多孔黏彈性材質與硬質間界面破壞機制之探討(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

多孔黏彈性材質與硬質間界面破壞機制之探討(2/3)

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC92-2212-E-011-006-

執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學機械工程系

計畫主持人： 趙振綱

共同主持人： 林晉，張瑞慶，王兆麟，陳博光

報告類型： 精簡報告

報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 93 年 5 月 31 日

多孔黏彈性材質與硬質間界面破壞機制之探討(2/3) 計畫類別：個別型計畫

計畫編號：NSC 92－2212－E－011－006

執行期間：92 年 08 月 01 日 至 93 年 07 月 31 日 執行單位：國立臺灣科技大學機械工程系

計畫主持人：趙振綱

共同主持人：陳博光，張瑞慶，林晉，王兆麟

一、中文摘要

後 方 骨 融 合 術 (Posterior Lumbar Interbody Fusion, PLIF)已被廣用於治療 腰椎椎間盤病變，使用的植入物由補骨 材料發展至今之金屬材料及其它生醫材 料之椎籠(cage)，但是仍有許多術後的併 發症，所以一個能夠減少手術後之併發 症的椎籠一直被專家學者研究著。

脊椎內固定器(spinal implant system) 已廣泛使用在脊椎手術治療上，其中以 椎足骨螺絲(pedicle screw)為固定器最重 要元件之一。從臨床觀察中發現，固定 器發生失效(failure)的模式之一為骨螺絲 與椎體間發生鬆脫(lossening)，因此如何 提升骨螺絲之螺牙與椎骨的結合強度，

便成為脊椎內固定器設計之重點課題。

本研究目的主要使用有限元素法模

擬在 PLIF 時，探討椎籠材料、結構外形、

負載情況及是否加入後方固定器對於腰 椎之生物力學特性的影響。在骨螺絲方 面，針對兩種新設計(FPI-3 & FPI-4)與四 種 市 售 (Diapason, HCD, CCD, Moss Miami)之椎足骨螺絲，分別測試其與人 造 假 骨 (saw bone) 及 猪 隻 腰 椎 (porcine lumbar)結合後的軸向拉出強度，以比較 椎足骨螺絲植入此兩種密度不同之試片 的結果。

Abstract

Posterior Lumbar Interbody Fusion,

PLIF, has been widely used in curing

pathological changes of intervertebral

disks. Although the implants developed

from bone graft material to metal material

and other kinds of biomaterial cages, there are still plenty of postoperative complications. Therefore, researchers have continuously studied to create a cage that can minimize the complications.

Pedicle screws have been widely used for internal fixator on the spine. Clinical observation indicates that the pullout and loosening of the screws were both of the principal failure modes of the internal spinal fixator, especially in the porotic spine. Therefore, prevention of the pullout of the screws was the main concern on the design of spinal fixator.

The purpose of this study was to use finite-element analysis to find out the biomechanics of lumbar spine when simulations were conducted and varied by cage material, cage construction/ cage shape, loading conditions, and posterior fixator. In the aspect of screw was to compare the experimental results of the pullout strength of the two new designed screws(Formosa Posterior Implants 3 & 4, FPI) with other commercial ones (Diapason, CD Horizon, CCD and

Moss-Miami systems) inserted into both the polyurethane saw bones and porcine spines separately. Basically, we divide them into two profiles: FPI-4, Diapason and CD Horizon are of conical in shape, while FPI-3, CCD and Moss-Miami are of cylindrical in shape.

二、計畫緣由及目的

後 方 骨 融 合 術 (Posterior Lumbar

Interbody Fusion, PLIF)已被廣用於治療

腰椎椎間盤病變，其目的為減少椎間盤

病變對於神經根的壓迫及減輕所引起的

病痛，早期後方骨融合術主要利用雙邊

補骨植入，而補骨材料主要由腸骨脊

(iliac crest) 取得，但常併發手術後之病

痛及不舒服，而且補骨之強度不足將導

致補骨的坍塌(collapse)、擠出(extrusion)

