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WO2012132463A1 - ３次元造形モデル作製方法および医療・医学・研究・教育用支援ツール - Google Patents

３次元造形モデル作製方法および医療・医学・研究・教育用支援ツール Download PDF

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WO2012132463A1
WO2012132463A1 PCT/JP2012/002211 JP2012002211W WO2012132463A1 WO 2012132463 A1 WO2012132463 A1 WO 2012132463A1 JP 2012002211 W JP2012002211 W JP 2012002211W WO 2012132463 A1 WO2012132463 A1 WO 2012132463A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
internal structure
dimensional
living body
definition
pattern
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.)
Ceased
Application number
PCT/JP2012/002211
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
杉本　真樹
健 東
欣一 渡辺
周吉 嶋田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe University NUC
FASOTEC CO Ltd
Original Assignee
Kobe University NUC
FASOTEC CO Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
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Publication date
Application filed by Kobe University NUC, FASOTEC CO Ltd filed Critical Kobe University NUC
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Priority to CN201280003256.7A priority patent/CN103153589B/zh
Priority to JP2012538117A priority patent/JP5239037B2/ja
Priority to US13/823,652 priority patent/US9183764B2/en
Priority to KR1020137007081A priority patent/KR101458729B1/ko
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    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/30—Anatomical models
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/112—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using individual droplets, e.g. from jetting heads
    • G—PHYSICS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to a technique for modeling a three-dimensional modeling model with a plurality of materials from three-dimensional digital data of a medical image obtained from a medical diagnostic apparatus such as X-ray CT or MRI.
  • 3D visualization of affected areas and specific parts of the body in the medical field is informed consent, There is a growing need for decision making, medical education, and medical research.
  • three-dimensional visualization using a three-dimensional modeling model a lot of information that cannot be communicated by a computer image can be conveyed by actually touching and viewing a three-dimensional shape as well as vision.
  • DICOM Digital
  • X-ray CT and MRI Magnetic Resonance Imaging
  • 3D modeling model for high-speed and high-precision medical use is made with a gypsum-based material using a powder lamination molding machine. It is known to produce.
  • DICOM Digital
  • MRI Magnetic Resonance Imaging
  • This simulator program simulates the surface of an organ such as the liver by constructing a living body part to be operated on with a polygon on a computer screen.
  • a three-dimensional printer capable of producing a three-dimensional modeling model using a resin having different mechanical properties by combining a hard resin and a flexible resin by simultaneous injection of a plurality of resins. Using such a three-dimensional printer, not only the surface but also its internal structure can be reproduced with respect to its shape structure. However, few can reproduce the flexibility of complex organs such as the liver having an internal structure or the hardness of bones.
  • the present invention is capable of producing materials having different mechanical properties using a plurality of materials, and using a three-dimensional printer capable of producing a three-dimensional modeling model. It is an object of the present invention to provide a method for producing a three-dimensional modeling model that can reproduce the feel of an organ or the like possessed by.
  • a three-dimensional modeling model manufacturing method of the present invention is a method of generating a three-dimensional modeling model using a three-dimensional printer that uses at least two kinds of materials as model materials.
  • a three-dimensional modeling model manufacturing method of the present invention is a method of generating a three-dimensional modeling model using a three-dimensional printer that uses at least two kinds of materials as model materials.
  • 6) at least. 1) Shape data creation step 2 for extracting the three-dimensional shape of the living body part to be modeled from the luminance information of the two-dimensional data obtained by the medical diagnostic apparatus and creating the 3D shape data of the living body part and its internal structure part 2) Shape data editing step for editing the three-dimensional shape data of the living body part and its internal structure part by the modeling function 3) For the living body part and the internal structure part, the internal structure pattern, the pattern size, and the pattern interval for designating the primitive shape respectively.
  • Boolean calculation step 6) Modeling step of modeling with a three-dimensional printer using the material defined in the material type definition step based on the three-dimensional shape data of the biological part and internal structure part obtained in the Boolean calculation step
  • medical diagnostic apparatuses are CT, MRI, PET (Positron Emission Tomography), etc., and DICOM (Digital Imaging) which is a standard for medical digital image formats and communication protocols. and Communications in Medicine), the three-dimensional shape of the living body part to be modeled is extracted from the luminance information of the two-dimensional data.
  • the MRI image has a higher resolution of the soft tissue than the CT image, the physical property values of many tissues can be acquired.
  • PET is mainly used for cancer diagnosis and the like, and is used in the case of producing a three-dimensional modeling model of a cancerous organ in combination with a CT / MRI image. Any of CT images, MRI images, and PET images may be used, or a combination thereof may be used.
  • One may be used for the outline of the living body part and the other for the tissue image of the internal structure part.
  • the shape data creation step of 1) above is to extract the three-dimensional shape of the living body part to be shaped from the luminance information of the two-dimensional data obtained by the medical diagnostic apparatus, and to obtain the three-dimensional shape data of the living body part and its internal structure part. It is a step to create. Since the dot information of the tomographic image including the luminance information of the DICOM format is obtained from the medical diagnostic apparatus, the three-dimensional shape of the living body part to be shaped is extracted by stacking these tomographic images. Further, using the commercially available 3D image CAD software, 3D shape data of the living body part and the internal structure part thereof are respectively created.
  • the shape data editing step of 2) is a step of editing the three-dimensional shape data created in 1) by the modeling function.
  • the modeling function is a function provided by commercially available 3D image CAD software, including cross-section (including partial cross-section) shape creation, plane, curved surface, primitive shape creation, shape cut, symbol / This includes adding characters and adding marking codes.
  • the shape data editing step includes at least one of character / symbol addition processing, marking code addition processing, scaler addition processing, and barcode addition processing.
  • This 3D modeling model is intended for 3D visualization of affected areas and specific parts of the body in the medical field. It is assumed that it will be used in decision making, medical education, and medical research.
  • personal information such as a patient, a photographing date, and the like can be added as character information to the three-dimensional modeling model.
  • marking code addition process to the three-dimensional shape data, information useful for determining informed consent and medical treatment policy can be added to the three-dimensional modeling model.
  • the scaler addition process to the three-dimensional shape data, it is possible to add information useful for determination of a medical treatment policy or actual surgery to the three-dimensional modeling model. Moreover, patient information can be added to the three-dimensional modeling model by performing barcode addition processing on the three-dimensional shape data.
  • the table creation step of 3) is a step of creating a feel equivalent parameter table for each of the living body part and the internal structure part.
  • the touch equivalent parameter table is information data for reproducing the touch of the living body part and the internal structure part.
  • the touch equivalent parameter table includes an internal structure pattern definition that specifies a primitive shape, the pattern size definition, and the pattern interval definition.
  • the biological part is not limited to humans and animals, but refers to biological tissues such as plants.
  • examples of the living body include organs such as the liver and the heart. Other examples include organs such as dogs and cats, and plant fruits.
  • the internal structural site is a structural site inside the living tissue, such as bone, fat, blood vessel, and the like.
  • the internal structure pattern definition for designating a primitive shape defines an identification number of a primitive shape such as a cylinder or a rectangular parallelepiped as an internal structure.
  • primitive shapes can be applied to geometric basic shapes such as cylinders, ellipsoids, cuboids, cubes, polygonal columns, spheres, wedge shapes, pyramids, cones, and combinations of basic shapes and unique shapes. Shape is included.
  • the pattern size definition is the size of the primitive shape object. For example, it is defined by a radius if it is a sphere, and by height, width and thickness if it is a rectangular parallelepiped.
  • the pattern interval definition is an arrangement interval of each primitive shape object, and is defined by, for example, the distance between the centroids of adjacent primitive shape objects or the distance between side surfaces.
  • the material type defining step 4) is a step of defining the material type and blending ratio of the model material used for modeling for each living body part and internal structure part and adding it to the touch equivalent parameter table.
  • a resin is suitably used as the material.
  • the resin a hard resin or a flexible resin can be selected.
  • it is not limited to resin, and gypsum powder, plastic powder, metal powder, and wax may be used.
  • gypsum powder, plastic powder, metal powder, and wax may be used.
  • the blending ratio of the materials is defined so that the resin can be blended.
  • the model material is a modeling material that becomes the shape of a three-dimensional modeling model.
  • the support material is a material that is necessary for the model material during modeling. Various materials such as translucent, colored, flexible and rigid are prepared for the model material. On the other hand, a support material that can be easily removed after the material is cured is used. When removing the support material from the modeled object, an ultrasonic cleaner or a solution is used. As the model material and the support material, for example, an acrylic resin is preferably used. In the case of modeling an internal structure whose periphery is surrounded by other structures, it is also possible to model using a support material as the material.
  • defining the blending ratio means that, for example, when using a three-dimensional printer that can jet two types of resin simultaneously as a model material, the desired hardness or softness is achieved by controlling the blending ratio of the resin. can do.
  • at least one model material is made of a translucent material.
  • the translucent material makes it possible to see through the internal structure, improving spatial recognition.
  • at least one model material shall be made of a translucent material so that it can be used for informed consent, decision of medical policy, medical research, medical education, etc. .
  • the above-mentioned Boolean operation step 5) is to generate primitive shape data from the parameters of the feel equivalent parameter table, and to calculate the part data of the living body part and the internal structure part obtained by the data editing step, and the primitive shape data.
  • This is a step of performing a Boolean operation of one of logical sum, logical difference, and logical product.
  • the Boolean calculation is a calculation method of modeling by a set calculation of the sum, difference, and product of shapes having a volume in three-dimensional computer graphics or CAD.
  • logical sum is an arithmetic method that works so as to be integrated with other shapes
  • logical difference is an arithmetic method that works so as to cut other shapes
  • logical product is to leave a part that overlaps with other shapes. It is the calculation method which acts on.
  • the feature of the present invention is to define a feel equivalent parameter so as to approximate the stiffness of the material used for the modeling model to the feel of the real thing, and to define a material with a feel close to the real thing by performing a Boolean operation accordingly. is there.
  • the modeling step of 6) above is performed by a 3D printer using the material defined in the material type defining step based on the 3D shape data of the living body part and the internal structure part obtained in the Boolean calculation step. It is a step to do.
  • a three-dimensional printer is a printer that models a three-dimensional object.
  • the materials used for the model material can be controlled in a wide variety of parameters such as color, light transmission, high softness, X-ray transmission, ultrasonic sensitivity, scintillation sensitivity, heat ray sensitivity, and conductivity. It is preferable that the material can be selected.
  • the internal structure is extracted from the living body part by reducing the 3D shape size of the internal structure part from the volume of the internal structure part of the living body part. be able to.
