2014 SIMULIA Users Meetings 

以有限元素法分析多節頸椎退化性椎間盤疾病採用人工椎間盤

或椎間融合器治療對鄰近節之生物力學影響

胡宣德1, 黃國淵2, 謝孟樸1, 郭青松3 成大土木系1, 成大醫院骨科部2, 南榮科大營建系3

摘要

人體脊椎因年紀、磨損或其它各種原因導致椎間盤損壞時，椎間盤中髓核（Nucleus Pulposus）可能就會被擠壓而突出穿過纖維外環並壓迫到神經，導致頸背疼痛、上肢麻痛

或感覺異常，這種症狀稱為退化性椎間盤疾病（Degenerative Disc Disease，DDD）。治療

退化性椎間盤疾病有許多不同之手術方式，而不同的手術方式，均有其相應的生物力學表

現。 傳統的椎間盤手術是在椎間盤切除後植入自體骨或人工骨支架，若有多節椎間盤需治

療時並輔以鈦合金固定物，以達到「固定」之目的。但該節被固定後，椎間盤活動度會受

限制，需由鄰近節之椎間盤增加活動度加以代償，近來有研究發現此種治療方式會造成鄰

近節椎間盤壓力增加、活動量增加進而提高「鄰近節病變」的發生率。本研究即是以有限

元素模型模擬人工椎間盤或是椎間融合器輔以鈦合金鋼板治療頸椎退化性椎間盤疾病，以

期望能達到減低鄰近節負擔之效果，降低鄰近節病變的發生率。 本研究使用電腦斷層掃瞄與有限元素法套裝軟體，建立完整之頸椎模型，取頸椎第二

節至頸椎第七節，並對三節椎間盤(IVD C3-4、IVD C4-5、IVD C5-6)以人工椎間盤配合椎

間融合器或者是椎間融合器輔以鋼板治療，觀察脊椎在伸展、前彎、側彎、扭轉等四種動

作下，整體頸椎之活動度、應力變化，以及對鄰近節之生物力學影響。 關鍵字：有限元素法；頸椎人工椎間盤；椎間融合器；生物力學

ABSTRACT Human’s intervertebral discs will degenerate as time goes by. The nucleus pulposus in discs will be crushed and protrudes through the annulus fibrosus, which cause injury to the nerves. Such a disease is called Degenerative Disc Disease, abbreviated as DDD. Traditional intervertebral disc surgery used cage or anterior plate to maintain the stability of the treated spine, and physicians generally considered that spinal fusion surgery will cause the degeneration of adjacent segments. Recently the invention of artificial discs prevented the degeneration of adjacent segments. This article discussed multi-segment cervical degenerative disease treated by artificial disc, cage, and plate. The authors tried to find the better ways that can reduce the effects on adjacent segments. This research used finite element method to simulate cervical spines with degenerative disease. After performing the analysis, the results showed that the treated way of inserting artificial discs into C56 segment would reduce the effect on adjacent segments of cervical spine, as for plate fixation, the suitable choice is C34 segment. Keywords: finite element method; cervical artificial disc; inter-body cage; biomechanics 一、研究背景 椎間盤為連接椎體的重要結構，能使

