JP6830592B2 - 中空体モデルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、中空体モデルの製造方法に関する。より詳細に、本発明は、回転操作を行わずとも、均一な膜厚の中空体モデルを製造することができる方法に関する。
動脈瘤などを有する血管の流動解析；動脈瘤クリッピング手術のシミュレーション；カテーテルなどを用いて行う血管内手術のシミュレーションなどを実施するために血管モデルが用いられている（非特許文献１〜３）。
この血管モデルを製造する方法として、例えば、特許文献１は、臨床用診断装置を用いて血管の２次元断層データを収集する工程と、前記２次元断層データを用いて前記血管の３次元モデルの形状を算出し、前記血管内部の型を設計する工程と、粉体積層型ＲＰ造形システムを用いて、前記血管内部の型を作製する工程と、成形材料としてシリコーンゴムを用いて前記型から血管実体モデルを成形する工程とを有する液体流路モデルの製造方法を開示している。
特許文献２は、幹状部及び枝状部の内側に柔軟性を有する芯材が配設された状態において、芯材を引き抜いて幹状部及び枝状部の内側に連続的に中空部を形成する工程を具備することを特徴とする幹状部と、この幹状部から分岐された枝状部とを一体的に有して柔軟性を備えた管状モデルの製造方法を開示している。
この血管モデルを製造する方法として、例えば、特許文献１は、臨床用診断装置を用いて血管の２次元断層データを収集する工程と、前記２次元断層データを用いて前記血管の３次元モデルの形状を算出し、前記血管内部の型を設計する工程と、粉体積層型ＲＰ造形システムを用いて、前記血管内部の型を作製する工程と、成形材料としてシリコーンゴムを用いて前記型から血管実体モデルを成形する工程とを有する液体流路モデルの製造方法を開示している。
特許文献２は、幹状部及び枝状部の内側に柔軟性を有する芯材が配設された状態において、芯材を引き抜いて幹状部及び枝状部の内側に連続的に中空部を形成する工程を具備することを特徴とする幹状部と、この幹状部から分岐された枝状部とを一体的に有して柔軟性を備えた管状モデルの製造方法を開示している。
特許文献３は、被検体の断層像データに基づき、該被検体の腔所領域を抽出して該腔所領域に相当する体腔モデルを積層造形する工程と、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る工程と、前記体腔モデルを除去する工程と、を含む立体モデルの製造方法を開示している。特許文献３によれば、体腔モデルをシリコーンゴム槽にディピングし、取り出した後に体腔モデルを回転させながら乾燥して、体腔モデルの表面にシリコーンゴム膜を形成し、次いで体腔モデルを除去することによって、脳血管に類似の立体モデルを得ることができるようである。
Mashiko et al. "Development of Three-Dimensional Hollow Elastic Model for Cerebral Aneurysm Clipping Simulation Enabling Rapid and Low Cost Prototyping" PEER-REVIEW REPORTS, WORLD NEUROSURGERY 83 [3]: 351-361, MARCH 2015
Namba et al. "Microcatheter Shaping for Intracranial Aneurysm Coiling Using the 3-Dimensional Printing Rapid Prototyping Technology: Preliminary Result in the First 10 Consecutive Cases" Technical Note, WORLD NEUROSURGERY 84 [1]: 178-186, JULY 2015
