军事训练对青年男性军人股骨近端几何结构的影响

秦茵 高爽 李平 吴基伟 张长龙 胡志宏

1. 南京军区福州总医院中医理疗科, 福建 福州 350025 2. 解放军第三○九医院，北京 100091

近年来采用双能X 线骨密度仪(DXA)的骨强度分析(hip structural analysis，HAS) 软件能获得除骨密度之外的髋部骨几何参数。研究证实，髋部骨几何结构联合骨密度提高了髋部骨折风险的预测能力[2-6]。现阶段对骨密度的研究多集中在快速增长期和衰老下降期，得出的结果也较为一致，即运动有利于骨矿物质的沉淀，增加骨量峰值和延缓骨矿物质的丢失速率[7-9]。但是对于处于20～30岁缓慢增长期和骨量峰值前期的特殊年龄阶段的关注程度相对较少，结论也不完全一致[10]。本研究对福州地区某陆军部队中20～30岁的青年男性军人与同龄普通青年男性的腰椎和髋关节骨密度和股骨近端几何结构进行测量分析，探索军事训练对骨量缓慢增长期的青年男性骨密度和股骨近端几何结构的作用和影响，以期为有效改善骨强度、预防骨质疏松起到积极作用。

1 材料和方法

1.1 研究对象

本研究按照入选标准纳入20～30岁的60名青年男性军人和60名普通男性为研究对象，其中军人在部队进行系统、规律的体能训练(包括长跑、跳跃运动等其他项目)，准确测量并记录每位受检者的身高、体重并计算体质量指数(body mass index，BMI)。通过问卷调查按如下标准纳入受试对象。入选标准如下： ①无肿瘤、结核、转移瘤及放化疗史等；②无内分泌、与骨代谢相关的病变(如酒精中毒、甲亢、Paget 病、风湿性关节炎、糖尿病、严重慢性肺肝肾病等相关疾病)；③无由大脑动脉血管相关疾病引起的严重后遗症；④ 近六个月内未曾服用过影响骨代谢的药物；⑤ 无明显创伤性病史；⑥ 无骨密度检查禁忌症(如近日未行消化道钡餐及同位素检查)。

1.2 研究方法

腰椎和髋关节骨密度测定。测试方法：对每个受检者进行年龄、身高、体重及运动情况进行调查后，使用美国HOLOGIC Discovery A双能X线骨密度仪对军人与普通男性进行腰椎与髋关节骨密度测试，两组中髋关节骨密度测试统一选定为左侧髋关节；并使用双能X线骨密度仪自带软件HSA对股骨近端几何结构进行分析。扫描条件：电压140 kV，电流2.5mA，扫描长度16 cm，扫描宽度11 cm，扫描时间约16 s。测试指标包括：骨矿密度(bone mineral density，BMD)、T值，股骨颈(femoral neck, FN)几何参数。其中股骨颈几何参数主要有：横截面积(cross-sectional area, CSA)、横截面转动惯量即截面力矩(cross-sectional moment of inertia, CSMI)、截面系数(section modulus, SM)、皮质厚度(cortical thickness, CT)、曲率(buckling ratio, BR)。

1.3 统计学处理

2 结果

2.1 军人组与非军人组基线资料

军人组与非军人对照组的年龄、体重、身高、BMI的差异均无统计学意义(P>0.05)(见表1)。

表1 军人组与非军人组临床资料比较Table 1 Comparison of the clinical date between military group and non-military group

2.2 军人组与非军人组骨密度及股骨颈几何学参数

2.2.1不同部位BMD：军人组腰椎(L1-4) 总体、髋部股骨颈BMD 较普通青年对照组分别增加2.97% 和6.45%，但两组腰椎骨密度差异无统计学意义(P>0.05)，两组间股骨颈骨密度差异有统计学意义(P<0.05)(见表2)。

2.2.2髋部股骨近端几何结构参数：股骨颈骨几何力学参数比较结果显示：军人组FN-CSA、FN-CT大于普通青年对照组，而FN-BR明显低于普通青年对照组，差异均有统计学意义(均P<0. 05)，其余两组相关参数间差异均无统计学意义(表2)。

表2 军人组与非军人组腰椎和股骨颈骨密度、股骨颈几何学参数的比较Table 2 Comparison of BMD of the lumbar spine and the femoral neck and the femoral neck geometric parameters between military group and non-military group

注：BMD：骨矿密度；CSA： 截面面积；CSMI：截面力矩；SM：截面模量；CT：皮质厚度；BR：屈曲应力比；aP<0.05；bP<0.01。

2.2.3两组骨量分布情况：表3统计发现两组骨质疏松人数所占的比例相同(均有3例)；军人组61.67%属于骨量正常，33.33%属于骨量减少；非军人组45%属于骨量正常，50%属于骨量减少。军人组骨量正常者明显高于普通青年组。

表3 军人组与非军人组T值分布Table 3 Distribution of T-score in the military group and non-military group