和 移 位 (displacement) 而 造 成 手 術 的 失

敗，因此金屬與其它生醫材料之椎籠

(cage)因而被發展出，主要為了可減少取

骨處(donor site)之病痛、作為前方椎柱的

支撐、回復椎間盤原有的高度、提高椎

體的剛性、增加骨融合的成功率，且能

防止椎籠往後移動，但由於金屬的機械

強度均大於骨質，此將造成椎籠內部骨 頭的應力遮閉(stress shielding)現象，因此 造 成 骨 融 合 速 度 緩 慢 、 椎 籠 陷 入 (subsidence)及因後方植入的因素則易造 成椎籠往後退出(back-out)的現象。

針對金屬椎籠陷入或往後退出的情 形，可加入後方固定器(posterior fixator) 予以改善，後方固定器主要由椎弓足螺 絲(pedicle screw)與桿件組合而成，其目 的除了矯正脊椎的畸形(如脊椎側彎)等 病症同時減少椎籠與椎骨間的相對滑移 而增加手術區域的穩定性，因此可大大 的提升骨融合的速率。

有鑑於此，一個能夠減少手術後產 生併發症之椎籠，需考慮椎籠本身之設 計，包括椎籠使用的材料、外形結構及 是否有考慮輔助之後方固定器，使椎籠 能達到良好之前方椎體的支撐、防止椎 體坍塌與椎籠陷入或滑動的現象。

本研究目的主要使用有限元素法模 擬在 PLIF 時，探討椎籠材料、結構外形、

各種負載情況及是否加入後方固定器之 間相互的關連性與對於腰椎各部位之受 力情況，並提供未來於椎籠之設計或修 改及後方固定器裝置之必要性之參考。

在椎弓足骨螺絲研究(pedicle screw)

方面，因為脊椎固定器之使用，免不了 要使用椎弓足骨鏍絲(Pedicle screws)，但 從臨床觀察中發現，內固定器骨鏍絲會 在手術後一段期間失效(failure)，追朔其 原因，約有 2％～10％是因為椎弓足骨鏍 絲在鏍絲頭與鏍紋接合處(此處一般稱之 為 run out)的斷裂(fracture or breakage)，

或是大多數的失效皆是因為骨鏍絲被拉 出。因此對內固定器的臨床功能與機械 強度而言，骨鏍絲與椎骨的結合強度是 設計時的重點之一。

在本研究對先前的脊椎內固定器材

及相關之手術裝置的設計與製造所完成

設計製造出的後方脊椎內固定器-第一代

(FPI)，經過測試後，初步發現其拉出強

度(pull-out strength)與 CD 及 Diapason 等

椎弓足骨鏍絲相較之下效果不彰。同時

對於 FPI 測試結果，初步分析出對具有

較佳之拉出強度的骨鏍紋型式設計的參

數：鏍紋外徑、鏍紋內徑、鏍距、鏍紋

形狀。為能進一步的瞭解及獲得最新型

設計 FPI-4 的拉出強度與更多類型的椎

弓足骨鏍絲的比較之效果，則分別進行(1)

假骨椎弓足骨鏍絲拉出測試(2)生物體椎

弓足骨鏍絲。

三、結果與討論

本研究使用之模型為利用電腦斷層 掃 描 (CT) 截 取 36 歲 之 健 康 男 性 腰 椎 L4-L5 之掃描資料，並利用三維繪圖軟體 進行 L4-L5 模型之建立。

將建立好之塊狀型與圓柱型兩種椎 籠，如圖 1 與圖 2，依解剖學放置位置分 別成對植入模型腰椎 L4-L5 的椎間盤，

在以不同材料(鈦合金與 PEEK)，及是否 加入後方固定器，共 8 組參數模型分析。

在本研究所使用之有限元素分析軟 體為 COSMOSWorks6.0 版，其程式掛載 於 Solidworks 3D 繪圖軟體下，所以在 Solidworks 完成 3D 模型繪製後，可直 接利用 COSMOSWorks6.0 運算， 免於 載入其他 FEM 軟體的過程，L4-L5 模型 中的元素分割設定，整體(global)的元素 尺寸為 5mm，局部(local)的元素尺寸在椎 籠與椎弓啶螺絲頸部分別定義為 0.5mm 與 1mm。其網格化後之有限元素模型:1.

