JP7543767B2 - Organ Models and Training Systems - Google Patents
Organ Models and Training Systems Download PDFInfo
- Publication number
- JP7543767B2 JP7543767B2 JP2020135170A JP2020135170A JP7543767B2 JP 7543767 B2 JP7543767 B2 JP 7543767B2 JP 2020135170 A JP2020135170 A JP 2020135170A JP 2020135170 A JP2020135170 A JP 2020135170A JP 7543767 B2 JP7543767 B2 JP 7543767B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- data
- medical
- model
- modeling
- organ model
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Instructional Devices (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Description
本発明は、臓器モデルおよびトレーニングシステムに関する。 The present invention relates to an organ model and a training system.
三次元立体造形技術の進歩はめざましく、熱溶融積層法、バインダージェッティング法、光造形法、粉末焼結積層造形法、マテリアルジェッティング法などの様々な3Dプリンタが製造業において用いられている。また、3Dプリンタで用いる材料としては、従来から知られている金属及び樹脂に加え、多様な材料が開発されている。これら多様な材料に対応した新規用途も提案されており、産業分野のみならず、医療分野及びヘルスケア分野等への応用も期待されている。医療分野における3Dプリンタの応用例としては、例えば、チタン、ハイドロキシアパタイト、PEEK等によるインプラント可能な人工骨の造形、細胞の直接積層による人工臓器の研究などへの応用が挙げられる。ヘルスケア分野における3Dプリンタの応用例としては、例えば、個人特有の形状を反映する必要のある補聴器具や義肢などへの応用が挙げられる。 The progress of three-dimensional modeling technology is remarkable, and various 3D printers such as fused deposition modeling, binder jetting, photolithography, powder sintering additive manufacturing, and material jetting are used in the manufacturing industry. In addition to the conventionally known metals and resins, various materials have been developed as materials for use in 3D printers. New applications for these various materials have also been proposed, and applications are expected not only in the industrial field but also in the medical and healthcare fields. Examples of applications of 3D printers in the medical field include, for example, the creation of implantable artificial bones using titanium, hydroxyapatite, PEEK, etc., and research into artificial organs by direct cell layering. Examples of applications of 3D printers in the healthcare field include, for example, applications to hearing aids and prosthetic limbs that need to reflect the unique shapes of each individual.
医療分野における3Dプリンタの他の応用例としては、手術トレーニングやシミュレーションを目的とし、実際の臓器形状や生体を模したモデルへの応用が期待される。このようなモデルへの応用が期待される背景として、近年、医療機器の開発が進み、従来の大きく切り開き取り除く医療から、カテーテル、内視鏡、ロボットアシスト等による患者への負担が少ない低侵襲型医療が主流になりつつある点が挙げられる。これら医療機器を用いた手術オペレーションは、非常に高度な技術と熟練を要するため、医療事故防止の観点から適切なモデルを用いた手術トレーニングの重要性が認識されているためである。また、実施事例の少ない難手術においては、事前に対象部位の詳細を再現したモデルを得ることができれば、綿密な術前シミュレーションをすることが可能になる。 Another application of 3D printers in the medical field is the use of models that mimic the shape of actual organs or living organisms for the purpose of surgical training and simulation. The background to the expected application to such models is that medical equipment has been developed in recent years, and minimally invasive medical treatments that place less strain on patients, such as catheters, endoscopes, and robot assistance, are becoming mainstream, replacing the traditional medical treatments that involve large incisions and removal. Surgical operations using these medical equipment require very advanced technology and expertise, so the importance of surgical training using appropriate models is recognized from the perspective of preventing medical accidents. Furthermore, in difficult surgeries that are rarely performed, if a model that reproduces the details of the target area can be obtained in advance, it will be possible to perform detailed preoperative simulations.
特許文献1には、CT装置などの断層形状測定装置により得られた二次元断層画像データに基づいて、光硬化性樹脂中にレーザー光を照射して各断層形状に合致する硬化層を形成し、これらを順次積層して臓器等を模した立体モデルを造形する方法が開示されている。 Patent Document 1 discloses a method of forming a three-dimensional model of an organ or the like by irradiating a photocurable resin with laser light to form hardened layers that match each tomographic shape based on two-dimensional tomographic image data obtained by a tomographic shape measuring device such as a CT scanner, and then stacking these layers in sequence.
特許文献2には、被検体の臓器を示す複数のボクセルを有する医用3D画像に基づいて、臓器の形状、硬さ、密度及び実効原子番号のうちの2つ以上を個別に略ボクセル毎に示す設計図データを作成し、当該設計図データを基に3D造形物を造形する方法が開示されている。 Patent Document 2 discloses a method for creating design data that indicates two or more of the organ's shape, hardness, density, and effective atomic number individually for each voxel based on a medical 3D image having multiple voxels that indicate the organs of a subject, and for creating a 3D object based on the design data.
しかしながら、生体における物性の分布が精度良く再現された臓器モデルを作製することは困難である課題がある。 However, it is difficult to create an organ model that accurately reproduces the distribution of physical properties in a living body.
本発明は、生体をMRE測定することにより取得される生体物性を示す生体物性情報に基づいて造形され、前記生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有することを特徴とする臓器モデルに関する。 The present invention relates to an organ model that is shaped based on biophysical property information indicating the biophysical properties obtained by MRE measurement of a living body, and has a distribution of strength properties corresponding to the distribution of the biophysical properties.
本発明によれば、生体における物性の分布が精度良く再現された臓器モデルを提供することができる。 The present invention provides an organ model that accurately reproduces the distribution of physical properties in a living body.
1.臓器モデル
本開示において「臓器モデル」とは、臓器の少なくとも一部の形状及び物性を模した立体造形物(「モデル」とも称する)である。また、臓器とは、生体を構成する機能器官であって、内臓に限らず、骨、皮膚、血管など生体を構成するあらゆる器官を含む。
1. Organ Model In the present disclosure, an "organ model" refers to a three-dimensional object (also referred to as a "model") that mimics the shape and physical properties of at least a part of an organ. An organ is a functional organ that constitutes a living body, and includes not only internal organs but also all organs that constitute a living body, such as bones, skin, and blood vessels.
臓器モデルを構成する材料としては、臓器の少なくとも一部の形状及び物性を模した立体造形物を造形できる材料であれば特に限定されないが、例えば、以下の3つの条件を満たす材料であることが好ましい。
・柔らかい材料であって、且つ材料の物性を制御できること
・自立可能(形状を保持可能)であること
・造形装置(「3Dプリンタ)とも称する)を用いて造形可能であること
The material constituting the organ model is not particularly limited as long as it is a material capable of forming a three-dimensional object that mimics the shape and physical properties of at least a part of an organ. For example, it is preferable that the material satisfies the following three conditions:
・The material must be soft and the physical properties of the material must be controllable. ・The material must be self-supporting (capable of retaining its shape). ・The material must be capable of being modeled using a modeling device (also known as a 3D printer).
このような材料としては、例えば、ポリウレタン樹脂およびシリコーン樹脂等を含む軟質プラスチック、ポリビニルアルコール等を含むハイドロゲルなどを挙げることができるが、ハイドロゲルであることが好ましい。本開示において「ハイドロゲル」とは、ポリマーを含む三次元網目構造の中に水が包含されている構造体を表し、かかる三次元網目構造が、ポリマーと鉱物とが複合化して形成される三次元網目構造である場合、特に「有機無機複合ハイドロゲル」という。なお、ハイドロゲルは水を主成分として含み、具体的には、水の含有量がハイドロゲルの全量に対して30.0質量%以上であることが好ましく、40.0質量%以上であることがより好ましく、50.0質量%以上であることが更に好ましい。 Examples of such materials include soft plastics containing polyurethane resin and silicone resin, and hydrogels containing polyvinyl alcohol, but hydrogels are preferred. In this disclosure, "hydrogel" refers to a structure in which water is contained in a three-dimensional network structure containing a polymer, and when such a three-dimensional network structure is a three-dimensional network structure formed by the composite of a polymer and a mineral, it is particularly called an "organic-inorganic composite hydrogel." Note that hydrogels contain water as a main component, and specifically, the water content is preferably 30.0% by mass or more, more preferably 40.0% by mass or more, and even more preferably 50.0% by mass or more, based on the total amount of the hydrogel.
臓器モデルを構成する材料は、当該材料の前駆体である造形用組成物により形成される。このとき、臓器モデルを構成する材料がハイドロゲルである場合、ハイドロゲルは、ハイドロゲルの前駆体であるハイドロゲル立体造形用組成物により形成される。本開示において「ハイドロゲル立体造形用組成物」とは、光などの活性エネルギー線又は熱を照射されることで硬化してハイドロゲルを形成する液体組成物であって、特にハイドロゲルからなる立体造形物を造形するために用いられる液体組成物を意味する。ハイドロゲル立体造形用組成物は、水、重合性化合物を含有し、必要に応じて、鉱物、有機溶剤、その他成分を含有してもよい。以下、ハイドロゲル立体造形用組成物に含まれる各成分について説明する。 The material constituting the organ model is formed from a modeling composition that is a precursor of the material. In this case, when the material constituting the organ model is a hydrogel, the hydrogel is formed from a hydrogel 3D modeling composition that is a precursor of the hydrogel. In this disclosure, the term "hydrogel 3D modeling composition" refers to a liquid composition that hardens to form a hydrogel when irradiated with active energy rays such as light or heat, and is particularly a liquid composition used to model a 3D object made of hydrogel. The hydrogel 3D modeling composition contains water and a polymerizable compound, and may contain minerals, organic solvents, and other components as necessary. Each component contained in the hydrogel 3D modeling composition will be described below.
(1)水
ハイドロゲル立体造形用組成物は水を含む。水としては、一般的に溶媒として用い得るものであれば特に限定されず、例えば、イオン交換水、限外濾過水、逆浸透水、及び蒸留水等の純水、並びに超純水などを用いることができる。
ハイドロゲル立体造形用組成物を臓器モデルの造形に用いる場合、水の含有量は、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して30.0質量%以上90.0質量%以下であることが好ましく、40.0質量%以上90.0質量%以下であることがより好ましい。
なお、水には、保湿性付与、抗菌性付与、導電性付与、硬度調整などの目的に応じて有機溶媒等のその他の成分を溶解又は分散させてもよい。
(1) Water The hydrogel three-dimensional modeling composition contains water. The water is not particularly limited as long as it can be used as a solvent in general, and examples of water that can be used include pure water such as ion-exchanged water, ultrafiltered water, reverse osmosis water, and distilled water, and ultrapure water.
When the hydrogel 3D modeling composition is used to model an organ model, the water content is preferably 30.0% by mass or more and 90.0% by mass or less, and more preferably 40.0% by mass or more and 90.0% by mass or less, relative to the total amount of the hydrogel 3D modeling composition.
In addition, other components such as organic solvents may be dissolved or dispersed in the water depending on the purpose of imparting moisture retention, antibacterial properties, electrical conductivity, adjusting hardness, etc.
(2)重合性化合物
ハイドロゲル立体造形用組成物は重合性の官能基を有する化合物である重合性化合物を含む。重合性化合物としては、モノマー、オリゴマー等が挙げられる。重合性化合物は、活性エネルギー線又は熱を照射されることで重合してポリマーの少なくとも一部を形成する。すなわち、ポリマーは、重合性化合物に由来する構造単位を有する。また、ポリマーは、鉱物と架橋して複合化し、ハイドロゲル中で三次元網目構造を形成することが好ましい。ここで、重合性化合物は、水溶性であることが好ましい。水溶性とは、例えば、30℃の水100g及びモノマー1gを混合して撹拌したとき、モノマーの90質量%以上が溶解することを表す。
(2) Polymerizable Compound The hydrogel three-dimensional modeling composition contains a polymerizable compound, which is a compound having a polymerizable functional group. Examples of the polymerizable compound include monomers and oligomers. The polymerizable compound is polymerized by irradiation with active energy rays or heat to form at least a part of a polymer. That is, the polymer has a structural unit derived from the polymerizable compound. In addition, it is preferable that the polymer is crosslinked with a mineral to form a composite and form a three-dimensional network structure in the hydrogel. Here, it is preferable that the polymerizable compound is water-soluble. Water-soluble means that, for example, when 100 g of water at 30° C. and 1 g of monomer are mixed and stirred, 90% by mass or more of the monomer is dissolved.
重合性化合物は、重合性の官能基を有する化合物であれば特に制限はないが、光重合性の官能基を有する化合物であることが好ましい。本開示において「重合性官能基」とは、活性エネルギー線の照射や熱の付加により重合反応を起こす官能基を意味し、「光重合性官能基」は特に活性エネルギー線の照射により重合反応を起こす官能基を意味する。光重合性官能基としては、これに限定するものではないが、例えば(メタ)アクリロイル基、ビニル基、アリル基等のエチレン性不飽和結合を有する基、エポキシ基などの環状エーテル基が挙げられる。エチレン性不飽和結合を有する基を含む化合物の具体例としては、例えば、(メタ)アクリルアミド基を有する化合物、(メタ)アクリレート化合物、(メタ)アクリロイル基を有する化合物、ビニル基を有する化合物、アリル基を有する化合物などが挙げられる。 The polymerizable compound is not particularly limited as long as it has a polymerizable functional group, but is preferably a compound having a photopolymerizable functional group. In this disclosure, the term "polymerizable functional group" refers to a functional group that undergoes a polymerization reaction when irradiated with active energy rays or when heat is added, and the term "photopolymerizable functional group" refers to a functional group that undergoes a polymerization reaction when irradiated with active energy rays. Examples of photopolymerizable functional groups include, but are not limited to, groups having an ethylenically unsaturated bond such as a (meth)acryloyl group, a vinyl group, or an allyl group, and cyclic ether groups such as an epoxy group. Specific examples of compounds containing a group having an ethylenically unsaturated bond include, for example, a compound having a (meth)acrylamide group, a (meth)acrylate compound, a compound having a (meth)acryloyl group, a compound having a vinyl group, and a compound having an allyl group.
(I)モノマー
重合性化合物として用い得るモノマーは、好ましくは不飽和炭素-炭素結合などの重合性官能基を1つ以上有する化合物であり、例えば、単官能モノマー、多官能モノマーなどが挙げられる。更に、多官能モノマーとしては、二官能モノマー、三官能以上のモノマーなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(I) Monomer The monomer that can be used as the polymerizable compound is preferably a compound having one or more polymerizable functional groups such as an unsaturated carbon-carbon bond, and examples thereof include monofunctional monomers and polyfunctional monomers. Furthermore, examples of polyfunctional monomers include bifunctional monomers and trifunctional or higher functional monomers. These may be used alone or in combination of two or more.
(A)単官能モノマー
単官能モノマーとしては、例えば、アクリルアミド、N-置換アクリルアミド誘導体、N,N-ジ置換アクリルアミド誘導体、N-置換メタクリルアミド誘導体、N,N-ジ置換メタクリルアミド誘導体、アクリル酸、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、カプロラクトン変性テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、3-メトキシブチル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、2-フェノキシエチル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、カプロラクトン(メタ)アクリレート、エトキシ化ノニルフェノール(メタ)アクリレートなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、アクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド、N-イソプロピルアクリルアミド、アクリロイルモルホリン、ヒドロキシエチルアクリルアミド、イソボルニル(メタ)アクリレートなどが好ましい。
(A) Monofunctional Monomer Examples of the monofunctional monomer include acrylamide, N-substituted acrylamide derivatives, N,N-disubstituted acrylamide derivatives, N-substituted methacrylamide derivatives, N,N-disubstituted methacrylamide derivatives, acrylic acid, 2-ethylhexyl (meth)acrylate, 2-hydroxyethyl (meth)acrylate, 2-hydroxypropyl (meth)acrylate, caprolactone-modified tetrahydrofurfuryl (meth)acrylate, 3-methoxybutyl (meth)acrylate, tetrahydrofurfuryl (meth)acrylate, lauryl (meth)acrylate, 2-phenoxyethyl (meth)acrylate, isodecyl (meth)acrylate, isooctyl (meth)acrylate, tridecyl (meth)acrylate, caprolactone (meth)acrylate, and ethoxylated nonylphenol (meth)acrylate. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, acrylamide, N,N-dimethylacrylamide, N-isopropylacrylamide, acryloylmorpholine, hydroxyethylacrylamide, isobornyl (meth)acrylate, and the like are preferable.