  • a void portion generated by reducing the three-dimensional shape size of the internal structure portion is filled with a support material at the time of modeling and removed after curing. For example, by allowing the living body part to be divided into two, only the internal structure can be extracted from the two-divided cross-section. Thereby, only the internal structure can be confirmed in more detail.
  • the part data in which the first soft material is defined when at least one of the living body part and the internal structure part is given a soft feel, in the Boolean operation step, the part data in which the first soft material is defined; The logical sum with the primitive shape data in which the second soft material is defined is performed.
  • the logical sum of the part data in which the first soft material is defined and the primitive shape data in which the second soft material is defined is, for example, adding a rubber-like soft material to a soft material such as a support material.
  • the types of primitive shapes are cylinders, ellipsoids, rectangular parallelepipeds, cubes, polygonal columns, spheres, wedge shapes, pyramids, cones, and other basic shapes combined with basic shapes.
  • There are various application shapes such as shapes.
  • the sense of seeking is created by adjusting the softness. This is mainly useful for reproducing soft tissue feelings such as fat, muscle, blood vessels and the like.
  • the part in which the first soft material is defined in the Boolean calculation step A logical difference between the data and primitive shape data for which no material is defined is performed.
  • a support material is automatically assigned to the primitive shape data. If the primitive-shaped portion is a sealed internal structure, the support material is not removed by cleaning or the like. Therefore, the characteristics of the soft support material are added to the characteristics inside the entire shape.
  • the support material will be removed by cleaning, etc.
  • a primitive shape is removed from a portion made of a rubber-like soft model material.
  • the type and size of the primitive shape to be extracted, the number and amount of the primitive shape to be extracted, and how to remove it, the softness is adjusted to create the desired sensation. This is mainly useful for reproducing soft tissue feelings such as fat, muscle, blood vessels and the like.
  • the part in which the first hard material is defined in the Boolean calculation step is performed.
  • the logical sum of the part data in which the first hard material is defined and the primitive shape data in which the second hard material is defined means that a hard modeling material is added to the hard modeling material.
  • the hardness is adjusted to create the desired sensation. This is mainly useful for reproducing a feeling of hard tissue such as bone, and reproducing a feeling of cutting or incision.
  • the part data in which the first hard material is defined in the case where a hard feel is imparted to at least one of the living body part and the internal structure part, in the Boolean operation step, the part data in which the first hard material is defined; The logical difference from the primitive shape data in which the material is not defined is performed.
  • the logical difference between the part data in which the first hard material is defined and the primitive shape data in which the material is not defined means that the contents of the shape part created from the hard modeling material are extracted in a fine primitive shape. Reproduces an equivalent feel close to the actual cutting and incision feeling.
  • Adjusting the type and size of the primitive shape to be extracted, the number and amount of the primitive shape to be extracted, and how to remove it, the hardness is adjusted to create the desired sensation. This is mainly useful for reproducing a feeling of hard tissue such as bone, and reproducing a feeling of cutting or incision.
  • the definition of the internal structure will be described for a biological part that is particularly useful when a three-dimensional modeling model is produced.
  • the living body part is the liver
  • one or more selected from the liver parenchyma, hepatic vein, portal vein, canal, and lesion part as the internal structure part An internal structure pattern definition, a pattern size definition, and a pattern interval definition are performed on the part.
  • the living body part is the liver
  • the internal structure parts are the uterus, fetus, umbilical cord (nose cord), placenta, amniotic fluid, blood vessel, subcutaneous fat.
  • the internal structure pattern definition, the pattern size definition, and the pattern interval definition are performed on one or more parts selected from the above.
  • the internal structure part is selected from subcutaneous fat, breast, breast duct, lymphatic vessel, lymph node, breast cancer part
  • the internal structure pattern definition, the pattern size definition, and the pattern interval definition are performed on the one or more parts.
  • subcutaneous fat, mammary gland, and breast cancer sites it is more preferable to further define lymphatic vessels.
  • the living body part is the limb part
  • the skin, subcutaneous fat, artery, vein, muscle, bone constituting the limb / joint as the internal structure part
  • the internal structure pattern definition, the pattern size definition, and the pattern interval definition are performed on one or more parts selected from the tendon.
  • the internal structure pattern is formed on one or more parts selected from the esophagus, trachea, and cartilage as the internal structure part. Definition, pattern size definition, and pattern interval definition are performed. By reproducing the shape and feel of the esophagus and trachea, it can be used for training of insertion of suction tubes by doctors and nurses for pneumonia patients and the like.
  • the body part is the face part
  • one or more selected from the skin, subcutaneous fat, muscle, cartilage, bone, and blood vessel as the internal structure part are performed on the part. It can be used to confirm the cosmetic content of the face before plastic surgery.
  • the internal structure part is a tooth, gum, alveolar bone, blood vessel, nerve, jaw bone, jaw muscle,
  • An internal structure pattern definition, a pattern size definition, and a pattern interval definition are performed on one or more parts selected from the tongue.
  • the internal structure pattern definition, the pattern size definition, and the pattern interval definition are provided on the inner wall or the outer wall of the digestive tract as the internal structure part. Is done.
  • the internal structure part is hair, eyeball, brain, brain blood vessel, skin, subcutaneous fat, muscle, ear
  • the internal structure pattern definition, the pattern size definition, and the pattern interval definition are performed in one or more parts selected from the cartilage, nasal cartilage, and skull. It can be used to confirm the cosmetic content of the face before plastic surgery.
  • the three-dimensional modeling model obtained by the above-described three-dimensional modeling model manufacturing method is sliced at a predetermined thickness, or the sliced one is the original three-dimensional shape.
  • the medical, medical, research, and educational support tools that can be stacked and rotated about the axis through the axis are provided.
  • the overall shape and cross-sectional structure can be grasped at the same time, which is useful as medical support and a medical education tool.
  • the three-dimensional shape of the living body part to be modeled is extracted from the luminance information of the two-dimensional data obtained by the medical diagnostic apparatus, and the three-dimensional shape data of the living body part and its internal structure part is extracted.
  • Shape data creation step, shape data editing step to edit the three-dimensional shape data by modeling function, material type and blending ratio of model material used for modeling for each body part and internal structure part, and feel equivalent A material type defining step to be added to the parameter table, and a modeling step for modeling by a 3D printer using the material defined in the material type defining step, and a 3D printer using at least two types of materials as model materials
  • the 3D modeling model obtained by the method for producing the used 3D modeling model was sliced at a predetermined thickness.
  • the three-dimensional modeling model preparation program of the present invention is a program for generating a three-dimensional modeling model using a three-dimensional printer that uses materials as at least two types of model materials.
  • the procedure is to be executed. a) Shape data creation procedure for extracting the three-dimensional shape of the living body part to be modeled from the luminance information of the two-dimensional data obtained by the medical diagnostic apparatus and generating the three-dimensional shape data of the living body part and its internal structure part b) Shape data editing procedure for editing three-dimensional shape data by modeling function c) Tactile equivalent parameters including at least internal structure pattern, pattern size and pattern interval for designating primitive shapes for biological parts and internal structure parts, respectively.
  • the present invention it is possible to produce a modeling model equivalent to the feel of an organ or the like possessed by an expert such as a doctor, using a three-dimensional printer using at least two kinds of materials as model materials.
  • a disease state three-dimensionally with reference to a three-dimensional modeling model of an organ and use it for determination of a diagnosis / treatment policy and determination of a treatment effect.
  • it can be used as an aid for determining the excision site before and after surgery and for planning the surgical procedure. It can also be used effectively for training in diagnostic treatment techniques such as surgery.
  • diagnostic treatment techniques such as surgery.
  • organ transplantation it can be applied to volume-dependent procedures as an alternative organ. It can also be used to explain to patients and families.
  • the field of operation is blocked by the influence of blood and other organs, so that there are many cases that rely on tactile sensation and experience.
  • a 3D modeling model that reproduces the shape and tactile sensation of the patient's part itself is prepared. After the doctor visually confirms the modeling model and confirms the shape and tactile sensation of the treatment part, The procedure can be performed with peace of mind.
  • the three-dimensional modeling model produced according to the present invention can actually be used to understand the three-dimensional structure of the organ and its feel, and in particular, the experience can be simulated.
  • FIG. 1 shows the flow of the three-dimensional modeling model manufacturing method of the present invention.
  • the three-dimensional modeling model manufacturing method of the present invention performs S1 to S8 in the following steps 1 to 6.
  • S2 to S3 are settings for visualizing a three-dimensional shape
  • S4 to S7 are settings for touch equivalence.
  • Step 1 Shape data creation step 11>
  • S1 The three-dimensional shape of the modeling pair is extracted from the luminance information of the two-dimensional data of the medical diagnostic apparatus.
  • the dot information of the tomographic image including the luminance information in the DICOM format is acquired from the CT or MRI apparatus, and the tomographic images are stacked to extract the three-dimensional shape of the living body part to be modeled.
  • S2 Three-dimensional shape data of a living body part and its internal structure part is created. Using commercially available 3D image CAD software, 3D shape data of the body part and its internal structure part can be adjusted for patch surface orientation, unnecessary shell deletion, gap complementation, patch thinning, contour shape Data is created in the STL data format by performing a smoothing process or the like.
  • Step 2 Shape data editing step 12> (S3) Edit the three-dimensional shape data by the modeling function.
  • S3 Edit the three-dimensional shape data by the modeling function.
  • characters / symbols personal information such as a patient, a photographing date, and the like are added to the 3D shape data as character information.
  • marking code information useful for determining a medical treatment policy is added to the three-dimensional shape data.
  • scaler information useful for actual surgery is added to the three-dimensional shape data.
  • barcode patient information is added to the three-dimensional shape data.
  • Step 3 Table creation step 13> (S4) A feel equivalent parameter table is created for each living body part / internal structure part. Create a feel equivalent parameter table using commercially available table creation software.
  • the touch equivalent parameter table defines an internal structure pattern definition that specifies a primitive shape, a pattern size definition, and a pattern interval definition. Several patterns are prepared in advance as the internal structure pattern, and the user selects them by a pattern number or the like.
  • Material type definition step 14> (S5) Define the material type and blending ratio of the model material used for modeling for each living body part / internal structure part.
  • resin when resin is used as a material for the model material, parameters such as color, light transmission, high flexibility, X-ray transmission, ultrasonic sensitivity, scintillation sensitivity, heat ray sensitivity, and conductivity can be controlled.
  • a wide variety of resins can be selected.
  • Support materials can also be used as modeling materials.
  • Step 5 Boolean calculation step 15>
  • Primitive shape data is generated from the parameters in the feel equivalent parameter table.
  • the primitive shape is determined from the feel equivalent parameter table information.
  • Primitive shapes include shapes that are made of model materials and those that are not formed of model materials. Some shapes are made of support materials, and others are removed from the model shape by removing the support materials.
