一种基于磁场诱导TRPC1促进肌力增强的磁刺激装置和方法

技术领域

本发明属于运动训练领域，具体涉及一种基于磁场诱导TRPC1促进肌力增强的磁刺激装置和方法。

背景技术

随着对磁生物效应认识的不断深入，运动训练领域应用该效应为体育实践过程提供了多方位的支持。脉冲磁场(Pulsed magnetic fields，PEMFs)对人体的磁生物效应最为明显。PEMFs是由脉冲发生装备所产生的脉冲电流在线圈中产生的一种瞬态电磁场。该技术在医学领域获得了丰富的实践与理论研究成果，尤其对骨修复、心血管疾病、神经组织疾病和损伤康复的临床效果得到普遍认可，并被证明与线粒体功能和肌细胞发生相关，能够调节成肌细胞钙稳态、线粒体呼吸能力、抗氧化应激和扩张等功效。我国在PEMFs促进生物体机能方面已有一定研究基础，但多以动物试验为主，对人体运动能力促进的研究还属于摸索阶段，尤其是提升骨骼肌工作能力方面还鲜有研究。

依托细胞分子生物学研究的蓬勃发展，能够为肌组织工作与重塑过程提供支持的经典瞬时感受器电位通道1(classical transientreceptor potential channel 1，TRPC1)蛋白因子的发现及其可受低频PEMFs诱导而产生生物效应的研究成果，为PEMFs在运动实践应用范围的扩展提供了有力的依据。现有研究发现，利用特定频率与强度的PEMFs对小鼠骨骼肌细胞进行外源性刺激，能够激活TRPC 1钙离子通道，使Ca2+内流，激活并增强骨骼肌生长与适应的重要信号通路CaN-NFAT，从而使线粒体呼吸能力提升，肌细胞发生有丝分裂，氧化肌肉功能增强，促进肌母细胞来源的肌生成，对肌组织结构与工作能力产生一系列增强效应，见附图1。之后该科研团队对小鼠力量变化及组织分析也佐证了这一最新发现。这一研究结果不仅为低频PEMFs诱导TRPC 1促进骨骼肌功能提升提供了证据支持，同时为利用低频PEMFs增强人体力量素质带来全新思路。

TRPC1是TRP通道中表达最广泛的通道，在脑、心脏、肾脏、肺、骨骼肌、前列腺、皮肤、睾丸和卵巢都存在高水平表达，能够与其他TRP通道家族成员形成受体激活的通道，参与骨骼肌分化、生物体生长发育、免疫调节、肿瘤细胞迁等多种生理功能和病理改变过程中发挥作用。在传统抗阻训练的肌肉中检测到的机械敏感电流含有TRPC1的信号复合物，说明肌肉运动过程中有TRPC 1参与。

在肌细胞受到刺激时，细胞膜上持续的钙内流保证了信号的正常传播，在TRPC 1的生理功能中，因其具有对钙库操纵性钙内流的作用，被认为是钙库操纵性Ca2+通道的一种，现有研究已证实TRPC1蛋白通道可以导致细胞内Ca2+浓度的变化。学者Nesin发现TRPC1通道能被细胞内的钙耗竭激活，在钙库操纵性钙内流中起重要作用。

CaN-NFAT(钙调神经磷酸酶与核因子)通路广泛参与骨骼肌分化、纤维转型等过程。CaN(钙调神经磷酸酶)被认为是骨骼肌重塑的重要信号分子，在介导Ca2+信号到细胞应答中发挥了很重要的作用，是胞浆钙离子感受器，细胞内Ca2+浓度升高，随之通过活化T细胞核因子(NFAT)与肌细胞增强因子协同促进编码慢肌表型蛋白基因转录，在CaN作用下NFAT去磷酸化，移位至细胞核与相应分子结合促进特异基因表达，从而影响肌肉生长与适应。研究表明，在人体进行肌肉运动过程中TPRC1与CaN-NFAT的水平同时升高，负荷消失后同时下降，因此说明TRPC1和CaN-NFAT在钙敏感的氧化肌肉发育中的作用。

目前，针对肌力增强辅助手段的研究存在以下问题。

一是，针对脉冲磁场促进肌力提升的相关技术，现有技术都是基于传统的脉冲磁场对肌组织的生物磁效应的认识，对磁场波形、强度设置单一，对肌组织重塑与增强的关键离子通道TRPC1缺乏针对性的脉冲磁场诱导设置。

