絕經后骨質疏松癥是體內雌激素降低而導致的一類高骨轉換型骨質疏松癥，是以骨量減少、骨折風險性增加為特征的一種全身性骨骼疾病。近年來，低強度全身振動，即加速度小于 1 g（g = 9.81 m/s2）的全身振動，作為一種非藥理性防治骨質疏松癥的方式，因其副作用小、操作簡單且相對安全而受到廣泛關注。研究表明，低強度全身振動可以改善骨強度，增加骨體積和骨密度。但大量的研究結果發現，針對動物模型或人類患者，由于年齡和激素水平不同，低強度全身振動的治療效果也不盡相同。迄今尚未有明確的低強度全身振動治療方案適用于不同的治療對象。整體和細胞水平的研究亦表明，低強度全身振動刺激很可能與改變機體激素水平和干細胞的定向分化有關。本文分析了近年來相關文獻，從振動參數、振動效果以及作用機制三方面進行綜述，以期為低強度全身振動用于絕經后骨質疏松癥的治療提供科學依據和臨床指導。
引用本文： 李匯明, 李良. 低強度全身振動與絕經后骨質疏松癥. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(2): 301-306. doi: 10.7507/1001-5515.201801071 復制
引言
骨質疏松癥（osteoporosis，OP）是一種最常見的與年齡相關的全身性骨骼系統疾病，以骨量減少、骨微結構退化致使骨脆性增加以及易于發生骨折為主要特征[1]，其所導致的骨折已成為世界公共衛生難題。絕經后骨質疏松癥（postmenopausal osteoporosis），又稱Ⅰ型骨質疏松癥，多發生于絕經后婦女，主要與卵巢的分泌功能退化引起的雌激素水平下降有關。雌激素缺乏會加劇骨的鈣質流失，機體骨轉換率顯著增加，骨形成與骨吸收之間的平衡被打破，骨吸收的速度超過骨形成，引起骨量流失、骨密度下降、骨微結構退化繼而導致骨質疏松。主要臨床表現有骨痛，骨骼變形，骨折，以及循環、呼吸、消化等系統的各種并發癥，嚴重影響患者的身體健康和生活質量，帶來的經濟和社會負擔也日益加重，是不容忽視的重要保健課題。
絕經后骨質疏松癥的治療是一個長期的過程，目前控制這種疾病仍然非常困難，防治方案主要有藥物治療、食療和運動療法。藥物干預是被廣泛認可的一種治療方式，但長期用藥費用昂貴且對機體存在一定的副作用，如易引發非典型的股骨骨折、下頜骨壞死和乳腺癌等。食療見效緩慢。另外，不是所有老年人都愿意或者能夠承受高強度運動訓練或承重運動。因此，積極探索新的治療方案，對增強療效、提高患者生活質量具有重要意義。
全身振動（whole-body vibration，WBV）是振動療法中應用最廣泛的一種方式，受試者多取直立位站立于機械平臺上，由與平臺相連的馬達產生強制性正弦波形振動刺激，通過下肢傳輸至全身，使機體整體振動，起到類似于身體運動的作用，以達到防治疾病的目的。全身振動被認為是一種有效的替代鍛煉方式，它可以增強骨骼肌肌力，增加骨量，改善心血管功能[2]，增加血清中生長激素和睪酮水平，阻止少肌癥和骨質疏松癥的發生[3]，可有效降低老年人摔倒和骨折的概率[4]。
低強度全身振動（low magnitude whole-body vibration）是指加速度小于 1 g（g = 9.81 m/s2）的全身振動，因其具有高依從性、高滿意度、副反應小等特點，尤其適合于骨質疏松人群中高齡、運動功能受損、長期臥床或活動受限以及肥胖的患者[5]，從而在治療絕經后骨質疏松癥及預防老年性骨丟失方面，具有重要的臨床應用價值和廣闊的發展前景，現已被作為預防和治療骨質疏松癥的備選干預措施之一。
本文在回顧相關文獻的基礎上，從全身振動的參數、作用效果以及作用機制等方面，介紹全身振動療法的應用和研究現狀，提出低強度全身振動用于治療絕經后骨質疏松癥的有效性和可行性，為絕經后骨質疏松癥的臨床治療提供非藥物性的備選方案，以期有更多的人群能夠從中獲益。
1 全身振動的參數
隨著振動療法越來越受到關注，科學的振動方案尤為重要。振幅、頻率、受試者的姿勢等均可能影響振動效果[6-7]，但關于適當、有效的振動頻率、振動強度和持續時間等目前尚無定論，振動信號的類型也少有報道。
1.1 振動方向
振動刺激可以通過多種方式產生，如垂直方向上的振動，圍繞中心軸的左右交替振動，或者是水平、垂直和其他平面的組合振動（或稱三維振動）。不同振動方式對機體的刺激效應存在一定差異。
Weber-Rajek 等[3]的研究認為，垂直方向的振動比水平方向的振動在刺激骨形成方面具有更強的效應。Rubin 等[8]的研究發現，當受試者直立站立于振動平臺上接受垂直振動刺激時，有約 85% 的刺激可以從腳傳遞至股骨和脊椎。Lam 等[7]也發現，直立或單腳站立于振動平臺上時，振動信號的傳遞性最強。
鑒于此，現行的振動療法多采用垂直振動，且提倡受試者采用直立站立式接受振動刺激。
