國立臺灣大學醫學院暨工學院醫學工程學研究所 碩士論文
Institute of Biomedical Engineering
College of Medicine and College of Engineering
National Taiwan University Master Thesis
適用於早發性小兒脊椎側彎自我調適生長桿 之設計與評估
Design and Evaluation of a Self-Adaptive Growing Rod for Early Onset Scoliosis
李典翰
Frank Li (Tien-Han Li)
指導教授：王兆麟 博士 Advisor: Jaw-Lin Wang, Ph.D.
中華民國 103 年 7 月
July, 2014
I
致謝
時光飛逝，歲月如梭，兩年的研究所生活在寫下這致謝的同時即將接近尾聲。
這兩年的的台大洗禮不僅讓我跨入了另一個研究領域，更讓我在各方面都獲益良 多，特別是人與人之間的相處之道與更廣國際觀的部分，這讓我覺得當初選擇來 到台大是個非常值得的決定。在攻讀研究所的的過程中，有太多的人事物是需要 被感謝的，請恕我在這有限的篇幅中無法一一言謝。
首先誠摯的感謝指導教授王兆麟博士，老師悉心的教導使我得以一窺生物力 學領域的深奧，不時的討論並指點我正確的方向，使我在這些年中獲益匪淺。老 師對學問的嚴謹更是我輩學習的典範。
兩年裡的日子，實驗室裡共同的生活點滴，學術上的討論、言不及義的閒扯、
讓人又愛又怕的宵夜、趕作業的革命情感、因為睡太晚而遮遮掩掩閃進實驗室，
感謝眾位學長姐、同學、學弟妹的共同砥礪，你/妳們的陪伴讓兩年的研究生活變 得絢麗多彩。
感謝文凱、Andy 哥、于鈞學長、雅雯學姐們不厭其煩的指出我研究中的缺失，
且總能在我迷惘時為我解惑，也感謝碩亨、佳慶、允辰同學的幫忙，恭喜我們順 利走過這兩年。實驗室的宗興、家豪學弟、俐妤學妹當然也不能忘記，你/妳們的 幫忙及搞笑我銘感在心，尤其是俐妤，因為妳強烈的要求，所以我在這裡特別寫 一下。
另外，亦要感謝的實驗室小兔兔們以及鸚鵡和無尾熊的陪伴，在我穿黃色、
藍色、綠色與黑色衣服時，分別有黃色、藍色、綠色與黑色小兔兔與我搭檔，一 起去騷擾實驗室其他同學；而鸚鵡及無尾熊則是辦公桌上的門神，與我一起共同 抵禦小強的入侵。
最後，謹以此文獻給我摯愛的雙親。
II
中文摘要
簡介：早發性小兒脊椎側彎的定義為十歲以下的幼童脊椎出現異常不對稱的生長，
雖然此疾病發生機率不高，但是幼兒階段為脊椎成長與心肺功能發育的關鍵時期，
若無早期治療將會嚴重影響將來的生活品質。保守治療如背架或物理治療若無法 有效控制側彎惡化情形，就須採取手術治療。目前臨床上常使用生長桿系統植入 以維持術後脊椎的生長與心肺功能的發育，依不同設計概念其主要常見的系統包 含外力控制生長桿;第二種則是生長導引系統。兩種系統皆能有效地提供矯正脊椎 效果，但是外力生長桿系統需要定期進行侵入式的延長手術，才能確保脊椎能達 到預期的生長，易造成傷口感染的問題，還會影響孩童的日常生活以及產生許多 心理上的問題。而生長導引系統的優點則在於不需要手術進行延長手術，但由於 不限制生長桿間的活動，主要缺點為脊椎的生長量不如預期以及矯正效果較差的 問題。
目的：綜觀目前生長桿系統的問題，本研究的目的有兩個：第一是設計一款不須 經過重複延長手術並可以提供良好矯正效果與生長能力的新型自我調適生長桿；
第二是驗證此新設計系統能與傳統臨床器械有類似的脊椎生物力學特性，本研究 將測試此新型自我調適生長桿在延長前後安裝於脊椎側彎模型相較於傳統器械上 的穩定度。
材料與方法：本研究設計新型自我調適生長桿之核心機構為一允許單向軸向延長 之套筒連接器，套筒內包含圓柱棘齒條及三角斜面棘爪，利用彈簧使棘爪與與棘 齒條配合，當棘齒條沿脊椎生長方向運動，將把棘爪推回而不限制活動，但於反 向運動時則可利用斜面配合抵抗軸向壓力，另外套筒上下端可連接目前臨床現有 植入物，不影響現有手術流程。於植入物對脊椎生物力學特性的影響實驗中，本 研究使用八副 T1-T9 豬隻胸椎試樣，將 T4-T6 三節椎骨切開並植入楔形塊，創造 出共 30 度之側彎角度之體外脊椎側彎模型。脊椎側彎模型建立後，分別將長節與 短節的新型自我調適生長桿與模擬傳統外力控制生長桿的金屬棒安裝於其上，藉
III
由量測整體及植入節的活動度及中性區來評估兩者的生物力學特性，在測試同時 也使用應變規量測桿件上的應變。此外，也將對本研究之自我調適生長桿進行拉 伸測試，量測其每單位延長所需之力量大小。
結果：經過多次的機構設計修改，本研究成功設計出一套自我調適生長桿系統，
並加工製作其原型版本以供生物力學測試之用。經由拉伸測試，得到自我調適生 長桿每單位延長所需力量大小為 2.78 牛頓。由生物力學測試，在植入自我調適生 長桿或是金屬棒後，不論是長節或是短節之安裝，其總活動度和中性區與脊椎側 彎模型組相比皆有顯著性下降，而自我調適生長桿組與金屬棒組相比較無顯著差 異。於植入節的活動度比較上，自我調適生長桿組於側彎活動時顯著大於金屬棒 組，其餘無顯著差異。從應變規訊號分析指出，在側彎動作時，自我調適生長桿 組之應變均大於金屬棒組，尤其在凸側桿件之應變均達顯著性差異；在前彎後仰 動昨時，整體而言，自我調適生長桿組之凸側桿件的應變大於金屬棒組，其中只 有在短節安裝在作後仰動作時未達顯著性差異。
結論：本實驗成功設計出一套自我調適生長桿系統，並藉由活動度及中性區資料 驗證其生物力學特性與傳統外力控制生長桿相似。此系統於將來可能用來治療早 發性小兒脊椎側彎，維持良好的矯正效果並減少重複手術開刀的需求。此外於桿 件應變分析中，雖然發現自我調適生長桿組應變較金屬棒組來的大，但仍低於其 破壞條件，於將來改良設計時似乎不需過度顧慮。
IV
Abstract
Introduction. Early Onset Scoliosis (EOS) is commonly defined as the development of
an observable spinal curve that is diagnosed in children before age 10. Despite the relatively low incidence of EOS, the associated disabilities are often severe and with significant impact on the quality of life for the affected individuals. Children that failed to respond to conservative intervention such as brace and physical therapy treatment will often undergo corrective spinal surgeries. Clinically, instrumentations commonly employed to correct scoliosis can be divided into two systems: the forced growing rods system and the growth guidance system. Both systems have been found to demonstrate spinal alignment correction; however, both systems have its own shortcomings. The forced growing rods system required revision surgery to be carried out periodically in order to realign and lengthen the rods instrumentation as the children grow. The need for repeated open surgery increases the risk of complications such as wound infection and hardware failure as well as the detrimental effect on one’s quality of life and the subsequent psychological stresses. The growth guidance system was originally designed with the intention to avoid the need for revision surgery; however, due to the less restrictive nature of the implantation, some concerns regarding its efficacy in ensuring appropriate growth and to achieve the necessary spinal alignment correction have been raised.Aim. Given the shortcomings and the disadvantages of the currently available
