专家论坛 | 腹壁的力学原理
陈双教授
【引用本文】陈 双，周太成. 腹壁的力学原理[J]. 中国实用外科杂志,2021,41(4):371-373,378.
腹壁的力学原理
陈 双，周太成
中国实用外科杂志,2021,41(4):371-373,378
从物理的力学角度来考虑腹壁疝的形成及发展，腹壁受各方向力的作用下，通过自身接触性的张力，维持腹壁的稳定性。但在加速度、净力不为0的情况下，根据拉普拉斯定律及帕斯卡原理，即同样的腹内压下，疝囊、缺损部分承受的张力要明显大于正常腹壁，此时张力会造成腹壁疝的发生、发展。根据力学原理，腹壁疝手术考量应该尽量恢复疝囊缺损部位张力可承受性（即缺损的关闭），还需要保持张力加速度及静力为0（即立体缝合下的疝囊折叠、齿轮效应），这样才能妥善治疗腹壁疝并最大程度减少疝的复发。
基金项目：广东省基础与应用基础研究联合基金（No.20202011050000094）
作者单位：中山大学附属第六医院胃肠、疝和腹壁外科 广东省结直肠盆底疾病研究重点实验室，广东广州510655
通信作者：陈双，E-mail：chensh2@mail.sysu.edu.cn
力学属物理学的基础。本文从物理学的力学观点出发，尝试就腹壁张力的有关表现与作用机理做一厘清和阐述。
1 张力及其存在形式与特点
1.1 力的分类 在物理学上力可以分为接触力（contact force）和非接触力（non- contact force）。接触力是需要与物体相接触所产生的力，医学上几乎所有机械力均为接触力，如肌肉力、摩擦力、拉力、弹力、空气阻力等；相反，非接触力可以在不与任何物体接触的情况下产生，如磁力、静电力等。张力属于接触力［2］。张力可定义为物质受牵拉力作用时存在于其内部且垂直于两个相邻部分接触面上的相互牵引力，如图1所示，一条绳索被牵拉，A至B之间任意一个点内部所产生作用力就是张力，腹壁上存在着这种张力，腹壁的A点至B点分别就是脊柱的左侧和右侧。张力的大小，以牛顿（N）为表示单位。
1.2 张力的特性及腹壁临床表现 （1）张力是一种存有方向的力，它成对出现，力的方向相反，而且张力还可以按一定的轴向进行传导。其轴向可以是一维的，也可能是二维或多维的。腹壁上的张力是多维的，因为腹壁本身就是一种曲面。例如腹壁的修补材料，目前大多数都是编织物，编织物就有纵向拉力和横向拉力，专业名词就叫各向性(anisotropy)。有研究显示腹壁本身也存在各向性，腹白线的各向性在8~9左右［3］，变化最大。这与腹壁的刚性、顺应性有关。（2）张力可以存在加速度，如果某一张力存在加速度，就意味着图1中A至B之间的绳索被拉长。相反，当加速度为0时，不论在绳索A、B两端加多大的力，如果绳索的长度未发生改变，这种情况可以认为张力净力为0，说明在这种条件下，整个张力系统平衡稳定。在临床上，腹壁结构与功能正常时，尽管腹壁上的每个点之间或每截面的腹壁上都存在张力，但其净力为0或者说这一对力两边相等，所以系统稳定。以此观点，腹壁疝的发生就是腹壁的张力存在着加速度，净力不为0。因此，在存在张力作用下，腹壁疝的缺损会渐渐向切口的两端增大，通过张力的概念来理解腹壁疝的形成和发展或术后复发也更符合科学性［4］。
2 腹壁的张力特点
腹壁的形态上表现为曲面，曲面或圆形的张力特点。 2.1 曲面或圆的壁承受的张力遵守拉普拉斯定律（Laplace's law） 拉普拉斯（1749-1827年）是法国著名科学家、数学家，在天文、力学、微积分、概率论等许多方面做出了伟大贡献［5］。他在《天体力学条约》书中阐述了球形成或曲面壁上承受张力状态及张力计算，通过检查横截面的厚度（u）设定由内部压引起的张力与其内压（p）和圆形或曲面的半径（r）成正比，与u成反比［6］。
即t[=p × r2u]，如图2所示，计算出的具体数字，单位用N（牛顿）表示，在地球上每千克（kg）的物体能产生9.8N的力。注意：N是一种表示力大小的单位，千克是质量单位。
2.2 临床上如何感受张力 拉普拉斯定律表达式很简单，壁张力与曲率半径（r）和其内压（p）成正比（相乘），与厚度成反比。在现实工作如何感受张力存在和张力的差别，图3红色的气球所示就可以想象出宽与窄的部分，如果触摸一下，背宽的部分硬，窄的部分软。其实，这与压力或压强关系不大。在一个密闭的容器中（水），压强的大小可以不变的传递到各个部分，这就是著名的帕斯卡定律（Pascal's law） ［7］，见图4。感觉的差异主要来自腹壁承受的张力不一样，因为气球宽窄的曲率半径不一（相差10倍）［4］。在临床上，切口疝病人特别是较大切口疝，疝囊的曲率半径也是明显大于病人腹壁的曲率半径，所以在同样的腹内压条件下，疝与非疝部分所承受的张力不一，疝所在部分要明显大于正常腹壁。其原因一是曲率半径大，二是疝囊的腹壁组织厚度比正常腹壁薄。这也就是为什么腹壁切口疝会成长、会渐渐增力的原理［8］。所以，对于人类腹壁上由腹内压产生的压强可以一样，但在某一部分，承受的张力不同。
