骨骼的解剖结构与其所处的力学环境息息相关,“应力对骨的改变、生长和吸收起着调节作用,骨的生长、发育、萎缩,与应力的大小/方向直接有关。人体运动信息是人体骨肌运动系统和神经控制系统等多方面综合运动功能的宏观反映,人体不同的运动功能障碍/疾病和康复水平在运动信息中都有所反映;同样,人体的运动会使得人体骨骼所处的力学环境发生变化,长期的骨骼应力环境的改变又会导致骨组织形态的发生变化。针对骨关节病患者,由于假体的植入改变了人体骨骼的天然结构及其力学传递方式,从而使得骨骼的应力分布也发生改变,术后经长时间骨骼生长,骨的形态都将发生变化,诱发骨质增生、溶解、远期畸变等现象,导致假体松动或破坏。　　 本文基于人体运动学、骨骼解剖形态的生物力学特征以及骨生长过程的骨重建仿真三方面出发,从骨骼的力学环境、整体骨的解剖形态宏观分析、以及细胞应力-尘长关系和骨骼的微观解剖结构上分别对人体骨骼解剖形态进行生物力学分析,对假体置换术后的“骨—假体”力学环境,特别是骨组织所处应力环境作出仿真,并对置换后宿主骨的应力分布和主应力线分布进行对比分析,提出基于术后骨生长过程仿真与远期骨态预测的骨关节假体设计原理与方法。本文主要研究内容包括:　　 1)人体运动学分析对平地行走、上下楼梯、弯腰搬物、骑自行车、下蹲、上肢屈曲、咀嚼运动等人们生长过程中最常用、最基本的日常运动,和抓举力量锻炼运动进行运动学分析,了解日常典型运动的运动学信息和抓举运动的运动学信息,了解骨生长过程所处的力学环境。　　 2)人体骨骼解剖形态的生物力学特征分析以肱骨、骨盆、股骨、胫骨及下颌骨等典型骨骼为研究对象,基于“中国力学虚拟人”建立的人体骨骼有限元模型,获取1)中日常典型运动下的相应骨骼的主应力线分布状态,将其与骨磨片(去皮质骨)中显示的松质骨骨小梁的走向进行对比,在整体骨宏观分析的基础上,从生物力学的角度验证了骨的功能适应性原则,对骨的生长过程作出生物力学解释。　　 3)人体骨骼生长过程骨重建仿真采用压应力细胞生物反应器和张应力细胞生物反应器,测定骨细胞在压应力和张应力状态下的生长关系。基于Stanford骨重建理论,并选用Ansys作为骨应力重建的分析软件,采用APDL编写骨重建仿真的迭代程序,以1)中日常典型运动状态为力学环境,对第三椎骨的截面轮廓、股骨近端骨密度分布、人工髋关节置换前后的股骨进行了骨重建仿真,并对骨的应力分布和主应力线分布进行分析,从细胞应力—生长以及骨骼微观结构上,对骨骼生长过程作出生物力学解释。　　 4)基于术后骨生长过程仿真与远期骨态预测的骨关节假体设计原理与方法提出一个新型的人工髋关节设计准则:优良的设计应该是假体置换后,宿主骨的应力以及应力线改变应尽可能的减少,若保持不变则为最佳。并给出了“多孔钛合金整体+钴铬钼合金球面薄壳+组织工程骨”的假体设计方案。利用有限元方法对自然股骨和3种不同设计类型的假体进行有限元分析,证明“多孔钛合金整体+钴铬钼合金球面薄壳+组织工程骨”假体设计方案优于其它设计方案。　　 本文基于骨骼生长过程的力学环境、整体骨的解剖形态宏观分析、以及细胞应力-生长关系和骨骼的微观解剖结构对人体骨骼的生物力学特征和骨生长进行分析,并基于术后骨生长过程仿真与远期骨态预测,提出了骨关节假体设计原理与方法。在人体骨骼的解剖形态的生物力学特征分析、骨关节假体设计等领域具有重要的科学意义和临床价值。