脊柱内固定螺钉力学测试方法、装置、设备及存储介质

摘要

本发明涉及医疗设备领域，公开了一种脊柱内固定螺钉力学测试方法、装置、设备及存储介质，用于提高脊柱内固定螺钉力学测试的准确率。所述方法包括：根据力学测试参数进行生物力学性能测试，得到目标测试数据；根据生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型；在目标有限元模型中模拟计算生物力学性能测试，生成有限元计算结果，并提取有限元计算结果对应的目标应变分布；根据目标应变分布和目标测试数据判断目标有限元模型是否满足预设条件；若满足预设条件，则根据目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力。

权利要求

1.一种脊柱内固定螺钉力学测试方法，其特征在于，所述脊柱内固定螺钉力学测试方法包括：接收终端发送的力学测试请求，并根据所述力学测试请求生成力学测试参数，其中，所述力学测试参数包括：位移参数和方向参数；

开展生物力学性能测试试验，并根据所述力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据；

根据所述生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对所述初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型；其中，所述根据所述生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对所述初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型，包括：设置所述生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能和模型边界条件；根据所述材料性能和所述模型边界条件构建初始有限元模型；对所述初始有限元模型进行模型离散，并生成三维网格，以及根据所述三维网格生成目标有限元模型；

根据所述目标有限元模型模拟所述生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取所述有限元计算结果对应的目标应变分布；其中，所述根据所述目标有限元模型模拟所述生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取所述有限元计算结果对应的目标应变分布，包括：根据所述目标有限元模型对所述目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，其中，所述有限元计算结果包括：应变云图和第一载荷位移曲线；提取所述目标有限元模型中与所述生物力学性能测试试验中对应的光斑位置，并从所述应变云图中提取所述光斑位置对应的光斑应变分布；根据所述光斑应变分布计算最小主应变分布图，生成目标应变分布；

根据所述目标应变分布和所述目标测试数据判断所述目标有限元模型是否满足预设条件；

若满足预设条件，则根据所述目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力。

2.根据权利要求1所述的脊柱内固定螺钉力学测试方法，其特征在于，所述开展生物力学性能测试试验，并根据所述力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据，包括：开展生物力学性能测试试验；

基于所述生物力学性能测试试验创建生物力学性能测试有限元仿真模型；

基于所述力学测试参数对所述生物力学性能测试有限元仿真模型进行模拟，并同步采集测试状态数据；

根据所述测试状态数据判断是否达到测试完成条件；

若达到测试完成条件，则结束力学仿真测试并输出目标测试数据。

3.根据权利要求1所述的脊柱内固定螺钉力学测试方法，其特征在于，所述根据所述目标应变分布和所述目标测试数据判断所述目标有限元模型是否满足预设条件，包括：获取所述目标测试数据对应的第一应变分布，并计算所述第一应变分布和所述目标应变分布的误差绝对值，以及根据所述误差绝对值生成第一判断结果；

获取所述目标测试数据对应的第二载荷位移曲线，并计算所述第二载荷位移曲线和所述第一载荷位移曲线对应的斜率相对误差值，以及根据所述斜率相对误差值生成第二判断结果；

根据所述第一判断结果和所述第二判断结果判断所述目标有限元模型是否满足预设条件，得到目标判断结果，其中，所述目标判断结果包括：满足预设条件和不满足预设条件。

4.根据权利要求1所述的脊柱内固定螺钉力学测试方法，其特征在于，所述若满足预设条件，则根据所述目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力，包括：若满足预设条件，则获取所述目标有限元模型的网格节点，并计算所述网格节点对应的网格节点力；

根据所述网格节点力计算垂直于横截面方向的合力，得到螺钉拔出力；

根据所述网格节点力计算平行于横截面方向的合力，得到螺钉挤压力。

5.根据权利要求1‑4中任一项所述的脊柱内固定螺钉力学测试方法，其特征在于，所述脊柱内固定螺钉力学测试方法还包括：若不满足预设条件，则调整所述生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能，并对调整后的生物力学性能测试有限元仿真模型进行力学仿真测试，直至所述目标有限元模型满足预设条件，生成仿真测试结果。

6.一种脊柱内固定螺钉力学测试装置，其特征在于，所述脊柱内固定螺钉力学测试装置包括：接收模块，用于接收终端发送的力学测试请求，并根据所述力学测试请求生成力学测试参数，其中，所述力学测试参数包括：位移参数和方向参数；