単官能モノマーの含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、0.5質量%以上30.0質量%以下が好ましい。 The content of the monofunctional monomer is preferably 0.5% by mass or more and 30.0% by mass or less based on the total amount of the hydrogel three-dimensional modeling composition.
(B)二官能モノマー
二官能モノマーとしては、例えば、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールヒドロキシピバリン酸エステルジ(メタ)アクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ(メタ)アクリレート、1,3-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9-ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、カプロラクトン変性ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ(メタ)アクリレート、プロポキシ化オペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、エトキシ変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール200ジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール400ジ(メタ)アクリレートなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(B) Bifunctional Monomer Examples of the bifunctional monomer include tripropylene glycol di(meth)acrylate, triethylene glycol di(meth)acrylate, tetraethylene glycol di(meth)acrylate, polypropylene glycol di(meth)acrylate, neopentyl glycol hydroxypivalic acid ester di(meth)acrylate, hydroxypivalic acid neopentyl glycol ester di(meth)acrylate, 1,3-butanediol di(meth)acrylate, 1,4-butanediol di(meth)acrylate, and 1,6-hexanediol di(meth)acrylate. Examples of such acrylates include 1,9-nonanediol di(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate, neopentyl glycol di(meth)acrylate, tripropylene glycol di(meth)acrylate, caprolactone-modified hydroxypivalic acid neopentyl glycol ester di(meth)acrylate, propoxylated dipentyl glycol di(meth)acrylate, ethoxy-modified bisphenol A di(meth)acrylate, polyethylene glycol 200 di(meth)acrylate, and polyethylene glycol 400 di(meth)acrylate. These may be used alone or in combination of two or more.
(C)三官能以上のモノマー
三官能以上のモノマーとしては、例えば、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリアリルイソシアヌレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリス(2-ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリ(メタ)アクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート,プロポキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート,プロポキシ化グリセリルトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヒドロキシペンタ(メタ)アクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ペンタ(メタ)アクリレートエステルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(C) Trifunctional or higher monomers Examples of trifunctional or higher monomers include trimethylolpropane tri(meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, dipentaerythritol hexa(meth)acrylate, triallyl isocyanurate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol tri(meth)acrylate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol tetra(meth)acrylate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol penta(meth)acrylate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol hexa(meth)acrylate, tris Examples of such compounds include (2-hydroxyethyl)isocyanurate tri(meth)acrylate, ethoxylated trimethylolpropane tri(meth)acrylate, propoxylated trimethylolpropane tri(meth)acrylate, propoxylated glyceryl tri(meth)acrylate, pentaerythritol tetra(meth)acrylate, ditrimethylolpropane tetra(meth)acrylate, dipentaerythritol hydroxypenta(meth)acrylate, ethoxylated pentaerythritol tetra(meth)acrylate, penta(meth)acrylate ester, etc. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
多官能モノマーの含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、0.01質量%以上10.0質量%以下が好ましい。 The content of the polyfunctional monomer is preferably 0.01% by mass or more and 10.0% by mass or less based on the total amount of the hydrogel three-dimensional modeling composition.
(II)オリゴマー
オリゴマーは、上記単官能モノマーの低重合体や末端に反応性不飽和結合基を有する低重合体である。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(II) Oligomer The oligomer is a low polymer of the above-mentioned monofunctional monomer or a low polymer having a reactive unsaturated bond group at the end. These may be used alone or in combination of two or more kinds.
(3)鉱物
ハイドロゲル立体造形用組成物は鉱物を含むことが好ましい。鉱物は、上記重合性化合物から形成されるポリマーと結合することが可能な鉱物であれば特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、層状粘土鉱物、特に水膨潤性層状粘土鉱物などが挙げられる。
水膨潤性層状粘土鉱物について図8を用いて説明する。図8は、鉱物としての水膨潤性層状粘土鉱物、及び水膨潤性層状粘土鉱物を水中で分散させた状態の一例を示す模式図である。図8の上図に示すように、水膨潤性層状粘土鉱物は、単一層の状態で存在しており、単位格子を結晶内に持つ二次元円盤状の結晶が積み重なった状態を呈している。そして、図8の上図の水膨潤性層状粘土鉱物を水中で分散させると、図8の下図に示すように、各単一層が分離して、複数の二次元円盤状の結晶となる。
なお、水膨潤性とは、図8に示すように層状粘土鉱物の各単一層の間に水分子が挿入され、水中に分散される性質を意味する。また、水膨潤性層状粘土鉱物の単一層の形状は円盤状に限定されず、他の形状であってもよい。
(3) Mineral The hydrogel composition for three-dimensional modeling preferably contains a mineral. The mineral is not particularly limited as long as it is capable of bonding with the polymer formed from the polymerizable compound, and may be appropriately selected depending on the purpose. For example, layered clay minerals, particularly water-swellable layered clay minerals, may be mentioned.
The water-swellable layered clay mineral will be described with reference to FIG. 8. FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a water-swellable layered clay mineral as a mineral and a state in which the water-swellable layered clay mineral is dispersed in water. As shown in the upper diagram of FIG. 8, the water-swellable layered clay mineral exists in a single layer state, and exhibits a state in which two-dimensional disk-shaped crystals having unit lattices within the crystal are stacked. When the water-swellable layered clay mineral in the upper diagram of FIG. 8 is dispersed in water, each single layer separates to form a plurality of two-dimensional disk-shaped crystals, as shown in the lower diagram of FIG. 8.
The term "water-swellable" refers to the property of water molecules being inserted between the individual monolayers of the layered clay mineral and dispersing in water, as shown in Fig. 8. The shape of the monolayer of the water-swellable layered clay mineral is not limited to a disk shape, and may be other shapes.
水膨潤性層状粘土鉱物としては、例えば、水膨潤性スメクタイト、水膨潤性雲母などが挙げられる。より具体的には、ナトリウムを層間イオンとして含む水膨潤性ヘクトライト、水膨潤性モンモリナイト、水膨潤性サポナイト、水膨潤性合成雲母などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、高弾性のハイドロゲルが得られる点から、水膨潤性ヘクトライトが好ましい。
水膨潤性ヘクトライトは、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。市販品としては、例えば、合成ヘクトライト(ラポナイトXLG、RockWood社製)、SWN(Coop Chemical Ltd.製)、フッ素化ヘクトライトSWF(Coop Chemical Ltd.製)などが挙げられる。これらの中でも、ハイドロゲルの弾性率を向上させる点から、合成ヘクトライトが好ましい。
Examples of water-swellable layered clay minerals include water-swellable smectite and water-swellable mica. More specifically, water-swellable hectorite, water-swellable montmorillonite, water-swellable saponite, water-swellable synthetic mica, and the like, each containing sodium as an interlayer ion, may be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, water-swellable hectorite is preferred because it can produce a highly elastic hydrogel.
The water-swellable hectorite may be appropriately synthesized or may be a commercially available product. Examples of commercially available products include synthetic hectorite (Laponite XLG, manufactured by Rockwood), SWN (manufactured by Coop Chemical Ltd.), and fluorinated hectorite SWF (manufactured by Coop Chemical Ltd.). Among these, synthetic hectorite is preferred from the viewpoint of improving the elastic modulus of the hydrogel.
鉱物の含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、1.0質量%以上40.0質量%以下が好ましい。 The mineral content is preferably 1.0% by mass or more and 40.0% by mass or less based on the total amount of the hydrogel 3D modeling composition.
(4)有機溶媒
ハイドロゲル立体造形用組成物は必要に応じて有機溶剤を含んでもよい。有機溶媒は、例えば、ハイドロゲルの保湿性を高めること等を目的として含有される。
有機溶媒としては、例えば、炭素数1~4のアルキルアルコール類、アミド類、ケトン類、ケトンアルコール類、エーテル類、多価アルコール類、ポリアルキレングリコール類、多価アルコールの低級アルコールエーテル類、アルカノールアミン類、N-メチル-2-ピロリドンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、保湿性の点から、多価アルコールが好ましく、具体的にはエチレングリコール、プロピレングリコール、1,2-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、1,2,6-ヘキサントリオール、チオグリコール、ヘキシレングリコール、グリセリン等の多価アルコール類が良好に使用される。
有機溶媒の含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、10.0質量%以上50.0質量%以下が好ましい。10.0質量%以上であることでハイドロゲル立体造形用組成物の乾燥を抑制でき、50.0質量%以下であることでハイドロゲル立体造形用組成物中における鉱物の分散性を向上できる。
(4) Organic Solvent The hydrogel three-dimensional modeling composition may contain an organic solvent, if necessary. The organic solvent is contained for the purpose of increasing the moisture retention of the hydrogel, for example.
Examples of the organic solvent include alkyl alcohols having 1 to 4 carbon atoms, amides, ketones, ketone alcohols, ethers, polyhydric alcohols, polyalkylene glycols, lower alcohol ethers of polyhydric alcohols, alkanolamines, N-methyl-2-pyrrolidone, etc. These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, polyhydric alcohols are preferred from the viewpoint of moisturizing properties, and specifically, polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, 1,2-propanediol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, diethylene glycol, triethylene glycol, 1,2,6-hexanetriol, thioglycol, hexylene glycol, and glycerin are preferably used.
The content of the organic solvent is preferably 10.0% by mass or more and 50.0% by mass or less based on the total amount of the hydrogel 3D modeling composition, in which case drying of the hydrogel 3D modeling composition can be suppressed, and dispersibility of the mineral in the hydrogel 3D modeling composition can be improved by setting the content to 50.0% by mass or less.
(5)その他成分
ハイドロゲル立体造形用組成物は必要に応じてその他成分を含んでもよい。
その他成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、安定化剤、表面処理剤、重合開始剤、着色剤、粘度調整剤、接着性付与剤、酸化防止剤、老化防止剤、架橋剤、紫外線吸収剤、可塑剤、防腐剤、金属イオン、フィラー、金属微粒子、分散剤などが挙げられる。
(5) Other Components The hydrogel three-dimensional modeling composition may contain other components as necessary.
The other components are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the other components include stabilizers, surface treatment agents, polymerization initiators, colorants, viscosity modifiers, adhesion promoters, antioxidants, antiaging agents, crosslinking agents, ultraviolet absorbers, plasticizers, preservatives, metal ions, fillers, metal fine particles, and dispersants.
(I)安定化剤
安定化剤は、鉱物を安定して分散させ、ハイドロゲル立体造形用組成物のゾル状態を保つために含有される。また、ハイドロゲル立体造形用組成物を液滴として吐出する方式に用いる場合、液体としての特性安定化を目的として安定化剤が含有される。
安定化剤としては、例えば、高濃度リン酸塩、グリコール、非イオン界面活性剤などが挙げられる。
(I) Stabilizer The stabilizer is contained in order to stably disperse the mineral and maintain the sol state of the hydrogel 3D modeling composition. In addition, when the hydrogel 3D modeling composition is used in a method of ejecting the composition as droplets, the stabilizer is contained in order to stabilize the properties of the composition as a liquid.
Stabilizers include, for example, high concentration phosphates, glycols, non-ionic surfactants, and the like.
(II)表面処理剤
表面処理剤としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、シリコーン樹脂、クマロン樹脂、脂肪酸エステル、グリセライド、ワックスなどが挙げられる。
(II) Surface Treatment Agent Examples of the surface treatment agent include polyester resins, polyvinyl acetate resins, silicone resins, coumarone resins, fatty acid esters, glycerides, and waxes.
(III)重合開始剤
重合開始剤としては、例えば、熱重合開始剤、光重合開始剤などが挙げられる。これらの中でも、保存安定性の点から、活性エネルギー線を照射することによりラジカル又はカチオンを生成する光重合開始剤が好ましい。
光重合開始剤としては、光(特に波長220nm以上400nm以下の紫外線)の照射によりラジカルを生成する任意の物質を用いることができる。
熱重合開始剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、アゾ系開始剤、過酸化物開始剤、過硫酸塩開始剤、レドックス(酸化還元)開始剤などが挙げられる。
(III) Polymerization initiator Examples of the polymerization initiator include a thermal polymerization initiator, a photopolymerization initiator, etc. Among these, from the viewpoint of storage stability, a photopolymerization initiator that generates a radical or a cation by irradiation with an active energy ray is preferred.
As the photopolymerization initiator, any substance that generates radicals when irradiated with light (particularly ultraviolet light having a wavelength of 220 nm or more and 400 nm or less) can be used.
The thermal polymerization initiator is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the thermal polymerization initiator include azo-based initiators, peroxide initiators, persulfate initiators, and redox (oxidation-reduction) initiators.
(6)ハイドロゲル立体造形用組成物の物性
ハイドロゲル立体造形用組成物の25℃における粘度は、3.0mPa・s以上20.0mPa・s以下が好ましく、6.0mPa・s以上12.0mPa・s以下がより好ましい。粘度が3.0mPa・s以上20.0mPa・s以下であることで、3Dプリンター(特にマテリアルジェッティング方式)における液滴吐出などに好適に適用することができる。なお、粘度の測定は、例えば、回転粘度計(VISCOMATE VM-150III、東機産業株式会社製)などを用いて測定することができる。
(6) Physical properties of the hydrogel three-dimensional modeling composition The viscosity of the hydrogel three-dimensional modeling composition at 25 ° C. is preferably 3.0 mPa · s or more and 20.0 mPa · s or less, more preferably 6.0 mPa · s or more and 12.0 mPa · s or less. By having a viscosity of 3.0 mPa · s or more and 20.0 mPa · s or less, it can be suitably applied to droplet ejection in a 3D printer (particularly a material jetting method). The viscosity can be measured using, for example, a rotational viscometer (VISCOMATE VM-150III, manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.).
ハイドロゲル立体造形用組成物の表面張力は、20mN/m以上45mN/m以下が好ましく、25mN/m以上34mN/m以下がより好ましい。表面張力が、20mN/m以上であると、吐出安定性を向上でき、45mN/m以下であると、造形用の吐出ノズル等にハイドロゲル立体造形用組成物を充填しやすくなる。なお、表面張力の測定は、例えば、表面張力計(自動接触角計DM-701、協和界面科学株式会社製)などを用いて測定することができる。 The surface tension of the hydrogel 3D modeling composition is preferably 20 mN/m or more and 45 mN/m or less, and more preferably 25 mN/m or more and 34 mN/m or less. If the surface tension is 20 mN/m or more, the ejection stability can be improved, and if it is 45 mN/m or less, it becomes easier to fill the hydrogel 3D modeling composition into an ejection nozzle for modeling. The surface tension can be measured, for example, using a surface tensiometer (automatic contact angle meter DM-701, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.).
2.臓器モデルの造形方法
本発明の臓器モデルは、生体をMRE測定することにより取得される生体物性を示す生体物性情報に基づいて造形される。また、このように造形されることで、本発明の臓器モデルは、当該生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する。そこで、生体物性情報に基づいて本発明の臓器モデルを造形する造形方法について説明する。
2. Method for Forming an Organ Model The organ model of the present invention is formed based on biological property information indicating biological properties obtained by MRE measurement of a living body. By forming the organ model in this manner, the organ model of the present invention has a distribution of intensity properties corresponding to the distribution of the biological properties. Hereinafter, a method for forming the organ model of the present invention based on the biological property information will be described.
