腰围可提高人体运动时膈肌的神经肌肉效率

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中国康复医学会辅具应用专委会科普委员会

郑大五附院康复医学工程足脊矫治与运动康复研究中心

摘要

该研究证实了腰围（AB）可以提高人体运动时膈肌的神经肌肉效率。12名24.8±1.7岁（平均值±SE）的健康非肥胖男性，在两个随机分配的条件下完成了症状限制的恒定负荷循环耐力运动试验，在85%的峰值功率输出下进行了膈肌肌电图（EMGdi）和呼吸压测量：对照组（CTRL）和静息下腰围组增加5–8cmH2O呼气末胃压（Pga，ee）。实验中，静息下腰围使Pga、ee增加6.6±0.6cmH2O。与对照组相比，腰围组运动期间跨膈肌压力摆幅与EMGdi的比值显著增加了85–95%，反映出运动后的膈肌的神经肌肉功能增强。但是，腰围对静息时的肺活量参数、运动耐力时间没有影响，对心脏、代谢、通气、呼吸模式和动力学以及运动时肺容积和知觉反应也没有影响。总之，在健康男性中，腰围可独立快速改善运动时膈肌的神经肌肉效率。我们的研究结果表明，在膈肌无力/功能障碍的临床患者中，腰围可能是提高膈肌神经肌肉效率的有效方法。

关键词：呼吸困难、运动、腰围、神经肌肉效率，膈肌

介绍

膈肌无力/功能障碍在许多临床患者中普遍存在，包括慢性阻塞性肺病（COPD）、间质性肺病、心力衰竭、神经肌肉疾病、危重病和机械通气以及脊髓损伤。在这些患者群体中，膈肌无力/功能障碍与呼吸困难增加、运动耐量受损、机械通气中断时间延长以及不良健康结果（包括生活质量和死亡）有关。因此，非疾病特异性干预能够增加膈肌的产生压力容量能力，可能具有重要的临床和病理生理学意义。除了呼吸肌训练和钙致敏剂，左西孟旦外，很少有广义的干预措施可以提高人体膈肌的扩容能力。

从健康和SCI的研究中积累的证据表明，腰围显著增加了膈肌的最大容量（例如，嗅）和非自愿（例如，抽搐）压力产生能力，通过降低腹壁顺应性，提高膈肌的操作长度，由于膈肌上升到机械上更有利的（头端）呼气末位置，增加腹内压，增加膈肌与胸腔的相对面积和/或增加膈肌与胸腔的嵌入力。West等人（a，a，b）最近进行的一系列研究表明，在颈部脊髓损伤的运动员休息时，腰围足以使呼气末腹压（Pga，ee）平均增加～8cmH2O，与非束缚对照条件相比，跨膈肌收缩压增加了～40%。在这些研究中，腰围诱导的膈肌功能改善与同时改善静态肺容积和容量；静息心输出量；运动期间动态操作肺容积的行为以及基于现场的运动表现选择的指标有关。

据了解，只有两项研究检验了腰围对健康成人运动生理反应的影响，Vanmeenen等人研究了在11名健康男性中，通过在腹部周围应用非弹性帆布紧身衣（从剑突延伸至髋部，包括下方五根肋骨）对降低30%肺活量的运动生理反应的影响。在这项研究中，腰围影响了通气和心血管对运动的反应，伴随着运动表现的降低，这与健康男性运动生理反应中胸部外部限制的既定效应一致。Hussain等人（年）类似的一项研究发现，在五名健康男性的腹部尽可能使用包裹良好的非弹性紧身衣，同时对胸腔运动进行最小程度的干预，会导致“轻度”限制性肺功能缺损；运动期间膈肌压力（Pdi）摆动显著增加；对运动耐力无影响，对通气（VE）、呼吸模式和运动时膈肌肌电图（EMGdi）反应无影响。而Hussain等人（年）的研究则认为腰围具有潜在提高运动时人体膈肌的神经肌肉效率（即增加Pdi与EMGdi的比率），作者没有（1）控制腹部压力的程度；（2）说明腰围造成的“轻度”限制性肺功能缺损可能抵消了膈肌运动耐受性，增强神经肌肉效率的潜在益处；和/或（3）检查腰围在运动时同时对心脏、代谢、动态肺操作容积和呼吸困难反应的影响。

