骨科金屬植入物有限元分析資料注冊

1、骨科金屬植入物有限元分析資料注冊技術(shù)審查指導原則（征求意見稿）本指導原則旨在為注冊申請人在使用有限元工具輔助對產(chǎn)品進行性能研究并用于產(chǎn)品注冊申報時提供參考，同時也為審評機構(gòu)對注冊申報資料的技術(shù)審評提供技術(shù)指導。本指導原則系對骨科金屬植入物有限元分析資料的一般要求，注冊申請人應(yīng)依據(jù)具體情形對注冊申報資料的內(nèi)容進行充實和細化，并確定其中的具體內(nèi)容是否適用。本指導原則是對注冊申請人和審評人員的技術(shù)指導性文件，不包括注冊審批所涉及的行政事項，亦不作為法規(guī)強制執(zhí)行。如果有其他科學合理的替代方法，也可以采用，但是需要提供詳細的研究資料和驗證資料。應(yīng)在遵循相關(guān)法規(guī)和標準的前提下使用本指導原則。本指導原則是在

2、現(xiàn)行法規(guī)和標準體系以及當前認知水平下制訂的，隨著法規(guī)和標準的不斷完善，以及科學技術(shù)的不斷發(fā)展，本指導原則相關(guān)內(nèi)容也將進行適時的調(diào)整。一、適用范圍本指導原則是針對骨科金屬植入物在產(chǎn)品設(shè)計階段和驗證階段，圍繞產(chǎn)品的力學性能所開展相關(guān)的有限元分析研究，包括在產(chǎn)品設(shè)計階段過程中對器械臨床受力情況的模擬，判斷器械可能的應(yīng)力集中情況和設(shè)計合理性；對于在設(shè)計階段對器械結(jié)構(gòu)的調(diào)整，有限元分析方法可用于評價已完成真實試驗的樣品是否可代表設(shè)計定型產(chǎn)品的最差情形或典型性；或在完成產(chǎn)品設(shè)計定型后，利用有限元分析方法在具有不同型號、規(guī)格的申報產(chǎn)品中進行性能最差情形樣品的選擇，用以確定進行真實試驗的樣品型號規(guī)格。有限元分

3、析結(jié)果僅對產(chǎn)品的性能研究起到輔助作用，不能夠替代產(chǎn)品性能研究的真實試驗。二、有限元分析資料申報產(chǎn)品提交的有限元分析資料應(yīng)包含但不限于以下內(nèi)容，資料中所使用的術(shù)語建議參考GB/T 33528-2017機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元通用分析規(guī)則：（一）有限元分析的目的與評價指標明確有限元分析的對象、目的及分析結(jié)果的評價指標或評價原則，提供評價指標或評價原則的確定依據(jù)。（二）有限元模型的建立依據(jù)有限元分析模型需依據(jù)產(chǎn)品相關(guān)試驗方法標準，或產(chǎn)品植入人體后真實力學環(huán)境制定。應(yīng)提供預(yù)期建立的有限元模型的依據(jù)。若參考現(xiàn)行標準、公開發(fā)表的論文和專利等文件建立有限元模型，應(yīng)說明參考理由，并明確所建立的有限元模型與參考資料在

4、關(guān)鍵要素上的一致性和差異，以及與申報產(chǎn)品的相關(guān)性。若無參考模型，則應(yīng)明確所建立的有限元模型與申報產(chǎn)品在服役過程中關(guān)鍵要素上的一致性和差異。以上關(guān)鍵要素上包括但不僅限于幾何模型、載荷、邊界條件、裝配與接觸定義。（三）有限元分析所使用的軟件和硬件明確開展有限元分析工作所使用的所有軟件系統(tǒng)，包括有限元分析軟件、幾何結(jié)構(gòu)建立軟件、網(wǎng)格劃分軟件等。若使用廣泛使用的商業(yè)軟件的現(xiàn)行版本，則提供軟件名稱和所用版本。對于非商用、專用工具或用戶修改后的商業(yè)軟件，應(yīng)證明軟件工具的有效性、適用性和局限性。明確開展有限元分析工作所使用的硬件平臺的基本配置信息。包括但不限于CPU主頻、參與運算的CPU內(nèi)核數(shù)量、參與運算的