试验模块，用于开展生物力学性能测试试验，并根据所述力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据；

处理模块，用于根据所述生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对所述初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型；其中，所述根据所述生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对所述初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型，包括：设置所述生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能和模型边界条件；根据所述材料性能和所述模型边界条件构建初始有限元模型；对所述初始有限元模型进行模型离散，并生成三维网格，以及根据所述三维网格生成目标有限元模型；

计算模块，用于根据所述目标有限元模型模拟所述生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取所述有限元计算结果对应的目标应变分布；其中，所述根据所述目标有限元模型模拟所述生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取所述有限元计算结果对应的目标应变分布，包括：根据所述目标有限元模型对所述目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，其中，所述有限元计算结果包括：应变云图和第一载荷位移曲线；提取所述目标有限元模型中与所述生物力学性能测试试验中对应的光斑位置，并从所述应变云图中提取所述光斑位置对应的光斑应变分布；根据所述光斑应变分布计算最小主应变分布图，生成目标应变分布；

判断模块，用于根据所述目标应变分布和所述目标测试数据判断所述目标有限元模型是否满足预设条件；

输出模块，用于若满足预设条件，则根据所述目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力。

7.一种脊柱内固定螺钉力学测试设备，其特征在于，所述脊柱内固定螺钉力学测试设备包括：存储器和至少一个处理器，所述存储器中存储有指令；

所述至少一个处理器调用所述存储器中的所述指令，以使得所述脊柱内固定螺钉力学测试设备执行如权利要求1‑5中任一项所述的脊柱内固定螺钉力学测试方法。

8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现如权利要求1‑5中任一项所述的脊柱内固定螺钉力学测试方法。

说明书

脊柱内固定螺钉力学测试方法、装置、设备及存储介质

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种脊柱内固定螺钉力学测试方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

[0002] 目前，脊柱内固定螺钉力学测试仅适用于单个内固定螺钉拔出力的测量，而非内固定系统中内固定螺钉所受拔出力的测量。现有方法测试时，将被测对象固定于生物力学试验机的平台上，通过加载端施加恒定速度的位移载荷（0.5mm/min）。直至内固定螺钉完全拔出椎体或试验机传感器测得载荷下降为已记录到的最大载荷的50%时，停止试验，此时记录得到的最大载荷为螺钉的最大拔出力。

[0003] 现有脊柱内固定螺钉在脊柱内固定植入系统内的拔出力无法通过直接测量的方式获得。现有用于评价脊柱内固定螺钉拔出力的测试方法是基于单个螺钉，而非内固定植入系统（包含钛合金连接棒及其他用于固定的植入物），现有方法不能考虑内固定系统内多个植入物间的耦合作用，致使不能准确评价脊柱内固定螺钉在脊柱内固定系统中受到的拔出力。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种脊柱内固定螺钉力学测试方法、装置、设备及存储介质，用于提高脊柱内固定螺钉力学测试的准确率。

[0005] 本发明第一方面提供了一种脊柱内固定螺钉力学测试方法，所述脊柱内固定螺钉力学测试方法包括：接收终端发送的力学测试请求，并根据所述力学测试请求生成力学测试参数，其中，所述力学测试参数包括：位移参数和方向参数；开展生物力学性能测试试验，并根据所述力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据；根据所述生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对所述初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型；根据所述目标有限元模型模拟所述生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取所述有限元计算结果对应的目标应变分布；根据所述目标应变分布和所述目标测试数据判断所述目标有限元模型是否满足预设条件；若满足预设条件，则根据所述目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力。

[0006] 可选的，在本发明第一方面的第一种实现方式中，所述开展生物力学性能测试试验，并根据所述力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据，包括：开展生物力学性能测试试验；基于所述生物力学性能测试试验创建生物力学性能测试有限元仿真模型；基于所述力学测试参数对所述生物力学性能测试有限元仿真模型进行模拟，并同步采集测试状态数据；根据所述测试状态数据判断是否达到测试完成条件；若达到测试完成条件，则结束力学仿真测试并输出目标测试数据。

[0007] 可选的，在本发明第一方面的第二种实现方式中，所述根据所述生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对所述初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型，包括：设置所述生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能和模型边界条件；根据所述材料性能和所述模型边界条件构建初始有限元模型；对所述初始有限元模型进行模型离散，并生成三维网格，以及根据所述三维网格生成目标有限元模型。

