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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 醫學工程學研究所
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/31994
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dc.contributor.advisor王兆麟(Jhao-Lin Wang)
dc.contributor.authorWang-Chu Chenen
dc.contributor.author陳旺初zh_TW
dc.date.accessioned2021-06-13T03:27:16Z-
dc.date.available2006-07-31
dc.date.copyright2006-07-31
dc.date.issued2006
dc.date.submitted2006-07-27
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dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/31994-
dc.description.abstract前言. 椎間盤凸出(Herniated intervertebral disc;在此簡稱為HIVD )的病因,ㄧ般認為是因為椎間盤受到連續性機械外力後,椎間核向後外側方向凸出壓迫到椎間孔中的神經根所引起的。而凸出後的椎間盤除了本身性能發生改變之外,必定會影響其鄰近椎骨的動態反應。因此,本研究擬透過椎間盤凸出症的生物力學模型,探討鄰近椎骨受衝擊時加速度的變化情形與椎間盤性能的改變,進而建構出正常與凸出後的椎間盤其吸震能力的反應理論。
材料與方法. 本計畫使用豬胸椎的三節運動單元為試樣(T2~T5、T6~T9),共16組(前導實驗使用4組、生物力學測試使用12組)。前導實驗階段,我們先對椎間盤注入0.2ml稀釋過的染液(染液與水的比例為1:2),並且於試樣的左前方施加5Hz、425N下壓之疲勞負載五小時(此程序主要在製造椎間盤凸出),然後作切片觀察。生物力學測試階段,我們先針對中間位置的椎間盤其上、下脊骨架設加速規,以便測量正常狀況下脊骨的加速度情形,然後對於試樣進行HIVD處理(目的在製造椎間盤突出的生物力學模型),然後再測量推間盤凸出後的脊骨加速度,最後利用椎間盤性能測試系統量測退化後的椎間盤其壓力-體積曲線,以便與正常的椎間盤做比較。
結果. 實驗結果顯示,椎間盤凸出的方向與椎體彎曲方向相反;椎間盤凸出會導致軸向椎骨加速度降低、椎骨加速度由上往下衰減趨勢變小、力量傳輸率減少、椎間盤所承擔的力量變大;正常椎間盤的初始壓力大於凸出後椎間盤的初始壓力;相同注水量對凸出的椎間盤所造成的壓力較小。此外,凸出後椎間盤可承擔的最大壓力為2.28MPa,大大地小於正常椎間盤可承擔的極限。
討論. 椎間盤凸出導致椎骨軸向加速度變小,此乃來自下方組織的抵抗力增加所致,因此會限制椎骨的運動狀態,並且增加椎骨的破壞機會。此外,由於椎間盤已喪失緩衝能力,因此造成椎骨整體加速度由上往下衰減的趨勢降低,而且由於椎骨變得容易受到衝擊高度與緩衝件的影響而產生大變動,會使得椎間盤常常處在不穩定狀態,加上凸出後的椎間盤具備低強度以及高液體損耗率之特性,這些都會加速盤體本身的破壞。
結論. 本實驗中加速度衰減值不會受到衝擊能量與接觸時間的影響,但卻在椎間盤凸出後減少,因此,加速度衰減值是一個良好的指標,可以用來評估椎間盤凸出的程度;此外,由於本身量測儀器固定流速的特性,因此在椎間盤完整性測試結果中的直線斜率可以用來評估纖維環的鎖水能力。透過這些指標也在在顯示椎間盤凸出後會降低其功能的完整性。本研究最後亦提出一個數學模型來演算椎間盤承擔之力量,幫助臨床人員預測椎間盤的受力狀況,藉此預防椎間盤破壞的發生。
zh_TW
dc.description.abstractIntroduction. The herniation of intervertebral disc(HIVD)is referred to that the protruded nucleus pulposus compresses the nerve root when the disc is subjected to continuous load. HIVD affects not only the performance of the disc but also the motion response of adjacent vertebra. The purpose of the study is to investigate the effect of HIVD on the disc performance and spine biomechanics by analyzing HIVD of porcine produced by an artificial procedure.
