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第一部分应用三维有限元模型研究下颈椎在前屈后伸情况下的应力变化
目的：颈椎病是脊柱外科常见疾病之一，其发病因素与脊柱生物力学密切相关。在目前研究生物力学的方法中，动物实验、物理实验和体外（尸体）实验都无法达到预期效果，三维有限元方法作为一种新技术，有优于其它实验之处，可在持续性研究中重复及改变任何质量与定量变化，同时提供了局部及内部的反应机制，从而被越来越广泛应用。颈椎是一个功能性整体，各部分相差悬殊，应力传导复杂，如果采用脊柱功能单位（FSU）难以反应整体情况，因此本课题通过应用有限元方法建立下颈椎（C3-C7）的三维模型，研究颈椎在前屈后伸两种情况下的应力变化，从生物力学角度阐明颈椎病发病机制，为临床疾病的预防提供参考。此外，本模型的建立也可以应用于临床内固定器械的设计和术式的分析，为以后将有限元方法推广到临床疾病的治疗奠定了基础。
方法：选取一健康女性志愿者，25岁，体重65kg，身高170cm，行CT扫描，层厚1mm，层间距0mm，扫描范围包括C3-C7全部骨性结构及椎间盘。扫描图片共90张，实际建模采用中间有效部位75张。将扫描数据存入可读写光盘。在处理原始图片前，将骨组织区域和椎间盘区域在图像处理软件Photoshop中进行分割并分别保存为JPG格式。运用C语言自行编写的数字图像处理程序对分割后的图像进行边缘检测，提取边界坐标，将每块骨的外轮廓三维坐标分别存储为单独的点云文件。将采集的点云文件输入逆向工程软件Geomagic，生成的实体模型经过组装，以IGES格式存储。从Geomagic里生成的实体模型IGES文件，导入到有限元分析软件Ansys9.0中去。对每个椎体和椎间盘，用三维十节点四面体结构实体单元SOLID92进行网格划分；对韧带，本模型采用了三维仅受拉杆单元LINK10。整个模型共有110577个节点，69616个单元。将模型底面固定，在C3上面垂直加载头颅重量，再对模型进行加载2 N.m的力矩使模型前屈后伸，不至于使颈椎产生任何损伤，得到相应的等效应力分布图。
结果：由等效应力分布图可以看出，总体上，下颈椎小关节应力由上至下逐渐增大，主要集中于C4-5，C5-6之间。前届时以C5-6，C6-7应力较大，后伸时以C4-5，C5-6应力较大。小关节前屈时Z轴上受拉应力，后伸时Z轴上受压应力。说明小关节在后伸时起承受和传导载荷的作用。钩椎关节的变化在此图上不明显。
结论：小关节在前屈、后伸两种工况下的受力，总体上集中于颈椎中下段，而且主要集中于C4-5，C5-6之间。这一结论从生物力学角度阐述了小关节退变多见于中下段，特别是C4-6节段。所以，当人体处于长时间不良姿势（颈椎前屈）的情况下，会使局部应力（尤其是小关节的应力）增加，应力增加导致了骨质增生，严重骨质增生又会刺激神经根等软组织，如此反复，恶性循环，最后导致颈椎病的发生。所以，对于经常伏案工作人员，低头应有节制，并注意在间歇时充分活动颈椎，经常改变体位，放松颈部肌肉，从而改善颈椎长时间应力集中的状态，预防颈椎病的发生。
第二部分人工颈椎间盘置换术对邻近节段生物力学影响的三维有限元分析
目的：近年来，颈椎的发病率逐年增加，手术治疗成为保守治疗无效后的唯一选择。但传统融合术后可出现多种并发症问题成为困扰广大临床医师的难题，为解决异常应力作用于融合后邻近节段的问题，自上世纪90年代以来新兴了一种新的脊柱疾病治疗的理念，即“非融合固定技术”，又叫做“动态性固定”。颈椎间盘置换手术是在这种理念下发展的一种比较成熟的解决方案，尤其是颈椎人工间盘置换术在临床取得优良的效果，伴随着颈椎人工间盘置换术的成功，对颈椎人工间盘生物力学的研究方兴未艾。
该研究作为数字模拟分析，区别与以往基于尸体建模的模式采用基于实体建模，更能充分反映出人体的生物学特性，尤其是对韧带及人工椎间盘假体的模拟更接近于真实结构，通过力学分析方法对模型在正常范围内的前屈后伸、侧弯等工况的运动情况分析，了解其运动特性，并与前人一些尸体试验结果及随访结果的运动情况比较，从而评价颈椎间盘置换术患者愈后的下颈椎运动情况。