1.2 振動頻率
振動頻率是指每秒鐘振動的次數，用赫茲（Hz）表示。盡管很多研究已證明了全身振動的有效性，但仍無法完全確定最有效的振動頻率范圍。
Oxlund 等[9]比較了不同頻率的振動對大鼠骨形成的影響，證明了 45 Hz 的頻率能最有效地刺激成骨細胞分化和抑制骨吸收。陳履平等[10]將橈骨骨折的兔子分組給予頻率為 12.5、25、50、100、200 Hz 的振動刺激，結果表明，各振動組的骨折愈合能力均高于對照組，組間沒有顯著差異，但接受 25 Hz 振動刺激的實驗組骨強度最高。
正常人體的共振頻率為 7.5 Hz 左右，各器官略有差異。當外界頻率與人體器官產生共振時，會對機體造成損傷。此外，即使可能實現，也很難將機械刺激以非常高的頻率應用于人體。據報道，機體膠原的應答頻率為 4 Hz，肌肉的應答頻率為 30～50 Hz，而刺激骨骼生長的最佳頻率是 30 Hz。
所以，推薦全身振動治療使用的安全頻率為 20～90 Hz 的高頻振動。
1.3 振動強度
振動的強度通常用 g 來表示。加速度大小可以通過每秒鐘平臺振動的頻率或平臺振動的幅度進行調控。振幅即振動波峰的高度，用毫米（mm）表示。振幅增加可以顯著增大加速度。加速度小于 1 g 的振動刺激是低強度刺激，大于 1 g 的振動刺激為高強度刺激。
國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）已將高強度振動（無論頻率大小）確定為有危害性因素[11]。因此，振動療法通常選用加速度小于 1 g 的低強度振動刺激。
1.4 振動持續時間
全身振動的持續時間是指受試者在一個治療周期內接受振動刺激的時間長短，包括每天的振動次數和振動時間以及振動持續的天數。
一系列的實驗證實，振動 4 周（15 min/天）可以增加骨質疏松患者橈骨遠端的骨密度[12]；振動 8 周（15 min/天）可以促進去卵巢大鼠骨組織中成骨相關蛋白的表達[13]；振動 18 個月，可以有效預防絕經后婦女的摔倒，增加肌肉強度和平衡能力[14]。但 Xie 等[15]試驗后認為，16 周的全身振動會加劇骨質疏松大鼠的骨小梁退化，尤其是松質骨含量較高的股骨頸部位。
由此可見，振動時間也是影響振動治療效果的重要因素，需要根據不同的治療目的和對象，選擇不同的振動持續時間。
除了振動方向、頻率、強度以及持續時間等需要考慮之外，全身振動的類型通常采用正弦波形振動。
此外，全身振動刺激最大的風險是引發二次生理性損傷。因此，振動方案應該針對具體治療對象進行設計，以保證其安全性和有效性。
2 全身振動的作用效果
大量研究證明，低強度全身振動對于肌肉-骨骼系統是一種有效的作用方式，可以刺激肌肉和骨組織代謝，改善骨結構和生物力學性能，從而提高骨強度和骨質量。
2.1 全身振動對骨骼的作用
2.1.1 全身振動動物實驗
關于振動對骨形成影響的研究首先是在動物模型上進行的。大量的動物實驗表明，振動對骨骼有良好的刺激效應。
例如，Bilgin 等[16]用 0.35 g、50 Hz 的低強度高頻率振動施加給脛骨骨折的大鼠模型，15 min/天，7 天/周，3 周的治療后，發現實驗鼠有較多的愈合組織形成，血清骨鈣素水平升高，且有較高的成骨效應，從而認為低強度振動能夠促進骨形成，在促進骨折愈合方面有很大的潛力。Butezloff 等[17]發現，用 1 mm、60 Hz、20 min/天、3 次/周的振動方法治療 14 天或 28 天，可以改善去卵巢大鼠股骨干骨折后愈合組織的骨質和骨量。Qing 等[18]檢測到去卵巢大鼠在接受了 0.3 g、30 Hz、20 min/天的振動刺激 8 周后，由去卵巢誘發的骨小梁退化得到緩解，脛骨骨密度顯著增加。而 Brouwers 等[19]用 0.3 g、90 Hz 的低強度全身振動同樣作用于去卵巢大鼠，每天兩次各 20 min，5 天/周，持續作用 6 周后，卻未能觀察到脛骨骨微結構和骨強度的變化，實驗大鼠的骨結構依然發生了退化。Chen 等[20]將接受二磷酸鹽治療的去卵巢大鼠同時給予 0.3 g、45～55 Hz、20 min/天的振動刺激 3 個月，發現振動可以增強二磷酸鹽的治療效果，但 Hatori 等[21]卻未檢測到相同的效應。
綜合以上動物實驗研究結果可知，低強度全身振動刺激對于骨質疏松動物的骨骼具有顯著的刺激作用，但也有少數研究由于振動方案或者其他原因，導致未能觀察到陽性結果。
2.1.2 全身振動人體試驗
在過去的十幾年里，在對絕經后骨質疏松癥治療的過程中，全身振動作為一種新型療法引起了廣大學者的興趣，并進行了大量的臨床試驗。研究評估了振動療法對人體的作用效果，比如對增加骨密度的作用、鎮痛作用，以及對機體平衡能力的影響等，發現人體試驗的結果與動物實驗不完全相同。
