背景随着现代化社会进程,特别是交通业和建筑业空前发展和人们生活观念的改变,腰椎疾患的发病率逐年上升,病种也日趋复杂,使脊柱外科面临新的挑战,迫切需求对其进行深入研究。腰椎是脊柱中重要的解剖结构,不仅承受较大载荷,而且具有一定范围的生理活动度,在复杂受力的条件下,腰椎极易出现退变导致损伤性疾病。因此,对腰椎解剖、生物力学和损伤机制的研究越来越受到临床医生的关注。腰椎生物力学研究是人体生物力学研究中的重要组成部分。许多研究者指出生物力学因素在探求腰椎疾患的病因机制、治疗和预防等方面起到重要的作用。以往对腰椎的生物力学研究多采用传统实验生物力学测试的手段,但是由于使用这种方法耗资巨大,实验手段复杂,对于多种载荷下工况的模拟则耗费时间长,效率低,同时也存在无法准确反映出模型在各种工况下其内部的生物力学特性。近年来,随着计算机技术和数字化技术的进步,研究者开始把数值计算的方法应用到生物力学的研究中,即以传统的力学分析理论为基础,应用有限元方法(finite element method, FEM)等数值计算的方法,通过进行非线性和线性的应力和变形进行分析,以求解决传统实验生物力学测试所存在的不足。利用FEM仿真模拟出各种脊柱疾患,从而使得对脊柱的骨骼几何结构、边界条件和材料的不均匀性等问题的生物力学研究有了可能。FEM具备强大的建模功能,能够在动静两种状态下对复杂的几何形状、材料参数和不同受力条件下的物体进行模拟仿真研究,并正在越来越多的被应用于人体生物力学中。而人体的腰椎骨关节、韧带等结构复杂,各种组织有各自的属性特点和参数,因而在进行有限元建模时工作量较大,相对于其他大关节研究难度更大。现有文献报道的各种腰椎有限元模型,大部分的结构建立不够完善,无法用于长节段腰椎生物力学相关的研究。在总结以往研究的基础之上,本我们对腰椎有限元模型的构建方法进行了有效的探索,构建出解剖结构比较精细的正常L3-S1的有限元模型,分别在模型中模拟行Dynesys动态中和内固定系统、ISOBAR TTL半坚强动态内固定系统及USS传统坚强内固定系统,比较三种动态内固定系统与传统坚强内固定系统在生物力学上的差异以及三种动态内固定系统之间在生物力学上的差异。并对应用两种弹性内固定系统的患者进行随访,观察评价疗效,以期为腰椎后路动态内固定技术的临床应用提供实验基础和理论依据,评价其应用前景。目的1.依据1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT扫描的腰椎影像学资料,探讨利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0、HyperMesh10.0和Abaqus6.8等软件构建出解剖结构精细的正常腰椎(L3-S1)三维有限元模型的方法,并对其进行有效性验证,使其能反映正常腰椎(L3-S1)的生物力学特性。施加相同的载荷和扭矩,2.根据所建立的正常腰椎(L3-S1)的三维有限元模型,根据USS坚强内固定系统、ISOBAR TTL半坚强内固定系统和DYNESYS动态中和内固定系统技术要求,重建三种术后腰椎模型有限元模型。施加相同的载荷和扭矩,比较各运动工况下椎间活动度、邻段椎间盘应力、三种内固定系统应力分布及应力峰值。3. IsobarTTL内固定系统以及Dynesys内固定系统治疗的腰椎退行性疾病(腰椎退行性滑脱、腰椎管狭窄、腰椎间盘突出),经临床随访,对其进行疗效与影像学分析。方法1.选择一位26岁正常男性,身高177cm,体重75kg,采用0.625mm薄层CT扫描,利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0软件对扫描成像图片进行筛选、预处理、提取边界坐标生成表面三维图像和三维实体模型,然后通过HyperMesh10.0软件将此实体模型进行网格化,再导入Abaqus6.8软件构建出正常人下腰椎(L3-S1)三维有限元模型。设定完边界后,对模型施加150N预载荷及10Nm纯力矩,使模型可以模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,计算出各种工况下的椎间活动度,与Yamamoto的尸体标本生物力学实验结果进行比较,以验证模型的有效性。2.在正常人L3-S1三维有限元模型基础上,模拟L4-L5腰椎后路减压、椎弓根内固定术,重建L3-S1内固定模型。利用逆向工程软件Geomagic studio10.0的建模功能,绘制连接棒、腰椎的实体模型。将腰椎后路钉棒系统各部件模型导入HyperMesh10.0,参照后路不同内固定系统(USS、ISOBAR TTL、 DYNESYS)的手术固定方式,对内固定系统的每一部件进行可视化调整,完成空间位置装配。