implementation systems to treat EOS, the aim of the current study has two-folds: one is to design a novel self-adaptive growing rods system that would allow adequate spinal correction without the need for revision surgery and secondly, to validate and compare the biomechanical properties of the self-adaptive growing rods system to the traditional rigid-rods system in an in-vitro study.V
Materials and methods. The design of the self-adaptive growing rods system, using the
SolidWorks software, was centered on the development of a mechanism housed within a connector, which would allow a unidirectional extension of the connecting rods. The connector housing included a combination of a spring and a cylindrical inner sleeve and triangular slope ratcheted pawls. The inclusion of a reverse slope on the ratchet provided resistance against axial pressure and thus preventing the undesirable shortening of the system. The design focused on the maximal use of currently available systems with the addition of the described connector in order to prevent unnecessary deviation from current surgical procedures. For the biomechanical comparison of the self-adaptive growing rods system against the traditional rigid rods system, the biomechanical testing included comparison of the total Range of Motion (ROM) and Neutral Zone (NZ) of the instrumented as well as the adjacent levels between the two rods system, both in pre-extended and extended positions. The strains on the rods when performing the movements were also monitored and included. Moreover, the minimally required force for the extension of the self-adaptive growing rods will also be determined. Eight freshly harvested T1-T9 porcine spines were used in the study to create a scoliosis model. Wedge with 10 degrees of slope were inserted into T4, T5 and T6 respectively to create an overall scoliosis angle of 30 degrees. The biomechanical testing was then carried out using the simulated scoliosis model with and without the self-adaptive and rigid rods systems.Results. A number of revisions were conducted and remodeled prior to the production
of a prototype, which was then utilized in the next stage of biomechanical testing. It was also determined that a pull force of 2.78 Newton is required for the self-adaptive growing rod to be lengthened by a single scaled unit. In the pre-extended and extended positions, both systems demonstrated a significant decrease in total ROM and NZ when compared to the scoliosis model without the instrumentations but no significantVI
differences were found between the two systems. In terms of the instrumented levels, the self-adaptive growing rods demonstrated a significant increase in ROM when compared to the rigid rods. The rods strain analysis revealed that for lateral bending, the self-adaptive growing rods generally demonstrated greater tensile and compressive strains when compared to the rigid rods system, especially for the growing rods placed on the convex side of the spine. For flexion and extension, a similar trend was also observed with the self-adaptive rods generally demonstrating a greater tensile and compressive strain than those measured from rigid rods.
Conclusion. The current study successfully designed and validated the development of