二是，已有相关肌力增强辅助技术都以个体主动抗阻训练作为技术应用手段，在应用过程中易受到训练者个体身体状况影响，训练提升效果受到限制，尤其对一些行动不便的使用者应用效果会大打折扣。

三是，现有的技术多以针对每一特定肌群进行辅助力量提升，应用范围较窄。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种基于磁场诱导TRPC1促进肌力增强的磁刺激装置和方法，以解决上述背景技术中出现的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于磁场诱导TRPC1促进肌力增强的磁刺激装置，包括：激励信号波形成形部，其产生脉冲波形；磁场刺激源，其依据所述脉冲波形，得到匀强磁场。

在一个优选地实施方式中，所述磁场刺激源包括能形成匀强磁场的磁刺激激励缠绕线圈，所述磁刺激激励缠绕线圈与激励信号波形成形部电性连接。

进一步的，还包括承载部，所述承载部用于承载使用所述匀强磁场进行刺激的部位。

进一步的，所述激励信号波形成形部包括信号发生器，所述信号发生器的激励信号输出端与功率放大器的激励信号输入端电性连接；所述功率放大器的激励信号输出端与磁刺激激励缠绕线圈电性连接。

进一步的，所述磁刺激激励缠绕线圈采用亥姆霍兹线圈。

进一步的，所述磁刺激激励缠绕线圈采用多绞线制作。

进一步的，所述磁刺激激励缠绕线圈外部设置有高磁导率屏蔽罩。

本发明提供的技术方案还包括：一种利用基于磁场诱导TRPC1促进肌力增强的磁刺激装置的方法，通过所述激励信号波形成形部中的信号发生器产生脉冲波形，激励信号输出至功率放大器，然后输出至磁刺激激励缠绕线圈，在磁刺激激励缠绕线圈内部产生匀强磁场，利用所述匀强磁场在承载部内进行刺激。

进一步的，确定所述脉冲波形的参数包括：连续脉冲频率、连续脉冲次数、占空比、间隔刺激时间与连续脉冲时间的比值、整体刺激时间和磁感应强度。

进一步的，连续脉冲频率范围为1000～8000Hz；连续脉冲次数范围为10～50；占空比范围为20％～80％；间隔刺激时间与连续脉冲时间的比值范围为5～20；整体刺激时间范围为5～35min；磁感应强度范围为1～6mT。

进一步的，连续脉冲频率设定为3300Hz，连续脉冲次数设定为20，占空比设定为50％，间隔刺激时间与连续脉冲时间的比值设定为10，整体刺激时间设定为10min，磁感应强度设定为3.0mT。

本发明的有益效果在于：

1、通过提供一种基于磁场诱导TRPC1促进肌力增强的磁刺激装置和方法，可使使用者在静态状态下进行被动干预，无需抗阻力训练产生的“痛苦感”即可得到肌力增强的效果。

2、可以对全身所有肌群部位进行针对性的刺激提升，从应用范围与使用场景方面更具多元化，可服务和满足高水平竞技体育、群众体育、学校体育、大众健身人群的需求，可全部位的提升使用者的力量素质。

3、使用部位处于匀强磁场中，使肌肉组织各部位均能达到增强的效果，协助不同人群在无需抗阻力训练且无感的情况下，达到肌肉力量提升、加快运动后疲劳恢复的目的。

附图说明

图1是本发明的肌肉工作能力提升与组织重塑原理图。

图2是本发明的一种产生匀强磁场的脉冲波形图。

图3是本发明的实际使用状态示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图1～3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一：

为了使试验测试所采用的动作过程更好的施加监测与控制，测试部位选取上臂肱二头肌，该部位为单关节运动，对伸屈测量的过程较好控制。招募普通健康受试者9名，均为自愿参加，其中女性4名，男性5名，健康状况良好，工作生活规律，近6个月无关节损伤、无抗生素服药史，无磁眩晕史，无体内植入式心脏起搏器、支架、金属异物等易受磁场影响设备，测试前均被告知试验具体安排和注意事项。受试基本信息见表1。

表1受试基本信息表

该实施例使用的基于磁场诱导TRPC1促进肌力增强的磁刺激装置，包括：信号发生器、功率放大器、亥姆霍兹线圈和承载部，并在亥姆霍兹线圈外围配备有高磁导率屏蔽罩，所述信号发生器的激励信号输出端与功率放大器的激励信号输入端电性连接；所述功率放大器的激励信号输出端与亥姆霍兹线圈电性连接；通过信号发生器确定脉冲波形的相关参数，产生脉冲信号，脉冲信号输出至功率放大器放大输出给亥姆霍兹线圈，在亥姆霍兹线圈内部产生指定的匀强磁场，即PEMFs刺激磁场，在匀强磁场内设置有承载部，用于承载受试者的胳膊部位。

