骨科金屬植入物有限元分析資料注冊技術審查指導原則

（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品進行性能研究并用于產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，注冊申請人應依據具體情形對注冊申報資料的內容進行充實和細化，并確定其中的具體內容是否適用。

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，亦不作為法規強制執行。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。應在遵循相關法規和標準的前提下使用本指導原則。

本指導原則是在現行法規和標準體系以及當前認知水平下制訂的，隨著法規和標準的不斷完善，以及科學技術的不斷發展，本指導原則相關內容也將進行適時的調整。

 

一、適用范圍

本指導原則是針對骨科金屬植入物在產品設計階段和驗證階段，圍繞產品的力學性能所開展相關的有限元分析研究，包括在產品設計階段過程中對器械臨床受力情況的模擬，判斷器械可能的應力集中情況和設計合理性；對于在設計階段對器械結構的調整，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計定型產品的最差情形或典型性；或在完成產品設計定型后，利用有限元分析方法在具有不同型號、規格的申報產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格。

有限元分析結果僅對產品的性能研究起到輔助作用，不能夠替代產品性能研究的真實試驗。

 

二、有限元分析資料

申報產品提交的有限元分析資料應包含但不限于以下內容，資料中所使用的術語建議參考GB/T 33528-2017《機械產品結構有限元通用分析規則》：

（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。

（二）有限元模型的建立依據

有限元分析模型需依據產品相關試驗方法標準，或產品植入人體后真實力學環境制定。應提供預期建立的有限元模型的依據。若參考現行標準、公開發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，以及與申報產品的相關性。若無參考模型，則應明確所建立的有限元模型與申報產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、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，包括有限元分析軟件、幾何結構建立軟件、網格劃分軟件等。若使用廣泛使用的商業軟件的現行版本，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內核數量、參與運算的內存容量。

（四）有限元分析的產品及型號規格

明確有限元分析可包含的所有產品型號規格。若進行有限元分析的產品未包含所有申報產品型號規格，需說明縮減原則并闡明縮減原因和依據。有限元分析資料中的模型和結構需體現所分析的產品特征及型號規格等信息。

（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品是否有必要根據申報產品的型號規格對模型模擬的條件進行區分，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論。具體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，并給出結論或建議。具體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據的來源，如材料屬性；模型的CAD幾何文件；采用自行編寫的求解器，或者基于商業求解器進行了二次開發，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，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）網格劃分方法

（5）設置分析步

（6）模型相互作用定義

（7）邊界條件和載荷設置

2. 幾何模型

幾何模型可用于模擬申報產品本身，也可模擬體外試驗裝置，也可模擬人體生理環境。

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人體預期生理環境，模型的構建和（或）處理除應包括上述內容，還需明確其他部件的作用、引入其他部件的依據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。模型應體現申報產品本身的結構特點，如果分析的產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。

3. 本構關系

提供產品機械行為的所有本構關系或材料模型的詳細信息，包括產品材料的應力-應變關系（例如：線性、超彈性、彈性-塑性、粘彈性、多孔彈性），材料的各向同性或各向異性情況。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。若模型加載模式為循環載荷，應描述控制漸進式材料損壞（疲勞）和／或材料損失的規則，以及明確任何其他非線性情形（例如：時間相關的行為、超彈性）。

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，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。若采用了線性、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。

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，并指出本產品與文獻中材料差異及可能產生的影響。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，應能夠采集到關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）。由于生物材料的材料特性存在實質性變異，建議提供關于特性的選擇原則，并描述在計算研究中如何考慮到特性的變異。對于產品使用過程中會出現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據，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品，若模擬人體生理環境，生物材料應來自于目標患者人群或類似來源。

5. 網格劃分

（1）單元類型

在有限元建模中，根據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。推薦在結構形狀不規則、變形和應力分布復雜以及計算精度要求高的區域選用高階單元，其余區域可選擇低階單元，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，應避免使用4節點四面體單元，建議使用10節點四面體單元。

（2）網格尺寸

明確各部件選用的網格尺寸及網格劃分方法，若存在局部網格尺寸變化，需指出其具體位置和局部網格尺寸。建議對關注區域的網格進行細化，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。網格劃分時應保留主要的幾何輪廓線。對于實體網格單元，在結構厚度上應確保三層以上。

明確指明網格中使用單元的數量／密度，包括過渡區域或復雜幾何區域中的任何網格細化或自適應網格劃分，提供模型中的節點數。建議使用圖形來描繪網格（相關比例），尤其是在過渡區域或復雜幾何形狀區域以及高應力或應變區域。

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。

提供網格細化或收斂分析的詳細信息，以證明結果與單元大小無關。明確用于證明結果的收斂穩定性的網格密度數量（就元素大小而言）。以圖形或表格格式說明網格細化分析的結果，明確所選擇的用于后續分析的網格參數并說明合理依據。

