JP2008070847A - Catheter operation simulator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reproduce a fluoroscopic operation picture in a catheter operation in a three-dimensional model which reproduces a body cavity such as a blood vessel. <P>SOLUTION: A three-dimensional model is dipped in a light-permeable liquid adjacent to the three-dimensional model to make the peripheral shape and cavity shape of the three-dimensional model substantially invisible. Then, the image of this condition is picked up to reproduce a fluoroscopic picture at the time of an operation. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明はカテーテル手術シミュレータに関する。  The present invention relates to a catheter surgery simulator.

技術背景Technical background

本発明者らは、被検体の血管などの体腔を再現したブロック状の立体モデルを提案している(特許文献1、非特許文献1)。この立体モデルは被検体の断層像データに基づき血管などの体腔モデルを積層造形し、該体腔モデルの周囲を立体モデル成形材料で囲繞して該立体モデル成形材料を硬化させ、その後体腔モデルを除去することにより得られる。
立体モデル成形材料としてシリコーンゴムなどのエラストマー材料を採用することにより、立体モデルの腔所(血管などを再現したもの)へ液体を送り込んだり、またカテーテルを挿入したりしたときの当該腔所の動的変形を観察することができる。
また、膜状の立体モデル(非特許文献2)を提案している。
また、ゲル状の基材で構成した立体モデルを提案している(非特許文献3)
The present inventors have proposed a block-shaped three-dimensional model that reproduces a body cavity such as a blood vessel of a subject (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). This three-dimensional model is formed by layering a body cavity model such as a blood vessel based on tomographic image data of the subject, surrounding the body cavity model with a three-dimensional model molding material, curing the three-dimensional model molding material, and then removing the body cavity model Can be obtained.
By adopting an elastomeric material such as silicone rubber as the 3D model molding material, the liquid moves into the 3D model cavity (reproduced blood vessels) and the movement of the 3D model when the catheter is inserted. Can be observed.
Also, a film-like three-dimensional model (Non-Patent Document 2) is proposed.
Moreover, the solid model comprised with the gel-like base material is proposed (nonpatent literature 3).

WO 03/096308  WO 03/096308 脳血管内腔を再現した手術試行用医療モデル、第20回ロボット学会学術講演会予稿集、2002  A medical model for surgical trials reproducing the cerebral vascular lumen, Proceedings of the 20th Annual Conference of the Robotics Society of Japan, 2002 脳血管内手術を対象とした生体情報に基づく手術シミュレータに関する研究、ロボティクス・メカトロニクス講演会予稿集、2003  Research on surgical simulator based on biological information for intravascular surgery, Proceedings of Lecture Meeting on Robotics and Mechatronics, 2003 脳血管内腔を再現した手術シミュレーション用立体モデル 第12回日本コンピュータ外科学会大会予稿集,2003  Three-dimensional model for surgical simulation that reproduces the lumen of the cerebral blood vessel.

上記のモデルによれば、カテーテルや液体の挿入シミュレーションに対して、体腔を再現した腔所部分の動的な変形を目視により直接観察することができる。しかしながえら、実際の手術では、X線などを利用した透視映像を確認しながらカテーテルや液体の挿入が行われるため、目視による観察像は、手術シミュレーションに際して観察される透視像と形態が大きく異なる。  According to the above model, the dynamic deformation of the cavity portion that reproduces the body cavity can be directly observed visually with respect to the catheter and liquid insertion simulation. However, in actual surgery, catheters and liquids are inserted while confirming fluoroscopic images using X-rays or the like, so that the visual observation image is largely the same as the fluoroscopic image observed during the surgical simulation. Different.

この発明は上記課題を解決するべくなされたものであり、次のように構成される。
少なくとも体腔を再現した腔所の周囲領域が弾性材料で形成され、カテーテルの挿入が可能な透光性の立体モデルの周囲と腔所内部を、当該立体モデルに近い屈折率を有する透光性液体で満たすことによって、該立体モデルの外観形状を実質的に見えないようにして、実際の手術時と同様な透視映像を生成する透視観測装置であって、
立体モデルに近接する屈折率を備えた透光性液体と、
該透光性液体を保持するための容器と、
前記立体モデルを撮像するための撮像装置と、を備え、
前記立体モデルへ挿入されたカテーテルや液体を目視可能とした、ことを特徴とするカテーテル手術シミュレータ。
The present invention has been made to solve the above problems, and is configured as follows.
A translucent liquid having a refractive index close to that of the three-dimensional model around the translucent three-dimensional model capable of inserting a catheter, at least around the cavity that reproduces the body cavity is formed of an elastic material. A perspective observation device that generates a fluoroscopic image similar to that at the time of an actual operation, by substantially satisfying the above, so that the external shape of the three-dimensional model is substantially invisible.
A translucent liquid with a refractive index close to the three-dimensional model;
A container for holding the translucent liquid;
An imaging device for imaging the three-dimensional model,
A catheter surgery simulator characterized in that a catheter or liquid inserted into the three-dimensional model can be viewed.

このように構成された立体モデルの透視観測装置によれば、カテーテルや液体の挿入シミュレーションにおいて、立体モデルの周囲形状ならびに腔所形状を実質的に見えないようにでき、実際の手術時に利用される透視撮像像と同様な像を生成することができる。これによって、手術時と同様な透視映像を観察しながらの手術シミュレーションが可能になる。
また、立体モデルの周囲領域に加えられた応力を、光弾性効果を利用して可視化し、その応力情報を、上記の透視映像に付加的にオーバーレイ呈示することもでき、これによって、カテーテル挿入シミュレーションを応力面からも評価可能な環境を構築することが可能になる。
According to the perspective observation apparatus for a three-dimensional model configured in this way, the surrounding shape and cavity shape of the three-dimensional model can be substantially invisible in the catheter and liquid insertion simulation, and are used during actual surgery. An image similar to the fluoroscopic image can be generated. This enables a surgical simulation while observing a fluoroscopic image similar to that at the time of surgery.
In addition, the stress applied to the surrounding area of the three-dimensional model can be visualized using the photoelastic effect, and the stress information can be additionally displayed as an overlay on the above-mentioned fluoroscopic image. It is possible to construct an environment that can be evaluated from the stress side.

ここで、立体モデルの周囲、あるいは腔所領域、あるいはその両方を満たす液体として、グリセリンと水の混合液体を用いることができる。この混合液は、体液(特に血液)と近い粘性と、高い透光性性を備える他、生体にも無害であり、カテーテルや液体の挿入シミュレーションに際して、腔所部分やカテーテルの動的な変形をよりリアルに再現し、鮮明かつ安全に観察することが可能になる。
なお、立体モデルの構成材料として、屈折率が高い材料(屈折率がおよそ1.5以上)を適用する場合には、αモノブロムナフタリンと流動パラフィンの混合液を使用して、立体モデルの屈折率に近い液体を生成することも可能である。
Here, a mixed liquid of glycerin and water can be used as the liquid that fills the periphery of the three-dimensional model, the cavity region, or both. This liquid mixture has viscosity close to that of body fluids (especially blood), high translucency, and is harmless to the living body. It is possible to reproduce more realistically and observe clearly and safely.
In addition, when applying a material with a high refractive index (refractive index of about 1.5 or more) as a constituent material of the three-dimensional model, a mixture of α monobromonaphthalene and liquid paraffin is used to refract the three-dimensional model. It is also possible to produce liquids close to the rate.

以下、発明の各構成要素を詳細に説明する。
(立体モデル形成材料)
立体モデルの腔所領域に挿入したカテーテルや液体の状態を観察するには、立体モデルにおいて、少なくとも内部観察が必要な部位を透光性材料で形成する。
かかる透光性材料として、例えば、シリコーンゴム(シリコーンエラストマー)や熱硬化性のポリウレタンエラストマ等のエラストマの他、シリコーンハイドロゲルやPVAハイドロゲルやゼラチンなどのゲルや、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、ユリア樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリメタクリル酸メチル等の熱可塑性樹脂を単独で、或いは複数組み合わせて使用することができる。
カテーテルや液体を立体モデルの腔所へ挿入したとき、体腔を再現した腔所領域の変形を再現するためには、少なくとも当該周囲領域が弾性変形可能な材料で形成される必要がある。かかる材料としてゼラチン(動物性かんてん)を挙げることができる。また、植物性かんてんやカラギーナン、ローカストビーンガムのような多糖類のゲル化剤を採用することもできる。
Hereinafter, each component of the invention will be described in detail.
(3D model forming material)
In order to observe the state of the catheter and the liquid inserted in the cavity region of the three-dimensional model, at least a portion that requires internal observation is formed of a translucent material in the three-dimensional model.
Examples of such translucent materials include silicone rubber (silicone elastomer), thermosetting polyurethane elastomer and other elastomers, silicone hydrogel, PVA hydrogel, gelatin and other gels, silicone resin, epoxy resin, polyurethane, Thermosetting resins such as unsaturated polyesters, phenol resins and urea resins, and thermoplastic resins such as polymethyl methacrylate can be used alone or in combination.
When a catheter or liquid is inserted into a cavity of a three-dimensional model, in order to reproduce the deformation of the cavity area that reproduces the body cavity, at least the surrounding area needs to be formed of an elastically deformable material. An example of such a material is gelatin (animal fertilizer). In addition, polysaccharide gelling agents such as vegetable epilepsy, carrageenan and locust bean gum can also be employed.

(立体モデルの形成方法)
立体モデルにおいて腔所は被検体の断層像データに基づき形成された血管などの体腔を再現したものとすることができる。
ここに、被検体は人体の全体若しくは一部を対象とするが、動物や植物を断層撮像の対象とすることができる。また、死体を除くものではない。
断層像データは積層造形を実行するための基礎となるデータをいう。一般的に、X線CT装置、MRI装置、超音波装置などによって得られた断層撮像データから三次元形状データを構築し、当該三次元形状データを二次元に分解して断層像データとする。
以下、断層像データ生成の一例を説明する。
(Method for forming a solid model)
In the three-dimensional model, the cavity can be a reproduction of a body cavity such as a blood vessel formed based on the tomographic image data of the subject.
Here, the subject is the whole or part of the human body, but animals and plants can be the target of tomographic imaging. It does not exclude corpses.
The tomographic image data refers to data that is the basis for executing additive manufacturing. In general, three-dimensional shape data is constructed from tomographic image data obtained by an X-ray CT apparatus, an MRI apparatus, an ultrasonic apparatus, etc., and the three-dimensional shape data is decomposed into two-dimensional data to obtain tomographic image data.
Hereinafter, an example of tomographic image data generation will be described.

ここでは、体軸方向に平行移動しながら等間隔に撮像することによって得られた複数の二次元画像を入力データ(断層撮像データ)として使用する場合について説明するが、他の撮像方法によって得られた二次元画像、或いは三次元画像を入力画像とする場合でも同様な処理を行うことによって腔所の三次元形状データを得ることができる。入力された各二次元画像は、まず撮像時の撮像間隔に基づいて正確に積層される。次に、各二次元画像上に、画像濃度値に関しての閾値を指定することにより、体腔モデルの対象とする腔所領域のみを各二次元画像中より抽出し、一方で他の領域を積層された二次元画像中より削除する。これにより腔所領域に相当する部分の三次元形状が二次元画像を積層した形で与えられ、この各二次元画像の輪郭線を三次元的に補間し、三次元曲面として再構成することにより対象とする腔所の三次元形状データが生成される。尚、この場合は濃度値に関しての閾値を指定することによって、まず入力画像中より腔所領域の抽出を行ったが、この方法とは別に、腔所表面を与える特定濃度値を指定することによって入力画像中より腔所表面の抽出し、三次元補間することによって直接的に三次元曲面を生成することも可能である。また、閾値指定による領域抽出(或いは特定濃度値指定による表面抽出)を行った後に入力画像の積層を行ってもよい。また、三次元曲面の生成はポリゴン近似によって行ってもよい。  Here, a case will be described in which a plurality of two-dimensional images obtained by imaging at equal intervals while being translated in the body axis direction are used as input data (tomographic imaging data). Even when a two-dimensional image or a three-dimensional image is used as an input image, three-dimensional shape data of the cavity can be obtained by performing the same processing. Each input two-dimensional image is first accurately laminated based on the imaging interval at the time of imaging. Next, by specifying a threshold for the image density value on each two-dimensional image, only the cavity region that is the target of the body cavity model is extracted from each two-dimensional image, while other regions are stacked. Delete from the two-dimensional image. As a result, the three-dimensional shape of the portion corresponding to the cavity region is given in the form of a stack of two-dimensional images, and the contour line of each two-dimensional image is interpolated three-dimensionally and reconstructed as a three-dimensional curved surface. Three-dimensional shape data of the target cavity is generated. In this case, the cavity region is first extracted from the input image by designating a threshold value for the density value, but separately from this method, by specifying a specific density value that gives the cavity surface. It is also possible to directly generate a three-dimensional curved surface by extracting the cavity surface from the input image and performing three-dimensional interpolation. Further, the input images may be stacked after performing region extraction by specifying a threshold value (or surface extraction by specifying a specific density value). The generation of the three-dimensional curved surface may be performed by polygon approximation.