本研究的目的是探讨在高强度恒定负荷循环耐力运动试验中，健康男性在休息时腰围增加5–8cmH2O的Pga、ee对心脏、代谢、通气、呼吸模式、动态操作肺容积、EMGdi、呼吸压和呼吸反应的影响。

材料和方法

实验设计

这是一项单中心、对照、随机、交叉研究，其中符合条件的男性在≤2周的时间内参加三次测试访问。首次访问包括病史筛查、肺活量测定和症状限制性递增循环运动试验，以确定峰值功率输出（PPO）。第2次和第3次随访包括肺活量测定和症状限制恒负荷循环耐力运动试验，在85%的PPO下，在两个随机分配的条件下增加EMGdi和呼吸压的测量值：对照组（CTRL）和腰围组。尽管受试者和调查人员知情，受试者对研究的预期结果不了解。第1次至第3次随访间隔≥24小时，受试者每次访视在同一时间（±1小时）进行。受试者被要求在每个测试日避免饮酒、咖啡因、大量运动和剧烈运动。这项研究是由麦吉尔大学医学院的机构审查委员会（A04-M42-12B）根据赫尔辛斯基的声明批准的。在研究开始之前，所有受试者均获得书面知情同意。

受试者

受试者为12名18-40岁的非吸烟、非肥胖男性，肺功能正常[1秒用力呼气量（FEV1）≥80%预测值，FEV1与用力肺活量之比≥70%]，未知或疑似心血管、呼吸、代谢、肌肉骨骼、内分泌和/或神经肌肉紊乱。

腰围

如其他地方所述，主要由柔性氯丁橡胶制成，个性化尺寸，让受试者保持直立姿势，粘合剂的上边缘低于肋缘，这样对胸腔运动的干扰最小。腹部压力的理想程度定义为在运动前坐在椅子上休息时，在稳态呼吸期间增加5–8cmH2O的Pga，ee，通过收紧粘合带前面的尼龙搭扣来实现。早期的一项研究发现，在健康成人和颈部脊髓损伤患者中，这种水平的腹部压迫优化了休息时的肺功能和Pdi反应。

肺活量测定法

肺活量测定法根据推荐技术使用自动化设备。

心肺运动试验

使用心肺运动试验系统（VmaxEncoreTM，CareFusion）在电子制动循环测功仪（VIAsprintP；Ergoline，Bitz，Germany）上进行症状限制性运动试验。增量运动试验包括≥6分钟的稳态休息期，每2分钟功率输出增加25W（从25W开始）：PPO被定义为受试者能够维持≥30s的最高功率输出。恒定负荷运动耐力试验包括稳态休息时间≥6min，然后功率输出逐步增加至85%PPO。

标准心肺运动测试参数被收集呼吸，而心率（HR），心博量（SV）和心脏输出（CO）评估使用心阻抗图，在健康和疾病的症状有限周期运动试验中提供可接受的无创CO评估。吸气能力（IC）是在休息时进行的，在运动期间和运动结束时，每隔2分钟在最后30s进行一次。假设正常男性在有腰围和无腰围的运动期间总肺容量没有变化，IC和吸气储备量的变化[IRV=IC-潮气量（VT）]分别反映了动态呼气末和吸气末肺容量的变化。

呼吸法通过电极球囊导管和公认的方法分析测量食管（Pes），胃（Pga）和跨膈压（Pdi=Pga–Pes）的均方根值。最大自愿性EMGdi，rms被认为是所有EMGdi，rms值中最大的一个，rms值来自于在休息或运动期间进行的IC动作。将Pes（Pes，潮气）、Pga（Pga，潮气）和Pdi（Pdi，潮气）中的潮气量分别计算为峰值潮气吸气和峰值潮气呼气Pes、Pga和Pdi之间的差值。以Pdi、潮气与EMGdi、rms的比值作为膈肌神经肌肉功能的指标。

