李志香1，马 超2，张春林3
1中央广播电视大学工学院，北京市 100031；2北京信息科技大学，现代测控教育部重点实验室，北京市 100192；3北京理工大学机械与车辆工程学院，北京市 100081
李志香☆，女，1975年生，山东省招远市人，汉族，2009年北京理工大学博士后出站，讲师，主要从事生物力学的研究。
lizhx@crtvu.edu.cn
Influence of vibration on bone and joint diseases
Li Zhi-xiang1, Ma Chao2, Zhang Chun-lin3
1Faculty of Engineering, The Open University of China, Beijing 100031, China; 2Key Laboratory of Modern Measurement & Control Technology, Ministry of Education, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China; 3School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
Li Zhi-xiang☆, Doctor, Faculty of Engineering, The Open University of China, Beijing 100031, China
lizhx@crtvu.edu.cn
Abstract
BACKGROUND: Bone is sensitive to dynamic strain between 15 and 30 Hz.
OBJECTIVE: To observe the beneficial influence of vibration on the bone joint disease.
METHODS: A total of 60 patients, aged 20-75 years, with bone joint diseases were randomly assigned to vibration group and control group. Whole body vibration training (3 months, 10 min/d, 5 d/week) was performed in vibration group, while the control group was kept normal life as usual. The knee function, muscle strength of lower limbs, range of motion, and bone mineral density (BMD) in 3 months were observed.
RESULTS AND CONCLUSION: A total of 60 patients were included in the final analysis. BMD of the vibration group increased obviously after vibration training (+1.2% for vertebrae and + 0.85% for femur neck, P < 0.05). Ability of femur neck to fight bone fracture increased 2.81% (P < 0.05). Effective range of knee joint motion increased 9.52% (P < 0.05) and muscle max strength of lower limbs increased 13.2% (P < 0.01). Experiment results indicate that the whole body vibration training can increase BMD and improve every index sign of knee joint.
Li ZX, Ma C, Zhang CL. Influence of vibration on bone and joint diseases.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2010;14(39): 7273-7276. [http://www.crter.cn http://en.zglckf.com]
摘要
背景：研究发现，骨对频率为15~30 Hz的动态应变比较敏感。在此频率范围内，很小的应变也能产生较大的成骨反应。
目的：通过人体振动实验，观察振动对骨与关节病的影响。
方法：以60例20~75岁患有骨与关节疾病的青、中和老年患者为观察对象，按随机原则分为振动组和对照组。振动组进行3个月(10 min/d，每周5次)的全身振动实验。对照组保持日常生活模式，不予振动治疗。观察患者的膝关节功能、下肢肌力、关节活动范围以及骨密度等指标在3个月内的变化趋势。
结果与结论：60例受试者均进入结果分析。振动组在振动治疗3个月后腰椎的骨密度明显增加，比实验前平均增加了1.2% (P < 0.05)，股骨颈骨密度和股骨颈抗骨折能力分别增加了0.85%和2.81%(P < 0.05)，膝关节有效活动范围平均增加了9.52% (P < 0.05)，双下肢最大肌力平均增加了13.2%(P < 0.01)。提示全身振动疗法可以提高骨密度和有效改善膝关节各项指标。
关键词：振动；骨密度；膝关节有效活动范围；下肢最大肌力
doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.39.013
李志香，马超，张春林. 振动对骨与关节病的影响[J].中国组织工程研究与临床康复，2010，14(39):7273-7276.