方塊型椎籠單獨使用；2.方塊型椎籠結合 後方固定器使用；3.圓柱型椎籠單獨使 用；4.圓柱型椎籠結合後方固定器使用，

如圖 3 至圖 6 所示。

其邊界條件為，L4 上方施加負載，

軸向壓力(1200N)加曲屈力矩(10N-m)加

扭矩(10N-m)，，並將 L5 底部完全拘束 進行有限元素分析。

本研究之結果以最大主應力值與 (maximal tensile stress theory)L4 椎體最 大下陷位移量，二種參數來作 8 種模型 之分析結果的比較指標。

8 組參數模型分析後椎籠上之最大 主應力與各組 L4 椎體最大下陷位移量，

如表 1 和表 2，其應力分佈圖，如圖 7 至 圖 14。椎籠結合後固定器之模型分析 後，各組螺絲頸部上之最大主應力，如 表 3。

椎籠有無結合後方固定器其各組最

大應力之比較，如圖 15，顯示椎籠結合

固定器後可大幅減少椎籠單獨使用時的

應力值，在 L4 椎體最大下降位移量比

較，如圖 16，顯示結合固定器一樣的可

大幅降低椎籠單獨使用時的位移值。椎

體下降高位移量值表示腰椎處於不穩定

的狀態，因此腰骨融合術在椎籠單獨使

用時，若受到多軸向的負載易造成作用

的力量偏向於椎籠的局部，應力集中的

現象因而產生，而加入固定器後下降位

移值大幅減少，顯示腰椎處於較穩定的

情況下，此時椎籠受到均勻負載而使局

部應力降低，因此結合後方固定器的使

用提高了腰椎的勁度與穩定性，也許可 使術後的患者在更穩定的狀況之下得到 康復。

椎籠材質不同時，因其降伏強度不 同鈦合金和 PEEK 之降伏強度分別為 848.4 MPa 與 228MPa，所以本研究以各 材料之最大主應力除以其降伏強度的比 值作比較，若比值大於 1 表示材料可能 破壞，其各組比較圖如圖 17，其中顯示 鈦椎籠之比值皆小於 1，且大幅小於 PEEK 椎籠之比值，而 PEEK 椎籠於單獨 使用時材料可能已經破壞，此種情況在 加入固定器後可以改善。在 L4 最大下降 位移量之比較，如圖 18，其中顯示雖然 使用材質為鈦合金時其位移量比材質為 PEEK 時來的低，但差異並不大。將螺絲 頸部應力加以探討其各組應力比較如圖 19，其中顯示材質為鈦合金時的頸部應 力比材質為 PEEK 時低，其與 L4 椎體下 降位移量之結果相互呼應，這是因為 PEEK 楊氏模數較低所以變形較大，自然 後方固定器的螺絲應力值要承受較多的 力量而產生較高的螺絲應力值，因此 PEEK 的椎籠材質強度較弱所造成椎籠 較大的變形與可能的破壞，由本研究顯 示可藉結合後方固定器來避免。

椎籠形狀不同時各組之最大應力比 較，如圖 20，其中顯示椎籠單獨使用時 塊狀型椎籠應力比圓柱型低，而在結合 固定器後則相反，其原因為兩種形狀椎 籠單獨使用時應力集中於局部，此現象 於表面有螺紋構造的圓柱型椎籠更加明 顯，而在結合後方固定器後兩種形狀的 椎籠皆承受均勻的負載，應力集中現象 消失，圓柱形椎籠結構的抗壓性較塊狀 型好的優勢因此顯現而出。形狀不同時 各組 L4 椎體最大下降位移量與螺絲頸部 應力的比較，如圖 21 與圖 22，其中顯示 並無明顯差異性，因此若以椎籠最佳設 計的觀點，改變椎籠材質的成效可能比 改變形狀大。

在椎弓骨螺絲研究方面本研究使用 之椎弓足骨鏍絲為：新型設計後方脊椎 內固定器-第四代(FPI-4)，材質是以 316L 不銹鋼的醫療用級合金鋼製成，及其他 五種不同樣式的椎弓足骨鏍絲(FPI-3、