  • S7 A Boolean operation is performed on the part data of the body part / internal structure part and the primitive shape data. Primitive shapes are added to or extracted from part data created with model materials or support materials.
  • Modeling step 16> (S8) Modeling with a three-dimensional printer using the defined material.
  • a three-dimensional modeling model is produced using a commercially available three-dimensional printer.
  • a three-dimensional printer manufactured by OBJET can be used as the three-dimensional printer.
  • modeling is performed by a 3D printer.
  • FIG. 2 is a structural diagram of the three-dimensional modeling model manufacturing apparatus according to the first embodiment.
  • the three-dimensional modeling model manufacturing apparatus is a general computer including a CPU 1, a memory 3, a display unit 6, an input unit 5, and an HDD 7.
  • the input unit 5 is a keyboard and a mouse
  • the display unit 6 is a liquid crystal display.
  • the memory 3 stores data, and includes a CAD data storage unit 31 such as three-dimensional shape data, a primitive shape data storage unit 32 used in a Boolean operation, and a touch equivalent parameter storage unit 33.
  • the three-dimensional shape model design 2 is a program itself, which is read from the HDD 7 onto the memory 3 and executed by the computer.
  • the three-dimensional shape model design 2 includes a resin type input unit 21 that prompts the user to input a resin type via the display unit 6, and an internal configuration parameter input that prompts the user to input internal configuration parameters that are constituent elements of the feel equivalent parameter table.
  • a unit 22 and a Boolean operation unit 23 for performing a Boolean operation are constituent elements of the feel equivalent parameter table.
  • FIG. 3 shows a flow of the three-dimensional modeling model manufacturing method of the first embodiment.
  • the flow of the three-dimensional modeling model production method has a two-stage configuration of setting a visualization part (S12 to S14) and setting a touch approximation part (S21 to S23), which are parallel. And do it.
  • the three-dimensional shape of the living body part to be modeled is extracted from the luminance information of the output data (DICOM data) of the CT / MRI apparatus and converted into data (S11).
  • DICOM data luminance information of the output data
  • STL data is created for each human body part and its internal organs (S12).
  • the STL data is corrected (S13).
  • the STL data is edited by the modeling function (S14).
  • both S13 and S14 are implemented. S13 may be omitted and only S14 may be performed.
  • the internal structure is defined for each living body part and internal structure, and the internal structure pattern, pattern size, and pattern interval are defined in the touch equivalent parameter table (S21).
  • a feel equivalent parameter table is defined for the living body part and its internal organs for the resin type and blending ratio used for modeling (S22).
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a processing flow of a program installed in the three-dimensional modeling model manufacturing apparatus according to the first embodiment.
  • DICOM data 42 is taken in from a CT or MRI apparatus (CT / MRI apparatus 41).
  • shape data creation procedure (S41) the file is saved as an STL data file in the HDD inside the computer.
  • the STL data is read with commercially available three-dimensional shape software, and the shape data is edited with a modeling function or the like (shape data editing procedure: S42). Further, following these operations, or in parallel with these operations, a feel equivalent parameter table is created using a commercially available table creation software 45 at a computer terminal (table creation procedure: S43).
  • resin type and the blending ratio are input as a table (resin type defining procedure: S44).
  • a database (D / B) of touch equivalent parameters is created by the procedures of S43 and S44.
  • the target three-dimensional modeling model is produced by a Boolean calculation procedure.
  • FIG. 5 shows an example of a three-dimensional modeling model.
  • FIG. 5 (1) is an enlarged view of a part of the three-dimensional modeling model of the liver. Standard characters / symbols 51 of patient information are drawn.
  • FIG. 5B shows a state in which the scaler 52 is embedded inside the three-dimensional modeling model. In addition to dimensional notation such as a scaler, barcode information may be embedded.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of a feel equivalent parameter table of a three-dimensional modeling model of the liver.
  • FIG. 6A shows an example of internal configuration parameters required for a normal three-dimensional modeling model of the liver in a tabular form.
  • FIG. 6B shows an example of the internal configuration parameters required for the three-dimensional modeling model of the liver cross-sectional view in a tabular form.
  • FIG. 6 (3) shows an example of internal configuration parameters required for a three-dimensional modeling model of liver cancer in a tabular form.
  • the liver parenchyma, hepatic vein, and portal vein are three-dimensionally modeled using two types of resin A and resin B as the internal structure of the liver.
  • the liver parenchyma, hepatic vein, and portal vein are modeled with either resin A or resin B or a resin in which resin A and resin B are blended.
  • the liver parenchyma is modeled with resin A (resin A and resin B blended 1 to 0)
  • the liver vein is modeled with resin B (resin A and resin B blended 0 to 1).
  • the vein is modeled with a composite resin in which resin A and resin B are blended at a ratio of 3 to 1.
  • a liver model can be created by performing a Boolean operation of the logical sum of the three-dimensional shapes of the liver parenchyma, hepatic vein and portal vein.
  • each internal structure has the internal structure pattern, pattern size, and pattern interval shown in FIG. 6 (1) as parameters.
  • the liver parenchyma has an internal structure pattern in which cubes with a side of 1.5 mm are present at intervals of 0.5 mm.
  • a Boolean operation of the logical sum or logical difference between the internal structure pattern and the three-dimensional shape of the liver parenchyma.
  • a model material is used as the resin of the internal structure pattern.
  • a support material is used as the resin of the internal structure pattern.
  • the table information in FIG. 6 (2) is the same as the table information in FIG. 6 (1).
  • it is a three-dimensional modeling model of the liver cross section, and the internal structure can be observed in detail from the cross section. Since each modeling model of the internal structure is exposed to the outside at the cross section, all modeling is performed using the model material. For example, a support material cannot be used as a material.
  • the support material is used as the material for the cancerous part. Since the entire periphery of the cancerous part is surrounded by the liver parenchyma, the cancerous part can be shaped using the support material.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of a feel equivalent parameter table of a three-dimensional modeling model of bone.
  • 8 and 9 show an example of a three-dimensional modeling model of bone and muscle, respectively.
  • FIGS. 7A and 7A show images of a normal bone modeling model.
  • surface of FIG.7 (1) (b) has shown an example of the feel equivalent parameter table of the modeling model of a normal bone.
  • a primitive cube is defined as the internal structure pattern.
  • the pattern size is 1.5 mm and the pattern interval is 1 mm.
  • the resin to be used is a resin in which the resin A and the resin B are blended on a one-to-one basis.
  • the shape of the bone itself which is a living body part, is composed of a resin in which resin A and resin B are mixed in a one-to-one relationship, and a logical difference from the primitive shape cube is taken and the bone is removed by removing the cube.
  • a modeling model equivalent to Here, the pattern size is the length of one side of the cube.
  • the pattern interval is the interval between the side surfaces of the cube.
  • FIG.7 (2) (c) has shown the image of the modeling model of the bone of osteoporosis.
  • surface of FIG.7 (2) (d) has shown an example of the touch equivalent parameter table of the modeling model of the osteoporosis bone.
  • a primitive cube is defined as the internal structure pattern.
  • the pattern size is 4 mm and the pattern interval is 0.5 mm.
  • the resin to be used is a resin in which the resin A and the resin B are blended on a one-to-one basis.
  • the shape of the bone itself which is a living body part, is composed of a resin in which resin A and resin B are mixed in a one-to-one relationship, and a logical difference from the primitive shape cube is taken and the bone is removed by removing the cube.
  • a modeling model equivalent to Here, the pattern size is the length of one side of the cube.
  • the pattern interval is the interval between the side surfaces of the cube.
  • the osteoporotic bone modeling model adjusts the hardness by increasing the volume of the primitive shape to be removed and increasing the gap as compared to the normal bone modeling model.
  • FIG. 8 shows a cross section orthogonal to the longitudinal direction of the bone model 61 (FIG. 8 (2)) and a conceptual diagram of the internal structure (FIG. 8 (3)).
  • the cross-sectional view of the bone model 61 is a cross-sectional view formed with only the resin C (FIG. 8 (2) (a)) and a cross-sectional view obtained by changing the size of the primitive shape (FIG. 8 (2)). (B) to (d)) are shown.
  • the material is not defined in the primitive shape, the support material is modeled, and the support material is extracted after the model material is cured. As a result, only the size of the primitive shape is extracted. Therefore, the hardness of the bone model becomes fragile as it changes from FIG. 8 (2) (a) to FIG. 8 (2) (d).
  • FIG. 9 shows a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the muscle model 62 (FIG. 9 (2)) and a conceptual diagram of the internal structure (FIG. 9 (3)).
  • the cross-sectional view of the muscle model 62 is obtained by changing the pattern interval of the primitive shape composed of the resin C harder than the support material (FIG. 9 (2) (a)) and the cross-sectional view formed only by the support material.
  • FIG. 9 (2) (b) to (d) shows the state of the cross section taken. 9 (2) (a) has the highest flexibility, and as it changes from FIG. 9 (2) (b) to FIG. 9 (2) (d), the structure pattern of the primitive shape increases and the muscle model becomes stiff. It will become.
  • Fig. 10 shows an external view of the support tool for medical, medical, research, and education.
  • This is a slice 73 obtained by slicing a three-dimensional modeling model around the chest from the waist of the human body obtained by the three-dimensional modeling model manufacturing method of the present invention with a predetermined thickness.
  • a cross section of the spine and lungs can be confirmed.
  • This is made into a laminate 70 so as to have an original three-dimensional shape, and is rotatable around a shaft 71 through a shaft 71 corresponding to the spine.
  • the overall shape and cross-sectional structure can be grasped at the same time, which can be used for medical support and medical education tools.
  • FIG. 11 shows an external view of the liver model.
  • the entire shape is the liver parenchyma 80, and the liver parenchyma 80 is made of a translucent resin.
  • the shape of the internal structure such as the hepatic vein can be confirmed.
  • a soft translucent resin is used as a model material of the liver parenchyma 80, and an internal structure pattern is provided inside the liver parenchyma 80 in accordance with the feel equivalent parameter so that the liver parenchyma 80 is approximated to a real feel.
  • FIG. 12 is an external view of a pregnant woman abdomen model.
  • the entire shape is a shape obtained by cutting out the abdomen of the pregnant woman.
  • the abdomen 91 of the pregnant woman is made of a translucent resin.
  • a soft translucent resin is used as a model material for the abdomen 91 of the pregnant woman, and an internal structure pattern is provided inside the abdomen 91 of the pregnant woman according to the touch equivalent parameter so as to approximate the abdomen 91 of the pregnant woman to the real touch.
