JP3746779B2 - 立体模型及び立体模型の製造方法 - Google Patents
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Description
[1] 立体物の外部構造および外部色彩ならびに外部から観察不可能な内部構造および内部色彩を表した3次元立体模型であって、切り開くことにより内部構造および内部色彩を観察することができる軟質素材でできた3次元立体模型、
[2] 複数の微小立体から構成され、該微小立体が物体の内部構造および内部色彩を表す[1]の3次元立体模型、
[3] 特定の部分の微小立体と微小立体の接着性が、他の部分の微小立体と微小立体の接着性と異なり、接着性が異なる該部分で内部構造を表し、模型部分を分離することができる[2]の3次元立体模型、
[4] 粉体が凝集固形化しでできた3次元立体模型であり、粉体内に含浸後に凝固して接着性が機能する溶液が含浸している、[1]から[3]のいずれかの3次元立体模型、
[5] 粉体が石膏粉体またはデンプン粉体または小麦粉である[4]の3次元立体模型、
[7] さらに、表面に被膜を有する[1]から[6]のいずれかの3次元立体模型、
[8] 被膜が、アルギン酸化合物とそのゲル化剤の反応物またはカラギーナンとそのゲル化剤の反応物により形成されている、[7]の3次元立体模型、
[9] 生体の部分の模型である、[1]から[8]のいずれかの3次元立体模型、
[10] 生体の部分が、ヒト内臓である[9]の3次元立体模型、
[12] 立体物の断層データを得て、立体物の内部構造および内部色彩を推測し、該断層データに基づいて、立体物を造形する、[1]から[11]のいずれかの3次元立体模型の作製方法、
[13] 立体物の内部構造をボクセルデータとして得て、該ボクセルデータに基づく微小立体であって着色した微小立体を積み重ねることにより、立体物を造形する、[12]の方法、
[14] 粉体をバインダーにより凝集固定化させた硬質立体模型を軟質化する方法であって、バインダーを溶解させかつ粉体凝集物に軟性を付与する液体を硬質立体模型に含浸させることを含む軟質化立体模型を作製する方法、
[15] 粉体が石膏粉体またはデンプン粉体である[14]の軟質化立体模型を作製する方法、
[17] 硬質立体模型が3Dプリンターにより作製される[14]から[16]のいずれかの軟質化立体模型を作製する方法、
[18] 硬質立体模型が、立体物の断層データを得て、立体物の内部構造および内部色彩を推測し、該断層データに基づいて、立体物を造形することにより作製されたものである、[14]から[17]のいずれかの軟質化立体模型を作製する方法、
[19] 硬質立体模型が、立体物の内部構造をボクセルデータとして得て、該ボクセルデータに基づく微小立体であって着色した微小立体を積み重ねることにより、立体物を造形することにより作製される、[14]から[18]のいずれかの軟質化立体模型を作製する方法、
[20] 硬質立体模型が、立体物の内部構造をボクセルデータとして得て、該ボクセルデータに基づく微小立体であって着色した微小立体を積み重ねることにより立体物を造形することにより作製され、なおかつ一部の微小立体と微小立体の間の接着性と他の部分の微小物体と微小物体の接着性が異なり、この接着性が異なる該部分から内部構造を表す模型部分を分離することができる硬質立体模型を軟質化する、[19]の軟質化立体模型を作製する方法、
[22] [14]から[21]のいずれかの方法により作製された軟質化立体模型、
[23] 切り開くことにより内部構造および内部色彩を観察することができる[22]の軟質化立体模型、
[24] 生体の部分の模型である、[23]の軟質化立体模型、
[25] 生体の部分が、ヒト内臓である[24]の軟質化立体模型、ならびに
[26] 被膜が、細胞膜、組織膜、皮膚および粘膜からなる群から選択されるものの模型である、[24]または[25]の軟質化立体模型。
2. 血管に造影剤を注入して撮影した断層データから、血管の部位等を抽出する。