Methods. Sixteen (16) porcine thoracic 3-unit-motion-segments were used in this study: four (4) for HIVD procedure establishment and twelve (12) for HIVD study. In HIVD procedure establishment, 0.2 ml dilute dye (33.3% black dye and 66.7% water) was first injected to the nucleus pulposus to track the direction of protrusion. Then, each specimen underwent an HIVD procedure with the 425N loading on the left-anterior position at a rate of 5Hz for 5 hours. The disc was cut to verify the occurrence of the disc. In HIVD study, the specimens were first subjected to the HIVD procedure, then an impact test with controlled impact energy and contact period were performed. Shock attenuation properties, including the acceleration attenuation and force transmissibility of motion segment, were calculated from the acceleration and force responses. Finally, we used disc-integrity testing apparatus to quantify the disc integrity pre and post HIVD procedures.
Results. The direction of progressive posterior-lateral herniation was opposite to the direction of vertebra bending. The shock attenuation properties and the disc integrity decreased post HIVD procedure. The averaged acceleration attenuation was -1.4 dB for pre HIVD procedure and -0.3 dB for post HIVD procedure, respectively. These values were independent of impact energy and contact period of the test. However, the force transmissibility increased for long contact period test and decreased for short contact period test. The intrinsic pressure, leakage pressure, and saturation pressure decreased post HIVD procedure.
Discussion. HIVD reduces the cushioning effect of the disc and causes the adjacent vertebra to fracture. After HIVD procedure, the disc suffers the lost of the strength and liquid retaining capability, which may lead to the rupture of the disc.
Conclusion. The acceleration attenuation decreases after HIVD occurs, and is independent of impact energy and contact period. Therefore, the acceleration attenuation can provide an index to evaluate the degree of disc herniated injury. Besides, the linear slope of the disc-integrity test can be used to evaluate the liquid retaining capability of annulus fibrosus. These test results show that HIVD decreases the functional integrity of the disc and the disc is at higher risk of injury when HIVD occurs.
en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2021-06-13T03:27:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2006
en
dc.description.tableofcontents目錄
第一章 前言 1
1-1脊椎的基本構造 1
1-2椎間盤的生物力學 4
1-3文獻回顧 5
1-3-1 椎間盤性能的傳統量測方法_應變規壓力感測器 5
1-3-2 椎間盤性能的其他量測方法 6
1-3-3 椎間盤傷害 9
第二章 材料與方法 11
2-1連續式衝擊測試平台(CITA) 11
