9999js金沙老品牌(中国)有限公司-Macau Future Star

新闻动态

骨组织病损植入器械定制设计的审评关注点

2023-12-25 返回列表

骨组织病损治疗常需要对植入物和手术工具进行定制设计,相关的技术审评仍然基于医疗器械质量管理体系[1]对风险的控制,关注设计开发各环节间的交叉衔接。

一、临床需求的工程转化

定制产品的个体化适配设计,带来设计开发的诸多“不确定性”。故而须论证“定制式”设计的必需性,约束适用的病患,避免滥用所造成的风险不确定 [2]。一般会结合传统标准化产品开展类似手术治疗的既往经验,该“必要性”的论证,将与定制产品手术后临床确认内容相关联。所总结的临床需求应围绕病患的预期运动功能、植入时限、恢复正常生活的程度、手术时限、手术条件、手术切除及矫治范围,涵盖院内并发症及远期失效风险。所用软件及功能模块中涉及手术规划的,应获得产品注册证。

(一)影像学信息

骨组织定制设计依赖影像学数据的产生、处理,和解剖及结构模型的三维重建。技术审评关注影像设备及图像处理软件的参数要求。关注影像采集设备的管电流、管电压、窗宽、窗位等,所设定的扫描层厚、层间距、三维及多平面重建算法,摄片的特定角度及体位,组织影像数据在矢状面、冠状面、水平面、任意角度斜位、曲面的重组,快速成型中的横断面分层[3]。

影像数据处理过程关注对灰度、对比度等的调整,及图像预处理、平滑去噪、图像分割阈值范围等参数的设定,确保无偏差地区分骨与其他组织。关注三维模型重建对图像层距、像素值、灰度阈值、三维叠加运算方法的设定。关注主应力区(包括骨断端内固定与近关节面区域)曲面构造设计、修正的过程与结果,尤其对病损部位功能重建至关重要的镜像修复与点云数据补充 [4]。

(二) 附着与固定

软组织固位孔与螺钉固定孔影响着假体负荷。软组织固位孔恢复假体周围肌肉、韧带等合理解剖位置及力学功能、确保残留软组织覆盖并消除体内死腔;固定孔考虑钉周围骨量最大化及骨的应变限度。审评关注孔分布位置、数量、孔径、孔间距、边距,匹配内固定钉的螺纹参数与空间坐标,这些与骨结合区、解剖匹配区与主应力区及相应截骨矫形等手术规划紧密关联[5],肌腱、韧带解剖位置改变对假体主应力区有独特的剪切、扭转负荷。

(三) 配套工具与手术规划

手术规划所限定的影像数据获取、产品设计定型、手术日三者间的时限,可减少病情变化对设计有效性的影响。审评关注截骨、骨填充、假体置入配套工具的病患解剖定位、测量标记和截骨区域测控组件的设计[6],还关注模拟手术过程、验证术中工具可用性和假体适配性的病患解剖结构三维重建模型。术前后运动态与运动功能评估量表,应明确评估内容与定制产品设计参数、围手术期康复护理的关联[7]。

(四) 使用说明与设计规范

每件定制式产品均应有独特使用说明,明确使用边界包括截骨位置与产品结构几何尺寸。螺钉等残存骨内固定物的空间位置应有精确描述图(坐标系及坐标值)。为适应术中截骨及固定的可能变化,在一定尺寸梯度范围内有多规格备件。

一定解剖区域的产品应形成统一设计规范,明确该类定制产品设计的原则、步骤、输入细节、接受准则及相应检验规则[8],明确骨结合区骨小梁多孔结构的孔径、丝径、孔隙率、通孔率,解剖匹配填充区网格结构单元三维点坐标[9]及主应力区几何结构等关键共性参数[10],及多孔结构清洗验证、残余应力后处理等检测指标。

(五)设计规范的盲态复验

医师间背对背盲态设计交叉复验,可调整细化设计规范,减少医师因素造成的个体内差异。主刀医师外的一名同资质医师进行交叉设计,差异过大时引入第三名,直至差异局限于预定范围。审评关注差异限度和交叉复验时限的设定及揭盲结果,对交叉复验结果的统计,迭代累积相近病患与产品,明确个体间设计差异度[11],与后续临床确认的相关性。满足特定资质的医师资源有限,若复验者盲态来源于其它医疗机构,审评将关注复验的多中心效应,更好地控制医师造成的个体内差异。无论病患个体内差异,还是个体间差异,都是临床确认基线风险分析的基础。

