KR20060085692A

KR20060085692A - 입체 모델

Info

Publication number: KR20060085692A
Application number: KR1020067006979A
Authority: KR
Inventors: 세이이치 이케다
Original assignee: 나고야 인더스트리얼 사이언스 리서치 인스티튜트
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-07-27
Also published as: KR100713726B1; WO2005038751A1; EP1677273A4; US20070148626A1; EP1677273A1

Abstract

혈관 등의 체강(體腔) 부분의 동특성(動特性)을 재현 가능한 입체 모델을 제안한다. 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 형성된 혈관 등의 체강을 재현한 공간을 그 내부에 가지는 멤브레인형 모델이 생체 조직과 유사한 물리적 특성을 가지는 기재에 매설되어 있다. 기재에는 실리콘겔 등의 유연하고 또한 탄성이 있는 재료가 채용된다.

입체 모델, 멤브레인, 체강, 혈관, 엘라스토머, 실리콘겔, 탄성, 단층화상

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.

본 발명자들은 피실험체의 혈관 등의 체강을 재현한 블록형의 입체 모델을 제안하고 있다(비특허문헌1). 이 입체 모델은 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 혈관 등의 체강 모델을 적층조형하고, 상기 체강 모델의 주위를 입체 모델 성형 재료로 둘러싼 다음 상기 입체 모델 성형 재료를 경화시키고, 그 후 체강 모델을 제거함으로써 얻어진다.

또한, 멤브레인형의 입체 모델(비특허문헌2)을 제안하고 있다.

나아가서, 본 발명에 관련되는 문헌으로서 특허문헌1∼특허문헌5을 참조하기 바란다.

[특허문헌1] 일본 특개2003-11237호 공보

[특허문헌2] 일본 특개평11-73096호 공보

[특허문헌3] WO 03/096309 A1

[특허문헌4] 일본 특개평10-33253호 공보

[특허문헌5] 일본 특개평3-111726호 공보

[비특허문헌1] 뇌혈관 내강을 재현한 수술시행용 의료모델, 제20회 로봇학회 학술강연회 예고집, 2002

[비특허문헌2] 뇌혈관 내 수술을 대상으로 한 생체 정보에 기초하는 수술 시뮬레이터에 관한 연구, 로보틱스·메카트로닉스 강연회 예고집, 2003

상기의 각 입체 모델에 의하면, 뇌혈관 등의 체강의 복잡하고 또한 미묘한 입체 형상이 정확하게 재현되기 때문에, 환부의 확인이나 카테터(catheter) 삽입 시뮬레이션용으로서 바람직한 것이 된다. 그러나, 블록형의 입체 모델에서는 혈관의 멤브레인형 구조와 혈관 주위 영역의 구조가 개별적으로 재현되지 않기 때문에, 모델 내부의 혈관 형상은 구속되어 있고, 의료기기나 유체의 삽입 시뮬레이션에 대하여, 수술 시에 인지되는 혈관의 동적인 변형을 표현할 수 없다.

또, 멤브레인형 입체 모델은 형태 유지성이 떨어지기 때문에, 취급이 불편하다.

본 발명의 제1 면은, 상기 과제를 해결하도록 이루어진 것으로, 그 구성은 혈관 등의 체강을 그 내부에 재현하는 멤브레인형 모델과, 상기 멤브레인형 모델을 둘러싸는 투광성의 기재로서, 탄성을 가지고 또한 상기 멤브레인형 모델에 대하여 밀착성이 있는 기재를 구비하여 이루어지는 입체 모델이다.

도 1은 광탄성 효과의 설명도이다.

도 2는 본 발명의 작용을 나타내는 개념도이다.

도 3은 내부 응력과 입사광의 관계를 나타내는 모식도이다.

도 4는 실시예의 코어(11)를 나타내는 사시도이다.

도 5는 가이드부를 나타내는 사시도이다.

도 6은 도 2의 A-A선 단면도이며, 코어의 구성을 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시예의 입체 모델을 나타내는 도면이다.

도 8은 도 7의 B-B선 단면도이며, 기재 내에 멤브레인형 모델이 매설된 상태를 나타내는 도면이다.

도 9는 다른 실시예의 입체 모델을 나타내는 도면이다.

도 10은 다른 실시예의 입체 모델을 나타내는 도면이다.

도 8은 도 10의 C-C선 단면도이며, 기재 내에 멤브레인형 모델이 매설된 상태를 나타내는 도면이다.

도 12는 본 발명의 실시예의 응력 관찰 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

도 13은 실시예의 응력 관찰 장치의 수광부의 동작을 나타내는 플로차트이다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예의 응력 관찰 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

도 15는 본 발명의 다른 실시예의 응력 관찰 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예의 응력 관찰 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

도 17은 마찬가지로 응력 관찰 장치의 동작을 나타내는 플로차트이다.

도 18은 광탄성 관찰을 하는 데 바람직한 멤브레인형 모델의 제조 방법을 나타내는 플로차트이다.

도 19는 본 발명의 다른 실시예의 응력 관찰 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

도 20은 본 발명의 다른 실시예의 응력 관찰 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

도 21은 본 발명의 다른 실시예의 응력 관찰 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

도 22는 본 발명의 다른 실시예의 응력 관찰 장치의 구성을 나타내는 모식도이다.

도 23은 본 발명의 작용을 나타내는 개념도이다.

[주요 구성요소에 대한 참조부호의 설명]

11 코어

12 체강 모델

15, 55 실리콘 고무층(멤브레인형 모델)

21, 41, 51 입체 모델

22, 42, 43, 44, 46, 47, 52 기재

이하, 발명의 각 구성 요소를 상세하게 설명한다.

(멤브레인형 모델)

멤브레인형 모델은 다음과 같이 하여 형성된다.

피실험체는 인체의 전체 또는 일부를 대상으로 하지만, 동물이나 식물을 단층촬영의 대상으로 할 수 있다. 또한, 사체를 제외하는 것은 아니다.

단층화상 데이터는 적층조형을 실행하기 위해 기초가 되는 데이터를 말한다. 일반적으로, X선 CT 장치, MRI 장치, 초음파 장치 등에 의해 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 지정함으로써, 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 보간하고, 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 보간함으로써 직접적으로 3차원 곡면을 생성하는 것도 가능하다. 또, 임계값 지정에 의한 영역추출(또는 특정 농도값 지정에 의한 표면추출)을 행한 후에 입력 화상의 적층을 행할 수도 있다. 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 비적층조형 영역을 형성하는 것도 가능하여, 후에 설명하는 내부를 중공의 구조로 하여, 비적층조형 영역을 형성한 체강 모델을 제작하는 경우에는 그와 같은 비적층조형 영역을 공간의 내부에 설치한 3차원 형상 데이터를 생성해 둔다. 또한, 이들 처리는 적층조형시스템, 또는 적층조형시스템에 대응한 소프트웨어에서 행할 수도 있다.

다음으로, 생성한 공간의 3차원 형상 데이터를 필요에 따라 체강 모델의 적층조형에 사용하는 적층조형시스템에 대응한 형식으로 변환하여, 사용하는 적층조형시스템, 또는 사용하는 적층조형시스템에 대응한 소프트웨어로 보낸다.

적층조형시스템(또는 적층조형시스템에 대응한 소프트웨어)에서는 적층조형시의 체강 모델의 배치나 적층방향 등의 각종 설정항목의 설정을 행하는 동시에, 적층조형 중의 형상유지 등의 목적으로, 서포트가 필요한 개소에 서포트(지지 구조)를 부가한다(필요없으면 부가할 필요는 없다). 마지막으로, 이렇게 하여 얻어진 조형용 데이터를 적층조형시의 조형두께에 따라 슬라이스(slice) 함으로써, 적층조형에 직접 이용되는 슬라이스데이터(단층화상 데이터)를 생성한다. 또한, 상기의 순서와는 반대로, 슬라이스데이터의 생성을 행한 후에 서포트의 부가를 행할 수도 있다. 또, 슬라이스데이터가 사용하는 적층조형시스템(또는 적층조형시스템에 대응한 소프트웨어)에 의해서 자동적으로 생성되는 경우에는 이 순서를 생략할 수 있다. 단, 이 경우에도 적층조형두께의 설정을 행할 수 있다. 서포트의 부가에 관해서도 마찬가지로, 적층조형시스템(또는 적층조형시스템에 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 분해하여 다음의 적층조형공정에 이용하는 단층화상 데이터를 얻을 수 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.

상기의 단층화상 데이터로부터 상기 체강을 형성한다.

형성 방법은 특별히 한정되지 않지만, 적층조형이 바람직하다. 여기서 적층조형이란, 단층화상 데이터에 따라 얇은 층을 형성하고, 이것을 순차 반복함으로써 원하는 조형을 얻는 것을 말한다. 즉, 피실험체의 단층화상 데이터에 따라 피실험체의 공간 영역을 추출하여 상기 공간 영역에 상당하는 체강 모델을 적층조형한다.

적층조형된 체강 모델은 후의 공정에서 분해 제거되어야 한다. 제거를 용이하게 하기 위해, 적층조형에 이용하는 재료를 낮은 융점의 재료로 하거나, 또는 용제에 용이하게 용해되는 재료로 하는 것이 바람직하다. 이러한 재료로는 저융점의 열경화성 수지 또는 왁스 등을 이용할 수 있다. 이른바 광조형법(적층조형에 포함된다)에 있어서 범용되는 광경화성 수지에 있어서도 그 분해가 용이하다면, 이것을 이용할 수 있다.

상기 체강 모델은 다음 공정에서 멤브레인형 모델 성형 재료로 둘러쌀 때에 외부로부터 부가되는 압력 등의 외력에 견딜 수 있는 강도를 가지는 범위이면, 그 내부를 중공 구조로 하여 얇게 할 수 있다. 이로 인해, 적층조형에 소요되는 시간이나 조형에 따르는 비용이 저감될 뿐 아니라, 후의 용출 과정에 있어서 체강 모델의 용출을 간소화할 수 있다.