2-2加速規量測系統(DUAL AXIS ACCELEROMETER) 12
2-2-1加速規校正 12
2-3往復式衝擊模組(CYCLIC LOADING) 14
2-4椎間盤性能測試系統(DISC-INTEGRITY TEST) 15
2-4-1椎間盤性能測試系統校正 15
2-4-2纖維環應力推導 16
2-5實驗流程 18
2-6胸椎的幾何結構 21
第三章 結果 24
3-1椎間盤凸出的生物力學模型 24
3-2椎間盤凸出前、後的生物力學測試 25
3-2-1椎骨的加速度分析 25
3-2-2椎骨加速度衰減值分析 31
3-2-3力量傳輸率分析 32
3-2-4反應時間分析 34
3-2-5椎間盤性能測試 40
3-2-6迴歸分析 43
3-2-7數學模型之模擬 46
3-2-8椎間盤承擔力量之數學分析 48
第四章 討論 51
4-1椎骨加速度討論 51
4-2力量傳輸率討論 52
4-3椎間盤性能討論 53
4-4迴歸分析討論 54
4-5數學模型討論 55
第五章 結論與未來展望 56
5-1結論 56
5-2未來展望 56
參考文獻 58
附件 60
ORS Paper_The role of vertebral acceleration on the force transmission: effect of loading period. 61
附-儀器簡介 62
(1)往復式衝擊模組(Cyclic Loading) 62
(2)椎間盤完整性測試儀器(Disc-Integrity test) 63
(3)加速規(Accelerometer) 64
圖目錄
圖1-1. 脊椎構造圖11 1
圖1-2. 胸椎第六節椎骨(T6)11 2
圖1-3. 椎間盤切片 2
圖1- 4.椎間盤凸出症示意圖 3
圖1-5. 纖維環組織結構26 4
圖1-6. 針型壓力感測器與椎間盤鄰近椎骨的力量分布 6
圖1-7. 椎間盤染液注射量測系統 7
圖1-8. 加速度量測系統 8
圖1-9. 椎間盤受壓變形曲線 8
圖1-10. 椎間環的三種傷害模式 9
圖1-11. 合成薄片理論示意圖與層間剪應力與垂直距離的關係 9
圖2-1. 連續式衝擊測試平台 11
圖2-2. 加速規架設 12
圖2-3. 加速規校正過程硬體設備安置圖 13
圖2-4. 往復式衝擊模組 14
圖2-5. 椎間盤性能測試系統 15
圖2-6. 椎間盤性能測試系統校正結果 16
圖2-7. 椎間盤厚壁壓力容器 17
圖2-8. 補土包埋流程 18
圖2-9. 左前方集中偏心負載 19
圖2-10. 實驗流程 20
圖2-11. 胸椎椎骨型態參數 21
圖2-12. 胸椎椎間盤型態參數 22
圖3-1. HIVD處理後的椎間盤切片(染液往右後方滲透) 24
圖3-2. HIVD處理後的椎間盤切片(破裂後染液外漏) 24
圖3-3. 脊椎受衝擊時,第一階段載荷期間的軸向加速度變化情形 25
圖3-4. HIVD前、後之椎骨加速度。 27
圖3-5. 各物理量的發生時間 34
圖3-6. HIVD前、後椎間盤的性能曲線 41
圖3-7. 加速度標準化殘差直方圖 43
圖3-8. 四自由度振動分析模型 46
圖3-9. 正常椎間盤振動分析結果 47
圖3-10. 椎間盤衰減程度數學模型 48
圖3-11. 脊椎結構數學模型(椎間盤力量之演算結果) 49
圖3-12. 椎間盤承擔的力量(與輸入力量相比較) 50
圖4-1. 力傳比與頻率比值之關係曲線圖27 52
圖4-2. 凸出後椎間盤的力學性質 53
圖4-3. 不同緩衝件下,輸入力量與椎骨加速度的方向關係 55

表目錄
表1. 實驗用加速規的校正常數表 13
表2. 豬試樣與人試樣之胸椎平均型態參數比較5,19,23,25 23
表3. HIVD前、後各加速度統計分析 29
表4. 改變衝擊能量,加速度的變化百分比 30
表5. 椎骨整體加速度衰減值的差異檢定 31
表6. 軸向輸入與輸出力的差異檢定 32
表7. 力量傳輸率的差異檢定 33
表8. 各力量的發生時間 35
表9. 力量遲滯時間的統計結果 36
表10. 各加速度的發生時間 38
表11. 加速度遲滯時間的統計結果 39
表12. 椎間盤性能曲線七種參數的統計分析 41
表13. 衝擊能量、緩衝件性質、椎間盤性能預測單一椎骨向下加速度之逐步多元迴歸分析摘要表 44
表14. 衝擊能量、緩衝件性質、椎間盤性能預測單一椎骨向上加速度之逐步多元迴歸分析摘要表 44
表15. 衝擊能量、緩衝件性質、椎間盤性能預測單一椎骨整體加速度之逐步多元迴歸分析摘要表 45
表16. HIVD前、後之重錘加速度 60
表17. 椎間盤承擔的力量(與輸入力量相比較) 60
dc.language.isozh-TW
dc.title椎間盤凸出症對椎間盤性能與脊椎生物力學的影響zh_TW
dc.titleThe effect of intervertebral disc herniation on the disc performance and spine biomechanics.en
dc.typeThesis
dc.date.schoolyear94-2
dc.description.degree碩士
dc.contributor.oralexamcommittee楊炳德(Bing-De Yang),黃世欽(Shih-Cin Huang),莊仕勇(Shih-Yong Jhuang)
dc.subject.keyword脊椎生物力學,椎間盤凸出症,疲勞,zh_TW
dc.subject.keywordspine biomechanics,herniated intervertebral disc,fatigue,en
dc.relation.page64
dc.rights.note有償授權
dc.date.accepted2006-07-29
dc.contributor.author-college工學院zh_TW
dc.contributor.author-dept醫學工程學研究所zh_TW
顯示於系所單位:醫學工程學研究所

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