使用博格0-10分类比率量表，参与者在运动期间和运动结束时，在每2分钟间隔的最后30秒内，对他们的整体呼吸强度和休息时腿部不适的强度进行评分。整体呼吸（以下简称呼吸困难）被定义为“呼吸的全球意识”，这与美国胸科学会的建议一致，即呼吸困难的定义应与任何特定呼吸质量无关。腿部不适被定义为“蹬踏困难”。受试者被要求描述他们停止运动的主要原因；量化呼吸困难和腿部不适对运动停止的贡献百分比；找出最能描述他们在运动结束时呼吸困难的定性短语。

运动终点分析所有生理参数在运动前和运动期间每隔30秒取平均值。这些参数在运动期间每2分钟间隔的前30秒平均，与同一分钟最后30秒收集的IC和症状测量值相关联。测量参数的评估采用三个主要时间点：（1）运动前休息，定义为运动开始前，坐在自行车计时器上呼吸≥3min后，稳定期最后60s的平均值；（2）等时，定义为给定受试者在有无腰围的情况下完成的最大等效2分钟恒定负荷循环运动间隔的第2分钟前30秒的平均值；以及（3）峰值运动，定义为最后30秒有负荷蹬车的平均值。运动耐力时间（EET）是负荷下蹬车运动的持续时间。统计学分析采用双尾配对t检验，比较腰围组和对照组对肺活量测定参数、最大自愿EMGdi、rms以及呼吸困难和腿部不适对运动停止的贡献百分比的影响。采用双向重复测量方差分析和Tukey’sHSDpost-hoc试验方法，在运动期间（包括等时）和运动高峰的标准化次高峰时间点，研究腰围组和对照组对静息时测量的生理和知觉参数的影响。所有分析均使用SigmaStatR?3.5进行，统计显著性设置为p0.05。数据以平均值±SEM表示。

受试者，腰围，肺活量测定

受试者均为健康、年轻（24.8±1.7岁）、非肥胖（体重指数+23.1±0.6kg×m-2），心肺功能正常的无吸烟史男性：症状限制性耗氧峰值（vo2）为55.1±2.2ml×kg×min-1或预测值为21±6%；预测PPO为±18W或±5%。根据设计，ABI在佩戴腰围期间使Pga，ee比基线值增加6.6±0.6cmH2O，但与CTRL相比对肺活量测定参数没有影响(表1）。

表1.腰围对健康男性静息时肺功能测试参数的影响数值为平均值±SEM.FVC，用力肺活量：FEV1，秒用力呼气量;PEF，呼气峰值流速：FEF25-75%，用力呼气量取25%到75%之间。

生理和知觉对运动的反应

实验条件的顺序是均衡的，12名参与者中有7人在第二次就诊时随机佩戴腰围进行运动。为了排除对运动表现的潜在混杂顺序影响，我们比较了第2次和第3次随访之间的EET，无论实验条件如何，均未发现统计学上的显著差异：分别为9.7±1.0和9.0±1.2分钟（p=0.）。

与对照组相比，腰围组对EET无影响，对心脏、代谢、知觉和运动休息，或运动期间的通气、呼吸模式和/或操作肺容积参数也没有影响（表2，图1,2）。

表2.在健康男性中，以85%的限量峰值增量功率输出（相当于±17W）的恒负荷周期耐力运动测试中，腰围对生理和感知反应的影响。

数值分别是平均值±SEM.VO2和VCO2、氧气消耗率和二氧化碳排放量；CO，心脏输出;HR，心率；SV，心博量；VE，通气量/分钟，VT，潮气量：fR，呼吸频率；IC，吸气量；IRV，吸气储备量；EMGdi，rms，膈肌肌电图的均方根；EMGdi%max，膈肌肌电图的均方根，表示为膈肌肌电图的最大自愿性均方的百分比；Pes、Pga和Pdi分别为食管、胃和跨膈肌压力；Pes，潮气，潮气食管压力波动；Pga，潮气，潮气胃压波动；Pdi、潮气、潮气气压波动；Pdi，潮气量：EMGdi，rms，潮气膈肌摆动与膈肌肌电图均方根比值膈肌神经肌肉功能指数。*p0.05和?p≤0.01vs.对照组。