  • the fetus 92 is also provided with an internal structure pattern in the fetus 92 according to the feel equivalent parameter so as to approximate the feel of the real thing.
  • FIG. 13 and FIG. 14 show an external view of the face model and the upper body.
  • 101 is a skull
  • 102 is an ear cartilage
  • 103 is a nasal cartilage
  • 104 is a humerus
  • 105 is a heart.
  • ribs, sternum, other bones, teeth, lungs, etc. can be confirmed.
  • the entire skin and the cartilage parts of the ear and nose are shaped with a transparent resin.
  • bones such as the skull, ribs, and sternum of the internal structure are formed with a hard resin.
  • the heart is made of a soft resin.
  • Each modeling model is provided with an internal structure pattern inside according to the respective touch equivalent parameters so as to approximate the real touch.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram of a bone model.
  • the bone model shown in FIG. 15 has an internal structure that is divided into a cortical bone portion 110 that is the surface of the bone and a cancellous bone portion (112, 114) that is the interior thereof.
  • the cancellous bone portion is divided into a cancellous bone surface portion 112 (a predetermined thickness portion adjacent to the cortical bone) and a cancellous bone interior 114.
  • the cortical bone portion 110 is formed with a hard resin.
  • an internal structure pattern is provided inside according to the feel equivalent parameter.
  • the cancellous bone surface 112 is slightly different from the stiffness of the cortical bone portion 110.
  • the cancellous bone surface portion 112 is provided with an internal structure pattern different from that of the cortical bone portion 110 in accordance with the feel equivalent parameter so as to approximate the difference in stiffness to the real feel. Further, the cancellous bone interior 114 is the most brittle, and an internal structure pattern is provided according to the feel equivalent parameter so as to approximate the brittleness to the feel of the real thing. As shown in FIG. 15B, the cancellous bone interior 114 has a lattice shape in which the primitive shape of the internal structure pattern is removed.
  • the three-dimensional modeling model produced by the present invention is an informed consent, It is useful as a support tool for decision making, medical support, medical education, medical research and general education. It is useful as a teaching material for anatomy and external science because it can simulate the touch. For example, a blood vessel and a real organ modeled with a rubber-like soft resin can be used not only as a support tool for grasping the three-dimensional anatomy for the hand, but also in a surgical training box for laparos to train for endoscopic techniques It is useful as an optimal simulator.
  • Shape data creation step 11 Shape data creation step 12 Shape data edit step 13 Table creation step 14 Material type definition step 15 Boolean calculation step 16 Modeling step 51 Standard character / symbol 52 Scaler 61 Bone model 62 Muscle model 70 Laminate 71 Axis 73 With predetermined thickness Sliced 80 liver parenchyma 91 pregnant woman abdomen 92 fetus 101 skull 102 ear cartilage 103 nasal cartilage 104 humerus 105 heart 110 cortical bone part 112 cancellous bone surface part 114 cancellous bone inside

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Abstract

　医師などの専門家が有している臓器などの感触を再現できる３次元造形モデルの作製方法を提供する。医用診断装置により得られた２次元データの輝度情報から造形対象の生体部位の３次元形状を抽出し、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを作成する。モデリング機能により３次元形状データを編集する。生体部位および内部構造部位に対して、それぞれ感触等価パラメータテーブルを作成する。生体部位と内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材種別及び配合比率を定義し感触等価パラメータテーブルに追加する。感触等価パラメータテーブルのパラメータからプリミティブ形状データを生成し、生体部位および内部構造部位の部位データと、プリミティブ形状データとのブーリアン演算を行う。定義された素材を用いて３次元プリンタにより造形する。

Description

３次元造形モデル作製方法および医療・医学・研究・教育用支援ツール
　本発明は、Ｘ線ＣＴあるいはＭＲＩなどの医用診断装置から得られた医用画像の３次元デジタルデータから、３次元造形モデルを複数素材により造形する技術に関する。
　医療分野における患部や身体の特定部位の３次元視覚化は、インフォームドコンセント、
診療方針の決定、医療教育、医学研究の場などでのニーズが高まっている。特に、３次元造形モデルを利用した３次元視覚化の場合、視覚だけでなく、立体形状を実際に手に触れて見ることで、コンピュータ画像では伝えきれない多くの情報を伝えることができる。
　従来から、Ｘ線ＣＴやＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）などの医用診断機器の標準規格であるＤＩＣＯＭ（Digital
Imaging and Communications in Medicine）を用い、３次元形状データを製作し、それをもとにして、粉末積層式造型機により石膏ベースの材料にて、高速、高精度の医療用の３次元造形モデルを作製することが知られている。
　しかしながら、内部構造を有する肝臓などの複雑な臓器の柔らかさの模擬や、臓器等を扱う医師や看護師に対する臓器等の感触情報の提供が行えないといった問題があった。
　近年、医療と工学の融合・連携が急速に進み、先端的な工学計算手法を活用したシミュレータプログラムが提案されている。このシミュレータプログラムでは、手術対象の生体部位をコンピュータ画面上にポリゴンで構成して、肝臓などの臓器の表面を模擬するものである。
　また一方で、複数樹脂の同時噴射により、硬性樹脂と柔軟性樹脂を組み合わせ、機械的性質の異なる樹脂を用いた３次元造形モデルを作製できる３次元プリンタが知られている。かかる３次元プリンタを用いて、その形状構造に関して表面のみならずその内部構造まで再現できるようになっている。しかしながら、内部構造を有する肝臓などの複雑な臓器の柔軟性、若しくは骨などの硬さを再現できるものは少ない。
　先行技術では、網構造の中に造形用のモデル材を保持できる保持シートに一層の複数種類のモデル材をそれぞれの造形位置に保持して固定し、固定された一層のモデル材の上に次層の保持シートを載置し、次層の保持シートに次層の複数種類のモデル材をそれぞれの造形位置に保持して固定し、モデル材の固定を順次に上の層について繰り返し行い、各層を積層した後に保持シートを溶解除去することにより、多色・多材料で、堅さが部分により異なる複雑な構造の立体物を造形することのできる３次元造形物の作製方法がある（特許文献１を参照。）。しかしながら、特許文献１の方法では、堅さが部分により異なるものは、その部分の堅さに応じた硬いあるいは柔らかいモデル材を準備する必要があった。
再表２００５／０３７５２９号公報
　従来の３次元造形モデルの目的は、形状確認に重点が置かれていた。滑らかな形状や細かいパーツまで再現できる高精度の造形モデルが、製品デザイナーや製品設計者が求めるものであった。しかし、形状だけからは触感や使用感を想像するのは困難である。形状だけでなく、そのものの触感、使用感、質感など実際のものに近似した造形モデルが求められている。
