骨應(yīng)力損傷的風(fēng)險(xiǎn)因素研究進(jìn)展

陳 亮，熊 雁，杜曉蘭 綜述 陳 俊 審校

骨應(yīng)力損傷(bone stress injury, BSI)是由于跑步和軍事訓(xùn)練中過(guò)度使用引起的常見(jiàn)損傷。它包含從應(yīng)激反應(yīng)開(kāi)始，發(fā)展為應(yīng)激性骨折，最終導(dǎo)致完全性骨折的連續(xù)病理過(guò)程。由于BSI在跑步和軍事訓(xùn)練人群中有高發(fā)病率，且多達(dá)22%的為復(fù)發(fā)性，需要較長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間，因此BSI經(jīng)常導(dǎo)致訓(xùn)練人群運(yùn)動(dòng)生涯的終結(jié)。目前，人們對(duì)BSI并不完全了解，其病理生理學(xué)仍有一定的推測(cè)性。越來(lái)越多的研究者達(dá)成了共識(shí)，認(rèn)為BSI是由于負(fù)荷引起的骨組織微損傷的形成和去除之間的不平衡導(dǎo)致的，因此，BSI的風(fēng)險(xiǎn)因素可以分為影響骨負(fù)荷的因素和影響骨抗負(fù)荷能力的因素。BSI的風(fēng)險(xiǎn)因素是影響B(tài)SI預(yù)防策略和治療策略制定的中心環(huán)節(jié)，本文旨在對(duì)BSI的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行綜述。

1 影響骨負(fù)荷的因素

骨骼所受的負(fù)荷是外力和內(nèi)力的總和，在這些負(fù)荷的合力下可使得骨組織發(fā)生應(yīng)力性形變。變形量取決于負(fù)荷大小和骨組織抵抗變形的能力，由于骨組織是剛性結(jié)構(gòu)，其發(fā)生應(yīng)變的程度很小，通常用微應(yīng)變(microstrain，με)表示。研究發(fā)現(xiàn)，在跑步過(guò)程中脛骨的應(yīng)變與可引起脛骨骨皮質(zhì)破壞所需的應(yīng)變相比非常小，但即使是低于骨折所需水平的應(yīng)變也能導(dǎo)致骨組織發(fā)生微損傷。微損傷的形成是閾值相關(guān)的，其形成的閾值取決于骨應(yīng)變循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變大小和引入應(yīng)變的速度(應(yīng)變速率)之間的相互作用。一旦超過(guò)了微損傷的閾值，骨應(yīng)變周期、強(qiáng)度和(或)速率的進(jìn)一步增加或加快將導(dǎo)致額外的損傷。

1.1 生物力學(xué)因素 生物力學(xué)缺陷導(dǎo)致的BSI風(fēng)險(xiǎn)，可分為與異常力相關(guān)的生物力學(xué)缺陷和與異常運(yùn)動(dòng)相關(guān)的生物力學(xué)缺陷。對(duì)正常排列的下肢施加額外增加的力會(huì)導(dǎo)致異常的骨負(fù)荷。此外，施加在排列不良的下肢正常的力也會(huì)使骨骼負(fù)荷異常。而異常的力量結(jié)合下肢排列不良被認(rèn)為進(jìn)一步放大了BSI風(fēng)險(xiǎn)。

負(fù)荷異常的跑步者被認(rèn)為具有更高的BSI風(fēng)險(xiǎn)。目前有多項(xiàng)研究表明地面反作用力(ground reaction force，GRF)沖擊峰值的大小，可作為是否有BSI歷史的人群之間的區(qū)別，而有BSI歷史的人群具有更大的GRF加載速率和峰值加速度。扭轉(zhuǎn)載荷也與BSI的歷史有關(guān)。自由力矩(free moment，F(xiàn)M)是關(guān)于鞋面與地面交界處垂直軸的扭矩的度量。一些脛骨應(yīng)力骨折本質(zhì)上是螺旋形的，提示可能與扭矩有關(guān)。Milner等報(bào)道了有脛骨BSI病史的跑步者有更高的自由力矩。

