Theoretical foundation and development of core stability training

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.11.024

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Core training has been gradually accepted worldwide. “Core” is only a generalized perception, and how to define the muscles, the difference among the muscles and the mode of the muscle recruitment consist of the important part of research work on core training.

OBJECTIVE: From the aspects of theoretical basis, the development of training methods and measurement of training effectiveness, to elaborate the method issues and new insights on core stability training.

METHODS: PubMed, ScienceDirect and CNKI databases were searched by the keywords of “core training, core exercise, core strength” in the titles and abstract to retrieve relevant articles published from 1979 to 2013.

RESULTS AND CONCLUSION: The neural subsystem was first reported by Panjabi to monitor the various signals from the transducers and direct the active subsystem to provide the needed stability. Neutral zone is regarded as an important clinical indicator relevant to spinal stability. Spinal injury and muscle weakening can result in spinal instability and even low back pain and peripheral pain. Core trainings include Swiss ball, plank exercise, sling exercise and so on. Up to now, research on core training is focusing on its mechanism. Core stability training is not only defined as torso stability training, but also refined to the stability training of each joint.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

Key words: joint instability, physical education and training, postural balance

CLC Number:

R318

Zhu Chuan-fang, Huang Qiang-min, Peng Jin-feng. Theoretical foundation and development of core stability training[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(11): 1787-1792.