　上記状況に鑑みて、本発明は、複数の素材を用いて機械的性質の異なる素材を作製でき、３次元造形モデルを作製できる３次元プリンタを用いて、素材の組み合わせにより、医師などの専門家が有している臓器などの感触を再現できる３次元造形モデルの作製方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決すべく、本発明の３次元造形モデル作製方法は、モデル材として少なくとも２種類の素材を用いる３次元プリンタを用いて、３次元造形モデルを作製する方法であって、以下の１）～６）のステップを少なくとも備える。
１）医用診断装置により得られた２次元データの輝度情報から造形対象の生体部位の３次元形状を抽出し、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップ
２）モデリング機能により生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを編集する形状データ編集ステップ
３）生体部位および内部構造部位に対して、それぞれプリミティブ形状を指定する内部構造パターンとパターンサイズとパターン間隔を少なくともパラメータとして含む感触等価パラメータテーブルを作成するテーブル作成ステップ
４）生体部位と内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材種別及び配合比率ならびにサポート材の素材種別を定義し感触等価パラメータテーブルに追加する素材種別定義ステップ
５）感触等価パラメータテーブルのパラメータからプリミティブ形状データを生成し、データ編集ステップにより得られた生体部位および内部構造部位の部位データと、プリミティブ形状データとの論理和，論理差，論理積のいずれかのブーリアン演算を行うブーリアン演算ステップ
６）ブーリアン演算ステップにより得られた生体部位および内部構造部位の３次元形状データに基づき、素材種別定義ステップにより定義された素材を用いて３次元プリンタにより造形する造形ステップ
　ここで、医用診断装置とは、ＣＴ，ＭＲＩ，ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）などであり、医用デジタル画像フォーマットと通信プロトコルに関する標準規格であるＤＩＣＯＭ（Digital Imaging
and Communications in Medicine）を用い、２次元データの輝度情報から造形対象の生体部位の３次元形状を抽出する。
　ここで、ＭＲＩ画像は、ＣＴ画像よりも軟部組織の分解能が高いので、多くの組織の物性値が取得可能である。また、ＰＥＴは主に癌診断等に利用されており、ＣＴ／ＭＲＩ画像と併用して癌化した臓器の３次元造形モデルを作製する場合に利用する。ＣＴ画像やＭＲＩ画像、ＰＥＴ画像のいずれかを用いてもよく、また組み合わせてもよい。一方を生体部位の輪郭に、他方を内部構造部位の組織画像用としてもよい。
　上記１）の形状データ作成ステップとは、医用診断装置により得られた２次元データの輝度情報から造形対象の生体部位の３次元形状を抽出し、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを作成するステップである。医用診断装置からＤＩＣＯＭフォーマットの輝度情報を含む断層画像のドット情報が得られるので、それらの断層画像を積層して造形対象の生体部位の３次元形状を抽出する。そして、さらに、市販されている３次元画像ＣＡＤソフトウェアを利用して、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データをそれぞれ作成する。３次元画像ＣＡＤソフトウェアを利用して、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データをそれぞれ作成する際は、パッチ面向きの調整や、不要シェルの削除や、隙間の補完や、パッチの間引きや、輪郭形状のスムージング処理を行い、例えば、ＳＴＬ（Standard Triangulated Language）データ形式でデータ保存する。
　次に、上記２）の形状データ編集ステップは、モデリング機能により上記１）で作成した３次元形状データを編集するステップである。ここで、モデリング機能とは、市販の３次元画像ＣＡＤソフトウェアが具備する機能であり、断面（一部断面を含む）形状作成や、平面、曲面、プリミティブ形状の作成や、形状カットや、記号・文字追加や、マーキング符号の追加などである。
　この形状データ編集ステップにおいて、文字・記号の追加処理、マーキング符号の追加処理、スケーラの追加処理、バーコードの追加処理の少なくとも何れかが含まれることがより好ましい。今回の３次元造形モデルは、医療分野における患部や身体の特定部位の３次元視覚化を目的とし、インフォームドコンセント、
診療方針の決定、医療教育、医学研究の場での活用を想定している。文字・記号の追加処理を３次元形状データに施すことにより、患者等の個人情報や撮影日などを文字情報として３次元造形モデルに付加することができる。また、マーキング符号の追加処理を３次元形状データに施すことにより、インフォームドコンセント、診療方針の決定に有用な情報を３次元造形モデルに付加することができる。また、スケーラの追加処理を３次元形状データに施すことにより、診療方針の決定や実際の手術の際に役立つ情報を３次元造形モデルに付加することができる。また、バーコードの追加処理を３次元形状データに施すことにより、患者情報を３次元造形モデルに付加することができる。
　次に、上記３）のテーブル作成ステップは、生体部位および内部構造部位に対して、それぞれ感触等価パラメータテーブルを作成するステップである。ここで、感触等価パラメータテーブルとは、生体部位および内部構造部位の感触を再現するための情報データである。具体的には、感触等価パラメータテーブルには、プリミティブ形状を指定する内部構造パターン定義と、該パターンサイズ定義と、該パターン間隔定義が含まれる。
　ここで、生体部位とは、人や動物に限らず、植物など生体組織をいう。例えば、人の場合、生体部位としては肝臓や心臓などの臓器が挙げられる。その他、犬や猫のペットなどの臓器、植物の果実が挙げられる。また、内部構造部位とは、生体組織の内部にある構造部位であり、例えば、骨や脂肪や血管などである。
　また、プリミティブ形状を指定する内部構造パターン定義とは、円柱や直方体などのプリミティブ形状の識別番号を内部構造として定義する。ここで、プリミティブ形状は、円柱、楕円中、直方体、立方体、多角柱、球体、くさび形状体、角錐、円錐など幾何学的な基本形状のものと、基本形状を組み合わせた形状や独自形状など応用形状が含まれる。
　また、パターンサイズ定義とは、プリミティブ形状物の大きさであり、例えば、球体であれば半径、直方体であれば高さと幅と厚みで定義する。また、パターン間隔定義とは、それぞれのプリミティブ形状物の配置間隔であり、例えば、隣接するプリミティブ形状物の重心間の距離や側面間の距離で定義する。
　次に、上記４）の素材種別定義ステップとは、生体部位と内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材種別及び配合比率を定義し感触等価パラメータテーブルに追加するステップである。
　ここで、素材は、例えば樹脂が好適に用いられる。樹脂は、硬性樹脂や柔軟性樹脂などが選択できる。但し、樹脂に限定されず、石膏粉末、プラスチック粉末、金属粉末、ワックスでも構わない。例えば、素材として樹脂を用いる場合を想定する場合、３次元造形を行う３次元プリンタ側の制約により、使用できる樹脂を自由に選択できるというものではない。このため、素材の配合比率を定義して、樹脂の配合ができるようにした。
　また、モデル材とは３次元造形モデルの形状となる造形用材料である。また、サポート材とは、造形時にモデル材に必要な支えとなる材料である。モデル材には半透明、色付き、柔軟性、剛性など様々な材料が用意される。一方、サポート材は材料の硬化後に簡単に取り除くことができるものが用いられる。サポート材を造形物から除去する際には超音波洗浄器や溶解液などを利用する。モデル材やサポート材は、例えばアクリル系樹脂などが好適に用いられる。周囲が他の構造に囲まれた内部構造の造形の場合、上記の素材として、サポート材を用いて造形することも可能である。
　また、配合比率を定義するとは、例えば、モデル材として２種類の樹脂を同時噴射し得る３次元プリンタを用いる場合、樹脂の配合比率を制御することで、目的とする硬さ若しくは柔らかさを実現することができる。
　また、モデル材は、少なくとも１種が透光性素材から成ることが好ましい。透光性素材によって内部構造の透見が可能となり、空間認識向上が図られる。これは、内部構造の把握を容易なものとして、インフォームドコンセント、 診療方針の決定、医学研究、医療教育などに役立たせるべく、モデル材は、少なくとも１種が透光性素材から成るものとする。
　次に、上記５）のブーリアン演算ステップとは、感触等価パラメータテーブルのパラメータからプリミティブ形状データを生成し、データ編集ステップにより得られた生体部位および内部構造部位の部位データと、プリミティブ形状データとの論理和，論理差，論理積のいずれかのブーリアン演算を行うステップである。
　ここで、ブーリアン演算とは、３次元コンピュータグラフィックスやＣＡＤにおいて、体積を持った形状同士の和、差、積の集合演算により造形する演算方法である。また、論理和は他の形状と一体化するように作用する演算方法であり、論理差は他の形状を削るように作用する演算方法であり、論理積は他の形状と重なる部分を残すように作用する演算方法である。
　本発明の特徴は、造形モデルに用いる素材の堅さを実物の感触に近似させるように、感触等価パラメータを定義し、それに従ってブーリアン演算を行うことにより実物に近い感触の素材を定義することである。
　次に、上記６）の造形ステップとは、ブーリアン演算ステップにより得られた生体部位および内部構造部位の３次元形状データに基づき、素材種別定義ステップにより定義された素材を用いて３次元プリンタにより造形するステップである。
　３次元プリンタは、３次元のオブジェクトを造形するプリンタであり、アクリル系光硬化樹脂を使用したインクジェット紫外線硬化方式のものや、ＡＢＳ樹脂を使用した熱溶解積層方式のものや、パウダーを使用した粉末固着方式のものがあるが、これらに限定されず、複数の素材を用いて３次元造形が可能なものであれば構わない。
　また、モデル材に用いる素材は、色、光透過性、高軟質性、Ｘ線透過性、超音波の感受性、シンチレーションの感受性、熱線の感受性、導電性などのパラメータを制御できるような多種多様の素材から選択できることが好ましい。
　また、上記の３次元造形モデル作製方法における形状データ作成ステップにおいて、内部構造部位の３次元形状サイズを生体部位の内部構造部位の体積よりも縮小させることにより、生体部位から内部構造だけを抜き取り出すことができる。内部構造部位の３次元形状サイズを縮小することにより生じる空隙部分は造形の際のサポート材で埋めて、硬化後に取り除く。
　例えば、生体部位を２分割できるようにすることで、２分割断面部分から、内部構造だけを抜き取り出せることが可能になる。これにより内部構造のみをより詳細に確認できる。
　上述した本発明の３次元造形モデル作製方法において、生体部位および内部構造部位の少なくとも１つに軟質性の感触を付与させる場合、ブーリアン演算ステップにおいて、第１軟質性素材が定義された部位データと、第２軟質性素材が定義されたプリミティブ形状データとの論理和を行う。
　第１軟質性素材が定義された部位データと、第２軟質性素材が定義されたプリミティブ形状データとの論理和とは、例えば、サポート材のような柔らかい素材に、ゴムライクな柔らかい素材を加えることをいう。求める柔らかさや切削・切開感をゴムライクなモデル材で作成したプリミティブ形状を混ぜ合わせることで、実際の柔らかさと近い等価な感触を再現させる。上述の如く、プリミティブ形状の種類は、円柱、楕円中、直方体、立方体、多角柱、球体、くさび形状体、角錐、円錐など幾何学的な基本形状のものと、基本形状の組み合わせた形状や独自形状など応用形状があり、様々である。このプリミティブ形状の種類や大きさ、混ぜ合わせる個数・量、混ぜ合わせ方を調整して柔らかさを加減して求める感覚を作り出す。
　これは主に、脂肪、筋肉、血管などの柔らかい組織感を再現するのに有用である。