異常的運(yùn)動(dòng)模式也會(huì)增加BSI的風(fēng)險(xiǎn)。靜態(tài)足底關(guān)系可能會(huì)影響運(yùn)動(dòng)模式，并與BSI的發(fā)展有關(guān)。Williams等和Butler等發(fā)現(xiàn)高弓足人群的關(guān)節(jié)遠(yuǎn)距離活動(dòng)受限，且關(guān)節(jié)剛度更高，有更高的BSI發(fā)病率。與BSI相關(guān)的其他靜態(tài)變量包括髖關(guān)節(jié)外旋運(yùn)動(dòng)范圍的增加、長(zhǎng)短腿、扁平足。有BSI病史的人群在跑步動(dòng)態(tài)過(guò)程中有較大的髖內(nèi)收、膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋和冠狀位的后足外翻，以及膝關(guān)節(jié)在屈曲活動(dòng)度的減少。這些運(yùn)動(dòng)模式有可能改變骨負(fù)荷的大小和(或)速率。它們還可能改變骨骼的受力方向以及隨后骨骼內(nèi)的應(yīng)變分布。最終結(jié)果可能是增加了非常規(guī)負(fù)重區(qū)的骨組織負(fù)荷，導(dǎo)致BSI的風(fēng)險(xiǎn)增加。

1.2 訓(xùn)練因素 長(zhǎng)期處于高負(fù)荷下可能會(huì)降低骨疲勞壽命，特別是當(dāng)負(fù)荷循環(huán)次數(shù)高的時(shí)候(例如長(zhǎng)跑)。因此，當(dāng)跑步者試圖提高他們的訓(xùn)練成績(jī)時(shí)，這些變量對(duì)骨疲勞的影響更為顯著。跑步速度的增加會(huì)增加GRF和步態(tài)的周期數(shù)，而跑步過(guò)程持續(xù)時(shí)間和(或)頻率的增加會(huì)增加骨骼負(fù)荷周期的總數(shù)。在骨骼承載能力沒(méi)有變化的情況下，與訓(xùn)練中巨大變化相關(guān)的負(fù)荷改變可能會(huì)導(dǎo)致微損傷的積累和BSI的產(chǎn)生。

來(lái)自軍事研究的證據(jù)表明，體育鍛煉發(fā)生巨大變化的人群患BSI的風(fēng)險(xiǎn)更高。例如，在開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)訓(xùn)練之前，有較少常規(guī)體育活動(dòng)歷史的新兵患BSI的風(fēng)險(xiǎn)更大。盡管大多數(shù)運(yùn)動(dòng)員不會(huì)像新兵那樣劇烈地改變他們的跑步習(xí)慣和隨之而來(lái)的骨骼負(fù)荷環(huán)境，但為了實(shí)現(xiàn)個(gè)人目標(biāo)和競(jìng)爭(zhēng)目標(biāo)，改變現(xiàn)有訓(xùn)練模式或訓(xùn)練強(qiáng)度是一種頻繁且必要的適應(yīng)手段。相對(duì)于跑步者的日常活動(dòng)，過(guò)快或頻繁地改變跑步計(jì)劃被認(rèn)為是打破原有骨組織微損傷和組織修復(fù)之間平衡的關(guān)鍵。

1.3 肌肉因素 訓(xùn)練的改變可獨(dú)立地促進(jìn)BSI的發(fā)展，并與肌肉因素有關(guān)。肌肉與骨之間存在著密切的力學(xué)關(guān)系，推測(cè)肌肉是BSI的保護(hù)性而非致病性因素。在負(fù)荷加載過(guò)程中，肌肉被認(rèn)為是一個(gè)主動(dòng)的沖擊衰減器，使得負(fù)荷沿著運(yùn)動(dòng)鏈向近端傳送，幫助減少骨骼負(fù)載。當(dāng)肌肉減弱、疲勞等功能失調(diào)時(shí)，其減輕負(fù)荷的能力就會(huì)受損，可導(dǎo)致骨骼負(fù)荷增加。例如，在實(shí)驗(yàn)室研究中，肌肉疲勞導(dǎo)致沖擊衰減的減少、GRF加載速率和峰值加速度的增加，以及骨應(yīng)變的增加。此外，疲勞還會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)學(xué)的改變，這可能會(huì)改變骨骼受力的方向，從而在非常規(guī)負(fù)重的部位增加骨骼應(yīng)變。另一項(xiàng)前瞻性臨床研究表明，BSI易感性與肌肉大小(周長(zhǎng)和橫截面積)和力量直接相關(guān)。

