1-1 脊椎構造基本介紹
人體脊椎是共由33 塊脊椎骨所排列構成，脊椎骨共可分為三個部份：7 節頸 椎（cervical spine, C1-C7）、12 節胸椎（thoracic spine, T1-T12）、5 節腰椎(lumbar spine, L1-L5)。脊椎底部有 5 塊骨頭癒合成一大塊的薦椎（sacrum），再往下是 3 至5 塊的小骨（大部份人有 4 塊）癒合成一整塊或部份分開的尾骨（coccyx）。雖 然頸、胸、腰椎所處的位置不同，但其構造卻差不多（圖1-1），均包含下列構造：
椎體（vertebral body）、椎間孔（vertebral foramen）、椎弓根（pedicle）、椎板
（lamina）、一個棘突（spinous process）、一對橫突（transverse process）、一對上 關節突（superior articular process）、一對下關節突（inferior articular process）。
圖1-1 胸椎與腰椎側視圖、剖面圖21
在每節脊椎骨間還有以軟骨為主的椎間盤加以區隔，椎間盤的上下面由一層 薄薄的軟骨所覆蓋，稱為椎終板（endplate），外層稱為椎間環（anulus fibrosis），
是由環狀的纖維結構交織而成，纖維層與層之間排列約呈120°的夾角(圖 1-2)，結 構性強且本身幾乎沒有痛覺神經，其與脊椎骨的外緣以及椎終板緊密相連。椎間 環內部的膠狀物質稱為椎間核（nucleus pulpous），其含水量可達 80％左右，膠質 可以使得椎間盤像液態的滾珠一般，因此椎間盤除了有關節的作用外，還具有做 為脊椎骨間緩衝墊的功能。
圖1-2 椎間盤結構示意圖21
1-2 椎間盤之病變
椎間盤可以藉由變化形狀來分配脊椎所受到的負載力，特別是對於壓縮力與 震動力的吸收十分的有效果，但卻容易受到扭轉所產生壓力的影響，導致外層的 破裂，導致脊椎病變發生(圖 1-3)。而這類情況的發生，會導致內部的膠狀物質（椎 間核）突出，通常稱為椎間盤突出或椎間盤脫出(圖 1-3(a))；這一破裂往往會刺激 韌帶、脊髓硬膜和破裂處椎間環的痛覺纖維，產生局部的疼痛，而當椎間盤壓迫 到神經時，有可能引起手臂或腿部劇痛；椎間盤問題通常會發生在下背部，但也 會發生在頸部，中背部則比較少見。隨著脊椎的老化，骨頭與椎間盤也會跟著退 化(圖 1-3(b))，椎間盤則失去水分，越來越乾扁，韌帶也會變得無力且沒有彈性；
這些退化現象稱為脊椎關節退化症或骨性關節炎，通常50 歲以上的人有 75%的 X 光片檢查都顯示會有此症狀；其症狀通常會先由頸椎下半部及腰椎下半部發生；
雖然老化很少直接造成背痛，但會導致脊椎神經孔狹窄、骨質疏鬆、變形性骨炎 及關節面症候群等。
圖1-3 脊椎病變示意圖21
1-3 椎間核壓力量測
由於椎間盤的病變以及退化都有可能造成椎間核壓力的改變，如何去量測椎 間核壓力來做定量性的分析研究都是早期學者一直努力的目標，1953 年 Naylor 等人以布爾登壓力計(Bourdon gauge) 來量測椎間核壓力17，其中透過水壓以連通 管的方式來達到量測壓力的目的，但因為屬於間接的方式，所以在實驗上容易造 成誤差；椎間盤因為有極高的含水量，1959 年 Nachemson 等人假設椎間盤內部 為一個靜水壓的狀態 16，以一連接壓力計的中空針管並包覆具有彈性的聚乙烯材 質，去插入椎間核中來量測壓力，指出了椎間核具有靜水壓的特性，其後也開起 了以針型壓力感測器在椎間核壓力量測上之濫觴；椎間核壓力的量測可以做為在 脊椎力學的研究上一重要的參數，藉由椎間核壓力的變化，可以用來分析脊椎內 所承受之壓力情形，瞭解脊椎在各種不同情況與動作之下的壓力變化，1999 年
Wilke 等人便以針型壓力感測器的方式，透過無線傳輸的技術來量測人體在日常
Position Pressure（MPa）
Lying supine Lying on the side Lying prone
Lying prone, extended back, supporting on elbows Laughing heartily, lying laterally
Sneezing, lying laterally Peaks by turning around
0.10 Relaxed standing
Standing, performing valsalva maneuver Standing, bent forward
0.50 0.92 1.10 Sitting relaxed, without backrest
Sitting actively straightening the back Sitting with maximum flexion
Sitting bent forward with tight supporting the elbows Sitting slouched into the chair
Standing up from a chair
0.46 Walking barefoot
Walking with tennis shoes
0.53-0.65 0.53-0.65 Jogging with hard street shoes
Jogging with tennis shoes
0.35-0.95 0.35-0.85 Climbing stairs, one stair at a time
