KR100614147B1 - 입체 모델 - Google Patents

Abstract

피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 혈관 등의 체강 모델을 적층 조형하고, 이 체강 모델의 주위를 입체 모델 성형 재료로 둘러싸 상기 입체 모델 성형 재료를 경화시키고, 그 후 체강 모델을 융해 또는 용해하여 제거함으로써 원하는 입체 모델을 형성한다.

입체 모델, 단층화상, 체강, 적층 조형, 성형 재료, 융해, 용해

Description

입체 모델 {THREE-DIMENSIONAL MODEL}

본 발명은 입체 모델에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 피실험체의 혈관 등의 체강(體腔)을 재현한 입체 모델에 관한 것이다.

뇌혈관을 재현한 실리콘고무제 입체 모델이 제네바대학 모델(University of Geneva Model)로 알려져 있다. 이 뇌혈관 모델은 투명 실리콘고무제의 직육면체 내에 뇌혈관이 공간으로서 재현되어 있고, 상기 공간이 모델 표면까지 연통되어 개구되어 있다. 이 개구에 박동류(拍動流)의 펌프를 접속하여 액체를 유입시킴으로써, 생체 외부(in vitro) 상태 하에서 뇌동맥류(腦動脈瘤), 경막동정막기형(硬膜動靜膜奇形), 혈관협착(血管狹窄) 등의 병변(病變)을 시뮬레이션할 수 있다. 또, 상기 개구를 통하여 뇌혈관 내에 카테터(catheter)나 색전물질(塞栓物質)의 삽입훈련을 할 수도 있다.

이 뇌혈관 모델은 사체를 바탕으로 작성된 것이며, 뇌혈관에 해당하는 공간의 형상은 레디메이드(ready-made)로 고정되어 있다.

다른 한편으로는 CT 스캐너 등에 의하여 얻어진 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 입체적인 생체 모델의 형성 방법이 일본특개평5-11689호 공보, 일본특공평8-18374호 공보, 일본실개평 6-13805호 공보, 일본특개2002-40928호 공보, 일 본특개2001-5377호 공보 등에 기재되어 있다.

이들 방법에 의하면, 촬영장치에 의해 등간격으로 촬영함으로써 얻어진 복수 매의 단층촬영 데이터를 기초로, 광조형(光造形)에 의해서 대상으로 삼는 여러 가지 기관과 동일한 형상을 가지는 입체 모델이 형성된다. 따라서, 충분한 단층촬영 데이터가 얻어지는 한, 어떠한 부위에서도 그 내부형상까지 포함시켜 오더메이드(order-made)의 입체 모델을 형성할 수 있다.

본 발명자들은 상기의 뇌혈관 모델을 오더메이드로 작성하도록 검토를 하던 바, 전술한 특허문헌에서 소개되어 있는 단층화상 데이터에 기초하는 입체 모델의 형성 방법을 적용할 수 있지 않을까 생각했다.

따라서, 상기 형성 방법에 의해 뇌혈관 모델의 작성을 시도한 바, 다음 과제에 당면하였다.

뇌혈관 모델을 의료현장에서 생체 외부 상태에서 사용하는 데에는 모델에 높은 투명성과 생체조직과 유사한 탄력성 및 유연성이 요구된다. 그러나, 상기의 형성 방법에서 사용되는 광조형 이외의 적층 조형법을 실행하는 재료에는 이러한 요구를 만족하는 것이 없다.

또, 입체 모델의 조형체적이 커지거나 조형정밀도가 높아지면, 적층 조형에 요하는 시간이 비약적으로 증대된다. 따라서, 의료현장에서 요구되는 뇌혈관 모델을 종래 기술의 형성 방법으로 적층 조형하는 데에는 막대한 시간이 필요하게 된다. 이로 인해, 모델작성비용이 높아지고, 또한 모델의 작성에 긴급을 요하는 경 우에 대응할 수 없는 경우가 있다.

본 발명자들은 상기 과제 중 적어도 하나를 해결하도록 예의 검토한 바, 하기 본 발명에 이르렀다. 즉, 본 발명은 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 혈관 등의 체강 모델을 적층 조형하는 공정과, 상기 체강 모델의 주위를 입체 모델 성형 재료로 둘러싸 상기 입체 모델 성형 재료를 경화시키는 공정과, 상기 체강 모델을 제거하는 공정을 포함하는 입체 모델의 제조 방법이다.

본 발명에 의하면, 적층 조형공정에서는 혈관 등의 비교적 체적이 작은 영역(체강 모델)을 형성하기 때문에, 그 소요시간을 짧게 할 수 있다.

또, 적층 조형된 체강 모델을 입체 모델 성형 재료로 둘러싸 입체 모델의 체부(體部)를 형성하기 때문에, 상기 입체 모델 성형 재료를 임의로 선택함으로써, 의료현장의 요구에 따른 입체 모델을 형성할 수 있다. 예를 들면, 실리콘고무를 이용함으로써, 투명하고 또한 생체에 가까운 탄력성 및 유연성을 구비한 뇌혈관 모델(입체 모델)을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로, 적층 조형된 체강 모델을 나타내는 사시도이다.

도 2는 체강 모델에 부가된 가이드부를 나타내는 사시도이다.

도 3은 실시예의 입체 모델을 나타내는 사시도이다.

도 4는 다른 실시예의 입체 모델을 나타내는 도면이다.

도 5는 다른 실시예의 입체 모델에 부가된 표식을 나타내는 도면이다.

도 6은 본 발명의 실시예의 의료용 모델을 나타내는 사시도이다.

도 7은 상기 의료용 모델의 사용 양태를 나타내는 도면이다.

도 8은 다른 실시예의 입체 모델을 나타내는 사시도이다.

도 9는 다른 실시예의 입체 모델을 나타내는 사시도이다.

도 10은 도 9의 입체 모델의 제조 방법을 나타내는 개략도이다.

이하, 본 발명의 각 요소에 대해 상세하게 설명한다.

(피실험체의 단층화상 데이터)

피실험체는 인체의 전체 또는 일부를 대상으로 하지만, 동물이나 식물을 단층 촬영의 대상으로 삼을 수 있다. 또, 사체(死體)를 제외하는 것은 아니다.

단층화상 데이터는 적층 조형을 실행하기 위한 기초가 되는 데이터를 말한다. 일반적으로, X선 CT장치, MRI장치, 초음파장치 등에 의해서 얻어진 단층촬영 데이터로부터 3차원 형상 데이터를 구축하고, 상기 3차원 형상 데이터를 2차원으로 분해하여 단층화상 데이터로 한다.

이하, 단층화상 데이터 생성의 일례를 설명한다.

여기서는 몸체 축 방향으로 평행 이동하면서 등간격으로 촬영함으로써 얻어진 복수의 2차원 화상을 입력데이터(단층촬영 데이터)로서 사용하는 경우에 대하여 설명하지만, 다른 촬영방법에 의해서 얻어진 2차원 화상, 또는 3차원 화상을 입력 화상으로 하는 경우에도 동일한 처리를 행하는 것에 따라 공간의 3차원 형상 데이터를 얻을 수 있다. 입력된 각 2차원 화상은 우선 촬영시의 촬영간격에 따라서 정확하게 적층된다. 다음에, 각 2차원 화상 상에, 화상농도값에 관한 임계값을 지정 함으로써, 체강 모델의 대상으로 삼는 공간영역만을 각 2차원 화상으로부터 추출하고, 한편 다른 영역을 적층된 2차원 화상으로부터 삭제한다. 이것에 의해 공간영역에 상당하는 부분의 3차원 형상이 2차원 화상을 적층한 모양으로 부여되고, 이 각 2차원 화상의 윤곽선을 3차원적으로 보정하고, 3차원 곡면으로 재구성함으로써 대상으로 삼는 공간의 3차원 형상 데이터가 생성된다. 또한, 이 경우는 농도값에 관한 임계값을 지정함으로써, 우선 입력 화상으로부터 공간영역의 추출을 행했지만, 이 방법과는 별도로, 공간표면을 부여하는 특정 농도값을 지정함으로써 입력 화상으로부터 공간표면을 추출하고, 3차원 보정함으로써 직접적으로 3차원 곡면을 생성하는 것도 가능하다. 또, 임계값 지정에 의한 영역추출(또는 특정 농도값 지정에 의한 표면추출)을 행한 후에 입력 화상의 적층을 행하더라도 된다. 또, 3차원 곡면의 생성은 다각형 근사법에 의해서 행할 수도 있다.