구체적인 적층조형의 방식으로서, 예를 들면 분말소결 방식, 용융수지분출 방식, 용융수지압출 방식 등을 들 수 있다.

또한, 적층조형에 의해서 제작된 체강 모델에는 적층조형 후에, 표면연마나, 표면코팅의 부가 등 각종 가공(제거 가공 및 부가 가공)을 추가하는 것이 가능하고, 이에 따라 체강 모델의 형상을 수정 또는 변경하는 것이 가능하다. 이들 가공의 일환으로서, 체강 모델의 제작에 있어서, 적층조형 후의 제거가 필요한 서포트를 부가한 경우에는 서포트의 제거를 행한다.

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

표면처리함으로써 체강 모델의 표면의 단차를 원활화하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 멤브레인형 모델의 내강표면이 원활하게 되고, 보다 실제의 혈관 등의 체강 내 표면을 재현할 수 있게 된다. 표면처리의 방법으로서, 체강 모델의 표면을 용제에 접촉시키는 것, 가열하여 표면을 용융하는 것, 코팅하는 것 및 이들을 병용하는 것을 들 수 있다.

체강 모델의 일부 또는 전부를 멤브레인형 모델 성형 재료로 얇게 둘러싸고 이것을 중합 또는 가황 등에 의하여 경화한다. 체강 모델을 제거함으로써 멤브레인형 모델이 형성된다.

멤브레인형 모델 성형 재료는 상기 모델의 용도에 따라서 적절하게 선택된다. 예를 들면, 실리콘 고무(실리콘엘라스토머)나 열경화성의 폴리우레탄엘라스토머 등의 엘라스토머 외에 실리콘 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄, 불포화폴리에스 테르, 페놀 수지, 우레아수지 등의 열경화성 수지나, 폴리메타아크릴산 메틸 등의 열가소성 수지를 단독으로, 또는 복수 조합하여 사용할 수 있다. 이들 재료를 도포, 분사, 또는 디핑 등의 방법으로 체강 모델의 표면에 얇게 적층하고, 그 후 주지의 방법으로 가황 또는 경화시킨다.

멤브레인형 모델의 대상을 뇌혈관 모델로 할 때에는 투명하고 또한 생체 조직에 가까운 탄력성 및 유연성을 구비하는 재료를 채용하는 것이 바람직하다. 이러한 재료로서 실리콘 고무를 들 수 있다. 또, 실리콘 고무는 생체 조직과 동등한 접촉 특성을 갖기 때문에, 카테터 등의 의료 기구를 삽입하여 수술을 시행하는 데 적절하다. 우레탄수지나 우레탄엘라스토머도 적절하게 사용할 수 있다.

멤브레인형 모델 형성 재료는 복수 층으로 형성할 수 있다. 그 두께도 임의로 설정할 수 있다.

(기재)

기재는 투광성 재료로 만들어져서 멤브레인형 모델의 변형을 관찰 가능하게 한다.

기재는 탄성을 가지는 것으로 한다. 바람직하게는, 종탄성 계수가 2.0kPa∼100kPa의 저탄성으로 한다. 더욱 바람직하게는, 기재는 충분한 연신을 가진다. 이에 따라, 멤브레인형 모델이 크게 변형되더라도, 멤브레인형 모델로부터 기재가 박리되는 일이 없다. 예를 들면, 무부하 시를 1로 하여, 멤브레인형 모델에 대한 접착성을 확보한 상태로 잡아당겼을 때에 기재는 무부하 시의 2∼15배의 신장률을 가지는 것이 바람직하다. 여기서 신장률이란, 기재가 원래로 돌아갈 수 있는 최대 변형량을 가리킨다. 또, 하중을 가하여 변형시킨 기재로부터 하중을 제거했을 때에 기재가 원래로 돌아가는 속도는 비교적 완만한 것이 바람직하다. 예를 들면, 점탄성 파라미터인 손실 계수 tanδ(1Hz 시)는 0.2∼2.0으로 할 수 있다.

이에 따라, 혈관 등의 주위에 존재하는 조직과 동등 또는 유사한 특성을 기재가 가지고, 멤브레인형 모델의 변형이 보다 실제에 가까운 환경에서 행하여지게 된다. 즉, 카테터 등의 삽입감을 리얼하게 재현할 수 있게 된다.

기재는 멤브레인형 모델에 대하여 밀착성을 가지는 것으로 한다. 이에 따라, 멤브레인형 모델에 카테터 등을 삽입하여 멤브레인형 모델을 변형시켜도 기재와 멤브레인형 모델 간에 상대위치의 변화가 생기는 일이 없다. 양자 간에 상대위치의 변화가 생기면, 멤브레인형 모델에 걸리는 응력에 변화가 생기기 때문에, 예를 들면 카테터의 삽입 시뮬레이션을 하는 경우에 지장을 초래하여, 그 삽입 시에 위화감을 발생시킬 우려가 있다.

멤브레인형 모델로서 뇌혈관 모델을 대상으로 삼았을 때, 기재와 멤브레인형 모델의 밀착성(접착 강도)은 1kPa∼20kPa로 하는 것이 바람직하다.

이러한 기재로서 실시예에서는 실리콘겔 및 글리세린겔을 이용하고 있지만, 그 재질은 특별히 한정되지 않는다. 또, 케이싱에 기밀성을 확보할 수 있으면 고점도의 액체를 기재로서 이용하는 것도 가능하다. 이것은 특히, 탄성을 갖지 않는 생체 조직에 둘러싸이는 혈관을 재현한 멤브레인형 모델에 대한 기재로서 적절하다. 이들 복수 종류의 유동체를 혼합하고, 나아가 이들에 접착성의 약제를 혼합함으로써, 바람직한 기재를 조제할 수도 있다.

기재의 재료로서 겔을 이용한 경우, 물리적 특성이 상이한 복수의 재료를 이용하여 기재를 보다 생체 조직에 근접시킬 수 있다.

멤브레인형 모델의 동적인 거동을 관찰하기 위해, 기재는 투광성으로 하는 것이 바람직하다. 멤브레인형 모델과 기재의 경계를 명확히 하기 위해, 멤브레인형 모델 또는 기재의 적어도 한쪽을 착색할 수 있다. 또, 멤브레인형 모델의 동적 거동을 보다 정확하게 관찰할 수 있도록, 멤브레인형 모델의 재료의 굴절률과 기재의 재료의 굴절률을 실질적으로 동등하게 하는 것이 바람직하다.

멤브레인형 모델의 전부가 상기 기재 내에 매설될 필요는 없다. 즉, 멤브레인형 모델 일부는 공극부 내에 위치하고 있어도 된다(도 8 참조). 또, 멤브레인형 모델의 일부는 솔리드 기재(생체 조직과 유사하지 않은 물리적 특성을 가지는) 내 또는 유체 내에 있을 수도 있다.

(케이싱)

케이싱은 기재를 수용하는 것이며 임의의 형상을 가질 수 있다. 멤브레인형 모델의 동적 거동을 관찰할 수 있도록 전체 또는 그 일부가 투광성 재료로 형성된다. 이러한 케이싱은 투광성의 합성 수지(아크릴판 등)나 유리판으로 형성할 수 있다.

케이싱에는 멤브레인형 모델의 공간과 연통되는 구멍이 형성되어 있다. 이 구멍에 카테터를 삽입할 수 있다.

입체 모델은 전체적으로 투광성인 것이 바람직하다. 카테터의 삽입 상태를 관찰하는 점에서 말하자면, 최소한 그 멤브레인형 모델의 내부가 육안으로 확인할 수 있으면 된다.

케이싱과 멤브레인형 모델 사이에는 충분한 거리를 둔다. 이에 따라, 탄성을 가지는 기재에 충분한 두께가 확보되어, 카테터 삽입 등에 의하여 멤브레인형 모델에 외력이 걸렸을 때 그 외력에 의해 멤브레인형 모델은 자유롭게 변형할 수 있게 된다. 또, 이 두께는 입체 모델의 대상, 용도 등에 따라 임의로 선택할 수 있는 것이지만, 예를 들면 멤브레인형 모델의 막 두께의 10배∼100배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(입체 모델의 제조 방법)

체강 모델을 멤브레인형 모델로 피복한 상태의 코어를 케이싱 내에 세팅하고, 상기 케이싱에 기재 재료를 주입하여, 겔화한다. 그 후, 체강 모델을 제거하면 멤브레인형 모델이 기재 내에 남겨진 상태가 된다.

또는 기재 재료의 주입 전에 체강 모델을 제거하여, 멤브레인형 모델을 얻은 후에, 상기 멤브레인형 모델을 케이싱 내에 세팅하고, 그 후, 상기 케이싱 내에 기재 재료를 주입하여, 이것을 겔화시킴에 의해서도, 멤브레인형 모델이 기재 내에 매몰된 상태를 실현할 수 있다.

체강 모델의 제거 방법은 체강 모델의 조형재료에 따라서 적절하게 선택되고, 입체 모델의 다른 재료에 영향이 생기지 않는 한, 특별히 한정되지 않는다. 체강 모델을 제거하는 방법으로서, (a) 가열에 의해 용융하는 가열용융법, (b) 용제에 의해 용해하는 용제용해법, (c) 가열에 의한 용융과 용제에 의한 용해를 병용하는 하이브리드법 등을 채용할 수 있다. 이들 방법에 의해 체강 모델을 선택적으 로 유동화하고, 입체 모델의 외부로 용출하여 이것을 제거한다.

