骨移位现象的力学原理
骨架结构的力学变化规律符合机械力学原理
“我们应该尽我们所能地科学工作。”
——Gregory P.Grieve《脊柱松动术》
骨伤科生物力学是应用经典力学的原理和方法研究人体运动系统生理病理及筋骨损伤性疾病的病因、病机、诊断、治疗及预防的科学。
对于以骨结构立体移位现象及“骨移位相关疾病”为出发点的“东方柔性正骨疗法”来说,不仅需要通过力的分析来了解导致人体筋骨结构发生相关病理变化的性质及过程机制,更需要研究如何通过不同表现形式的力的作用,来整复力学紊乱状态下的筋骨结构。
导致骨移位的力的来源
对于骨结构发生移位的原因,学术界已经有了力学失衡的共识。
失衡,是一个定性的描述,是对力学结构紊乱的笼统概括。手法医疗要做到精准的诊疗,就必须对力的具体失衡原因、失衡类型、失衡过程与细节以及失衡力的传变等等相关方面深入追究、探讨。
骨移位整复的一个核心问题,是要尽可能弄清楚导致移位的异常力的性质与来源。了解了力的来源,就可以知道力的传递途径及其作用链条,我们就可以尽可能地从根本上解除异常力。否则,大多数情况下错位的纠正,都将是不稳定和不彻底的。
1.外力
跌仆损伤,外力撞击、击打、坠堕、牵拉、碾压等均可导致骨结构发生病理性移位。
人体跌倒在地,或从高处坠落时,人体所受的地面反作用力(直接暴力)不仅会导致受力局部的软组织损伤,同时还会引起受力部位的骨结构发生形变(骨折)和/或移位。而且由于力在骨结构间的传递,更可能引发力传递路径上的其他骨结构的移位,甚至形变(骨折)(间接暴力)。
骨质疏松的老年人跌倒时,人们最担心的是,是否会发生股骨颈骨折或椎体压缩性骨折。
由于受到直接或间接暴力作用而导致相关骨结构发生移位的病理过程,在伤科诊疗中常常被漏诊,以致治疗过程不够彻底而留下所谓的后遗症状,使得病情迁延难愈。
2.肌肉的异常收缩力
肌肉收缩力可能导致骨移位的认知,是“东方柔性正骨疗法”骨移位病因理论的重要内容之一。
急性损伤的软组织会因其剧烈收缩而牵拉骨结构使之移位,这样的情况极为常见。运动过程中猛烈的牵拉、身体失衡时肌肉的强力收缩、因损伤而急剧发生的痉挛、收缩等,均可导致相关骨结构发生不同程度的病理性位置改变。
长期因工作或运动而强力收缩的肌肉会逐渐拉动骨结构使之发生移位。包括长期进行需要肌肉强力收缩的运动锻炼、长期重体力劳作,以及长期不良姿势下的运动、劳作及生活习惯等。
肌肉软组织病理性收缩,可牵拉骨结构使之移位。如肌肉抽搐、筋膜挛缩、平滑肌痉挛等。
肌肉的异常收缩力引起骨结构移位的方向规律:肌肉收缩有向心收缩和离心收缩两种类型。骨结构移位的方向与相关肌肉收缩时拉力线的方向相同。
举例而言,髌骨受股四头肌的强力牵拉可能向上移位,造成髌骨上位,或者因髌韧带损伤收缩而牵拉髌骨向下移位形成髌骨下位;跟骨受跟腱的收缩牵拉而呈点头式移位,或因跖筋膜挛缩而牵拉跟骨发生仰头式移位;掌骨、腕骨、尺桡骨因前臂肌群的收缩而向近端移位;各种原因导致的腰大肌强力收缩,可将腰椎拉向曲度增大的方向,并同时将股骨拉向外旋的方向。
3.自身的重力
患者自身局部或整个身体的重力可能导致相关骨结构发生移位。
这种情况通常可在体重过大的情况下,伴随身体疲劳、或年老体弱、或罹患虚损性疾病等,再加上生活或工作中存在着习惯性的不良姿势,病理性骨移位便极易发生。举例如下:
●膝骨关节炎患者,其自上而下的重力和自下而上的支撑力于膝部异常交集,关节面对合不良,应力分布异常,关节软骨局部压强过大而磨损。如果患者体重严重超重,而且在工作时还需长时间站立或行走,则膝部软骨磨损的病理进程显然会加速。
●习惯于在躺椅上半躺坐的患者,其自身躯体的重力作用于躺椅椅面,椅面的反作用力则作用于坐骨结节的异常受力部位(坐骨后侧),而这个力,将推动坐骨结节向前上方向移动,于是骨盆便向仰角增大的方向旋移。
