JP2006119435A

JP2006119435A - 人体患部実体モデルの製造方法

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Publication number: JP2006119435A
Application number: JP2004308218A
Authority: JP
Inventors: Yukiyasu Iida; 行恭飯田; Norimichi Kawashima; 徳道川島; Masaaki Takeuchi; 正顕竹内; Kiichi Tsuji; 毅一辻; Toshio Sato; 敏夫佐藤; Yoshihiro Niikura; 嘉浩新倉
Original assignee: Toin Gakuen
Current assignee: Toin Gakuen
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】価格の高い光硬化性樹脂の使用量をできるだけ少なくし、従来の実体モデルと同様に現実に即した手術のリハーサルやシミュレーションに好適に利用しうる人体患部実体モデルを製造する方法を提供する。
【解決手段】患部をＭＲＩ又はＣＴスキャンして、患部全体にわたる多数の二次元断層画像データを得、次いでこの画像データに基づき、液体光硬化性樹脂中の各二次元断層画像の輪郭部に相当する帯域のみに活性線を照射して各断層画像の輪郭部形状に合致する硬化層を形成し、形成された各硬化層を順次積層して三次元光造形を行うことにより、人体患部実体モデルを形成させるに当り、上記二次元断層画像から水平面実エッジ線を抽出し、次いでその実エッジ線から水平面上の法線方向にあらかじめ定められた間隔で仮想エッジ線を描画し、上記実エッジ線と仮想エッジ線とで囲まれた二次元連結領域を連続的に形成させ、三次元連結領域とすることにより製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、患者本人の磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）やコンピューター断層撮影（ＣＴ）スキャンで得られた断層データからの情報を用いて、光造形法により外郭部殻状構造体として、人体患部実体モデルを製造する方法に関するものである。

液状光硬化性樹脂を用いた三次元光造形法（ステレオリソグラフィー）は、ＩＴ技術の台頭と三次元ＣＡＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）システムの普及とともに各産業分野において急速に応用が進んでいる。

この光造形法は、例えば所定の物体についてコンピューター上でＣＡＤシステムにより立体モデルを設計し、これをコンピューター上で一定の間隔でスライスしてその断面のデータを作成し、この断面データに基づき、容器に収容した液状光硬化性樹脂の液面の所定の域に活性線照射して硬化させ、断面データに対応する樹脂硬化層を形成させたのち、その硬化部分を沈下させて、新しく生じた液面の次の断面データに対応する域に活性線照射を行うという操作を順次繰り返して樹脂硬化層を次々と積層することにより、設計したとおりの三次元立体モデルを形成させる方法である（例えば特許文献１、２参照）。

この方法は、ＭＲＩやＣＴスキャンで得られた患者の患部のモデルを作成するのに利用すれば、医者は三次元的に人体内の患部を再現しうるので、外部からの診察では発見できない腫瘍や骨の異常を容易に見出すことができ、それに基づいて難しい手術の除去部分の検討や手術のシミュレーションを行うことができることから、最近では医療分野において注目されるようになった。

そして、このような光造形法を用いた人体患部モデル、その製造方法又は製造装置として、これまでに内臓又は器官類の断層形状測定装置により得られた二次元断層画像データに基づいて、光硬化性樹脂中にレーザー光を照射して各断層形状に合致する硬化層を形成し、これらを順次積層して立体モデルを形成させる方法（特許文献３参照）、被検体について多断層の断層像を収集する断層撮影装置と、それにより得られる各断層像間を補間する手段と、前記断層像を二値化して二値画像を作成する手段と、この二値画像から三次元画像を作成する手段と、この三次元画像の孤立部分にサポート部材を追加する手段と、このサポート部材を追加した三次元画像からモデル作成用データを生成する手段と、このデータから層状のモデルを作成し、積層することにより立体モデルを造形する造形装置を備えた立体モデル作成装置（特許文献４参照）、ヘリカルＣＴスキャナ画像又はＭＲＩスキャナで撮影されたスライス画像を正確に並べて積層して、三次元データとして組み立てたのち、所定の領域をスレッショルド値を指定して切り出し、対象となる画像領域を抽出し、この抽出された領域をブロックごとに分離し、上記のスレッショルド値に基づいて抽出された領域の三次元連続性を確認してマスク領域を切り出し、スライス画像上で切り出したマスク領域を積層して三次元モデルを作成し、この三次元モデルのスライス画像を単位厚さに敷設された粉末材料上にレーザー描画し、このレーザー描画された粉末材料を固化して順次積層した医療用立体モデル（特許文献５参照）などが提案されている。

他方、上記のようにスライス層を積層する光造形方法において、内部を網目構造でサポートした光造形物の立体構造データを作成し、これに基づいて射出成形用金型のマスターモデルを製造することも知られている。