5、內(nèi)存容量。（四）有限元分析的產(chǎn)品及型號規(guī)格明確有限元分析可包含的所有產(chǎn)品型號規(guī)格。若進行有限元分析的產(chǎn)品未包含所有申報產(chǎn)品型號規(guī)格，需說明縮減原則并闡明縮減原因和依據(jù)。有限元分析資料中的模型和結(jié)構(gòu)需體現(xiàn)所分析的產(chǎn)品特征及型號規(guī)格等信息。（五）有限元模型的建立與驗證在建立模型之前可先判定對于適用部位或適用人群不同的產(chǎn)品是否有必要根據(jù)申報產(chǎn)品的型號規(guī)格對模型模擬的條件進行區(qū)分，對建立的模型進行描述，詳細闡明有限元模型的建立過程，與實際情況存在的差異，有限元分析驗證方法與驗證結(jié)論。具體要求見本指導原則的第三部分。（六）有限元分析與結(jié)論基于有限元分析的評價指標，使用表格、柱狀圖、散點圖、應(yīng)力/應(yīng)變云圖

6、等形式描述有限元分析的結(jié)果，對結(jié)果進行分析評價，并給出結(jié)論或建議。具體要求見本指導原則的第四部分。（七）所有相關(guān)參考文件及支持性文件資料中應(yīng)包含與申報產(chǎn)品的有限元分析工作相關(guān)的所有參考的文獻、專利及其他公開的參考文件。相關(guān)的支持性文件，包括但不僅限于引用的相關(guān)數(shù)據(jù)的來源，如材料屬性；模型的CAD幾何文件；采用自行編寫的求解器，或者基于商業(yè)求解器進行了二次開發(fā)，包括但不限于自定義材料模型、加載方式等子程序/子模塊的開發(fā)，應(yīng)提供相關(guān)驗證文件。三、有限元模型的建立與驗證（一）有限元模型的建立1. 完整的有限元模型建立應(yīng)至少包含以下過程：（1）幾何模型的構(gòu)建（2）本構(gòu)關(guān)系描述（3）材料屬性設(shè)置（4）網(wǎng)

7、格劃分方法（5）設(shè)置分析步（6）模型相互作用定義（7）邊界條件和載荷設(shè)置2. 幾何模型幾何模型可用于模擬申報產(chǎn)品本身，也可模擬體外試驗裝置，也可模擬人體生理環(huán)境。對于僅包含植入物部件的有限元分析，其幾何模型可從所申報產(chǎn)品的CAD幾何文件中獲取。在構(gòu)建有限元模型時，CAD模型中的某些幾何細節(jié)如果能夠證明與預(yù)期需求不相關(guān)，可以對其進行簡化或修改。明確有限元分析所使用的幾何模型的來源（可通過名稱和型號引用CAD幾何文件），若有限元分析所使用的幾何模型與原始模型（即申報產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)）存在差異，需對模型的修改和簡化進行工程評價，并論述其合理性。對于包含申報產(chǎn)品以外多個其他結(jié)構(gòu)的有限元分析，如模擬體外試

8、驗裝置或模擬人體預(yù)期生理環(huán)境，模型的構(gòu)建和（或）處理除應(yīng)包括上述內(nèi)容，還需明確其他部件的作用、引入其他部件的依據(jù)及其他部件的幾何模型來源，說明各部件之間的相對位置關(guān)系。對于模型存在不同的尺寸或配置，請描述建模的尺寸或配置，并提供支持此類尺寸分析的原理。模型應(yīng)體現(xiàn)申報產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)特點，如果分析的產(chǎn)品存在可能影響分析的獨特幾何特征，如表面形貌、多孔結(jié)構(gòu)等，則應(yīng)描述如何在模型中考慮到此類特征。對于構(gòu)建方法，請納入與幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)的局限性和假設(shè)（例如：圖像分辨率和平滑）的相關(guān)信息。3. 本構(gòu)關(guān)系提供產(chǎn)品機械行為的所有本構(gòu)關(guān)系或材料模型的詳細信息，包括產(chǎn)品材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（例如：線性、超彈性、彈性-

