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橫膈膜|呼吸肌肉的解剖與力學應用

橫膈膜|呼吸肌肉的解剖與力學應用




Contributed by Gray's Anatomy Plates


為什麼橫膈膜一塊肌肉能夠控制百分之七十的呼吸容量?

首先,我想引述 Dr James F. X. Jones 2002 年撰寫的文獻標題:The diaphragmtwo physiological muscles in one ,這一行字可以解讀為橫膈膜所在的位置劃分了胸腔與腹腔,也可以想成是橫膈膜上的三個孔洞(食道裂孔 Esophageal hiatus 、主動脈裂孔 Aortic hiatus 、腔靜脈開口 Caval opening )為身體分別帶來養分與血液的流動。

另外一個重要的臨床意義,則要從胚胎發育那時候說起了,橫膈膜的起源從胚胎第七周時的胸腹膜接合食道繫膜,形成初始橫膈的樣貌,直到第四個月,心肺等胸腔內部器官快速發育,橫膈下移,胸壁肌肉內層被牽引形成橫膈膜的腳Crural )。
要深入認識橫膈膜,我想可以從這塊肌肉的起始處說起。

橫膈膜的起始處可分為兩大部分

Crural part(橫膈腳)
Left L1-2 vertebral bodies and disks 
Right L1-3 vertebral bodies and disks 
Aponeurotic arcuate ligaments(弓狀韌帶)
Costal part
Xiphoid process
Costal cartilages of 7-12 ribs

橫膈腳起始於非常強而有力的肌腱,貼上腰椎前側,兩側分別貼在左側 1st - 2nd 與右側 1st - 3rd  intervertebral disks ,並且有弓狀韌帶連接人體軀幹近端兩塊重要的肌肉—內側韌帶連接 Psoas Major (腰大肌);外側韌帶連接 Quadratus Lumborum 腰方肌
也因為特別的位置、形狀與裂孔,許多文獻開始探討呼吸對於下背痛、胃食道逆流的影響,引起越來越多關注。

橫膈膜的結構也不同於常見的骨骼肌,他就像是一張傘狀結構,肌肉纖維呈輻射狀,傘柄就是橫膈腳,橫膈腳與傘面撐開的每個尾端就像是這塊肌肉的起始,他們共同匯集結束於傘頂面—橫膈膜的肌肉終點— Central tendon (中央肌腱)

骨骼肌收縮時由終點往起始點移動,所以橫膈膜的收縮過程中, Crural part Costal part 相對不動,而 Central tendon 向下移動,使胸腔空間增加,推往腹腔,由外觀看起來,腹部鼓起,這就是被叫做腹式呼吸的原因。接著,平靜吐氣至 Functional Residual Capacity ,橫膈膜回到放鬆狀態。

另外一個可能會讓你感到小小驚訝的事實:橫膈膜是有本體感覺的!橫膈膜的動作神經受到 Phrenic Nerves (膈神經)支配,同時膈神經與肋間神經也提供本體感覺回饋,讓我們感知到呼吸的動作,所以橫膈膜訓練能夠有效改善呼吸的深度。

精彩多變的生物力學角度

Contributed by Clinical respiratory medicine.
要更進一步認識橫膈膜的功能以及這塊肌肉與其他呼吸肌肉的整合,則要考慮特殊多重的力學方向。

橫膈膜收縮對下肋骨們產生的力量主要有二,其一是Insertional Force ,這是橫膈收縮拉起最下方的六根肋骨的上緣,這個力造成下方肋骨上提並外翻。其二則是 Appositional ForceApposition字面解釋為接合,從上圖可以讓我們了解橫隔膜的傘狀結構延伸到胸腔下緣,當胸腔擴張向下時,這張傘面同時也將壓力推往腹腔向外,傘面轉折接合範圍就是Zone of AppositionZOA
簡要來說,Insertional Force造成下肋的上提與外翻,而Appositional Force造成下肋與腹腔的外推


Contributed by Clinical respiratory medicine.