[0008] 可选的，在本发明第一方面的第三种实现方式中，所述根据所述目标有限元模型模拟所述生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取所述有限元计算结果对应的目标应变分布，包括：根据所述目标有限元模型对所述目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，其中，所述有限元计算结果包括：应变云图和第一载荷位移曲线；提取所述目标有限元模型中与所述生物力学性能测试试验中对应的光斑位置，并从所述应变云图中提取所述光斑位置对应的光斑应变分布；根据所述光斑应变分布计算最小主应变分布图，生成目标应变分布。

[0009] 可选的，在本发明第一方面的第四种实现方式中，所述根据所述目标应变分布和所述目标测试数据判断所述目标有限元模型是否满足预设条件，包括：获取所述目标测试数据对应的第一应变分布，并计算所述第一应变分布和所述目标应变分布的误差绝对值，以及根据所述误差绝对值生成第一判断结果；获取所述目标测试数据对应的第二载荷位移曲线，并计算所述第二载荷位移曲线和所述第一载荷位移曲线对应的斜率相对误差值，以及根据所述斜率相对误差值生成第二判断结果；根据所述第一判断结果和所述第二判断结果判断所述目标有限元模型是否满足预设条件，得到目标判断结果，其中，所述目标判断结果包括：满足预设条件和不满足预设条件。

[0010] 可选的，在本发明第一方面的第五种实现方式中，所述若满足预设条件，则根据所述目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力，包括：若满足预设条件，则获取所述目标有限元模型的网格节点，并计算所述网格节点对应的网格节点力；根据所述网格节点力计算垂直于横截面方向的合力，得到螺钉拔出力；根据所述网格节点力计算平行于横截面方向的合力，得到螺钉挤压力。

[0011] 可选的，在本发明第一方面的第六种实现方式中，所述脊柱内固定螺钉力学测试方法还包括：若不满足预设条件，则调整所述生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能，并对调整后的生物力学性能测试有限元仿真模型进行力学仿真测试，直至所述目标有限元模型满足预设条件，生成仿真测试结果。

[0012] 本发明第二方面提供了一种脊柱内固定螺钉力学测试装置，所述脊柱内固定螺钉力学测试装置包括：接收模块，用于接收终端发送的力学测试请求，并根据所述力学测试请求生成力学测试参数，其中，所述力学测试参数包括：位移参数和方向参数；试验模块，用于进行生物力学性能测试试验，并根据所述力学测试参数进行生物力学试验，得到目标测试数据；处理模块，用于根据所述生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对所述初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型；计算模块，用于根据所述目标有限元模型模拟所述生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取所述有限元计算结果对应的目标应变分布；判断模块，用于根据所述目标应变分布和所述目标测试数据判断所述目标有限元模型是否满足预设条件；输出模块，用于若满足预设条件，则根据所述目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力。

[0013] 可选的，在本发明第二方面的第一种实现方式中，所述试验模块具体用于：开展生物力学性能测试试验；基于所述生物力学性能测试试验创建生物力学性能测试有限元仿真模型；基于所述力学测试参数对所述生物力学性能测试有限元仿真模型进行模拟，并同步采集测试状态数据；根据所述测试状态数据判断是否达到测试完成条件；若达到测试完成条件，则结束力学仿真测试并输出目标测试数据。

[0014] 可选的，在本发明第二方面的第二种实现方式中，所述处理模块具体用于：设置所述生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能和模型边界条件；根据所述材料性能和所述模型边界条件构建初始有限元模型；对所述初始有限元模型进行模型离散，并生成三维网格，以及根据所述三维网格生成目标有限元模型。

[0015] 可选的，在本发明第二方面的第三种实现方式中，所述计算模块具体用于：根据所述目标有限元模型对所述目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，其中，所述有限元计算结果包括：应变云图和第一载荷位移曲线；提取所述目标有限元模型中与所述生物力学性能测试试验中对应的光斑位置，并从所述应变云图中提取所述光斑位置对应的光斑应变分布；根据所述光斑应变分布计算最小主应变分布图，生成目标应变分布。

[0016] 可选的，在本发明第二方面的第四种实现方式中，所述判断模块具体用于：获取所述目标测试数据对应的第一应变分布，并计算所述第一应变分布和所述目标应变分布的误差绝对值，以及根据所述误差绝对值生成第一判断结果；获取所述目标测试数据对应的第二载荷位移曲线，并计算所述第二载荷位移曲线和所述第一载荷位移曲线对应的斜率相对误差值，以及根据所述斜率相对误差值生成第二判断结果；根据所述第一判断结果和所述第二判断结果判断所述目标有限元模型是否满足预设条件，得到目标判断结果，其中，所述目标判断结果包括：满足预设条件和不满足预设条件。

