CN110633490B - 基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取及评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取及评价方法，所述评价方法从待评价的植介入医疗器械具体临床使用目的与植入位置的解剖结构约束出发，在用户域中定义其用户需求，在功能域中对包括生物力学性能、材料学性能、生物学性能在内的各项性能与结构设计参数、材料设计参数进行分解细化，并形成伦理学约束。通过力学测试、材料学测试与生物相容性测试等测试方法得出不同设计参数影响下植介入医疗器械各项性能指标的变化情况，在此基础上得到能够定量反映植介入医疗器械设计参数和性能二者之间变化关系的设计矩阵，从信息量与耦合度的角度对植介入医疗器械的设计进行评价，评价结果可以为植介入医疗器械设计的优化提供依据。
Description
技术领域
本发明属于植介入医疗器械设计技术领域，具体涉及一种基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取及评价方法。
背景技术
作为医疗器械的一个重要分支，植介入医疗器械在医疗行业的应用十分广泛，在临床手术、康复治疗中发挥了不可替代的重要作用。由于这类医疗器械植入人体后，与体内复杂的解剖结构及生理环境之间存在着长期的相互作用，因此在研发过程中需对植入后的短期与长期效应进行综合测评，这为植介入医疗器械的研发工作带来了一定的难度。目前，研发人员在对植介入医疗器械进行设计测评的过程中，尚缺少一种从整体性能和目标出发、以系统的观点对产品各组成部件之间相互作用、设计参数影响其各项短期与长期性能的方式进行定量化分析与综合评价的方法。
公理设计理论于上世纪九十年代被提出，该理论的目标在于为设计建立一个科学基础，通过为设计师提供一个基于逻辑和理性思维过程及工具的理论基础来改进设计方法，改变了传统设计工作中以“经验”与不断试错为主要方法的设计过程，使得设计工作更为科学化、规范化。
但是，将公理设计理论应用于医疗器械设计评价却存在着很大的难度，这主要体现在医疗器械具有严格的安全性、可靠性要求，并存在着诸多的风险因素，同时又是一个高新技术应用密集且与多学科交叉融合的技术领域，这无疑增加了对植介入医疗器械设计进行评测的复杂性。在这种情况下，如何分解、提取筛选出评价过程中的关键参数，并提供一种科学、规范的医疗器械评价方法，这是本领域尚未解决的技术问题。
发明内容
本申请解决的是现有技术尚缺少科学、规范的医疗器械评价方法的技术问题，进而提供了一种基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取及评价方法。
本申请解决上述技术问题采用的技术方案为：
基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取方法，包括：进行满足伦理学约束的数值仿真、力学试验、材料学试验与生物相容性测试实验，结合实验结果通过敏感度系数和/或消减误差比例对植介入医疗器械的叶级设计参数对实现相应的叶级功能需求指标的程度进行测评；其中，每一项定量的叶级设计参数，通过敏感度分析得出叶级设计参数变动时，每一叶级功能需求指标受到的影响程度大小，用敏感度系数E进行衡量，敏感度系数E的计算方法为：
其中，ΔY为叶级设计参数的变化率，ΔX为与所述叶级设计参数的变化对应的叶级功能需求指标的变化率，将敏感度系数的绝对值与预设的敏感度系数基准进行比较，将敏感度系数的绝对值小于或者等于基准的设计参数剔除；
每一项定类的叶级设计参数，通过计算该项叶级设计参数与各项叶级功能需求指标之间相关比率E2的消减误差比例PRE，并与预设的消减误差比例基准进行比较，将消减误差比例小于基准的叶级设计参数剔除，最终提取得出植介入医疗器械的关键叶级设计参数。
所述植介入医疗器械为椎间融合器，所述叶级功能需求指标包括：前屈-后伸/侧弯/轴向旋转工况下的手术节段活动范围ROM减小率、前屈-后伸/侧弯/轴向旋转工况下手术节段终板Von Mises应力分布均匀性系数、Von Mises应力最大处的终板屈服强度与该区域分布的Von Mises应力差异率；轴向压缩载荷下骨移植物应变分布均匀性系数、轴向压缩载荷下的骨移植物应变分布以及骨移植物与融合器平均应变差异率；融合器植入后相邻节段椎间盘内压力分布的平均变化率以及小关节应力分布的平均变化率；融合器主体与紧固装置的实际疲劳强度与脊柱植入物标准中所规定疲劳强度下限的差异率。
所述叶级设计参数包括融合器主体结构设计参数、紧固装置结构设计参数、主体-紧固装置连接关系设计参数；融合器主体材料/紧固装置材料的杨氏模量、泊松比、表面粗糙度。
所述数值仿真包括有限元模拟；所述力学试验包括椎间融合器力学性能试验、椎间融合器静态轴向压缩沉陷试验、静态及疲劳性能评价方法；所述材料学测试包括扫描电镜检测实验、质谱分析实验、波谱法分析实验、静态光散射实验、X 射线荧光分析实验、X射线衍射实验、电子显微探针实验；所述生物相容性测试包括体外细胞毒性试验、全身毒性试验、遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验、植入后局部反应试验、血液相互作用试验、刺激性和皮肤致敏试验。
所述植介入医疗器械为血管支架，所述叶级功能需求指标包括：支架介入后的径向回缩率、轴向缩短率；支架弯曲时的直径变化率、弹性回直力；支架的径向柔顺度；支架介入后血管壁低剪切应力区面积、支架介入后该区域的血液雷诺数变化率、支架介入后血管壁面剪切应力峰值水平与人体该部位正常血管壁面剪切应力峰值的差异率、支架介入后血管壁面剪切应力谷值水平与人体该部位正常血管壁面剪切应力谷值的差异率、支架介入后血管壁面剪切应力均匀系数；实际工况下支架各个支撑筋波形环处的安全因子、实际工况下支架各个支撑筋和连接筋结合处的安全因子。
所述叶级设计参数包括：支架撑开后的外径、长度和厚度；支架周向波形环数目、支架轴向波形环数目、支架开窗长度；支撑筋的结构设计参数；连接筋的结构设计参数；支架主体材料各组分含量；支架主体材料的杨氏模量、泊松比、硬度、拉伸屈服强度；支架主体材料的平均晶粒尺寸、晶粒分布特征、晶格结构。
所述血管支架的支撑筋为波形环状结构，所述支撑筋之间通过直线状的连接筋进行连接；所述支撑筋的结构设计参数包括支撑筋宽度、支撑筋波形环内径、支撑筋波形环外径、支撑筋的截面形状；所述连接筋的结构设计参数包括连接筋宽度、连接筋长度、连接筋截面形状。
所述叶级设计参数还包括支架多聚物涂层材料的分子量分布、分子基团的立构规整性、主链分子组成。
所述预设的敏感度系数基准为1，所述预设的消减误差比例基准为0.1。
基于公理设计的植介入医疗器械评价方法，包括：(1)根据临床使用目的与植入位置的解剖结构约束，定义植介入医疗器械的用户需求；(2)将植介入医疗器械的用户需求映射到功能域中，形成顶层性能需求FR0与伦理学约束Cs， FR0映射到物理域中形成植介入医疗器械的顶层设计参数DP0；(3)在功能域和物理域之间进行Z形映射变换，将植介入医疗器械的生物力学性能需求、材料学性能需求、生物学性能需求与相应的结构设计参数、材料设计参数进行分解，得到植介入医疗器械各项性能的叶级功能需求指标FRs与叶级设计参数DPs；(4) 通过设计矩阵表示出植介入医疗器械的叶级功能需求指标FRs与叶级设计参数DPs之间的映射关系，并建立各层级的设计方程，使各层级性能指标与设计参数建立关联；(5)进行满足伦理学约束的数值仿真、力学试验、材料学试验与生物相容性测试实验，结合实验结果通过敏感度系数和/或消减误差比例对植介入医疗器械的叶级设计参数对实现相应的叶级功能需求指标的程度进行测评；其中，每一项定量的叶级设计参数，通过敏感度分析得出叶级设计参数变动时，每一叶级功能需求指标受到的影响程度大小，用敏感度系数E进行衡量，敏感度系数E 的计算方法为：
其中，ΔY为叶级设计参数的变化率，ΔX为与所述叶级设计参数的变化对应的叶级功能需求指标的变化率，将敏感度系数的绝对值与预设的敏感度系数基准进行比较，将敏感度系数的绝对值小于或者等于基准的设计参数剔除；每一项定类的叶级设计参数，通过计算该项叶级设计参数与各项叶级功能需求指标之间相关比率E2的消减误差比例PRE，并与预设的消减误差比例基准进行比较，将消减误差比例小于基准的叶级设计参数剔除，最终提取得出植介入医疗器械的关键叶级设计参数；(6)根据实验结果进行统计学分析或数值分析，得出叶级功能需求指标FRs与各项关键叶级设计参数间的定量关系，从而对叶级设计矩阵里的非零元素进行量化与归一化；(7)根据叶级设计矩阵非零元素的归一化值计算植介入医疗器械叶级设计参数的总信息量与关键叶级设计参数间的耦合度，根据公理设计理论中的设计公理，对植介入医疗器械的设计优劣进行评价。
