本實驗主要分為兩個實驗階段，第一階段為利用人工假骨( Sawbones )作為試 樣並且注射矽油( Silicone Oil )以及骨水泥( Bone Cement )，用以模擬經皮椎骨整型 手術的過程；第二階段則是利用人體椎骨試樣配合骨水泥的注射，實驗過程與實 際臨床手術流程ㄧ致。
為了能夠觀察矽油與骨水泥在兩個實驗試樣群組中擴散滲透的情況，所有的 注射過程都在電腦斷層( CT )的照攝下完成，如此即可透過影像的分析觀察整個注 射的過程；此外在注射過程中也利用壓力感測元件( Load Cell )將注射力量記錄下 來。
2-1 實驗儀器
2-1-1 可用於Ｘ光環境下之壓縮平台 (圖 2-1 )
本機台由實驗室自行研發設計，擁有力矩模式以及位移控制模式，最大出力 可以達到 4000N，實驗中使用這個平台將椎骨壓縮破壞，造成骨折。由於骨折程 度不一致，所以透過速度的控制使平台可以在一分鐘之內將椎骨壓到所要的高 度，並利用 5°角楔型平面來達到楔型骨折的目的23。
圖 2- 1可用於Ｘ光環境下之壓縮平台 4000N
2-1-2 可用於Ｘ光環境下之注射平台 (圖 2-2 )
本機台是實驗室自行研發設計出來的，最大出力為 400N，主要為水平方向的 推力。透過特別設計的針筒固定座以及推桿設計，可以順利的將骨水泥以及矽油 注射到椎體中，推桿後方有壓力感測元件可以即時記錄注射過程中的推力變化，
同時也有位移感測元件紀錄注射的行程，可推算出特定時間點的注射量。另外機 台本身可以控制注射的速度，本次實驗的注射速度設定為每分鐘注射 1.62mL 的骨 水泥以及矽油。
圖 2- 2 可用於Ｘ光環境下之注射平台設備 400N 2-1-3 電腦斷層掃描 (圖 2-3 )
實驗的所有過程都在電腦斷層掃描下進行完成，我們所使用的是台大醫院影 像醫學部所提供的平台 Cine CT ( LightSpeed VCT, GE )，為了可以精確的記錄整個 影像，我們將平台的照射範圍設定為 2 cm，每秒鐘拍攝 32 張 Slices，總共的拍攝 記錄時間為 1 分鐘，如此可得到的解析度為 512*512 pixel，每個 pixel 大小為 0.1875 mm，每張 slice 間距為 0.625 mm。
圖 2- 3 CT Room / Cine CT 2-2 實驗階段一：假體實驗
2-2-1 注射試樣：人工假骨
第一階段實驗所使用的試樣為跟美國 Sawbones 公司所訂購的人工假骨，總 共有三種不同型號的人工假骨，分別代表三種不同的骨頭強度以及三種不同的骨 質密度：
( 1 ) Open Cell Rigid Foam 5.5 pcf：L (圖 2-4A ) ( 2 ) Open Cell Rigid Foam 7.5 pcf：M (圖 2-4B )
( 3 ) Cellular Rigid Polyurethane Foam 7.5 pcf：H (圖 2-4C )
圖 2- 4 A : Open Cell 5.5 pcf B : Open Cell 7.5 pcf C : Cellular 7.5 pcf 其中 Open Cell Rigid Foam 的結構屬於海棉骨狀的結構(圖 2-5A, 2-5B )，適合 用於觀察以及模擬骨水泥在海綿骨中注射流動的情況，而 Cellular Rigid
Polyurethane Foam 的結構則較不一樣，有 95%以上的結構屬於封閉式的氣泡狀 (圖 2-5C )，相對的強度亦比較強。藉由這兩種不同結構的人工假骨來探討骨水泥 注射以及流動性，並且透過下列的公式：
ult.stress
BMD
2 (式 A)除了矽油之外我們也準備了兩種不同濃度的骨水泥要注射到人工假骨內，而 骨水泥濃度的選擇上則是參考臨床常用濃度範圍之極限值，用以作為濃與稀之判 別9,20。實驗中所使用的注射針筒為 1 mL 的高壓注射針筒，接上 11 cm 長的輸液 延長管來進行注射，注射針孔的大小為 11 號針。
2-2-3 假體注射實驗流程