Figures/Tables 1

2.1 核心训练的理论基础核心训练的理念最初来源于Panjabi所提出的脊柱亚系统和“中立区”(neutral zone)这两个猜想。 2.1.1 脊柱亚系统 Panjabi首先提出了关于脊柱稳定系统的理论，该系统是由3个亚系统组成，即：被动亚系统(椎骨、椎间盘和韧带)、主动亚系统(围绕在脊柱周围的肌肉和肌腱)和神经控制亚系统(周围神经和中枢神经系统)。主动亚系统产生力作用于脊柱，通过神经控制亚系统监控来自机体感受器的不同信号，来指导主动亚系统为脊柱提供所需的稳定，以满足脊柱稳定性要求[1]。如果该3个亚系统中的任意一个系统出现问题，那么就可能会发生几种情况：①由其他亚系统代偿，该种情况的结果是脊柱保持正常功能。②一个或多个亚系统的长期适应性效应，该种情况的结果是脊柱保持正常功能但稳定系统有所改变。③对一个或多个亚系统组成部分造成损伤，该种情况则会导致脊柱稳定系统的整体性损伤，引发了脊柱周围疼痛的症状[2]，包括了颈肩痛、背痛和下腰痛，甚至牵涉到肢体的疼痛。另外，在一些特殊情况下，脊柱需要承受额外的负荷或完成某些复杂姿势时，神经控制系统会改变肌肉的募集方案以增加脊柱稳定性，然而这一方案往往会超过脊柱的正常承受范围，而导致一系列的疼痛和功能障碍[1]。 2.1.2 中立区 Panjabi随之提出“中立区”(neutral zone)概念。它是指脊柱在处于直立姿势时，脊柱椎骨间活动是不受被动脊柱系统阻力的一个区域。许多活体动物实验和体外实验以及数据模拟实验都显示中立区是一个与脊柱系统不稳定性相关的重要参数。研究表明，这个中立区会随着损伤和退化的出现而增加，但是会随着肌肉力量的增加而减少。更多的研究表明，中立区的数据改变比相关区域的关节活动度改变更敏感。因此，中立区被作为反应脊柱稳定功能的重要临床指标。中立区的范围会随着脊柱损伤或肌肉弱化而增加，因此脊柱损伤和肌肉弱化则会导致脊柱不稳定性甚至脊柱周围疼痛和下腰痛症状。反之，由于骨赘的形成或行融合术或固定术以及肌肉强化训练，则会使中立区范围减少。脊柱稳定系统正是在这样的调节机制下，使中立区保持在某个生理阈值以避免临床性脊柱不稳[1, 3]。基于以上两种假说，学者对脊柱尤其是腰椎部分的稳定性作用机制有了新的认识并开始了新一轮的研究。这对日后“核心”这一概念的提出，奠定了坚实的基础。Panjabi的这两个假想性理论，无疑是针对下腰痛病理机制而提出的设想，同时它也成为了运动活动中脊柱稳定性研究的突破口。 2.2 脊柱稳定性训练 2.2.1 脊柱稳定肌的发现 Liebenson[4]发现下腰部的损伤常常是由于反复地在活动范围临界点负重导致。同时，认为主动肌和拮抗肌的协同作用与脊柱稳定性有关，特别是腹横肌和多裂肌是关键的脊柱稳定肌[4-5]。因此，许多脊柱稳定性训练被设计成指导患者保持一个“中立脊柱”姿势，并在一系列的负重训练中单独对这些肌肉进行锻炼。研究表明，训练主动肌和拮抗肌协同活动的锻炼是较理想的康复和损伤预防训练[6-7]。这些训练能够帮助患者学习获得动觉意识以保持一个安全的“中立”脊柱，这样就可以避免在活动范围临界点负重时的潜在危险。尽管这些训练的起初会很难掌握，但是通过训练姿势-运动控制能力，可以获得满足日常生活和工作需求的脊柱稳定能力[8-10]。 2.2.2 脊柱稳定性训练的雏形 McGill[11]的研究显然奠定了现阶段大多数脊柱稳定性训练的基础。他提出，人体的稳定性与腰椎相关并提出了关于稳定性的训练方法(见下)。同时，提高人体的稳定性是为了促进康复和运动水平。该理论基于损伤和稳定性机制，即脊柱首先必须保持稳定，才能产生力和力矩来提高肢体动作水平。McGill开创了核心稳定性的基本训练动作，在日后众多的核心训练研究中该方法本身及其改良版本都被频繁使用[12-16]。脊柱稳定性训练对运动学参数的影响：Carpes等[17]运用三维运动测试系统，观察躯干力量和稳定性训练对6名女性的疼痛、下腰部和骨盆运动学参数以及平衡的影响，结果表明躯干力量与稳定性训练显著减轻了疼痛并改善了腰部骨盆复合结构的运动学参数以及平衡能力，还提高了各个关节的活动度。但是，由于该实验没有设置对照组并且样本量过小，导致该实验结果有待进一步实验去验证。脊柱稳定性训练对肌电激活水平的影响：表面肌电是目前观察核心肌肉激活水平的主要手段，但是表面肌电也有一定的局限性，即在观测深层肌肉活性时，无法精确采集肌肉的数据，容易受到其他肌肉电活动的干扰。因此，大多数的研究集中于多裂肌、腹直肌、腹外斜肌和腹横肌[14, 18-20]。 Tong等[14]的研究发现，在进行平板支撑肌力测试过程中，核心肌肉的肌电活动增长了50%以上。 Mackenzie等[21]通过为期6周针对多裂肌和腹横肌的强化肌力训练后发现，在举起重物作业中，腹外斜肌的肌电活动显著减少。Colado等[15]的研究则使提高腰椎稳定性的椎旁肌强化训练层次化，以使训练方案更加有针对性，并发现处于70%MVIC(maximum voluntary isometric contraction)水平的无负重蹲举相较于任意条件(稳定的或不稳定的)下局部稳定性训练和其他伴随局部稳定的整体训练，肌肉被激活处于更高的峰值和均值水平。