该实施例以肌肉最大自主收缩力量(MVC)、一次重复最大力量(1RM)、力量耐力、肌肉抗疲劳能力(MF)四个指标作为肌力增强的指标。其中：

肌肉最大自主收缩力量(MVC)测试方法：

测试设备选用电子测力计，电子测力计采用电阻应变式测力系统，量程为1-1000N(1-100kg)，测力计自带电脑采集软件，可实时记录最大峰值、平均力值，数据可精确到0.1kg。受试者正坐于约90cm高的试验台前，右前臂与上臂、上臂与躯干、躯干与大腿、大腿与小腿分别保持90°，肩部与腿部分别用绑带固定，左臂自然下垂，右手手腕处紧贴测力仪，当测试时，受试者逐渐发力至最大时，口头告知记录员，随即用秒表记录5s持续发力，间歇3min再进行第二次测试，取两次电子测力仪记录的最大峰值为个体的MVC最大值。

一次重复最大力量(1RM)测试方法：

采用哑铃集中弯举，采用60％1RM重量，每组8次，共4组，组间间歇1min，记录最大举起的哑铃重量。

力量耐力测试方法：

测试采用屈肘次最大负荷等长持续收缩力竭性测试，要求受试者呈站立姿态，手持各自最大自主收缩MVC的60％负荷重量，肱二头肌收缩使肘关节成90°，持续静态负荷过程中肘关节角度大于100°时结束实验，为了确保关节角度变化的准确监测，在受试者的小臂绑上一个电子水平仪，受试者在辅助者的帮助下调整小臂达到水平姿态，稳定后辅助者松开负重哑铃，开始用秒表记录时间，随着疲劳的累积，手臂向下倾斜至10°时电子水平仪响起提示音，判定动作任务结束，并记录持续时间。

肌肉抗疲劳能力(MF)测试方法：

在进行力量耐力测试的同时，配备肌电采集仪，肌电采集仪采用加拿大ThoughtTechology公司研制的Biograph Infiniti肌电采集仪设备，仪器采样频率为2048Hz，电极片使用上海跨康生物科技的3.9mm三扣式表面肌张力电极片。即在开展力量耐力测试的同时，完成肌肉抗疲劳能力的测试。

在实验前，9名受试者完成初测，即分别完成肌肉最大自主收缩力量(MVC)、一次重复最大力量(1RM)、力量耐力、肌肉抗疲劳能力(MF)四个指标的测试，测试结果如表2。

表2测试结果表

然后开展第一次磁场刺激。脉冲波形的参数制定如下：连续脉冲频率为3300Hz，占空比为50％，连续脉冲次数为20次，间隔刺激时间与连续脉冲时间的比值为10、整体刺激时间10min，磁场强度为3.0mT。

根据附图2和相关理论公式：

根据连续脉冲频率＝连续脉冲次数/连续脉冲时间τ

根据间隔刺激时间τ

根据一个周期的波形时间τ＝连续脉冲时间τ

整体刺激时间T为10min；

根据磁场强度为3.0mT，以及实验所使用的亥姆霍兹线圈相关参数，可计算得到输入电压U为8V；

根据高位脉冲时间τ

之后，将所得到的各项参数输入信号发生器，启动功率放大器，将脉冲波形的激励电信号通过功率放大器传输到亥姆霍兹线圈，使亥姆霍兹线圈产生匀强脉冲磁场，受试者将胳膊放置与承载部。最后，启动装置的磁场刺激程序实施实验，完成第一次磁场刺激。

在实验第一天第一次磁场刺激完成后，间隔2天，即第三天开展第二次磁场刺激。第三天仅开展磁场刺激工作，不进行相关参数测试(目的是使实验尽量排除抗阻力运动行为对肌肉的增强作用，下同)。第二次磁场刺激结束后，间隔2天，即第5天首先开展第二次肌肉最大自主收缩力量(MVC)的测试(此处仅进行肌肉最大自主收缩力量(MVC)的测试，其余三项测试不进行，原因是为了观察低频PEMFs对力量耐力的真实影响，减少因疲劳缓解导致的力量耐力恢复与增强，排除低频PEMFs对乳酸清除、延迟性肌肉酸痛、代谢产物清除的促进效应，下同)，实验结果如表3。

