骨科金属植入物有限元分析资料注册技术审查指导原则

骨科金属植入物有限元分析资料注册技术审查指导原则（征求意见稿）本指导原则旨在为注册申请人在使用有限元工具辅助对产品进行性能研究并用于产品注册申报时提供参考，同时也为审评机构对注册申报资料的技术审评提供技术指导。本指导原则系对骨科金属植入物有限元分析资料的一般要求，注册申请人应依据具体情形对注册申报资料的内容进行充实和细化，并确定其中的具体内容是否适用。本指导原则是对注册申请人和审评人员的技术指导性文件，不包括注册审批所涉及的行政事项，亦不作为法规强制执行。如果有其他科学合理的替代方法，也可以采用，但是需要提供详细的研究资料和验证资料。应在遵循相关法规和标准的前提下使用本指导原则。本指导原则是在现行法规和标准体系以及当前认知水平下制订的，随着法规和标准的不断完善，以及科学技术的不断发展，本指导原则相关内容也将进行适时的调整。一、适用范围本指导原则是针对骨科金属植入物在产品设计阶段和验证阶段，围绕产品的力学性能所开展相关的有限元分析研究，包括在产品设计阶段过程中对器械临床受力情况的模拟，判断器械可能的应力集中情况和设计合理性；对于在设计阶段对器械结构的调整，有限元分析方法可用于评价已完成真实试验的样品是否可代表设计定型产品的最差情形或典型性；或在完成产品设计定型后，利用有限元分析方法在具有不同型号、规格的申报产品中进行性能最差情形样品的选择，用以确定进行真实试验的样品型号规格。有限元分析结果仅对产品的性能研究起到辅助作用，不能够替代产品性能研究的真实试验。二、有限元分析资料申报产品提交的有限元分析资料应包含但不限于以下内容，资料中所使用的术语建议参考GB/T33528-2017《机械产品结构有限元通用分析规则》：（一）有限元分析的目的与评价指标明确有限元分析的对象、目的及分析结果的评价指标或评价原则，提供评价指标或评价原则的确定依据。（二）有限元模型的建立依据有限元分析模型需依据产品相关试验方法标准，或产品植入人体后真实力学环境制定。应提供预期建立的有限元模型的依据。若参考现行标准、公开发表的论文和专利等文件建立有限元模型，应说明参考理由，并明确所建立的有限元模型与参考资料在关键要素上的一致性和差异，以及与申报产品的相关性。若无参考模型，则应明确所建立的有限元模型与申报产品在服役过程中关键要素上的一致性和差异。以上关键要素上包括但不仅限于几何模型、载荷、边界条件、装配与接触定义。（三）有限元分析所使用的软件和硬件明确开展有限元分析工作所使用的所有软件系统，包括有限元分析软件、几何结构建立软件、网格划分软件等。若使用广泛使用的商业软件的现行版本，则提供软件名称和所用版本。对于非商用、专用工具或用户修改后的商业软件，应证明软件工具的有效性、适用性和局限性。明确开展有限元分析工作所使用的硬件平台的基本配置信息。包括但不限于CPU主频、参与运算的CPU内核数量、参与运算的内存容量。（四）有限元分析的产品及型号规格明确有限元分析可包含的所有产品型号规格。若进行有限元分析的产品未包含所有申报产品型号规格，需说明缩减原则并阐明缩减原因和依据。有限元分析资料中的模型和结构需体现所分析的产品特征及型号规格等信息。（五）有限元模型的建立与验证在建立模型之前可先判定对于适用部位或适用人群不同的产品是否有必要根据申报产品的型号规格对模型模拟的条件进行区分，对建立的模型进行描述，详细阐明有限元模型的建立过程，与实际情况存在的差异，有限元分析验证方法与验证结论。具体要求见本指导原则的第三部分。（六）有限元分析与结论基于有限元分析的评价指标，使用表格、柱状图、散点图、应力/应变云图等形式描述有限元分析的结果，对结果进行分析评价，并给出结论或建议。具体要求见本指导原则的第四部分。（七）所有相关参考文件及支持性文件资料中应包含与申报产品的有限元分析工作相关的所有参考的文献、专利及其他公开的参考文件。