3-1 人工假骨 – 矽油 / 骨水泥 3-1-1 注射力量
在開始進行矽油的注射之前先對矽油的注射特性做重現性的實驗，在重現性 實驗中使用的是編號 M 的人工假骨，注射 100 Pa*s 的矽油，其結果如下圖所示(圖 3-1 )：九個試樣之間的第一、二以及第三針注射力量的重現性很高，所以在矽油注 射這個部份每種人工假骨跟矽油的組合只需一個試樣即可作為代表。
1st: 66.78 (2.13) 2nd: 62.94 (1.7) 3rd: 61.63 (2.19) 1st: 66.78 (2.13) 2nd: 62.94 (1.7) 3rd: 61.63 (2.19)
圖 3- 1 矽油 - 人工假骨注射重現性實驗
在人工假骨與矽油的注射中，注射力量在矽油流出導管後便會維持一定值(圖 3-2 )，經過統計後發現最大注射力量與矽油黏度之間有顯著的相關性；注射力量在 不同材料之間的差異性並不大，僅在黏度大的矽油中會有差異性出現，如(圖 3-3 ) 所示。
由圖 3-3 中得知：不同孔洞比的人工假骨注射材料並不會影響注射過程中的最 大注射力量，反而是黏滯性越高的注射液體所需要的注射力量就越大。
圖 3- 2 矽油注射力量 - 時間圖
* p = 0.001 * p = 0.026
* p = 0.001
* p = 0.001
* p = 0.001
* p = 0.003
* p = 0.001 * p = 0.026
* p = 0.001
* p = 0.001
* p = 0.001
* p = 0.003
圖 3- 3 各種人工假骨 - 矽油之平均最大注射力量圖
從人工假骨與骨水泥注射的力量曲線圖中(圖 3-4 )也觀察到一個現象：相較於 矽油的穩定注射力量，骨水泥注射過程中有兩個力量峰值出現，分別在骨水泥剛 從注射管內進入試樣內的時候以及注射即將結束的時候會有峰值力量，由此可以 得知兩種注射液體的注射特性是完全不一樣的。
圖 3- 4 骨水泥注射力量 - 時間圖 3-1-2 擴散影像
藉由重組 CT 影像觀察矽油在人工假骨中擴散的情況，在注射完 3cc 的矽油之 後，我們發現矽油是呈現球狀擴張的，黏滯性較低的矽油其擴散形狀傾向於橢圓 形，而黏滯性越高的的矽油則呈現圓形狀的擴張。除了編號„H‟的人工假骨之外，
矽油在其他兩種編號的人工假骨 M 與 L 中之擴散情況是比較類似的(圖 3-5, 圖 3-6 )：
圖 3- 5 人工假骨„L‟在各種黏度矽油注射開始前與結束後的影像
圖 3- 6 人工假骨„M‟在各種黏度矽油注射開始前與結束後的影像 由於人工假骨 H 在材料結構上是屬於封閉式氣泡，所以矽油在其內部的流動 會有所限制，隨著封閉氣泡的分布而有所差異，一旦前方無法繼續進行擴散，矽 油便會沿著注射的導管途徑往後方溢流(圖 3-7 )。
圖 3- 7 人工假骨„H‟在各種黏度矽油注射開始前與結束後的影像 另外我們亦針對導管管口平面的流動情況進行分析，以觀察在不同的注射材 料中不同黏滯性的矽油其擴散範圍之差異(圖 3-8, 圖 3-9 )，如圖所示：在編號 L 與 M 的人工假骨中，100 Pa*s 的矽油因為黏滯性很高所以各方向的擴散範圍很均
勻；黏滯性較低的 30 Pa*s 以及 60 Pa*s 兩種矽油則傾向於往前方擴散流動，其中 編號 M 的假骨中矽油往前方流動的現象比較明顯。從影像上的分析可以得知這兩 種黏度的矽油其擴散的能力是沒有明顯差異的，黏滯性越低的矽油其往重力方向 流動的能力就越高，反之則越低。
圖 3- 8 矽油在人工假骨 L 中管口平面之擴散範圍
圖 3- 9 矽油在人工假骨 M 中管口平面之擴散範圍
注射骨水泥於人工假骨的實驗中，骨水泥在人工假骨中滲透流動的情況跟矽 油大致上是相同的，呈現雲狀擴散，比較不一樣的是骨水泥會隨著注射時間增加 而逐漸凝固減低流動性。
所以即便是調配得較稀的骨水泥仍然可以在人工假骨中維持一定的雲狀擴 散，各方向的擴散也很均勻(圖 3-10 )，相較於矽油，在注射停止後骨水泥並不會 有繼續往外擴散或是繼續流動的趨勢。