a self-adaptive growing rods system, which possess a comparable biomechanical property to those of the traditional rigid rods system in terms of ROM and NZ. It is anticipated that such system will be useful in controlling the development of spinal curvature in EOS and more importantly, avoid the need for revision surgery for the young patients. The greater strain observed in the self-adaptive growing rods system is well within hardware failure tolerance and should not be of concern in the design of the next version of the prototype.VII
目錄
致謝 ... I 中文摘要 ... II Abstract ... IV 圖目錄 ... IX 表目錄 ... XI
第一章 緒論 ... 1
1.1 早發性小兒脊椎側彎(Early Onset Scoliosis, EOS)... 1
1.2 生長桿系統(Growing Rod, GR) ... 2
1.2.1 外力控制生長桿(Forced Growing Rod System) ... 2
1.2.2 生長導引生長桿(Growth Guidance System) ... 5
1.2.3 各種生長桿之優缺點比較 ... 7
1.3 實驗目的與假說 ... 8
第二章 材料與方法 ... 9
2.1 研究方法簡介 ... 9
2.2 新型早發性小兒脊椎側彎自我調適生長桿之設計 ... 10
2.2.1 設計概念與規格 ... 12
2.2.2 其他設計 ... 17
2.3 拉伸測試 ... 18
2.4 穩定度測試 ... 20
2.4.1 健康組試樣處理 ... 22
2.4.2 健康組穩定度測試 ... 23
2.4.3 小兒脊椎側彎體外模型與其穩定度測試 ... 23
2.4.4 長節自我調適生長桿組與金屬棒組穩定度測試 ... 25
2.4.5 短節自我調適生長桿組與金屬棒組穩定度測試 ... 27
VIII
2.5 資料分析 ... 28
2.5.1 量測參數 ... 28
2.5.2 統計方法 ... 31
第三章 結果 ... 32
3.1 拉伸試驗 ... 32
3.1.1 自我調適生長桿每單位延長所需之拉伸力量 ... 32
3.2 穩定度測試 ... 33
3.2.1 總活動度 ... 34
3.2.2 植入節活動度 ... 37
3.2.3 上鄰近節活動度 ... 39
3.2.4 下鄰近節活動度 ... 43
3.2.5 中性區 ... 45
3.2.6 應變 ... 47
第四章 討論 ... 57
4.1 拉伸測試 ... 57
4.2 穩定度測試 ... 57
4.2.1 穩定度 ... 57
4.2.2 應變 ... 60
第五章 結論 ... 62
參考文獻 ... 63
附錄 ... 67
IX
圖目錄
圖 1. 1 ISOLA 生長桿系統 ... 4
圖 1. 2 磁控生長桿 ... 5
圖 1. 3 改良式 Luque Trolley 生長桿 ... 6
圖 1. 4 Shilla 生長導引系統 ... 7
圖 2. 1 研究架構與穩定度測試流程 ... 10
圖 2. 2 新型早發性小兒脊椎側彎自我調適生長桿系統架構 ... 11
圖 2. 3 桿件與套筒連接器之結合關係 ... 12
圖 2. 4 棘爪 ... 13
圖 2. 5 只能允許單向運動之機構 ... 14
圖 2. 6 回復過度延長之機構 ... 14
圖 2. 7 4.5mm 桿件連接桿與套筒連接桿系統 ... 15
圖 2. 8 加工成品及零件圖 ... 16
圖 2. 9 (a)扭力彈簧版本與(b)齒輪齒條版本 ... 17
圖 2. 10 4000N 材料測試機 ... 18
圖 2. 11 拉伸測試 ... 19
圖 2. 12 Hybrid 力學測試機台 ... 20
圖 2. 13 實驗條件 ... 21
圖 2. 14 健康組試樣處理方法 ... 22
圖 2. 15 健康組穩定度測試 ... 23
圖 2. 16 體外側彎模型 ... 24
圖 2. 17 塞入楔形塊之方法 ... 24
圖 2. 18 桿件與應變規之安裝 ... 25
圖 2. 19 自我調適生長桿(a)與金屬棒(b)安裝所需零件及應變規 ... 26
圖 2. 20 長節組之(a)自我調適生長桿與(b)金屬棒之安裝 ... 26
X
圖 2. 21 短節組之(a)自我調適生長桿與(b)金屬棒之安裝 ... 27
圖 2. 22 試樣在穩定度測試時的運動軌跡 ... 28
圖 2. 23 中性區 ... 29
圖 2. 24 四分之一橋之惠斯通電橋電路 ... 30
圖 2. 25 濾波前後差異 ... 31
圖 3. 1 自我調適生長桿拉伸之力量位移圖 ... 32
圖 3. 2 自我調適生長桿之延長 ... 33
圖 3. 3 兩側側彎總活動度 ... 34
圖 3. 4 側彎總活動度 ... 35
圖 3. 5 前彎後仰總活動度 ... 36
圖 3. 6 側彎(待)植入節活動度 ... 37
圖 3. 7 前彎後仰(待)植入節活動度 ... 38
圖 3. 8 長節側彎上鄰近節活動度 ... 39
圖 3. 9 長節前彎後仰上鄰近節活動度 ... 40
圖 3. 10 短節側彎上鄰近節活動度 ... 41
圖 3. 11 短節前彎後仰上鄰近節活動度 ... 42
圖 3. 12 側彎下鄰近節活動度 ... 43
圖 3. 13 前彎後仰下鄰近節活動度 ... 44
圖 3. 14 側彎中性區 ... 45
圖 3. 15 前彎後仰中性區 ... 46
圖 3. 16 向凹側彎曲之應變(長節) ... 48
圖 3. 17 向凹側彎曲示意圖 ... 48
圖 3. 18 向凸側彎曲之應變(長節) ... 49
圖 3. 19 向凸側彎曲示意圖 ... 49
圖 3. 20 前彎之應變(長節)... 50
圖 3. 21 前彎示意圖 ... 50
XI
圖 3. 22 後仰之應變(長節)... 51
圖 3. 23 後仰示意圖 ... 51
圖 3. 24 向凹側彎曲之應變(短節) ... 52
圖 3. 25 向凹側彎曲示意圖 ... 52
圖 3. 26 向凸側彎曲之應變(短節) ... 53
圖 3. 27 向凸側彎曲示意圖 ... 53
圖 3. 28 前彎之應變(短節)... 54
圖 3. 29 前彎示意圖 ... 54
圖 3. 30 後仰之應變(短節)... 55
圖 3. 31 後仰示意圖 ... 55
圖 4. 1 往凹側彎曲之(a)金屬棒與(b)自我調適生長桿以及凸側彎曲之(a) 金屬棒(b)自我調適生長桿 ... 60
圖 4. 2 前彎(a)及後仰(b) ... 61
表目錄
表 1. 1 生長桿總整理 ... 8表 3. 1 穩定度測試結果整理(單位：度) ... 47
表 3. 2 應變結果整理 ... 56
1
第一章 緒論
本章共有三節，第一節首先介紹何謂早發性小兒脊椎側彎以及治療的重要性；
第二節接著介紹現有之生長桿，並比較其優缺點；第三節提出本研究的假說與研 究目的。
1.1 早發性小兒脊椎側彎(Early Onset Scoliosis, EOS)
一般定義早發性小兒脊椎側彎為五歲前被珍斷出的脊椎側彎1,2，但是由於治療 方法與治療的重要性與十歲前所發現的脊椎側彎差異不大，因此有學者將其定義 為十歲前被發現的脊椎側彎。3
早發性小兒脊椎側彎根據脊椎側彎研究學會(Scoliosis Research Society)的定義
4，是指在十歲前就被診斷出的異常側向脊椎彎曲，依照發病年齡，可再分為三歲
前發病的嬰兒脊椎側彎 (Infantile Scoliosis)與四到十歲間發病的幼兒脊椎側彎 (Juvenile Idiopathic Scoliosis)。儘管患者的臨床表現都是脊椎的異常彎曲，但是發 病原因卻不盡相同，依照病因分類主要可分為發病原因不明的自發性脊椎側彎 (Idiopathic Scoliosis)、先天性脊椎側彎(Congenital Scoliosis)，例如：椎體畸形、神 經肌肉性脊椎側彎(Neuromuscular Scoliosis)，例如：腦性麻痺。