9、塑性、粘彈性、多孔彈性），材料的各向同性或各向異性情況?？赏ㄟ^圖形方式和或方程式描述本構(gòu)關(guān)系，包括模型中的非線性材料。若模型包含塑性變形，則應(yīng)描述材料塑性變形（例如：速率依賴性、硬化）的方程式。若模型加載模式為循環(huán)載荷，應(yīng)描述控制漸進式材料損壞（疲勞）和或材料損失的規(guī)則，以及明確任何其他非線性情形（例如：時間相關(guān)的行為、超彈性）。本構(gòu)關(guān)系描述還應(yīng)說明對于材料行為的本構(gòu)關(guān)系的選擇依據(jù)，并論述該本構(gòu)框架的假設(shè)與計算分析相關(guān)的材料行為的一致性。若采用了線性、各向同性模型，則應(yīng)僅有均勻且小的應(yīng)變變形，并且只有在材料應(yīng)力保持低于屈服強度時才應(yīng)排除塑性情況。對本構(gòu)關(guān)系的確認是用于保證模型可無限接近并模擬材

10、料的試驗行為，并且能夠在計算模型中予以正確執(zhí)行。有限元分析時應(yīng)充分利用軟件定義的本構(gòu)關(guān)系和失效準則模型。4. 材料屬性明確輸入到有限元模型中的材料力學特性及其獲取來源，若是從材料力學性能測試中獲取，需提供測試樣品及測試方法描述，若是從文獻或其他公開資料中獲取，需提供資料全文作為附件，并指出本產(chǎn)品與文獻中材料差異及可能產(chǎn)生的影響。對于金屬材料，其材料屬性至少包括彈性模量、泊松比和屈服強度。對于復合材料、多孔材料及局部強化/表面改性材料，需明確在有限元模型中對材料屬性的賦予方式，指出材料屬性來源。對于周圍生物材料，應(yīng)能夠采集到關(guān)于組織生理學的重要情況（例如：健康或患病，年輕或年老，不同適用部位）。

11、由于生物材料的材料特性存在實質(zhì)性變異，建議提供關(guān)于特性的選擇原則，并描述在計算研究中如何考慮到特性的變異。對于產(chǎn)品使用過程中會出現(xiàn)超出彈性或屈服范圍的情況，建議提供材料力學完整曲線或相應(yīng)數(shù)據(jù)，并將其作為材料屬性輸入到有限元模型當中，如金屬材料的塑形變形。注意賦予的材料屬性應(yīng)盡可能代表終產(chǎn)品，若模擬人體生理環(huán)境，生物材料應(yīng)來自于目標患者人群或類似來源。5. 網(wǎng)格劃分（1）單元類型在有限元建模中，根據(jù)分析對象的幾何特點和需求，明確各部件的單元的類型，若存在局部單元類型變化，需明確其具體位置和局部單元類型。推薦在結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、變形和應(yīng)力分布復雜以及計算精度要求高的區(qū)域選用高階單元，其余區(qū)域可選擇低

12、階單元，并且不同階次單元的連接位置應(yīng)使用過渡單元。建議選用四面體或六面體單元，若選用四面體單元，應(yīng)避免使用4節(jié)點四面體單元，建議使用10節(jié)點四面體單元。（2）網(wǎng)格尺寸明確各部件選用的網(wǎng)格尺寸及網(wǎng)格劃分方法，若存在局部網(wǎng)格尺寸變化，需指出其具體位置和局部網(wǎng)格尺寸。建議對關(guān)注區(qū)域的網(wǎng)格進行細化，同時確保單元尺寸平緩過渡，避免因相鄰單元的質(zhì)量和剛度差異造成應(yīng)力集中。網(wǎng)格劃分時應(yīng)保留主要的幾何輪廓線。對于實體網(wǎng)格單元，在結(jié)構(gòu)厚度上應(yīng)確保三層以上。明確指明網(wǎng)格中使用單元的數(shù)量密度，包括過渡區(qū)域或復雜幾何區(qū)域中的任何網(wǎng)格細化或自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，提供模型中的節(jié)點數(shù)。建議使用圖形來描繪網(wǎng)格（相關(guān)比例），尤其是在

