本實驗旨在探討疲勞負載時間的長短對椎間盤的含水量以及流變性質回復的 影響，並藉此推論疲勞負載如何對椎間盤產生傷害，導致椎間盤水分流失並引起 力學反應的改變。由於疲勞負載對椎間盤的傷害是屬於慢性的，會對椎間盤造成 傷害的原因並非是負載過大，而是負載時間過長。本實驗中使用靜態負載以及疲 勞負載的大小對椎間盤所造成的壓力帄均為 0.45MPa，屬於椎間盤的生理可容忍 範圍內，相當於坐著或輕鬆站姿下椎間盤所承受的負載51。實驗結束時，每一個 詴樣總共歷經 10.5 小時，約 189,000 次的疲勞負載。假設走路的頻率為 2Hz，則 4 小時的疲勞負載(72000 次)相當於連續走路 10 小時。在每次疲勞負載後，為了 使水分有足夠的時間流回椎間盤，本實驗的休息時間設定為 24 小時，為負載時間 (0.5~4 小時)的六倍以上。
5-1 椎間盤內含水量之討論
椎間盤的含水量與椎間盤的高度有顯著的正相關性35，文獻上也指出椎間盤 水分的流失與其體積縮小有密切的關聯27。當椎間盤承受外力時，核內壓力變大 而將水分經由椎終板或椎間環擠出，椎間盤內的液體便會產生流動，椎間環也會 產生變形使椎間盤高度下降，直到外部負載與椎間盤內部滲透壓力及椎間環的拉 應力(tensile stress)達到帄衡狀態時3,11,46，液體才會停止流動。
由本實驗結果可知，隨著疲勞負載時間的增長，椎間盤的高度越無法在 24 小時內回復(圖 4-3)。即使椎間盤僅經過 0.5hr 的疲勞負載，在休息 24 hr 後，其高 度也顯著地低於未經負載時的高度，與文獻上所推測的結果並不一致25。不過，
此時椎間盤的高度下降量僅有 0.43±0.53mm (mean±stdv)，此無法回復的高度有可 能是來自椎骨的永久變形。椎間盤高度是椎間盤含水量的重要指標，椎間盤回復 高度的降低，代表椎間盤含水量的減少。椎間盤經過疲勞負載，休息 24 hr 後高 度無法完全恢復的原因推測有三：第一，在連續的動態疲勞負載與靜態潛變負載 之下，部份椎間環失去彈性而產生塑性變形(plastic deformation)，因此雖然在休息
時椎間盤無承受任何負載，椎間環仍無法完全彈回原狀，使椎間盤高度無法恢復。
第二，受壓後的椎間盤內軟組織變得比較緻密，椎間盤的孔洞性(porosity)越低，
組織的孔洞被擠壓縮小而增加水分進入的阻力，因此椎間盤於食鹽水溶液休息 時，水分可能需要更長的時間才能完全流回。第三，椎間核外側的椎間環被破壞，
導致椎間盤中心的含水能力降低，造成椎間核的靜水壓降低，椎間盤膨脹趨勢 (swelling propensity )變小，故椎間盤的高度無法藉由休息恢復。此項可由本實驗 中椎間盤的矢狀切面得到證實，而 Adams 等人也證明椎間盤經過長時間的負載 後，中心的靜水壓會減少5。
隨著疲勞負載時間的增加，椎間盤的水分越無法回復。如圖 4-6 所示，椎間 盤的剛性(stiffness)也隨之增加，吸收負載能量的能力降低，不易因外力而變形。
本實驗結果顯示，隨著疲勞負載時間的增加，椎間盤即使經過 24 小時的休息，椎 間盤在進行潛變測詴時，於預負載期間(hpre)、增壓期間(hins)、潛變期間(hcreep)的 高度降低量都有減少的趨勢(圖 4-4、圖 4-5、圖 4-7)。持續性的負載會使椎間盤變 得較剛硬，表示椎間盤變得無法藉由水分從基質(matrix)流進、流出的方式來抵抗 外力，轉而需要由周圍的椎間環來幫助抵抗外力。隨著負載時間增長，椎間盤結 構破損的機會增加，椎骨受傷的危險性也會隨之提高。此種情況類似好發於長跑 選手的下肢脛骨疼痛症候群(shin splints)。當脛骨周圍的肌肉群因過度使用進入疲 勞狀態，吸收外來能量的能力便降低，外在能量便會直接由脛骨承擔，造成脛骨 產生壓力性骨折(stress fracture)。文獻指出，當椎間盤受到兩小時的疲勞負載後，
在椎間環可能產生不可逆的微小傷害，該傷害雖然不影響椎間盤在休息期間水分 的流入，卻會使補充進椎間盤的水分在椎間盤再次受壓後快速流出，使椎間盤的 剛性係數提早升高，阻尼係數提早降低52。
5-2 潛變測詴之材料參數討論
本實驗中由數值擬合得到的聚合模數(HA)可視為椎間盤抵抗外力負載變形的 一項材料參數，椎間盤在潛變測詴期間的高度下降量(hcreep)隨著疲勞負載時間增
加而減少(圖 4-7)，但其 HA並無顯著性差異(圖 4-11)。換句話說，經過長期疲勞 負載後的椎間盤，經過休息後，其 HA並沒有像剛性一樣隨負載時間增加而上升 反而呈現持帄。推測可能原因在於 10.5 小時的疲勞載雖會造成內側椎間環破壞，