[0017] 可选的，在本发明第二方面的第五种实现方式中，所述输出模块具体用于：若满足预设条件，则获取所述目标有限元模型的网格节点，并计算所述网格节点对应的网格节点力；根据所述网格节点力计算垂直于横截面方向的合力，得到螺钉拔出力；根据所述网格节点力计算平行于横截面方向的合力，得到螺钉挤压力。

[0018] 可选的，在本发明第二方面的第六种实现方式中，所述脊柱内固定螺钉力学测试装置还包括：调整模块，用于若不满足预设条件，则调整所述生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能，并对调整后的生物力学性能测试有限元仿真模型进行力学仿真测试，直至所述目标有限元模型满足预设条件，生成仿真测试结果。

[0019] 本发明第三方面提供了一种脊柱内固定螺钉力学测试设备，包括：存储器和至少一个处理器，所述存储器中存储有指令；所述至少一个处理器调用所述存储器中的所述指令，以使得所述脊柱内固定螺钉力学测试设备执行上述的脊柱内固定螺钉力学测试方法。

[0020] 本发明的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的脊柱内固定螺钉力学测试方法。

[0021] 本发明提供的技术方案中，通过开展生物力学性能测试试验，并根据力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据，采用数值方法与试验结合方式，提高力学仿真测试的真实性，根据生物力学性能测试有限元仿真模型构建初始有限元模型，测试对象为脊柱内固定系统，而非单一的脊柱内固定螺钉，根据目标有限元模型对目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，可以计算出内固定螺钉在内固定系统内的拔出力及对被植入体的挤压力，进而提高了脊柱内固定螺钉力学测试的准确率。

附图说明

[0022] 图1为本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试方法的一个实施例示意图；

[0023] 图2为本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试方法的另一个实施例示意图；

[0024] 图3为本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试装置的一个实施例示意图；

[0025] 图4为本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试装置的另一个实施例示意图；

[0026] 图5为本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试设备的一个实施例示意图；

[0027] 图6为本发明实施例中生物力学性能测试有限元仿真模型的示意图；

[0028] 图7为本发明实施例中目标有限元模型的示意图；

[0029] 图8为本发明实施例中螺钉拔出力示意图。

具体实施方式

[0030] 本发明实施例提供了一种脊柱内固定螺钉力学测试方法、装置、设备及存储介质，用于提高脊柱内固定螺钉力学测试的准确率。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”或“具有”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0031] 为便于理解，下面对本发明实施例的具体流程进行描述，请参阅图1，本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试方法的一个实施例包括：

[0032] 需要说明的是，用于力学测试的生物力学性能测试有限元仿真模型如下图6所示。其中10为脊柱内固定模块，包括11、12、13、14四颗内固定螺钉，15及16两根钛合金连接棒；
20为仿人体脊柱节段模块，为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材质，包括21及22两块测试块，在测试块21与22上，分布有均匀喷涂的光斑23；30为仿人体椎间盘模块，31及32分别固定于测试块21与22上，31和32为球铰，31与32可以发生相对滑动，即发生球面滑动；40为数字图像相关模块（DIC，Digital image correlation），41与42为CCD相机，43为照明光源，44为计算机及图像采集卡；50为加载及固定模块，包括51加载端，52夹持端，51与52分别与生物力学性能试验机的加载端和固定端刚性连接。

[0033] 101、接收终端发送的力学测试请求，并根据力学测试请求生成力学测试参数，其中，力学测试参数包括：位移参数和方向参数；

[0034] 可以理解的是，本发明的执行主体可以为按照力学测试装置构建的有限元仿真模型，具体此处不做限定。

[0035] 需要说明的是，位移方向根据测试需求可以是前向、后向、左向、右向、顺时针旋转和逆时针旋转，每次测试仅可施加单一方向位移。在施加位移开始力学测试时，数字图像相关装置会同步开始采集数据，本申请实施例中，服务器在接收终端发送的力学测试请求后，会根据该力学测试请求确定对应的参数标识，并通过该参数标识生成力学测试参数。

[0036] 102、开展生物力学性能测试试验，并根据力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据；