13、過渡區(qū)域或復雜幾何形狀區(qū)域以及高應(yīng)力或應(yīng)變區(qū)域。明確所選單元的類型，并論述所選單元適用于進行分析的原因。提供網(wǎng)格細化或收斂分析的詳細信息，以證明結(jié)果與單元大小無關(guān)。明確用于證明結(jié)果的收斂穩(wěn)定性的網(wǎng)格密度數(shù)量（就元素大小而言）。以圖形或表格格式說明網(wǎng)格細化分析的結(jié)果，明確所選擇的用于后續(xù)分析的網(wǎng)格參數(shù)并說明合理依據(jù)。6. 分析步根據(jù)待解決的力學問題，設(shè)置分析步類型，如靜力分析、動力分析。在處理材料非線性問題時，若分析不收斂，可對初始增量步、最大和最小增量步進行適當?shù)脑O(shè)定。7. 定義部件間接觸和約束說明預(yù)期組件相互作用關(guān)系，對于有限元模型中包含的所有相鄰且存在接觸可能的部分，明確存在的接觸關(guān)系，應(yīng)

14、明確各接觸之間接觸屬性的設(shè)置方法，包括但不僅限于接觸面定義方式、接觸算法、表面摩擦系數(shù)及相應(yīng)判定依據(jù)；明確模型中各部分的自由度之間的約束關(guān)系，如綁定約束、剛體約束、耦合約束等。相互作用與分析步有關(guān)，必須明確相互作用是在哪個分析步中起作用。8. 邊界條件和載荷提供關(guān)于系統(tǒng)施加的邊界條件的詳細信息，包括明確所建模型代表的實際工況條件，明確對有限元模型施加的邊界條件的位置和施加方式，并提供邊界條件的設(shè)置依據(jù)。若簡化邊界條件，需提供簡化依據(jù)并論述其不影響模型結(jié)果。明確對有限元模型施加的載荷方式、載荷的作用位置、大小和方向，并提供載荷的設(shè)置依據(jù)。載荷的施加方式不可產(chǎn)生過大應(yīng)力集中而影響結(jié)果的判斷。載荷和

15、邊界條件與分析步也有關(guān)，必須明確載荷和邊界條件在哪些分析步中起作用。對每個分析步，建議明確以下內(nèi)容：（1）提供清晰描繪設(shè)置邊界條件的位置和方向的整體示意圖或圖示。（2）明確指明所應(yīng)用的位移、力、壓力和力矩的三維程度和方向。（3）提供描述每個邊界條件（例如：位移、力、壓力、力矩）能夠代表預(yù)期載荷方案的論據(jù)。（4）描述用于獲得載荷模式和幅度的來源和或方法（例如：文獻數(shù)據(jù)、標準、成像、其他分析方法）。9. 有限元分析中所使用的單位系統(tǒng)有限元分析需使用統(tǒng)一的單位制系統(tǒng)，明確幾何模型、材料屬性、載荷步驟中使用的單位系統(tǒng)，推薦使用SI（mm）單位制系統(tǒng)。（二）有限元建模方法的驗證有限元模型的驗證是用于確保