圖中顯示各種組別的擴散情況並無明顯差異，不同骨水泥濃度以及不同的人 工假骨對注射的擴散情況皆不會有特別顯著的影響。其中有個特殊的案例，在人 工假骨編號 L，注射稀骨水泥這一組注射實驗中，調配比例低於 1.3 使得骨水泥過 稀，導致注射過程中有明顯往前方流動的情形(圖 3-10 紅色箭頭處)。但是即使是 較稀的骨水泥，在注射過程中也呈現雲狀擴散。
圖 3- 10 骨水泥在人工假骨中之擴散影像
從上述的影像中我們可以整理出幾種注射液體擴散的形狀，在矽油的注射 中，其擴散有兩種，分別是球狀擴散以及不規則狀擴散；在骨水泥注射中則是以 雲團狀的流動擴散為主(圖 3-11 )。
圖 3- 11 擴散形狀圖 A : 不規則狀擴散 B : 圓球狀擴散 C : 雲狀擴散 3-2 壓迫性骨折
在骨折破壞的實驗中我們發現不同骨質密度的骨頭其極限強度也會有所不 同，如(圖 3-12 ) 所示：所有試樣的極限強度皆隨著其本身的骨質密度升高而增加，
跟不同的破壞程度以及不同的破壞速度之間並沒有相關性，整個實驗所有試樣的 極限強度範圍則介於 500N~3000N 之間。
圖 3- 12 極限強度 – 骨質密度關係圖
影像方面透過重組之後的切面圖來觀察不同程度骨折其內部破壞的情形，其 中破壞程度較低的椎體，在皮質骨表面會產生彎曲但是並沒有明顯的裂痕或是破 洞出現，僅內部的海綿骨受到壓縮變得緊密(圖 3-13 )；
圖 3- 13 A : 30%骨折前 B : 30%骨折後
在破壞程度較高的椎體中則可以清楚的觀察到其皮質骨表面有明顯的裂痕以 及破裂出現，椎體的上下端邊緣也都因為骨折而產生破壞，椎軆內部的海綿骨也 因為破壞程度較高的關係而被壓縮得比較密(圖 3-14 )。
圖 3- 14 A : 60%骨折前 B : 骨折 30% C : 60%骨折後
在實驗結果中顯示破壞 30%的椎體內還存有明顯的孔洞空間，而在破壞程度 60%的椎體內則多數被擠壓成密合狀態，孔洞空間分佈較不明顯。
3-3 人體椎骨試樣 – 骨水泥 3-3-1 注射力量
注射力量在人體椎骨試樣上所顯示的結果跟在人工假骨上的結果有相同的趨 勢，注射力量只跟骨水泥的濃度有關，濃度越高則所需要的注射力量也越高。濃 骨水泥的平均注射力量為 208(39) N；相對的較稀的骨水泥注射力量比較低，平均 注射力量為 115(38) N。在兩種不同程度的骨折中都呈現同樣的趨勢與結果，因此 我們認為注射力量跟破壞的程度並沒有直接的關聯 (圖 3-15 )。
A B C
圖 3- 15 人體椎骨 – 骨水泥平均最大力量注射關係圖
從線性分析的結果可以得知，骨水泥的注射力量與不同的骨質密度和不同破 壞程度之間沒有顯著的線相關性，注射力量的大小主要還是取決於骨水泥的濃度 高低，不同骨質密度或是不同骨折程度都不會對注射力量造成顯著影響(圖 3-16, 圖 3-17, 圖 3-18 )。
圖 3- 16 不同濃度之注射力量 – 骨質密度關係圖
圖 3- 17 破壞程度 30%, 骨質密度與注射力量關係圖
圖 3- 18 破壞程度 60%, 骨質密度與注射力量關係圖
從上述力量分析結果顯示：選擇比較稀的骨水泥可以有效幫助醫務人員在手 術過程中徒手將骨水泥順利的注射進入病患體內。
3-3-2 擴散影像
首先利用神農影像軟體將電腦斷層的圖片檔案輸出成 3D 的影像，從整個注射 過程的影像去觀察骨水泥在椎骨內的流向以及其擴散形狀(圖 3-19 )；從影像中可
以觀察到骨水泥溢流的情形，找出發生骨水泥溢流的位置(圖 3-20 )，再利用 MatLab 軟體針對該位置的圖層分析其在注射時的各種情況和變化。
圖 3- 19 骨水泥注射過程中椎軆內之 3D CT 影像
圖 3- 20 骨水泥注射前後從椎體溢流之 3D CT 影像 ( 紅色箭頭處為溢流 ) 接著分別從各個實驗組別中取出各個椎體，觀察在不同環境條件之下的注射 情況，利用 MatLab 程式將每一針骨水泥注射完畢後的輸液延長管口切面圖層取 出，設定不同的灰階值來圈劃出骨水泥在椎體內部分佈的範圍以及形狀。