또한, 상기 3차원 형상 데이터에는 상기 3차원 형상 데이터의 생성 중, 또는 생성 후에, 형상의 수정이나 변경을 실시하는 것이 가능하다. 예를 들면, 단층촬영 데이터 중에는 존재하지 않는 구조를 부가하는 것이나, 서포트(support)라고 칭하는 지지 구조를 부가하는 것이나, 또는 단층촬영 데이터 중의 구조를 일부 제거하는 것이나, 공간의 형상을 변경하는 것 등이 가능하여, 이로 인해, 입체 모델의 내부에 형성되는 공간의 형상을 자유롭게 수정 또는 변경할 수 있다. 또한, 공간의 내부에 비적층 조형 영역을 형성하는 것도 가능하여, 후에 설명하는 내부를 중공의 구조로 하여, 비적층 조형 영역을 형성한 체강 모델을 제작하는 경우에는 그와 같은 비적층 조형 영역을 공간의 내부에 설치한 3차원 형상 데이터를 생성해 둔 다. 또한, 이들 처리는 적층 조형시스템, 또는 적층 조형시스템에 대응한 소프트웨어에서 행할 수도 있다.

다음으로, 생성한 공간의 3차원 형상 데이터를 필요에 따라 체강 모델의 적층 조형에 사용하는 적층 조형시스템에 대응한 형식으로 변환하여, 사용하는 적층 조형시스템, 또는 사용하는 적층 조형시스템에 대응한 소프트웨어로 보낸다.

적층 조형시스템(또는 적층 조형시스템에 대응한 소프트웨어)에서는 적층 조형시의 체강 모델의 배치나 적층방향 등의 각종 설정항목의 설정을 행하는 동시에, 적층 조형 중의 형상유지 등의 목적으로, 필요한 개소에 서포트(지지 구조)를 부가한다(필요없으면 부가할 필요는 없다). 마지막으로, 이렇게 하여 얻어진 조형용 데이터를 적층 조형시의 조형두께에 따라 슬라이스(slice) 함으로써, 적층 조형에 직접 이용되는 슬라이스데이터(단층화상 데이터)를 생성한다. 또한, 상기의 순서와는 반대로, 슬라이스데이터의 생성을 행한 후에 서포트의 부가를 행하더라도 된다. 또, 슬라이스데이터가 사용하는 적층 조형시스템(또는 적층 조형시스템에 대응한 소프트웨어)에 의해서 자동적으로 생성되는 경우에는 이 순서를 생략할 수 있다. 단, 이 경우에도 적층 조형두께의 설정을 행해도 된다. 서포트의 부가에 관해서도 마찬가지로, 적층 조형시스템(또는 적층 조형시스템에 대응한 소프트웨어)에 의해서 서포트가 자동적으로 생성되는 경우에는 수동으로 생성할 필요는 없다(수동으로 생성해도 된다).

상기의 예에서는 단층촬영 데이터로부터 3차원 형상 데이터를 구축하고 있지만, 데이터로서 처음부터 3차원 형상 데이터가 부여된 경우도 이것을 2차원으로 분 해하여 다음의 적층 조형공정에 이용하는 단층화상 데이터를 얻을 수 있다.

상기 화상 처리에 있어서, 생체 정보를 수집 또는 추가할 수 있다.

여기서 생체 정보란, 안구, 코, 뼈 등의 생체조직의 형상 또는 위치 또는 그 방향(오리엔테이션)을 말한다. 이러한 생체 정보는 상기 생체조직의 3차원데이터 형상을 형성하고, 이것을 화상 처리함으로써 얻을 수 있다. 즉, 단층촬영 데이터(2차원 화상)를 화상 처리하여, 3차원 형상 데이터를 구성하고, 나아가서 단층화상 데이터를 형성할 때, 상기 단층화상 데이터에 혈관 등의 체강에 관한 데이터와 안구 등 기타 생체 정보에 관한 데이터를 포함할 수 있다. 이러한 생체 정보는 3차원데이터를 작성할 때에 오퍼레이터가 수동으로 추가할 수도 있다.

본 발명에서는 혈관 등의 체강을 대상으로 삼고 있고, 여기에 체강이란 여러 가지 기관(골격, 근육, 순환기, 호흡기, 소화기, 비뇨생식기, 내분비기, 신경, 감각기 등)에 존재하는 공간 및, 이들 여러 가지 기관이나 체벽 등의 기하학적 배치에 의해서 구성되는 공간을 말한다. 따라서, 심장의 내강, 위의 내강, 장의 내강, 자궁의 내강, 혈관의 내강, 요관의 내강 등의 여러 가지 기관의 내강이나, 구강, 비강, 인후, 중이강, 체강, 관절강, 위심강(圍心腔) 등이「체강」에 포함된다.

(적층 조형)

적층 조형이란, 단층화상 데이터에 기초하여 얇은 층을 형성하고, 이것을 순차 반복함으로써 원하는 조형을 얻는 것을 말한다.

적층 조형된 체강 모델은 입체 모델 성형 재료로 둘러싸이고, 또 그 후 분해 제거되어야 한다. 제거를 용이하게 하기 위해, 적층 조형에 이용하는 재료를 낮은 융점의 재료로 하거나, 또는 용제에 용이하게 용해되는 재료로 하는 것이 바람직하다. 이러한 재료로는 저융점의 열경화성수지 또는 왁스 등을 이용할 수 있다. 이른바 광조형법(적층 조형에 포함된다)에 있어서 범용되는 광경화성 수지에 있어서도 그 분해가 용이하면, 이것을 이용할 수 있다.

상기 체강 모델은 다음 공정에서 입체 모델 성형 재료로 둘러쌀 때에 외부로부터 부가되는 압력 등의 외력에 견딜 수 있는 강도를 가지는 범위에 있으면, 그 내부를 중공구조로 하여 얇게 할 수 있다. 이로 인해, 적층 조형에 소요되는 시간이나 조형에 따르는 비용이 저감될 뿐 아니라, 후의 용출(溶出) 처리에 있어서 체강 모델의 용출을 간소화할 수 있다.

구체적인 적층 조형의 방식으로서, 예를 들면 분말소결방식, 용융수지 분출방식, 용융수지 압출방식 등을 들 수 있다.

분말소결방식의 적층 조형에서는 평면형으로 부설된 분말재료 상에, 단층화상 데이터에 따라, 레이저 등의 가열용 빔을 주사함으로써, 분말의 표면을 용융시켜 분말들을 접합시켜, 소결된 분말박층을 형성한다. 이 때 이미 소결되어 있는 하층의 박막과의 접합도 동시에 행하여진다. 다음에, 새로운 분말의 박층이 다시 상면에 공급되고, 이 처리를 반복하여 분말소결층을 순차 형성하는 동시에 적층시켜 가는 방식의 적층 조형을 행하는 것에 따라 체강 모델의 적층 조형을 행한다.

용융수지 분출형의 적층 조형에서는 단층화상 데이터에 따라 노즐헤드를 평면상으로 주사시키면서, 노즐로부터 용융된 조형 재료를 분출 또는 적하시켜 퇴적고화시켜 박층을 형성하고, 이 박층을 순차 형성하는 동시에 적층시켜 가는 방식의 적층 조형을 행하는 것에 따라 체강 모델의 적층 조형을 행한다.

용융수지 압출형의 적층 조형에서는 가느다란 노즐로부터 조형 재료를 밀어내고, 이 세선형(細線形)의 재료를 그림을 그리듯이 노즐로부터 송출하여 고화시키면서, 단층화상 데이터에 따라 노즐헤드를 면상에서 주사시킴에 따라 박층을 형성하고, 이것을 적층하는 방식의 적층 조형을 행하는 것에 따라 체강 모델의 적층 조형을 행한다.

또한, 적층 조형에 의해서 제작된 체강 모델에는 적층 조형의 후에, 표면연마나, 표면코팅의 부가 등 각종 가공(제거가공 및 부가가공)을 추가하는 것이 가능하여, 이에 따라 체강 모델의 형상을 수정 또는 변경하는 것이 가능하다. 이들 가공의 일환으로서, 체강 모델의 제작에 대응하여, 적층 조형 후의 제거가 필요한 서포트를 부가한 경우에는 서포트의 제거를 행하여 놓는다.