16、有限元分析模型可實現(xiàn)預(yù)期目的，同時保證有限元建模方法的可靠性以及有限元結(jié)果的有效性。所有有限元模型必須經(jīng)過驗證，才能應(yīng)用于產(chǎn)品的力學分析當中。通過對模型的驗證，分析模型與預(yù)期臨床載荷條件的相關(guān)性、模型和實際情況的差異對結(jié)果的影響、判定模型與實際情況之間保持一致的局限性，評價模型的局限性以及對實際結(jié)果的可預(yù)測性程度。驗證內(nèi)容至少包括以下幾個方面：1. 幾何模型檢查指出有限元分析中使用的幾何模型與實際物理模型之間的差異，針對這些差異提供合理的支持依據(jù)，建議尺寸公差不超過原始尺寸的10%。2. 網(wǎng)格有效性驗證驗證有限元模型劃分網(wǎng)格密度的收斂性，通過對同一模型施加不同網(wǎng)格密度的計算結(jié)果進行對比，排除網(wǎng)

17、格密度對模型結(jié)果的影響，建議在關(guān)注區(qū)域中進行網(wǎng)格收斂性分析，兩次分析誤差應(yīng)模型收斂5%。關(guān)注區(qū)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品幾何形貌特征而選擇，應(yīng)對全部關(guān)注區(qū)域進行網(wǎng)格收斂性分析。3. 材料屬性檢查指出有限元模型中所有部件的材料屬性與真實情況之間可能存在的差異，并論述差異的合理性。4. 邊界條件檢查指出有限元模型中的邊界條件與模型建立依據(jù)之間可能存在的差異，并論述差異的合理性。5. 載荷檢查指出有限元模型中的載荷及其施加方式與模型建立依據(jù)之間可能存在的差異，并論述差異的合理性。6. 接觸屬性檢查在具有多個部件的有限元分析中，需指出有限元模型中的接觸屬性與模型建立依據(jù)之間可能存在的差異，并論述差異的合理性。（三）有

18、限元分析結(jié)果的驗證推薦選擇以下四種方式中至少一種對第一例有限元模型的分析結(jié)果進行驗證，經(jīng)驗證有效性的有限元模型才用于申報產(chǎn)品的有限元分析。以下四種方式中，推薦使用方法1或方法2，方法4不能單獨作為有限元結(jié)果的驗證方法。若采用其他方法對有限元模型進行驗證，需論述方法的合理性及有效性。 1. 數(shù)學模型分析基于理論力學、材料力學或彈性力學基礎(chǔ)，對內(nèi)植物模型進行簡單數(shù)字建模和受力分析，把理論計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比驗證。需給出理論計算的過程與結(jié)果，闡明理論計算結(jié)果和有限元分析結(jié)果之間的差異和導致差異的原因。該模型僅限于簡單幾何形貌樣品和簡單載荷條件。2. 物理實驗驗證根據(jù)所建立的有限元模型，設(shè)

19、置與之相當?shù)奈锢韺嶒?，獲取測試過程中局部或整體的應(yīng)力應(yīng)變或位移等數(shù)據(jù)，與有限元分析結(jié)果進行對比分析，驗證有限元分析結(jié)果的可靠性。在物理實驗的報告中，需指出物理實驗采用的試樣形態(tài)、試樣材料屬性、加載方式、固定方法與有限元模型中幾何模型、材料屬性、載荷、邊界條件的一致性和差異，并論述差異的合理性。3. 與同類產(chǎn)品的研究報告對比若沒有開展物理實驗的條件，需指出沒有條件進行物理實驗的原因。分析結(jié)果與文獻或其他公開資料中的同類產(chǎn)品的有限元分析或?qū)嶒灲Y(jié)果做對比，需指出申報產(chǎn)品的有限元模型與對比資料中的模型或?qū)嶒炘趲缀文Ｐ?、材料屬性、邊界條件、接觸屬性和載荷方面的一致性與差異，指出申報產(chǎn)品的有限元分析結(jié)果與

20、對比資料中的結(jié)果的一致性與差異，并論述差異的合理性。4. 常識性判斷根據(jù)基礎(chǔ)力學知識，對應(yīng)力峰值發(fā)生的位置和峰值應(yīng)力大小的合理性進行論證。注意常識性判斷不能單獨作為有限元結(jié)果的驗證方法。（四）有限元模型的應(yīng)用在具有相同功能和幾何特點的同類型產(chǎn)品中任一產(chǎn)品的有限元建模方法和有限元分析結(jié)果經(jīng)驗證后，該建模分析方法可等同使用于同類產(chǎn)品其他型號規(guī)格的分析。對于同類產(chǎn)品不同型號中存在幾何形貌變化和使用條件的差異，應(yīng)根據(jù)該差異可能產(chǎn)生的影響進行說明。差異較大的產(chǎn)品，需另外建立新的有限元模型。四、有限元結(jié)果的分析（一）后處理1. 提供關(guān)于每個分析步驟的情況，如變形圖，關(guān)注變量的分析結(jié)果（如應(yīng)力、應(yīng)變），關(guān)注

21、矢量結(jié)果的大小和方向（如各節(jié)點），材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的臨界應(yīng)力或應(yīng)變曲線圖，接觸面之間相互作用的接觸圖等。2對于單軸加載的情況，建議提供如下相關(guān)說明（1）明確失效準則，并提供圖形或方程，明確安全系數(shù)是如何計算的。（2）提供數(shù)值并以圖形方式顯示臨界應(yīng)力、應(yīng)變、力或位移的位置。（3）提供安全系數(shù)報告，包括提供表格來說明每種情況下的安全系數(shù)（即器械尺寸、載荷模式和分析步驟），以圖形方式顯示最小安全系數(shù)在器械上的位置。3. 對于疲勞評價，建議提供相關(guān)說明：（1）描述用于計算平均和交替應(yīng)力應(yīng)變（例如：標量、張量）的方法。（2）明確循環(huán)載荷是否導致了主方向的旋轉(zhuǎn)。（3）以圖形方式顯示臨界平均值和交替應(yīng)力

22、或應(yīng)變的位置。（4）明確疲勞曲線，并提供圖形或方程，明確疲勞安全系數(shù)是如何計算的。（5）提供疲勞安全系數(shù)報告，包括提供表格來明確說明每種器械尺寸、載荷模式和分析步驟的臨界平均值和交替應(yīng)力應(yīng)變以及由此得出的安全系數(shù)；以圖形方式顯示最小安全系數(shù)在器械上的位置。在點云圖上繪制平均值和或交替應(yīng)力應(yīng)變曲線，并納入疲勞曲線（如適用）。4. 對于其他分析類型（例如：振動或屈曲），建議提供所有相關(guān)結(jié)果，包括臨界應(yīng)力或應(yīng)變及其在器械上的位置，并且描述用于評價安全性和或性能的任何后處理技術(shù)。如果對多個載荷模式進行了單獨建模，建議說明原理并論述每種載荷模式的應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)疊加的影響（例如：臨界應(yīng)力或應(yīng)變的位置、方向

23、和相位）。（二）有限元結(jié)果的呈現(xiàn)方式根據(jù)產(chǎn)品性能需求制定有限元分析評價指標，在有限元分析結(jié)果中選取相應(yīng)的評價參數(shù)進行呈現(xiàn)，指出被選取的評價參數(shù)與評價指標之間的關(guān)系。評價參數(shù)可能包括最大主應(yīng)力、馮米塞斯應(yīng)力和形變等一種或多種，如：對于以拉應(yīng)力斷裂為破壞形式的試驗方案，如四點彎曲疲勞，應(yīng)對比最大主應(yīng)力；對于以扭轉(zhuǎn)斷裂為破壞形式的試驗方案，如螺釘扭轉(zhuǎn)測試，應(yīng)對比最大剪應(yīng)力；對于靜態(tài)彎曲試驗，則應(yīng)對比馮米塞斯應(yīng)力。對于不清楚失效模式的情況，建議數(shù)種結(jié)果一起進行對比。對于每個有限元模型，提供變形圖、云紋圖和矢量圖，提供X-Y曲線圖，對各圖應(yīng)進行相應(yīng)結(jié)果描述，云紋圖應(yīng)至少包括評價參數(shù)的在植入物上的整體分布和關(guān)注區(qū)域的局部放大圖，云紋圖需包含圖例，且標記最大值所在位置和大小