本申请中所述基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取及评价方法的优点在于：本申请从待评价的植介入医疗器械具体临床使用目的与植入位置的解剖结构约束出发，在用户域中定义其用户需求，根据用户需求，在功能域中对包括生物力学性能、材料学性能、生物学性能在内的各项性能与结构设计参数、材料设计参数进行分解细化，并根据植介入医疗器械领域内的伦理学要求，形成伦理学约束。通过力学测试、材料学测试与生物相容性测试等测试方法得出不同设计参数影响下植介入医疗器械各项性能指标的变化情况，在此基础上，综合运用统计学分析与数值分析方法对植介入医疗器械各项设计参数影响其各项性能的方式进行量化分析，得到能够定量反映植介入医疗器械设计参数和性能二者之间变化关系的设计矩阵，根据设计矩阵中的元素，计算公理设计理论中用于衡量设计优劣的指标——设计参数包含的总信息量与设计参数间的耦合度，从信息量与耦合度的角度对植介入医疗器械的设计进行评价，评价结果可以为植介入医疗器械设计的优化提供依据。
本发明将公理设计理论与植介入医疗器械评价中的传统方法相结合，形成一种创新的植介入医疗器械评价方法，发挥了公理设计理论在对产品进行以用户需求为导向、逻辑层级清晰的系统性分析与评价方面的优势，有助于指导设计人员对植介入医疗器械设计参数影响其各项性能的方式进行定量化分析与综合评价，为植介入医疗器械的设计优化提供更为科学、合理的依据。
本发明所述的植介入医疗器械关键参数提取方法，采用的各项叶级功能需求指标均是可以通过力学试验、材料学测试与生物学测试方法直接测算得到的量化指标，叶级设计参数也均可以在测试模型、试验装置中得到直观体现与测评，因此可通过实验步骤提取出关键的叶级设计参数。并且，本发明所述的植介入医疗器械关键参数提取方法，对于定量的叶级设计参数，通过敏感度分析得出叶级设计参数变动时，每一叶级功能需求指标受到的影响程度大小，用敏感度系数E 进行衡量，对定类的叶级设计参数，则通过计算该项叶级设计参数与各项叶级功能需求指标之间相关比率E2的消减误差比例PRE进行衡量；在计算过程中均使用无量纲的或者经过无量纲化处理后的指标进行计算，从而提高了功能需求指标的普适性，使得方法可应用于不同结构、不同类型的植介入医疗器械，具有适用范围广的优点。
为使本发明所述基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取及评价方法的技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步说明。
具体实施方式
实施例1
本实施例以椎间融合器为例对本发明所述的基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取及评价方法进行详细说明，本方法的具体流程如下：
(1)根据植介入医疗器械的临床使用目的与植入位置的解剖结构约束定义用户需求。对于椎间融合器而言，由于其主要用于颈前路减压融合手术中，因此根据临床上颈前路减压融合手术所要达到的治疗效果和颈椎解剖结构特征，可将零切迹椎间融合器设计的用户需求概括为：a.为手术节段提供术后即刻稳定的力学环境；b.有效缓解或根除患者疼痛症状；c.恢复颈椎正常椎间隙高度与生理弯曲度；d.为术后椎间骨组织的融合提供长期稳定的力学环境；e.降低术后邻近节段退行性病变等术后并发症的发生率；f.具备良好的生物相容性。
(2)根据步骤(1)中定义的用户需求，确定植介入医疗器械为满足用户需求而所要具备的顶层性能需求FR0，进一步根据待评价的植介入医疗器械特征，将顶层性能需求映射到物理域中，形成植介入医疗器械的顶层设计参数DP0。对于椎间融合器而言，根据步骤(1)中定义的椎间融合器用户需求，可将基于公理设计的椎间融合器的顶层功能需求FR0定义为：
FR0：具备恰当的性能
在物理域中与之对应顶层设计参数DP0为：
DP0：椎间融合器的总体设计
此外，在本步骤中还需根据植介入医疗器械监管标准体系中的伦理学要求，在功能域中定义椎间融合器设计与测评过程中的伦理学约束Cs，伦理学约束Cs 主要依据ISO10993体系中的“动物保护要求”形成，包括对评价过程将采用的动物实验的实施进行约束，具体包括：a.实施实验人员的资格审查；b.术前、术中和术后动物护理；c.人道法处死动物；d.减少不必要的重复。
(3)确定植介入医疗器械的顶层性能需求FR0与顶层设计参数DP0之后，通过在物理域与功能域之间进行Z形映射变换，对植介入医疗器械生物力学性能需求、材料学性能需求、生物学性能需求与相应的结构设计参数、材料设计参数进行分解，直至得到能够在力学、材料学与生物学测试模型中直接体现的叶级结构设计参数和材料设计参数DPs，以及能够通过测试结果分析得到的各项叶级性能衡量指标FRs。步骤(1)中得到的FR0与DP0是高度概括而笼统的，无法指导评价，需要进一步的分解细化。对于椎间融合器而言，公知的是其在设计与使用过程中需要满足的几项要求：(1)具备良好的生物力学性能，为脊柱手术节段解剖结构与生理功能的恢复提供稳定的力学环境；(2)融合器材料具备稳定的理化性能，以确保融合器植入体内后长期不发生理化状态的显著改变；(3)具备良好的生物相容性，以确保融合器植入体内后的无毒性与不引起强烈的免疫排斥。因此即将FR0分解为：
FR11：具备恰当的生物力学性能 FR12：具备稳定的材料理化性能
FR13：具备稳定的生物学性能
上述三项即为椎间融合器的第一层功能需求。
易知，融合器的结构设计与材料设计均会对上述三项功能需求造成影响，因此在物理域中DP0可以分解为：
DP11：结构设计 DP12：材料设计
上述两项即为椎间融合器的第一层设计参数。此时再次回到功能域中，将物理域中DP11与DP12需要具备的功能需求进一步细化。
针对FR11，椎间融合器需具备的生物力学性能具体分为：(1)融合器植入后需确保手术节段在各个工况下均具备良好的力学稳定性，以实现手术节段的术后即刻与长期稳定；(2)融合器沉降是融合器植入后常发生的现象，沉降不仅会造成椎间高度丢失和神经根管容积变小，还能导致融合节段前凸角度减小，使融合节段应力集中，加速邻近椎节退变，因此沉降是融合器设计中需要极力降低甚至避免的一大风险；(3)由于融合器与椎骨之间总是不可避免地存在刚度差异，因此融合器植入后总会存在一定的应力遮挡效应，应力遮挡效应阻碍了应力在融合器-椎骨界面的均匀分布，不利于骨组织的融合，融合器的结构特征与材料特性均是影响应力在融合器-椎骨界面分布情况的重要影响因素，因此应力遮挡效应也是融合器结构设计与评价过程中需要考虑的要素；(4)融合器植入后通常会影响相邻节段椎间盘内压与小关节软骨上的应力分布，使二者与正常水平之间产生差异，这一差异将增加相邻节段退变的风险，因此融合器的设计应尽量减小对相邻节段椎间盘内压与小关节软骨上的应力分布的影响，使相邻节段退变的风险降至最低；(5)融合器植入人体后将承受由于脊柱的日常活动产生的循环往复的力学载荷，因此融合器主体及其紧固装置需要具备良好的疲劳性能，保证其长期工作状态下不发生疲劳破坏。因此FR11可以进一步细化为：
FR111：确保手术节段的力学稳定性 FR112：降低沉降的发生风险
FR113：最小化应力遮挡效应 FR114：降低相邻节段退变的风险
FR115：植入后融合器紧固装置不发生疲劳断裂
椎间融合器为永久性植入体，根据ISO 10993标准体系中对植介入医疗器械理化性能与生物相容性的要求，FR12和FR13可以进一步细化为：
FR121：融合器材料物理性质在植入后长期无显著变化
FR122：融合器材料化学性质在植入后长期无显著变化
FR131：融合器符合植介入医疗器械的无毒性要求
FR132：融合器符合植介入医疗器械的免疫反应要求
上述九项即为椎间融合器的第二层功能需求。在物理域中进一步对融合器设计中影响上述功能需求的设计参数进行细化。根据对现有椎间融合器产品进行调研的结果，我们可以归纳出椎间融合器结构设计的三个要素为Cage主体设计；紧固装置设计；主体-紧固装置连接设计。因此，针对DP11可以进一步分解为：
DP111：融合器cage主体结构设计 DP112：紧固装置结构设计
DP113：主体-紧固装置连接关系设计
针对DP12，可以进一步细化为：
DP121：融合器主体材料 DP122：紧固装置材料
上述四项即为椎间融合器的第二层设计参数。此时再次回到功能域中，将物理域中DP11i(i＝1,2,3)与DP12j(j＝1,2)需要具备的功能需求进一步细化。
针对FR111所述确保手术节段的力学稳定性，针对FR111所述确保手术节段的力学稳定性，已有的临床跟踪、体外实验与数值模拟研究中常通过测量融合器植入后手术节段刚度是否增加来衡量，因此将FR111细化为
FR1111：增加手术节段的刚度
针对FR112所述降低沉降的发生风险，考虑到导致融合器发生沉降的根本原因在于骨性终板骨折。骨折的发生与否、严重程度则与终板骨质分布与融合器植入后终板应力分布相关。体外生物力学研究表明终板中心位置的力学强度最弱，沿着径向靠近外周区域的力学强度逐渐递增，因此融合器设计应该使各个工况下应力最大区域集中分布于终板边缘；同时各区域所分布应力始终不超过该区域终板的屈服极限，避免终板出现塑性形变而增加骨折风险。据此将FR112细化为：
FR1121：提高各工况下手术节段终板应力分布均匀性
FR1122：各工况下手术节段终板最大应力不超过所处区域的终板屈服极限
