第一章 緒論
2.1 前言
骨質疏鬆症(osteoporosis)是老年人常見的臨床問題，主要病徵為椎骨外層的緻 密骨變薄與內部鬆質骨的骨小樑結構變細造成鬆質骨孔洞增大，進而使得椎骨質 密度降低，另外也會造成椎弓根內部的骨質結構變化而降低其強度49。隨著老年化 社會的來臨，患有骨質疏鬆且需要進行脊椎手術的族群需求將越來越多50,51。研究 也顯示患有骨質疏鬆的患者其術後椎弓根螺釘鬆脫比例較高，Okuyama 學者等人
26研究顯示術後七個月植入物器械鬆脫率可達到 20%，Zindrick 學者等人27也証實 椎弓根螺釘鬆脫有較高的機率發生在骨質疏鬆的患者上。器械鬆脫將帶來嚴重的 後遺症，常需要再次的進行手術來維持治療成效，將降低臨床效果及帶來更高的醫 療花費，如何處理這類患有骨質疏鬆且需要進行脊椎手術的族群將對醫師帶來嚴 重的挑戰。
於近兩個世紀以來，為了減少器械鬆脫帶來的相關問題，此議題已經廣泛的被
討論51-55，主要的研究方向在於椎弓根螺釘的外型設計、植入時手術技巧及骨水泥
的灌注是否能增進椎弓根螺釘於椎骨間的結合強度56-59，Tsai 學者56,57研究指出內 徑較大的椎弓根螺釘能顯著的增加拉出強度，Kim 學者 59對於椎弓根螺釘的外型 進行了詳盡的分析，研究結果指出使用錐形的內徑和配合圓柱形的 V 型外螺紋能 有效地增強椎弓根螺釘與周圍骨組織的咬合能力。另外文獻也指出使用骨水泥灌 注能增加三倍的拉出強度，但是也有部分研究指出使用椎弓根螺釘植入輔以骨水 泥灌注可能會增加椎骨破裂的風險及造成再次手術的困難 60。然而對於椎弓的幾 何外型及內部骨質結構對於椎弓根螺釘的拉出強度的影響研究卻相對的匱乏61,62。
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椎弓根有非常特殊的橢圓形外型與內部骨質結構組成(圖 2.1)，Hirano 等人 61 研究使用 pQCT (peripheral quantitative computed tomography)對椎弓根的結構進行 了詳細的分析，研究結果顯示正常骨質的椎弓根樣本結構外層 60%由堅硬的緻密 骨及次緻密骨(subcortical bone)組成，內部則由鬆質骨組成。這樣的特殊骨質組成 對於椎弓根螺釘的拉出強度扮演了非常重要的角色，Weinstein 等人62研究顯示椎 弓根螺釘其拉出強度約 60%由椎弓根提供，椎骨只佔了約 15%的強度，此結果証 明椎弓根是影響螺釘在椎骨內咬合強度的一個重要結構。而骨質疏鬆的椎弓根樣 本其外層緻密骨所占的比例及骨密度顯著的下降，內層疏密骨的比例上升，此病態 變化可能導致椎弓根螺釘植入時無法與外層緻密骨有良好的咬合，影響與周圍骨 組織的結合強度，再加上日常活動造成椎弓螺釘和椎骨之間產生晃動，導致椎弓根 螺釘和椎骨間介面的鬆動，進而增加了器械鬆脫的風險。因此，若能找出椎弓根幾 何外型及內部組成特性與椎弓根螺釘的拉出強度間的關係，即可在手術前先篩選 出高風險的椎弓根區域，降低植入物鬆脫的機率。
圖 2.1 椎弓根結構 cortical bone
cancellous bone
vertebral body pedicle
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目前臨床上診斷椎弓根螺釘鬆脫的依據，主要以病人術後有再疼痛的症狀出 現，此時醫生便會對病人進行 X 光影像拍攝或電腦斷層掃描來觀察椎弓根螺釘是 否發生移位或周圍出現陰影，但是目前並無量化資料能提供醫師參考當此陰影多 大時其椎弓根螺釘與周圍骨組織的結合強度已經顯著下降，而需要對病人進行椎 弓根螺釘移除或補強的動作。另外，目前廣泛用以評估椎弓根螺釘與周圍骨組織結 合能力的體外實驗生物力學測試為使用單次的破壞性軸向拉出測試63,64。這類單次 測試能夠提供部分的椎弓根螺釘與周圍骨組織結合情形的生物力學特性，但是卻 無法有效地分析日常生活活動對於周遭骨組織的疲勞破壞而影響拉出強度的現象。
研究動機和目的
椎弓根螺釘鬆脫是術後短期常見的併發症之一，於骨質疏鬆病患族群更為嚴 重。雖然目前已有許多研究在致力於降低或預防椎弓根螺釘鬆脫，但是對於椎弓根 幾何構造與內部組成特性對於椎弓根螺釘的拉出強度間的關係的研究仍十分匱乏，
若能找出兩者間的連結即能提供醫師在術前判斷出適合植入的椎弓根區域，以降 低植入物鬆脫的機率。臨床上對於椎弓根螺釘鬆脫的診斷主要利用 X 光影像來觀 察椎弓根螺釘和椎骨間介面周圍是否出現陰影區塊，然而目前並沒有研究量化椎 弓根螺釘與周圍骨組織間隙與拉出強度間的關係，無法提供醫師依影像資料判斷 其拉出強度是否下降。最後，目前體外生物力學測試椎弓根螺釘和椎骨間的咬合強 度是主要採用單次椎弓根螺釘拉出測試法，但此方法僅能夠提供部分的椎弓根螺 釘與周圍骨組織結合情形的生物力學特性，但是卻無法有效地分析日常生活活動 對於周遭骨組織的疲勞破壞而影響拉出強度的現象。
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本研究以人體屍骨試樣進行體外生物力學試驗，探討的實驗目的有以下兩點：
1. 建立椎弓根幾何結構與骨質組成特性，即緻密骨面積占整體椎弓根面積比例與 椎弓根螺釘拉出強度間的關係，提供醫師在術前判斷出適合螺釘植入的椎弓根 以降低術後鬆脫的機率。
2. 藉由疲勞負載產生模擬臨床椎弓根螺釘與周圍骨組織的間隙，建立間隙與椎弓 根螺釘拉出強度的關係，提供臨床上判別椎弓根螺釘鬆脫的參考依據。
2.2 材料與方法