附件：骨科金屬植入物有限元分析資料注冊技術審查指導原則（2020年第48號）.doc

骨科金屬植入物有限元分析資料注冊技術審查指導原則
（2020年第48號）

本指導原則旨在為注冊申請人在使用有限元工具輔助產(chǎn)品力學性能研究并用于產(chǎn)品注冊申報時提供參考，同時也為審評機構對注冊申報資料的技術審評提供技術指導。

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。應在遵循相關法規(guī)和標準的前提下使用本指導原則。

本指導原則是在現(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，以及科學技術的不斷發(fā)展，本指導原則相關內(nèi)容也將進行適時的調整。

一、適用范圍

本指導原則適用于采用不可降解的金屬材料制造的骨科植入物產(chǎn)品。用于在產(chǎn)品設計階段和驗證階段，圍繞產(chǎn)品的力學性能所開展相關的有限元分析研究，包括在產(chǎn)品設計階段過程中對器械體內(nèi)受力情況的模擬，判斷器械設計合理性；或在設計階段完成物理試驗研究后發(fā)生設計變更，利用有限元分析方法評價物理試驗所使用的樣品是否可代表設計變更后產(chǎn)品的力學最差情形或典型性；或在產(chǎn)品設計定型后，利用有限元分析方法確定不同型號、規(guī)格的產(chǎn)品力學性能最差情形的試驗樣品的型號規(guī)格。

有限元分析結果僅作為產(chǎn)品力學性能和評價的參考，輔助用于產(chǎn)品力學性能研究，在產(chǎn)品進行力學性能研究時，不能僅通過提交有限元分析報告替代所開展的實際物理試驗結果。

其他采用有限元分析的研究，如運動功能、生物功能等，可參考本指導原則適用的部分。

二、有限元分析資料

申報產(chǎn)品提交的有限元分析資料應包含但不限于以下內(nèi)容，資料中所使用的術語建議參考GB/T 33528-2017《機械產(chǎn)品結構有限元通用分析規(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)，即明確評價指標與產(chǎn)品相應性能評價之間的關系。

（二）有限元模型的建立依據(jù)

有限元分析模型可依據(jù)產(chǎn)品相關試驗方法標準，或體內(nèi)受力環(huán)境建立，同時提供依據(jù)說明合理性。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，應說明參考理由，并明確所建立的有限元模型與參考資料在關鍵要素上的一致性和差異，以及與申報產(chǎn)品的相關性。若無相關參考，則應明確所建立的有限元模型與申報產(chǎn)品在服役過程中關鍵要素上的一致性和差異。以上關鍵要素上包括但不僅限于幾何模型、裝配、材料屬性、網(wǎng)格劃分、邊界條件、接觸定義、約束定義。

（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、幾何結構建立軟件、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構需體現(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，有限元模型的驗證與驗證結論。具體內(nèi)容及要求見本指導原則的第三部分。

（六）有限元分析與結論

基于有限元分析的評價指標，使用表格、柱狀圖、散點圖、應力/應變云圖等形式描述有限元分析的結果，對結果進行分析評價，并給出結論。具體內(nèi)容及要求見本指導原則的第四部分。

（七）所有相關參考文件及支持性文件

資料中應包含與申報產(chǎn)品的有限元分析工作相關的所有參考的文獻、專利及其他公開的參考文件。

相關的支持性文件，包括但不僅限于引用的相關數(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)，應提供相關驗證文件。

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至少包含以下過程：

（1）幾何模型的構建；

（2）本構關系描述；

（3）材料屬性設置；

（4）網(wǎng)格設置；

（5）設置分析步；

（6）定義部件間接觸和約束；

（7）定義邊界條件和載荷。

2. 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)，在建立有限元模型之前，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)。

3. 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，也可模擬體內(nèi)受力環(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)如果能夠證明與預期需求不相關，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)品的實際結構）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)品以外多個其他結構的有限元分析，如模擬體外試驗裝置或模擬體內(nèi)受力環(huán)境，模型的構建和處理除應包括上述內(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。模型應體現(xiàn)申報產(chǎn)品本身的結構特點，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、多孔結構等，則應描述如何在模型中考慮到此類特征。對于構建方法，請納入與幾何結構相關的局限性和假設（例如：圖像分辨率和平滑）的相關信息。

4. 本構關系

提供產(chǎn)品力學行為的所有本構關系或材料模型的詳細信息，如產(chǎn)品材料的應力-應變關系（例如：線性、超彈性、彈性-塑性、多孔彈性），材料的各向同性或各向異性情況，若與時間相關，建議考慮相關因素。可通過圖形方式和/或方程式描述本構關系，包括模型中的非線性材料。若模型包含塑性變形，則應描述材料塑性變形（例如：速率依賴性、硬化）的方程式。必要時，可考慮動態(tài)效應，應考慮與材料、結構變化的相關因素。