3. 断層データを積み重ね、同一の組織や部位を各層に渡って関連付け、臓器の外形や臓器内の血管などの位置を3次元データとして構築する。
4. 各組織や部位に色を対応させ(動脈は赤、静脈は青、それ以外は灰色など)、内部を着色した立体模型の3次元データを作成する。
5. 同一種類として判断された領域を、同一色で着色した微小立方体を単位とする、多数の立方体に分割する。
被覆用溶液で覆わない場合は、硬質模型を直接軟質化用溶液に含浸させればよい。
〔実施例1〕 ラピッドプロトタイピングによる立体模型の作製
1. 3次元データの作成
ヒトの、腎臓を含む腹部をX線CT装置を用いて断層撮影し、全体の構造を3次元データとして記録した。該3次元データは医療向け画像の標準規格であるDICOM (ダ イコム:Digital Imaging and COmmunication in Medicine )フォーマットによって記録されていたので、一般のパーソナルコンピュータを用いてデータの加工が容易に行えるように、DICOMフォーマットをBMPフォーマット(マイクロソフト社等のOSで広く用いられる画像用フォーマット)に変換するソフトを作成し、BMPフォーマットに変換した。各BMPフォーマットのデータは画像として表示および加工することができ、腹部の断層画像を目視によって確認することができる。X線CT装置によって記録される1組の3次元データは多数の断層データによって構成されているので、該3次元データは多数のBMPフォーマットの画像ファイルに変換された。この1組の画像には腹部の広範囲の部分が記録されており、腎臓が写っていない部分もあるので、多数の断層データから腎臓が写っている断層データを抽出した。次に、抽出した各断層データについて、腎臓の輪郭を目視によって抽出し、腎臓のデータを切り出した。上記の作業により、各断層データには腎臓だけが記録された一組の断層データを作成した。この際、CT値を特定の色に対応させた。
断層データを構成する1枚の画像の1画素(画像の最小単位、ピクセル)、またはN個×M個の長方形の画素の集まりを底面として、断層データの間隔を高さとする立方体を1個のボクセルとして、1枚の断層データを多数の立方体(ボクセル)が平面上に並んだデータに変換した。この時、1枚の画像において、3次元模型の輪郭の外側に対応する画素については、立方体を作成しないこととした。この操作を多数の断層データに対して行い、3次元模型を表す立方体の集合(ボクセルデータ)を作った。
上記2で得られた微小立体のボクセルデータを、3次元カラープリンター Z406(Z Corporation製、米国)に入力し、入力データに従って、3次元模型を作製した。この際、材料としては石膏粉末(Z Corporation社、ZP102Powder)を用いた。また、バインダーとして、Z Corporation社製のZB56 Clear Binder(無色)、ZB56 Color Binder Cyan(シアン)、ZB56 Color Binder Yellow(イエロー)、ZB56 Color Binder Magenta(マゼンダ)の4種類を用いた。
造形は、Z406のマニュアルに従って行った。
実施例1とは、異なる設計の幾何学的構造を有する模型を実施例1と同様の方法で作製した。作製した模型の形状は図4〜図10に示した通りである。図4の模型の大きさは、5cm×5cm×6cm、図7の模型の大きさは4cm×4cm×4cm、図10の模型の大きさは4cm×4cm×4cm、図9(図10)の模型の大きさは三角形の一番長い辺の長さが5cmであった。