图1.腰围与对照（CTRL）对（A）耗氧率的影响（VO2）（B）心脏输出量（C）心率，（D）冲程容积，（E）呼吸困难，和（F）在恒定负荷循环耐力运动试验期间，在85%的峰值增量功率输出下，健康男性的腿部不适反应。数值为平均值±SEM

图2.腰围（AB）与对照（CTRL）对（A）通气，（B）吸气量，（C）潮气量，（D）吸气储备量，（E）呼吸频率的影响，和（F）健康男性在恒定负荷循环耐力运动试验期间，在85%峰值增量功率输出下的峰值呼气流量与峰值潮气呼气食管压力（Pes）响应。数值为平均值±SEM

在腰围组和对照组条件下，呼吸困难（腰围，46±8%对CTRL，40±7%；p=0.）和腿部不适（腰围，54±8%对CTRL，60±7%；p=0.）对运动停止的相对贡献没有差异。两组停止运动原因分布测试也相似：呼吸困难：腰围组，n=1vs.对照组，n=1；腿部不适：腰围组，n=0vs.对照组，n=1；呼吸困难合并腿部不适：腰围组，n=10vs.对照组，n=9。大多数参与者自选短语暗示“努力/尽力呼吸”的感觉增强，以描述他们在腰围组和对照组条件下的呼吸困难；例如，“我的呼吸很沉重”（腰围组，%比对照组，92%）和“我的呼吸需要更多的体力”（腰围组，92%比对照组，%）。

膈肌肌电图和通气压力

最大自愿性EMGdi、rms在腰围组和对照组条件下无显著差异：分别为±19和±25μV（p=0.）。连续IC动作期间记录的最大吸气Pes值与休息时（腰围组，?34.2±3.4cmH2O；对照组，?34.5±2.2cmH2O）和整个运动期间（例如，运动结束时腰围组，?34.8±2.9cmH2O；运动结束时对照组，?36.1±2.6cmH2O）相比在两种情况下和两种情况之间均无显著变化。在腰围组和对照组条件下，在休息和整个运动期间进行的连续IC操作（Pdi，IC）期间记录的吸气Pdi峰值显著增加18.5–22.2cmH2O（或43–53%）；例如，腰围组，70.3±6.0cmH2O和对照组，48.5±4.9cmH2O在休息时（p0.）；腰围组59.2±4.0cmH2O与对照组相比，运动结束时40.2±2.8cmH2O（p0.）。

与对照组相比，腰围组对运动期间的EMGdi、rms（图3A）或Pes（图3C）反应均无影响（表2）。正如预期的那样，在休息和运动期间，有腰围组与无腰围组的峰值潮气吸入Pga（Pga，吸气量）和峰值潮气呼气Pga（Pga，呼气量）一致性较高（表2，图3E）。与对照组相比，腰围增加了休息和运动时的Pdi、潮气量和潮气峰值吸气Pdi（Pdi，吸气量）；例如，休息时增加了+16.5cmH2O，运动时增加了+28.2cmH2O，与没有腰围时相比（表2，图3B）。此外，腰围与运动引起的Pdi、tidaland和Pdi、inspir上升幅度显著增加有关（表2，图3B）：运动期间，从休息到同等时长运动，Pdi、潮气量和Pdi、吸气量分别增加%和%。如图3D所示，Pdi、潮气量和Pdi、吸气量在任何给定EMGdi、rms的情况下，有腰围组与对照组相比，吸气量都要高得多，表明膈肌的神经肌肉效率提高。事实上，腰围增加了Pdi，潮气量：EMGdi，rms运动期间每个测量时间的均方根值比率平均为85–95%（表2，图3F）。

图3.腰围（AB）与对照（CTRL）对（A）脚膈肌肌电图均方根（EMGdi，rms），（B）跨膈肌压力（Pdi），（C）食管压力（Pes），（D）Pdi与EMGdi，rms，（E）胃压力（Pga）和（F）潮气Pdi摆动到EMGdi的影响，健康男性恒负荷循环耐力运动试验中85%峰值增量功率输出时的rms比率响应。数值为平均值±扫描电镜。*p0.05与CTRL.虚线表示呼气Pdi、Pes和Pga

