蘇侃臺灣大學：機械工程學研究所蘇建融Su, Chien-JungChien-JungSu2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/60942摘要 本文研究人工椎間盤之設計與最佳化的外形。 現今人工椎間盤的研發相當盛行，以球和托座所組成的關節機構最為接近人體椎間盤的活動範圍。但是，這類人工椎間盤無法有效的限制扭轉範圍，將使小面關節在椎間盤去除後承受更大的外力。故本研究將人工椎間盤分為上盤、核心和下盤三個元件，以限制扭轉角度為考量，設計出一個符合脊椎活動範圍的人工椎間盤。 本研究以有限元素法求出人工椎間盤在正向壓力的施加下之最低應力及極限負載，以三個階段循序漸進的分析：(1)以人工椎間盤之元件曲率半徑不同作比較(2)以人工椎間盤之核心曲率半徑不同作比較(3)求出人工椎間盤之極限負載。 經有限元素法分析比較後得知，接觸面的曲率半徑愈大，所受之應力愈小;若接觸之兩曲面的曲率半徑愈接近，所受之應力亦愈小。以核心大小觀之，核心愈厚，核心所受之應力愈小。最終之最佳化人工椎間盤模型所能承受的最大正向壓力為2375N。 本研究所設計之人工椎間盤的扭轉範圍是完全限制的，與人體椎間盤平均可扭轉角度為2°比較，仍然有些釭漁t異。Abstract The design and optimum shape of the artificial disc were studied in this research. The joint mechanism of an artificial disc was composed by a ball and a socket, which was similar to activities of the ball of the vertebral disc. But the artificial disc of this type could not restrain the sphere from rotation with effect. The artificial disc of this type would make the facet joint support the more external force after the vertebral disc has cut. So this research divided the artificial disc into three components that were the upper plate, the core, and the lower plate. This designed artificial disc has conformed to activities of the ball of the vertebral disc and is thought about the rotation of sphere was restrained. The finite element method was used to analyze the lowest contact stress and the ultimate load at normal pressure acting on the artificial disc. This research used three stages to analyze in proper sequence:(1)To compare with the different radius of curvature of the component of the artificial disc.(2)To compare with the different radius of curvature of the core of the artificial disc.(3)To calculate the ultimate load of the artificial disc. After analyzed and compared, we obtained that the bigger the radii of curvatures of the contact surfaces were, the smaller was the contact stresses. When the radii of curvatures of two contact surfaces approached each other, the contact stresses decreased. As the thickness of the core was increased, the contact stresses decreased. The optimum artificial disc could support a maximum load of 2375N. The rotation of the ball of the artificial disc designed was restrained completely. It was different to the vertebral disc its possible rotation is 2°.