WO2014010618A1 - 臓器モデルの製造方法、臓器モデル製造用の型、及び臓器モデル - Google Patents

臓器モデルの製造方法、臓器モデル製造用の型、及び臓器モデル Download PDF

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resin
shell
mold
organ
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大知 渡邊
誠 稲田
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株式会社ジェイ・エム・シー
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    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/30—Anatomical models
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B10/00—Other methods or instruments for diagnosis, e.g. instruments for taking a cell sample, for biopsy, for vaccination diagnosis; Sex determination; Ovulation-period determination; Throat striking implements

Definitions

  • the present invention relates to a manufacturing method for manufacturing an organ model using various organs existing inside a living body such as a human body as a three-dimensional model, a mold for manufacturing an organ model used in such a manufacturing method, and the above-described method and mold Relates to an organ model manufactured using the above-described method and mold.
  • X-ray devices Conventionally, X-ray devices, CT scan devices, ultrasonic diagnostic devices, and the like are used in the medical field.
  • the doctor grasps the state of the affected area from data (two-dimensional data such as photographs and image data) obtained from these devices, or actually performs an operation or the like with reference to these data.
  • data two-dimensional data such as photographs and image data
  • it is important to grasp not only the two-dimensional data such as photographs but also the affected area in three dimensions.
  • the structure to be specifically treated the blood vessel through which the catheter actually invades and the site where the stent is installed
  • the structure to be specifically treated is three-dimensional in advance. It is preferable to keep track of it.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a technique for actually creating a three-dimensional organ model from image data captured by CT scan. These known techniques are for producing a three-dimensional organ by an optical modeling method. Based on the two-dimensional image data obtained by a CT scanner or the like, a photocurable resin is irradiated with laser light. A three-dimensional organ model is manufactured.
  • the organ model manufactured by the optical modeling method as described above is composed of a photocurable resin, its hardness is extremely high compared to an actual human organ, and it has elasticity like an organ. Absent. For this reason, not only the sense of touching but also the behavior when operating the catheter as described above is different, which is not appropriate for simulating actual surgery. Furthermore, it is difficult to easily produce an organ model that can provide a tentacle sensation similar to that of an actual human organ and faithfully reproduce its shape at low cost.
  • Patent Document 3 discloses a method of forming an outer mold and a core using an optical modeling method, and manufacturing a heart model using these. Specifically, the outer mold is created from the master model of the heart, and 3D data of the contour shape of the heart cavity is created from the tomographic data of the heart, and the thickness is offset from this 3D data. Create a child. Then, the core is set in the outer mold, the soft resin material is injected into the gap between the two and then demolded, and then the core is crushed and discharged to produce an organ (heart) model. Yes.
  • Patent Document 4 which is the previous application, the present patent applicant forms a mold for creating an organ model using an optical modeling method, and manufactures an actual organ model using the mold. Proposed method to do.
  • this organ model manufacturing method an external shape and an internal shape of an organ are formed by an optical modeling method, a split mold (basic shape) having an internal space is created using the external shape, and the internal shape A split mold (core type) for forming a core is created in advance. Then, an actual core is formed from the core mold, the core is positioned and set so as to have a predetermined space with respect to the basic mold, and a flexible thermoplastic resin is injected into both spaces. After the thermoplastic resin is cured, the core model is melted and removed to produce a flexible organ model.
  • the organs of the human body have a very complicated shape (particularly the internal shape is complicated), in the above-described method for producing an organ model using an outer mold and a core, the direction in which the mold is to be removed and the position to be broken are difficult. There is a problem that it is difficult to manufacture a faithful model. Further, until the final mold is manufactured, the organ outer shape and inner shape are formed, and these are transferred to create the basic mold (outer mold) and the core. It is complicated and the product cost increases, and the accuracy decreases. Furthermore, in the case where a patient-specific organ model is reproduced, there is a problem that manufacturing the above-described mold increases the mold cost.
  • the present invention has been made paying attention to the above-described problems, and a first object is to provide a three-dimensional organ model formed of a material having elasticity close to that of an actual human organ at low cost and with high accuracy.
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing an organ model that can be manufactured well, and an organ model manufactured by such a manufacturing method.
  • a second object of the present invention is to provide a mold for producing an organ model that makes it possible to produce such an organ model.
  • the present invention provides a method for manufacturing an organ model having a cavity inside. While this manufacturing method is supported by the support resin by irradiating photocurable molding resin and photocurable support resin that supports the modeling resin with curing light based on imaging data of human organs Curing the modeling resin, forming an outer body having an area that becomes the cavity and an area that becomes a constituent wall of the organ model, and removing the support resin from the outer body, A shell body forming step of forming a shell body shape having an outer shell portion covering an outer surface of the organ model and an inner shell portion covering an inner surface of the organ model; and between the outer shell portion and the inner shell portion of the shell body type
  • the space has a filling step of filling a casting material having flexibility and a removing step of removing a shell mold filled with the casting material.
  • a curing light for example, an ultraviolet light from an ultraviolet lamp.
  • the modeling resin is cured while being supported by the support resin to form an outer body having a region serving as a cavity of an organ model and a region serving as a constituent wall.