●睡觉时,如果习惯于身体半仰半侧卧位,则受压侧股骨在身体重力的压迫下容易发生外旋移位,并同时骨盆向相反方向旋移,引发股骨大转子疼痛综合征或阔筋膜损伤,或腰痛腿痛。老年人及哺乳期妇女尤其容易发生此类状况。
●睡觉时长期固定一个方向侧卧,易引发受压侧肩胛骨、锁骨移位和胸廓变形,导致心肺功能出现不同程度障碍。这种状况在普通人群中常见,老年人更容易发生。
除上述情况以外,局部肢体的重力导致骨移位的情况,常见习惯固定单侧侧卧时,在枕头高低不合适(过低常见)情况下,除了颈椎极易出现序列紊乱和旋转侧弯,头部重力还可能导致颅面骨移位。
4.医源性力
在临床治疗过程中,对患者肢体结构进行了不当牵引、不当推拿,或者对患者开置了不当运动处方,或者置患者肢体于不良体位下进行手术等等医源性原因,均可能导致患者骨结构发生病理性移位,或使移位加大而引发相关症状或加重病情。如:
●对骨盆后下错位患者行单一骨盆牵引治疗。
●对颈曲减小的患者行颈部牵引。
●对腰曲过大患者行腰部后伸体位下的按压推拿。
●对腰椎因旋转而深陷侧的棘突旁压痛点进行肘压。
●对腰曲反张、或单侧髂骨后下错位、或骨盆仰角增大患者行屈膝屈髋滚盆手法,或抬腿屈膝屈髋运动。
●嘱膝骨关节炎患者行负重下的蹲起运动。
●嘱腰曲过大患者做快速行走运动。
●手术过程中有意或无意挪移骨结构,却没有进行相应精细化检查及复位。
5.人体内在结构间力的传导效应
人体内在结构间力的传导效应,不是一个独立的作用力类型,而是力在作用过程之中共有的现象,贯穿于上述所有作用力类型之中。
无论是直接暴力作用下快速传导的间接暴力,还是在自身重力或肌肉收缩力作用下力的慢速传导,力在结构间的传递过程,是各种力作用的共有过程和效应。这个过程属间接暴力范畴,但在该传导力没有造成骨结构明显变形破坏的情况下,这个过程常常被忽视,需要我们在诊疗时重点关注。
在力的传递路径上的所有筋骨结构,均可能由于力的作用而发生位置状态和力学环境的改变。
如果原发暴力沿其作用力方向传递的过程顺畅、阻力较小,则其力传递途径上的骨结构会向力的作用方向移位。
如果力传递的过程受到路径上刚性结构的阻挡,若其势能巨大,则该处骨结构就可能出现骨折或脱位;若遇阻挡时,其移动结构的动能已经衰弱,则可能只是导致该处关节间隙狭窄。
如果作用力传至原本就位置异常的骨结构,则其力的传递方向可能出现顺势转折,而使该骨结构发生偏向于阻力薄弱方向的移位。
因此,在临床上,我们除了应对显而易见的、直接暴力作用于局部的软组织损伤以外,还必须对由此造成的原发与继发骨移位有着足够的认知及对待措施,并有着积极的应对措施。
引发骨移位的力的性质
从导致骨移位的力的来源分析,我们不难发现,机械性、物理性外力作用是导致人体筋骨损伤的主要原因之一。而手法正骨的主要原理,就是主动运用特定大小与方向的机械力,作用于紊乱、移位的筋骨结构,产生相应的力学效应来达成整复目标。
孟和、顾志华主编的《骨伤科生物力学》记载:“当外力使物体发生变形,质点间产生相对位移时,质点间的相互结合力也就有所改变。这种因外力作用而引起的质点结合力的改变量称为附加内力,简称为内力,其作用使各质点恢复其原来的位置。”
上述科学文字,可谓在相当程度上揭开了在中华武林流传甚久的“内力”的神秘面纱,让我们能够客观地了解“内力”这一特殊作用力的概念、特点及其作用过程。
由此我们可以了解,“内力”的本质其实就是人体内在结构间的传导力。外力、内力都是机械性力的不同表现形式。
在民间广为流传的手法“内力”,是手力透过皮肤筋肉而深透性地作用到人体骨骼或其他特定目标上的控制性作用力。“透筋挪骨”之力即是此手法“内力”的典型代表。由于该手法“内力”的有效作用点不是在肢体表面,而是深在于身体内部,所以,这种手法作用力即属前述科学“内力”的范畴。
“东方柔性正骨”施术者在进行“内力”手法操作的过程中,不仅要将力作用到深在体内的目标结构,更要在“闭目冥心”的状态下感知到、“看”到力的作用过程和结果。
