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目的：通过测量CT影像上的腰椎椎弓根延长术后的椎管面积和椎间孔面积，评价腰椎椎弓根延长术对于椎管和椎间孔的面积的增加作用。设计一种分体延长椎弓根螺钉，用于腰椎椎弓根延长术，椎弓根截断后延长椎弓根，同时固定前方椎体和后部结构。设计一种椎弓根截断器，用于微创的截断椎弓根。利用有限元分析的方法，研究椎弓根延长不同的延长长度后，分体延长椎弓根螺钉和小关节突的应力分布，以及腰椎的活动度。测试分体延长椎弓根螺钉样品的机械强度、延长性能和固定强度。 方法：使用PACS系统进行CT图像测量，包括100名正常成人的腰椎骨性椎管面积和椎间孔面积，100名腰椎管狭窄症患者的原始的和影像上模拟腰椎椎弓根延长术之后的腰椎骨性椎管面积和椎间孔面积。基于现有椎弓根螺钉的相关数据，使用Solidworks软件对分体延长椎弓根螺钉和椎弓根截断器进行建模，绘制三维图及工程图。对同等直径的普通椎弓根螺钉和分体延长椎弓根螺钉样品进行三点弯曲试验，测量分体延长椎弓根螺钉延长0mm、2mm、3mm、4mm和5mm时的极限载荷。使用6具新鲜约克夏猪腰椎标本，分解成单个椎节，选择猪腰椎的第5椎体进行模拟手术。测量术前和椎弓根延长2mm、3mm、4mm和5mm后椎管的正中矢状径，以测试分体延长椎弓根螺钉的延长性能。余下的30个椎体对分体延长椎弓根螺钉在全椎体内、椎弓根内、仅椎体内进行轴向拔出力实验。采集健康成人腰椎的CT图像，利用多种常用的图像处理软件和有限元分析软件，先后经过Simplware软件和Geomagic软件对CT图像的三维重建和曲面优化、Solidworks软件进行椎体部件组装、Hypermesh软件进行材料赋值和网格划分、Abaqus软件进行约束设置和求解计算，以建立几何外形良好、精确度高、有效性强的腰椎L1-L5节段的腰椎三维有限元模型。而后在此基础上建立分体延长椎弓根螺钉分别置入L3椎体和L4椎体的融合模型，分别延长椎弓根2mm、3mm、4mm和5mm。在L1施加500N的垂直载荷用于模拟上半身体重对腰椎的压力，对参考点沿着模型X轴、-X轴、Y轴和Z轴施加10Nm的扭矩，使模型产生前屈、后伸、侧弯和扭转运动，分别计算各工况下，椎弓根延长不同延长度后，分体延长椎弓根螺钉和小关节突的应力分布，以及腰椎的活动度，得到相应的应力云图。 结果：延长L4椎弓根和L5椎弓根后，相应椎管面积和椎间孔面积均能明显增加。L4椎弓根每延长1mm，L4椎体椎管面积约增加11.03％，L4-5椎间孔面积约增加9.05％。L5椎弓根每延长1mm，椎管面积约增加11.21％，L5-S1椎间孔面积约增加9.62％。机械性能、延长性能和固定强度。三点弯曲试验:分体延长椎弓根螺钉在未延长即延长0mm，以及延长2mm、3mm、4mm和5mm时极限载荷分别为1468.7±105.4N、1325.0±88.5N、1272.7±95.8N、1231.4±76.3N和1187.1±82.4N,分体延长椎弓根螺钉较同等规格普通椎弓根螺钉的极限载荷分别降低了23.8％、31.2％、34.0％、36.1％和38.4％，差别均有统计学意义(p＜0.05)。分体延长椎弓根螺钉均为内部连接杆折断，同时折断的位置均为有螺纹与无螺纹交接区。螺钉延长性能:椎弓根截断前原始椎管的平均正中矢状径为11.28±0.71mm。螺钉延长2mm、3mm、4mm和5mm后，椎管的正中矢状径分别为12.61±0.86mm、13.52±0.82mm、14.45±0.79mm和15.10±0.85mm，相当于螺钉每延长1mm，椎管的正中矢状径增加0.75mm。轴向拔出力实验:普通椎弓根螺钉在完整椎体内的平均拔出力712.3±121.1N，分体延长椎弓螺钉置入椎弓根截断椎体后的平均拔出力为574.2±117.6N，二者比较有统计学差异(p＜0.05)。普通椎弓根螺钉在椎弓根中的平均拔出力为409.7±69.3N，仅椎体部分的平均拔出力为337.9±73.4N，分体延长椎弓根螺钉在椎弓根中的平均拔出力435.4±72.7N，仅椎体部分的平均拔出力为321.6±64.5N，比较均无统计学差异(p＞0.05)。有限元分析结果。分体延长椎弓根螺钉的应力:椎弓根延长后，在不同工况条件下，前屈状态下螺钉所受Von Mises应力最小，后伸状态下螺钉所受VonMises应力最大，且随延长长度增加而增大。后伸状态下，L4椎弓根每延长1mm，螺钉应力平均增加32.7Mpa。关节突的应力:当L4椎弓根分别延长2mm、3mm、4mm和5mm后，前屈、后伸、侧弯和扭转时L2和L3上关节突受力较延长前正常腰椎接近。L4上关节突受力较延长前增加，且随延长长度增加而增加，L5上关节突受力较延长前减小，且随延长长度增加而减少。L4椎弓根每延长1mm，L4上关节突受力平均增加5.5％。腰椎活动度:将L4椎弓根分别延长2mm、3mm、4mm和5mm后，前屈、后伸、侧弯和扭转时L1-2和L2-3的ROM与延长前正常腰椎接近，L3-4的ROM较延长前减小，且随延长长度增加而减小;L4-5的ROM较延长前增大，且随延长长度增大而增大。L4延长后整体腰椎活动度较延长前略减小。 结论：影像学测量验证了腰椎椎弓根延长术可明显增加椎管面积和椎间孔面积。设计的分体延长椎弓根螺钉，可以实现延长椎弓根扩大椎管面积的目的。三维有限元分析显示腰椎椎弓根延长术对腰椎的整体活动影响很小;术后分体延长椎弓根螺钉受力很小，远小于TC4钛合金的屈服强度，可以满足固定要求;椎弓根截断的椎体上关节突随延长长度增加受力明显增加。分体延长椎弓根螺钉样品的机械强度虽然较普通椎弓根螺钉低，但可以满足设计要求。分体延长椎弓根螺钉置入椎体后，椎管的正中矢状径增加小于螺钉的延长长度。分体延长椎弓根螺钉在全椎体内的拔出力较普通椎弓根螺钉低，在椎弓根内和仅椎体内二者相近，椎弓根截断对分体延长椎弓根螺钉的拔出力有一定的影响。