脊椎可以做有限度的活動，也提供了緩衝

的功能。椎間盤退化性疾病，是一個用來

描述年老時椎間盤功能改變的名詞，由於

椎間盤長期受到反覆性的沉重負擔，而造

成椎間盤的磨損與退化現象，初期退化於

2014 SIMULIA Users Meetings 

髓核內，椎間盤中心髓核部分因水分的喪

失，變得不再有彈性，也會使椎間盤變薄

而縮小椎體之間的距離，中期包覆在椎間

盤外圍的纖維環及端板變得較脆、易破

裂，伴隨著椎間盤突出、椎孔狹窄或退化

性椎間滑脫等症狀產生。近年來，關於利

用有限元素法分析頸椎之文獻不少，大多

都是分析例如不同類型之人工椎間盤、椎

間融合器之生物力學影響，針對活動度、

小面關節受力、韌帶伸長量進行評估。 大多數文獻對於頸椎人工椎間盤搭

配椎間融合器生物力學分析較少。對於頸

椎疾病(退化性關節炎或椎間盤突出)，傳

統手術方式為椎間盤切除合併椎籠置入

手術，但術後常伴隨鄰近節退化之風險，

因此目前有人工椎間盤此種設計，本研究

希望探討對於多節段的頸椎退化性疾

病，如果採用人工椎間盤合併椎體間融合

器及鋼板可否減少鄰近節退化之情形。 二、研究動機與目的 隨著年齡的增長，經常會發生退化性

椎間盤疾病，並伴隨著椎間盤突出壓迫神

經引起疼痛。若保守治療無法減輕疼痛，

則以減壓手術治療，傳統的椎間盤減壓手

術容易引起椎間盤塌陷及脊椎不穩定的

情形，因此若脊椎有不穩定的情形需要搭

配內固定融合手術治療。傳統的內固定融

合手術常以骨釘或搭配椎籠固定，會有犧

牲活動度及使鄰近節容易退化的缺點，若

能配合不同的固定器使減壓手術後的椎

間盤更加穩定，是本研究欲探討的課題。

腰椎脊突間支架裝置於退化性腰椎疾病

之脊突間，也能達到神經減壓及固定的效

果，而椎間盤切除手術後置入椎籠可以維

持椎間盤的高度並提供脊椎前方的支

撐。因此，本研究欲探討退化性椎間盤疾

病伴隨椎間盤突出的病患經頸椎間椎板

部分切除（開窗）及椎間盤切除手術後，

於椎間盤置入椎籠或鋼板或人工椎間盤

是否可以增加脊椎的穩定度，及其對手術

節及鄰近椎節生物力學的影響。 三、材料參數

3.1 脊椎構造與材料參數 人體的脊椎是一複雜的結構，依位置

由上而下可分為頸椎 (cervical)、胸椎

(thoracic)、腰椎 (lumbar)、薦椎 (sacrum)以及尾椎(coccyx)，共有 33 塊脊椎骨，如

圖 1 所示。

‧椎體 椎體是由外層緻密的皮質骨(cortical bone) 及內部鬆散的海綿骨 (cancellous bone)所組成，如圖 2 所示。海綿骨由骨

小樑(trabecular bone)構成，因骨小樑間有

許多孔隙，類似海綿，故稱為海綿骨。 皮質骨是一薄層且強度高的骨頭，

Silva 等人 [1]曾在 1994 年以 X 光攝影測

量求得皮質骨及端板的平均厚度，皮質骨

約為 0.35 mm，端板則是 0.5 mm。皮質骨

的楊氏模數(Young’s Modulus)高達 12000 MPa，柏松比(Poisson’s ratio)為 0.3，本研

究使用楊氏係數 12000 MPa 及柏松比

0.3。 海綿骨勁度雖遠低於皮質骨，但具有

緩衝的能力，能吸收較多應變能(strain energy)，是一種非均質(nonhomogeneous)且異向性(anisotropic)材料，目前的研究多