尚、前記三次元形状データには、該三次元形状データの生成中、或いは生成後において、形状の修正や変更を施すことが可能である。例えば、断層撮像データ中には存在しない構造を付加することや、サポートと呼ばれる支持構造を付加することや、或いは断層撮像データ中の構造を一部除去することや、腔所の形状を変更することなどが可能であり、これによって、立体モデルの内部に形成される腔所の形状を自由に修正或いは変更することができる。さらには、腔所の内部に非積層造形領域を設けることも可能であり、後に説明する内部を中空の構造とし、非積層造形領域を設けた体腔モデルを作製する場合には、そのような非積層造形領域を腔所の内部に設けた三次元形状データを生成しておく。尚、これらの処理は、積層造形システム、或いは積層造形システムに対応したソフトウェアにおいて行ってもよい。  The three-dimensional shape data can be modified or changed during or after the generation of the three-dimensional shape data. For example, adding a structure that does not exist in the tomographic data, adding a support structure called a support, removing a part of the structure in the tomographic data, or changing the shape of the cavity Thus, the shape of the cavity formed inside the three-dimensional model can be freely modified or changed. Furthermore, it is also possible to provide a non-layered modeling region inside the cavity, and in the case where a body cavity model having a non-layered modeling region provided with a non-layered modeling region is explained, Three-dimensional shape data in which the layered modeling region is provided inside the cavity is generated. In addition, you may perform these processes in the additive manufacturing system or the software corresponding to an additive manufacturing system.

次に、生成した腔所の三次元形状データを、必要に応じて体腔モデルの積層造形に使用する積層造形システムに対応した形式に変換し、使用する積層造形システム、或いは使用する積層造形システムに対応したソフトウェアへと送る。
積層造形システム(或いは積層造形システムに対応したソフトウェア)では、積層造形時の体腔モデルの配置や積層方向などの各種設定項目の設定を行うと同時に、積層造形中における形状保持などの目的で、サポート(支持構造)をサポートが必要な箇所に付加する(必要なければ付加する必要はない)。最後に、このようにして得られた造形用データを積層造形時の造形厚さに基づいてスライスすることによって、積層造形に直接利用されるスライスデータ(断層像データ)を生成する。尚、上記の手順とは逆に、スライスデータの生成を行った後にサポートの付加を行ってもよい。また、スライスデータが使用する積層造形システム(或いは積層造形システムに対応したソフトウェア)によって自動的に生成される場合には、この手順を省略することができる。但し、この場合でも積層造形厚さの設定を行っても良い。サポートの付加についても同様であり、積層造形システム(或いは積層造形システムに対応したソフトウェア)によってサポートが自動的に生成される場合には、手動で生成する必要はない(手動で生成してもよい)。
Next, the generated three-dimensional shape data of the cavity is converted into a format corresponding to the additive manufacturing system used for the additive manufacturing of the body cavity model as necessary, and used for the additive manufacturing system or the additive manufacturing system to be used. Send to compatible software.
The additive manufacturing system (or software that supports additive manufacturing systems) supports the setting of various setting items such as the placement of the body cavity model and the stacking direction during additive manufacturing as well as the purpose of maintaining the shape during additive manufacturing. (Support structure) is added to the place where support is required (if it is not necessary, it is not necessary to add it). Finally, slice data (tomographic image data) that is directly used for additive manufacturing is generated by slicing the modeling data obtained in this way based on the modeling thickness at the time of additive manufacturing. In contrast to the above procedure, support may be added after slice data is generated. Moreover, when the slice data is automatically generated by the additive manufacturing system (or software corresponding to the additive manufacturing system) used, this procedure can be omitted. However, even in this case, the layered modeling thickness may be set. The same applies to the addition of the support. When the support is automatically generated by the additive manufacturing system (or software corresponding to the additive manufacturing system), it is not necessary to generate the support manually (may be generated manually). ).

上記の例では、断層撮像データから三次元形状データを構築しているが、データとして最初から三次元形状データが与えられた場合もこれを二次元に分解して次の積層造形工程に用いる断層像データを得ることができる。  In the above example, 3D shape data is constructed from tomographic imaging data. However, when 3D shape data is given from the beginning as a data, it is decomposed into 2D and used in the next additive manufacturing process. Image data can be obtained.

この発明では血管などの体腔を対象としており、ここに体腔とは諸器官(骨格、筋、循環器、呼吸器、消化器、泌尿生殖器、内分泌器、神経、感覚器など)に存在する腔所、並びに、これらの諸器官や体壁などの幾何学的配置によって構成される腔所を指す。したがって、心臓の内腔、胃の内腔、腸の内腔、子宮の内腔、血管の内腔、尿管の内腔などの諸器官の内腔や、口腔、鼻腔、口峡、中耳腔、体腔、関節腔、囲心腔などが「体腔」に含まれる。  In this invention, a body cavity such as a blood vessel is targeted, and the body cavity is a cavity located in various organs (skeletal, muscle, circulatory, respiratory, digestive, urogenital, endocrine, nerve, sensory organs, etc.) And a cavity formed by a geometric arrangement of these organs and body walls. Therefore, the lumens of organs such as heart lumen, stomach lumen, intestinal lumen, uterine lumen, blood vessel lumen, ureter lumen, oral cavity, nasal cavity, strait, middle ear A cavity, a body cavity, a joint cavity, a pericardial cavity, and the like are included in the “body cavity”.

上記の断層像データから上記体腔モデルを形成する。
形成の方法は特に限定されるものではないが、積層造形が好ましい。ここに積層造詣とは、断層像データに基づき薄い層を形成し、これを順次繰り返すことにより所望の造形を得ることをいう。
積層造形された体腔モデルは後の工程で分解除去されなければならない。除去を容易にするため、積層造形に用いる材料を低い融点の材料とするか、若しくは溶剤に容易に溶解する材料とすることが好ましい。かかる材料としては低融点の熱硬化性樹脂若しくはワックス等を用いることができる。いわゆる光造形法(積層造形に含まれる)において汎用される光硬化性樹脂においてもその分解が容易であれば、これを用いることができる。
The body cavity model is formed from the tomographic image data.
Although the formation method is not particularly limited, layered modeling is preferable. Here, the layered structure means that a thin layer is formed based on the tomographic image data, and this is sequentially repeated to obtain a desired shape.
The layered body cavity model must be decomposed and removed in a later process. In order to facilitate the removal, it is preferable that the material used for additive manufacturing is a material having a low melting point or a material that is easily dissolved in a solvent. As such a material, a low-melting-point thermosetting resin or wax can be used. A photo-curable resin widely used in so-called stereolithography (included in layered modeling) can be used if it can be easily decomposed.

前記体腔モデルは、次の工程において立体モデル成形材料で囲繞する際に外部から付加される圧力等の外力に耐え得る強度を有する範囲であれば、その内部を中空構造とし薄肉化することができる。これによって、積層造形に所要される時間や造形に伴うコストが低減されるだけでなく、後の溶出行程において体腔モデルの溶出を簡素化できる。
具体的な積層造形の方式として、例えば粉末焼結方式、溶融樹脂噴出方式、溶融樹脂押出方式等を挙げることができる。
If the body cavity model has a strength that can withstand external forces such as pressure applied from the outside when surrounded by the three-dimensional model molding material in the next step, the inside can be thinned with a hollow structure. . This not only reduces the time required for layered modeling and the cost associated with modeling, but also simplifies elution of the body cavity model in the subsequent elution process.
Specific examples of the additive manufacturing method include a powder sintering method, a molten resin ejection method, a molten resin extrusion method, and the like.

尚、積層造形によって作製された体腔モデルには、積層造形の後に、表面研磨や、表面コーティングの付加など各種の加工(除去加工及び付加加工)を加えることが可能であり、これによって体腔モデルの形状を修正或いは変更することが可能である。これらの加工の一環として、体腔モデルの作製にあたって、積層造形後の除去が必要なサポートを付加した場合には、サポートの除去を行っておく。
体腔モデルの表面を他の材料でコーティングすることにより、体腔モデルの材料の一部の成分又は全部の成分が立体モデル成形材料中に拡散することを防止することができる。その他、体腔モデルの表面を物理的に処理(熱処理、高周波処理等)、若しくは化学的に処理することにより、当該拡散を防止することもできる。
The body cavity model created by additive manufacturing can be subjected to various processes (removal processing and additional processing) such as surface polishing and surface coating after additive manufacturing, which allows the body cavity model to be It is possible to modify or change the shape. As a part of these processes, when a support that needs to be removed after the layered modeling is added in the production of the body cavity model, the support is removed.
By coating the surface of the body cavity model with another material, it is possible to prevent some or all components of the body cavity model material from diffusing into the three-dimensional model molding material. In addition, the diffusion can be prevented by physically treating the surface of the body cavity model (heat treatment, high frequency treatment, etc.) or chemically treating the surface.

表面処理することにより体腔モデルの表面の段差を円滑化することが好ましい。これにより、立体モデルの内腔表面が円滑になり、より実際の血管等の体腔内表面を再現できることとなる。表面処理の方法として、体腔モデルの表面を溶剤に接触させること、加熱して表面を溶融すること、コーティングすること及びこれらを併用することが挙げられる。  It is preferable to smooth the level difference on the surface of the body cavity model by surface treatment. As a result, the lumen surface of the three-dimensional model becomes smooth, and the actual body cavity inner surface such as a blood vessel can be reproduced. Examples of the surface treatment include contacting the surface of the body cavity model with a solvent, heating to melt the surface, coating, and using these in combination.

体腔モデルの一部又は全部を立体モデル成形材料で囲繞してこれを硬化する。体腔モデルを除去することにより立体モデルが形成される。  A part or the whole of the body cavity model is surrounded with a three-dimensional model molding material and cured. A three-dimensional model is formed by removing the body cavity model.

