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颈椎前路减压手术是临床脊髓型颈椎病和神经根型颈椎病治疗的重要手段,主要包括颈椎前路减压椎体间植骨融合术(Anterior cervical discectomy and fusion,ACDF)和人工椎间盘置换术两种。颈椎前路减压椎体间植骨融合术能较好地解除脊髓与神经根的受压,稳定病变颈椎,手术效果良好,但术后相邻节段椎体的继发性退变和不稳定性,影响远期疗效。新型的人工椎间盘置换术能恢复椎体活动度,降低邻近节段退变,但临床应用时间较短,且缺少假体置换后颈椎生物力学特性方面的研究。因此,两种手术方式下颈椎生物力学特性与植入物力学性能的理论分析和研究,具有一定临床应用价值,已成为研究的焦点和热点。本文基于CT数据结合图像处理软件,建立下颈椎完整的无损三维有限元模型和颈椎前路减压椎体间植骨融合与人工椎间盘置换两种手术的术式模型,模型包括皮质骨、松质骨、后方骨性单元、纤维环基质、胶原纤维、髓核、软骨终板、五种韧带等椎体结构。运用有限元方法,对无损模型及手术模型施加六个方向的扭矩载荷,比较分析各模型在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下,下颈椎的活动度、椎间盘应力、韧带张力的生物力学特性以及植入器械的力学性能。主要研究内容及结果:1)基于CT图像数据,根据“网格包络”思想进行颈椎C4/C6网格划分,利用三维重建软件建立完整的下颈椎C4/C6非线性三维有限元模型,模型计算结果与离体实验和有限元结果对比分析,验证模型的可靠性。2)根据临床前路减压椎体间植骨融合术和人工颈椎间盘置换术两种手术方式,建立三种ProDisc-C、DISCOVER、自体髂骨融合置换C5/C6椎间盘的三维有限元模型,探讨两种手术方式下颈椎生物力学特性的变化与植入物力学性能的影响,获得植骨融合术后手术节段较正常模型ROM明显减小,人工椎间盘置换术可保证相邻节段椎体的正常活动范围,缓解节段退化的结论。分析和评价两种不同人工椎间盘置换后下颈椎稳定性以及植入假体磨损与沉降的力学机制,从而为人工椎间盘的优化设计和颈椎前路减压手术的临床研究提供理论依据,进一步提高临床治疗效果。