[http://www.crter.org http://cn.zglckf.com]
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0 引言
当前，骨骼肌肉系统疾患损害了世界各国不同年龄段数以亿计人们的健康，随着人口的老龄化，骨关节疾病的发病率还会不断增加。据统计：关节疾病在老龄化人群中占慢性疾病的一半，骨性关节炎已成为世界范围的健康问题。骨质疏松造成的骨折比过去10年中增加了一倍；随着年龄的增长，骨密度的降低常导致骨折的多发(包括椎骨骨折)，股骨颈骨折的机会也随之增加。如果不实施适当的预防和治疗，将显著增加患者的痛苦并导致医疗费用的增长。正因为骨与关节疾病对人类的巨大危害，世界卫生组织1998-04-17/18在瑞典隆德召开会议将2000/2010定为骨与关节10年，能否在新的千年对于该类疾病的诊治及康复取得突破性进展成为一个重要的问题。
研究发现，骨对频率为15~30 Hz的动态应变比较敏感。在此频率范围内，很小的应变也能产生较大的成骨反应。美国纽约州立大学石溪分校的Rubin等[1-6]通过一系列动物实验证实，在特定的频率范围内，振动可以有效的促进骨骼生长；低幅、高频机械振动可以预防绝经后妇女的骨丢失；Russo等[7]发现振动能增加绝经后妇女的骨强度。Nader等[8]对骨性关节炎患者采取振动疗法，患者的疼痛和关节功能受限得到了较好的改善。国内对振动在治疗骨关节疾病方面的研究尚少，李志香等[9-10]研究发现振动疗法对骨质疏松有较好的治疗效果；金凤羽等[11]发现适宜频率的机械振动可以促进血液循环，促进关节软骨及软骨下骨细胞的再生和修复。本实验拟采用骨组织较敏感的振动频率30 Hz，通过对不同年龄段人体骨骼施加一定频
率范围内的动态应变，来观察振动疗法对骨与关节疾病的治疗效果。
1 对象和方法
设计：随机对照试验。
时间及地点：试验于2008-07在北京理工大学完成。
对象：符合下列条件者方可成为本试验的受试者，⑴了解试验全过程，自愿参加，并签署知情同意书。⑵年龄20~75岁，男女不限。⑶采用美国风湿病学会1995年的骨性关节炎诊断标准：①膝关节疼痛在就诊的前1个月内≥14 d。②膝关节活动时有摩擦响声。③X射线平片示膝关节骨端边缘有骨赘形成。④膝关节周围有肿胀。⑤膝关节晨僵≤30 min。⑥年龄≥40岁。具备①③或①②④⑤⑥即可诊断为膝骨性关节炎。⑷根据1994年WHO推荐的骨质疏松诊断标准：T≥-1.0骨量正常；-2.0≤T<-1.0骨量不足；-3.0≤T<-2.0骨质疏松；-4.0≤T<-3.0严重疏松；T<-4.0骨折危险。①对受试者进行L2~4或髋关节骨密度检查，其中任何一项诊断为骨量不足或骨质疏松的诊断标准。②受试者X射线平片可见不同程度骨质疏松症状。符合①、②中任何一项者。符合⑴、⑵、⑶项或⑴、⑵、⑷项的即可入选。
共60例受试者入选本试验，受试者按随机原则分为振动组和对照组，所有病例均在20岁以上75岁以下的人群中选取。振动组和对照组分别按照年龄细分为青年组(振动1组和对照1组，年龄20~35岁)、中年组(振动2组和对照2组，年龄40~60岁)和老年组(振动3组和对照3组，年龄61~75岁)，每组10人。
技术路线：
治疗方法：对30例患有骨与关节疾病的受试者采用ZD-10振动治疗仪进行振动治疗。频率30 Hz，振幅 0.5 mm，10 min/d，5 d/周，疗程为3个月。振动时要求受试者垂直站立于振动平台，双手轻扶ZD-10振动仪扶手，双脚与肩同宽，身体保持直立，重心后移至脚后跟，以保证振动能够均匀向上传导。每次治疗前后需要测量并记录被试者的血压和心率。每个疗程开始和结束时，都要对被试者进行规定项目的检查并做详尽的记录。加入本实验后所有受试者均不再接受其他任何形式的治疗。对照组保持日常生活模式，不予振动治疗。
