基于血流限制的運動鍛煉在失重生理防護中的應用進展

王子牛， 李小濤?， 劉書娟， 王惠娟， 王顏晴， 張劍鋒， 高 原， 楊長斌

（1.西安電子科技大學體育部／特殊環(huán)境生理與體能訓練軍民融合創(chuàng)新研究中心， 西安 710126； 2.中國航天員科研訓練中心航天醫(yī)學基礎與應用國家重點實驗室， 北京 100094； 3.空軍軍醫(yī)大學， 西安 710032）

1 引言

長期太空失重環(huán)境會導致人體多個生理系統(tǒng)功能產生廢用性、退行性改變，因此必須采取有效的失重防護和對抗措施，體育運動鍛煉是目前失重生理效應防護中最為有效的措施之一。 中國航天醫(yī)學研究人員經(jīng)過長期的實驗研究，針對中國航天員制定了具有中國特色的失重防護方案。 但面對未來更長時間的深空探測，該防護策略還有待進一步完善和優(yōu)化。 當前國際空間站多采用的中低強度運動鍛煉失重生理效應防護方案耗時較長且防護效果有限，高強度鍛煉雖更為有效，但需要較大的鍛煉設備和較高的維修成本。

血流限制是將充氣袖帶或彈力帶等繞于肢體近端外圍，通過調節(jié)袖帶壓力或彈力帶長度對肢體加壓，使相應部位動脈和靜脈血流部分阻斷以調節(jié)相關肌群血流供應的方法。 基于血流限制的研究可追溯到20 世紀60 年代，但直到20 世紀末才被應用于運動訓練中。 20 多年的研究證明血流限制結合較低強度的運動鍛煉即可使肌肉力量和有氧耐力得到有效改善，并有效預防廢用性骨骼肌萎縮。 該方法被廣泛應用于競技體育訓練、運動健身、老齡醫(yī)學及康復領域，但由于缺乏明確的統(tǒng)一參考標準，其個性化的袖帶壓力參考標準仍有待于進一步研究。 基于血流限制的運動鍛煉相關研究主要針對一般健康人群，針對航天員等特殊人群開展的相關研究極為有限。 本文對當前基于血流限制的運動鍛煉進行分類闡述，旨在為中國航天員基于運動鍛煉的失重生理效應防護提供新的思路和借鑒。

2 血流限制在運動鍛煉中的應用

2.1 基于血流限制的抗阻鍛煉

研究發(fā)現(xiàn)，血流限制結合抗阻鍛煉時肌肉可產生很好的適應，從每天2 次持續(xù)6 d 到每周2 d持續(xù)8 周的多項實驗均發(fā)現(xiàn)血流限制訓練對肌肉圍度及肌肉力量的顯著提升作用。 Luebbers等研究了舉重運動員采取血流限制結合低負荷抗阻鍛煉的訓練效果，實驗以一次重復次數(shù)的最大負荷（1 Repetition Maximum， 1RM）為負荷參照標準，采用≤30% 1RM 的低負荷抗阻鍛煉結合血流限制進行為期6 周的干預后發(fā)現(xiàn)，最大深蹲力量顯著提高，且血流限制結合低負荷抗阻鍛煉組（≤30% 1RM）與單純大負荷鍛煉組（≥65%1RM）并無顯著差異。 Loenneke 等認為每周進行2～3 d 的血流限制抗阻鍛煉效果最佳，而力量的增長與持續(xù)時間的周數(shù)有顯著的相關性。

Ferenc 等研究了230 mmHg 完全血流阻斷下70% 1RM 急性高強度抗阻鍛煉對下肢肌肉血管生成的影響，結果發(fā)現(xiàn)進行血流阻斷的一側腿部骨骼肌血管生成與修復相關蛋白mRNA 表達顯著升高、肌細胞內線粒體數(shù)量增加。 Bjrnsen等發(fā)現(xiàn)血流阻斷結合低強度鍛煉可以減輕肌肉延遲性酸痛的發(fā)生，同時促使I 型肌纖維和II 型肌纖維的肌核數(shù)量、衛(wèi)星細胞數(shù)增加，股直肌和股外側肌的圍度在結束干預后增加5%～10%，而作為慢肌纖維的I 型肌纖維面積在干預后有所降低。 Ma 等的研究再次證實血流限制結合低強度運動可減少運動性肌肉損傷的負面影響。 但血流限制加壓帶通常置于四肢近端，主要對四肢骨骼肌群的血流進行調節(jié)，對軀干肌及肢體近端核心肌群的作用相對有限。 因此對核心肌力要求較高的競技運動項目運動員來說，血流限制的抗阻鍛煉作用有限。 但對于處于失重環(huán)境中的航天員來說，血流限制訓練或許可以在有效緩解體液頭向轉移造成的頭面部充血顱內壓升高等現(xiàn)象的同時，有效對抗四肢承重肌的萎縮。