(확산제거 공정)

체강 모델의 재료의 성분의 일부가 멤브레인형 모델의 내부로 확산되어, 멤브레인형 모델에 불투명이 생겨, 육안에 의해 확인할 수 있는 시인성(視認性)이 저하될 우려가 있다. 이 흐림을 제거하기 위해, 체강 모델을 제거한 후에 시료를 다시 가열하는 것이 바람직하다. 이 가열은 체강 모델 제거 도중에서 실행할 수도 있다.

본 발명의 입체 모델은 또, 다음과 같이 하여 형성할 수도 있다.

체강 모델을 코어로 하여 겔형의 기재에 매설하고, 상기 체강 모델을 제거한다. 이에 따라, 기재 내에 체강을 재현한 공간이 형성된다. 그 후, 공간의 둘레벽에 멤브레인형 모델의 형성 재료를 부착시켜 중합 또는 가황 등에 의하여 경화한다. 멤브레인형 모델 형성 재료를 기재의 공간에 유입시키는 것, 또는 기재를 멤브레인형 모델 형성 재료에 디핑하는 것에 의해, 멤브레인형 모델 형성 재료를 기재의 체강 둘레벽에 부착시킬 수 있다.

또, 상기 공간의 둘레벽에 멤브레인형 모델 형성 재료를 부착하는 대신에 상기 공간의 둘레벽을 친수화 처리할 수 있다. 이에 따라, 입체 모델의 공간에 물 또는 수용액을 충전했을 때 둘레벽에 수막이 형성되어, 카테터의 삽입저항이 완화된다. 즉, 이 수막이 멤브레인형 모델에 대응하게 된다.

상기 공간의 둘레벽을 소수화 처리(친유화 처리)한 경우도 마찬가지로, 공간에 오일을 충전했을 때 둘레벽에 유막이 형성되어, 카테터의 삽입저항이 완화된다. 즉, 이 유막이 멤브레인형 모델에 대응한다.

공간의 둘레벽은 주지의 방법으로 친수화 또는 소수화된다. 예를 들면 기재로서 실리콘겔을 채용한 경우, 계면활성제 등의 극성기를 가지는 막을 상기 둘레벽에 형성함으로써 그 공간의 둘레벽을 친수화할 수 있다. 마찬가지로, 오일이나 왁스 등의 유성 막을 공간의 둘레벽에 형성함으로써 그 공간의 둘레벽을 소수화할 수 있다.

본 발명자들은 멤브레인형 모델의 내부 응력이 광탄성 효과에 의해 관찰 가능한 것을 발견했다. 즉, 본 발명의 다른 면에 의하면, 이미 설명한 제1 면의 입체 모델에 있어서, 상기 멤브레인형 모델은 투광성 재료로 이루어지고, 이것에 외력이 가해졌을 때 그 두께 방향으로는 실질적으로 내부 응력이 발생하지 않고, 그 표면을 따르는 방향으로 제1 내부 응력이 발생하고,

상기 기재는 실질적으로 내부 응력을 발생하지 않는 재료로 이루어지고,

광탄성 효과의 관찰에 이용된다.

이와 같이 구성된 입체 모델에 의하면, 멤브레인형 모델이 3차원적인 형상이더라도, 거기서 생기는 광탄성 효과가 오로지 제1 내부 응력(멤브레인형 모델의 둘레벽의 표면을 따르는 방향의 응력)에 기인하는 것으로 되어, 관찰된 광탄성 효과(광의 파장)로부터 상기 둘레벽에서의 응력을 특정할 수 있다.

이러한 응력 관찰 장치는, 그 관찰 대상을 멤브레인형 모델(체강을 재현한 공간을 가지는 투광성의 모델)로 했을 때, 그 공간의 주위 영역의 물리적 특성을 관찰하는 것에 유효하다. 즉, 카테터나 액체의 삽입 시뮬레이션에 있어서 멤브레 인형 모델의 둘레벽에 응력이 걸렸을 때, 광탄성 효과가 생겨 그 응력 상태를 관찰할 수 있다. 이에 따라, 카테터나 액체를 혈관 등의 체강에 삽입했을 때의 생체 조직에 부여하는 영향을 시뮬레이션할 수 있다.

상기에서, 둘레벽은 탄성 재료로 이루어지는 박막으로서, 이것에 외력이 걸렸을 때 그 두께 방향으로는 구속되지 않고, 그 표면을 따르는 방향으로만 강제 변위가 생기도록 한다. 이에 따라, 둘레벽에 생기는 응력이 제1 내부 응력만으로 되고, 광탄성 효과로부터 멤브레인형 둘레벽의 응력이 특정 가능하게 된다. 물론, 광탄성 효과를 얻기 위해서 둘레벽은 투광성을 가진다.

둘레벽의 두께는 상기의 특성이 유지될 수 있으면, 특별히 한정되지 않지만, 본 발명자들의 검토에 의하면, 0.1∼5.0mm로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.1∼1.0mm이다.

또, 둘레벽에 두께 방향의 응력을 발생되지 않도록 하기 위해서는 상기 둘레벽은 그 두께 방향으로부터 물리적인 규제가 없는 상태로 한다. 구체적으로는, 둘레벽의 외측은 겔, 유체(물 등)의 용이하게 변형 가능한 기재에 직접, 또는 공간을 통하여 접하고 있어서, 둘레벽이 그 두께 방향으로 변형되었을 때에 기재로부터 실질적인 저항을 받지 않는 것으로 한다. 둘레벽에 물리적인 저항을 부여하지 않기 위해서는 기재에 소정의 두께가 필요하게 된다. 이 기재는 용이하게 변형되기 때문에, 상기 소정의 두께를 확보하기 위해서는 그 주위가 케이싱으로 포위되게 된다. 또, 둘레벽의 성형 재료와 기재의 성형 재료 사이에는 높은 밀착성이 있는 것이 바람직하다. 양자 간에 미끄러짐이 생기면 마찰저항이 생겨 불규칙한 내부저항 이 생길 우려가 있기 때문이다. 이러한 둘레벽의 형성 재료로서 우레탄수지 또는 우레탄엘라스토머를 들 수 있고, 기재의 형성 재료로서 실리콘겔을 들 수 있다.

또, 기재로부터 광탄성 효과가 생기면, 둘레벽의 광탄성 효과의 노이즈가 되기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 기재는 겔이나 유체(물 등)와 같은 실질적으로 내부 응력을 발생시키지 않는 재료로 하는 것이 바람직하다.

또, 둘레벽의 내측, 즉 중공부에는 광탄성 효과의 관찰 시에 임의의 물건을 삽입할 수 있다. 예를 들면, 멤브레인형 모델의 경우, 카테터나 액체를 삽입할 수 있다.

중공부의 둘레벽은 실질적으로 동일한 두께의 원환형 단면으로 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 둘레벽을 어떤 방향으로부터 관찰하더라도 동일 광탄성 효과(광의 파장)를 얻을 수 있다. 또, 둘레벽에서 제1 내부 응력에 관계하는 재료의 폭이 일정하게 되기 때문에, 응력이 용이하게 특정 가능하게 된다.

멤브레인형 모델의 응력 상태를 광탄성에 의해 관찰하는 데에는 멤브레인형 모델에 있어서 적어도 응력 상태의 관찰이 필요한 부위를 등방성 재료로 형성한다. 멤브레인형 모델은 투광성을 가지는 것으로 한다.

이러한 광탄성을 가지는 재료로서, 예를 들면, 실리콘 고무(실리콘엘라스토머)나 열경화성의 폴리우레탄엘라스토머 등의 엘라스토머 외에 실리콘수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄, 불포화폴리에스테르, 페놀 수지, 우레아수지 등의 열경화성 수지나, 폴리메타아크릴산 메틸 등의 열가소성 수지를 단독으로, 또는 복수 조합하여 사용할 수 있다.

카테터나 액체를 멤브레인형 모델의 공간에 삽입했을 때, 상기 둘레벽에서의 응력 상태가 광탄성 효과로서 관찰되기 위해서는 적어도 상기 둘레벽이 탄성변형 가능한 재료로 형성될 필요가 있다. 물론, 멤브레인형 모델을 전체적으로 탄성변형 가능한 재료로 형성할 수 있다.

이러한 멤브레인형 모델의 형성 재료로서, 카테터 등의 삽입에 동반하여 변형되기 쉽고(즉, 종탄성 계수가 작고), 또한 약간의 변형이라도 큰 광탄성 효과의 변화를 관찰할 수 있는(즉, 광탄성 계수가 큰) 재료가 바람직하다. 이러한 재료로서 폴리우레탄엘라스토머를 들 수 있다. 또, 젤라틴(식물성 한천), 식물성 한천, 카라기난(carrageenan), 로카스트빈검((locust bean gum)과 같은 다당류의 겔화제를 채용할 수도 있다.

기재는 내부 응력을 발생시키지 않는 재료로 형성된다. 생체 조직을 재현하기 위해서는 적당한 탄성과 멤브레인형 모델에 대한 밀착성이 요구된다.

멤브레인형 모델과 기재의 가장 바람직한 조합은 멤브레인형 모델을 폴리우레탄엘라스토머로 형성하고, 기재로서 실리콘겔을 채용하는 것이다.

(광탄성 효과)

광탄성 효과란, 투광성 재료에 있어서 내부 응력이 생기면, 일시적으로 복굴절성을 띠어, 최대 주 응력과 최소 주 응력의 방향으로 굴절률이 상이하므로, 입사광이 2개의 평면편광으로 나뉘어져 진행되는 것을 말한다. 상기 2개의 파의 위상차에 의해 간섭 줄무늬가 생겨, 이 간섭 줄무늬를 관찰함으로써 투광성 재료의 내부 응력의 상태를 알 수 있다.

