進度報告 Reporter：Hung-Ping Yao Supervisor：Sai-Wei Yang Date：2010/03/03

不同彈性帶預張力之動態脊椎內固定器DYNESYS對腰椎之生物力學效應-有限元素分析. Biomechanical Effect of the Lumbar with Dynamic Spinal Internal Fixator DYNESYS on Different Cord Pretensions: A Finite Element Analysis. 許宏維,物理治療暨輔助科技學系, 陽明大學. 碩士學位論文. 2009

(a) 鄰近骨融合處的退化性腰椎滑脫 (b) 椎足螺釘斷裂，雖然已完成骨融合，但是斷掉的椎足螺釘仍造成背痛。 背景 對於退化或椎間盤所引發的腰椎不穩定或神經壓迫，腰椎融合手術改善了因椎間盤退化疾病所產生的不穩定椎節，但也因為如此，在文獻中指出，由於融合術扮演的角色，改變了原有脊椎生物力學的特性，進而造成鄰近椎節加速退化，使得脊椎病痛與下背痛問題得以衍生。為了改善此問題，具有恢復部分脊椎活動度的動態脊椎內固定器DYNESYS因應而生。 圖1 傳統融合術之併發症 (a) 鄰近骨融合處的退化性腰椎滑脫 (b) 椎足螺釘斷裂，雖然已完成骨融合，但是斷掉的椎足螺釘仍造成背痛。

動態脊椎內固定器DYNESYS 主要功能為提供椎節間穩定度與避免鄰近椎節發生加速退化情形，用於腰椎與第一節薦椎上 (L1-S1)。 DYNESYS主要由三種元件所組成，分別為鈦合金材料之椎足螺釘、高分子材料之套筒 (PCU) 與高分子彈性帶 (PET)。 圖2 動態脊椎內固定器DYNESYS

由後冠狀面與矢狀面可發現，(a) 為鄰近L2-L3椎間盤發生退化情形 (b) 箭頭指處為椎足螺釘斷裂與鬆脫情形。 背景 但臨床報告仍發現術後鄰近椎節退化與椎足螺釘斷裂之併發症，意即DYNESYS的勁度仍舊太高，因此希望利用有限元的方法，探討不同彈性帶預張力之施加，導致產生不同之腰椎勁度結果，並分析其對於椎節活動度、鄰近椎間盤應力、小面關節接觸力與椎足螺釘應力之腰椎生物力學影響。以了解是否可保留脊椎穩定度及減少鄰近端椎間盤應力上升。 圖3 使用DYNESYS之併發症 由後冠狀面與矢狀面可發現，(a) 為鄰近L2-L3椎間盤發生退化情形 (b) 箭頭指處為椎足螺釘斷裂與鬆脫情形。

Material and Methods 利用有限元素分析，想要探討在不同預張力之彈性帶狀況下，計算椎節之關節活動度來討論椎節之穩定度、分析鄰近端椎間盤最大應力來討論是否造成鄰近端椎間盤退化之情形與利用疲勞分析探討及計算DYNESYS椎足螺釘壽命，以了解對腰椎所造成之生物力學效應。

Material and Methods 整體研究的進行可分為四個步驟： 取得已通過驗證之完整腰椎有限元素模型 (intact model, INT model)。 建立後方腰椎L3/L4植入DYNESYS之有限元素模型。 施加彈性帶預張力與負荷條件，使得總共有三組植入DYNESYS之腰椎有限元素模型，並在DYNESYS之彈性帶，分別施予預張力300N、200N與100N。 DYNESYS結合腰椎的生物力學分析。

Material and Methods 有限元素模型： 沿用Zhong等人已通過驗證的三維腰椎有限元素模型。 圖4 三度空間完整腰椎有限元素模型

Material and Methods 模型建立程序如下： 電腦斷層掃描取得一位中年男性的腰椎幾何外型→將影像畫數輸入有限元素軟體ANSYS11.0 → 在ANSYS分析軟體中建立出椎體的皮質骨、鬆質骨、後方骨元件及韌帶元件 → 椎間盤組成包括髓核、環帶纖維及環帶纖維基質，其中環帶纖維的強度由外往內漸減。

