蘇侃臺灣大學：機械工程學研究所周劭存Chou, Shao-TsunShao-TsunChou2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61425本文之主要工作為改良椎籠之幾何形狀，使其能單獨使用，避免在同時使用兩個椎籠所出現不預期的問題。依手術方式不同考量，分為小承載面積椎籠與大承載面積椎籠兩種設計：(1)大承載面積椎籠有三個孔洞可放置補骨，適用於前方椎骨融合手術；(2)小承載面積椎籠有兩個孔洞可放置補骨，適用於後方椎骨融合手術。然後探討此二不同承載面積的椎籠在生物力學與穩定性方面的表現。 利用有限元素法分析椎籠承受純壓、彎曲與扭轉各項負載結合的最大von Mises stress與L4椎體最大下陷位移量，分析方法為：(1)椎籠結合L4-L5椎骨；(2)結合不同尺寸後方固定器；(3)結合單邊或雙邊後方固定器；(4)不同位置植入小承載面積椎籠。 結果以下列三種型式作比較︰(1)椎籠有無結合後方固定器的比較；(2)小承載面積椎籠植入位置不同的比較；(3)不同情況下的後方固定器所承受最大von Mises stress。 經由有限元素分析獲得的結果可以發現，使用大承載面積椎籠接觸表面積較大，故在穩定性與生物力學方面較優於小承載面積椎籠。不過小承載面積椎籠結合後方固定器情況下，有明顯改善其應力過大的現象。使用小承載面積椎籠配合後方固定器，螺絲小徑直徑值須大於6mm。小承載面積椎籠實體測試，結果發現結合夾具的情況下，負載為15000N導致材料塑性變形。另外無結合夾具時，負載為10000N導致材料塑性變形。In order to avoid the unexpected problems in using a pair of cages in bone fusion, the geometric shapes of cages were designed that they can be used alone as the implant in the operation of intervertebral disc. In account to the convenient consideration in operation, two types of cages were designed, namely, small bearing area and big bearing area in the condtions that: (1) the cage with small bearing area had two holes for implanting graft and applied to posterior spinal fusion; (2) the cage with big bearing area had three holes for implanting graft and applied to anterior spinal fusion. This study analyzes the stability and biomechanics of the spine under the use of the cage of different bearing areas individually. The finite element method was used to analyze the mechanical behaviors of the vertebrae in the following cases. (1) Cage with L4-L5 vertebra, (2) cage with posterior fixator of different size, (3)cage with single or double posterior fixator, (4) different implanted positions of the cage with small bearing area and under comb ined loads of compress, flexion and torsion. The results are compared under the following headings: (1)cage with or without posterior fixator; (2)different implanted positions of the cage with small bearing area; (3)max. von Mises stress of posterior fixator under different situation. The results show that the cage with big bearing area are better than the cages with small bearing area under the considerations of stability and biomechanics. However, the high stresses in the cages with small bearing area could be reduced by the use of posterior fixator, while cooperating with posterior fixator, the minor diameter of the screw should be greater than 6mm. In entity tests, 2-hole cages with the jigs attained to plastic deformation at a load of 15000N. When in the condition of without jigs, they attained to plastic deformation at a load of 10000N.Abstract………………………………………………………………Ⅰ 摘要……………………………………………………………………Ⅱ 目錄……………………………………………………………………Ⅲ 圖目錄…………………………………………………………………Ⅵ 圖表目錄 第一章 序論……………………………………………………………1 1-1 研究動機與目的…………………………………………………1 1-2 脊椎之解剖生理與生物力學特性………………………………2 1-2-1 脊椎之基本構造…………………………………………2 1-2-2 椎間盤……………………………………………………5 1-2-3 小面關節…………………………………………………5 1-2-4 韌帶………………………………………………………7 