Mashiko et al. "Training in Brain Retraction Using a Self-Made Three-Dimensional Model" Technical Note, WORLD NEUROSURGERY 84 [2]: 585-590, AUGUST 2015
特許文献３に記載のとおり、シリコーンゴム膜を形成するために、体腔モデルを回転させながら乾燥を行わなければならない。この回転操作は体腔モデルに塗布されたシリコーンゴムの液ダレによる膜厚の不均一化を防ぐために行われるが、この回転操作は煩雑であり、複雑な動きの回転を行わないと膜厚が不均一になる。回転操作の巧拙(skill)が血管モデルの出来栄えに大きく影響する。
本発明の課題は、上記のような回転操作を行わずとも、均一な膜厚の中空体モデルを製造することができる方法を提供することである。
本発明の課題は、上記のような回転操作を行わずとも、均一な膜厚の中空体モデルを製造することができる方法を提供することである。
上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、下記の形態を包含する本発明を完成するに至った。
〔１〕 中空体の内表面の形状データに基づいて樹脂製型を作製し、
該樹脂製型の表面に液状エラストマーを所定の厚さで付着させ、
液状エラストマーの付着した樹脂製型を、前記液状エラストマーの密度と同程度の密度を有し且つ樹脂製型に対して不活性な液に浸け、
該液中にて液状エラストマーを硬化させて硬化膜を形成し、
次いで、樹脂製型を除去することを含む、
中空体モデルの製造方法。
〔２〕 中空体が血管である〔１〕に記載の製造方法。
〔３〕 不活性な液が、水溶液またはアルコール溶液である、〔１〕または〔２〕に記載の製造方法。
〔４〕 不活性な液が、グリセロール、グリセロール水溶液またはグリセロールアルコール溶液である、〔１〕または〔２〕に記載の製造方法。
〔５〕 不活性な液の密度が、液状エラストマーの密度の±２０％の範囲にある、〔１〕〜〔４〕のいずれかひとつに記載の製造方法。
〔６〕 液状エラストマーが常温硬化性液状シリコーンゴムである〔１〕〜〔５〕のいずれかひとつに記載の製造方法。
該樹脂製型の表面に液状エラストマーを所定の厚さで付着させ、
液状エラストマーの付着した樹脂製型を、前記液状エラストマーの密度と同程度の密度を有し且つ樹脂製型に対して不活性な液に浸け、
該液中にて液状エラストマーを硬化させて硬化膜を形成し、
次いで、樹脂製型を除去することを含む、
中空体モデルの製造方法。
〔２〕 中空体が血管である〔１〕に記載の製造方法。
〔３〕 不活性な液が、水溶液またはアルコール溶液である、〔１〕または〔２〕に記載の製造方法。
〔４〕 不活性な液が、グリセロール、グリセロール水溶液またはグリセロールアルコール溶液である、〔１〕または〔２〕に記載の製造方法。
〔５〕 不活性な液の密度が、液状エラストマーの密度の±２０％の範囲にある、〔１〕〜〔４〕のいずれかひとつに記載の製造方法。
〔６〕 液状エラストマーが常温硬化性液状シリコーンゴムである〔１〕〜〔５〕のいずれかひとつに記載の製造方法。
本発明の方法によれば、回転操作を行わずとも、液状エラストマーの液ダレを防止でき、均一な膜厚の中空体モデルを製造することができる。
本発明の中空体モデルの製造方法は、中空体の内表面の形状データに基づいて樹脂製型を作製し、該樹脂製型の表面に液状エラストマーを所定の厚さで付着させ、液状エラストマーの付着した樹脂製型を、前記液状エラストマーの密度と同程度の密度を有し且つ樹脂製型に対して不活性な液に浸け、該液中にて液状エラストマーを硬化させて硬化膜を形成し、次いで、樹脂製型を除去することを含む。
中空体は、それを構成する物質（壁）とは異なる物質（内容物）が中に存在し得る構造を成すものである。典型的な中空体としては、袋、管などを挙げることができる。ヒトなどの動物には、血管、心臓、肺、食道、胃、腸、子宮、尿管などのような管状若しくは袋状の器官や、口腔、鼻腔、口峡、中耳腔、関節腔、囲心腔などの体腔を有する部分があり、これらも中空体の一例として挙げることができる。これらのうち、血管、特に動脈瘤を有する血管が、有用性という観点で好ましい。
