目的:(1)在框架式人工椎体的基础上,通过对其结构进行改进,实现脊柱功能单位的万向运动、减震功能,即实现人工椎体的非融合技术。(2)通过逆向工程技术,应用计算机软件建立非融合技术人工椎体置换的三维有限元模型,并进行有限元力学分析,检测非融合技术人工椎体的生物力学合理性。方法:(1)采集成年健康志愿者腰椎负重及非负重位X线片,在侧位X线片上测量腰椎间盘的高度,以及椎体节段的高度、椎体的前后径;在正位X线片上测量椎体横径。依据测量所得数据,对既往的框架式人工椎体进行空间结构的设计改进。经过反复改进及测试,最终选择60~80邵氏硬度的硅胶作为人工椎间盘的替代物,来实现脊柱功能单位的万向运动、减震功能,并把硅胶间盘与上下托板、立柱的连接方式设计为“镶嵌式”。根据椎体大小的不同,将间盘、立柱、托板设计为大小不同的规格。(2)采集成年健康志愿者胸腰段椎体CT图像数据。将采集所得的CT图像数据以DICOM格式,直接导入Mimics软件。应用Mimics软件强大的图像处理功能,对椎体组织进行提取,通过填充、去除噪点对胸11、胸12及腰1椎体进行处理,然后计算其相应的三维模型,在Mimics中对三维模型优化后,以point cloud模式保存为“*.txt”格式。然后将其导入Geomagic Studio软件,进行模型成体处理。首先,在点云阶段进行处理,通过去除无关点、噪音,以及统一采样处理,然后进行封装,即利用三角形面片将点云连接起来。其次,在多边形阶段用网格医生删除高度折射边、自相交边、非流行边等,利用填充功能将模型填充好,利用松弛和砂纸两个功能对模型进行简化处理后,再对模型进行曲面化处理,生成NURBS屈面,并通过松弛屈面片和编辑曲面片,将三维模型进一步优化。最后,通过拟合操作生成椎体的三维实体模型,以IGES格式导出并保存。在Proe/Engineer软件中,对生成的胸11、腰1椎体三维模型与设计的非融合技术人工椎体进行组装,即建立非融合技术人工椎体置换的三维实体模型。依“*.stp”导入到Ansys Workbench软件,通过其前处理模块建立非融合技术人工椎体置换的三维有限元模型。约束模型的腰1椎体底部,设置垂直正压载荷500N、800N,施加于胸11椎体顶面。结果:(1)非融合技术人工椎体由两件托板、两件硅胶间盘、一件立柱等部分组成。托板为圆形,椎管侧弧形凹陷,与人椎体终板匹配,中间为椭圆形突起,侧方为突起的侧块,侧块大小2×2cm,其上设计两处锁定螺钉孔,在将非融合技术人工椎体植入人体后,侧块安装螺钉起到早期、临时固定作用。根据人椎体直径数据,按直径大小不同,将非融合技术人工椎体托板设计为1~5型号。硅胶厚度为5mm,设计为两端“镶嵌式”结构,按照托板相应直径亦有1~5型号大小不同之分。立柱的两端与托板结构相类似,中间圆柱体的直径为12mm,每一直径型号的托板均对应高度为20~40mm不等的5种型号立柱。(2)通过逆向工程技术建立胸11、胸12、腰1椎体实体模型。在Proe/Engineer软件下建立胸12椎体置换的三维实体模型。应用Ansys Workbench的前处理模块建立非融合技术人工椎体置换的三维有限元模型。在分别加载500N、800N正压载荷时,硅胶间盘的最大应力集中在中部及后侧边缘,置换模型的最大应力集中在上托板的后侧,变形最大发生在后侧边缘。结论:(1)对框架式人工椎体进行改进,应用60~80邵氏硬度的硅胶作为间盘,通过镶嵌式固定,与钛合金所制的终板及立柱能够组装成一套完整的非融合技术人工椎体。其在空间结构上能够起到填充、支撑的作用,在运动功能上能够实现脊柱的万向运动及减震功能。(2)应用工程技术的原理和现代计算机技术,能够实现对非融合技术人工椎体置换的三维有限元模型的建立。在正压加载下,硅胶间盘及假体变形、应力变化情况与正常生理间盘、椎体接近。