1-2-5 脊椎的運動模式…………………………………………7 1-3 脊椎損傷原因及治療方式………………………………………9 1-4 文獻回顧…………………………………………………………12 1-4-1 脊椎有關實驗分析之文獻回顧…………………………12 1-4-2 有線原宿法運用於脊椎生物力學之文獻回顧…………13 1-4-3 脊椎之椎籠設計及實驗分析有關文獻探討……………14 1-5 本文架構…………………………………………………………19 第二章 研究方法……………………………………………………20 2-1 椎籠設計之目的…………………………………………………20 2-2 椎籠種類…………………………………………………………21 2-3 設計上的考慮因素………………………………………………25 2-4 椎籠設計重點與流程……………………………………………27 2-4-1 傳統椎籠問題之文獻探討………………………………27 2-4-2 腰椎尺寸介紹……………………………………………29 2-4-3 椎籠設計原理與尺寸介紹………………………………31 2-5 有限元素法之介紹………………………………………………37 2-5-1 有限元素法分析之基本流程……………………………37 2-5-2 元素形式…………………………………………………38 2-5-3 接觸問題…………………………………………………39 2-6 分析方法…………………………………………………………41 2-6-1 有限元素模型的建立……………………………………41 2-6-2 材料性質的給定…………………………………………43 2-6-3 負載與邊界條件之設定…………………………………44 2-7 分析參數與破壞準則……………………………………………45 第三章 有限元素分析法之結果……………………………………50 3-1 結果比較準則介紹………………………………………………50 3-2 不同形狀椎籠有無結合後方固定器的結果比較………………51 3-2-1 三孔洞椎籠………………………………………………51 3-2-2 雙孔洞椎籠………………………………………………52 3-2-3 不同幾何形狀椎籠之結果比較…………………………52 3-3 雙孔洞椎籠植入位置與有無結合固定器之比較………………55 第四章 模擬與實體測驗之結果討論………………………………91 4-1 椎籠有無結合後方固定器之結果探討…………………………91 4-2 雙孔洞椎籠不同植入位置之結果討論…………………………95 4-3 成品實體測驗……………………………………………………98 第五章 結論與未來展望……………………………………………109 5-1 結論………………………………………………………………109 5-2 未來展望…………………………………………………………110 參考文獻………………………………………………………………111 圖目錄 第一章 圖1-1 脊椎側視圖及後視圖……………………………………………4 圖1-2 椎股之部位分類圖………………………………………………4 圖1-3 椎間盤示意圖……………………………………………………6 圖1-4 腰椎小面關節解剖面結構圖……………………………………6 圖1-5 脊椎韌帶解剖圖…………………………………………………8 圖1-6 脊椎基本運動模式示意圖………………………………………8 第二章 圖2-1 Ray Threaded Fusion Cage……………………………………23 圖2-2 LT Cage…………………………………………………………23 圖2-3 Inter Fix Cage…………………………………………………24 圖2-4 BAK Vista Cage…………………………………………………24 圖2-5 BAK cage 手術示意圖…………………………………………27 圖2-6 雙椎籠半徑大小比較圖………………………………………27 圖2-7 雙椎籠失去平衡圖……………………………………………27 圖2-8a 椎骨側視圖……………………………………………………30 圖2-8b 槯骨前視圖……………………………………………………30 圖2-9a 三孔洞椎籠正視圖……………………………………………33 圖2-9b 三孔洞椎籠後視圖……………………………………………33 圖2-9c 三孔洞椎籠前視圖……………………………………………33 圖2-9d 三孔洞椎籠側視圖……………………………………………34 圖2-9e 三孔洞椎籠等視角圖…………………………………………34 圖2-10a 雙孔洞椎籠正視圖…………………………………………35 圖2-10b 雙孔洞椎籠後視圖…………………………………………35 圖2-10c 雙孔洞椎籠前視圖…………………………………………35 圖2-10d 雙孔洞椎籠側視圖…………………………………………36 圖2-10e 雙孔洞椎籠等視角圖………………………………………36 圖2-11 兩接觸面之定義………………………………………………40 圖2-12 後方固定器件整體圖…………………………………………42 圖2-13 螺絲植入椎體的位置示意圖…………………………………42 圖2-14 L4-L5椎體與椎籠結合之模型圖……………………………46 圖2-15 整體模型之負載情況與邊界條件……………………………46 圖2-16 三孔洞椎籠無結合後方固定器之有限元素網格化模型……47 圖2-17雙孔洞椎籠無結合後方固定器之有限元素網格化模型……47 圖2-18三孔洞椎籠結合後方固定器之有限元素網格化模型………48 圖2-19雙孔洞椎籠結合後方固定器之有限元素網格化模型………48 圖2-20a 植入位置偏離中心往前3mm處……………………………20 圖2-20b 植入位置為中心處…………………………………………21 圖2-20c 植入位置偏離中心往後3mm處……………………………21 圖2-20d 植入位置偏離中心往前6mm處……………………………21 圖2-50e 植入位置偏離中心往後6mm處……………………………21 第三章 圖3-1 三孔洞椎籠無固定器，負載C之von Mises stress分布圖…62 圖3-2 三孔洞椎籠無固定器，負載CF之von Mises stress分布圖…62 圖3-3 三孔洞椎籠無固定器，負載CFT之von Mises stress分布圖…………………………………………………………………63 圖3-4 三孔洞椎籠含固定器，負載C之von Mises stress分布圖…63 圖3-5 三孔洞椎籠含固定器，負載CF之von Mises stress分布圖…64 圖3-6三孔洞椎籠含固定器，負載CFT之von Mises stress分布圖………………………………………………………………………64 圖3-7 