第二节 制动引起的生理变化
一、制动后的心血管系统变化
（一）短期制动的影响
1.血容量减少 正常人在卧位下有500～700mL血容量从下肢回到胸腔，中心血容量增加导致右心负荷增加，压力感受器刺激增强，抑制性抗利尿激素释放、心钠素释放增加，肾脏滤过率明显增加，尿量增加，血浆容量迅速降低，卧床1～2h后血容量迅速减少，这是短时间卧床所造成的最明显的心血管改变。研究表明，强制性卧床20d可以使血浆容量降低15%～20%，总血浆容量可降低6%～20%，心脏容量减少11%，左心舒张末期容量减少6%～11%，基础心率不变或增加，每搏量和心输出量相应降低6%～13%，循环功能减退导致运动能力降低。
2.心率加快 正常人卧床休息后安静心率每天增加0.5/min，20d后可从平均69/min增加到79/min，3～4周后达到平稳（增加4～15/min）。心率反应与血容量下降、每搏量下降以及自主神经功能失调（迷走神经张力下降或交感神经张力增加）有关，卧床后进行直立位活动时心率显著增加。有研究表明：卧床休息3周后，亚极量运动的心率增加30/min，每搏量和心输出量均降低15%，亚极量运动能力降低30%，极量运动能力降低26%；会使卧位到直立位的心率比原先提高32%，卧床1周后增加62%，卧床3周后增加89%。
3.血流减慢 卧床后每搏输出量、心输出量、交感神经兴奋性、外周阻力及血液本身理化特性的改变，会引起血流动力学上的一系列变化。卧床后腹主动脉血流速度减慢24%，股动脉血流速度减慢50%，大脑中动脉血流速度也有所减慢，但冠状动脉血流保持不变。下肢静脉血流阻力增加91%，静脉顺应性增加。动脉血流速度减慢，下肢血流阻力增加等血流动力学变化为动静脉血栓形成提供了条件。
4.血栓形成 卧床后血容量减少，而血液中的有形成分并没有减少，血细胞比容增高，血液黏度明显增加；神经瘫痪时肌肉泵作用减弱，静脉血管容量增加，血流速度减慢；此外，血小板凝聚力和血纤维蛋白原水平也增高，这些均为血栓形成提供了环境。制动会显著增加血栓形成的概率，最常见的是深静脉血栓、血栓性脉管炎和肺栓塞。丧失步行能力的脑血管意外患者发生深静脉血栓的风险是可步行者的5倍。患侧肢体发生血栓的风险是健侧肢体的10倍。
5.有氧运动能力降低 长期卧床后最大摄氧量（VO2max）的下降程度在各报道中不尽相同。30d制动VO2max以每天0.9%的速度下降，这一速率与老年生理性衰退的年下降率相似。不同性别、年龄间的研究结果无显著性差异。心输出量减少和心率增加与VO2max降低相关。卧床休息对VO2max的短期影响主要来源于血容量改变，长期影响则主要来自肌肉功能衰退。
6.直立性低血压 直立性低血压是指卧位转换为直立位时出现血压显著下降（收缩压下降20mmHg以上或者舒张压下降10mmHg以上），具体临床表现为头晕、头痛、出汗、面色苍白、心动过速甚至晕厥，老年人则更为严重。卧床休息数天即可产生直立性低血压。直立性低血压的机制并没有完全阐明，尽管循环血浆容量降低和静脉回流不足导致静脉容量增加可以作为部分解释，但是补充血容量并不能完全纠正直立性低血压。有研究认为这与自主神经功能改变有关，例如心脏迷走神经活动降低，心脏压力反射能力障碍等。当然这些论点目前在科学界也有较大争议。增加盐的摄入，从而增加血容量，有助于直立性低血压的临床治疗。直立性低血压的关键预防措施是采取坐位或者站立位。
（二）长期制动后心血管系统出现适应性调节