Rubin 等[22]使用頻率為 30 Hz、加速度為 2 m/s2的振動刺激對 70 名絕經后女性進行試驗，受試者每天接受兩次刺激，每次 10 min，12 個月后，脊椎和股骨頸的骨丟失分別降低了 1.5% 和 2.17%，體重低于 65 kg 的受試者受益最明顯，其脊椎骨密度增加了 3.35%。Verschueren 等[23]對 21 名絕經后的婦女（58～74 歲）進行了 6 個月的振動治療，振動頻率 35～40 Hz，振幅 1.7～2.5 mm，每天不超過 30 min，發現髖骨骨密度增加了 0.93%。Tan 等[12]檢測了 114 名接受了 4 周 35 Hz、0.25 g、15 min/天的振動刺激的患者，發現橈骨遠端骨密度增加了 1.79%。Beck 等[24]對絕經后女性施加 30 Hz、0.3 g、15 min/次、2 次/周、為期 8 個月的全身振動刺激，發現降低了髖部和脊椎的骨丟失，改善了下肢肌肉功能，降低了摔倒和骨折風險。
以上研究表明，振動治療對于人類骨骼的陽性效應主要反映在髖部和脊椎。要確定有效振動方案尚需更多的試驗數據來支持。
2.2 全身振動對肌肉的作用
Beck 等[25]總結了近年來相關研究后提出，肌無力不僅增加了摔倒的風險，也極度降低了對骨的負荷，易導致廢用性骨質缺乏；相反地，肌肉力量增加可以改善骨的性能。因此，增強神經肌肉的性能也可以預防骨折。
振動負荷可增強快肌纖維和慢肌纖維，增加蹲坐時下肢肌肉的活動性。很多研究表明，長期接受全身振動訓練可以改善下肢肌肉的性能，但一般只對那些不能進行高強度運動的人群比如老年人有效。Verschueren 等[23]觀察到絕經后女性接受振動刺激后的肌肉強度和性能與單純鍛煉的情況相似。也有一些證據表明，雖然全身振動誘導的肌肉力量增益不如抗阻訓練明顯，但振動增強了肌肉功能[26]。
Stolzenberg 等[27]的研究表明，短期的全身振動訓練可以顯著改善低骨密度的絕經后女性其神經肌肉功能。Klarner 等[28]研究了全身振動對 60～75 歲絕經后女性神經肌肉性能及身體組成的作用效果，發現受試者在接受 35 Hz、1.7 mm、15 min/天、3 天/周的振動訓練一年后，肌肉強度和肌力均增加，最大腿力及最大軀干彎曲力分別增加了 24.4% 和 12.2%，大關節疼痛度顯著降低。這種有益的效果對于提高骨質疏松患者的生活質量是非常重要的。
雖然這些文獻中沒有充足的證據來確定最適于增加肌肉強度的振動參數，但據報道，每周兩到三次的振動刺激會比只接受一次刺激更有效。這可能需要一個個性化的振動方案來產生最優的神經肌肉效應。
2.3 全身振動對平衡能力和防摔倒的作用
全身振動刺激不僅影響骨密度，還可以通過改善機體的平衡能力來降低骨折和摔倒的風險，因此可用作防摔倒的介入治療方法。
von Stengel 等[29]發現 65～76 歲的絕經后女性受試者在接受 25～35 Hz、1.7 mm、2 次/周的振動刺激 18 個月后，摔倒的次數顯著減少。Yang 等[30]用 20 Hz、3 mm 的振動刺激作用于老年人，采用振動 1 min 休息 1 min 交替重復 5 次的方案，每周 3 天，8 周后檢測了受試者的身體平衡性、靈活性、肌肉強度和肌力、下肢關節活動范圍以及對摔倒的恐懼性，發現所有的摔倒風險因素均得到改善，踝關節活動范圍顯著增加。Leung 等[14]進行了大量的試驗，觀察了 35 Hz、0.3 g、20 min/天、5 天/周的振動刺激持續 18 個月對老年人的影響，數據表明，受試者的反應時間、肌肉強度和運動速度均有改善，從而顯著降低了摔倒概率和骨折風險。
由此可見，低強度全身振動刺激有利于改善絕經后女性和老年人的平衡能力、運動能力和肌肉功能，預防摔倒和發生骨折，對于機體的健康是非常有益的。
3 全身振動的作用機制
在臨床上，全身振動可以直接作用于神經、骨骼、肌肉和關節，改善局部循環狀態和平衡功能，增強肌肉耐力，增加骨密度。骨骼生物力學效應的本質是骨骼系統對機械信號的應變過程，適當的機械負荷引起的骨應變可以誘導骨量增加和改善骨結構。
3.1 與骨細胞代謝相關的機制
近年來，低幅高頻的全身振動已被基礎實驗和臨床研究證實可以顯著降低骨質缺乏。然而，當骨組織接受振動刺激時，骨細胞活性改變的可能機制仍然不清楚。
機械振動作為一種力學刺激信號，以較高的頻率作用于骨骼時，可通過拉伸應力和壓縮應力的形式，轉變為骨形成或骨吸收的生物信號并將其傳遞給效應細胞，從而刺激骨祖細胞-成骨細胞活性，抑制骨溶解過程，促進骨密度的增加。Edwards 等[31]提出，全身振動可以修復和重建骨骼肌系統主要是通過骨髓間充質干細胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs）發揮作用。