　また、上述した本発明の３次元造形モデル作製方法において、生体部位および内部構造部位の少なくとも１つに軟質性の感触を付与させる場合、ブーリアン演算ステップにおいて、第１軟質性素材が定義された部位データと、素材が定義されないプリミティブ形状データとの論理差を行う。素材が定義されないプリミティブ形状データとの論理差の場合、プリミティブ形状データには、自動的にサポート材が割り当てられることになる。プリミティブ形状の部位が密封された内部構造であれば、サポート材が洗浄などで取り除かれることはない。従って、柔らかいサポート材の特質が全体形状内部の特質に付加されることになる。一方、プリミティブ形状の部位が密封された内部構造でない場合、例えば、格子状に隙間が空いている構造の場合は、サポート材が洗浄などで取り除かれることになるので、プリミティブ形状の部位は空隙になる。例えば、ゴムライクな柔らかいモデル材で構成される部位から、プリミティブ形状を抜き去ることをいう。求める柔らかさや切削・切開感をゴムライクな造形で作成した部位から、プリミティブ形状を抜き去ることで、実際の柔らかさと近い等価な感触を再現させることができる。抜き去るプリミティブ形状の種類や大きさ、抜き去る個数・量、抜き去り方を調整して柔らかさを加減して求める感覚を作り出す。
　これは主に、脂肪、筋肉、血管などの柔らかい組織感を再現するのに有用である。
　また、上述した本発明の３次元造形モデル作製方法において、生体部位および内部構造部位の少なくとも１つに硬質性の感触を付与させる場合、ブーリアン演算ステップにおいて、第１硬質性素材が定義された部位データと第２硬質性素材が定義されたプリミティブ形状データとの論理和を行う。
　第１硬質性素材が定義された部位データと第２硬質性素材が定義されたプリミティブ形状データとの論理和とは、硬い造形材に更に硬い造形材を加えることをいう。求める硬さを硬質性の造形材で作成したプリミティブ形状を混ぜ合わせることで、実際の硬さと近い等価な感触を再現させる。プリミティブ形状の種類や大きさ、混ぜ合わせる個数・量、混ぜ合わせ方を調整して硬さを加減して求める感覚を作り出す。
　これは主に、骨などの硬い組織感を再現し、また切削や切開感を再現するのに有用である。
　上述した本発明の３次元造形モデル作製方法において、生体部位および内部構造部位の少なくとも１つに硬質性の感触を付与させる場合、ブーリアン演算ステップにおいて、第１硬質性素材が定義された部位データと、素材が定義されないプリミティブ形状データとの論理差を行う。
　第１硬質性素材が定義された部位データと、素材が定義されないプリミティブ形状データとの論理差とは、硬い造形材で作成する形状部位の中身を細かなプリミティブ形状で抜き去ることをいう。実際に近い切削・切開感に近い等価な感触を再現させる。抜き去るプリミティブ形状の種類や大きさ、抜き去る個数・量、抜き去り方を調整して硬さを加減して求める感覚を作り出す。
　これは主に、骨などの硬い組織感を再現し、また切削や切開感を再現するのに有用である。
　次に、３次元造形モデルを作製した場合に特に有用な生体部位について、内部構造の定義について説明する。
　上述した本発明の３次元造形モデル作製方法におけるテーブル作成ステップにおいて、生体部位が肝臓の場合、内部構造部位として、肝実質、肝静脈、門脈、たん管、病変部位から選択された１以上の部位に、内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われる。
　生体部位が肝臓の場合、少なくとも、肝動脈、肝静脈、門脈、さらに病状部位に定義が行われるのが好ましい。肝実質、胆管の定義が行われるのが更に好ましい。
　また、上述した本発明の３次元造形モデル作製方法におけるテーブル作成ステップにおいて、生体部位が妊婦の腹部の場合、内部構造部位として、子宮、胎児、臍帯（へその緒）、胎盤、羊水、血管、皮下脂肪から選択された１以上の部位に、内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われる。
　妊娠中の胎児に関して感触を再現した造形を行うことにより、出生前診断や帝王切開の安全性の確認や、出産時に臍帯（へその緒）が胎児の首に巻きつかないか否かの判断、出産手順の確認などが行える。また、作製した３次元造形モデルは、出産後の記念になり造形アルバムとして利用できる。
　また、上述した本発明の３次元造形モデル作製方法におけるテーブル作成ステップにおいて、生体部位が乳房部の場合、内部構造部位として、皮下脂肪、乳腺、乳管、リンパ管、リンパ節、乳癌部位から選択された１以上の部位に、内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われる。皮下脂肪、乳腺、乳癌部位に加えて、更にリンパ管の定義が行われるのがより好ましい。
　乳癌部位の硬さを再現することにより、医療教育の一環として乳癌検査のトレーニングや、実際の患者への病状説明に利用できる。
　また、上述した本発明の３次元造形モデル作製方法におけるテーブル作成ステップにおいて、生体部位が四肢部の場合、内部構造部位として、四肢・関節を構成する皮膚、皮下脂肪、動脈、静脈、筋肉、骨、腱から選択された１以上の部位に、内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われる。
　皮膚、内部の皮下脂肪や血管の柔らかさの感触を再現することにより、医師や看護師等の注射、採血のトレーニングに利用できる。
　また、作製したものは、義手や義足として利用できる。
　また、上述した本発明の３次元造形モデル作製方法におけるテーブル作成ステップにおいて、生体部位が咽喉部の場合、内部構造部位として、食道、気管、軟骨から選択された１以上の部位に、内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われる。
　食道、気管の形状と感触を再現することにより、肺炎患者等に対する医師や看護師等の吸引チューブの挿入のトレーニングに利用できる。
　また、上述した本発明の３次元造形モデル作製方法におけるテーブル作成ステップにおいて、生体部位が顔面部の場合、内部構造部位として、皮膚、皮下脂肪、筋肉、軟骨、骨、血管から選択された１以上の部位に、内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われる。
　顔の美容整形内容の整形手術前の確認に利用できる。
　上述した本発明の３次元造形モデル作製方法におけるテーブル作成ステップにおいて、生体部位が歯と歯茎の場合、内部構造部位として、歯、歯肉、歯槽骨、血管、神経、顎の骨、顎の筋肉、舌から選択された１以上の部位に、内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われる。
　上述した本発明の３次元造形モデル作製方法におけるテーブル作成ステップにおいて、生体部位が消化管の場合、内部構造部位として、消化管の内壁あるいは外壁に、内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われる。
　また、上述した本発明の３次元造形モデル作製方法におけるテーブル作成ステップにおいて、生体部位が頭部の場合、内部構造部位として、毛髪、眼球、脳、脳の血管、皮膚、皮下脂肪、筋肉、耳の軟骨、鼻の軟骨、頭蓋骨から選択された１以上の部位に、内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われる。
　顔の美容整形内容の整形手術前の確認に利用できる。
　また、本発明の他の観点からは、上述の３次元造形モデル作製方法によって得られた３次元造形モデルを所定の厚さでスライスしたもの、或いは、スライスしたものを元の３次元形状となるように積層し、軸を通して軸周りに回動自在とした医療・医学・研究・教育用支援ツールが提供される。
　作製した３次元造形モデルをスライスした個々のパーツを重ねたものにすることで、全体形状と断面構造を同時に把握でき、診療支援や医療教育ツールとして有用である。
　また、本発明の他の観点からは、医用診断装置により得られた２次元データの輝度情報から造形対象の生体部位の３次元形状を抽出し、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップと、モデリング機能により前記３次元形状データを編集する形状データ編集ステップと、生体部位と内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材種別及び配合比率を定義し感触等価パラメータテーブルに追加する素材種別定義ステップと、素材種別定義ステップにより定義された素材を用いて３次元プリンタにより造形する造形ステップと、を備え、モデル材として少なくとも２種類の素材を用いる３次元プリンタを用いた３次元造形モデルの作製方法によって得られた３次元造形モデルを、所定の厚さでスライスしたものを元の３次元形状となるように積層し、軸を通して軸周りに回動自在とした医療・医学・研究・教育用支援ツールが提供される。
　作製した３次元造形モデルをスライスした個々のパーツを重ねたものにすることで、全体形状と断面構造を同時に把握でき、診療支援や医療教育ツールとして有用である。
　次に、本発明の３次元造形モデル作製プログラムについて説明する。
　本発明の３次元造形モデル作製プログラムは、少なくとも２種類のモデル材として素材を用いる３次元プリンタを用いて、３次元造形モデルを作製するプログラムであって、コンピュータに、下記ａ）～ｅ）の手順を実行させるものである。
ａ）医用診断装置により得られた２次元データの輝度情報から造形対象の生体部位の３次元形状を抽出し、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを生成する形状データ作成手順
ｂ）モデリング機能により３次元形状データを編集する形状データ編集手順
ｃ）生体部位および内部構造部位に対して、それぞれプリミティブ形状を指定する内部構造パターンとパターンサイズとパターン間隔を少なくともパラメータとして含む感触等価パラメータの入力を促し感触等価パラメータテーブルを生成するテーブル作成手順
ｄ）生体部位と内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材種別及び配合比率の入力を促し感触等価パラメータテーブルに追加定義する素材種別定義手順
ｅ）感触等価パラメータテーブルのパラメータからプリミティブ形状データを生成し、データ編集手順により得られた生体部位および内部構造部位の部位データと、プリミティブ形状データとの論理和，論理差，論理積のいずれかのブーリアン演算を行うブーリアン演算手順
　上記ａ）～ｅ）の手順をコンピュータに実行させることにより、医用診断装置により得られた画像データを活用して、感触が近似している造形モデルの造形データを作製することができる。上記ｅ）のブーリアン演算手順により得られた生体部位および内部構造部位の３次元形状データと、上記ｄ）の素材種別定義手順により定義された素材情報を、３次元プリンタにデータ送信することにより、３次元プリンタで感触が近似している３次元造形モデルを作製可能になる。
　本発明によれば、モデル材として少なくとも２種類の素材を用いる３次元プリンタを用いて、医師などの専門家が有している臓器などの感触と等価な造形モデルを作製することができる。
　これにより、例えば診療業務において、臓器の３次元造形モデルを参照し病態を３次元的に評価して、診断・治療方針決定および治療効果の判定に活用できる。特に、手術前後の切除部位決定や術式の立案の一助として利用できる。また手術を初めとした診断治療手技の修練に有効利用できる。また臓器移植においては、代替臓器として容量依存性のある手技に応用できる。患者や家族への説明にも活用できる。
　また、実際の外科手術の現場では、手術を行う部位は血液や他の臓器の影響により視野が塞がれることから、触感や経験に頼るケースが多くなる。かかる場合に、患者の部位そのものの形状と触感を再現した３次元造形モデルを準備し、医師が造形モデルを目視で確認し治療部位の形状とその触感を確認したのち、実際の患者に対して治療手技を施すことで安心して手技が行える。
