JP2011253009A - Bone solid model and method of producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＣＴスキャナやＭＲＩスキャナで撮影されたスライス画像データに基づいて製作された骨実体モデル及びその製作方法に関するものである。 The present invention relates to a bone entity model manufactured based on slice image data photographed by a CT scanner or an MRI scanner, and a manufacturing method thereof.
関節変形や外傷にともなう人工関節の手術数は、高齢化社会の到来に伴って年々増加しており、本邦における手術数は年間１４万件に達している。 The number of artificial joint surgery associated with joint deformation and trauma is increasing year by year with the arrival of an aging society, and the number of surgery in Japan reaches 140,000 per year.
人工関節の手術手技に熟達するには多くの手術を経験する以外にないが、手術経験が豊富に得られる医療施設は限られている。 In order to become proficient in surgical techniques for artificial joints, there is no choice but to experience a lot of surgery, but there are only a limited number of medical facilities that provide a wealth of surgical experience.
また、手術手技を向上させるには、システム化された手術トレーニングが必要になるが、本邦では海外で行われているような屍体を使用した手術トレーニングは認められていないため、実際の手術に参加する以外に手立てがないのが実情である。 In order to improve the surgical technique, systematic surgical training is required. However, in Japan, surgical training using a skeleton is not allowed, so we participate in actual surgery. The fact is that there is no other way to do it.
一方、医療における画像診断分野においては、３次元画像を用いた診断が次第に普及してきており、運動器の分野においてもその応用が進んでいる。 On the other hand, in the field of medical image diagnosis, diagnosis using a three-dimensional image is gradually spreading, and its application is also progressing in the field of exercise equipment.
３次元シミュレーションソフトによって術前計画を立て、実物大立体モデルを製作することによりイメージをリアルにとらえて手術のシミュレーションを行うことは、術者の技量が大きく影響するような手術になるほど有効である。 Making a preoperative plan with 3D simulation software and producing a full-scale 3D model to simulate the surgery by capturing the image realistically is so effective that the surgery will greatly affect the skill of the surgeon. .
ヘリカルＣＴスキャナやＭＲＩスキャナで得られた画像データ利用して実物大立体モデルを製作する方法として、最近、ラピッド・プロットタイピング（Rapid Prototyping）と呼ばれる造形方法が利用されている。 As a method for producing a full-scale solid model using image data obtained by a helical CT scanner or an MRI scanner, a modeling method called rapid plot typing has been used recently.
ラピッド・プロットタイピングは、本来、製品開発をする際に試作品の製作に要していた多大な時間とコストを削減することを目的として普及した試作品の造形方法であり、金型を必要とせずに、実物大立体モデルを直接、製作することができる。 Rapid plot typing is a prototype manufacturing method that was widely used for the purpose of reducing the tremendous amount of time and cost required to produce prototypes during product development. Without being able to make a full-scale solid model directly.
上記ラピッド・プロットタイピングには、光造形法、粉末造形法、シート積層法、押し出し法があり、光造形法は、紫外線で硬化する液体樹脂を利用し断面形状を積み重ねることにより、粉末造形法は、赤外線でナイロン樹脂等を溶かして固め断面形状を積み重ねることにより、シート積層法は、インクジェットプリンタのように複数の溶液をノズルから射出し断面形状を積み重ねることにより、また、押し出し法は、溶かした樹脂をノズルから押し出して断面形状を積み重ねることにより、それぞれ目的とする形状を製作することができる。 The rapid plot typing includes an optical modeling method, a powder modeling method, a sheet laminating method, and an extrusion method, and the optical modeling method uses a liquid resin that is cured by ultraviolet rays to stack the cross-sectional shapes. By laminating nylon resin etc. with infrared rays and solidifying and stacking the cross-sectional shape, the sheet laminating method was injecting multiple solutions from the nozzle and stacking the cross-sectional shape like an inkjet printer, and the extrusion method was melted By pushing out the resin from the nozzles and stacking the cross-sectional shapes, the respective desired shapes can be produced.
また、上記粉末造形法を利用して医療用立体モデルを製作する方法も知られている。 In addition, a method of manufacturing a medical three-dimensional model using the powder modeling method is also known.