체강 모델의 표면을 다른 재료로 코팅함으로써, 체강 모델의 재료의 일부 성분 또는 모든 성분이 입체 모델 성형 재료 중에 확산하는 것을 방지할 수 있다. 기타, 체강 모델의 표면을 물리적으로 처리(열처리, 고주파처리 등), 또는 화학적으로 처리함으로써, 상기 확산을 방지할 수도 있다.

체강 모델은 표면처리를 함으로써, 표면의 단차(段差)를 원활화하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 입체 모델의 내강표면이 원활하게 되고, 보다 실제의 혈관 등의 체강내표면을 재현할 수 있게 된다. 표면처리의 방법에서, 체강 모델의 표면을 용제에 접촉시키는 것, 가열하여 표면을 용융하는 것, 코팅하는 것, 및 이들을 병용하는 것을 들 수 있다.

이미 설명한 바와 같이, 생체 정보가 얻어진 경우에는 체강 모델과 동시에 상기 생체 정보를 표시한 표식을 작성하는 것이 바람직하다. 제조공정수의 증가를 억제하기 위함이다.

(입체 모델의 형성)

체강 모델의 일부 또는 전부를 입체 모델 성형 재료로 둘러싸 이것을 경화하고, 체강 모델을 제거함으로써 입체 모델이 형성된다. 즉, 체강 모델은 후의 공정에서 소위 로스트왁스(lost-wax)용 소실(消失) 모델로서 사용된다. 로스트왁스용 소실 모델이란, 로스트왁스 주조법이라고 불리는 정밀주조법으로 사용되는 모형을 말하며, 이 모형의 주위를 미립자의 내화물이나 세라믹내화물로 코팅하여, 소성한 후에 이 모형을 녹여 제거함으로써, 상기 소실 모델과 동일한 형상을 가지는 주조물을 주조하기 위한 주형을 제조할 목적으로 사용되는 것이다. 그러나, 본 발명에서는 적층 조형에 의해 제작된 체강 모델을 상기의 주형제조의 목적으로 사용하는 것이 아니라, 입체 모델 성형 재료에 의해서 그 주위 전체, 또는 주위의 특정부분을 채우고, 상기 입체 모델 상기 성형 재료를 경화시킴에 따라 입체 모델을 형성한 후, 입체 모델 내부에 존재하는 체강 모델만을 제거함으로써, 대상으로 삼는 공간과 동일한 형상 내지 구조를 가지는 공간을 내부에 가지는 입체 모델을 제조할 목적으로 사용한다.

입체 모델 성형 재료는 상기 모델의 용도에 따라서 적절하게 선택된다. 예를 들면, 실리콘고무(실리콘일래스토머, 실리콘겔)이나 열경화성의 폴리우레탄일래스토머 등의 일래스토머(elastomer) 또는 겔(GEL) 외에 실리콘수지, 에폭시수지, 폴리우레탄, 불포화폴리에스테르, 페놀수지, 우레아수지 등의 열경화성수지나, 폴리메타아크릴산메틸 등의 열가소성수지를 단독으로, 또는 복수 조합하여 사용할 수 있다. 이들 재료의 경화방법은 주지의 방법에 의한다.

입체 모델의 대상을 뇌혈관 모델로 할 때에는 투명하고 또한 생체조직에 가까운 탄력성 및 유연성을 구비하는 재료를 채용하는 것이 바람직하다. 이러한 재료로서 실리콘고무(실리콘일래스토머 또는 실리콘겔)를 들 수 있다. 또, 실리콘고무는 생체조직과 동등한 접촉 특성을 갖기 때문에, 카테터 등의 의료 기구를 삽입하는 수술의 시행에 적절하다.

입체 모델 형성 재료를 복수 층으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 공간의 주위를 보다 생체조직에 가까운 특성(탄력성, 유연성 등)을 가지는 재료로 형성하고, 외주를 내구성이 높은 재료로 형성할 수 있다.

입체 모델의 외형도 임의로 형성할 수 있다. 예를 들면, 체강 모델의 주위를 성형 재료로 채우는 경우에는 미리 준비 해 둔 원하는 형상의 외형을 사용하면 좋지만(이 외형의 내부를 체강 모델과 성형 재료로 채운다), 외형을 사용하지 않고, 체강 모델의 표면에 졸(SOL) 또는 분말상의 성형 재료를 부착시키고, 이것을 경화시킴에 따라 입체 모델을 형성(디핑성형, 슬래시성형)할 수도 있다. 외형을 사용하는 경우에는 후의 외형의 제거에 대비하여, 사용하는 상기 성형 재료와의 친화력이 낮은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 단, 외형의 제거를 행하지 않고 최종적으로 얻어지는 입체 모델의 일부로 할 수도 있다.

또한, 입체 모델의 외부형상을 외형에 의해서 성형하는 경우, 외형의 성형면 의 형상을 대상으로 삼는 공간을 내부에 포함하는 여러 가지 기관 등의 외부형상과 일치시킴에 따라, 공간과 상기 공간을 내부에 포함하는 여러 가지 기관 등의 외부형상을 함께 재현하는 것이 가능하다.

입체 모델의 외부형상은 대상으로 삼는 공간을 내부에 포함하는 여러 가지 기관 등의 외부형상과 일치시킬 필요는 없고, 기타 형상(예를 들면 입방체형상 등)으로 치환해도 된다. 예를 들면, 투명성을 가지는 성형 재료를 사용하여 입체 모델의 제조를 행하는 경우에는 상기 입체 모델의 외부형상에 평면을 형성하는 것에 따라, 상기 입체 모델 내부에 재현한 공간의 인식성을 향상시킬 수 있다. 여기서 말하는 평면은 공간의 인식에 실질적인 지장을 초래하지 않는 범위의 곡면이나 요철면을 포함하는 것이다. 또, 이 평면을 하면으로 함으로써 입체 모델의 탑재안정성이 향상된다.

또, 입체 모델의 외부형상에 대하여는 성형 재료의 경화에 의한 형성 후, 각종 제거가공이나 부가가공을 행할 수 있고, 이에 의해 평활화하거나, 형상에 수정이나 변경을 가할 수 있다.

혈관을 재현한 체강 모델은 입체 모델의 공간을 규정하는 것이며, 이 공간으로 카테터 등을 삽입하기 위해서는 체강 모델의 단부를 입체 모델의 표면에 표출시켜, 입체 모델에 있어서 공간의 단부가 개구되도록 한다.

체강 모델의 형태에 따라서는 입체 모델의 표면에 표출하지 않은 경우가 있지만, 그 경우는 체강 모델의 단부로부터 기둥형의 가이드부를 늘려 이것을 입체 모델의 표면에 표출시키면 된다. 나아가서, 입체 모델의 형성 후, 입체 모델의 표 면으로부터 그 내부에 매설되어 있는 체강 모델의 단부까지 구멍을 형성할 수도 있다.

주형을 이용하지 않고서 입체 모델을 형성할 수도 있다. 예를 들면, 체강 모델의 표면에 입체 모델 형성 재료를 필름형으로 형성한다. 체강 모델(내부가 채워진)이 혈관을 재현한 경우, 상기 필름형의 입체 모델로부터 체강 모델을 제거하면, 상기 혈관의 중공 모델이 형성된다.

체강 모델의 일부를 입체 모델 형성 재료로 필름형으로 둘러싸고, 나머지 부분은 주형을 이용하여 입체 모델 성형 재료로 두껍게 둘러쌀 수 있다.

여기에, 주형을 이용한 블록형의 입체 모델에서는 혈관 등의 체강의 동적 거동을 재현할 수 없다. 다른 한편으로는 필름형의 입체 모델에서는 혈관 등의 체강의 동적 거동을 거의 충실히 재현 가능하지만, 단독으로는 형상을 유지할 수 없기 때문에, 취급이 곤란하게 된다. 따라서, 블록형의 입체 모델의 일부를 필름형으로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 블록형의 입체 모델 내에 공극부를 형성하고, 상기 공극부 내에 위치하는 혈관 등의 체강을 필름형으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 뇌혈관 모델에서는 상기 공극부를 거미막하(subarachnoid) 공간에 대응시키고, 관찰이나 카테터 수술의 시뮬레이션이 필요하게 되는 혈관을 상기 거미막하 공간 내에 존재시킨다. 이에 따라, 관찰 시에는 상기 혈관의 동적 거동을 리얼하게 재현할 수 있게 되어, 카테터 수술에서는 보다 리얼한 시뮬레이션이 가능하게 된다.