しかしながら、一般に光硬化性樹脂は、価格が高く、各人ごとに製作しなければならない実体モデル全体に光硬化性樹脂を用いれば、患者個人の負担が大きくなるのを免れない。したがって、光硬化性樹脂の使用量をできるだけ少なくして、患者の費用負担を減じることが要望されている。

特開昭５６−１４４４７８号公報（特許請求の範囲その他）特開２００１−７９８５５号公報（特許請求の範囲その他）特開平５−１１６８９号公報（特許請求の範囲その他）特開平６−９８８９７号公報（特許請求の範囲その他）特開２００２−４０９２８号公報（特許請求の範囲その他）

本発明は、このような事情のもとで、価格の高い光硬化性樹脂の使用量をできるだけ少なくし、しかも従来の実体モデルと同様に現実に即した手術のリハーサルやシミュレーションに好適に利用しうる人体患部実体モデルを製造する方法を提供するものである。

本発明者らは、光硬化性樹脂の使用量を低減し、かつ患部の状態に対応して物性を変化させうる人体患部実体モデルを実現するために種々研究を重ねた結果、外郭部のみを光硬化性樹脂で形成し、必要に応じ内側の空洞部に患部の物性に対応した所望の物性を有する材料からなる心材を充填しうるようにした実体モデルを製造することにより、その目的を達成しうることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、患部をＭＲＩ又はＣＴスキャンして、患部全体にわたる多数の二次元断層画像データを得、次いでこの画像データに基づき、液体光硬化性樹脂中の各二次元断層画像の輪郭部に相当する帯域のみに活性線を照射して各断層画像の輪郭部形状に合致する硬化層を形成し、形成された各硬化層を順次積層して三次元光造形を行うことにより、人体患部実体モデルを形成させるに当り、上記二次元断層画像から水平面実エッジ線を抽出し、次いでその実エッジ線から水平面上の法線方向にあらかじめ定められた間隔で仮想エッジ線を描画し、上記実エッジ線と仮想エッジ線とで囲まれた二次元連結領域を連続的に形成させ、三次元連結領域とすることを特徴とする人体患部実体モデルの製造方法を提供するものである。

次に、本発明方法を添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明方法により実体モデルを製造する工程のブロック図であり、これは二値化処理部１、実エッジ線抽出部２、二次元連結領域作成部３、三次元連結領域作成部４、立体形状パターン描画部５及び光造形用三次元データ作成部６から構成されている。

そして、ＭＲＩ又はＣＴスキャンにより得られた二次元画像は、先ず二値化処理部１に入力される。この二値化処理部１においては、濃淡画像として入力されるＭＲＩ又はＣＴスキャンの情報を、画像各点の濃度について一定の閾値により白と黒の値を割り当てる処理がなされる。図２はこのようにして濃淡画像Ａから二値化処理された画像Ｂの例を示したものである。

次に、このようにして二値化処理された画像Ｂは、実エッジ線抽出部２に送られるが、ここでは二値化処理後の黒点を追跡して、エッジ線の抽出処理を行う。この実エッジ線抽出部２の抽出処理では、線が中断した場合や非連結線が抽出された場合、周囲の黒点及び白点の状況から判断して、雑音として混入してくる黒点の除去及び線を滑らかに結ぶ、いわゆるスムージングが行われ、実エッジ線が抽出される。この雑音除去及びスムージング処理アルゴリズムは、公知の方法、例えば工業調査会発行ビギナーズブックス、岡崎彰夫著、「はじめての画像処理技術」に記載された方法によって行うことができる。図３に、このようにして抽出された実エッジ線の例を示す。

次に、この実エッジ線の情報は、二次元連結領域作成部３に送られ、ここでその水平面における法線方向すなわち実エッジ線の各点から垂直線の内側又は外側の方向に対し、あらかじめ入力情報として与えられた距離を隔てて仮想エッジ線が形成される。

図４は、このようにして得られた結果の１例を示すもので、最外郭の実エッジ線に対し、その水平面における法線方向の内側に距離α、最内郭の実エッジ線の水平方向の外側に距離βを隔てた位置に新たに作成された仮想エッジ線が示されている。図４（イ）では、実エッジ線に囲まれる連結領域は１個（Ａ）であるが、図４（ロ）では、実エッジ線と仮想エッジ線に囲まれる連結領域は３個（Ｂ，Ｃ，Ｄ）となる。この際の法線方向及び距離は、各層の二次元画像ごとに独立して設定することができる。