  • the outside (surface) of the outer shape is formed of a modeling resin, and the inside of the outer shape maintains a predetermined shape in a state where the modeling resin is floated by the support resin.
  • a figure is formed.
  • the inner surface side of the outer shell portion matches the surface shape of the organ model
  • the outer surface side of the inner shell portion matches the surface shape facing the cavity portion of the organ model.
  • a flexible casting material is filled into the space between the outer shell and the inner shell with respect to the shell mold formed as described above.
  • This casting material forms the organ model itself.
  • the shell model is removed (destroyed), so that an organ model that accurately transcribes the photographed human organ is obtained. can get.
  • the outer shape described above can accurately reproduce the outer shape and the inner shape of the human organ based on the imaging data of the human organ, by the stereolithography technology, and by removing the support resin, A production mold (shell mold) is produced.
  • the mold manufactured in this way (shell type) is an accurate transfer of the imaging data of a human organ, and a casting material having flexibility in this mold, in particular, a hardness approximating that of an actual human organ. By filling the casting material, it becomes possible to obtain an organ model in a state close to a human organ.
  • a three-dimensional organ model formed of a material having elasticity similar to that of an actual human organ can be manufactured with low cost and high accuracy.
  • (A)-(d) is a figure which shows in order the outline process which manufactures a heart model by an optical shaping technique.
  • the method for producing an organ model according to the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
  • the organ model manufactured in the following embodiments is a heart model.
  • a mold for manufacturing an organ model (shell type) is produced using an optical modeling technique.
  • This mold finally forms a three-dimensional model that reproduces the internal organs of the human body, such as cavities and protruding walls.
  • the mold for producing an organ model in the present invention is different from a die for producing a general industrial product, and is filled with a casting material (a material forming an organ model) and is destroyed after it is cured. The That is, a mold is produced for each organ model to be manufactured and is not reused.
  • the support resin a material that can be easily removed from the molding resin is used.
  • a low melting point resin having a low melting point or a water-soluble resin that is easily soluble in water can be used as compared with the molding resin.
  • a photocurable acrylic resin having high water resistance is used as the modeling resin, and a water-soluble resin that is easily removed from the used modeling resin is used as the support resin.
  • mold shell body type
  • mold is produced with the photocurable type
  • the heart model 1 of the present embodiment is a solid reproduction of an actual human heart (not shown), and the entire shape is specified by the outer surface (skin portion) 1A.
  • This heart model 1 has a cavity region, specifically, a ventricular part (left ventricle, right ventricle) and an atrial part (left atrium, right atrium) as in the actual heart. is doing. Further, on the surface portion, constituent tissues such as the aorta 2, the superior vena cava 3, the inferior vena cava 4, the pulmonary artery 5 and the pulmonary vein 6 connected to the ventricle and atrium are formed.
  • regulates the said ventricle part and the atrial part is set to 1B (refer FIG. 3 mentioned later).
  • FIG. 2 shows a mold (shell type) 10 for manufacturing the heart model 1 shown in FIG.
  • the shell mold 10 shown in the figure is shown by cutting the right atrium side so that the structure is easy to understand, and an outer shell portion 12A covering the outer surface 1A of the heart model 1 and an inner surface 1B of the heart model 1 are shown.
  • the inner shell portion 12B is covered.
  • the casting material having flexibility is filled in the space 15 between the outer shell portion 12A and the inner shell portion 12B of the shell mold 10 shown in FIG. 2, and the filled casting material is cured. After that, it is manufactured by removing the shell mold 10.
  • FIG. 1 The process for manufacturing the heart model 1 shown in FIG. 1 will be specifically described with reference to FIGS. Since the actual shape of the heart is complicated, in FIG. 3, the shape is schematically shown in a simplified manner for easy understanding.
  • cardiac imaging data for example, two-dimensional tomographic image data.
  • this two-dimensional tomographic image data (hereinafter referred to as tomographic image data) is obtained by photographing an actual human body with an image photographing apparatus represented by a CT scan. From this, it becomes possible to specify the shape of the outer surface and the shape of the inner surface of the heart. Note that the inside of the inner surface becomes an internal space (cavity) that defines the ventricle, the atrium, and the like, and a thick portion between the inner surface and the outer surface becomes a so-called constituent wall portion that specifies the actual heart shape.
  • the photocurable molding resin 12 and the photocurable support resin 13 that supports the modeling resin are continuously applied to the object forming portion (working stage) at a predetermined film thickness.
  • the three-dimensional shape corresponding to the heart is irradiated with ultraviolet light from the ultraviolet lamp based on the acquired tomographic image data of the heart to the modeling resin 12 and the support resin 13 which are sequentially laminated while being laminated. Go forming.
  • the molding resin 12 is also cured while being supported by the curing support resin 13, and as shown in FIG.
  • the outer body 120 having the region 16 to be a hollow portion and the region 17 to be a constituent wall of the heart model is formed.
  • the support resin 13 is removed from the outer body 120.
  • the support resin 13 is made of a water-soluble resin material.
  • the support resin 13 When the support resin 13 is exposed to washing water, the support resin itself absorbs moisture and absorbs water, so that it can be easily removed.