造形方法としては、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する臓器モデルが造形可能である限り特に限定されず、例えば、3Dプリンタを用いて造形する方法などが挙げられる。また、3Dプリンタを用いて造形する方法としては、生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて臓器モデルを造形する造形工程を有することが好ましい。このような造形工程を有する造形方法を実行する場合、必要に応じて、上記造形工程より前に実行される工程として、生体の医用3Dデータを取得する取得工程と、医用3Dデータに基づいて造形用3Dデータを生成する生成工程と、を有してもよい。更に、このような造形工程を有する造形方法を実行する場合、必要に応じて、上記造形工程より後に実行される工程として、造形された臓器モデルの精度を評価する評価工程を有してもよい。以下、臓器モデルの造形方法の一例として、取得工程と、生成工程と、造形工程と、評価工程と、を有する場合について説明する。
なお、本開示において「生体」とは、ヒト又はヒト以外の生物を構成する少なくとも一部を表し、対象の数は1つでもあってもよいし複数であってもよい。なお、ヒト又はヒト以外の生物を構成する少なくとも一部とは、例えば、胸部などの生体中における所定の領域、生体中における所定の臓器などを表す。
また、本開示において「生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて臓器モデルを造形する」とは、医用3Dデータを3Dプリンタに入力して臓器モデルを造形するような直接的に医用3Dデータを用いる場合に限定されず、医用3Dデータに基づいて生成された造形用3Dデータなどを3Dプリンタに入力して臓器モデルを造形するような間接的に医用3Dデータを用いる場合も表す。
The modeling method is not particularly limited as long as it is possible to model an organ model having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties, and examples of the method include a modeling method using a 3D printer. In addition, the modeling method using a 3D printer preferably has a modeling step of modeling an organ model using a 3D printer based on medical 3D data of a living body. When performing such a modeling method having a modeling step, as necessary, a step performed before the modeling step may include an acquisition step of acquiring medical 3D data of a living body, and a generation step of generating modeling 3D data based on the medical 3D data. Furthermore, when performing such a modeling method having a modeling step, as necessary, a step performed after the modeling step may include an evaluation step of evaluating the accuracy of the modeled organ model. Hereinafter, as an example of a method for modeling an organ model, a case having an acquisition step, a generation step, a modeling step, and an evaluation step will be described.
In the present disclosure, the term "living body" refers to at least a part of a human or non-human organism, and the number of subjects may be one or more. Note that at least a part of a human or non-human organism refers to, for example, a predetermined region in a living body, such as the chest, or a predetermined organ in a living body.
In addition, in the present disclosure, "printing an organ model using a 3D printer based on medical 3D data of a living organism" is not limited to the direct use of medical 3D data, such as inputting the medical 3D data into a 3D printer to print an organ model, but also refers to the indirect use of medical 3D data, such as inputting 3D data for printing generated based on the medical 3D data into a 3D printer to print an organ model.
(1)取得工程
造形方法は、生体の医用3Dデータを取得する取得工程を有することが好ましい。本開示において「医用3Dデータ」とは、少なくとも、生体を医用画像撮影装置により撮影することにより取得される医用画像データと、生体をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づき作成されるデータを表す。すなわち、生体の医用3Dデータを取得する取得工程は、生体を医用画像撮影装置により撮影することで医用画像データを取得する撮影工程と、生体をMRE測定することにより生体物性を取得する測定工程と、医用画像データ及び生体物性に基づき医用3Dデータを作成する作成工程と、を有する。
(1) Acquisition Step The modeling method preferably includes an acquisition step of acquiring medical 3D data of a living body. In the present disclosure, "medical 3D data" refers to data created based on at least medical image data acquired by photographing a living body with a medical imaging device and biological properties acquired by MRE measurement of the living body. That is, the acquisition step of acquiring medical 3D data of a living body includes an imaging step of acquiring medical image data by photographing the living body with a medical imaging device, a measurement step of acquiring biological properties by MRE measurement of the living body, and a creation step of creating medical 3D data based on the medical image data and the biological properties.
(I)撮影工程
撮影工程は、生体を医用画像撮影装置により撮影することで医用画像データを取得する工程である。医用画像撮影装置は、モダリティとも称され、被検体である生体をスキャンして医用画像データを取得する装置である。医用画像撮影装置としては、例えば、CT(Computed Tomography)装置、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置、超音波診断装置などが挙げられる。これらの中でも、後述する測定工程におけるMRE測定も行える観点からMRI装置を用いることが好ましい。医用画像撮影装置は、生体の断面を複数回撮影するスライス断層撮影を行う。これにより、図1に示すように、生体の断面を示す画像である医用画像データを複数取得できる。この複数の医用画像データ(「医用画像データセット」とも称する)は、それぞれ、医療画像交換に関する国際標準規格であるDICOM形式の画像であることが好ましい。また、医用画像データは、医用画像撮影装置により取得される画像濃度を示す画像濃度情報を含む。画像濃度は、例えば、医用画像撮影装置としてCT装置を用いた場合はCT値(X線透過率)であり、MRI装置を用いた場合はMRI信号値であり、超音波診断装置を用いた場合は反射強度である。
(I) Photographing Process The photographing process is a process of acquiring medical image data by photographing a living body with a medical imaging device. The medical imaging device is also called a modality, and is a device that scans a living body as a subject to acquire medical image data. Examples of the medical imaging device include a CT (Computed Tomography) device, an MRI (Magnetic Resonance Imaging) device, and an ultrasonic diagnostic device. Among these, it is preferable to use an MRI device from the viewpoint of also performing MRE measurement in the measurement process described later. The medical imaging device performs slice tomography to photograph a cross section of the living body multiple times. As a result, as shown in FIG. 1, multiple medical image data, which are images showing the cross sections of the living body, can be acquired. Each of these multiple medical image data (also called a "medical image data set") is preferably an image in the DICOM format, which is an international standard for medical image exchange. In addition, the medical image data includes image density information indicating the image density acquired by the medical imaging device. The image density is, for example, a CT value (X-ray transmittance) when a CT device is used as the medical imaging device, an MRI signal value when an MRI device is used, and reflection intensity when an ultrasound diagnostic device is used.
(II)測定工程
測定工程は、生体をMRE測定することで生体物性を取得する工程である。MRE測定とは、磁気共鳴エラストグラフィー(MRE:Magnetic Resonance Elastography)の手法により測定することを表す。本手法は、加振装置を用いて被検体内部にせん断波を生成しながらMRI装置で撮影することで、被検体内部の粘弾性分布を測定する非侵襲的な手法である。すなわち、生体をMRE測定することで取得される生体物性とは粘弾性であることが好ましい。なお、生体の粘弾性を取得する方法としては、MRE測定を行う方法以外に、超音波エラストグラフィーによる測定を行う方法が挙げられる。この点、超音波エラストグラフィーによる測定は得られる情報が1次元であるのに対し、MRE測定は得られる情報が2次元であって3Dデータの生成が容易であるため、MRE測定を行うことが好ましい。なお、測定対象が、心臓や血管等の臓器自体が周期的な運動を伴うものである場合、この運動に伴う臓器の変形量を計測し、力学モデル等に基づいて計測値から生体物性を推測する方法も挙げられる。しかし、この方法で得られる生体物性はあくまで推測値であり、生体の正確な情報取得性の観点でMRE測定に劣る。加えて、この方法を用いることができるのは、測定対象が心臓や血管等の周期的な運動を伴う臓器である場合に限定されるため、周期的な運動を伴わない臓器または周期的な運動に伴う変形量の計測が困難である臓器も測定対象にすることができる点でMRE測定を行うことが好ましい。また、MRE測定は、MRI装置のオプション機能としてシステムに含まれることが多く、撮影工程及び測定工程を同一のMRI装置により実行できる点でも好ましい。これに付随して、MRI装置による撮影工程とMRI装置による測定工程は、ほぼ同時に行うことができる。ほぼ同時に行えることで、患者等の被検体の負担を軽減できる点、医用画像データの取得時と生体物性の取得時がほぼ同時となり正確な生体の情報を得ることができる点などで好ましい。特に、後者の点に関しては、撮影および測定の対象が、経時的に形状、物性等の面で変化を生じやすい性質を有する生体であることを考慮すると、重要な観点となる。なお、ほぼ同時とは、撮影工程の時間および測定工程の時間の少なくとも一部が重複している場合、一度のMRI装置の使用で撮影工程および測定工程の両方を実行できる場合などを表す。また、MRE測定は、生体に対して行えるので、生体中で血圧が付与されている状態の臓器における生体物性を取得できる点でも好ましい。
(II) Measuring step The measuring step is a step of acquiring biological properties by MRE measurement of a biological body. MRE measurement refers to measurement by a method of magnetic resonance elastography (MRE). This method is a non-invasive method of measuring the viscoelastic distribution inside a biological body by generating shear waves inside the biological body using a vibration device and taking an image with an MRI device. That is, the biological property acquired by MRE measurement of a biological body is preferably viscoelasticity. In addition to the method of performing MRE measurement, a method of performing measurement by ultrasonic elastography can be mentioned as a method of acquiring viscoelasticity of a biological body. In this regard, while the information obtained by measurement by ultrasonic elastography is one-dimensional, the information obtained by MRE measurement is two-dimensional, and 3D data can be easily generated, so that MRE measurement is preferable. In addition, when the measurement target is an organ such as the heart or blood vessels that itself undergoes periodic motion, a method of measuring the amount of deformation of the organ accompanying this motion and estimating the biophysical properties from the measured values based on a mechanical model or the like can also be mentioned. However, the biophysical properties obtained by this method are merely estimated values, and are inferior to MRE measurement in terms of accurate information acquisition of the living body. In addition, this method can be used only when the measurement target is an organ that undergoes periodic motion such as the heart or blood vessels, so MRE measurement is preferable in that organs that do not undergo periodic motion or organs for which it is difficult to measure the amount of deformation accompanying periodic motion can also be used as measurement targets. In addition, MRE measurement is often included in the system as an optional function of the MRI device, and is also preferable in that the imaging process and the measurement process can be performed by the same MRI device. In addition to this, the imaging process by the MRI device and the measurement process by the MRI device can be performed almost simultaneously. It is preferable in that the burden on the subject such as a patient can be reduced by performing them almost simultaneously, and that the time of acquiring medical image data and the time of acquiring biophysical properties are almost simultaneous, thereby obtaining accurate information on the living body. In particular, the latter point is an important point considering that the subject of imaging and measurement is a living body that is prone to change over time in terms of shape, physical properties, etc. Note that "almost simultaneously" refers to a case where the imaging process and the measurement process overlap at least partially, or where both the imaging process and the measurement process can be performed by using an MRI device once. In addition, MRE measurement is preferable in that it can be performed on a living body, and therefore the physical properties of the organ in the living body can be obtained in a state where blood pressure is applied.
(III)作成工程
作成工程は、撮影工程で取得した医用画像データおよび測定工程で取得した生体物性に基づき医用3Dデータを作成する工程である。医用3Dデータは、医用画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与された医用画像データにおける画像濃度を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与された生体物性を示す生体物性情報と、を含む情報である。言い換えると、医用3Dデータは、ボクセル、画像濃度情報、及び生体物性情報が関連付けられた情報である。
(III) Creation Process The creation process is a process of creating medical 3D data based on the medical image data acquired in the imaging process and the biological properties acquired in the measurement process. The medical 3D data is information including a plurality of voxels created based on the medical image data, image density information indicating the image density in the medical image data assigned to each voxel, and biological property information indicating the biological properties assigned to each voxel. In other words, the medical 3D data is information in which the voxels, the image density information, and the biological property information are associated with each other.
医用3Dデータを作成する方法について具体的に説明する。
まず、撮影工程で取得した医用画像データから、医用画像撮影装置又は当該医用画像撮影装置と関連する画像処理装置(「医用画像撮影装置等」とも称する)により、3D画像処理に対応する医用3Dデータが作成される。医用3Dデータは、図2に示すような立方体等の最小単位を少なくとも1つ含むボクセルの集合体であり、ボクセルごとに様々な情報を関連付けることができる。次に、医用画像撮影装置等が、ボクセルごとに、撮影工程で取得した医用画像データにおける画像濃度を示す画像濃度情報を関連付ける。更に、医用画像撮影装置等が、ボクセルごとに、測定工程で取得した生体物性を示す生体物性情報を関連付ける。これにより、図3に示すように、ボクセル、画像濃度情報、及び生体物性情報が関連付けられた情報である医用3Dデータを作成できる。医用3Dデータは、画像濃度情報を用い、ボクセル領域分割(セグメンテーション)を行うことができる。ボクセル領域分割とは、画像濃度が近いボクセルを分類してセグメント化(区分化)することを表す。これにより、医用3Dデータに基づき、生体の内部構造の形状認識、構造分割、組織分析、及び3D画像解析等が可能になり、生体の医用3Dデータから目的とする臓器部分の医用3Dデータを取得することができる。本発明では、図4に示すように、医用3Dデータをボクセル領域分割することで取得される部分領域における医用3Dデータを領域別医用3Dデータと称する。なお、領域別医用3Dデータは、医用3Dデータに含まれる一概念であるとする。
A method for creating medical 3D data will be specifically described.
First, medical 3D data corresponding to 3D image processing is created from medical image data acquired in the imaging process by a medical imaging device or an image processing device related to the medical imaging device (also referred to as "medical imaging device, etc."). Medical 3D data is a collection of voxels including at least one minimum unit such as a cube as shown in FIG. 2, and various information can be associated with each voxel. Next, the medical imaging device, etc. associates image density information indicating image density in the medical image data acquired in the imaging process with each voxel. Furthermore, the medical imaging device, etc. associates biological property information indicating biological properties acquired in the measurement process with each voxel. As a result, medical 3D data, which is information in which voxels, image density information, and biological property information are associated, can be created as shown in FIG. 3. The medical 3D data can be segmented into voxel regions using image density information. Voxel region segmentation refers to classifying and segmenting voxels with similar image densities. This enables shape recognition, structure division, tissue analysis, and 3D image analysis of the internal structure of a living body based on the medical 3D data, and allows medical 3D data of a target organ part to be obtained from the medical 3D data of the living body. In the present invention, medical 3D data in a partial region obtained by dividing the medical 3D data into voxel regions as shown in Figure 4 is called medical 3D data by region. Note that medical 3D data by region is considered to be one concept included in medical 3D data.
(2)生成工程
造形方法は、医用3Dデータに基づいて造形用3Dデータを生成する生成工程を有することが好ましい。本開示において「造形用3Dデータ」とは、医用3Dデータに基づいて生成されるデータであって、3Dプリンタに入力されるデータを表す。造形用3Dデータは、1つのデータから構成されてもよいし、複数のデータから構成されてもよい。以下、造形用3Dデータを生成する方法の具体例2つを説明するが、本方法としてはこれらに限定されない。
(2) Generation Step The modeling method preferably includes a generation step of generating 3D modeling data based on the medical 3D data. In this disclosure, "3D modeling data" refers to data generated based on the medical 3D data and input to a 3D printer. The 3D modeling data may be composed of one piece of data or may be composed of multiple pieces of data. Below, two specific examples of a method for generating 3D modeling data will be described, but the present method is not limited to these.
(I)STL形式のデータを含む造形用3Dデータの生成
医用3Dデータに基づいてSTL(Standard Triangulated Language)形式のデータを含む造形用3Dデータを生成する場合について説明する。
この場合、図5に示すように、医用3Dデータをボクセル領域分割して取得された領域別医用3Dデータに対し、サーフェースモデル変換を行うことで領域別医用3Dデータに対応するSTL形式のデータを作成する。なお、STL形式のデータはサーフェイスデータであるため、サーフェースモデル変換を行うことで領域別医用3Dデータのボクセルごとに付与された生体物性情報は失われる。そのため、サーフェースモデル変換とは別に、領域別医用3Dデータから、ボクセルの位置を示す位置情報と、位置情報ごとに付与された生体物性情報と、を含む3D造形用生体物性情報を作成する。なお、位置情報ごとに付与された生体物性情報とは、位置情報の示す位置にあったボクセルに関連付けられていた生体物性情報である。すなわち、本説明でいう造形用3Dデータは、STL形式のデータと3D造形用生体物性情報とを含む。
(I) Generation of 3D Modeling Data Including Data in STL Format A case will be described where 3D modeling data including data in STL (Standard Triangulated Language) format is generated based on medical 3D data.
In this case, as shown in Fig. 5, surface model conversion is performed on the regional medical 3D data obtained by dividing the medical 3D data into voxel regions, and data in the STL format corresponding to the regional medical 3D data is created. Since the STL format data is surface data, the biological property information assigned to each voxel of the regional medical 3D data is lost by performing surface model conversion. Therefore, apart from the surface model conversion, biological property information for 3D printing is created from the regional medical 3D data, including position information indicating the position of the voxel and biological property information assigned to each position information. The biological property information assigned to each position information is biological property information associated with the voxel located at the position indicated by the position information. That is, the 3D data for printing in this description includes data in the STL format and biological property information for 3D printing.
