【医疗应用】骨科器械制造商通过工作流自动化加速膝关节产品研发

图1：股骨的前部称为滑车沟

图2：“中央滑车沟”和“单侧滑车沟” 

我们（Exactech）进行了一项研究来了解天然且健康的滑车沟，并将其特点与使用两种理念设计植入体相比较。我们认识到为了实现研究目标，需要大量的研究人群来形成具有代表性的样本，同时也需要有效的方法来分析该人群中每种股骨上的滑车沟。

进行自动化人群研究

研究开始于由94例基于CT数据重建的健康股骨模型的数据库，这些模型数据已由Materialise在解剖数据挖掘（Adam） 项目中分解完成。所选择的研究对象为47例男性和47例女性的混合人群，其中49例为亚洲人，45例为白种人。首先，在每个股骨模型中，基于力学轴线建立解剖学坐标系，然后，一个矢状面围绕股骨上髁轴以5°增量旋转（图 3）。这样矢状面与股骨远近端之间就形成一系列相交的曲线，展现出了滑车沟的M形状。

图3：一个矢状面围绕股骨上髁轴以5°增量旋转

相交曲线的最低点用于计算滑车沟角（图 4）。让每个股骨于正确位置产生每个矢状面并手动计算相交曲线都要花费1个多小时，除了工作繁琐还可能产生人工错误。

图4：相交曲线的最低点用于计算滑车沟角

通过在3-matic中使用Python脚本功能，此项工作能以2分钟/每个股骨的速度自动完成。

设计理念评估

对照健康的股骨数据，在5种常用植入体中评价滑车沟的方向，Truliant膝关节系统为其中之一。该植入体遵循中央滑车沟理念，具有近端扩大的滑车室，提供更多的“宽容度”，从而适应自然变化的髌骨运动踪迹。而其它4种膝关节系统分别设计了一种固定的单侧滑车沟角。

分析结果

结果证明滑车沟的方向平均来说是处于中央的，但在该人群内变化很大：变化范围为-10.8°至8.0°（负号表示滑车沟在由远端到近端方向上的侧向运动轨迹）。将此结果与采用前面所提到2种理念设计的植入体中滑车沟的方向相比较，我们（Exactech）观察到，按照“近端扩大的中央滑车沟”理念设计的植入体滑车沟与研究人群的滑车沟非常相符（图 5）。植入体所允许的变化区间也与研究人群的自然变化区间相匹配。这个结果与单侧滑车沟的设计形成对比：单侧滑车沟的设计与研究人群相差较大。

图5：5种植入体滑车沟与天然滑车沟数据对比

基于工作流自动化设计的经济型、人群驱动型设备

本研究开发的自动化工作流，通过在Materialise 3-matic使用Python脚本功能，允许我们:

对大量人群开展研究工作，否则该数量人群的研究工作在其它情况下是很难进行。

高效工作，减少人力和产生人工错误可能性

避免重复工作，将更多时间专注于更有价值的工作

产生有利于未来项目的、易于扩展和定制的工作流