  • a hole only needs to have a diameter of about 1 mm, and can be opened when the outer body 120 is formed or after the outer body 120 is formed. After the support resin 13 is removed, the hole is sealed with an adhesive or the like.
  • the solubility in the support resin 13 is improved, and the support resin 13 can be efficiently removed from the modeling resin 12.
  • the cleaning water is stirred with a magnetic stirrer or water pump, the temperature of the cleaning water is raised with a heater, etc., cleaning with micro or nano bubbles, ultrasonic cleaning, high pressure with a pressure chamber, etc. May be adopted.
  • the support resin 13 can be removed from the modeling resin 12 efficiently and without remaining.
  • the outer body 120 becomes a shell mold 10 as shown in FIG.
  • This shell mold 10 has an outer shell portion 12A that covers the outer surface 1A of the heart model 1 shown in FIG. 1 and an inner shell portion 12B that covers the inner surface 1B of the heart model 1.
  • the thickness T of the space 15 between the outer shell portion 12A and the inner shell portion 12B of the shell body mold 10 corresponds to the thickness of the heart model (thickness of the constituent wall) (about 2 mm to 10 mm).
  • the space 15 is filled with a casting material 20 having flexibility.
  • the inner shell portion 12B is held by the outer shell portion 12A via the space 15 (floating state), but the holding portion that positions and holds the inner shell portion 12B is a component of the heart model.
  • the superior aorta, superior vena cava, inferior vena cava, etc. can be used. Since these are openings that protrude outward from the hollow portion 16 inside the heart model, the end surfaces of these openings become the holding portions 12C that hold the inner shell portion 12B. 12B is in a state of being held with respect to the outer shell portion 12A.
  • a filling port 20A for filling the medium-sized material 20 is formed in a part of the outer shell portion 12A during the optical modeling. In this case, a plurality of filling ports 20 ⁇ / b> A may be formed so that the casting material 20 spreads over the space 15 evenly.
  • the shell body 10 manufactured as described above has flexibility in the space 15 between the outer shell portion 12A and the inner shell portion 12B through the filling port 20A.
  • the casting material 20 is filled.
  • a mold release agent or a coating agent is applied to the region facing the space 15 of the shell mold 10 so that the mold release property is good and the surface irregularities are not transferred. It is preferable to keep it.
  • the casting material 20 becomes a material which finally constitutes a heart model, a material close to the actual heart, such as hardness and touch feeling, is used.
  • polymer gel materials such as silicone (addition type / condensation type), urethane, PVA (polyvinyl alcohol), and the like can be used.
  • the material to be filled it is preferable to use a material that becomes transparent when finally cured, or a material that can be freely colored.
  • a transparent system it becomes possible to visually observe the behavior (catheter entry path, stent installation position and installation state) when performing operations such as operating a catheter or installing a stent. Simulation can be performed.
  • a colored appearance a state very close to the actual treatment can be reproduced, and a practical simulation becomes possible.
  • an additional type silicone having excellent properties in terms of transparency and elasticity is used.
  • the thinner is preferably mixed in an amount of 10 to 50 wt% because properties such as strength deteriorate if it is mixed too much.
  • the space part 15 of the above-mentioned shell mold 10 is hermetically sealed and uses silicone having high transparency, it is preferable to remove bubbles by performing a vacuum degassing process at the time of filling. That is, by applying a vacuum defoaming process when filling the casting material, bubbles that tend to remain in the corner region are removed, and a heart model with higher transparency can be obtained.
  • the shell mold 10 is broken (removed) and released.
  • a photocurable acrylic resin (modeling resin 12) having high water resistance is used for the shell mold 10, but since this material has low heat resistance and chemical resistance, it can be easily obtained by using the following method. It can be removed.
  • the shape can be changed (cracked) and removed by applying a softening temperature.
  • the inner shell portion 12B can be taken out from the opening 5 such as the superior aorta or superior vena cava which is a component of the heart.
  • an organic solvent such as acetone
  • softening and crazing crawling of the surface
  • the molding resin 12 becomes brittle by lowering the temperature to room temperature or lower after crazing, and can be easily broken.
  • the transcribed structure (heart model) from being damaged by causing fine crazing in the inner shell portion 12B, and the inner space of the heart model by the flow of air or the like.
  • the damaged inner shell can be easily removed.
  • the transferred irregularities can be filled, and the transparency can be further improved.
  • the shell mold 10 is formed using the modeling resin 12 and the support resin 13 even if the organ model is a heart having a complicated internal shape as shown in FIG.
  • the direction in which the mold is to be removed and the position to be cut Therefore, it is easy to manufacture a faithful model.
  • the shell mold 10 is not formed through a plurality of transfer processes, the manufacturing process becomes easy, the cost can be reduced, and a highly accurate organ model can be manufactured.
  • the shell mold 10 itself has a disposable structure, so that the mold cost can be reduced.
  • the actual human heart is present on the surface of the heart body so that coronary veins for supplying blood are along the surface.
  • the coronary pulse it is preferable to manufacture only the coronary pulse by the same method as the above-described method of manufacturing the heart model.
  • the tubular shell mold 30 is formed, and the space 35 is filled with the casting material 20 similar to the above-described embodiment and cured,
  • the coronary vein 7 As shown in FIG. 6 can be manufactured.