생체 정보를 표시하는 표식을 체강 모델과 더불어 형성한 경우에는 이 표식 도 입체 모델 형성 재료로 그 일부 또는 전부를 둘러싼다. 표식과 체강 모델을 동일한 재료로 형성한 경우 등에 있어, 체강 모델과 동시에 표식이 제거되는 것이 바람직하지 않은 경우에는 표식은 입체 모델 형성 재료로 완전히 덮인 상태로 할 수도 있다.

(체강 모델의 제거)

중자(中子)로서 입체 모델 성형 재료 중에 매설되어 있는 체강 모델은 입체 모델 성형 재료의 경화 후에 제거된다. 제거 방법은 체강 모델의 조형 재료에 따라서 적절하게 선택되고, 입체 모델에 영향을 주지 않는 한 특별히 한정되지 않는다.

체강 모델을 제거하는 방법에서, (a)가열에 의해 용융하는 가열용융법, (b)용제에 의해 용해하는 용제 용해법, (c)가열에 의한 용융과 용제에 의한 용해를 병용하는 하이브리드법 등을 채용할 수 있다. 이들 방법에 의해 체강 모델을 선택적으로 유동화하고, 입체 모델의 외부로 용출하여 이것을 제거한다.

체강 모델의 적층 조형에 사용하는 재료와, 입체 모델의 성형 재료 사이에는 이미 설명한 가열용융법, 용제 용해법, 또는 하이브리드법 중 어느 것을 사용하는지에 의존하여, 서로 관련이 있는 다음과 같은 제약 조건이 부과된다.

(1) 가열용융법에 의해 체강 모델의 용출을 행하는 경우에는 하기 (1-1)과 (1-2)의 양쪽의 제약 조건을 충족시킬 필요가 있다.

(1-1) 체강 모델 조형 재료는 가열에 의해 용융한다.

(1-2) 입체 모델 성형 재료는 제약 조건 (1-1) 기재의 조형 재료의 용융 온 도보다 낮은 온도에 있어서 경화 가능하고, 또한 경화 후에는 제약 조건 (1-1) 기재의 조형 재료의 용융 온도보다 높은 내열 온도를 가진다.

이 가열용융법에서는 체강 모델의 조형 재료의 용융 온도보다 높고, 경화 후에서의 입체 모델의 성형 재료의 내열 온도보다 낮은 온도로 가열함으로써, 입체 모델 내부의 체강 모델을 선택적으로 용융하여 유동화시킨다. 용출 전에 있어서 체강 모델은 입체 모델이나, 외형제거 순서에 대응하여서는 외형과 일체가 된 상태로 있지만, 상기 제약 조건 (1-1)과 (1-2)의 양쪽이 만족되는 경우에는 이들 구조 전체 또는 일부분을 가열기 등에 의하여 가열함으로써 체강 모델을 선택적으로 용융하는 것이 가능하다. 또한, 입체 모델의 가열은 입체 모델 외부로부터 행하는 것도 가능하지만, 입체 모델 내부나 적층 조형모델 내부에 가열전극을 배치하는 것이나, 외부로부터 레이저, 고주파 등을 조사하는 것 등에 따라서 입체 모델 내부로부터 가열을 행하는 것도 가능하다. 그리고, 이 상태에 있어서 체강 모델을 입체 모델의 외부로 용출시켜 제거를 행한다. 이 체강 모델의 용출 시에는 중력이나 원심력 등의 원격력이나, 충격이나 진동을 부여하는 것에 따라 발생하는 관성 등을 이용할 수 있지만, 체강 모델이 노출된 부분에 외압(정압, 부압)을 걸거나, 다른 액체를 공간 내부에 유입시킴에 따라 용출을 촉진하는 것도 가능하다. 또, 입체 모델 내부의 체강 모델(특히 용출 후에 입체 모델 내부에 잔류한 체강 모델의 일부)은 고체 상태에 있어서, 직접 외력을 가하거나 충격이나 진동을 부여하거나 직접 파지하는 것 등에 따라서 입체 모델의 외부로 배제시킬 수도 있다. 이때, 입체 모델 내부의 체강 모델을 복수의 부분으로 분해할 수도 있다.

이 가열용해법의 적용을 가능하게 하는 체강 모델의 조형 재료에는 각종 열가소성수지(서모플라스틱)(용융시의 유동성이 높은(용융시의 점성이 낮은) 것이 바람직하다)나 왁스(유지나 파라핀 등), 또는 저융점 금속이나 얼음(물) 등 이외에 입체 모델의 형성에 사용하는 성형 재료의 내열 온도보다 낮은 온도에서 용융되는 한 다양한 재료를 사용할 수 있다. 또한, 이들 조형 재료의 선택은 입체 모델에 사용하는 성형 재료의 특성에 따라서 결정해야 한다(조형 재료의 특성에 따라서 성형 재료를 선택해도 된다).

(2) 용제 용해법에 의해 체강 모델의 용출을 행하는 경우에는 하기 (2-1)과 (2-2)의 양쪽 제약 조건을 충족시킬 필요가 있다.

(2-1) 체강 모델 조형 재료는 용제에 용해된다(그와 같은 용제가 존재한다).

(2-2) 입체 모델 성형 재료는 제약 조건 (2-1) 기재의 용제 가운데 최소한 한 종류의 용제(이하, 특정 용제라고 부른다)에 대하여 용제 내성을 가진다.

용제 용해법은 입체 모델 내부에 존재하는 체강 모델을 용제에 의해서 선택적으로 용해하여 유동화함으로써, 입체 모델 내부로부터 용출시키고, 제거를 행하는 방법이며, 상기 제약 조건 (2-1)과 (2-2) 양쪽이 만족되는 경우에 한해서 그 적용이 가능하다.

이 용제 용해법에서는 상기 제약 조건 (2-2)에 의해서 부여되는 특정 용제를 사용함으로써, 입체 모델 내부의 체강 모델을 선택적으로 용해하여 유동화시킨다. 용출 전에 체강 모델은 입체 모델이나, 외형제거 순서에 대응하여서는 외형과 일체가 된 상태로 있지만, 상기 제약 조건 (2-1)과 (2-2)의 양쪽이 만족되는 경우에는 이들 구조 전체 또는 체강 모델이 노출된 부분을 포함하는 일부분을 상기 특정 용제에 접촉시킴에 따라 체강 모델을 선택적으로 용해하는 것이 가능하다. 그리고, 이 상태에 있어서 체강 모델을 입체 모델의 외부로 용출시켜 제거를 행한다. 이 체강 모델의 용출 시에는 가열용융법의 경우와 동일하게, 중력이나 원심력 등의 원격력이나, 충격이나 진동을 부여하는 것에 따라 발생하는 관성 등을 이용할 수 있는 이외에, 체강 모델이 노출된 부분에 외압(정압, 부압)을 걸거나, 다른 액체를 공간 내부에 유입시키는 것 등에 따라서 용출을 촉진하는 것도 가능하다. 또, 입체 모델 내부의 체강 모델(특히 용출 후에 입체 모델 내부에 잔류한 체강 모델의 일부)은 고체 상태에 있어서, 직접 외력을 가하거나 충격이나 진동을 부여하거나 직접 파지하는 것 등에 따라서 입체 모델의 외부로 배제시킬 수도 있다. 이때, 입체 모델 내부의 체강 모델을 복수의 부분으로 분해할 수도 있다.

이 용제 용해법의 적용을 가능하게 하는 체강 모델의 조형 재료에는 시아노아크릴레이트(아세톤에 용해)나 전분(물 등에 용해) 등의 접착물질이나, 톨루엔술폰아미드수지(아세톤 등에 용해), 폴리비닐알콜(물 등에 용해) 등의 용제 용해성을 가지는 각종 수지, 왁스(유지나 파라핀 등) 등의 사용이 가능하다. 또한, 용제 용해법을 실시하는 경우에는 입체 모델에 사용하는 성형 재료가 체강 모델의 용해에 사용하는 용제에 대하여 용제 내성을 가질 필요가 있고, 체강 모델에 사용하는 조형 재료의 선택은 입체 모델에 사용하는 성형 재료의 특성에 따라서 결정하면 된다(조형 재료의 특성에 따라서 성형 재료를 선택해도 된다).