但仔細觀察上肋骨,你或許會好奇外推的力量並不明顯,這是甚麼原因呢?
準確來說,橫膈膜的收縮,增加了胸腔的上下幅度,使的肋膜壓力下降,造成整個肋腔產生了相對向內縮的力,只是這個力量在下肋沒有 Insertional Appositional Force 來的大,所以在下肋並不明顯;而在上肋,內縮力量較占優勢,所以橫膈膜對上肋的力量其實是內縮而不是外推的。

這裡要提供一個第五節頸椎脊髓損傷臨床案例,當其他吸氣肌因為損傷而完全癱瘓,橫膈膜是唯一的吸氣肌肉,會觀察到吸氣時下肋骨外擴而上肋骨內縮的表徵。
換句話說,對於上肋骨,有其他的呼吸肌肉與橫膈膜相抗衡,產生相反的動作,我們在正常個案身上才不會觀察到吸氣時上肋骨內縮。

橫膈膜失能造成的呼吸問題

教學經驗中,許多教練與物理治療師們常遇到Breathing Re-education(呼吸再教育)困難。感覺患者的呼吸方式很難矯正,明明教過無數次的腹式呼吸還是無效?已經供氧並確認過患者使用適當的藥物治療,卻還是在運動中喘得要命?通常我會建議評估這類患者的Zone of Apposition是否根本不在一個好的位置。

橫膈呼吸或者腹式呼吸又可以是一個完整的議題,因為網路上已經有許多很棒的資訊了,建議有興趣的讀者可以搜尋「全呼吸」或者推薦大家看看蔡郁羚物理治療師所寫的這篇文章,相信能為大家帶來耳目一新的思維。
Contributed by Clinical respiratory medicine.
上圖左側為正常,右側是肺部 Hyperinflation (過度充氣)長期推擠而造成橫膈肌下降變得較為平坦。
平坦的橫膈膜也縮短了肌肉長度,骨骼肌大多遵從 Length-Tension Relationship (長度–張力關係),也就是說當肌肉不在最恰當的作用長度時,能產生的張力也會比較差。
但是這裡還要提供兩個更多元的解釋。
首先,橫膈膜下降之後傘面結構被破壞,變得較為平坦,右圖的 ZOA 比左圖的少了很多,造成原本應該協助下肋骨往上提往外翻(有利於吸氣動作)的Insertional Force轉變為往內縮(利於吐氣動作),這下可好,利於吐氣動作就不利於吸氣,下肋骨往內縮讓人很難把氣吸飽;第二個解釋則起自 Laplace's Law (拉普拉斯定律) Pdi = 2Tdi / Rdi ,公式裡的Pdi在這裡是橫膈膜可產生的回縮力,Tdi代表橫膈膜本身的表面張力,這不改變,Rdi則是橫膈膜變平坦之後半徑變大了,換句話來說,已經被撐大的氣球要再繼續吹氣進去就更費力了

在已經排除心肺系統或其他器官的系統性問題之後,我會大力建議做更詳細的身體理學評估,以檢視橫膈膜的工作效率。

其他跟呼吸有關的肌肉們

the Intercostal Muscles,肋間肌群

肋間肌群由兩層薄薄的肌肉組成,分別為 External Intercostal (外肋間肌)與 Internal Intercostal (內肋間肌),兩層肌肉約呈直角交錯,名為肋間肌,就是因為他們的位置在兩根肋骨之間。
Contributed by Bruno Bordoni, PhD

External Intercostal 從上方肋骨起始,向前下方,接續到下方那根肋骨。Internal Intercostal 從下方肋骨起始往上方走。External Intercostal 在相對表層,Internal Intercostal 在裡層,所有的肋間肌都受到 Intercostal nerves 支配。

 ( The Mechanics of Breathing. Joseph Feher, in Quantitative Human Physiology, 2017)
兩組肋間肌負責的功能也大不相同,起源於他們的力學方向,吸氣外肋間肌收縮,從肌肉終點處拉起下方那根肋骨,造成吸氣時肋骨向上向外,擴大胸腔的周徑。這個動作又稱為 Bucket Handle Motion

