低强度全身振动与绝经后骨质疏松症

Abstract

Postmenopausal osteoporosis is a type of osteoporosis with high bone transformation rate, caused by a decrease of estrogen in the body, which is a systemic bone disease characterized by decreased bone mass and increased risk of fracture. In recent years, as a kind of non-pharmacologic treatment of osteoporosis, defined by whole-body vibration less than 1 g (g = 9.81 m/s²), low magnitude whole-body vibration is widely concerned, mainly because of its small side effects, simple operation and relative safety. Studies have shown that low magnitude whole-body vibration can improve bone strength, bone volume and bone density. But a lot of research found that, the therapeutic effects of low magnitude whole-body vibration are different depending on ages and hormone levels of subjects for animal models or human patients. There has been no definite vibration therapy can be applied to each subject so far. Studies of whole-body and cellular level suggest that low magnitude whole-body vibration stimulation is likely to be associated with changes of hormone levels and directed differentiation of stem cells. Based on the analysis of related literature in recent years, this paper made a review from vibration parameters, vibration effects and the mechanisms, to provide scientific basis and clinical guidance for the treatment of postmenopausal osteoporosis with low magnitude whole-body vibration.

引言

骨质疏松症（osteoporosis，OP）是一种最常见的与年龄相关的全身性骨骼系统疾病，以骨量减少、骨微结构退化致使骨脆性增加以及易于发生骨折为主要特征^[1]，其所导致的骨折已成为世界公共卫生难题。绝经后骨质疏松症（postmenopausal osteoporosis），又称Ⅰ型骨质疏松症，多发生于绝经后妇女，主要与卵巢的分泌功能退化引起的雌激素水平下降有关。雌激素缺乏会加剧骨的钙质流失，机体骨转换率显著增加，骨形成与骨吸收之间的平衡被打破，骨吸收的速度超过骨形成，引起骨量流失、骨密度下降、骨微结构退化继而导致骨质疏松。主要临床表现有骨痛，骨骼变形，骨折，以及循环、呼吸、消化等系统的各种并发症，严重影响患者的身体健康和生活质量，带来的经济和社会负担也日益加重，是不容忽视的重要保健课题。

绝经后骨质疏松症的治疗是一个长期的过程，目前控制这种疾病仍然非常困难，防治方案主要有药物治疗、食疗和运动疗法。药物干预是被广泛认可的一种治疗方式，但长期用药费用昂贵且对机体存在一定的副作用，如易引发非典型的股骨骨折、下颌骨坏死和乳腺癌等。食疗见效缓慢。另外，不是所有老年人都愿意或者能够承受高强度运动训练或承重运动。因此，积极探索新的治疗方案，对增强疗效、提高患者生活质量具有重要意义。

全身振动（whole-body vibration，WBV）是振动疗法中应用最广泛的一种方式，受试者多取直立位站立于机械平台上，由与平台相连的马达产生强制性正弦波形振动刺激，通过下肢传输至全身，使机体整体振动，起到类似于身体运动的作用，以达到防治疾病的目的。全身振动被认为是一种有效的替代锻炼方式，它可以增强骨骼肌肌力，增加骨量，改善心血管功能^[2]，增加血清中生长激素和睾酮水平，阻止少肌症和骨质疏松症的发生^[3]，可有效降低老年人摔倒和骨折的概率^[4]。

低强度全身振动（low magnitude whole-body vibration）是指加速度小于 1 g（g = 9.81 m/s²）的全身振动，因其具有高依从性、高满意度、副反应小等特点，尤其适合于骨质疏松人群中高龄、运动功能受损、长期卧床或活动受限以及肥胖的患者^[5]，从而在治疗绝经后骨质疏松症及预防老年性骨丢失方面，具有重要的临床应用价值和广阔的发展前景，现已被作为预防和治疗骨质疏松症的备选干预措施之一。

本文在回顾相关文献的基础上，从全身振动的参数、作用效果以及作用机制等方面，介绍全身振动疗法的应用和研究现状，提出低强度全身振动用于治疗绝经后骨质疏松症的有效性和可行性，为绝经后骨质疏松症的临床治疗提供非药物性的备选方案，以期有更多的人群能够从中获益。