以巨觀角度來看，視為均質等向性材料，

彈性模數約 100MPa，柏松比約為 0.2。 ‧椎間盤 椎間盤佔約整條脊柱高度的四分之

一，能夠減緩外力對脊椎的衝擊，並聯繫

上下椎體，使椎節間保有一定的活動度。

頸椎及腰椎有較大的活動度，因此這兩個

部位的椎間盤也比較厚，同時腰椎承受了

許多重量及有較高的活動度，因此腰椎第

四、第五節與腰椎第五節、薦椎之間的椎

間盤容易有病變發生。椎間盤可分為兩個

部分，中央為髓核(nucleus pulposus)，外

圍是纖維環(annulus fibrosus)，椎間盤結

構如圖 3 所示。除了承擔人體重量之外，

椎間盤最重要的功能是吸收震盪及壓

力，例如人體由高處墜落或肩、背、腰部

突然受力時可緩衝消散能量，避免過度的

變形，達到保護脊髓及腦部重要神經作

用。椎間盤本身為黏彈性材料，即楊氏係

數會隨著力量作用時間而改變，然而椎間

2014 SIMULIA Users Meetings 

盤同樣也會隨著年齡增長而退化 [2]。 ‧髓核 髓核位於椎間盤的中央，含水量約

為 70-90% [3]，為半透明且具有黏性的流

體膠狀物質，利用其半液體狀的特性，即

使上下椎體間呈傾斜狀，仍能使椎體表面

承受相同的力量，但含水量會隨著年齡增

長而下降，使得髓核的黏彈性質降低。正

常腰椎的髓核體積約佔整個椎間盤體積

的 30-50% [3]，成年後在下背的區域，髓

核的位置通常會偏後。脊椎有限元素分析

中，髓核的體積約佔椎間盤體積的 43% [3]，本研究也參考使用此數據。 髓核有不可壓縮性，即柏松比為

0.5，且強度極低，並非主要的受力構件，

但柏松比不能大於或等於 0.5，因此在有

限元素模擬中，時常採用 0.49 或是 0.499等非常接近 0.5 的數字來模擬髓核不可壓

縮的特性，而楊氏模數約介於 0.1~1 MPa間。 ‧纖維環 纖維環是由許多同心的疊層板

(laminate)組成，範圍從髓核週圍到椎間盤

的外表面，疊層板的內部包含了纖維組

織，且靠近椎間盤外圍的纖維環與前、後

縱韌帶緊密結合在一起，纖維以螺旋狀排

列，其方向大約和水平夾±30 度且內外交

錯排列，如圖 4 所示。 一般在纖維環的模擬上，採用兩種材

料性質，一為環狀的纖維組織，其作用主

要是承受力量，並圍束內部的髓核，本研

究以 6 層來模擬纖維層，另一種材料為將

纖 維 膠 結 住 的 基 材 物 質 (ground substance)，但基材物質能夠承受的力量很

低，通常以實體元素模擬。因纖維環的組

成類似於疊層的複合材料，所以本研究採

用疊層的複合材料來模擬纖維強度與方

向性，並採用薄殼元素，其材料性質設定

如表 1 所示。 ‧韌帶 脊椎骨周圍共有七條韌帶連接，分

別為前縱韌帶、後縱韌帶、黃韌帶、脊間

韌帶、脊上韌帶、小面囊狀韌帶、橫突間

韌帶，圖 5 所示為各種韌帶的位置。 韌帶為承受拉力而不能承受壓力的

組織，較恰當的模擬方式為將韌帶模擬為

非線性元素，以桁架元素(truss element)來模擬韌帶組織，限制其不能承受壓力。

由圖 6 可知，一般運動狀況下韌帶載重與

變形極限，因生理範圍內有中性區與彈性

區，故本研究主要是將韌帶的性質以雙線

性(bilinear)來模擬載重-變形曲線或應力-應變曲線，也就是同時考慮中性區與彈性

區的特性。 ‧小面關節 小面關節在生物力學上有其重要地