大部分脊椎側彎的發生原因都是不明的，在所有脊椎側彎中，大約百分之八十 到八十五都屬於自發性脊椎側彎，然而自發早發性小兒脊椎側彎又只佔了其中的 百分之一。5雖然發生率很低，但是十歲前是孩童成長與心肺功能發育的關鍵時期，
脊椎的成長速率在五歲前達到顛峰，平均每年可長兩公分，在五歲時可長到成熟 高度的三分之二；隨著脊椎的生長，在五到十歲時，胸腔的容積發育達到成熟時
的百分之五十；而在八歲時肺泡發育會接近成熟。6脊椎側彎通常伴隨椎體的旋轉
以及胸廓變形，造成心肺功能異常7，因此，小兒脊椎側彎的患者在這個時期的治
療是非常重要的。8
2
治療方法依照嚴重度輕到重分別為觀察、背架(Bracing)與手術治療。醫師在處 理小兒脊椎側彎時，第一個手段通常是觀察，因為小兒脊椎側彎有兩種情況，第 一種是演進式的側彎(Progressive Curve)；另外一種則是非演進式的側彎(Resolving Curve)9，演進式的側彎會隨著時間越來越嚴重；非演進式的側彎則是會慢慢緩解，
如果是非演進式側彎就不需進一步治療。演進式側彎的治療方法有保守的背架治 療以及積極的手術治療，若是背架治療不能有效控制側彎角度，側彎角度大於 45 度時6，就會採取積極的手術治療。
1.2 生長桿系統(Growing Rod, GR)
對於治療嚴重的脊椎側彎，融合手術是有效控制側彎角度及提供穩定度的方法，
但是對於尚有生長能力的小兒脊椎側彎患者，融合手術會造成生長停止進而影響 心肺功能的發展。10為了在術後能維持脊椎的生長，於是設計出多種的非融合式脊 椎固定器，又稱為生長桿。
現有之生長桿系統可分為兩類，一種是外力控制生長桿(Forced Growing Rod System)，另一種則是生長導引生長桿(Growth Guidance System)。外力控制生長桿 給予側彎之脊椎外力來達到矯正及伸長的目的；而生長導引生長桿僅限制脊椎生 長方向，而未給予外力使其延長，全依賴脊椎本身之生長能力來延長。
1.2.1 外力控制生長桿(Forced Growing Rod System) 1. Harrington 生長桿與 ISOLA 生長桿
Harrington 生長桿是由 Harrington 在 1962 年所提出11，並經由 Moe 等人在 1978
年改良的第一款適用於小兒脊椎側彎之非融合式內固定器。12 其系統為一撐開棒
(Distraction Rod)與橫凸骨勾(Transverse Process Hooks)，撐開棒上有棘齒，施予外 力可使得骨勾可沿著撐開棒做單方向運動，達到將側彎凹側撐開的功能，透過定 期的手術，可配合小孩生長的情形做金屬棒長度的調整。因為併發症發生機率高，
這套系統在目前已較少人使用，但它的是脊椎非融合式內固定器研究的開端13，可 提供後續的研究做為一個參考。
3
接下來，Akbarnia 與 Thompson 等人在 2005 年針對 ISOLA 生長桿(Depuy Synthes, CA, USA)進行研究，發現雙桿結構比起單桿結構的安裝方式有更好的矯正能力與 提供更佳穩定度。14,15ISOLA 生長桿系統在脊椎側彎之凹側及凸側各會安裝一支 ISOLA 生長桿，形成雙桿結構，並利用椎弓根螺釘或是骨勾做為固定於脊椎之上；
一支 ISOLA 生長桿包含了一個連接器、一支頭側不鏽鋼桿件與一支尾側不鏽鋼桿 件，連接器負責連接頭側桿件與尾側桿件，利用螺絲可將兩支桿件固定於連接器 中(圖 1. 1)，反之鬆開螺絲可讓兩之桿件軸向活動於連接器之中，利用此概念，可 藉由每六個月一次的延長手術，將 ISOLA 生長桿延長。14待脊椎發育成熟後，會 進行完全融合手術，在第一次手術安裝生長桿到最後一次的融合手術間，大約會 經過兩到五年的時間，總共四到十次的延長手術。在 Akbarnia 學者的研究中，23 名患者從術前平均 82 度的側彎角度，術後減少到 38 度(54%)，在停止追蹤時為 36 度(56%)；而平均生長的高度為每年 1.2 公分。14在併發症的部分，在 1987 年到 2005 年間 140 位病患接受了總共 897 之生長桿的手術，81 人(58%)產生併發症。16在 ISOLA 生長桿系統最常見的併發症為植入物損壞，包含桿件損壞、椎弓根螺釘或 骨勾損壞或鬆脫及植入物凸出皮膚表面，因為重複手術造成的傷口感染也很常見。
8,16,17Sankar 等人在 2011 年的回顧性研究發現脊椎的生長量隨著延長手術的次數增
加而減少，在第一次延長手術時為 1.04 公分；而最後一次手術時為 0.41 公分。
18Noordeen 等人一樣是在 2011 年量測手術醫師在每次延長手術時，為了延長生長 桿所施加的力量大小，發現隨著手術次數的增加，能延長的量變少，而所需的力 量卻越來越大。19Sankar 和 Noordeen 的研究結果可能是來自於因脊椎長時間活動 度喪失所造成的自我融合現象(Autofusion)，在 Cahill 等人的研究中發現 89%的患 者在接受生長桿手術後，會產生自我融合的現象。20
4
圖 1. 1 ISOLA 生長桿系統(DOI:10.1097/01.brs.0000175190.08134.73)
2. 磁控生長桿(MCGR)
為了避免重複的侵入式延長手術，利用磁力遠端遙控的原理，設計出磁控生長 桿(MAGEC, Ellipse, CA, USA)，其延長的機構為一可受磁力控制旋轉之行星齒輪 組，醫師可在體外使用手持遙控器延長或縮回生長桿。磁控生長桿的安裝依照病 人體型或是依照醫生的判斷可以是單桿結構或是雙桿結構。Cheung 等人在 2012 年首次將磁控生長桿安裝在兩名病患身上，第一位患者安裝單桿結構；第二位患 者安裝雙桿結構，經過兩年的追蹤，側彎角度從 67 度進步到 29 度(57%)，病患每 個月經由門診做生長桿的延長，第一位患者延長的平均速率為每個月 0.14 公分，
第二位患者之右側桿為 0.19 公分；左側桿為 0.17 公分，因為病患人數較少，在追 蹤期間內沒有發現併發症產生。21另外，在 Hickey 等人在 2014 年的研究中，四位 病患進行磁控生長桿的治療，並進行最少 23 個月的追蹤，平均側彎角度從 74 度 進步到 42 度(43%)，平均脊椎生長為每年 0.6 公分，四為病患中有兩位有桿件損壞 或植入物鬆脫的併發症產生。22
5
圖 1. 2 磁控生長桿(DOI:10.1016/S0140-6736(12)60112-3)
1.2.2 生長導引生長桿(Growth Guidance System) 1. Luque Trolley 生長桿
Luque Trolley 生長桿系統為 Luque 和 Cardoso 在 1976 年針對小兒脊椎側彎所設 計的非融合式固定器，它包含了一對 L 形桿件或是一支 U 形桿件，利用鋼索穿過 椎板(Sublaminar Wire)固定於脊椎之上，隨著脊椎生長，桿件可在鋼索間滑動，因 此脊椎的生長不會被限制，桿件僅作為導引的功能。23但是這套系統有許多併發症 例如：桿件損壞、自我融合或是生長效果不如預期，因此這套系統已少有人在使 用。24因此改良版的 Luque Trolley 生長桿被提出，其包含了頭尾兩側各四支椎弓 根螺釘當作基座，在彎曲處利用鋼索穿過椎板做固定，配合非固定式的螺釘(Gliding Screw)，可允許桿件做相對滑動(圖 1. 3) 。24Ouellet 學者在 2011 年針對從 2003 年到 2008 年安裝改良式的 Luque Trolley 生長桿的五位病人做研究，發現病人的平 均側彎角度從 60 度進步到 21 度(65%)，並在 4 年間生長了 3 公分(77%的預期生長 量)，其中有兩位病人成長量超出桿件長度，需要手術延長桿件；有一位側彎角度
控制失敗，需要再次手術，另外，器械的磨損以及自我融合的現象依然存在。24
6
圖 1. 3 改良式 Luque Trolley 生長桿(DOI: 10.1007/s11999-011-1783-4)
2. Shilla 生長導引系統
