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隨著生物材料和內固定技術的發(fā)展，復位、固定、融合以恢復脊柱三維結構的連續(xù)性及良好生理力已成為公認的治療腰椎滑脫的基本原則。自２０世紀７０年代的椎弓根螺釘、９０年代初的椎間融合器（Ｃａｇｅ）應用于臨床后，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，臨床上椎間融合術主要有經前路椎體間融合（ＡＬＩＦ）、經后路椎體間融合（ＰＬＩＦ）和經椎間孔入路椎間融合（ＴＬＩＦ），其中 ＴＬＩＦ術式單純切除一側關節(jié)突關節(jié)，具有對脊柱穩(wěn)定性影響較小、可以避免神經損傷、融合率較高等優(yōu)點。然而臨床上，Ｃａｇｅ的植入位置和角度多根據(jù)外科醫(yī)生的主觀經驗，患者術后椎間融合效果也各有差異，文獻中也缺乏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特性進行深入研究，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研究中最有效的研究方法之一，隨著計算機技術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，國內外大量學者將有限元分析應用到人體腰椎椎間融合的研究中。Ｐｏｌｉｋｅｉｔ等認為Ｃａｇｅ植入顯著改變了椎體間載荷傳遞，更多應力通過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上的差異性，結果表明單／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、后伸和軸向旋轉載荷等生理活動下腰椎運動和應力分布的對比，認為植骨融合會顯著降低腰椎活動范圍（Ｒａｎｇｅ ｏｆＭｏｔｉｏｎ，ＲＯＭ），影響椎體和小關節(jié)的應力分布，但對相鄰椎間盤的影響較小，并且小關節(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術的植入位置對單側椎弓根螺釘固定腰椎生物力學特性的影響，結果表明，Ｃａｇｅ入路側植入時Ｃａｇｅ配合椎弓根螺釘系統(tǒng)能達到較好的術式效果。
本文在正常腰椎 Ｌ４-Ｌ５節(jié)段三維有限元模型基礎上，建立ＴＬＩＦ術式腰椎Ｃａｇｅ按不同角度植入時的有限元分析融合模型，通過計算在不同生理活動下（包括前屈與后伸、左右側彎和左右軸向旋轉）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融合的臨床手術提供生物力學上的理論依據(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，導入醫(yī)學圖像處理軟件 Minics生成三維幾何模型，再利用Hyermesh軟件建立有限元模型，最后導入商業(yè)有限元軟件 ABAQUS中進行模擬與計算。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％，將椎骨分為皮質骨和松質骨兩部分。皮質骨采用三維 ８ 節(jié)點實體減縮單元（Ｃ３Ｄ８Ｒ），松質骨采用 三 維 ４ 節(jié) 點 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)點實體單元（Ｃ３Ｄ８Ｒ）模擬。所有韌帶采用殼單元（Ｓ４）。引入小關節(jié)突接觸，定義為自由滑動，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。整個模型包括９７６８４個節(jié)點和３１６６４９個不同類型的單元。
有限元模型中所有骨性結構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模型。將纖維環(huán)看作是由多層基質組織構成的復合材料，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實現(xiàn)纖維環(huán)材料參數(shù)定義和有限元計算。
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