针对FR113所述最小化应力遮挡效应，其成因在于植入物与骨组织之间存在的刚度差，多发区域通常为两种刚度差距较为悬殊的材料过度区域，直观表现为植入物承载更多载荷而骨组织承载较小载荷。因此要使融合器植入后应力遮挡效应最小化，则需要通过结构与材料设计实现载荷在融合器和骨移植物之间均匀分布，据此将FR113细化为：
FR1131：提升载荷在融合器和骨移植物之间的均匀分布程度
针对FR114所述降低相邻节段退变的风险，考虑到相邻节段退变的诱因在于融合器植入后相邻节段的颈椎间盘与小关节上的应力分布与正常颈椎存在差异，融合器的设计应该降低这一差异，据此将FR114细化为：
FR1141：减小术后相邻节段椎间盘内压力(IDP)分布与术前水平的差异
FR1142：减小术后小关节应力分布与术前水平的差异
针对FR115植入后融合器组件不发生疲劳断裂，具体地应符合脊柱植入物标准ISO12189中的疲劳性能要求，因此将FR115细化为：
FR1151：融合器主体的疲劳强度符合脊柱植入物标准体系中的疲劳性能要求FR1152：紧固装置的疲劳强度符合脊柱植入物标准体系中的疲劳性能要求
针对FR121所述融合器材料物理性质在植入后长期无显著变化，融合器材料的物理特性主要包括其宏观形态与微观形貌，因此将FR121细化为：
FR1211：融合器主体材料宏观形态在植入后长期无显著变化
FR1212：融合器紧固装置材料宏观形态在植入后长期无显著变化
FR1213：融合器主体材料微观形貌在植入后长期无显著变化
FR1214：融合器紧固装置材料微观形貌在植入后长期无显著变化
针对FR122所述融合器材料化学性质在植入后长期无显著变化，融合器材料的化学性质主要包括：化学组分、化学链构型和分子量分布，针对聚合物材料，如PEEK)；晶相和元素相间分布，针对合金材料，如钛合金；融合器主体材料一般采用聚合物，紧固装置一般采用合金，因此本实施例以此为例，将FR122细化为：
FR1221：融合器主体材料化学组分在植入后长期无显著变化
FR1222：融合器紧固装置材料化学组分在植入后长期无显著变化
FR1223：融合器主体材料化学链构型在植入后长期无显著变化
FR1224：融合器主体材料分子量分布在植入后长期无显著变化
FR1225：融合器紧固装置材料晶相在植入后长期无显著变化
FR1226：融合器紧固装置材料元素相间分布在植入后长期无显著变化
针对FR131所述融合器符合植介入医疗器械的无毒性要求，具体包括 ISO10993标准体系中的细胞毒性、全身毒性与致癌性限制，因此将FR131细化为：
FR1311：融合器符合植介入医疗器械标准中的细胞毒性限制性要求
FR1312：融合器符合植介入医疗器械标准中的全身毒性限制性要求
FR1313：融合器符合植介入医疗器械标准中的致癌性限制性要求
针对FR132所述融合器符合植介入医疗器械的免疫排斥反应要求，具体包括ISO10993标准体系中的植入后局部炎症反应限制、刺激性和致敏性限制、植入体与血液相互作用限制，因此将FR132细化为：
FR1321：融合器符合植介入医疗器械标准中的植入后局部炎症反应限制要求
FR1322：融合器符合植介入医疗器械标准中的植入后刺激性和致敏性限制要求
FR1323：融合器符合植介入医疗器械标准中的植入后与血液相互作用限制要求
上述二十二项即为椎间融合器的第三层功能需求。
在物理域中对融合器设计参数进行进一步的分解细化需要结合待评价的椎间融合器产品具体参数进行，本实施例以DePuy Synthes公司的Zero-P零切迹椎间融合器为例进行具体说明，Zero-P零切迹椎间融合器的矢状面设计为弧形。 Zero-P零切迹椎间融合器主体结构设计要素包括：矢状面设计、足印面设计、空腔设计与表面齿状设计，因此DP111可以细化为：
DP1111：表面纹理设计 DP1112：矢状面设计 DP1113：空腔设计
DP1114：足印面设计
Zero-P零切迹椎间融合器的紧固装置设计要素包括：紧固螺钉设计参数、紧固螺钉与前置固定板间的连接方式及紧固螺钉与椎骨间的连接方式，因此DP112可细化为：
DP1121：紧固螺钉设计 DP1122：紧固螺钉与前置固定板间的连接方式
DP1123：紧固螺钉与椎骨间的连接方式
Zero-P零切迹椎间融合器的Cage与前置固定板之间采用的是间隙配合方式，因此DP113可细化为：
DP1131：Cage与前置固定板之间的间隙配合
Zero-P椎间融合器的主体材料为PEEK材料，紧固螺钉与前置固定板的材料为Ti6Al4V，因此DP121可细化为：
DP1211：融合器主体的PEEK材料特性
DP122可细化为：
DP1221：紧固装置的Ti6Al4V材料特性
上述十项即为椎间融合器的第三层设计参数。此时再次回到功能域中，将物理域中第三层设计参数需要具备的功能需求进一步细化。
脊柱节段活动度是目前脊柱康复研究领域内衡量脊柱节段刚度的通用指标，针对FR1111手术节段刚度增加的程度可以通过测算术后节段在各个工况下的活动度ROM减小率rROM来衡量，因此，FR1111可以进一步细化为：
FR11111：手术节段在前屈-后伸工况下活动度减小率rROM1
FR11112：手术节段在侧弯工况下的活动度减小率rROM2
FR11113：手术节段在轴向旋转工况下的活动度减小率rROM3
FR1111i(i＝1,2,3)能够通过力学数值模拟方法直接测算得到，因此FR1111i (i＝1,2,3)为衡量手术节段的力学稳定性的叶级FRS。
在数值仿真模型中，融合器的设计对“提升FR1121各工况下手术节段上下终板应力分布均匀性”的实现程度通常通过测算终板上的Von Mises应力分布来直观地反映其受力情况。FR1121实现的程度可通过各个工况下手术节段上下终板Von Mises应力分布均匀性系数μ来衡量，其具体计算公式为：
其中M(x,y,z)表示终板曲面上坐标为(x,y,z)处的Von Mises应力值，M0表示终板上分布的Von Mises应力峰值，μ(x,y,z)表示终板曲面上坐标为(x,y,z)处Von Mises应力均匀性系数，μ为终板曲面Von Mises应力分布均匀性系数，当μ＝1 时表示终板各处分布的Von Mises应力相等，分布均匀，μ越趋向于0，Von Mises 应力分布越不均匀。
因此FR1121可细化为：
FR11211：前屈-后伸工况手术节段上终板Von Mises应力分布均匀性系数μ1
FR11212：前屈-后伸工况手术节段下终板Von Mises应力分布均匀性系数μ2
FR11213：侧曲工况手术节段上终板Von Mises应力分布均匀性系数μ3
FR11214：侧曲工况手术节段下终板Von Mises应力分布均匀性系数μ4
FR11215：旋转工况手术节段上终板Von Mises应力分布均匀性系数μ5
FR11216：旋转工况手术节段下终板Von Mises应力分布均匀性系数μ5
而融合器设计对“FR1122各工况下手术节段终板最大应力不超过所处区域的终板屈服极限”的实现程度可通过最大应力所处区域的终板屈服强度与该区域 Von Mises应力之差值来衡量，因此FR1122可进一步细化为：
FR11221：前屈-后伸工况下Von Mises应力最大处的终板屈服强度与该区域分布的Von Mises应力的差异率Δσ1
FR11222：侧弯工况下Von Mises应力最大处的终板屈服强度与该区域分布的 VonMises应力的差异率Δσ2
FR11223：轴向旋转工况下Von Mises应力最大处的终板屈服强度与该区域分布的Von Mises应力的差异率Δσ3
易知，FR1121i(i＝1,2,3)与FR1122i(i＝1,2,3)是能够根据力学数值模拟方法测算得到的指标，因此为衡量沉降发生风险降低程度的叶级FRs。
已有探究椎间融合器植入后应力遮挡效应影响因素的有限元仿真研究中，不同结构融合器植入后的应力遮挡程度是通过测算模拟轴向压缩载荷下骨移植物应变分布均匀程度与应变大小变化规律来直观反映，因此，载荷在融合器和骨移植物之间均匀分布程度可以通过模拟生理条件的轴向压缩载荷下骨移植物应变分布均匀性系数θ、骨移植物与融合器平均应变大小之间的差异率加以衡量。因此FR1131可进一步细化为：
FR11311：轴向压缩载荷下骨移植物应变分布均匀性系数θ
FR11312：轴向压缩载荷下骨移植物与融合器平均应变大小的差异率Δε
易知，FR11311与FR11312是能够根据力学数值模拟方法测算得到的指标，因此为衡量应力遮挡效应最小化程度的叶级FRs。
融合器的设计对“FR1141减小术后相邻节段椎间盘内压力(IDP)分布与术前水平的差异”的实现程度可以通过融合器植入后相邻节段椎间盘内压力(IDP)分布的平均变化率ΔP加以衡量；对“FR1142减小术后小关节应力分布与术前水平的差异”的实现程度可以通过融合器植入后小关节应力分布的平均变化率ΔS加以衡量，因此FR1141和FR1142可进一步细化为：
FR11411：融合器植入后相邻节段椎间盘内压力(IDP)分布的平均变化率ΔP
FR11421：融合器植入后小关节应力分布的平均变化率ΔS
融合器的设计对“FR1151组件疲劳强度符合脊柱植入物标准体系中的疲劳性能要求”的实现程度可以通过测量Zero-P融合器紧固螺钉、前置固定板的实际疲劳强度与标准中所规定疲劳强度下限的相对差值进行衡量，因此FR1151可进一步细化为：