Shilla 生長導引系統與 Luque Trolley 生長桿類似，在手術時會利用兩支桿件將 側彎彎曲處三節椎體進行融合，兩支桿件會向頭側及尾側延伸，並穿過多軸的 Shilla 椎弓根螺釘。多軸的 Shilla 椎弓根螺釘僅會限制桿件滑動的方向，不會限制 移動，因此可隨著生長而延長(圖 1. 4) 。25McCarthy 等人在對使用 Shilla 生長導 引系統的十位患者進行研究，並進行兩年的追蹤，平均側彎角度從 70 度進步到 27 度(61%)，C7 到 S1 的距離增加 12%，但是並未說明實際生長量，而併發症發生的 機率達到 50%，有三個人發生植入物的問題；兩個為傷口感染問題。26雖然在臨床 研究中沒發生，McCarthy 等人在 2010 年的動物實驗中發現植入物磨耗的現象。25 而 Skaggs 等人在 2014 年所做的回顧研究認為 Shilla 生長導引系統的延長能力跟其
他系統比較起來較差，且依然有自我融合的現象產生。3
7
圖 1. 4 Shilla 生長導引系統(DOI: 10.1007/s11999-011-1783-4)
1.2.3 各種生長桿之優缺點比較
從前述之文獻回顧可發現，ISOLA 系統與 Luque Trolley 系統為在臨床上較常 使用的外力控制生長桿系統與生長導引系統，磁控生長桿(MCGR)與 Shilla 系統因 為是較新的設計，目前臨床的結果尚不是非常清楚。
本節將上述之外力控制生長桿與生長導引系統所包含之生長桿特性整理如表 1. 1。從下表可整理出外力控制生長桿與生長導引系統的優缺點。整體而言，外力 控制生長桿的優點為隨著脊椎生長能保持穩定的延長量以及能有效控制側彎角度；
而缺點部分則為需要多次的手術來達到隨著脊椎生長而延長的目的，不只在身體 層面上會造成傷口易感染的問題，還會影響孩童的日常生活以及產生許多心理上 的問題，併發症部分則還有器械易損壞的情形。而生長導引系統的優點則在於不 需要手術進行延長手術，脊椎能藉由導引系統的導引自由生長，相對外力控制生 長桿有很大的優勢，但是它的缺點為脊椎的生長量不如預期以及會有側彎曲度控 制失敗的情形，另外器械在體內的磨耗也是一大問題。這兩種系統都存在著自我 融合的問題。
8
表 1. 1 生長桿總整理
綜合以上比較，由於外力控制生長桿會給予側彎凹側支撐力(Distraction Force)，
因此它隨著脊椎生長而延長的量較生長導引系統理想，但是需要多次的手術；生 長導引系統雖不須重複手術，但是此系統僅導引脊椎生長，未給予脊椎支撐力，
因此脊椎生長較不如預期，又可能有側彎曲度控制失敗的風險。
1.3 實驗目的與假說
本研究的目的有兩個：第一個是設計一款不須經過重複延長手術且可以提供良 好矯正效果與生長能力的新型自我調適生長桿；第二個目的是驗證此新設計系統 能與傳統臨床器械有類似的脊椎生物力學特性，本研究僅是開發自我調適生長桿 的第一步，首先須測試其功能是否和傳統外力生長桿達相同效果，因此本研究將 測試此新型自我調適生長桿，在延長前後安裝於脊椎側彎模型相較於傳統器械上 的穩定度。
針對研究目的提出假說：本研究之自我調適生長桿之穩定度在延長前後與傳統 外力控制生長桿沒有差異。
9
第二章 材料與方法
本章共分成五節，第一節對整個研究作簡介；第二節說明設計概念；第三第四 節介紹實驗流程；第五節則是量測參數及資料分析方法。
2.1 研究方法簡介
本研究開發一適用於早發性小兒脊椎側彎之新型自我調適生長桿系統，製造其 原型，再將之安裝至豬胸椎(T1-T9)之體外脊椎側彎模型上做生物力學測試，比較 自我調適生長桿在延長前及延長後與傳統生長桿之穩定度差異。本實驗共使用對 八隻豬胸椎，實驗組別按照實驗順序分別為健康組(Intact)、脊椎側彎模型組 (Scoliotic Spine)、安裝自我調適生長桿的生長桿組(Adaptive Growing Rod)與用來模 擬傳統生長桿的金屬棒組(Rigid Rod)，其中生長桿組與金屬棒組又可再分為代表延 長前後之短節數組與長節數組，稱為短節自我調適生長桿組、短節金屬棒組與長 節自我調適生長桿組、長節金屬棒組。另外，還會對自我調適生長桿進行一簡單 的拉伸測試，量測其每單位延長所需之力量大小。研究架構與穩定度測試流程如 下圖 2. 1 所示。
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圖 2. 1 研究架構與穩定度測試流程
2.2 新型早發性小兒脊椎側彎自我調適生長桿之設計
本研究之新型早發性小兒脊椎側彎自我調適生長桿的主要設計概念為將生長 桿系統分為兩大部分，第一部分為一可允許軸向延長之套筒連接器，此連接器為 本研究所著重的部分；第二部分則是傳統用於骨科植入物之 4.5mm 桿件及椎弓根 螺釘(圖 2. 2)。
11
圖 2. 2 新型早發性小兒脊椎側彎自我調適生長桿系統架構
12
2.2.1 設計概念與規格
整套系統分成兩大部分：第一部分為可允許軸向延長之套筒連接器；第二部 分則是 4.5mm 桿件、椎弓根螺釘(Pedicle Screw)以及連接桿系統(Cross Link)，兩部 分屬於可互相分離的設計。此設計是為滿足一般醫師在安裝生長桿系統時，需要 彎曲桿件來符合病患脊椎之自然曲度的需求，使手術醫師在彎曲 4.5mm 桿件時，
能不受套筒連接器之干擾或者破壞套筒連接器內部之重要機構，意即醫師可在彎 曲桿件後，再和套筒連接器結合並安裝至病患身上，組裝方式如以下爆炸圖所示(圖 2. 3)。
圖 2. 3 桿件與套筒連接器之結合關係
13
將兩部分拆開分別來看，第一部分為可允許軸向延長之套筒連接器，為本研 究之核心機構，主要包含了一組棘齒和棘爪、上下套筒及一小連接器，如圖 2. 3 所示。棘爪、棘齒和彈簧形成一只能允許單方向運動之機構。棘爪為一楔形塊，
與棘齒接觸面為一長邊為 2mm、短邊 1mm 之直角三角形斜面，其側面有一直徑 1.6mm 圓形凹槽，在其後端有一圓柱以利彈簧組裝(圖 2. 4)；棘齒條為一圓柱，其 上有許多長邊為 2mm、短邊 1mm 之直角三角形凸起之棘齒；彈簧則選用彈性係數 為 0.210 kg/mm 之美國 SPEC 聯合壓縮彈簧(D10700)，可與棘爪及棘齒配合，組成 只能允許單向運動之機構(圖 2. 5)；上下套筒為乘載單向運動機構之裝置，在上套 筒有一方形槽，可供 M1.6 之內六角板手通過，並插入棘爪側面之圓形凹槽(圖 2. 6)，
當 M1.6 之板手通過上套筒之長方形槽並插入棘爪側面之圓孔槽後，可形成一施力 點，藉以把棘齒和棘爪分離，設計此機構的目的在於可在過度延長情形發生時，
將棘齒條退回至適當位置；小連接器則是棘齒條與 4.5mm 桿件的轉接機構。
圖 2. 4 棘爪
14
圖 2. 5 只能允許單向運動之機構
圖 2. 6 回復過度延長之機構
15
第二部分則為在操作本套系統時所需要的其他器械，包含了 4.5mm 桿件、椎 弓根螺釘、4.5mm 桿件連接桿系統與套筒連接桿系統，除套筒連接桿系統外，其 餘皆為現有之醫療器材。但由於實驗經費因素，4.5mm 桿件連接桿系統為參考國 內外大廠之設計後自行製造；為增加系統整體穩定度，特別設計一對套筒連接桿 系統，以限制套筒的活動，各連接桿系統外型及安裝方法如圖 2. 7。
圖 2. 7 4.5mm 桿件連接桿與套筒連接桿系統
在本研究中，除椎弓根螺釘是使用現有之產品外，其餘零件皆是自行送加工 廠進行製造。關於製造所選用之材料的部分，由於本研究之目的僅在體外原型的 可行性分析，並未使用醫療及材料進行製造；除上下套筒因不是主要受力結構是 使用鋁材之外，其餘主要受力零件皆是使用 304 不鏽鋼來製造。套筒連接器之加 工成品及零件表如圖 2. 8 所示。
16
圖 2. 8 加工成品及零件圖
表 2. 1 零件表
編號 零件 數量
1 下套筒 2
2 上套筒 2
3 棘齒條 2
4 棘爪 2
5 彈簧 2
6 小連接器 2
7 4.5mm 桿件 4
8 連接桿固定器 4
9 連接桿 3
10 椎弓根螺釘 4
11 套筒連接桿固定器 2
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2.2.2 其他設計
除了上述之主要設計之外，尚有兩種變形，第一種是扭力彈簧版本；另一種 則是齒輪齒條版本。
扭力彈簧版本與上述設計之差異在於此版本將壓縮彈簧替換成扭力彈簧，其 優點是可縮小系統之體積，但是卻有加工困難的缺點，如圖 2. 9 (a)。而齒輪齒條 版本則是將棘齒棘爪機構替換成齒輪與齒條，其優點在於可減少桿件間的磨耗，
但是由於零件過多，較易產生故障，如圖 2. 9 (b)。
圖 2. 9 (a)扭力彈簧版本與(b)齒輪齒條版本
18
2.3 拉伸測試
在設計完成後，為量測每單位延長所需之拉力大小，本實驗使用本實驗室自 製之材料測試機 (圖 2. 10)。利用程式 LabVIEW 對馬達進行轉速的控制，並藉由 訊號擷取卡及訊號放大卡擷取測力元與光學尺所量測到的力量及位移訊號，進而 得到力量與位移之關係圖。
