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目的:脊柱腰段解剖结构复杂，负重较大且运动灵活，是临床病变的好发部位。其中腰椎间盘承担椎体间力的传导，并完成脊柱各向弯曲及扭转运动，易发生退变及损伤。分析脊柱腰段椎间盘的生物力学特性是推断损伤及指导治疗的重要途径。本研究旨在利用CT及MRI图像DICOM数据对正常脊柱腰段主要结构进行三维重建，然后对模型进行网格划分和材料属性设定使其成为有限元模型并进行受力分析。参考腰椎间盘突出病例进行脊柱腰段椎间盘损伤的计算模拟。以数字技术来揭示腰椎间盘解剖结构特点，分析正常及退变时腰椎间盘的生物力学特性，探讨易损伤部位，对腰椎间盘突出的发生机制、预防、治疗以及康复提供理论指导。
方法:选取一健康成年男性志愿者进行数据采集，于相同体位分别行螺旋CT扫描和MRI扫描，扫描范围包括全部腰椎、椎间盘及骶骨上部结构，将CT和MRI扫描数据以DICOM格式分别存储入可读写光盘。在Mimics14.0软件内使用阈值调整工具、区域增长工具、选择性编辑工具和Remesh功能，依据CT数据重建L1～L5椎骨及骶骨上部的三维模型，依据MRI数据重建L1～L5椎间盘髓核的三维模型。将所建模型导入Geomagic12.0软件中对位组装，利用桥接工具形成椎间盘模型，通过偏移功能构建终板模型和韧带模型，最后进行布尔运算生成纤维环模型。将所有模型导回Mimics14.0中组装并自动划分面网格和体网格。将模型导入Ansys13.0中设定材料属性，重划网格，设置接触关系，对第五腰椎椎体和下关节突关节面进行约束。脊柱腰段三维有限元正常模型构建完成后，在Ansys13.0中对模型的L4～L5节段分级加力验证模型有效性。通过改变材料属性建立退变模型模拟腰椎间盘突出。对正常及退变模型的L4椎骨分别施加轴向力及力偶模拟脊柱腰段的负重载荷、前屈运动、后伸运动、侧弯运动、旋转运动五种状态，分析其形变及力学特征。依据L4～L5退变椎间盘受力特点，确定纤维环易损伤部位。
结果:利用Mimics14.0和Geomagic12.0软件，基于CT及MRI扫描图像DICOM数据，建立了脊柱腰段的三维模型及有限元模型，包含L1～L5的椎骨、五个椎间盘、骶骨上端、前纵韧带、后纵韧带等重要结构。该模型与脊柱标本相比具有较高相似性且可以进行有限元力学分析。通过改变模型材料属性成功建立退变椎间盘模型。
对模型分级加力对比分析，验证了模型的有效性。对正常和退变模型加力模拟了脊柱腰段的负重载荷、前屈运动、后伸运动、侧弯运动、旋转运动五种状态。通过测量纤维环后缘中央和两外侧区等效应力大小，得到了在不同状态下纤维环后缘应力分布数据。求解得到了椎间盘在不同状态下的形变及应力分布特点:
正常及退变椎间盘在轴向负重300N时，退变髓核整体形变减小但形变区域后移;等效应力值变化不大，但应力向边缘聚集。退变纤维环整体形变减小但形变区域后移;等效应力值变小，但应力向边缘聚集。
前屈运动时，最大应力及形变均位于前缘，但退变髓核最大形变区域和应力均出现后移。后伸运动时，退变纤维环的应力水平比正常时升高，应力集中于后缘。侧弯运动时，退变纤维环和髓核应力均向弯曲一侧的后外部集中。旋转运动时，退变髓核应力增大且向边缘移动，应力集中于后外侧;纤维环应力增大，后移集中于侧后缘。最后输出云图及动画结果。
结论:
通过本实验，我们得到如下结论:
1、基于CT、MRI图像DICOM数据通过Mimics14.0、Geomagic12.0和Ansys13.0软件可以重建出人体脊柱腰段的椎骨、椎间盘等结构的三维模型和有限元模型。三维模型解剖结构相符度高，有限元模型准确有效，可以用于有限元分析。
2、通过改变模型材料属性成功建立了脊柱腰段正常及退变椎间盘有限元模型。通过加力可以模拟不同状态下椎间盘应力分布，证实了脊柱腰段椎间盘在侧弯和旋转运动时应力较高，易损伤部位位于纤维环侧后缘。