三次元連結領域作成部４では、重ねられた二次元画像の実エッジ線及び仮想エッジ線の対応する点同士を高さ方向（Ｚ軸方向）に直線で結ぶことで三次元連結領域を作成する。点の対応づけは高さ方向（Ｚ紬方向）に重ねられた二次元連結領域の集合に対し、底平面から順次上方向に、二次元連結領域の各点を高さ方向に外側から内側に回転する法線と一層上の連結領域の線とが交差する点を検出することにより行う。

対応づけの処理は、最初に二次元領域の最外郭線上の点同士の対応づけを行い、その処理の終了後、最外郭線から内側２番目の連結線上の点の対応づけを行いながら、外側から内側の連結線に対し順次及ぼしていく。図５は上下２層の二次元平面の連結線上の点の対応づけの説明図である。図６は、図４（ロ）で示す３領域からなる二次元領域を高さ方向（Ｚ紬方向）に重ねた場合について作成される三次元領域の例を示す。

立体形状パターン描画部５は、生体組織の硬度、強度、粘度及び樹脂の硬度に合わせ、孔の形状、孔間の距離、孔のサイズ（直径）を設定した複数の立体形状パターンをあらかじめ用意しておき、三次元連結領域作成部４において作成された領域を指定し、該領域を選択した立体形状パターンで描画する処理を行う。ここであらかじめ用意された立体形状パターンの中には、孔を持たない気孔立体形状パターンも含まれる。

図７は多孔立体形状パターンの例を示す。図７（イ）は、楕円体の孔を持つ立体形状パターン、図７（ロ）は格子状に孔を持つ立体形状パターンの例である。具体的には描画の対象となる立体領域の各層の二次元断面を立体形状パターンの指定した位置から、指定した位置の二次元断面の形状パターンで順次、高さ方向（Ｚ軸方向）の下から上に向かって描画していく。

図８は、図７（イ）の楕円体の孔を持つ立体形状パターンの断面の二次元形状パターンの例である。図９は、図６における三次元連結領域のＢ、Ｄを無孔立体形状パターン、三次元連結領域Ｃを図７（ロ）の格子状の孔を持つ立体形状パターンによって作られる三次元立体を示す。光造形用三次元データフォーマット作成部６では、立体形状パターン描画部５で作成された三次元立体から光造形用の光造形三次元データに変換する。

本発明における光造形用三次元データは、ＳＴＬ（ＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）等の汎用の三次元ＣＡＤデータであり、光造形用三次元データ作成部は、三次元連結領域作成部の出力である立体データを周知のアルゴリズム（例えば、「３次元ＣＡＤの基礎と応用」，鳥谷浩志（著）、千代倉弘明（著），共立出版、「形状処理工学［ＩＩ］」，山口富士夫，日刊工業新聞社）により三次元ＣＡＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）データに変換する。光硬化樹脂による三次元実体モデルは、該三次元ＣＡＤデータから市販の光造形装置を用いて作成することができる。

本発明方法により人体患部実体モデルを製造するための原料としては、液体光硬化性樹脂を用いる必要があるが、この液体光硬化性樹脂は、これまで光造形法により人体患部モデルを製造する場合に、通常使用されていた光硬化性樹脂の中から任意に選ぶことができる。

このような液体光硬化性樹脂には、ラジカル重合反応タイプとカチオン重合反応タイプの２種類があり、前者の代表的なものとしては、ウレタンアクリレート系硬化性樹脂が、また、後者の代表的なものとしては、エポキシ系光硬化性樹脂がある。

上記のウレタンアクリレート系光硬化性樹脂の例としては、エチレングリコールとアジピン酸とのエステルにトリレンジイソシアナートを反応させて得られるプレポリマーと、２‐ヒドロキシエチルアクリレートとの反応生成物、ポリエチレングリコールとトリレンジイソシアナートを反応させて得られるプレポリマーと２‐ヒドロキシエチルアクリレートとの反応生成物、ヒドロキシエチルフタリルメタクリレートとキシレンジイソシアナートとの縮合物と２‐ヒドロキシエチルアクリレートとの反応生成物、１，２‐ポリブチジエングリコールとトリレンジイソシアナートとの縮合物と２‐ヒドロキシエチルメタクリレートとの反応生成物、トリメチロールプロパン−プロピレングリコールとトリレンジイソシアナートの縮合物と２‐ヒドロキシエチルアクリレートとの反応生成物などがある。この種のウレタンアクリレート系光硬化剤は、例えばＴＳＲ−１９３８Ｍ（帝人製機製）として市販されている。

また、エポキシ系光硬化性樹脂の例としては、ビスフェノールＡのエピクロロヒドリン付加物とアクリル酸との反応生成物、フェノールノボラック樹脂のエピクロロヒドリン付加物とアクリル酸との反応生成物などがある。この種のエポキシ系光硬化性樹脂は、旭電化工業株式会社から「ＨＳ−６８１」として、ジェイ・エス・アール（ＪＳＲ）社から「ＳＣＲ−８１００」シリーズとして、バンチコ（Ｖａｎｔｉｃｏ）社から「ＳＬ−７５４０」として、それぞれ市販されている。

