随着现代社会的发展,人们的生活习惯和工作方式产生了很大的变化。“久坐”使腰椎长期处在固定的受力状态,像如建筑业,交通业等特殊行业的创伤所导致的腰椎骨折等,这些问题都致使腰椎疾病的种类和患者数量日益增加,并呈现低龄化趋势。为了治疗这类复杂疾病,对它的基础研究就势在必行。腰椎是脊柱中的主要承重部位,应力条件复杂,因此易出现由退行性变而引起的一些疾病,这就使对腰椎的生物力学分析成为许多研究者关注的热点和重点问题。本课题的研究目的就是分析腰椎的生物力学特性,使骨科医生对不同的腰椎疾病能作出更加准确,高效的判断,辅助其制定合理的手术方案,切实解除病人的痛苦。本文综合了多种研究方法,通过理论分析,有限元仿真和人体腰椎生物力学实验测试,对腰椎相关结构的力学特性进行了研究,为腰椎力学特性的进一步探索及相关疾病的临床诊断打下坚实基础。在理论分析方面,基于连续介质力学,开发了脊柱韧带的各向异性粘超弹性本构模型。该本构模型把应变能函数分为超弹性部分和粘弹性部分,并通过相应的应变和应变率不变量来表征。考虑到韧带的生理解剖结构和变形特点,超弹性应变能函数按照能量的来源进一步分为来自基体变形能和纤维拉伸能;粘弹性应变能函数的能量来源则主要来自基体和纤维所表现出的粘弹性性质。所假设的粘超弹性应变能函数总共包含6个与材料相关的参数,并根据其特点确定了相应的计算步骤。以准静态和中等应变率的单轴拉伸实验数据为基础,对本构模型中的参数进行了确定,对高应变率下的力学响应进行了预测,并将其应用到5种主要的韧带中。计算结果表明该本构模型可以准确反映韧带在不同应变率下的生物力学性质。在有限元仿真方面,基于正常人体腰椎的CT扫描图像,通过MIMICS软件获得了腰椎L3-L5节段的几何轮廓曲面,利用HYPERMESH划分了三维有限元网格,最后在ABAQUS软件中添加边界条件进行分析计算。根据ABAQUS软件平台提供的用户自定义材料子程序UANISOHYPER_INV编译了椎间盘和韧带的本构模型;根据CT图像与骨弹性模量的关系确定了骨结构的材料参数,然后通过施加位移和载荷边界条件模拟了前屈、后伸、侧弯和扭转四种腰椎的正常生理运动,从活动度和椎间盘内部压力两方面验证了模型的有效性。由于骨盆在腰椎节段代偿过程中起到了极其重要的作用,其中一个主要体现就是通过骶骨倾斜角的变化来维持人体在矢状面的平衡。因此在上述L3-L5有限元模型的基础上,进一步建立了三种不同骶骨倾斜角的有限元模型,分析了正常结构中由于骶骨倾斜角不同而引起的腰椎节段生物力学的差异。研究结果表明,下腰椎的活动度和应力分布会随着骶骨倾斜角不同而产生变化。此后,在正常腰椎模型的基础上,对于常见的下腰椎不稳的临床治疗方法进行模拟,植入了PEEK材料的融合器,同时采用了椎弓根钉-棒系统的单边经椎间孔腰椎椎体间融合术(Transforaminal Lumbar Interbody Fusion,TLIF),详细分析了不同融合器植入角度后腰椎部位在四种生理运动中椎骨,髓核,终板,纤维环,融合器及椎弓根钉-棒系统上的应力分布及幅值变化规律。在人体腰椎体外生物力学实验测试方面,分别对完整模型,破坏L3-L4节段左侧的关节囊和超过50%的椎间关节,人为制造出的下腰椎不稳模型和对采用TLIF术式的单边固定融合模型进行测试,获得了活动度的变化规律。同时,通过实验的方法测得了三种不同融合器植入角度对腰椎结构力学响应的影响,并与有限元结果相对比。综合考虑腰椎的矢状面和冠状面的平衡以及应力大小及分布特点,当融合器呈45°植入时,优于其它两种方法。本文所建立的腰椎三维有限元研究也可以用来研究其它类型的腰椎疾病,为脊柱外科医生进一步分析腰椎相关的退行性病变和疾病发生机理、制定合理的手术方案、术后康复计划等提供参考。本研究所提出的韧带本构模型的建立方法也可应用于人体其它包含纤维增韧特点的组织结构的力学性质表征中,这种方法将为研究相关材料力学性质的变化开辟了新的思路。