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隨著生活、工作壓力日益加大，腰椎疾病成為威脅人類健康的一大殺手，人們對于腰椎疾病的關注也日益增強。臨床上最常見的2類腰椎疾病有：腰椎間盤突出、椎間盤退變、腰椎骨質(zhì)疏松和壓縮性骨折。通過建立有效的腰椎有限元模型，分析腰椎各部分受力情況， 針對以上2種疾病的有限元模型分別加載不同的條件，再通過計算得出有限元分析結(jié)果，對于研究腰椎疾病的預防、診斷、治療與評價具有重要意義。所謂有限元就是一種用于分析結(jié)構的矩陣方法，其基本原理是將一個由無限個質(zhì)點和有限個自由度的連續(xù)體劃分成有限個小單位體的集合體等。
首次將有限元法應用于脊柱生物力學研究。有限元分析方法不僅將椎體、小關節(jié)等生動地呈現(xiàn)，甚至將周圍的韌帶、關節(jié)囊、肌肉都加入模型中，更加真實地反映脊柱的生長狀態(tài)和受力情況。
腰椎有限元建模方法包括3種：醫(yī)學圖像建模、數(shù)字化儀建模和解剖學數(shù)據(jù)建模。這種方法因過程繁雜、誤差較大，且對象為尸體椎骨，無法體現(xiàn)腰椎的各種生理狀態(tài)和建模的個性化，基本已被淘汰。而圖像建模具有自動、標準、快速完成建模過程的優(yōu)點，為后面的分析過程節(jié)省了很多時間，是腰椎有限元分析的主要研究方法。建模步驟為首先對研究對象腰椎區(qū)域進行掃描，獲取影像數(shù)據(jù)，然后在等軟件中創(chuàng)建腰椎運動節(jié)段精確的幾何模型，對幾何模型實體化后再用軟件對實體模型賦予材料屬性，對模型進行網(wǎng)格劃分，從而建立腰椎運動節(jié)段的有限元模型。
根據(jù)不同的實驗目的，需要對腰椎的有限元模型施加不同的約束及模擬腰椎的生理載荷，以研究腰椎運動節(jié)段在不同載荷下的生物力學特性的改變。在余列道等人建立的正常等 椎體節(jié)段的有限元模型中，分析數(shù)據(jù)得知最大應力位于終板，應力分布呈蝶形，主要集中在腰椎后下緣，峽部是應力的集中部位。因腰椎存在自然彎曲，應力分布在每個腰椎節(jié)段上，其方向及大小都有所變化。僅在節(jié)段是成垂直方向的，壓力大部分由腰椎間盤承受，而椎弓承受的較小，因此在椎弓被移除的情況下，椎間盤承受的壓縮力量變化不大。
在彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩的作用下，的應用力矩由椎間韌帶承擔，只有由椎間盤承擔。當超過彈性極限時，椎間韌帶和棘上韌帶首先被損壞，由椎間盤承受的小部分力量進一步減小，后側(cè)韌帶張力增加，髓核需要抵抗的壓縮力矩增大。
工作壓力大，生活節(jié)奏快導致越來越多的成人患上腰椎疾病，研究各類腰椎疾病患者的有限元分析刻不容緩。下面主要介紹46種腰椎疾病的有限元分析結(jié)果，供治療前分析參考。
骨質(zhì)疏松癥是老年人易發(fā)的慢性疾病之一，原因為隨著年齡的增長，骨密度下降和骨的細微結(jié)構被破壞，導致骨的脆性增加，易發(fā)生骨折。
椎間盤退變是指髓核和纖維環(huán)的理化性質(zhì)發(fā)生改變，隨即出現(xiàn)髓核脫水(纖維環(huán)松弛甚至破裂的現(xiàn)象。隨著變化程度的增加，彈性模量呈對稱均勻的降低，最終惡化發(fā)展成椎間盤突出，即纖維環(huán)破裂后髓核突出壓迫神經(jīng)根造成以腰腿痛為主要表現(xiàn)的疾病。
此外，當椎間盤髓核發(fā)生退行性改變時，椎間隙變窄而使脊柱前屈，椎體骨皮質(zhì)自身發(fā)生退行性改變，椎間隙附近的骨皮質(zhì)增生使強度增加，而椎體中部的骨量下降，使椎體前緣的皮質(zhì)凹陷相對加大，椎體前緣的骨皮質(zhì)所受載荷明顯增加，載荷的傳遞從中柱向前柱轉(zhuǎn)移，椎間盤摘除是目前常用的治療椎間盤退變的手術方法之一，但術后遠期效果不佳，主要原因是正常腰段脊柱的生理形態(tài)和生物力學機制因摘除了椎間盤而發(fā)生了變化， 腰椎功能紊亂，出現(xiàn)腰椎活動度改變、脊椎不穩(wěn)、頑固性下腰痛甚至脊椎滑脫等癥狀。因此需要建立腰椎運動節(jié)段椎間盤摘除的三維有限元模型，分析椎間盤摘除后腰椎生物力學的改變。
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