Luu 等[32]用低強度力學刺激（0.2 g、90 Hz、15 min/天、5 天/周）作用于小鼠 6 周后，發現 BMSCs 的數量增加了 46%，且力學刺激促進了 BMSCs 的成骨分化能力，抑制了其成脂分化能力。Gao 等[33]系統地研究了 0.5 g、45 Hz 的體外振動刺激對原代成骨細胞的影響和潛在的分子信號機制。結果表明，振動促進了成骨細胞增殖和細胞外基質礦化，改善了原代成骨細胞中細胞骨架的排列；顯著增加了堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）、骨形態發生蛋白 2（bone morphogenetic protein 2，BMP2）和骨保護素（osteoprotegerin，OPG）的基因表達，抑制了骨硬化蛋白（sclerostin）的基因表達；上調了與骨形成相關的骨鈣素（osteocalcin，OCN）和 Runt 相關轉錄因子 2（Runt-related transcription factor 2，Runx2）的基因和蛋白表達；促進了經典 Wnt 信號通路相關的 Wnt3a、低密度脂蛋白受體相關蛋白 6（low density lipoprotein receptor-related protein 6，LRP6）和 β-連環蛋白（β-catenin）的基因和蛋白表達。這些研究表明，機械振動刺激了成骨細胞活性，并可能通過經典 Wnt 信號通路相關的機制來發揮作用。這些發現可以幫助理解成骨細胞對機械振動的響應機制，促進了振動療法在臨床治療骨質疏松癥上的科學應用。Chen 等[34]的研究也發現，0.3 g、40 Hz、30 min/天的低強度高頻率振動能促進 BMSCs 的黏附和成骨分化，并可以通過激活 Wnt/β-catenin 信號通路誘導骨形成。
Uzer 等[35]認為，BMSCs 對振動的響應是由細胞核和細胞骨架之間的機械偶聯決定的，振動能引起細胞核較大的相對位移，誘導肌動蛋白在核周區域發生重建。也有報道說，骨細胞通過產生或下調可溶性因子環氧合酶 2（cyclooxygenase-2，COX-2）、核因子 κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）和前列腺素 E2（prostaglandin E2，PGE2）來對振動產生應答，從而抑制破骨細胞形成，降低骨吸收。Pichler 等[36]研究了全身振動對骨質疏松大鼠骨細胞代謝的影響，結果表明，振動刺激導致細胞中 RANKL 的表達量下降而 OPG 表達量增加，減少了破骨細胞的產生和活化，這提示振動刺激可能促進成骨細胞活性，刺激新骨形成，抑制破骨細胞活性。
3.2 與骨骼肌肉系統相關的機制
全身振動刺激能顯著改變骨中血流，引起骨血流灌注增加，繼而引起骨生長增加和抑制骨量丟失。
骨密度在一定程度上與骨的血流灌注量相關；全身振動產生的機械應力作用于骨骼，骨骼肌的頻繁收縮不僅大量增加肌肉的血液供應，也可促進骨內血液循環；骨骼血流量的增加，一方面可以將鈣和其他營養物質運送至骨細胞，并帶走代謝產物，加速營養供應和代謝過程，另一方面又可使骨組織內環境保持中性，刺激骨祖細胞和成骨細胞活性，增強成骨細胞對鈣和其他礦物質的吸收和利用，促使鈣質成分在骨小梁外層沉積和骨質形成，同時抑制破骨細胞活性，減緩骨溶解和骨丟失過程[37]。
關于肌肉是否參與了力學刺激誘導的骨形成過程，Judex 等[38]認為，盡管肌肉對外部高頻力學刺激敏感，并很可能被適當的振動刺激激活，但目前還沒有證據表明肌肉參與調節了骨骼對低水平振動的代謝反應過程，也就是說，骨骼對振動的反應可能并不依賴于肌肉反應。但肌肉和外部力學信號之間通過機械或生化因素產生附加和協同效應是完全可能的。而 Calendo 等[39]認為，振動可以增加絕經后女性的肌肉活性，繼而改善腰椎和髖骨的骨密度。
3.3 與激素水平相關的機制
Paineiras-Domingos 等[2]系統分析了多篇相關文獻，認為全身振動可以有效增加機體的生長激素水平。
Cardinale 等[40]分析了全身振動對老年人激素代謝水平的影響，發現在 30 Hz 的振動刺激下，老年人靜止蹲坐 5 min 沒有明顯的壓力和疲勞感，且循環水平的胰島素樣生長因子 1（insulin-like growth factors-1，IGF-1）和皮質醇（cortisol）急劇增加。他之前還報道過全身振動可以增加血清中生長激素和睪酮的水平，預防少肌癥和骨質疏松癥。
4 總結與展望
綜上所述，作為一種新型治療骨質疏松癥的方式，低強度全身振動能有效增加骨密度，促進骨形成，延緩骨吸收和骨丟失過程，增強肌肉力量和運動功能，改善平衡功能和協調性，降低摔倒和骨折風險，在絕經后骨質疏松癥的防治中越來越受到關注。
