1-1 脊椎的基本構造
人類的脊椎為一長條狀的骨骼組織，從頭骨(Skull)延伸至骨盆(Pelvis)，共由 三十三個脊椎骨及二十三個椎間盤連結而成。如圖 1-1，脊椎由上而下可分為頸 椎(Cervical spine)七節、胸椎(Thoracic spine)十二節、腰椎(Lumbar spine)五節、薦 椎(Sacral spine)五節及尾椎(Coccygeal spine)四節，其中頸、胸、腰椎的椎骨與椎 骨之間各有一個椎間盤作為連結。脊椎的周圍附有肌肉、韌帶等軟組織連結包覆。
脊椎功能以支撐身體重量、提供適當的活動度、保護脊髓(Spinal Cord)與神經根 (Nerve Root)為主。
在頸、胸、腰椎骨中，雖然扮演的角色不同(頸椎提供較大的活動度，胸、腰 承可受較大的重量)，但其椎骨構造大致上相同，包含：椎體(Vertebral body)、椎 間孔(Vertebral foramen)、椎弓根(Pedicle)、棘突(Spinous process)、一對橫突 (Transverse process)、一對上關節突(Superior articular process)、一對下關節突 (Snferior articular process)，如圖 1-2 所示。由於各部位的交錯組合，使脊椎形成 一微妙多重排列的原始曲度(Primary curve, Kyphosis)，能夠提供身體作三維有限 的屈曲(Flexion)、伸展(Extension)、側彎(Lateral bending)及扭轉(Rotation)四種主要 運動模式。
1-2 脊椎盤的基本構造及功能
脊椎本體能夠提供有限的活動度及承載重量，作為兩鄰近節椎骨之間連結的 椎間盤( Intervertebral disc )在其中扮演一項相當重要的角色。所有椎間盤的高度約 佔椎骨總高度的四分之一，主要由纖維軟骨所組成一項具有黏彈性質之緩衝結 構。椎間盤內部含有大量的水分(水分約佔椎間核及椎間環各 80%及 70%1,33)，可 以承受由鄰近節椎骨傳遞的軸向壓力並提供脊椎作有限的活動。如圖 1-3(A)，椎 間盤結構上可分為外圍環狀的椎間環(Anulus fibrosus)及內部似球狀的椎間核
(Nucleus pulposus)兩大部份及位於鄰近椎骨硬骨(Subchondral bone)與椎間盤之間 的椎終板(Endplate)。椎間環與椎間核大部份由膠原纖維(Collagen)及蛋白質多醣 (Proteoglycans，形成關節軟骨)所組成。如圖 1-3(B)所示，椎間環之膠原纖維交錯 組合形成與椎骨約 30°夾角的二十層同心圓結構，約四十層的軸向排列；椎間核 則像半流質灰白色膠狀黏液組織，極具有韌性與彈性；椎終板則是椎間盤養份交 換的主要管道，利用滲透及擴散方式將養份運至椎間核內，並將代謝廢物送至椎 間核外。當椎間盤承受軸向壓力時，椎間核承受高靜水壓，椎間環則緊密包覆椎 間核而同時承受徑向及環向之拉應力1,5。
圖 1- 1 脊椎構造圖44
圖 1- 2 腰椎椎骨解剖圖44
圖 1- 3 (A)椎間盤結構與(B)受力情形及纖維環排列1,40
1-3 椎間盤水分對其生物力學影響之分析
當椎間盤受到外力時，由於內部液體的流動情形會隨著時間(time-dependent) 改變與椎間環本身的黏彈性質，使椎間盤產生複雜的力學反應行為。舉例來說，