1.心脏射血功能下降 全身血容量降低、下肢静脉顺应性增加、静脉血容量增加、肌肉泵作用降低等均造成静脉回流减少，导致心室充盈量下降，每搏输出量减少。有学者认为心输出量下降与心肌萎缩或其他心肌退行性变化有关。虽然心率轻度增加，但每搏输出量减少抵消了心率增加的影响，最终使心输出量明显下降。心输出量下降造成氧运输动力障碍，使VO2max降低。
2.氧运载能力和使用效率下降 长期制动不仅是因为影响红细胞中酶的活性而使其运氧能力下降，还可使红细胞总量减少5%～25%。除了降低氧的运输能力外，长期制动还会使骨骼肌中线粒体总数下降11%，毛细血管密度不变；但由于肌肉萎缩，毛细血管总长度下降了22%。这些变化导致氧在肌肉中的利用受限。氧运载和利用能力降低是除血浆量和心输出量因素以外影响VO2max的次要因素。
二、制动后的呼吸系统变化
（一）坠积性肺炎发生率增加
长期卧床可导致支气管平滑肌收缩无力，气管纤毛的摆动功能下降，不利于黏附于支气管壁的分泌物的排出。若长期处于仰卧位，大量支气管分泌物沉积在背部肺叶；长期侧卧位，大量支气管分泌物沉积在下侧肺叶；加之患者咳嗽、咳痰无力，不能有效地清除呼吸道内的分泌物，使坠积性肺炎、支气管感染与支气管阻塞的发生率大大增加。
（二）肺通气/血流比例失调
由于肺循环是低压系统，长期卧位时，上肺部的血流量增加，但通气没有增加，所以上肺部的通气/血流比值减小，产生动-静脉短路；而下肺部的血流量减少，但通气量并没有减少，所以下肺部的通气/血流比值增加，使肺泡无效腔增加，从而影响正常的气体交换。
（三）肺通气效率降低
卧位时，膈肌上移，胸腔容积减小，膈肌的运动部分受阻，胸廓弹性阻力加大，导致胸廓扩张受限，肺呼吸幅度减小，肺通气效率降低。此外，长期卧床，导致全身肌力减退，呼吸肌肌力也下降，肺通气量减少。诸多因素导致肺的顺应性下降，肺活量减少，使肺通气效率降低，气体交换受阻。
三、制动后的骨关节系统变化
（一）肌肉系统
1.失用性肌肉萎缩 全身或局部制动均可造成失用性肌肉萎缩，石膏固定后肌肉萎缩比卧床休息要明显得多。正常人在床上翻身时，使用背部肌肉和下肢肌肉，可以减少肌肉萎缩，而老年人或者瘫痪患者则会出现更多的肌肉萎缩。健康人卧床休息7d，大腿肌肉容积即可降低3%；卧床1个月，肌纤维横断面积减少10%～20%，2个月可能减少至少50%。负责承重和步行的主要肌肉，制动后萎缩最为明显，例如股四头肌。有研究表明，卧床17周，肌肉容积显著降低，分别为踝背屈肌减少30%、股四头肌减少16%～18%，腰背肌减少9%，而上肢肌肉无明显变化。值得注意的是，除了肌肉横断面积减少，肌肉长期保持在缩短状态可导致肌节缩短，致使肌纤维纵向挛缩，这在制动后的关节功能障碍中扮演了重要角色。
2.肌力与肌耐力降低 制动对肌力和肌耐力都有显著的影响，肌肉体积减小，肌纤维间的结缔组织增生，非收缩成分增加，导致肌肉单位面积张力下降，肌力降低。完全卧床休息后肌力每天下降1%（0.7%～1.5%/d），每周下降10%～15%，3～5周内肌力下降可达20%～50%。健康人卧床休息一个月最大伸膝力矩降低21%。石膏制动6～7周后屈肘肌肌力下降6.6%，肩前屈肌肌力下降8.7%，踝背屈肌降低13.7%，踝跖屈肌降低20.8%。此外，肌力下降还与制动引起神经系统兴奋性降低有关。制动后肌耐力下降的主要原因是由于肌糖原和ATP储存减少，做功使肌糖原和ATP迅速耗尽，乳酸增加，脂肪酸抗氧化能力下降导致肌肉迅速疲劳。同时，肌肉的血流量及呼吸效率下降也会使肌耐力降低。