中空体の内表面の形状データは、非破壊検査法にて取得することが好ましい。非破壊検査法としては、Ｘ線ＣＴ装置、ＭＲ装置、超音波装置、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴなどを用いた検査法を挙げることができる。Ｘ線ＣＴ装置を用いた検査法においては、造影剤を注入することによって形状データをより正確に取得することができる。ＭＲ装置を利用した血管造影法（ＭＲＡ）は血管の内表面、正確には血液の流れている部分の、２次元形状データまたは３次元形状データを取得するのに好適である。
樹脂製型は、３Ｄプリンタなどによる積層造形法、レーザ切削機などによる彫刻造形法などによって作製することができる。
樹脂製型に使用される樹脂は、特に制限されない。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン；アクリル樹脂；ポリアミド；ポリカーボネート；ポリエステル；ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ＭＳ樹脂などのスチレン系樹脂；ポリ塩化ビニル；ポリウレタンなどを挙げることができる。これらのうちＡＢＳ樹脂が好ましい。
作製された樹脂製型を、液状エラストマーの付着性が向上するように、または硬化膜からの除去性が向上するように、表面処理を行うことができる。表面処理としては、研磨処理、切削処理、熱処理、高周波処理、プラズマ処理、溶剤処理などを挙げることができる。研磨処理、切削処理、溶剤処理などを行ったあとに、研磨屑、切削屑、溶剤などが樹脂製型の表面に付着していることがあるので、例えば、研磨屑、切削屑、溶剤などを洗浄処理などによって取り除き、次いで乾燥させておくことが好ましい。
本発明に用いられる液状エラストマーとしては、例えば、液状シリコーンゴム、硬化性ポリウレタンエラストマー、アクリル系ゴムラテックス、ブタジエン系ゴムラテックスなどを挙げることができる。これらのうち、血管などの中空体の持つ風合い、柔らかさなどの特性の再現性に優れるという点で、液状シリコーンゴムが好ましい。
液状エラストマーには、常温で硬化するもの、加熱で硬化するもの、紫外線などの光の照射で硬化するものなどがある。本発明においては、取り扱い性に優れるという点で、常温硬化性液状エラストマーが好ましく用いられ、常温硬化性液状シリコーンゴムがより好ましく用いられる。
常温硬化性液状シリコーンゴムは、付加反応硬化性液状シリコーンゴムと、縮合反応硬化性液状シリコーンゴムとに大別される。
付加反応硬化性液状シリコーンゴムは、珪素原子に結合する脂肪族不飽和基を２個以上有するオルガノポリシロキサンと、架橋剤として珪素原子に結合する水素原子を３個以上持つオルガノハイドロジェンポリシロキサンと、触媒として白金化合物を含有し、付加反応によって硬化するものである。付加反応硬化性液状シリコーンゴムは、深部硬化性、耐リバーション性に優れ、硬化速度のコントロールが容易である。
縮合反応硬化性液状シリコーンゴムは、オルガノポリシロキサンの両末端に２個以上の加水分解基を持ち、大気中の湿気で硬化する一液タイプと、分子鎖末端に水酸基やアルコキシ基等の縮合反応可能な基を持つオルガノポリシロキサン同士をスズ化合物やチタン化合物のような縮合触媒の存在下で縮合反応させる二液タイプがある。二液タイプは、深部硬化性を良くするために水を添加することが好ましい。縮合反応硬化性液状シリコーンゴムは、接触する基材や作業雰囲気によって触媒が被毒されることがないため本発明において好ましく用いられる。
液状エラストマーは、施工性等の観点から、２５℃における粘度が、好ましくは０．０５〜１０００Ｐａ・ｓ、より好ましくは０．５〜１００Ｐａ・ｓである。
液状エラストマーには着色剤が含まれていてもよい。液状エラストマーに着色剤を含有させることによって実際の生体器官に類似した色の中空体モデルを得ることができる。