整個注射過程都在電腦斷層掃描室裡面進行，爲防止受到輻射量的傷害，儀 器架設完畢後便在 CT 房外的控制室內無線啟動儀器，並在儀器啟動同時進行 CT 的照攝同步擷取影像以及注射力量(圖 2-6 )。實驗組別整理如表 2-2：
表 2- 2 矽油注射實驗組別
Sawbones_L Sawbones_M Sawbones_H Silicone Oil_30 Pa*s N=1 N=1 N=1 Silicone Oil_60 Pa*s N=1 N=1 N=1 Silicone Oil_100 Pa*s N=1 N=9 N=1
由於人工假骨以及矽油皆為標準的實驗試樣以及注射液，因此在第一階段實 驗中，每種人工假骨配合不同黏度的矽油只做一組試樣，並於 9 種組合中挑出 1 組進行重現性的實驗，加強實驗結果的說服力，完整的實驗程序如下(圖 2-7 )。
圖 2- 6 人工假骨注射實驗儀器架設示意圖
最後針對骨水泥跟人工假骨的注射部份(表 2-3 )進行了一次相同的實驗程序，
將骨水泥的注射影像與矽油的注射影像做比較及討論。
表 2- 3 人工假骨骨水泥注射組別
Sawbones_L Sawbones_M High Cement Viscosity
(Ratio 1.6:1)
N=1 N=1
Low Cement Viscosity (Ratio 1.3:1)
N=1 N=1
註：Ratio = 粉末：溶劑
Specimen Preparation 60mm*40mm*30mm / block
Oil Injection
Specimen Preparation 60mm*40mm*30mm / block
Oil Injection
為了配合電腦斷層掃描的照攝設定，本次實驗中所使用的為體積較小的胸
圖 2- 8 移除脊椎軟組織以及後側椎體部分
在進行注射之前先對所有試樣做楔形破壞模擬骨折，將以經分組完成的四組 試樣利用實驗室自製的 4000N 機台對各組椎骨造成不同程度的壓迫性骨折，之後 再配合不同的骨水泥濃度來進行注射並記錄觀察。
2-3-2 注射液體：骨水泥
基於實驗過程中需要設定機台以及更換注射針筒，必頇一開始就先將一個椎 骨所需注射的骨水泥量一次調配完畢並且灌注到高壓注射針筒中以縮減準備時 間。尚未注射的骨水泥在等待注射這段時間內要保持液態不能凝固，所以必頇選 用凝固時間較長的骨水泥，並在調配完且灌注到高壓針筒內後將其放入冰水中冷 卻降溫以預防骨水泥快速凝固，有鑑於此，這次實驗我們所選用的是 DePuy CMW 3 ( DePuy CMW, Blackpool, England ) 這款骨水泥，相較於其他型號的骨水泥，
DePuy CMW 3 這款骨水泥在調配完成後可以有比較長的工作時間，屬於中等黏度 水泥，主要用於注射敷用。
臨床上最常使用的骨水泥濃度範圍約介於 1.6 ~ 1.35 (粉末與溶劑比例) 之 間，這兩個比例的骨水泥濃度在臨床上的注射結果並無特別明顯或嚴重的負面結 果9,20，為了使實驗結果跟臨床結果相近，所以採用兩種極限比例濃度，1.6：1 (粉 末：溶劑)，濃骨水泥；1.3：1 (粉末：溶劑)，稀骨水泥。
決定好骨水泥的型號以及濃度之後，我們再配合不同程度的壓迫性骨折進行 各種組合的注射實驗。而實驗中所使用的注射針筒一樣是 1 cc 的高壓注射針筒，
同樣使用長度 11 cm 的輸液延長管來進行注射，注射針孔大小為 11 號針。
2-3-3 壓迫性骨折
由於經皮椎骨整型手術主要是用於治療發生椎骨骨折的骨質疏鬆症病患，所 以我們在對所有人體椎骨試樣進行注射之前必頇先對其產生一個壓迫性的骨折，
在臨床上骨折的定義為椎骨高度減少原本的 25%~30%即可定義為骨折38，為了探 討不同程度骨折情況的骨水泥注射流動情形，我們將造成兩種不同程度的壓迫性 骨折，分別為：
( 1 ) 壓縮椎骨高度 30%的壓迫性骨折 ( 2 ) 壓縮椎骨高度 60%的嚴重壓迫性骨折
為了配合電腦斷層照射的時間，所有試樣的都骨折必頇在一分鐘內完成，所 以使用兩種不一樣的壓縮速度來製造不同程度的骨折，分別以 0.15 mm/s 以及 0.25 mm/s 兩種速度來製造 30%以及 60%的骨折。