FR11511：紧固螺钉实际疲劳强度与标准中所规定疲劳强度下限的差异率Δρ1
FR11521：前置固定板实际疲劳强度与标准中所规定疲劳强度下限的差异率Δρ2
FR11522：紧固螺钉实际疲劳强度与标准中所规定疲劳强度下限的差异率Δρ3
有关融合器材料的理化特性功能需求FR121i(i＝1,2,3,4)、FR122j(j＝1,…,6)，生物学功能需求FR131m(m＝1,2,3)和FR132n(n＝1,2,3)可参照ISO10993医疗器械生物学评价标准体系中的可量化指标进行细化。
上述各项功能需求均是可以通过力学试验、材料学测试与生物学测试方法直接测算得到量化指标，至此，椎间融合器的叶级功能需求指标分解完成。
在物理域中对椎间融合器的第三层设计参数进行细化，Zero-P零切迹椎间融合器的表面纹理设计(DP1111)可细化为：
DP11111：表面四棱锥齿状凸起
Zero-P零切迹椎间融合器的矢状面设计参数(DP1112)可细化为：
DP11121：弧形矢状面倾角为7°DP11122：矢状面前缘高度Hl
Zero-P零切迹椎间融合器的空腔设计参数(DP1113)可细化为：
DP11131：空腔体积Vc(根据融合器有限元模型测量)
Zero-P零切迹椎间融合器的足印面设计参数(DP1114)可细化为：
DP11141：足印面最大宽度W DP11142：足印面深度D
DP11143：足印面面积S
Zero-P零切迹椎间融合器的紧固螺钉设计参数(DP1121)可具体化为：
DP11211：螺钉长度Hs DP11212：螺钉与横断面夹角α
DP11213：螺钉与矢状面夹角β
Zero-P零切迹椎间融合器的紧固螺钉与前置固定板间、紧固螺钉与椎骨间的连接方式均为螺纹连接，因此紧固螺钉与前置固定板间的连接方式(DP1122)、紧固螺钉与椎骨间的连接方式(DP1123)设计可细分为：
DP11221：紧固螺钉与前置固定板间螺纹连接的摩擦系数f1
DP11231：紧固螺钉与椎骨间螺纹连接的摩擦系数f2
Zero-P的融合期主体与前置固定板之间的间隙配合设计参数(DP1131)可细分为：
DP11311：Cage与前置固定板之间的最大间隙Xmax
DP11312：Cage与前置固定板之间的最小间隙Xmin
Zero-P椎间融合器材料的固有特性主要包括杨氏模量、泊松比、表面粗糙度，因此DP1211可细化为：
DP12111：融合器主体PEEK材料的杨氏模量
DP12112：融合器主体PEEK材料的泊松比
DP12113：融合器主体PEEK材料的表面粗糙度
DP1221可细化为：
DP12211：紧固装置Ti6Al4V材料的杨氏模量
DP12212：紧固装置Ti6Al4V材料的泊松比
DP12213：紧固装置Ti6Al4V材料的表面粗糙度
上述二十项设计参数可以在测试模型、试验装置中得到直观体现与测评，因此将它们作为Zero-P融合器的叶级设计参数DPs。至此，椎间融合器的FR-DP 分解完成。
(4)通过设计矩阵表示出融合器功能需求指标与其设计参数之间的映射关系，并建立各层级的设计方程，使各层级功能需求指标与设计参数建立关联。设计方程与设计矩阵具体形式为：
其中，FRi(i＝1,…,n)与DPj(j＝1,…,m)为同一分解层级上的功能需求指标与设计参数。设计矩阵中的元素Aij(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m)有如下规定：
在该步骤中得到的设计矩阵中非零元素X仅定性表示DPj对FRi存在的影响关系，X的具体值或函数表达式需在后续步骤中通过具体的力学试验、材料学测试与生物相容性测试进行验证与量化。
(5)通过数值仿真、力学试验、材料学试验与生物相容性测试对植介入医疗器械设计参数实现其功能需求的程度进行测评。在实验前应检验各项试验测评过程是否满足功能域中的伦理学约束Cs，采用满足伦理学约束Cs的实验方法进行实验，对于椎间融合器，本实施例中具体的测试方法包括如下表所示实验方法：
基于试验结果，对于定量的叶级设计参数，如长度、宽度、表面积、孔隙率等结构设计参数，通过敏感度分析得出当这些设计参数变动时，每一叶级功能需求指标受到的影响程度大小，用敏感度系数进行衡量，并与预设的敏感度系数基准进行比较，将敏感度系数低于基准的设计参数剔除。现以椎间融合器的叶级生物力学功能需求指标FR11111(手术节段在前屈-后伸工况下的ROM减小程度) 对叶级结构设计参数DP11141(足印面最大宽度W)的敏感度分析过程为例具体解释如下：
a.确定功能需求的敏感度指标：此处功能需求FR11111的敏感度指标可以定为“保持其余叶级结构设计参数不变，改变融合器足印面最大宽度W(DP11141)的数值时，手术节段在前屈-后伸工况下的ROM减小程度(FR11111)的变化率ΔR”
b.确定结构设计参数变化率：此处将融合器足印面最大宽度W的变化率ΔW 定为±10％，
c.确定敏感度系数基准：此处将敏感度系数的基准E0设为±1
d.计算敏感度系数：
表示功能需求FR11111与结构设计参数 DP11141同方向变化；E<0，表示二者呈反方向变化。|E|越大敏感度系数越高，功能需求FR11111对该结构设计参数DP11141的敏感程度越高。
e.对比计算所得敏感度系数E与基准E0：当根据测试结果计算得出的敏感度系数E处于[-1,1]范围内时，认为FR11111对DP11141的变化不敏感，则将DP11141列为影响FR11111的“非关键设计参数”；当敏感度系数处于[-1,1]范围之外时，认为FR11111对DP11141的变化敏感，则将DP11141列为影响FR11111的“关键设计参数”
对于每一项定类的叶级设计参数，如材料类别、表面纹理形状等涉及具体选择，无法用数值表示的设计参数，则通过计算该项叶级设计参数与各项叶级功能需求指标之间相关比率E2的消减误差比例PRE，并与预设的消减误差比例基准进行比较，将影响程度低于基准的设计参数剔除。相关比率E2常用于衡量一个定类自变量与定量因变量之间的相关关系，通过计算相关比率E2的PRE，可以衡量定类设计参数间的相对重要程度，PRE的含义是假设变量X与因变量Y具有相关关系时，用X的资料预测Y时得到的相关比率E1 2，比不用X的资料预测Y时得到的相关比率E2 2能够减少多少误差，PRE越大表示变量X对因变量 Y的影响程度越大。现以椎间融合器的叶级结构设计参数DP11111(表面四棱锥齿状凸起)与叶级生物力学功能需求指标FR11411(融合器植入后相邻节段椎间盘内压力(IDP)分布的平均变化率ΔP)之间相关比率E2的消减误差比例PRE的计算过程为例具体解释如下：
a.计算融合器表面分布四棱锥齿状凸起时，FR11411的相关比率E1 2
b.计算融合器表面无齿状凸起时，FR11411的相关比率E2 2
c.设定消减误差比例的基准PRE0：此处将PRE0定为0.1
d.计算两种情况下相关比率的消减误差比例PRE并与PRE0做比对，若 DP11111与FR11411之间相关比率E2的消减误差比例PRE小于0.1，则认为DP11111对FR11411的影响程度可以忽略不计，将DP11111列为影响FR11411的“非关键设计参数”；反之将DP11111列为影响FR11411的“关键设计参数”，从而最终提取得出影响椎间融合器性能的关键叶级设计参数。
(6)根据力学、材料学与生物相容性测试结果进行统计学分析或数值分析，得出叶级功能需求指标FRs与各项关键叶级设计参数DPs间的定量关系，从而对叶级设计矩阵里的非零元素进行量化与归一化。
(7)根据步骤(6)中归一化后的叶级设计矩阵非零元素，计算所评价的椎间融合器设计参数包含的总信息量，计算公式为：
其中Acr表示椎间融合器的关键叶级设计参数能够实现其应具备功能需求的概率，显然该概率越大，植介入医疗器械设计的总信息量越小，则表示该设计越优。
根据步骤(6)中归一化后的叶级设计矩阵非零元素，计算各项叶级设计参数DPs之间耦合度指标，计算公式为：
其中
与
为归一化后的叶级设计矩阵非零元素，根据公理设计原理，S 越接近1，则各项叶级设计参数DPs之间耦合度越小。
根据公理设计理论中的两大设计公理：独立公理与信息公理推导出的“设计的总信息量越小越好，设计参数间的耦合度越小越好”的原则，对椎间融合器设计的优劣进行总体评价，并可根据“降低设计的总信息量与设计参数间的耦合度”指明椎间融合器各项设计参数优化的方向。
实施例2
本实施例以可降解血管支架为例对本发明所述的基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取及评价方法进行详细说明。本方法的具体流程如下：
(1)根据植介入医疗器械的临床使用目的与植入位置的解剖结构约束定义用户需求。对于可降解血管支架而言，其介入部位为发生狭窄的血管，主要为血管提供足够的径向支撑力,早期尽可能地减少血管回弹,而当血管完成重构时, 支架可以逐渐地进行生物降解,最终支架完全降解,同时血管随着调节实现新的平衡。因此将可降解血管支架设计的用户需求概括为：a.在血管狭窄处重构期间为血管提供足够的径向支撑力；b.介入后支架不发生显著移位；c.支架介入后对血流干扰度小，避免支架内再狭窄；d.降解速率与血管力学强度重构速率相匹配； e.当血管重构完成时实现支架的完全降解；f.降解产物不发生堆积且无毒无害； g.支架具备良好的生物相容性。