(他の立体モデル)
立体モデルを多層構造とすることもできる。即ち、
血管などの体腔を再現した腔所をその内部に有する膜状モデルと、該膜状モデルを囲繞する基材から立体モデルを形成する。
このように構成された立体モデルでは、生体血管の有する膜状構造と血管周囲の軟組織の構造が物理特性も含めて個別に再現される。これにより、柔軟性を有する膜状構造の血管のモデルが、血管周囲組織の粘弾性特性を有する基材に埋設された状態となる。このため、医療器具や流体の挿入シミュレーションに際して、立体モデル内部の膜状構造の血管モデルが基材内で生体内における血管と同様に柔軟に変形することができ、生体血管の変形特性を再現するのに好適なものとなる。
ここに、膜状モデルは、既述の体腔モデルの表面へ膜状モデル成形材料を薄く積層し、これを硬化して得られる。
膜状モデルの成形材料は光弾性効果を示す等方性材料であれば特に限定されず、例えば、シリコーンゴム(シリコーンエラストマ)や熱硬化性のポリウレタンエラストマ等のエラストマの他、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、ユリア樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリメタクリル酸メチル等の熱可塑性樹脂や、シリコーンハイドロゲルやPVAハイドロゲルなどのゲルを単独で、或いは複数組み合わせて使用することができる。これらの材料を塗布、吹き付け、若しくはディッピング等の方法で体腔モデルの表面へ薄く積層し、その後周知の方法で加硫若しくは硬化させる。
膜状モデルの対象を脳血管モデルとするときには、透光性でかつ生体組織に近い弾力性及び柔軟性を備える材料を採用することが好ましい。かかる材料としてシリコーンゴムを挙げることができる。また、シリコーンゴムは生体組織と同等の接触特性を有するので、カテーテル等の医療器具を挿入し手術の試行に適したものとなる。
膜状モデル形成材料を複数層から形成することができる。その厚みも任意に設定できる。
(Other 3D models)
The three-dimensional model can also have a multilayer structure. That is,
A three-dimensional model is formed from a membranous model having a cavity in which a body cavity such as a blood vessel is reproduced and a base material surrounding the membranous model.
In the three-dimensional model configured as described above, the membrane structure of the biological blood vessel and the structure of the soft tissue around the blood vessel are individually reproduced including physical characteristics. Thereby, the model of the blood vessel having a membranous structure having flexibility is embedded in the base material having the viscoelastic characteristics of the tissue around the blood vessel. For this reason, in a medical instrument or fluid insertion simulation, a blood vessel model having a film-like structure inside a three-dimensional model can be flexibly deformed in the same manner as a blood vessel in a living body, and the deformation characteristics of a living blood vessel are reproduced. It becomes a suitable thing.
Here, the membranous model is obtained by thinly laminating a membranous model molding material on the surface of the body cavity model described above and curing it.
The molding material of the membranous model is not particularly limited as long as it is an isotropic material exhibiting a photoelastic effect. For example, in addition to elastomers such as silicone rubber (silicone elastomer) and thermosetting polyurethane elastomer, silicone resin, epoxy resin , Use of thermosetting resins such as polyurethane, unsaturated polyester, phenolic resin, urea resin, thermoplastic resins such as polymethyl methacrylate, gels such as silicone hydrogel and PVA hydrogel, alone or in combination can do. These materials are thinly laminated on the surface of the body cavity model by a method such as application, spraying, or dipping, and then vulcanized or cured by a known method.
When the target of the membranous model is a cerebral blood vessel model, it is preferable to employ a material that is translucent and has elasticity and flexibility close to living tissue. An example of such a material is silicone rubber. In addition, since silicone rubber has contact characteristics equivalent to those of living tissue, a medical instrument such as a catheter is inserted to be suitable for a trial of surgery.
The membranous model forming material can be formed from a plurality of layers. The thickness can also be set arbitrarily.

基材は生体組織に類似した物理特性を有する透光性材料とすることが好ましい。
ここに、生体組織とは膜状モデルが再現した血管等を囲繞する柔軟な組織である。かかる柔軟性(物理特性)を再現する材料として、実施例ではシリコーンゲル及びグリセリンゲルを用いた。ゼラチン、かんてん、多糖類のゲルなどを用いることもできる。なお、ケーシングに気密性を確保できれば高粘度の液体を基材として用いることもできる。
基材の材料としてゲルを用いた場合、物理特性の異なる複数の材料を用いて基材をより生体組織に近づけることができる。
膜状モデルの動的な挙動を観察するため、基材は透光性とすることが好ましい。膜状モデルと基材との境界を明確にするため、膜状モデル若しくは基材の少なくとも一方を着色することができる。また、膜状モデルの動的挙動をより正確に観察できるように、膜状モデルの材料の屈折率と基材の材料の屈折率とを実質的に等しくすることが好ましい。
膜状モデルの全部が当該基材内に埋設される必要はない。即ち、膜状モデル一部は空隙部内に位置していてもよい(図3参照)。また、膜状モデルの一部はソリッド基材(生体組織と非類似の物理特性を有する)内にあってもよい。
基材は弾性を有するものとする。好ましくは、縦弾性係数が2.0kPa〜100kPaの低弾性とする。更に好ましくは、基材は充分な伸びを有する。これにより、膜状モデルが大きく変形しても、膜状モデルから基材が剥離することがない。例えば、無負荷時を1として、膜状モデルに対する接着性を確保した状態で引っ張ったときに基材は無付加時の2〜15倍の伸び率を有することが好ましい。ここで伸び率とは、基材が元に戻ることの出来る最大変形量を指す。また、荷重を加えて変形させた基材から荷重を除去したときに基材が元に戻る速度は比較的緩やかであることが好ましい。例えば、粘弾性パラメータである損失係数tanδ(1Hz時)は0.2〜2.0とすることができる。
これにより、血管等の周囲に存在する組織と同等若しくは近い特性を基材が持ち、膜状モデルの変形がより実際に近い環境で行われることとなる。即ち、カテーテル等の挿入感をリアルに再現可能となる。
基材は膜状モデルに対して密着性を有するものとする。これにより、膜状モデルへカテーテル等を挿入して膜状モデルを変形させも基材と膜状モデルとの間にズレの生じることがない。両者の間にズレが生じると、膜状モデルにかかる応力に変化が生じるので、例えばカテーテルの挿入シミュレーションをする場合に支障をきたし、その挿入時に違和感を生じるおそれがある。
膜状モデルとして脳血管モデルを対象としたとき、基材と膜状モデルとの密着性(接着強度)は1kPa〜20kPaとすることが好ましい。
かかる基材として実施例ではシリコーンゲル及びグリセリンゲルを用いているが、その材質が特に限定されるものではない。なお、ケーシングに気密性を確保できれば高粘度の液体を基材として用いることもできる。これは特に、弾性を有さない生体組織に囲まれる血管を再現した膜状モデルに対する基材として好適である。これら複数種類の流動体を混合し、さらにはこれらへ接着性の薬剤を混合することにより、好適な基材を調製することもできる。
基材の材料としてゲルを用いた場合、物理特性の異なる複数の材料を用いて基材をより生体組織に近づけることができる。
膜状モデルの動的な挙動を観察するため、基材は透光性とすることが好ましい。膜状モデルと基材との境界を明確にするため、膜状モデル若しくは基材の少なくとも一方を着色することができる。また、膜状モデルの動的挙動をより正確に観察できるように、膜状モデルの材料の屈折率と基材の材料の屈折率とを実質的に等しくすることが好ましい。
膜状モデルの全部が当該基材内に埋設される必要はない。即ち、膜状モデル一部は空隙部内に位置していてもよい(図4参照)。また、膜状モデルの一部はソリッド基材(生体組織と非類似の物理特性を有する)内又は流体内にあってもよい。
The base material is preferably a translucent material having physical properties similar to those of living tissue.
Here, the biological tissue is a flexible tissue surrounding a blood vessel or the like reproduced by the membranous model. In the examples, silicone gel and glycerin gel were used as materials for reproducing such flexibility (physical properties). Gelatin, orange, polysaccharide gel and the like can also be used. In addition, if a casing can ensure airtightness, a highly viscous liquid can also be used as a base material.
When gel is used as the material of the base material, the base material can be brought closer to a living tissue by using a plurality of materials having different physical properties.
In order to observe the dynamic behavior of the membranous model, the base material is preferably translucent. In order to clarify the boundary between the membranous model and the substrate, at least one of the membranous model and the substrate can be colored. Further, it is preferable that the refractive index of the material of the film model and the refractive index of the material of the base material are substantially equal so that the dynamic behavior of the film model can be observed more accurately.
The entire membranous model need not be embedded in the substrate. That is, a part of the membranous model may be located in the gap (see FIG. 3). Also, a part of the membranous model may be in a solid substrate (having dissimilar physical characteristics to living tissue).
A base material shall have elasticity. Preferably, the elastic modulus is low elasticity of 2.0 kPa to 100 kPa. More preferably, the substrate has sufficient elongation. Thereby, even if a membranous model changes greatly, a substrate does not peel from a membranous model. For example, when no load is set to 1, it is preferable that the substrate has an elongation ratio of 2 to 15 times that when no addition is applied when the substrate is pulled in a state in which adhesion to the film model is ensured. Here, the elongation percentage refers to the maximum amount of deformation that the base material can return to. In addition, it is preferable that the speed at which the base material is restored when the load is removed from the base material deformed by applying a load is relatively moderate. For example, the loss coefficient tan δ (at 1 Hz), which is a viscoelastic parameter, can be set to 0.2 to 2.0.
As a result, the base material has characteristics similar to or close to those of the tissue existing around the blood vessel or the like, and the deformation of the membranous model is performed in an environment that is closer to reality. That is, the insertion feeling of a catheter or the like can be realistically reproduced.
A base material shall have adhesiveness with respect to a membranous model. Thereby, even if a catheter or the like is inserted into the membranous model and the membranous model is deformed, no deviation occurs between the base material and the membranous model. If there is a difference between the two, the stress applied to the membranous model will change, which may hinder, for example, a catheter insertion simulation, and may cause discomfort during the insertion.
When a cerebrovascular model is used as the membranous model, the adhesion (adhesion strength) between the substrate and the membranous model is preferably 1 kPa to 20 kPa.
In this embodiment, silicone gel and glycerin gel are used as the base material, but the material is not particularly limited. In addition, if a casing can ensure airtightness, a highly viscous liquid can also be used as a base material. This is particularly suitable as a base material for a membranous model that reproduces a blood vessel surrounded by a living tissue having no elasticity. A suitable base material can also be prepared by mixing these plural kinds of fluids and further mixing an adhesive agent thereto.
When gel is used as the material of the base material, the base material can be brought closer to a living tissue by using a plurality of materials having different physical properties.
In order to observe the dynamic behavior of the membranous model, the base material is preferably translucent. In order to clarify the boundary between the membranous model and the substrate, at least one of the membranous model and the substrate can be colored. Further, it is preferable that the refractive index of the material of the film model and the refractive index of the material of the base material are substantially equal so that the dynamic behavior of the film model can be observed more accurately.
The entire membranous model need not be embedded in the substrate. That is, a part of the membranous model may be located in the gap (see FIG. 4). Further, a part of the membranous model may be in a solid substrate (having dissimilar physical properties to living tissue) or in a fluid.

ケーシングは基材を収容するものであり任意の形状をとることができる。膜状モデルの動的挙動を観察できるように全体若しくはその一部が透光性材料で形成される。かかるケーシングは透光性の合成樹脂(アクリル板等)やガラス板で形成することができる。
ケーシングには膜状モデルの腔所に連通する穴が空けられている。この穴からカテーテルを挿入することができる。
立体モデルは全体として透光性であることが好ましい。カテーテルの挿入状態を観察する点からいえば、少なくともその膜状モデルの内部が視認できればよい。
ケーシングと膜状モデルとの間には充分な距離を設ける。これにより、弾性を有する基材に充分なマージン(厚さ)が確保され、カテーテル挿入等により膜状モデルへ外力がかけられたときその外力に応じて膜状モデルは自由に変形できることとなる。なお、このマージンは立体モデルの対象、用途等に応じて任意に選択できるものであるが、例えば膜状モデルの膜厚の10倍〜100倍以上とすることが好ましい。
A casing accommodates a base material and can take arbitrary shapes. The whole or a part thereof is formed of a translucent material so that the dynamic behavior of the membranous model can be observed. Such a casing can be formed of a light-transmitting synthetic resin (such as an acrylic plate) or a glass plate.
The casing has a hole communicating with the cavity of the membranous model. A catheter can be inserted through this hole.
The three-dimensional model is preferably translucent as a whole. From the viewpoint of observing the insertion state of the catheter, it is sufficient that at least the inside of the membranous model can be visually recognized.
Provide a sufficient distance between the casing and the membranous model. As a result, a sufficient margin (thickness) is secured for the elastic base material, and when an external force is applied to the membranous model by insertion of a catheter or the like, the membranous model can be freely deformed according to the external force. This margin can be arbitrarily selected according to the object, application, etc. of the three-dimensional model, but is preferably set to 10 to 100 times or more the film thickness of the membranous model, for example.

