第三章 剛性及彈性植入物系統對於脊椎生物力學的影響
3.3.3 連接桿與椎弓根螺釘附近骨組織的應力
經過了五小時的疲勞負載過後，PEEK連接桿的應力為0.4(0.2) MPa，顯著的比 鈦合金連接桿的應力4.4(3.8) MPa來得低(p<0.001)。椎弓根螺釘附近骨組織的應力 於使用PEEK連接桿系統組時為0.8(0.4) MPa，也顯著的比使用鈦合金接桿系統組時 的3.1 (2.1) MPa來得低(p=0.03)，如表3.1所示。
表 3.1 連接桿與椎弓根螺釘附近骨組織於五小時疲勞負載後的應變及應力 鈦合金組 PEEK組
Strain (* 10-6)
Rod 38.4 (33.5) 106.3 (45.8)*
Bone strain near the screw-bone interface
157.5 (107.5) 39.2 (22.3)*
Stress (MPa)
Rod 4.4 (3.8) 0.4 (0.2)*
Bone stress near the screw-bone interface
3.1 (2.1) 0.8 (0.4)*
* Significantly different compared to Titanium alloy group
3.3.4 染色切片
圖 3.13 為上鄰近節椎間盤的染色切片，可由健康組切片看出經過疲勞負載後 其椎間環排列整齊，結構分層明顯且稍微有點向外突出。於鈦合金連接桿組切片可 發現，其上鄰近節椎間環纖維破裂，內層結構剝離且層與層間空隙增加，組織走向
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紊亂。PEEK 組的椎間環纖維排列還算整齊，內層組織有些微向外突出但尚未造成 破裂，排列情況與健康組相似。
圖 3.13 上鄰近節的染色切片
3.4 討論
本研究使用體外豬隻屍骨試樣，以疲勞負載測試來比較使用鈦合金及 PEEK 連 接桿植入物系統對於脊椎生物力學的影響，觀測參數包含椎間盤高度變化、椎間核 壓力變化及連接桿與椎弓根螺釘附近骨組織的應力。我們發現使用 PEEK 連接桿 相較鈦合金連接桿更能使受傷的椎節回到健康的狀況且不會造成鄰近節過多的代 償現象。
臨床上常使用椎間盤高度的降低來做為椎間盤退化的指標 93，而高度降低的 原因主要來自於椎間盤承受持續的負載後水分排出3,36。本研究中健康組的三節椎 間盤於疲勞負載後期高度及椎間核壓力變化一致，代表這三節受力後水分流失的 狀態相似。但將中間節的周邊韌帶破壞掉且經疲勞負載後，其中間節的椎間盤高度 變化及椎間核壓力變化顯著上升，相較健康組變得更為狹窄，其原因可能來自於中 間節失去了周邊韌帶的支持，受外力時易產生不正常的椎節間活動，於長時間的疲
Intact Ti alloy PEEK
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勞負載後易導致椎間環纖維破壞的產生，一旦椎間盤的完整性受到破壞，於受力時 水分快速流失，無法保持正常的椎間核壓力，椎間盤的高度也隨之下降。
本研究也發現使用高勁度的鈦合金連接桿系統能有效的支撐受傷的椎節 94， 將大部分的受力由植入物系統分擔以降低椎間盤高度變化，此結果現象與臨床現 象一致。然而研究也發現植入節的受力降低將顯著的造成上鄰近節的椎間盤高度 變化上升。臨床報告指出，使用剛性連接桿系統術後約 31~100%會發生鄰近節椎 間盤高度下降的現象28,95,96，本研究結果與過去文獻發現的代償現象一致。相較於 鈦合金連接桿，本研究發現使用 PEEK 連接桿系統不僅能將受傷節的生物力學參 數回復至健康的狀態，同時也能減少鄰近節的代償現象，臨床研究也指出使用 PEEK 植入物系統於三年的追蹤研究發現，病患皆無出現鄰近節提早退化的問題，
本研究的發現或許可以從生物力學的觀點解釋這個現象。
椎間核壓力變化的實驗結果與椎間盤高度變化趨勢一致，使用鈦合金連接桿 系統能顯著降低植入節的椎間核壓力變化，但是顯著的增加了上鄰近節的椎間核
壓力變化31,37，意味著上鄰近節於疲勞負載後期椎間核壓力較健康組的低。這個研
究結果乍聽之下或許跟過去研究主流認為使用鈦合金連接桿會造成鄰近節椎間核 壓力上升的現象不同28,44，而本研究認為其主要差異來自於測試方式的不同。過去 研究主要觀測於單次受力狀態下椎間核壓力的差值變化，本研究希望藉由疲勞負 載來觀測不同植入物系統對於椎間盤長時間受力後內部靜水壓的變化，單次受力 模型雖能提供部分的生物力學資訊，但是對於疲勞負載所造成的椎間盤內水分逐 漸被擠出，導致椎間盤緩衝能力下降及椎間環受力上升而導致累積性破壞，而椎間 環間隙變大後水分又更容易流出，此惡性循環的病理機制並無法有效的模擬，使用