(II)FAV形式のデータを含む造形用3Dデータの生成
医用3Dデータに基づいてFAV(FAbricatable Voxel)形式のデータを含む造形用3Dデータを生成する場合について説明する。
この場合、図6に示すように、医用3Dデータをボクセル領域分割して取得された領域別医用3Dデータに対し、FAVフォーマット変換を行うことで領域別医用3Dデータに対応するFAV形式のデータを作成する。なお、FAV形式のデータは、STL形式のデータのようにサーフェイスデータではなく、ボクセルデータとして定義されている。これにより、画像濃度情報や生体物性情報等が付与されたボクセルデータである医用3Dデータを、画像濃度情報や生体物性情報等が付与されたままFAV形式のデータに変換することができる。すなわち、STL形式のデータに変換したときのように、別途、生体物性情報等の必要情報に関するデータ処理を行う工程を省ける点で好ましい。
(II) Generation of 3D Modeling Data Including Data in FAV Format A case will be described where 3D modeling data including data in the FAV (Fabricatable Voxel) format is generated based on medical 3D data.
In this case, as shown in Fig. 6, the medical 3D data is divided into voxel regions, and the medical 3D data by region is obtained by performing FAV format conversion to generate FAV format data corresponding to the medical 3D data by region. Note that the FAV format data is defined as voxel data, not as surface data as in the STL format data. This allows the medical 3D data, which is voxel data to which image density information, biological property information, etc. are added, to be converted to FAV format data with the image density information, biological property information, etc. added. In other words, this is preferable in that it can omit a separate data processing process for necessary information such as biological property information, as in the case of conversion to STL format data.
(3)造形工程
造形方法は、生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて臓器モデルを造形する造形工程を有する。また、上記の通り、本開示において「生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて臓器モデルを造形する」とは、医用3Dデータを3Dプリンタに入力して臓器モデルを造形するような直接的に医用3Dデータを用いる場合に限定されず、医用3Dデータに基づいて生成された造形用3Dデータなどを3Dプリンタに入力して臓器モデルを造形するような間接的に医用3Dデータを用いる場合も表す。以下、医用3Dデータに基づいて生成された造形用3Dデータを3Dプリンタに入力して臓器モデルを造形する場合を一例に造形工程について説明する。
(3) Modeling process The modeling method includes a modeling process of modeling an organ model using a 3D printer based on the medical 3D data of a living body. As described above, in the present disclosure, "modeling an organ model using a 3D printer based on the medical 3D data of a living body" is not limited to a case where the medical 3D data is directly used, such as inputting the medical 3D data to a 3D printer to model an organ model, but also represents a case where the medical 3D data is indirectly used, such as inputting modeling 3D data generated based on the medical 3D data to a 3D printer to model an organ model. Hereinafter, the modeling process will be described using as an example a case where modeling 3D data generated based on the medical 3D data is input to a 3D printer to model an organ model.
まず、上記のSTL形式のデータを含む造形用3Dデータが3Dプリンタに入力される場合について説明する。この場合、造形用3Dデータは、STL形式のデータと3D造形用生体物性情報とを含む。これらデータは同時に入力されてもよいし、別々に入力されてもよい。
3Dプリンタは、入力されたSTL形式のデータを印刷用2D画像データセットに変換する。印刷用2D画像データセットとは、複数の印刷用2D画像データを含むデータセットであり、印刷用2D画像データとは、Z軸方向における3Dプリンタの解像度に合わせてSTL形式のデータをスライスすることで得られる二次元のスライスデータである。次に、3Dプリンタは、入力された3D造形用生体物性情報に基づき、印刷用2D画像データの各領域における強度物性を示す強度物性情報を付与する。この印刷用2D画像データ及び印刷用2D画像データの各領域における強度物性情報に基づき、3Dプリンタで複数種類の造形用組成物をそれぞれ所定の領域に所定の吐出量で吐出し硬化する工程を繰り返すことにより、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する臓器モデルを造形することができる。ここで、本開示において「強度物性」とは、3Dプリンタにより造形される臓器モデルの物性を表し、具体的には、生体物性に対応する物性であるため粘弾性を表す。
First, a case will be described in which 3D modeling data including the above-mentioned STL format data is input to a 3D printer. In this case, the 3D modeling data includes STL format data and biological property information for 3D modeling. These data may be input simultaneously or separately.
The 3D printer converts the input data in the STL format into a 2D image data set for printing. The 2D image data set for printing is a data set including a plurality of 2D image data for printing, and the 2D image data for printing is two-dimensional slice data obtained by slicing the data in the STL format in accordance with the resolution of the 3D printer in the Z-axis direction. Next, the 3D printer imparts strength property information indicating the strength property in each region of the 2D image data for printing based on the input biological property information for 3D printing. Based on the 2D image data for printing and the strength property information in each region of the 2D image data for printing, the 3D printer repeats the process of discharging a plurality of types of modeling compositions in a predetermined amount into each predetermined region and curing them, thereby forming an organ model having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties. Here, in the present disclosure, the "strength property" represents the property of the organ model formed by the 3D printer, and specifically, represents viscoelasticity since it is a property corresponding to the biological property.
次に、上記のFAV形式のデータを含む造形用3Dデータが3Dプリンタに入力される場合について説明する。
3Dプリンタは、入力されたFAV形式のデータを、上記同様のスライスデータである印刷用2D画像データセットに変換する。但し、印刷用2D画像データセットに含まれる各印刷用2D画像データは、FAV形式のデータに含まれる生体物性情報に基づき、各領域における強度物性を示す強度物性情報が付与されている。この印刷用2D画像データ及び印刷用2D画像データの各領域における強度物性情報に基づき、3Dプリンタで複数種類の造形用組成物をそれぞれ所定の領域に所定の吐出量で吐出し硬化する工程を繰り返すことにより、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する臓器モデルを造形することができる。
Next, a case where 3D modeling data including the above-mentioned FAV format data is input to a 3D printer will be described.
The 3D printer converts the input data in the FAV format into a 2D image data set for printing, which is slice data similar to the above. However, each 2D image data set for printing included in the 2D image data set for printing is provided with strength property information indicating the strength property in each region based on the biological property information included in the FAV format data. Based on this 2D image data for printing and the strength property information in each region of the 2D image data for printing, the 3D printer repeats the process of discharging a plurality of types of modeling compositions in a predetermined amount into each predetermined region and curing them, thereby forming an organ model having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties.
造形工程において使用される3Dプリンタとしては、例えば、複数種類の造形用組成物をそれぞれ所定の領域に所定の吐出量で吐出することにより、造形される臓器モデルの強度物性を部位ごとに制御できるプリンタが挙げられる。具体的には、インクジェットヘッドで造形用組成物を吐出するマテリアルジェッティング方式(MJ方式)の3Dプリンタが挙げられる。 The 3D printer used in the modeling process can be, for example, a printer that can control the strength properties of the organ model to be modeled for each part by discharging multiple types of modeling compositions in predetermined amounts onto each predetermined area. Specific examples include material jetting type (MJ type) 3D printers that discharge modeling compositions using an inkjet head.
上記のように、3Dプリンタを用いて強度物性を生体物性と対応させる方法としては、強度物性を階調により表現できる3Dプリンタを用いる方法が挙げられる。そこで、本方法の一例を説明する。
まず、高い強度物性を有する立体造形物を造形可能な高強度造形用組成物と、低い強度物性を有する立体造形物を造形可能な低強度造形用組成物と、を準備する。これら造形用組成物は、少なくともそれぞれ1種類用いるが、それぞれ複数種類用いてもよい。このとき、高強度造形用組成物により造形される臓器モデルの強度物性は生体中における生体物性の最大値以上であることが好ましく、低強度造形用組成物により造形される臓器モデルの強度物性は生体中における生体物性の最小値以下であることが好ましい。
次に、臓器モデルの強度物性を、あるグリッド領域を埋めるために配置する造形用組成物のパターンにより制御する。例えば、図7に示すように、7階調の強度物性による表現が必要な場合、6区画を最小単位としたグリッドを高強度造形用組成物及び低強度造形用組成物で埋める組み合わせパターンにより、7階調の強度表現が可能になる。単位グリッドの区画数を増やすことで様々な階調表現が可能になる。これはXY平面で配置することにより平面方向、Z方向で配置することにより、縦方向の強度分布を設定することができ、これにより生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する臓器モデルを造形することができる。すなわち、本開示において「生体物性の分布に対応する強度物性の分布」とは、分布内における強度物性が対応する位置における生体物性と同一である場合に限定されず、階調表現により実現される強度物性が対応する位置における生体物性と近似する場合も含まれる。近似する場合としては、例えば、強度物性(後述するモデル物性と同義)の生体物性に対する差異が5%以内である場合などが挙げられる。また、本開示において「階調」とは、上記の通り、複数種類の造形用組成物がそれぞれ配置されることで形成される配置パターンであって、配置パターンごとに硬化物における強度物性が異なるものを表す。
なお、本方法は、ボクセルとして表現可能なため、FAVなどのボクセルフォーマットと対応させると効率がよい。また、単位区画を埋める造形用組成物の液滴数は任意の構成でよい。
また、3Dプリンタで表現できる階調における強度物性を、事前にMRE測定などで把握しておくことで、より正確に、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する臓器モデルを造形することができる。
As described above, as a method for using a 3D printer to make the strength properties correspond to the biological properties, a method using a 3D printer capable of expressing the strength properties by gradation can be given. Hereinafter, an example of this method will be described.
First, a high-strength molding composition capable of molding a three-dimensional object having high strength physical properties and a low-strength molding composition capable of molding a three-dimensional object having low strength physical properties are prepared. At least one type of each of these molding compositions is used, but multiple types of each may be used. In this case, it is preferable that the strength property of the organ model molded with the high-strength molding composition is equal to or greater than the maximum value of the biological property in a living body, and it is preferable that the strength property of the organ model molded with the low-strength molding composition is equal to or less than the minimum value of the biological property in a living body.
Next, the strength properties of the organ model are controlled by a pattern of the modeling composition arranged to fill a certain grid area. For example, as shown in FIG. 7, when an expression with seven gradations of strength properties is required, a combination pattern in which a grid with a minimum unit of six sections is filled with a high-strength modeling composition and a low-strength modeling composition enables the expression of seven gradations of strength. By increasing the number of sections of the unit grid, various gradation expressions are possible. By arranging in the XY plane, the planar intensity distribution can be set, and by arranging in the Z direction, the vertical intensity distribution can be set, thereby forming an organ model having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties. That is, in the present disclosure, the "distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties" is not limited to the case where the strength properties in the distribution are the same as the biological properties at the corresponding position, but also includes the case where the strength properties realized by the gradation expression are approximate to the biological properties at the corresponding position. An example of the case where the strength properties (synonymous with the model properties described later) are within 5% of the biological properties. In addition, in the present disclosure, "gradation" refers to an arrangement pattern formed by respectively arranging multiple types of molding compositions, as described above, in which the strength properties of the cured product differ for each arrangement pattern.
In addition, since this method can be expressed as voxels, it is efficient to make it compatible with a voxel format such as FAV. Also, the number of droplets of the modeling composition filling the unit section may be any number.
Furthermore, by understanding the intensity properties in the gradations that can be expressed by a 3D printer in advance using MRE measurements, it is possible to more accurately create organ models having a distribution of intensity properties that corresponds to the distribution of biological properties.
(4)評価工程
造形方法は、造形された臓器モデルの精度を評価する評価工程を有してもよい。評価工程は、取得工程において生体をMRE測定することにより取得される生体物性を示す生体物性情報と、造形工程において造形された臓器モデルをMRE測定することにより取得されるモデル物性を示すモデル物性情報と、に基づき、造形された臓器モデルの精度を評価する工程である。なお、本工程は、人が実行してもよいし、パソコン等の情報処理装置が実行してもよい。
(4) Evaluation step The modeling method may include an evaluation step of evaluating the accuracy of the modeled organ model. The evaluation step is a step of evaluating the accuracy of the modeled organ model based on biological property information indicating biological properties acquired by MRE measurement of a living body in the acquisition step and model property information indicating model properties acquired by MRE measurement of the organ model modeled in the modeling step. This step may be executed by a person or an information processing device such as a personal computer.
まず、生体物性情報およびモデル物性情報に基づき造形された臓器モデルの精度を評価する方法について説明する。
臓器モデルの精度を評価する方法としては、例えば、生体物性の分布およびモデル物性の分布がほぼ同一の分布を示しているかを判断することで精度を評価する方法、生体および臓器モデルの対応する部位においてほぼ同一の生体物性およびモデル物性を有しているかを判断することで精度を評価する方法などが挙げられる。
First, a method for evaluating the accuracy of an organ model created based on biological physical property information and model physical property information will be described.
Methods for evaluating the accuracy of an organ model include, for example, a method for evaluating the accuracy by determining whether the distribution of biological properties and the distribution of model properties show approximately identical distributions, and a method for evaluating the accuracy by determining whether corresponding parts of a living organism and an organ model have approximately identical biological properties and model properties.
生体および臓器モデルの対応する部位とは、例えば、生体および臓器モデルに対して同じ基準で座標を割り当てた場合においてほぼ同一の座標となる生体中の部位および臓器モデル中の部位、生体中の特定構造を有する部位(腫瘍部等)および生体中の当該特定構造を有する部位を模した臓器モデル中の部位(腫瘍部を模した部位等)などが挙げられるが、後者であることが好ましい。後者である場合、例えば、生体中の特定構造を有する部位および生体中の当該特定構造を有する部位を模した臓器モデル中の部位のそれぞれにおいて10ヶ所の位置を選択し、それぞれの部位における生体物性の平均およびモデル物性の平均を算出し、これらの平均に基づいて臓器モデルの精度を評価する。
生体および臓器モデルの対応する部位においてほぼ同一の生体物性およびモデル物性を有しているかを判断する基準の一例としては、当該対応する部位においてモデル物性の生体物性に対する差異が5%以内であることが挙げられる。なお、差異に関しては、5%以内に限られず、求められる精度の程度により適宜選択でき、例えば、50%以内、40%以内、30%以内、20%以内、10%以内などであってもよいが、高精度であることを評価できる観点から差異が小さいことが好ましい。なお、差異が5%以内である臓器モデルは、MRI装置による撮影工程とMRI装置による測定工程とを、ほぼ同時に行うことで実現できる。上記の通り、医用画像データの取得時と生体物性の取得時がほぼ同時となり正確な生体の情報を得ることができるためである。なお、ほぼ同時とは、撮影工程の時間および測定工程の時間の少なくとも一部が重複している場合、一度のMRI装置の使用で撮影工程および測定工程の両方を実行できる場合などを表す。
Examples of the corresponding parts of the living body and the organ model include parts in the living body and parts in the organ model that have almost the same coordinates when the coordinates are assigned to the living body and the organ model according to the same standard, parts having a specific structure in the living body (such as a tumor part) and parts in the organ model that imitate the part having the specific structure in the living body (such as a tumor part), and the latter is preferable. In the latter case, for example, 10 positions are selected for each of the parts having a specific structure in the living body and the parts in the organ model that imitate the part having the specific structure in the living body, the average of the living body properties and the average of the model properties at each part are calculated, and the accuracy of the organ model is evaluated based on these averages.
An example of a criterion for determining whether the corresponding parts of a living body and an organ model have substantially the same biological properties and model properties is that the difference between the model properties and the biological properties at the corresponding parts is within 5%. The difference is not limited to within 5% and can be appropriately selected depending on the degree of accuracy required, and may be within 50%, within 40%, within 30%, within 20%, within 10%, etc., but it is preferable that the difference is small from the viewpoint of evaluating high accuracy. An organ model with a difference of within 5% can be realized by performing the imaging process by the MRI device and the measurement process by the MRI device almost simultaneously. As described above, this is because the time of acquiring medical image data and the time of acquiring biological properties are almost simultaneous, and accurate information on the living body can be obtained. Note that, "almost simultaneously" refers to a case where at least a part of the time of the imaging process and the time of the measurement process overlap, or a case where both the imaging process and the measurement process can be performed by using the MRI device once.