在進行骨折破壞時我們亦參照文獻上所述的方法利用一個 5°角楔型平面來造 成壓迫性的楔型骨折23 (圖 2-9 )，並且在開始壓縮之前先給予椎體一個 300N 的預 壓，所使用的機台為實驗室自行製造的壓縮平台 4000N，同樣的這個實驗步驟也 是在電腦斷層的照攝之下完成。為了避免實驗過程中遭受輻射線的傷害，壓縮平 台則是在 CT 房外的控制室內以無線遙控的方式啟動，同時也啟動 CT 的照攝以取 得影像(圖 2-10 )。
圖 2- 9 椎體楔形骨折示意圖35
圖 2- 10 椎體楔形骨折實驗儀器架設示意圖 2-3-4 人體椎骨試樣注射實驗流程
這次實驗所用的 20 個胸椎如前面章節所述依骨水泥濃度與骨折程度總共可以 細分為四個組別，各個骨水泥注射的組別以及試樣數量分別整理如表 2-6：
表 2- 6 人體椎骨試樣骨水泥注射組別
Compression Level_30% Compression Level_60%
High Cement Viscosity (Ratio 1.6:1)
N=5 N=5
Low Cement Viscosity (Ratio 1.3:1)
N=5 N=5
註：Ratio = 粉末：溶劑
試樣於室溫下退冰 12 小時後即可進行骨水泥的注射實驗(圖 2-11, 2-12 )，實驗 的流程如下圖 2-13 所示：
圖 2- 11 人體椎骨注射實驗儀器架設示意圖
圖 2- 12 A : 試樣架設側視圖 B : 試樣架設後視圖
Specimen Preparation Remove soft tissue / posterior vertebra
DEXA BMD
Compression Fracture Compressed 30% of initial height Compressed 60% of initial height
Bone Cement Injection
Compressed 30% of initial height Compressed 60% of initial height
High Viscosity
5oangle wedge fracture Height measurement
Height measurement
Height measurement Sagittal Slicing 1mm / slice
Specimen Preparation Remove soft tissue / posterior vertebra
DEXA BMD
Compression Fracture Compressed 30% of initial height Compressed 60% of initial height
Bone Cement Injection
Compressed 30% of initial height Compressed 60% of initial height
High Viscosity
5oangle wedge fracture Height measurement
Height measurement
Height measurement Sagittal Slicing 1mm / slice
圖 2- 13 人體椎骨注射實驗流程圖
腦斷層的影像重組，如此就可以從 3D 的影像來觀察實驗過程並且分析骨水泥在椎 骨內的流動型態；同時也透過 Matlab 程式的撰寫來幫助分析 2D 的影像，觀察各 方向流動範圍以及溢流發生的部位等等，並且將影像的資訊量化。
圖 2- 14 神農影像軟體 2-4-2 資料分析
實驗過程中我們也同時將注射力量給記錄下來了，透過注射力量的分析可以 得知在不同骨水泥濃度之下所需要的注射力量差異、骨質密度與注射力量的關係 以及破壞程度跟注射力量之間的關係，分別利用 SPSS 統計軟體以 ANOVA 和 Linear Regression 兩種方法分析顯著性差異以及趨勢。
高度回復方面則相對於完整椎體以百分比分別表示治療前與治療後的高度差 異，並使用統計軟體 SPSS 做 Pair T Test 的分析找出治療前、治療後的高度回復是 否有顯著性的差異。