相关的支持性文件，包括但不仅限于引用的相关数据的来源，如材料属性；模型的CAD几何文件；采用自行编写的求解器，或者基于商业求解器进行了二次开发，包括但不限于自定义材料模型、加载方式等子程序/子模块的开发，应提供相关验证文件。三、有限元模型的建立与验证（一）有限元模型的建立1.完整的有限元模型建立应至少包含以下过程：（1）几何模型的构建（2）本构关系描述（3）材料属性设置（4）网格划分方法（5）设置分析步（6）模型相互作用定义（7）边界条件和载荷设置2.几何模型几何模型可用于模拟申报产品本身，也可模拟体外试验装置，也可模拟人体生理环境。对于仅包含植入物部件的有限元分析，其几何模型可从所申报产品的CAD几何文件中获取。在构建有限元模型时，CAD模型中的某些几何细节如果能够证明与预期需求不相关，可以对其进行简化或修改。明确有限元分析所使用的几何模型的来源（可通过名称和型号引用CAD几何文件），若有限元分析所使用的几何模型与原始模型（即申报产品的实际结构）存在差异，需对模型的修改和简化进行工程评价，并论述其合理性。对于包含申报产品以外多个其他结构的有限元分析，如模拟体外试验装置或模拟人体预期生理环境，模型的构建和（或）处理除应包括上述内容，还需明确其他部件的作用、引入其他部件的依据及其他部件的几何模型来源，说明各部件之间的相对位置关系。对于模型存在不同的尺寸或配置，请描述建模的尺寸或配置，并提供支持此类尺寸分析的原理。模型应体现申报产品本身的结构特点，如果分析的产品存在可能影响分析的独特几何特征，如表面形貌、多孔结构等，则应描述如何在模型中考虑到此类特征。对于构建方法，请纳入与几何结构相关的局限性和假设（例如：图像分辨率和平滑）的相关信息。3.本构关系提供产品机械行为的所有本构关系或材料模型的详细信息，包括产品材料的应力-应变关系（例如：线性、超弹性、弹性-塑性、粘弹性、多孔弹性），材料的各向同性或各向异性情况。可通过图形方式和／或方程式描述本构关系，包括模型中的非线性材料。若模型包含塑性变形，则应描述材料塑性变形（例如：速率依赖性、硬化）的方程式。若模型加载模式为循环载荷，应描述控制渐进式材料损坏（疲劳）和／或材料损失的规则，以及明确任何其他非线性情形（例如：时间相关的行为、超弹性）。本构关系描述还应说明对于材料行为的本构关系的选择依据，并论述该本构框架的假设与计算分析相关的材料行为的一致性。若采用了线性、各向同性模型，则应仅有均匀且小的应变变形，并且只有在材料应力保持低于屈服强度时才应排除塑性情况。对本构关系的确认是用于保证模型可无限接近并模拟材料的试验行为，并且能够在计算模型中予以正确执行。有限元分析时应充分利用软件定义的本构关系和失效准则模型。4.材料属性明确输入到有限元模型中的材料力学特性及其获取来源，若是从材料力学性能测试中获取，需提供测试样品及测试方法描述，若是从文献或其他公开资料中获取，需提供资料全文作为附件，并指出本产品与文献中材料差异及可能产生的影响。对于金属材料，其材料属性至少包括弹性模量、泊松比和屈服强度。对于复合材料、多孔材料及局部强化/表面改性材料，需明确在有限元模型中对材料属性的赋予方式，指出材料属性来源。对于周围生物材料，应能够采集到关于组织生理学的重要情况（例如：健康或患病，年轻或年老，不同适用部位）。由于生物材料的材料特性存在实质性变异，建议提供关于特性的选择原则，并描述在计算研究中如何考虑到特性的变异。对于产品使用过程中会出现超出弹性或屈服范围的情况，建议提供材料力学完整曲线或相应数据，并将其作为材料属性输入到有限元模型当中，如金属材料的塑形变形。注意赋予的材料属性应尽可能代表终产品，若模拟人体生理环境，生物材料应来自于目标患者人群或类似来源。5.网格划分（1）单元类型在有限元建模中，根据分析对象的几何特点和需求，明确各部件的单元的类型，若存在局部单元类型变化，需明确其具体位置和局部单元类型。推荐在结构形状不规则、变形和应力分布复杂以及计算精度要求高的区域选用高阶单元，其余区域可选择低阶单元，并且不同阶次单元的连接位置应使用过渡单元。