具体的には、ヘリカルＣＴスキャナやＭＲＩスキャナで撮影されたスライス画像に基づいて、これを医療用立体モデル画像に加工し、この医療用立体モデル画像に基づいて、これを単位厚さ毎のスライス画として、単位厚さ毎に敷設された粉末材料上にレーザ描画し固形化することで医療用立体モデルを直接製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Specifically, based on a slice image photographed by a helical CT scanner or an MRI scanner, this is processed into a medical stereo model image, and based on this medical stereo model image, this is sliced for each unit thickness. As a drawing, there has been proposed a method of directly manufacturing a medical three-dimensional model by laser drawing on a powder material laid for each unit thickness and solidifying (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記した従来の医療用立体モデルの製造方法では、医療用立体モデルの製作にあたり、専用の造形装置を導入しなければならず、さらに、製作過程において積層工程に５〜９時間、固化工程に２４時間費やす必要がある。 However, in the above-described conventional method for producing a medical three-dimensional model, a dedicated modeling apparatus must be introduced in the production of the medical three-dimensional model. Further, in the production process, the solidification process is performed for 5 to 9 hours. Need to spend 24 hours.
そのため、製作された医療用立体モデルは自ずと高価になり、広く普及していないのが実情である。 For this reason, the manufactured medical three-dimensional model is naturally expensive and is not widely used.
本発明は以上のような従来の医療用立体モデルの製造方法における課題を考慮してなされたものであり、専用の造形装置を必要とせず、実臨床で使用可能なほど安価で且つ簡便に製作することができる骨実体モデルおよびその製作方法を提供するものである。 The present invention has been made in consideration of the above-described problems in the conventional method for manufacturing a medical three-dimensional model, and does not require a dedicated modeling apparatus and is inexpensively and easily manufactured so that it can be used in actual clinical practice. The present invention provides a bone entity model that can be made and a method for producing the bone entity model.
本発明は、ＣＴスキャナまたはＭＲＩスキャナで撮影されたスライス画像を読み込み、
読み込んだ各スライス画像毎に骨実体モデルに必要な画像を抽出し、
抽出された２次元画像を積層して３次元画像に変換し、
３次元画像を３次元ＣＡＤに適したデータに変換し、
３次元ＣＡＤデータに基づいてＮＣ加工データを作成し、
上記ＮＣ加工データにしたがってＮＣ加工機により発泡合成樹脂を切削加工することによって骨実体モデルを製作する骨実体モデルの製作方法である。
The present invention reads a slice image taken with a CT scanner or an MRI scanner,
Extract images necessary for the bone entity model for each read slice image,
The extracted 2D images are stacked and converted to 3D images,
Convert 3D images into data suitable for 3D CAD,
Create NC machining data based on 3D CAD data,
This is a bone body model manufacturing method in which a bone body model is manufactured by cutting foamed synthetic resin with an NC processing machine in accordance with the NC processing data.
本発明において、切削加工された発泡合成樹脂の表面に表面処理を施せば、骨実体モデル表面を疵つきから保護することができる。 In the present invention, if the surface treatment is performed on the surface of the cut foamed synthetic resin, the surface of the bone body model can be protected from wrinkles.
本発明において、上記発泡合成樹脂は、安価で汎用性のある発泡スチロールを使用することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to use low-cost and versatile foamed polystyrene as the foamed synthetic resin.
本発明の骨実体モデルは、上記した製作方法によって製造されたものであることを要旨とする。 The gist of the present invention is that it is manufactured by the manufacturing method described above.
本発明における骨実体モデルとは、人体の骨格を形成している任意の骨の実物大モデルを意味しており、例えば下肢骨の骨実体モデルでは、下肢骨を構成している、大腿骨、脛骨、足の骨等の各部品が示される。 The bone entity model in the present invention means a full-scale model of an arbitrary bone forming the skeleton of the human body. For example, in the bone entity model of the lower limb bone, the femur constituting the lower limb bone, Each part such as the tibia and the foot bone is shown.