但在現有的研究中，尚缺乏明確統一的全身振動方案。不同振動參數、不同作用時間，以及作用對象不同，均有可能產生不同的作用效果。這也呼吁研究者們進行更多的科學探索，依據不同作用對象，制訂出安全、有效的振動模式與方法，對于提高絕經后女性的生存質量、防止骨質疏松癥的發生有重要意義。
此外，關于低強度全身振動對機體所產生的力學刺激如何調控骨組織修復重建也知之甚少，需要進行更多的臨床研究以進一步闡述和完善低強度全身振動在預防和治療骨質疏松癥方面的作用和機制。
引言
骨質疏松癥（osteoporosis，OP）是一種最常見的與年齡相關的全身性骨骼系統疾病，以骨量減少、骨微結構退化致使骨脆性增加以及易于發生骨折為主要特征[1]，其所導致的骨折已成為世界公共衛生難題。絕經后骨質疏松癥（postmenopausal osteoporosis），又稱Ⅰ型骨質疏松癥，多發生于絕經后婦女，主要與卵巢的分泌功能退化引起的雌激素水平下降有關。雌激素缺乏會加劇骨的鈣質流失，機體骨轉換率顯著增加，骨形成與骨吸收之間的平衡被打破，骨吸收的速度超過骨形成，引起骨量流失、骨密度下降、骨微結構退化繼而導致骨質疏松。主要臨床表現有骨痛，骨骼變形，骨折，以及循環、呼吸、消化等系統的各種并發癥，嚴重影響患者的身體健康和生活質量，帶來的經濟和社會負擔也日益加重，是不容忽視的重要保健課題。
絕經后骨質疏松癥的治療是一個長期的過程，目前控制這種疾病仍然非常困難，防治方案主要有藥物治療、食療和運動療法。藥物干預是被廣泛認可的一種治療方式，但長期用藥費用昂貴且對機體存在一定的副作用，如易引發非典型的股骨骨折、下頜骨壞死和乳腺癌等。食療見效緩慢。另外，不是所有老年人都愿意或者能夠承受高強度運動訓練或承重運動。因此，積極探索新的治療方案，對增強療效、提高患者生活質量具有重要意義。
全身振動（whole-body vibration，WBV）是振動療法中應用最廣泛的一種方式，受試者多取直立位站立于機械平臺上，由與平臺相連的馬達產生強制性正弦波形振動刺激，通過下肢傳輸至全身，使機體整體振動，起到類似于身體運動的作用，以達到防治疾病的目的。全身振動被認為是一種有效的替代鍛煉方式，它可以增強骨骼肌肌力，增加骨量，改善心血管功能[2]，增加血清中生長激素和睪酮水平，阻止少肌癥和骨質疏松癥的發生[3]，可有效降低老年人摔倒和骨折的概率[4]。
低強度全身振動（low magnitude whole-body vibration）是指加速度小于 1 g（g = 9.81 m/s2）的全身振動，因其具有高依從性、高滿意度、副反應小等特點，尤其適合于骨質疏松人群中高齡、運動功能受損、長期臥床或活動受限以及肥胖的患者[5]，從而在治療絕經后骨質疏松癥及預防老年性骨丟失方面，具有重要的臨床應用價值和廣闊的發展前景，現已被作為預防和治療骨質疏松癥的備選干預措施之一。
本文在回顧相關文獻的基礎上，從全身振動的參數、作用效果以及作用機制等方面，介紹全身振動療法的應用和研究現狀，提出低強度全身振動用于治療絕經后骨質疏松癥的有效性和可行性，為絕經后骨質疏松癥的臨床治療提供非藥物性的備選方案，以期有更多的人群能夠從中獲益。
1 全身振動的參數
隨著振動療法越來越受到關注，科學的振動方案尤為重要。振幅、頻率、受試者的姿勢等均可能影響振動效果[6-7]，但關于適當、有效的振動頻率、振動強度和持續時間等目前尚無定論，振動信號的類型也少有報道。
1.1 振動方向
振動刺激可以通過多種方式產生，如垂直方向上的振動，圍繞中心軸的左右交替振動，或者是水平、垂直和其他平面的組合振動（或稱三維振動）。不同振動方式對機體的刺激效應存在一定差異。
Weber-Rajek 等[3]的研究認為，垂直方向的振動比水平方向的振動在刺激骨形成方面具有更強的效應。Rubin 等[8]的研究發現，當受試者直立站立于振動平臺上接受垂直振動刺激時，有約 85% 的刺激可以從腳傳遞至股骨和脊椎。Lam 等[7]也發現，直立或單腳站立于振動平臺上時，振動信號的傳遞性最強。
鑒于此，現行的振動療法多采用垂直振動，且提倡受試者采用直立站立式接受振動刺激。
1.2 振動頻率
振動頻率是指每秒鐘振動的次數，用赫茲（Hz）表示。盡管很多研究已證明了全身振動的有效性，但仍無法完全確定最有效的振動頻率范圍。
Oxlund 等[9]比較了不同頻率的振動對大鼠骨形成的影響，證明了 45 Hz 的頻率能最有效地刺激成骨細胞分化和抑制骨吸收。陳履平等[10]將橈骨骨折的兔子分組給予頻率為 12.5、25、50、100、200 Hz 的振動刺激，結果表明，各振動組的骨折愈合能力均高于對照組，組間沒有顯著差異，但接受 25 Hz 振動刺激的實驗組骨強度最高。