또한 본 발명자들의 검토에 의하면, 입체 모델에 있어서 체강 모델의 표출하 고 있는 부분을 용제조(溶劑槽)에 침지하면, 침투압의 관계에 의해 체강 모델이 용해하는 동시에, 그 내부로 용제가 흡입되고, 용제 계면보다 위에 위치하는 체강 모델까지도 순차 용해되는 것을 확인할 수 있었다. 이 경우, 체강 모델에 있어서 입체 모델에 표출하는 부분 이외의 부분이 모두 입체 모델 내에 매립되어 있는 경우도 동일한 것이 확인되어 있다.

(3) 하이브리드법에 의해 체강 모델의 용출을 행하는 경우에는 하기 (3-1)과(3-2) 양쪽의 제약 조건을 충족시킬 필요가 있다.

(3-1) 체강 모델 조형 재료는 가열에 의해 용융되고, 또한 용제에 용해된다(그와 같은 용제가 존재한다).

(3-2) 입체 모델 성형 재료는 제약 조건 (3-1) 기재의 조형 재료의 용융 온도보다 낮은 온도에 있어서 경화 가능하고, 또한 경화 후에는 제약 조건 (3-1) 기재의 조형 재료의 용융 온도보다 높은 내열 온도를 가지는 동시에 제약 조건 (3-1) 기재의 용제 가운데 최소한 한 종류의 용제(특정 용제)에 대하여 용제 내성을 가진다.

하이브리드법은, 먼저 상술한 가열용융법과 용제 용해법을 병용함으로써, 입체 모델 내부에 존재하는 체강 모델을 입체 모델 내부로부터 용출시키고, 제거를 행하는 방법이며, 상기 제약 조건 (3-1)과 (3-2)의 양쪽이 만족되는 경우에 한해서 그 적용이 가능하다. 상기 하이브리드법에서의 체강 모델의 가열방법 및 용해방법은 이미 설명한 가열 융해법 및 용제 용해법에서 설명한 방법을 임의로 조합할 수 있다.

예를 들면, 이 하이브리드법에서는 (1)가열에 의해서 입체 모델 내부로부터 체강 모델을 용출하는 프로세스와, (2)용제에 따라 입체 모델 내부로부터 체강 모델을 용출하는 프로세스를 임의의 순서로 실시함으로써(또는 각 공정을 임의의 순서로 복수 회 실시함으로써), 입체 모델 내부로부터 상기 체강 모델의 제거를 행한다.

하이브리드법에서는 상기의 각 공정을 임의의 순서로, 필요에 따라 복수 회 실시하는 것이 가능하고, 예를 들면, 가열보다 체강 모델을 용융하여 유동화시킴으로써 체강 모델의 대부분을 입체 모델 내부로부터 용출한 후, 입체 모델을 실온까지 냉각하고, 이전의 용출에 의해서 형성된 입체 모델 내부의 공간영역에 상기 제약 조건 (3-2)에 의해서 부여되는 특정 용제를 주입하는 것으로, 표면 장력 등에 의해 입체 모델 내부에 잔류한 체강 모델의 일부를 다시 유동화하여, 주입한 용제와 함께 입체 모델의 외부로 용출하는 것 등도 가능하다.

이 하이브리드법의 적용을 가능하게 하는 체강 모델의 조형 재료로는 상기 가열용해법과 상기 용제용해법의 쌍방의 적용을 가능하게 하는 재료를 사용할 수 있어, 톨루엔술폰아미드수지 등의 열가소성수지(서모플라스틱)이나, 왁스(유지나 파라핀 등) 등의 사용이 가능하다.

가열에 의해 체강 모델의 용융을 행하는 가열용융법이나 하이브리드법에 의하면, 체강 모델의 노출면적에 의하지 않고 입체 모델 내부로의 열확산의 진행에 따라 비접촉으로써 적층 조형모델 전체를 용융하여 유동화하는 것이 가능하여, 용제용해법과 같이 물리적인 접촉에 의해서 접촉영역에서 점차로 체강 모델을 용해하 는 경우에는 용출이 곤란한 복잡한 형상, 예를 들면 종횡비(aspect ratio)가 높은 세관형(細管形)의 공간 등을 용이하게 재현하는 것이 가능하다.

이상에서는 가열용융법 및 용제용해법 및 하이브리드법에 의해 체강 모델을 입체 모델의 내부로부터 용출하는 방법에 대해 설명했지만, 이들 방법 이외에도, 노출부분으로부터 체강 모델에 직접 외력을 부여하는 것이나, 입체 모델의 외부로부터 충격력이나 진동 등을 부여하는 것이나, 직접 파지하는 것 등에 의해서 입체 모델 내부로부터 체강 모델을 배제하는 것도 가능하다. 또한 이때, 입체 모델 내부의 체강 모델을 복수의 부분으로 분해하고, 분해된 각 부분을 입체 모델 내부로부터 취출할 수 있다. 또한, 이 방법에 의해서 체강 모델의 제거를 행하는 경우에는 내부를 중공으로 하여 체강 모델을 제작함으로써, 체강 모델의 분해를 용이하게 하는 것이 가능하다.

내부에 공간을 재현한 입체 모델은 입체 모델화의 대상으로 삼는 공간을 복수로 분할하고, 분할된 각 공간에 대하여 본 발명의 제조 방법을 실시함으로써 각 공간을 내부에 재현한 입체 모델을 제작하고, 얻어진 각각의 공간에 대한 입체 모델을 조합하는 것에 따라, 입체 모델화가 대상으로 삼는 공간 전체를 재현한 입체 모델을 얻는 것도 가능하다. 이 경우, 각 공간에 대한 입체 모델은 각각 다른 제조 방법에 의해서 제조하는 것도 가능하다. 단, 본 발명은 복수로 분할된 각각의 공간에 대한 입체 모델 및 그 제조 방법도 발명이 대상으로 삼는 것이다.

(확산 제거 공정)

체강 모델의 조형 재료 및 입체 모델의 성형 재료의 선택의 여하, 또는 입체 모델의 성형조건 또는 체강 모델의 제거조건의 여하에 따라서는 체강 모델의 재료의 전부 또는 일부가 입체 모델의 성형 재료 내부로 확산하는 것이 본 발명자들의 검토에 의해 밝혀졌다. 이러한 확산이 생기면, 입체 모델의 공간의 주위가 흐려져서, 육안으로의 확인성이 저하된다.

그래서 본 발명에서는 이 확산한 체강 모델의 재료를 입체 모델 내부로부터 제거하는 것을 하나의 목적으로 한다.

입체 모델이 특히, 실리콘고무 등의 탄성을 가지는 재료에 의해서 구성되는 경우, 용출 프로세스에 있어서 체강 모델을 가열에 의해서 용융했을 때에, 체강 모델의 조형 재료의 성분의 일부가 입체 모델의 내부로 확산하여, 입체 모델 내부에 흐림 등을 발생시킬 우려가 있다.

이 흐림의 발생은 가열에 의해 체강 모델을 용융했을 때에, 조형 재료의 성분이 기화(증발)하여, 입체 모델 내부로 확산하는 것에 기인하여 발생한다고 생각된다. 체강 모델의 용출 후에 입체 모델 내부에 잔류하는 이 확산 성분은 대부분의 경우(확산 성분이 입체 모델의 구성 재료와 화학적으로 결합하는 경우 등을 제외한다), 입체 모델을 다시 가열함으로써 다시 기화한다(증발시킨다)것이 가능하다. 입체 모델의 내부에서 기화한 확산 성분의 일부는 확산에 의해 입체 모델 내부로부터 입체 모델의 외부로 배출되기 때문에, 이에 따라 입체 모델 내부로부터 확산 성분을 제거하는 것이 가능하다. 또 입체 모델의 내부에서 기화한 확산 성분은 냉각함으로써, 그 일부, 경우에 따라서는 그 모두가 입체 모델 표면으로 석출되고, 이에 따라 입체 모델 내부로부터 확산 성분을 제거하는 것도 가능하여, 확산 제거 프로세스에서는 이들 방법을 이용함으로써 입체 모델 내부로부터 확산 성분의 제거를 행한다. 또한, 성형 재료로서 일래스토머 등의 가교폴리머를 사용하는 경우에는 가교밀도가 높은 재료를 선택하여 사용함으로써, 이들 방법에 의한 확산 제거 효과를 높이는 것이 가능하다.

