顯的統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05），說明低氧組和常氧組訓(xùn)練后受試者的跟骨骨密度都有明顯提高。

3.2 運(yùn)動對骨密度的影響

青春發(fā)育期是骨量發(fā)育的重要時期，15～25歲時增加骨含量達(dá)到1 000 g，成年以后骨丟失約為500 g，40歲以后骨量開始逐漸下降[16]。人體骨骼的代謝情況主要受到激素水平、營養(yǎng)狀態(tài)、體力活動水平和外界環(huán)境的影響[17]。美國運(yùn)動醫(yī)學(xué)學(xué)會指出，增加骨量、提高骨密度的最有效措施就是規(guī)律科學(xué)的運(yùn)動刺激。合理的運(yùn)動可以加速血液循環(huán)提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)，以及促進(jìn)骨骼生長激素的分泌，提高骨鈣素和骨堿性磷酸酶含量從增加骨強(qiáng)度。在運(yùn)動系統(tǒng)中，肌肉和骨的生長發(fā)育相輔相成，肌肉收縮力量的大小也可以影響骨密度。運(yùn)動時肌肉的牽拉力會通過骨骼杠桿傳遞出去來克服外界阻力，對骨骼的負(fù)荷刺激越大骨合成的增加越多。骨細(xì)胞可以將牽拉力的力學(xué)刺激轉(zhuǎn)化成生化信號調(diào)節(jié)骨骼的新城代謝而出現(xiàn)成骨細(xì)胞的興奮[6]。傳統(tǒng)意義上用BMD作為測試骨強(qiáng)度的指標(biāo)，能夠時刻反映骨組織的健康狀態(tài)[7]。

不同形式的運(yùn)動在一定程度上都具有成骨效應(yīng)，比如各種形式的抗體重運(yùn)動（包括慢跑、登山、步行等）、休閑運(yùn)動（包括太極拳、廣場舞等）、抗阻運(yùn)動等都可以改善絕經(jīng)后婦女的骨密度，而從不運(yùn)動的絕經(jīng)后女性則會表現(xiàn)出骨密度的明顯降低。不同的運(yùn)動形式對骨密度改善的程度也不同。有研究表明，年齡、體成分相似的人群，跑步的人群具有較高的全身尤其是腿部的骨密度，而單車組腰椎則表現(xiàn)出較低的骨密度，可見高沖擊性運(yùn)動改善全身骨密度的效果更好。大鼠實驗也表明跑臺運(yùn)動健骨的效果從高到低依次為骨盆、后肢骨、肋骨、脊椎骨、前肢骨，因此受力軸上的骨密度升高最明顯[8]。另外，不同的訓(xùn)練強(qiáng)度、運(yùn)動負(fù)荷對骨的負(fù)荷刺激具有差異性。目前對于提高骨密度比較推薦的是中等強(qiáng)度到較大強(qiáng)度運(yùn)動負(fù)荷[18]。有研究表明，采用不同強(qiáng)度的間歇跑臺訓(xùn)練大鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度的間歇運(yùn)動對大鼠骨量的增加最顯著。王雷[9]發(fā)現(xiàn)每周5次、每次2～3 h的7周大強(qiáng)度健美操訓(xùn)練后，在校大學(xué)生的跟骨骨密度顯著下降，并且在停訓(xùn)后6～7周骨密度才恢復(fù)如前，可見大強(qiáng)度的運(yùn)動反而會引起骨密度的降低。因此，適宜的有氧運(yùn)動可以有效維持骨量，而長期過度的有氧訓(xùn)練會使得骨代謝負(fù)平衡[10]。根據(jù)骨骼的重塑特點，在重塑過程中，理論上骨質(zhì)空腔被新生的骨質(zhì)填滿需要六個月的時間，所以長期規(guī)律的運(yùn)動才能有效改善骨密度。一般建議引起骨密度增加的運(yùn)動頻次以每周2次為最低運(yùn)動計量，運(yùn)動持續(xù)的周期因年齡而異。具有骨質(zhì)疏松患病風(fēng)險的中老年人群而言，骨密度的改善通常需要12周及以上的時間[11]，對于生長發(fā)育期的青少年而言，4周的耐力訓(xùn)練也可以引起骨密度的變化[12]。

本研究結(jié)果顯示，常氧訓(xùn)練組在6周訓(xùn)練后，在體重未有明顯變化的前提下（體重對骨密度的影響較大，在一定范圍內(nèi)，體重越大骨密度越高），受試者的跟骨骨密度和訓(xùn)練前相較明顯提高（P＜0.05）。說明中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動在控制體重的同時可以提高青年女性的跟骨骨密度。

