随着汽车工业的飞速发展,人们享受着汽车给我们带来便利的同时,各种与汽车相关的疾病也随之逐年增加,驾驶员的健康问题越来越引起我们的关注。调查研究表明,驾驶员中下背痛的患病率约为57%—82%,远高于非驾驶人群,属于驾驶员的常见疾病之一,且驾驶重型工程车辆的驾驶员下背痛患病率高达80%。其中,车辆行驶过程中的振动对人体脊柱有较大影响,其主要原因是行驶过程中的振动激励将引起人体脊柱发生共振,此时,对脊柱的影响以及伤害增加,使椎间盘产生加速退变的效果,造成腰痛的加剧。由于人体椎间盘退行性病变的不可逆性,严重退变的脊椎只能采用手术方法进行治疗,而研究表明传统的植入椎弓根钉的手术方案将会对脊椎造成生理功能性的影响。因此,针对驾驶员下腰部疼痛问题,探讨人体脊椎植入器械后的振动特性影响以及对植入器械的优化设计是本文的主要研究内容,具体包括:首先,对人体健康以及退变腰椎模型进行研究。通过CT扫描技术以及MIMICS软件对人体健康腰椎进行三维重建,并利用ANSA软件对腰椎各结构组织进行有限元网格划分,根据椎间盘退变等级及其生理特点,建立中度退变腰椎模型。在ABAQUS软件中对两模型进行腰椎活动度验证,结果表明本文建立的模型是合理有效的。其次,对植入Coflex-F器械手术腰椎模型进行静态以及动态有限元分析。根据手术要求建立植入器械腰椎有限元模型,提取模拟结果中的腰椎活动度转角进行对比,结果显示植入Coflex-F能够对腰椎各个运动方向起到稳定效果。此外,对腰椎模型进行模态分析以及随机振动响应分析的研究结果表明,发生共振时,Coflex-F的植入能够保护手术节段椎间盘,但能够使邻近节段椎间盘加速退变。最后,对棘间植入器械Coflex-F进行拓扑优化。根据植入Coflex-F静态分析结果,以腰椎模型整体刚度为优化目标,Coflex-F体积为约束条件进行拓扑优化,根据优化结果对Coflex-F进行重新设计并加以验证分析,结果表明,重新设计的Coflex-NEW满足强度要求,并能有效地降低植入节段棘突骨折以及器械损坏的风险。