또한 입체 모델 내부의 확산 성분, 특히 색소 등은 가열에 의해 분해가 가능한 경우도 많고, 이에 따라 확산에 의해 생긴 흐림 제거 또는 변색되는 것도 가능하다. 단, 입체 모델의 가열은 입체 모델을 구성하는 재료의 내열 온도보다 낮은 범위 내에서 행할 필요가 있고, 이 방법은 이 온도범위 내에서 확산 성분의 분해가 가능한 경우에만 적용이 가능하다.

이 확산 제거 공정은 체강 모델을 제거한 후에 실행할 수도 있고, 상기 제거 도중에서 실행할 수도 있다. 또, 제거 도중 및 제거 후에 각각 실행할 수도 있다.

(생체 정보의 표식)

오더메이드의 입체 모델을 목적으로 하는 본 발명에 있어서, 재현된 혈관 등의 체강과 다른 생체조직과의 대응 관계, 피실험체의 방향 이외의 생체 정보가 요구되는 경우가 있다.

단층화상 데이터에는 혈관 등의 체강에 관한 정보 이외에도 생체 정보를 포함하고 있기 때문에, 여기에서 상기 다른 생체 정보를 추출할 수 있다. 예를 들면, 단층화상 데이터로부터 다른 생체 정보를 포함하는 3차원이미지를 형성하고, 입체 모델과 상기 이미지를 육안에 의해 비교하여, 입체 모델의 표면 또는 내부에 상기 생체 정보를 나타낸 표식을 형성할 수 있다. 예를 들면, 생체 정보로서 피실 험체의 방향을 상하좌우의 문자 또는 기호로서, 입체 모델의 표면에 기재할 수도 있다. 기타, 상기 생체 정보와 함께 또는 별개로, 단층화상 데이터의 특정정보(피촬영자명, 촬영일시, 촬영병원, 촬영조건 등)를 기재할 수도 있다.

상기 표식은 전술한 바와 같이, 단층화상 데이터를 해석함으로써 체강 모델과 더불어 형성할 수도 있다. 체강 모델을 적층 조형할 때에 상기 표식도 더불어 형성하고, 후에 제거함으로써, 상기 표식의 형상을 입체 모델의 일부에 남기는 것이나, 또는 입체 모델 중에 매립할 수 있다. 또, 체강 모델과 동시에 상기 표식을 외부로 배출하고, 그 후, 형성된 공간부에 착색한 실리콘고무 등을 주입하여 이것을 표식으로 하는 것도 가능하다.

이러한 표식으로서 피실험체의 방향(오리엔테이션)을 나타내지만 경우, 피실험체의 방향을 나타내는 기호 또는 문자가 표면에 기재된 입방체, 화살표, 피실험체의 미니어처 등을 채용할 수 있다.

상기 생체 정보로서, 입체 모델에 있어서 혈관 등의 체강 이외의 생체조직(뼈조직, 안구 등)에 대응하는 부분의 색을 변경할 수 있다. 또, 상기 생체조직 또한 공간으로 할 수 있다. 나아가서, 상기 생체조직의 형상을 입체 모델로부터 분리 가능하게 하는 것도 가능하다. 또, 상기 생체조직의 외각을 입체 모델 내에 묘사하는 것도 가능하다.

(의료모델)

본 발명자들은 당초 직육면체의 입체 모델을 작성했다. 이 경우, 에지의 부분으로부터 공간의 모양(즉, 혈관의 형상)을 정확하게 육안으로의 확인할 수 없었 다.

따라서, 입체 모델로부터 에지를 없애기 위해 이것을 구형(球形)으로 한 바, 전체가 렌즈가 되고, 공간형상의 육안으로의 확인이 보다 곤란해졌다.

본 발명은 입체 모델의 이러한 과제를 해결하고, 육안으로의 확인성이 우수한 모델을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명자들은 이러한 과제를 해결하도록 예의 검토를 거듭한 바, 다음 발명에 이르렀다. 즉, 입체 모델의 성형 재료와 실질적으로 동등한 굴절률의 투광성 유동체 내에 입체 모델을 침지한다.

이에 따라, 시각적으로는 입체 모델과 투광성 유동체가 일체가 되기 때문에, 가령 입체 모델에 에지가 있었다고 해도 또 입체 모델이 곡면을 가지고 있었다고 해도, 투광성 유동체의 시야면(관찰되는 면)이 평면성을 구비하고 있으면, 공간의 관찰장애는 생기지 않는다. 여기서 평면은 실질적으로 공간의 관찰장애가 생기지 않는 정도의 곡면 및/또는 요철을 포함하고 있을 수도 있다.

즉, 투광성 유동체를 케이스(섀시) 내에 충전하고, 그 속에 입체 모델을 전체적 또는 부분적으로 침지한다. 그리고, 상기 입체 모델을 변동시켜 입체 모델에서의 관찰의 요구되는 부위를 상기 케이스의 관찰면으로 향한다. 상기 관찰 요구 부위 방향에 에지가 있었다고 해도, 상기 투광성 유동체에 의해 그 에지가 삭제되고, 케이스의 관찰면에서는 명료하게 관찰할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

(제1 실시예)

입체 모델화의 대상으로 삼는 뇌혈관 및 환부인 뇌동맥의 형상에 관한 3차원데이터를 얻기 위해, 촬영영역의 혈관내부에 조영제를 투여하면서, 환자의 두부에 대하여, 0.35×0.35×0.5㎜의 공간분해능을 가지는 헬리컬스캔 방식의 X선 CT 장치에 의해 촬영을 행했다. 촬영에 의해 얻어진 3차원데이터는 3차원 CAD 소프트웨어로의 전송을 위해, 몸체 축 방향으로 등간격으로 배열된 500매의 512×512의 해상도를 갖는 256컬러의 2차원 화상(단층촬영 데이터)으로 재구성한 후, 각 2차원 화상에 대응하는 화상데이터를 촬영방향에 일치하는 순서로 상기 X선 CT 장치에 내장된 드라이브에 의해 5.25인치 광자기디스크에 저장했다.

다음에, 퍼스널 컴퓨터에 외부 접속된 5.25인치 광자기드라이브에 의해 상기 화상데이터를 컴퓨터 내부의 기억장치에 기억시키고, 이 화상데이터로부터 상용 3차원 CAD 소프트웨어를 이용하여, 적층 조형에 필요한 STL 형식(3차원 곡면을 삼각형패치의 집합체로서 표현하는 형식)의 3차원 형상 데이터를 생성했다. 이 변환에서는 입력된 2차원 화상을 촬영간격에 따라서 적층함으로써, 농도값을 스칼라량으로 하는 3차원의 스칼라장을 구축하고, 그 스칼라장 상에 혈관내표면을 부여하는 특정한 농도값을 지정함으로써, 아이소서페이스(isosurface; 일정한 전자밀도를 갖는 면)(특정 스칼라 값의 경계면)로서 혈관 내강의 3차원 형상 데이터를 구축한 후, 구축된 아이소서페이스에 대하여 삼각형 폴리곤 근사법의 렌더링(rendering)이 행하여진다.

또, 이 단계에서, 3차원 형상 데이터에 부가데이터를 더하여, 체강 모델의 단부로부터 가이드부(3)를 팽출시켯다(도 1 참조). 이 가이드부(3)는 도 2에 도시 한 바와 같이, 중공기둥형의 부재이다. 중공부(31)를 구비함으로써, 적층 조형시간의 단축을 꾀하고 있다. 이 가이드부(3)의 선단은 직경이 확대되어 있고, 이 부분이 입체 모델 표면에 표출하여, 대경인 개구부(15)(도 3 참조)를 형성하게 된다.

생성한 STL 형식의 3차원 형상 데이터를, 다음에 용융수지 분출방식의 적층 조형시스템으로 전송하고, 조형시스템 내에서의 모델의 배치나 적층방향, 적층두께를 결정하는 동시에 모델에 대하여 서포트를 부가했다.