本構關系描述還應說明對于材料行為的本構關系的選擇依據(jù)，并論述該本構框架的假設與計算分析相關的材料行為的一致性。若采用線性、各向同性模型，則應僅有均勻且小的應變變形，并且只有在材料應力保持低于屈服強度時才應排除塑性情況。對本構關系的確認是用于保證模型可無限接近并模擬材料的試驗行為，并且能夠在計算模型中予以正確執(zhí)行。有限元分析時應充分利用軟件定義的本構關系和失效準則模型。

5. 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，并明確本產(chǎn)品與文獻中材料差異及可能產(chǎn)生的影響。

對于植入物的金屬材料，其材料屬性至少包括彈性模量、泊松比和屈服強度。金屬多孔材料或局部強化/表面改性材料，需明確在有限元模型中賦予的材料屬性，給出材料屬性賦值的確定依據(jù)。

對于有限元模型中除植入物以外的環(huán)境模型的材料屬性，如模擬物理試驗環(huán)境或模擬植入物周圍的體內(nèi)受力環(huán)境。若模擬植入物周圍的體內(nèi)受力環(huán)境，應考慮宿主組織的材料屬性所包括的植入物預期植入的病生理、病理、植入部位等影響生物力學性能的因素。若建立骨模型，應至少考慮皮質骨和松質骨的材料屬性。建議提供關于材料屬性的選擇原則和來源，明確在有限元模型中對相關材料屬性的賦予方式。對于模擬物理試驗環(huán)境中采用的其他金屬材料，可參照植入物的要求明確相關信息。

若產(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盡可能代表終產(chǎn)品的材料特性或模擬物理試驗環(huán)境或體內(nèi)受力環(huán)境。

6. 網(wǎng)格設置

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。建議在結構形狀不規(guī)則、變形和應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)域可選擇低階單元，并且不同階次單元的連接位置應使用過渡單元。建議選用四面體或六面體單元，若選用四面體單元，可優(yōu)先考慮使用10節(jié)點四面體單元，在滿足預測精度要求的前提下可以考慮4節(jié)點四面體單元減少計算時間。

明確各部件選用的網(wǎng)格尺寸，若存在局部網(wǎng)格尺寸變化，需明確其具體位置和局部網(wǎng)格尺寸。建議對關注區(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量和剛度差異造成應力集中。網(wǎng)格劃分應能保證幾何模型輪廓盡量不受影響，網(wǎng)格質量不應降低。對于薄壁等結構的網(wǎng)格單元，在結構厚度上應確保計算精度，提供相關單元確定、網(wǎng)格劃分的依據(jù)和分析過程。

明確模型使用單元的數(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)格細化或自適應網(wǎng)格，明確模型的節(jié)點數(shù)。建議使用圖形來描繪網(wǎng)格（相關比例），尤其是在過渡區(qū)域或復雜幾何形狀區(qū)域以及高應力或應變區(qū)域。

提供網(wǎng)格細化或收斂分析的詳細信息，尤其對于過渡區(qū)域（如幾何形狀突變）的網(wǎng)格質量，以圖形或表格格式說明網(wǎng)格敏感性分析的結果，提供保證結果的收斂穩(wěn)定性的網(wǎng)格密度數(shù)量（就單元大小而言）及相關合理性依據(jù)。若相關網(wǎng)格處理認為與有限元分析目的無關，需進行簡要說明。

7. 分析步

根據(jù)待解決的力學問題，可在計算中設置多個分析步，明確各分析步的類型，如靜態(tài)分析和動態(tài)分析。在處理材料非線性問題時，若分析不收斂，需對其原因進行分析，對分析步做出相應調整。

在進行動態(tài)力學分析時，需明確慣性和阻尼參數(shù)設置，明確合適的動態(tài)分析求解方法，確定分析步類型。對于每個分析步中各項條件的設置（如邊界條件、載荷、接觸、約束等）和分析過程是如何實現(xiàn)動態(tài)力學分析的應進行相應說明。

8. 定義部件間接觸和約束

說明組件間的接觸定義和約束條件信息。對于有限元模型中包含的所有相鄰且存在可能接觸的部分，明確存在的接觸關系及接觸屬性的設置方法，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)及相應判定依據(jù)；對于有限元模型中相鄰組件相對位置不變的非接觸情況，明確各組件間的約束關系，如綁定約束、剛體約束、耦合約束等。

設置模型中的接觸定義和約束條件需提供詳細的理由，且與分析步有關，必須明確相互作用是在哪個分析步中起作用。

9. 邊界條件和載荷

邊界條件通常包括施加的作用力、位移等，應提供關于系統(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，明確對有限元模型邊界條件加載位置、加載方式、大小和方向，并提供邊界條件的設置依據(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果。

應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，并提供載荷的設置依據(jù)。載荷的施加方式不可在施加載荷的區(qū)域產(chǎn)生過大應力集中而影響結果的判斷。

載荷和邊界條件與分析步有關，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）明確指明所應用的位移、力、壓力和力矩的大小和方向、加載位置和方式。

（3）提供描述每個載荷條件（例如：位移、力、壓力、力矩）能夠代表預期載荷、位移等方案的論據(jù)。

（4）描述用于獲得載荷、位移數(shù)據(jù)的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）。

（二）有限元建模方法的驗證

有限元模型的驗證是用于確保有限元分析模型可實現(xiàn)預期目的，同時保證有限元建模方法的可靠性以及有限元結果的有效性。所有有限元模型必須經(jīng)過驗證，才能應用于產(chǎn)品的力學性能分析當中。通過對模型的驗證，分析模型與預期臨床載荷條件的相關性、模型和實際情況的差異對結果的影響、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果的可預測性程度。

驗證內(nèi)容至少包括以下幾個方面：

1. 幾何模型檢查

明確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)。

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)格密度的計算結果進行對比，排除網(wǎng)格密度對模型結果的影響，建議在關注區(qū)域中進行網(wǎng)格敏感性分析，兩次分析誤差應≤5%。

關注區(qū)應根據(jù)產(chǎn)品幾何形貌特征而選擇，應對全部關注區(qū)域進行網(wǎng)格收斂性分析。

3. 材料屬性檢查

明確有限元模型中所有部件的材料屬性與終產(chǎn)品、模擬的物理試驗環(huán)境或模擬體內(nèi)受力環(huán)境中所采用的各材料之間可能存在的差異，并論述差異的合理性。

4. 邊界條件和載荷的檢查

明確有限元模型中的邊界條件和載荷與模型建立依據(jù)之間可能存在的差異，并論述差異的合理性。特別是載荷與位移的加載位置、方式、大小和方向與模型建立依據(jù)之間可能存在的差異，并論述差異的合理性。

5. 接觸屬性和約束定義檢查

在具有多個部件的有限元分析中，需明確有限元模型中的接觸屬性、約束與模型建立依據(jù)之間可能存在的差異，并論述差異的合理性。

6. 分析與輸出設置檢查

檢查分析步參數(shù)設置是否滿足分析目的，輸出參數(shù)設置是否滿足評價指標的要求。

（三）有限元分析結果的驗證

對于以相同建模方式建立多個有限元模型，如相同型號不同規(guī)格的產(chǎn)品，則至少應對其中一個有限元模型的分析結果進行驗證，經(jīng)驗證有限元模型可有效反映實際情況的才用于申報產(chǎn)品的有限元分析。推薦使用如下方法，若認為有限元模型已具備可靠性，無需驗證，需提供合理的理由說明，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，對申報產(chǎn)品有限元模型進行簡單數(shù)字建模和受力分析，把理論計算結果與有限元分析結果進行對比驗證。需給出理論計算的過程與結果，闡明理論計算結果和有限元分析結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. 物理試驗驗證

采用物理試驗驗證，物理試驗邊界條件施加方式應與所建立的有限元模型原則上保持一致，獲取測試過程中局部或整體的應力-應變或位移等數(shù)據(jù)，與有限元分析結果進行對比分析，驗證有限元分析結果的可靠性。

在物理試驗的報告中，需明確物理試驗采用的試樣形態(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、邊界條件、載荷、接觸和約束等方面的一致性和差異，若存在差異，需說明差異的合理性。

3. 與同類產(chǎn)品的研究報告對比

采用與同類產(chǎn)品的研究報告對比驗證，需明確申報產(chǎn)品的有限元模型與同類產(chǎn)品的研究報告中的模型在幾何模型、材料屬性、邊界條件、載荷、接觸和約束等方面的一致性與差異，可采用同類產(chǎn)品的研究報告進行對比的依據(jù)，通過對比申報產(chǎn)品的有限元分析結果與同類產(chǎn)品的研究報告的結果的一致性與差異，論述申報產(chǎn)品有限元模型的可靠性。

（四）有限元模型的應用

在具有相同功能和幾何特點的同型號產(chǎn)品中任一規(guī)格的有限元建模方法和有限元分析結果經(jīng)驗證后，該建模分析方法可等同使用于同型號其他規(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、有限元結果的分析

（一）后處理

1. 簡要描述關于每個分析步驟的情況，對關鍵分析步需提供詳細信息，如變形圖，關注變量的分析結果（如應力、應變），關注矢量結果的大小和方向（如各節(jié)點），材料應力-應變曲線上的臨界應力或應變曲線圖，接觸面之間相互作用的接觸圖等。

2. 若為靜態(tài)力學模型，建議提供如下相關說明：

（1）考慮失效準則，并提供相關分析資料。

（2）若適用，明確安全系數(shù)，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)（如器械尺寸、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）提供數(shù)值并以圖形方式表示應力、應變、位移等相關信息。

3. 若為動態(tài)力學模型（如疲勞），建議提供模型建立過程中詳細的參數(shù)設置和有限元結果的相關說明。

4. 對于其他分析類型（例如：振動或屈曲），建議提供所有相關結果，包括臨界應力或應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。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力或應變狀態(tài)疊加的影響（例如：臨界應力或應變的位置、方向和相位）。

（二）有限元結果的呈現(xiàn)方式

根據(jù)產(chǎn)品性能需求制定有限元分析評價指標，在有限元分析結果中選取相應的評價參數(shù)進行呈現(xiàn)，明確被選取的評價參數(shù)與評價指標之間的關系。評價參數(shù)可能包括最大主應力、馮·米塞斯應力和形變等一種或多種，如：對于以拉應力斷裂為破壞形式的試驗方案，如四點彎曲疲勞，應對比最大主應力；對于以扭轉斷裂為破壞形式的試驗方案，如螺釘扭轉測試，應對比最大剪應力；對于靜態(tài)彎曲試驗，則應對比馮·米塞斯應力。對于不清楚失效模式的情況，建議數(shù)種結果一起進行對比。

對于每個有限元模型，需根據(jù)有限元分析目的，提供相關的數(shù)據(jù)結果，如變形圖、云圖、矢量圖、X-Y曲線圖等，對圖形信息進行相應結果描述，云圖應至少包括評價參數(shù)的在植入物上的整體分布和關注區(qū)域的局部放大圖，云圖需包含圖例，且標記最大值所在位置和大小。根據(jù)有限元分析的目的，可采用表格方式呈現(xiàn)所有申報產(chǎn)品規(guī)格型號的評價參數(shù)。

（三）有限元結果分析與最差樣品確定

基于有限元分析的目的和有限元分析結果，結合有限元分析指標，給出相應結論及建議。

通常模型的建立與實際情況存在一定程度上的差異和簡化，應將差異和簡化對結果的影響納入有限元分析當中，對有限元分析結果的可靠性進行評價。

若有限元分析用于在同類產(chǎn)品中選擇最差/典型樣品，同類產(chǎn)品是指具有相同功能和相似幾何外形的一系列產(chǎn)品規(guī)格型號，故需明確同類產(chǎn)品所包括的具體的產(chǎn)品規(guī)格型號，闡明同類產(chǎn)品所具有的共性特征和分類依據(jù)。

最差樣品選擇：明確最差樣品的篩選規(guī)則，并說明理由，例如選取馮·米塞斯應力最大的產(chǎn)品為最差樣品。需要注意的是應力最大值通常會出現(xiàn)在約束部位，在進行應力分析時應避開這些部位，重新選擇應力較大的點位。在同類產(chǎn)品中，若最差樣品的評價參數(shù)與其他任一樣品之間的相對差值小于一定范圍，則應分析導致該差異的原因，是否由結構差異導致，若不是，則認為這兩個樣品之間無明顯差異，可通過多種因素對最差樣品進一步選擇，可考慮的因素包括但不僅限于樣品在其他性能方面的計算結果、樣品的幾何特征在同類型產(chǎn)品中的代表性、樣品使用壽命等因素。

以上相對差值范圍推薦為5%。

一般用于力學性能研究時，試驗樣品應為力學性能最差的情形，但基于產(chǎn)品在臨床的風險受益，生產(chǎn)企業(yè)有時選擇的典型樣品而非最差樣品，進行力學性能評價。若選擇典型樣品，按照最差樣品選擇要求，應明確典型樣品的篩選規(guī)則，并說明理由。

五、參考文獻

1. 《醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例》（中華人民共和國國務院令第680號）

2. 《醫(yī)療器械注冊管理辦法》（國家食品藥品監(jiān)督管理總局令第4號）

3. 《無源植入性醫(yī)療器械產(chǎn)品注冊申報資料指導原則》（食藥監(jiān)辦械函〔2009〕519號）

六、編寫單位

本指導原則由國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術審評中心編寫并負責解釋。