研究背景：椎间盘退变的外科治疗中，椎间盘摘除及椎间融合都会改变脊柱的生物力学特性，导致相关并发症增加，可引发周围组织及相邻节段的椎间盘产生退变。人工椎间盘置换术作为治疗方法之一用于临床，体现出一定优越性。但现有假体设计并未完全模仿正常椎间盘的生物特性；需要稳定性与灵活性兼备，又有相近强度和刚度的假体，以降低长期植入和对脊柱整体的可能的潜在的负面影响。关于长期置换后可能引发的问题和未来的疗效需要深入研究，由于人工椎间盘临床应用的历史相对较短，对于长期疗效的评价目前研究的随访期还不够长，难以对该项治疗肯定地得出全面的评价。长期随访受限于置换术应用的时间，临床资料在解释相关机制时也有一定的局限性，而通过生物力学分析和测试可以提供解释临床疗效，预测远期影响的部分证据。 目的：关于椎间盘切除及假体置换后对邻近节段和脊柱整体影响的研究还不多；关于手术前后相邻节段内载荷变化的研究较少；特别对近端节段载荷变化的研究，和针对现有腰椎间盘假体进行结构—材料—几何形态分析及优化设计的研究则更少。载荷由上到下进行传递，明确上位节段的载荷变化有助于解释损伤节段的力学异常；明确相邻节段载荷变化可以解释相邻节段出现过度运动及失稳的原因；利于阐明椎间盘摘除术后，椎间盘突出及退变常在相邻节段复发的机制；及更深入的评价椎间盘置换对相邻节段的影响，甚至对脊柱整体的可能的保护作用。 本研究对上述因素进行研究，以全面理解椎间盘假体的生物力学特性和该人工椎间盘置换后对脊柱的影响；为预测假体长期植入对相邻节段甚至脊柱整体的影响和新型椎间盘假体设计提供一定依据。并研究该型假体设计上的特点及优点，及结构上的重要部分；探讨针对现有假体进行结构及材料优化设计的可能性和有效方法。 方法：本研究采用新鲜尸体完整腰段脊柱标本实验检测和临床资料分析与计算机数值计算和图形图像及设计仿真技术相结合的方法进行。完整腰段标本三种模型：完整组；椎间盘摘除组；椎间盘摘除后假体置换组。模拟生理型载荷的作用特点，标本各向运动都受到垂直的压力载荷。依次记录不同载荷方式下损伤节段上位节段的压力性载荷值用于分析。建立符合椎间盘假体几何结构葛 磊 博士学位论文 人工椎间盘相关生物力学研究特性的三维实体模型，应用三维有限元法分析假体的结构、几何、材料及力学特性和功能，从不同角度分析各要素间的相互关系。针对该型人工椎间盘进行了材料及结构的设计优化分析。用计算机图形及设计技术从患者手术前后X线片采集各部分及整体的几何参数，利用各参数间的协同互补特点，对置换及相邻节段的参数综合分析；并研究了单个与两个节段置换后对相邻节段的影响。 结果：本研究成功建立了腰椎间盘假体的数值化3D实体模型，包括了足够的假体的结构特征，特别是结构上及功能上有重要作用的假体核的详细几何结构：完成密集的网格划分，达到更多的单元及结点数，保证了结果的精确性，并用于有限元法力学分析中。应用面力加载，而避免采用集中力，符合脊椎在体时的受力特点。应用压力性的匀布面力及非匀布面力加载：更符合脊柱主要承受压力，屈伸侧弯等运动由不平衡力产生力矩引起这一生理特点。 采用结构一几何特点一材料一功能特性；载荷一应力一能量分布，综合分析的方法对人工椎间盘进行了分析。在对现有假体进行生物力学分析的基础上，进行了拓扑优化分析，明确了该假体的重要功能部位和设计上的优点，同时也指出在结构及材料上改进的可能和改进的方向及部位。对不同材料的上盖板的研究表明材料的弹性模量越小，盖板平板部及凹面部交接处形成的应变集中越明显，其应变值越大。提示当改变盖板材料时，应同时对现有的局部结构设计进行改造，以防范长期使用中可能出现的盖板变形或断裂问题。 结论：研究了椎间盘切除前后相邻运动节段的载荷变化，表明椎间盘切除引起相邻节段压力性载荷增加，两组间有显著统计学差异；从系统整体一局部相互关系分析了局部载荷变化的复杂性。研究表明人工椎间盘植入可以明显减少各向运动时相邻节段的压力载荷，正常组与假体植入组间无明显统计学差异：提示可以稳定椎间盘切除后的相邻节段，可以减少椎间盘切除后相邻椎间盘退变的可能性。实验也显示，从数值大小分析，假体植入并未达到与正常组数值上的完全一致，其机制需要进一步研究。依据实验结果利于解释人工椎间盘的作用机制，更可能为解释临床疗效和改进设计提供较全面、有价值的依据，利于新型假体的设计。 实验表明椎间盘切除引起相邻节段压力性载荷增加。以往直接对椎间盘切除后相邻节段中压力载荷变化的研究不多，且主要针对髓核内压强的变化，对置换后相邻节段力学变化的研究则更少。而节段内压力载荷的变化才是髓核内 一1互 一葛 磊 博士学位论文 人工椎间盘相关生物力学研究压强变化及运动改变，