3.肌肉代谢障碍 长期制动后由于肌肉局部血流量减少及运氧能力降低，导致肌肉相对缺氧，直接影响代谢过程，使得肌肉有氧代谢减弱，无氧酵解增强。肌肉蛋白质合成减少而分解增加，导致蛋白质总量下降。在卧床早期，肌肉Ca2+的变化主要是肌浆网对Ca2+的摄取和释放增加，直接影响肌肉的收缩功能。3d卧床休息即可使胰岛素受体敏感性迅速降低，葡萄糖耐量异常。卧床休息30d后腓肠肌和股外侧肌β羟酰基辅酶A脱氢酶和枸橼酸合成酶显著降低，但糖酵解酶无改变。卧床42d使肌肉线粒体密度减少16.6%，氧化酶活性降低11%，总毛细血管长度缩短22.2%。短期卧床就可以发生肌酸磷酸激酶升高。
（二）骨骼系统
维持正常人体骨质需要原有骨质的吸收和新骨的形成达到动态平衡。骨骼的密度和形态取决于施加在骨上的力，太空飞行员骨骼相关研究表明，沿长骨纵轴的压力减小是骨质疏松的主要原因。因此，长期卧床的患者，抗重力和维持躯干姿势的骨骼骨质丢失最为明显。制动与失重（常见于宇航飞行员）均可以产生同样后果，长期卧床或制动可以导致破骨细胞活动增加，而成骨细胞活动减少，骨质吸收和新骨形成的平衡发生紊乱，表现为相对或绝对骨质吸收超过骨质形成，结果为骨钙丢失和骨矿物质密度（bone mineral density，BMD）降低，最终导致骨质疏松。长期卧床的患者BMD降低比正常人更为明显。急性脊髓损伤后6个月，完全瘫痪肢体的跟骨BMD丢失可达到67%；而健康人卧床休息（制动相对不完全）同样的时间，脊柱骨BMD减少仅为0.3%～3.0%。脊柱侧弯患者严格卧床休息，脊柱BMD每周降低0.9%；但是正常人卧床119d脊柱BMD丢失仅为3.9%。
（三）关节系统
人体长期制动后会出现关节僵直，导致滑膜粘连，关节腔内可有结缔组织的纤维脂肪性增生。由于新生胶原纤维形成纤维内粘连妨碍韧带纤维平行滑动而导致关节挛缩。长期制动会使关节周围韧带的强度下降，能量吸收减少，延展性下降，肌腱附着点处变脆弱，韧带容易断裂。关节囊壁的血管、滑膜增生，纤维结缔组织和软骨面之间出现粘连，产生疼痛；继而关节囊收缩，关节挛缩，关节活动范围相应减小。关节囊的缩短和关节制动于一个位置，使关节软骨接触面受压，关节软骨含水量下降，透明质酸盐和硫酸软骨素减少。慢性关节挛缩时，关节囊内和关节周围结缔组织重构，软骨变薄，血管增生，骨小梁吸收。长期制动关节的非接触面会发生纤维化、蛋白多糖合成减少和形态改变。除了关节软骨组成的改变之外，制动时关节软骨的机械性能也受到损害，压缩时液体的流量和软骨的变形增加。但拉伸特性没有改变，这说明关节运动和负荷降低对蛋白多糖的影响比对胶原的影响大。这些生化与力学的改变，部分可能会因为关节制动的解除和恢复关节活动而发生逆转；但是，其恢复效果会因制动时间过长和制动程度的增加而降低。长期固定可显著降低骨-韧带复合体的结构特性和韧带的力学特性，同时显著减少附着区的结构特性。韧带本身的力学特性在解除固定后较短的时间内即可恢复到制动前水平，但附着区要恢复到以前的强度和力量则需要更长的时间。在这一时期，复合体仍然处于薄弱状态，易发生撕脱损伤。
（四）异位骨化
异位骨化是指在软组织中出现成骨细胞，并形成骨组织，多半发生在大关节周围，例如髋关节、肘关节等，是长期制动的常见合并症。早期关节局部有明显肿痛，活动受限，晚期由于骨组织形成，导致关节活动限制。其发病机制尚不清楚，因此在预防和治疗上都很困难。
四、制动后的代谢与内分泌系统变化
制动所引起的代谢和内分泌紊乱发生较迟缓，有时甚至在恢复过程中才表现出来。恢复活动之后这些改变恢复得也较慢。
（一）负氮平衡
