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隨著生物材料和內(nèi)固定技術(shù)的發(fā)展，復(fù)位、固定、融合以恢復(fù)脊柱三維結(jié)構(gòu)的連續(xù)性及良好生理力已成為公認(rèn)的治療腰椎滑脫的基本原則。自２０世紀(jì)７０年代的椎弓根螺釘、９０年代初的椎間融合器（Ｃａｇｅ）應(yīng)用于臨床后，椎間融合加椎弓根螺釘固定就已成為治療下腰椎不穩(wěn)的主要方法之一。目前，臨床上椎間融合術(shù)主要有經(jīng)前路椎體間融合（ＡＬＩＦ）、經(jīng)后路椎體間融合（ＰＬＩＦ）和經(jīng)椎間孔入路椎間融合（ＴＬＩＦ），其中 ＴＬＩＦ術(shù)式單純切除一側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，具有對脊柱穩(wěn)定性影響較小、可以避免神經(jīng)損傷、融合率較高等優(yōu)點(diǎn)。然而臨床上，Ｃａｇｅ的植入位置和角度多根據(jù)外科醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)，患者術(shù)后椎間融合效果也各有差異，文獻(xiàn)中也缺乏Ｃａｇｅ植入角度對椎體影響方面的研究。因此，亟需對腰椎間融合的生物力學(xué)特性進(jìn)行深入研究，以期找到優(yōu)化的融合器植入方式。
有限元分析是脊柱生物力學(xué)研究中最有效的研究方法之一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的飛速發(fā)展，有限元模型的精度和可靠性顯著提高，國內(nèi)外大量學(xué)者將有限元分析應(yīng)用到人體腰椎椎間融合的研究中。Ｐｏｌｉｋｅｉｔ等認(rèn)為Ｃａｇｅ植入顯著改變了椎體間載荷傳遞，更多應(yīng)力通過Ｃａｇｅ傳遞到下椎體。Ｃｈｉａｎｇ等通過建立腰椎Ｌ３-Ｌ５節(jié)段有限元模型，比較了單枚、雙枚 Ｃａｇｅ配合椎弓根螺釘在生物力學(xué)上的差異性，結(jié)果表明單／雙枚Ｃａｇｅ融合對于在脊柱穩(wěn)定性的保持沒有顯著差異。王宇等通過對比正常模型與植骨融合模型在前屈、后伸和軸向旋轉(zhuǎn)載荷等生理活動(dòng)下腰椎運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力分布的對比，認(rèn)為植骨融合會(huì)顯著降低腰椎活動(dòng)范圍（Ｒａｎｇｅ ｏｆＭｏｔｉｏｎ，ＲＯＭ），影響椎體和小關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布，但對相鄰椎間盤的影響較小，并且小關(guān)節(jié)對維持脊椎正常的生理功能起到重要作用。顏文濤等探討了單枚融合器ＴＬＩＦ術(shù)的植入位置對單側(cè)椎弓根螺釘固定腰椎生物力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，Ｃａｇｅ入路側(cè)植入時(shí)Ｃａｇｅ配合椎弓根螺釘系統(tǒng)能達(dá)到較好的術(shù)式效果。
本文在正常腰椎 Ｌ４-Ｌ５節(jié)段三維有限元模型基礎(chǔ)上，建立ＴＬＩＦ術(shù)式腰椎Ｃａｇｅ按不同角度植入時(shí)的有限元分析融合模型，通過計(jì)算在不同生理活動(dòng)下（包括前屈與后伸、左右側(cè)彎和左右軸向旋轉(zhuǎn)）各模型的角位移值、椎間盤上下終板與 Ｃａｇｅ接觸界面和Ｃａｇｅ自身的應(yīng)力，分析了Ｃａｇｅ植入角度對腰椎穩(wěn)定性的影響規(guī)律，從而為腰椎 ＴＬＩＦ融合的臨床手術(shù)提供生物力學(xué)上的理論依據(jù)。
基于正常志愿者（男，年齡３０歲，體重７０ｋｇ，身高１７５ｃｍ）的腰椎 Ｌ４-Ｌ５節(jié)段的 ＣＴ掃描圖像，導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件 Minics生成三維幾何模型，再利用Hyermesh軟件建立有限元模型，最后導(dǎo)入商業(yè)有限元軟件 ABAQUS中進(jìn)行模擬與計(jì)算。建立的正常腰椎模型包含Ｌ４、Ｌ５椎體，前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶及椎間盤。其中椎間盤根據(jù)生理參數(shù)將其分割為纖維環(huán)和髓核兩部分，纖維環(huán)占體積的５２％，將椎骨分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨兩部分。皮質(zhì)骨采用三維 ８ 節(jié)點(diǎn)實(shí)體減縮單元（Ｃ３Ｄ８Ｒ），松質(zhì)骨采用 三 維 ４ 節(jié) 點(diǎn) 四面 體 單元（Ｃ３Ｄ４）模擬；椎間盤纖維環(huán)與髓核以及上下終板均由三維８節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（Ｃ３Ｄ８Ｒ）模擬。所有韌帶采用殼單元（Ｓ４）。引入小關(guān)節(jié)突接觸，定義為自由滑動(dòng)，無摩擦。腰椎 Ｌ４-Ｌ５節(jié)段腰椎正常有限元分析模型如圖所示。整個(gè)模型包括９７６８４個(gè)節(jié)點(diǎn)和３１６６４９個(gè)不同類型的單元。
有限元模型中所有骨性結(jié)構(gòu)以及椎間盤髓核均簡化為各向同性的彈性材料。纖維環(huán)采用 Ｐｅｎｇ等提出的各向異性超彈性纖維增韌本構(gòu)模型。將纖維環(huán)看作是由多層基質(zhì)組織構(gòu)成的復(fù)合材料，各層平行排列的纖維與椎體橫截面依次呈 ３０°和１５０°。利用ＦＯＲＴＲＡＮ 語言針對ABAQUS編寫用戶材料子程序?qū)崿F(xiàn)纖維環(huán)材料參數(shù)定義和有限元計(jì)算。
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