第一章 前言
1.4 椎弓根螺釘力學測試文獻回顧
在體外實驗中，椎弓根螺釘拉出測試(pullout test)已經廣泛運用於表達椎弓根 螺釘和椎骨間咬合強度的實驗13,41，其原理為將椎弓根螺釘從試樣內垂直拉出(圖 1.9a)，量測兩者之間的鬆脫力量(failure load)(圖 1.9b)。當然椎弓根螺釘在體內的 破壞力學型態不像拉出測試一樣單純，但體內破壞型態在體外實驗是極難做到，
而拉出測試是一個標準且可被量化，用來測試椎弓根螺釘和椎骨間咬合強度的一 個好的方法25。然而影響椎弓根螺釘在椎骨內咬合強度的因素有很多，包含骨質密 度(bone mineral density, BMD)，椎弓根螺釘螺牙的設計，椎弓的直徑大小…等諸如
此類的因素都已經被證明會影響椎弓根螺釘的穩定度8,20,21,39。目前也已經有文獻利 用椎弓根螺釘拉出測試，觀察椎弓根螺釘在施加疲勞負載(fatigue loading)後和椎骨 間的鬆脫情形。
(a) (b) 圖 1.9 椎弓根螺釘拉出測試，a)實驗原理 b)拉出強度曲線圖19
Lill(2006)23等人利用動物試樣和人體試樣的椎骨，針對 5 種不同的椎弓根螺釘 進行疲勞負載測試，比較相同負載下五種釘子在拉出強度上的差異，此研究選擇 對螺釘施加 200N，5000 次的參數做為負載條件，模擬 68 公斤患者術後 2 個禮拜 的行走，結果發現經疲勞負載後椎弓根螺釘的拉出強度減少 24-31%。
Lim(1995)24等人利用前側骨螺釘和椎體間間隙為 1mm時，作為疲勞負載的條 件參數，使用的是人體腰椎(L1-L5)，以 0.5Hz，300N的力量(200N向下負載，100N 向上負載)對螺釘進行疲勞負載，探討骨質密度和螺釘旋入時扭矩(insert torque)之 間的關係，結果顯示，骨質密度和扭矩之間有顯著的正相關。
Luk (2005)26等人則利用人體薦椎試樣作為實驗的對象，將薦椎下緣以骨水泥 固定，比較椎弓根螺釘分別穿過前後層皮質骨和上方椎終板兩種固定方式受疲勞 負載後的拉出強度，由於薦椎結構和一般椎骨不同，負載參數原本定為 20-200N，
40,000cycle，但發現螺釘和試樣間並無顯著破壞，因此實驗中使用 400N為椎弓根 螺釘負載力量。結果顯示，穿過椎終板螺釘的穩定性較穿過前後側穩定性來的好。
Hsu(2005)16等人利用骨質密度不同的人工仿骨(sawbones)觀察不同設計螺釘
拉出強度的差異，並配合有限元素法分析和實驗結果對照。結果發現：對於骨質 密度較高的仿骨，其拉出強度也相對較高，有限元素法分析也顯示相同結果。由 於人工仿骨屬於均質材料，穩定性與重複性高，是用於有限元素法和前導實驗一 個好的選擇。
Weinstein(1992)38等人找出椎弓根螺釘在椎骨內咬合強度的分佈情形，此研究 將椎骨分成兩個部份，第一部分為完整椎骨，第二部份將前方椎體部分切除，將 椎弓根螺釘分別打入兩者內並進行拉出測試，結果顯示椎弓根螺釘的拉出強度有 60%來自椎弓，15-20%來自椎體海綿骨，20-25%來自前緣皮質骨。此結果証明，
椎弓是影響椎弓根螺釘在椎骨內咬合強度的一個重要結構。
Hirano(1997)15等人則針對椎骨的結構分佈進行QCT的影像拍攝，發現椎弓外 圍皮質骨的截面積佔比例 50%以上，因此當椎弓根螺釘順著椎弓路徑打入時，大 部份螺牙咬合到皮質骨的部份，造成椎弓根螺釘和椎弓的咬合較強。
Halvorson(1994)14等人則證實，對於骨質疏鬆的患者，海綿骨結構較鬆散，皮 質骨的厚度也會變薄，是導致椎弓根螺釘和椎骨的咬合力下降的重要原因。
Misenhimer(1989)30等人利用電腦斷層掃描分析椎弓根螺釘和椎弓咬合影像，
並配合拉出測試，結果發現當椎弓根螺釘截面積大小為椎弓截面積的 80%時，椎 弓根螺釘和椎弓咬合的強度最好，又不易發生椎弓破裂的危險。
雖然拉出強度是觀察椎弓根螺釘和試樣間咬合強度的重要方法，但目前已經 有文獻試圖利用椎弓根螺釘在旋入椎骨內的扭矩，介面的剛性(interface stiffness)，
椎弓根螺釘在骨頭內的震盪頻率(screw vibration frequency)說明椎弓根螺釘在試樣 內咬合強度的情形。
Zdeblick(1986) 40等人使用人體腰椎試樣，紀錄椎弓根螺釘旋入椎骨內的扭力 數值，並利用拉出強度當作測試，結果顯示當椎弓根螺釘旋入椎骨扭矩小於 0.45Nm 時，椎弓根螺釘的拉出強度會有較明顯的下降。
Okuyama(2000) 31等人則實際將扭力預測運用在臨床上椎弓根螺釘的鬆脫，62
位受試者平均年齡為 58 歲，追蹤時間平均為 2.7 年。其結果發現：沒有椎弓根螺 釘鬆脫的病人，椎弓骨螺釘鎖進椎骨時的平均扭力為 1.5(±0.4)Nm；而鬆脫的椎弓 根螺釘，扭力平均為 1.28(±0.37)Nm；術後發生壓迫性骨折的椎骨，扭矩平均為 0.83(±0.23)Nm，和沒有鬆脫的椎弓根螺釘扭力有顯著性的差異(p < 0.01*)。此研究 証明，對於鎖入螺釘扭力較低的患者，有較高的機率發生螺釘鬆脫及骨折的症狀。
Inceoglu(2001) 17等人利用 54 根椎弓根螺釘進行體外動物實驗，試圖建立扭力 和拉出強度之間的關聯性，但其結果顯示兩者間並沒有顯著的相關性 (Person r=0.20, R2=0.04, p>0.14) (圖 1.10)。
圖 1.10 螺釘旋入扭矩和拉出強度關係圖17
Lu(2000)25等人對薦椎椎骨施加 400N，20,000 次循環負載，並在每 500cycle 時記錄一次椎弓根螺釘和椎骨間的力量位移關係，即剛性強度(screw-bone interface stiffness)，其結果顯示，在前 1000 次負載時剛性強度有明顯的下降趨勢，之後剛 性強度則趨於平穩。此篇文獻雖然也有做拉出強度的測試，但卻沒有明確指出拉 出強度與剛性強度之間的關聯性。
Kay (1998) 18等人利用小力量的非破壞性測試法，實驗將螺釘植入狗的小腿 骨，以 5N的力量敲擊骨頭內釘子，觀察螺釘在不同強度骨頭內的加速度的變化(即 自然震盪頻率)，同時螺釘進行剛性測試。結果顯示，對於未經疲勞負載的骨質，
震盪頻率和剛性強度都會較高，代表螺釘在試樣內的咬合強度越強。並建立震盪
頻率和剛性強度的關聯性，結果顯示兩者間有顯著相關。此篇文獻單純探討這兩 種非破壞性的測試方法，並沒有對螺釘進行拉出測試。