聚焦于脛骨近端嚴重骨缺損患者的關節重建假體的設計與驗證。目前對于此類患者，臨床上通常選擇鉸鏈膝關節假體進行重建，但術后假體生存率并不理想。本研究提出利用拓撲優化和網格化技術設計一種新型的個體化定制脛骨重建假體，從而提高假體的生物力學性能，為臨床假體設計提供新的思路。本研究通過三維重建技術完成脛骨非均質仿真建模；通過步態分析獲取完整步態周期內脛骨平臺受力依據；通過拓撲優化技術及梯度化網格設計完成定制化假體的結構優化；通過有限元分析技術完成假體與骨系統的生物力學分析；通過3D金屬打印完成假體的制造，并利用生物力學實驗完成生物力學的驗證。

根據研究結果顯示，優化后假體減重77%，假體柄遠端應力峰值下降39.1%，柄遠端微動降低49.7%，脛骨應力及應變能峰值分別增大39.6%和61.5%，說明優化后假體與骨之間的應力屏蔽效應顯著降低，遠期發生假體松動、假體周圍骨折及假體柄遠端疼痛的風險被有效避免，假體的生物力學性能得到優化。

圖1 脛骨非均質建模（A），步態分析獲取關節力（B），假體及脛骨有限元模型（C）

圖2 假體的拓撲優化設計和網格化設計（A，B）以及假體柄和脛骨有限元分析（C，D）

圖3 假體柄應力分布（A，C）以及脛骨應力分布（B，D）