이렇게 하여 생성된 적층 조형용 데이터를 컴퓨터 상에서 소정의 적층 조형두께(13㎛)로 슬라이스하여 다수의 슬라이스데이터를 생성했다. 그리고, 이렇게 하여 얻어진 각 슬라이스데이터에 따라, p-톨루엔술폰아미드와 p-에틸벤젠술폰아미드를 주성분으로 한 조형 재료(융점: 약 100도, 아세톤에 용이하게 용해)를 가열에 의해 용융하여 분출함으로써, 각 슬라이스데이터에 일치하는 형상을 가지는 지정두께의 수지경화층을 1면씩 적층 형성하는 것에 의해 적층 조형을 행했다. 최종층의 형성 후에 서포트를 제거함으로써, 도 1에 나타내는 뇌혈관 내강 영역의 적층 조형모델(체강 모델)(1)을 작성했다.

또한, 이 체강 모델(1)을 80℃의 수조에 대략 30분간 침지했다. 이에 따라, 체강 모델(1)의 표면이 분해되고, 원활하게 되었다.

한편, 입체 모델의 외부형상을 성형할 목적으로 사용하는 외형을 기계가공에 의해 작성했다. 이 외형의 내부 성형면은 입방체형상을 하고 있어, 외형을 구성하는 부재는 조립·분리가 가능하다. 이 주형 성형용 외형의 내부에 체강 모델(1)을 배치한 후, 모델의 단부를 외형내면에 접착함으로써 양자를 고정시킴으로써 모울드 를 작성했다.

이렇게 하여 작성된 형의 내부에, 가열에 의한 단시간에의 중합경화가 가능한 투명도가 높은 2액혼합형의 액상 실리콘일래스토머를 유입시켜, 75℃의 항온층 내에서 1시간 가열함으로써 중합경화시켜, 도 3에 나타내는 입체 모델(11)을 형성했다. 그리고 충분한 경화가 얻어진 것을 확인한 후, 외형을 구성하는 부재를 순차 분리하여 취출하였다.

이렇게 하여 얻어진 직육면체형상의 입체 모델(11)을 120℃의 항온층 내에서 1시간 가열함으로써, 입체 모델(11)의 내부에 존재하는 체강 모델(1)을 용융하여, 입체 모델(11)의 외부로 용출을 행했다. 또한, 이 용출은 체강 모델(1)의 단부가 입체 모델(11)로부터 노출되어 있었던 부분(개구부(15))으로부터 행했다. 가열 용융에 의한 조형 재료의 용출 후, 블록 전체를 실온까지 냉각하고, 적층 조형모델의 용출에 의해서 입체 모델(11)의 내부에 형성된 공동부에 아세톤을 주입했다. 이에 따라, 입체 모델(11) 내부에 잔류한 체강 모델 조형 재료를 용해하여, 용액화한 조형 재료를 입체 모델의 외부로 용출했다. 이에 따라, 입체 모델(11) 내부로부터 체강 모델(1)이 완전히 제거되어, 뇌혈관 내강(13)을 내부에 재현한 입체 모델(11)을 얻었다.

마지막으로, 체강 모델(1)의 용융 시에 입체 모델(11)의 재료부분(12)으로 확산한 상기 조형 재료의 성분을 배제하기 위해, 다시, 120℃로 설정된 항온층 내에서 상기 입체 모델(11)을 1시간 가열하고, 상기 성분을 증발시키고, 이에 따라 제거를 행했다.

이렇게 하여 제작한 뇌혈관 내강(13)을 가지는 입체 모델(11)은 성형 재료에 투명도가 높은 실리콘일래스토머를 사용한 것에 의해서 높은 투명성을 가지고, 또 외부형상을 직육면체형상으로 하여 평면(14)을 형성한 것에 따라, 입체 모델(11) 내부에 재현된 뇌혈관 내강(13)의 형상이나 구조, 및 환부를 재현한 뇌동맥류의 형상이 육안에 의해서 용이하고 또한 정확하게 인식되게 되었다. 또한, 제작한 뇌혈관의 입체 모델은 그 내부에 윤활액을 주입함으로써, 의료기구인 카테터의 삽입에 대하여, 실제의 뇌혈관수술 시와 매우 유사한 삽입감각이나 조작감각을 나타내게 되었다.

(제2 실시예)

이 실시예의 입체 모델(41)은 구체(球體)이며, 뇌혈관 내강(43)을 가진다(도 4 참조). 이 입체 모델(41)의 제조 방법 및 성형 재료는 외형의 형상을 제외하면 제1 실시예와 동일하다.

이 실시예의 입체 모델(41)에는 내부에 입방체형상의 표식(45)이 매설되어 있다. 이 표식(45)의 각 면에는 환자의 얼굴의 방향이 기재되어 있다. 구체의 입체 모델(41)은 그 위치가 안정되지 않기 때문에, 이러한 표식(45)을 설치하는 것으로 그 뇌혈관 내강(43)의 오리엔테이션을 정확하게 파악할 수 있게 된다.

이러한 표식(45)에 나타내는 방향은 단층화상 데이터로부터 추출되는 안구 및 뼈조직의 위치로부터 컴퓨터처리에 의해 특정된다. 특정된 방향으로 배치되도록, 이 표식(45)과 체강 모델이 동시에 적층 조형된다. 이 표식(45)은 입체 모델(41) 내에 매설되기 때문에, 체강 모델의 제거 공정에서 분해되는 일이 없다. 오 퍼레이터가 수동으로 이 표식(45)을 형성하는 것도 가능하다.

도 5에는 다른 양태의 표식(46)을 나타내었다. 이 표식(46)은 화살표로 방향을 나타내고 있다. 화살표의 색 또는 굵기에 변화를 줌으로써, 구체적인 방향을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 우측을 녹색, 좌측을 적색, 상측을 흑색이라고 하면, 입체 모델이 회전하더라도 뇌혈관 내강의 오리엔테이션을 특정할 수 있다.

(제3 실시예)

도 6에 이 실시예의 의료용 모델(51)을 소개한다. 이 의료용 모델(51)은 제2 실시예에서 설명한 구체 형상의 입체 모델(41), 케이스(53) 및 케이스(53) 내에 충전되는 투광성 유동체(54)를 구비하고 있다.

케이스(53)는 전체가 투명판(아크릴판 등)으로 형성되어 있다. 상측의 덮개부(55)는 측벽에 힌지(56)로 결합되어 개폐 가능하다. 투광성 유동체(54)는 실리콘고무제의 입체 모델(41)과 동일한 굴절률을 가지는 투명한 액체이다. 이 실시예에서는 상기 투광성 유동체(54)로서 동일한 굴절률을 가지는 실리콘 오일을 사용했다. 또, 물에 굴절률 조합제를 용해함으로써, 원하는 투광성 유동체를 얻을 수 있다.

입체 모델(41)은 구체이기 때문에 그 전체면이 볼록 렌즈가 되고, 내부의 뇌혈관 공간을 정확하게 육안으로 확인할 수 없다. 이러한 입체 모델(41)을 투광성 유동체(54) 내에 침지하면, 입체 모델(41)의 형성 재료와 투광성 유동체(54)가 동일한 굴절률을 갖기 때문에 입체 모델(41)의 표면에서 빛의 굴절이 없어져, 상기 표면에서의 렌즈효과가 삭제된다. 따라서 케이스(53)를 통하여 실제 크기의 뇌혈 관 공간을 관찰할 수 있다. 실시예에서는 케이스(53)의 관찰면에 메모리가 각인되어 있다. 도 6에서는 설명을 위해 케이스(53) 내에 입체 모델(41)의 외각 형상을 기재했지만, 실제로는 입체 모델(41)의 외각 형상은 거의 육안으로는 확인되지 않는다.

도 6의 예에 있어서, 케이스(53)에는 입체 모델(41)을 고정하기 위한 리테이너(61, 61) 및, 입체 모델(41)을 회전시키기 위한 롤러(71, 73)가 설치되어 있다. 리테이너(61, 61)는 압축코일 스프링(62)과 구형 지지부(63)를 구비하고 입체 모델(41)을 롤러(71, 73) 측으로 가압하여 입체 모델(41)을 안정적으로 정지시키고 있다. 롤러(71, 73)는 이것을 회전시킴으로써, 입체 모델(41)을 각각의 회전방향으로 회전시키는 것이다. 롤러(71, 73)에는 각각 로드(74, 75)가 연결되어 케이스(53)의 외부로부터 회전시킬 수 있다.