(2)根据步骤(1)中定义的用户需求，确定植介入医疗器械为满足用户需求而所要具备的顶层性能需求FR0，进一步根据待评价的植介入医疗器械特征，将顶层性能需求映射到物理域中，形成植介入医疗器械的顶层设计参数DP0。对于可降解血管支架而言，根据步骤(1)中定义的支架用户需求，可将基于公理设计的可降解血管支架的顶层功能需求FR0定义为：
FR0：具备恰当的性能
在物理域中与之对应顶层设计参数DP0为：
DP0：可降解血管支架的总体设计
此外，在本步骤中还需根据植介入医疗器械监管标准体系中的伦理学要求，在功能域中定义可降解血管支架设计与测评过程中的伦理学约束Cs，伦理学约束Cs主要依据ISO10993体系中的“动物保护要求”形成，包括对评价过程将采用的动物实验的实施进行约束，具体包括：a.实施实验人员的资格审查；b.术前、术中和术后动物护理；c.人道法处死动物；d.减少不必要的重复。
(3)确定植介入医疗器械的顶层性能需求FR0与顶层设计参数DP0之后，通过在物理域与功能域之间进行Z形映射变换，对植介入医疗器械生物力学性能需求、材料学性能需求、生物学性能需求与相应的结构设计参数、材料设计参数进行分解，直至得到能够在力学、材料学与生物学测试模型中直接体现的叶级结构设计参数和材料设计参数DPs，以及能够通过测试结果分析得到的各项叶级性能衡量指标FRs。对于可降解血管支架而言，步骤(1)中得到的FR0与DP0是高度概括而笼统的，无法指导评价，需要进一步的分解细化。因此即将FR0分解为：
FR11：具备良好的生物力学性能 FR12：具备恰当的降解性能
FR13：具备良好的生物相容性
上述三项即为可降解血管支架的第一层功能需求。
易知，可降解血管支架的结构设计与材料设计均会对上述三项功能需求造成影响，因此在物理域中DP0可以分解为：
DP11：支架结构设计 DP12：支架材料设计
上述两项即为可降解血管支架的第一层设计参数。此时再次回到功能域中，将物理域中DP11与DP12需要具备的功能需求进一步细化。针对FR11所述可降解血管支架需具备良好的生物力学性能，可降解血管支架需具备的生物力学性能具体分为：(1)具备良好的径向支撑能力，减少径向回弹并防止支架发生断裂；(2) 具备良好的扩张性能；(3)具备良好的柔顺性以提升支架的贴壁性能与顺应血管变形性能；(4)减小支架对介入部位血流的扰动影响；(5)具备良好的疲劳性能以防止支架在介入部复杂载荷长期作用下发生疲劳破坏。因此FR11可以进一步细化为：
FR111：具备良好的径向支撑能力 FR112：具备良好的扩张性能
FR113：具备良好的柔顺性 FR114：最小化支架对血液流动的扰动效应
FR115：具备良好的疲劳性能
理想的可降解血管支架其降解行为应具备与血管修复相匹配的降解速度。过早降解失去支撑作用使其不能对抗支架置入后的“负性重构”,不能起到血运重建的作用,降解过慢则长期刺激血管平滑肌增生,增加支架再狭窄发生概率。此外，支架在体内服役过程中的降解行为包括均匀腐蚀、应力腐蚀、斑点腐蚀等。均匀腐蚀模型是支架降解研究中最简单的腐蚀模型,即考虑可降解支架表面以一定的降解速率均匀的发生腐蚀降解。均匀腐蚀模型目前已被证明是支架降解过程中最理想的情况。因此血管支架的设计应使其具备与血管修复相匹配的降解速度和良好的降解均匀性。本实施例将FR12进一步细化为：
FR121：具备与血管修复相匹配的降解速度 FR122：具备良好的降解均匀性
针对FR13，根据ISO 10993标准体系中对植介入医疗器械理化性能与生物相容性的要求，可以进一步细化为：
FR131：支架主体材料具备良好的生物相容性
FR132：支架涂层材料具备良好的生物相容性
FR133：降解产物具备良好的生物相容性
上述十一项即为可降解血管支架的第二层功能需求。在物理域中进一步对可降解血管支架设计中影响上述功能需求的设计参数进行细化。
针对DP11，血管支架的结构设计要素主要包括支架总体的结构设计以及对支撑筋和连接筋的几何结构设计,通过这两者的设计可以实现支架应具备的力学性能与降解性能。因此DP11可以进一步细化为：
DP111：支架总体结构设计 DP112：支撑筋几何结构设计
DP113：连接筋几何结构设计
针对DP12，可降解血管支架主体材料特性是影响其生物力学性能、降解行为与生物相容性的重要要素之一，因此支架主体材料的设计是支架材料的设计要素之一；现有研究表明可降解支架涂层设计是缓解可降解支架降解腐蚀、提高生物相容性的重要方法之一，因此支架涂层设计也是支架材料的设计要素之一。 DP12可以进一步细化为：
DP121：支架主体材料设计 DP122：支架涂层设计
上述五项即为可降解血管支架的第二层设计参数。此时再次回到功能域中，将物理域中DP11i(i＝1,2,3,4)与DP12j(j＝1,2)需要具备的功能需求进一步细化。
针对FR111所述支架需具备的良好径向支撑性能，具体是指支架介入手术完成、球囊撤出体外后支架要承受来自病变组织和血管的径向挤压力，支架需具备承受这一挤压力不发生变形破坏的能力，以保持血流畅通。针对支架在体内受力情况，国际上以血管支架的径向抗压强度作为通用的评价指标。因此将FR111细化为：
FR1111：血管支架的径向抗压强度P
针对FR112所述支架需具备的良好扩张性能，主要分为径向扩张性能与轴向扩张性能。具体是指：在介入病变血管、球囊卸载后支架会在自身弹性变形和血管内壁共同作用下发生一定程度的径向弹性回缩，此时支架需避免过大的径向弹性回缩，以防止血管壁内径无法达到治疗要求而引起血管再狭窄；支架在膨胀扩张中径向尺寸增大的同时轴向尺寸会相应的有所缩小，过大的轴向收缩可能会造成支架在血管中定位不准确，增大划伤血管内壁的风险，为远期血栓和血管再狭窄埋下隐患，因此支架需避免过大的轴向弹性回缩。综上所述因此将FR112细化为：
FR1121：降低支架介入后发生径向弹性回缩的程度
FR1122：降低支架介入后发生轴向缩短的程度
所述支架需具备的良好柔顺性又分为轴向柔顺性(即发生弯曲变形的能力) 与径向柔顺性(即贴壁性能)，这两者是影响血管支架治疗效果的两个重要生物力学性能：其一，若支架的轴向柔顺性较差，导致其与宿主血管贴合度低是导致血管支架滑移和内漏的原因之一，应极力避免；其二，支架应与宿主血管径向顺应性匹配，以降低其滑移和内漏的可能，此外还可降低其内部血流紊乱，减少其他血管性疾病的发生。因此将FR113细化为：
FR1131：支架具备良好的轴向柔顺性 FR1132：支架具备良好的径向柔顺性
针对FR114所述最小化支架对血液流动的扰动效应，现有研究表明支架介入后，使得血流受到干扰而产生流动分离,在血管内壁形成低剪切应力区和支架内部和周围形成流动振荡区域,被认为是造成动脉粥样硬化和内膜增生而导致支架内再狭窄的重要原因，是需要极力避免的。此外，若支架介入后导致壁面剪切应力的分布不均匀而出现剧烈振荡，容易造成血管内皮细胞损伤，在一定程度上加剧血管再狭窄的发生。据此FR114应细化为：
FR1141：减少支架介入后血管壁低剪切应力区的产生
FR1142：减小支架介入后对血液流动稳定性的影响程度
FR1143：减小支架介入后血管壁面剪切应力峰值水平与人体正常范围之间的差异
FR1144：减小支架介入后血管壁面剪切应力谷值水平与人体正常范围之间的差异
FR1145：增大支架介入后血管壁面剪切应力的均匀分布程度
针对FR115所述支架需具备良好的疲劳性能，一般通过Goodman疲劳准则进行评估，其遵循的公式为：
其中纵坐标σa代表交变应力，横坐标σm代表平均应力，σ-1代表支架材料的疲劳极限，σb代表支架的抗拉强度，根据该公式作出经典的Goodman曲线，将支架在血管壁压缩载荷与周期性血压脉动载荷下支架各个支撑筋波形环处、支撑筋和连接筋结合处(支架在血管中被压缩状态下的最大等效应力集中于支撑筋曲率最大的波形环处的内表面区域，此处最有可能发生疲劳失效)的实际平均应力与对应的实际交变应力的散点绘制在同一幅图中，若这些散点均处于Goodman 曲线下方，则认为支架的疲劳性能良好，在工作状态下不易发生断裂，因此将 FR115细化为：
FR1151：实际工况下支架各个支撑筋波形环处平均应力与交变应力散点均处于Goodman曲线下方
FR1152：实际工况下支架各个支撑筋和连接筋结合处平均应力与交变应力散点均处于Goodman曲线下方
针对FR121所述支架应具备与血管修复相匹配的降解速度，现有技术研究表明狭窄血管一般在6～12个月内,将完成血管的修复和重塑，因此理想的可降解血管支架应在介入24-36个月后完全降解，降解速度不宜过快，否则血管修复未完成支架则丧失支撑性能；也不宜过慢，否则易引起病变血管晚期血栓等问题。支架降解速度与血管修复速度的匹配程度可通过二者相应指标之间的相对差值进行衡量，因此FR121可细化为：
FR1211：支架降解速度指标与血管修复速度指标间的相对差值