이 광탄성 효과를 발생시키기 위해서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 광원으로부터의 광을 제1 편광판(편광필터)를 통해서 편광시키고, 입체 모델에 이 직선편광을 통과시킨다. 입체 모델에 내부 응력이 발생되어 있으면 내부 응력의 강도에 따라서 복굴절이 생겨, 최대 주 응력(acosφ sinω t)과 최소 주 응력(acosφ sin(ωt-A))이 생성된다. 이들 광은 속도가 상이하기 때문에 위상차를 발생하고, 제2 편광판(편광필터)을 통해서 관찰하면, 간섭 줄무늬가 나타난다. 또, 이 제2 편광판의 편광 방향은 제1 편광판의 변경 방향과 실질적으로 직교하고 있다.

한 쌍의 편광판 사이에 입체 모델을 개재시키고, 입체 모델을 투과하는 광에 발생하는 광탄성 효과를 관찰하는 방법으로서, 직교니콜법, 평행니콜법, 예민색법 등이 알려져 있다. 또, 편광판과 입체 모델 사이에 1/4 편광판을 개재시켜서 광탄성 효과를 검출하는 방법으로서, 원편광법이나 세나르몽(Senarmont)법 등이 알려져 있다.

본 발명에서는 도 2B에 도시한 바와 같이, 관찰 대상(100)이 중공부(101)를 가지고, 상기 중공부(101)의 주위 영역(103)이 광탄성 효과를 가지는 탄성 재료로 박막형(막 두께: 0.1∼5.0mm)으로 형성되어 있다. 주위 영역(103)은 겔 등의 투광성의 기재(105)에 둘러싸여 있다. 기재(105)는 변형이 용이하고, 광탄성 효과를 실질적으로 발휘하지 않는다. 또, 기재(105)에 충분한 두께를 확보함으로써 주위 영역(103)의 변형에 대하여 무저항이 된다. 이러한 기재(105)의 두께는 그 재질에 의해 임의로 선택되는 것이지만, 주위 영역(103)의 두께의 10배 이상, 바람직하게는 100배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 두께가 두꺼운 기재(105)는 형 상이 붕괴되기 때문에, 투광성의 케이스(107)로 덮는 것이 바람직하다. 케이스(107)의 형상은 임의이다.

도 2B의 관찰 대상(100)에 있어서, 도면에 화살표로 도시한 바와 같이, 외력(카테터에 대응)이 가해졌을 때 주위 영역(103)이 변형된다. 이 때, 변형부에는 주위 영역(103)의 두께 방향의 내부 응력(σ3)이 거의 생기지 않는다. 이것은 외력에 대하여 기재(105)로부터의 반발력이 실질적으로 없기 때문이다. 따라서, 변형부에는 실질적으로 주위 영역(103)의 표면을 따르는 방향의 내부 응력(σp)(제1 내부 응력)만이 생기게 된다.

이러한 관찰 대상(100)에 편광을 투과하면, 제1 내부 응력(σp)에 기인하는 광탄성 효과가 생겨, 상기 제1 내부 응력(σp)의 크기에 대응한 파장광이 관찰된다.

본 발명자들은 광탄성 효과에 의해 입사광에 생긴 파장, 바꾸어 말하면, 관찰된 광의 색변화를 이용하여, 상기 제1 내부 응력(σp)을 특정하는 방법에 대해 예의 검토를 거듭해 온 결과, 주위 영역(103) 상의 내부 응력(σp)을, 관찰 시에 있어 중공부(101)의 윤곽 영역에 존재하는 부분(윤곽 영역)과, 관찰 시에 있어 중공부(101)의 바로 앞에 존재하는 부분(전면 영역)으로 나눠, 각각 다른 방법에 의해 특정할 수 있는 것을 발견했다.

(상기 윤곽 영역의 응력 관찰 방법)

주위 영역(103) 내, 상기 윤곽 영역의 관찰 시에는, 제1 내부 응력(σp)의 방향은 관찰 방향, 즉 입사광의 방향에 평행이 되기 때문에, 주위 영역(103)의 재 료가 내부 응력(σp)의 방향으로 광폭으로 존재하는 것이 된다. 이 경우, 상기 윤곽 영역에 관찰되는 제1 내부 응력(σp)에 기인하는 광탄성 효과는 상기 폭(W)에 존재하는 재료 상의 파장 변화의 총계가 된다. 따라서, 도 2B에 도시한 바와 같이, 단위 폭(w)을 가지는 특정 영역(1031)(단위 영역)의 파장 변화는 관찰된 광탄성 효과로부터 얻어진 파장 변화를 폭(W)으로 나눔으로써 얻어진다.

여기에, 주위 영역(103)이 실질적으로 동일한 두께로 원환형으로 형성되어 있으면, 상기 폭(W)이 고정되기 때문에, 관찰된 광탄성 효과로부터, 단위 영역의 파장 변화를 구할 수 있고, 이에 따라 상기 윤곽 영역의 내부 응력을 용이하게 구할 수 있다. 구체적으로는, 주위 영역의 내경 또는 외경에 따른 환산표(관찰광의 파장(색)과 단위 영역의 내부 응력과의 관계를 나타낸다)를 준비해 두면, 관찰된 광탄성 효과의 광의 파장(색)으로부터 단위 영역에 발생되어 있는 내부 응력을 파악할 수 있다.

주위 영역(103)을 나타내는 3차원적인 데이터가 있으면, 상기 데이터로부터 주위 영역의 폭(W)을 특정할 수도 있다.

다음에 멤브레인형 모델의 상기 윤곽 영역에서의 내부 응력의 3차원적인 해석 방법에 대하여 설명한다.

도 3은 이 해석 방법을 설명하기 위한 모식도이다. 상기의 내부 응력(σp)(벡터 또는 텐서(tensor)는 본 발명이 대상으로 삼는 평면응력 문제에서는 그 구성 요소인 내부 주 응력 σ1과 σ2에 의해 기술된다. 그리고, 각각의 관찰 방향에 따라서 얻어지는 멤브레인형 모델의 상기 윤곽 영역(107) 상의 각 점(108)(즉, 멤 브레인형 모델의 윤곽을 이루는 둘레벽 상의 각 점)에 대해, 관찰 방향, 즉 편광의 입사방향에 평행한 접평면을 가정하면, 이 방법에서 요구되는 내부 응력, 즉 내부 주 응력(σ1 및 σ2)은 상기 접평면 상의 응력으로서 정의되고, 상기 접평면 상에서 직행하고 있다. 따라서, 이들의 내부 주 응력(σ1 및 σ2)은 각각 멤브레인형 모델의 표면을 따르는 방향에 있고, 이 명세서에서 규정하는 제1 내부 응력에 상당한다. 또, 멤브레인형 모델의 두께 방향의 내부 응력은 본 발명의 특성 상 무시할 수 있는 것으로 한다.

광탄성 효과를 발생시키는 위상차(R)는 다음 식으로 나타내어진다.

R=α(σ1cos²θ + σ2sin²θ)D

(단 D는 편광의 통과 길이이다)

따라서, 관찰되는 광탄성 효과는 상기의 내부 주 응력(σ1 및 σ2)의 영향이 포함된 것으로 된다.

그래서 본 발명자들은 상기 내부 주 응력(σ1 및 σ2)을 독립적으로 구하도록 예의 검토를 거듭해 온 결과, 하기의 방정식을 푸는 것에 의해 내부 주 응력(σ1 및 σ2)의 값이 얻어지는 것을 발견했다.

[식 1]

상기 식을 푸는 데에 있어, 편광을 3개의 상이한 입사각도로 입사시키고, 그 때의 편광의 통과 길이를 D1, D2, D3으로 한다. 관찰된 광탄성 효과로부터 위상차 R1, R2 및 R3을 구한다. 또, R2는 θ=90도일 때의 위상차이다.

상기 식을 푸는 것에 의해, 내부 주 응력(σ1 및 σ2)을 독립적이고 또한 용이하게 구할 수 있다.

(상기 전면 영역의 응력 관찰 방법)

관찰 대상(100)의 배후로부터 편광을 투광하여, 관찰 대상(100)의 바로 앞에서 광탄성 효과의 관측을 행한 경우에, 상기 전면 영역에 관측되는 파장(색) 변화는 도 2A에 나타내는 공동부(101)의 배면에 존재하는 막(공동 배막) 상의 광탄성 효과와, 상기 공동부(101)의 전면에 존재하는 막(공동전막) 상의 광탄성 효과의 총계가 되어, 상기 전면 영역(즉, 공동전막) 상에서의 파장 변화를 독립적으로 구할 수는 없다.

그래서 본 발명자들은 상기 전면 영역 상의 파장 변화를 독립적으로 구하도록 예의 검토를 거듭해 온 결과, 다음 방법에 의해 상기 전면 영역 상의 파장 변화 가 얻어지는 것을 발견했다.

즉, 이 경우에는 관측대상(100)의 바로 앞에서 편광을 투광하여, 상기 공동전막을 투과한 광을 공동부(101)의 전면에서 반사시키고, 다시 상기 공동전막을 투과하여 바로 앞으로 되돌아온 광을 관찰 대상(100)의 전면에서 관측함으로써, 상기 전면 영역 상에서의 파장 변화를 독립적으로 구할 수 있고,

그와 같은 공동부(101)의 전면에서의 반사는 공동부(101)의 내부를 반사율이 높은 액체, 또는 반사율이 높은 재료를 혼입시킨 액체로 채우거나, 또는 공동부(101)의 표면(적어도 전면)에 반사율이 높은 재료로 이루어지는 층을 형성함으로써 실현할 수 있다.

이 경우, 상기 윤곽 영역에 관찰되는 제1 내부 응력(σp)에 기인하는 광탄성 효과는 상기 공동전막의 막 두께 상의 파장 변화의 총계의 2배가 된다. 따라서, 상기 막 두께 내의 단위폭(w')에 대한 파장 변화는 관찰된 광탄성 효과로부터 얻어진 파장 변화를 막 두께의 2배의 폭(W')으로 나눔으로써 얻어진다.