表3实验结果表

然后按第一天的脉冲波形参数进行第三次磁场刺激。第三次磁场刺激结束后，间隔2天，即第7天，开展第四次磁场刺激；第四次磁场刺激结束后，再次间隔2天，即第9天，开展第三次肌肉最大自主收缩力量(MVC)的测试，实验结果如表4。

表4实验结果表

然后按第一天的脉冲波形参数进行第五次磁场刺激。第五次磁场刺激结束后，间隔3天，即第12天，开展终测，包括肌肉最大自主收缩力量(MVC)、一次重复最大力量(1RM)、力量耐力、肌肉抗疲劳能力(MF)四个指标的测试，实验数据如表5。

表5实验数据表

经统计，将受试者的实验前、实验后测得的数据取平均值后，得到实验数据见表6。

表6实验数据表

从上表中可以看出，肌肉最大自主收缩力量(MVC)平均增幅为初测值的28％，一次重复最大力量(1RM)平均增幅为初测值的18％，力量耐力平均增幅为初测值的27％，肌肉抗疲劳能力(MF)平均增幅为初测值的6％。

从实验数据中可以看出：

肌肉最大自主收缩力量(MVC)和一次重复最大力量(1RM)的增幅可从现有研究机制中进行解释，低频PEMFs诱导TRPC 1可激活钙离子通道，引起胞浆中的钙离子增加，使钙调神经磷酸酶的活性上升，催化NFAT去磷酸化，激活的NFAT进入肌细胞核，其一，可以激活组蛋白乙酰转移酶PCAF，并增强MyoD的表达，促进肌细胞生成。其二，通过NFATC1和肌细胞特异性增强因子2(Mef2c)激活PGC-1a，从而使肌细胞产生有丝分裂，使骨骼肌产生适应性变化。

力量耐力和肌肉抗疲劳能力(MF)均显著提升，证明抗疲劳能力有所增加。力量耐力提升主要因素应是最大力量提升所致，进一步验证了现有研究关于低频PEMFs诱导TRPC1的机制。

PEMFs诱导TRPC1可引起CaN-NFAT通路中的PGC-1α激活，通过PGC-1α作为效应器去控制线粒体功能及能量的动态平衡，与钙调神经磷酸酶/NFAT催化级联协同作用，以促进肌生成及提升线粒体呼吸能力，可对能量代谢产物起到加速消除的作用，提升抗疲劳能力。研究表明，在经过PEMFs的短暂刺激后，小鼠肌细胞内的Ca2+浓度显著升高，这种生理促进效果可保持至磁场刺激后的48小时，并形成新的钙稳态，钙离子浓度与肌细胞膜兴奋性高度相关，而动作电位的传导依赖细胞膜的兴奋性，持续的钙离子补充为动作电位的维持起到重要作用。从力量耐力和肌肉抗疲劳能力(MF)的增幅可知，在疲劳状态下仍可保证动作电位的有效传递，延长持续收缩时间。

实施例二：

试验过程中共有17人因事因病脱组，最终183人纳入试验数据分析。

1、各组受试试验各指标前测组间数据差异分析。对本试验受试基础信息及局部肌力与核心稳定性相关指标前测采集后进行单因素方差分析发现，试验随机划分的四个组别中，基础信息、局部肌力、核心稳定性测试各数据与指标均无显著性差异，说明各组受试不同指标所测试水平一致，组间无显著性差异，可很好的进行试验方案对比，见表7、表8。

表7受试基础信息方差分析结果

*p<0.05**p<0.01

表8试验各指标前测方差分析结果

*p<0.05**p<0.01

2、各组受试局部肌力与核心稳定性各指标试验前测与后测组内数据变化。

(1)照射组局部肌力与核心稳定性各指标变化

对照射组局部肌力相关的MVC、耐力时间、MF指标后测分析发现，该组受试的最大自主收缩力相比前测显著提升(p＝0.000)，耐力时间(p＝0.000)与MF(p＝0.031)相比前测也出现显著性提升。对照射组核心稳定性相关测试指标分析发现，优势侧单腿跳远(p＝0.005)、优势侧单腿站立(p＝0.003)、仰卧起坐(p＝0.000)三个指标相比前测出现显著性提升，而柔韧性测试指标后测相比前测无显著性增长，见表9。

表9照射组配对t检验分析结果

*p<0.05**p<0.01

(2)训练组局部肌力与核心稳定性各指标变化

对训练组局部肌力相关的MVC、耐力时间、MF指标后测分析发现，该组受试的最大自主收缩力相比前测显著提升(p＝0.000)，耐力时间(p＝0.000)相比前测出现显著性提升，而MF相比前测无显著性提升。对训练组核心稳定性相关测试指标分析发现，优势侧单腿跳远(p＝0.000)、优势侧单腿站立(p＝0.010)、仰卧起坐(p＝0.035)三个指标相比前测出现显著性提升，而柔韧性测试指标后测相比前测无显著性增长，见表10。

表10训练组配对t检验分析结果

*p<0.05**p<0.01

(3)训练照射组局部肌力与核心稳定性各指标变化

对训练照射组局部肌力相关的MVC、耐力时间、MF指标后测分析发现，该组受试的最大自主收缩力相比前测显著提升(p＝0.000)，耐力时间(p＝0.000)相比前测出现显著性提升，而MF相比前测无显著性提升。对训练照射组核心稳定性相关测试指标分析发现，优势侧单腿跳远(p＝0.000)、仰卧起坐(p＝0.000)二个指标相比前测出现显著性提升，而柔韧性与与优势侧单腿站立测试指标后测相比前测无显著性增长，见表11。

表11训练照射组配对t检验分析结果

*p<0.05**p<0.01

(4)空白组局部肌力与核心稳定性各指标变化

对空白组局部肌力相关的MVC、耐力时间、MF指标后测分析发现，该组受试与局部肌力相关的三个指标相比前测无显著性提升。对空白组核心稳定性相关测试指标分析发现，仅仰卧起坐(p＝0.000)指标相比前测出现显著性提升，而其他后测指标相比前测均无显著性增长，见表12。

表12空白组配对t检验分析结果

*p<0.05**p<0.01

3、各组受试局部肌力与核心稳定性各指标试验前测与后测组间数据变化。

(1)试验后测各指标数据变化

对试验后测指标分析发现，不同分组样本对于体现局部肌力的MVC(p＝0.003)、耐力时间(p＝0.000)两个指标存在组间显著性差异，而不同分组样本对于体现核心稳定性指标的仰卧起坐(p＝0.000)与优势侧单腿站立(p＝0.040)两个指标存在组间显著性差异。其他指标组间无显著性差异。以上各出现显著性差异指标需做事后多重比较后再做进一步分析，以探明不同组别之间的差异变化。

表13试验各指标后测组间方差分析结果

*p<0.05**p<0.01

(2)不同组别各指标事后多重比较结果分析

通过上述组间单因素方差分析可知，试验后测各指标中MVC、耐力时间、仰卧起坐、优势侧单腿站立四个指标在不同组别中具有显著差异，为了探明各组之间的具体差异对上述指标进行事后多重比较分析。

①MVC事后多重比较结果分析

不同分组样本对于MVC后测均呈现出显著性差异，具体进行LSD方法，分组对于MVC后测呈现出0.01水平显著性(F＝4.699，p＝0.003)，有着较为明显差异的组别平均值得分对比结果为：训练照射>照射组；训练照射>空白组；训练组>空白组，见表14。

表14 MVC事后多重比较结果

*p<0.05**p<0.01

②耐力时间事后多重比较

分组对于耐力时间后测呈现出0.01水平显著性(F＝7.243，p＝0.000)，有着较为明显差异的组别平均值得分对比结果为：照射组>空白组；照射组>训练组；训练照射>空白组；训练组>空白组，见表15。

表15耐力时长事后多重比较结果

*p<0.05**p<0.01

③仰卧起坐事后多重比较

分组对于仰卧起坐后测呈现出0.01水平显著性(F＝8.886，p＝0.000)，有着较为明显差异的组别平均值得分对比结果为：训练照射>照射组；训练组>照射组；训练照射>空白组；训练组>空白组，见表16。

表16仰卧起坐事后多重比较结果

*p<0.05**p<0.01

④优势腿单脚站立事后多重比较

分组对于优势侧单腿站立(DLS)呈现出0.05水平显著性(F＝2.837，p＝0.040)，有着较为明显差异的组别平均值得分对比结果为：训练组>空白组；训练组>训练照射，见表17。

表17事后多重比较结果

*p<0.05**p<0.01。