3.3 低氧對骨密度的影響

從骨細(xì)胞生長發(fā)育的角度來說，充足的氧氣和營養(yǎng)能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖[19]。有研究發(fā)現(xiàn)長期缺氧會抑制成骨細(xì)胞的興奮，促進(jìn)成骨細(xì)胞的凋亡，并且缺氧時間越長抑制越明顯。同時缺氧會促進(jìn)單核前體分化為破骨細(xì)胞，且氧分壓越低生成的破骨細(xì)胞越多。喬林等[13]觀察大鼠在低氧環(huán)境下生活4周后腰椎骨密度值變化不明顯，12周有所下降但無顯著性差異，低氧24周大鼠腰椎骨密度顯著降低。路瑛麗[14]對肥胖大鼠進(jìn)行低氧訓(xùn)練（模擬海拔350 m，持續(xù)運(yùn)動1 h/d、6 d/周、共4周）后發(fā)現(xiàn)，4周低氧訓(xùn)練可降低肥胖大鼠的體重、脂體比，增加骨體比，同時促進(jìn)肥胖大鼠骨形成和骨吸收，骨代謝處于動態(tài)平衡，但尚未對大鼠股骨和脛骨骨密度產(chǎn)生明顯影響，其分析原因可能與低氧訓(xùn)練的周期較短有關(guān)系。缺氧對于骨細(xì)胞的影響程度與氧濃度、缺氧時間有密切關(guān)系，有研究表明，在3%氧濃度時，破骨細(xì)胞骨活性程度最大，但長期的低氧訓(xùn)練反而會刺激機(jī)體產(chǎn)生適應(yīng)，降低破骨細(xì)胞的活性，對骨密度的影響由負(fù)向轉(zhuǎn)化成正向。高原低氧環(huán)境對人體的研究發(fā)現(xiàn)，海拔越高，人體骨密度下降幅度越明顯，同時在高原生活年限越短（＜5年者），骨密度值下降越明顯。說明隨著時間的持續(xù)，人體的適應(yīng)性會越來越好，生活在不同海拔高度，居住時間長短不同會對骨密度產(chǎn)生不同的影響。但低氧對骨代謝的影響機(jī)制比較復(fù)雜，低氧方式、環(huán)境的不同對人體的結(jié)果可能不完全一致。目前大多數(shù)都是研究高原環(huán)境下長期居民的身體骨密度情況或者低氧環(huán)境下動物的體內(nèi)骨質(zhì)變化情況，而低氧訓(xùn)練、低氧健身是這幾年逐漸流行起來的。

本實驗結(jié)果和高歡的研究結(jié)果相似，高歡[12]對肥胖青少年進(jìn)行為期4周每周6天的中低強(qiáng)度的平原訓(xùn)練、中低強(qiáng)度的低氧訓(xùn)練（模擬海拔2.3 km，低氧10 h/d，有氧運(yùn)動2 h/d）、中低強(qiáng)度的高原訓(xùn)練（青海多巴居住運(yùn)動），結(jié)果顯示常氧組、低氧組和高原組青少年全身總骨密度均顯著升高，且各組之間無顯著性差異（P＞0.05）。實驗結(jié)果表明持續(xù)6周的中等強(qiáng)度低氧（模擬海拔高度3 km）跑臺訓(xùn)練后，受試者的體重變化不大，但受試者的跟骨骨密度較前有明顯提高（P＜0.05），主要表現(xiàn)在骨量的提高、T值的改善等。同時常氧組的跟骨骨密度也較前有明顯提高（P＜0.05）。組間相比實驗后低氧組的骨密度改善幅度更明顯，但兩組前后比較均無顯著性差異（P＞0.05）?？梢钥隙ㄒ恢苋蔚牡脱跤?xùn)練并不會對骨密度產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，反而會增加骨密度。至于低氧訓(xùn)練組和常氧訓(xùn)練前后組間比較為什么沒有差異性，可能是因為訓(xùn)練持續(xù)的周期較短，只有6周，如果延長至12周或半年，對于骨密度的影響可能會更加明顯，并且本次實驗只選取了3 km海拔高度，如果加入4 km或更高海拔的對比，可能對低氧訓(xùn)練的科學(xué)認(rèn)識會更加全面化，因此低氧訓(xùn)練對青少年骨密度的影響規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

4 小結(jié)

持續(xù)6周中等強(qiáng)度的低氧訓(xùn)練可以控制青年女性的體重，同時在提高跟骨骨密度方面也起著正向作用。