これらの光硬化性樹脂は、紫外線、電子線、ｉ線、ＡｒＦエキシマレーザー、ＫｒＦエキシマレーザーなどの活性線を照射することにより容易に硬化する。

本発明方法により得られる、外郭部分のみからなる人体患部実体モデルはそのままで、手術のリハーサルやシミュレーションに用いることもできるが、これを外殻部とし、その内部に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ホットメルト系接着剤、固体状界面活性剤、石油ワックス類、セッコウ、モルタル類などを充填し、人体と類似した物性の実体モデルとして使用するのが好ましい。

本発明によると、価格の高い光硬化性樹脂の使用量を低減して、低コストの実体モデルを製造することができる上に、内部空間に充填する材料を選択することにより、実際の人体に即した実体モデルを製造することができ、手術や治療のリハーサルやシミュレーション用として、より適合したモデルを提供することができる。

次に実施例により、本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

前記した図１のブロック図に従って、図１０に示す光造形用三次元立体形状パターンを作成する。
次に、図１１に示す工程に従い、容器７に光硬化性樹脂（帝人製機社製、製品名「ＴＳＲ８２１」）８を満たし、上記の三次元立体形状パターンの実エッジ線９，９´と仮想エッジ線１０，１０´とで囲まれた２個の二次元連結領域（Ａ，Ｂ）に相当する帯域の光硬化性樹脂表面にＫｒＦエキシマレーザーを照射して、その部分の樹脂を硬化させ、支持台１１上に二次元連結領域を形成させる（イ）。

次に支持台１１を所定の距離まで沈下させて、上記の２個の二次元連結領域の上部に接して、同様に２層目の硬化体を形成させる（ロ）。この操作を順次繰り返して、三次元立体形状パターンの全体にわたって、実エッジ線と仮想エッジ線とで囲まれた二次元連結領域を連続的に形成させ、三次元連結領域で構成された前記三次元立体形状パターンに対応する人体患部実体モデル１２を製造する（ハ）。

本発明は、患者の手術のシミュレーション用実体モデルとして、手術に先立つ患部検査及び手術の予行を行うための医療器具として利用することができる。

本発明方法のブロック図。本発明方法における二値化処理された画像例。本発明方法における抽出された実エッジ線の例の平面図。本発明方法における仮想エッジ線の例の平面図。本発明方法における上下２相の二次元平面の連結線上の点の対応づけの説明図。本発明方法により作成される三次元領域の例の斜視図。本発明方法において描画された立体形状パターンの例の斜視図。本発明方法における立体形状パターンの断面の二次元形状パターンの例の斜視図。本発明方法における三次元立体の例の斜視図。実施例１で作成した光造形用三次元立体形状パターン図。本発明の人体患部実体モデルの製造手順を示す説明図。

符号の説明

１二値化処理部
２実エッジ線抽出部
３二次元連結領域作成部
４三次元連結領域作成部
５立体形状パターン描画部
６光造形用三次元データ作成部
７容器
８光硬化性樹脂
９，９´実エッジ線
１０，１０´仮想エッジ線
１１支持台
１２人体患部実体モデル

Claims

患部をＭＲＩ又はＣＴスキャンして、患部全体にわたる多数の二次元断層画像データを得、次いでこの画像データに基づき、液体光硬化性樹脂中の各二次元断層画像の輪郭部に相当する帯域のみに活性線を照射して各断層画像の輪郭部形状に合致する硬化層を形成し、形成された各硬化層を順次積層して三次元光造形を行うことにより、人体患部実体モデルを形成させるに当り、上記二次元断層画像から水平面実エッジ線を抽出し、次いでその実エッジ線から水平面上の法線方向にあらかじめ定められた間隔で仮想エッジ線を描画し、上記実エッジ線と仮想エッジ線とで囲まれた二次元連結領域を連続的に形成させ、三次元連結領域とすることを特徴とする人体患部実体モデルの製造方法。
空洞部を有する人体患部をＭＲＩ又はＣＴスキャンして得た二次元断層画像データに基づき、内側実エッジ線及び外側実エッジ線のそれぞれから仮想エッジ線を描画し、それぞれの実エッジ線と仮想エッジ線とで囲まれた内側二次元連結領域及び外側二次元連結領域を連続的に形成させることにより、二重殻状構造とする請求項１記載の人体患部実体モデルの製造方法。
該三次元領域に、あらかじめ用意した立体形状パターンから選ばれた材料を組み込んで三次元成形体とする請求項１又は２記載の人体患部実体モデルの製造方法。