[0037] 需要说明的是，在进行力学测试时，在加载端上施加0.5mm/min的位移，位移方向根据测试需求可以是前向、后向、左向、右向、顺时针旋转和逆时针旋转，每次测试仅可施加单一方向位移。在施加位移开始力学测试时，数字图像相关装置同步开始采集数据，最终服务器根据该力学测试参数对生物力学性能测试有限元仿真模型进行力学仿真测试，得到目标测试数据。

[0038] 103、根据生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型；

[0039] 需要说明的是，三维模型的网格细化是基于网格离散曲面的一种表示方法，它可以从任意拓扑网格构造光滑曲面。细化方法的基本思想是：定义一个网格序列的极限，网格序列是采用一定的细分规则（一般是加权平均），在给定的初始网格中插入新的顶点，从而不断细化出新的网格，重复运用细分规则，在极限时，该网格即收敛于一个光滑的曲线或者曲面。三维模型网格的细化是图形学算法以及游戏领域中一个较为常用且有代价值的算法，网络细分是由细分规则作用在初始网格得到的。细分规则可以分为两个部分：一是拓扑分裂规则，主要用来描述网格每次细分之后所有顶点之间的连接关系，该过程也称为分裂，另一个是几何规则，用来计算新顶点的几何位置信息，这一过程也称为平均。通常有两种基本的分裂方法：顶点分裂和面分裂，其区别主要在于所作用的基本几何体元。顶点分裂是对于给定度为n的顶点i（顶点的度表示顶点所关联的边的个数），将其分裂成n个新顶点，每个顶点对应着它的一个邻面，使用该方式的细分方法称为对偶型。如果i为内部顶点，则把这些复制顶点依次相边开成一个新的n边形，称此n边形为新网格的V‑面；对于内部边两个端点分裂构成的新网格称为E‑面，旧网格多边形每个顶点分裂构成的新网格面与原来的网格具有相同的拓扑结构，称之为F‑面。面分裂是在网格边和面上插入新的顶点，然后对每个面进行剖分，从而得到新的网格。网格划分方法包括但不限于：marching cube、多叉树、波前法等，在本申请实施例中，服务器对初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型，如图7所示，图7为本发明实施例中目标有限元模型的示意图。

[0040] 104、根据目标有限元模型模拟生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取有限元计算结果对应的目标应变分布；

[0041] 具体的，服务器根据目标有限元模型对目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，其中，有限元计算结果包括：应变云图和第一载荷位移曲线；提取目标有限元模型对应的光斑位置，并从应变云图中提取光斑位置对应的光斑应变分布，根据光斑应变分布计算最小主应变分布图，生成目标应变分布。

[0042] 105、根据目标应变分布和目标测试数据判断目标有限元模型是否满足预设条件；

[0043] 需要说明的是，上述预设条件指的是有限元模型计算得到的光斑应变分布云图与数字图像相关设备获得的光斑处应变云图的分布形态相似，即应变最大值、最小值出现在相同区域，且绝对值误差小于10%，有限元模型计算得到的载荷‑位移曲线与试验机记录得到的载荷‑位移曲线斜率相近，即二者相对误差不超过5%，具体的，服务器通过对目标应变分布及目标测试数据进行条件判断，得到对应的判断结果。

[0044] 106、若满足预设条件，则根据目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力。

[0045] 需要说明的是，当满足预设条件时，服务器根据目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力，如图8所示，图8为本发明实施例中螺钉拔出力示意图。

[0046] 本发明实施例中，通过开展生物力学性能测试试验，并根据力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据，采用数值方法与试验结合方式，提高力学仿真测试的真实性，根据生物力学性能测试有限元仿真模型构建初始有限元模型，测试对象为脊柱内固定系统，而非单一的脊柱内固定螺钉，根据目标有限元模型对目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，可以计算出内固定螺钉在内固定系统内的拔出力及对被植入体的挤压力，进而提高了脊柱内固定螺钉力学测试的准确率。

[0047] 请参阅图2，本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试方法的另一个实施例包括：

[0048] 201、接收终端发送的力学测试请求，并根据力学测试请求生成力学测试参数，其中，力学测试参数包括：位移参数和方向参数；

[0049] 具体的，在本实施例中，步骤201的具体实施方式与上述步骤101类似，此处不再赘述。

[0050] 202、开展生物力学性能测试试验，并根据力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据；