针对FR122所述支架应具备良好的降解均匀性，具体是指支架支撑筋、连接筋以及二者结合处的降解速度保持较好的一致性，因此FR122可细化为：
FR1221：支架支撑筋降解速度保持较好的一致性
FR1222：支架连接筋降解速度保持较好的一致性
FR1223：支架支撑筋与连接筋结合处降解速度保持较好的一致性
FR1224：支架支撑筋、连接筋、结合处三者的降解速度保持较好的一致性
针对FR131所述支架主体材料具备良好的生物相容性，具体包括：符合ISO10993标准体系中的植介入医疗器械无毒性要求以及免疫反应要求。因此 FR131可细化为：
FR1311：支架主体材料符合植介入医疗器械的细胞毒性限制要求
FR1312：支架主体材料符合植介入医疗器械的全身毒性限制要求
FR1313：支架主体材料符合植介入医疗器械的致癌性限制要求
FR1314：支架主体材料符合医疗器械标准中的介入后局部炎症反应限制要求
FR1315：支架主体材料符合医疗器械标准中的介入后刺激性和致敏性限制要求
FR1316：支架主体材料符合医疗器械标准中的介入后与血液相互作用限制要求
同理FR132和FR133可分别细化为：
FR1321：支架涂层材料符合植介入医疗器械的细胞毒性限制要求
FR1322：支架涂层材料符合植介入医疗器械的全身毒性限制要求
FR1323：支架涂层材料符合植介入医疗器械的致癌性限制要求
FR1324：支架涂层材料符合医疗器械标准中的介入后局部炎症反应限制要求
FR1325：支架涂层材料符合医疗器械标准中的介入后刺激性和致敏性限制要求
FR1326：支架涂层材料符合医疗器械标准中的介入后与血液相互作用限制要求
FR1331：支架降解产物符合植介入医疗器械的细胞毒性限制要求
FR1332：支架降解产物符合植介入医疗器械的全身毒性限制要求
FR1333：支架降解产物符合植介入医疗器械的致癌性限制要求
FR1334：支架降解产物符合医疗器械标准中的局部炎症反应限制要求
FR1335：支架降解产物符合医疗器械标准中的刺激性和致敏性限制要求
FR1336：支架降解产物符合医疗器械标准中的与血液相互作用限制要求
上述三十五项即为可降解血管支架的第三层功能需求。在物理域中对相应的支架设计参数进行分解细化如下：
支架总体结构设计要素包括支架总体几何尺寸设计和支架总体特征参数设计，因此DP111可细化为：
DP1111：支架总体几何尺寸设计 DP1112：支架总体特征参数设计
类似的，支撑筋几何结构设计要素包括其几何尺寸设计与特征参数设计，因此DP112可细化为：
DP1121：支撑筋几何尺寸设计 DP1122：支撑筋特征参数设计
连接筋几何结构设计要素包括其几何尺寸设计与特征参数设计，因此DP113可细化为：
DP1131：连接筋几何尺寸设计DP1132：连接筋特征参数设计
现有技术研究表明：改变支架主体材料成分、力学性能和微结构可以有效实现支架降解速率的调节。因此DP121可细化为：
DP1211：支架主体材料组成成分 DP1212：支架主体材料机械性能
DP1213：支架主体材料的微观结构
对于血管支架而言，通过表面改性或者在其表面制备涂层，如形成陶瓷膜、高分子聚合物膜或者复合膜层等，同样对实现降解速率的调节起着重要作用。目前常用的可降解血管支架涂层材料主要为高分子聚合物，因此其设计要素包括涂层材料的化学特征、微观结构以及物理特征参数，因此DP122可细化为：
DP1221：支架涂层材料化学特征DP1222：支架涂层材料微观结构
DP1223：支架涂层的物理特征参数
上述十二项即为可降解血管支架的第三层设计参数。此时再次回到功能域中，将物理域中第三层设计参数需要具备的功能需求进一步细化。
针对FR1111所述血管支架的径向抗压强度P，由于可降解血管支架的力学性能随着支架的降解呈动态变化，因此应对支架降解周期内每一阶段的残余径向抗压强度进行测评。支架降解周期内t时刻的残余支架径向抗压强度Pt可以通过径向压缩法进行测算，其测算公式为：
Pt＝Pm+Pst (1-12)
其中Pi为径向压缩法测量中支架节点i处的接触正应力，n为节点总个数。
因此FR1111可细化为：
FR11111：支架降解周期内t时刻的残余支架径向抗压强度Pt
针对FR1121所述降低支架介入后发生径向弹性回缩的程度，可通过径向回缩率RR进行衡量，其计算公式为：
Rloading(x)和Runloading(x)分别表示球囊加载结束时支架半径和球囊完全卸载后支架半径。据此FR1121可细化为：
FR11211：支架介入后径向回缩率RR
针对FR1122所述降低支架介入后发生轴向缩短的程度，可通过轴向缩短率Fr进行测量，计算公式为：
其中Linitial(x)和Lfinal(x)分别表示球囊加载前支架初始长度和球囊卸载后支架长度。据此FR1122可细化为：
FR11221：支架介入后轴向缩短率Fr
针对FR1131所述支架具备良好的轴向柔顺性，可采用体外测试方法测量支架弯曲时的直径变化率和弹性回直力进行评价，据此FR1131可细化为：
FR11311：支架弯曲时的直径变化率DR FR11312：支架弹性回直力RF
针对FR1132所述支架具备良好的径向柔顺性，可采用ISO 7198-2016标准中规定的测试方法进行评价，其评价指标径向柔顺度C的计算公式如下：
测试系统包括模拟人体血液循环通路的水循环系统，用于对试样施加脉动式压力的电机系统，用于读取试样直径的激光系统以及用于监测试样上所施加的实时压力的压力测试系统。将待测试样两端固定在试样装载装置上，试样内部水流方向为自左向右，水流流速可调。其中p1(mmHg)为低压力值；p2(mmHg) 为高压力值；Rp1是低压时的半径；Rp2是高压时的半径。据此FR1132可细化为：
FR11321：支架的径向柔顺度C
针对FR1141所述减少支架介入后血管壁低剪切应力区的产生，具体可通过减小支架介入后血管壁低剪切应力区面积实现，因此该功能需求可细化为：
FR11411：支架介入后血管壁低剪切应力区面积s
针对FR1142所述减小支架介入后对血液流动稳定性的影响程度，应使支架介入区域的血液流动雷诺数在介入前后无明显的变化，可通过支架介入后该区域的血液雷诺数变化率来衡量，因此FR1142可细化为：
FR11421：支架介入后该区域的血液雷诺数变化率
针对FR1143所述减小支架介入后血管壁面剪切应力峰值水平与人体正常范围之间的差异,具体可通过支架介入后血管壁面剪切应力峰值水平与人体该部位正常血管壁面剪切应力峰值的差异率进行衡量，因此FR1143可细化为：
FR11431：支架介入后血管壁面剪切应力峰值水平与人体该部位正常血管壁面剪切应力峰值的差异率
与此类似，针对FR1144所述减小支架介入后血管壁面剪切应力峰值水平与人体正常范围之间的差异,具体可通过支架介入后血管壁面剪切应力谷值水平与人体该部位正常血管壁面剪切应力谷值的差异率进行衡量，因此FR1144可细化为：
FR11441：支架介入后血管壁面剪切应力谷值水平与人体该部位正常血管壁面剪切应力谷值的差异率
针对FR1145所述增大支架介入后血管壁面剪切应力的均匀分布程度，具体可通过测算支架介入后血管壁面剪切应力分布均匀性系数λ来衡量，其具体计算公式为：
其中q(x,y,z)表示介入区域血管壁面坐标为(x,y,z)处的剪切应力值，q0表示介入区域血管壁面剪切应力峰值，λ(x,y,z)表示介入区域血管壁面坐标为(x,y,z)处剪切应力均匀性系数，λ血管壁面剪切应力分布均匀性系数，当λ＝1时表示血管壁面剪切应力相等，分布均匀，λ越趋向于0，剪切应力分布越不均匀。
因此FR1145可细化为：
FR11451：支架介入后血管壁面剪切应力均匀系数λ
针对FR1151所述实际工况下支架各个支撑筋波形环处平均应力与交变应力散点均处于Goodman曲线下方，支架各个支撑筋波形环处平均应力与交变应力散点与Goodman曲线的位置关系具体可通过支架安全因子β进行表征，其测算原理为：
假设A点为实际工况下支架某个支撑筋波形环处平均应力与交变应力散点，过A点做X轴(表征平均应力的轴)的垂线分别交X轴于B点、交Goodman 曲线于C点，此时，安全因子β＝CB/AB，β值越小，表示A点距离Goodman 曲线越近，该处越容易发生疲劳失效。
因此FR1151可细化为：
FR11511：实际工况下支架各个支撑筋波形环处的安全因子β1
同理，FR1152可细化为：
FR11521：实际工况下支架各个支撑筋和连接筋结合处的安全因子β2
关血管支架降解性能的功能需求FR1211，支架置入血管后，血管内皮细胞增殖和和迁移活动是血管重建的主要生理过程,血管内皮细胞增殖和迁移有利于尽早覆盖裸露的支架,完成支架内皮化过程。而平滑肌的增殖是血管“负性重构”重要使动因素，因此血管修复速率可以通过对表征内皮细胞增殖和迁移活动速率的相应指标进行衡量。因此对支架降解速率的评价可通过对支架降解速率衡量指标、细胞增殖与迁移活动速率的具体衡量指标进行无量纲化处理后计算二者差异率进行具体衡量；FR122i(i＝1,…,4)的支架各部分结构之间的降解速度一致性也可通过计算相应的降解均匀性系数进行具体测量，在此不再赘述。