なお、上記のように、生体および臓器モデルの対応する部位における生体物性情報およびモデル物性情報を比較するためには、生体物性が測定された生体中の位置を示す情報およびモデル物性が測定された臓器モデル中の位置を示す情報もあることが好ましい。そのため、臓器モデルの精度を評価する場合、ボクセル、画像濃度情報、及び生体物性情報が関連付けられた情報である医用3Dデータと、ボクセル、画像濃度情報、及びモデル物性情報が関連付けられた情報であるモデル3Dデータと、を用い、これらデータにそれぞれ含まれる生体物性情報およびモデル物性情報を比較することが好ましい。ボクセルが上記の位置を示す情報に相当するためである。なお、モデル3Dデータは、医用3Dデータと同様にして取得されるデータであって、少なくとも、臓器モデルを医用画像撮影装置により撮影することにより取得されるモデル画像データと、臓器モデルをMRE測定することにより取得されるモデル物性と、に基づき作成されるデータを表す。 As described above, in order to compare the biophysical information and the model physical information at corresponding sites of the living body and the organ model, it is preferable to also have information indicating the position in the living body where the biophysical properties were measured and information indicating the position in the organ model where the model physical properties were measured. Therefore, when evaluating the accuracy of the organ model, it is preferable to use medical 3D data, which is information in which voxels, image density information, and biophysical information are associated, and model 3D data, which is information in which voxels, image density information, and model physical property information are associated, and compare the biophysical information and the model physical property information contained in these data. This is because voxels correspond to the information indicating the above-mentioned position. Note that the model 3D data is data obtained in the same manner as the medical 3D data, and represents data created based on at least model image data obtained by photographing the organ model with a medical imaging device and model physical properties obtained by MRE measurement of the organ model.
なお、本評価工程は、臓器モデルをMRE測定することにより取得されるモデル物性を用いる。これは、臓器モデルを構成する材料の主成分の一つとして、水素原子核を信号源とするMRE測定に適している水が含まれていることが好ましいことを表す。すなわち、臓器モデルを構成する材料として、上記のハイドロゲルが含有されていることが好ましい。 This evaluation process uses model properties obtained by subjecting the organ model to MRE measurement. This means that it is preferable that the material constituting the organ model contains water, which is suitable for MRE measurement using hydrogen nuclei as a signal source, as one of the main components. In other words, it is preferable that the material constituting the organ model contains the above-mentioned hydrogel.
3.3Dプリンタを用いて臓器モデルを造形する方法
3Dプリンタ(以下、「造形装置」とも称する)で臓器モデルを造形する方法の一例として、マテリアルジェッティング方式の3Dプリンタで上記のハイドロゲル立体造形用組成物を用いて臓器モデルを造形する方法について説明する。
3. Method for modeling an organ model using a 3D printer As an example of a method for modeling an organ model using a 3D printer (hereinafter also referred to as a "modeling device"), a method for modeling an organ model using the above-mentioned hydrogel three-dimensional modeling composition with a material jetting type 3D printer will be described.
マテリアルジェッティング方式による臓器モデルの造形方法は、ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴を付与して液膜を形成する液膜形成工程と、ハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化工程と、を有し、液膜形成工程及び硬化工程を順次繰り返すことを特徴とする。なお、臓器モデルの造形方法は、必要に応じて、臓器モデルを支持する支持体を造形する支持体造形工程、その他工程を有してもよい。
マテリアルジェッティング方式による臓器モデルの造形装置は、ハイドロゲル立体造形用組成物を収容している収容手段と、収容されていたハイドロゲル立体造形用組成物の液滴を付与して液膜を形成する液膜形成手段と、ハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化手段と、を有し、液膜形成手段による液膜形成及び硬化手段による硬化を順次繰り返すことを特徴とする。
The method for modeling an organ model by the material jetting method includes a liquid film forming step of applying droplets of a hydrogel composition for three-dimensional modeling to form a liquid film, and a curing step of curing the liquid film of the hydrogel composition for three-dimensional modeling, and is characterized in that the liquid film forming step and the curing step are repeated in sequence. Note that the method for modeling an organ model may include a support modeling step of modeling a support that supports the organ model, and other steps, as necessary.
The organ modeling device using the material jetting method has a storage means for storing a hydrogel composition for 3D modeling, a liquid film forming means for applying droplets of the stored hydrogel composition for 3D modeling to form a liquid film, and a hardening means for hardening the liquid film of the hydrogel composition for 3D modeling, and is characterized in that the liquid film formation by the liquid film forming means and the hardening by the hardening means are sequentially repeated.
まず、図9及び図10を用いてマテリアルジェッティング方式について説明する。図9は、臓器モデルの造形装置の一例を示す模式図である。図10は、臓器モデルを支持体から剥離した一例を示す模式図である。図9に示すマテリアルジェッティング方式の臓器モデルの造形装置10は、インクジェットヘッドを配列したヘッドユニットを用い、ハイドロゲル立体造形用組成物噴射ヘッドユニット11からハイドロゲル立体造形用組成物収容容器に収容されていたハイドロゲル立体造形用組成物を、支持体造形用組成物噴射ヘッドユニット12から支持体造形用組成物収容容器に収容されていた支持体造形用組成物を、造形体支持基板14に向けて噴射し、隣接した紫外線照射機13でハイドロゲル立体造形用組成物及び支持体造形用組成物を硬化しながら積層する。ここで、支持体造形用組成物とは、光などの活性エネルギー線又は熱を照射されることで硬化し、臓器モデルを支持する支持体を造形する液体組成物を表し、例えば、アクリル系材料などが挙げられる。なお、造形装置10は、噴射されたハイドロゲル立体造形用組成物を平坦化する平滑化部材16を有してもよい。 First, the material jetting method will be described with reference to Figures 9 and 10. Figure 9 is a schematic diagram showing an example of an organ model forming apparatus. Figure 10 is a schematic diagram showing an example of an organ model peeled off from a support. The organ model forming apparatus 10 of the material jetting method shown in Figure 9 uses a head unit in which inkjet heads are arranged, and sprays the hydrogel three-dimensional modeling composition contained in a hydrogel three-dimensional modeling composition storage container from the hydrogel three-dimensional modeling composition jetting head unit 11 and the support modeling composition contained in a support modeling composition storage container from the support modeling composition jetting head unit 12 toward the modeling body support substrate 14, and stacks the hydrogel three-dimensional modeling composition and the support modeling composition while hardening them with the adjacent ultraviolet irradiator 13. Here, the support modeling composition represents a liquid composition that is hardened by irradiation with active energy rays such as light or heat to form a support that supports the organ model, and examples of such compositions include acrylic materials. The modeling device 10 may also have a smoothing member 16 that smoothes the sprayed hydrogel three-dimensional modeling composition.
造形装置10は、ハイドロゲル立体造形用組成物噴射ヘッドユニット11、支持体造形用組成物噴射ヘッドユニット12、及び紫外線照射機13と、臓器モデル(ハイドロゲル)17及び支持体(サポート材)18とのギャップを一定に保つため、積層回数に合わせて、ステージ15を下げながら積層する。 The modeling device 10 stacks layers while lowering the stage 15 according to the number of layers to maintain a constant gap between the hydrogel 3D modeling composition jetting head unit 11, the support modeling composition jetting head unit 12, and the ultraviolet irradiator 13 and the organ model (hydrogel) 17 and support (support material) 18.
造形装置10における紫外線照射機13は、矢印A、Bいずれの方向に移動する際も使用され、紫外線照射に伴って発生する熱により、積層表面が平滑化され、結果として臓器モデル17の寸法安定性が向上する。 The ultraviolet irradiator 13 in the modeling device 10 is used when moving in either direction of arrow A or B, and the heat generated by ultraviolet irradiation smoothes the layered surface, resulting in improved dimensional stability of the organ model 17.
造形装置10における造形が終了後、図10に示すように臓器モデル17と支持体18を水平方向に引っ張ることにより、支持体18は一体として剥離され、臓器モデル17を容易に取り出すことができる。 After modeling is completed in the modeling device 10, the organ model 17 and the support 18 can be pulled horizontally as shown in Figure 10, and the support 18 can be peeled off as a single unit, allowing the organ model 17 to be easily removed.
(1)液膜形成工程
液膜形成工程においてハイドロゲル立体造形用組成物を付与する方法としては、液滴が適切な精度で目的の位置に付与できる方式であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の液滴吐出方式を用いることができる。液滴吐出方式の具体例としては、例えば、ディスペンサー方式、スプレー方式、インクジェット方式などが挙げられるが、インクジェット方式であることが好ましい。
(1) Liquid film forming process In the liquid film forming process, the method of applying the hydrogel three-dimensional modeling composition is not particularly limited as long as it is a method that can apply droplets to the target position with appropriate accuracy, and can be appropriately selected depending on the purpose, and a known droplet ejection method can be used. Specific examples of the droplet ejection method include a dispenser method, a spray method, and an inkjet method, and the inkjet method is preferable.
ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴の体積は、例えば、2pL以上60pL以下が好ましく、15pL以上30pL以下がより好ましい。液滴の体積が2pL以上であると吐出安定性を向上でき、60pL以下であると、造形用の吐出ノズル等にハイドロゲル立体造形用組成物を充填する際に、充填が容易になる。 The volume of the droplets of the hydrogel 3D modeling composition is, for example, preferably 2 pL or more and 60 pL or less, and more preferably 15 pL or more and 30 pL or less. If the volume of the droplets is 2 pL or more, the ejection stability can be improved, and if it is 60 pL or less, it becomes easier to fill the hydrogel 3D modeling composition into an ejection nozzle for modeling, etc.
(2)硬化工程
硬化工程においてハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化手段は、例えば、紫外線(UV)照射ランプ、電子線などが挙げられる。紫外線(UV)照射ランプの種類としては、例えば、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドなどが挙げられる。
ハイドロゲル立体造形用組成物に対する硬化手段としては、UV-LED(Ultra Violet-Light Emitting Diode:紫外線発光ダイオード)が好適に使用される。LEDの発光波長としては特に制限するものではなく、一般的には365nm、375nm、385nm、395nm、405nm等があるが、造形物への色の影響を考慮すると、開始剤の吸収が大きくなるように、短波長発光の方が有利である。また、UV-LEDは、一般的に用いられる紫外線照射ランプ(高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ)、電子線などにくらべ、硬化時に生じる熱エネルギーが小さく、ハイドロゲルの熱損傷が小さくなる。特に、ハイドロゲル立体造形用組成物により造形されるハイドロゲルは、水を含有する状態で使用されるため、この効果は顕著なものである。
(2) Curing Step In the curing step, the liquid film of the hydrogel three-dimensional modeling composition can be cured by, for example, an ultraviolet (UV) irradiation lamp, an electron beam, etc. Examples of the type of ultraviolet (UV) irradiation lamp include a high-pressure mercury lamp, an ultra-high-pressure mercury lamp, a metal halide lamp, etc.
As a curing means for the hydrogel three-dimensional modeling composition, a UV-LED (Ultra Violet-Light Emitting Diode) is preferably used. The emission wavelength of the LED is not particularly limited, and generally includes 365 nm, 375 nm, 385 nm, 395 nm, 405 nm, etc., but in consideration of the effect of color on the modeled object, it is more advantageous to emit light with a short wavelength so that the absorption of the initiator is increased. In addition, compared with commonly used ultraviolet irradiation lamps (high pressure mercury lamps, ultra-high pressure mercury lamps, metal halide lamps), electron beams, etc., UV-LEDs generate less heat energy during curing, and the thermal damage to the hydrogel is reduced. In particular, since the hydrogel modeled by the hydrogel three-dimensional modeling composition is used in a state containing water, this effect is remarkable.
臓器モデルの造形方法は、ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴を付与して液膜を形成する液膜形成工程と、ハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化工程と、を有し、液膜形成工程及び硬化工程を順次繰り返す。このとき、繰り返し回数としては、特に制限はなく、造形する臓器モデルの大きさ、形状などに応じて適宜選択することができる。また、硬化後の1層あたりの平均厚みは、10μm以上50μm以下が好ましい。平均厚みが10μm以上50μm以下であることで、精度よく、且つ剥離を少なく造形することが可能である。 The method for forming an organ model includes a liquid film forming step of applying droplets of a hydrogel 3D modeling composition to form a liquid film, and a curing step of curing the liquid film of the hydrogel 3D modeling composition, and the liquid film forming step and the curing step are repeated in sequence. At this time, the number of repetitions is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the size, shape, etc. of the organ model to be formed. In addition, the average thickness per layer after curing is preferably 10 μm or more and 50 μm or less. By having an average thickness of 10 μm or more and 50 μm or less, it is possible to form the model with high precision and with little peeling.
(3)支持体造形工程
支持体造形工程において使用される支持体造形用組成物は、光などの活性エネルギー線又は熱を照射されることで硬化し、臓器モデルを支持する支持体を造形する液体組成物である。支持体造形用組成物の組成は、ハイドロゲル立体造形用組成物とは異なる。具体的には、硬化性材料及び重合開始剤などを含み、水及び鉱物は含まないことが好ましい。硬化性材料としては、活性エネルギー線(紫外線、電子線等)照射、加熱等により重合反応を生じて硬化する化合物であり、例えば、活性エネルギー線硬化性化合物、熱硬化性化合物などが挙げられる。これらの中でも、常温で液体の材料が好ましい。
支持体造形用組成物は、ハイドロゲル立体造形用組成物とは異なる位置に付与される。これは、支持体造形用組成物とハイドロゲル立体造形用組成物とが重ならないことを意味し、支持体造形用組成物とハイドロゲル立体造形用組成物とが隣接していてもよい。
支持体造形用組成物を付与する方法としては、ハイドロゲル立体造形用組成物を付与する方法と同様の方法が挙げられる。
(3) Support Modeling Process The support modeling composition used in the support modeling process is a liquid composition that hardens when irradiated with active energy rays such as light or heat, and models a support that supports an organ model. The composition of the support modeling composition is different from that of the hydrogel three-dimensional modeling composition. Specifically, it preferably contains a hardening material and a polymerization initiator, and does not contain water or minerals. The hardening material is a compound that hardens by polymerization reaction when irradiated with active energy rays (ultraviolet rays, electron beams, etc.), heated, etc., and examples of such materials include active energy ray-curable compounds and thermosetting compounds. Among these, materials that are liquid at room temperature are preferred.
The support forming composition is applied to a position different from that of the hydrogel 3D modeling composition. This means that the support forming composition and the hydrogel 3D modeling composition do not overlap each other, and the support forming composition and the hydrogel 3D modeling composition may be adjacent to each other.
The method for applying the support modeling composition can be the same as the method for applying the hydrogel three-dimensional modeling composition.
(4)その他工程
その他の工程としては、例えば、液膜を平滑化させる工程、剥離工程、造形物の研磨工程、造形物の清浄工程などが挙げられるが、液膜を平滑化させる工程を含むことが好ましい。液膜形成工程にて形成された液膜は、全ての位置で狙いの膜厚(層厚)になっているとは限らないためである。例えば、インクジェット方式で液膜形成する場合、不吐出やドット間段差が生じる場合などがあり、高精度な臓器モデルを形成することが困難になることがある。これら課題に対しては、液膜を形成した後に機械的に平滑化する(均す)、液膜を硬化して得られるハイドロゲル薄膜を機械的に削り取る、平滑度を検知して次の層の積層時に製膜量をドットレベルで調整する、などの方法が考えられる。なお、臓器モデルを構成する材料であるハイドロゲルの硬度は比較的柔らかいため、平滑化の方法としては、液膜を機械的に均す方法が好ましい。機械的に平滑化する方法とは、例えば、ブレード形状の部材で均す、ローラー形状の部材で均すなどの方法が挙げられる。
(4) Other steps Examples of other steps include a step of smoothing the liquid film, a peeling step, a polishing step of the model, and a cleaning step of the model. However, it is preferable to include a step of smoothing the liquid film. This is because the liquid film formed in the liquid film forming step does not necessarily have the target film thickness (layer thickness) at all positions. For example, when forming a liquid film using an inkjet method, there are cases where non-ejection or steps between dots occur, making it difficult to form a highly accurate organ model. To address these issues, methods such as mechanically smoothing (leveling) the liquid film after it is formed, mechanically scraping off the thin hydrogel film obtained by hardening the liquid film, detecting the smoothness and adjusting the amount of film formation at the dot level when laminating the next layer, etc. are possible. Note that the hardness of the hydrogel, which is the material that constitutes the organ model, is relatively soft, so a method of mechanically leveling the liquid film is preferable as a method of smoothing. Examples of mechanically smoothing methods include a method of leveling with a blade-shaped member or a roller-shaped member.