本発明によれば、専用の造形装置を必要とせず、実臨床で使用可能なほど安価で且つ簡便に骨実体モデルを製作することができる。 According to the present invention, a bone entity model can be manufactured easily and inexpensively enough to be used in actual clinical practice without requiring a dedicated modeling apparatus.
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
本発明の骨実体モデル製作方法は、ＣＴスキャナまたはＭＲＩスキャナで撮影された、医用デジタル画像と通信の標準規格、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communications in Medicine）形式のスライス画像をコンピュータに読み込むステップと、読み込んだ各スライス画像毎に骨実体モデルに必要な画像を抽出するステップと、抽出された２次元画像を積層して３次元画像に変換するステップと、３次元画像を３次元ＣＡＤに適したデータに変換するステップと、３次元ＣＡＤデータに基づいてＮＣ加工データを作成するステップと、ＮＣ加工データにしたがってＮＣ加工機により発泡合成樹脂を切削加工するステップとから構成されている。 The bone substance model production method of the present invention includes a step of reading a medical digital image and a communication standard, DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) slice image captured by a CT scanner or an MRI scanner into a computer. The step of extracting an image necessary for the bone entity model for each slice image, the step of stacking the extracted two-dimensional images and converting them into a three-dimensional image, and converting the three-dimensional image into data suitable for three-dimensional CAD The step includes a step of converting, a step of creating NC machining data based on the three-dimensional CAD data, and a step of cutting the foamed synthetic resin by an NC machine according to the NC machining data.
以下、骨実体モデルを製作する各ステップについて詳しく説明する。 Hereinafter, each step for producing the bone entity model will be described in detail.
１．読込みステップ
図１において、ＣＴスキャナまたはＭＲＩスキャナで撮影したスライス画像データＤ１〜Ｄｎを、通信回線を通じてまたは記録媒体を受け取ることによって医療機関から入手し、パーソナルコンピュータの記憶装置またはパーソナルコンピュータに接続された外部記憶装置に取り込む。
1. Reading step In FIG. 1, slice image data D 1 to D n photographed by a CT scanner or an MRI scanner are obtained from a medical institution through a communication line or by receiving a recording medium, and connected to a storage device of a personal computer or a personal computer. In the external storage device.
スライス画像データＤ１〜Ｄｎの取り込みには、例えばＬＥＸＩ社製のソフト、ＺｅｄＶｉｅｗを使用することができる。 For taking in the slice image data D 1 to D n , for example, software made by LEXI, ZedView can be used.
上記ＺｅｄＶｉｅｗは、ＣＴ、ＭＲＩスキャナで撮影した２次元スライス画像から３次元可視化が可能なソフトであり、３次元形状データを汎用データフォーマットＳＴＬ（またはＤＸＦ）データとして出力することができるものである。 The ZedView is software that enables three-dimensional visualization from a two-dimensional slice image taken with a CT or MRI scanner, and can output three-dimensional shape data as general-purpose data format STL (or DXF) data.
なお、図中、Ｄ１はひざ部分の断層写真を示しており、Ａは脛骨の周辺部、Ｂは脛骨断面を示している。 In the drawing, D 1 denotes a tomographic knee portion, A is the peripheral portion of the tibia, B denotes the tibia cross-section.
２．画像抽出ステップ
各スライス画像を記憶装置から読み出してモニタ画面上に表示させ、骨実体モデルに必要な画像を抽出するためにコントラストを調整し、次いで、マスキング機能を用いて骨部分を抽出し、骨以外の画像を削除する。
2. Image extraction step Each slice image is read from the storage device and displayed on the monitor screen, the contrast is adjusted in order to extract the image necessary for the bone entity model, and then the bone portion is extracted using the masking function. Delete images other than.
次に、輝度の認識範囲を設定し、骨以外の部分に現れるノイズを削除する。 Next, a luminance recognition range is set, and noise that appears in parts other than bones is deleted.
その結果、図２に示すように、画像着色部分の境界に面Ｃが形成される。 As a result, as shown in FIG. 2, a surface C is formed at the boundary of the image coloring portion.