  • the coronary vein 7 manufactured in this way is secured to the surface of the heart model 1 obtained by the above-described manufacturing method with an adhesive, thereby manufacturing a heart model closer to the actual heart. It becomes possible.
  • this invention is not limited to the structure of above-described embodiment, A various deformation
  • the heart has been described as an example, but the present invention can be similarly applied to a human organ other than the heart.
  • the constituent material of the modeling resin and the support resin, the casting material, and the removal method of the support resin and the removal method of the shell body can be appropriately modified according to the organ to be manufactured and the application.

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Abstract

　本発明の臓器モデルの製造方法は、人体臓器の撮影データに基づいて、光硬化性の造形樹脂１２、及びこの造形樹脂をサポートする光硬化性のサポート樹脂１３に硬化光を照射することで、サポート樹脂にサポートされながら造形樹脂を硬化して、空洞部となる領域１６、及び臓器モデルの構成壁となる領域１７を有する外形体１２０を形成する外形体形成工程と、外形体１２０からサポート樹脂１３を除去して、臓器モデルの外面を覆う外殻部１２Ａ、及び臓器モデルの内面を覆う内殻部１２Ｂを有する殻体型１０を形成する殻体型形成工程と、殻体型１０の外殻部１２Ａと内殻部１２Ｂとの間の空間１５に、柔軟性を有する注型材料２０を充填する充填工程と、注型材料が充填された殻体型１０を除去する除去工程と、を有する。

Description

臓器モデルの製造方法、臓器モデル製造用の型、及び臓器モデル
　本発明は、人体などの生体内部に存在する様々な臓器を立体モデルとした臓器モデルを製造する製造方法、そのような製造方法に用いられる臓器モデル製造用の型、及び、前記した方法や型を用いて製造される臓器モデルに関する。
　従来、医療現場では、レントゲン装置やＣＴスキャン装置、超音波診断装置等が用いられている。医者は、これらの装置から得られるデータ（写真、画像データなどの二次元データ）から患部の状態を把握したり、これらのデータを参照して実際に手術等を行っている。実際に人体の手術をするに際しては、写真のような二次元データのみならず、対象となる患部を三次元的に把握することが重要である。例えば、心臓をカテーテルによって治療する手術では、具体的に治療する部位（実際にカテーテルが侵入して行く血管、及びステントが設置される部位）が、どのような構造になっているかを予め三次元的に把握しておくことが好ましい。
　また、カテーテルを使用した手術では、実際に人体に対して手術をする前段階として、豚などの動物等を対象として実践的な練習も行われている。しかし、人体と動物では、その基本的な生体構造は異なっており、両者の臓器についても構造が異なることから、十分なものではない。さらに、そのような動物を対象として練習する際においても、カテーテルを操作する上で、実際の人体の心臓構造との間で、カテーテルがどのような挙動を示すかを視覚的に把握することはできない。
　このため、例えば、特許文献１や特許文献２には、ＣＴスキャンによって取り込んだ画像データから、実際に立体的な臓器モデルを作成する技術が開示されている。これらの公知技術は、光学的造形法によって立体的な臓器を製造するものであり、ＣＴスキャナなどによって得られた二次元画像データに基づいて、光硬化性樹脂に対してレーザ光を照射して立体的な臓器モデルを製造する。
　上記のような光学的造形法によって製造される臓器モデルは、光硬化性樹脂で構成されるため、実際の人体の臓器と比較すると、その硬度が極めて高く、臓器のような弾力性を備えていない。このため、触手した感覚は勿論、上記したようなカテーテルを操作する際の挙動についても異なってしまい、実際の手術をシミュレーションする上では適切ではない。さらに、実際の人体の臓器と同様な触手感覚が得られ、かつその形状を忠実に再現した臓器モデルを低コストで容易に製造することも難しい。
　特許文献３には、光学的造形法を利用して外型と中子を形成し、これらを利用して心臓モデルを製造する方法が開示されている。具体的には、心臓のマスターモデルから外型を作製すると共に、心臓の断層データから心臓の空洞部の輪郭形状の三次元データを作成し、この三次元データから肉厚分をオフセットして中子を作製する。そして、中子を外型内にセットして、両者の間の隙間に軟質樹脂材料を注入した後に脱型し、その後、中子を粉砕、排出することで臓器（心臓）モデルを製造している。