1. 全身振动的参数

随着振动疗法越来越受到关注，科学的振动方案尤为重要。振幅、频率、受试者的姿势等均可能影响振动效果^[6-7]，但关于适当、有效的振动频率、振动强度和持续时间等目前尚无定论，振动信号的类型也少有报道。

1.1. 振动方向

振动刺激可以通过多种方式产生，如垂直方向上的振动，围绕中心轴的左右交替振动，或者是水平、垂直和其他平面的组合振动（或称三维振动）。不同振动方式对机体的刺激效应存在一定差异。

Weber-Rajek 等^[3]的研究认为，垂直方向的振动比水平方向的振动在刺激骨形成方面具有更强的效应。Rubin 等^[8]的研究发现，当受试者直立站立于振动平台上接受垂直振动刺激时，有约 85% 的刺激可以从脚传递至股骨和脊椎。Lam 等^[7]也发现，直立或单脚站立于振动平台上时，振动信号的传递性最强。

鉴于此，现行的振动疗法多采用垂直振动，且提倡受试者采用直立站立式接受振动刺激。

1.2. 振动频率

振动频率是指每秒钟振动的次数，用赫兹（Hz）表示。尽管很多研究已证明了全身振动的有效性，但仍无法完全确定最有效的振动频率范围。

Oxlund 等^[9]比较了不同频率的振动对大鼠骨形成的影响，证明了 45 Hz 的频率能最有效地刺激成骨细胞分化和抑制骨吸收。陈履平等^[10]将桡骨骨折的兔子分组给予频率为 12.5、25、50、100、200 Hz 的振动刺激，结果表明，各振动组的骨折愈合能力均高于对照组，组间没有显著差异，但接受 25 Hz 振动刺激的实验组骨强度最高。

正常人体的共振频率为 7.5 Hz 左右，各器官略有差异。当外界频率与人体器官产生共振时，会对机体造成损伤。此外，即使可能实现，也很难将机械刺激以非常高的频率应用于人体。据报道，机体胶原的应答频率为 4 Hz，肌肉的应答频率为 30～50 Hz，而刺激骨骼生长的最佳频率是 30 Hz。

所以，推荐全身振动治疗使用的安全频率为 20～90 Hz 的高频振动。

1.3. 振动强度

振动的强度通常用 g 来表示。加速度大小可以通过每秒钟平台振动的频率或平台振动的幅度进行调控。振幅即振动波峰的高度，用毫米（mm）表示。振幅增加可以显著增大加速度。加速度小于 1 g 的振动刺激是低强度刺激，大于 1 g 的振动刺激为高强度刺激。

国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）已将高强度振动（无论频率大小）确定为有危害性因素^[11]。因此，振动疗法通常选用加速度小于 1 g 的低强度振动刺激。

1.4. 振动持续时间

全身振动的持续时间是指受试者在一个治疗周期内接受振动刺激的时间长短，包括每天的振动次数和振动时间以及振动持续的天数。

一系列的实验证实，振动 4 周（15 min/天）可以增加骨质疏松患者桡骨远端的骨密度^[12]；振动 8 周（15 min/天）可以促进去卵巢大鼠骨组织中成骨相关蛋白的表达^[13]；振动 18 个月，可以有效预防绝经后妇女的摔倒，增加肌肉强度和平衡能力^[14]。但 Xie 等^[15]试验后认为，16 周的全身振动会加剧骨质疏松大鼠的骨小梁退化，尤其是松质骨含量较高的股骨颈部位。