有关血管支架的生物相容性功能需求FR131m(m＝1,2,…,6)、FR132n(n＝1,2,…,6)和FR133p(p＝1,2,…,6)应参照ISO10993医疗器械生物学评价标准体系，将相应的可量化指标作为它们的叶级功能需求指标。上述各项功能需求均是可以通过力学试验、材料学测试与生物学测试方法直接测算得到量化指标，至此，可降解血管支架的叶级功能需求指标分解完成。
在物理域中对可降解血管支架的第三层设计参数进行分解细化，下面以 DREAMS2G镁合金药物洗脱可降解支架(德国Biotronik公司)为例进行具体说明如下：
支架总体几何尺寸设计要素包括支架撑开后的外径、支架长度、支架厚度，因此DP1111可细化为：
DP11111：支架撑开后的外径d DP11112：支架长度L
DP11113：支架厚度h
血管支架的支撑筋和连接筋的宽度、长度、厚度、截面形状等几何结构参数都会对支架的力学性能产生影响。DREAMS 2G支架主要特征为支撑筋为波形环状结构、支撑筋之间通过直线状的连接筋进行连接，支架总体特征参数包括周向分布的波形环数目、轴向分布的波形环数目及开窗长度，所述开窗长度是指沿轴向相邻两排支撑筋波形环之间的最远距离，因此DP1112可细化为：
DP11121：支架周向波形环数目m DP11122：支架轴向波形环数目n
DP11123：支架开窗长度l
支撑筋几何尺寸主要包括其宽度以及波形环的内径、外径，因此DP1121可细化为：
DP11211：支撑筋宽度w1 DP11212：支撑筋波形环内径ri
DP11213：支撑筋波形环外径ro
支撑筋特征具体是指其截面形状，因此DP1122可细化为：
DP11221：支撑筋截面形状
连接筋几何尺寸主要包括其宽度与长度，因此DP1131可细化为：
DP11311：连接筋宽度w2 DP11312：连接筋长度lc
连接筋特征具体是指其截面形状，因此DP1132可细化为：
DP11321：连接筋截面形状
下面以带多聚物涂层的可降解镁合金支架为例对主体材料和涂层材料的设计参数分解细化进行说明。
本实施例中所述的DREAMS 2G支架主体材料可降解镁合金(WE43)组成成分参数主要包括金属镁含量、金属钇含量、金属锆含量与稀有金属含量，因此 DP1211可细化为：
DP12111：金属镁含量92％DP12112：金属钇含量4％
DP12113：金属锆含量0.6％DP12114：稀有金属含量3.4％
针对DP1212所述支架主体材料机械性能，具体分为杨氏模量、泊松比、硬度、拉伸屈服强度等几项表征其力学特性的主要参数，因此DP1212可细化为：
DP12121：支架主体材料可降解镁合金的杨氏模量
DP12122：支架主体材料可降解镁合金的泊松比
DP12123：支架主体材料可降解镁合金的硬度
DP12124：支架主体材料可降解镁合金的拉伸屈服强度
支架主体材料可降解镁合金的微观结构包括晶粒大小、晶粒分布特征及晶格结构，这些要素均对镁合金的力学性能与降解行为产生影响，因此我们认为晶粒大小、晶粒分布特征及晶格结构是可降解镁合金的设计要素，因此DP1213可细化为：
DP12131：支架主体材料可降解镁合金的平均晶粒尺寸
DP12132：支架主体材料可降解镁合金的晶粒分布特征
DP12133：支架主体材料可降解镁合金的晶格结构
现有研究表明聚合物涂层材料的降解行为与其分子量、单体种类、侧枝基团等有关，因此我们认为支架多聚物涂层材料化学特征的设计要素包括分子量分布、分子基团的立构规整性、主链分子组成等，因此DP1221可细化为：
DP12211：PLLA的分子量分布 DP12212：PLLA分子基团的立构规整性
DP12213：PLLA的主链分子组成
支架多聚物涂层PLLA的微观结构特征包括其纤维直径、纤维长度与纤维排布特征，因此DP1222可细化为：
DP12221：涂层材料PLLA的纤维直径dt DP12222：涂层材料PLLA的纤维长度lt
DP12223：涂层材料纤维排布特征
可降解支架涂层设计是缓解可降解支架降解腐蚀、提高生物相容性的重要方法之一。不同的涂层厚度、扩散系数等的设计,将导致不同的作用时间,对调节可降解支架降解速率的效果不同，因此支架涂层的的厚度和扩散系数是其设计要素，因此DP1223可细化为：
DP12231：涂层的厚度ht DP12232：涂层的扩散系数α
上述三十二项设计参数可以在测试模型、试验装置中得到直观体现与测评，因此将它们作为带多聚物涂层的可降解镁合金支架的叶级设计参数DPs。至此，可降解血管支架的FR-DP分解完成。
(4)通过设计矩阵表示出可降解血管支架功能需求指标与其设计参数之间的映射关系，并建立各层级的设计方程，使各层级功能需求指标与设计参数建立关联。设计方程与设计矩阵具体形式为：
其中，FRi(i＝1,…,n)与DPj(j＝1,…,m)为同一分解层级上的功能需求指标与设计参数。设计矩阵中的元素Aij(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m)有如下规定：
在该步骤中得到的设计矩阵中非零元素X仅定性表示DPj对FRi存在的影响关系，X的具体值或函数表达式需在后续步骤中通过具体的力学试验、材料学测试与生物相容性测试进行验证与量化。
(5)通过数值仿真、力学试验、材料学试验与生物相容性测试对植介入医疗器械设计参数实现其功能需求的程度进行测评。在实验前应检验各项试验测评过程是否满足功能域中的伦理学约束Cs，采用满足伦理学约束Cs的实验方法进行实验，本实施例中采用的具体测试方法包括如下表所示实验：
基于试验结果，对于定量的叶级设计参数，如长度、宽度、厚度等结构设计参数，通过敏感度分析得出当这些设计参数变动时，每一叶级功能需求指标受到的影响程度大小，具体用敏感度系数进行衡量，并与预设的敏感度系数基准进行比较，将敏感度系数低于基准的设计参数剔除。现以可降解血管支架的叶级生物力学功能需求指标FR11211(支架介入后径向回缩率RR)对叶级结构设计参数 DP11113(支架厚度h)的敏感度分析过程为例具体解释如下：
a.确定功能需求的敏感度指标：此处功能需求FR11211的敏感度指标可以定为“保持其余叶级结构设计参数不变，改变可降解血管支架厚度h的数值时，支架介入后径向回缩率RR的变化率ΔRR”。b.确定结构设计参数变化率：此处将可降解血管支架厚度h的变化率Δh定为±10％。c.确定敏感度系数基准：此处将敏感度系数的基准E0设为±1；
d.计算敏感度系数：
表示功能需求FR11211与结构设计参数DP11113同方向变化；E<0，表示二者呈反方向变化。|E|越大敏感度系数越高，功能需求 FR11211对该结构设计参数DP11113的敏感程度越高。e.对比计算所得敏感度系数E 与基准E0：当根据测试结果计算得出的敏感度系数E处于[-1,1]范围内时，认为 FR11211对DP11113的变化不敏感，则将DP11113列为影响FR11211的“非关键设计参数”；当敏感度系数处于[-1,1]范围之外时，认为FR11211对DP11113的变化敏感，则将DP11113列为影响FR11211的“关键设计参数”
对于每一项定类的叶级设计参数(如材料类别、表面纹理形状等设计参数)，通过计算该项叶级设计参数与各项叶级功能需求指标之间相关比率E2的消减误差比例PRE，并与预设的消减误差比例基准进行比较，将影响程度低于基准的设计参数剔除。相关比率E2常用于衡量一个定类自变量与定量因变量之间的相关关系，通过计算相关比率E2的PRE，可以衡量定类设计参数间的相对重要程度，PRE的含义是假设变量X与因变量Y具有相关关系时，用X的资料预测Y 时得到的相关比率E1 2，比不用X的资料预测Y时得到的相关比率E2 2能够减少多少误差，PRE越大表示变量X对因变量Y的影响程度越大。现以可降解血管支架的叶级结构设计参数DP11321(连接筋截面形状)与叶级生物力学功能需求指标FR11211(支架介入后径向回缩率RR)之间相关比率E2的消减误差比例PRE 的计算过程为例具体解释如下：
a.计算可降解血管支架连接筋截面形状为四边形时，FR11211的相关比率E1 2。 b.计算可降解血管支架连接筋截面形状为弧形时，FR11211的相关比率E2 2。c.设定消减误差比例的基准PRE0：此处将PRE0定为0.1。c.计算两种情况下相关比率的消减误差比例PRE并与PRE0做比对，若DP11321与FR11211之间相关比率E2的消减误差比例PRE小于0.1，则认为DP11321对FR11211的影响程度可以忽略不计，将DP11321列为影响FR11211的“非关键设计参数”；反之将DP11321列为影响 FR11211的“关键设计参数”，从而最终提取得出影响可降解血管支架性能的关键设计参数。
(6)根据力学、材料学与生物相容性测试结果进行统计学分析或数值分析，得出叶级功能需求指标FRs与各项关键叶级设计参数DPs间的定量关系，从而对叶级设计矩阵里的非零元素进行量化与归一化。
(7)根据步骤(6)中归一化后的叶级设计矩阵非零元素，计算所评价的可降解血管支架设计参数包含的总信息量，计算公式为：
其中Acr表示可降解血管支架的关键叶级设计参数能够实现其应具备功能需求的概率，显然该概率越大，植介入医疗器械设计的总信息量越小，则表示该设计越优。