液状エラストマーの樹脂製型の表面への付着は、浸漬法、刷毛塗り法、スプレー塗布法などで行うことができる。液架橋などによる膜厚の不均一化を抑制するという観点から刷毛塗り法が好ましい。
付着させた液状エラストマーの厚さは、特に制限されない。血管などの中空体の厚さと同じ程度の厚さに設定することができる。例えば、大動脈の壁の厚さは約２ｍｍ；動脈の壁の厚さは約１ｍｍ；細動脈の壁の厚さは約２０μｍ；大静脈の壁の厚さは約１．５ｍｍ；静脈の壁の厚さは約０．５ｍｍである。
液架橋を抑制し、中空体の外形を整えるために外型を用いてもよい。外型の内表面は、中空体の外表面の形状データが有るときはそれに基づいて形成することができ、中空体の外表面の形状データが無いときは中空体の内表面の形状データに中空体の厚さを勘案して形成することができる。さらに、血管などの生体器官の場合は、対象とする血管の周りにある生体器官の形状データをさらに勘案して血管の外表面の形状を推定して形成することができる。外型は、樹脂、金属、セラミックスなどで形成することができる。液状エラストマーの樹脂製型の表面への付着は、例えば、樹脂製型を外型の中に設置し、樹脂製型の外面と外型の内面との間に液状エラストマーを注入することによって行うことができる。
液状エラストマーの付着した樹脂製型を浸ける不活性液は、液状エラストマーの密度と同程度の密度、例えば、液状エラストマーの密度の±２０％の範囲の密度を有し且つ樹脂製型に対して不活性なものである。なお、液状エラストマーの密度は、通常、１．０〜１．３ｇ／ｃｍ3である。
不活性液としては、例えば、密度が１ｇ／ｃｍ3以上の溶質（例えば、グリセロール［密度：１．２６１ｇ／ｃｍ3］）を、密度１ｇ／ｃｍ3の水や密度約０．８ｇ／ｃｍ3のアルコールなどの溶媒に溶解させた液を用いることができる。溶質は、液状エラストマーに対して不活性であることが好ましい。係る不活性液は、液状エラストマーの硬化反応をひき起こす、架橋剤、触媒および縮合触媒を溶質として含まないことが好ましい。このような観点から、本発明において用いられる不活性液は、好ましくは水溶液またはアルコール溶液、より好ましくはグリセロール、グリセロール水溶液またはグリセロールアルコール溶液である。なお、密度はＤＩＮ ５３４７９ Ａに準拠して測定した値である。
不活性液としては、例えば、密度が１ｇ／ｃｍ3以上の溶質（例えば、グリセロール［密度：１．２６１ｇ／ｃｍ3］）を、密度１ｇ／ｃｍ3の水や密度約０．８ｇ／ｃｍ3のアルコールなどの溶媒に溶解させた液を用いることができる。溶質は、液状エラストマーに対して不活性であることが好ましい。係る不活性液は、液状エラストマーの硬化反応をひき起こす、架橋剤、触媒および縮合触媒を溶質として含まないことが好ましい。このような観点から、本発明において用いられる不活性液は、好ましくは水溶液またはアルコール溶液、より好ましくはグリセロール、グリセロール水溶液またはグリセロールアルコール溶液である。なお、密度はＤＩＮ ５３４７９ Ａに準拠して測定した値である。
液状エラストマーの付着した樹脂製型は、不活性液の液面よりも下になるように浸ける。不活性液の中において、液状エラストマーに掛かる重力と浮力とがほぼバランスし、液状エラストマーの液だれを抑制することができる。樹脂製型を不活性液に漬けた時に、不活性液を撹拌したり、樹脂製型を揺り動かしたりしてもよいが、樹脂製型に付着した液状エラストマーの表面が撹拌または揺動によって波打って硬化膜に皺が寄ったり、破れが生じたりすることがあるので、撹拌または揺動させずに静置する方がよい。
液状エラストマーの硬化は、液状エラストマーの種類に応じて、適宜行うことができる。常温硬化性液状エラストマーの場合は、不活性液の温度を、常温、例えば、１０〜２５℃にすることが好ましい。熱硬化性液状エラストマーの場合は、不活性液の温度を、常温より高い温度、例えば、３０℃以上にすることが好ましい。
液状エラストマーの硬化によって得られる硬化膜は、血管などの生体器官と同様の柔軟性、硬さを有することが好ましい。
