摘要

　　目前临床手术上处理下背痛主要可分为两种处理方式，一为椎间融合术，一为椎间盘置换术。此研究的目的是利用三维的腰椎模型(L3-L4)，比较在各种负载条件下，两种处理方式的力学性质差异。结果发现，融合模型的活动自由度较正常模型的减少了44％；相反的，模拟椎间盘置换的模型，较正常模型的活动度增加了近52％，但是较大的活动度表现也显示脊柱有较高的不稳定危险因子。此外，在椎间盘置换的模型中也量测到脊柱周围韧带和小面关节分别有较高的张应力及接触应力。根据此分析的结果，作者认为可作为发展人工椎间盘的参考依据。

前言
　　下背痛是临床上常见的问题之一，而椎间盘退化正是造成下背痛的主要原因。当初期的保守疗法并无显著改善时，往往就需要藉助外科手术来处理。关节固定术或是椎间融合术是将脊柱单元固定或融合成一个椎体，即移除退化的椎间盘，并植入补骨或是椎间融合器配合後方固定器，使受压迫不稳定的椎节，恢复稳定。另一种手术处理方式为椎间盘置换术，即以人工椎间盘取代退化的椎间盘。对於椎间融合术的处理，临床上约有49-88％的满意结果；至於椎间盘置换术，也有50-99％的满意结果。尽管两种处理方式皆有不错的临床满意度，但仍有些临床并发症在术後发生，例如椎间融合术常发现邻近椎节的问题，或是植入物或是椎足螺钉的毁坏等；在椎间盘置换术的并发症，则有置换椎节处小面关节的退化及植入物沈陷或脱位的发生。究竟何种力学转变导致这些临床并发症的发生，因此作者设计此两种临床处理方式的有限元素分析模型，来比较在不同负载下其力学特徵的改变。

材料与方法

　　作者在电脑辅助分析软体ABAQUS中建立三维腰椎的有限元素模型L3-L5。之後作者在L3-L4椎节修改，分别模拟椎间融合和椎间盘置换两种临床处理方式，分析的模型包括L3-L5的健康模型，椎节融合的模型，置换椎间盘的可动模型。每组模型的受力条件皆以预力720N均匀分布的施压在L3椎节上端的端板，模拟站立时的负载压力。并以11.45Nm的力矩完成前弯、後弯、侧弯和轴向扭转等不同运动情形。在负载受力後，纪录各组模型的活动度，小面关节的压应力，脊柱韧带的张应力，和椎体的应力分布。

结果
　　在整体活动度的表现，融合模型较正常模型的减少了44％；相反的，模拟椎间盘置换的模型，较正常模型的活动度增加了近52％。两种模拟手术对於邻近椎节(L4-L5)活动度的影响，同样以椎间盘置换的模型影响较大，平均增加32％的活动度；但在椎间融合的模型中，则仅有前弯活动度影响较大，增加了近11％。在脊柱韧带的张应力部分，椎间融合模型与正常模型韧带的张应力相近或略小，但在椎间融合的模型中，则显著增加，尤其在後弯运动下，小面关节囊韧带(capsular ligament)超出破坏负载近77％。而椎间韧带(inter-spinous ligament)则在前弯下，超出破坏负载近12％。另外，椎间融合模型的小面关节压应力与正常模型的相近，但是可动模型小面关节的压应力在前弯及侧弯活动下，则分别增加至5.5MPa和3.3MPa。

讨论

　　由於置换人工椎间盘模型的活动度远大於其他两组模型，作者认为这是人工椎间盘设计所造成的影响。虽然人工椎间盘的球-杯设计（Ball-in-socket）可以恢复脊柱的三维运动，但是因为人工椎间盘其束缚条件太少且球杯间介面摩擦抵抗太弱，所以活动度表现远超过正常椎节的活动度。此外，对於邻近椎体元件的应力影响，也是人工椎间盘模型有较大的应力改变。但是，与先前文献指出融合将产生邻近椎节问题的结论不同的地方，在此研究的融合模型中，邻近椎节的应力值改变，与正常模型的应力直是相近的。作者认为单独置放椎间融合器也许不会加速邻近椎节退化问题的产生，但仍须藉由进一步的分析或长期的追踪讨论来证明此一结论。虽然先前已有研究使用有限元素法来讨论人工椎间盘置换的问题，包括1991年Langrana学者和2001年Dooris学者等人，但先前多半仅讨论腰椎活动度的情形，此研究与先前的文献皆发现置换人工椎间盘後，的确会较正常椎节产生较大的活动度。此外，作者也进一步量测小面关节的应力值，发现接触面的应力值皆有增加的情形，此与目前临床并发症的结果相呼应，显示过大的活动度将造成小面关节承受较大的压应力，并加速小面关节的退化。此外，金属端板上的齿钉(spike)或龙骨(keel)也会产生较大的压应力，而这也是临床上椎间盘沈陷发生所观察到的地方。

结论
　　作者认为根据分析的数据结果，椎间盘置换术并没有降低改善椎间融合的并发症问题，反而有更多的并发症造成。也期望藉由这些分析数值，作为人工椎间盘改善发展的参考依据。