2.2 基于血流限制的有氧耐力鍛煉

基于血流限制的有氧耐力鍛煉一般采取血流限制結合步行、慢跑或自行車等方式進行。 以往研究普遍認為，有氧耐力鍛煉不會提升肌肉力量和肌肉體積，甚至較大訓練量的有氧鍛煉還會降低力量訓練的效果，而基于血流限制的低強度有氧耐力鍛煉（20%～40% VO）卻可以同時獲得肌肉力量和有氧代謝能力的提升。 Abe等以20%的VO的負荷進行為期3 周每周2次血流限制的步行訓練后發(fā)現(xiàn)，腿部力量的1RM增加了8%，大腿肌肉橫截面提升了約6%，而未結合血流阻斷的單純步行鍛煉組未見明顯改變；此外，相比同樣速度的正常步行，血流阻斷時身體代謝提高約3%，心率增加約30 bpm。 同樣，持續(xù)3 周，每周進行3 次，每次持續(xù)15 min，負荷為40%的VO的血流阻斷結合自行車鍛煉，發(fā)現(xiàn)大腿橫截面提升3.4%，膝關節(jié)力量提升7.7%，VO提升6.4%；而對照組在進行相同強度并持續(xù)40 min的干預后，并沒有產生肌肉力量或有氧運動能力的變化。 通常有氧運動鍛煉的強度維持在75%的VO以改善有氧運動能力，而在結合血流限制后通過更低的訓練強度更短的訓練時間即可提升有氧運動能力，同時還可以增加肌肉力量與圍度。

2.3 基于血流限制的康復鍛煉

血流限制與運動鍛煉的結合有利于縮短傷后或術后康復期的時長，其作為一種低風險的肌肉康復措施被廣泛應用于各類康復人群。 基于血流限制的較小負荷的抗阻鍛煉即可有效促進肌肉體積和肌肉力量的改善，而基于血流限制的較低強度有氧鍛煉即可有效提升人體的有氧運動能力。

肢體骨骼或關節(jié)手術后，由于相關禁忌患者往往不能進行較大負荷的運動鍛煉，因此相關骨骼肌在長期無負荷狀態(tài)下自然出現(xiàn)廢用性萎縮，表現(xiàn)為骨骼肌體積和橫截面積減小、肌肉力量下降。 基于血流限制的小負荷運動鍛煉即可有效對抗長期臥病在床或肢體固定導致的廢用性骨骼肌萎縮。 血流限制導致的反應性充血可促使肌肉血流量一過性增加，并導致血管容量增加，從而促使受傷早期骨骼肌的康復和相關組織的機能改善。 膝關節(jié)術后康復期采用血流阻斷結合抗阻訓練，股四頭肌與腘繩肌的峰值力量與傳統(tǒng)康復治療手段改善更為明顯，股四頭肌橫截面積下降幅度遠小于普通康復鍛煉組，且基于血流限制的運動康復鍛煉可顯著縮短患者的康復時間。健康志愿者在踝關節(jié)支具固定同時排除任何負重維持14 d 后，下肢遠端相關肌群均出現(xiàn)不同程度的肌肉萎縮，所有志愿者分別采取基于血流限制的運動康復和靜力性用力康復鍛煉；結果發(fā)現(xiàn)：靜力性康復鍛煉組踝關節(jié)跖屈背屈肌力相比實驗前均顯著下降，下肢遠端肌圍度也顯著下降，而基于血流限制的運動康復組相關肌力與肌圍度相比實驗前無顯著下降。 在結合血流限制的低強度運動中，運動負荷過小可能也無法達到理想的康復效果，Visser 等對膝關節(jié)交叉韌帶重建手術后已發(fā)生股四頭肌萎縮的運動員連續(xù)分別采用血流限制結合小于10% 1RM 的小負荷抗阻鍛煉和普通康復鍛煉進行干預，結果發(fā)現(xiàn)2 組志愿者股四頭肌橫截面積均顯著下降且組間無顯著差異。因此基于血流限制的抗阻鍛煉負荷可能存在一個最低有效閾值。