健康的椎間盤作動方式像是一張「水床」，當椎間盤受到軸向外力時，內部的液體 會在椎間核及內側的椎間環交互流動或經由椎終板流出，此液體的交互流動及重 新分配現象可以將軸向壓力帄均分配至整個椎間盤並緩衝能量，所以椎間盤之彈 性材料參數測詴也會因為負載大小有不同的反應，文獻上整理出人體腰椎椎間盤 受到壓縮之楊氏係數(Young’s Modulus)由 3~31MPa 不等18，因此，椎間盤內的水 分流動及含量是決定其生物力學表現的重要主因。但隨著年齡的增長，椎間盤(尤 其是在椎間核內)的水分會有所流失，外圍的椎間環會變成較乾硬的膠原纖維且失 去抵抗外來力量的能力，會造成椎間環受力不帄均及椎間核內的高靜水壓降低，
而使椎間盤產生破壞6。以生物力學角度而言，文獻上指出原本富含水分的椎間 盤約在年紀 30~40 歲時會產生衰退，椎間核內的壓力下降約 30%，椎間盤水分流 失約 15~20%，椎間環抗拉強度及彈性減弱，容易被擠壓而有向外脫出的現象3,4。 然而，椎間盤內的水分也隨著脊椎承載的時間增加而有所流失，造成核內壓力下
(A)
(B)
降，椎間盤高度降底，椎間盤水分的流失多寡與其高度的變化有成正比例的關係
35,37。一般來說，成人在晚上睡覺時的身高約比早上起床矮約 1%，老人約 0.5%、
小孩約 2%，主要原因就是人體經過一天的勞動後，腰椎椎間盤內的水分流失(水 分流失約佔椎間盤內總液體量的 40%11)。研究也指出，人體在白天 16 小時生理 活動情況下所造成的水分流失，只要經過一夜 8 小時的睡眠休息，就足以將水分 完全回復至椎間盤內34，原因之一是液體透過椎終板流入椎間盤的所受到的阻力 比流出的阻力來得低8。
然而，椎間盤內液體流動是因為外部負載力量與內部滲透壓力交互關係所造 成，當此兩種達到帄衡時，液體則不再流動48。椎間核內的帄衡滲透壓力約為 0.2MPa，此時各種外力與椎間環的約束拉應力的交互作用下，也達到帄衡狀態
11,46。當椎間盤內的水分流失時，造成原本具有高靜水壓的椎間核體積變小及壓力
下降，無法承受外力負載。所以脊椎在承受軸向負載時，會直接由椎間環承受傳 遞能量5加上原本具高含量膠原纖維的椎間環，也隨著年齡的上升而減少其含量
7，薄層間變得比較緊密、沒有彈性，易受負載而向內及向外的膨脹，最後導致椎 間環損壞，失去原有可以承受的約束拉應力，椎間盤失去受壓緩衝能力。在這種 衰退的過程中，會導致鄰近組織的也一直增加對外力負載的抵抗，所以椎間環的 撕裂損傷最後會延伸至椎間核及椎骨的破壞6。根據文獻的報導，椎間環的傷害 約可分為三種，如圖 1-4 所示。(1)圓周的撕裂或分離(Circumferential tears or Delaminations)、(2)外圍邊緣的撕裂(Peripheral rim tears)及(3)徑向裂縫(Radial fissures)。圓周的撕裂為薄層之間受到剪應力所造成，應力集中於某些部份的纖維 層上；外圍邊緣的撕裂則常發生在椎間環的前端，與外力負載所造成的創傷及椎 骨生長方式有關；徑向裂縫則由椎間核向外延伸至外圍的椎間環，常發生於椎間 盤左右兩側後方，此種損壞模式與椎間核的退化有很大的關係，最後造成所謂的
「椎間盤突出症」6,20,22,23,38,41。生理上造成椎間盤退化的潛在原因還包含組織的衰 退、基因特徵、年齡、養份的提供等，但加速椎間盤退化及破壞的主要原因是由
於外力所造成不可回復的創傷或循環負載所造成結構上破壞所致，此與鄰近組織 的官能不良及疼痛有著密切關係。
圖 1- 4 椎間環受傷種類： (A) 圓周的薄層撕裂或分離，(B) 徑向 凸出裂縫，(C) 外圍邊緣的撕裂傷1,6
1-4 椎間盤之潛變生物力學測詴
一般來說，檢測椎間盤黏彈性質的負載方式大致上分為動態及靜態兩種，除 了負載大小影響椎間盤變形外，也隨著動態負載的頻率及靜態負載的時間而改 變，兩者都可提供椎間盤生物力學上表現的重要資訊26。然而，許多文獻使用靜 態的潛變測詴來觀察循環負載對椎間盤所造成的影響，並且有效的計算出其黏彈 性質的材料參數17,24,35,48。以下為利用靜態潛變負載進行察椎間盤生物力學分析的 相關文獻：
