前方入路手术在近年来越来越多地被用于颈、腰椎退行性疾病的治疗中,因其在降低手术风险,减少并发症,有助于加速康复,以及其内固定理念在维持颈、腰椎前凸方面的优势,被越来越多的临床医生所采用,与此同时,更符合前方入路手术以及颈、腰椎解剖特点的内植物也大量出现;采用了此类理念的内植物在国人颈、腰椎部位的临床应用已经取得了良好的疗效,而对于其设计,仍然存在可进行继续优化的方面:首先,多数国内投入临床使用的解剖型椎间融合器,在设计过程中借鉴了欧美人群的解剖参数设置,如直接用于国人,则可能存在内植物与颈、腰椎终板匹配度欠佳的问题,从而影响内植物的生物力学特性,进而影响其临床疗效;其次,原有的颈、腰终板形态研究主要集中于正中矢状面等少数几个平面的参数测量,所获得的的终板形状信息较为局限,需要更充分的数据来表达终板形状。本研究的目的主要为通过基于解剖标记点建立的多个参考平面,对颈、腰椎椎体表面进行精确的区域划分,获得稳定的测量区域,用以对不同性别、节段颈、腰椎终板的进行形状分析;建立中、下段颈椎以及腰椎终板的平均形状模型,并加以验证;在终板平均模型的基础上,设计颈、腰椎椎间融合器并进行验证。第一部分 中下段颈椎终板的形状统计与平均模型的建立[目的]通过选择相应的形状表达形式,通过参数测量获得成年中国人中、下段（C3-7）颈椎终板的解剖学特征,对其形状变化进行统计学分析,对比中下段颈椎终板形状在不同侧别、性别、节段间的变化规律;建立中下段颈椎终板的平均模型,并对其进行验证。[方法]中下段颈椎终板形状统计:获取56例正常成年中国人颈椎CT数据,利用Mimics 20.0软件分节段重建出C3-7的椎体表面模型,使用工程软件3-Matics 12.0在每个椎体上建立6个参考平面,分别为正中矢状面,左、右1/4旁矢状面,正中冠状面,前、后1/4冠状面,通过将参考平面与椎体表面相交,获得位于上述平面的曲线后,将其导入三维曲线处理软件Rhinoceros 6.0,对上述6个平面上曲线进行参数测量,获得终板的宽度,深度以及曲线拟合圆弧角度等参数,并通过参数比值获得次级参数,用于描述终板局部形状变化;对不同侧别、性别、节段的终板参数进行统计学分析,比较其形状变化。中下段颈椎终板的平均曲线模型的建立与验证:将椎体三维表面模型导入工程软件3-matics 12.0,建立正中矢状面,正中冠状面以及正中横截面3个参考平面,通过三平面相交,建立椎体坐标系;通过此前的使用的方法,分别建立上下终板的正中矢状面,左、右1/4旁矢状面,正中冠状面,前、后1/4冠状面曲线,导入到软件Rhinoceros 6.0中,利用此椎体坐标系将不同个体的曲线在空间内进行对齐,对曲线进行修剪、改建后,分别生成上下终板的平均曲线;对不同节段的终板平均曲线进行参数测量,同上一部分终板参数测量的结果进行比较,用于验证终板平均曲线的有效性;[结果]男、女之间的1/4矢状面与正中矢状面深度的比值与1/4冠状面与正中冠状面宽度的比值在多数比较中无统计学差异;C3-7节段1/4矢状面与正中矢状面深度的比值与1/4冠状面与正中冠状面宽度的比值,以及C3-6椎体间的1/4矢状面与正中矢状面深度的比值与1/4冠状面与正中冠状面宽度的比值无统计学差异（P＞0.05）;C7与C3、C4、C5、C6椎体间的1/4矢状面与正中矢状面深度的比值与1/4冠状面与正中冠状面宽度的比值存在统计学差异（P＜0.05）。平均终板曲线的测量值与形状统计结果的均值接近,并且变化趋势相近。[结论]结论:1.通过求取平均曲线的方法,成功建立C3-C7椎体的上下终板的平均曲线模型;2.男女性C3-C7椎体的上下终板的形状无明显差异;中国人群C3-C6椎体间的上下终板的形状无明显差异;C7与C3、C4、C5、C6椎体间终板形状存在差异。第二部分 基于平均终板模型的椎间融合器的设计与验证[目的]基于上一部分研究获得的C3-C7椎体终板的平均曲线模型,以及测量的C3-C7椎体的终板前后深度与左右宽度,设计解剖型颈椎椎间融合器,并通过尸体颈椎匹配度试验与有限元分析,对融合器进行验证。[方法]采用自颈椎终板平均曲线拟合而成的曲面作为椎间融合器与上、下终板交界界面,参考某投入临床使用的颈椎椎间融合器的高度参数作为融合器高度,并设定7°作为前凸角度;足印边界则根据平均曲线模型的钩突基底部作为左右边界,以终板中2/3作为前后边界,设计结果以STL格式导出;通过尸体颈椎匹配度试验与有限元试验,对椎间融合器进行验证,将四种不同椎间融合器进行比较,分别为基于分阶段终板平均曲线模型设计的椎间融合器,基于颈3-7节段终板平均曲线模型设计的椎间融合器,并将某型号投入临床使用的颈前路椎间融合器与基于尸体颈椎终板解剖特征设计的个性化椎间融合器作为对照,将椎间融合器并使用光固化成型技术进行3D打印,并进行表面预处理,使之边界在X线显影;将处理后的椎间融合器植入尸体颈椎相应节段,进行CT检查后,导入软件Mimics 20.0进行剩余面积测量,评估融合器与终板匹配度;建立颈椎C5-6椎间盘切除有限元模型,模拟椎间融合器植入后在前屈、后伸、侧屈以及旋转状态下的应力分布,对四种椎间融合器进行对比分析。