相比较传统的前路减压植骨融合术，人工颈椎间盘置换术在治疗颈椎间盘退化等颈椎病方面优势明显。但该术式并未得到广泛推广，这主要是由于目前的手术方法对医生的手术经验要求较高，而手术完成的效果对病人术后颈椎节段活动度的维持、置入间盘长期有效的发挥作用具有重要影响。课题结合国家“863”计划项目“机器人辅助人工颈椎间盘置换手术系统研究”，运用有限元方法对颈椎生物力学特性进行研究，可以为医生提供直观、丰富的颈椎生物力学信息，降低手术对医生经验的依赖；对颈椎骨终板切削时的力学和温度特性进行研究，可以为提高机器人辅助颈椎间盘置换手术系统在面向临床使用时的可操作性和准确性提供指导。本文在分析人体颈椎解剖结构和生物学特性的基础上，通过颈椎CT数据三维模型重建、三角面片模型光滑处理、模型轮廓线探测及子区域划分、曲面片和格栅构建及曲面拟合，得到人体颈椎C5-C6节段精确的椎骨模型，并采用Gilad测量方法对重建效果进行评估。建立包含颈椎骨、韧带和椎间盘的颈椎有限元模型，研究对颈椎运动起限位作用的关节突关节接触问题，并采用负载-位移曲线方法对有限元模型进行验证。为了进行颈椎生物力学的对比研究，在所建立的颈椎有限元模型基础上参考融合术和间盘置换术对模型进行修正，对正常组、融合组和置换组施加相同的约束和载荷，观察颈椎活动度、韧带内力、椎体内应力、椎间盘内应力。对颈椎终板切削的物理过程进行模型简化，利用平面正交切削模型模拟颈椎骨终板切削，采用ALE算法解决切削有限元仿真中的大变形模拟问题。根据人体颈椎终板结构与生化成分及其力学特性，采用Johnson-Cook材料本构模型模拟颈椎骨终板特性，以自动单面接触的形式定义终板-刀具接触摩擦，以有效应变作为切屑分离准则。设定切削参数进行有限元仿真，获得颈椎终板平面正交切削时的内应力分布、切削力大小、表面残余应力及塑性应变和切削温度的仿真结果，以及切削力和切削温度随切削速度的变化情况。以动物脊骨标本为实验对象，使用已开发的基于并联机器人的手术平台、滚珠丝杆导轨和六维力/力矩传感器等设备进行终板切削实验。设定不同转速和进给速度，获取切削实验过程中切削力的实时变化数值，验证颈椎骨切削有限元仿真结果并分析误差原因。