位，原因有二。一為小面關節可能是疼痛

的直接來源，二為小面關節可穩定脊椎並

束制其運動。 椎體本身主要承受壓力，剪力及扭矩

則由小面關節來承擔。Adams 等人[4]指出，站立姿勢時，小面關節只承受 16%的

壓力，Sharma 等人[5]則認為進行伸展動

作時，小面關節的負荷會增加到 39.7%，

若是進行扭轉動作時，甚至會提高至 59% [6]。小面關節的模擬較為不易，因此從前

的有限元素分析，不考慮小面關節的影

響，後來了解到小面關節的重要性後，以

接觸性質來模擬小面關節的力學行為，許

多文獻使用庫倫摩擦，設定摩擦係數為

0.1 來模擬，例如 Cheung [7]。 3.2 內固定器與材料參數 ‧人工椎間盤

本研究之人工椎間盤幾何外形參考

SYNTHES 公司之 Prodisc-C Nova 人工椎

間盤[8]，其外形如圖 7 所示，外形尺寸部

分，為求與現實符合，採用該公司所提供

之產品尺寸，但因人工椎間盤造價昂貴，

無法取得現實之產品量測其細部尺寸，因

此某部分細部尺寸自行假設，並且稍微簡

化其造型，上、下零件材料為鈦合金，楊

氏係數為 200GPa，柏松比為 0.3，中間較

具彈性核心部分為聚合物材質 UHMWPE (ultra-high molecular weight polyethylene)，楊氏係數為 2.4GPa，柏松

比為 0.3。以 SYMTHES 公司產品提供之

2014 SIMULIA Users Meetings 

說明文件[8]，用 3D 繪圖軟體繪製出幾何

外形，然後再匯入 Hypermesh 前處理軟

體，進行網格劃分，如圖 8，以及材料設

定，網格大小為 0.5 mm 至 1 mm。 ‧椎間融合器裝置

椎間融合器幾何外形參考 Stryker 公

司所生產之 Solis Peek Cage，產品實際圖

片如圖 9 所示，但椎間融合器因衛生需

求，拆封後必須立即使用，所以無法取得

產品量測其外形詳細尺寸，其材料為

PEEK(Polyether ether ketone)，楊氏係數為

3600MPa，柏松比 0.25，其網格劃分後之

圖片如圖 10 所示。網格大小為 0.5 mm。

四、退化性椎間盤疾病 人體的頸椎共有七節，用來連結頭部

與胸椎，雖然與胸腰椎負重程度有所差

別，但因頸椎仍須支持頭部重量，以及負

責頭部之活動度，容易產生退化性之疾病

[10]。 椎間盤為連接椎體的重要結構，能使

頸部可以做有限度的活動，也提供了緩衝

的功能。椎間盤退化性疾病是由於椎間盤

長期受到反覆性沉重負擔，而造成椎間盤

的磨損與退化現象，初期退化於髓核內，

椎間盤中心髓核部分因水分的喪失，變得

不再有彈性，也會使椎間盤變薄而縮小椎

體之間的距離，中期包覆在椎間盤外圍的

纖維環及端板變得較脆、易破裂，伴隨著

椎間盤突出、椎孔狹窄或退化性椎間滑脫

等症狀產生，椎間盤的改變會導致背部或

頸部疼痛或者是以下症狀[10]： 1.骨關節炎（Osteoarthritis）: 保護和緩衝

關節的組織（軟骨）損壞。 2.椎間盤突出（Herniated disc）: 椎間盤

異常隆起或裂開。 3.椎孔狹窄（Spinal stenosis）: 椎孔（持

有脊髓的脊柱內開放空間）狹窄。 五、研究方法 5.1 建立模型

關於脊椎之模型建立過程，首先是將

脊椎樣本模型進行電腦斷層掃描，得到切