主要观察指标：①骨密度：指被测量骨所含矿物质的总量除以被测量骨的投射面积。②股骨颈抗骨折能力：股骨颈所能承受的体质量的倍数(FS)。③膝关节有效活动范围：指人体在下蹲过程中，膝关节的正常活动空间，是评价膝关节功能的一个量化指标。④下肢最大肌力：下肢肌肉在规定运动状态下所提供的最大力。下肢最大肌力与膝关节功能密切相关[12-13]。为了尽量反映人体自控状态下下肢所能提供的最大肌力，MES系统采用人体最快下蹲过程中人体下肢施加在地面上的最大肌力。
设计、实施、评估者：实验设计、评估为第一作者，干预实施为第一、二作者，经过正规培训，未采用盲法评估。
统计学分析：由第一作者采用SPSS 13.0软件完成统计处理，实验数据以x(_)±s表示，组间不同时期各观察指标的变化采用配对样本t 检验分析，P < 0.05为差异有显著性意义，P < 0.01为差异有非常显著性意义。
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2 结果
2.1 参与者数量分析 纳入受试者60例，均进入结果分析，无脱落。
2.2 两组受试者基本资料 振动组和对照组基本情况见表1。
2.3 各组受试者骨密度和股骨颈抗骨折能力变化 见表2，3。
由表2可知，振动组30例膝骨性关节炎合并骨量减少或骨质疏松的患者经过3个月振动治疗后腰椎的骨密度有明显增加，比实验前平均增加了1.2%，差异具有显著性意义(P=0.034 < 0.05)。股骨颈骨密度略有提高，平均增加了0.85%，变化不明显，差异无显著性意义 (P=0.186 > 0.05)。而对照组腰椎骨密度和股骨颈骨密度总体呈下降趋势，差异无显著性意义。
由表3可知，振动组股骨颈抗骨折能力随时间推移呈不断增加趋势。振动治疗1个月时，受试者的股骨颈抗骨折能力比基础值平均增长1.16% (P > 0.05)；而2，3个月时分别比基础值平均增长2.38%和2.81%(P < 0.05)。此外，患者年龄越大，骨量流失越多，股骨颈抗骨折能力越弱，振动疗法对其疗效越明显。振动组老年组受试者在振动治疗1个月后，股骨颈抗骨折能力比治疗前平均增长1.59% (P < 0.01)，经3个月振动治疗后，比治疗前平均增长3.32%。而对照组没有参加振动治疗，股骨颈抗骨折能力总体呈下降趋势，差异无显著性意义。
2.4 膝关节有效活动范围变化 见表4。
由表4可知，振动组受试者的双下肢膝关节有效活动范围随时间的推移逐步增加。振动治疗1个月时比基础值增加了3.68%，差异无显著性意义(P > 0.05)；2，3个月时分别比基础值增加了8.56%，9.52%(P < 0.05)。对照组受试者的膝关节有效活动范围在1，2，3个月时分别比基础值增加了2.07%，2.98%和2.74%，虽然也是呈增加趋势，但差异均无显著性意义(P > 0.05)；其余各组内纵向比较差异均无显著性意义。
2.5 下肢最大肌力变化 见表5。
由表5可知，振动组受试者的双下肢最大肌力随着时间的推移呈不断增加趋势。振动治疗1个月时，受试者的双下肢最大肌力比治疗前平均增长6.9%，差异具有显著性意义(P < 0.05)；而2个月时和3个月时分别比治疗前平均增长12.7%和13.2%，差异具有非常显著性意义(P < 0.01)。此外，年龄越大的患者，骨量流失越多，肌肉力量越弱，振动疗法对其疗效越明显。振动组中中年组和老年组的受试者治疗效果比青年组明显。对照组受试者的双下肢最大肌力在1个月时平均值比原始水平没有发生明显变化，2个月和3个月时虽然略有下降，但差异无显著性意义(P > 0.05)；其余各组内纵向比较差异也无显著性意义。
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3 讨论