なお、使用済の不活性液には、微粒子などの異物が含まれていることがある。使用済み不活性液を再使用すると、この異物が硬化中の液状エラストマーに付着することがあるので、使用済み不活性液を再使用する場合は、使用済み不活性液を濾過などして、微粒子などの異物を取り除くことが好ましい。
液状エラストマーの硬化によって得られる硬化膜は、血管などの生体器官と同様の柔軟性、硬さを有することが好ましい。
なお、使用済の不活性液には、微粒子などの異物が含まれていることがある。使用済み不活性液を再使用すると、この異物が硬化中の液状エラストマーに付着することがあるので、使用済み不活性液を再使用する場合は、使用済み不活性液を濾過などして、微粒子などの異物を取り除くことが好ましい。
液状エラストマーの硬化の後、不活性液から取り出して、平滑化、形状修正などのために、各種の除去加工や付加加工を硬化膜に施してもよい。除去加工としては、バリ取り、研磨などを挙げることができる。付加加工としては、色着けなどを挙げることができる。樹脂製型を溶媒にて溶解させる前に樹脂製型に付着している不活性液を除去しておくことが、溶媒への不活性液のコンタミを防ぐことができるので好ましい。樹脂製型に付着している不活性液は、例えば、水洗浄、アルコール洗浄などを行い、次いで自然乾燥、熱風乾燥、真空乾燥などを行うことによって除去することができる。
樹脂製型の除去は、例えば、樹脂製型を溶媒にて溶解させることによって、樹脂製型を加熱して融解させることによって、または融解と溶解とを併用することによって、行うことができる。樹脂製型を溶解させる溶媒は硬化膜に不活性なものであることが好ましい。また、融解させる温度は硬化膜を劣化させない範囲であることが好ましい。樹脂製型の除去によって残された硬化膜は、樹脂製型残渣を取り除くために、溶剤洗浄、水洗浄などを施すことができる。
本発明の製造方法によって得られる中空体モデル、例えば血管モデルは、その周りにある器官モデルと組み合わせることによって、生体の切開によって現れるであろう患部の状態（各器官の配置など）を予測することができる。より具体的に、中空体モデルは、例えば、動脈瘤などを有する血管の流動解析；クリッピング手術、人工血管置換術などのような切開手術のシミュレーション；カテーテルなどを用いて行う血管内手術（例えば、血管拡張術、血栓除去術、血管形成術、シャント形成術、血管塞栓術、ステントグラフト手術、レーザ焼灼術など）のシミュレーションなどにおいて用いることができる。
次に実施例を示して本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は実施例によって何ら限定されない。
比較例
動脈瘤クリッピング手術を行う予定になっている患者の患部周辺をＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）およびＭＲＡ（磁気共鳴血管造影法）にて測定し、血管の２次元形状データを得た。２次元形状データを積層して３次元形状データに変換した。得られた形状データに基づいて３ＤプリンタにてＡＢＳ樹脂で積層造形して血管の樹脂製型を作製した。ナイフで小突起（バリなど）を除去し、次いで少量のキシレンで表面を溶かし、樹脂製型の形を整えた。
常温硬化性液状シリコーンゴム（２液タイプ・縮合反応硬化性、粘度１３Ｐａ・ｓ、密度１．２８ｇ／ｃｍ3）にピンク色水性塗料を少量加えて色付けした。色付けされた液状シリコーンゴムを刷毛で樹脂製型の表面に厚さ０．５ｍｍで塗り付けた。放置していると液だれするので、塗り付けから硬化するまでの間（およそ１時間）、樹脂製型を手で持って常時回転させ、膜厚が均一になるようにしなければならなかった。なお、回転させないで硬化させると、液だれによって膜の厚さが不均一となった。