讨论

本研究的主要发现是，在休息时，腰围可以使年轻健康男性的腹内压平均增加6.6cmH2O，增强运动时膈肌的神经肌肉效率，但对运动耐力无影响，对心脏、代谢、通气、呼吸模式、动态肺容积、肺功能无影响，以及运动的感知反应。

与早期腰围相关健康研究和SCI研究的结果一致，佩戴与未佩戴腰围在休息和运动期间观察到的增加的Pdi、潮气量、Pdi、吸气量和Pdi、IC反应的增加与腹内压相关（即Pga、ee和Pga、呼气量）。与腰围相关的腹内压力增加有效地将腹部内容物向膈肌（头侧）移动，从而增加膈肌对下胸腔的嵌入力和并置力。通过改变膈肌顶端，腰围也延长了膈肌肌纤维，并优化了其长度-张力关系。因此，膈肌在更长的长度上开始吸气收缩，从而在任何给定的肌肉激活水平上产生更大的压力，反映了膈肌收缩力的增强。腹部包扎可通过改善（减少）腹部顺应性进一步增强膈肌的压力产生能力，从而在吸气期间阻止膈肌对肋骨纤维的下降，并最小化肌纤维缩短，即将肌肉长度保持在长度-张力曲线的更有利区域。最后，通过增加腹内压和降低腹部顺应性，腰围可通过增加并置区和提高膈肌提升和扩张下胸腔的能力来增加膈肌对下胸腔的膨胀作用。这些机械上有利的膈肌形状和结构变化的结合，很可能是导致在运动中观察到的膈肌神经肌肉效率增加85-95%的原因。

虽然腰围增加了膈肌的收缩力/压力产生能力，但对mgdi，rms，Pes，VE，呼吸模式和运动时肺容积的动态变化无明显影响。这些发现与Hussainetal.（）在《健康》杂志和Bywestetal.（b）在《SCI》杂志上的早期腰围相关研究结果相似，可能反映了腰围对运动期间呼气流量的产生没有不良影响（运动引起的潮气量峰值、呼气量峰值增加和呼气量峰值流量之间的关系），或运动引起的二氧化碳生成率增加的影响，这是运动期间增加通气量需求的直接原因。可以说，与腰围相关的腹内压升高可能阻碍了膈肌在休息时下降到腹部，特别是在运动期间，此时的感觉需求比休息时高出13倍。如果这是真的，那么最大自主EMGdi，rms以及运动诱发的EMGdi，rms增加的幅度在腰围和对照组下应该一直较高条件。但是，这不是我们在研究中观察到的，也不是Hussainetal.（）所报道的5名健康男性的研究结果。

相比较而言，运动时有无穿戴腰围反映在保存的EMGdi的设置，rms,VE,呼吸模式和动态操作肺容积。我们推测腰围对Pdi和Pes运动反应的不同影响反映了胸腔肌肉吸气动作的“卸载”。换句话说，通过增加运动时Pdi，呼气量，从而增加Pdi，潮气量。腰围有效地减少了运动时胸腔肌肉在吸气过程中对任何给定水平的负胸内压的增大。附加研究同时测量了辅助吸气肌肌电活动的研究，需要确认这个假设。

在EMGdi、rms没有变化的情况下，VE，呼吸模式、呼气流量生成和运动时的动态肺容积反应、运动时膈肌神经肌肉效率的孤立性和急性改善与不运动时相比，对运动耐力和/或运动性呼吸困难没有影响。这些发现支持以下观点：在健康的年轻人中：（1）呼吸机械/肌肉因素不太可能影响运动耐受的极限；（2）膈肌进行性神经肌肉松解不可能是劳累型呼吸困难的直接来源。尽管如此,我们的研究结果为将来的腰围的研究提供了一个生理学基础，腰围是一种潜在有效的用于改善病理生理疾病状态下的运动耐受性的非药理学方法，在病理生理疾病状态下，膈肌的神经-肌肉耦合与劳力性呼吸困难的过度感知有联系机制，常见于多数慢性阻塞性肺病患者。有趣的是，Celli等人（年）的一份病例报告发现，腰围可以将PGA、ee从4cmH2O增加到12cmH2O，这与严重COPD和前腹壁大中线疝症状患者的膈肌功能、运动耐量和呼吸困难的客观和潜在临床意义的改善有关。Vivier等人（年）、Aliverti等人（年、年）和Uva等人（年）的共同研究结果表明，腰围通过增加腹内压和/或膈肌和腹肌的腹循环泵作用，通过增加内脏静脉循环的中心静脉回流，有可能改善休息时和运动时的心脏功能。在我们的研究中，腰围对静息和运动期间心脏阻抗图得出的CO和SV估计值没有明显影响，这与West等人（a）研究结果一致，他们报告在8名健康成年人中，腰围对静息时心脏功能超声心动图得出的测量值没有影响（例如CO，SV，舒张末期容积、收缩末期容积、射血分数）。我们推测，在受试者中，腰围诱导的腹内压升高和/或膈肌和腹肌的腹腔循环泵作用的幅度不足以将足够大的血液量从内脏循环转移到中心静脉循环，以增强休息时和运动时的心脏功能。