正常人體的共振頻率為 7.5 Hz 左右，各器官略有差異。當外界頻率與人體器官產生共振時，會對機體造成損傷。此外，即使可能實現，也很難將機械刺激以非常高的頻率應用于人體。據報道，機體膠原的應答頻率為 4 Hz，肌肉的應答頻率為 30～50 Hz，而刺激骨骼生長的最佳頻率是 30 Hz。
所以，推薦全身振動治療使用的安全頻率為 20～90 Hz 的高頻振動。
1.3 振動強度
振動的強度通常用 g 來表示。加速度大小可以通過每秒鐘平臺振動的頻率或平臺振動的幅度進行調控。振幅即振動波峰的高度，用毫米（mm）表示。振幅增加可以顯著增大加速度。加速度小于 1 g 的振動刺激是低強度刺激，大于 1 g 的振動刺激為高強度刺激。
國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）已將高強度振動（無論頻率大小）確定為有危害性因素[11]。因此，振動療法通常選用加速度小于 1 g 的低強度振動刺激。
1.4 振動持續時間
全身振動的持續時間是指受試者在一個治療周期內接受振動刺激的時間長短，包括每天的振動次數和振動時間以及振動持續的天數。
一系列的實驗證實，振動 4 周（15 min/天）可以增加骨質疏松患者橈骨遠端的骨密度[12]；振動 8 周（15 min/天）可以促進去卵巢大鼠骨組織中成骨相關蛋白的表達[13]；振動 18 個月，可以有效預防絕經后婦女的摔倒，增加肌肉強度和平衡能力[14]。但 Xie 等[15]試驗后認為，16 周的全身振動會加劇骨質疏松大鼠的骨小梁退化，尤其是松質骨含量較高的股骨頸部位。
由此可見，振動時間也是影響振動治療效果的重要因素，需要根據不同的治療目的和對象，選擇不同的振動持續時間。
除了振動方向、頻率、強度以及持續時間等需要考慮之外，全身振動的類型通常采用正弦波形振動。
此外，全身振動刺激最大的風險是引發二次生理性損傷。因此，振動方案應該針對具體治療對象進行設計，以保證其安全性和有效性。
2 全身振動的作用效果
大量研究證明，低強度全身振動對于肌肉-骨骼系統是一種有效的作用方式，可以刺激肌肉和骨組織代謝，改善骨結構和生物力學性能，從而提高骨強度和骨質量。
2.1 全身振動對骨骼的作用
2.1.1 全身振動動物實驗
關于振動對骨形成影響的研究首先是在動物模型上進行的。大量的動物實驗表明，振動對骨骼有良好的刺激效應。
例如，Bilgin 等[16]用 0.35 g、50 Hz 的低強度高頻率振動施加給脛骨骨折的大鼠模型，15 min/天，7 天/周，3 周的治療后，發現實驗鼠有較多的愈合組織形成，血清骨鈣素水平升高，且有較高的成骨效應，從而認為低強度振動能夠促進骨形成，在促進骨折愈合方面有很大的潛力。Butezloff 等[17]發現，用 1 mm、60 Hz、20 min/天、3 次/周的振動方法治療 14 天或 28 天，可以改善去卵巢大鼠股骨干骨折后愈合組織的骨質和骨量。Qing 等[18]檢測到去卵巢大鼠在接受了 0.3 g、30 Hz、20 min/天的振動刺激 8 周后，由去卵巢誘發的骨小梁退化得到緩解，脛骨骨密度顯著增加。而 Brouwers 等[19]用 0.3 g、90 Hz 的低強度全身振動同樣作用于去卵巢大鼠，每天兩次各 20 min，5 天/周，持續作用 6 周后，卻未能觀察到脛骨骨微結構和骨強度的變化，實驗大鼠的骨結構依然發生了退化。Chen 等[20]將接受二磷酸鹽治療的去卵巢大鼠同時給予 0.3 g、45～55 Hz、20 min/天的振動刺激 3 個月，發現振動可以增強二磷酸鹽的治療效果，但 Hatori 等[21]卻未檢測到相同的效應。
綜合以上動物實驗研究結果可知，低強度全身振動刺激對于骨質疏松動物的骨骼具有顯著的刺激作用，但也有少數研究由于振動方案或者其他原因，導致未能觀察到陽性結果。
2.1.2 全身振動人體試驗
在過去的十幾年里，在對絕經后骨質疏松癥治療的過程中，全身振動作為一種新型療法引起了廣大學者的興趣，并進行了大量的臨床試驗。研究評估了振動療法對人體的作用效果，比如對增加骨密度的作用、鎮痛作用，以及對機體平衡能力的影響等，發現人體試驗的結果與動物實驗不完全相同。
Rubin 等[22]使用頻率為 30 Hz、加速度為 2 m/s2的振動刺激對 70 名絕經后女性進行試驗，受試者每天接受兩次刺激，每次 10 min，12 個月后，脊椎和股骨頸的骨丟失分別降低了 1.5% 和 2.17%，體重低于 65 kg 的受試者受益最明顯，其脊椎骨密度增加了 3.35%。Verschueren 等[23]對 21 名絕經后的婦女（58～74 歲）進行了 6 個月的振動治療，振動頻率 35～40 Hz，振幅 1.7～2.5 mm，每天不超過 30 min，發現髖骨骨密度增加了 0.93%。Tan 等[12]檢測了 114 名接受了 4 周 35 Hz、0.25 g、15 min/天的振動刺激的患者，發現橈骨遠端骨密度增加了 1.79%。Beck 等[24]對絕經后女性施加 30 Hz、0.3 g、15 min/次、2 次/周、為期 8 個月的全身振動刺激，發現降低了髖部和脊椎的骨丟失，改善了下肢肌肉功能，降低了摔倒和骨折風險。