上記した抽出作業を、スライス間隔０．８ｍｍピッチでは、例えばひざ部分については約２２０枚について、また、ひざ部分から踵部分までについては６４０枚についてそれぞれ実施する。 The above-described extraction operation is performed for, for example, about 220 sheets for the knee portion and 640 sheets for the knee portion to the heel portion at a slice interval of 0.8 mm.
３．３次元画像変換ステップ
骨部分が抽出された２次元画像をＺ軸方向に積層することにより、３次元画像に変換する。
3. Three-dimensional image conversion step The two-dimensional image from which the bone portion is extracted is converted into a three-dimensional image by stacking in the Z-axis direction.
図３は３次元画像変換処理によって得られた大腿骨、脛骨、腓骨の３次元画像を示している。 FIG. 3 shows a three-dimensional image of the femur, tibia, and radius obtained by the three-dimensional image conversion processing.
４．ＣＡＤデータ変換工程
３次元画像データ（ＳＴＬ形式）のポリゴン量を調整し、３次元ＣＡＤ作業に適した容量に最適化する。
4). CAD data conversion step The polygon amount of the three-dimensional image data (STL format) is adjusted to optimize the capacity suitable for the three-dimensional CAD work.
３次元画像処理ソフトウエアでは、物体の面を三角形（ポリゴン）の集合として表現するため、そのままでは多大な処理時間が必要となる。そこで、ポリゴン量を減らして最適化を図る。 In the three-dimensional image processing software, the surface of the object is expressed as a set of triangles (polygons), so that much processing time is required as it is. Therefore, optimization is attempted by reducing the amount of polygons.
具体的には、３次元画像データを、データ量の少ないＩＧＳ形式に変換する。それにより、３次元画像データは曲面を含んだ面によって表現される。 Specifically, the three-dimensional image data is converted into an IGS format with a small amount of data. Thereby, the three-dimensional image data is expressed by a surface including a curved surface.
また、この段階で３次元画像データに欠損部がある場合、後述するＮＣ加工において加工工具がその欠損部に突っ込むといったトラブルが生じるためデータの修正を行う。 In addition, if there is a missing portion in the three-dimensional image data at this stage, a trouble such as a machining tool thrusting into the missing portion occurs in NC processing described later, and the data is corrected.
具体的には、欠損部周縁の線分には方向性が存在せず、線のつながりが不明なため、欠損部の空間に架空の線を挿入する。 Specifically, the line segment around the defect portion has no directionality and the connection of the lines is unknown, so an imaginary line is inserted into the space of the defect portion.
その架空線の矛盾を調べ、平均値にて架空線を修正する。 The contradiction of the overhead line is investigated, and the overhead line is corrected with the average value.
修正された架空線と既存の欠損部周縁との接続部分に三角形（ポリゴン）の図形を挿入する。 A triangle (polygon) figure is inserted at the connection between the corrected overhead line and the existing peripheral edge of the missing part.
図４は、欠損部Ｅに三角形Ｆが挿入された状態を示している。Ｅ′は欠損部周縁を示している。 FIG. 4 shows a state in which the triangle F is inserted into the missing part E. E ′ indicates the periphery of the defect portion.
次に、作成された三角形の辺に沿って順次面を作成していく。 Next, a surface is sequentially created along the sides of the created triangle.
図５は、面を作成し欠損部を埋めていく過程を示している。 FIG. 5 shows a process of creating a surface and filling a defect portion.
欠損部が面で埋められると、骨実体モデルを作成する必要部位を画面上で選定する。本実施形態では必要部位として脛骨を選定する。 When the missing part is filled with a surface, a necessary part for creating a bone entity model is selected on the screen. In this embodiment, the tibia is selected as a necessary part.
次いで、選定された脛骨について加工の向き、加工基準の設定、加工範囲（脛骨の上部とする）、加工順序を設定する。 Next, the processing direction, processing standard setting, processing range (assumed to be the upper part of the tibia), and processing order are set for the selected tibia.
図６は、画面上に表示された脛骨の上部を示している。 FIG. 6 shows the upper part of the tibia displayed on the screen.
次いで、ワークサイズを決定し、加工工具を選定する。 Next, the work size is determined and a machining tool is selected.