[0051] 具体的，开展生物力学性能测试试验；基于生物力学性能测试试验创建生物力学性能测试有限元仿真模型；基于力学测试参数对生物力学性能测试有限元仿真模型进行模拟，并同步采集测试状态数据；根据测试状态数据判断是否达到测试完成条件；若达到测试完成条件，则结束力学仿真测试并输出目标测试数据。

[0052] 其中，进行力学测试时，在加载端施加0.5mm/min的位移，位移方向根据测试需求可以是前向、后向、左向、右向、顺时针旋转和逆时针旋转，每次测试仅可施加单一方向位移。在施加位移开始力学测试时，数字图像相关装置同步开始采集数据。当生物力学性能测试设备60记录到的位移达到2mm或出现所记录到的载荷下降为记录到的最大值的50%时，当生物力学性能测试设备60停止加载，并结束试验，同时输出目标测试数据。

[0053] 203、根据生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型；

[0054] 具体的，设置生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能和模型边界条件；根据材料性能和模型边界条件构建初始有限元模型；对初始有限元模型进行模型离散，并生成三维网格，以及根据三维网格生成目标有限元模型。

[0055] 其中，设置材料性能，相关力学性能参数为杨氏模量1050MPa，泊松比为0.4，脊柱内固定植入物的杨氏模量为110GPa，泊松比为0.3，仿人体椎间盘模块由聚醚醚酮（PEEK）材质制成，其杨氏模量为3500MPa，泊松比为0.3.在设置模型的边界条件时，针对夹持端处约束所有六个方向自由度（DOF），即固定支撑，在加载端根据试验实际加载情况添加不同方向的位移或旋转，同时在有限元软件中将模型离散生成三维网格，并获取有限元结果，包括应变云图、位移云图、网格节点力和模型的载荷‑位移曲线，并最终根据三维网格生成目标有限元模型。

[0056] 204、根据目标有限元模型模拟生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取有限元计算结果对应的目标应变分布；

[0057] 具体的，根据目标有限元模型对目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，其中，有限元计算结果包括：应变云图和第一载荷位移曲线；提取目标有限元模型中与生物力学性能测试试验中对应的光斑位置，并从应变云图中提取光斑位置对应的光斑应变分布；根据光斑应变分布计算最小主应变分布图，生成目标应变分布。

[0058] 需要说明的是，在有限元软件中，将光斑处的应变分布提取出来，并计算最小主应变分布图，与数字图像相关设备获得的光斑处的最小主应变云图进行对比，将有限元结果计算得到的载荷‑位移曲线与力学试验机记录的载荷‑位移曲线对比，进而服务器通过应变云图和第一载荷位移曲线提取目标有限元模型对应的光斑位置，并从应变云图中提取光斑位置对应的光斑应变分布，根据光斑应变分布计算最小主应变分布图，生成目标应变分布。

[0059] 205、根据目标应变分布和目标测试数据判断目标有限元模型是否满足预设条件；

[0060] 具体的，获取目标测试数据对应的第一应变分布，并计算第一应变分布和目标应变分布的误差绝对值，以及根据误差绝对值生成第一判断结果；获取目标测试数据对应的第二载荷位移曲线，并计算第二载荷位移曲线和第一载荷位移曲线对应的斜率相对误差值，以及根据斜率相对误差值生成第二判断结果；根据第一判断结果和第二判断结果判断目标有限元模型是否满足预设条件，得到目标判断结果，其中，目标判断结果包括：满足预设条件和不满足预设条件。

[0061] 其中，若满足以下两个条件，则认为有限元模型合理且准确，有限元模型计算得到的光斑应变分布云图与数字图像相关装置获得的光斑处应变云图的分布形态相似，即应变最大值、最小值出现在相同区域，且绝对值误差小于10%，同时有限元模型计算得到的载荷‑位移曲线与试验机记录得到的载荷‑位移曲线斜率相近，即二者相对误差不超过5%，则在具体实施过程中，服务器根据斜率相对误差值生成第二判断结果，根据第一判断结果和第二判断结果判断目标有限元模型是否满足预设条件，得到目标判断结果，其中，目标判断结果包括：满足预设条件和不满足预设条件。