濃度高的骨水泥我們將灰階值設定為 2300，即電腦斷層圖片中灰階值高於 2300 的部份就認定為骨水泥；濃度低的骨水泥其顯影能力比較低，我們將骨水泥 灰階值設定為 2000，如此將可以得到較清晰準確的骨水泥分佈輪廓。
3-3-2-1 骨折 30%影像分析
兩種不同濃度的骨水泥在骨折程度 30%的椎體內，其注射過程中僅有三個骨 水泥溢流的現象。從圖 3-21, 圖 3-22 兩張圖中可以發現到：大部份試樣在注射時，
骨水泥會沿著導管管口附近的海綿骨結構，均勻的往外擴散滲透，充分填補海綿 骨內的孔洞部份。
這種流動現象主要是因為骨折 30%的椎體中，椎體內部的海綿骨結構尚有足 夠的空間讓骨水泥均勻的流動，即便骨水泥碰到皮質骨，沿著皮質骨擴散時也因 為表面無明顯的破裂所以不會發生骨水泥溢流。
圖 3- 21 MD0704-T1 30%骨折、濃骨水泥注射擴散圖
圖 3- 22 MD1823-T6 30%骨折、稀骨水泥注射擴散圖
表 3-1 與表 3-2 分別為破壞 30%的椎骨在注射濃骨水泥與稀骨水泥之後的結果整 理。
表 3- 1 骨折 30%, 注射濃骨水泥之分析 Specimen
( High Viscosity )
Level Injection Force
(N)
Level Injection Force
(N)
圖 3- 23 TN0807-T3 60%骨折、濃骨水泥注射擴散圖
圖 3- 24 MD0705-T5 60%骨折、稀骨水泥注射擴散圖
表 3-3 與表 3-4 分別代表骨折 60%的試樣在注射濃骨水泥與稀骨水泥之後的情 況以及椎體發生骨水泥溢流的位置。
表 3- 3 骨折 60%, 注射濃骨水泥之分析 Specimen
( High Viscosity )
Level Injection Force
(N)
Pressure
(MPa)
Leakage
T
TNN00880077 T1 221133 ((4411)) 1111..3344 SSuuppeerriioor r EEnndd T
TNN00880077 T2 221100 ((7799)) 1111..2233 AAnntteerriioorr LLeefftt T
TNN00880077 T3 113366 ((3399)) 7.7.2277 InInffeerriioor r EEnndd M
MDD00770055 T1 222244 ((4477)) 1111..9922 AAnntteerriioorr LLeefftt M
MDD11882233 T7 222200 ((5544)) 1111..7711 FrFroomm SSyyrriinnggee
表 3- 4 骨折 60%, 注射稀骨水泥之分析 Specimen
( Low Viscosity )
Level Injection Force
(N)
(3) 從椎體靜脈往神經腔部位溢流(圖 3-28, 圖 3-29 )
(4) 針管前端無法繼續進行注射而從注射孔道產生溢流(圖 3-30 )
圖 3- 25 骨水泥溢流影像分析 (紅色箭頭為溢流位置)
圖 3- 26 皮質骨表面破裂處溢流 (紅色箭頭處溢流)
圖 3- 27 椎體上下端椎終板邊緣破裂處溢流 (紅色箭頭處溢流)
圖 3- 28 神經腔骨水泥溢流 (黃色箭頭為椎體靜脈腔 紅色箭頭為溢流處)
圖 3- 29 神經腔骨水泥溢流 (黃色箭頭為後側椎體破壞處 紅色箭頭為溢流處)
圖 3- 30 注射管口處溢流 (紅色箭頭處溢流)
其中較值得注意的是實驗中有兩個試樣，骨水泥從神經腔發生溢流的案例(圖 3-31, 圖 3-32 )，圖形中有兩種灰階值，灰階值 2000 所呈現的是移除骨頭後的骨水 泥溢流分佈圖，灰階值 900 所呈現的則是骨頭加上骨水泥溢流的圖形。