体腔モデルを膜状モデルで被覆した状態の中子をケーシング中にセットし、該ケーシングへ基材材料を注入し、ゲル化する。
その後、体腔モデルを除去すると膜状モデルが基材中に残された状態となる。
体腔モデルの除去の方法は体腔モデルの造形材料に応じて適宜選択され、立体モデルの他の材料に影響の出ない限り、特に限定されない。
体腔モデルを除去する方法として、(a)加熱により溶融する加熱溶融法、(b)溶剤により溶解する溶剤溶解法、(c)加熱による溶融と溶剤による溶解とを併用するハイブリッド法等を採用することができる。これらの方法により体腔モデルを選択的に流動化し、立体モデルの外部へ溶出してこれを除去する。
The core in a state where the body cavity model is covered with the membranous model is set in the casing, and the base material is injected into the casing for gelation.
Thereafter, when the body cavity model is removed, the membranous model remains in the base material.
The method of removing the body cavity model is appropriately selected according to the modeling material of the body cavity model, and is not particularly limited as long as other materials of the three-dimensional model are not affected.
As a method for removing the body cavity model, (a) a heat melting method that melts by heating, (b) a solvent dissolution method that dissolves by a solvent, (c) a hybrid method that combines melting by heating and dissolution by a solvent, etc. are adopted. be able to. By these methods, the body cavity model is selectively fluidized and eluted out of the three-dimensional model to remove it.

体腔モデルの材料の成分の一部が膜状モデルの内部へと拡散し、膜状モデルに曇りが生じて、その視認性が低下するおそれがある。この曇りを除去するため、体腔モデルを除去した後に試料を再度加熱することが好ましい。この加熱は体腔モデル除去の途中で実行することもできる。  Some of the components of the material of the body cavity model may diffuse into the membranous model, causing the membranous model to become cloudy, and the visibility thereof may be reduced. In order to remove this fogging, it is preferable to reheat the sample after removing the body cavity model. This heating can also be performed during the removal of the body cavity model.

立体モデルは、また、次のようにして形成することもできる。
体腔モデルを中子としてゲル状の基材へ埋設し、当該体腔モデルを除去する。これにより、基材中に体腔を再現した腔所が形成される。その後、腔所の周壁へ膜状モデルの形成材料を付着させ重合若しくは加硫等により硬化する。膜状モデル形成材料を基材の腔所へ流すこと、若しくは基材を膜状モデル形成材料にディッピングすることにより、膜状モデル形成材料を基材の体腔周壁へ付着させることができる。
A three-dimensional model can also be formed as follows.
The body cavity model is embedded as a core in a gel-like base material, and the body cavity model is removed. Thereby, the cavity which reproduced the body cavity in the base material is formed. Thereafter, a film-form model forming material is attached to the peripheral wall of the cavity and cured by polymerization or vulcanization. By flowing the membranous model forming material into the cavity of the base material, or by dipping the base material into the membranous model forming material, the membranous model forming material can be attached to the peripheral wall of the body cavity of the base material.

また、当該腔所の周壁へ膜状モデル形成材料を付着する代わりに当該腔所の周壁を親水化処理することができる。これにより、立体モデルの腔所へ水若しくは水溶液を充填したとき周壁に水膜が形成され、カテーテルの挿入抵抗が緩和される。即ち、この水膜が膜状モデルに対応することとなる。
当該腔所の周壁を疎水化処理(親油化処理)した場合も同様に、腔所へ油を充填したとき周壁に油膜が形成され、カテーテルの挿入抵抗が緩和される。即ち、この油膜が膜状モデルに対応する。
Further, the peripheral wall of the cavity can be hydrophilized instead of attaching the membranous model forming material to the peripheral wall of the cavity. Thereby, when water or an aqueous solution is filled in the cavity of the three-dimensional model, a water film is formed on the peripheral wall, and the insertion resistance of the catheter is alleviated. That is, this water film corresponds to the membranous model.
Similarly, when the peripheral wall of the cavity is subjected to a hydrophobic treatment (lipophilic treatment), when the cavity is filled with oil, an oil film is formed on the peripheral wall and the insertion resistance of the catheter is reduced. That is, this oil film corresponds to a film model.

腔所の周壁は周知の方法で親水化若しくは疎水化される。例えば基材としてシリコーンゲルを採用した場合、界面活性剤等の極性基を有する膜を当該周壁に形成することによりその腔所の周壁を親水化することができる。同様に、オイルやワックス等の油性膜を腔所の周壁に形成することによりその腔所の周壁を疎水化することができる。  The peripheral wall of the cavity is made hydrophilic or hydrophobic by a known method. For example, when silicone gel is employed as the substrate, the peripheral wall of the cavity can be hydrophilized by forming a film having a polar group such as a surfactant on the peripheral wall. Similarly, the peripheral wall of the cavity can be hydrophobized by forming an oily film such as oil or wax on the peripheral wall of the cavity.

体腔モデルの基体をシリコーンゴム等の透光性ゲル材料で形成し、体腔部の周壁を当該ゲル材料より光弾性係数の高い材料で全体的に若しくは部分的に被覆することができる。光弾性係数の高い材料を基材内へ埋設することもできる。高い光弾性係数を有する材料により光弾性効果が強調されることとなる。なお、光弾性係数の高い材料としてエポキシ樹脂などを挙げることができる。エポキシ樹脂の薄膜はカテーテルの挿入によって容易に変形するので、これを用いることにより光弾性効果を明確に観察することができる。  The body cavity model base can be formed of a light-transmitting gel material such as silicone rubber, and the peripheral wall of the body cavity can be entirely or partially covered with a material having a photoelastic coefficient higher than that of the gel material. A material having a high photoelastic coefficient can also be embedded in the base material. The photoelastic effect is emphasized by the material having a high photoelastic coefficient. In addition, an epoxy resin etc. can be mentioned as a material with a high photoelastic coefficient. Since the epoxy resin thin film is easily deformed by insertion of the catheter, the photoelastic effect can be clearly observed by using this.

ケーシングは基材を収容するものであり任意の形状をとることができる。膜状モデルの動的挙動を観察できるように全体若しくはその一部が透光性材抖で形成される。かかるケーシングは透光性の合成樹脂(アクリル板等)やガラス板で形成することができる。
ケーシングには膜状モデルの腔所に連通する穴が空けられている。この穴からカテーテルを挿入することができる。
立体モデルは全体として透光性であることが好ましい。カテーテルの挿入状態を観察する点からいえば、少なくともその膜状モデルの内部が視認できればよい。
A casing accommodates a base material and can take arbitrary shapes. The whole or a part thereof is formed of a translucent material so that the dynamic behavior of the membranous model can be observed. Such a casing can be formed of a light-transmitting synthetic resin (such as an acrylic plate) or a glass plate.
The casing has a hole communicating with the cavity of the membranous model. A catheter can be inserted through this hole.
The three-dimensional model is preferably translucent as a whole. From the viewpoint of observing the insertion state of the catheter, it is sufficient that at least the inside of the membranous model can be visually recognized.

(透視撮像)
カテーテル血管内治療法などの手術法においては、手術領域をX線の照射などにより透視撮像することによって身体内をリアルタイムで撮像し、これによって、術野を観察しながらカテーテルや液体を体腔内に挿入して治療を行う。透視撮像では、骨や臓器や体腔などの3次元的な身体構造が、2次元のモノクロ画像(映像)としてオペレータに呈示されるため、術野領域の3次元形状や大きさを直接知るすることができない。
このような透視映像を確認しながら手術を行うことが、低侵襲手術のひとつであるカテーテル手術の大きな特徴である。すなわち、開腹手術や開頭手術のように身体を切り開く手術法とは異なり、患部領域を直接目視できない、また患部領域を直接触れることができないため、患者に対する侵襲は最小限に抑えられるが、手術を実施するオペレータにとっては、治療遂行する上で大きな困難が伴う。
したがって、本発明の構成要素である立体モデルの腔所内部にカテーテルや液体を挿入して手術シミュレーションを実施する場合に、目視によって直接的に立体モデルを観察したのでは、本手術に伴う極めて肝要な部分の再現を欠損しており、シミュレーション環境として不十分である。
(Fluoroscopic imaging)
In surgical procedures such as catheter endovascular treatment, the inside of the body is imaged in real time by fluoroscopically imaging the surgical region by X-ray irradiation, etc., thereby allowing catheters and fluids to enter the body cavity while observing the surgical field. Insert and treat. In fluoroscopic imaging, three-dimensional body structures such as bones, organs, and body cavities are presented to the operator as two-dimensional monochrome images (video), so the three-dimensional shape and size of the operative field area can be directly known. I can't.
Performing surgery while confirming such a fluoroscopic image is a major feature of catheter surgery, which is one of minimally invasive surgery. In other words, unlike surgical procedures that open the body, such as laparotomy or craniotomy, the affected area cannot be seen directly, and the affected area cannot be touched directly. For the practicing operator, great difficulty is involved in performing the treatment.
Therefore, when a surgical simulation is performed by inserting a catheter or liquid into the cavity of a three-dimensional model that is a component of the present invention, the three-dimensional model is directly observed visually, which is extremely important for the main operation. The reproduction of this part is lacking, and it is insufficient as a simulation environment.

本発明の立体モデルは透光性材料で構成される(支持構造やその他附帯構造を除く)。従って、該立体モデルの構成材料と同一の屈折率を備えた透光性液体を用意し、該透光性液体にこの立体モデルを浸漬することによって、該立体モデルの周囲形状ならびに腔所形状を実質的に見えなくすることができる。そして、この状態の像を撮像装置により撮像して、ディスプレイ等の表示装置に投影することによって、手術時の透視映像に近い像を得ることができる。
係る透光性液体としては、水とグリセリンの混合液体や、αモノブロムナフタリンと流動パラフィンの混合液体などを利用できる。
The three-dimensional model of the present invention is made of a translucent material (excluding support structures and other incidental structures). Therefore, by preparing a translucent liquid having the same refractive index as the constituent material of the three-dimensional model and immersing the three-dimensional model in the translucent liquid, the surrounding shape and cavity shape of the three-dimensional model can be changed. Can be substantially invisible. An image in this state is picked up by an image pickup device and projected on a display device such as a display, whereby an image close to a fluoroscopic image at the time of surgery can be obtained.
As such a translucent liquid, a mixed liquid of water and glycerin, a mixed liquid of α-monobromonaphthalene and liquid paraffin, or the like can be used.

ここで、実際の身体では、体腔内部に存在する体液(血液など)のX線透過率と、体腔の周囲に存在する組織のX線透過率が近接する場合が多いため、単にX線撮像を行ったのみでは、体腔領域の形状を撮像(可視化)することはできない。また反対に、このようなX線透視映像には、体腔領域以外の非関心領域、例えば骨や臓器などが多数撮像(可視化)されている。
このように、単純に透視撮像を行ったのみでは、関心領域である体腔領域が撮像されず、非関心領域ばかりが撮像された像、すなわち手術を実行する上で大変見にくい像しか得られない。この問題を解消するために、カテーテル手術では、体腔領域を選択的かつ明瞭に撮像するためのテクニック、一例として、差分撮像法(DSA法)やロードマップ法が存在する。
従って、本発明の立体モデルを利用して、これらの撮影テクニックにより得られる透視手術映像を再現することで、立体モデルを目視により観察する場合と比較して、リアリティの高い手術シミュレーション環境を構築することができる。
以下、これらの撮影テクニックを再現するための本発明の内容について詳述する。
Here, in the actual body, the X-ray transmittance of body fluid (blood, etc.) existing inside the body cavity is often close to the X-ray transmittance of the tissue existing around the body cavity. It is not possible to image (visualize) the shape of the body cavity region only by performing it. On the other hand, in such an X-ray fluoroscopic image, a large number of non-interest regions other than the body cavity region, such as bones and organs, are imaged (visualized).
In this way, simply performing fluoroscopic imaging does not capture the body cavity region, which is the region of interest, and only an image in which only the non-interest region is imaged, that is, an image that is very difficult to see when performing surgery is obtained. In order to solve this problem, in catheter surgery, there are techniques for selectively and clearly imaging a body cavity region, for example, a differential imaging method (DSA method) and a road map method.
Therefore, by constructing a highly realistic surgical simulation environment compared to the case of visually observing a stereoscopic model by reproducing a fluoroscopic surgical image obtained by these imaging techniques using the stereoscopic model of the present invention. be able to.
Hereinafter, the contents of the present invention for reproducing these photographing techniques will be described in detail.

