《河南科技》有限元法在脊柱结构和腰椎融合生物力学评有限元法在脊柱结构和腰椎融合生物力学评价中的应用《河南科技》投稿信箱603141761@163《河南科技》杂志，全文上中国知网。(国际标准刊号:ISSNI003-5168:国内统一刊号:CN41-1081/T)前言一、立题依据腰椎滑脱症是脊柱外科常见的脊柱疾患，是引起下腰痛、神经根性痛及神经性跛行的常见原因。对于有持续性腰背部疼痛、经保守治疗不缓解者、伴发持续神经根压迫症状或椎管狭窄症状者、严重腰椎滑脱和X线片证实滑脱进展者一般都考虑行手术治疗。对不同类型的腰椎滑脱，有不同的治疗方法。自椎弓根螺钉和椎间融合器应用于临床以来,临床上普遍认为减压、复位、固定、融合是应遵循的原则，即通过去除椎板和部分小关节，对脊髓和神经根进行减压，缓解症状;通过复位恢复脊柱的正常力线;通过融合来稳定脊柱;通过固定，获得术后的即刻稳定性，增加融和率。但国内外仍有一些专家认为腰椎滑脱症术中只要减压彻底、神经根松解、内固定和植骨融合可靠，就算没有进行复位，同样也能取得良好的效果。临床上也经常碰到有骨质疏松的患者，多见于退变性滑脱，由于提拉钉把持力下降，无法复位滑脱椎体，或是多年退变滑脱患者中，由于滑脱椎体在滑脱位置上已建立了新的平衡，复位极其困难，强行复位冒有拉伤神经根，加重症状的危险。遇到上述情况，一般也就行滑脱椎体原位融合。对于腰椎滑脱原位融合和复位融合的临床研究已有许多报道，本次研究拟用有限元分析的方法来探讨原位融合和复位融合两种手术方式对脊柱生物力学的影响，为两种手术方式提供生物力学上的参考。二、研究背景脊柱由于结构复杂，对其进行精确的生物力学分析一直是个难点。目前应用于这方面的研究方法归纳起来大致有以下四种:动物实验、物理实验、体外(尸体)实验及计算机模拟实验，这些实验均为人体体外实验方法。其中动物实验优点是可以观察有关生物体内的生理与病理反应，但几乎所有用作实验的动物都不能直立行走，所以其结构与功能均与人类有较大的区别，因此其结果也就不可能完全解答人类脊柱特性的相关问题。物理实验由于缺乏生物体内的几何与结构特性，作用相当有限。尸体上的生物力学研究是以尸体标本为模型进行力学测试，如电测法、光弹表面涂层法等，虽然能通过直接测量得到研究对象的应力分布，但存在较大的局限性，不但研究费用高而且尸体的也有困难，且离体与在体情况差异较大，条件难以控制，常常忽略了生物材料的各向异性及黏弹性等特性。计算机模拟实验是一种理论生物力学的研究方法，即以数学力学模型来进行数值力学分析，它不但可以应用数学形式模拟脊柱的结构形态，而且可以应用数学形式模拟脊柱的材料性能、载荷、边界条件等。如果改变部分材料的参数和载荷，还能模拟任意处的位移和应力，解释脊柱在生理及病理过程中的应力变化，获得全域性的信息。有限元法是机械工程中用来分析结构应力应变的一种数值算法，是继机械法、电测法和光弹法等传统实验生物力学测试技术之后的一种新的生物力学测试方法。有限元法的基本原理是把一个由无限个质点构成的物体划分为有限个结构形态简单并且力学特性已知的单元，此过程即为有限元模型的离散化，用这种离散化的有限元模型替代原有的物体，根据原有物体的几何材料特性以及受力条件采用不同的单元种类(如块单元、壳单元、面单元、缆式单元等)，单元之间通过节点相连接，力则通过节点进行传递。而单元内部的待求量可以由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。有限元方法能够对许多复杂结构进行精确的力学分析，给出模型受力时内部的应力和变形的全过程，如描述裂隙的形成与延伸，结构的破坏及形变，并对物体结构的承载极限和可靠度作出评估，尚可提出其存在的薄弱环节。有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较，是脊柱生物力学研究中的重要手段。脊柱有限元模型构建需要两方面数据，即椎体真实的几何学形态以及椎体骨组织和连接椎体软组织的材料物理特性。几何学形态通常从脊柱CT或MRI等扫描获得，也可通过实体测量获得。从理论上讲，有限元模型的建模手段基本相似，从获取物体空间数据的手段上...