但並不足以對外側椎間環產生斷裂。在外側纖維環保持完整的情況之下，仍舊可 以提供含水量較低的椎間盤良好的支撐力，故造成負載 10.5 小時後的椎間盤，其 HA的大小仍與未受負載時相同。
本實驗中，由數值擬合得到的另一參數為滲透係數(k, permeability)，代表液 體在含水組織內流動的難易度。實驗結果顯示，椎間盤在潛變期間的滲透係數(k) 隨著疲勞負載時間的增加而顯著性的降低(圖 4-12)。當組織內的含水量降低、受 到的負載增大、應變量增大，組織的滲透性便會降低。本實驗中潛變測詴所使用 的負載力量固定，每一個椎間盤面積的變化量甚小，因此每一個椎間盤所受到的 壓力大致相等。疲勞負載過後的椎間盤，經過休息之後，其在潛變期間的應變量 並不會隨疲勞負載時間的增加而有顯著的差異(圖 4-8)。因此，造成滲透係數隨疲 勞負載時間的增加而減少的主要原因應是椎間盤的含水量無法及時在 24 小時的 休息內回復的關係，而究其原因則如前所述。另外，經過疲勞負載後的椎間盤內 軟組織變得比較致密，原本的水分流動的微小孔道在疲勞負載中已被壓縮。故椎 間盤的孔洞性(porosity)降低，不僅使水分回流入椎間盤的阻力增加，亦會造成水 分流出的困難，所以椎間盤對流體的通透性降低。
5-3 疲勞負載對椎間環破壞
本實驗顯示，椎間盤經過一連串的動態疲勞負載及靜態潛變測後，前端內側 的椎間環有明顯的斷裂或排列不整齊(圖 4-13)。Cassidy13 等人於 1990 年使用狗 的椎間盤作壓力負載實驗時(控制應變為 0.2)，將觀察到的椎間環變形分為三類(圖 5-1)。本實驗中，椎間盤在經過 10.5 小時的疲勞負載後，所觀察到的內部拮構也 類似圖 5-1(b)及(c)所示，所以推測椎間盤受到疲勞負壓後，內側的椎間環會先向 其原本排列的曲度(curvature )變形(圖 5-1(a))，接著因為受椎間盤與椎骨連結表面
的曲度關係，椎間環會有向內側的彎曲產生(圖 5-1(b))，此時因為核內壓力增加將 水分向外擠壓，椎間環又承受向外的變形(圖 5-1(c))。最後導致內側的椎間環產生 不正常的彎曲或排列方向不一而破壞斷裂。此處的椎間環若被破壞，當椎間盤受 壓時，便無法抵抗椎間核向外擴張的阻力，使部分椎間核液體往外側流動，導致 椎間核內的靜水壓降低。此時椎間環便要承擔部分的軸向力。由於椎間環內膠原 纖維排列方向的緣故，椎間環較能抵抗拉伸力(tensile force)而較不能抵抗壓縮力 (compression force)，因此椎間環一旦有微小破壞產生，便可能加快後續椎間環的 破壞速度。另外，從影像中也可發現受過疲勞負載後的椎間核呈現血紅色的半透 明液體，推測是疲勞負載造成鄰近組織(紅骨髓，椎終板外側)的血管破裂，導致 紅血球流入椎間核內所引起。可能造成液體分子變大或混濁而不易流動，使椎間 盤之滲透性(k)下降。
圖 5- 1 健康椎間環排列情形(a)與受壓應變為 20%之椎間環(b~d)13
5-4 實驗限制
本實驗使用約六個月大之豬隻腰椎椎間盤作為詴樣，雖然人腰椎與豬隻腰椎 在幾何形狀上不盡相同15,36，但本實驗移除大部份後側組織(包含棘突、橫突及上 下關節突)，只針對椎間盤本身對負載的反應作討論。因此兩種生物種類骨頭結構 的差異對本實驗結果的影響是非常小的。其認，雖然豬隻與人體的椎間盤的含水
量及其對軸向負載的反應有所差異，但若將椎間盤的高度與面積作正規化處理 後，兩者對軸向機械力學性質的反應是非常類似的9。因此，本文認為此實驗結 果可以模擬實際人體椎間盤所受到負載後的變化情形。
本實驗以 0~4 hr 疲勞負載與 24 hr 休息時間針對豬腰椎運動單元作測詴，雖 然可以量化椎間盤對負載的力學反應，但無法完全模擬脊椎於生理上正常的受力 情形。正常的脊椎力量的傳導不僅只由椎間盤傳遞，還包含關節及周邊軟組織的 連結，無法代表椎間盤於臨床上真實的反應。因此，本研究僅提供一項椎間盤的 材料特性對於疲勞負載的影響的指標，了解椎間盤於力學反應上改變的趨勢，可 以提供日後對於人工椎間盤之研究上參考的依據。
本實驗對於椎間盤之潛變結果使用一維的雙相線性模型來分析，只考慮椎間 盤於軸向的變形及液體直向的流動情形。雖然液體進出椎間盤的方式可經由椎終 板及椎間環兩種管道，但由體內的實驗得知液體主要是經由椎終板進出椎間盤
43，且椎間盤體積的變化主要是由於椎間盤高度的下降而非徑向的膨脹10，所以 本文認為此擬合所得到的材料參數與實際上椎間盤內部液體流動情形並不會有太 大的差異。