(5)強度物性が異なる部位を有する臓器モデルの造形方法
次に、臓器モデルの造形方法のより具体的な説明として、強度物性が異なる部位を有する臓器モデルの造形方法の一例について説明する。以下の説明では、組成の異なる2種類のハイドロゲル立体造形用組成物を用いる態様を例として詳細を説明するが、かかる態様に限定されるものではない。当業者であれば、かかる説明からさらなる態様(例えば、3種類以上のハイドロゲル立体造形用組成物を用いる態様など)について容易に理解するものである。
(5) Method for modeling an organ model having parts with different strength properties Next, as a more specific explanation of the method for modeling an organ model, an example of a method for modeling an organ model having parts with different strength properties will be described. In the following explanation, a detailed explanation will be given using an example in which two types of hydrogel 3D modeling compositions with different compositions are used, but the present invention is not limited to this example. Those skilled in the art will easily understand other examples (e.g., an example in which three or more types of hydrogel 3D modeling compositions are used) from this explanation.
強度物性が異なる部位を有する臓器モデルの造形方法は、組成の異なる複数のハイドロゲル立体造形用組成物の液滴をそれぞれ付与することで、組成の異なる複数の領域を有する液膜を形成する液膜形成工程と、液膜を硬化させる硬化工程と、を有し、液膜形成工程及び硬化工程を順次繰り返すことを特徴とする。
なお、上記造形方法は、組成の異なる複数のハイドロゲル立体造形用組成物をそれぞれ収容している収容手段と、収容されていた組成の異なる複数のハイドロゲル立体造形用組成物の液滴をそれぞれ付与することで、組成の異なる複数の領域を有する液膜を形成する液膜形成手段と、液膜を硬化させる硬化手段と、を有し、液膜形成手段による液膜形成及び硬化手段による硬化を順次繰り返すことを特徴とする臓器モデルの造形装置を用いる。
具体的には、まず、第一のハイドロゲル立体造形用組成物と、第一のハイドロゲル立体造形用組成物とは組成の異なる第二のハイドロゲル立体造形用組成物と、を用い、各ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴の、それぞれ、付与する位置及び付与量を制御することにより、組成が異なる複数の領域を連続的に有する液膜を形成する。なお、第一のハイドロゲル立体造形用組成物は上記の高強度造形用組成物の一例であるとし、第二のハイドロゲル立体造形用組成物は上記の低強度造形用組成物の一例であるとする。次に、この液膜を硬化させて上記領域を連続的に有する1層分の硬化膜を形成する。その後、液膜の形成と硬化とを順次繰り返すことで硬化膜を積層し、強度物性が異なる複数の部位を連続的に有する臓器モデルを造形する。なお、臓器モデルにおける強度物性が異なる複数の部位は、1層分の硬化膜の中で強度物性が異なることにより存在していてもよいし、硬化膜間で強度物性が異なることにより存在していてもよい。
The method for forming an organ model having areas with different strength properties includes a liquid film formation process in which a liquid film having multiple regions with different compositions is formed by applying droplets of multiple hydrogel three-dimensional modeling compositions with different compositions, and a hardening process in which the liquid film is hardened, and is characterized in that the liquid film formation process and the hardening process are repeated sequentially.
The above modeling method uses an organ modeling device that includes a container means for containing a plurality of hydrogel compositions for 3D modeling each having a different composition, a liquid film forming means for forming a liquid film having a plurality of regions of different composition by applying droplets of each of the contained hydrogel compositions for 3D modeling each having a different composition, and a hardening means for hardening the liquid film, and is characterized in that liquid film formation by the liquid film forming means and hardening by the hardening means are repeated in sequence.
Specifically, a first hydrogel 3D modeling composition and a second hydrogel 3D modeling composition having a different composition from the first hydrogel 3D modeling composition are used, and the positions and amounts of droplets of each hydrogel 3D modeling composition are controlled to form a liquid film having multiple regions with different compositions. The first hydrogel 3D modeling composition is an example of the high-strength modeling composition, and the second hydrogel 3D modeling composition is an example of the low-strength modeling composition. Next, the liquid film is hardened to form a one-layer cured film having the above-mentioned regions continuously. Then, the liquid film is formed and cured by sequentially repeating the formation and curing of the liquid film to stack the cured films, and an organ model having multiple parts with different strength properties is formed. The multiple parts with different strength properties in the organ model may be present due to the difference in strength properties within one layer of the cured film, or may be present due to the difference in strength properties between the cured films.
4.臓器モデルの用途
(1)汎用用途または個別用途
臓器モデルの用途としては2つに大別できる。1つは個別用途における臓器モデルであり、もう1つは汎用用途における臓器モデルである。
4. Uses of Organ Models (1) General-purpose or Individual Use The uses of organ models can be broadly divided into two categories: organ models for individual use and organ models for general-purpose use.
個別用途における臓器モデルとしては、例えば、医療現場におけるインフォームドコンセント、術前シミュレーション、術式トレーニングなどに用いられる臓器モデルである。この場合の臓器モデルは、対象とする患者個人の患部を含む臓器の形状・物性を有する。また、この場合の臓器モデルは、患者個人のデータを基に造形され、患部が再現されたモデルであることが好ましい。 Organ models for individual applications include, for example, organ models used in the medical field for informed consent, preoperative simulation, and surgical training. In this case, the organ model has the shape and physical properties of the organ, including the affected area, of the individual patient. In addition, it is preferable that the organ model in this case is shaped based on the data of the individual patient, and is a model that reproduces the affected area.
個別用途における臓器モデルの造形方法は、1つの生体の医用3Dデータである個別医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて、個別用途における臓器モデルを造形する造形工程を有する。このような造形工程を有する造形方法を実行する場合、必要に応じて、造形工程より前に実行される工程として、個別医用3Dデータを取得する取得工程と、個別医用3Dデータに基づいて造形用3Dデータである個別造形用3Dデータを生成する生成工程と、を有してもよい。更に、このような造形工程を有する造形方法を実行する場合、必要に応じて、造形工程より後に実行される工程として、造形された臓器モデルの精度を評価する評価工程を有してもよい。
また、上記取得工程は、1つの生体を医用画像撮影装置により撮影することで医用画像データである個別医用画像データを取得する撮影工程と、1つの生体をMRE測定することにより生体物性である個別生体物性を取得する測定工程と、個別医用画像データ及び個別生体物性に基づき個別医用3Dデータを作成する作成工程と、を有する。
また、上記評価工程は、上記取得工程において取得される個別生体物性を示す個別生体物性情報と、造形工程において造形された臓器モデルをMRE測定することにより取得されるモデル物性を示すモデル物性情報と、に基づき、造形された臓器モデルの精度を評価する工程である。
The method for forming an organ model for an individual application includes a forming step of forming an organ model for an individual application using a 3D printer based on individual medical 3D data, which is medical 3D data of one living organism. When performing such a forming method including a forming step, as necessary, a step performed before the forming step may include an acquisition step of acquiring individual medical 3D data, and a generation step of generating individual forming 3D data, which is forming 3D data, based on the individual medical 3D data. Furthermore, when performing such a forming method including a forming step, as necessary, a step performed after the forming step may include an evaluation step of evaluating the accuracy of the formed organ model.
In addition, the acquisition process includes an imaging process of acquiring individual medical image data, which is medical image data, by photographing a single living organism using a medical imaging device, a measurement process of acquiring individual biological properties, which are biological properties, by performing MRE measurement on a single living organism, and a creation process of creating individual medical 3D data based on the individual medical image data and the individual biological properties.
In addition, the evaluation process is a process of evaluating the accuracy of the formed organ model based on individual biological property information indicating the individual biological properties acquired in the acquisition process and model property information indicating the model properties acquired by performing MRE measurement on the organ model formed in the modeling process.
汎用用途における臓器モデルとしては、例えば、医療機器開発における性能確認、校正、トレーニング、教育現場における構造確認などに用いられる臓器モデルである。この場合の臓器モデルは、対象とする臓器の平均的な形状・物性を有する。また、この場合の臓器モデルは、主に健常者のデータを基に造形され、単独もしくは複数人のデータが平均化されたモデルであることが好ましい。 Organ models for general-purpose use are, for example, organ models used for performance confirmation in medical device development, calibration, training, structural confirmation in educational settings, etc. In this case, the organ model has the average shape and physical properties of the target organ. In addition, it is preferable that the organ model in this case is modeled mainly based on data from healthy individuals, and is a model in which the data from one or multiple individuals is averaged.
汎用用途における臓器モデルの造形方法は、複数の生体のそれぞれにおける医用3Dデータである個別医用3Dデータを平均化して得られる平均医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて、汎用用途における臓器モデルを造形する造形工程を有する。このような造形工程を有する造形方法を実行する場合、必要に応じて、造形工程より前に実行される工程として、複数の個別医用3Dデータを取得し、取得した複数の個別医用3Dデータを平均化して平均医用3Dデータを得る取得工程と、平均医用3Dデータに基づき造形用3Dデータである平均造形用3Dデータを生成する生成工程と、を有してもよい。更に、このような造形工程を有する造形方法を実行する場合、必要に応じて、造形工程より後に実行される工程として、造形された臓器モデルの精度を評価する評価工程を有してもよい。
また、上記取得工程は、複数の生体をそれぞれ医用画像撮影装置により撮影することで医用画像データである個別医用画像データを複数取得する撮影工程と、複数の生体をそれぞれMRE測定することにより生体物性である個別生体物性を複数取得する測定工程と、生体ごとの個別医用画像データ及び個別生体物性に基づき複数の個別医用3Dデータを作成する作成工程と、複数の個別医用3Dデータを平均化して平均医用3Dデータを得る平均化工程と、を有する。なお、平均医用3Dデータは、複数の個別医用3Dデータに含まれる個別ボクセルと、個別画像濃度情報と、個別生体物性情報と、をそれぞれ平均化して得られる平均ボクセルと、平均画像濃度情報と、平均生体物性情報と、を含む。また、平均化する方法は適宜公知の方法を用いることができる。
また、上記評価工程は、上記取得工程において取得される平均生体物性を示す平均生体物性情報と、造形工程において造形された臓器モデルをMRE測定することにより取得されるモデル物性を示すモデル物性情報と、に基づき、造形された臓器モデルの精度を評価する工程である。
The method for forming an organ model for general-purpose use includes a forming step of forming an organ model for general-purpose use using a 3D printer based on average medical 3D data obtained by averaging individual medical 3D data, which is medical 3D data for each of a plurality of living organisms. When performing the forming method having such a forming step, as necessary, a step performed before the forming step may include an acquisition step of acquiring a plurality of individual medical 3D data and averaging the acquired plurality of individual medical 3D data to obtain average medical 3D data, and a generation step of generating average printing 3D data, which is printing 3D data, based on the average medical 3D data. Furthermore, when performing the forming method having such a forming step, as necessary, a step performed after the forming step may include an evaluation step of evaluating the accuracy of the formed organ model.
The acquisition step includes an imaging step of acquiring a plurality of individual medical image data by imaging a plurality of living bodies using a medical imaging device, a measurement step of acquiring a plurality of individual biological properties by MRE measurement of a plurality of living bodies, a creation step of creating a plurality of individual medical 3D data based on the individual medical image data and the individual biological properties for each living body, and an averaging step of averaging the plurality of individual medical 3D data to obtain average medical 3D data. The average medical 3D data includes average voxels, average image density information, and average biological property information obtained by averaging the individual voxels, individual image density information, and individual biological property information included in the plurality of individual medical 3D data. The averaging method can be any known method.
In addition, the evaluation process is a process of evaluating the accuracy of the formed organ model based on average biological property information indicating the average biological properties acquired in the acquisition process and model property information indicating the model properties acquired by performing MRE measurement of the organ model formed in the formation process.
(2)トレーニング用途
臓器モデルは、手術のトレーニングに用いられることが好ましい。本発明の臓器モデルは生体の形状および物性を再現しているため、手技トレーニングなどに対しては単体でも有用である。しかし、手術全体のトレーニング(手順の把握、患部までのアプローチ等を目的としたトレーニング)、シミュレーションに際しては、本発明の臓器モデルと、臓器モデルを内蔵する筐体と、を有するトレーニングシステムを用いることが好ましい。筐体としては特に制限はないが、トレーニング用途に応じて、その形態、形状などを適宜選択できる。例えば、内視鏡トレーニング用であれば、外部から臓器モデルが見えない方が好ましいため、内蔵された臓器の視認性が無い又は低下する材料で筐体を作製し、その内部に臓器モデルを配置する。この際、筐体の形状は生体(人体の構造や骨格など)を模した構造体であると効果的であるため好ましい。この様な筐体は、腹腔鏡用トレーニングボックスの様な簡便的なものから、内部にろっ骨などを配置した複雑な形状を有するものまで市販されており、それらを適宜使用してもよい。
(2) Training Use The organ model is preferably used for surgery training. Since the organ model of the present invention reproduces the shape and physical properties of a living body, it is useful for manual training alone. However, for training of the entire surgery (training for understanding the procedure, approaching the affected area, etc.), it is preferable to use a training system having the organ model of the present invention and a housing that incorporates the organ model. There is no particular limitation on the housing, but its form and shape can be appropriately selected depending on the training purpose. For example, for endoscopic training, it is preferable that the organ model is not visible from the outside, so the housing is made of a material that does not have or reduces the visibility of the built-in organ, and the organ model is placed inside it. In this case, it is preferable that the shape of the housing is a structure that mimics a living body (such as the structure and skeleton of the human body), as this is effective. Such housings are commercially available in a variety of shapes, from simple ones such as laparoscopic training boxes to ones with complex shapes with ribs and the like arranged inside, and they may be used appropriately.
(3)ヒトの臓器モデル用途
造形物をヒトの臓器モデルとして用いる場合、造形物を形成するハイドロゲルなどの材料における水の含有量は、臓器モデル全量に対して70質量%以上85質量%以下であることが好ましい。70質量%以上85質量%以下であることで、ヒトの臓器モデルが対象とする実際のヒトの臓器と同等の水分含有量とすることができ、好適に使用することができる。なお、具体的には、ヒトの心臓モデルであれば約80質量%であることが好ましく、ヒトの腎臓モデルであれば約83質量%であることが好ましく、ヒトの脳又は腸のモデルであれば約75質量%であることが好ましい。従って、臓器モデルにおける水の含有量は、臓器モデル全量に対して75質量%以上83質量%以下であることがより好ましい。
(3) Use as a human organ model When the shaped object is used as a human organ model, the water content in the material such as hydrogel forming the shaped object is preferably 70% by mass or more and 85% by mass or less with respect to the total amount of the organ model. By having a water content of 70% by mass or more and 85% by mass or less, the human organ model can have a water content equivalent to that of an actual human organ that is the subject of the human organ model, and can be used preferably. Specifically, the water content is preferably about 80% by mass for a human heart model, about 83% by mass for a human kidney model, and about 75% by mass for a human brain or intestine model. Therefore, the water content in the organ model is more preferably 75% by mass or more and 83% by mass or less with respect to the total amount of the organ model.
以下、本発明の例を説明するが、本発明はこれら例に何ら限定されるものではない。 The following describes examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.