力的类型及力线
1.重力与重力线
重力是地心对位居地球上的所有物质产生的引力。人类生活在地球上,当然也毫不例外地受到地心的吸引而产生人体重力。重力的方向指向地心。
人体直立时,颈部、躯干和下肢纵向关节间的压力,主要来自重力。而当这些纵向关节稳定性减弱或失稳时,失稳关节旁跨关节的肌肉就会收缩,以维持关节的稳定。由于跨关节肌肉的强力收缩,将使关节间的压力也随之增大。因此,这些纵向关节的正常或异常退变,均与重力直接相关,也与关节旁肌肉的收缩甚至挛缩、僵硬状态产生联系。
人体重力线是重力沿人体中轴线垂直向下穿过人体重心所形成的力线。
站立位时,人体重心在第2骶椎椎体稍前方,通过此重心点的上下垂直线为重心线。侧面观相当于乳突、下颈椎、肩关节、第12胸椎体、第2骶椎、髋关节、内踝的连线。
2.承重与承重力线
承重是指位居下位的刚性结构承受上位物质向下的重力的过程。
承重力线,指位居下位的刚性结构,依其结构的纵轴方向及其承重面的朝向,对其所承受的上位物质重力的反作用力线。
重力与承重力是一对作用与反作用力,这对力的大小相等而方向相反。重力线的方向永远是垂直向地心的,而承重力线虽然总体是向上的,但会依刚性承重结构的轴向及其与重力结构接触面的朝向而出现力线方向的不同。
人体重力的方向是从上向下的,而人体的承重力方向便是从下向上。所以,在通常情况下,人体逐级刚性(骨)结构的承重力是从下向上传递的。也就是说,位居下位的骨结构的位置状态,是影响位居其上位的骨与相关结构力学状态的重要因素之一。
因此,当脊椎发育不良或先天变异而出现半椎体,导致婴幼儿先天性脊柱侧弯时,我们就可以了解,脊柱侧弯的发生是患椎左右两侧不等高的半椎体上缘承重接触面的斜坡方向所决定的,因而彻底的治疗需要将半椎体从脊柱结构中拿掉才能有效纠正脊柱侧弯,故此先天性脊柱侧弯不能成为徒手正骨疗法的适应证。
下肢承重力线,即下肢的长轴力线。正常情况下,该力线通过踝关节、膝关节及髋关节的中心。下肢承重力线与垂直向下的人体重力线呈3°左右的夹角。
在人体承重结构关系中,最特别的是骶髂关节。通常情况下,承重结构与重力结构的上下位置关系是明确的,如膝关节的胫股关系、髋关节的股骨头与髋臼所在髋骨的关系等。但是,在骶髂关节,重力结构骶椎却在下,而承重结构髂骨在上,与常见的承重结构的位置关系正好相反。这类结构的奥秘,在连接骶骨和髂骨的骶髂韧带上。骶髂韧带从髂骨关节部发出,向下连接骶骨耳状关节面及其周围,悬吊着骶椎,维系着骶髂关节这个特殊承重结构的稳定性,因而骶髂韧带必须是强大的。也因此,有学者认为骶髂关节是不容易受损伤而发生错位的。
只是我们的临床观察发现,骶髂韧带虽然强大,但骶髂关节依然容易发生紊乱。其中的缘由,一来与骶髂关节紊乱的形态有关,如线性移位不容易发生,但角位移就不一定了;其次,不良姿势下人体重力的作用,以及剧烈运动时的冲击力,也时时考验着骶髂韧带的强度及骶髂关节的稳定性。
3.压力
重力与承重力的组合,或者说推动力与阻挡力的组合,构成了结构间的压力。压力与重力,或其推动力呈正比。在重力与承重力、推动力与阻挡力相等的情况下,结构间的压力处于稳定状态。
与压力相关的概念中,若受压结构是固体,如骨结构,则其刚度最为重要。若其刚度小于其所承受的压力,则受压结构将不再保持稳定,而将出现形态(破碎)的变化。
若受压结构是纤维软骨,如椎间盘,则在持续处于超出其正常承受能力的压力的情况下,纤维软骨(椎间盘)的结构退变便会发生。
在重力相等的情况下,受力面积的大小及应力部位的变化,可以决定受力部位所在结构是否可能存在受损伤的状况。
同样的压力作用于正常的承重结构部位,不会发生问题;但同样的压力作用于承重结构的非正常受力部位,问题就来了。坐骨结节滑囊炎不就是在坐骨结节承重部位出现移位的情况下发生的么?!