容器(容量1リットルのガラス製のビーカー)に2%(w/v)のアルギン酸ナトリウム溶液を入れ、該溶液中に硬質模型全体を沈め、5秒おき模型表面をアルギン酸ナトリウム溶液で被覆した。模型を溶液から出し、同サイズの容器に入れた5%の塩化カルシウム溶液に30秒から15分間浸し、模型表面のアルギン酸ナトリウムを膜状に固化した。アルギン酸ナトリウムを乾燥させた後、あるいは乾燥する前に、同サイズの容器に入れた寒天溶液(濃度は、寒天の販売時に指示される条件からその1〜3倍)に入れた。この際、寒天溶液は寒天が完全に溶けるまで、約80〜100℃に加熱しておいた。石膏模型と寒天溶液が入った容器毎、加圧ポンプと減圧ポンプを連結した圧力容器に入れ、減圧した。この際、寒天溶液を観察し、寒天溶液中に泡が発生し寒天溶液が沸騰する直前に減圧を停止し、直ちに5気圧まで加圧した。加圧後直ぐに再び寒天溶液が沸騰する直前まで減圧した。減圧と加圧を4から5回繰り返すことにより、硬質模型に寒天溶液を含浸させた。その後、寒天が冷却し凝固するまで、加圧の状態を保った。容器の中の寒天溶液が冷えて固まった頃に、石膏模型を容器から取り出し、模型の周りに付着した寒天を除去し、場合によっては、水洗いによって周辺に付着した寒天を除去した。その後、必要に応じナイフで切断した。軟質化する前の硬質モデルはナイフで、任意の場所で切断することはできず、切断する場合は、鋸を用いて直線的に切断する必要があった。しかし、軟質化した模型はナイフで任意の場所、任意の形状に切断することができた。
Claims (10)
- 断層撮影が可能な装置により立体物の内部構造および内部色彩の断層データを得る工程、
コンピューター上のデータ変換ソフトウェアにより、該断層データに基づいて、立体物の内部構造を表すボクセルデータに変換し、得られたボクセルデータを3次元カラープリンターに入力する工程、および
3次元カラープリンターにより、該ボクセルデータに基づいて粉体をバインダーを用いて凝集固定化し、辺の長さが1〜5mmの微小立体をそれぞれ立体物の対応する内部色彩に着色して作製し、該微小立体を積み重ねバインダーで接着する工程、
を含む立体物の模型を造形する方法であって、微小立体の作製および微小立体の積み重ねが、粉体を積層することにより3D模型を製造するラピッドプロトタイピング手法により行われ、微小立体を積み重ねる際の微小立体の間隔を3次元カラープリンターにより調節することにより、微小立体相互の接着性を調節し、模型内部に分離しやすい境目を有する立体物の模型を造形する方法。 - 粉体が石膏粉末、デンプン粉末または小麦粉である請求項1記載の立体物の模型を造形する方法。
- 立体物の模型が生体の部分の模型である請求項1または2に記載の方法。
- 生体の部分が、ヒト内臓である請求項3記載の方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法により得られた、複数の微小立体から構成され、立体物の外部構造および外部色彩ならびに外部から観察不可能な内部構造および内部色彩を表した3次元立体模型であって、切り開くことにより内部構造および内部色彩を観察することができる立体模型。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法により得られた、複数の微小立体から構成され、立体物の外部構造および外部色彩ならびに外部から観察不可能な内部構造および内部色彩を表した3次元立体模型であって、切り開くことにより内部構造および内部色彩を観察することができる立体模型を、軟質化し軟質化立体模型を作製する方法であって、バインダーを溶解させかつ粉体凝集物に軟性を付与する液体を硬質立体模型に含浸させることを含む軟質化立体模型を作製する方法。
- バインダーを溶解させかつ粉体凝集物に軟性を付与する液体が寒天溶液またはゼラチン溶液である請求項6に記載の軟質化立体模型を作製する方法。
- 硬質立体模型にバインダーを溶解させかつ粉体凝集物に軟性を付与する液体を含浸させる前に、該硬質立体模型をアルギン酸ナトリウムまたはKappa-カラギン酸で被覆し、さらにアルギン酸ナトリウムの場合は塩化カルシウムで、Kappa-カラギン酸の場合は塩化カリウムで処理することによって、立体模型表面に被膜を形成させることを含む、請求項6記載の軟質化立体模型を作製する方法。
- 被膜が、細胞膜、組織膜、皮膚および粘膜からなる群から選択されるものの模型である、請求項8記載の方法。
- 請求項6〜9のいずれか1項に記載の方法により作製された軟質化立体模型。
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