圖 2. 10 4000N 材料測試機
19
本研究將自我調適生長桿夾入特製夾具中(圖 2. 11)，放上材料測試機，以每 秒 0.5mm/s 的位移控制做拉伸試驗，總共拉長 20mm，觀察每單位的棘齒條延長需 要多少力量。
圖 2. 11 拉伸測試
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2.4 穩定度測試
為量測試樣的穩定度，本實驗使用本實驗室自行開發之 Hybrid 力學測試機台，
能夠以扭矩控制(Moment Control)以及角度控制(Angle Control)進行測試，故稱為 Hybrid 力學測試機台(圖 2. 12)，而本實驗僅使用到扭矩控制。機台分別由致動模 組、控制模組與量測模組所組成。致動模組包含馬達、導桿、直線軸承、萬向接 頭以及用來固定試樣的上夾具，主要用來給予及傳遞負載給試樣；控制模組利用 訊號擷取卡與訊號放大卡擷取並放大上夾具上之單軸扭力計和雙軸角度計的電壓 訊號，再經由 LabVIEW 程式進行回饋控制；而量測模組則由兩台 CCD 攝影機所 組成，藉由紀錄裝設在試樣上之旗標光點的移動，經由直接線性轉換法，可計算 出試樣的運動角度變化。
圖 2. 12 Hybrid 力學測試機台
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假設椎體為不會變形的剛體，在 T1、T2、T3、T8 椎體上插上旗標，插旗標的 位置為我們想要觀察其角度變化的椎體，T2-T8 為長節組的植入節，T3-T8 為短節 組的植入節；在長節組時 T1 為上鄰近節，在短節組時 T2 為上鄰近節(圖 2. 13)。
參考 Wilke 學者所提出的脊椎植入物體外測試法27，給予正方向與負方向之扭矩控 制，直到試樣承受到正負 5 牛頓米之負載後返回起始位置。利用 CCD 相機捕捉旗 標隨著試樣受到負載時的各方向角度變化，藉由調整試樣與旗標面對 CCD 相機的 方向，可量測側彎(Lateral Bending)及前彎後仰(Flexion /Extension)的穩定度，不同 組別在同樣測試條件下均會重複測試三次穩定度，再取其平均。
圖 2. 13 實驗條件
22
2.4.1 健康組試樣處理
本實驗使用六個月大、體重為 120 公斤之新鮮豬試樣胸椎。從市場購得包含 肋骨之完整胸椎後，將胸椎第一節到第九節(T1-T9)取下，並去除肋骨後，利用手 術刀小心去除周圍肌肉組織，避免傷害到韌帶、椎間盤以及小面關節(Facet Joint)，
最後再將脊索抽出，如圖 2. 14。試樣處理完畢後，會覆蓋上沾有生理食鹽水之紗 布，放入密封袋中，保存於零下 20 度之冰箱中。實驗當天，會放置於室溫中等待 完全退冰後，會在頭尾兩端椎體上打上數支木螺釘，尾側包埋進補土、頭側包埋 進石膏。補土及石膏為穩定度測試時機台之夾具附著於試樣上之媒介，在包埋補 土時上下兩端須保持水平，才能確保試樣在測試機台上於測試前不會產生預應力，
因此在包埋前會將試樣以尼龍繩吊起並稍微懸於空中，再將試樣包埋進補土及石 膏，同時會使用水平儀確認是否水平，方法如圖 2. 14。
圖 2. 14 健康組試樣處理方法
23
2.4.2 健康組穩定度測試
待試樣處理完畢，並插上旗標後，裝設到 Hybrid 力學測試機台上進行健康組 的穩定度測試(圖 2. 15)，量測並計算其總活動度、待植入節活動度、待植入節之 上下鄰近節活動度以及中性區。
圖 2. 15 健康組穩定度測試
2.4.3 小兒脊椎側彎體外模型與其穩定度測試
健康組穩定度測試完成後，為了使在做穩定度測試時，能夠更符合實際體內中 的情形，我們將試樣 T4、T5、T6 之椎體切開分離成兩半，再使用高分子材料 PE 製作 10 度楔形塊，塞入已分離之椎體中並利用螺絲及鐵絲固定，製造共 30 度之 側彎角度(圖 2. 16)。為了使椎體分離前及分離後力學性質不改變太多，在分離的 過程需盡量避免破壞到小面關節、脊間韌帶等可活動元件，分離方法如圖 2. 17 所 示。最後，會將原包埋在頭側之石膏敲碎，並重新包埋進補土，方法同健康組之 包埋方法。
24
圖 2. 16 體外側彎模型
圖 2. 17 塞入楔形塊之方法
體外模型完成後，插上旗標後，裝設到 Hybrid 力學測試機台上進行穩定度測 試，量測並計算其總活動度、待植入節活動度、待植入節之上下鄰近節活動度以 及中性區。
25
2.4.4 長節自我調適生長桿組與金屬棒組穩定度測試
根據文獻指出，雙側安裝生長桿比起單側安裝生長桿有較佳穩定度15，因此本 實驗之植入方法皆為雙桿結構。在將植入物安裝上體外側彎模型之前，金屬棒及 自我調適生長桿皆會貼上應變規，量測桿件安裝在試樣上進行穩定度測試時的應 力。在桿件距下方固定端兩公分處，根據桿件主要受力方向會貼上 4 個應變規觀 察在穩定度測試時桿件的受力情形，如圖 2. 18 所示，應變規一(gage 1)、應變規 二(gage 2)裝在凸測桿件；應變規三(gage 3)、應變規四(gage 4)裝在凹測桿件，應變 規二(gage 2)和應變規三(gage 3)量測前彎後仰時的應變；而應變規一(gage 1)和應變 規四(gage 4)量測側彎動作時的應變。
圖 2. 18 桿件與應變規之安裝
圖 2. 19 為自我調適生長桿與金屬棒安裝所需零件及應變規黏貼位置。本實驗 所 使 用 之 應 變 規 為 日 本 共 和 電 業 株 式 會 社 (KYOWA ELECTRONIC INSTRUMENTS CO., LTD.)所製造販售，其應變規因數(Gage Factor)為 2.08。應變 規經由應變訊號處理盒後所輸出之訊號會藉由訊號放大卡放大(放大倍率:513)，由 訊號擷取卡解取訊號至電腦。
26
圖 2. 19 自我調適生長桿(a)與金屬棒(b)安裝所需零件及應變規
將自我調適生長桿及金屬棒植入長節(T2-T8)上後(圖 2. 20)，插上旗標並放入 機台進行穩定度測試，量測並計算其總活動度、植入節活動度、植入節之上下鄰 近節活動度、中性區以及凹側與凸側桿件之應變。
圖 2. 20 長節組之(a)自我調適生長桿與(b)金屬棒之安裝
27
2.4.5 短節自我調適生長桿組與金屬棒組穩定度測試
在長節自我調適生長桿組與金屬棒組穩定度測試完成後，會將原本植入在頭 側(T2)之一對椎弓根螺釘卸下並打入 T3，因此植入節改為 T3 至 T8，再將自我調 適生長桿或金屬棒安裝上脊椎側彎模型(圖 2. 21)，進行穩定度測試，同時量測並 計算其總活動度、植入節活動度、植入節之上下鄰近節活動度、中性區以及凹側 與凸側桿件之應變。
圖 2. 21 短節組之(a)自我調適生長桿與(b)金屬棒之安裝
28
2.5 資料分析
2.5.1 量測參數 1. 活動度
絕對活動度為給予定量負載下試樣之最大活動的範圍，在本實驗中可分為側彎 活動度以及前彎後仰活動度，我們定義往凹側彎曲和前彎時為正，往凸側彎曲和 後仰為負，在圖 2. 22 上每一條線為 CCD 相機所追蹤到的旗標活動，可代表該節 椎體的絕對角度變化，T9 為固定端，活動度設為零，將每條線的峰值兩兩相減可 得相對活動度。在長節組別時，T2-T8 相對活動度為植入節活動度，T1-T2 相對活 動度為上鄰近節活動度，T8-T9 相對活動度為下鄰近節活動度；而在短節組別時，
T3-T8 相對活動度為植入節活動度，T2-T3 相對活動度為上鄰近節活動度，T8-T9 相對活動度為下鄰近節活動度。
圖 2. 22 試樣在穩定度測試時的運動軌跡
29
2. 中性區
中性區為一種描述物體穩定性的參數，代表物體受到輕微擾動時受影響的程度，
中性區越小物體越穩定。Panjabi 學者在 2003 年將負載-位移曲線用放在高腳杯或 盤子裡的球來比喻28，中性區即為給予球為小能量時能夠移動的距離，因此高腳杯 的情形比盤子的情形穩定。Panjabi 學者對中性區的定義為試樣在零附載時的角度 變化28，由於角度變化小時不易計算零附載時的角度差異，因此本實驗採用中性區 定義為試樣在受到正 0.5 牛頓米扭矩時的最大活動度與受到負 0.5 牛頓米扭矩時的 最大活動度之差值29，如圖 2. 23。
圖 2. 23 中性區
30
3. 應變
本實驗所使用的應變規量測電路為四分之一橋之惠斯通電橋 (Wheatstone bridge)，如圖 2. 24。藉由觀察電壓 E 的變化可計算出應變規電阻 Rg之變化ΔR，
進而得到應變ε，計算方式如下。
惠斯通電橋所輸出的電壓為
R R R R R R R R V