3 讨论

骨密度可直接反映骨量情况及骨骼健康状况，人类骨量随年龄增长大体可以分为6个时期[11,12]，20岁以前属于骨量增长期，儿童及青少年时期获得尽可能高的骨量储存，对提高峰值骨量具有重要作用。该阶段增加运动量或体力活动是促进骨骼发育、提高峰值骨量的一种有效措施[13-16]。20～30 岁属于骨量缓慢增长期，骨量仍在缓慢增加, 年增长率为0.5%～1%。到一定年龄时峰值骨量达到最高水平，即峰值骨量。峰值骨量增加3%～5%，骨折危险性可降低20%～30%[10]。男性腰椎、股骨颈及全身骨密度在30岁左右达到最高[17]。Recker等[19]通过跟踪156名健康女大学生证明脊椎及全身骨量在30 岁时仍可增加，可见，骨量缓慢增长期是可能提高骨量峰值的最后时机。骨密度主要与遗传、营养状况、内分泌因素、运动等相关，运动是重要的外部影响因素。承重训练及肌肉强化锻炼可改善骨强度、提高身体协调性及平衡能力，被推荐用于预防骨质疏松[18]。Bassey 等[20]发现6个月强冲击力训练后, 年轻女性股骨颈的骨密度显著高于低冲击力组。Marrissa Martyn-St James[21]在对不同形式的高冲力性训练进行荟萃分析后发现：高冲力性训练只对骨盆BMD的提升有很好的效果。一纳入43个随机对照试验的meta分析表明锻炼可预防绝经后妇女的骨量流失及骨折，非承重的高冲击性运动对提高股骨颈BMD是最有效的运动方式，而承重运动与冲击性运动相结合的混合性运动锻炼对改善腰椎BMD最为有效[22]。军人日常训练规律、承重训练及冲击性运动均有涉及，本研究结果显示军人腰椎及股骨颈骨密度都较普通青年男性高，但股骨颈骨密度差异具有统计学意义(P<0.05)，可见运动可提高缓慢增长期人群的骨密度，与上述研究结果相似。腰椎骨密度变化比股骨颈骨密度小可能是由于军人训练科目中冲击性运动比负重性运动多所致。冲力性运动时体重对下肢骨纵向机械刺激应力作用较大, 同时骨骼肌在不断收缩, 肌肉不断牵拉刺激骨, 其刺激效果增加也很明显。此外，冲力性运动时下肢骨受到较强的地面反作用力，在垂直面上，骨所承受的载荷与其他运动相比明显要大，下肢髋关节骨密度变化则明显于腰椎。骨骼会对机械负荷产生的适应性变化，Frost[23]研究表明随着压力增加骨生长也增加，而达到某一峰值后若负荷再增加，则骨生长反而减少。军人组腰椎及股骨颈骨密度均呈升高趋势，虽然腰椎骨密度增加无统计学意义，但可推断军人组训练科目的运动量在合理范围内，没有因过度训练出现骨密度下降。

骨强度取决于骨量与骨质量，骨质量则包括骨结构、骨材料性能等。双能X线骨密度检测的同时可利用髋关节生物力学分析系统(HSA)进一步评估髋关节骨几何力学特征。研究认为骨密度结合髋关节几何力学参数可提高预测髋部骨折风险的能力[24]。股骨颈几何结构主要有以下五个参数，①横截面积(cross-sectional area,cCSA)：表征抵抗轴向压缩的指标(单位为cm2)；②横截面转动惯量即截面力矩(cross-sectional moment of inertia, CSMI)：表征骨刚度的几何学指数(单位为(cm2)2)；③截面系数(section modulus, SM)：是力学上衡量管状物的抵抗弯曲载荷的指标(单位为cm3)；④皮质厚度(cortical thickness, CT)(单位为cm)：反映骨皮质厚薄；⑤曲率(bending ratio, BR)：力学上衡量管状物皱折强度，是骨骼几何结构的不稳定性的体现。CSA是反映骨骼抵抗轴向压缩的指标，CSA值越大则骨骼机械强度越高。与普通青年相比，运动训练在提高股骨颈骨密度的同时，CSA增大，说明运动增强了股骨颈抵抗轴向压缩的能力，股骨强度增高。CSMI反映骨骼的弯曲强度，CSMI值越大则骨骼抗弯曲强度越大。SM和BR是力学上衡量管状物的抗弯曲和皱折强度的指标。SM 值越大，强度越高，而BR越大，则稳定性越低，在外力作用下越易折断。即CSA(横截面积)、CSMI(横截面转动惯量)、SM(截面系数)、CT(皮质厚度)越大，BR(曲率)越小，骨质量越高。骨骼对应力的适应过程，不仅能提高骨密度，还能改善骨骼几何结构进而提高骨强度[25]。Gnudi等[26]研究发现髋部骨折患者髋部几何力学参数CSA、CSMI、SM、ACT 降低而BR增高; Lacroix等[27]发现BR是独立预测髋部骨折的风险因子，BR可作为骨密度和临床风险因素之外的另一预测髋部骨折风险的指标。但本研究中两组间CSMI、SM值无明显差异，但军人组CSA、CT与普通青年组相比得以提高，BR亦显著低于普通青年组，即军人组股骨颈骨皮质增厚的同时伴随着轴向抗压及抗弯曲能力的增强。可见，运动使军人组骨几何结构部分参数得以改善。军人与普通青年男性骨密度差异有统计学意义的原因主要在于军人通常进行较系统且适量的军事训练，增加了骨量储备。因此，坚持适当的运动锻炼能使全身骨骼肌收缩，增强肌肉对骨骼的压力、挤压力，提高机体骨密度及骨几何结构等指标。在骨量缓慢增长期加强运动锻炼可进一步加强骨量储备，提高骨骼健康状况。疲劳型应力性骨折患者骨密度显著降低[29]，对部队官兵进行骨密度检测及骨几何结构分析也是对其骨量健康状况的测评，可为军事训练项目及运动负荷的选择、训练计划的安排等提供科学指导。尤其是对训练负荷较大的入伍新兵，监测其骨密度及骨结构变化，调整训练强度、训练时间，科学避免和预防应力性骨折的发生。