보다 엄밀하게는, 상기 전면 영역은 곡면을 이루기 때문에, 관찰 방향의 막 두께는 곡면 상의 각 점에서 상이하지만, 여기에, 주위 영역(103)이 실질적으로 동일한 두께로 원환형으로 형성되어 있으면, 상기 폭(W')의 분포가 고정되기 때문에, 관찰된 광탄성 효과로부터, 단위폭(w')의 파장 변화를 바로 구할 수 있고, 이에 따라 상기 전면 영역의 내부 응력을 용이하게 구할 수 있다. 구체적으로는, 상기 전면 영역 내의 위치에 따른 환산표(관찰광의 파장(색)과 단위 영역의 내부 응력과의 관계를 나타낸다)를 준비해 두면, 관찰된 광탄성 효과의 광의 파장(색)으로부터 단 위 영역에 발생되어 있는 내부 응력을 파악할 수 있다.

주위 영역(103)을 나타내는 3차원적인 데이터가 있으면, 상기 데이터로부터 상기 전면 영역 내의 각 점에서의 폭(W')을 특정할 수도 있다.

이어서, 멤브레인형 모델의 상기 전면 영역에서의 내부 응력의 3차원적인 해석 방법에 대하여 설명한다.

도 23은 이 해석 방법을 설명하기 위한 모식도이다. 각각의 관찰 방향에 따라 얻어지는 멤브레인형 모델의 상기 전면 영역(109) 상의 각 점(110)(즉, 멤브레인형 모델의 전면을 이루는 둘레벽 상의 각 점)에 대해 접평면을 가정하면, 이 방법에서 요구되는 내부 주 응력(내부 응력(σp)(벡터 또는 텐서)의 구성 요소)(σ1 및 σ2)은 상기 접평면 상의 응력으로서 정의되고, 상기 접평면 상에서 직행하고 있다. 따라서, 이들의 내부 주 응력(σ1 및 σ2)은 각각 멤브레인형 모델의 표면을 따르는 방향으로 있고, 본 명세서에서 규정하는 제1 내부 응력에 상당한다. 또, 멤브레인형 모델의 두께 방향의 내부 응력은 본 발명의 특성상 무시할 수 있는 것으로 한다.

상기 전면 영역(109)은, 공동부(101) 표면에 존재하기 때문에 곡면을 이루고, 광탄성 효과는 상기 곡면 상에 관찰된다. 이 곡면 상의 광탄성 분포를, 평면 상에 투영한 경우, 상기 평면형의 각 점에서의 위상차(R)는, 다음 식으로 나타내어진다.

R=α(σ1-σ2)D

(단, D는 각 점에서의 편광의 통과 길이이다)

따라서, 관찰되는 광탄성 효과는 상기의 내부 주 응력(σ1 및 σ2)의 영향이 포함된 것으로 되지만, 이 경우에는 내부 주 응력(σ1 및 σ2)은 관측 방향에 수직 평면 내에 있기 때문에, 광탄성 효과를 검출하기 위한 편광판의 방향을 조정함으로써, 한쪽을 광학적으로 소거할 수 있고, 내부 주 응력(σ1 및 σ2)의 값을 얻을 수 있다.

즉 본 발명의 다른 면은 다음과 같이 나타내어진다.

중공부를 가지는 관찰 대상으로서, 상기 중공부의 주위 영역은 투광성의 탄성 재료로 이루어지는 박막형이며, 상기 주위 영역에 외력이 가해졌을 때 그 두께 방향으로는 실질적으로 내부 응력이 발생하지 않고, 그 표면을 따르는 방향으로 제1 내부 응력이 발생하는 관찰 대상과,

상기 주위 영역의 내주면을 반사면으로 하는 수단과,

상기 내주면을 통과하여 상기 반사면에서 반사된 광에 생기는 광탄성 효과를 검출하는 수단

을 구비하여 이루어지고, 상기 광탄성 효과는 오로지 상기 제1 내부 응력에 기인하는 것임을 특징으로 하는 피실험체의 응력 관찰 장치.

본 발명의 다른 면에 대하여 설명한다.

중공부를 가지는 관찰 대상으로서, 상기 중공부의 주위 영역은 투광성의 탄성 재료로 이루어지는 박막형으로서, 상기 주위 영역에 외력이 가해졌을 때 그 두께 방향으로는 실질적으로 내부 응력이 발생하지 않고, 그 표면을 따르는 방향으로 제1 내부 응력이 발생하는 관찰 대상과,

상기 관찰 대상의 주위 영역을 통과하는 광에 생기는 광탄성 효과를 검출하는 수단

이와 같이 구성된 응력 관찰 장치에 의하면, 중공부의 주위 영역은 이것이 3차원적인 형상이더라도, 거기서 생기는 광탄성 효과가 오로지 제1 내부 응력(주위 영역의 표면을 따른 방향의 응력)에 기인하는 것으로 되어, 관찰된 광탄성 효과(광의 파장)로부터 상기 주위 영역에서의 응력을 특정할 수 있다.

이러한 응력 관찰 장치는, 그 관찰 대상을 입체 모델(체강을 재현한 공간을 가지는 투광성의 모델)로 했을 때, 그 공간의 주위 영역의 물리적 특성을 관찰하는 것에 유효하다. 즉, 카테터나 액체의 삽입 시뮬레이션에 있어서 입체 모델의 공간의 주위 영역에 응력이 걸렸을 때, 광탄성 효과가 생겨 그 응력 상태를 관찰할 수 있다. 이에 따라, 카테터나 액체를 혈관 등의 체강에 삽입했을 때의 생체 조직에 부여하는 영향을 시뮬레이션할 수 있다.

상기에서, 주위 영역은 탄성 재료로 이루어지는 박막으로서, 이것에 외력이 걸렸을 때 그 두께 방향으로는 구속되지 않고, 그 표면을 따르는 방향으로만 강제 변위가 생기도록 한다. 이에 따라, 주위 영역에 생기는 응력이 제1 내부 응력만이 되고, 광탄성 효과로부터 멤브레인형 주위 영역의 응력을 특정할 수 있게 된다. 물론, 광탄성 효과를 얻기 위해서 주위 영역은 투광성을 가진다.

주위 영역의 두께는 상기의 특성이 유지될 수 있으면, 특별히 한정되지 않지 만, 본 발명자들의 검토에 의하면, 0.1∼5.0mm로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.1∼1.0mm이다.

또, 주위 영역에 두께 방향의 응력을 발생시키지 않기 위해서는, 상기 주위 영역은 그 두께 방향으로부터 물리적인 규제가 없는 상태로 한다. 구체적으로는, 주위 영역의 외측은 겔, 유체(물 등)의 용이하게 변형 가능한 기재에 직접, 또는 공간을 통하여 접하고 있고, 주위 영역이 그 두께 방향으로 변형되었을 때에 기재로부터 실질적인 저항을 받지 않는 것으로 한다. 주위 영역에 물리적인 저항을 부여하지 않기 위해서는, 기재에는 소정의 두께가 필요하게 된다. 이 기재는 용이하게 변형되기 때문에, 상기 소정의 두께를 확보하기 위해서는 그 주위가 케이싱으로 포위되게 된다. 또, 주위 영역의 성형 재료와 기재의 성형 재료 사이에는 높은 밀착성이 있는 것이 바람직하다. 양자간에 미끄러짐이 생기면 마찰저항이 생겨 불규칙한 내부저항이 생길 우려가 있기 때문이다. 이러한 주위 영역의 형성 재료로서 우레탄수지 또는 우레탄엘라스토머를 들 수 있고, 기재의 형성 재료로서 실리콘겔을 들 수 있다.

또, 기재로부터 광탄성 효과가 생기면, 주위 영역의 광탄성 효과의 노이즈가 되기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 기재는 겔이나 유체(물 등)와 같은 실질적으로 내부 응력을 발생시키지 않는 재료로 하는 것이 바람직하다.

또, 주위 영역의 내측, 즉 중공부에는, 광탄성 효과의 관찰 시에 임의의 것을 삽입할 수 있다. 예를 들면, 입체 모델의 경우, 카테터나 액체를 삽입할 수 있다.

중공부의 주위 영역은 실질적으로 동일한 두께의 원환형 단면으로 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 주위 영역을 어떤 방향으로부터 관찰하더라도 동일한 광탄성 효과(광의 파장)를 얻을 수 있다. 또, 주위 영역에서 제1 내부 응력에 관계하는 재료의 폭이 일정(주위 영역의 직경으로부터 상기 폭을 특정 가능)해지기 때문에, 주위 영역의 단위 영역(단위 폭을 가지는)의 응력을 용이하게 특정 가능하게 된다.

본 발명의 다른 면은 다음과 같이 규정된다. 즉,

검출 수단에 의해 제1 내부 응력에 기인하여 생긴 광탄성 효과를 취득하고,

상기 주위 영역에서의 제1 내부 응력의 발생 방향의 폭을 구하는 수단과, 취득된 광탄성 효과와 상기 주위 영역의 폭으로부터 상기 주위 영역의 단위 영역에서의 응력을 연산하는 수단이 추가로 구비된다.

이와 같이 구성된 응력 관찰 장치에 의하면, 주위 영역에서의 제1 내부 응력의 발생 방향의 폭이 구해지기 때문에, 검출 수단에 의해 취득된 광탄성 효과(광의 파장 변화)를 상기 폭으로 나눔으로써, 주위 영역에서의 단위 영역(단위 폭을 가지는)의 파장 변화를 특정 가능하게 된다. 이에 따라, 주위 영역에 생기는 응력 상태를 보다 정확하게 특정 가능하게 된다.