由此可见，振动时间也是影响振动治疗效果的重要因素，需要根据不同的治疗目的和对象，选择不同的振动持续时间。

除了振动方向、频率、强度以及持续时间等需要考虑之外，全身振动的类型通常采用正弦波形振动。

此外，全身振动刺激最大的风险是引发二次生理性损伤。因此，振动方案应该针对具体治疗对象进行设计，以保证其安全性和有效性。

2. 全身振动的作用效果

大量研究证明，低强度全身振动对于肌肉-骨骼系统是一种有效的作用方式，可以刺激肌肉和骨组织代谢，改善骨结构和生物力学性能，从而提高骨强度和骨质量。

2.1. 全身振动对骨骼的作用

2.1.1. 全身振动动物实验

关于振动对骨形成影响的研究首先是在动物模型上进行的。大量的动物实验表明，振动对骨骼有良好的刺激效应。

例如，Bilgin 等^[16]用 0.35 g、50 Hz 的低强度高频率振动施加给胫骨骨折的大鼠模型，15 min/天，7 天/周，3 周的治疗后，发现实验鼠有较多的愈合组织形成，血清骨钙素水平升高，且有较高的成骨效应，从而认为低强度振动能够促进骨形成，在促进骨折愈合方面有很大的潜力。Butezloff 等^[17]发现，用 1 mm、60 Hz、20 min/天、3 次/周的振动方法治疗 14 天或 28 天，可以改善去卵巢大鼠股骨干骨折后愈合组织的骨质和骨量。Qing 等^[18]检测到去卵巢大鼠在接受了 0.3 g、30 Hz、20 min/天的振动刺激 8 周后，由去卵巢诱发的骨小梁退化得到缓解，胫骨骨密度显著增加。而 Brouwers 等^[19]用 0.3 g、90 Hz 的低强度全身振动同样作用于去卵巢大鼠，每天两次各 20 min，5 天/周，持续作用 6 周后，却未能观察到胫骨骨微结构和骨强度的变化，实验大鼠的骨结构依然发生了退化。Chen 等^[20]将接受二磷酸盐治疗的去卵巢大鼠同时给予 0.3 g、45～55 Hz、20 min/天的振动刺激 3 个月，发现振动可以增强二磷酸盐的治疗效果，但 Hatori 等^[21]却未检测到相同的效应。

综合以上动物实验研究结果可知，低强度全身振动刺激对于骨质疏松动物的骨骼具有显著的刺激作用，但也有少数研究由于振动方案或者其他原因，导致未能观察到阳性结果。

2.1.2. 全身振动人体试验

在过去的十几年里，在对绝经后骨质疏松症治疗的过程中，全身振动作为一种新型疗法引起了广大学者的兴趣，并进行了大量的临床试验。研究评估了振动疗法对人体的作用效果，比如对增加骨密度的作用、镇痛作用，以及对机体平衡能力的影响等，发现人体试验的结果与动物实验不完全相同。

Rubin 等^[22]使用频率为 30 Hz、加速度为 2 m/s²的振动刺激对 70 名绝经后女性进行试验，受试者每天接受两次刺激，每次 10 min，12 个月后，脊椎和股骨颈的骨丢失分别降低了 1.5% 和 2.17%，体重低于 65 kg 的受试者受益最明显，其脊椎骨密度增加了 3.35%。Verschueren 等^[23]对 21 名绝经后的妇女（58～74 岁）进行了 6 个月的振动治疗，振动频率 35～40 Hz，振幅 1.7～2.5 mm，每天不超过 30 min，发现髋骨骨密度增加了 0.93%。Tan 等^[12]检测了 114 名接受了 4 周 35 Hz、0.25 g、15 min/天的振动刺激的患者，发现桡骨远端骨密度增加了 1.79%。Beck 等^[24]对绝经后女性施加 30 Hz、0.3 g、15 min/次、2 次/周、为期 8 个月的全身振动刺激，发现降低了髋部和脊椎的骨丢失，改善了下肢肌肉功能，降低了摔倒和骨折风险。

以上研究表明，振动治疗对于人类骨骼的阳性效应主要反映在髋部和脊椎。要确定有效振动方案尚需更多的试验数据来支持。

2.2. 全身振动对肌肉的作用

Beck 等^[25]总结了近年来相关研究后提出，肌无力不仅增加了摔倒的风险，也极度降低了对骨的负荷，易导致废用性骨质缺乏；相反地，肌肉力量增加可以改善骨的性能。因此，增强神经肌肉的性能也可以预防骨折。

振动负荷可增强快肌纤维和慢肌纤维，增加蹲坐时下肢肌肉的活动性。很多研究表明，长期接受全身振动训练可以改善下肢肌肉的性能，但一般只对那些不能进行高强度运动的人群比如老年人有效。Verschueren 等^[23]观察到绝经后女性接受振动刺激后的肌肉强度和性能与单纯锻炼的情况相似。也有一些证据表明，虽然全身振动诱导的肌肉力量增益不如抗阻训练明显，但振动增强了肌肉功能^[26]。