根据步骤(6)中归一化后的叶级设计矩阵非零元素，计算各项叶级设计参数DPs之间耦合度指标，计算公式为：
其中
与
为归一化后的叶级设计矩阵非零元素，根据公理设计原理，S越接近1，则各项叶级设计参数DPs之间耦合度越小。
根据公理设计理论中的两大设计公理：独立公理与信息公理推导出的“设计的总信息量越小越好，设计参数间的耦合度越小越好”的原则，对可降解血管支架设计的优劣进行总体评价，并可根据“降低设计的总信息量与设计参数间的耦合度”指明可降解血管支架各项设计参数优化的方向。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。
Claims (6)
1.基于公理设计的植介入医疗器械关键参数提取方法，其特征在于，包括：
进行满足伦理学约束的数值仿真、力学试验、材料学试验与生物相容性测试实验，结合实验结果通过敏感度系数和消减误差比例对植介入医疗器械的叶级设计参数对实现相应的叶级功能需求指标的程度进行测评；所述植介入医疗器械为椎间融合器或血管支架；
所述植介入医疗器械为椎间融合器时，所述叶级功能需求指标包括：前屈-后伸/侧弯/轴向旋转工况下的手术节段活动范围ROM减小率、前屈-后伸/侧弯/轴向旋转工况下手术节段终板Von Mises应力分布均匀性系数、Von Mises应力最大处的终板屈服强度与VonMises应力最大处所处区域分布的Von Mises应力差异率；轴向压缩载荷下骨移植物应变分布均匀性系数、轴向压缩载荷下的骨移植物应变分布以及骨移植物与融合器平均应变差异率；融合器植入后相邻节段椎间盘内压力分布的平均变化率以及小关节应力分布的平均变化率；融合器主体与紧固装置的实际疲劳强度与脊柱植入物标准中所规定疲劳强度下限的差异率；所述叶级设计参数包括融合器主体结构设计参数、紧固装置结构设计参数、主体-紧固装置连接关系设计参数；融合器主体材料/紧固装置材料的杨氏模量、泊松比、表面粗糙度；
所述植介入医疗器械为血管支架时，所述叶级功能需求指标包括：支架介入后的径向回缩率、轴向缩短率；支架弯曲时的直径变化率、弹性回直力；支架的径向柔顺度；支架介入后血管壁低剪切应力区面积、支架介入后支架介入区域的血液雷诺数变化率、支架介入后血管壁面剪切应力峰值水平与支架介入部位的人体正常血管壁面剪切应力峰值的差异率、支架介入后血管壁面剪切应力谷值水平与支架介入部位的人体正常血管壁面剪切应力谷值的差异率、支架介入后血管壁面剪切应力均匀系数；实际工况下支架各个支撑筋波形环处的安全因子、实际工况下支架各个支撑筋和连接筋结合处的安全因子；所述叶级设计参数包括：支架撑开后的外径、长度和厚度；支架周向波形环数目、支架轴向波形环数目、支架开窗长度；支撑筋的结构设计参数；连接筋的结构设计参数；支架主体材料各组分含量；支架主体材料的杨氏模量、泊松比、硬度、拉伸屈服强度；支架主体材料的平均晶粒尺寸、晶粒分布特征、晶格结构；
其中，每一项定量的叶级设计参数，通过敏感度分析得出叶级设计参数变动时，每一叶级功能需求指标受到的影响程度大小，用敏感度系数E进行衡量，敏感度系数E的计算方法为：
其中，△Y为叶级设计参数的变化率，△X为与所述叶级设计参数的变化对应的叶级功能需求指标的变化率，将敏感度系数的绝对值与预设的敏感度系数基准进行比较，将敏感度系数的绝对值小于或者等于基准的设计参数剔除；
每一项定类的叶级设计参数，通过计算该项叶级设计参数与各项叶级功能需求指标之间相关比率的消减误差比例PRE，并与预设的消减误差比例基准进行比较，将消减误差比例小于基准的叶级设计参数剔除，最终提取得出植介入医疗器械的关键叶级设计参数。
2.根据权利要求1所述的植介入医疗器械关键参数提取方法，其特征在于，所述数值仿真包括有限元模拟；所述力学试验包括椎间融合器力学性能试验、椎间融合器静态轴向压缩沉陷试验、静态及疲劳性能评价方法；所述材料学试验包括扫描电镜检测实验、质谱分析实验、波谱法分析实验、静态光散射实验、X射线荧光分析实验、X射线衍射实验、电子显微探针实验；所述生物相容性测试实验包括体外细胞毒性试验、全身毒性试验、遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验、植入后局部反应试验、血液相互作用试验、刺激性和皮肤致敏试验。
3.根据权利要求2所述的植介入医疗器械关键参数提取方法，其特征在于，所述植介入医疗器械为血管支架时，所述血管支架的支撑筋为波形环状结构，所述支撑筋之间通过直线状的连接筋进行连接； 所述支撑筋的结构设计参数包括支撑筋宽度、支撑筋波形环内径、支撑筋波形环外径、支撑筋的截面形状；所述连接筋的结构设计参数包括连接筋宽度、连接筋长度、连接筋截面形状。
4.根据权利要求3所述的植介入医疗器械关键参数提取方法，其特征在于，所述植介入医疗器械为血管支架时，所述叶级设计参数还包括支架多聚物涂层材料的分子量分布、分子基团的立构规整性、主链分子组成。
5.根据权利要求1所述的植介入医疗器械关键参数提取方法，其特征在于，所述预设的敏感度系数基准为1，所述预设的消减误差比例基准为0.1。
6.基于公理设计的植介入医疗器械评价方法，其特征在于，包括：
（1）根据临床使用目的与植入位置的解剖结构约束，定义植介入医疗器械的用户需求；
（2） 将植介入医疗器械的用户需求映射到功能域中，形成顶层性能需求FR0与伦理学约束Cs，FR0映射到物理域中形成植介入医疗器械的顶层设计参数DP0；
（3）在功能域和物理域之间进行Z形映射变换，将植介入医疗器械的生物力学性能需求、材料学性能需求、生物学性能需求与相应的结构设计参数、材料设计参数进行分解，得到植介入医疗器械各项性能的叶级功能需求指标FRs与叶级设计参数DPs；
（4）通过设计矩阵表示出植介入医疗器械的叶级功能需求指标FRs与叶级设计参数DPs之间的映射关系，并建立各层级的设计方程，使各层级性能指标与设计参数建立关联；
（5）进行满足伦理学约束的数值仿真、力学试验、材料学试验与生物相容性测试实验，结合实验结果通过敏感度系数和消减误差比例对植介入医疗器械的叶级设计参数对实现相应的叶级功能需求指标的程度进行测评；所述植介入医疗器械为椎间融合器或血管支架；
所述植介入医疗器械为椎间融合器时，所述叶级功能需求指标包括：前屈-后伸/侧弯/轴向旋转工况下的手术节段活动范围ROM减小率、前屈-后伸/侧弯/轴向旋转工况下手术节段终板Von Mises应力分布均匀性系数、Von Mises应力最大处的终板屈服强度与VonMises应力最大处所处区域分布的Von Mises应力差异率；轴向压缩载荷下骨移植物应变分布均匀性系数、轴向压缩载荷下的骨移植物应变分布以及骨移植物与融合器平均应变差异率；融合器植入后相邻节段椎间盘内压力分布的平均变化率以及小关节应力分布的平均变化率；融合器主体与紧固装置的实际疲劳强度与脊柱植入物标准中所规定疲劳强度下限的差异率；所述叶级设计参数包括融合器主体结构设计参数、紧固装置结构设计参数、主体-紧固装置连接关系设计参数；融合器主体材料/紧固装置材料的杨氏模量、泊松比、表面粗糙度；
所述植介入医疗器械为血管支架时，所述叶级功能需求指标包括：支架介入后的径向回缩率、轴向缩短率；支架弯曲时的直径变化率、弹性回直力；支架的径向柔顺度；支架介入后血管壁低剪切应力区面积、支架介入后支架介入区域的血液雷诺数变化率、支架介入后血管壁面剪切应力峰值水平与支架介入部位的人体正常血管壁面剪切应力峰值的差异率、支架介入后血管壁面剪切应力谷值水平与支架介入部位的人体正常血管壁面剪切应力谷值的差异率、支架介入后血管壁面剪切应力均匀系数；实际工况下支架各个支撑筋波形环处的安全因子、实际工况下支架各个支撑筋和连接筋结合处的安全因子；所述叶级设计参数包括：支架撑开后的外径、长度和厚度；支架周向波形环数目、支架轴向波形环数目、支架开窗长度；支撑筋的结构设计参数；连接筋的结构设计参数；支架主体材料各组分含量；支架主体材料的杨氏模量、泊松比、硬度、拉伸屈服强度；支架主体材料的平均晶粒尺寸、晶粒分布特征、晶格结构；
其中，每一项定量的叶级设计参数，通过敏感度分析得出叶级设计参数变动时，每一叶级功能需求指标受到的影响程度大小，用敏感度系数E进行衡量，敏感度系数E的计算方法为：
其中，△Y 为叶级设计参数的变化率，△X为与所述叶级设计参数的变化对应的叶级功能需求指标的变化率，将敏感度系数的绝对值与预设的敏感度系数基准进行比较，将敏感度系数的绝对值小于或者等于基准的设计参数剔除；
每一项定类的叶级设计参数，通过计算该项叶级设计参数与各项叶级功能需求指标之间相关比率的消减误差比例PRE，并与预设的消减误差比例基准进行比较，将消减误差比例小于基准的叶级设计参数剔除，最终提取得出植介入医疗器械的关键叶级设计参数；
（6） 根据实验结果进行统计学分析或数值分析，得出叶级功能需求指标FRs与各项关键叶级设计参数间的定量关系，从而对叶级设计矩阵里的非零元素进行量化与归一化；
（7）根据叶级设计矩阵非零元素的归一化值计算植介入医疗器械叶级设计参数的总信息量与关键叶级设计参数间的耦合度，根据公理设计理论中的设计公理，对植介入医疗器械的设计优劣进行评价。
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