片圖，其間格距離為 1 mm ，再以

3D-Doctor 醫學影像處理軟體，轉換得到

脊椎表面模型(~.stl 格式)，再將其幾何外

形匯入前處理軟體，本研究使用之前處理

軟體為 Hyper- Mesh，於前處理軟體中，

建立有限元素模型、調整網格品質、設定

材料性質、邊界條件、力量加載、接觸性

質等設定，完成後以~.inp 之格式匯出至

後處理軟體，也就是 Abaqus，利用 Abaqus CAE 之求解器(Solver)進行運算，最後分

析其結果，先前脊椎生物力學研究團隊，

是將~.stl 檔匯入 MSC.Patran 後，獲得由

三角形元素所組成之頸椎、胸椎、腰薦椎

表面模型，其外形輪廓與實際脊椎外形相

似，但還是必須檢查模型表面是否有重疊

或者沒有封閉的地方，必須使模型表面完

整且封閉。上述提及關於~.stl 格式檔案輸

入至 MSC.Patran 的性質，本研究是以生

物力學研究團隊先前之模型為基礎，以

~.inp 格 式 檔 案 匯 入 前 處 理 軟 體

Hypermesh，將模型重新進行網格劃分，

幾何之修整，模型中邊角中許多不規則與

錯亂的元素清理，藉由 Hypermesh 強大的

網格清理功能，將形狀不良之表面元素調

整，將整體模型網格品質優化。 5.2 收斂性分析 人體之頭重量約為 3~4 公斤，所以本

研究以人體頭之重量模擬自重進行收斂

性分析，於頸椎第二節左右平面施載共

30 牛頓之均佈力，並在頸椎第七節椎體

下方各節點設置固定端(X、Y、Z 軸位移

與轉角均為零)，如圖 11 所示，收斂性分

析本研究共做六組，各組合之資料如表 2所示。分析完各組組合後，由最大位移來

做為精確度評斷之標準，以元素大小

0.5~1.5 mm 此組合為參考基準(100%)，當

元素大小採用 0.5~1.75 mm 此組合時，其

精確度可達到 96.98%，而該組合所需耗

費之時間約 23 分鐘，考量模型的精確度

與衡量分析時間的狀況下，本研究元素大

小採用 0.5~1.75 mm 進行分析。 5.3 負載及邊界條件 本研究將頸椎活動分為四種動作：伸

展(extension)、前彎(flexion)、側彎(lateral

2014 SIMULIA Users Meetings 

bending)、扭轉(axial rotation)，將 2 N-m之彎矩平均施加於頸椎第三、四、五、六

節，每節各 0.5 N-m 之彎矩。 力量施加方式，將設計之 0.5N-m 之

力偶矩(couple moment)施加於各椎節，首

先在各椎節椎體上方、前後兩邊各選取

10 個相鄰節點，並求出此 10 個節點之形

心位置，接著量測形心與形心之間的距離

作為力臂，並求出每個節點之平均施加集

中力，如圖 12 所示。 六、結果與討論 本研究主要之研究方向為退化性椎

間盤經手術治療後對鄰近節之影響，於頸

椎第三四、四五、五六節椎間盤以人工椎

間盤、椎間融合器、鋼板三種手術治療裝

置搭配治療，希望能找出一組合不僅能夠

減少鄰近節之負擔，同時又能盡量保有健

康頸椎之活動度，本研究之分析組合如表

3 所示，有五大項，11 細項，本章節圖表

內各項代號所代表之意義說明於表 4。 6.1 椎間相對轉角 本節為將生物力學表現較佳之組合

互相比較，並且加入健康頸椎組合以及三

人工椎間盤組合(3AD)，試以此比較找出