케이스(53)에는 도 7에 나타낸 바와 같이, 개구(80)가 형성되어 있으며, 이 개구를 통하여 입체 모델(41)에 형성된 뇌혈관 공간의 임의의 단부에 카테터(83)가 삽입 가능하게 되어 있다.

(제4 실시예)

도 8에 다른 실시예의 입체 모델(91)을 나타낸다. 이 입체 모델(91)은 도 1의 체강 모델(1)로부터 가이드부(3)를 제외한 것에 실리콘고무를 대략 1㎜의 두께로 도포하고, 그 후, 체강 모델을 실시예 1과 동일한 방법으로 제거하여 얻어진 것이다. 상기 도포 방법은 체강 모델(1)을 실리콘고무조에 침지하고, 인출한 후에 체강 모델(1)을 회전시키면서 건조시키는 것에 의한다. 이러한 입체 모델(91)에 의하면, 뇌혈관이 보다 리얼하게 재현되는 것이 되어, 카테터 수술의 시행 등에 의하여 유효하게 된다.

(제5 실시예)

도 9에 다른 실시예의 입체 모델(101)을 나타낸다. 이 입체 모델(101)은 블록형의 본체부(102) 내에 공극부(거미막하 공간에 대응)(103)를 가지고, 상기 공극부(103) 내에서 혈관부분(105)이 도 8과 마찬가지로 필름형상으로 형성되어 있다. 이와 같이 구성된 입체 모델(101)에 의하면, 외곽이 블록형으로 형성되어 있기 때문에 취급이 용이한 동시에, 상세한 관찰이 요구되는 혈관부분(105)이 필름형상이기 때문에, 그 동적 거동이 보다 리얼하게 재현되고 또한 카테터 수술도 보다 리얼하게 시행할 수 있게 된다.

도 9에 나타내는 입체 모델(101)은 다음과 같이 하여 형성할 수 있다.

우선 도 8의 실시예와 동일한 방법으로 체강 모델의 주위에 입체 모델 재료를 필름형으로 형성한다.

다른 한편으로는 공극부(103) 내에 위치하는 혈관을 3차원방향으로 약 3배로 확대한 체강 모델을 중공으로 형성하고, 그 내부에 전술한 필름형 입체 모델(그 내부에 체강 모델이 코어로서 존재한다)을 삽입한다. 이 실시예에서는 확대한 체강 모델(110)을 일단 분할하여, 그 내부로 필름형의 입체 모델(113)을 세팅하고, 분해한 체강 모델(110)을 재구축한다. 도 9에 체강 모델(110)의 분할라인이 기재되어 있다. 그리고, 확대한 체강 모델(110)의 개구부와 필름형 입체 모델(113) 사이를 체강 모델과 동일 또는 동종의 충전재로 충전한다. 이러한 조립체를 직육면체의 외부 프레임 내에 세팅하고, 상기 외부 프레임 내에 실리콘일래스토머를 충전한다. 실리콘일래스토머가 경화된 후, 실시예 1과 같이 하여, 체강 모델의 재료를 소실시키고, 또한 입체 모델 내로 확산된 체강 모델 재료의 제거를 행한다. 이에 따라, 필름형 모델(113)의 내부가 중공이 되고 체강 모델(110)에 대응하는 부분에 공극부(103)가 형성된다. 또, 체강 모델(110)에는 돌기(111)가 형성되어 이것이 입체 모델의 외부로 표출되고 있다. 상기 표출부분으로부터 체강 모델의 재료를 외부로 배출할 수 있다.

이 실시예에서는 혈관부분(105)을 확대하여 공극부(103)에 대응하는 체강 모델(110)을 형성했다. 공극부(103)가 혈관부분(105)의 동적 거동의 자유도를 높이는 것을 감안하면, 공극부(103)의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 따라서, 공극부(103)의 형상을 단순화할 수 있다. 예를 들면, 구형, 타원형 등으로 할 수 있다. 그 결과, 분할·재구축이 용이한 형상으로 체강 모델(110)을 설계할 수 있어, 본 발명의 입체 모델(101)의 제조가 용이하게 된다. 또, 필름형 입체 모델(113)을 중자로 하여 체강 모델(110)을 모울드 성형할 수도 있다. 또, 거미막하 공간의 입체형상을 단층촬영 데이터에 기초하여 형성하고, 상기 입체형상으로부터 체강 모델을 형성할 수도 있다. 나아가서, 표준 거미막하 공간을 레디메이드로 준비하고, 이것을 체강 모델로서 사용할 수도 있다.

또, 공극부(103)에는 물 등의 투명한 액체를 충전할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 공극부(103)에 전혀 투명한 액체가 충전되어 있지 않으면, 공극부(103)의 주위 벽에서 빛이 난반사하여 그 내부의 혈관부분(105)을 육안으로 확인할 수 없게 되기 때문이다. 혈관부분의 육안 확인성을 향상하기 위해서는 공극부(103)에 입체 모델 성형 재료와 실질적으로 동등한 굴절률의 실리콘 오일을 충전하는 것이 바람직하다. 체강 모델(110)의 재료를 배출한 개구부(104)에서 투명한 액체를 공극부(103) 내로 주입할 수 있다. 물에 굴절률 조합제를 배합함으로써, 입체 모델 성형 재료와 실질적으로 동등한 굴절률을 가지는 투명액체를 이용할 수 있다.

공극부(103)에 실리콘 오일 등의 액체를 충전함으로써, 공극부(103)가 실제의 거미막하 공간에 보다 근사한 것으로 되어, 혈관부분의 동적 거동이 보다 리얼하게 되는 동시에, 카테터 수술도 보다 리얼하게 시행할 수 있게 된다.

본 발명은, 상기 발명의 실시형태 및 실시예의 설명에 전혀 한정되지 않는다. 특허청구범위의 기재를 일탈하지 않고, 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 범위 내의 여러 가지 변형 양태도 본 발명에 포함된다.

Claims (26)

1. 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 상기 피실험체의 공간 영역을 추출하여 상기 공간 영역에 해당하는 체강(體腔) 모델을 적층 조형하는 공정,

   상기 체강 모델의 주위를 입체 모델 성형 재료로 둘러싸 상기 입체 모델 성형 재료를 경화시키는 공정, 및

   상기 체강 모델을 제거하는 공정

   을 포함하는 입체 모델의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 입체 모델을 형성하는 재료는 투명한 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 입체 모델을 형성하는 재료는 생체 조직에 가까운 특성을 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 입체 모델을 형성하는 재료는 투명하고 또한 생체 조직에 가까운 특성을 갖는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 체강 모델의 제거 시 또는 제거 후에, 상기 입체 모델 성형 재료 중에 확산된 상기 체강 모델의 재료를 제거하는 확산 제거 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 확산 제거 공정은 가열에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 체강 모델을 적층 조형하는 공정은 분말상태의 조형 재료 상에 레이저를 주사하는 것, 노즐로부터 조형 재료를 분출 또는 적하하는 것, 또는 노즐로부터 조형 재료를 압출함으로써 행하여지는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 상기 피실험체의 생체 정보 및/또는 단층화상 데이터 특정정보를 나타내는 표식을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 입체 모델 성형 재료에 의해 상기 체강 모델과 함께 상기 표식도 둘러싸이고, 상기 표식은 상기 입체 모델 내에 잔류하는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.
10. 상기 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 상기 피실험체의 공간 영역을 추출하여 상기 공간 영역에 해당하는 체강 모델을 적층 조형하는 공정,

    상기 체강 모델의 표면을 원활하게 하는 공정,

    상기 체강 모델의 주위를 투명하고 또한 생체 조직에 가까운 특성을 갖는 입체 모델 형성 재료로 둘러싸 상기 입체 모델 성형 재료를 경화시키는 공정, 및

    상기 체강 모델을 제거하는 공정

    을 포함하는 입체 모델의 제조 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 체강 모델의 일부 또는 전부에 상기 입체 모델 성형 재료가 박막으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.
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