上記の差分撮像法(DSA法)は、カテーテルや造影剤(体腔領域を可視化するための薬剤)を体腔内に挿入する前後でそれぞれ透視撮像を実施して2つの透視画像を取得し、その後、各透視画像について差分演算(引き算演算)を実行することによって、これら2つの透視画像間で変化が合った部分、すなわちカテーテルが挿入された部分や腔所の造影が行われた部分を選択的に可視化し、画像化する方法である。これによって、骨や周辺臓器などの非関心領域を画像中から排除し、関心領域であるカテーテルや体腔領域を選択的に可視化した、手術に集中するのに好適な画像を生成することができる。  The difference imaging method (DSA method) described above performs two fluoroscopic imaging before and after inserting a catheter or a contrast medium (a drug for visualizing a body cavity region) into the body cavity to obtain two fluoroscopic images, By performing a difference operation (subtraction operation) on each fluoroscopic image, a portion where the change between the two fluoroscopic images is matched, that is, a portion where the catheter is inserted or a portion where the contrast of the cavity is contrasted is selectively performed. It is a method of visualizing and imaging. As a result, non-interest regions such as bones and surrounding organs can be excluded from the image, and a catheter and body cavity region, which are regions of interest, can be selectively visualized and an image suitable for focusing on surgery can be generated.

本発明では、以下の方法により、この差分撮像法を再現する。
すなわち、立体モデル1001の周囲の全てあるいは一部と、該立体モデルの腔所領域XXを、該立体モデルと同一の(あるいはそれに近接する)屈折率を備えた透光性液体で満たすことによって、該立体モデルの周囲形状と腔所領域の形状を実質的に見えないようにした後、この状態の像を撮像装置により取得して、第1の透視画像を得る。
次に、該立体モデルの内部にカテーテルや染料を挿入し、上記撮像装置によって、第一の透視画像と同じ視点から再度撮像を行って第2の透視画像を得る。
最後に、得られた上記第1の画像と上記第2の画像について差分演算処理を実施することで、2つの画像間で変化があった領域、すなわちカテーテルや染料が挿入された領域だけを選択的に可視化して、他領域を除去でき、実際の手術時と同様な差分像を得ることができる。
その後、カテーテル挿入シミュレーションの進行とともに、上記第2の像を更新して、上記第1の画像との差分演算処理をリアルタイムで実行することで、関心領域、すなわちカテーテルや染料による可視化領域だけが選択的に可視化された映像(画像ではなく映像)を得ることができる。このような映像は、実際の手術中に得られる差分映像(DSA像)を良好に再現する。
In the present invention, this differential imaging method is reproduced by the following method.
That is, by filling all or part of the periphery of the three-dimensional model 1001 and the cavity region XX of the three-dimensional model with a light-transmitting liquid having the same refractive index as (or close to) the three-dimensional model, After making the surrounding shape of the three-dimensional model and the shape of the cavity region substantially invisible, an image in this state is acquired by the imaging device to obtain a first fluoroscopic image.
Next, a catheter or dye is inserted into the three-dimensional model, and the second fluoroscopic image is obtained by imaging again from the same viewpoint as the first fluoroscopic image by the imaging device.
Finally, by performing the difference calculation process on the first image and the second image obtained, only the region that has changed between the two images, that is, the region where the catheter or dye is inserted is selected. Visualization can be performed to remove other regions, and a difference image similar to that at the time of actual surgery can be obtained.
After that, as the catheter insertion simulation progresses, the second image is updated and the difference calculation process with the first image is executed in real time, so that only the region of interest, that is, the visualization region using the catheter or dye is selected. Visually visualized video (video instead of image) can be obtained. Such a video reproduces well the difference video (DSA image) obtained during actual surgery.

一方、ロードマップ法は、造影剤の注入によって体腔領域の形状を瞬間的に可視化し、得られた画像を、その後の手術映像にオーバーレイ表示することによって、体腔領域の位置や形状を確認しながら、カテーテル操作を行うためのテクニックである。ここで、造影剤を瞬間的にのみ注入するのは、造影剤の副作用に起因している。すなわち、術中に常時造影剤を投与することができない制約に基づいている。  On the other hand, the roadmap method instantly visualizes the shape of the body cavity region by injecting contrast medium, and displays the obtained image as an overlay on the subsequent surgical image, while confirming the position and shape of the body cavity region. This is a technique for performing catheter manipulation. Here, the fact that the contrast medium is injected only instantaneously is due to the side effect of the contrast medium. That is, it is based on the restriction that the contrast medium cannot be administered constantly during the operation.

本発明では、以下の方法によって、このロードマップ法を再現する。
すなわち、先の差分法と同様に、立体モデル1002の周囲の全てあるいは一部と、該立体モデルの腔所領域を、該立体モデルと同一の(あるいはそれに近接する)屈折率を備えた透光性液体で満たすことによって、該立体モデルの周囲形状と腔所領域の形状を実質的に見えないようにした後、この状態の像を撮像装置により取得して、第1の透視画像を得る。
次に、造影剤に見立てた染料を立体モデル1001の腔所領域に注入した後に、第1の透視画像と同じ視点から上記撮像装置により撮像を行って、第2の透視画像を得る。
そして、このようにして得た第1の画像と第2の画像間で差分演算処理を実施することにより、画像間で変化があった領域、すなわち、染料が注入された腔所領域XXを選択的に可視化した第3の像を生成する。この第3の像をモノクロ階調化し、場合によっては階調の反転処理を実施することによってロードマップ像を生成する。
このロードマップ像を、撮像装置によって得られるその後の撮影像(手術映像)にオーバーレイ表示することによって、実際の手術時と同様なロードマップ映像を得る。
尚、より厳密にロードマップ法を再現するためには、上記の方法によってロードマップ画像を得た後に、[0055]にて詳述した差分処理を実施することで、カテーテルだけが選択的に可視化された差分映像を生成し、当該映像に上記のロードマップ画像をオーバーレイ表示する。これによって、より現実に即した手術映像(ロードマップ映像)を得ることができる。
In the present invention, this road map method is reproduced by the following method.
That is, as in the previous difference method, all or part of the periphery of the three-dimensional model 1002 and the cavity region of the three-dimensional model are transmitted with the same (or close) refractive index as the three-dimensional model. By filling with a liquid, the surrounding shape of the three-dimensional model and the shape of the cavity region are substantially invisible, and then an image in this state is acquired by the imaging device to obtain a first fluoroscopic image.
Next, after injecting a dye resembling a contrast medium into the cavity region of the three-dimensional model 1001, the image is taken from the same viewpoint as the first fluoroscopic image to obtain a second fluoroscopic image.
Then, by performing a difference calculation process between the first image and the second image obtained in this way, a region that has changed between the images, that is, a cavity region XX into which the dye has been injected is selected. A visually visualized third image is generated. This third image is converted into a monochrome gradation, and a road map image is generated by performing gradation inversion processing in some cases.
By displaying this road map image on a subsequent photographed image (surgical image) obtained by the imaging device, a road map image similar to that during actual surgery is obtained.
In order to reproduce the road map method more precisely, after obtaining the road map image by the above method, only the catheter is selectively visualized by performing the differential processing detailed in [0055]. The generated difference video is generated, and the road map image is overlaid on the video. As a result, a more realistic surgical image (road map image) can be obtained.

(光弾性効果)
光弾性効果とは、透光性材料において内部応力が生じると、一時的に複屈折性をおび、最大主応力と最小主応力の方向で屈折率が異なるため、入射光が2つの平面偏光に分かれて進むことをいう。当該2つの波の位相差により干渉縞が生じ、この干渉縞を観察することにより透光材材料の内部応力の状態を知ることができる。
この光弾性効果を生じさせるには、図1に示すように、光源からの光を第1の偏光板(偏光フィルタ)に通して偏光させ、立体モデルにこの直線偏光を通す。立体モデルにおいて内部応力が生じていると内部応力に強さに応じて複屈折が生じ、最大主応力(acosφsinωt)と最小主応力(acosφsin(ωt−A))が生成する。これらの光は速度が異なるため位相差を生じ、第2の偏光板(偏光フィルタ)を通して観察すると、干渉縞が現れる。なお、この第2の偏光板の偏光方向は第1の偏光板の変更方向と実質的に直交している。
一対の偏光板に間に立体モデルを介在させ、立体モデルを透過する光に生じる光弾性効果を観察する方法として、直交ニコル法、平行ニコル法、鋭敏色法等が知られている。また、偏光板と立体モデルとの間に一対の1/4波長板(1/4波長フィルタ)を介在させることにより光弾性効果を検出する方法として、円偏光法やセナルモン法等が知られている。
(Photoelastic effect)
The photoelastic effect means that when an internal stress occurs in a translucent material, it temporarily has birefringence, and the refractive index differs in the direction of the maximum principal stress and the minimum principal stress. It means to proceed in a divided manner. An interference fringe is generated by the phase difference between the two waves, and the state of the internal stress of the translucent material can be known by observing the interference fringe.
In order to generate this photoelastic effect, as shown in FIG. 1, light from a light source is polarized through a first polarizing plate (polarizing filter), and this linearly polarized light is passed through a three-dimensional model. If an internal stress is generated in the three-dimensional model, birefringence occurs according to the strength of the internal stress, and a maximum main stress (acosφsinωt) and a minimum main stress (acosφsin (ωt−A)) are generated. Since these lights have different speeds, a phase difference is generated, and interference fringes appear when observed through the second polarizing plate (polarizing filter). The polarization direction of the second polarizing plate is substantially perpendicular to the changing direction of the first polarizing plate.
As a method for observing the photoelastic effect generated in light transmitted through the three-dimensional model by interposing a three-dimensional model between a pair of polarizing plates, an orthogonal Nicol method, a parallel Nicol method, a sensitive color method, and the like are known. Further, as a method for detecting the photoelastic effect by interposing a pair of quarter-wave plates (quarter-wave filters) between the polarizing plate and the three-dimensional model, a circular polarization method, a senalmon method, and the like are known. Yes.

このように、光弾性効果を用いることのより、立体モデルの腔所へカテーテルを挿入したときの腔所の周囲領域の応力変化を観察することが可能となる。しかしながら、カテーテル自体は何ら光弾性効果を生じさせないので、周囲領域の応力変化にともなう光弾性効果とともにその位置及び状態を観察することができなかった。
そこでこの発明では、光源側の第1の偏光フィルタと観察者側の第2の変更フィルタとの中へ位相シフトフィルタを介在させることにより、カテーテル自体の位置及び状態を観察可能とした。即ち、位相シフトフィルタを存在させることにより、第1の偏光フィルタを透過した光の一部が第2の偏光フィルタを透過し、バックグランド光を構成する。ここに、立体モデル中にカテーテルが存在すると、それが影となって現れてその位置、状態及び動作が観察される。即ち、カテーテルとカテーテルにより生じた光弾性効果を同時に観察可能となる。
In this way, by using the photoelastic effect, it is possible to observe a change in stress in a region around the cavity when the catheter is inserted into the cavity of the three-dimensional model. However, since the catheter itself does not produce any photoelastic effect, its position and state cannot be observed together with the photoelastic effect accompanying the stress change in the surrounding region.
Therefore, in the present invention, the position and state of the catheter itself can be observed by interposing a phase shift filter in the first polarizing filter on the light source side and the second change filter on the observer side. In other words, by the presence of the phase shift filter, a part of the light transmitted through the first polarizing filter is transmitted through the second polarizing filter and constitutes background light. Here, when a catheter exists in the three-dimensional model, it appears as a shadow, and its position, state and operation are observed. That is, it becomes possible to simultaneously observe the catheter and the photoelastic effect generated by the catheter.