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疲勞負載模型將更有效的將研究成果與臨床觀察結合，過去相關文獻也指出退化 性的椎間盤其椎間核靜水壓下降 8,33,97，與本研究結果相符合，本研究方式更能用 以分析臨床的現象。維持椎間盤正常受力範圍對於椎間盤細胞的代謝行為有非常 重要的影響3,45，過高的椎間盤受力將會導致椎間核細胞的死亡及椎間環纖維的斷 裂，椎間盤水分易流失進而導致退化；而過低的脊椎受力則會影響椎間盤的養分與 廢物代謝對流機制41,42，影響細胞的分泌功能98-100。相較於鈦合金連接桿系統，使 用 PEEK 連接桿進行脊椎融合手術其植入節與鄰近節的生物力學特性都更接近於 健康時的狀態，代表能減少鄰近節不正常的受力以減少提早退化的可能。
過去研究也指出，植入鈦合金的連接桿系統後，其椎間盤受力下降，主要脊椎 受力由植入物系統支撐 101，這個現象可能會導致連接桿斷裂或是植入物鬆脫。本 研究指出使用 PEEK 連接桿系統可以降低連接桿上與椎弓根螺釘附近骨組織的應
力101,102，其能降低應力的原因可能來自於連接桿的勁度較低，可讓植入節仍有些
許的活動度而使前方的椎間盤一同能負擔部分的外力，降低器械損壞機率。過去文 獻指出使用鈦合金連接桿其器械斷裂率及鬆脫率約 7~12%103,104，而使用 PEEK 連 接桿系統其斷裂率約 4%41，而鬆脫率約 8%105，與本研究結果相符。在一般情況下 應變規應依照標準黏貼方式貼在平面上，但於本研究中為了比較兩種的不同特性 的連接桿上的受力，故將其黏貼在圓桿上，但由於研究中控制兩種連接桿皆為相同 尺寸，於統計分析上不會影響實驗結果，將來或許可以使用非接觸式光學影像系統 進行更全面的觀察。
近幾年來彈性連接桿系統於臨床上的應用主要作為脊椎融合手術的輔助性器 械，或是嫁接在傳統融合手術上以預防鄰近節退化的混合型手術(hybrid surgery)。
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本研究設計並未模擬臨床上會清除前方的椎間盤且植入椎間籠的情況，然而本研 究目標主要在測試比較不同勁度連接桿系統對於脊椎生物力學的影響，於體外實 驗並無法重現骨組織重塑而融合兩椎節的情形，放入椎間籠可能會對實驗的變數 造成不必要的干擾故僅單獨使用連接桿及椎弓根螺釘系統。
實驗限制
本實驗主要的限制為使用豬隻腰椎模型來進行實驗，豬隻脊椎雖與人類有相 似的構成，其脊椎受力行為與結構仍有不小的差異。但人類與豬隻的椎間盤結構與 組成相當類似 106，故本研究的成果仍然能對臨床應用上提供一些貢獻。本研究僅 施予軸向的疲勞負載，但是日常生活還包含了各方向運動，這些都值得進一步的探 討。另外本研究僅以生物力學觀點來進行討論，而力學測試與臨床症狀是否相符也 是一個值得探討的問題，故將來可能需要更多的實驗來驗證本實驗的結果。
3.5 結論
本研究結果指出使用勁度較低的 PEEK 連接桿系統相較於傳統的鈦合金連接 桿植入物系統，能於長時間受力下使植入節與鄰近節的椎間盤高度及椎間核壓力 等生物力學參數變化更加接近健康時的狀態，另外使用 PEEK 連接桿系統能降低 連接桿與椎弓根螺釘附近骨組織的應力，故應能降低鄰近節提早退化的機率與植 入物損壞與鬆脫的風險。
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第四章 植入節活動度對於鄰近節的生物力學影響
4.1 前言
脊椎融合術目前為治療脊椎不穩定和脊椎相關疾病重要的手術之一，雖有良 好的臨床效果，但是其長期臨床後遺症主要為鄰近節的提早退化 107。回顧性文獻 指出脊椎融合手術後追蹤時間從 36 個月到 396 個月，其鄰近節退化發生率從 5.2%
到 100%108，四年內因鄰近節疾病所需再次手術率為 14.4~18.8%109,110。造成鄰近節 提早退化原因可能來自於將手術節固定後，其鄰近節椎間盤需代償性的增加其活 動度以完成日常所需的活動。相關生物力學研究利用人體屍骨試樣觀察不同固定 節數差異對脊椎生物力學的改變，發現在融合手術之後其鄰近節活動度顯著上升
111，固定兩節的試樣在前彎與後仰活動中鄰近節的活動度多了 15%112。由以上文 獻結果可發現，傳統脊椎固定手術在手術後往往會有鄰近節提早退化的情形發生，
其原因可能為在操作節喪失了過多的活動度，導致鄰近節過度的代償，活動度過度 的上升，為了解決此問題新的手術裝置設計因此漸漸被開始研發與重視。
由於傳統的脊椎融合手術將手術節的活動度完全的限制，因此造成鄰近節過 多的代償，進而產生許多鄰近節的提早退化情形，為了改善此問題，許多的新醫療 器材裝置被研發出來，有針對連接桿的彈性做改善的如：Dynesys、k-rod、Graf ligamentoplasty，還有將椎間盤置換的如：人工椎間盤，目的皆為希望能夠取代傳 統融合手術，容許退化節更多的活動度並同時減少鄰近節的代償性活動度上升，進 而改善傳統手術所造成的鄰近節退化情形。然而許多臨床研究文獻回顧發現，這類 新式醫療器材並無法有效的解決鄰近節提早退化情形。
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以目前最為廣泛使用及研究的 Dynesys 系統為例，Putzier 等人 113 對於使用
以目前最為廣泛使用及研究的 Dynesys 系統為例，Putzier 等人 113 對於使用