본 발명의 다른 면은 다음과 같이 규정된다. 즉,

적어도 체강을 재현한 공간의 주위 영역의 적어도 일부가 광탄성 효과를 가지는 멤브레인형의 탄성 재료로 형성되고, 상기 멤브레인형의 탄성 재료의 주위가 실질적으로 광탄성 효과를 발생하지 않는 겔로 이루어져 상기 주위 영역의 두께 방 향에 대하여 실질적으로 무저항의 기재로 포위되는 투광성의 입체 모델과,

상기 입체 모델을 통과하는 광에 생기는 광탄성 효과를 검출하는 수단

을 구비하여 이루어지는 입체 모델의 응력 관찰 장치.

이와 같이 구성된 응력 관찰 장치에 의하면, 멤브레인형의 탄성 재료의 주위가 겔형 기재로 둘러싸여 있다. 따라서, 상기 입체 모델에 있어서 광탄성 효과는 오로지 탄성 재료부분으로부터 생기고 겔형 기재 부분으로부터는 광탄성 효과가 생기지 않는다. 따라서 멤브레인형 탄성 재료의 응력 상태를 정확하게 관찰할 수 있다.

또 다른 면에 의하면, 적층조형에 의해 체강의 주위 영역의 제1차 모델을 작성하고,

상기 제1차 모델을 몰드 재료로 둘러싸서 암형(female mould)을 형성하고,

상기 제1차 모델을 상기 암형으로부터 제거하고,

상기 암형의 공동에 폴리우레탄엘라스토머를 주입하여 이것을 경화시키고,

상기 암형을 제거하여 폴리우레탄엘라스토머로 이루어지는 멤브레인형 모델을 얻은 다음,

상기 멤브레인형 모델의 주위를 실리콘겔로 이루어지는 상기 멤브레인형 모델의 두께 방향에 대하여 실질적으로 무저항인 기재로 둘러쌈으로써 광탄성 효과의 관찰에 알맞은 입체 모델을 제조한다.

(제1 실시예)

입체 모델화의 대상으로 삼는 뇌혈관 및 환부인 뇌동맥의 형상에 관한 3차원 데이터를 얻기 위해, 촬영 영역의 혈 관내부에 조영제를 투여하면서, 환자의 두부에 대하여, 0.35×0.35×0.5mm의 공간분해능을 가지는 헬리컬스캔 방식의 X선 CT 장치에 의해 촬영했다. 촬영에 의해 얻어진 3차원데이터는, 3차원 CAD 소프트웨어로의 전송을 위해, 몸체 축 방향으로 등간격으로 배열된 500매의 512×512의 해상도를 갖는 256계조의 2차원 화상(단층촬영 데이터)으로 재구성한 후, 각 2차원 화상에 대응하는 화상데이터를 촬영방향과 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, 아이소서피스(isosurface; 일정한 전자밀도를 갖는 면)(특정 스칼라 값의 경계면)로서 혈관 내강의 3차원 형상 데이터를 구축한 후, 구축된 아이소서피스에 대하여 삼각형 폴리곤 근사법의 렌더링(rendering)이 행하여진다.

또, 이 단계에서, 3차원 형상 데이터에 부가데이터를 더하여, 체강 모델의 단부로부터 가이드부(13)를 팽출시켰다. 이 가이드부(13)는 도 4에 도시한 바와 같이, 중공기둥형의 부재이다. 중공부(31)를 구비함으로써, 적층조형 시간의 단축 을 꾀하고 있다. 이 가이드부(13)의 선단은 직경이 확대되어 있고, 이 부분이 입체 모델 표면에 표출하여, 대경인 개구부(25)(도 7 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 용해됨)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, 뇌혈관 내강 영역의 적층 조형 모델(체강 모델(12))을 작성했다.

또한, 이 체강 모델(12)의 표면을 처리하여 원활하게 한다.

이 체강 모델(12)의 전체 표면에 실리콘 고무층(15)을 대략 1mm의 두께로 형성했다(도 6참조). 이 실리콘 고무층(15)은, 체강 모델(12)을 실리콘 고무조에 디핑하여 취출한 체강 모델을 회전시키면서 건조시킴으로써 얻어진다. 이 실리콘 고무층이 멤브레인형 모델이 된다.

이 실시예에서는, 체강 모델(12)의 전체 표면을 실리콘 고무층(15)으로 피복했지만, 체강 모델(12)의 원하는 부분을 부분적으로 실리콘 고무층(15)으로 피복하 는 것도 가능하다.

체강 모델(12)을 실리콘 고무층(15)으로 이루어지는 멤브레인형 모델로 피복하여 이루어지는 코어(11)를 직방체의 케이싱(24)에 세팅한다. 이 케이싱(24)은 투명한 아크릴판으로 이루어진다. 케이싱 내에 기재(22)의 재료를 주입하여, 이것을 겔화한다.

기재(22)의 재료로서, 2액 혼합형의 실리콘겔을 이용했다. 이 실리콘겔은 투명하며, 또한 혈관 주위의 연조직과 매우 유사한 물리적 특성을 가지고 있다. 축합 중합형의 실리콘겔을 이용하는 것도 가능하다.

기재(22)의 재료의 물리적 특성은, 멤브레인형 모델의 대상인 혈관 등의 주위의 조직의 물리적 특성에 적합하도록, 조정된다.

또, 이 실시예에서는 침 삽입도, 유동성, 점착성, 응력완화성 등을 지표로 하여, 최종적으로는 오퍼레이터의 손 감촉(카테터의 삽입감각)에 의해 그 물리적 특성을 생체 조직에 근접시키도록 하고 있다.

실리콘겔의 경우, 그 폴리머의 골격을 조제하는 것은 물론, 실리콘 오일을 배합함으로써 상기 물리적 특성을 조정할 수 있다.

이 실시예에서는 멤브레인형 모델의 성형 재료에 실리콘엘라스토머(아사히카세이 와커 실리콘 주식회사제, 상품명: RT601)를 선택하고, 기재에 실리콘겔(아사히카세이 와커 실리콘 주식회사제, 상품명: SilGel612)을 선택했다. 이 실리콘겔의 종탄성 계수는 약 5.0kPa, 손실 계수 tanδ(점탄성 파라미터)는 약 1.0이며, 약 1000%의 연신을 가진다. 또 실리콘엘라스토머에 대한 밀착력(접착 강도)은 약 8kPa이다.

실리콘겔 외에, 글리세린겔을 이용하는 것도 가능하다. 이 글리세린겔은 다음과 같이 하여 얻어진다. 즉, 젤라틴을 물에 침지하여, 이것에 글리세린과 석탄산을 가하여, 가열용해한다. 온도가 높을 때 여과하고, 코어에 영향을 주지 않는 온도가 되면 케이싱 내에 주입하여, 방냉한다.

그 후, 코어(11) 내의 체강 모델(12)을 제거한다. 제거 방법으로서 하이브리드법을 채용했다. 즉, 시료를 가열하여 개구부(25)로부터 체강 모델의 재료를 외부로 유출시키고, 또한, 공동부에 아세톤을 주입하여 체강 모델의 재료를 용해제거한다.

그 후, 시료를 120℃로 설정된 항온층 내에서 약 1시간 가열하여, 멤브레인형 모델(실리콘 고무층(15))의 불투명을 제거하였다.

이렇게 하여 얻어진 입체 모델(21)은 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 실리콘겔으로 이루어지는 기재(22) 내에 멤브레인형 모델(15)이 매설된 구성이 된다. 실리콘겔이 생체 조직에 가까운 물리적 특성을 갖기 때문에, 멤브레인형 모델(15)은 혈관과 동등한 동적 거동을 나타내는 것이 된다.

(제2 실시예)

도 9에 다른 실시예의 입체 모델(41)을 나타낸다. 또, 도 7과 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.

이 예에서는, 실제의 뇌 조직에 대응하도록, 기재를 다층 구조로 하여, 뇌의 각 부위에 따라서 상이한 물리적 특성의 기재(42, 43, 44)를 적층했다. 기재(42) 는 대뇌동맥부의 주위의 거미막하(subarachnoid) 공간의 물리적 특성에 대응하고, 기재(43)는 교통동맥부의 주위의 연조직의 물리적 특성에 대응하고, 기재(44)는 경동맥부의 주위의 해면정맥통의 물리적 특성에 대응한다.

다른 부분의 기재(46, 47)는 도 7과 동일한 기재로 했다. 또, 상기 다른 부분(46, 47)의 기재는 이것을 겔 이외의 것(고체 등)으로 하는 것도 가능하다.

(제3 실시예)

도 8에 다른 실시예의 입체 모델(51)을 나타낸다.

이 입체 모델(51)에서는, 기재(52) 내에 공극부(53)가 형성되어 있으며, 멤브레인형 모델(55)의 일부는 상기 공극부(53) 내에 존재하고 있다. 상기 공극부(53)는 거미막하 공간에 대응하고 있다.

이 공극부(53)는 코어(체강 모델+ 멤브레인형 모델)에 공극부(53)와 대응하는 커버를 씌우고, 그 주위에 실리콘겔로 이루어지는 기재(52)를 충전한다. 그리고, 체강 모델과 상기 커버를 제거함으로써 도 9에 나타낸 구성을 얻을 수 있다.

도 11은 도 10의 C-C선 단면도이며, 멤브레인형 모델(55)이 실리콘겔로 이루어지는 기재(51)에 매설되어 있는 것을 나타낸다.

또, 공극부(53)에는 기재(52)와 상이한 물성(바람직하게는 거미막하 공간을 구성하는 생체 조직과 동등한 물성을 가짐(겔 등))의 재료를 충전할 수도 있다. 이 충전 물질은 기재(52)와 실질적으로 동등한 굴절률을 가지는 것이 바람직하다.

공극부의 형상은 임의의 형상으로 형성할 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예의 응력 관찰 장치(60)의 구성을 나타낸다.