本発明ではワークの材料として発泡スチロールを使用するため、加工工具にほとんど負荷が加わらないという利点がある。 In the present invention, since polystyrene foam is used as the material of the workpiece, there is an advantage that almost no load is applied to the processing tool.
また、発泡倍率１５〜６０倍（密度：６０〜１６ｋｇ／ｍ３）の発泡スチロールをワークとして使用すれば、加工時に割れを起こすことなく骨実体モデルを製作することができる。特に、発泡倍率１５倍で成形された発泡スチロールは、複雑な形状を有する骨実体モデルを正確に加工するのに適している。 In addition, if a polystyrene foam having a foaming ratio of 15 to 60 times (density: 60 to 16 kg / m 3 ) is used as a workpiece, a bone substance model can be manufactured without causing cracks during processing. In particular, the expanded polystyrene molded at an expansion ratio of 15 is suitable for accurately processing a bone entity model having a complicated shape.
なお、本実施形態では発泡スチロールを使用したが、これに限らず、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂を原料とした発泡合成樹脂を使用することもできる。 In addition, although the polystyrene foam was used in this embodiment, it is not restricted to this, The foaming synthetic resin which used the polyurethane resin and the polyolefin resin as a raw material can also be used.
また、フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル、ユリア樹脂、シリコーン、ポリイミド、メラミン樹脂等も発泡化して用いることができる。 Further, phenol resin, polyvinyl chloride, urea resin, silicone, polyimide, melamine resin, and the like can be used after being foamed.
５．ＮＣ加工データ作成工程
次いで、加工用パス（ＮＣ加工データ）を作成する。
5). NC machining data creation step Next, a machining path (NC machining data) is created.
加工用パスを作成すると、画面上で切削状態をシミュレーションし、骨実体モデルの加工が想定通りに行われるかを検証する。 When the machining path is created, the cutting state is simulated on the screen, and it is verified whether the bone entity model is machined as expected.
シミュレーションによって検証が終わると、ＮＣデータをＮＣ加工機に転送し、加工指示書を作成する。 When the verification is completed by the simulation, the NC data is transferred to the NC processing machine and a processing instruction is created.
６．切削工程
本実施形態における切削加工条件は以下の通りである。
ａ．荒加工
ボールエンドミル径 φ１０〜３０
回転数 ４，０００〜６，０００ｒｐｍ
送り速度 ７，０００〜９，０００ｍｍ／分
ｂ．仕上げ加工
ボールエンドミル径 φ６〜２０
回転数 ７，０００〜９，０００ｒｐｍ
送り速度 ３，０００〜４，５００ｍｍ／分
6). Cutting process The cutting conditions in this embodiment are as follows.
a. Roughing Ball end mill diameter φ10-30
Rotational speed 4,000 ~ 6,000rpm
Feeding speed 7,000-9,000 mm / min b. Finishing ball end mill diameter 6-20
Rotational speed 7,000-9,000rpm
Feeding speed 3,000-4,500mm / min
従来の造形方法は、断面形状を一方向に積み重ねることによって目的とする形状を製作するため、平面的な造形には適しているものの、例えば脛骨のような縦長物体の造形には不向きである。また、オーバーハング部分があると造形することができないという欠点がある。 A conventional modeling method is suitable for planar modeling because it produces a target shape by stacking cross-sectional shapes in one direction, but is not suitable for modeling a vertically long object such as a tibia. Moreover, there exists a fault that it cannot model if there is an overhang part.
これに対し、本発明の骨実体モデルの製作方法は、ＮＣ加工機による３軸加工が可能なため、縦長物体であってもワーク（発泡スチロールのブロック）を水平方向に配置することによって加工することが可能であり、また、オーバーハング部分があっても骨実体モデルを精度良く製作することができる。 On the other hand, the method for producing a bone entity model according to the present invention can be triaxially processed by an NC processing machine, so that even a vertically long object is processed by arranging a work (a foam block) in a horizontal direction. In addition, even if there is an overhang portion, the bone entity model can be manufactured with high accuracy.