Material and Methods 圖5 DYNESYS動態脊椎內固定器 三項元件：鈦合金之椎足螺(ψ=6.4mm, L=45mm)、

Material and Methods 圖6 DYNESYS植入椎體之有限元素模型

邊界條件與負荷條件 邊界條件：固定第五節腰椎L5底部所有節點之自由度 負荷條件：給予三組負荷施力段 (loadstep) 負荷施力段為分別給予三組不同預張力於彈性帶上，分別是100N、200N與300N。 於第一節腰椎(L1)施加150N之預負荷。 於第一節腰椎(L1)施加前彎(20)、後彎(15)、扭轉(8)及側彎(20)之力矩，最後對四組模型進行腰椎生物力學之分析比較。 (INT模型，定義為完整腰椎模型；PT300、PT200與PT100模型， 定義為完整腰椎模型於L3-L4植入DYNESYS) 動作目標的角度位移 完整腰椎模型則略過第一組負荷施力段，整體為兩組負荷施力段。

椎節活動度：手術端L3-L4椎節活動度變化百分比 Results 椎節活動度：手術端L3-L4椎節活動度變化百分比 動作目標的角度位移 完整腰椎模型則略過第一組負荷施力段，整體為兩組負荷施力段。 圖7 手術端L3-L4椎節活動度變化百分比

椎節活動度：上鄰近端L2-L3椎節活動度變化百分比 Results 椎節活動度：上鄰近端L2-L3椎節活動度變化百分比 動作目標的角度位移 完整腰椎模型則略過第一組負荷施力段，整體為兩組負荷施力段。 圖8 上鄰近端L2-L3椎節活動度變化百分比

椎節活動度：下鄰近端L4-L5椎節活動度變化百分比 Results 椎節活動度：下鄰近端L4-L5椎節活動度變化百分比 動作目標的角度位移 完整腰椎模型則略過第一組負荷施力段，整體為兩組負荷施力段。 圖9 下鄰近端L4-L5椎節活動度變化百分比

椎間盤應力：手術端L3-L4椎間盤環帶最大應力變化百分比 Results 椎間盤應力：手術端L3-L4椎間盤環帶最大應力變化百分比 動作目標的角度位移 完整腰椎模型則略過第一組負荷施力段，整體為兩組負荷施力段。 圖10 手術端L3-L4椎間盤環帶最大應力變化百分比

椎間盤應力：上鄰近端L2-L3椎間盤環帶最大應力變化百分比 Results 椎間盤應力：上鄰近端L2-L3椎間盤環帶最大應力變化百分比 動作目標的角度位移 完整腰椎模型則略過第一組負荷施力段，整體為兩組負荷施力段。 圖11 上鄰近端L2-L3椎間盤環帶最大應力變化百分比

椎間盤應力：下鄰近端L4-L5椎間盤環帶最大應力變化百分比 Results 椎間盤應力：下鄰近端L4-L5椎間盤環帶最大應力變化百分比 動作目標的角度位移 完整腰椎模型則略過第一組負荷施力段，整體為兩組負荷施力段。 圖12 下鄰近端L4-L5椎間盤環帶最大應力變化百分比

利用有限元素法尋找推板位置來提升波士頓背架 之矯正效果. Determining pad positions by finite element method to enhance correction effect of Boston brace. 周文凱,物理治療暨輔助科技學系, 陽明大學. 碩士學位論文. 2008

背景 由於過去學者所建立的脊椎模型為簡化模型，並未區分脊椎的細部組織及材料特性，且背架模型也為簡化模型，並未依照個案所使用的背架外型及推板設計建立。 過去研究主要為模型建構及分析背架和人體間的力學特性，少有對於背架設計改良的探討。 臨床治療師常藉由調整不同的推板擺放位置，來進一步對脊椎側彎病人產生矯正效果，但目前尚未有推板位置擺設對於矯正效果的有限元素分析相關研究。