方法：选取一名行人工间盘置入术后6个月的志愿者，男性，48岁，身高170cm，体重75kg，未发现骨性异常与脊柱畸形，行CT扫描机，自上而下行螺旋扫描，层厚0.6mm，层间距0mm，扫描范围包括C4-C7全部骨性结构、韧带、椎间盘及人工椎间盘假体。扫描图片共392张，实际建模采用中间有效部位367张。将扫描数据存入可读写光盘。运用自行编写的c语言数字图像处理程序图像对C4-C7骨性结构和椎间盘区域进行边缘检测，提取边界坐标，并整理成点云文件。将点云文件输入逆向工程软件Geomagic，在其中模型经历点阶段（Point Phase）、多边形阶段（Polygon Phase）、成形阶段（Shape Phase）等三个处理阶段，生成NURBS曲面。由NURBS曲面构造的实体模型通过IGES文件导入到有限元分析软件Ansys9.0中去，对椎体皮质骨、松质骨、椎间盘用三维十节点四面体结构实体单元进行网格划分，上下终板和纤维环被简化成一体，中间髓核部分被区分出来。对C7下表面全自由度约束，在C4椎体上表面分别加载均为2 N.m前屈、后伸、侧弯和轴向旋转的弯矩。主要计算分析各脊柱功能单元（FSU）椎体相对旋转的运动螺旋轴（HAM）及绕轴旋转的角度。
结果：根据人工间盘置入术愈后人体颈椎CT片和运用c语言自行编写的数字图像处理程序提取边界坐标，建立包含Bryan人工颈椎间盘假体的下颈椎三维有限元模型，使模型的几何形状与结构较好地模拟了愈后Bryan假体与周围组织的关系。另外以包含有Bryan人工假体的下颈椎为整体建立了C3-C7有限元模型，更加符合临床要求。
将计算该模型的运动情况得出的结果与前人试验结果相比较，计算结果基本在试验结果范围内或者运动趋势基本一致，其中后伸状态计算结果略偏大，这可能与术中切除C5-C6段的前纵韧带有关。
结论：人工颈椎间盘置换术有效的改善了脊柱功能单位的生物力学性能，但需谨慎选择人工椎间盘的大小，并且最大限度保留终板骨性组织，以避免出现术后假体下沉、移位、脱出、节段后凸等不良影响。
第三部分椎体成形术治疗老年骨质疏松椎体压缩性骨折对邻近节段生物力学的影响
目的：近年来，经皮椎体成形术（PVP）和球囊扩张后凸成形术（KP）已成为治疗老年人骨质疏松椎体压缩性骨折的常用微创手术方法。但就国内外已有的相关报道来看，球囊扩张后凸成形术（KP）比（PVP）有着更好的恢复椎体高度，纠正脊柱后凸畸形的效果，而且骨水泥渗透率相对更低。然而随着KP在临床上广泛应用，学者们也越发的关注术后邻近椎体骨折的问题，目前已有一些关于PVP术后类似病发证的报道，但由于PVP与KP从术式特点上确有不同，而且关于计算机模拟KP术后邻近椎体的生物力学变化的研究较少。
因此，建立术前、术后两个脊柱功能单元的三维有限元模型。为了能充分反映出人体的生物学特性，区别与以往基于尸体建模的模式，采用基于患者的实体建模，加强对椎间盘、皮质骨、松质骨、韧带及后部结构的模拟，使其更接近与真实结构[1]。观察模型在正常范围内的垂直压缩、前屈后伸、侧弯情况下，手术前后强化椎体、邻近椎体、邻近椎间盘和后部结构的生物力学变化，研究KP对邻近节段的生物力学影响。
方法：随机选取一名老年骨质疏松压缩性骨折病人，女性，68岁，身高160cm，体重55kg，先行X线检查，排除椎体压缩骨折以外的其他可见的脊柱病变，采用西门子CT扫描机，自上而下行螺旋扫描，扫描范围包括T11-L1全部骨性结构、韧带及椎间盘，行CT扫描机，自上而下行螺旋扫描，层厚0.6mm，层间距0mm，扫描范围包括T11-L1全部骨性结构、韧带和椎间盘。扫描图片共789张，实际建模采用中间有效部位745张。将扫描数据存入可读写光盘。运用自行编写的c语言数字图像处理程序图像对T11-L1骨性结构和椎间盘区域进行边缘检测，提取边界坐标，并整理成点云文件。将点云文件输入逆向工程软件Geomagic，在其中模型经历点阶段（Point Phase）、多边形阶段（Polygon Phase）、成形阶段（Shape Phase）等三个处理阶段，生成NURBS曲面。由NURBS曲面构造的实体模型通过IGES文件导入到有限元分析软件Ansys9.0中去，对椎体皮质骨、松质骨、椎间盘用三维十节点四面体结构实体单元进行网格划分，上下终板和纤维环被简化成一体，中间髓核部分被区分出来。固定L1下终板和部分小关节部位，自T11上终板竖直向下均匀加载300N，观察T11-T12椎间盘，T12-L1椎间盘，T11下终板，L1上终板的应力变化；然后于T11上终板加载转矩为10N.m的应力，观察测试其在前屈、后伸、侧屈、轴向旋转状态下的应力变化。
结果：在垂直荷载压力下，T11下终板和L1上终板表面应力与术前相比，应力分布有所变化，但并无明显增加，而且远低于相关实验研究所报道[14]的终板受损变形的最低值；T11-T12椎间盘和T12-L1椎间盘所受应力，与术前相比，虽然低于相关文献报道所能承受的最大值，但应力明显增大。
结论：球囊扩张后凸成形术有效的改善了脊柱功能单位的生物力学性能，有效的恢复了术椎的高度，对邻近椎体未产生较大的影响，但由于术后，椎间盘应力增加，并且应力分布集中，因此会加速邻近椎间盘的退变。