以上研究表明，振動治療對于人類骨骼的陽性效應主要反映在髖部和脊椎。要確定有效振動方案尚需更多的試驗數據來支持。
2.2 全身振動對肌肉的作用
Beck 等[25]總結了近年來相關研究后提出，肌無力不僅增加了摔倒的風險，也極度降低了對骨的負荷，易導致廢用性骨質缺乏；相反地，肌肉力量增加可以改善骨的性能。因此，增強神經肌肉的性能也可以預防骨折。
振動負荷可增強快肌纖維和慢肌纖維，增加蹲坐時下肢肌肉的活動性。很多研究表明，長期接受全身振動訓練可以改善下肢肌肉的性能，但一般只對那些不能進行高強度運動的人群比如老年人有效。Verschueren 等[23]觀察到絕經后女性接受振動刺激后的肌肉強度和性能與單純鍛煉的情況相似。也有一些證據表明，雖然全身振動誘導的肌肉力量增益不如抗阻訓練明顯，但振動增強了肌肉功能[26]。
Stolzenberg 等[27]的研究表明，短期的全身振動訓練可以顯著改善低骨密度的絕經后女性其神經肌肉功能。Klarner 等[28]研究了全身振動對 60～75 歲絕經后女性神經肌肉性能及身體組成的作用效果，發現受試者在接受 35 Hz、1.7 mm、15 min/天、3 天/周的振動訓練一年后，肌肉強度和肌力均增加，最大腿力及最大軀干彎曲力分別增加了 24.4% 和 12.2%，大關節疼痛度顯著降低。這種有益的效果對于提高骨質疏松患者的生活質量是非常重要的。
雖然這些文獻中沒有充足的證據來確定最適于增加肌肉強度的振動參數，但據報道，每周兩到三次的振動刺激會比只接受一次刺激更有效。這可能需要一個個性化的振動方案來產生最優的神經肌肉效應。
2.3 全身振動對平衡能力和防摔倒的作用
全身振動刺激不僅影響骨密度，還可以通過改善機體的平衡能力來降低骨折和摔倒的風險，因此可用作防摔倒的介入治療方法。
von Stengel 等[29]發現 65～76 歲的絕經后女性受試者在接受 25～35 Hz、1.7 mm、2 次/周的振動刺激 18 個月后，摔倒的次數顯著減少。Yang 等[30]用 20 Hz、3 mm 的振動刺激作用于老年人，采用振動 1 min 休息 1 min 交替重復 5 次的方案，每周 3 天，8 周后檢測了受試者的身體平衡性、靈活性、肌肉強度和肌力、下肢關節活動范圍以及對摔倒的恐懼性，發現所有的摔倒風險因素均得到改善，踝關節活動范圍顯著增加。Leung 等[14]進行了大量的試驗，觀察了 35 Hz、0.3 g、20 min/天、5 天/周的振動刺激持續 18 個月對老年人的影響，數據表明，受試者的反應時間、肌肉強度和運動速度均有改善，從而顯著降低了摔倒概率和骨折風險。
由此可見，低強度全身振動刺激有利于改善絕經后女性和老年人的平衡能力、運動能力和肌肉功能，預防摔倒和發生骨折，對于機體的健康是非常有益的。
3 全身振動的作用機制
在臨床上，全身振動可以直接作用于神經、骨骼、肌肉和關節，改善局部循環狀態和平衡功能，增強肌肉耐力，增加骨密度。骨骼生物力學效應的本質是骨骼系統對機械信號的應變過程，適當的機械負荷引起的骨應變可以誘導骨量增加和改善骨結構。
3.1 與骨細胞代謝相關的機制
近年來，低幅高頻的全身振動已被基礎實驗和臨床研究證實可以顯著降低骨質缺乏。然而，當骨組織接受振動刺激時，骨細胞活性改變的可能機制仍然不清楚。
機械振動作為一種力學刺激信號，以較高的頻率作用于骨骼時，可通過拉伸應力和壓縮應力的形式，轉變為骨形成或骨吸收的生物信號并將其傳遞給效應細胞，從而刺激骨祖細胞-成骨細胞活性，抑制骨溶解過程，促進骨密度的增加。Edwards 等[31]提出，全身振動可以修復和重建骨骼肌系統主要是通過骨髓間充質干細胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs）發揮作用。