Tarnanen等[16]的研究发现，双侧肩关节外展和单侧肩关节水平外展可诱发躯干肌肉活动至最高水平，这意味着在康复训练中利用上肢活动可以有效地训练躯干肌肉力量。在确定的负重条件下，Bradl等[23]通过实验结果的数据发现，对于多裂肌，局部系统和整体系统间有功能性转移的发生，该结果是基于Bergmark的理论对背部肌群进行研究认为躯干肌肉被分为整体动员系统和局部稳定系统[22]。该理论在后继的研究中被逐渐肯定[22-23]。Cosio-Lima等[24]通过研究发现，使用瑞士球进行核心训练的肌电水平要高于其在平地上进行，该结果证实了核心肌肉的作用更倾向于维持稳定。 Oliver等[25]在对4项等长核心训练进行研究时发现，在所有训练中，多裂肌被激活的水平最高。基于以上众多表面肌电的研究，归纳为以下两点：其一，核心训练的有效性取决于对训练过程中核心肌肉的被激活程度；其二，肌电结果显示，核心肌肉的作用更倾向于维持平衡性。虽然具有一定的局限性，肌电检测无疑是目前最为客观最具代表的肌肉活动监测手段。 2.3 核心训练 2.3.1 核心的定义现在普遍认为，核心训练的“核心”包括脊柱、髋关节、骨盆和下肢近端以及腹部结构；而核心肌肉则被描述为一个盒子或者圆柱体，其中腹肌在前，椎旁肌和臀肌在后，膈肌在顶部，骨盆底肌和髋带肌则在底部[26-29]。核心肌肉对稳定脊柱和骨盆起着重要的作用，因为脊柱和骨盆处的作用包括发力以及协助身体某一环节向另一环节传递力，而且是身体环节的速度在此处总和[30]，这意味着机体尤其在运动状态下对核心有着很高的机械效能需求[26-27]。核心肌肉活动几乎是所有全身运动动作的中心，例如篮球中的运球，投掷[31]。然而，作者认为核心训练的内容多种多样，不可单一地认为核心训练仅仅是针对躯干肌肉的训练，它完全可以涉及各关节稳定性训练，例如，肩关节、膝关节和踝关节的稳定性训练[32-36]。因此，核心稳定性的意义绝不仅仅局限于躯干部位，它还包括各个关节的稳定肌群，被称作局部稳定肌。对于每一个关节，局部稳定性肌肉是相对于整体大肌群的一个概念[22]。因此，有学者研究局部关节的核心训练，并观察训练对关节力矩的改变，结果表明肩关节核心训练增加了盂肱关节的力矩峰值[37]。该类型的研究拓展了核心训练的概念和应用范围，使研究的对象不再局限于躯干肌肉。任何运动毫无疑问都依赖于各个关节的协调活动，因此对核心训练细化至各个关节，是一种发展趋势。因此，并不能简单地将脊柱稳定性训练与核心训练等同起来。核心训练的意义更为广泛，它不仅仅只是针对躯干部位进行训练，也不是单纯对肌肉力量进行训练；它针对的是深层肌肉的耐力训练，即其目的是加强肢体环节的稳定性。核心训练的部位可以是躯干，也可以是局部关节[33-35, 38-41]。 2.3.2 躯干核心稳定性在体育运动中的作用在“中立区”概念以及脊柱稳定性理论的基础上，人体躯干“核心”区域的稳定作用逐步得到肯定。身体中央核心区域在所有运动活动中对维持身体稳定和发力起到了关键作用，这一点也逐渐被学界接受。 Kibler[30]认为核心肌肉是几乎所有运动链式运动的中心部分，核心肌肉对核心力量、平衡和运动控制将使上肢和下肢的运动形成最大化链式效用[26-27, 30-31]。核心肌肉位于身体的中心，提供稳定支撑以使远端肢体在高度的控制下发挥它们各自的功能，该功能一般被总结为近端稳定远端活动。同时，在从跑、投和踢的所有运动项目中，实现生物力学效能最大化，从而最大发力并最小化关节负荷。因此，“核心稳定性”被看作起到了关键性的作用。“核心稳定性”也被定义为以骨盆区域为作用中心，在整个运动活动过程中控制躯干姿势和活动以达到使发力、传递以及控制力和运动最佳化的能力[30]。而核心肌肉活动可以被最好地理解为局部单关节肌肉和多关节肌肉的预先激活和整合，在提供肢体稳定性的基础上使其产生活动。也就是为了远端活动提供了近端的稳定性，从而达成了一种由近端至远端的发力模式，并形成了移动和保护远端关节相互作用的力矩[31]。这一点与中国传统体育运用丹田气发力的理念不谋而合，按照中国传统武术下丹田也刚好位于这里[42]。 Kline等[43]通过问卷调查主观评价和客观测量指标的研究发现，核心力量训练对职前培训的芭蕾舞演员非常重要。针对躯干肌肉的核心强化训练为芭蕾舞学生在完成复杂舞蹈动作的同时提供了平衡性、稳定性和肌肉协作的基础。另外，芭蕾舞演员核心力量的提高也有效预防了损伤的发生，从而使得其职业生涯得到延长。 2.3.3 核心训练的方法悬吊训练：近年来，悬吊训练被逐渐引入到康复训练和体育训练体系中。其中，挪威学者Seiler等[26]利用悬吊装置来训练运动员的核心稳定性，结果验证该系统的功效十分显著[26-27, 43-44]。悬吊运动训练是一种以运动本体感觉的综合式训练手段，它是一种强调在不稳定状态下进行运动，以加强躯干和髋部深层肌肉的力量，从而提高被训练者的平衡能力。