　さらに、医学教育の方面では、本発明により作製された３次元造形モデルを実際に手にとって臓器の立体構造やその感触を理解でき、特に感触を疑似体験できる。
本発明の３次元造形モデル作製方法のフロー図 実施例１の３次元造形モデル作製装置の構造図 実施例１の３次元造形モデル作製方法のフロー図 実施例１の３次元造形モデル作製装置に搭載されるプログラムの説明図 ３次元造形モデルの一例 肝臓の３次元造形モデルの感触等価パラメータテーブルの説明図 骨の３次元造形モデルの感触等価パラメータテーブルの説明図 骨の３次元造形モデルの一例 筋肉の３次元造形モデルの一例 医療・医学・研究・教育用支援ツールの外観図 肝臓モデルの外観図 妊婦の腹部モデルの外観図 顔面部モデルおよび上半身の外観図（１） 顔面部モデルおよび上半身の外観図（２） 骨モデルの説明図
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
　図１は、本発明の３次元造形モデル作製方法のフローについて示している。図１に示すように、本発明の３次元造形モデル作製方法は以下のステップ１～ステップ６の中のＳ１～Ｓ８を行う。ここで、Ｓ２～Ｓ３は３次元形状の視覚化のための設定を行うものであり、Ｓ４～Ｓ７は感触等価のための設定を行うものである。
＜ステップ１：形状データ作成ステップ１１＞
（Ｓ１）医用診断装置の２次元データの輝度情報から造形対の３次元形状を抽出する。
　ＣＴ或いはＭＲＩ装置からＤＩＣＯＭフォーマットの輝度情報を含む断層画像のドット情報を取得し、それらの断層画像を積層して造形対象の生体部位の３次元形状を抽出する。
（Ｓ２）生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを作成する。
　市販されている３次元画像ＣＡＤソフトウェアを利用して、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを、パッチ面向きの調整、不要シェルの削除、隙間の補完、パッチの間引き、輪郭形状のスムージング処理などを行って、ＳＴＬデータ形式でデータを作成する。
＜ステップ２：形状データ編集ステップ１２＞
（Ｓ３）モデリング機能により３次元形状データを編集する。
　市販されている３次元画像ＣＡＤソフトウェアを利用して、文字・記号の追加により、患者等の個人情報や撮影日などを文字情報として３次元形状データに付加する。マーキング符号の追加により、診療方針の決定などに有用な情報を３次元形状データに付加する。スケーラの追加により、実際の手術の際に役立つ情報を３次元形状データに付加する。バーコードの追加により、患者情報を３次元形状データに付加する。
＜ステップ３：テーブル作成ステップ１３＞
（Ｓ４）生体部位・内部構造部位毎に感触等価パラメータテーブルを作成する。
　市販の表作成ソフトウェアを利用して、感触等価パラメータテーブルを作成する。感触等価パラメータテーブルは、プリミティブ形状を指定する内部構造パターン定義と、パターンサイズ定義と、パターン間隔定義を定義する。内部構造パターンはいくつかのパターンが事前に用意されており、それをユーザーがパターン番号などで選択する。
＜ステップ４：素材種別定義ステップ１４＞
（Ｓ５）生体部位・内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材種別及び配合比率を定義する。
　また、モデル材に用いる素材として樹脂を用いる場合は、色、光透過性、高軟質性、Ｘ線透過性、超音波の感受性、シンチレーションの感受性、熱線の感受性、導電性などのパラメータを制御できるような多種多様の樹脂から選択できる。また、サポート材も造形用のモデル材として利用できる。
　モデル材として２種類の樹脂を同時噴射できる場合、モデル材の樹脂を２つ選択すると共に、それらの配合比率（例えば、樹脂Ａ：樹脂Ｂ＝１：３）を定義する。
＜ステップ５：ブーリアン演算ステップ１５＞
（Ｓ６）感触等価パラメータテーブルのパラメータからプリミティブ形状データを生成する。
　感触等価パラメータテーブル情報から、プリミティブ形状を決定する。プリミティブ形状はモデル材で形を作るものと、モデル材で形成されるものではなく、サポート材で形を作るものや、サポート材を除去することによりモデル形状からプリミティブ形状を抜き去るものがある。
（Ｓ７）生体部位・内部構造部位の部位データとプリミティブ形状データとのブーリアン演算を行う。
　モデル材またはサポート材で作成された部位データに対して、プリミティブ形状を加えたり、抜き去りしたりする。
＜ステップ６：造形ステップ１６＞
（Ｓ８）定義された素材を用いて３次元プリンタにより造形する。
　市販されている３次元プリンタを活用して３次元造形モデルを作製する。例えば、３次元プリンタとして、ＯＢＪＥＴ社製の３次元プリンタを用いることができる。目的とする３次元造形モデルの内部構造のそれぞれの３次元形状データと定義された素材を用いて、３次元プリンタにより造形する。
　図２は実施例１の３次元造形モデル作製装置の構造図を示している。図２に示されるように、３次元造形モデル作製装置はＣＰＵ１，メモリ３，表示部６、入力部５、ＨＤＤ７を備える一般的なコンピュータである。具体的には、入力部５はキーボードとマウスであり、表示部６は液晶ディスプレイである。メモリ３はデータを記憶するものであり、３次元形状データなどのＣＡＤデータ記憶部３１と、ブーリアン演算で用いるプリミティブ形状データ記憶部３２と、感触等価パラメータ記憶部３３を備える。３次元形状モデル設計２はプログラム自体のことであり、ＨＤＤ７からメモリ３上に読みだしてコンピュータが実行するものである。
　３次元形状モデル設計２には、表示部６を介してユーザーに樹脂種別の入力を促す樹脂種別入力部２１と、感触等価パラメータテーブルの構成要素である内部構成パラメータの入力を促す内部構成パラメータ入力部２２と、ブーリアン演算を行うブーリアン演算部２３がある。
　図３は実施例１の３次元造形モデル作製方法のフローを示している。
　図３に示すように、３次元造形モデル作製方法のフローは、可視化部分の設定（Ｓ１２～Ｓ１４）と感触近似部分の設定（Ｓ２１～Ｓ２３）の２段の構成になっており、それらは並行して行う。
　まず、ＣＴ／ＭＲＩ装置の出力データ（ＤＩＣＯＭデータ）の輝度情報から、造形対象の生体部位の三次元形状を抽出しデータ化する（Ｓ１１）。そして、可視化部分の設定として、人体部位とその内部器官毎にＳＴＬデータを作成する（Ｓ１２）。ＳＴＬデータを修正する（Ｓ１３）。モデリング機能によりＳＴＬデータを編集する（Ｓ１４）。図３のフローの場合、Ｓ１３とＳ１４は両方実施する。なお、Ｓ１３を省略してＳ１４だけを実施してもかまわない
　また、感触近似部分の設定として、生体部位と内部構造毎に内部構造を感触等価パラメータテーブルに内部構造パターン，パターンサイズ，パターン間隔を定義する（Ｓ２１）。生体部位とその内部器官毎に造形に用いる樹脂種別と配合比率を感触等価パラメータテーブル定義する（Ｓ２２）。
　これら可視化部分の設定と感触近似部分の設定が終了すると、ブーリアン演算（Ｓ２３）を行う。このブーリアン演算後の３次元形状データを３次元プリンタに送り３次元造形モデルを造形する（Ｓ１５）。
　また、図４は実施例１の３次元造形モデル作製装置に搭載されるプログラムの処理フローの説明図である。
　ＣＴ又はＭＲＩ装置（ＣＴ／ＭＲＩ装置４１）からＤＩＣＯＭデータ４２を取り込む。形状データ作成手順（Ｓ４１）によりコンピュータ内部のＨＤＤにＳＴＬデータのファイルとして保存する。市販の３次元形状ソフトでＳＴＬデータを読み込んでモデリング機能などで形状データを編集する（形状データ編集手順：Ｓ４２）。
　また、これらの作業に続いて、もしくは、これらの作業と並行して、コンピュータ端末にて市販の表作成ソフト４５を用いて、感触等価パラメータテーブルを作成する（テーブル作成手順：Ｓ４３）。また、樹脂種別と配合比率をテーブルとして入力する（樹脂種別定義手順：Ｓ４４）。Ｓ４３とＳ４４の手順によって、感触等価パラメータのデータベース（Ｄ／Ｂ）が作成される。そして、ブーリアン演算手順によって目的とする３次元造形モデルを作製する。
　図５は３次元造形モデルの一例を示している。図５（１）は、肝臓の３次元造形モデルの一部を拡大したものである。患者情報の標準文字・記号５１が描かれている。また、図５（２）は、３次元造形モデルの内部にスケーラ５２が埋め込まれた様子を示している。スケーラのような寸法表記以外に、バーコード情報を埋め込んでもよい。
　図６は肝臓の３次元造形モデルの感触等価パラメータテーブルの説明図である。図６（１）は正常な肝臓の３次元造形モデルに必要とされる内部構成パラメータの一例を表形式で示したものである。また図６（２）は肝臓の断面図の３次元造形モデルに必要とされる内部構成パラメータの一例を表形式で示したものである。図６（３）は肝臓癌の３次元造形モデルに必要とされる内部構成パラメータの一例を表形式で示したものである。
　図６（１）のテーブル情報によれば、肝臓の内部構造として肝実質と肝静脈と門脈が、樹脂Ａと樹脂Ｂの２種類を用いて３次元造形モデル化されることが示されている。肝実質と肝静脈と門脈は、樹脂Ａと樹脂Ｂのいずれか、若しくは、樹脂Ａと樹脂Ｂを配合させた樹脂で造形される。具体的には、肝実質は樹脂Ａ（樹脂Ａと樹脂Ｂが１対０で配合）で造形され、肝静脈は樹脂Ｂ（樹脂Ａと樹脂Ｂが０対１で配合）で造形され、門脈は樹脂Ａと樹脂Ｂを３対１で配合した複合樹脂で造形される。肝実質と肝静脈と門脈の３次元形状の論理和のブーリアン演算を行うことにより、肝臓モデルが作製できる。
　また、それぞれの内部構造は、図６（１）に示す内部構造パターン、パターンサイズ、パターン間隔をパラメータとして持っている。例えば、肝実質は、一辺１．５ｍｍの立方体が０．５ｍｍ間隔で存在する内部構造パターンを有している。この内部構造パターンと肝実質の３次元形状との論理和あるいは論理差のブーリアン演算を行うことにより、実物に感触が近似したものが作製される。論理和のブーリアン演算の場合、内部構造パターンの樹脂としてモデル材が用いられる。論理差のブーリアン演算の場合、内部構造パターンの樹脂としてサポート材が用いられる。
　図６（２）のテーブル情報は、図６（１）のテーブル情報と同じである。図６（２）の場合、肝臓の断面図の３次元造形モデルであり、断面部分から内部構造を詳細に観測できるものである。内部構造の各造形モデルは断面部分で外部に露出しているため、全てモデル材を用いて造形する。例えばサポート材を素材として造形することはできない。
　図６（３）のテーブル情報によれば、図６（１）のテーブル情報に加えて、更に、病変部位としての癌部の情報が追加されている。図６（３）のテーブル情報によれば、癌部の素材としてサポート材が用いられる。癌部の周囲全体が肝実質で囲まれていることから、サポート材を用いて癌部の造形を行えるのである。
　図７は骨の３次元造形モデルの感触等価パラメータテーブルの説明図である。また、図８と図９は、それぞれ骨と筋肉の３次元造形モデルの一例を示している。
　図７（１）（ａ）は正常の骨の造形モデルの画像を示している。また、図７（１）（ｂ）の表は、正常の骨の造形モデルの感触等価パラメータテーブルの一例を示している。図７（１）（ｂ）によれば、内部構造パターンとしてプリミティブ形状の立方体を定義している。パターンサイズは１．５ｍｍで、パターン間隔は１ｍｍである。使用する樹脂は、樹脂Ａと樹脂Ｂを１対１に配合した樹脂である。
　この場合、生体部位である骨自体の形状を樹脂Ａと樹脂Ｂを１対１に配合した樹脂で構成し、プリミティブ形状の立方体との論理差をとって、立方体を抜き去ることで骨の硬さと等価な造形モデルを作製する。ここで、パターンサイズは立方体の１辺の長さとなる。またパターン間隔は立方体の側面と側面の間隔になる。
　また図７（２）（ｃ）は骨粗鬆症の骨の造形モデルの画像を示している。また、図７（２）（ｄ）の表は、骨粗鬆症の骨の造形モデルの感触等価パラメータテーブルの一例を示している。図７（２）（ｄ）によれば、内部構造パターンとしてプリミティブ形状の立方体を定義している。パターンサイズは４ｍｍで、パターン間隔は０．５ｍｍである。使用する樹脂は、樹脂Ａと樹脂Ｂを１対１に配合した樹脂である。