雙孔洞椎籠無固定器，負載C之von Mises stress分布圖…65 圖3-8 雙孔洞椎籠無固定器，負載CF之von Mises stress分布圖…65 圖3-9 雙孔洞椎籠無固定器，負載CFT之von Mises stress分布圖………………………………………………………………………66 圖3-10 雙孔洞椎籠含固定器，負載C之von Mises stress分布圖…66 圖3-11 雙孔洞椎籠含固定器，負載CF之von Mises stress分布圖………………………………………………………………………67 圖3-12 雙孔洞椎籠含固定器，負載CFT之von Mises stress分布圖………………………………………………………………………67 圖3-13 三孔洞椎籠有無結合後方固定器在各種負載狀況之最大von Mises stress比較表…………………………………………………68 圖3-14 三孔洞椎籠有無結合後方固定器在各種負載狀況之L4最大椎體下陷位移量比較表………………………………………………68 圖3-15 雙孔洞椎籠有無結合後方固定器在各種負載狀況之最大von Mises stress比較表…………………………………………………69 圖3-16三孔洞椎籠有無結合後方固定器在各種負載狀況之L4最大椎體下陷位移量比較表…………………………………………………69 圖3-17 結合三孔洞椎籠，後方固定器在負載C之最大von Mises stress分布圖…………………………………………………………70 圖3-18結合三孔洞椎籠，後方固定器在負載CF之最大von Mises stress分布圖…………………………………………………………70 圖3-19 結合三孔洞椎籠，後方固定器在負載CFT之最大von Mises stress分布圖…………………………………………………………71 圖2-20 結合雙孔洞椎籠，後方固定器在負載C之最大von Mises stress分布圖…………………………………………………………71 圖3-21結合雙孔洞椎籠，後方固定器在負載CF之最大von Mises stress分布圖…………………………………………………………72 圖3-22結合雙孔洞椎籠，後方固定器在負載CFT之最大von Mises stress分布圖…………………………………………………………72 圖3-23 後方固定器結合不同幾何形狀椎籠所承受之最大von Mises stress比較表…………………………………………………………73 圖3-24 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後3mm處，負載C情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖……………………………74 圖3-25 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後3mm處，負載 CF情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………74 圖3-26 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後3mm處，負載 CFT情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………75 圖3-27 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後6mm處，負載 C情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖……………………………75 圖3-28 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後6mm處，負載 CF情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………76 圖3-29雙孔洞椎籠偏離中心位置往後6mm處，負載 CFT情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………76 圖3-30 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前3mm處，負載 C情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖……………………………77 圖3-31 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前3mm處，負載 CF情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………77 圖3-32雙孔洞椎籠偏離中心位置往前3mm處，負載 CFT情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………78 圖3-33 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前6mm處，負載 C情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖……………………………78 圖3-34 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前6mm處，負載 CF情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………79 圖3-35 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前6mm處，負載 CFT情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………79 圖3-36 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後3mm處，負載 C情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖……………………………80 圖3-37 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後3mm處，負載CF情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………80 圖3-38 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後3mm處，負載CFT情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………81 