　また、本件特許出願人は、先の出願である特許文献４において、光学的造形法を利用して、臓器モデルを作成するための型を形成し、その型を用いて実際の臓器モデルを製造する方法を提案している。この臓器モデルの製造方法では、光学的造形法によって臓器の外形体と内形体を形成しておき、前記外形体を用いて内部空間を有する割り型（基本型）を作成すると共に、前記内形体を用いて中子形成用の割り型（中子型）を作成しておく。そして、前記中子型から実際の中子を形成し、この中子を前記基本型に対して所定の空間を有するように位置決めセットして両者の空間に柔軟性を有する熱可塑性樹脂を注入し、熱可塑性樹脂が硬化した後、中子を溶融、除去することによって、柔軟性を有する臓器モデルを製造する。
特開平５－１１６８９ 特公平８－１８３７４ ＷＯ２０１２／００１８０３Ａ１ 特願２０１０－２８７８１３
　しかし、人体の臓器は極めて複雑な形状（特に内部形状は複雑である）となっていることから、上記した外型と中子による臓器モデルの製造方法では、型を抜く方向や割る位置が難しく、忠実なモデルを製造し難いという問題がある。また、最終の型を製造するまでには、臓器の外形体、及び内形体を形成しておき、これらを転写して前記基本型（外型）、及び中子を作成するため、製造工程が複雑で製品コストが高くなると共に、精度も低下してしまう。さらに、患者固有の臓器モデルを再現するケースでは、上記したような型を製造することは、かえって型代が高くなってしまうという問題がある。
　本発明は、上記した問題に着目してなされたものであり、第１の目的は、実際の人体の臓器に近い弾力性を有する材料で形成された立体的な臓器モデルを、低コストで精度良く製造することが可能な臓器モデルの製造方法、及びそのような製造方法によって製造される臓器モデルを提供することにある。また、本発明の第２の目的は、そのような臓器モデルの製造を可能にする臓器モデル製造用の型を提供することにある。
　上記した目的を達成するために、本発明は、内部に空洞部を有する臓器モデルを製造する方法を提供する。この製造方法は、人体臓器の撮影データに基づいて、光硬化性の造形樹脂、及びこの造形樹脂をサポートする光硬化性のサポート樹脂に硬化光を照射することで、前記サポート樹脂にサポートされながら前記造形樹脂を硬化して、前記空洞部となる領域、及び前記臓器モデルの構成壁となる領域を有する外形体を形成する外形体形成工程と、前記外形体から前記サポート樹脂を除去して、前記臓器モデルの外面を覆う外殻部、及び前記臓器モデルの内面を覆う内殻部を有する殻体型を形成する殻体型形成工程と、前記殻体型の外殻部と内殻部との間の空間に、柔軟性を有する注型材料を充填する充填工程と、前記注型材料が充填された殻体型を除去する除去工程と、を有することを特徴とする。
　上記した製造方法では、最初に、人体臓器の撮影データに基づいて、光硬化性の造形樹脂、及びこの造形樹脂をサポートする光硬化性のサポート樹脂に硬化光、例えば、紫外線ランプからの紫外光やレーザ光等を照射することで、前記サポート樹脂にサポートされながら前記造形樹脂を硬化して、臓器モデルの空洞部となる領域、及び構成壁となる領域を有する外形体を形成する。この外形体の外部（表面）は、造形樹脂によって形成されており、外形体の内部は、造形樹脂がサポート樹脂によって、浮遊した状態で所定の形状を維持している。
　次に、上記のように形成された外形体からサポート樹脂を除去することで、前記造形樹脂によって、臓器モデルの外面を覆う外殻部、及び前記臓器モデルの内面を覆う内殻部を有する殻体型が形成される。この場合、外殻部の内面側は、臓器モデルの表面形状と一致しており、かつ、内殻部の外面側は、臓器モデルの空洞部に面する表面形状と一致している。
　そして、上記のように形成された殻体型に対し、外殻部と内殻部との間の空間に、柔軟性を有する注型材料を充填する。この注型材料は、臓器モデルそのものを形成するものであり、注型材料が固まった状態で、殻体型を除去する（破壊する）ことで、撮影された人体臓器を正確に転写した臓器モデルが得られる。
　上記した外形体は、人体臓器の撮影データに基づいて、光造形技術によって、人体臓器の外側形状及び内側形状を正確に再現することができ、サポート樹脂を除去することにより、造形樹脂によって臓器モデル製造用の型（殻体型）が製造される。このように製造される型（殻体型）は、人体臓器の撮影データを正確に転写したものであり、この型内に柔軟性を有する注型材料、特に、実際の人体の臓器に近似した硬度の注型材料を充填することで、人体臓器に近い状態の臓器モデルを得ることが可能となる。
　本発明によれば、実際の人体の臓器に近いような弾力性を有する材料で形成された立体的な臓器モデルを低コストで精度良く製造することが可能となる。
本発明の製造方法に基づいて製造される臓器モデル（心臓モデル）の全体的な概略形状を示す図。 図１に示す心臓モデルを製造する型（殻体型）を示す図であり、右心房側を切断して示す図。 （ａ）～（ｄ）は、光造形技術によって、心臓モデルを製造する概略工程を順に示す図。 表面に冠状脈を取着した心臓モデルの全体的な概略形状を示す図。 図４に示す冠状脈を製造する型（殻体型）を示す図。 図５に示す型（殻体型）によって製造された冠状脈の全体形状を示す図。