建议选用四面体或六面体单元，若选用四面体单元，应避免使用4节点四面体单元，建议使用10节点四面体单元。（2）网格尺寸明确各部件选用的网格尺寸及网格划分方法，若存在局部网格尺寸变化，需指出其具体位置和局部网格尺寸。建议对关注区域的网格进行细化，同时确保单元尺寸平缓过渡，避免因相邻单元的质量和刚度差异造成应力集中。网格划分时应保留主要的几何轮廓线。对于实体网格单元，在结构厚度上应确保三层以上。明确指明网格中使用单元的数量／密度，包括过渡区域或复杂几何区域中的任何网格细化或自适应网格划分，提供模型中的节点数。建议使用图形来描绘网格（相关比例），尤其是在过渡区域或复杂几何形状区域以及高应力或应变区域。明确所选单元的类型，并论述所选单元适用于进行分析的原因。提供网格细化或收敛分析的详细信息，以证明结果与单元大小无关。明确用于证明结果的收敛稳定性的网格密度数量（就元素大小而言）。以图形或表格格式说明网格细化分析的结果，明确所选择的用于后续分析的网格参数并说明合理依据。6.分析步根据待解决的力学问题，设置分析步类型，如静力分析、动力分析。在处理材料非线性问题时，若分析不收敛，可对初始增量步、最大和最小增量步进行适当的设定。7.定义部件间接触和约束说明预期组件相互作用关系，对于有限元模型中包含的所有相邻且存在接触可能的部分，明确存在的接触关系，应明确各接触之间接触属性的设置方法，包括但不仅限于接触面定义方式、接触算法、表面摩擦系数及相应判定依据；明确模型中各部分的自由度之间的约束关系，如绑定约束、刚体约束、耦合约束等。相互作用与分析步有关，必须明确相互作用是在哪个分析步中起作用。8.边界条件和载荷提供关于系统施加的边界条件的详细信息，包括明确所建模型代表的实际工况条件，明确对有限元模型施加的边界条件的位置和施加方式，并提供边界条件的设置依据。若简化边界条件，需提供简化依据并论述其不影响模型结果。明确对有限元模型施加的载荷方式、载荷的作用位置、大小和方向，并提供载荷的设置依据。载荷的施加方式不可产生过大应力集中而影响结果的判断。载荷和边界条件与分析步也有关，必须明确载荷和边界条件在哪些分析步中起作用。对每个分析步，建议明确以下内容：（1）提供清晰描绘设置边界条件的位置和方向的整体示意图或图示。（2）明确指明所应用的位移、力、压力和力矩的三维程度和方向。（3）提供描述每个边界条件（例如：位移、力、压力、力矩）能够代表预期载荷方案的论据。（4）描述用于获得载荷模式和幅度的来源和／或方法（例如：文献数据、标准、成像、其他分析方法）。9.有限元分析中所使用的单位系统有限元分析需使用统一的单位制系统，明确几何模型、材料属性、载荷步骤中使用的单位系统，推荐使用SI（mm）单位制系统。（二）有限元建模方法的验证有限元模型的验证是用于确保有限元分析模型可实现预期目的，同时保证有限元建模方法的可靠性以及有限元结果的有效性。所有有限元模型必须经过验证，才能应用于产品的力学分析当中。通过对模型的验证，分析模型与预期临床载荷条件的相关性、模型和实际情况的差异对结果的影响、判定模型与实际情况之间保持一致的局限性，评价模型的局限性以及对实际结果的可预测性程度。验证内容至少包括以下几个方面：1.几何模型检查指出有限元分析中使用的几何模型与实际物理模型之间的差异，针对这些差异提供合理的支持依据，建议尺寸公差不超过原始尺寸的±10%。2.网格有效性验证验证有限元模型划分网格密度的收敛性，通过对同一模型施加不同网格密度的计算结果进行对比，排除网格密度对模型结果的影响，建议在关注区域中进行网格收敛性分析，两次分析误差应模型收敛≤5%。关注区应根据产品几何形貌特征而选择，应对全部关注区域进行网格收敛性分析。3.材料属性检查指出有限元模型中所有部件的材料属性与真实情况之间可能存在的差异，并论述差异的合理性。4.边界条件检查指出有限元模型中的边界条件与模型建立依据之间可能存在的差异，并论述差异的合理性。5.载荷检查指出有限元模型中的载荷及其施加方式与模型