<ハイドロゲル立体造形用組成物1の作製>
まず、イオン交換水に減圧脱気を30分間実施して純水を準備し、この純水580.0質量部を撹拌させながら、水膨潤性粘土鉱物である合成ヘクトライト(ラポナイトRD、BYK社製)67.0質量部を少しずつ添加し、更に撹拌して混合液を作製した。次に、混合液に合成ヘクトライトの分散剤としてエチドロン酸(東京化成工業株式会社製)5.0質量部を添加して分散液を得た。
次に、得られた分散液に、モノマーとして、活性アルミナのカラムを通過させ重合禁止剤を除去したジメチルアクリルアミド(DMAA、東京化成工業株式会社製)262.0質量部を添加した。また、架橋剤としてN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA、東京化成工業株式会社製)2.4質量部、ポリエチレングリコールジアクリレート(A-400、新中村化学工業株式会社製)8.0質量部を添加した。更に、乾燥防止剤としてグリセリン(阪本薬品工業株式会社製)300.0質量部を添加して混合した。
次に、重合促進剤としてN,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン(TEMED、東京化成工業株式会社製)6.7質量部を添加した。また、界面活性剤としてエマルゲンLS-106(花王株式会社製)を5.3質量部添加して混合した。
次に、氷浴で冷却しながら、光重合開始剤(イルガキュア184、BASF社製)のメタノール4質量%溶液を12.3質量部添加し、攪拌混合の後、減圧脱気を20分間実施した。続いて、ろ過を行い、不純物等を除去し、均質なハイドロゲル立体造形用組成物1を得た。
<Preparation of Hydrogel 3D Modeling Composition 1>
First, degassing was performed on ion-exchanged water under reduced pressure for 30 minutes to prepare pure water, and 67.0 parts by mass of synthetic hectorite (Laponite RD, manufactured by BYK Corporation), which is a water-swellable clay mineral, was gradually added to 580.0 parts by mass of this pure water while stirring, and further stirred to prepare a mixed liquid. Next, 5.0 parts by mass of etidronic acid (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to the mixed liquid as a dispersant for synthetic hectorite to obtain a dispersion liquid.
Next, 262.0 parts by mass of dimethylacrylamide (DMAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) from which polymerization inhibitors had been removed by passing through an activated alumina column was added as a monomer to the obtained dispersion. In addition, 2.4 parts by mass of N,N'-methylenebisacrylamide (MBAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 8.0 parts by mass of polyethylene glycol diacrylate (A-400, manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.) were added as crosslinking agents. Furthermore, 300.0 parts by mass of glycerin (manufactured by Sakamoto Yakuhin Kogyo Co., Ltd.) were added as a drying inhibitor and mixed.
Next, 6.7 parts by mass of N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added as a polymerization accelerator, and 5.3 parts by mass of Emulgen LS-106 (manufactured by Kao Corporation) was added as a surfactant and mixed.
Next, while cooling in an ice bath, 12.3 parts by mass of a 4% by mass solution of a photopolymerization initiator (Irgacure 184, manufactured by BASF) in methanol was added, stirred and mixed, and then degassed under reduced pressure for 20 minutes. Then, filtration was performed to remove impurities, and a homogeneous hydrogel 3D modeling composition 1 was obtained.
<ハイドロゲル立体造形用組成物2の作製>
まず、イオン交換水に減圧脱気を30分間実施して純水を準備し、この純水580.0質量部を撹拌させながら、水膨潤性粘土鉱物である合成ヘクトライト(ラポナイトRD、BYK社製)67.0質量部を少しずつ添加し、更に撹拌して混合液を作製した。次に、混合液に合成ヘクトライトの分散剤としてエチドロン酸(東京化成工業株式会社製)5.0質量部を添加して分散液を得た。
次に、得られた分散液に、モノマーとして、活性アルミナのカラムを通過させ重合禁止剤を除去したジメチルアクリルアミド(DMAA、東京化成工業株式会社製)262.0質量部を添加した。また、架橋剤としてN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA、東京化成工業株式会社製)0.6質量部、ポリエチレングリコールジアクリレート(A-400、新中村化学工業株式会社製)2.0質量部を添加した。更に、乾燥防止剤としてグリセリン(阪本薬品工業株式会社製)300.0質量部を添加して混合した。
次に、重合促進剤としてN,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン(TEMED、東京化成工業株式会社製)6.7質量部を添加した。また、界面活性剤としてエマルゲンLS-106(花王株式会社製)を5.3質量部添加して混合した。
次に、氷浴で冷却しながら、光重合開始剤(イルガキュア184、BASF社製)のメタノール4質量%溶液を12.3質量部添加し、攪拌混合の後、減圧脱気を20分間実施した。続いて、ろ過を行い、不純物等を除去し、均質なハイドロゲル立体造形用組成物2を得た。
<Preparation of Hydrogel 3D Modeling Composition 2>
First, degassing of ion-exchanged water under reduced pressure for 30 minutes was performed to prepare pure water, and 67.0 parts by mass of synthetic hectorite (Laponite RD, manufactured by BYK Corporation), which is a water-swellable clay mineral, was gradually added to 580.0 parts by mass of this pure water while stirring, and further stirring was performed to prepare a mixed liquid. Next, 5.0 parts by mass of etidronic acid (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to the mixed liquid as a dispersant for synthetic hectorite to obtain a dispersion liquid.
Next, 262.0 parts by mass of dimethylacrylamide (DMAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) from which polymerization inhibitors had been removed by passing through an activated alumina column was added as a monomer to the obtained dispersion. In addition, 0.6 parts by mass of N,N'-methylenebisacrylamide (MBAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 2.0 parts by mass of polyethylene glycol diacrylate (A-400, manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.) were added as crosslinking agents. Furthermore, 300.0 parts by mass of glycerin (manufactured by Sakamoto Yakuhin Kogyo Co., Ltd.) were added as a drying inhibitor and mixed.
Next, 6.7 parts by mass of N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added as a polymerization accelerator, and 5.3 parts by mass of Emulgen LS-106 (manufactured by Kao Corporation) was added as a surfactant and mixed.
Next, while cooling in an ice bath, 12.3 parts by mass of a 4% by mass solution of a photopolymerization initiator (Irgacure 184, manufactured by BASF) in methanol was added, stirred and mixed, and then degassed under reduced pressure for 20 minutes. Then, filtration was performed to remove impurities, and a homogeneous hydrogel 3D modeling composition 2 was obtained.
[ヤング率の評価]
まず、ハイドロゲル立体造形用組成物1及びハイドロゲル立体造形用組成物2を用いてハイドロゲルのサンプル1~4を作製した。具体的には、31mm×31mm(厚さ10mm)の容器を準備し、下記表1に示す質量比のハイドロゲル立体造形用組成物1及びハイドロゲル立体造形用組成物2の混合物で内部を満たし、紫外線照射機(ウシオ電機株式会社製、SPOT CURE SP5-250DB)を用いて硬化させることでサンプル1~4を作製した。照射条件は、波長:365nm、積算露光量:350mJ/cm2であった。
次に、各サンプルにおける圧縮強度を測定した。圧縮強度は、オートグラフAG-1(島津製作所製)を用い、1MPaのロードセルを用いて測定した。結果を図11に示す。図11におけるグラフの傾きからヤング率を算出し、下記表1に示した。
図11および表1で示すように、ハイドロゲル立体造形用組成物1及びハイドロゲル立体造形用組成物2の質量比によりハイドロゲルの物性(ヤング率)を制御することができる。
[Evaluation of Young's Modulus]
First, hydrogel samples 1 to 4 were prepared using hydrogel 3D modeling composition 1 and hydrogel 3D modeling composition 2. Specifically, a container measuring 31 mm x 31 mm (10 mm thick) was prepared, and the inside was filled with a mixture of hydrogel 3D modeling composition 1 and hydrogel 3D modeling composition 2 in the mass ratio shown in Table 1 below, and cured using an ultraviolet irradiator (USHIO INC., SPOT CURE SP5-250DB) to prepare samples 1 to 4. The irradiation conditions were wavelength: 365 nm, and cumulative exposure: 350 mJ/ cm2 .
Next, the compressive strength of each sample was measured. The compressive strength was measured using an Autograph AG-1 (manufactured by Shimadzu Corporation) with a load cell of 1 MPa. The results are shown in Figure 11. The Young's modulus was calculated from the slope of the graph in Figure 11 and is shown in Table 1 below.
As shown in FIG. 11 and Table 1, the physical property (Young's modulus) of the hydrogel can be controlled by the mass ratio of the hydrogel 3D modeling composition 1 and the hydrogel 3D modeling composition 2.
[粘弾性の評価]
まず、ハイドロゲル立体造形用組成物1及びハイドロゲル立体造形用組成物2を用いてハイドロゲルのサンプル5~8を作製した。具体的には、ダンベル3号形(JIS K 7139)を形取った容器を準備し、下記表2に示す質量比のハイドロゲル立体造形用組成物1及びハイドロゲル立体造形用組成物2の混合物で内部を満たし、紫外線照射機(ウシオ電機株式会社製、SPOT CURE SP5-250DB)を用いて硬化させることでサンプル5~8を作製した。照射条件は、波長:365nm、積算露光量:350mJ/cm2であった。
次に、各サンプルに対して引張試験を実施した。引張試験は、オートグラフAG-1(島津製作所製)を用い、フォースゲージにて応力を測定した。結果を図12に示す。
図12に示すように、ハイドロゲル立体造形用組成物1及びハイドロゲル立体造形用組成物2の質量比によりハイドロゲルの物性(粘弾性)を制御することができる。
[Evaluation of Viscoelasticity]
First, hydrogel samples 5 to 8 were prepared using hydrogel 3D modeling composition 1 and hydrogel 3D modeling composition 2. Specifically, a container shaped like a dumbbell No. 3 (JIS K 7139) was prepared, and the inside was filled with a mixture of hydrogel 3D modeling composition 1 and hydrogel 3D modeling composition 2 in the mass ratio shown in Table 2 below, and cured using an ultraviolet irradiator (USHIO INC., SPOT CURE SP5-250DB) to prepare samples 5 to 8. The irradiation conditions were wavelength: 365 nm, and cumulative exposure: 350 mJ/ cm2 .
Next, a tensile test was carried out on each sample. The tensile test was carried out using an Autograph AG-1 (manufactured by Shimadzu Corporation) and the stress was measured with a force gauge. The results are shown in FIG.
As shown in FIG. 12, the physical properties (viscoelasticity) of the hydrogel can be controlled by the mass ratio of the hydrogel 3D modeling composition 1 and the hydrogel 3D modeling composition 2.
<医用3Dデータ1の取得>
MRE測定が可能なMRI装置を用い、脂肪肝を患う患者の肝臓部分を含む医用3Dデータ1を取得した。医用3Dデータ1は、患者をMRI装置で撮影することにより取得される医用画像データと、患者をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づいて作成されていた。具体的には、医用3Dデータ1は、医用画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与された医用画像データにおける画像濃度(MRI信号値)を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与された生体物性(粘弾性)を示す生体物性情報と、を含んでいた。
なお、MRE測定により取得された肝臓部分における生体物性(粘弾性)は、いずれの部位においても、ハイドロゲル立体造形用組成物1の硬化物における粘弾性とハイドロゲル立体造形用組成物2の硬化物における粘弾性の範囲内であった。
<Acquisition of medical 3D data 1>
Using an MRI device capable of MRE measurement, medical 3D data 1 including the liver portion of a patient suffering from fatty liver was obtained. The medical 3D data 1 was created based on medical image data obtained by photographing the patient with the MRI device and biological properties obtained by MRE measurement of the patient. Specifically, the medical 3D data 1 included a plurality of voxels created based on the medical image data, image density information indicating the image density (MRI signal value) in the medical image data assigned to each voxel, and biological property information indicating the biological property (viscoelasticity) assigned to each voxel.
In addition, the biological properties (viscoelasticity) of the liver parts obtained by MRE measurement were within the range between the viscoelasticity of the cured product of Hydrogel 3D modeling composition 1 and the viscoelasticity of the cured product of Hydrogel 3D modeling composition 2 in all parts.
<造形用3Dデータ1の生成>
医用3Dデータ1をボクセル領域分割し、肝臓部分を示す領域別医用3Dデータ1を取得した。次に、領域別医用3Dデータ1に対し、FAVフォーマット変換を行うことでFAV形式である造形用3Dデータ1を生成した。
<Generation of 3D modeling data 1>
The medical 3D data 1 was divided into voxel regions to obtain regional medical 3D data 1 showing the liver. Next, the regional medical 3D data 1 was converted into an FAV format to generate 3D data for printing 1 in the FAV format.
<肝臓モデル1の造形例>
ハイドロゲル立体造形用組成物1及びハイドロゲル立体造形用組成物2を、それぞれ、図9に示すようなマテリアルジェッティング方式であって、且つ強度物性の階調を表現できる3Dプリンタに収容し、3Dプリンタのインクジェットヘッドに充填した。次に、3Dプリンタに造形用3Dデータ1を入力し、造形用3Dデータ1を基に、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する肝臓モデル1の造形を行った。具体的には、インクジェットヘッドから各造形用組成物を噴射させ、液膜形成と硬化を順次繰り返すことで造形した。
<Example of liver model 1>
The hydrogel three-dimensional modeling composition 1 and the hydrogel three-dimensional modeling composition 2 were each placed in a 3D printer that uses a material jetting method and can express gradations of strength properties as shown in Fig. 9, and were filled into the inkjet head of the 3D printer. Next, the 3D modeling data 1 was input into the 3D printer, and a liver model 1 having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties was modeled based on the 3D modeling data 1. Specifically, each modeling composition was sprayed from the inkjet head, and the formation of a liquid film and hardening were sequentially repeated to model the model.
<モデル3Dデータ1の取得>
MRE測定が可能なMRI装置を用い、肝臓モデル1のモデル3Dデータ1を取得した。モデル3Dデータ1は、肝臓モデル1をMRI装置で撮影することにより取得されるモデル画像データと、肝臓モデル1をMRE測定することにより取得されるモデル物性と、に基づいて作成されていた。具体的には、モデル3Dデータ1は、モデル画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与されたモデル画像データにおける画像濃度(MRI信号値)を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与されたモデル物性(粘弾性)を示すモデル物性情報と、を含んでいた。
<Acquisition of model 3D data 1>
An MRI device capable of MRE measurement was used to obtain model 3D data 1 of a liver model 1. The model 3D data 1 was created based on model image data obtained by photographing the liver model 1 with the MRI device and model properties obtained by MRE measurement of the liver model 1. Specifically, the model 3D data 1 included a plurality of voxels created based on the model image data, image density information indicating image density (MRI signal value) in the model image data assigned to each voxel, and model property information indicating model properties (viscoelasticity) assigned to each voxel.
[肝臓モデル1の精度評価]
取得した医用3Dデータ1の肝臓部分に含まれる生体物性情報と、肝臓モデル1のモデル3Dデータ1に含まれるモデル物性情報と、に基づき、肝臓モデル1の肝臓部分に対する精度を評価した。具体的には、肝臓部分と肝臓モデル1の対応する部分(各部分10ヶ所における平均)におけるモデル物性の生体物性に対する差異を算出したところ3%であった。
[Accuracy evaluation of liver model 1]
Based on the biophysical property information included in the liver portion of the acquired medical 3D data 1 and the model physical property information included in the model 3D data 1 of the liver model 1, the accuracy of the liver portion of the liver model 1 was evaluated. Specifically, the difference in the model physical properties of the liver portion and the corresponding portion of the liver model 1 (average of 10 points in each portion) with respect to the biophysical properties was calculated to be 3%.
<医用3Dデータ2’の取得>
MRE測定が可能なMRI装置を用い、健常者3名それぞれの肝臓部分を含む医用3Dデータ2を取得した。医用3Dデータ2は、健常者をMRI装置で撮影することにより取得される医用画像データと、健常者をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づいて作成されていた。具体的には、医用3Dデータ2は、医用画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与された医用画像データにおける画像濃度(MRI信号値)を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与された生体物性(粘弾性)を示す生体物性情報と、を含んでいた。
次に、健常者3名の医用3Dデータ2を平均化し、平均的な健常者における医用3Dデータ2’を作成した。
なお、平均的な健常者における医用3Dデータ2’における生体物性(粘弾性)は、いずれの部位においても、ハイドロゲル立体造形用組成物1の硬化物における粘弾性とハイドロゲル立体造形用組成物2の硬化物における粘弾性の範囲内であった。
<Acquisition of medical 3D data 2'>
Using an MRI device capable of MRE measurement, medical 3D data 2 including liver parts of three healthy subjects was obtained. The medical 3D data 2 was created based on medical image data obtained by photographing the healthy subjects with the MRI device and biological properties obtained by MRE measurement of the healthy subjects. Specifically, the medical 3D data 2 included a plurality of voxels created based on the medical image data, image density information indicating image density (MRI signal value) in the medical image data assigned to each voxel, and biological property information indicating biological properties (viscoelasticity) assigned to each voxel.