6. 分析步

根據待解決的力學問題，設置分析步類型，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的設定。

7. 定義部件間接觸和約束

說明預期組件相互作用關系，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，明確存在的接觸關系，應明確各接觸之間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、表面摩擦系數及相應判定依據；明確模型中各部分的自由度之間的約束關系，如綁定約束、剛體約束、耦合約束等。

相互作用與分析步有關，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

提供關于系統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置依據。若簡化邊界條件，需提供簡化依據并論述其不影響模型結果。

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，并提供載荷的設置依據。載荷的施加方式不可產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也有關，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）能夠代表預期載荷方案的論據。

（4）描述用于獲得載荷模式和幅度的來源和／或方法（例如：文獻數據、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

有限元分析需使用統一的單位制系統，明確幾何模型、材料屬性、載荷步驟中使用的單位系統，推薦使用SI（mm）單位制系統。

（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過驗證，才能應用于產品的力學分析當中。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，建議尺寸公差不超過原始尺寸的±10%。

2. 網格有效性驗證

驗證有限元模型劃分網格密度的收斂性，通過對同一模型施加不同網格密度的計算結果進行對比，排除網格密度對模型結果的影響，建議在關注區域中進行網格收斂性分析，兩次分析誤差應模型收斂≤5%。

關注區應根據產品幾何形貌特征而選擇，應對全部關注區域進行網格收斂性分析。

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之間可能存在的差異，并論述差異的合理性。

（三）有限元分析結果的驗證

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果進行驗證，經驗證有效性的有限元模型才用于申報產品的有限元分析。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. 數學模型分析

基于理論力學、材料力學或彈性力學基礎，對內植物模型進行簡單數字建模和受力分析，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. 物理實驗驗證

根據所建立的有限元模型，設置與之相當的物理實驗，獲取測試過程中局部或整體的應力—應變或位移等數據，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。

在物理實驗的報告中，需指出物理實驗采用的試樣形態、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。分析結果與文獻或其他公開資料中的同類產品的有限元分析或實驗結果做對比，需指出申報產品的有限元模型與對比資料中的模型或實驗在幾何模型、材料屬性、邊界條件、接觸屬性和載荷方面的一致性與差異，指出申報產品的有限元分析結果與對比資料中的結果的一致性與差異，并論述差異的合理性。

4. 常識性判斷

根據基礎力學知識，對應力峰值發生的位置和峰值應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果的驗證方法。

（四）有限元模型的應用

在具有相同功能和幾何特點的同類型產品中任一產品的有限元建模方法和有限元分析結果經驗證后，該建模分析方法可等同使用于同類產品其他型號規格的分析。

對于同類產品不同型號中存在幾何形貌變化和使用條件的差異，應根據該差異可能產生的影響進行說明。差異較大的產品，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. 提供關于每個分析步驟的情況，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．對于單軸加載的情況，建議提供如下相關說明

（1）明確失效準則，并提供圖形或方程，明確安全系數是如何計算的。

（2）提供數值并以圖形方式顯示臨界應力、應變、力或位移的位置。

（3）提供安全系數報告，包括提供表格來說明每種情況下的安全系數（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在器械上的位置。

3. 對于疲勞評價，建議提供相關說明：

（1）描述用于計算平均和交替應力／應變（例如：標量、張量）的方法。

（2）明確循環載荷是否導致了主方向的旋轉。

（3）以圖形方式顯示臨界平均值和交替應力或應變的位置。

（4）明確疲勞曲線，并提供圖形或方程，明確疲勞安全系數是如何計算的。

（5）提供疲勞安全系數報告，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力／應變以及由此得出的安全系數；以圖形方式顯示最小安全系數在器械上的位置。在點云圖上繪制平均值和／或交替應力／應變曲線，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）有限元結果的呈現方式

根據產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進行呈現，指出被選取的評價參數與評價指標之間的關系。評價參數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，建議數種結果一起進行對比。

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，對各圖應進行相應結果描述，云紋圖應至少包括評價參數的在植入物上的整體分布和關注區域的局部放大圖，云紋圖需包含圖例，且標記最大值所在位置和大小。根據有限元分析的目的，采用適當表格或統計圖的方式呈現所有申報產品規格型號的評價參數。

（二）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。

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

最差樣品選擇：明確最差樣品的篩選規則，并說明理由，例如選取馮·米塞斯應力最大的產品為最差樣品。需要注意的是應力最大值通常會出現在約束部位，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。在同類產品中，若最差樣品的評價參數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，但基于產品在臨床的風險受益，生產企業有時選擇的典型樣品而非最差樣品，進行性能評價。若選擇典型樣品，應明確典型樣品的篩選規則，并說明理由，同最差樣品選擇要求，明確典型樣品的產品規格型號。

 

五、參考文獻

1．《醫療器械監督管理條例》（中華人民共和國國務院令第680號）

2．《醫療器械注冊管理辦法》（國家食品藥品監督管理總局令第4號）

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

4. 《ABAQUS 有限元分析實例詳解》