1.4 跑步界面因素 骨負(fù)荷及隨后的BSI風(fēng)險(xiǎn)也可受到跑步場(chǎng)地和跑步界面等外部因素的影響。跑步界面歷來(lái)被認(rèn)為是BSI風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)因素。較硬的地面被認(rèn)為比那些較軟的地面(如草、橡膠和沙子)增加骨負(fù)載。然而，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地與損傷風(fēng)險(xiǎn)之間的相互作用是復(fù)雜的。有研究表明，當(dāng)跑步者在不同順應(yīng)性的表面上跑步時(shí)，為了保持身體重心的恒定垂直，腿的剛度會(huì)隨之改變。但是，在柔韌性較差的地面上跑步所增加的負(fù)重率是否會(huì)導(dǎo)致BSI風(fēng)險(xiǎn)仍不清楚，因?yàn)樵诳刂屏嗣恐芘懿娇偩嚯x后，關(guān)于跑步損傷的大型流行病學(xué)研究未能顯示損傷與訓(xùn)練場(chǎng)地之間有直接聯(lián)系。最終，對(duì)于BSI風(fēng)險(xiǎn)來(lái)說(shuō)，最重要的可能是最近跑步地面是否發(fā)生了變化，而跑步者還沒(méi)有適應(yīng)。場(chǎng)地變化包括：(1)增加跑步場(chǎng)地的硬度，例如，從跑步機(jī)到操場(chǎng)地面等，這可能會(huì)增加骨應(yīng)變的大小和速率；(2)在沙地等柔軟度非常高的表面跑步，可能會(huì)增加能量消耗并影響肌肉相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因素和運(yùn)動(dòng)學(xué)；(3)坡度改變，斜坡可降低沖擊衰減，增加負(fù)荷強(qiáng)度和速率；(4)地形地貌改變，這可能使得運(yùn)動(dòng)學(xué)改變，使得非常規(guī)負(fù)重部的骨組織負(fù)荷增加。

1.5 鞋和鞋墊因素 鞋子和鞋墊(矯形器和鞋墊)對(duì)骨負(fù)荷和BSI風(fēng)險(xiǎn)的作用一直是一個(gè)爭(zhēng)論不休的話(huà)題。鞋子和鞋墊位于地面與足的交界面，理論上可以起到過(guò)濾器的作用，減小地面沖擊力。此外，它們有可能影響足部和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)鏈中直接影響隨后的力學(xué)。通過(guò)這兩種機(jī)制，鞋和鞋墊可能會(huì)影響骨負(fù)荷，并對(duì)BSI風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生影響。有研究表明，在軍事訓(xùn)練中，鞋墊可降低股骨、脛骨整體應(yīng)力性骨折的發(fā)生率。

2 影響骨骼抗負(fù)荷能力的因素

骨骼負(fù)荷導(dǎo)致的微損傷，一方面是導(dǎo)致BSI的原因，另一方面也是一種自然而有益的現(xiàn)象。因?yàn)樗粌H有助于消耗可能造成骨折的能量，而且還可以作為刺激骨骼靶向重建的原因，適應(yīng)性的靶向重建能有效降低給定負(fù)荷下的骨應(yīng)變。影響骨剛性的骨骼特征包括骨組織的數(shù)量(質(zhì)量)及其分布(結(jié)構(gòu))，有強(qiáng)有力的證據(jù)表明這兩者都對(duì)BSI的風(fēng)險(xiǎn)有顯著的影響。下面主要介紹影響骨骼抗負(fù)荷能力的因素。

2.1 既往體育運(yùn)動(dòng)史 有較長(zhǎng)體育活動(dòng)史的人群，其骨骼抗負(fù)荷能力的提高可能有助于降低BSI風(fēng)險(xiǎn)。骨骼對(duì)機(jī)械負(fù)荷有一定的適應(yīng)能力，在生長(zhǎng)期間通過(guò)在受力軸的骨外膜沉積新骨以增加其在負(fù)荷方向上的剛度。由于骨骼單位面積的剛度與其到彎曲軸的距離的四次方成正比，因此骨骼表面增加少量質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致骨骼強(qiáng)度成幾何倍數(shù)的增加。最終，使得在給定的負(fù)荷下產(chǎn)生的骨應(yīng)變減少。例如, Warden等使用動(dòng)物模型證明，機(jī)械負(fù)荷引起的少量的(少于10%)骨量增加可導(dǎo)致骨的抗負(fù)荷能力大幅增加(107倍)。

2.2 訓(xùn)練后康復(fù)技術(shù) 目前，康復(fù)是醫(yī)療工作者和運(yùn)動(dòng)員之間關(guān)于BSI最新討論話(huà)題之一。如果運(yùn)動(dòng)員能夠加強(qiáng)訓(xùn)練后的康復(fù)，他們的身體將更能適應(yīng)運(yùn)動(dòng)中固有負(fù)荷，在理論上提高成績(jī)的同時(shí)保持運(yùn)動(dòng)員的健康。追蹤恢復(fù)指標(biāo)的可穿戴技術(shù)和應(yīng)用程序的出現(xiàn)，使得研究訓(xùn)練后康復(fù)狀況成為可能。在賽場(chǎng)上，運(yùn)動(dòng)員使用各種各樣的康復(fù)技術(shù)，如冷凍療法、熱療法、按摩、泡沫滾軸、靈活性鍛煉、主動(dòng)恢復(fù)(輕鍛煉)。在本文中，我們主要關(guān)注睡眠和運(yùn)動(dòng)后營(yíng)養(yǎng)，因?yàn)檫@是兩種更常被討論、更容易獲得和研究的恢復(fù)策略。

不良的睡眠因素，包括減少睡眠時(shí)間和打斷睡眠的生物過(guò)程，會(huì)破壞骨吸收和骨形成之間的平衡，降低骨骼健康，增加骨折風(fēng)險(xiǎn)。在一項(xiàng)對(duì)95名耐力運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，每天睡眠不足7 h的運(yùn)動(dòng)員新受傷的風(fēng)險(xiǎn)增加了51%。

除了睡眠，運(yùn)動(dòng)后的營(yíng)養(yǎng)對(duì)骨骼健康也很重要。運(yùn)動(dòng)后攝入糖類(lèi)和蛋白質(zhì)有助于恢復(fù)肌糖原。對(duì)于耐力運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，糖類(lèi)對(duì)減輕炎癥和增加應(yīng)激激素的影響尤為重要。具體到骨骼健康，運(yùn)動(dòng)后的營(yíng)養(yǎng)攝入可以改變骨轉(zhuǎn)換標(biāo)記物對(duì)該運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)。例如，跑步機(jī)上跑到精疲力竭的男性跑步者，立即攝入糖類(lèi)加蛋白質(zhì)溶液會(huì)使得骨吸收標(biāo)志物減少，骨形成標(biāo)志物增加，從而實(shí)現(xiàn)更積極的骨轉(zhuǎn)換平衡。雖然睡眠和運(yùn)動(dòng)后的營(yíng)養(yǎng)都可以影響骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物，而骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物可以作為評(píng)價(jià)骨健康的指標(biāo)，但在目前仍不能用于評(píng)估BSI的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 營(yíng)養(yǎng)因素 除了運(yùn)動(dòng)后營(yíng)養(yǎng)，運(yùn)動(dòng)員特有的其他營(yíng)養(yǎng)因素也是潛在BSI風(fēng)險(xiǎn)因素，如維生素D、鈣、鐵、鐵蛋白等。

維生素D是骨重建的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，低水平的維生素D可能與BSI發(fā)病率相關(guān)。盡管維生素D作為一種預(yù)防措施的效用以及維生素D的最佳水平是什么還不清楚，但有研究表明骨骼健康的推薦治療目標(biāo)是血清25-羥基維生素D水平為50～100 nmol/L。另一項(xiàng)針對(duì)歐洲成年人研究建議血清25羥基維生素D水平應(yīng)高于75 nmol/L，對(duì)保持骨骼健康非常重要。

鈣是一種關(guān)鍵的骨骼形成礦物質(zhì)，在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生的許多細(xì)胞過(guò)程中發(fā)揮重要作用。對(duì)于運(yùn)動(dòng)員，在長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中，會(huì)發(fā)生皮膚鈣流失，當(dāng)汗液中流失的鈣量足夠多時(shí)可破壞鈣穩(wěn)態(tài)。在大量出汗或脫水的情況下，補(bǔ)鈣是有益的。例如，在耐力自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員中，在90 min或35 km的試驗(yàn)前補(bǔ)充鈣，可以減弱運(yùn)動(dòng)引起的骨吸收標(biāo)志物的增加。同樣有研究表明，男性鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)期間補(bǔ)充高鈣礦泉水，在騎車(chē)60 min后，破骨細(xì)胞活動(dòng)受到抑制。

鈣與磷酸鹽結(jié)合形成羥基磷灰石晶體，使骨骼具有硬度，而維生素D有助于促進(jìn)鈣在腸道的吸收和在腎臟的再吸收。前瞻性研究為低鈣和維生素D缺乏在BSI中的作用提供了證據(jù)。在對(duì)18～26歲的女性長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員的研究中，Nieves等發(fā)現(xiàn)，每天攝入鈣少于800 mg的女性，其BSI指數(shù)幾乎是每天攝入鈣超過(guò)1500 mg 的女性的6倍。在維生素D方面，有研究發(fā)現(xiàn)，血清25(OH)D濃度低于中位水平30.4 ng/mL的芬蘭男性新兵患BSI的風(fēng)險(xiǎn)更大。另一方面，有一項(xiàng)對(duì)3700名美國(guó)海軍女性新兵的研究發(fā)現(xiàn)，每天補(bǔ)充2000 mg鈣和800 U的維生素D的海軍女新兵組(1852名)的BSI發(fā)生率相較對(duì)照組(1848名，安慰劑組)降低了20%?？偟膩?lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)表明，跑步運(yùn)動(dòng)員應(yīng)該確保充足的鈣和維生素D的攝入量，以滿(mǎn)足或超過(guò)目前推薦的膳食攝入量(鈣：1000～1300 mg；維生素D：600 U)。

鐵可以維持維生素D代謝，在缺乏鐵時(shí)，可能會(huì)對(duì)骨轉(zhuǎn)換標(biāo)志物產(chǎn)生影響。在一項(xiàng)對(duì)18～35歲女性的研究中發(fā)現(xiàn)，低鐵狀態(tài) (血清鐵蛋白<30 ng/ml)與骨吸收較高相關(guān)。而缺鐵也與BSI的發(fā)生有關(guān)。在一項(xiàng)針對(duì)女性士兵的研究中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生BSI的士兵比未發(fā)生BSI的士兵缺鐵性貧血和轉(zhuǎn)鐵蛋白不足的發(fā)生率更高。

2.4 腸道微生物群 近年來(lái)，腸道微生物群和骨骼健康之間的關(guān)系受到了廣泛的關(guān)注。心理壓力、運(yùn)動(dòng)和腸道菌群之間的共同線(xiàn)索是下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamus-pituitary-adrenal，HPA axis)。腸道微生物組成對(duì)HPA應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)展和功能至關(guān)重要。當(dāng)腸道菌群失衡時(shí)，細(xì)菌源化合物的傳播增多，同時(shí)細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子的表達(dá)發(fā)生改變，最終影響骨形成。

這些改變被認(rèn)為會(huì)損害免疫、內(nèi)分泌、血管和神經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng)，而這些反應(yīng)都在調(diào)節(jié)骨細(xì)胞分化和(或)功能中發(fā)揮作用。對(duì)于性激素水平已經(jīng)下降的運(yùn)動(dòng)員及由于運(yùn)動(dòng)性質(zhì)而損傷腸道上皮屏障完整性的運(yùn)動(dòng)員，考慮性激素與腸道健康之間的關(guān)系就顯得尤為重要。在動(dòng)物研究中，性激素已被發(fā)現(xiàn)在腸道上皮屏障的完整性中發(fā)揮重要作用。由于缺乏雌激素代謝細(xì)菌和其他代謝影響，腸道微生物多樣性的減少使得雌激素代謝下降，而雌激素減少對(duì)運(yùn)動(dòng)員有不利影響。腸道菌群失調(diào)可能會(huì)影響骨形成和性激素水平，或者低性激素會(huì)影響腸道，從而對(duì)骨形成產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著對(duì)運(yùn)動(dòng)員腸道微生物群的研究不斷深入，研究腸道與骨骼健康之間的關(guān)系將是一件非常重要的事情。

BSI的發(fā)生是多種風(fēng)險(xiǎn)因素相互影響、相互作用的結(jié)果。作為臨床醫(yī)師，徹底、全面地評(píng)估BSI的風(fēng)險(xiǎn)因素是預(yù)防和治療的第一步。在全面評(píng)估之后，針對(duì)性地制定個(gè)性化的康復(fù)方案和訓(xùn)練方案可以幫助優(yōu)化運(yùn)動(dòng)員(或軍事訓(xùn)練人員)的訓(xùn)練方式(負(fù)荷、方法、頻率)和訓(xùn)后恢復(fù)，最終提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。從研究的角度來(lái)看，我們需要進(jìn)一步對(duì)運(yùn)動(dòng)員(或軍事訓(xùn)練人員)進(jìn)行前瞻性研究，調(diào)查風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互關(guān)系，以便我們更清楚地了解多種風(fēng)險(xiǎn)因素是如何相互作用并影響運(yùn)動(dòng)員的累積風(fēng)險(xiǎn)狀況的。此外，訓(xùn)練模式、營(yíng)養(yǎng)睡眠、腸道健康和BSI的相互聯(lián)系是一個(gè)重要的、新興的、有待臨床醫(yī)師和研究人員共同探索的新領(lǐng)域。加深對(duì)這些變量之間的關(guān)系的科學(xué)理解，將有助于臨床醫(yī)師對(duì)涉及運(yùn)動(dòng)員和軍事訓(xùn)練人員骨骼健康的多層次因素有更全面的了解。