E
g g
1 3 2
1 3
2 ，
可得
2 3 2
3 3 2 1
VR ER ER
VR ER ER R
gR
，在本實驗中
R
1 R
2 R
3 R
120
，因此
R
E V
E R V
R R
g2 2
，最後得 1
2 2
E V
E V R
R
，將
R
R
帶入
R
R F
1
，得到應變值，其中 F 為應變規因數(Gage Factor)。
圖 2. 24 四分之一橋之惠斯通電橋電路
31
在本實驗中，因為惠斯通電橋輸出之原始電壓訊號會經過放大卡放大 513 倍，
在計算應變值前須除上放大倍率；除此之外，此訊號還會經過一階低通 Butterworth 濾波(圖 2. 25)，截止頻率為 1Hz，最後才會得到計算所要使用的輸出電壓 E。
圖 2. 25 濾波前後差異
2.5.2 統計方法
穩定性測試的目的為比較本研究之自我調適生長桿與代表傳統生長桿之金屬 棒是否有穩定度的差異，因此採用重複性檢定，將在長節組與短節組條件下的自 我調適生長桿與金屬棒兩兩做比較，所有統計檢驗將 p 值小於 0.05 時視為有顯著 性差異。在應變的部分則使用成偶 T 檢定，比較自我調適生長桿與金屬棒是否有 差異，p 值小於 0.05 時視為有顯著性差異。
32
第三章 結果
本章共分成兩節，第一節為拉伸試驗的結果；第二節則為各種穩定度參數及桿 件上之應變結果。
3.1 拉伸試驗
3.1.1 自我調適生長桿每單位延長所需之拉伸力量
根據拉伸試驗所得之力量-位移圖(圖 3. 1)，可看出經過 20mm 的位移(共 10 個棘齒)，力量的訊號隨著位移每 2mm 出現一個峰值，共得到 10 個正向的峰值，
而每一個峰值代表每一個棘齒延長所需要之力量大小，將這些峰值平均後，可得 到棘齒條平均每單位延長所需之力量為 2.78 牛頓。
圖 3. 1 自我調適生長桿拉伸之力量位移圖
33
3.2 穩定度測試
本實驗一共進行八組試樣的穩定度測試，藉由統計結果比較脊椎側彎模型組 與自我調適生長桿組或金屬棒組之穩定度的差異、長節自我調適生長桿組與長節 金屬棒組之穩定度差異，以及短節自我調適生長桿組與短節金屬棒組之穩定度差 異。在穩定度測試的同時，也會進行桿件上應變的量測。
在全部測試的過程中，沒有發生植入物鬆脫或者損壞的情形發生。在做側彎 動作時，可以觀察到在往凹側彎曲時，凸側自我調適生長桿會有些許延長；往凸 側彎區時，則是凹側自我調適生長桿會有些許延長(圖 3. 2)，但這些延長皆未達到 一格棘齒(<2mm)的延長，因此在測試完成後會回到原始位置。
圖 3. 2 自我調適生長桿之延長
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3.2.1 總活動度
因為本實驗在健康的豬試樣上塞入楔形塊製造了 30 度的側彎角度，所以在實 驗結果的一開始先將側彎的總活動度拆開來看，分成向凹側(Concave)彎曲的總活 動度與向凸側(Convex)的總活動度，結果呈現如圖 3. 3，在健康組，往左彎或右彎 的活動度沒有顯著性差異(p=0.33)；在脊椎側彎模型組，往凹側彎與往凸側彎的活 動度也沒有顯著性差異(p=0.11)，往凹側彎曲的活動度比往凸側彎曲的活動度稍 大。
圖 3. 3 兩側側彎總活動度
35
在側彎總活動度的部分(圖 3. 4)，脊椎側彎模型組為 77.39 度，裝上植入物後，
長節自我調適生長桿組降為 30.09 度；長節金屬棒組降為 26.95 度；而短節自我調 適生長桿組降為 36.36 度；短節金屬棒組降為 34.60 度，各組與脊椎側彎模型組相 比皆有顯著性下降。不管是長節或短節，自我調適生長桿與金屬棒皆沒有顯著性 差異。
圖 3. 4 側彎總活動度
(“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組；
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
36
在前彎後仰總活動度的部分(圖 3. 5)，脊椎側彎模型組為 66.94 度，裝上植入 物後，長節自我調適生長桿組降為 27.61 度；長節金屬棒組降為 27.14 度；而短節 自我調適生長桿組降為 33.55 度；短節金屬棒組降為 33.86 度，各組與脊椎側彎模 型組相比皆有顯著性下降。不管是長節或短節，自我調適生長桿與金屬棒皆沒有 顯著性差異。
圖 3. 5 前彎後仰總活動度
(“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組；
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
37
3.2.2 植入節活動度
在側彎(待)植入節活動度的部分(圖 3. 6)，脊椎側彎模型組為 46.52 度，裝上 植入物後，長節自我調適生長桿組降為 9.95 度；長節金屬棒組降為 7.01 度；而短 節自我調適生長桿組降為 6.88 度；短節金屬棒組降為 4.04 度，各組與脊椎側彎模 型組相比皆有顯著性下降。長節自我調適生長桿組顯著大於長節金屬棒組；短節 自我調適生長桿組也顯著大於短節金屬棒組。
圖 3. 6 側彎(待)植入節活動度
(“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組；
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
38
在前彎後仰(待)植入節活動度的部分(圖 3. 7)，脊椎側彎模型組為 37.11 度，
裝上植入物後，長節自我調適生長桿組降為 9.04 度；長節金屬棒組降為 8.23 度；
而短節自我調適生長桿組降為 5.53 度；短節金屬棒組降為 5.51 度，各組與脊椎側 彎模型組相比皆有顯著性下降。不管是長節或短節，自我調適生長桿與金屬棒皆 沒有顯著性差異。
圖 3. 7 前彎後仰(待)植入節活動度 (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組；
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
39
3.2.3 上鄰近節活動度
在長節側彎上鄰近節活動度的部分(圖 3. 8)，脊椎側彎模型組為 12.21 度，裝 上植入物後，長節自我調適生長桿組為 9.94 度；長節金屬棒組為 9.74 度。各組皆 沒有顯著性差異。
圖 3. 8 長節側彎上鄰近節活動度 (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組)
40
在長節前彎後仰上鄰近節活動度的部分(圖 3. 9)，脊椎側彎模型組為 10.41 度，
裝上植入物後，長節自我調適生長桿組為 9.85 度；長節金屬棒組為 10.05 度。各 組皆沒有顯著性差異。
圖 3. 9 長節前彎後仰上鄰近節活動度 (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組)
41
在短節側彎上鄰近節活動度的部分(圖 3. 10)，脊椎側彎模型組為 9.25 度，裝 上植入物後，長節自我調適生長桿組為 9.24 度；長節金屬棒組為 9.69 度。各組皆 沒有顯著性差異。
圖 3. 10 短節側彎上鄰近節活動度 (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
42
在短節前彎後仰上鄰近節活動度的部分(圖 3. 11)，脊椎側彎模型組為 10.48 度，裝上植入物後，長節自我調適生長桿組為 8.93 度；長節金屬棒組為 9.31 度。
各組皆沒有顯著性差異。
圖 3. 11 短節前彎後仰上鄰近節活動度 (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
43
3.2.4 下鄰近節活動度
在側彎下鄰近節活動度的部分(圖 3. 12)，脊椎側彎模型組為 9.40 度，裝上植 入物後，長節自我調適生長桿組為 10.20 度；長節金屬棒組為 10.19 度；而短節自 我調適生長桿組為 9.83 度；短節金屬棒組降為 10.42 度。各組皆沒有顯著性差異。
圖 3. 12 側彎下鄰近節活動度 (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準
，GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組；