於相對轉角部分生物力學表現良好之組

合，以供未來手術治療參考。如圖 13 以

及圖 14 所示，於上端鄰近節 C23 部分，

只要有人工椎間盤之組合，扭轉動作之相

對 轉 角 皆 會 偏 高 ， 尤 其 是

C56AD,C45C56Cage 此組合，四個動作

中，3CageC56plate 雖然此組合相對轉角

整體不會偏高，穩定性足夠，但不止於鄰

近節，於手術節部分活動度也是低於健康

頸椎組合，若以活動度觀點來看，此組合

可 能 不 合 適 。 整 體 來 說 ， 以

C34C56AD,C45Cage 及

C56AD,C45C56Cage 兩組合較佳，較接近

健康組合，但缺點就是於 C23 節扭轉相對

轉角偏高，過大的活動度，可能會對於頸

椎穩定性造成較嚴重影響。 6.2 von Mises 應力最大值比較 此小節將對生物力學表現較佳之組

合進行比較，並且加入 3AD 以及健康頸

椎組合，試圖找出應力部分對鄰近節影響

最小之組合。如圖 15 及圖 16 所示，C23節部分還是有前一小節所述之問題，也就

是扭轉動作鄰近節應力值偏高，其較低之

組合為 C34C56AD,C45Cage，而鋼板組合

則無此問題，但反觀 C67 節部分，有人工

椎間盤之組合可減少 C67 節之應力，減少

其負擔，而鋼板組合3CageC34plate於C67節應力值有偏高之情形，且鋼板組合之活

動度較低，綜合比較 C23 節及 C67 節應

力 最 大 值 ， 較 推 薦 之 組 合 為

C34C56AD,C45Cage 其 次 為

C56AD,C34C45Cage。 6.3 最大應變能密度比較 此小節將對生物力學表現較佳之組

合進行比較，並且加入 3AD 以及健康頸

椎(Healthy)兩組合，鄰近節應變能密度以

圖 17 及圖 18 所示，首先觀察此兩鄰近節

扭轉動作部分，可發現 3CageC34plate 組

合及健康頸椎皆是在 C67 節應變能密度

較高，C23 節較小，而有人工椎間盤之組

合則是相反，C23 節應變能密度較高，尤

其是三個人工椎間盤(3AD)，應變能密度

偏 高 。 四 個 運 動 動 作 下 ， 以

C34C56AD,C45Cage 此 組 合 以 及

3CageC34plate 此兩組合鄰近節應變能密

度較低，而這兩組合在扭轉動作下，對鄰

近節 C23 影響為一大一小，在 C67 節則

是相反，或許可以依照病患情況而選擇組

合。 6.4 小面關節比較

小面關節為頸椎重要之承載部位，於

本研究小面關節之部分是以庫倫磨擦的

方式模擬 [11]，以小面關節接觸壓力

(contact pressure)的最大值來做為評斷之

標準，評斷各組合在運動動作下，是否會

對小面關節產生不良之影響，由於小面關

節於前彎動作時，其功能可忽略，所以不

討論前彎動作。各組合接觸壓力以圖 19至圖 20 表示，如圖中所示，有人工椎間

盤之組合能夠降低小面關節之接觸壓

力，甚至接觸壓力能比健康頸椎組合還

低，而 3CageC34plate 組合於 C23 節接觸

2014 SIMULIA Users Meetings 

壓 力 有 偏 高 之 現 象 ， C34 節 C56 AD,C45C56 Cage 以及 C34C56AD, C45 Cage 兩 組 合 接 觸 壓 力 差 不 多 ， 但