具体的には、脛骨画像を画面上で水平方向に配置し、脛骨の上部前半分については加工用パスをＸ軸方向（ワーク長手方向と直交する方向）およびＺ軸方向（ワーク高さ方向）にセットしてＮＣ加工機による切削を行う。 Specifically, the tibial image is horizontally arranged on the screen, and for the upper front half of the tibia, the machining path is set in the X-axis direction (direction perpendicular to the workpiece longitudinal direction) and the Z-axis direction (work height direction). Set to, and cut with NC machine.
切削によってワークから脛骨の前側上部が現れると、次に、加工用パスをＹ軸方向（ワーク長手方向）およびＺ軸方向にセットして脛骨の前側を切削していく。上記加工は脛骨の前側半分を切削するために行われる。 When the front upper part of the tibia appears from the workpiece by cutting, the machining path is set in the Y-axis direction (workpiece longitudinal direction) and the Z-axis direction, and the anterior side of the tibia is cut. The above process is performed to cut the anterior half of the tibia.
次に、ワークを天地逆にセットし、脛骨の上部の背面側について、加工用パスをＸ軸方向およびＺ軸方向にセットして切削を行う。 Next, the workpiece is set upside down, and cutting is performed with the machining paths set in the X-axis direction and the Z-axis direction on the back side of the upper part of the tibia.
切削によってワークから脛骨の上部背面側が現れると、次に、加工用パスをＹ軸方向およびＺ軸方向にセットして脛骨の背面側を切削していく。 When the upper back side of the tibia appears from the workpiece by cutting, the processing path is set in the Y-axis direction and the Z-axis direction, and the back side of the tibia is cut.
上記加工を実施することにより、図７に示すように、脛骨の骨実体モデルを製作することができる。 By performing the above processing, a bone entity model of the tibia can be produced as shown in FIG.
上記骨実体モデルの切削に要した時間は約３時間であった。 The time required for cutting the bone body model was about 3 hours.
７．表面処理工程
発泡スチロールを切削することにより得られた骨実体モデルの表面に表面処理剤を刷毛で塗布する。上記表面処理剤としては、ポリ酢酸ビニル樹脂やポリエステル樹脂を使用することができる。
7). Surface treatment step A surface treatment agent is applied with a brush to the surface of the bone entity model obtained by cutting the expanded polystyrene. A polyvinyl acetate resin or a polyester resin can be used as the surface treatment agent.
表面処理剤を塗布した後、塗布面を乾燥させる。 After applying the surface treatment agent, the coated surface is dried.
切削された発泡スチロールの表面に表面処理剤を塗布すれば、骨実体モデル表面を疵付きから保護することができる。 If a surface treatment agent is applied to the surface of the cut polystyrene foam, the bone body model surface can be protected from wrinkles.
また、表面処理剤に顔料を配合すれば、実物に近似した骨実体モデルを製作することもできる。 In addition, if a pigment is blended with the surface treatment agent, a bone entity model approximating the actual one can be produced.
Ａ 脛骨の周辺部
Ｂ 脛骨断面
Ｄ１〜Ｄｎ スライス画像データ
Ｅ 欠損部
Ｅ′ 欠損部周縁
Ｆ 三角形
Periphery B tibial section D of A tibial 1 to D n slice image data E defect E 'defect periphery F triangle
Claims (4)
読み込んだ各スライス画像毎に骨実体モデルに必要な画像を抽出し、
抽出された２次元画像を積層して３次元画像に変換し、
３次元画像を３次元ＣＡＤに適したデータに変換し、
３次元ＣＡＤデータに基づいてＮＣ加工データを作成し、
上記ＮＣ加工データにしたがってＮＣ加工機により発泡合成樹脂を切削加工することによって骨実体モデルを製作することを特徴とする骨実体モデルの製作方法。 Read slice images taken with CT scanner or MRI scanner,
Extract images necessary for the bone entity model for each read slice image,
The extracted 2D images are stacked and converted to 3D images,
Convert 3D images into data suitable for 3D CAD,
Create NC machining data based on 3D CAD data,
A method for producing a bone substance model, comprising producing a bone substance model by cutting a foamed synthetic resin with an NC machine according to the NC machining data.
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