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
44
在前彎後仰下鄰近節活動度的部分(圖 3. 13)，脊椎側彎模型組為 8.94 度，裝 上植入物後，長節自我調適生長桿組為 8.72 度；長節金屬棒組為 8.86 度；而短節 自我調適生長桿組為 8.89 度；短節金屬棒組降為 8.49 度。各組皆沒有顯著性差異。
圖 3. 13 前彎後仰下鄰近節活動度 (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組；
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
45
3.2.5 中性區
在側彎中性區的部分(圖 3. 14)，脊椎側彎模型組為 46.11 度，裝上植入物後，
長節自我調適生長桿組降為 11.43 度；長節金屬棒組降為 8.18 度；而短節自我調 適生長桿組降為 16.97 度；短節金屬棒組降為 14.95 度，各組與脊椎側彎模型組相 比皆有顯著性下降。不管是長節或短節，自我調適生長桿與金屬棒皆沒有顯著性 差異。
圖 3. 14 側彎中性區
(“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組；
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
46
在前彎後仰中性區的部分(圖 3. 15)，脊椎側彎模型組為 37.19 度，裝上植入物 後，長節自我調適生長桿組降為 9.27 度；長節金屬棒組降為 7.75 度；而短節自我 調適生長桿組降為 12.83 度；短節金屬棒組降為 13.08 度，各組與脊椎側彎模型組 相比皆有顯著性下降。不管是長節或短節，自我調適生長桿與金屬棒皆沒有顯著 性差異。
圖 3. 15 前彎後仰中性區
(“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準，
GR_Long：長節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Long：長節安裝之金屬棒組；
GR_Short：短節安裝之自我調適生長桿組；
RR_Short：短節安裝之金屬棒組)
47
所有穩定度測試的結果整理如下表(表 3. 1)。
表 3. 1 穩定度測試結果整理(單位：度)
Total ROM Ins. ROM Upper adj. ROM Lower adj. ROM NZ
Lateral Bending
Flex./
Ext.
Lateral Bending
Flex./
Ext.
Lateral Bending
Flex./
Ext.
Lateral Bending
Flex./
Ext.
Lateral Bending
Flex./
Ext.
Intact
65.98
±7.87
57.35
±6.29
37.98
±6.13
32.09
±3.67
9.30
±0.85
8.22
±1.29
9.07
±0.87
8.52
±1.98
39.47
±6.16
30.51
±6.14
Scoliosis Model 77.39
±6.53
66.94
±7.10
46.52
±5.36
37.11
±3.97
9.25
±2.10
10.48
±1.37
9.40
±1.23
8.94
±1.74
46.11
±6.01
37.19
±6.25
GR_Long
30.09
±3.79
27.61
±4.02
9.95
±1.91
9.04
±1.15
9.94
±1.33
9.85
±1.99
10.20
±1.50
8.72
±1.69
11.43
±3.47
9.27
±2.33
RR_Long
26.95
±1.14
27.14
±4.69
7.01
±1.04
8.23
±0.88
9.74
±0.72
10.05
±2.42
10.19
±1.52
8.86
±1.90
8.18
±1.84
7.75
±2.94
GR_Short
36.36
±2.51
33.55
±4.74
6.88
±1.45
5.53
±0.88
9.24
±0.92
8.93
±1.31
9.83
±1.28
8.89
±1.90
16.97
±2.17
12.83
±3.83
RR_Short
34.60
±2.36
33.86
±4.15
4.04
±0.65
5.51
±1.47
9.69
±1.19
9.31
±0.95
10.42
±1.28
8.49
±2.11
14.95
±4.26
13.08
±2.93
3.2.6 應變
本實驗在每支桿件上皆黏貼兩個應變規，在凹側及凸側桿件上一共有四個應 變規，分別為凸側上的應變規一及應變規二；與凹側上的應變規三與應變規四，
根據黏貼位置，進行側彎穩定度測試時，接收應變規一與應變規四的訊號；進行 前彎後仰穩定度測試時，則接收應變規二與應變規三的訊號。
48
長節側彎
在向凹側彎曲時(圖 3. 16)，在凹側桿件上的應變規四感受到壓縮的應變；在 凸側桿件上的應變規一感受到拉伸的應變，在凹側，自我調適生長桿與金屬棒的 應變沒有顯著差異；在凸側，自我調適生長桿的應變顯著大於金屬棒組。
圖 3. 16 向凹側彎曲之應變(長節) (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準)
圖 3. 17 向凹側彎曲示意圖
49
在向凸側彎曲時(圖 3. 18)，在凹側桿件上的應變規四感受到拉伸的應變；在 凸側桿件上的應變規一感受到壓縮的應變，在凹側，自我調適生長桿與金屬棒的 應變沒有顯著差異；在凸側，自我調適生長桿的應變顯著大於金屬棒組。
圖 3. 18 向凸側彎曲之應變(長節) (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準)
圖 3. 19 向凸側彎曲示意圖
50
長節前彎後仰
在前彎時(圖 3. 20)，在凹側及凸側桿件上的應變規四與應變規一皆感受到拉 伸的應變，在凹側，自我調適生長桿與金屬棒的應變沒有顯著差異；在凸側，自 我調適生長桿的應變顯著大於金屬棒組。
圖 3. 20 前彎之應變(長節)
(“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準)
圖 3. 21 前彎示意圖
51
在後仰時(圖 3. 22)，在凹側及凸側桿件上的應變規四與應變規一皆感受到壓 縮的應變，在凹側，自我調適生長桿與金屬棒的應變沒有顯著差異；在凸側，自 我調適生長桿的應變顯大於金屬棒組。
圖 3. 22 後仰之應變(長節)
(“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準)
圖 3. 23 後仰示意圖
52
短節側彎
在向凹側彎曲時(圖 3. 24)，在凹側桿件上的應變規四感受到壓縮的應變；在 凸側桿件上的應變規一感受到拉伸的應變，在凹側和在凸側，自我調適生長桿的 應變都顯著大於金屬棒組。
圖 3. 24 向凹側彎曲之應變(短節) (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準)
圖 3. 25 向凹側彎曲示意圖
53
在向凸側彎曲時(圖 3. 26)，在凹側桿件上的應變規四感受到拉伸的應變；在 凸側桿件上的應變規一感受到壓縮的應變，在凹側和在凸側，自我調適生長桿的 應變皆顯著大於金屬棒組。
圖 3. 26 向凸側彎曲之應變(短節) (“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準)
圖 3. 27 向凸側彎曲示意圖
54
短節前彎後仰
在前彎時(圖 3. 28)，在凹側及凸側桿件上的應變規四與應變規一皆感受到拉 伸的應變，在凹側，自我調適生長桿與金屬棒的應變沒有顯著差異；在凸側，自 我調適生長桿的應變顯著大於金屬棒組。
圖 3. 28 前彎之應變(短節)
(“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準)
圖 3. 29 前彎示意圖
55
在後仰時(圖 3. 30)，在凹側及凸側桿件上的應變規四與應變規一皆感受到壓 縮的應變，在凹側和凸側，自我調適生長桿的應變與金屬棒的應變皆沒有顯著差 異。
圖 3. 30 後仰之應變(短節)
(“ ”代表兩組之間達到.05 的顯著水準)
圖 3. 31 後仰示意圖