4.肌肉拉力线与骨轴线
肌肉收缩时会产生一定的向心拉力(张力)。肌肉拉力线是肌束沿其收缩方向产生的张力线。
肌肉通常跨关节而附着于不同骨结构的两端,当其主动收缩时,肌肉向心收缩,会拉动其附着两端的骨结构向中间靠拢,因而其两端附着的骨结构均存在着向该肌肉中间(肌腹)方向移动的势能。此时肌肉的拉力线是从肌肉两端指向肌腹中间。
当某一骨结构发生特定方向的移动时,将会带动附着其上的肌肉向其相同的方向移动,因而在该肌肉另一端附着点位置不变的情况下,该肌肉就会发生张力的变化,此时肌肉拉力线的方向是由肌肉附着止点(不动点)指向肌肉附着起点(原发动点)方向;或者因其张力变化而拉动其另一附着端的骨结构发生移动,其最终肌肉张力的大小保持不变。此时肌肉拉力线方向也是由止点(继发动点)指向起点(原发动点)。
这种情况,就是在股骨内旋时,可以是骨盆位置不变,保持原有的前倾角状态(正常或仰角过大),也可以是骨盆前倾角过大,这两种不同状况的内在力学机制。
骨轴线即是长骨干的长轴线。力通常沿着骨轴线进行传递,因而骨轴线是力在躯干、肢体上传递的主要路径和方向。
下肢的长骨轴线,是胫骨长轴线与股骨长轴线的结合。由于股骨颈的存在,股骨长轴与胫骨长轴不在一条直线上而呈5°~7°的夹角,因而形成膝关节的170°~175°的生理性外翻角。
由于膝关节生理性外翻角的存在,以及胫骨8°~10°的正常外旋角度,使得髌骨的正常位置略呈外移的状态而非居中。
5.张力
与拉力相关的概念中,软组织的张力显得尤其重要。
在平衡状态下,软组织所受的外来拉力与其内部的张力是一对大小相等、方向相反的作用力。
软组织两端附着点间的距离与方向变化,将直接导致软组织所受拉力的大小发生变化,进而引发软组织张力的改变。距离增大则张力增大而紧绷,距离减小则张力减小而弛张。
张力的概念与作为黏弹性材料的软组织密切相关。软组织黏滞性增大,则其张力增大。软组织流动性增大,则其张力减小。
在静息状态下,人体软组织有着保持较低恒定张力的趋势。
在软组织的张力概念下,当软组织被外力拉长时,需要明确的是张力承受的主体结构所在。
6.扭转力和弯曲力
人体脏器组织在受到内外力作用时,若作用力的方向与该结构的轴线存在特定的角度与距离关系,又或者在该作用力发生的过程中还存在(或继发)着邻近结构对该结构的其他作用力,则根据具体情况,该作用力可表现为以下各种不同形式。
扭转力:作用力的方向为标的结构的切线方向;骨结构发生角位移时,附着其上的软组织会受力而发生扭转。软组织扭转力可使穿行于软组织之间的管道或通道发生扭转而阻塞。
弯曲力:力的方向与骨轴线垂直,作用力与存在一定距离的相反方向的阻挡力共同作用于骨结构的弯曲力,以致标的结构屈曲侧压力增大,伸展侧张力增大。在脊柱侧弯的结构分析中可以看到弯曲力的具体表现。只不过该处的弯曲力所导致的侧屈压力和伸展侧张力不是发生在同一骨结构上,而是主要出现在脊柱系统内的不同结构上。侧屈压力作用于屈侧的椎体和椎间盘部分,而伸展侧张力则主要表现在对侧(伸展侧)的椎旁小肌群上。
筋骨结构的平衡与失衡
人体筋骨结构出现力学紊乱的主要表现之一,是相关骨结构出现相对或绝对移位后,跨关节的重力线或承重力线或其他骨结构间的传导力线,在所跨关节处发生力线的不连续或转折,以致该局部或整体肢体结构的力学传递效率下降,进而导致该系统的力学稳定性下降,肢体结构失衡。
在肢体运动状态下,如果相关筋骨结构的位置及其作用力线发生异动,作为支点的关节原点位置将出现异常变化,筋骨系统协调关系受到影响,系统功能发生障碍,肢体运动范围便会减小、运动效率降低,甚或出现相关症状或疾病。
骨关节力学结构异常,则维系骨关节稳定与动力来源的软组织的力学状态必定随之发生变化,异常应力持续存在,软组织的急(慢)性损伤或异常退变将随着时间效应而不可避免地发生。
结构失衡与躯体失衡是两个不同的概念。
结构失衡是局部结构在其失衡关节处的力学传导性及关节稳定性被破坏,失衡关节需要关节内外跨关节软组织付出额外贡献才能重获稳定。
而躯体失衡,是指垂直穿过躯体重心的重力线超出肢体支撑面而导致躯体整体失稳的现象。