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生物医学工程的迅速发展，带来了人类医疗技术的革命。而病变、事故等原因导致髋关节功能丧失，还是给患者带来了很大的不便。而人工髋关节置换术后的中远期效果还不能令人满意，仍然有无菌性松动等并发症。因此工学和医学界都十分重视人工股骨(特别是髋关节)的研究，此项技术对生物医学工程具有重要意义。在全髋关节置换术中，定制型人工股骨假体由于实现了与股骨髓腔的最佳匹配，因而能更好地适应人体内部的生物力学环境，减小应力遮挡，从而延长了假体的使用寿命。但由于股骨几何形态及股骨材料结构的复杂性，在实际置换应用中，设计一个什么样的假体结构来有效地进行髋关节固定，至今仍缺乏有效依据。
本课题来源于高等学校博士学科点专项科研基金项目(20060611014)。研究的目的是通过建立数字化股骨—假体系统模型，结合骨材料赋值程序与ABAQUS软件及优化设计软件OptiStruct为平台，模拟髋假体固定的生物力学静、动态仿真，以及在仿真基础之上的假体拓扑优化分析，本文的研究主要包括以下几个方面：
①将患者股骨CT图像数据直接导入最新医学工程图像处理软件Simpleware，得到由CT图像组成的股骨的三维空间显示。利用空间采样，剪切，通体，图像分割，滤噪，光顺等操作，导出具有高精度股骨表面图像stl格式文件。
②根据股骨三维反求原理，采用线—面—体的方法，将st1文件导入Imageware中，以1mm的间距对股骨作平行截面，提取轮廓线并进行整体光顺，重新参数化处理，将得到股骨及髓腔轮廓线导入PRO/E中，建立带髓腔的股骨三维实体模型。
③基于接触理论与骨材料赋值研究成果，将前期师兄研制的材料赋值软件与ABAQUS软件建立转化接口，以功能强大的非线性分析软件ABAQUS为平台，针对设计并改进设计的解剖型假体，在静态与步态周期时变载荷作用下，分别探讨了骨水泥与生物学固定髋关节假体的生物力学特性。
④在股骨—假体系统接触有限元计算分析基础上，首次以OptiStruct软件平台，根据载荷的最优传递路线原理，探讨了有应力约束的假体拓扑优化设计新方法。
本文通过模拟骨水泥与生物学固定髋关节假体的生物力学静、动态仿真，以两种假体固定方式评估假体置换前后股骨力学特性的变化规律，为检验假体设计的合理性提供了新方法。并根据载荷的最优传递路线原理，探讨具有应力约束的假体拓扑优化设计新方法。通过对假体结构的拓扑优化设计，为假体的表面结构处理与临床假体选型提供理论依据。