Next, the medical 3D data 2 of the three healthy subjects was averaged to create medical 3D data 2' for an average healthy subject.
Furthermore, the biological properties (viscoelasticity) in the medical 3D data 2' of an average healthy individual were within the range of the viscoelasticity of the cured product of Hydrogel 3D modeling composition 1 and the viscoelasticity of the cured product of Hydrogel 3D modeling composition 2 at all parts of the body.
<造形用3Dデータ2’の生成>
平均的な健常者における医用3Dデータ2’をボクセル領域分割し、肝臓部分を示す領域別医用3Dデータ2’を取得した。次に、領域別医用3Dデータ2’に対し、FAVフォーマット変換を行うことでFAV形式である造形用3Dデータ2’を生成した。
<Generation of 3D Modeling Data 2'>
The medical 3D data 2' of an average healthy subject was divided into voxel regions to obtain regional medical 3D data 2' showing the liver. Next, the regional medical 3D data 2' was converted into an FAV format to generate 3D data for printing 2' in the FAV format.
<肝臓モデル2’の造形例>
ハイドロゲル立体造形用組成物1及びハイドロゲル立体造形用組成物2を、それぞれ、図9に示すようなマテリアルジェッティング方式であって、且つ強度物性の階調を表現できる3Dプリンタに収容し、3Dプリンタのインクジェットヘッドに充填した。次に、3Dプリンタに造形用3Dデータ2’を入力し、造形用3Dデータ2’を基に、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する肝臓モデル2’の造形を行った。具体的には、インクジェットヘッドから各造形用組成物を噴射させ、液膜形成と硬化を順次繰り返すことで造形した。
<Example of liver model 2'>
The hydrogel three-dimensional modeling composition 1 and the hydrogel three-dimensional modeling composition 2 were respectively accommodated in a 3D printer that uses a material jetting method and can express gradations of strength properties as shown in Fig. 9, and were filled into the inkjet head of the 3D printer. Next, 3D modeling data 2' was input to the 3D printer, and a liver model 2' having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties was modeled based on the 3D modeling data 2'. Specifically, each modeling composition was sprayed from the inkjet head, and the liquid film formation and hardening were sequentially repeated to model the model.
<モデル3Dデータ2’の取得>
MRE測定が可能なMRI装置を用い、肝臓モデル2’のモデル3Dデータ2’を取得した。モデル3Dデータ2’は、肝臓モデル2’をMRI装置で撮影することにより取得されるモデル画像データと、肝臓モデル2’をMRE測定することにより取得されるモデル物性と、に基づいて作成されていた。具体的には、モデル3Dデータ2’は、モデル画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与されたモデル画像データにおける画像濃度(MRI信号値)を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与されたモデル物性(粘弾性)を示すモデル物性情報と、を含んでいた。
<Acquisition of model 3D data 2'>
Using an MRI device capable of MRE measurement, model 3D data 2' of a liver model 2' was obtained. The model 3D data 2' was created based on model image data acquired by photographing the liver model 2' with an MRI device and model properties acquired by MRE measurement of the liver model 2'. Specifically, the model 3D data 2' included a plurality of voxels created based on the model image data, image density information indicating image density (MRI signal value) in the model image data assigned to each voxel, and model property information indicating model properties (viscoelasticity) assigned to each voxel.
[肝臓モデル2’の精度評価]
平均化して作成した医用3Dデータ2’の肝臓部分に含まれる生体物性情報と、肝臓モデル2’のモデル3Dデータ2’に含まれるモデル物性情報と、に基づき、肝臓モデル2’の平均化された肝臓部分に対する精度を評価した。具体的には、平均化された肝臓部分と肝臓モデル2’の対応する部分(各部分10ヶ所における平均)におけるモデル物性の生体物性に対する差異を算出したところ4%であった。
[Accuracy evaluation of liver model 2']
Based on the biophysical property information contained in the liver portion of the medical 3D data 2' created by averaging and the model physical property information contained in the model 3D data 2' of the liver model 2', the accuracy of the averaged liver portion of the liver model 2' was evaluated. Specifically, the difference in the model physical properties of the averaged liver portion and the corresponding portion of the liver model 2' (average of 10 points in each portion) with respect to the biophysical properties was calculated to be 4%.
[肝臓モデル1および肝臓モデル2’の医師による質感評価]
肝臓モデル1および肝臓モデル2’を5名の医師が触診し、実際の肝臓における質感との比較を行った。結果、いずれの肝臓モデルも非常に再現性が高いとの見解であった。
[Texture evaluation by a doctor of liver model 1 and liver model 2′]
Five doctors palpated the liver model 1 and the liver model 2' and compared the texture with that of an actual liver. As a result, they concluded that both liver models had a very high reproducibility.
<トレーニングシステムの作製>
肋骨等の構造を有する人体の腹部形状を模した筐体を作製し、その内部に肝臓モデル1およびその他の臓器を模した構造体を配置することでトレーニングシステム1を作製した。また、肝臓モデル1の代わりに肝臓モデル2’を用いることでトレーニングシステム2’を作製した。また、これら筐体の一部には、腹腔鏡、管子などが入れられる穴があけられ、内視鏡手術が可能な器具がセットされた。
次に、3名の医師が、これらトレーニングシステムの肝臓モデル1および肝臓モデル2’に対し、生検用管子を用いて肝臓の組織片採取と同様の操作を実施し、肝臓モデル1および肝臓モデル2’の触感を評価した。結果、肝臓モデル1および肝臓モデル2’で明らかな違いが感じられ、実際の触感に近いとの見解であった。
<Preparation of training system>
A case was made that imitated the shape of the abdomen of the human body, including structures such as ribs, and a liver model 1 and structures imitating other organs were placed inside the case to create a training system 1. A training system 2' was also created by using a liver model 2' instead of the liver model 1. Holes were also made in some of these cases to allow the insertion of a laparoscope, a tube, etc., and instruments capable of endoscopic surgery were set in the case.
Next, three doctors performed the same operation as for taking tissue pieces of the liver using a biopsy tube on the liver model 1 and liver model 2' of these training systems, and evaluated the tactile sensations of the liver model 1 and liver model 2'. As a result, they felt a clear difference between the liver model 1 and liver model 2', and concluded that the tactile sensations were close to the real one.
10 造形装置
11 ハイドロゲル立体造形用組成物噴射ヘッドユニット
12 支持体造形用組成物噴射ヘッドユニット
13 紫外線照射機
14 造形体支持基板
15 ステージ
16 平滑化部材
17 臓器モデル(ハイドロゲル)
18 支持体(サポート材)
REFERENCE SIGNS LIST 10 Modeling device 11 Hydrogel three-dimensional modeling composition jetting head unit 12 Support body modeling composition jetting head unit 13 Ultraviolet irradiator 14 Modeling body support substrate 15 Stage 16 Smoothing member 17 Organ model (hydrogel)
18 Support (support material)
Claims (8)
前記臓器モデルを構成する材料としてハイドロゲルを含有し、
前記臓器モデルをMRE測定することにより取得されるモデル物性の前記生体物性に対する差異は5%以内である、
ことを特徴とする臓器モデル。 An organ model which is shaped based on biological property information indicating biological properties obtained by MRE measurement of a living body, and has a distribution of strength properties corresponding to the distribution of the biological properties,
The organ model contains a hydrogel as a material constituting the organ model,
The difference between the model properties obtained by MRE measurement of the organ model and the biological properties is within 5%.
An organ model characterized by:
前記医用3Dデータは、前記生体を医用画像撮影装置で撮影することにより取得される医用画像データと、前記生体物性と、に基づいて作成される請求項1に記載の臓器モデル。 A model is formed based on medical 3D data including the biological property information,
The organ model according to claim 1 , wherein the medical 3D data is created based on medical image data acquired by photographing the living body with a medical image photographing device and on the physical properties of the living body.
The training system according to claim 7 , wherein the housing is a replica that mimics at least a part of the structure of the living body.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020135170A JP7543767B2 (en) | 2020-08-07 | 2020-08-07 | Organ Models and Training Systems |
| EP21755089.6A EP4193350A1 (en) | 2020-08-07 | 2021-07-30 | Three-dimensional object, training system, three-dimensional object producing method, and method for evaluating accuracy of three-dimensional object |
| US18/040,008 US20230289959A1 (en) | 2020-08-07 | 2021-07-30 | Three-dimensional object, training system, three-dimensional object producing method, and method for evaluating accuracy of three-dimensional object |
| PCT/JP2021/028415 WO2022030398A1 (en) | 2020-08-07 | 2021-07-30 | Three-dimensional object, training system, three-dimensional object producing method, and method for evaluating accuracy of three-dimensional object |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020135170A JP7543767B2 (en) | 2020-08-07 | 2020-08-07 | Organ Models and Training Systems |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022030866A JP2022030866A (en) | 2022-02-18 |
| JP7543767B2 true JP7543767B2 (en) | 2024-09-03 |
Family
ID=80324350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2020135170A Active JP7543767B2 (en) | 2020-08-07 | 2020-08-07 | Organ Models and Training Systems |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7543767B2 (en) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005148578A (en) | 2003-11-18 | 2005-06-09 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 3D model and method for manufacturing 3D model |
| WO2012132463A1 (en) | 2011-03-31 | 2012-10-04 | 国立大学法人神戸大学 | Method for manufacturing three-dimensional molded model and support tool for medical treatment, medical training, research, and education |
| WO2015151503A1 (en) | 2014-03-31 | 2015-10-08 | 株式会社ファソテック | Thoracic cavity simulator |
| JP2016087359A (en) | 2014-11-11 | 2016-05-23 | 株式会社ファソテック | Biological texture model production method and biological texture model production program |
| JP2017105154A (en) | 2015-07-06 | 2017-06-15 | 株式会社リコー | Liquid set for three-dimensional molding, manufacturing method of three-dimensional object, manufacturing device of three-dimensional object and hydrogel molding body |
| JP2018036524A (en) | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, and production method and use thereof |
| JP2018035271A (en) | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, and production method and use thereof |
| JP2018035272A (en) | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, and production method and use of the same |
| JP2018178069A (en) | 2016-08-31 | 2018-11-15 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, method for producing the same, active energy ray-curable liquid composition, and use |
| JP2019155600A (en) | 2018-03-07 | 2019-09-19 | 株式会社リコー | Bolus, manufacturing method of bolus and 3d molding |
| JP2019177509A (en) | 2018-03-30 | 2019-10-17 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, production method and organ model |
| JP2020528374A (en) | 2017-07-28 | 2020-09-24 | ストラタシス リミテッド | Addition manufacturing method using a material having the characteristics of soft body tissue |
-
2020
- 2020-08-07 JP JP2020135170A patent/JP7543767B2/en active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005148578A (en) | 2003-11-18 | 2005-06-09 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 3D model and method for manufacturing 3D model |
| WO2012132463A1 (en) | 2011-03-31 | 2012-10-04 | 国立大学法人神戸大学 | Method for manufacturing three-dimensional molded model and support tool for medical treatment, medical training, research, and education |
| WO2015151503A1 (en) | 2014-03-31 | 2015-10-08 | 株式会社ファソテック | Thoracic cavity simulator |
| JP2016087359A (en) | 2014-11-11 | 2016-05-23 | 株式会社ファソテック | Biological texture model production method and biological texture model production program |
| JP2017105154A (en) | 2015-07-06 | 2017-06-15 | 株式会社リコー | Liquid set for three-dimensional molding, manufacturing method of three-dimensional object, manufacturing device of three-dimensional object and hydrogel molding body |
| JP2018036524A (en) | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, and production method and use thereof |
| JP2018035271A (en) | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, and production method and use thereof |
| JP2018035272A (en) | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, and production method and use of the same |
| JP2018178069A (en) | 2016-08-31 | 2018-11-15 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, method for producing the same, active energy ray-curable liquid composition, and use |
| JP2020528374A (en) | 2017-07-28 | 2020-09-24 | ストラタシス リミテッド | Addition manufacturing method using a material having the characteristics of soft body tissue |
| JP2019155600A (en) | 2018-03-07 | 2019-09-19 | 株式会社リコー | Bolus, manufacturing method of bolus and 3d molding |
| JP2019177509A (en) | 2018-03-30 | 2019-10-17 | 株式会社リコー | Hydrogel structure, production method and organ model |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 3Dプリンターを用いた肝臓模型の作成ならびに手術ナビゲーション,手術,2017年12月,第71巻、第2号,第189―196頁 |
| 3D肝臓模型,小児外科,2021年05月,第53巻、第5号,第514―519頁 |
| 医用画像情報の可触化による生体質感造形Bio-Texture ModelingとBIOTEXTURE Wet Modelの開発,人工臓器,第44巻、第1号,第53―56頁 |
| 放射線科医のための3Dプリンティングー3Dビジュアライゼーションから3Dプリンティングへの飛躍ー,映像情報メディカル 第48巻 第9号 A Monthly Journal of Medical Imaging and Information,日本,産業開発機構株式会社,2016年09月,第48巻、第9号,第27―30頁 |
| 特集:コンピュータ支援医療 Sensible Human Project,bit,日本,共立出版株式会社,第32巻、第6号,第26―30頁 |
| 頭頚部領域の診療における3Dプリンターの進化の意義の課題,新医療 ,第44巻,2017年07月,第100―103頁 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022030866A (en) | 2022-02-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6520266B2 (en) | Hydrogel precursor liquid and liquid set for stereolithography, and method for producing hydrogel shaped body and stereolith using the same | |
| JP6953866B2 (en) | Hydrogel structure, its manufacturing method, and its use | |
| EP3291208B1 (en) | Hydrogel structure, blood vessel, internal organ model, practice tool for medical procedure, and method of manufacturing the hydrogel structure | |
| JP6878793B2 (en) | Hydrogel structure, and its manufacturing method and application | |
| JP7042550B2 (en) | Hydrogel structure, and its manufacturing method and application | |
| JP2020535043A (en) | Anatomical silicone model and its additional manufacturing | |
| CN111376482A (en) | Surgical training model and printing method and printing system thereof | |
| JP7106850B2 (en) | Phantom for ultrasonic inspection and manufacturing method thereof | |
| JP7554400B2 (en) | Evaluation method | |
| JP6981313B2 (en) | Bolus, bolus manufacturing method, and three-dimensional model | |
| WO2022030398A1 (en) | Three-dimensional object, training system, three-dimensional object producing method, and method for evaluating accuracy of three-dimensional object | |
| JP7543767B2 (en) | Organ Models and Training Systems | |
| JP7554399B2 (en) | Modeling method | |
| JP7466840B2 (en) | Hydrogel composition for three-dimensional modeling, method for modeling three-dimensional object using hydrogel, and composition set for three-dimensional modeling using hydrogel | |
| JP7567449B2 (en) | Evaluation method | |
| JP2021086096A (en) | Three-dimensional molded object | |
| JP6969080B2 (en) | Hydrogel structure, and its manufacturing method and application | |
| EP3698945B1 (en) | Solid freeform fabrication object, method of manufacturing solid freeform fabrication object, liquid set for solid freeform fabrication, and device for manufacturing solid freeform fabrication object | |
| JP6915708B2 (en) | Bolus manufacturing method and liquid material for bolus formation | |
| JP7441413B2 (en) | Three-dimensional object, method for manufacturing three-dimensional object, liquid set for three-dimensional object, manufacturing device for three-dimensional object | |
| JP7687056B2 (en) | Organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, hydrogel modeled object, and method for manufacturing hydrogel modeled object | |
| JP2018102746A (en) | Set of bolus and storage member, manufacturing method of bolus and storage member, and storage member | |
| Mahmood et al. | Three-dimensional printing development and medical applications | |
| Bens et al. | Novel, biocompatible polyether (meth) acrylate-based formulations for stereolithography–A new flexible material class for three-dimensional applications | |
| WO2025127906A1 (en) | 3d-printed anatomical models with flexible photopolymerisable coatings, production method thereof and uses of same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230605 |
|
| RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20231117 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240507 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240703 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240723 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240805 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7543767 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |