蘇侃臺灣大學：機械工程學研究所管原璋2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61301本研究主要在探討人工椎間盤之接觸面的最佳化設計，人工椎間盤可分為上盤、核心與下盤三個元件，本文即以上盤與核心之接觸面的最佳化設計為主軸。 現今人工椎間盤的研究，以設計出一個可以前彎、後彎與側彎的機構，但對於扭轉的動作並不能有效的提供其活動度。故本研究在人工椎間盤上盤與核心的接觸面改良成橢圓形的機構，以提供人體在扭轉時所需的活動度。 本研究以有限元素法來分析人工椎間盤的接觸面，以應力、應變、變形量與磨耗量為考量，在施以正向壓力與扭轉、前彎等負載，以三個階段來做分析，(1)上盤與核心之接觸面檔板之設計，(2)上盤與核心之接觸面曲率半徑最佳化，(3)在前彎、扭轉時之受力情形下，上盤與核心之接觸面曲率半徑最佳化。 經過分析之後，本研究提供了上盤與核心接觸面的最佳化設計，並且研究其在人體的安全性，並希望未來能夠作植入人體測試，以期達到最適合人體使用之人工椎間盤。The optimum shape of artificial disc were studied is this research. The artificial disc constructed of superior and inferior cobalt-chromium-molybdenum endplates with a polyethylene articulating bearing. The analysis of the contact face between the upper endplate and the central core was derived in this research. According the former research, the artificial disc was similar to the activities of the real vertebral disc but the angle of rotation was restrained completely. So in this research, we design an ellipse contact face between the upper endplate and the central core for the activities of rotation. Using the finite element analysis for the contact stress, wear and displacement of the contact face between the upper endplate and the central core, we derive an optimum shape for the contact face in three stages. The first stage is the design of the blocking plate of the contact face. The second stage is comparing four kinds of radius of curvature of the contact face. The third stage is comparing two kinds of radius of curvature of the contact face under flexion and rotation. After analysis, we obtain the optimum shape of the artificial disc and prove the safety of the artificial disc is well for human using. However, only after long-term follow-up of clinical experience with the artificial disc is this research could prove the optimum shape of the artificial disc.目錄 Abstract……………………………………………………………Ι 摘要…………………………………………………………………Ⅲ 目錄…………………………………………………………………Ⅳ 表目錄………………………………………………………………Ⅶ 圖目錄………………………………………………………………Ⅷ 第一章 緒論 1-1 簡介…………………………………………………………… 1 1-2 人體椎間盤與小面關節的簡介……………………………… 2 1-2-1 椎間盤之簡介…………………………………………… 2 1-2-2 小面關節之簡介………………………………………… 3 1-3 人工椎間盤之簡介…………………………………………… 4 1-3-1 Bryan Cervical Disc Prosthesis……………………4 1-3-2 SB Charitè…………………………………………………………………………………5 1-3-3 Prodisc………………………………………………… 6 1-3-4 Prestige…………………………………………………6 1-3-5 Prosthetic Disc Nucleus…………………………… 7 1-4 文獻回顧……………………………………………………… 8 1-4-1 椎間盤與小面關節之相關文獻回顧………………… 8 1-4-2 人工椎間盤之相關文獻回顧………………………… 8 1-4-3 腰椎之相關文獻回顧…………………………………10 1-4-4 有限元素法分析之相關文獻回顧……………………11 第二章 人工椎間盤接觸面的最佳化 2-1 人工椎間盤接觸面的設計……………………………………13 2-1-1 人工椎間盤模型簡介…………………………………13 2-1-2 人工替代物的使用材質………………………………14 2-1-3 人工椎間盤接觸面最佳化設計………………………18 2-2 有限元素法……………………………………………………19 2-3 人工椎間盤接觸面的分析……………………………………20 2-3-1 分析方法………………………………………………21 2-4 有限元素運算參數的設定……………………………………22 2-4-1 材料性質………………………………………………22 2-4-2 負載與邊界條件……………………………………………23 2-4-3 接觸問題………………………………………………24 2-4-4 網格設定………………………………………………25 2-4-5 分析參數與破壞準則………………………………………27 第三章 有限元素法分析結果 3-1 簡介……………………………………………………………29 3-2 上盤與核心之接觸面檔板之設計的結果比較………………30 3-3 上盤與核心之接觸面曲率半徑的結果比較…………………31 3-4 在前彎、扭轉之受力情形下，上盤與核心之接觸面曲率半 徑的結果比較…………………………………………………32 第四章 討論 4-1 上盤與核心之接觸面檔板之設計討論………………………35 4-2 上盤與核心之接觸面曲率半徑的討論………………………37 4-3 在前彎、扭轉之受力情形下，上盤與核心之接觸面曲率半 徑的討論………………………………………………………40 4-4 人工椎間盤活動度的探討……………………………………43 第五章 結論與未來研究方向 5-1 結論……………………………………………………………44 5-2 未來研究方向…………………………………………………45 參考文獻………………………………………………………………47 表目錄 表一 腰椎之前彎、後彎與伸展平均活動範圍…………………53 表二 腰椎之軸向扭轉平均活動範圍……………………………53 表三 腰椎之側彎平均活動範圍…………………………………54 表四 前彎與伸展之平均活動範圍標準差………………………54 表五 Mechanical properties of dominant orthopedic biomaterials… …………………………………………………………… 55 表六 本研究所使用之材料性質…………………………………56 表七 各設計方案之節點數與總元素數…………………………56 表八 第一階段有限元素法分析後各元件之平均與最大應力結 果……………………………………………………………57 表九 第二階段有限元素法分析後各元件之平均與最大應力結 果……………………………………………………………57 表十 第三階段有限元素法分析後各元件之平均與最大應力結 果……………………………………………………………58 表十一 各階段之核心變化比例…………………………………59 表十二 人工椎間盤和Prodisc、SB charite與真實腰椎的活動度 ……………………………………………………………60 圖目錄 圖一 脊椎側視圖…………………………………………………61 圖二 脊椎構造圖…………………………………………………61 圖三 椎間盤構造圖………………………………………………62 圖四 椎間盤構造圖………………………………………………62 圖五 椎間盤病變圖………………………………………………63 圖六 小面關節構造圖……………………………………………63 圖七 Bryan Cervical Disc Prosthesis構造圖…………………64 圖八 SB Charitè構造圖…………………………………………64 圖九 Prodisc構造圖…………………………………………… 65 圖十 Prestige Disc構造圖………………………………………65 圖十一 Prosthetic Disc Nucleus構造圖………………………66 圖十二 蘇建融設計之人工椎間盤………………………………66 圖十三 蘇建融設計之人工椎間盤模型之二等角視圖…………67 圗十四 COSMOSWorks之接觸組定義…………………………68 圖十五 網格品質定義……………………………………………69 圗十六 人工椎間盤模型網格化…………………………………69 圖十七 第一階段各元件之平均von Mises應力結果………… 70 圖十八 第一階段各元件之最大von Mises應力結果………… 70 圖十九 上盤12mm/核心11mm有檔板之最大von Mises應 力與降服強度之比………………………………… 71 圖二十 上盤12mm/核心11mm無檔板之最大von Mises應 力與降服強度之比………………………………… 71 圖二十一 第一階段核心之變形比例………………………… 72 圖二十二 第二階段各元件之平均von Mises應力結果………72 圖二十三 第二階段各元件之最大von Mises應力結果………73 圖二十四 12/11.5之最大von Mises應力與降服強度之比……73 圖二十五 13/12之最大von Mises應力與降服強度之比…… 74 圖二十六 13/12.5之最大von Mises應力與降服強度之比……74 圖二十七 第二階段核心之變形比例……………………………75 圖二十八 第三階段12/11各元件之平均von Mises應力結果…75 圖二十九 第三階段12/11各元件之最大von Mises應力結果…76 圖三十 第三階段13/12各元件之平均von Mises應力結果…76 圖三十一 第三階段13/12各元件之最大von Mises應力結果…77 圖三十二 12/ 11前彎之最大von Mises應力與降服強度之比較…77 圖三十三 12/ 11扭轉之最大von Mises應力與降服強度之比較…78 圖三十四 13/ 12前彎之最大von Mises應力與降服強度之比較…78 圖三十五 13/ 12扭轉之最大von Mises應力與降服強度之比較…79 圖三十六 第三階段之變形比例……………………………………791430928 bytesapplication/pdfen-US人工椎間盤有限元素法腰椎替代物artificial discfinite elementlumbarthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61301/1/ntu-94-R92522520-1.pdf