C34C56AD, C45Cage 此組合接觸壓力普

遍較低。如圖 21 及 22 所示，在 C45 節部

分，C34AD, C45C56Cage、3CageC34plate以 及 健 康 頸 椎 組 合 相 差 不 多 ， 但

C34C56AD,C45Cage 以 及 C56AD, C34C45Cage 兩組合明顯小於其他組合，

在 C56 節部分，C34C56AD, C45Cage 除

了在伸展部分壓力值偏高之外，其餘動作

還 是 最 低 ， 所 以 整 體 來 說 還 是 以

C34C56AD, C45Cage 此組合對小面關節

之 壓 力 最 小 ， 其 次 為 C56AD, C34C45Cage。

七、結論與建議

經過比較各組合之相對轉角、最大

von Mises 應力、應變能密度以及小面關

節接觸壓力，此章節將總括描述生物力學

表現較佳之組合以及各組合對鄰近節造

成之影響。 相對轉角部分，人工椎間盤此裝置在

活動度之表現的確是優於其他組合，但經

過 4.2 節比較後發現，有人工椎間盤裝置

之組合，於 C23 節扭轉動作時，會有偏高

之相對轉角，但於 C67 節相反，健康頸椎

組合與鋼板固定組合扭轉動作相對轉角

是於 C23 節較低，C67 節較高，而有人工

椎間盤之組合則是相反，若是病患本身於

C23 節就有退化之情形，可能就不適合採

用人工椎間盤組合。鋼板固定組合雖然相

對轉角不會有偏高之情形，但由於以三節

段融合手術固定，加上雙節段鋼板固定，

使得整體頸椎活動度皆小於健康頸椎組

合，若是想要鋼板組合達到如健康頸椎組

合之活動度，那其上下鄰近節相對轉角會

增加，會導致鄰近節提早退化之問題。在

最大 von Mises 應力部分，以 3Cage C34plate 鄰近節椎間盤應力值最小，不過

此現象也是可想而知之結果，因鋼板以及

融合手術的三節段勁度較大，應力分佈於

此部分較多，自然鄰近節椎間盤應力值就

降低，而人工椎間盤之組合中，鄰近節應

力 普 遍 最 低 之 組 合 為 C34C56AD,

C45Cage，其次為 C56AD, C34C45Cage，其應力最大值通常是在纖維環外層之元

素。應變能密度整體之趨勢大概與相對轉

角相同，有人工椎間盤之組合在扭轉動作

時同樣有 C23 節應變能密度偏高之情

況，整體來說置入人工椎間盤後整體頸椎

活動度會增加，放置一個或兩個之生物力

學表現都在可接受之範圍，但如放置三個

人工椎間盤 (3AD) 則會造成鄰近節應

力、相對轉角偏高，對鄰近節會造成多餘

之負擔，所以不建議三人工椎間盤 (3AD) 之組合，有放置人工椎間盤之組合，如

4.5 節所示，比起三椎間融合器搭配鋼板

組合，人工椎間盤能夠達到減少小面關節

接觸壓力之效果，甚至在某些動作下，小

面關節接觸壓力比健康頸椎組合還小，這

也是人工椎間盤之特點之一。而三節段椎

間融合器搭配鋼板之組合，若以此裝置治

療，頸椎之穩定性得到很大的保障，但相

對地必須犧牲頸椎之活動度，此類組合於

C23 之活動度限制非常大，與健康頸椎相

差甚多，但此類型組合由於中間退化之三

節椎間盤受融合手術治療，勁度較高，受

承載時由此部分負擔較多，可減少鄰近節

之應力負擔，所以總括第四章之比較，對

鄰近節影響較小之組合為 3CageC34plate, C34C56AD, C45Cage 及 C56AD, C34C45 Cage 組合，此三組合為綜合比較相對轉

角、應力、應變能密度、接觸壓力後生物

力學表現較佳之組合，各組合各有優缺

點，或許可以依照各組合不同之特點，來

選擇治療組合。

八、參考文獻 [1] Silva M. J., Wang C., Keaveny T. M.

et al., Direct and Computed tomography Thickness Measurements of The Human, Lumbar Vertebral Shell and Endplate, Bone, Vol. 15, No. 4, pp. 409-414, 2004.

[2] Natarajan R. N., and Andersson G. B. J., Modeling The Annular Incision in a Herniated Lumbar Intervertebral Disk to Study Its Effect on Disk Stability, Computers & Structures, Vol. 64, No. 5-6, pp. 1291-1297, Sep, 1997.

[3] A. Polikeit, S. J. Ferguson, L. P. Nolte et al., Factors Influencing Stresses in the

2014 SIMULIA Users Meetings 

Lumbar Spine after the Insertion of Intervertebral Cages: Finite Element Analysis, European Spine Journal, Vol. 12, No. 4, pp. 413-420, Aug, 2003.

[4] Adams M. A., and Hutton W. C., The Effect of Posture on the Role of the Apophyseal Joints in Resisting Interverterral Compressive Forces, Journal of Bone and Joint Surgery-British Volume, Vol. 62, No. 3, pp. 358-362, 1980.

[5] Sharma M., Langrana N. A., and Rodriguez J., Role of Ligaments and Facets in Lumbar Spinal Stability, Spine, Vol. 20, No. 8, pp. 887-900, Apr, 1995.

[6] Sharma M., Langrana N. A., and Rodriguez J., Modeling of facet articulation as a nonlinear moving contact problem: Sensitivity study on lumbar facet response, Journal of Biomechanical Engineering- Transactions of the Asme, Vol. 120, No. 1, pp. 118-125, Feb, 1998.

[7] Cheung, J. T.-M., Zhang, M., Chow, and D.H.-K., Biomechanical responses of the intervertebral joints to static and vibrational loading: a finite element study, Clinical Biomechanics, Vol. 18, pp. 790–799, 2003.

[8] www.synthesprodisc.com, Prodisc-C Nova. Cervical disc prosthesis to restore disc height and maintain segmental motion. Technique Guide.