Climbing stairs, two stairs at a time Walking down stairs, one stair at a time Walking down stairs, two stairs at a time Lifting 20 kg bent over with round back Lifting 20 kg as taught in back school Holding 20 kg close to the body
Holding 20 kg, 60 cm away from the chest
0.50-0.70 Pressure increase during night（over a period 7 hr） 0.10-0.24
1-4 針型壓力感測器介紹與應用
(piezoresistive pressure sensor, PPS)加工後，製成適合椎間核壓力範圍量測的感測 器7；在 1999 年 Sato 等人製造出外徑 1.2mm 的應變規感測器19，對健康以及椎 間盤退化的患者，同時進行各種姿勢下腰椎的椎間核壓力量測，感測器的壓力量 測範圍0~1 MPa，最大可量測範圍為 4.9 MPa，靈敏度為 5 mV/V/MPa，非線性度＜±2%；在 2004 年 Polga 等人量測了在各種姿勢下胸椎的椎間核壓力變化18，其 中所使用的是外徑1.3mm 的應變規針型壓力感測器，感測器可校正範圍為 0~2.8 MPa，靈敏度為 1.875mV/V/MPa；自 2006 年開始 Wilke 等人的研究團隊用針型壓 力感測器，外徑為1.45 mm，最大壓力量測範圍為 0~5 MPa，靈敏度 1.52 mV/V/MPa
比較了四種脊椎植入物Coflex、Wallis、Diam、X-stop，在植入腰椎後的椎間核壓 力變化24，並探討在各種姿勢下椎間核壓力的變化，來評估其脊椎植入物的效果；
在2008 年 Dath 等人比較了在脊椎融合手術中固定式和可動式兩種不同類型的椎 弓根螺釘，所造成的椎間核壓力的改變 4，所使用的針型壓力感測器外徑為 1.3 mm，靈敏度 37.5 mV/V/MPa，非線性度＜±1%；在 2009 年 Luo 等人用 1.3mm 的 針型感測測量椎間核壓力在骨頭碎裂和打入骨水泥補強後的變化 14，並在 2010 年進一步用針型感測器量測椎間核壓力，分析Vertebroplasty 和 Kyphoplasty 兩種 對脊椎受傷患者治療方法的優缺點5。除此之外，在 2010 年 Shim 等人以應變規 針型感測器量測椎間核壓力還被用在評估腰椎棘間韌帶移除的影響 20；在 2010 年，Chuang 等人則探討了椎間核壓力與外生交聯劑作用的關係1；在2008 年 Gay 等人則探討下背痛復健的療效與椎間核壓力的關係6；在2010 年 Turner 等人則量 測了椎間核壓力對不同脊椎植入物材料應力分部的影響22；在2009 年 Ingalhalikar 和2010 年 Kikkawa 等人則探討了全椎間盤置換術的療效10,12；在2009 年 Kim 等 人則探討不同程度椎間核損害與椎間核彈性之間的關聯性13；而2010 年 Hebelka 等人則探討應力在鄰近椎間盤間的傳遞8。
表二 應變規感測器規格比較
1-5 研究理論與假設
本研究所開發的針型壓力感測器主要是為了量測椎間核內部的靜水壓，所以 為了符合此環境，所以用液壓來做校正；主要使用的感測元件為應變規，應變規 可視為一電阻，當液壓壓迫熱熔膠傳遞至應變規時，應變規下方的針管因為與大 氣連通，造成液壓與氣壓差異，提供了應變規可形變的空間（圖1-4），其電阻也 發生改變，而因為電阻的變化極小，必須透過惠斯登電橋，將電阻的變化轉換成 電壓差的變化，然後經過校正這個步驟，即可得知壓力與電壓的關係變化，便可 藉此來量測壓力的大小。
圖1-4 感測原理示意圖
1-5-1 應變規原理與介紹
應變規主要用於應變的量測，在機械、材料、航空方面中可作材料結構之應 力、應變、潛變、疲勞之量測，在土木、建築、結構方面也被廣泛使用於橋樑結 構強度、負載測試與裂縫、土石流偵測，在醫學工程方面可作假牙之硬度與咬合 強度測試，也可做骨骼動作時應力之模擬和義肢強度測試，另外也可用來做 Load-cell, Torque sensor, Pressure transducer 等感測器。
應變規上的感測區域是一幾微米厚度金屬阻抗薄片（圖1-5），其黏著於一微 小面積的電子絕緣薄膜上，為形成適合的外形（柵欄狀），會用光蝕刻的方法將不 需要的部份去除掉，如此輸出阻抗改變值的導線就可固定，其提供的電阻值一般 為120 Ω；根據應變規所受應變之改變，其電阻值也會產生改變，因此可藉由觀
察電阻值之變化來反推材料施於應變規之應變，便可得知材料之應變情形。
圖1-5 應變規示意圖
1-5-2 惠斯登電橋
惠斯登電橋（Wheatstone bridge）為應變規量測技術中一個相當重要的介面
（圖1-6），因為應變規上的應變所產生的電子阻抗很小，一般約在 10-3~10-6 Ω 之 間，所以需要惠斯登電橋電路來轉換電阻變化成為電壓信號，利用電橋平衡的原 理，造成一微壓差之輸出，最後再利用放大器將訊號處理成我們所需要之訊號。
圖1-6 惠斯登電橋電路3
V ：輸入電壓，in Vout：輸出壓差，R1、R2、R3、R4：電阻
根據分壓定理
圖1-7 實際應變規接惠斯登電橋電路圖