戴銘宗物理治療師

以傳統生物力學常用的槓桿定律的架構來看人體,若這些定律真的發生在人體身上,人體是否真的能承受所產生的力矩(torque)呢?槓桿定律也許在人體受傷時可以解釋為什麼這個動作會對肌肉產生很大的作用力,而且讓人覺得證據確鑿,但卻無法解釋為什麼不同人做同樣動作,有些人就不會受傷,如果槓桿定律不能解決這個問題,那麼是否表示人體尚有其它的運作模式存在?

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脊椎拱住理論(spine arch structure):

當張力所產生的壓縮力大於物體重量所產生的力矩時,物體就可以穩定懸掛於牆上。

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這樣的想法若要實踐於脊椎上,有三各基本的假設要成立:

(1)在拱柱結構中不負責傳遞任何張力:這意味著把脊椎視為一整體結構,其負重的傳導是經由壓縮力傳制結構中任何一處,雖然椎間盤與椎體具有一定的伸展長度,但只要張力不橫越拱柱結構中椎體的橫切面,就可以避開這各問題,例如橫向的胸腰筋膜層可以分散張力。

(2)拱柱結構中有無限的抗壓強度:結構中產生的真實壓縮力很低,所以不會破壞結構裡的組織材料,也就是說,在理論模型的計算中,比較椎體的壓粹力,壓縮力相對較低,所以脊椎中的壓縮力不會傷害椎體或椎間盤,導致脊椎塌陷,雖然有可能造成椎間盤突出或骨刺出現,但這不影響壓縮力的傳遞,因為椎體與椎間盤之間有強韌的韌帶支撐著,所以仍然可以傳遞壓縮力。

(3)不能發生滑動性破壞(sliding failure):椎間盤有足夠的阻力對抗椎體間的剪力(shear forces)。

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(1)當推力線完全位於拱柱結構內,力量會從一個結構截面經由壓縮力完全傳輸到下一各截面,若是在極限狀況,當推力線位於拱柱結構表面上,某些張力會產生在相對表面上,不過因有椎體一節絞住一節,拱柱結構仍在壓縮力的控制下(臨床觸診會發現有些脊椎是陷進去、有些是凸出來),當推力線位於拱柱結構外,張力會在整各結構截面產生,此時,拱柱結構就會有些不穩定。

(2)什麼情況下拱柱結構會整各被破壞?當至少有四節脊椎是靠一節絞住一節,就會把整各脊椎轉換至機械效應(槓桿定理),若其中有一節絞鏈機制(hinges)進一步遭受破壞,拱柱結構就會塌陷,通常一節絞住一節的地方最容易有痠痛出現。(他的想法類似spine tensegrity)。

正常的直立姿勢下,腰椎形成一各拱柱結構,把椎體靠近身體重心,而當身體彎曲姿勢下,腰椎會聯合胸椎與頸椎形成一各大的拱柱結構,不過,脊椎是一各動態結構,並非由兩端固定的基台祖成,一端是較穩定的薦骨,另一端則是由體重、肌肉與韌帶結合而成,這相對性的基台構成是依身體姿勢而定,例如,在直立姿勢下,肌肉的作用較少,重量就沿著脊椎軸心傳遞,當身體彎曲九十度,此時肌肉作用較大,而重心垂直於脊椎軸產生力矩,但當身體彎到底時,又不一樣了,肌肉作用趨近於零,轉由韌帶承受負重。

在拱柱結構裡,肌肉與韌帶是屬於內在力,而體重與腹壓則是屬於外在力,兒體重又區分兩小部分,一部份包含頭與肩膀約占體重的18%,主要作用於T2,另一部分是軀幹的部份約占體重的30%,主要作用於T12。

脊椎張力均衡理論(spine tensegrity):