位相シフトフィルタとしては、第1の偏光フィルタを透過した光を1波長若しくは2波長シフトさせるものを用いることができる。光弾性効果の感度が向上するからである。
この発明では、観察者側の第2の偏光フィルタからバックグランド光を取り出すことができれば、複数枚の波長シフトフィルタを用いてもよい。なお、円偏光法やセナルモン法等においては1/4波長板が用いられているが、これらの方法においてはバックグランド光を第2の変更フィルタから取り出すことができないので、カテーテルの観察は不可能である。
As the phase shift filter, a filter that shifts the light transmitted through the first polarizing filter by one wavelength or two wavelengths can be used. This is because the sensitivity of the photoelastic effect is improved.
In the present invention, a plurality of wavelength shift filters may be used as long as background light can be extracted from the second polarizing filter on the viewer side. Note that a quarter wave plate is used in the circular polarization method, the senalmon method, etc., but since the background light cannot be extracted from the second change filter in these methods, the observation of the catheter is impossible. It is.

以上の方法により観察される光弾性効果を、[0054]以降で詳述した方法により得られる擬似的な透視再現映像上にオーバーレイ表示することによって、実際の手術に即した透視映像に、さらにカテーテル挿入時の立体モデル周囲の応力情報を付与することができる。これによって、現実に即した透視映像を確認しながらカテーテル挿入シミュレーションを行いつつ、かつそのシミュレーション過程を応力面からも評価できる効果的な手術シミュレーション環境を構築できる。
手術時に体腔の周囲壁面にかかる応力が一定値を越えた場合に組織も損傷を生じる。本発明によれば、オペレータは、立体モデルにかかっている応力の強さを確認しながら、手術シミュレーションをリアルタイムでかつ直感的に把握できるため、術中の危険を効果的に学習することなどが可能となる。
The photoelastic effect observed by the above method is overlaid and displayed on a pseudo fluoroscopic reproduction image obtained by the method described in detail in [0054] and thereafter, so that a fluoroscopic image in accordance with an actual operation is further added to the catheter. Stress information around the three-dimensional model at the time of insertion can be given. As a result, it is possible to construct an effective surgical simulation environment in which a catheter insertion simulation is performed while confirming a realistic fluoroscopic image and the simulation process can be evaluated from the stress side.
When the stress applied to the peripheral wall of the body cavity exceeds a certain value during the operation, the tissue is damaged. According to the present invention, the operator can intuitively grasp the surgical simulation in real time while confirming the strength of the stress applied to the three-dimensional model, so that it is possible to effectively learn the intraoperative risk. It becomes.

(第1実施例)
立体モデル化の対象とする脳血管及び患部である脳動脈の形状に関する三次元データを得るため、撮像領域の血管内部へ造影剤を投与しながら、患者の頭部に対して、0.35×0.35×0.5mmの空間分解能を持つヘリカルスキャン方式のX線CT装置により撮像を行った。撮像により得られた三次元データは、3次元CADソフトへの受け渡しのため、体軸方向に等間隔に配列された500枚の512×512の解像度をもつ256階調の二次元画像(断層撮像データ)に再構成した後、各二次元画像に対応する画像データを撮像方向に一致する順序で前記X線CT装置に内蔵されたドライブにより5.25インチ光磁気ディスクへ保存した。
(First embodiment)
In order to obtain three-dimensional data related to the shape of the cerebral blood vessel to be a three-dimensional model and the cerebral artery that is the affected part, 0.35 × Imaging was performed with a helical scan X-ray CT apparatus having a spatial resolution of 0.35 × 0.5 mm. Three-dimensional data obtained by imaging is transferred to three-dimensional CAD software, so that two-dimensional images of 256 gradations having a resolution of 512 × 512 are arranged at equal intervals in the body axis direction (tomographic imaging). Then, the image data corresponding to each two-dimensional image was stored in a 5.25 inch magneto-optical disk by a drive built in the X-ray CT apparatus in the order corresponding to the imaging direction.

次に、パーソナルコンピュータに外部接続した5.25インチ光磁気ドライブによって、前記画像データをコンピュータ内部の記憶装置へ取り込み、この画像データから、市販の三次元CADソフトを利用して、積層造形に必要とされるSTL形式(三次元曲面を三角形パッチの集合体として表現する形式)の三次元形状データを生成した。この変換では、入力された二次元画像を撮像間隔に基づいて積層することによって、濃度値をスカラー量とする三次元のスカラー場を構築し、そのスカラー場上に血管内表面を与える特定の濃度値を指定することによって、アイソサーフェス(特定スカラー値の境界面)として血管内腔の三次元形状データを構築した後、構築されたアイソサーフェスに対して三角形ポリゴン近似のレンダリングが行われる。
なお、この段階で、三次元形状データに付加データを加え、体腔モデル22(図2参照)の端部からガイド部13を膨出させた(図3参照)。このガイド部13は中空柱状の部材である。中空部31を備えることにより、積層造形時間の短縮を図っている。このガイド部13の先端は拡径されており、この部分が立体モデル表面に表出して、大径な開口部15(図1参照)を形成することとなる。
Next, the 5.25 inch magneto-optical drive externally connected to the personal computer is used to capture the image data into a storage device inside the computer, and from this image data, it is necessary for additive manufacturing using commercially available 3D CAD software. 3D shape data in the STL format (a format in which a 3D curved surface is expressed as an aggregate of triangular patches) is generated. In this conversion, the input two-dimensional image is layered based on the imaging interval to construct a three-dimensional scalar field with the density value as a scalar quantity, and a specific density that gives the blood vessel surface on the scalar field By specifying a value, after constructing the three-dimensional shape data of the blood vessel lumen as an isosurface (boundary surface of a specific scalar value), rendering of the triangular polygon approximation is performed on the constructed isosurface.
At this stage, additional data is added to the three-dimensional shape data, and the guide portion 13 is bulged from the end of the body cavity model 22 (see FIG. 2) (see FIG. 3). The guide portion 13 is a hollow columnar member. By providing the hollow portion 31, the layered modeling time is shortened. The distal end of the guide portion 13 has an enlarged diameter, and this portion is exposed on the surface of the three-dimensional model to form a large-diameter opening 15 (see FIG. 1).

生成したSTL形式の三次元形状データを、次に溶融樹脂噴出方式の積層造形システムへと転送し、造形システム内でのモデルの配置や積層方向、積層厚さを決定すると同時にモデルに対してサポートを付加した。
このようにして生成された積層造形用のデータをコンピュータ上で所定の積層造形厚さ(13μm)にスライスして多数のスライスデータを生成した。そして、このようにして得られた各スライスデータに基づいて、p−トルエンスルホンアミドとp−エチルベンゼンスルホンアミドを主成分とした造形材料(融点:約100度、アセトンに容易に溶解)を加熱により溶融して噴出することにより、各スライスデータに一致する形状を有する指定厚さの樹脂硬化層を一面ずつ積層形成することよって積層造形を行った。最終層の形成の後にサポートを除去することによって、脳血管内腔領域の積層造形モデル(体腔モデル22)を作成した。
更に、この体腔モデル22の表面を処理して円滑にする。
The generated three-dimensional shape data in STL format is then transferred to a molten resin injection type additive manufacturing system to determine the model placement, stacking direction, and stacking thickness in the modeling system, and support the model at the same time. Was added.
A lot of slice data was generated by slicing the layered modeling data generated in this way to a predetermined layered modeling thickness (13 μm) on a computer. And based on each slice data obtained in this way, a modeling material (melting point: about 100 degrees, easily dissolved in acetone) mainly composed of p-toluenesulfonamide and p-ethylbenzenesulfonamide is heated. Laminated modeling was performed by laminating and forming one layer of a cured resin layer with a specified thickness having a shape that matches each slice data by being melted and ejected. By removing the support after the final layer was formed, a layered modeling model (body cavity model 22) of the cerebral vascular lumen region was created.
Further, the surface of the body cavity model 22 is processed to be smooth.

この体腔モデル12の全表面へシリコーンゴム層12をほぼ1mmの厚さに形成した(図1参照)。このシリコーンゴム層12は、体腔モデル22をシリコーンゴム槽へディッピングし取出した体腔モデルを回転させながら乾燥させることにより得られる。このシリコーンゴム層が膜状モデルとなる。
この実施例では、体腔モデル22の全表面をシリコーンゴム層12で被覆したが、体腔モデル22の所望の部分を部分的にシリコーンゴム層12で被覆することも可能である。
A silicone rubber layer 12 was formed to a thickness of approximately 1 mm on the entire surface of the body cavity model 12 (see FIG. 1). This silicone rubber layer 12 is obtained by dipping the body cavity model 22 into a silicone rubber tank and drying it while rotating the body cavity model. This silicone rubber layer becomes a membranous model.
In this embodiment, the entire surface of the body cavity model 22 is covered with the silicone rubber layer 12, but a desired part of the body cavity model 22 may be partially covered with the silicone rubber layer 12.

体腔モデルをシリコーンゴム層からなる膜状モデルで被覆してなる中子を直方体のケーシングにセットする。このケーシングは透光性なアクリル板からなる。ケーシング内に基材の材料を注入して、これをゲル化する。
基材の材料として、2液混合型のシリコーンゲルを用いた。このシリコーンゲルは透光性かつ弾性を有しており、かつ血管周囲の軟組織に極めて近い物理特性を有している。縮合重合型のシリコーンゲルを用いることもできる。このように基材は、透光性、弾性を備えるとともに、膜状モデルに対する密着性を備えるものとする。
A core formed by coating the body cavity model with a film model made of a silicone rubber layer is set in a rectangular parallelepiped casing. This casing is made of a translucent acrylic plate. The base material is injected into the casing and gelled.
A two-component mixed silicone gel was used as a material for the substrate. This silicone gel has translucency and elasticity, and has physical properties very close to the soft tissue around the blood vessel. A condensation polymerization type silicone gel can also be used. Thus, a base material shall be provided with translucency and elasticity, and the adhesiveness with respect to a membranous model.

基材22の材料の物理特性は、膜状モデルの対象である血管等の周囲の組織の物理特性に適合するように、調整される。
なお、この実施例では針入度、流動性、粘着性、応力緩和性などを指標にして、最終的にはオペレータの手触り(カテーテルの挿入感覚)によりその物理特性を生体組織に近づけるようにしている。
シリコーンゲルの場合、そのポリマーの骨格を調製することはもとより、シリコーンオイルを配合することにより当該物理特性を調整することができる。
The physical properties of the material of the base material 22 are adjusted so as to match the physical properties of surrounding tissues such as blood vessels that are the targets of the membranous model.
In this embodiment, the penetration, fluidity, adhesiveness, stress relaxation, etc. are used as indicators, and finally the physical properties are brought closer to the living tissue by the operator's hand (catheter insertion feeling). Yes.
In the case of silicone gel, the physical properties can be adjusted by blending silicone oil as well as preparing the polymer skeleton.

シリコーンゲルの外に、グリセリンゲルを用いることもできる。このグリセリンゲルは次のようにして得られる。即ち、ゼラチンを水に浸漬して、これにグリセリンと石炭酸を加え、加熱溶解する。温度が高い間に濾過し、中子に影響の出ない温度になったらケーシング内に注入し、放冷する。  In addition to silicone gel, glycerin gel can also be used. This glycerin gel is obtained as follows. That is, gelatin is immersed in water, glycerin and carboxylic acid are added thereto, and the mixture is dissolved by heating. Filtration while the temperature is high, and when it reaches a temperature that does not affect the core, it is poured into the casing and allowed to cool.

その後、中子11内の体腔モデルを除去する。除去の方法としてハイブリット法を採用した。即ち、試料を加熱して開口部から体腔モデルの材料を外部へ流出させ、更に、空洞部へアセトンを注入して体腔モデルの材料を溶解除去する。
その後、試料を120℃に設定された恒温層内で約1時間加熱して、膜状モデル(シリコーンゴム層15)の曇りをとった。
Thereafter, the body cavity model in the core 11 is removed. A hybrid method was adopted as a removal method. That is, the sample is heated to flow the body cavity model material out of the opening, and acetone is injected into the cavity to dissolve and remove the body cavity model material.
Thereafter, the sample was heated in a constant temperature layer set at 120 ° C. for about 1 hour to remove the cloudiness of the membranous model (silicone rubber layer 15).