[结果]匹配度试验结果提示:基于个性化设计,基于分节段平均曲线模型以及基于所有节段颈椎终板平均曲线模型设计的椎间融合器剩余面积明显小于临床使用的解剖型融合器;而基于分节段平均曲线模型以及基于所有节段颈椎终板平均曲线模型设计的椎间融合器则无明显差异,二者均大于个性化椎间融合器;C5-6节段有限元分析结果提示基于个性化设计与基于终板平均曲线模型所设计的椎间融合器应力分布更均匀;[结论]基于椎体终板平均模型设计的椎间融合器,与现有投入临床应用的颈椎椎间融合器相比,在颈椎节段屈、伸活动过程中,终板应力分布更加平均。第三部分 腰骶部终板形状分析与平均模型的建立[目的]通过对腰骶部（L1-S1）终板进行形状统计,比较不同侧别、性别、节段之间腰骶部终板的形状异同;建立腰骶部终板平均曲线模型,并通过参数测量值对其进行验证;[方法]共计47例符合纳入标准的成人腰椎CT扫描数据纳入本部分研究,其中男24,女23例,数据包括完整的腰骶部（L1-S1）资料;基于CT值利用三维建模软件Mimics 20.0对腰椎椎体进行分割重建,建立单个椎体的三维表面模型;将三维表面模型导入工程软件3-Matics 12.0,通过点标记,分别在上、下终板建立6个参考平面,包括正中矢状面、左右1/4旁矢状面,正中冠状面,前、后1/4冠状面,通过参考平面与椎体表面相交,生成相应曲线,将曲线导入软件Rhinoceros 6.0,在空间内对齐并进行相应平面的参数测量,并将通过测量获得的部分参数的比值,作为次级数据用于终板局部的形状表达;将数据导入统计学软件Prism 9.0,对测量所获得参数及次级参数进行统计学分析,比较不同侧别、性别、节段之间的异同点,分析形状变化趋势;通过三平面（正中矢状面、正中冠状面、正中横截面）交叉,建立椎体坐标系;将不同椎体的上下终板曲线导入软件Rhinoceros 6.0,通过椎体坐标系进行空间对齐,对曲线进行修剪与改建,并生成平均曲线;采用参数测量的结果验证平均曲线;[结果]终板矢状面深度在L1-3节段逐渐增加,在L3节段达到最高,而后自L4-S1逐渐下降;终板冠状面宽度在L1-4节段无明显差异,L5上、下终板宽度明显高于其余节段;下终板宽度与深度在L1-4节段高于上终板,在L5节段则低于下终板;次级参数分析结果提示,L1-3前1/4冠状面与正中冠状面比值无明显差异,在L4-5中则有所升高;后1/4冠状面与正中冠状面,左、右1/4矢状面与正中矢状面的比值在各节段终板中无明显差异;冠状面宽度与矢状面深度的比值在L1-3节段无明显差异,自L4至L5节段则逐渐升高;终板宽度与深度参数测量值男性略大于女性,但在多数比较中,二者无明显统计学差异,终板凹陷圆弧拟合角度对比,男女无明显统计学差异;双侧的终板圆弧凹陷角度以及终板宽度与深度比较,无明显差异;平均模型终板测量值与参数测量均值无明显差异,二者变化趋势相近;[结论]1.成功建立腰1-骶1终板表面曲线模型;2.腰骶部终板左右两侧对称;男女腰骶部终板形状无明显差异;L3终板前后深度最大,L5左右宽度最大。第四部分 腰椎前路椎间融合器的设计与生物力学测试[目的]基于平均终板曲线模型设计用于腰3-4节段前路椎间融合手术所使用的自锁型椎间融合器,并通过模拟小牛腰3-4节段的椎间融合手术,进行生物力学测试。[方法]基于47例成人腰、骶部CT数据,建立人体腰3-4终板平均模型,作为椎间融合器-终板界面部分的形状参考;基于形状统计结果设定椎间融合器足印边界;采用投入临床应用的椎间融合器的椎间高度,前凸角度,设计出腰3-4自锁型前外侧椎间融合器,并对设计出的椎间融合器进行金属3D打印;建立小牛腰椎L3-4椎间盘切除椎间融合模型,采用传统钉棒系统与前路融合器植入作为对照组;观察其在屈、伸、侧屈、旋转运动状态下的活动范围;[结果]使用基于形状统计设计的腰3-4椎体椎间融合器在活动范围方面与传统钉棒固定相比较无明显差异;[结论]基于L3-4终板平均模型设计的前路自锁型椎间融合器,应用金属3D打印技术进行制造,并在小牛相应椎间节段成功装配,生物力学试验提示其有效。