2.4 運動鍛煉中血流限制的作用機制

血流限制和運動鍛煉過程中，代謝副產物的堆積引起參與收縮的肌纖維快速疲勞，從而誘導骨骼肌不斷增加高閾值肌纖維的募集，以激活更多數(shù)量的肌纖維，達到有效改善神經(jīng)肌肉募集和動員的目的。 血流限制的運動過程產生的大量代謝副產物會導致相關肌群內pH 值下降，進而刺激傳入神經(jīng)相關感受器，促使腦垂體反射性釋放生長激素活動的增強，生長激素濃度顯著增加甚至達到靜息時的數(shù)百倍。 生長激素的分泌進而促使肝臟胰島素樣生長因子的大量釋放，生長激素和類胰島素增長因子1 分泌增加，促使肌纖維合成增加。

血流限制和運動均會促使相關肌細胞內環(huán)境發(fā)生缺血、缺氧、pH 值下降以及伴隨肌肉舒張收縮發(fā)生的間斷性缺血再灌注，從而誘發(fā)一氧化氮合酶（Nitric Oxide Synthase，NOS）與熱休克蛋白（Hot Shock Proteins，HSPs）活性上調。 NOS可通過NO 激活雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路增強蛋白合成，同時通過干細胞生長因子激活衛(wèi)星細胞的分化融合促使肌纖維增粗。 HSPs 有助于蛋白質的轉運組裝，并在維持細胞穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用，而HSP72 可抑制肌肉萎縮相關分子信號通路，并降低大運動量肌肉收縮過程伴隨的蛋白降解。

血流限制的運動鍛煉過程中，肌肉舒張時靜脈血液淤積及運動過程中代謝副產物的堆積產生的壓力梯度可促使血液向肌纖維充盈，從而引起肌細胞的腫脹。 這種運動所致的肌肉充血反應一方面可能有助于減少肌細胞中相關蛋白的水解，另一方面有可能促進肌肉相關蛋白的合成。因此有觀點認為，血流限制的運動鍛煉過程中，骨骼肌細胞水合作用的增強導致肌纖維充血腫脹反應，有可能是基于血流限制的運動鍛煉促進肌肉體積增長的機制之一。

3 血流限制實施時需關注的問題

3.1 血流限制的加壓帶

盡管血流限制作為一種輔助鍛煉措施廣受關注，但該技術仍不成熟，缺少統(tǒng)一標準，在應用時具體實施方法仍存在較大差異。 運動期間血流限制帶對血管施加的壓力可能會引起肌肉感覺不適，而這種不適與袖帶寬度及位于袖帶與血管之間的軟組織墊層密切相關。 相關研究中采用的袖帶一般是寬度3 ～13 cm 的彈力帶或充氣加壓袖帶，各種袖帶結合低負荷強度的運動均可導致肌肉力量和大小的改善，但窄袖帶需要施加較大的壓力（160 ～180 mmHg），相比寬袖帶只需較低的壓力（90 ～120 mmHg）即可實現(xiàn)靜脈血流的阻斷。 寬袖帶在使用更低的壓力時，即可對肌肉力量和大小的改善產生相同效果，舒適度明顯得到提升，而窄袖帶有可能會導致肌肉不適感增加促使運動持續(xù)時間縮短。

3.2 血流限制的壓力

血流限制時施加的壓力值是基于血流限制的運動鍛煉的主要變量，對需要關注心血管反應的相關人群尤為重要。 Patterson 等認為在實施血流阻斷時需根據(jù)個體差異調整相關變量，在負荷允許的條件下增加阻斷壓力。 個體化壓力需依據(jù)參與者身體成分和血流動力學的差異進行相應調整，壓力的設置需確保運動相關肌群受壓的不適感最小化和鍛煉的有效性。 當前相關研究對血流限制的壓力設定較為隨意，通常以靜脈血流阻斷最低壓力為標準，也有以參與者個體特征為基礎進行壓力估算。 基于血流限制的運動鍛煉研究中采取的壓力存在較大差異，對于壓力設置策略尚未達成明確共識。