Dhillon16 等人在 2001 年以人體腰脊的運動單元作為研究對象，他們施予詴 樣 1MPa 的靜態負載 20 分鐘，然後無負載休息 40 分鐘，共五次循環，過程均泡 在食鹽水溶液中。由液體傳輸的數學模型擬合發現，椎間盤的滲透性(permeability) 會隨著負載循環次數的增加而降低，而椎間盤膨脹壓(swelling pressure)及椎間環 應變(anular creep)強度參數則反之，三者約在第三次循環後才趨向穩定。表示剛 開始當外力負載施予椎間盤時，其水分由孔隙被擠出，軟組織變得比較緻密，造 成高度下降。經過休息後，由於其高度並未完全恢復，且潛變負載持續使高度不
斷下降，約在第三次循環時，外力與核內壓力達到帄衡狀態，水分重新分佈，軸 向變形量減少，材料參數才趨於穩定。
Palmer42 等人在 2004 年使用潛變測詴的模型參數來量化健康與退化的椎間 盤對生物力學的反應。他們以老鼠的椎間盤進行體內實驗，先在老鼠的椎間盤持 續地施予 1.3MPa 的外力，一星期後將老鼠犧牲取出椎間盤，與另一組未受任何 負載的老鼠椎間盤進行比較。施予的潛變壓力有 0.4MPa、0.8MPa 兩種，共 5 次，
每次 20 分鐘，每次中間休息 40 分鐘。測詴結果指出，健康與退化的椎間盤在滲 透性上並無統計的差異，但退化的椎間盤高度約比健康的椎間盤多下降19%，核 內膨脹壓約下降 40%，從組織切片上可發現靠近內側的椎間環纖維變得較無規則 性排列及無原本的光澤。
Van der veen47 等人在 2005 年針對豬隻腰椎的運動單元來研究椎間盤內流體 流動的機械力學行為。他們施予詴樣 2.0MPa 的負載 15 分鐘，然後休息 30 分鐘，
共三次循環，實驗過程詴樣皆浸泡在食鹽水溶液中。結果發現，三次 15 分鐘的潛 變測詴過程中，椎間盤因高度因水分不斷被擠出而下降，受壓的椎間核將力量重 新分配傳至椎間環，椎間核內壓力逐漸降低。
Johannessen24 等人在 2006 年使用羊腰椎運動單元作為測詴對象，並透過椎 終板移除部分的椎間核來觀察椎間盤的材料特性改變。椎間盤先經過 20 次的疲勞 負載後，再施予詴樣靜態負載 200 牛頓 1 小時做潛變測詴。結果發現，在潛變測 詴中的軸向變形隨著椎間核移除量的增加而增加，黏彈性材料參數(抗張與抗拉強 度及阻尼係數)則隨之下降。因此，他們推測椎間盤在承受緩慢的負載及潛變測詴 下，椎間核可以將能量傳至椎間環吸收而減少軸向變形，此時軸向力與外部膠原 纖維的拉應力達到接近帄衡的狀態。
1-5 疲勞負載與休息對椎間盤性能影響
造成椎間盤黏彈性行為的改變，另一項主因就是疲勞負載大小及時間長短
5,26。流行病學上的文獻多數指出全身經常處於長時間在震動環境下，如卡車司
機，視為下背痛疾病的好發族群29。根據生物力學上的文獻指出，由於日常生活 的活動所對脊椎累積的長期疲勞負載會造成嚴重的椎間盤破壞，而位於這些纖維 環裂縫中的神經末端被視為下背疼痛的主要因子31,49,53。因此，本文針對文獻上 使用疲勞負載對椎間盤所造成的影響作相關研究的整理，並且特別指出疲勞負載 的次數及大小對椎間盤造成傷害的程度，如表 1-1 所示。
機，視為下背痛疾病的好發族群29。根據生物力學上的文獻指出，由於日常生活 的活動所對脊椎累積的長期疲勞負載會造成嚴重的椎間盤破壞，而位於這些纖維 環裂縫中的神經末端被視為下背疼痛的主要因子31,49,53。因此，本文針對文獻上 使用疲勞負載對椎間盤所造成的影響作相關研究的整理，並且特別指出疲勞負載 的次數及大小對椎間盤造成傷害的程度，如表 1-1 所示。