Gray's Anatomy for Students E-Book. Elsevier Health Sciences.
同時,橫膈膜收縮並移動向下,也擴大胸腔空間使肺部擴張。
這裡也提供一個橫膈膜癱瘓的臨床案例,當橫膈膜失去功能,肋間肌變成主要的呼吸肌肉時,吸氣動作造成肋骨擴張,肋膜壓力下降,橫膈膜癱瘓無法提升 Trans-Diaphragmatic Pressure ,下降的肋膜壓便傳遞到腹腔,造成腹腔壓也跟著下降。
這就是為什麼橫膈膜癱瘓的患者在吸氣動作時,反而有腹部向內的反向動作,是非常重要的臨床表徵,然而要留意的是,這樣的表徵通常只出現在平躺姿勢下,因為這個姿勢下腹部肌群幾乎可以保持放鬆狀態,若在直立姿勢下,腹部肌肉會用力,這個特徵就會不明顯了。

內肋間肌的主要功能則是吐氣,起始的下方肋骨相對不動,上方肋骨被向下拉,造成肋骨向內向下。

the Sternocleidomastoids, SCMs,胸鎖乳突肌

正常平靜吸氣時不作用,只在主要吸氣肌群異常或者增加呼吸量時作用,屬於呼吸副肌。這塊肌肉的作用是在吸氣時把胸骨上提,增加上胸廓前後徑(而非左右徑),也降低下胸廓的左右徑。

the Scalenes,斜角肌群


Contributed by Gray's Anatomy Plates
重點先提:是非常重要的吸氣肌群,早在 1960 年代前就有學者認定斜角肌群是「最重要的呼吸副肌」,甚至有呼吸生理學家認為斜角肌根本就是主要的呼吸肌,不管是哪一種說法,都說明了斜角肌的特殊地位。
研究結果顯示,坐姿下,即便想嘗試很輕很輕的吸氣,斜角肌群仍然會作用。前中後斜角肌群起源自第二至第七節頸椎的橫突,終點於第一與第二根肋骨上,從肌肉的終點可以推測的到,斜角肌的功能是讓上肋骨微幅的增加前後徑,也同時是頸椎很重要的姿勢肌群。另一個有趣的發現是,當下肋間肌群用力時,斜角肌也會活化,我們還不清楚這個機制,或許他們之間有著更緊密的聯結。
臨床研究顯示:受到肺部長期過度充氣的影響,慢性阻塞性肺疾病患者的橫膈膜功能損傷,無形中增加了斜角肌的工作負荷,使斜角肌肥大。斜角肌原生的特性為傾向慢速收縮肌纖維,這種肌纖維又稱為紅肌纖維,一般而言是力氣與速度都較小,但卻很抗疲勞的肌肉;肥大且縮短的斜角肌常見於頭前傾,因為斜角肌縮短又更增加肌肉張力,並降低肺容量,讓呼吸更形困難。

the Abdominal Muscles

在軀幹腹腔前外側的肌群,包含 Rectus AbdominisExternal ObliqueInternal ObliqueTransverses Abdominis 等肌群在呼吸功能的作用是略為內收腹部,增加腹內壓。穩定的腹內壓有助於協助吐氣動作,讓橫膈膜回到休息位置,這些腹部肌群也是咳嗽時不可或缺的。

以上是我個人針對橫膈膜與呼吸相關肌肉這個主題,整合解剖、醫學研究發現、以及臨床治療經驗,寫給想要多認識呼吸議題的朋友們。橫膈膜對人體最重要的呼吸功能有著莫大的影響,不只改變了呼吸疾病的病患的呼吸功,對健康族群的運動表現也有極大的關係,如果您發現本文對身邊的朋友們可能有幫助,歡迎分享本文,更歡迎先進們不吝留言分享您的經驗,讓我們共同學習成長。

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