研究采用的壓力范圍較大（40 ～160 mmHg），且施加的壓力與鍛煉效果之間似乎并沒有明顯的劑量－反應效應關系。 McEwen 等建議施加個性化壓力時可依據(jù)自身肢體血流完全阻斷時所需壓力的測量值進行設定，選擇預期允許動脈流入的百分比。 Mouser 等認為在進行基于血流限制的運動鍛煉時，采用個體化的相對壓力有助于解決不同的袖帶寬度導致的相同壓力絕對值的差異問題。 隨血流限制壓力的增加，身體的主觀不適感逐漸遞增，從而可能導致運動能力下降。 血流限制時選擇靜脈完全阻斷而動脈部分阻斷的壓力值，運動時骨骼肌舒張和收縮交替進行，產生的肌肉泵原理在很大程度上克服靜息時靜脈阻斷造成的靜脈回流受阻。 有研究認為，采用可使肌肉產生有效適應的最小壓力閾值約為肢體血流完全阻斷時所需壓力的60%～80%。

3.3 血流限制的加壓模式

血流限制的加壓模式可分為間歇性加壓和持續(xù)性加壓，加壓模式直接影響著運動鍛煉的整體效果。 間歇性加壓是在運動過程中間斷性解除或降低壓力，連續(xù)性加壓是在運動過程中維持壓力不變。 持續(xù)加壓會帶來更大的不適感和更嚴重的乳酸堆積，從而誘發(fā)較大的代謝壓力和疲勞感。 因此在肌肉骨骼康復過程中需謹慎長時間采用持續(xù)加壓的血流限制鍛煉，而間歇性血流限制或許更具優(yōu)勢。 有氧運動過程中袖帶可每隔一定時間重新充放氣一次，使肢體相關肌群在壓力完全解除后得到有效血氧及血糖的供應，在加壓阻斷時又再次接受缺血低氧刺激。 抗阻鍛煉過程中可以采取組間間隔解除壓力和血流限制，使相關肌群血供暫時恢復，鍛煉時重新加壓進行血流限制以再次經(jīng)受缺血缺氧刺激。

3.4 基于血流限制的運動強度

基于血流限制的小負荷抗阻鍛煉和大負荷抗阻鍛煉均能獲取與單純大負荷抗阻鍛煉相類似的訓練效果和生理適應，但小負荷鍛煉可耐受性更強，大強度的血流限制運動鍛煉往往難以維持。在進行結合高強度（≥70% 1RM）的抗阻鍛煉時，血流阻斷會限制ATP 的再生從而導致血乳酸迅速升高。 血乳酸的升高會導致個體無法承受肌肉酸痛所帶來的身體負面效應，進而影響到訓練效果導致訓練的中止。 在周期性有氧耐力鍛煉和血流限制聯(lián)合使用時，運動強度與運動可持續(xù)時間直接相關。 因此，基于血流限制的抗阻鍛煉多采用20%～40% 1RM 進行，而基于血流限制的有氧鍛煉則多用20%～40%的VO進行。

4 基于血流限制的失重生理效應防護

4.1 地面模擬失重環(huán)境基于血流限制的失重防護

中國載人航天領域對于血流限制的研究實際起步于1998 年，姜世忠等在人體－6°頭低位臥床模擬失重期間，為對心血管系統(tǒng)進行防護，對受試者四肢進行40 mmHg 加壓，限制其血液頭向轉移，結果發(fā)現(xiàn)短期模擬失重期間血流限制可有效對抗下肢靜脈順應性的降低，在一定程度預防大腦中動脈的血流速度的改變，從而對抗短期模擬失重后立位耐力的下降。 中國近20 年的研究初步認為，通過四肢加壓套帶進行血流限制可有效對抗失重導致的心血管功能失調，但尚未對血流限制與運動鍛煉相結合的肌肉萎縮防護進行深入研究。