导入Abaqus6.8软件,并根据三种内固定系统对椎间融合术的需求进行椎间融合设定,完成三种腰椎后路内固定系统术后重建的三维模型。对模型施加150N预载荷及10Nm力矩,使其模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,分别记录各种模型不同工况下椎间活动度、邻段椎间盘应力、三种内固定系统应力分布及应力峰值。3.自2007年至2012年来自广东、广西、江苏等多中心的临床数据,对分别使用IsobarTTL内固定系统以及Dynesys内固定系统治疗的腰椎退行性疾病(腰椎退行性滑脱、腰椎管狭窄、腰椎间盘突出)100例,通过日本矫外科协会下腰痛功能评分(JOA评分)来评价临床效果,并对腰椎活动度变化的情况进行影像学测量评价。结果1.建立了正常腰椎L3-S1三维有限元模型,包括32,341单元和162,044节点。模拟加载的作用下,对模型进行前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转作用下的各椎间活动度进行测定,并与其他作者实测法所得的各椎间活动度进行比较,结果表明本模型在不同工况下的各椎间活动度,与Yamamoto实验实测法所得的结果是吻合的。因此,可以认为本模型是有效的,可以进一步用于临床和实验研究。2.在各加载模式下,三种内固定系统应力均主要分布在螺钉钉身处,应力峰值主要集中在螺钉中部。不同内固定系统应力峰值有差异,但应力峰值均不超过100MPa。三种内固定系统重建后,IsobarTTL半坚强内固定系统和Dynesys动态中和内固定系统在各工况下的下腰椎整体活动度与正常模型无明显差异,而USS内固定系统的整体活动明显下降,在屈伸工况下最为明显。内固定重建后邻段节段的椎间盘应力均有不同程度的增加,其中USS系统增幅最大,Dynesys系统增幅最小。结论1.本实验构建出了正常L3-Sl的三维有限元模型,包括L3-Sl腰椎椎体皮质骨和松质骨、腰椎椎间盘中的纤维环和髓核、上下终板、双侧关节突关节、椎板、椎弓根、横突、棘突、主要韧带(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带和关节囊韧带)。将该三维有限元模型在前屈后伸、左右侧屈、左右旋转的各种工况下的腰椎椎间活动范围与国外相关文献资料一致,验证了模型的有效性,可进行下一步的生物力学实验研究。2.三种内固定系统椎弓根钉应力分布主要集中在螺钉中部。而不同内固定系统应力峰值有差异,但均低于钛合金屈服强度,无明显断钉风险。三种内固定系统重建后,IsobarTTL半坚强内固定系统和Dynesys动态中和内固定系统在各工况下的下腰椎整体活动度与正常模型无明显差异,而USS内固定系统的整体活动明显下降,在屈伸工况下最为明显。内固定重建后邻段节段的椎间盘应力均有不同程度的改变,其中USS系统对邻段椎间盘影响最大,Dynesys对邻段椎间盘影响最小。因此,我们认为2种动态内固定系统IsobarTTL和Dynesys均能有效的维持术后腰椎活动度,同时Dynesys系统能更有效的避免邻段退变的发生。3.结合临床疗效及影像学随访观察,Dynesys动态内固定系统与术前活动度有改善,而Isobar TTL动态内固定系统与术前活动度比较有轻度下降。两种弹性内固定系统在治疗腰椎退行性病变的JOA评分在随访期间较术前均有改善,随访期内疗效满意,是治疗腰椎退行性病变的一种有效的非融合、动态稳定方法。主要创新点1.建立了几何相似度较高的腰椎(L3-S1)有限元模型。相比以往模型,网格划分更加细密,包括32,341单元和162,节点。2.首次运用有限元方法建立了腰椎(L3-S1),并运用了三种不同内固定系统(USS、ISOBAR TTL、DYNESYS)模拟L4-L5腰椎后路减压、椎弓根内固定术,重建L3-S1内固定模型。利用模型分析重建后不同工况下椎间活动度、邻段椎间盘应力、三种内固定系统应力分布及应力峰值。研究结果表明：1.不同内固定系统应力峰值有差异,但均低于钛合金屈服强度,无明显断钉风险；2. IsobarTTL半坚强内固定系统和Dynesys动态中和内固定系统在各工况下的下腰椎整体活动度与正常模型无明显差异,而USS内固定系统的整体活动明显下降,在屈伸工况下最为明显；3.内固定重建后邻段节段的椎间盘应力均有不同程度的改变,其中USS系统对邻段椎间盘影响最大,Dynesys对邻段椎间盘影响最小。3.对IsobarTTL半坚强内固定系统和Dynesys动态中和内固定系统进行临床疗效及影像学随访观察,结果显示：两种内固定治疗腰椎退行性病变的短期疗效满意,并能一定程度维持整体活动度及防止邻近节段退变,是一种有效的非融合、动态稳定方法。