在工业化国家约70%的人口在其一生中曾罹患下腰痛。腰椎退行性病变是引起下腰痛的主要原因。流行病学和生物力学研究显示，力学因素在腰椎退行性疾病中起重要的作用。有限元方法，作为生物力学体外实验的一个有效替代和补充，在现阶段腰椎相关疾病的研究中应用广泛，但是也存在一些亟待解决的问题：例如对于椎体周围软组织的几何形状和材料属性过分简化，对于退变软组织的材料本构关系确定困难等。本研究的主要目的是建立具有精确三维软组织结构和复杂材料属性的腰椎有限元模型；并以此模型为基础，比较了三种后路椎间融合手术对于腰椎节段力学环境产生的影响，以及研究了腰椎退变对腰椎节段力学性能的影响。本研究主要可以分为以下三个部分：第一部分的目的是建立带有三维实体韧带及椎间盘模型的腰椎L4-L5节段非线性有限元模型，并对该模型的有效性进行了详细的验证。首先利用MIMICS和ABAQUS软件建立腰椎L4-L5节段的有限元模型，以不同的超弹性材料模型来模拟椎间盘及椎体周围韧带的材料属性。对所建立的腰椎模型模拟前屈、后伸、侧弯以及扭转四个工况，分别在L4上表面施加10Nm相应方向上的弯矩或扭矩，以及模拟轴向压缩工况在L4上表面施加500N竖直向下的压缩载荷。分别从活动度和盘内压两个方面验证了有限元模型的有效性；同时也对本研究的模拟结果与其它学者的模拟结果进行了比较。结果显示：1）本研究建立的腰椎L4-L5节段模型在各个工况下的活动度以及盘内压都在体外实验结果的范围之内；2）本研究所建立的模型相对于使用二维单元模拟韧带的腰椎模型，能更有效地反映腰椎节段的实际力学性能。第二部分在前述建立模型的基础上，再建立一个腰椎L1-S1节段的有限元模型。对模型分别模拟三种使用不同材料椎间融合器的腰椎后路植骨融合手术，建立三个手术模型。这三种后路植骨融合手术分别是：使用钛合金材料椎间融合器、使用PEEK材料椎间融合器，以及使用自体髂骨植骨的腰椎后路植骨融合手术。对三个手术模型和正常模型在四个载荷工况下进行比较，分别是：在有400N轴向压缩力下，对模型模拟后伸、前屈、侧弯三个工况分别施加10Nm相应弯矩；以及模拟扭转工况对模型施加10Nm的扭矩。比较结果显示：使用钛合金椎间融合器的手术模型相对于其它两个手术模型，植骨块上的应力较低，而手术节段终板上的应力非常高。不论是对于手术节段的影响还是对于邻近节段影响，该模型的结果都要逊于另外两个模型。因此在后路椎间融合手术中，不推荐使用钛合金材料的椎间融合器。使用PEEK材料椎间融合器的手术模型和利用自体髂骨植骨的手术模型具有各自的优缺点：前者的模拟结果获得了较大的植骨块上的应力和较小的韧带上的应力；后者的模拟结果在邻近节段间盘和手术节段终板上的应力上升最小。临床工作者可以依据本研究所得的结果，考虑患者的实际情况，在后路椎间融合手术中选择最合适的手术方案。第三部分建立了8个具有不同退变程度的腰椎L2-L3节段有限元模型，对不同退变程度的模型在几何形状及材料属性的变化方面进行了详细的分析，并探讨了不同退变程度对腰椎力学性能的影响。首先从椎间隙高度丢失，骨质增生情况，弥漫性硬化程度三个方面将8个不同退变程度的腰椎L2-L3节段模型分为无退变、轻度退变、中度退变以及重度退变四个等级。然后，对于椎体和周围软组织，根据其退变程度的不同分别赋予相应的材料属性。最后在有400N轴向压缩力的作用下，再对各模型模拟后伸、前屈、侧弯以及扭转工况分别施加7.5Nm，10Nm，15Nm的相应弯矩或扭矩。不同退变程度模型的有限元分析结果从活动度、后部韧带平均应力、关节突软骨面上的平均应力以及纤维环纤维最大主应变几个方面分别进行分析比较。结果显示：对于后部韧带，在前屈工况下轻度退变模型的平均应力最高；而侧弯和扭转工况下中度退变组平均应力最高；随着载荷上升，韧带上的平均应力也明显地上升。随退变程度的增加、载荷的上升，关节突软骨面上的平均应力逐渐上升，高应力区域也越来越集中。在前屈和后伸工况下随着退变程度的增加，纤维环纤维上最大主应变逐渐减小；对于侧弯和扭转工况，当弯曲或扭转载荷不断增加时，随着退变程度的增加，纤维环纤维上最大主应变也随之增大。本研究的结果可以为临床工作者深入认识腰椎退变及相关疾病的发病机理，设计更合理的手术、治疗方案等提供理论依据。所建立的带有三维实体软组织的腰椎模型可以作为今后研究其它相关腰椎退行性疾病的基础。本研究所提出的建立三维实体软组织的方法可以推广到人体其它部位的研究中，特别是一些软组织起重要作用的结构，例如膝关节、节关节、踝关节等。这将为临床工作者深入认识这些关节中软组织的作用，研究软组织的退变及损伤机理提供新的视角。