このようにして得られた立体モデルは、図5に示すように、シリコーンゲルからなる基材22中に膜状モデル15が埋設された構成となる。シリコーンゲルが生体組織に近い物理特性を有するので、膜状モデルは血管と同等の動的挙動を示こととなる。  As shown in FIG. 5, the three-dimensional model obtained in this way has a configuration in which the membranous model 15 is embedded in a base material 22 made of silicone gel. Since the silicone gel has physical properties close to those of living tissue, the membranous model will exhibit dynamic behavior equivalent to that of blood vessels.

他の実施形態の立体モデルとして、上記立体モデルから膜状モデルを省略したものを挙げることができる。  As a three-dimensional model according to another embodiment, one obtained by omitting the membranous model from the three-dimensional model can be given.

図6はこの発明の実施例のカテーテル手術シミュレータ1000の構成を示す。
この実施例のカテーテル手術シミュレータ1001は、容器1003、本発明の立体モデル1002と近い屈折率を備えた透光性液体1001、撮像装置1004から大略構成される。
透光性液体1001には、グリセリンと水の混合液体を利用することができる。その他、αモノブロムナフタリンと流動パラフィンの混合液体などを利用することもできる。いずれの場合でも、各液体の混合比率を、結果として得られる混合液体の屈折率が立体モデルに近似するように調整する必要がある。
前記容器1003の内部あるいは一部を透光性液体1001で満たし、さらに該透光性液体1001中に、立体モデル1002の周囲領域の一部あるいは全てを浸すことによって、該立体モデルの周囲形状を実質的に見えないようにすることができる。この状態にある前記立体モデルを、撮像装置1004により撮像することによって、実際の手術中に利用される透視映像に近い像を得ることができる。
FIG. 6 shows the configuration of a catheter surgery simulator 1000 according to an embodiment of the present invention.
The catheter surgery simulator 1001 of this embodiment is generally composed of a container 1003, a translucent liquid 1001 having a refractive index close to that of the three-dimensional model 1002 of the present invention, and an imaging device 1004.
As the translucent liquid 1001, a mixed liquid of glycerin and water can be used. In addition, a mixed liquid of α-monobromonaphthalene and liquid paraffin can be used. In any case, it is necessary to adjust the mixing ratio of each liquid so that the refractive index of the resulting mixed liquid approximates the three-dimensional model.
The inside or part of the container 1003 is filled with a light-transmitting liquid 1001, and further, a part or all of the surrounding area of the three-dimensional model 1002 is immersed in the light-transmitting liquid 1001, so that the surrounding shape of the three-dimensional model is changed. It can be made substantially invisible. By capturing the three-dimensional model in this state with the imaging device 1004, an image close to a fluoroscopic image used during actual surgery can be obtained.

この実施例では、容器1003の外部に撮像装置1004を配置したが、撮像装置1004のレンズ部分が容器1003の内部に含まれるように配置することも可能である。容器1003の表面において光が乱反射するので、このように配置することによって、透視映像の質を高めることができる場合があるからである。
さらに、撮像装置のレンズ部分に防水処理を施して、同レンズ部分を、容器1003の内部の透光性液体1001に浸るように配置することも可能である。容器1003の表面や立体モデル1002の表面で光が乱反射するので、このように配置することによって、透視映像の質をさらに高めることができる場合があるからである。
In this embodiment, the imaging device 1004 is arranged outside the container 1003. However, it is also possible to arrange the imaging device 1004 so that the lens portion of the imaging device 1004 is included inside the container 1003. This is because light is irregularly reflected on the surface of the container 1003, and thus the arrangement may improve the quality of the fluoroscopic image.
Further, the lens portion of the imaging device can be waterproofed and the lens portion can be disposed so as to be immersed in the translucent liquid 1001 inside the container 1003. This is because the light is irregularly reflected on the surface of the container 1003 or the surface of the three-dimensional model 1002, and thus the arrangement may improve the quality of the fluoroscopic image.

受光部1008は、CCD等からなる撮像装置1004と当該撮像装置1004で撮像した疑似的な透視画像を処理する画像合成装置1005、ならびに画像合成部1005の合成結果を出力するディスプレイ1006およびプリンタ1007を備えてなる。
画像合成装置1005では、手術シミュレーションの進行に応じて以下記載の3種類の処理を実施した(図X参照)。これらの各処理によれば、手術時の透視映像を良好に再現でき、この再現映像を確認しながらカテーテル手術シミュレーションを行うことで、立体モデル1002を目視により直接観察する場合と比較して、大変リアルな手術シミュレーションが可能であった
The light receiving unit 1008 includes an imaging device 1004 composed of a CCD or the like, an image synthesis device 1005 that processes a pseudo-perspective image captured by the imaging device 1004, and a display 1006 and a printer 1007 that output a synthesis result of the image synthesis unit 1005. Prepare.
In the image synthesizing apparatus 1005, the following three types of processing were performed according to the progress of the surgical simulation (see FIG. X). According to each of these processes, a fluoroscopic image at the time of surgery can be reproduced satisfactorily, and by performing a catheter surgery simulation while confirming this reproduced image, compared with the case of directly observing the three-dimensional model 1002 visually, Realistic surgical simulation was possible

第1番目の処理は、手術中に得られる通常状態の透視像を再現するための処理である。
この処理では、立体モデル1002の周囲の全てあるいは一部を、透光性液体1001で浸した状態の画像を取り込み(ステップ1−1)、モノクロ階調化を行った(ステップ1−2)。ここで、モノクロ階調化には、白と黒とその中間色の組み合わせ用いたが、他に、赤と青とその中間色の組み合わせなど他の色彩を使用することもできるし、モノクロ階調像に他の色彩や文字などを含ませるなどして、画像中の特定領域を強調表示してもよい。但し、いずれの場合でも、実際の透視映像が色調を再現することが好ましい。
The first process is a process for reproducing a fluoroscopic image in a normal state obtained during surgery.
In this processing, an image in which all or a part of the periphery of the three-dimensional model 1002 is immersed in the translucent liquid 1001 is captured (step 1-1), and monochrome gradation is performed (step 1-2). In this case, a combination of white and black and their intermediate colors was used for monochrome gradation, but other colors such as a combination of red and blue and their intermediate colors can also be used. A specific area in the image may be highlighted by including other colors or characters. However, in any case, it is preferable that the actual fluoroscopic image reproduces the color tone.

第2番目の処理は、実際の手術で利用される差分像(非関心領域を画像処理によって消失させた像)を再現するための処理である。 この処理では、立体モデル1002の周囲の全てあるいは一部を、透光性液体1001で浸した状態の画像をバックグランド画像として取り込み(ステップ2−1)、カテーテルや液体を挿入した後、再び同じ視点から画像を取り込む(ステップ2−2)。そして、これら各画像間で差分演算(引き算演算)を実施することによって、これら画像間で変化があった領域のみを選択的に可視化し、他の領域を画像中から除去する(ステップ2−3)。最後にモノクロ階調化を行う(ステップ2−4)ことによって、手術時と同様な差分画像を構築した。そして、ステップ2−2からステップ2−4を連続的に撮像し、得られた各像と、ステップ2−1で得られたバックグランド画像とをリアルタイムに差分処理することによって、手術時と同様な差分透視映像を得た。
以下、上記第2の方法の具体的な使用例を説明する。一例として、立体モデルの内部にカテーテルを挿入する事前に前記のバックグラウンド画像を得ておいて、カテーテルを挿入した後に、残りの処理(ステップ2−2からステップ2−4)を反復して連続実行することで、カテーテルだけを選択的に可視化した差分透視映像を得た。これにより、カテーテルの操作に集中して手術シミュレーションを行うことが可能であった。
他の例としては、内腔部分を透光性液体1001で満たすことで、該内腔部分が実質的に見えない状態の画像をバックグラウンド画像として得ておいて、染料を該内腔部分に注入した後に、残りの処理(ステップ2−2からステップ2−4)を実行することで、内腔部分だけを選択的に可視化した透視像を得た。これによって、手術時と同様なDSA(Digital Subtraction Angiography)像を再現した。
なお、ここでは最後にモノクロ階調化処理を行ったが、ステップ2−1とステップ2−2で得られたそれぞれの画像についてモノクロ階調化処理を行った後に、ステップ2−3を実施することもできる。
また、カテーテル手術シミュレーションの途中で撮像装置の視点を移動した場合には、ステップ2−1から処理を再実行実施して、差分映像を再構築した。
The second process is a process for reproducing a differential image (an image in which a non-interesting area is lost by image processing) used in actual surgery. In this processing, an image in which all or a part of the periphery of the three-dimensional model 1002 is immersed in the translucent liquid 1001 is captured as a background image (step 2-1), and after inserting a catheter or liquid, the same is performed again. An image is captured from the viewpoint (step 2-2). Then, by performing a difference operation (subtraction operation) between these images, only the region that has changed between these images is selectively visualized, and the other regions are removed from the image (step 2-3). ). Finally, by performing monochrome gradation (step 2-4), a difference image similar to that at the time of surgery was constructed. Then, Step 2-2 to Step 2-4 are continuously imaged, and each obtained image and the background image obtained in Step 2-1 are subjected to differential processing in real time, thereby being the same as during surgery. A differential perspective image was obtained.
Hereinafter, a specific use example of the second method will be described. As an example, the above-mentioned background image is obtained in advance before inserting the catheter into the interior of the three-dimensional model, and after the catheter is inserted, the remaining processing (step 2-2 to step 2-4) is repeated continuously. As a result, a differential fluoroscopic image in which only the catheter was selectively visualized was obtained. Thereby, it was possible to concentrate on the operation of the catheter and perform a surgical simulation.
As another example, by filling the lumen part with a translucent liquid 1001, an image in a state where the lumen part is substantially invisible is obtained as a background image, and dye is added to the lumen part. After the injection, the remaining processing (Step 2-2 to Step 2-4) was executed to obtain a fluoroscopic image in which only the lumen portion was selectively visualized. Thereby, a DSA (Digital Subtraction Angiography) image similar to that at the time of surgery was reproduced.
Here, the monochrome gradation processing is performed last, but after performing the monochrome gradation processing for each of the images obtained in step 2-1 and step 2-2, step 2-3 is performed. You can also.
Moreover, when the viewpoint of the imaging device was moved during the catheter surgery simulation, the process was re-executed from step 2-1, and the difference video was reconstructed.

第3番目の処理は、実際の手術で利用されるロードマップ像(特定時点の血管像を術野映像にオーバーレイ表示した映像)を再現するための方法である。実際の手術では、造影剤を注入しない場合には、体腔領域は透視映像上に可視化されないため、その位置や形状を知ることができない。このため、体腔内に造影剤を注入することによって同領域を可視化し、ロードマップ像と呼ばれる画像を生成する。このロードマップ画像をその後の手術映像上にオーバーレイ表示することで、体腔の位置や形状を確認しながらカテーテルの操作を行える映像を生成する。
本発明の第3の処理では、立体モデル1002の周囲(の一部あるいは全て)と、立体モデル1002の腔所部分(の一部あるいは全て)の双方を透光性液体1001で満たして、立体モデル1002の周囲形状と腔所形状の両方を実質的に見えないようにする。この状態の像をバックグランド画像として取り込む(ステップ3−1)、次に、該腔所領域(の一部あるいは全て)に染料を注入することによって当該腔所部分を可視化し、ステップ3−1と同一の視点から画像を取得する(ステップ3−2)。そして、これら各画像間で差分演算(引き算演算)を実施することによって、立体モデルの腔所部分だけが選択的に可視化された画像を生成する(ステップ3−3)。この画像をモノクロ階調化することによって(階調の反転処理を併せて実施しても良い)、ロードマップ像を生成した(ステップ3−4)。このロードマップ像を、[0054]前記の第1番目の処理により得られた透視映像、あるいは、[0055]前記の第2番目の処理により得られた差分映像にオーバーレイ表示することで(ステップ3−5)、実際の手術時と同様なロードマップ映像を再現した。このロードマップ映像を利用して、特定の瞬間における腔所の位置を視認しながら、カテーテルの挿入シミュレーションを実施した。
尚、手術シミュレーションの途中で撮像装置の視点を移動した場合には、ステップ3−1から処理を再実行実施して、ロードマップ映像を再構築した。
The third process is a method for reproducing a road map image (image obtained by overlaying a blood vessel image at a specific time point on a surgical field image) used in actual surgery. In actual surgery, when the contrast medium is not injected, the body cavity region is not visualized on the fluoroscopic image, and thus the position and shape cannot be known. For this reason, the same region is visualized by injecting a contrast medium into the body cavity, and an image called a road map image is generated. By displaying this road map image as an overlay on the subsequent surgical image, an image capable of operating the catheter while confirming the position and shape of the body cavity is generated.
In the third processing of the present invention, both the periphery (part or all) of the three-dimensional model 1002 and the cavity portion (part or all) of the three-dimensional model 1002 are filled with the translucent liquid 1001 to form a three-dimensional model. Both the surrounding shape and the cavity shape of the model 1002 are substantially invisible. The image in this state is captured as a background image (step 3-1). Next, the cavity portion is visualized by injecting a dye into (a part or all of) the cavity region, and step 3-1 An image is acquired from the same viewpoint (step 3-2). Then, by performing a difference operation (subtraction operation) between these images, an image in which only the cavity portion of the three-dimensional model is selectively visualized is generated (step 3-3). By converting this image into a monochrome gradation (a gradation inversion process may also be performed), a road map image is generated (step 3-4). The road map image is displayed as an overlay on [0054] the fluoroscopic image obtained by the first process or [0055] the difference image obtained by the second process (step 3). -5) Reproduced the same roadmap video as in actual surgery. Using this road map image, a catheter insertion simulation was performed while visually confirming the position of the cavity at a specific moment.
In addition, when the viewpoint of the imaging device was moved during the surgery simulation, the process was re-executed from Step 3-1, and the road map video was reconstructed.

