1、隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們的生活習(xí)慣和工作方式產(chǎn)生了很大的變化?！熬米笔寡甸L期處在固定的受力狀態(tài)，像如建筑業(yè)，交通業(yè)等特殊行業(yè)的創(chuàng)傷所導(dǎo)致的腰椎骨折等，這些問題都致使腰椎疾病的種類和患者數(shù)量日益增加，并呈現(xiàn)低齡化趨勢。為了治療這類復(fù)雜疾病，對它的基礎(chǔ)研究就勢在必行。腰椎是脊柱中的主要承重部位，應(yīng)力條件復(fù)雜，因此易出現(xiàn)由退行性變而引起的一些疾病，這就使對腰椎的生物力學(xué)分析成為許多研究者關(guān)注的熱點和重點問題。本課題的研究目的就是分析腰椎的

2、生物力學(xué)特性，使骨科醫(yī)生對不同的腰椎疾病能作出更加準(zhǔn)確，高效的判斷，輔助其制定合理的手術(shù)方案，切實解除病人的痛苦。本文綜合了多種研究方法，通過理論分析，有限元仿真和人體腰椎生物力學(xué)實驗測試，對腰椎相關(guān)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，為腰椎力學(xué)特性的進(jìn)一步探索及相關(guān)疾病的臨床診斷打下堅實基礎(chǔ)。
　　在理論分析方面，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，開發(fā)了脊柱韌帶的各向異性粘超彈性本構(gòu)模型。該本構(gòu)模型把應(yīng)變能函數(shù)分為超彈性部分和粘彈性部分，并通過相應(yīng)的應(yīng)變

3、和應(yīng)變率不變量來表征?？紤]到韌帶的生理解剖結(jié)構(gòu)和變形特點，超彈性應(yīng)變能函數(shù)按照能量的來源進(jìn)一步分為來自基體變形能和纖維拉伸能；粘彈性應(yīng)變能函數(shù)的能量來源則主要來自基體和纖維所表現(xiàn)出的粘彈性性質(zhì)。所假設(shè)的粘超彈性應(yīng)變能函數(shù)總共包含6個與材料相關(guān)的參數(shù)，并根據(jù)其特點確定了相應(yīng)的計算步驟。以準(zhǔn)靜態(tài)和中等應(yīng)變率的單軸拉伸實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對本構(gòu)模型中的參數(shù)進(jìn)行了確定，對高應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測，并將其應(yīng)用到5種主要的韌帶中。計算結(jié)果表明該本

4、構(gòu)模型可以準(zhǔn)確反映韌帶在不同應(yīng)變率下的生物力學(xué)性質(zhì)。
　　在有限元仿真方面，基于正常人體腰椎的CT掃描圖像，通過MIMICS軟件獲得了腰椎L3-L5節(jié)段的幾何輪廓曲面，利用HYPERMESH劃分了三維有限元網(wǎng)格，最后在ABAQUS軟件中添加邊界條件進(jìn)行分析計算。根據(jù)ABAQUS軟件平臺提供的用戶自定義材料子程序UANISOHYPER_INV編譯了椎間盤和韌帶的本構(gòu)模型；根據(jù)CT圖像與骨彈性模量的關(guān)系確定了骨結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)，然后通過

5、施加位移和載荷邊界條件模擬了前屈、后伸、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)四種腰椎的正常生理運(yùn)動，從活動度和椎間盤內(nèi)部壓力兩方面驗證了模型的有效性。
　　由于骨盆在腰椎節(jié)段代償過程中起到了極其重要的作用，其中一個主要體現(xiàn)就是通過骶骨傾斜角的變化來維持人體在矢狀面的平衡。因此在上述L3-L5有限元模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了三種不同骶骨傾斜角的有限元模型，分析了正常結(jié)構(gòu)中由于骶骨傾斜角不同而引起的腰椎節(jié)段生物力學(xué)的差異。研究結(jié)果表明，下腰椎的活動度和應(yīng)力分布

6、會隨著骶骨傾斜角不同而產(chǎn)生變化。此后，在正常腰椎模型的基礎(chǔ)上，對于常見的下腰椎不穩(wěn)的臨床治療方法進(jìn)行模擬，植入了 PEEK材料的融合器，同時采用了椎弓根釘-棒系統(tǒng)的單邊經(jīng)椎間孔腰椎椎體間融合術(shù)（Transforaminal Lumbar Interbody Fusion，TLIF），詳細(xì)分析了不同融合器植入角度后腰椎部位在四種生理運(yùn)動中椎骨，髓核，終板，纖維環(huán)，融合器及椎弓根釘-棒系統(tǒng)上的應(yīng)力分布及幅值變化規(guī)律。
　　在人體腰椎體

7、外生物力學(xué)實驗測試方面，分別對完整模型，破壞L3-L4節(jié)段左側(cè)的關(guān)節(jié)囊和超過50%的椎間關(guān)節(jié)，人為制造出的下腰椎不穩(wěn)模型和對采用TLIF術(shù)式的單邊固定融合模型進(jìn)行測試，獲得了活動度的變化規(guī)律。同時，通過實驗的方法測得了三種不同融合器植入角度對腰椎結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，并與有限元結(jié)果相對比。綜合考慮腰椎的矢狀面和冠狀面的平衡以及應(yīng)力大小及分布特點，當(dāng)融合器呈45°植入時，優(yōu)于其它兩種方法。
　　本文所建立的腰椎三維有限元研究也可以用來