骨骼的力学环境决定了骨骼的生长情况。骨骼的力学环境包括体质量和肌肉施加在骨骼上的力，其中肌肉力量起决定性的作用。Wolff定律表明，骨应力决定骨强度。而骨应力主要是通过肌肉施加在骨骼上的力产生的。因此，著名骨科专家Frost提出，肌力决定骨强度。随着年龄的增加，肌肉力量逐渐下降，导致骨应力下降，骨质丢失，骨密度降低[14]。而下肢肌力的改变在膝骨性关节炎的病程中有着极其重要的意义[15]，提高下肢肌力可以提高膝关节的稳定性，膝骨性关节炎的发病率也随之降低。
研究发现合并骨量减少或骨质疏松的骨关节疾病患者在经过3个月的振动治疗后不仅膝关节症状得到明显改善，腰椎的骨密度也明显提高，比实验前平均增加了1.2%(P < 0.05)。股骨颈骨密度虽然也呈增长趋势，但差异无显著性意义，这可能与观察时间较短有关，股骨颈抗骨折能力增加了2.81%(P < 0.05)。这说明振动疗法对骨质疏松有较好的治疗效果。30例骨关节疾病患者膝关节有效活动范围在1个月时就有改善，在振动3个月后得到明显提高，证明了振动改善关节活动范围的有效性。此外，经过3个月的振动干预，振动组受试者的双下肢最大肌力明显提高，比基础值平均增加13.2%(P < 0.01)，这与Bosco等[16]报道的全身振动可以使受试者的垂直跳跃能力增加3.8%，下肢肌力增加7%的结果相似。
实验结果证明，采用振动疗法治疗骨关节疾病时，振动使骨骼受力增加，相当于替代肌肉对骨骼施加外力，从而增加骨应力，促进成骨反应，有效增加骨密度，同时振动组受试者的双下肢最大肌力明显提高。且对本次实验结果的分析显示：振动疗法治疗骨质疏松对年龄较大、肌肉力量较弱的人群疗效更为显著。这一提示可作为临床应用振动疗法治疗骨质疏松的参考。
目前临床上所用的电、磁、超声等物理疗法，它们体外施加的骨应力或电磁场的方向及强度分布与人体在正常运动过程中骨骼内部的应力分布是不同的，对股骨颈这样复杂的骨骼结构更是如此。这些物理治疗的结果有可能改变骨骼内骨密度及纤维的正常分布而改变人体在正常运动时骨骼的应变特性，并由此降低抗骨折能力。振动疗法与电、磁、超声治疗设备有本质区别，根据Wolff定律及振动疗法的原理，全身振动造成的体内应力方向与肌肉纤维、软骨承力、骨骼骨小梁分布完全相同，对3者的正常功能恢复同时发挥作用，起作用与跳高相似，其效率是连续跳高的30~60倍。且振动频率避开心脏等器官的自有频率，对器官无影响，感觉症状通过弯腰可以调节，因此可以增加骨密度，改善或加强骨骼结构，有效提高骨骼抗骨折能力。
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利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
课题的意义：骨与关节疾病治疗方法较多，临床疗效各有千秋。目前，仍以非手术疗法治疗为主。特别是在当前医疗条件下，患者的特殊性对临床医生提出了更高的要求。这就要求临床医师本着“以人为本”的原则，建立起预防、治疗、康复医学密切结合的观念，使防和治有机结合起来，更好地为患者减轻病痛。本试验可为骨关节疾病的治疗提供参考，对治疗骨与关节疾病有广阔的应用前景，是康复治疗中的一种新手段。
设计或课题的偏倚与不足：课题中所用振动平台是一个固定频率、固定幅值、单自由度系统，理想的振动平台应该是幅值和频率可以调节的，以便测试人体在不同幅度和频率振动时响应状况。通过分析这些状况，定量地分析出各种振动对人体不同部位所产生的影响。此外，试验是在大量试验基础上结合骨与关节的生物力学原理提出的，是一种新生事物，其正确性需要长期的、广泛的临床实践来检验；其完善性还需要根据临床使用情况进行更细致的验证和修正工作。
提供临床借鉴的价值：随着社会人口的老龄化，骨与关节疾病正日益成为广大中、西医和临床医疗工作者、患者、社会关注的话题。如何洞悉该病的病因，控制乃至治愈该病，提高生命质量，仍有很长的一段距离要走。开展本课题的研究，不仅对全面改善中国国民健康状况和提高生活质量做出积极贡献，而且为太空失重环境给人体带来的不利影响和临床的应用提供了新的思路，具有较高的民用价值。