図7には他の実施例のカテーテル手術シミュレータ60を示す。
この実施例のカテーテル手術シミュレータ60は、光源61、一対の偏光板62及び63、1波長板68、図1にも示した立体モデル1002、該立体モデルと同一の屈折率を備えた透光性液体1001、該透光性液体を保持する容器1003、撮像装置71を含む受光部70から大略構成される。
光源61には白色光源を用いることが好ましい。太陽光を光源として用いることもできる。また、単色光源を用いることも可能である。第1の偏光板62及び63は相互に直交した偏光方向を有する。これにより、立体モデル21の内部応力に起因する光弾性効果を第2の偏光板63側において観察することができる。1対の偏光板62及び63の間に1波長板68を介在させることにより、波長530nm近傍の光がバックグランド光として第2の偏光板63を透過するカテーテルのような非透光性部材が影として観察される。なお、1波長板68に代表される波長シフトフィルタは第1の偏光板62と立体モデル21との間に介在させてもよい。
立体モデル21の腔所へカテーテルを挿入したとき、カテーテルと腔所の周壁とが干渉すると、当該腔所周壁に応力が生じそこに光弾性効果(干渉縞)が現れる。また、コイル塞栓時の動脈瘤の変形に伴う当該動脈瘤周囲領域の応力状態も光弾性効果からシミュレートすることができる。
FIG. 7 shows a catheter surgery simulator 60 of another embodiment.
The catheter surgery simulator 60 of this embodiment includes a light source 61, a pair of polarizing plates 62 and 63, a one-wave plate 68, a three-dimensional model 1002 shown in FIG. 1, and a translucency having the same refractive index as the three-dimensional model. A light receiving unit 70 including a liquid 1001, a container 1003 that holds the translucent liquid, and an imaging device 71 is generally configured.
The light source 61 is preferably a white light source. Sunlight can also be used as a light source. It is also possible to use a monochromatic light source. The first polarizing plates 62 and 63 have polarization directions orthogonal to each other. Thereby, the photoelastic effect resulting from the internal stress of the three-dimensional model 21 can be observed on the second polarizing plate 63 side. By interposing the one-wavelength plate 68 between the pair of polarizing plates 62 and 63, a non-translucent member such as a catheter through which light near a wavelength of 530 nm passes through the second polarizing plate 63 as background light. Observed as a shadow. A wavelength shift filter represented by the one-wave plate 68 may be interposed between the first polarizing plate 62 and the three-dimensional model 21.
When the catheter is inserted into the cavity of the three-dimensional model 21, if the catheter interferes with the peripheral wall of the cavity, stress is generated in the peripheral wall of the cavity and a photoelastic effect (interference fringe) appears there. In addition, the stress state in the region around the aneurysm accompanying the deformation of the aneurysm during coil embolization can be simulated from the photoelastic effect.

この実施例では光源61、第1の偏光板62、立体モデル21及び第2の偏光板63を直線上に配置させたが、第2の偏光板63を偏移して(即ち、直線上からずらして)配置することができる。立体モデル21の腔所において光が乱反射するので、腔所の形状においては第2の偏光板63を偏移して配置したほうが、光弾性効果をより鮮明に観察できる場合があるからである。  In this embodiment, the light source 61, the first polarizing plate 62, the three-dimensional model 21, and the second polarizing plate 63 are arranged on a straight line. However, the second polarizing plate 63 is shifted (that is, from the straight line). Can be shifted). This is because light diffusely reflects in the cavity of the three-dimensional model 21, and the photoelastic effect may be observed more clearly if the second polarizing plate 63 is shifted in the shape of the cavity.

受光部70は、CCD等からなる撮像装置71と当該撮像装置71で撮像した光弾性効果の画像を処理する画像処理装置70、並びに画像処理部70の処理結果を出力するディスプレイ75及びプリンタ77を備えてなる。
画像処理装置73では次のような処理が行われる。
まず、立体モデル1002へ何ら外力を加えていない初期状態の画像をバックグラウンド画像として取り込む(ステップ1)。ここで、立体モデル1002が高い光弾性係数の材料で形成されている場合には、自重で光弾性効果を生じている場合がある。このため、光源61から光を照射し、更に外力を加えたとき(例えばカテーテルを挿入したとき)の光弾性効果による干渉縞画像を取り込んだ後(ステップ3)、これからバックグランド画像を差分処理する(ステップ5)することによって、自重による光弾性効果を取り除く。
The light receiving unit 70 includes an image pickup device 71 composed of a CCD or the like, an image processing device 70 that processes a photoelastic effect image picked up by the image pickup device 71, and a display 75 and a printer 77 that output a processing result of the image processing unit 70. Prepare.
The image processing apparatus 73 performs the following processing.
First, an image in an initial state where no external force is applied to the three-dimensional model 1002 is captured as a background image (step 1). Here, when the three-dimensional model 1002 is formed of a material having a high photoelastic coefficient, a photoelastic effect may be generated by its own weight. For this reason, after capturing the interference fringe image by the photoelastic effect when light is applied from the light source 61 and further external force is applied (for example, when a catheter is inserted) (step 3), the background image is differentially processed from this. (Step 5) removes the photoelastic effect due to its own weight.

次に、立体モデル21が高い光弾性係数の材料で形成されている場合には、内部応力の如何によっては細かい干渉縞が繰返しパターンで現れ、応力の認識が煩雑となる。このため、画像処理装置73は単位面積あたりの当該パターンの数をカウントすることによって、当該内部応力を数値化する(ステップ7)。  Next, when the three-dimensional model 21 is formed of a material having a high photoelastic coefficient, fine interference fringes appear in a repetitive pattern depending on the internal stress, and the stress recognition becomes complicated. For this reason, the image processing apparatus 73 quantifies the internal stress by counting the number of the patterns per unit area (step 7).

次に、第2の偏光板63を介して得られる画像に対して[0054]以降に記載した3つの画像処理法を適用することで、手術時の透視映像を再現し、この透視映像の内、内部応力の生じた部分に当該数値に対応した色をオーバーレイ表示する(ステップ9)。これによって、カテーテルの挿入シミュレーションに際して、実際と同様な手術映像を確認しながら、術中の状態を応力面からも認識できる環境を構築した。
この実施例では受光部70により観察される干渉縞を画像処理した後に、前記の透視映像にオーバーレイ表示しているが、画像処理を実施することなく、撮像装置71により得られた応力可視化像を上記の透視映像上に直接オーバーレイ表示することも有用である。
Next, by applying the three image processing methods described from [0054] to the image obtained through the second polarizing plate 63, a fluoroscopic image at the time of surgery is reproduced, Then, a color corresponding to the numerical value is overlaid and displayed on the portion where the internal stress is generated (step 9). As a result, in the catheter insertion simulation, an environment in which the state during the operation can be recognized from the stress surface while confirming the same operation image as the actual operation was constructed.
In this embodiment, the interference fringes observed by the light receiving unit 70 are subjected to image processing and then displayed as an overlay on the fluoroscopic image. However, the stress visualization image obtained by the imaging device 71 can be obtained without performing image processing. It is also useful to display an overlay directly on the fluoroscopic image.

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。  The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.

図1はこの発明の実施例の立体モデルを示す。  FIG. 1 shows a three-dimensional model of an embodiment of the present invention. 図2は実施例の中子を示す斜視図である。  FIG. 2 is a perspective view showing the core of the embodiment. 図3はガイド部を示す斜視図である。  FIG. 3 is a perspective view showing the guide portion. 図4は他の実施例の立体モデルを示す。  FIG. 4 shows a three-dimensional model of another embodiment. 図5は他の実施例の立体モデルを示す。  FIG. 5 shows a three-dimensional model of another embodiment. 図6はこの発明の実施例のカテーテル手術シミュレータの構成を示す模式図である。  FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the catheter surgery simulator of the embodiment of the present invention. 図7は他の発明の実施例のカテーテル手術シミュレータの構成を示す模式図である。  FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a catheter surgery simulator according to another embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

13 中子
22 体腔モデル
12 シリコーンゴム層(膜状モデル)
11 立体モデル
1000、60 カテーテル手術シミュレータ
13 Core 22 Body cavity model 12 Silicone rubber layer (film model)
11 3D model 1000, 60 Catheter surgery simulator

Claims (3)

少なくとも体腔を再現した腔所の周囲領域が弾性材料で形成され、カテーテルの挿入が可能な透光性の立体モデルを利用して、透視像を生成するカテーテル手術シミュレータであって、
前記の立体モデルと、
該立体モデルに近似する屈折率を備えた透光性液体と、
該透光性液体を保持するための容器と、
前記立体モデルを観察するための撮像装置と、を備え、
前記立体モデルへ挿入されたカテーテルを透視撮影できる、ことを特徴とするカテーテル手術シミュレータ。
A catheter surgery simulator that generates a fluoroscopic image using a translucent three-dimensional model in which at least a peripheral region reproducing a body cavity is formed of an elastic material and a catheter can be inserted,
The aforementioned three-dimensional model;
A translucent liquid having a refractive index approximating the three-dimensional model;
A container for holding the translucent liquid;
An imaging device for observing the three-dimensional model,
A catheter surgery simulator characterized by being able to perform fluoroscopic imaging of a catheter inserted into the three-dimensional model.
前記透光性液体は、グリセリンと水の混合液体であることを特徴とする請求項1記載のカテーテル手術シミュレータ。  2. The catheter surgery simulator according to claim 1, wherein the translucent liquid is a mixed liquid of glycerin and water. 少なくとも体腔を再現した腔所の周囲領域が弾性材料で形成され、カテーテルの挿入が可能な透光性の立体モデルを利用して、透視像を生成する請求項1記載のカテーテル手術シミュレータであって、
偏光フィルタと
該偏光フィルタの内側に配置される位相シフトフィルタと、をさらに備え
前記立体モデルへ挿入されたカテーテルを透視撮影できるとともに、該立体モデルの腔所の周囲領域を通過する光に生じた光弾性効果を検出する手段を備える、ことを特徴とするカテーテル手術シミュレータ。
The catheter surgery simulator according to claim 1, wherein at least a peripheral region of the cavity that reproduces the body cavity is formed of an elastic material, and a fluoroscopic image is generated using a translucent three-dimensional model in which a catheter can be inserted. ,
A polarization filter; and a phase shift filter disposed inside the polarization filter. The catheter inserted into the stereo model can be radiographed and generated in light passing through a region around the cavity of the stereo model. A catheter surgery simulator comprising means for detecting a photoelastic effect.
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