[0062] 206、若满足预设条件，则获取目标有限元模型的网格节点，并计算网格节点对应的网格节点力；

[0063] 207、根据网格节点力计算垂直于横截面方向的合力，得到螺钉拔出力；

[0064] 208、根据网格节点力计算平行于横截面方向的合力，得到螺钉挤压力。

[0065] 具体的，当服务器确认有限元模型合理后，对每颗螺钉钉尾部横截面上的网格节点计算节点力，其中，垂直于横截面方向的合力为该内固定螺钉在当前内固定系统中受到的螺钉拔出力，而平行于横截面方向的合力为该内固定螺钉在当前内固定系统中的挤压力。

[0066] 可选的，若不满足预设条件，则调整生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能，并对调整后的生物力学性能测试有限元仿真模型进行力学仿真测试，直至目标有限元模型满足预设条件，生成仿真测试结果。

[0067] 其中，若操作步中的任一条件不满足，则调整UHMWPE的杨氏模量，直至有限元模型结果同时满足预设条件，具体的，服务器调整生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能，并对调整后的生物力学性能测试有限元仿真模型进行力学仿真测试，直至目标有限元模型满足预设条件。

[0068] 本发明实施例中，通过开展生物力学性能测试试验，并根据力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据，采用数值方法与试验结合方式，提高力学仿真测试的真实性，根据生物力学性能测试有限元仿真模型构建初始有限元模型，测试对象为脊柱内固定系统，而非单一的脊柱内固定螺钉，根据目标有限元模型对目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，可以计算出内固定螺钉在内固定系统内的拔出力及对被植入体的挤压力，进而提高了脊柱内固定螺钉力学测试的准确率。

[0069] 上面对本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试方法进行了描述，下面对本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试装置进行描述，请参阅图3，本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试装置一个实施例包括：

[0070] 接收模块301，用于接收终端发送的力学测试请求，并根据所述力学测试请求生成力学测试参数，其中，所述力学测试参数包括：位移参数和方向参数；

[0071] 试验模块302，用于开展生物力学性能测试试验，并根据所述力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据；

[0072] 处理模块303，用于根据所述生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对所述初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型；

[0073] 计算模块304，用于根据所述目标有限元模型模拟所述生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取所述有限元计算结果对应的目标应变分布；

[0074] 判断模块305，用于根据所述目标应变分布和所述目标测试数据判断所述目标有限元模型是否满足预设条件；

[0075] 输出模块306，用于若满足预设条件，则根据所述目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力。

[0076] 本发明实施例中，通过开展生物力学性能测试试验，并根据力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据，采用数值方法与试验结合方式，提高力学仿真测试的真实性，根据生物力学性能测试有限元仿真模型构建初始有限元模型，测试对象为脊柱内固定系统，而非单一的脊柱内固定螺钉，根据目标有限元模型对目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，可以计算出内固定螺钉在内固定系统内的拔出力及对被植入体的挤压力，进而提高了脊柱内固定螺钉力学测试的准确率。

[0077] 请参阅图4，本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试装置另一个实施例包括：

[0078] 接收模块301，用于接收终端发送的力学测试请求，并根据所述力学测试请求生成力学测试参数，其中，所述力学测试参数包括：位移参数和方向参数；

[0079] 试验模块302，用于开展生物力学性能测试试验，并根据所述力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据；

[0080] 处理模块303，用于根据所述生物力学性能测试试验构建初始有限元模型，并对所述初始有限元模型进行三维网格离散处理，得到目标有限元模型；

[0081] 计算模块304，用于根据所述目标有限元模型模拟所述生物力学性能测试试验，生成有限元计算结果，并提取所述有限元计算结果对应的目标应变分布；

[0082] 判断模块305，用于根据所述目标应变分布和所述目标测试数据判断所述目标有限元模型是否满足预设条件；

[0083] 输出模块306，用于若满足预设条件，则根据所述目标有限元模型计算螺钉拔出力和螺钉挤压力。

[0084] 可选的，所述试验模块302具体用于：开展生物力学性能测试试验；基于所述生物力学性能测试试验创建生物力学性能测试有限元仿真模型；基于所述力学测试参数对所述生物力学性能测试有限元仿真模型进行模拟，并同步采集测试状态数据；根据所述测试状态数据判断是否达到测试完成条件；若达到测试完成条件，则结束力学仿真测试并输出目标测试数据。

[0085] 可选的，所述处理模块303具体用于：设置所述生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能和模型边界条件；根据所述材料性能和所述模型边界条件构建初始有限元模型；对所述初始有限元模型进行模型离散，并生成三维网格，以及根据所述三维网格生成目标有限元模型。