制动会造成尿氮排出明显增加，平均每天丧失2g，因此可导致低蛋白血症、水肿以及体脂增加。由于制动期间抗利尿激素的抑制，加上食欲减退会减少蛋白质摄入，加剧体重降低，在创伤或饥饿情况下，负氮平衡可以达到8～12g/d。制动的第4～5d氮排出量开始增加，在第2周达到高峰，并一直持续下去。卧床3周所造成的负氮平衡可以在1周左右恢复，但卧床7周造成的负氮平衡则需要7周时间才能恢复。
（二）内分泌改变
（1）长期卧床会导致人体心肺血量增加，外周四肢血量减少，刺激胸腔压力感受器，使抗利尿激素在第2～3d分泌开始减少，结果是人体的尿量增加，全身血量减少。
（2）制动会使肾上腺皮质激素分泌增多（可达正常水平的3倍），尿中可的松的排出量也增加，这是机体应激反应的表现。同时，制动也会导致雄性激素降低，醛固酮降低。
（3）制动会导致糖耐量异常。血清胰岛素和C肽同时增高，在制动后1个月将会达到高峰，说明主要问题不是胰岛分泌胰岛素减少，而是胰岛素的利用障碍；其中肌肉胰岛素受体抵抗为主要原因。研究表明卧床3d后肌肉胰岛素敏感性降低，出现糖耐量异常。血糖水平可能正常或升高。长期制动可导致胰岛素峰值水平逐步降低，最终导致高血糖。同时，胰腺β细胞分泌胰岛素也会增加。
（4）制动导致血清甲状腺素甲状旁腺素升高或不稳，是造成高钙血症的主要原因之一，但血清降钙素和催乳素保持不变。
（5）卧床制动14d去甲肾上腺素分泌增加35%，不伴有肾多巴胺产物的增加，与血浆容量降低有关。
（三）水、电解质改变
（1）制动可使血钠、血钾、血镁、血磷酸盐和硫酸盐、血钙、尿钙、血胆固醇升高，然而，却使高密度脂蛋白胆固醇降低。
（2）制动性高钙血症是制动后常见而又容易被忽视的水、电解质异常，因骨折固定或牵引而长期卧床的儿童中高钙血症的发生率可高达50%。卧床后体钙丢失途径主要是随尿排出，其次是粪便排出，与骨钙丢失程度一致，血钙升高是尿排泄的必然渠道，制动后数周至数月都可能发生。卧床休息4周左右可能发生症状性高钙血症。早期症状包括食欲减退、腹痛、便秘、恶心和呕吐，甚至发展为进行性神经体征，如无力、低张力、情绪不稳、反应迟钝等，最后发生昏迷。
五、制动后的中枢神经系统变化
长期制动会产生感觉剥夺与心理社会剥夺，由于感觉输入减少，可产生感觉异常和痛阈下降。因为与社会隔离，感觉输入减少，加之原发疾病和外伤的痛苦，非常容易产生焦虑、抑郁、情绪不稳和神经质，也可能出现感情淡漠、退缩、易怒、攻击行为，严重者有异样的触觉、运动觉、幻听和幻视。长期制动会损害认知能力，导致判断力、解决问题的能力、学习能力、协调力、记忆力、精神运动能力、警觉性等均出现障碍。
六、制动后的消化系统变化
因疾病、外伤和长期制动本身对患者的精神和情绪都会有影响，可以减少胃液分泌，减慢胃内食物排空速率，使食欲下降，造成蛋白质和碳水化合物吸收减少，产生一定程度的低蛋白血症。长期制动会使胃肠蠕动减弱，食物残渣在肠道内停留时间过长，水分吸收过多而导致便秘。
七、制动后的泌尿系统变化
长期制动时抗利尿激素分泌减少，排尿增加，随尿排出的钾、钠、氮均增加。由于钙自骨组织中转移至血，导致高钙血症；血中多余的钙又经肾排出，产生高钙尿症，卧床1～2d尿钙即开始增高，5～10d内显著增高，高钙尿症还与皮质醇释放有关。尿中钙磷增加、尿潴留、尿路感染是尿石症形成的三大因素；高钙尿症和高磷尿症为尿结石形成提供了物质基础。尿潴留的形成因素包括：卧位时腹压减小、腹肌无力、膈肌活动受限、盆底肌松弛、神经损伤患者神经支配异常等。以上这些因素导致括约肌与逼尿肌活动不协调，形成了尿潴留。瘫痪患者的导尿次数增多，尿路感染概率也会相应增加，结石的形成降低了抗菌药物的治疗效果，导致尿路感染反复发作。
（李勇强）