이 실시예의 응력 관찰 장치(60)는, 광원(61), 한 쌍의 편광판(62 및 63), 도 7에 나타낸 입체 모델(21), 수광부(70)로 대략 구성된다.

광원(61)에는 백색광원을 이용하는 것이 바람직하다. 태양광을 광원으로서 이용하는 것도 가능하다. 또, 단색광원을 이용하는 것도 가능하다. 제1 편광판(62) 및 제2 편광판(63)은 서로 직교되는 편광 방향을 가진다. 이에 따라, 도 1에 설명한 바와 같이, 상기 윤곽 영역에서의 입체 모델(21)의 내부 응력에 기인하는 광탄성 효과를 제2 편광판(63) 측에서 관찰할 수 있다.

예를 들면 입체 모델(21)의 공간에 카테터를 삽입했을 때, 카테터와 공간의 둘레벽이 간섭하면, 상기 공간 둘레벽에 응력이 생겨 거기에 광탄성 효과(간섭 줄무늬)가 나타난다. 또, 코일 색전 시의 동맥류의 변형에 따르는 상기 동맥류 주위 영역의 응력 상태도 광탄성 효과로부터 시뮬레이션할 수 있다.

또, 이 입체 모델에 있어서 멤브레인형 모델은 폴리우레탄엘라스토머로 형성되고, 기재에는 실리콘겔을 채용한다. 이것에 의해 멤브레인형 모델의 내부 응력변화가 광탄성 효과로서 관찰 가능하게 된다.

이 실시예에서는 광원(61), 제1 편광판(62), 입체 모델(21) 및 제2 편광판(63)을 직선상으로 배치했지만, 제2 편광판(63)을 이동시켜(즉, 직선상에서 어긋나게 하여) 배치할 수 있다. 입체 모델(21)의 공간에서 광이 난반사하기 때문에, 공간의 형상에서는 제2 편광판(63)을 이동시켜 배치하는 편이 광탄성 효과를 보다 선명하게 관찰할 수 있는 경우가 있기 때문이다.

도 19에는 도 12에 나타내는 응력 관찰 장치(60)에 관련되는 다른 실시예의 응력 관찰 장치(360)(도 12에 나타내는 구성요소와 동일한 요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 설명을 생략한다)를 나타낸다. 이 실시예에서는, 광원(61)과 제1 편광판(62), 및 제2 편광판(63)과 수광부(70)를 각각 1조로 하여 입체 모델(21)의 한쪽으로 이동시켜, 병렬 배치하고 있다. 이에 따라, 입체 모델(21)의 상기 전면 영역 상에서의 내부 응력에 기인하는 광탄성 효과를 제2 편광판(63) 측에서 관찰할 수 있다.

광원(61)으로부터 발생한 광은, 제1 편광판(62)을 통과하여 입체 모델(21)에 입사하고, 입체 모델(21)(멤브레인형 모델)의 멤브레인 부분을 다시 통과한 후에, 멤브레인형 모델 내의 공극부 표면에서 반사되어, 다시 입체 모델(21)(멤브레인형 모델)의 멤브레인 부분을 통과하여, 편광판(63)과 제2의 1/4 편광판(83)을 경유하여 수광부(70)에서 관측된다. 이 방법에 의하면, 상기 공극부 표면상의 광원(61)에 의한 투영면 상의 광탄성 효과를 관찰할 수 있다. 또 상기 실시예에서는 공극부 내부를 반사율이 높은 액체, 또는 반사율이 높은 재료를 혼입시킨 액체로 채우거나, 또는 공극부 표면에 반사율이 높은 재료로 이루어지는 층을 형성함으로써, 공극부 표면에서 광원(61)으로부터의 입사광을 반사시킨다.

이들 2개의 실시예(도 12에 나타내는 응력 관찰 장치(60), 및 도 19에 나타내는 응력 관찰 장치(360))에 있어서, 수광부(70)는 CCD 등으로 이루어지는 촬상 장치(71)와 상기 촬상 장치(71)로 촬상한 광탄성 효과의 화상을 처리하는 화상 처리 장치(70), 및 화상 처리부(70)의 처리 결과를 출력하는 디스플레이(75) 및 프린터(77)를 구비하고 있다.

화상 처리 장치(73)에서는 다음과 같은 처리가 행해진다(도 13 참조).

먼저, 입체 모델(21)에 전혀 외력을 가하지 않은 초기 상태의 화상을 백그라운 드화상으로서 받아들인다(스텝 1). 입체 모델(21)이 높은 광탄성 계수의 재료로 형성되어 있는 경우, 자중(自重)에 의해 광탄성 효과를 발생하는 경우가 있다. 따라서, 광원(61)으로부터 광을 조사하고, 또한 외력을 가했을 때(예를 들면 카테터를 삽입했을 때)의 광탄성 효과에 의한 간섭 줄무늬 화상을 받아들인 후(스텝 3), 그로부터 백그라운드 화상을 차분(差分) 처리한다(스텝 5).

입체 모델(21)이 높은 광탄성 계수의 재료로 형성되어 있는 경우, 내부 응력의 여하에 의해 미세한 간섭 줄무늬가 반복 패턴으로 나타난다. 화상 처리 장치(73)는 단위 면적당의 상기 패턴의 수를 카운트함으로써, 상기 내부 응력을 수치화한다(스텝 7). 그리고, 제2 편광판(63)을 통하여 얻어지는 입체 모델(21)의 형상에 관한 화상에 있어서, 내부 응력이 생긴 부분에 상기 수치에 대응한 색을 부여하여 외부에 표시한다(스텝 9).

이 실시예에서는 수광부(70)에 의해 광탄성 효과에 의한 간섭 줄무늬를 화상 처리하고 있지만, 상기 간섭 줄무늬를 관찰자가 직접 또는 촬상 장치(71)를 통하여 관찰할 수도 있다.

도 14에 다른 실시예의 응력 관찰 장치(80)를 나타낸다. 도 12에 나타내는 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.

이 실시예에서는 제1 편광판(62)과 입체 모델(21) 사이에 제1의 1/4 편광판(82)을 개재시키고, 입체 모델(21)과 제2 편광판(63) 사이에 제2의 1/4 편광 판(83)을 개재시키고 있다. 이에 따라, 상기 윤곽 영역에서의 광탄성 효과를, 원편광법에 의해 관찰할 수 있다. 원편광법에 기초하는 광탄성 효과의 관찰에 의하면, 간섭 줄무늬에, 편광판과 내부 주 응력 사이의 상대방향의 영향이 나타나지 않기 때문에, 입체 모델의 자세 제어가 용이하게 된다.

도 20에 나타내는 다른 실시예의 응력 관찰 장치(380)(도 12에 나타내는 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 설명을 생략한다)에서는, 광원(61)과 제1 편광판(62), 및 제2 편광판(63)과 수광부(70)를 각각 1조로 하여 입체 모델(21)의 한쪽에 병렬 배치시키고, 또 제1의 1/4 편광판(82)을 제1 편광판(62)과 입체 모델(21) 사이에 개재시키고, 제2의 1/4 편광판(83)을 입체 모델(21)과 제2 편광판(63) 사이에 개재시키고 있다. 이에 따라, 입체 모델(21)의 상기 전면 영역 상에서의 내부 응력에 기인하는 광탄성 효과를, 원편광법에 의해, 제2 편광판(63) 측에서 관찰할 수 있다.

이 실시예에서는 광원(61)으로부터 발생한 광은, 제1 편광판(62)과 제1의 1/4 편광판(82)을 통과하여 입체 모델(21)에 입사되고, 입체 모델(21)(멤브레인형 모델)의 멤브레인 부분을 다시 통과한 후에, 멤브레인형 모델 내의 공극부 표면에서 반사되고, 다시 입체 모델(21)(멤브레인형 모델)의 멤브레인 부분을 통과하여, 편광판(63)과 제2의 1/4 편광판(83)을 경유하여 수광부(70)에서 관측된다. 이 방법에 의하면, 상기 공극부 표면상의 광원(61)에 의한 투영면 상의 광탄성 효과를, 응력 방향의 영향을 받는 일없이 관찰할 수 있다. 또 상기 실시예에서는 공극부 내부를 반사율이 높은 액체, 또는 반사율이 높은 재료를 혼입시킨 액체로 채우거 나, 또는, 공극부 표면에 반사율이 높은 재료로 이루어지는 층을 형성함으로써, 공극부 표면에서 광원(61)으로부터의 입사광을 반사시킨다.

도 15에 다른 실시예의 응력 관찰 장치(90)를 나타낸다. 도 12에 나타내는 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.

이 실시예에서는 입체 모델(21)을 회전·경사 스테이지(91)에 부착시키고, 입체 모델(21)을 회전 및/또는 경사 가능하게 한 것이다. 이에 의해, 입체 모델(21)에 대한 광의 입사방향을 변경하고, 입체 모델(21)의 상기 윤곽 영역에서의 응력 분포를 3차원적으로 관찰 가능하게 된다. 또한, 입체 모델에서의 시뮬레이션을 보다 상세하게 행할 수 있게 된다.

또, 도 15의 예의 입체 모델(21)에 이러한 회전·경사 스테이지(91)를 적용할 수도 있다.

이 실시예에서는 입체 모델(21)을 회전 및/또는 경사지게 하고 있지만, 입체 모델(21)의 자세는 고정해 두고, 주위의 요소를 회전 및/또는 경사지게 하더라도 동일한 작용·효과가 얻어진다.

또, 도 21에 나타내는 다른 실시예의 응력 관찰 장치(390)(도 12에 나타내는 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 설명을 생략한다)는, 도 15에 나타내는 응력 관찰 장치(90)와 마찬가지로, 입체 모델(21)을 회전·경사 스테이지(91)에 부착시키고, 입체 모델(21)을 회전 및/또는 경사 가능하게 한 것이다. 상기 장치에 의하면, 입체 모델(21)에 대한 광의 입사방향을 변경하는 것으로, 입체 모델(21)의 상기 전면 영역에서의 응력 분포를 3차원적으로 관찰 가능 하게 된다. 이 실시예에서는 입체 모델(21)을 회전 및/또는 경사지게 하고 있지만, 입체 모델(21)의 자세는 고정해 두고, 주위의 요소를 회전 및/또는 경사지게 하더라도 동일한 작용·효과가 얻어진다.