張力均衡(tensegrity)是推力(push)與拉力(pull)維持在均贏(win-win relation)關係下的一種模式,拉力是一直持續的(continuous),而推力則是處於間斷式的情況下(discontinuous),持續性的拉力會經由間斷性的推力來平衡達到一個張力完整狀態(integrity of tension),也就是壓迫力(compression),在人體系統裡也有張力均衡(tensegrity)這樣的架構存在,肌肉骨骼系統就是其中一種,肌肉提供持續性的拉力,而骨頭則是給予間斷性的推力,肌肉與骨頭之,間的作用力會維持在一個固定的平衡狀態上。

身體裡的動作機制主要是有耦合運動模式(coupled motion),耦合運動模式主要的基本架構須有兩條張力帶所控制的樞紐機制(hinge mechanism),如膝關節的動態機制,有一種稱之為Jacob’ Ladder的小孩子玩具(如下圖),它本身就是一種張力均衡(tensegrity)架構,它是由許多磚片(tiles)經由具張力的緞帶交叉串聯而成的玩具,當翻轉一側的磚片時會產生一個具控制性的旋轉動作,所以當末端的磚片與其它磚片分開時,此時整個結構都會處於張力狀態下,因此一個耦合的翻轉動作(coupled tumbling)就可以發生,且它動作的方向可以由上至下或是由下至上,甚至是側邊方向的動作都可以產生,這樣的交叉韌帶型態(crossed ligament pattern)動作模式除了可以用來解釋膝關節,也可以說明脊椎的耦合運動(coupled motion),(White、Panjabi 1978),因為椎間盤是由環狀纖維與核帶纖維所構成,而背部的肌肉與韌帶也是呈現一種交叉型態。

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張力均衡理論的特性就是任何一各動作都會產生一各彈性位能,大至整各脊椎彎曲,小至關節面的滑動,這各彈性位能有助於骨架用最少的能量消耗回復最初的狀態。

想法

(1)感覺人體的脊椎架構是在兩種極端中游走,拱柱理論下的脊椎雖然穩定性高,但活動度似乎不夠靈活,像有腰痛的病人,而張力均衡理論下的脊椎,就像是瑜珈大師,每各關節都很鬆,但依然可以行走爬山跑步拿重物。

(2)脊椎拱柱理論認為腹壓是一種外在力,可以增加脊椎的穩定,有椎間盤突出問題的人增加腹壓可以減緩症狀,而張力均衡理論則是認為腹部所有組織包含內臟都是系統下的一部分,執行能量的傳送與彈性位能的儲存,當系統正常,怎麼動腰都不會痛,不用刻意去注意腹橫肌有無收縮。

(3)張力均衡理論下的脊椎就像小孩子,一各兩歲大的小孩,只要肌肉力量夠用,就可以爬上爬下,鑽來鑽去,而脊椎拱柱理論下的脊椎就像老人,也許不會痛,但慢慢地不靈活了,而年輕人的脊椎就介於這兩者中間,偶爾腰痛,痛完還是很靈活。

(4)不管是哪一種理論下,一各反覆的日常生活動作,都可以增加肌肉力量,這是槓桿定律,也就是說人體會因應環境而自我強化,就像骨質增生本身也是一種強化,既然會自我強化,為什麼還會有疼痛出現呢?依張力均衡理論,一端的強化,會造成另一端產生彈性位能,若這彈性位能一直無法有效消散,勢必造成骨骼肌肉系統出現問題。

(5)系統中只要有一部份出了問題,勢必有其它部份來代償,槓桿定律剛好可以發揮作用,設計運動強化代償區域,只是,我比較好奇的是,如果我可以處理到系統出問題的地方,而不是代償的地方(通常是個案主述疼痛的地方),那還需要做運動嗎?只是系統有多大,若依拱柱理論,系統可能直指骨骼肌肉系統,若是張力均衡理論,任何會影響到結締組織的都是系統中的一部分,除了骨骼肌肉系統,包含思想、情緒與生理。

若要前來物理治療所處理 請記得攜帶醫師的診斷、照會或醫囑。

圖片來源與參考資料:

1. Aspden, R. M. 1989 The spine as an arch: A new mathematical model. Spine, 14:266-274.

2. Textbook of Musculoskeletal Medicine.P

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