Diapason、CCD、HCD、Moss Miami)，

其外觀如圖 23 所示。含鏍紋之鏍桿部分 的全長以及鏍紋的形式則列於表 4。

在假骨測試，測試時將利用一般常

用來作為骨頭模型的假骨，以作為被骨

鏍 絲 所 鎖 入 的 試 片 。 其 密 度 為 296

Kg/m ³ 。假骨試片切割成 5×10×10 (cm) 的方塊以供使用，如圖 24 所示。此測試 物可視為疏鬆之骨片。

生物體測試方面則採用猪骨腰椎作 為測試用的生物體，如圖 25。測試猪隻 數量為 6 隻，平均年齡 6 個月，平均重 量為 90 公斤。擷取腰椎部分 6 節，因此 共有 36 節猪骨腰椎進行生物體測試。將 測試用之椎弓足骨鏍絲打入猪骨腰椎 中，以 X-ray 拍攝確定所鎖入的椎弓足骨 鏍絲在正確的位置內。

利用 MTS-Bionix 動態液壓材料雙軸 向試驗機，型號為 MTS 858。該試驗機 透過訊號產生器(Wavetek model 75)來產 生 Ramp up 波形，透過 MTS 458.20 Controller 的操作控制，將鎖入假骨中的 Pedicle screw 拉出。試片夾住的方法則是 參考 ASTM 標準規範的規定，其示意圖 如圖 26-A 所示。對於骨鏍絲鎖入猪骨腰 椎中的位置，如圖 26-B 所示。

在假骨測試，拉出速率參考 ASTM 標準規範中的拉出速率 5 mm/min。並將 測試拉出波型的振幅設定為 5mm，使得 週期為 120 秒。由於所使用之假骨的材 質均勻，對於同一支骨鏍絲在同一種測

試項目，將進行測試次數為六次。此六 次的算術平均值則假設為在該測試條件 下的拉出強度。測試時骨鏍絲的測試次 數總共為 36 次。

在 生 物 體 測 試 ， 拉 出 速 率 1 mm/min。並將測試拉出波型的振幅設定 為 10mm，使得週期為 1200 秒。每支椎 弓足骨鏍絲分別鎖入一節猪骨腰椎左右 邊，以避開兩支骨鏍絲在猪骨腰椎中相 互交錯。同時減少猪骨腰椎左右邊的骨 密度的些許差量。其鎖入順序如表 5 所 示。此六支骨鏍絲每支測試次數 6 次，

總共為 36 次。

統計方法，利用 ANUVA one way variance 來比較各種骨鏍絲在兩種不同 材質下，因 axial pull-out strength P≦0.05 為有意義之差別。

在假骨測試的結果得知，新型設計 椎弓足骨鏍絲 FPI-4 比他牌之骨鏍絲的 拉出強度確實來得好。六種骨鏍絲中，

FPI-4 有最高拉出強度(1904N)，CCD 其 次(1610N)，FPI-3 第三(1600N)，HCD 第 四(1583N)，Moss Miami 第五(1570N)，

而 Diapason 最小(1568N)。結果如圖 27

所示。

在生物體測試的結果，FPI4 最高 (2909.438 N)，Diapason次之 (2799.725 N)，HCD第三 (2668.875)，Moss Miami 第四(2706.653 N)，CCD第五(2600.336)，

最後為FPI3（2574.984 N）。由結果僅可 以瞭解FPI-4 在骨密度平均 1.1168 g/cm ² 的拉出強度較為其他骨鏍絲來的高，並 不能非常明確說明新型設計椎弓足骨鏍 絲FPI-4 的拉出強度較他牌的骨鏍絲來得 好。結果如圖 28 所示。

但由統計結果來看，各骨鏍絲彼此 之 pull-out strength，並無明顯的之差異。

且 FPI4 進行拉出測試時，其失效情況均 為猪骨之破裂。

經由兩種材質之測定，顯示吾人新 設計之兩種骨鏍絲(FPI-3、FPI-4)均不比 市售之骨鏍絲遜色。

從材料力學的觀點，鏍紋的外徑和 整個鏍絲的拉出強度有直接的關係。對 固定的預鑽孔徑及鏍紋深度而言，外徑 越大的骨鏍絲，拉出強度越強。主要原 因在於骨鏍絲鎖入時，將較多體積的骨 屑擠壓在骨鏍絲的間隙中，此經過擠壓 的骨導屑可提供較高的剪切強度，藉此 擠壓骨導屑的機制以增加骨鏍絲的拉出