航天醫(yī)學領域的主流觀點是利用加壓套帶限制模擬失重期間血流的頭向轉移，減緩血容量的減少。 Toshiaki 等，在24 h－6°人體頭低位臥床（Head Down Bed Rest，HDBR）模擬失重期間，采用下肢近端加壓套帶血流限制與臥床前坐姿對比觀察人體血流動力學的反應，壓力值分別為100、150、200 mmHg，每次持續(xù)10 min，休息10 min；結果發(fā)現(xiàn)連續(xù)增加的袖帶壓力改變血流限制水平可導致人體每搏輸出量（Stroke Volume，SV）減少、心率（Heart Rate，HR）升高，去甲腎上腺素（Nora?drenaline，NA）、血管緊張素（Angiotensin，ANG）和血漿腎素活性（Plasma renin activity，PRA）相對升高，再現(xiàn)了人體立位時血流動力學和神經(jīng)體液相關反應，從而可在模擬失重期間產生類似重力應激的效應。 Kubota 等也在24 hHDBR 期間，驗證了血流限制與低強度的抗阻鍛煉相結合的防護策略，實驗采用150 ～160 mmHg持續(xù)血流限制結合30%1RM 的阻力負荷，進行4 組重復次數(shù)分別為30、15、15、15 次組間間歇1 min的腿部屈伸鍛煉，結果發(fā)現(xiàn)實驗組在進行基于血流限制的抗阻鍛煉時相比單純抗阻鍛煉的對照組SV 下降、HR 升高，同時血液中PRA、ANG、NA 及乳酸濃度也顯著升高，HDBR 期間的血流動力學和神經(jīng)體液反應與下體負壓時觀察到的重力應激反應非常接近。 因此基于血流限制的應激結合運動鍛煉也有可能是較為有效的失重生理效應防護策略之一。

4.2 空間飛行環(huán)境基于血流限制的失重防護

長期航天飛行后，若無相應的失重對抗防護措施，會發(fā)生心血管機能失調、肌肉力量減小和有氧運動能力下降等生理效應。 當前國際空間站在軌的各國航天員每天均要耗費大量時間使用跑步機、自行車和阻力器械等進行高強度運動鍛煉，以對抗失重所致的不良生理效應。 這些耗時費力的失重生理效應防護對抗措施可在一定程度減弱肌肉萎縮、骨質丟失和肌力下降，但對失重所致的心血管機能失調及其在后續(xù)重返重力環(huán)境時表現(xiàn)出的立位耐力下降防護效果極其有限。

航天員在軌飛行時面臨的失重環(huán)境會對人體心血管系統(tǒng)產生較大影響，血液頭向分布是最先發(fā)生的生理反應。 而采用血流阻斷對下肢血流進行限制促使血液滯留下肢，從而在一定程度減少頭面部充血等不適，同時通過提高心血管外周總阻力、減少SV 與心排血量等血流動力學改變心血管功能狀態(tài)。 Hackney 等認為國際空間站的航天員已經(jīng)在無意間進行了結合血流限制的運動鍛煉，航天員在進行自行車鍛煉時存在的顯著肌肉不適感就來自于腰肩等束縛帶，這些束縛裝置在低強度運動鍛煉中不會產生任何不適反應，而在進行高強度鍛煉時會隨著運動鍛煉負荷的增加在一定程度上限制肢體的血液循環(huán)，無法達到目標負荷，同時航天員感到腿部非常疲勞與明顯的不適感。 國際空間站航天員所經(jīng)歷的血液循環(huán)受限與基于血流限制的運動鍛煉極其相似。

基于血流限制的低負荷抗阻鍛煉可增加普通健康人群的肌肉大小和力量、減輕特殊人群肢體肌肉萎縮和力量損失，而基于血流限制的低強度有氧鍛煉可在增強肌肉的同時增加有氧運動能力，因此基于血流限制的有氧鍛煉或許可以同時有效對抗失重所致肌肉萎縮和心血管功能失調。此外，在長期載人航天飛行期間當空間站相關運動硬件出現(xiàn)故障無法有效使用時，以基于血流限制的較低負荷的運動模式進行周期性有氧運動鍛煉或許是一種極其有效和便捷的替代性輔助手段。 相比于單純太空跑臺、自行車、下體負壓等大型設備，基于血流限制的運動鍛煉僅需增加壓套帶即可增強生理應激反應，從而較大程度提高航天員的鍛煉效果。

5 結論

長期載人航天飛行會導致航天員運動能力下降，而體育運動鍛煉是目前失重生理效應防護的核心措施。 當前國際空間站所采用的中低強度運動鍛煉失重生理效應防護方案耗時較長且防護效果有限，高強度鍛煉雖能更為有效對抗失重所致的多系統(tǒng)不良生理效應但需要較大的鍛煉設備和較高的維修成本。 基于血流限制的運動鍛煉通過較低強度的鍛煉就能達到高強度鍛煉的防護效果，且同時改善肌肉力量和有氧運動能力，未來可作為中國空間站現(xiàn)有失重防護運動鍛煉方案的輔助和補充。