[0086] 可选的，所述计算模块304具体用于：根据所述目标有限元模型对所述目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，其中，所述有限元计算结果包括：应变云图和第一载荷位移曲线；提取所述目标有限元模型中与所述生物力学性能测试试验中对应的光斑位置，并从所述应变云图中提取所述光斑位置对应的光斑应变分布；根据所述光斑应变分布计算最小主应变分布图，生成目标应变分布。

[0087] 可选的，所述判断模块305具体用于：获取所述目标测试数据对应的第一应变分布，并计算所述第一应变分布和所述目标应变分布的误差绝对值，以及根据所述误差绝对值生成第一判断结果；获取所述目标测试数据对应的第二载荷位移曲线，并计算所述第二载荷位移曲线和所述第一载荷位移曲线对应的斜率相对误差值，以及根据所述斜率相对误差值生成第二判断结果；根据所述第一判断结果和所述第二判断结果判断所述目标有限元模型是否满足预设条件，得到目标判断结果，其中，所述目标判断结果包括：满足预设条件和不满足预设条件。

[0088] 可选的，所述输出模块306具体用于：若满足预设条件，则获取所述目标有限元模型的网格节点，并计算所述网格节点对应的网格节点力；根据所述网格节点力计算垂直于横截面方向的合力，得到螺钉拔出力；根据所述网格节点力计算平行于横截面方向的合力，得到螺钉挤压力。

[0089] 可选的，所述脊柱内固定螺钉力学测试装置还包括：

[0090] 调整模块307，用于若不满足预设条件，则调整所述生物力学性能测试有限元仿真模型的材料性能，并对调整后的生物力学性能测试有限元仿真模型进行力学仿真测试，直至所述目标有限元模型满足预设条件，生成仿真测试结果。

[0091] 本发明实施例中，通过开展生物力学性能测试试验，并根据力学测试参数进行生物力学仿真测试，得到目标测试数据，采用数值方法与试验结合方式，提高力学仿真测试的真实性，根据生物力学性能测试有限元仿真模型构建初始有限元模型，测试对象为脊柱内固定系统，而非单一的脊柱内固定螺钉，根据目标有限元模型对目标测试数据进行计算，生成有限元计算结果，可以计算出内固定螺钉在内固定系统内的拔出力及对被植入体的挤压力，进而提高了脊柱内固定螺钉力学测试的准确率。

[0092] 上面图3和图4从模块化功能实体的角度对本发明实施例中的脊柱内固定螺钉力学测试装置进行详细描述，下面从硬件处理的角度对本发明实施例中脊柱内固定螺钉力学测试设备进行详细描述。

[0093] 图5是本发明实施例提供的一种脊柱内固定螺钉力学测试设备的结构示意图，该脊柱内固定螺钉力学测试设备500可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器（central processing units，CPU）510（例如，一个或一个以上处理器）和存储器520，一个或一个以上存储应用程序533或数据532的存储介质530（例如一个或一个以上海量存储设备）。其中，存储器520和存储介质530可以是短暂存储或持久存储。存储在存储介质530的程序可以包括一个或一个以上模块（图示没标出），每个模块可以包括对脊柱内固定螺钉力学测试设备500中的一系列指令操作。更进一步地，处理器510可以设置为与存储介质530通信，在脊柱内固定螺钉力学测试设备500上执行存储介质530中的一系列指令操作。

[0094] 脊柱内固定螺钉力学测试设备500还可以包括一个或一个以上电源540，一个或一个以上有线或无线网络接口550，一个或一个以上输入输出接口560，和/或，一个或一个以上操作系统531，例如Windows Serve，Mac OS X，Unix，Linux，FreeBSD等等。本领域技术人员可以理解，图5示出的脊柱内固定螺钉力学测试设备结构并不构成对脊柱内固定螺钉力学测试设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

[0095] 本发明还提供一种脊柱内固定螺钉力学测试设备，所述脊柱内固定螺钉力学测试设备包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行时，使得处理器执行上述各实施例中的所述脊柱内固定螺钉力学测试方法的步骤。

[0096] 本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以为非易失性计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质也可以为易失性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述脊柱内固定螺钉力学测试方法的步骤。

[0097] 进一步地，计算机可读存储介质可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据区块链节点的使用所创建的数据等。

[0098] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0099] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（read‑only memory，ROM）、随机存取存储器（random access memory，RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0100] 以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。