[9] Stryker-Solis-Peek-cage,http://www. stryker.com/emea/Products/Spine/Cervical/SolisPEEK/index.htm

[10] 骨科主任醫師，陳榮貴，腰椎椎間

盤退化性背痛(Discogenic Back Pain)介紹.

[11] Polikeit A., Finite Element Analyses of the Lumbar Spine : Clinical Applications, 2002.

九、表格

表 1 纖維環材料參數

E11 E22 ν

AnuFibLam_Inside_i 360

4.2 0.45

AnuFibLam_Inside_m 385

AnuFibLam_Inside_o 420

AnuFibLam_Outside_i 440

AnuFibLam_Outside_m 495

AnuFibLam_Outside_o 550

表 2 收斂性分析

元素 大小 (mm)

最大

位移

(mm)Time

元素 數目

精確

度 (%)

0.5~1.5 5.2693hr

39sec263379 100

0.5~1.75 5.11023min

17sec222788 96.98

1~2 5.06116min

41sec208230 96.05

1.25~2 5.00816min

47sec175942 95.04

1.5~2.25 4.92215min

23sec155899 93.41

1.75~2.5 3.09712min

30sec136353 73.80

2014 SIMULIA Users Meetings 

表 3 分析組合表

表 4 各項代號定義

代號 注釋

EXT Extension，伸展

動作

FLEX Flexion，前彎動

作

LAT Lateral Bending，側彎動

作

ROT Axial Rotation，扭轉動作

C34 頸椎第三四節椎

間盤，其餘類推

AD Artificial Disc，人

工椎間盤

Cage 椎間融合器

plate 頸椎前側固定鋼

板

C34AD,C45C56Cage

頸椎第三四節以

人 工 椎 間 盤 治

療，四五、五六

節以椎間融合器

治療，其餘類推

C34C45AD,C56Cage

頸椎第三四、四

五節以人工椎間

盤治療，五六節

以椎間融合器治

療，其餘類推

3AD

頸椎第三四、四

五、五六節椎間

盤以人工椎間盤

治療。

3CageC34plate

頸椎第三四、四

五、五六節椎間

盤以椎間融合器

治療，並於三四

節 施 加 鋼 板 固

定，其餘類推

名稱(大項) 組合代號

一、Healthy (健康組合)

Heathy

二、3Cage+1plate(3 節椎間盤 Cage治療且加一鋼板

固定)

3CageC34plate

3CageC45plate

3CageC56plate

三、1AD+2Cage (一人工椎間盤搭

配兩椎間融合器)

C34AD,C45C56Cage

C45AD,C34C56Cage

C56AD,C34C45Cage

四、2AD+1Cage (兩人工椎間盤搭

配一椎間融合器)

C45C56AD,C34Cage

C34C56AD,C45Cage

C34C45AD,C56Cage

五、3AD (三個人工椎間盤

治療) 3AD

2014 SIMULIA Users Meetings 

十、圖片

圖 1 人體脊椎結構圖

圖 2 脊椎斷面圖

圖 3 椎間盤構造

圖 4 纖維環的纖維方向示意圖

圖 5 脊椎各韌帶位置示意圖

圖 6 韌帶的應力-應變曲線

圖 7 Prodisc-C Nova 產品圖片[8]

2014 SIMULIA Users Meetings 

圖 8 人工椎間盤網格劃分示意圖

圖9 椎間融合器[9]

圖 10 椎間融合器網格劃分示意圖

圖 11 收斂性分析力量加載圖

圖 12 力量加載示意圖(前彎動作)

圖 13 C23 相對轉角(綜合比較)

圖 14 C67 相對轉角(綜合比較)

圖 15 C23最大 von Mises應力(綜合比較)

2014 SIMULIA Users Meetings 

圖 16 C67 最大 von Mises 應力(綜合比

較)

圖 17 C23 應變能密度(綜合比較)

圖 18 C67 應變能密度(綜合比較)

圖 19 C23 節接觸壓力最大值

圖 20 C34 節接觸壓力最大值

圖 21 C45 節接觸壓力最大值

圖 22 C56 節接觸壓力最大值