圖3-39 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後6mm處，負載C情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖……………………………81 圖3-40 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後6mm處，負載CF情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………82 圖3-41 雙孔洞椎籠偏離中心位置往後6mm處，負載CFT情況下無結合後方固定器之von Mises stress分布圖…………………………82 圖3-42 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前3mm處，負載C情況下結合後方固定器之von Mises stress分布圖………………………………83 圖3-43 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前3mm處，負載CF情況下結合後方固定器之von Mises stress分布圖……………………………83 圖3-44 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前3mm處，負載CFT情況下結合後方固定器之von Mises stress分布圖……………………………84 圖3-45 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前6mm處，負載C情況下結合後方固定器之von Mises stress分布圖………………………………84 圖3-46雙孔洞椎籠偏離中心位置往前6mm處，負載CF情況下結合後方固定器之von Mises stress分布圖………………………………85 圖3-47 雙孔洞椎籠偏離中心位置往前6mm處，負載CFT情況下結合後方固定器之von Mises stress分布圖……………………………85 圖3-48 負載C之情況下，不同植入位置之雙孔洞椎籠有無結合後方固定器所承受最大von Mises stress比較表………………………86 圖3-49 負載CF之情況下，不同植入位置之雙孔洞椎籠有無結合後方固定器所承受最大von Mises stress比較表……………………86 圖3-50 負載CFT之情況下，不同植入位置之雙孔洞椎籠有無結合後方固定器所承受最大von Mises stress比較表……………………87 圖3-51 在不同負載情況下，後方固定器結合不同植入位置之雙孔洞椎籠所承受最大von Mises stress比較表…………………………87 圖3-52 不同負載情況下，兩種尺寸的後方固定器結合在原中心位置之雙孔洞椎籠所承受最大von Mises stress比較表………………88 圖3-53 不同負載情況下，兩種尺寸的後方固定器結合在偏離中心往後6mm位置之雙孔洞椎籠所承受最大von Mises stress比較表…88 圖3-54 雙孔洞椎籠在中心植入處結合雙邊或單邊後方固定器，在不同負載情況下，椎籠所承受的最大von Mises stress(MPa)………89 圖3-55 雙孔洞椎籠在中心植入處結合雙邊或單邊後方固定器，在不同負載情況下，L4椎體最大下陷位移量(mm)…………………………89 圖3-56 雙孔洞椎籠在中心植入處結合雙邊或單邊後方固定器，在不同負載情況下，後方固定器所承受的最大von Mises stress(MPa)…90 第四章 圖4-1a 無夾具測試……………………………………………………98 圖4-1b 含夾具測試……………………………………………………98 圖4-2 雙孔洞椎籠有無結合夾具之最大變形量之比較表…………102 圖4-3 雙孔洞椎籠有無結合夾具最大負載比較表…………………102 圖4-4 雙孔洞椎籠無夾具測試負載-變形量之曲線圖……………103 圖4-5 雙孔洞椎籠含夾具測試負載-變形量之曲線圖……………103 圖4-6a 未測試椎籠之正視圖………………………………………104 圖4-6b 未測試椎籠之後視圖………………………………………104 圖4-6c 未測試椎籠之側視圖………………………………………105 圖4-7a 無夾具測試之正視圖………………………………………105 圖4-7b 無夾具測試之後視圖………………………………………106 圖4-7c 無夾具測試之側視圖………………………………………106 圖4-8a 含夾具測試之正視圖………………………………………107 圖4-8a 含夾具測試之後視圖………………………………………107 圖4-8c 含夾具測試之側視圖………………………………………108 圖4-9 夾具測試結果圖………………………………………………108 圖表目錄 圖表2-1 椎骨尺寸單位大小…………………………………………29 圖表2-2 模型所使用之材料性質……………………………………43 圖表3-1 兩種椎籠有無結合後方固定器在各種負載情況下，椎籠承 受最大von Mises stress之比較表………………………54 圖表3-2 兩種椎籠有無結合後方固定器在各種負載情況下，L4椎體 最大下陷位移量之比較表…………………………………54 圖表3-3 後方固定器結合兩種椎籠在不同負載情況下，固定器所承 受最大von Mises stress…………………………………54 圖表3-4 雙孔洞椎籠不同植入位置有無結合後方固定器的情況下， 各種負載對椎籠所帶來的最大von Mises stress………58 圖表3-5 後方固定器(小徑之直徑值為4mm)結合椎籠不同植入位置 情況下，各種負載對固定器所帶來的最大von Mises stress………………………………………………………59 圖表3-6 後方固定器(小徑之直徑值為4mm與7mm)結合椎籠不同植入 位置情況下，各種負載對固定器所帶來的最大von Mises Stress………………………………………………………59 圖表3-7 雙孔洞椎籠在中心植入處結合雙邊或單邊後方固定器，在 不同負載情況下，椎籠所承受的最大von Mises stress…60 圖表3-8 雙孔洞椎籠在中心植入處結合雙邊或單邊後方固定器，在 不同負載情況下，L4椎體最大下陷位移量…………………61 圖表3-9 雙孔洞椎籠在中心植入處結合雙邊或單邊後方固定器，在 不同負載情況下，後方固定器所承受的最大von Mises stress………………………………………………………61en-US聚乙醚酮椎籠PEEK cagethesis