強度。骨鏍絲的外徑亦有其解剖學上尺 寸的限制，一般不可比椎弓足的最小尺 寸大。

由圖 23 可得知，本測試所選用的六 種鏍絲的外徑，除了具有錐度特徵的 FPI-4、Diapason 外，其餘四種皆相近。

外徑相近的骨鏍絲，進行拉出測試時，

能有效的控制因鏍紋外徑不同所造成之 骨導屑受擠壓而硬化的效應，將拉出強 度的測試結果與鏍紋型式找出其關聯。

在假骨拉出測試方面，圖 27 顯示出 六種骨鏍絲鎖入假骨的拉出強度測試結 果。若以 FPI-4 之拉出強度為基底的話(即 令其值為 1)，則 FPI-3、Diapason、CCD、

HCD 與 Moss Miami 的拉出強度分別比 FPI-4 低 15.97%、17.66%、15.46%、16.90%

與 17.56%。明顯的看出 FPI-4 的拉出強 度為最好，而 Diapason 最差，其他居中。

從統計上進行比較，FPI-4 對其他五種骨 鏍絲的統計結果，P 值皆小於 0.05，具有 統計上比較的意義。

由表 4 及鏍紋形式得知，FPI-4 具有

最高拉出強度的原因。FPI-4 具有 Buttress

鏍紋及錐度鏍紋的特性，使骨導屑受預

壓於兩鏍牙之中，提高骨導屑的剪切強

度，亦提高了拉出強度。

在 相 同 預 鑽 孔 下 (3.2mm) ， 對 於 Diapason 而言，雖具有 Buttress 鏍紋及椎 度鏍紋的特性，但在鏍紋區段之外徑僅 大 於 Moss Miami ， 且 前 端 鏍 紋 直 徑 (4.6mm)實為接近預鑽孔(3.2mm)，使骨 導屑受到較小的擠壓程度，也使得拉出 強度降低。因此，Diapason 的拉出強度 為最小。

相同的，在前端鏍紋區段中，對於 FPI-3、CCD、HCD、Moss Miami 的鏍紋 形狀及鏍紋深度是均勻的，FPI-3 的拉出 強度與 CCD、HCD、Moss Miami 的拉出 強度相近，且四者的鏍距皆相近，但 CCD、Moss Miami 的鏍牙呈 V 型，而 FPI-3、HCD 則呈 Buttress 型，因此兩者 之拉出強度相近的原因，若以鏍矩及鏍 牙形狀的觀點來考慮的話，鏍距大可使 夾擠於鏍紋閒隙中的骨屑不易斷裂，此 是 V 型 鏍 牙 的 優 點 ， 而 鏍 牙 形 狀 呈 Buttress 狀，可使骨屑受擠壓於鏍紋閒，