　以下、本発明に係る臓器モデルの製造方法について、添付図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下に説明する臓器モデルの製造方法では、人体臓器として心臓を取り上げる。このため、以下の実施形態において製造される臓器モデルは心臓モデルである。
　また、本発明における臓器モデルの製造方法では、最初に光造形技術を用いて、臓器モデル製造用の型（殻体型）を作製する。この型は、最終的に、立体的で内部に空洞部や突出壁等、人体の臓器そのものを再現したモデルを形成するものである。このため、本発明における臓器モデル製造用の型は、一般の工業製品を製造する抜き型とは異なり、注型材料（臓器モデルを形成する材料）を充填し、それが硬化した後、破壊される。すなわち、製造する臓器モデル毎に型が作製され、再利用されることはない。
　上記した型の作製に際しては、光硬化性の造形樹脂、及びこの造形樹脂をサポートする光硬化性のサポート樹脂に硬化光（本実施形態では、紫外線ランプからの紫外光）を照射することで、前記サポート樹脂にサポートされながら前記造形樹脂を硬化する光造形装置が使用される。この光造形装置は、異なるタイプの光硬化性樹脂（造形樹脂とサポート樹脂）を、物体形成部（作業ステージ）に対し、所定の膜厚で連続的に積層しつつ、順次積層されて行く各光硬化性樹脂に対して紫外線ランプからの紫外光を照射して、所望の立体形状を得るものである。この場合、サポート樹脂は、造形樹脂をサポートしつつ立体形状（外形体）を形成して行く役目を果たし、最終的に、得られた外形体から除去される。このため、サポート樹脂としては、造形樹脂に対して容易に取り除ける材料が用いられ、例えば、造形樹脂との比較で、融点が低い低融点樹脂や、水に溶け易い水溶性樹脂を用いることが可能である。本実施形態では、造形樹脂として、耐水性が高い光硬化性のアクリル樹脂を用い、サポート樹脂として、使用される造形樹脂から容易に除去し易い水溶性の樹脂を用いる。そして、このような造形樹脂、及びサポート樹脂を使用することが可能な光硬化型三次元プリンタ（例えば、キーエンス社のAGILISTA-3000）によって前記型（殻体型）を作製する。
　図１に示すように、本実施形態の心臓モデル１は、実際の人体心臓（図示せず）を中実に再現したものであり、外面（表皮部）１Ａによって全体形状が特定される。この心臓モデル１は、その内部に、実際の心臓と同様、空洞部となる領域、具体的には、心室部（左心室、右心室）、及び、心房部（左心房、右心房）を有している。また、その表面部分には、前記心室部及び心房部と繋がる大動脈２、上大静脈３、下大静脈４、肺動脈５、肺静脈６などの構成組織が形成される。なお、図１では、図示しないが、前記心室部、及び心房部を規定する内面（裏皮部）を符号１Ｂとする（後述する図３参照）。
　図２は、図１で示す心臓モデル１を製造する型（殻体型）１０を示している。図に示す殻体型１０は、その構造が分かり易いように、右心房側を切断して示しており、前記心臓モデル１の外面１Ａを覆う外殻部１２Ａ、及び前記心臓モデル１の内面１Ｂを覆う内殻部１２Ｂを有している。図１に示す心臓モデルは、図２に示す殻体型１０の外殻部１２Ａと内殻部１２Ｂとの間の空間１５に柔軟性を有する注型材料を充填し、充填した注型材料が硬化した後、殻体型１０を除去することで製造される。
　図１に示す心臓モデル１を製造する工程について、図３（ａ）～（ｄ）を参照しながら具体的に説明する。なお、実際の心臓の形状は複雑であるため、図３では、分かり易いように、その形状を簡易にして模式的に示してある。
　最初に、心臓の撮影データ、例えば、二次元断層像データを取得する。この二次元断層像データ（以下、断層像データ）は、一般的に知られているように、ＣＴスキャンに代表される画像撮影装置によって実際の人体を撮影することで得られ、この断層像データから心臓の外面の形状と内面の形状を特定することが可能となる。なお、内面の内側は、上記した心室や心房等を規定する内部空間（空洞部）となり、内面と外面の間の肉厚部分が実際の心臓の形状を特定する、いわゆる構成壁部分となる。
　次に、前記光造形装置を用いて、光硬化性の造形樹脂１２及びこの造形樹脂をサポートする光硬化性のサポート樹脂１３を、物体形成部（作業ステージ）に対し、所定の膜厚で連続的に積層しつつ、順次積層されて行く造形樹脂１２及びサポート樹脂１３に対して、前記取得された心臓の断層像データに基づいて紫外線ランプからの紫外光を照射し、心臓に対応する立体形状を形成して行く。この場合、各光硬化性樹脂１２，１３に対して紫外光を照射することで、硬化するサポート樹脂１３にサポートされながら前記造形樹脂１２も硬化され、図３（ａ）に示すように、最終的に、空洞部となる領域１６、及び心臓モデルの構成壁となる領域１７を有する外形体１２０が形成される。
　次に、外形体１２０からサポート樹脂１３を除去する。上記したように、サポート樹脂１３は、水溶性の樹脂材によって構成されており、洗浄水にさらすことで、サポート樹脂自体が吸湿、吸水することで溶解し、容易に除去することができる。この場合、外形体１２０の外側に、多数の孔を開けておくことが好ましく、これにより、サポート樹脂１３に対する洗浄水の接触面積を向上することができ、洗浄効率を上げることができる。このような孔は、直径１ｍｍ程度あれば良く、外形体１２０の造形時に開けたり、外形体１２０の造形後に開けることができ、サポート樹脂１３が除去された後は、接着剤等によって封孔される。
