脊柱作为人体骨骼的重要组成部分,在维持人的正常生理形态、承受各种载荷、保护神经中枢、保持各种运动姿态等方面,均发挥着重要的力学作用。脊柱的重要性以及脊柱病的多样性和高发病率,脊柱生物力学研究一直是当代学者们的研究热点之一。本文针对脊柱结构的强非线性功能运动展开研究,围绕脊柱结构的材料及接触非线性,重点解决静/动态载荷下脊柱结构物理模型的参数优化和模型验证。全文共分为三部分:第一部分为脊柱有限元模型的初步建立阶段。基于CT扫描数据、文献调研、动物解剖实验等研究,建立腰椎L4-L5有限元模型。分析有限元模型在前后屈伸、轴向扭转、侧向弯曲和轴向拉压运动下的应力应变情况,并通过灵敏度分析得到脊柱的关键结构。第二部分为模型的完善验证阶段。首先进行了脊柱力学实验,分析脊柱关键结构参数在前后屈伸、侧向弯曲和轴向扭转工况下的灵敏度,然后根据灵敏度分析结果对相关参数进行调整和优化,选择系统相对误差最小时的参数作为最终获取的力学参数。最后在考虑模型的抗压刚度的情况下,对模型进行了优化及完善。第三部分为模型的扩展及其初步的临床试用。建立全腰椎L1-L5、骶骨、髋骨及耻骨的有限元模型,进行了正常脊柱在重力作用下和骨质疏松模型的力学评估,椎间盘切除术及内固定模型的生物力学分析。