RESEARCH

經皮椎骨整型術之巨觀與微觀生物力學

骨質疏鬆所引起的脊椎壓迫性骨折是高齡化社會的嚴重問題。脊椎壓迫性骨折發生的主要原因是疏鬆骨的骨質與強度減少。近來新發展的「經皮脊骨整型術」(Percutaneous Vertebroplasty, PV)經過許多臨床與生物力學測試,已證明是一種有效且快速的治療方法。然而,臨床上常見的併發症還是困擾著臨床醫事人員。臨床上常見的併發症有手術實施時骨水泥的溢流,以及手術實施後相鄰近節椎骨的骨折破壞。本研究利用連續性衝擊試驗機以及三軸的應變規應變規,藉由量測灌注骨水泥後的椎骨於疲勞負載後的應變能密度(SED)模式和分佈的改變,來探討經皮脊骨整型術術後併發症形成的內部機制。本實驗研究結果將有助於發展經皮脊骨整型術的最佳注射準則,以及術後的復健方式,以減低鄰近節椎骨骨折的發生機率。

椎間盤動態生物力學

椎間盤動態性能代表椎間盤的避震能力,了解椎間盤的動態性能有助於對椎間盤各種相關疾病的研究。本研究使用一維自由震盪系統來模擬椎間盤的動態力學行為,並以此計算椎間盤的彈簧常數與阻尼系數,以比較椎間盤經歷疲勞負載或特殊處置之後動態性質的改變。 一維自由震盪系統如下:



此系統由物體質量、彈簧、阻尼組成,(M)為椎骨及承受器等夾具的總質量。脊椎運動元的彈簧常數(K, N/mm)、阻尼系數(C, Ns/mm)及脊椎運動元結構的阻尼比(ζ)可由衝擊時所產生的位移計算出。試樣承受衝擊力量產生第一個波峰,因反作用力而產生第二及第三個波峰(下圖)。脊椎運動元的彈簧常數、阻尼比及阻尼系數可由本身的位移(x1 and x2)及第二跟第三波峰的週期計算出,所使用的方程式如下:



其中阻尼比(ζ)為質量、彈性係數、和阻尼係數的函數
下圖為試樣受到衝擊負載時的位移曲線:

衝擊力產生第一個波峰,試樣受到衝擊力後,形成一個自由震動的相位,產生第二及第三個波峰。

椎間盤組織修補

若椎間環產生傷害後,椎間核會因脊椎受力而往後外側方向凸出,若壓迫到椎間孔中的神經根,便會引發坐骨神經痛。即使以手術方法椎間盤凸出症,仍常見疾病再復發的現象,原因一般是認為受損後的椎間環纖維強度不足以保持椎間核壓力。當脊椎再度受壓時,椎間核會再度凸出。因此為避免椎間盤凸出再復發,在進行手術時,應在椎間盤破損處注射能加速椎間盤纖維化的生醫材料,例如白金線圈(Platinum Fiber Coil)、組織膠(NBCA Glue)、骨水泥(Bone Cement)和明膠海綿(Gelfoam),或外生性交聯劑,以加速椎間盤組織的癒合。為測量各種生醫材料對椎間盤損傷的癒合效果,本實驗室研發了「椎間盤體積-壓力關係量測系統」(quantitative discomanometry,QD),該系統包含了可程式控制的針筒注射器和資料擷取系統。針筒注射器可將定量食鹽水以固定速度注射入椎間盤內,並同步記錄椎間盤內的壓力變化。將注射實鹽水體積與椎間盤壓力資料繪成「體積與壓力關係曲線(P-V curve)」,即可獲得椎間盤之洩漏壓(leakage pressure)、洩漏體積(leakage volume)、飽和壓力(saturate pressure)及飽和體積等四個可用來描述椎間盤完整度的四個參數。其中飽和壓力可視為椎間盤可承受的極限壓力。


「椎間盤體積-壓力關係量測系統」示意圖

注射食鹽水體積-椎間盤內壓力關係曲線

椎終板極限強度與靜水壓阻

椎終板是椎骨和椎間盤之間代謝原料與產物的交換橋樑,椎骨中的血管可透過椎終板傳遞養份至椎間核中,椎間核亦可將廢物由椎終板排出。椎終板是做為椎間盤細胞療法的良好載入點,對椎終板性質的深入探討,能促進椎間盤組織工程的發展。本實驗室結合電腦斷層影像分析技術與「椎間盤體積-壓力關係量測系統」,分析椎終板的完整性、極限強度與破壞模式。同時開發一液壓系統(pumping system),測量椎終板的靜水壓阻。該自製化的液壓系統,可將1ml食鹽水,以0.0075ml/s的速率,分別從裝載試樣的金屬管兩端推進。在注射食鹽水的過程中,液壓系統上的壓力感測器(Pressure sensor)可量測水流阻力變化。水流穩定時的壓力值(steady state pressure)定義為椎終板的靜水壓阻。食鹽水由椎終板往椎骨方向推近時的靜水壓阻定義為流出阻力(resistance to outflow pressure, ROP),代表椎間盤內液體經椎終板流出時的阻力;食鹽水由椎骨往椎終板方向推進時的靜水壓阻定義為流入阻力 (resistance to inflow pressure, RIP),代表液體由椎骨經椎終板流進椎間盤的阻力。


液壓系統示意圖
 
靜水壓阻隨推進食鹽水體積的變化

電腦手術輔助系統

手術導航系統可提高如微創手術、脊椎手術等技術性高、風險性高之手術的成功率。然而目前已商品化的手術導航系統多來自國外,不僅架構龐大、造價昂貴,提高了醫療成本,而且操作流程繁複,使大多數醫師望之卻步,不願使用。成本高昂以及使用意願不高,造成了手術導航系統無法在國內普及。有鑒於國內的脊椎手術有較高的執行率,本計劃預計發展一套專門應用於脊椎手術的「微型脊椎手術定位導航系統」。該系統包含微型定位裝置以及三維影像導航軟體。微型定位裝置為夾治手術器械的機械手臂,該手臂具有四個自由度,可增進手術器械介入病灶的準確度;手臂關節內含有感光元件,做為即時定位之用。三維影像導航軟體可快速建立手術器械與醫學影像間的座標轉換矩陣,即時地將手術器械的位置顯示於病灶影像上。