总之，在健康男性中，高强度恒定负荷循环耐力运动试验中，腹内压升高与佩戴腰围有关，可将膈肌的神经肌肉效率提高85–95%。因为膈肌无力/功能障碍被认为是与体力活动相关的呼吸困难和运动不耐受的来源，建议进一步研究腰围对存在劳累性症状患者的潜在益处。

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医院康复医学工程科(足脊矫治与运动康复研究中心)，隶属于医院（医院）。目前科室以足脊结构和人体生物力学为基石的运动康复新理念作为科室的发展方向；另外科室其规模、设备、技术医院内前列，是集科研和教学一体的康复工程技术诊疗机构。科室占地㎡，科室配有全套德国进口加工设备、压力衣制作设备、计算机辅助设计与制造系统（CAD-CAM）、3D扫描、太空舱脊柱三维矫治系统、SIMIAktisys3D临床动作分析系统、足踝生物力学静态评估系统和动态评估系统、3D打印等国内一流的先进设备。科室与香港理工大学、医院（QueenMaryHospital）、医院（PrinceofWalesHospital）、北京理工大学、所等建立紧密合作。科室目前有博士2名、硕士研究3名、资深运动康复师3名、康复工程师4名及多名助理康复工程师。

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康复医学工程科-足脊矫治与运动康复研究中心主任——解益

香港理工大学硕士（人体结构和人体生物力学方向）中国康复医学会康复医学工程辅具专委会常委，中国生物材料先进制造分会（3D打印）常委中国康复器具协会委员中国足踝专业委员会委员世界中医药联合会小儿脑瘫专业委员会理事中国康复医学康复工程与产业促进专业委员会委员中国康复医学会青年治疗委员会委员郑州大学康复治疗专业康复工程课程负责人中国康复杂志审稿专家河南省康复医学工程研究中心负责人参与《假肢与矫形器的临床应用》、《低温热塑矫形器实用技术》、《矫形器》、《矫形器的临床应用》等12本专业书籍编写，其中2本为副主编。发表论文10余篇，其中主持和参与省课题5项、参与国家自然科学基金2项.个人研究方向：足脊生物力学的改变对颈肩腰腿痛的影响、儿童先天性四肢发育畸形的生物力学矫正与矫形器设计、脊柱侧弯（驼背）生物力学调整与脊柱侧弯矫形器设计及临床应用等门诊安排

诊疗范围：脊柱侧弯、脊柱生理曲度改变（驼背）、扁平足、高弓足、X和O型腿、先天性的马蹄内外翻足、先天性的斜颈、运动损伤、创伤性的骨性关节炎、中枢和外周神经疾患导致功能障碍者（如：脊髓损伤患者、脑卒中患者、脑瘫患者、儿麻患者等）、烧伤患者、淋巴水肿患者、骨折术后患者、类风湿关节炎患者、截肢患者、足脊结构和人体生物力学改变导致关节的应力性损伤和劳损性的疼痛等，可提供精准的评估、矫治（结构矫治与运动康复）、科学的运动控制和科学的肌骨疼痛的ADL管理。另外，还为各类型功能障碍患者或残疾人提供各种的移动设备、交通工具及家居环境的评估、改造、适应和训练。

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