這是 Buttress 的優點，或許是各自具有的 優點。因此 FPI-3、CCD、HCD、Moss Miami 的拉出強度皆相仿。

在猪骨腰椎拉出測試方面，由於所 使用之猪骨腰椎的材質為非等向性，以 及對於猪骨腰椎之骨密度之奇特特性：

對同一生物體之不同位置之骨密度均不 同，以及對不同生物體之同一位置之骨 密度亦不同。因此將 36 節猪骨脊椎進行 分析，如圖 29 所示。

由圖 29 得知，所測試用的猪骨腰椎 的骨密度的平均範圍在 0.9975～1.2452 g/cm ² ，在統計上比較，P值均大於 0.5，

表示這些骨密度值之間無比較上意義。

亦可說明在進行猪骨脊椎的測試，所獲 得的拉出強度是可以比較的。

由圖 27 得知，若以 FPI-4 之拉出強 度為基底的話(即令其值為 1)，則 FPI-3、

Diapason、CCD、HCD 與 Moss Miami 的拉出強度分別比 FPI-4 低 11.50%、

3.77%、8.27%、10.62%與 6.97%。

然而經由圖 28 與圖 29 得知，由於

骨密度大於假骨密度，造成所得拉出強

度均大於假骨測試所的之拉出強度。然

而猪骨腰椎為一非等向性材料，造成測

試出的拉出強度的標準差相當的大。從

統計上進行比較，六種骨鏍絲的統計結

果，P 值皆大於 0.8，不具有統計上比較

的意義。

四、計畫成果自評

本計劃所建立之有限元素模型分析 之結果，提供醫師於腰椎骨融合手術時 是否加入後方固定器臨床參考，也提供 椎籠設計者在設計時形狀與材質影響度 的考量。

新型椎弓足骨鏍絲，經歷了假骨測 試及生物體測試，確實得到改良了鏍 距、鏍紋形狀等重要設計參數的 FPI-4 明 顯的增加了拉出強度，使得得到優良的 設計產品。

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圖 1 塊狀型椎籠(block cage)

圖 4 塊狀型椎籠並結合後方固定器使用 有限元素網格模型

圖 2 目前已使用在臨床上之圓柱

型椎籠（BAK cage) 圖 5 圓柱型椎龍單獨使用時之有限

元素網格模型

圖 3 塊狀型椎籠單獨使用時之有限 元素網格模型

圖 6 圓柱型椎籠並結合後方固定

器使用之有限元素網格模型

圖 8 鈦塊狀型椎籠結合後方固定器時，

椎籠上之主應力分佈圖

圖 10 鈦圓柱型椎籠結合後方固定 器，椎籠上之主應力分佈圖

圖 7 鈦塊狀型椎籠單獨使用時，椎籠 上之主應力分佈圖

圖 11 PEEK 塊狀型椎籠單獨使用，椎 籠上之主應力分佈圖

圖 9 鈦圓柱型椎籠單獨使用時，椎籠上 之主應力分佈圖

圖 12 PEEK 塊狀型椎籠結合後方固定

器，椎籠上之主應力分佈圖

0.893 3.06 2.97

0.918 0.951 3

1.02 3.19

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

塊狀型單獨使用 塊狀型使用固定器 圓柱型單獨使用 圓柱型使用固定器

L 4 椎體最大下陷位移 量 (mm)

鈦合金 PEEK

3.06 2.97 3.19 3

0.893 0.918 1.02 0.951

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

鈦合金塊狀型 鈦合金圓柱型 PEEK塊狀型 PEEK圓柱型

L 4 椎體最大下陷位 移 量 (mm)

椎籠單獨使用 使用固定器

圖 13 PEEK 圓柱型椎籠單獨使用，椎 籠上之主應力分佈圖

圖 16 椎籠有無結合後方固定器時，各 組的 L4 椎體最大下降位移量比較

圖 14 PEEK 圓柱型椎籠結合後方固定 器，椎籠上之主應力分佈圖

345

508

330

486

205

122 137 115

0 100 200 300 400 500 600

鈦合金塊狀型 鈦合金圓柱型 PEEK塊狀型 PEEK圓柱型

椎 籠 上之 最 大 主 應 力 ( MPa)

椎籠單獨使用 使用固定器

圖 15 椎籠有無結合後方固定器時，各 組椎籠上的最大應力之比較

0.41

0.24

0.6

0.14 1.45

0.6

2.13

0.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

塊狀型單獨使用 塊狀型使用固定器 圓柱型單獨使用 圓柱型使用固定器

最 大主應 力 與 降 服強 度 之比 值

鈦合金椎籠 PEEK 椎籠

圖 17 椎籠材料不同時各組之最大主應 力除以其降伏強度的比值

圖 18 椎籠材料不同時，各組 L4 最大

下降位移量之比較

151 170 159 163

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

塊狀型 圓柱型

螺 絲頸部上 之最大 主應 力 (MPa)

鈦合金 PEEK

圖 19 椎籠材料不同時，各組後方固定 器螺絲應力之比較

151 159 170 163

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

鈦合金 PEEK

螺 絲頸部上之 最大主應 力 (MPa)

塊狀型 圓柱型

圖 22 椎籠形狀不同時，各組後方固定 器螺絲應力之比較

0 100 200 300 400 500 600

籠 大主 (

345

205

330

137 508

122

486

115

鈦合金單獨使用 鈦合金使用固定器 PEEK單獨使用 PEEK使用固定器

塊狀型 圓柱型

椎 上最 應 力 MPa )

