曲柄长度对脊髓损伤大鼠模型电动骑行心血管反应的影响：一项运动生物力学与血流动力学研究

《Spinal Cord》：Effects of crank length on the cardiovascular response in a rat model of motorized cycling

【编辑推荐】本研究针对脊髓损伤(SCI)后心血管疾病(CVD)风险升高、下肢运动受限的临床难题，通过大鼠模型探究电动骑行(MC)中曲柄长度和骑行频率对踏板反作用力(PRF)及心血管反应的调控机制。研究发现较长曲柄通过增大关节活动度(ROM)诱发更高肌肉力量（尤其伸膝期离心收缩），并增强心率(HR)和收缩压/舒张压(SP/DP)响应；而短曲柄骑行虽减少痉挛事件，但能维持更稳定的血压提升效应。该研究为优化SCI患者个性化运动康复参数提供了关键生物力学依据。

　　

对于脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)患者而言，心血管疾病(Cardiovascular Disease, CVD)如同一把悬在头顶的利剑——据统计，他们的患病风险比健全人群高出三倍之多。特别是高位胸段完全性损伤的患者，由于下肢运动功能丧失，传统的主动运动方式难以实施，而单纯的上肢训练又被证明无法有效改善心血管功能。这种困境催生了对被动运动疗法的探索，其中电动骑行(Motorized Cycling, MC)因安全性和低成本优势备受关注。然而，关于MC能否真正产生有临床意义的心血管益处，现有研究却充满矛盾：有的报道显示被动运动可增加股动脉血流速度，有的则得出否定结论；长期干预虽能改善血流动力学，却未能诱发摄氧量和每搏输出量的显著提升。

为什么动物实验和人体研究会出现如此大的分歧？美国路易斯维尔大学脊髓损伤研究中心的Gregory J.R. States等研究者将目光投向了运动生物力学这一关键环节。他们推测，骑行过程中肌肉的拉伸反射激活程度可能取决于曲柄长度（影响关节活动范围）和骑行频率（影响拉伸速率），而这些参数设置的差异或许正是导致不同研究结果的重要原因。为此，团队在《Spinal Cord》发表最新研究，首次在大鼠T2水平重度挫伤SCI模型上，系统分析了不同曲柄长度(15mm短曲柄 vs. 22mm标准曲柄)和多种骑行频率(5-60 RPM)下，踏板反作用力(Pedal Reaction Forces, PRF)与实时心血管指标(心率、血压)的动态关联。

研究采用的核心技术方法包括：1）通过植入式遥测装置(HD-S11)连续监测动脉压和心电图(ECG)；2）定制化曲柄-踏板系统耦合单轴力传感器(LCM100)，以1000Hz采样频率同步采集踏板反作用力；3）双相机三维运动捕捉系统(MaxTraq)量化髋、膝、踝关节活动度(ROM)；4）采用收敛性交叉映射(Convergent-Cross Mapping, CCM)非线性算法分析心率与平均动脉压(Mean Arterial Pressure, MAP)的因果关系；5）使用重复测量方差分析(repeated-measures ANOVA)和Bonferroni校正检验进行统计推断。实验对象为10只雌性Sprague-Dawley大鼠（最终5只完成全程实验），在T2椎体水平实施35g-cm中度重度撞击伤模型。

关节活动度受曲柄长度调控

如图1所示，标准曲柄(22mm)比短曲柄(15mm)显著增大了髋关节(F_1,3=114.2, p<0.01)、膝关节(F_1,3=487.4, p<0.001)和踝关节(F_1,3=22.7, p<0.05)的活动范围。其中髋、膝关节的差异尤为明显，而踝关节因固定方式影响差异较小。随时间推移，膝关节ROM出现轻度增加(F_5,15=4.622, p<0.01)，可能与动物恢复过程中体位调整有关。

非痉挛力量在伸膝期更敏感

非痉挛力量（滤除骑行基础频率后的剩余力成分）分析显示（图2），伸膝期力量受曲柄长度(F_1,3=20.6, p<0.05)和骑行频率(F_1,3=134.9, p=0.001)双重影响，而屈膝期仅对频率变化敏感(F_1,3=23.0, p<0.05)。这表明较长曲柄通过增大伸肌群离心收缩幅度，更有效激活骨骼肌泵(skeletal muscle pump)。

痉挛力量呈现频率依赖性特征

热图分析（图3）揭示：5RPM低速骑行时痉挛事件发生率最高，但高频骑行(>30RPM)时单位时间内痉挛次数倍增，且标准曲柄的痉挛频率是短曲柄的两倍。值得注意的是，痉挛力多出现在伸膝期，持续时间在低速时可达6秒，而高速时仅0.5-1秒。

心血管响应呈现双相特征

骑行显著提升心率(F_2,76=73.2, p<0.001)、收缩压(F_2,86=27.5, p<0.001)和舒张压(F_2,85=61.6, p<0.001)，且这种效应持续至运动后阶段（图4）。特别值得注意的是舒张压的异常升高，这可能与SCI后血管自主调节功能紊乱相关。短曲柄骑行在后期(3-6周)表现出更显著的血压时相差异，提示其可能产生更稳定的训练效应。

血压-心率耦合关系被重构

典型个案轨迹（图5）显示，痉挛事件引发MAP骤升后骤降，但对心率影响微弱；而非痉挛力则与MAP持续性升高相关。CCM分析进一步证实（图6），骑行期间MAP对心率的影响强度(HR←MAP)显著低于反向影响(HR→MAP)（标准曲柄在5/6个时间点，短曲柄在4/6个时间点存在统计学差异），表明SCI后压力反射机制部分受损。

这项研究通过精细量化MC过程中的生物力学与生理学参数，揭示了曲柄长度和骑行频率通过调节肌肉离心收缩强度影响心血管反应的机制。其主要结论在于：较长曲柄虽能增强骨骼肌泵效应，但可能因诱发过多痉挛事件而干扰血压稳定性；短曲柄骑行则通过维持适度关节活动度，在减少痉挛的同时仍能产生有效的运动刺激。这些发现为临床MC参数个性化设置提供了重要启示：应根据患者个体情况调整曲柄长度（对应下肢长度）和骑行频率，在最大化静脉回流效益与最小化痉挛风险间寻求平衡。该研究不仅填补了被动骑行生物力学研究的空白，更为开发精准化SCI康复方案奠定了理论基础。