Stolzenberg 等^[27]的研究表明，短期的全身振动训练可以显著改善低骨密度的绝经后女性其神经肌肉功能。Klarner 等^[28]研究了全身振动对 60～75 岁绝经后女性神经肌肉性能及身体组成的作用效果，发现受试者在接受 35 Hz、1.7 mm、15 min/天、3 天/周的振动训练一年后，肌肉强度和肌力均增加，最大腿力及最大躯干弯曲力分别增加了 24.4% 和 12.2%，大关节疼痛度显著降低。这种有益的效果对于提高骨质疏松患者的生活质量是非常重要的。

虽然这些文献中没有充足的证据来确定最适于增加肌肉强度的振动参数，但据报道，每周两到三次的振动刺激会比只接受一次刺激更有效。这可能需要一个个性化的振动方案来产生最优的神经肌肉效应。

2.3. 全身振动对平衡能力和防摔倒的作用

全身振动刺激不仅影响骨密度，还可以通过改善机体的平衡能力来降低骨折和摔倒的风险，因此可用作防摔倒的介入治疗方法。

von Stengel 等^[29]发现 65～76 岁的绝经后女性受试者在接受 25～35 Hz、1.7 mm、2 次/周的振动刺激 18 个月后，摔倒的次数显著减少。Yang 等^[30]用 20 Hz、3 mm 的振动刺激作用于老年人，采用振动 1 min 休息 1 min 交替重复 5 次的方案，每周 3 天，8 周后检测了受试者的身体平衡性、灵活性、肌肉强度和肌力、下肢关节活动范围以及对摔倒的恐惧性，发现所有的摔倒风险因素均得到改善，踝关节活动范围显著增加。Leung 等^[14]进行了大量的试验，观察了 35 Hz、0.3 g、20 min/天、5 天/周的振动刺激持续 18 个月对老年人的影响，数据表明，受试者的反应时间、肌肉强度和运动速度均有改善，从而显著降低了摔倒概率和骨折风险。

由此可见，低强度全身振动刺激有利于改善绝经后女性和老年人的平衡能力、运动能力和肌肉功能，预防摔倒和发生骨折，对于机体的健康是非常有益的。

3. 全身振动的作用机制

在临床上，全身振动可以直接作用于神经、骨骼、肌肉和关节，改善局部循环状态和平衡功能，增强肌肉耐力，增加骨密度。骨骼生物力学效应的本质是骨骼系统对机械信号的应变过程，适当的机械负荷引起的骨应变可以诱导骨量增加和改善骨结构。

3.1. 与骨细胞代谢相关的机制

近年来，低幅高频的全身振动已被基础实验和临床研究证实可以显著降低骨质缺乏。然而，当骨组织接受振动刺激时，骨细胞活性改变的可能机制仍然不清楚。

机械振动作为一种力学刺激信号，以较高的频率作用于骨骼时，可通过拉伸应力和压缩应力的形式，转变为骨形成或骨吸收的生物信号并将其传递给效应细胞，从而刺激骨祖细胞-成骨细胞活性，抑制骨溶解过程，促进骨密度的增加。Edwards 等^[31]提出，全身振动可以修复和重建骨骼肌系统主要是通过骨髓间充质干细胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs）发挥作用。

Luu 等^[32]用低强度力学刺激（0.2 g、90 Hz、15 min/天、5 天/周）作用于小鼠 6 周后，发现 BMSCs 的数量增加了 46%，且力学刺激促进了 BMSCs 的成骨分化能力，抑制了其成脂分化能力。Gao 等^[33]系统地研究了 0.5 g、45 Hz 的体外振动刺激对原代成骨细胞的影响和潜在的分子信号机制。结果表明，振动促进了成骨细胞增殖和细胞外基质矿化，改善了原代成骨细胞中细胞骨架的排列；显著增加了碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）、骨形态发生蛋白 2（bone morphogenetic protein 2，BMP2）和骨保护素（osteoprotegerin，OPG）的基因表达，抑制了骨硬化蛋白（sclerostin）的基因表达；上调了与骨形成相关的骨钙素（osteocalcin，OCN）和 Runt 相关转录因子 2（Runt-related transcription factor 2，Runx2）的基因和蛋白表达；促进了经典 Wnt 信号通路相关的 Wnt3a、低密度脂蛋白受体相关蛋白 6（low density lipoprotein receptor-related protein 6，LRP6）和 β-连环蛋白（β-catenin）的基因和蛋白表达。这些研究表明，机械振动刺激了成骨细胞活性，并可能通过经典 Wnt 信号通路相关的机制来发挥作用。这些发现可以帮助理解成骨细胞对机械振动的响应机制，促进了振动疗法在临床治疗骨质疏松症上的科学应用。Chen 等^[34]的研究也发现，0.3 g、40 Hz、30 min/天的低强度高频率振动能促进 BMSCs 的黏附和成骨分化，并可以通过激活 Wnt/β-catenin 信号通路诱导骨形成。