悬吊训练的作用原理是基于运动链理论，在生物力学领域中，如果把身体的各个部分划分成一个个的环节，当人体在运动时，身体的各个环节相互作用，就好比一条运动式链条，若其中任意一环出现问题，整体的运动表现都会受到影响。 Kibler[30]在针对运动中肘关节功能与功能障碍的研究中发现，处于运动链末端的肘关节功能位时，肘关节要承受重复负荷性的投掷或发球动作，即类似于环节末端的挥鞭动作。如果人体不能很好地调整这些负荷，那么就会导致该环节发生急性或慢性应力，从而可能会引发损伤或运动水平的下降[1, 3, 45]。这些研究表明，调整这些负荷绝不仅仅只是局部关节的任务，而应是人体整个环节协同工作达到的目标[30-31]。因此，悬吊训练介入核心稳定性训练逐渐成为了近年来的一种趋势，越来越多的医院康复科和体育训练场所引入了这项技术。作为一种训练装置，悬吊装置在很大程度上减轻了治疗师的作业负担，它倡导患者进行一种主动且积极的自我锻炼模式；而在体育训练场所，它打破了许多常规训练着重大肌群力量训练的固有模式，应同时训练人体深层的小肌群，即稳定肌。作为一种新型的训练理念，悬吊训练还有待更多深入的研究，并且在今后的发展中，悬吊训练则会日趋完善并成为康复领域和体育领域的一枝独秀。 McGill式经典训练：目前，大多数参考文献的核心训练方法普遍选取的是McGill训练方法，主要包含俯卧支撑、单侧支撑和仰卧支撑3种支撑动作，即在躯干肌肉运动的3个平面上。该种方法简单有效，具有很高的可执行度，但是该方法的精确度不易掌握，需要有专人指导，并且由于这些动作对肌力有着极高的要求，因此并不适用于临床的康复训练，这无疑是它的局限性。基于McGill的经典训练方法，Schilling等[12]的研究对比了核心力量训练和核心耐力训练，结果表明这两种训练不具有差异性，但是两种类型的核心训练都提高了受试者的一部分耐力指标。这也表明了，核心训练更倾向于耐力训练而不是绝对力量的训练。新型训练方法：一些研究者利用生物力学工程方法来开创新型的核心训练方法，针对专项运动的核心训练，Sawade等[46]利用软件(Matlab/Simulink)进行数据模拟化操作不稳定平板来模仿运动环境对划船运动员进行核心力量训练。研究表明，通过使用这种不稳定平板对划船运动员进行训练与稳定地面上的训练效果做比较，结果显示前者核心肌肉活动的水平要明显高于后者；这表明了，该种不稳定支撑面的干预效果对激活核心肌群有着显著的作用。虽然，大量的研究证实了核心训练改善了人体稳定能力，但是结合到运动训练项目中，对直接反应运动成绩的测试，核心训练的效果却并不明显。通过比较不稳定条件下静态核心训练和动态核心训练方案，Kelly发现，两种核心训练都能提高核心稳定性的专项测试，但是却都没有提高运动相关技能测试的结果[47]。同样地，Schilling等[12]的研究也证实了核心训练对体能测试结果并没有显著提高。简而言之，对核心稳定性与竞技成绩水平之间的相关性，依然没有确凿性的实验结果来验证学者的猜想。 2.4 评价与测量核心稳定性在逐渐得到认可的同时，关于它的评价和测量，成为了学者们新的讨论热点。 2.4.1 核心稳定性的评价 Kibler提出“核心”的评价是一种动态的评价，包括特定功能的评价(躯干对单脚支撑足的控制)和活动的控制(3个平面上的活动)。同时，康复治疗不仅应包含“核心”康复训练本身，而且也要将核心康复作为肢体功能康复的基础[30]。Miyake等[48]通过研究发现，核心训练通过训练躯干稳定性使上肢功能活动得到了提高，并且也提出了核心训练对康复患者的适应性较强。另外，在核心训练对运动成绩以及运动损伤影响的研究中，McDonald等[49]通过使用视频分析软件来对优秀运动员核心能力进行评价，并对该种方法的可靠性和准确性进行了统计学分析，结果显示该种方法是可靠且有效的。该软件为核心力量评价提供了新方法，相对来说该方法可能有较高准确度，但是相较于其他传统评价方法在文献中并没有给出足够的证据证明它的优越性。 2.4.2 核心肌肉的测量方法在前人研究的基础上，大多数研究认为核心肌肉是深层肌肉群，而一般的表面大肌群的主要作用是发力，起到稳定性作用的肌群则是深层的小肌群。这一点使得直接测量核心肌肉成为了一个难题。于是，研究学者开始尝试间接的测量方法，例如表面肌电。Miyake等[48]在针对核心训练干预效果的研究中，推荐使用肌电图来观察肌肉活动，并与单纯的大肌群训练效果进行对比。Tong等[14]发现平板支撑试验是一种有效的测量核心肌肉运动耐力的方法。Dendas[13]的研究发现，60 s和30 s仰卧起坐测试是可靠的且与运动水平较为相关的基于地面的核心稳定性测试。Waldhelm等[50]则通过实验检测核心稳定性各要素测试方法的可靠性，各项要素包括一般力量、耐力、柔韧性、运动控制以及功能性，结果表明，每种要素的测试中都有高度可靠的方法，而核心耐力测试是最可靠的测试方法。这也从侧面证明了核心肌肉的主要作用是起到稳定肢体的作用，从而使得大肌群能更高效地做功并使肌肉整体发挥较好的耐力素质。"

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