動脈瘤クリッピング手術を行う予定になっている患者の患部周辺をＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）およびＭＲＡ（磁気共鳴血管造影法）にて測定し、血管の２次元形状データを得た。２次元形状データを積層して３次元形状データに変換した。得られた形状データに基づいて３ＤプリンタにてＡＢＳ樹脂で積層造形して血管の樹脂製型を作製した。ナイフで小突起（バリなど）を除去し、次いで少量のキシレンで表面を溶かし、樹脂製型の形を整えた。
常温硬化性液状シリコーンゴム（２液タイプ・縮合反応硬化性、粘度１３Ｐａ・ｓ、密度１．２８ｇ／ｃｍ3）にピンク色水性塗料を少量加えて色付けした。色付けされた液状シリコーンゴムを刷毛で樹脂製型の表面に厚さ０．５ｍｍで塗り付けた。放置していると液だれするので、塗り付けから硬化するまでの間（およそ１時間）、樹脂製型を手で持って常時回転させ、膜厚が均一になるようにしなければならなかった。なお、回転させないで硬化させると、液だれによって膜の厚さが不均一となった。
実施例
比較例と同じ方法で樹脂製型を作製した。常温硬化性液状シリコーンゴム（２液タイプ・縮合反応硬化性、粘度１３Ｐａ・ｓ、密度１．２８ｇ／ｃｍ3）にピンク色水性塗料を少量加えて色付けした。色付けされた液状シリコーンゴムを刷毛で樹脂製型の表面に厚さ０．５ｍｍで塗り付けた。放置していると液だれするので、塗り付けている間（数分間）、樹脂製型を手で持って回転させ、膜厚が均一になるようにした。
その後、密度１．２６ｇ／ｃｍ3、温度２０℃のグリセロール水溶液に、液状シリコーンゴムの付着した樹脂製型を浸け、約１時間静置して、液状シリコーンゴムを硬化させた。硬化後、グリセロール水溶液から取り出し、水で洗浄し、次いで乾燥させた。その後、樹脂製型をキシレンに浸け揺さぶって、樹脂製型を溶解させて除去した。残された硬化膜をキシレンから取り出し、キシレン洗浄し、アルコール洗浄し、水洗浄し、次いで乾燥させた。平均厚さ０．５ｍｍで均一膜厚の血管モデルが得られた。
比較例と同じ方法で樹脂製型を作製した。常温硬化性液状シリコーンゴム（２液タイプ・縮合反応硬化性、粘度１３Ｐａ・ｓ、密度１．２８ｇ／ｃｍ3）にピンク色水性塗料を少量加えて色付けした。色付けされた液状シリコーンゴムを刷毛で樹脂製型の表面に厚さ０．５ｍｍで塗り付けた。放置していると液だれするので、塗り付けている間（数分間）、樹脂製型を手で持って回転させ、膜厚が均一になるようにした。
その後、密度１．２６ｇ／ｃｍ3、温度２０℃のグリセロール水溶液に、液状シリコーンゴムの付着した樹脂製型を浸け、約１時間静置して、液状シリコーンゴムを硬化させた。硬化後、グリセロール水溶液から取り出し、水で洗浄し、次いで乾燥させた。その後、樹脂製型をキシレンに浸け揺さぶって、樹脂製型を溶解させて除去した。残された硬化膜をキシレンから取り出し、キシレン洗浄し、アルコール洗浄し、水洗浄し、次いで乾燥させた。平均厚さ０．５ｍｍで均一膜厚の血管モデルが得られた。
Claims (5)
- 中空体の内表面の形状データに基づいて樹脂製型を作製し、
該樹脂製型の表面に常温硬化性液状エラストマーを所定の厚さで付着させ、
常温硬化性液状エラストマーの付着した樹脂製型を、前記常温硬化性液状エラストマーの密度の±２０％の範囲にある密度を有し、樹脂製型に対して不活性で且つ常温の液に浸け、
該液中にて常温硬化性液状エラストマーを常温で硬化させて硬化膜を形成し、
次いで、樹脂製型を除去することを含み、
前記液に浸ける前の樹脂製型の表面に付着される常温硬化性液状エラストマーは放置していると液だれする状態のものである、
中空体モデルの製造方法。 - 中空体が血管である、請求項１に記載の製造方法。
- 不活性な液が、グリセロール、グリセロール水溶液またはグリセロールアルコール溶液である、請求項１または２に記載の製造方法。
- 常温硬化性液状エラストマーは、２５℃における粘度が、０．０５〜１０００Ｐａ・ｓである、請求項１〜３のいずれかひとつに記載の製造方法。
- 常温硬化性液状エラストマーが常温硬化性液状シリコーンゴムである請求項１〜４のいずれかひとつに記載の製造方法。
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