도 16에 다른 실시예의 응력 관찰 장치(200)의 구성을 나타낸다. 도 12와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.

상기 윤곽 영역의 응력 분포를 가능하게 하는, 이 응력 관찰 장치(200)의 화상 처리 장치(273)는 도 2에 나타내는 주위 영역(103)을 표현하는 데이터(주위 영역 데이터)(205)를 구비한다.

또, 도 22에 나타내는 다른 실시예의 응력 관찰 장치(400)(도 12에 나타내는 구성요소와 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 설명을 생략한다)는, 도 16에 나타내는 응력 관찰 장치(200)와 마찬가지로, 도 2에 나타내는 주위 영역(103)을 표현하는 데이터(주위 영역 데이터)(205)를 구비하고, 상기 전면 영역의 응력 분포를 가능하게 한다.

이들 2개의 실시예(즉, 도 16에 나타내는 응력 관찰 장치(200)와, 도 22에 나타내는 응력 관찰 장치(400))에서는, 촬상 장치(71)로 촬상한 광탄성 효과를 포함한 화상을 취입, 화상메모리(201)에 저장한다. 위치 특정 장치(203)에서, 받아들인 화상을 해석하여 주위 영역 데이터(205)와 연관시킨다. 이에 따라, 얻어진 광탄성 효과의 위치 및 관찰 방향이 특정된다. 예를 들면, 입체 모델 내에 마커를 설치하여 놓아, 이 마커의 위치를 기준으로 촬상 화상과 주위 영역 데이터를 연관시킬 수 있다. 내부 응력 연산 장치(207)에서는 주위 영역 데이터(205)로부터 상 기 광탄성 효과를 발생하게 한 제1 내부 응력 방향의 주위 영역 재료 폭(W)(도 2 참조)을 구한다. 그리고, 촬상 장치에 의해 얻어진 광탄성 효과의 값(겉보기 상의 내부 응력)을 상기 재료 폭(W)으로 나누는 것에 의해, 주위 영역의 단위 영역에서의 내부 응력을 연산한다.

이에 따라, 도 17에 나타낸 스텝(200)의 처리가 완료된다. 즉, 스텝 7에서 수치화된 내부 응력을 주위 영역의 폭(W)에 따라 보간하여, 주위 영역의 단위 영역마다 내부 응력을 특정 가능하게 한다. 도 17에 있어서, 도 13과 동일한 스텝에는 동일한 구성요소를 부여하고 그 설명을 생략한다.

도 18에 광탄성 효과를 관찰하는 데 알맞은 멤브레인형 모델의 제조 방법을 나타낸다.

프로세스 I에서 체강 모델을 준비하고, 침지법에 의해 체강 모델의 전체 표면에 PVA를 피복한다(프로세스 II). 프로세스 III에서는 프로세스 II에서 얻어진 시료에 침지법에 의해 폴리우레탄엘라스토머를 피복한다. 그 후, 폴리우레탄엘라스토머 피막과의 친화성을 고려하여, 2번에 나누어 침지법에 의해 PVA를 피복한다(프로세스 V, VI). 이로 인해, 폴리우레탄엘라스토머 피막을 PVA 피막에 의해 상하로부터 완전히 피복한다.

그 후, 유기용제에 침지하여 체강 모델을 선택적으로 용해하여, 용출시킨 후(프로세스 VII), 마지막으로 수중에서 PVA를 용해하여(프로세스 VIII), 폴리우레탄엘라스토머로 이루어지는 멤브레인형 모델을 얻는다.

이와 같이, 체강 모델의 표면을 수용성 재료의 멤브레인으로 피복하고, 이 멤브레인의 표면에 폴리우레탄엘라스토머층을 형성하고, 상기 폴리우레탄엘라스토머층의 표면을 수용성 재료층으로 피복하고, 체강 모델을 유기용제로 용해한 후, 수용성 재료의 멤브레인을 물로 용해하여, 폴리우레탄엘라스토머로 이루어지는 멤브레인형 모델을 얻는 것에 의해, 모든 공정을 침지법에 의해 행할 수 있다. 따라서 제조 방법이 간단해지고, 또한 제조비용을 낮출 수 있다.

본 발명은, 상기 발명의 실시형태 및 실시예의 설명만으로 한정되지 않는다. 특허청구의 범위의 기재를 일탈하지 않고, 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 범위에서 여러 가지 변형 양태도 본 발명에 포함된다.

이하, 다음의 사항을 개시한다.

(1) 투광성 재료로 이루어지고, 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 형성된 혈관 등의 체강을 재현한 공간을 그 내부에 가지는 멤브레인형 모델과,

상기 멤브레인형 모델을 둘러싸는 기재와,

상기 기재를 수납하는 투광성의 케이싱

을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체 모델.

(2) 상기 멤브레인형 모델과 상기 기재의 굴절률이 실질적으로 동등한 것을 특징으로 하는, (1)에 기재된 입체 모델.

(3) 상기 기재는 실리콘겔 또는 글리세린겔로 이루어지는 것을 특징으로 하는, (1) 또는 (2)에 기재된 입체 모델.

(4) 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 형성된 혈관 등의 체강을 재현한 공간을 그 내부에 가지는 멤브레인형 모델이 겔형의 기재에 매설되고, 상기 멤 브레인형 모델의 공간을 육안으로 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는 입체 모델.

(5) 상기 기재는 실리콘겔 또는 글리세린겔로 이루어지는 것을 특징으로 하는, (4)에 기재된 입체 모델.

(6) 투광성 겔형의 제1 재료로 이루어지는 기재에 체강을 재현한 공간이 설치되고, 공간의 둘레벽에 투광성의 제2 재료가 멤브레인형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 입체 모델.

(7) 상기 제1 재료는 실리콘겔 또는 글리세린겔인 것을 특징으로 하는, (6)에 기재된 입체 모델.

(8) 투광성 겔형의 제1 재료로 이루어지는 기재에 체강을 재현한 공간이 설치되고, 공간의 둘레벽이 친수성 처리 또는 소수성 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 입체 모델.

(9) 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 혈관 등의 체강 모델을 적층 조형하는 공정과,

상기 체강 모델의 주위를 모델 성형 재료로 멤브레인형으로 둘러싸서 코어를 형성하는 공정과,

상기 코어를 케이싱 내에 세팅하여, 상기 케이싱에 기재 재료를 주입하여 겔화하는 공정과,

상기 기재 재료가 겔화한 후에 상기 체강 모델을 제거하는 공정

을 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.

(10) 투광성 겔형의 제1 재료로 이루어지고, 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 형성된 혈관 등의 체강을 재현한 공간을 그 내부에 가지는 기재를 형성하고,

상기 공간의 내주면에 투광성의 제2 재료를 멤브레인형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.

(11) 투광성 겔형의 제1 재료로 이루어지고, 피실험체의 단층화상 데이터에 기초하여 형성된 혈관 등의 체강을 재현한 공간을 그 내부에 가지는 기재를 형성하고,

상기 공간의 내주면을 친수성 처리 또는 소수성 처리하는 것을 특징으로 하는 입체 모델의 제조 방법.

이와 같이 구성된 입체 모델에 의하면, 생체혈관이 가지는 멤브레인형 구조와 혈관 주위의 연조직의 구조가 물리적 특성까지 포함하여 개별적으로 재현된다. 이에 따라, 혈관 등의 유연성을 가지는 멤브레인형 구조의 모델이, 혈관 주위 조직의 탄성 특성을 가지는 기재에 매설된 상태가 된다. 이로 인하여, 의료 기구나 유체의 삽입 시뮬레이션에 있어서, 입체 모델 내부의 멤브레인형 구조의 혈관 모델이 기재 내에서 생체 내에서의 혈관과 마찬가지로 유연하게 변형될 수 있어, 생체 혈관의 변형 특성을 재현하는 데 바람직한 것이 된다.

Claims

혈관 등의 체강(體腔)을 그 내부에 재현하는 멤브레인형 모델, 및

상기 멤브레인형 모델을 둘러싸는 투광성의 기재로서, 탄성을 가지고 또한 상기 멤브레인형 모델에 대하여 밀착성이 있는 기재

를 포함하는 입체 모델.
제1항에 있어서,

상기 기재를 수납하는 투광성의 케이싱을 더 포함하고, 상기 케이싱과 상기 멤브레인형 모델 사이에서, 상기 기재는 상기 멤브레인형 모델의 자유변형을 허용하는 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 입체 모델.
제1항에 있어서,

상기 멤브레인형 모델은 실리콘엘라스토머 또는 우레탄엘라스토머로 이루어지고, 상기 기재는 실리콘겔 또는 우레탄겔로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체 모델.
제1항에 있어서,

상기 멤브레인형 모델과 상기 기재의 굴절률이 실질적으로 동등한 것을 특징으로 하는 입체 모델.
제1항에 있어서,

상기 멤브레인형 모델은 투광성 재료로 이루어지며, 외력이 가해졌을 때 두께 방향으로는 실질적으로 내부 응력이 발생하지 않고, 표면을 따르는 방향으로 제1 내부 응력이 발생하고,

상기 기재는 실질적으로 내부 응력을 발생하지 않는 재료로 이루어지며, 광탄성 효과의 관찰에 이용되는

것을 특징으로 하는 입체 모델.
제5항에 있어서,

상기 멤브레인형 모델은 실질적으로 동일한 두께의 원환형 단면으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 입체 모델.