背景 此研究為了解背架不同推板位置對於脊椎側彎的矯正效果，利用有限元素法將推板位置參數化的方式，在相同負荷條件情況下改變推板位置，觀察其不同位置對於脊椎側彎角度的趨勢變化關係。 圖13 波士頓背架及推板位置。利用推板加壓將變形的脊椎推回

Material and Methods 共有兩位受測者，取第一位受測者(13歲女性，中度自發性脊椎側彎，Lenke type 2C)的資料作為建模參考，最後再對第二位受測者(11歲女性，胸腰椎S型自發性中度脊椎側彎，Lenke type 2C)進行效果比較。 圖14 受測者資料收集

Material and Methods 使用設備： Boston背架。 薄膜式壓力感測器X-sensor： 用以量測背架軀幹接觸壓力。 3. 拉力計：用以量測綁帶拉力。 4. 光學動作分析系統PTI Visualeyez 4000：用以收取空間座標以做為建模之用。

邊界條件 其邊界條件限制腰椎第五節設定為固定不動，以模擬真實穿戴背架時腰椎第五節活動度極少的現象。 圖15 邊界條件限制

Material and Methods 實驗進行方式： 收取第一位受測者資料以作為建模依據(利用X-ray、光學動作分析系統)，並收取綁帶拉力及背架與軀幹間的壓力值等資料作為模型驗證之用 → 進行模型驗證，模型合理後再將推板位置參數化，以分析不同位置對於脊椎的關係 → 由分析出的最佳位置設計新型背架，再由第二位受測者進行人體測試比較

Material and Methods DZ：0 RO：0 DZ：30 RO：0 DZ：0 RO：30 DZ：30 RO：30

Material and Methods 組別 DZ（mm） RO（ °） 1 2 10 3 20 4 30 5 6 7 8 9 11 12 2 10 3 20 4 30 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16

Results 圖16 胸腰椎角度矯正效果

Results 圖17 胸腰椎椎體旋轉矯正效果

Results 總結來說，當推板旋轉擺設對胸腰椎側彎角度及旋轉有較好的矯正效果，在20°擺設時有較好的效果，推板位置往下移動的影響較小。 固此研究將傳統背架在身體正側方擺放推板的位置為原始參考位置加以調整，將推板調整向後旋轉20度，並未調整推板的高度，推板的大小厚度外型皆與傳統式背架相同。

圖18 背架有限元素模型提供治療師能夠在三度空間中設計推板位置。圖為推板向後旋轉20°。 Results 圖18 背架有限元素模型提供治療師能夠在三度空間中設計推板位置。圖為推板向後旋轉20°。

圖19 比較穿戴傳統背架與新式背架的側彎角度矯正效果。（A）沒穿背架 （B）傳統背架 （C）新式背架。 Results 圖19 比較穿戴傳統背架與新式背架的側彎角度矯正效果。（A）沒穿背架 （B）傳統背架 （C）新式背架。

圖20 不同背架受力下主應力流圖。（A）為傳統式背架 （B）為新式背架，將推板擺置後外側20°，能有效將應力集中在側彎區域，如箭頭所示。 Results A B 圖20 不同背架受力下主應力流圖。（A）為傳統式背架 （B）為新式背架，將推板擺置後外側20°，能有效將應力集中在側彎區域，如箭頭所示。

圖20 比較穿戴傳統背架與新式背架的推板下壓力，右上紅色圈圈為胸椎推板，左下黃色圈圈為腰椎推板。 Results 圖20 比較穿戴傳統背架與新式背架的推板下壓力，右上紅色圈圈為胸椎推板，左下黃色圈圈為腰椎推板。 （A）穿戴傳統背架 （B）穿戴新式背架。

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