二、术前性能验证

每件产品须单独验证,关注每项测试的抽样量,确保统计学可靠性。验证包括有限元分析(FEA)、机械及生物力学测试、临床影像信息对比与设计评价等。

(一)有限元分析

FEA是力学验证的基础,审评关注产品最大应力判定过程及结论,包括应力模型的受力点、载荷分布、约束等边界条件、模型简化方法、应力集中结果偏离限度及网格收敛性分析的接受限等,确保产品分析中应力风险大于所有可能的实际工况加载[12],一般针对最大主应力、应变与位移设定指标。

审评关注功能区划分、骨填充区和骨结合区多孔结构力学性能参数、主应力区表面处理对材料力学性能的影响、软组织力学参数的设定,这些关联着FEA建模。模型参数至少包括单元数量、尺寸、材料属性。

审评关注网格划分中对几何自由边和硬点的清理过程以判断失真度,以及体单元网格对长宽比、偏斜度、角度、雅可比和边界范围的明确。产品与骨、产品组件间接触区域、孔、角、螺纹等局部网格加密方式,网格收敛中应力变化限度也很重要[13]。多孔区与网格区的精细划分,可借助实物样件X射线CT探伤,辨识孔隙结构缺陷 [14],保障模型仿真准确。模型修正与分析应明确动静态力学加载工况,静态明确载荷加载点与约束部位,动态明确步态等运动态载荷变化及施加点[15]。

FEA报告应呈现分析结果的全部图表,整体、组件和骨骼端应力/应变分布变化云图、数值曲线等。

(二)台架试验

FEA结果均应经所定制产品动静态力学实测验证,应明确测试样本量。审评关注既往经疲劳试验验证的FEA模型可涵盖的最大主应力、应变、位移、边界条件、应力/应变分布范围[16]。若新设计突破此计算边界,应触发新疲劳试验。

生物力学测试应考虑用模拟骨按植入模型构建工装,确保测试环境是仿真的力加载方式。骨小梁结构力学验证,尤骨结合区的力学验证及动物骨生长实验,需建立该解剖部位通用动物模型[17],与力学生物学结果的可接受限[18]。测试均需建立在对既往数据分析的基础上,明确未进行新试验的原因。

(三)影像对比与设计评价

临床影像信息重复采集与对比,也能验证产品性能的一部分。医师对解剖学及产品预期作用进行评估,应限定评估量表,明确量化指标。审评将关注评估结果的统计分析。

三、临床确认

针对患者影像数据获取的正确性、临床诊断与影像诊断的一致性、病理模型的细化程度与准确性、图像分割重建、模型构建、手术规划与工具的匹配性、植入物与病理模型的匹配性、镜像拟合重建合理性、各功能区的划分合理性等[19]进行的设计评价,本身属于临床确认的一部分。在术前完成解剖匹配性与功能适配性评估的基础上,审评关注设计确认单内容与参数,尤其新病例设计调整结果的汇总统计。

定制产品的个体间变异性大,设计确认基于既有类似病例所累积的传统治疗数据、仿真台架模型及动物模型的力学性能评价,无法在上市前完成大规模临床研究。临床确认应有更灵活、更严谨并动态调整的研究方法,围绕临床预期用途延伸至上市后临床研究。审评关注预先制定的长期临床研究与统计分析计划(包括数据统计步长/周期),以进行主动的、前瞻的、有计划的上市后临床研究。按照既定程序,企业依据前序产品评价指标的累积汇总优效趋势,持续改进后续产品设计[20]。定制式产品注册证备注常带有其它上市后研究的要求,上市前临床确认应符合附带条件批准的法规和技术规章,并转化为与所研发产品相关内容与参数,制定阶段性临床研究方案,设定期中分析节点及可接受的统计学要求。

总体来讲,骨组织病损治疗用定制产品的设计开发,仍然以基本的质量管理体系为准绳,但在输入、输出、评审、验证和确认环节呈现一定的交叉重叠,对其定制设计的审评关注点,如表1所概括[21]。然而本文的审评关注点并不等同于设计开发质量体系的内容,也并非技术审评的全部关注点。

表1  骨组织病损植入器械定制设计的审评关注点

640.png

参考文献:

【1】YY/T 0287-2017  医疗器械  质量管理体系  用于法规的要求 [S]

【2】梁文清,郑龙坡,蔡郑东,等. 计算机辅助设计人工假体治疗髋臼周围肿瘤[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2010,14(4):585-588