　また、洗浄水にアルコール又は界面活性剤を添加することで、サポート樹脂１３に対する溶解性が向上し、効率的に造形樹脂１２からサポート樹脂１３を除去することが可能となる。なお、上記以外にも、マグネットスターラーやウォーターポンプ等によって洗浄水を撹拌する、ヒータ等によって洗浄水の温度を上げておく、マイクロ、ナノバブルによる洗浄、超音波洗浄、圧力チャンバによって高圧にする、等を採用しても良い。さらには、これらを適宜、組み合わせることで、サポート樹脂１３を効率的かつ残存することなく、造形樹脂１２から除去することが可能となる。
　上記したように、サポート樹脂１３が除去されると、外形体１２０は、図３（ｂ）で示すような殻体型１０となる。この殻体型１０は、図１に示す心臓モデル１の外面１Ａを覆う外殻部１２Ａ、及び心臓モデル１の内面１Ｂを覆う内殻部１２Ｂを有している。この殻体型１０の外殻部１２Ａと内殻部１２Ｂとの間の空間１５の厚さＴは、心臓モデルの肉厚（構成壁の肉厚）に相当しており（２ｍｍ～１０ｍｍ程度とされる）、この空間１５に、柔軟性を有する注型材料２０が充填される。
　なお、内殻部１２Ｂは、空間１５を介して外殻部１２Ａに保持された状態（浮遊した状態）となるが、内殻部１２Ｂを位置決め保持する保持部は、心臓モデルの構成要素である上大動脈、上大静脈、下大静脈などを利用することが可能である。これらは、心臓モデルの内部の空洞部１６から外部に突出する開口部分となっているため、これらの開口部の端面が内殻部１２Ｂを保持する保持部１２Ｃとなり、光造形時において内殻部１２Ｂは外殻部１２Ａに対して保持された状態となる。また、外殻部１２Ａの一部には、中型材料２０を充填するための充填口２０Ａが光造形時に形成される。この場合、注型材料２０が前記空間１５に万遍なく行き渡るように、充填口２０Ａは、複数形成しておいても良い。
　上記したように作製された殻体型１０に対し、図３（ｃ）に示すように、外殻部１２Ａと内殻部１２Ｂとの間の空間１５に、前記充填口２０Ａを介して柔軟性を有する注型材料２０が充填される。この場合、注型材料２０を充填する前に、殻体型１０の空間部１５に面する領域に、離型性が良く、表面の凹凸が転写されないように、離型剤やコーティング剤を塗布しておくことが好ましい。また、注型材料２０は、最終的に心臓モデルを構成する素材となるため、硬度や触感等、実際の心臓に近い材料が用いられる。例えば、シリコーン（付加タイプ／縮合タイプ）、ウレタン、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、などの高分子ゲル材料を用いることが可能である。
　また、充填される材料については、最終的に硬化した際、透明になるものや、自由に着色できるものを用いることが好ましい。すなわち、透明系にすることで、カテーテルを操作したりステントを設置する等の施術をする際の挙動（カテーテルの進入経路、ステントの設置位置や設置状態）が目視できるようになり、効果的なシミュレーションをすることが可能となる。一方、有色系の外観の場合、実際の施術に極めて近い状態を再現することができ、実践的なシミュレーションが可能になる。
　本実施形態では、透明性、及び弾性の面で優れた特性を有する付加タイプのシリコーンを用いている。この場合、注型時の取扱い性を向上するために、注型材料にシンナーを混入しておくことが好ましい。このようにシンナーを混入することで、注型材料の粘性が低下して、注型作業が容易になる。
　なお、前記シンナーは、混入し過ぎると強度等の特性が低下するため、１０～５０ｗｔ％混入することが好ましい。また、上記した殻体型１０の空間部１５は、密閉されており、かつ、透明度の高いシリコーンを使用するため、充填時に減圧脱泡処理を行なって気泡を除去することが好ましい。すなわち、注型材料の充填時に減圧脱泡処理を施すことによって、角領域に残り易い気泡が除去されると共に、より透明度の高い心臓モデルを得ることが可能となる。
　そして、充填された注型材料２０が硬化した後、図３（ｄ）に示すように、殻体型１０を破壊（除去）して離型する。この場合、殻体型１０は、耐水性が高い光硬化型アクリル樹脂（造形樹脂１２）が用いられるが、この材料は、耐熱、耐薬品性が低いことから、以下の手法を用いることで容易に除去することが可能となる。
　上記した造形樹脂１２は、約５０℃を超えると軟化するため、軟化する温度を加えることで形状変化させ（割る）、取り除くことが可能である。この場合、内殻部１２Ｂについては、心臓の構成要素である上大動脈や、上大静脈等の開口部分５から、取り出すことが可能である。或いは、造形樹脂をアセトン等の有機溶剤に浸しておくことで、軟化やクレージング（表面のひび割れ）が生じるため、加熱による軟化と同様、形状変化させることができ、容易に取り除くことが可能である。また、造形樹脂１２はクレージング後、温度を常温以下に下げることで脆弱になり、さらに容易に破損させることが可能である。なお、内殻部１２Ｂに、細かいクレージングを起こし細かい破片にすることで、転写した構造（心臓モデル）を破損することを防止することができ、かつ、エアー等の流れによって、心臓モデルの内部空間から、破損した内殻部を容易に除去することが可能となる。