Luu 等[32]用低強度力學刺激（0.2 g、90 Hz、15 min/天、5 天/周）作用于小鼠 6 周后，發現 BMSCs 的數量增加了 46%，且力學刺激促進了 BMSCs 的成骨分化能力，抑制了其成脂分化能力。Gao 等[33]系統地研究了 0.5 g、45 Hz 的體外振動刺激對原代成骨細胞的影響和潛在的分子信號機制。結果表明，振動促進了成骨細胞增殖和細胞外基質礦化，改善了原代成骨細胞中細胞骨架的排列；顯著增加了堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）、骨形態發生蛋白 2（bone morphogenetic protein 2，BMP2）和骨保護素（osteoprotegerin，OPG）的基因表達，抑制了骨硬化蛋白（sclerostin）的基因表達；上調了與骨形成相關的骨鈣素（osteocalcin，OCN）和 Runt 相關轉錄因子 2（Runt-related transcription factor 2，Runx2）的基因和蛋白表達；促進了經典 Wnt 信號通路相關的 Wnt3a、低密度脂蛋白受體相關蛋白 6（low density lipoprotein receptor-related protein 6，LRP6）和 β-連環蛋白（β-catenin）的基因和蛋白表達。這些研究表明，機械振動刺激了成骨細胞活性，并可能通過經典 Wnt 信號通路相關的機制來發揮作用。這些發現可以幫助理解成骨細胞對機械振動的響應機制，促進了振動療法在臨床治療骨質疏松癥上的科學應用。Chen 等[34]的研究也發現，0.3 g、40 Hz、30 min/天的低強度高頻率振動能促進 BMSCs 的黏附和成骨分化，并可以通過激活 Wnt/β-catenin 信號通路誘導骨形成。
Uzer 等[35]認為，BMSCs 對振動的響應是由細胞核和細胞骨架之間的機械偶聯決定的，振動能引起細胞核較大的相對位移，誘導肌動蛋白在核周區域發生重建。也有報道說，骨細胞通過產生或下調可溶性因子環氧合酶 2（cyclooxygenase-2，COX-2）、核因子 κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）和前列腺素 E2（prostaglandin E2，PGE2）來對振動產生應答，從而抑制破骨細胞形成，降低骨吸收。Pichler 等[36]研究了全身振動對骨質疏松大鼠骨細胞代謝的影響，結果表明，振動刺激導致細胞中 RANKL 的表達量下降而 OPG 表達量增加，減少了破骨細胞的產生和活化，這提示振動刺激可能促進成骨細胞活性，刺激新骨形成，抑制破骨細胞活性。
3.2 與骨骼肌肉系統相關的機制
全身振動刺激能顯著改變骨中血流，引起骨血流灌注增加，繼而引起骨生長增加和抑制骨量丟失。
骨密度在一定程度上與骨的血流灌注量相關；全身振動產生的機械應力作用于骨骼，骨骼肌的頻繁收縮不僅大量增加肌肉的血液供應，也可促進骨內血液循環；骨骼血流量的增加，一方面可以將鈣和其他營養物質運送至骨細胞，并帶走代謝產物，加速營養供應和代謝過程，另一方面又可使骨組織內環境保持中性，刺激骨祖細胞和成骨細胞活性，增強成骨細胞對鈣和其他礦物質的吸收和利用，促使鈣質成分在骨小梁外層沉積和骨質形成，同時抑制破骨細胞活性，減緩骨溶解和骨丟失過程[37]。
關于肌肉是否參與了力學刺激誘導的骨形成過程，Judex 等[38]認為，盡管肌肉對外部高頻力學刺激敏感，并很可能被適當的振動刺激激活，但目前還沒有證據表明肌肉參與調節了骨骼對低水平振動的代謝反應過程，也就是說，骨骼對振動的反應可能并不依賴于肌肉反應。但肌肉和外部力學信號之間通過機械或生化因素產生附加和協同效應是完全可能的。而 Calendo 等[39]認為，振動可以增加絕經后女性的肌肉活性，繼而改善腰椎和髖骨的骨密度。
3.3 與激素水平相關的機制
Paineiras-Domingos 等[2]系統分析了多篇相關文獻，認為全身振動可以有效增加機體的生長激素水平。
Cardinale 等[40]分析了全身振動對老年人激素代謝水平的影響，發現在 30 Hz 的振動刺激下，老年人靜止蹲坐 5 min 沒有明顯的壓力和疲勞感，且循環水平的胰島素樣生長因子 1（insulin-like growth factors-1，IGF-1）和皮質醇（cortisol）急劇增加。他之前還報道過全身振動可以增加血清中生長激素和睪酮的水平，預防少肌癥和骨質疏松癥。
4 總結與展望
綜上所述，作為一種新型治療骨質疏松癥的方式，低強度全身振動能有效增加骨密度，促進骨形成，延緩骨吸收和骨丟失過程，增強肌肉力量和運動功能，改善平衡功能和協調性，降低摔倒和骨折風險，在絕經后骨質疏松癥的防治中越來越受到關注。
但在現有的研究中，尚缺乏明確統一的全身振動方案。不同振動參數、不同作用時間，以及作用對象不同，均有可能產生不同的作用效果。這也呼吁研究者們進行更多的科學探索，依據不同作用對象，制訂出安全、有效的振動模式與方法，對于提高絕經后女性的生存質量、防止骨質疏松癥的發生有重要意義。
此外，關于低強度全身振動對機體所產生的力學刺激如何調控骨組織修復重建也知之甚少，需要進行更多的臨床研究以進一步闡述和完善低強度全身振動在預防和治療骨質疏松癥方面的作用和機制。