【3】李慧武,朱振安,毛远青,等. 快速成型技术在严重髋臼骨缺损翻修术中的应用[J]. 中华关节外科杂志,2015,9(6):725-731

【4】陈春艳,鲍海宏,曹志强,等. 3D 打印技术在颌面部复杂骨折治疗中的应用[J]. 解放军医药杂志,2015,27(11):10-12

【5】 欧飞,段世均,张金鸽,等. 颅颌面部畸形个体数字化修复技术的临床应用[J]. 中国组织工程研究与临床康复,2010,14(22):4032-4035

【6】黄宏,张弓,彭忠凯,等. 下颌骨个性化手术钛板的设计与制造技术研究[J]. 口腔疾病防治,2016,24(7):402-406

【7】罗翼,段宏,罗教明,等. 组配式半骨盆假体置换术中髋关节旋转中心定位及临床意义[J]. 四川大学学报(医学版),2016,47(3):365-370

【8】 Andre Luiz Jardini,Maria Aparecida Larosa,Rubens Maciel Filho,et al. Cranial reconstruction:3D biomodel and custom-built implant created using additive manufacturing[J]. J Cranio Maxill Surg,2014; 42:1877-1884

【9】Xu N,Wei F,Liu X,et al. Reconstruction of the Upper Cervical Spine Using a Personalized 3D⁃Printed Vertebral Body in an Adolescent With Ewing Sarcoma[J]. Spine (Phila Pa 1976),2016,41(1):E50⁃E54. DOI:10.1097/BRS.0000000000001179.

【10】 郭卫,王毅飞,张熠丹,等. 3D打印组配式骨盆假体重建骨盆肿瘤切除后骨缺损[J]. 中华骨科杂志,2016,36(20):1302-1311

【11】T. Ji,W. Guo,R.L. Yang,et al. Modular hemipelvic endoprosthesis reconstructioneExperience in 100 patients with mid-term follow-up results[J]. Eur J Surg Oncol (2012),http://dx.doi.org/10.1016/j.ejso.2012.10.002

【12】 贾娟,吴双江,夏德林,等. 下颌角骨折坚强内固定生物力学的三维有限元法分析[J]. 海南医学,2016,27(4):577-580

【13】丁月峰,周培刚,费学东,等. 多种软件和图像联合技术构建个体化颞下颌关节三维有限元模型的初步研究[J]. 口腔颌面外科杂志,2014,9(2):108-112

【14】 E. Marina,S. Fusib,M. Pressacco,et al. Characterization of cellular solids in Ti6Al4V for orthopaedic implant applications:Trabecular titanium[J]. J Mech Behav Biomed,2010; 3:373-381

【15】 姬涛,郭卫,汤小东,等. 组配式人工半骨盆假体在步行周期载荷下的有限元分析[J]. 北京大学学报(医学版),2010,42(2):192-196

【16】Sváek P,Louda P,Kozel K,et al. On numerical simulation of three-dimensional flow problems by finite element and finite volume techniques[J]. J Comput Appl Math,2014,270 (11):451-461

【17】 Peter Thomsen,Johan Malmstro¨m,Lena Emanuelsson,et al. Electron Beam-Melted,Free-Form-Fabricated Titanium Alloy Implants:Material Surface Characterization and Early Bone Response in Rabbits[J]. J Biomed Mater Res B,2008,11:35-44. DOI:10.1002/jbm.b.31250

【18】Nicky Bertollo,Ruy Da Assuncao,Nicholas J. Hancock,et al. Influence of Electron Beam Melting Manufactured Implants on Ingrowth and Shear Strength in an Ovine Model[J]. J Arthroplasty,2012; 27(8):1429-1436

【19】张秀娟,王冬梅,孙健,等. 个性化下颌钛支架植入体的设计与生物力学评价[J]. 上海交通大学学报,2005,39(7):1167-1171

【20】梁海杰,郭卫,张熠丹,等. 3D 打印半骨盆假体重建骨盆 II 区或 II+III 区肿瘤切除后骨缺损的回顾性病例对照研究[J]. 中国骨与关节杂志,2017,6(5):326-333

【21】闵理,孙伟,杨毅等.定制式3D打印骨盆肿瘤假体设计与临床应用专家共识[J].中华骨与关节外科杂志,2022,15(07):491-500.



论坛 联系 ( 010 ) 63311696/97/98 法规
XML 地图