目錄 Abstract………………………………………………………………Ⅰ 摘要……………………………………………………………………Ⅱ 目錄……………………………………………………………………Ⅲ 表目錄…………………………………………………………………Ⅵ 圖目錄…………………………………………………………………Ⅶ 第一章 緒論………………………………………………………… 1 1-1 研究動機與目的………………………………………………… 1 1-2 脊椎的構造……………………………………………………… 2 1-2-1 椎骨……………………………………………………… 2 1-2-2 椎間盤…………………………………………………… 3 1-2-3 小面關節………………………………………………… 3 1-2-4 韌帶……………………………………………………… 4 1-3 腰椎的病變及處理方式………………………………………… 4 1-4 椎間盤替代物之簡介…………………………………………… 5 1-5 文獻回顧………………………………………………………… 8 1-5-1 腰椎運動範圍之相關文獻……………………………… 8 1-5-2 小面關節及韌帶對腰椎影響之相關文獻………………10 1-5-3 椎間盤替代物之相關文獻………………………………11 1-6 論文架構…………………………………………………………13 第二章 研究方法……………………………………………………15 2-1 人工椎間盤模型之設計…………………………………………15 2-1-1 設計上的考量……………………………………………15 2-1-2 人工椎間盤之設計………………………………………17 2-1-3 手術器械之設計…………………………………………18 2-2 分析方法…………………………………………………………19 2-2-1 人工椎間盤之元件曲率半徑不同的比較………………19 2-2-2 人工椎間盤之核心曲率半徑不同的比較………………20 2-2-3 求人工椎間盤之極限負載………………………………21 2-3 有限元素法之介紹………………………………………………21 2-4 材料性質的給定…………………………………………………22 2-5 負載與邊界條件…………………………………………………23 2-6 接觸問題…………………………………………………………23 2-7 網格設定…………………………………………………………24 2-8 分析參數與破壞準則……………………………………………26 第三章 有限元素法分析結果………………………………………27 3-1 人工椎間盤之元件曲率半徑不同的結果比較…………………28 3-2 人工椎間盤之核心曲率半徑不同的結果比較…………………28 3-3 求人工椎間盤之極限負載的結果………………………………30 第四章 討論…………………………………………………………31 4-1 人工椎間盤之元件曲率半徑不同的結果討論…………………31 4-2 人工椎間盤之核心曲率半徑不同的結果討論…………………34 4-3 求人工椎間盤之極限負載的結果討論…………………………36 4-4 人工椎間盤之成品探討…………………………………………37 第五章 結論與未來研究方向………………………………………39 5-1 結論………………………………………………………………39 5-2 未來研究方向……………………………………………………40 參考文獻………………………………………………………………42 表目錄 表一 腰椎之平均活動範圍…………………………………………46 表二 Flexion與Extension 之個別平均活動範圍………………46 表三 材料的機械性質………………………………………………47 表四 第一階段分析後，各元件之平均與最大von Mises應力…48 表五 第一階段分析後，上盤上表面之平均及最大位移量………48 表六 第二階段分析後，各元件之平均與最大von Mises應力…49 表七 第二階段分析後，上盤上表面之平均及最大位移量………50 表八 第三階段分析後，各元件之平均與最大von Mises應力…51 表九 第三階段分析後，上盤上表面之平均及最大位移量………52 圖目錄 圖一 脊椎側視圖………………………………………………53 圖二 脊椎之運動模式…………………………………………53 圖三 椎骨解剖位置圖…………………………………………54 圖四 椎間盤解剖位置圖………………………………………54 圖五 人體剖面圖………………………………………………55 圖六 腰椎小面關節解剖結構圖………………………………55 圖七 腰椎韌帶解剖位置圖……………………………………56 圖八 脊椎病變圖………………………………………………56 圖九 Prosthetic Disc Nucleus(PDN)………………………57 圖十 Acroflex Disc …………………………………………57 圖十一 Bryan Cervical Disc Prosthesis……………………57 圖十二 Prestige disc …………………………………………58 圖十三 ProDisc …………………………………………………58 圖十四 SB Charitè………………………………………………58 圖十五 SB Charitè彎曲時，核心滑動情形……………………59 圖十六 腰椎之Flexion-Extension範圍的比較………………59 圖十七 腰椎之Axial Rotation範圍的比較 …………………60 圖十八 腰椎之Lateral Bending範圍的比較…………………60 圖十九 屈曲時，固定式核心與滑動式核心的滑動情形………61 圖二十 兩接觸面之定義…………………………………………61 圖二十一 第一階段分析後，各元件之平均von Mises應力……62 圖二十二 第一階段分析後，各元件之最大von Mises應力……62 圖二十三 第一階段分析後，上盤上表面之平均及最大位移量…63 圖二十四 第二階段分析後，各元件之平均von Mises應力……63 圖二十五 第二階段分析後，各元件之最大von Mises應力……64 圖二十六 第二階段分析後，上盤上表面之平均及最大位移量…64 圖二十七 第三階段分析後，各元件之平均von Mises應力……65 圖二十八 第三階段分析後，各元件之最大von Mises應力……65 圖二十九 第三階段分析後，上盤上表面之平均及最大位移量…661117961 bytesapplication/pdfen-US扭轉小面關節人工椎間盤artificial discrotationfacet jointthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/60942/1/ntu-93-R91522533-1.pdf