3 腹壁张力、切口疝与手术技术
从力学原理出发，我们可以清楚了解：切口疝的发生、发展都是因为腹壁存在张力，它是产生切口疝的原动力。切口疝的本质就是腹壁的肌肉层出现问题，肌肉层中出现了非连续性，即存在缺损。而且这个缺损在张力的作用下会逐渐增大。 腹壁的张力无时无刻都存在，偶尔还会因为咳嗽、打喷嚏、排便等动作造成肌肉的收缩，瞬间改变了腹壁所承受的张力，这种瞬间变化也是疝成因和发展的力学因素。
通过腹腔镜在内面观察腹壁和疝的形态，可以发现：原先在腹壁上的线性切口，一旦形成疝之后，随着时间延长形态上都是向圆形发展，腹壁上的缺损在腹腔镜下表现是一个圆或者多个圆凸起，这些都是张力存在和作用的证据。
3.1 外科技术应对张力 开放手术只要进入腹腔，完成手术就必须全层或逐层缝合关闭腹壁。由于临床上存在腹壁“切口裂开”这一并发症的可能，一旦出现就需要急诊手术处理。外科技术经过了一个多世纪的历炼，也形成了处理和应对这些与腹壁张力有关的技术。（1）减张缝合：像切口裂开、内脏外露这样严重并发症，外科医生的应对方法是减张缝合。所谓的减张缝合就是使用更粗、更强的缝合材料，甚至是钢丝等金属材质，以更大的针距全层或除腹膜以外的腹部诸层进行拉拢缝合，同时要求解除这种缝合张力的时间更长，拆线要两周或以上时间。即：这一技术给腹壁保留更强更长的张力支持。但这种技术也有弊端，切割肌肉、影响血运，还会给病人留下更痛、更长、更深的体验和瘢痕。减张缝合能否预防切口疝的发生，尚无充分的临床证据［9］。故此，本文不再赘述。（2）切口减张，肌肉筋膜释放（myofacial release）张力：通过切口减张可以应对张力。最典型的例子可以追溯至上世纪的40年代，美国医生 McVay的腹股沟疝包括股疝的修补方法［10］。McVay术式将腹股沟韧带与耻骨梳韧带进行张力缝合，缝合后可产生更大的局部张力，McVay在相邻的腹直肌前鞘或（和）腹外斜肌腱膜上做小切口切开，用以降低疝修补缝合处的张力。实践证明，通过切口减张，肌肉筋膜的释放张力可以有效地预防和治疗腹壁疝。
近20年来，这种切口减张的技术更为成熟，如组织结构分离技术（component separation）和腹横肌切开（transversus abdominis release， TAR）技术，都获得了循证医学证据，在腹壁外科界获得了广泛的认同和应用［11-12］。
面对张力，通过减张释放和减少肌肉的收缩力，如同“以柔克刚”，。近来通过化学递质（肉毒素A）介导的肌肉筋膜松驰（myofacial release）使得实现这一理念更方便、更实用、更微创［13］。
3.2 增加腹壁厚度，发展新的技术 常规缝合的着力点就是进针和出针间的针距，缝合提供组织间的平面对合，作用力可视为一种“平面”上的用力。但须研究如何解决大疝囊多余皮肤以及可能存在的死腔等诸多问题。缝合材料的形态学进展，如“鱼骨线”出现，使我们有了缝合技术上的创新。“鱼骨线”上突起鱼骨，通过连续的缝合，每一圈就似一个齿轮，齿轮上的齿都可产生作用力，通过连续缝合，可形成“齿轮”的组合就似“变速箱”样的结构，收紧缝线即可收缩空间。这种缝合技术被称为“立体”缝合。在切口疝的修复中，尤其是大的切口疝甚至巨大切口疝，缝合时可以从疝囊入手，通过“立体”缝合形成一套变速箱（transmission）效应，如此可对疝囊壁反复折叠，以消灭疝囊空间，同时兼具增加了腹壁厚度、改变了局部曲率和张力承受。在此基础上，反复折叠，最终实现肌肉或筋膜缺损关闭和腹壁重建，这种“立体”缝合技术具体方法可参照文献［14］。
4 结语
中国有句古话叫做“触类旁通”，就是指通过掌握某一方面事物的知识与规律进而推知相似的另一事物认知或规律。若要用当今的流行语来表述就是“知识迁移”。知识迁移可以产生创新，产生新的学科和新的发展，关键之关键就是能否提出有价值的科学问题，学科的发展就是解决这些问题的过程 就是学科间的相互交叉和相互渗透。 关于张力在曲面或球面上的应用，互联网可以证实［15］。在Pubmed上搜一下主题词“law of Laplace”，有近700多篇文献列出，分别在血管外科（如假性腹主动脉瘤）、泌尿外科（膀胱）、妇科（妊娠的子宫）、呼吸科（肺泡及细支器管）以及眼科（眼球）等［16-20］方面取得了重要的进展。在此方面疝与腹壁外科还鲜有人提出，需要大家努力，特别是年轻的医生。
有人说，技术对于历史已无法改变，但技术可以面对未来，设计未来，技术还可以改变未来，技术之果需要理论浇灌。
参考文献
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（2021-01-23收稿