Uzer 等^[35]认为，BMSCs 对振动的响应是由细胞核和细胞骨架之间的机械偶联决定的，振动能引起细胞核较大的相对位移，诱导肌动蛋白在核周区域发生重建。也有报道说，骨细胞通过产生或下调可溶性因子环氧合酶 2（cyclooxygenase-2，COX-2）、核因子 κB 受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）和前列腺素 E2（prostaglandin E2，PGE2）来对振动产生应答，从而抑制破骨细胞形成，降低骨吸收。Pichler 等^[36]研究了全身振动对骨质疏松大鼠骨细胞代谢的影响，结果表明，振动刺激导致细胞中 RANKL 的表达量下降而 OPG 表达量增加，减少了破骨细胞的产生和活化，这提示振动刺激可能促进成骨细胞活性，刺激新骨形成，抑制破骨细胞活性。

3.2. 与骨骼肌肉系统相关的机制

全身振动刺激能显著改变骨中血流，引起骨血流灌注增加，继而引起骨生长增加和抑制骨量丢失。

骨密度在一定程度上与骨的血流灌注量相关；全身振动产生的机械应力作用于骨骼，骨骼肌的频繁收缩不仅大量增加肌肉的血液供应，也可促进骨内血液循环；骨骼血流量的增加，一方面可以将钙和其他营养物质运送至骨细胞，并带走代谢产物，加速营养供应和代谢过程，另一方面又可使骨组织内环境保持中性，刺激骨祖细胞和成骨细胞活性，增强成骨细胞对钙和其他矿物质的吸收和利用，促使钙质成分在骨小梁外层沉积和骨质形成，同时抑制破骨细胞活性，减缓骨溶解和骨丢失过程^[37]。

关于肌肉是否参与了力学刺激诱导的骨形成过程，Judex 等^[38]认为，尽管肌肉对外部高频力学刺激敏感，并很可能被适当的振动刺激激活，但目前还没有证据表明肌肉参与调节了骨骼对低水平振动的代谢反应过程，也就是说，骨骼对振动的反应可能并不依赖于肌肉反应。但肌肉和外部力学信号之间通过机械或生化因素产生附加和协同效应是完全可能的。而 Calendo 等^[39]认为，振动可以增加绝经后女性的肌肉活性，继而改善腰椎和髋骨的骨密度。

3.3. 与激素水平相关的机制

Paineiras-Domingos 等^[2]系统分析了多篇相关文献，认为全身振动可以有效增加机体的生长激素水平。

Cardinale 等^[40]分析了全身振动对老年人激素代谢水平的影响，发现在 30 Hz 的振动刺激下，老年人静止蹲坐 5 min 没有明显的压力和疲劳感，且循环水平的胰岛素样生长因子 1（insulin-like growth factors-1，IGF-1）和皮质醇（cortisol）急剧增加。他之前还报道过全身振动可以增加血清中生长激素和睾酮的水平，预防少肌症和骨质疏松症。

4. 总结与展望

综上所述，作为一种新型治疗骨质疏松症的方式，低强度全身振动能有效增加骨密度，促进骨形成，延缓骨吸收和骨丢失过程，增强肌肉力量和运动功能，改善平衡功能和协调性，降低摔倒和骨折风险，在绝经后骨质疏松症的防治中越来越受到关注。

但在现有的研究中，尚缺乏明确统一的全身振动方案。不同振动参数、不同作用时间，以及作用对象不同，均有可能产生不同的作用效果。这也呼吁研究者们进行更多的科学探索，依据不同作用对象，制订出安全、有效的振动模式与方法，对于提高绝经后女性的生存质量、防止骨质疏松症的发生有重要意义。

此外，关于低强度全身振动对机体所产生的力学刺激如何调控骨组织修复重建也知之甚少，需要进行更多的临床研究以进一步阐述和完善低强度全身振动在预防和治疗骨质疏松症方面的作用和机制。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（11272225，11572209）