腰椎管狭窄会导致患者椎管内的有效容积减少,从而使椎管内的神经受到压迫,患者会出现一系列的病症,例如下肢疼痛、后腰痛、间歇性跛行等,腰椎管狭窄严重影响病人的生活质量。最常用的治疗腰椎管狭窄的方法是减压手术,并使用内固定系统提高手术节段的稳定性。长期临床随访表明,钉棒内固定系统虽然可以减小伤椎节段的活动度,提高该节段的稳定性,但是钉棒内固定系统会对相邻节段的退变产生积极作用,增加患者再次手术的风险。为了避免此类并发症的出现,棘突间动态稳定器被广泛的使用。目前,许多不同种类的棘突间动态稳定器被用于手术治疗,例如Wallis、X-STOP、DIAM以及Coflex。很多的专家学者使用有限元分析的方法对它们的生物力学特性进行分析,但是从来没有人研究过棘突间动态稳定器StenoFix的生物力学特性,并对它的结构进行拓扑优化。因此,本研究主要研究内容包括:首先,基于CT图像建模法建立完整腰椎有限元模型并验证模型的有效性。通过使用CT断层扫描图像和医学建模软件Mimics,建立L1-L5节段的几何模型;在有限元前处理软件ANSA中划分网格并检查网格质量;在有限元分析软件ABAQUS中为各部分赋予相应的材料属性,并根据相关的体外实验和仿真实验,为模型施加正确的边界条件和载荷。将研究结果与他人的研究结果进行对比,结果表明本文建立的模型是有效的,可以进行后续研究。然后,建立术后有限元模型并进行生物力学特性分析。删除L3和L4椎骨间代表棘间韧带、黄韧带以及局部椎板的单元,并根据L3-L4棘突间的距离选择合适的棘突间撑开器。完成装配后,为术后模型施加适当的边界条件和载荷。研究结果表明,棘突间撑开器可以为手术节段提供各个方向的稳定性,并且不会加速相邻节段的退变。在振动环境下,手术节段纤维环应力和髓核压力的最大值以及振动幅值减小。最后,对棘突间动态稳定器StenoFix进行拓扑优化设计。将模型整体刚度作为优化目标,器械的体积作为约束条件,根据得到的伪密度云图,对结构进行重新设计并分析。结果表明,与优化前的结构相比,优化后的结构提高手术节段稳定性的能力有轻微下降,但在振动环境下,椎间盘应力的最大值和振动幅值明显下降。