FPI-4 FPI-3 Diapason CCD HCD Moss Miami

圖 20 椎籠形狀不同時，各組椎籠上的 最大應力比較

圖 23 所選用之六種椎弓足骨骨鏍絲 (FPI-4、FPI-3、Diapason、CCD、HCD、

3.06 3.19

1.02

2.97 3

0.893 0.918 0.951

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

鈦合金單獨使用 鈦合金使用固定器 PEEK單獨使用 PEEK使用固定器

L 4 椎體最大下陷 位移 量 (mm)

塊狀型 圓柱型

圖 24 利用物理公式D=M / V (D:密度，M:質 量 ， V: 體 積 ) 的 原 理 ， 量 測 出 其 密 度 為 296 kg/m

。假骨試片最後經切割成 5×10×10 (cm) 圖 21 椎籠形狀不同時，各組 L4 最大

下降位移量之比較

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 3900

FPI4 FPI3 Diapason HCD CCD Moss Miami

Pedicle Screw Type

Ma xi mum Pull o ut Stre ngth (N )

h g f e d c

圖 25 測試用之生物體：猪骨脊椎，右 圖表示骨鏍絲打入之位置的方塊以供

使用 圖 28 六種椎弓足骨鏍絲在生物體之拉

出強度測試結果之直方圖

A

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

1 2 3 4 5 6

腰椎節數 骨密度（g/cm2）

A

B

圖 29 猪骨腰椎 1～6 節骨密度直方圖 圖 26 A、將鎖入骨鏍絲後的假骨固定

在上承片及下承座間之示意圖

B、將鎖入骨鏍絲後的猪骨腰椎骨之示

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100

FPI-4 FPI-3 Diapason HCD CCD Moss Miami

Pedicle Screw Type

M axim um P ull out S tr ength (N )

圖 27 六種椎弓足骨鏍絲在假骨之拉

出強度測試結果之直方圖

材料 植入物 最大主應

力 椎籠單獨使用 345 鈦

使用固定器 205 椎籠單獨使用 330 塊狀型

PEEK

使用固定器 137 椎籠單獨使用 508 鈦

使用固定器 122 椎籠單獨使用 486 圓柱型

PEEK

使用固定器 115

形狀 材料 CFT

Ti 151 塊狀型

PEEK 170

Ti 159 圓柱型

PEEK 163

表 3 椎籠結合後方固定器之模型分析 後，各組螺絲頸部上之最大主應力(單 位 : MPa)

表 1 8 組參數模型分析後椎籠上之最大主 應力

形狀 材料 植入物 CFT

椎籠單獨使用 3.06 Ti

使用固定器 0.893 椎籠單獨使用 3.19 塊狀型

PEEK

使用固定器 1.02 椎籠單獨使用 2.97 Ti

使用固定器 0.918 椎籠單獨使用 3.00 圓柱型

PEEK

使用固定器 0.951

Pedicle Screw

Total Length of

Pedicle Screw (mm)

Thread Length of

Pedicle Screw (mm)

Outer Diameter

(mm) Inner Diameter

(mm) Thread

Depth (mm)

Pitch (mm) FPI-4 45 37.5 6.0 3.8(ant.)

5.8(post.) 1.1(ant.) 0.1(post.) 2.4

FPI-3 45 37 6.0 4.0 1.0 2.5

Diapason 45 40 4.6(ant.) 6.4(post.)

2.6(ant.) 4.4(post.)

1.0(ant.) 1.0(post.) 1.75

CCD 45 30 6.0 4.5 0.7 2.8

HCD 45 40 6.0 4.2(ant.) 5.6(post.)

0.9(ant.) 0.2(post.) 2.7

Moss

Miami 40 35.5 6.0 4.0 1.0 2.9

表 4 六種骨鏍絲之含鏍紋部分的全長 及鏍紋的形式

表 2 椎籠結合後方固定器之模型分析

後，各組螺絲頸部上之最大主應

力(單位 : MPa)

1 2 3 4 5 6

位置

L R L R L R L R L R L R

1

F4 M C H D F3

2

F3 F4 M C H D

3

D F3 F4 M C H

4

H D F3 F4 M C

5

C H D F3 F4 M

測試次數 腰椎節數

表 5 骨鏍絲打入猪骨腰椎之位置