　また、透明性を有する材料で形成された心臓モデル１の表面に、同種の材料をコーティングすることで、転写された凹凸を埋めることができ、より透明度を向上することも可能となる。
　上記した臓器モデルの製造方法によれば、図１のような複雑な内部形状を有する心臓のような臓器モデルであっても、造形樹脂１２とサポート樹脂１３を利用して殻体型１０を形成し、最終的に殻体型１０を破壊して臓器モデル（心臓モデル）を製造するため、従来のように、外型や中子による臓器モデルの製造方法と比較して、型を抜く方向や割る位置を考慮する必要がなく、忠実なモデルを製造し易くなる。また、殻体型１０は、複数の転写工程を経て形成されるものでないことから、製造工程が容易となり、コストを低減できると共に、高精度の臓器モデルを製造することが可能となる。さらに、患者固有の臓器モデルを再現するケースでは、殻体型１０そのものが使い捨て構造であるため、型代を安くすることが可能となる。
　ここで、実際の人体心臓は、上記したような上大動脈、上大静脈、下大静脈以外にも、心臓本体の表面に、血液を供給する冠状脈が沿うように存在しており、上記した製造方法では、図４に示すように、心臓本体の表面に、複雑に沿った冠状脈７までを正確に再現することは困難である。
　このため、図５に示すように、冠状脈のみを、上記した心臓モデルの製造方法と同様な手法で製造することが好ましい。具体的には、上記したような造形樹脂とサポート樹脂を用いて、管状の殻体型３０を形成し、空間３５に、上記した実施形態と同様な注型材料２０を充填し、硬化した後、殻体型３０を除去することで、図６に示すような冠状脈７のみを製造することが可能である。そして、このように製造された冠状脈７を、上述した製造方法で得られた心臓モデル１の表面に、接着剤で止着することで、より実際の心臓に近い心臓モデルを製造することが可能となる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記した実施形態の構成に限定されることはなく、種々変形することが可能である。
　上記した実施形態では、心臓を例示して説明したが、心臓以外の人体臓器であっても、同様に適用することが可能である。また、造形樹脂やサポート樹脂の構成材料、注型材料、及びサポート樹脂の除去方法や殻体型の除去方法についても、製造する臓器や用途に応じて適宜変形することが可能である。
１　心臓モデル
１０　殻体型
１２　造形樹脂
１２Ａ　外殻部
１２Ｂ　内殻部
１３　サポート樹脂
１５　空間
１６　空洞部となる領域
１７　構成壁となる領域
２０　注型材料
１２０　外形体

Claims (9)

  1. 　内部に空洞部を有する臓器モデルを製造する方法であって、
    　人体臓器の撮影データに基づいて、光硬化性の造形樹脂、及びこの造形樹脂をサポートする光硬化性のサポート樹脂に硬化光を照射することで、前記サポート樹脂にサポートされながら前記造形樹脂を硬化して、前記空洞部となる領域、及び前記臓器モデルの構成壁となる領域を有する外形体を形成する外形体形成工程と、
    　前記外形体から前記サポート樹脂を除去して、前記臓器モデルの外面を覆う外殻部、及び前記臓器モデルの内面を覆う内殻部を有する殻体型を形成する殻体型形成工程と、
    　前記殻体型の外殻部と内殻部との間の空間に、柔軟性を有する注型材料を充填する充填工程と、
    　前記注型材料が充填された殻体型を除去する除去工程と、
    を有することを特徴とする臓器モデルの製造方法。
  2. 　前記サポート樹脂は水溶性樹脂であり、前記外形体を洗浄水で洗浄することでサポート樹脂を除去し、前記殻体型を形成することを特徴とする請求項１に記載の臓器モデルの製造方法。
  3. 　前記外形体に、多数の孔を形成したことを特徴とする請求項２に記載の臓器モデルの製造方法。
  4. 　前記洗浄水にアルコール又は界面活性剤を添加したことを特徴とする請求項２又は３に記載の臓器モデルの製造方法。
  5. 　前記注型材料は、透明性を有する材料であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の臓器モデルの製造方法。
  6. 　前記注型材料の充填時に減圧脱泡処理を行ない、気泡を除去することを特徴とする請求項５に記載の臓器モデルの製造方法。
  7. 　前記透明性を有する材料で形成された人体臓器の表面に、同種の材料をコーティングしたことを特徴とする請求項５又は６に記載の臓器モデルの製造方法。
  8. 　前記請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の臓器モデルの製造方法によって製造されたことを特徴とする臓器モデル。
  9. 　内部に空洞部を有する臓器モデルを製造する臓器モデル製造用の型であって、
    　人体臓器の撮影データに基づいて、光硬化性の造形樹脂、及びこの造形樹脂をサポートする光硬化性のサポート樹脂に硬化光を照射することで、前記サポート樹脂にサポートされながら前記造形樹脂を硬化して、前記空洞部となる領域、及び前記臓器モデルの構成壁となる領域を有する外形体を形成し、
    　前記外形体から前記サポート樹脂を除去して、前記臓器モデルの外面を覆う外殻部、及び前記臓器モデルの内面を覆う内殻部が形成されたことを特徴とする臓器モデル製造用の型。
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