　この場合、生体部位である骨自体の形状を樹脂Ａと樹脂Ｂを１対１に配合した樹脂で構成し、プリミティブ形状の立方体との論理差をとって、立方体を抜き去ることで骨の硬さと等価な造形モデルを作製する。ここで、パターンサイズは立方体の１辺の長さとなる。またパターン間隔は立方体の側面と側面の間隔になる。
　骨粗鬆症の骨の造形モデルは、正常の骨の造形モデルと比べて、抜き去るプリミティブ形状の体積が大きく、かつ、隙間が大きくなることで、硬さを調節する。
　図８は、骨モデル６１の長手方向と直交する断面（図８（２））と内部構造の概念図（図８（３））を示している。骨モデル６１の断面図は、樹脂Ｃだけで形成した断面の様子（図８（２）（ａ））と、プリミティブ形状のサイズを変えて論理差をとった断面の様子（図８（２）（ｂ）～（ｄ））を示している。この場合、プリミティブ形状に素材が定義されないと、サポート材で造形されることになり、モデル材が硬化後にサポート材が抜き去られ、結果、プリミティブ形状のサイズ分だけ抜き去られることになる。従って、図８（２）（ａ）から図８（２）（ｄ）に変化するに従って、骨モデルの硬さがもろくなっていく。
　図９は、筋肉モデル６２の長手方向と直交する断面（図９（２））と内部構造の概念図（図９（３））を示している。筋肉モデル６２の断面図は、サポート材だけで形成した断面の様子（図９（２）（ａ））と、サポート材よりも硬い樹脂Ｃで構成されるプリミティブ形状のパターン間隔を変えて論理和をとった断面の様子（図９（２）（ｂ）～（ｄ））を示している。図９（２）（ａ）が最も柔軟度が高く、図９（２）（ｂ）から図９（２）（ｄ）に変化するにつれて、プリミティブ形状の構造パターンが多くなり、筋肉モデルが硬くなっていく。
　図１０に医療・医学・研究・教育用支援ツールの外観図を示す。本発明の３次元造形モデル作製方法によって得られた人体の胴回りから胸回りの３次元造形モデルを所定の厚さでスライスしたもの７３である。背骨や肺の断面が確認できる。これを元の３次元形状となるように積層物７０とし、背骨に相当する軸７１を通して軸７１周りに回動自在とする。これにより全体形状と断面構造を同時に把握でき、診療支援や医療教育ツールに活用できる。
　図１１は、肝臓モデルの外観図を示している。形状全体は肝実質８０であり、肝実質８０は透光性樹脂で作製されている。肝実質８０の内部に肝静脈などの内部構造の形状が確認できる。肝実質８０のモデル材として軟質の透光性樹脂を用い、さらに肝実質８０を実物の感触に近似させるように、感触等価パラメータに従って肝実質８０の内部に内部構造パターンを設けている。
　また、図１２は、妊婦の腹部モデルの外観図である。形状全体は妊婦の腹部を切り出した形状を呈している。妊婦の腹部９１を透光性樹脂で作製している。このモデルによれば、妊婦の腹部９１と、その内部に胎児９２が居る様子が確認できる。胎児の様子に関して、その形状、大きさ、向き、手足の様子、腹部の形状における位置関係が一目でわかる。
　妊婦の腹部９１のモデル材として軟質の透光性樹脂を用い、さらに妊婦の腹部９１を実物の感触に近似させるように、感触等価パラメータに従って妊婦の腹部９１の内部に内部構造パターンを設けている。また、胎児９２についても、実物の感触に近似させるように、感触等価パラメータに従って胎児９２の内部に内部構造パターンを設けている。
　図１３と図１４は、顔面部モデルおよび上半身の外観図を示している。１０１は頭蓋骨であり、１０２は耳の軟骨であり、１０３は鼻の軟骨であり、１０４は上腕骨であり、１０５は心臓である。その他、肋骨、胸骨、他の骨、歯、肺などが確認できる。頭部から上半身、上腕部にかけて、全体の皮膚および耳と鼻の軟骨部分を透明の樹脂で造形している。また、内部構造の頭蓋骨や肋骨、胸骨などの骨を硬質性樹脂で造形している。また、心臓は軟質性の樹脂で造形している。それぞれの造形モデルは、実物の感触に近似させるように、それぞれの感触等価パラメータに従って、内部にそれぞれの内部構造パターンを設けている。
　図１５は、骨モデルの説明図である。図１５に示す骨モデルは、骨の表面である皮質骨部分１１０とその内部である海綿骨部分（１１２，１１４）に分かれた内部構造をしている。海綿骨部分は、海綿骨表面部分１１２（皮質骨と隣接する所定厚み部分）と海綿骨内部１１４に分かれる。皮質骨部分１１０は硬質性樹脂で造形する。皮質骨部分１１０の堅さを実物の感触に近似させるように、感触等価パラメータに従って、内部に内部構造パターンを設けている。海綿骨表面１１２は、皮質骨部分１１０の堅さと若干相違する。この堅さの相違について実物の感触に近似させるように、感触等価パラメータに従って、海綿骨表面部分１１２に皮質骨部分１１０と異なる内部構造パターンを設けている。また、海綿骨内部１１４は最も脆くなっており、この脆さを実物の感触に近似させるように、感触等価パラメータに従って、内部構造パターンを設けている。図１５（ｂ）に示すように、海綿骨内部１１４では、内部構造パターンのプリミティブ形状が取り除かれた格子状になっている。
　現在、本発明により作製される３次元造形モデルを用いることにより、医療現場における手技の短縮時間などを大学付属病院と連携して検証している。骨盤骨折におけるインプラント接合の手技に関して、５例程度の評価を実施したところ、通常６～７ｈｒ程度要する手技が、５～６ｈｒに短縮（すわなち、１ｈｒの短縮）が可能であることが示されている。手技時間が短縮されることにより、患者の負担が軽減され、また術後の回復も早いことが期待できる。今後、様々な医療現場において、本発明により作製される３次元造形モデルが活用されていくであろう。
　本発明により作製される３次元造形モデルは、インフォームドコンセント、
診療方針の決定、診療支援や医療教育や医学研究や一般教育の支援ツールとして有用である。感触を疑似体験できることから解剖学や外科学の教材としても有用である。例えば、血管と実質臓器をゴムライクな軟性樹脂で造形したものは、立体解剖を手にとって把握することができる支援ツールだけでなく、ラパロ用手術トレーニングボックス内に設置することで鏡視下手技のトレーニングに最適なシミュレーターとして有用である。
　　１１　形状データ作成ステップ
　　１２　形状データ編集ステップ
　　１３　テーブル作成ステップ
　　１４　素材種別定義ステップ
　　１５　ブーリアン演算ステップ
　　１６　造形ステップ
　　５１　標準文字・記号
　　５２　スケーラ
　　６１　骨モデル
　　６２　筋肉モデル
　　７０　積層物
　　７１　軸
　　７３　所定の厚さでスライスしたもの
　　８０　肝実質
　　９１　妊婦の腹部
　　９２　胎児
　　１０１　頭蓋骨
　　１０２　耳の軟骨
　　１０３　鼻の軟骨
　　１０４　上腕骨
　　１０５　心臓
　　１１０　皮質骨部分
　　１１２　海綿骨表面部分
　　１１４　海綿骨内部
 

Claims (20)

  1. 　モデル材として少なくとも２種類の素材を用いる３次元プリンタを用いて、３次元造形モデルを作製する方法であって、
    １）医用診断装置により得られた２次元データの輝度情報から造形対象の生体部位の３次元形状を抽出し、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップと、
    ２）モデリング機能により生体部位とその内部構造部位の前記３次元形状データを編集する形状データ編集ステップと、
    ３）前記生体部位および前記内部構造部位に対して、それぞれプリミティブ形状を指定する内部構造パターンとパターンサイズとパターン間隔を少なくともパラメータとして含む感触等価パラメータテーブルを作成するテーブル作成ステップと、
    ４）前記生体部位と前記内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材種別及び配合比率を定義し前記感触等価パラメータテーブルに追加する素材種別定義ステップと、
    ５）前記感触等価パラメータテーブルのパラメータからプリミティブ形状データを生成し、前記データ編集ステップにより得られた生体部位および内部構造部位の部位データと、前記プリミティブ形状データとの論理和，論理差，論理積のいずれかのブーリアン演算を行うブーリアン演算ステップと、
    ６）前記ブーリアン演算ステップにより得られた生体部位および内部構造部位の３次元形状データに基づき、前記素材種別定義ステップにより定義された素材を用いて、前記３次元プリンタにより造形する造形ステップと、
    　を少なくとも備えた３次元造形モデル作製方法。
  2. 　前記モデル材は、少なくとも１種が透光性素材から成ることを特徴とする請求項１に記載の３次元造形モデル作製方法。
  3. 　前記形状データ編集ステップは、文字・記号の追加処理、マーキング符号の追加処理、スケーラの追加処理、バーコードの追加処理の少なくとも何れかが含まれることを特徴とする請求項１に記載の３次元造形モデル作製方法。
  4. 　前記形状データ作成ステップにおいて、前記内部構造部位の３次元形状サイズを前記生体部位の内部構造部位の体積よりも縮小させることを特徴とする請求項１に記載の３次元造形モデル作製方法。
  5. 　生体部位および内部構造部位の少なくとも１つに軟質性の感触を付与させる場合、前記ブーリアン演算ステップにおいて、
    　第１軟質性素材が定義された部位データと、第２軟質性素材が定義されたプリミティブ形状データとの論理和を行う、
    　若しくは、
    　第１軟質性素材が定義された部位データと、素材が定義されないプリミティブ形状データとの論理差を行う、
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  6. 　生体部位および内部構造部位の少なくとも１つに硬質性の感触を付与させる場合、前記ブーリアン演算ステップにおいて、
    　第１硬質性素材が定義された部位データと、第２硬質性素材が定義されたプリミティブ形状データとの論理和を行う、
    　若しくは、
    　第１硬質性素材が定義された部位データと、素材が定義されないプリミティブ形状データとの論理差を行う、
    ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  7. 　生体部位および内部構造部位の少なくとも１つに硬質性の感触を付与させる場合、前記ブーリアン演算ステップにおいて、第１硬質性素材が定義された部位データと、第１軟質性素材が定義されたプリミティブ形状データとの論理和、若しくは論理差を行うことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  8. 　前記テーブル作成ステップにおいて、前記生体部位が肝臓の場合、前記内部構造部位として、肝実質、肝静脈、門脈、たん管、病変部位から選択された１以上の部位に、前記内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  9. 　前記テーブル作成ステップにおいて、前記生体部位が妊婦の腹部の場合、前記内部構造部位として、子宮、胎児、臍帯（へその緒）、胎盤、羊水、血管、皮下脂肪から選択された１以上の部位に、前記内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  10. 　前記テーブル作成ステップにおいて、前記生体部位が乳房部の場合、前記内部構造部位として、皮下脂肪、乳腺、乳管、リンパ管、リンパ節、乳癌部位から選択された１以上の部位に、前記内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  11. 　前記テーブル作成ステップにおいて、前記生体部位が四肢部の場合、前記内部構造部位として、四肢・関節を構成する皮膚、皮下脂肪、動脈、静脈、筋肉、骨、腱から選択された１以上の部位に、前記内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  12. 　前記テーブル作成ステップにおいて、前記生体部位が咽喉部の場合、前記内部構造部位として、食道、気管、軟骨から選択された１以上の部位に、前記内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  13. 　前記テーブル作成ステップにおいて、前記生体部位が顔面部の場合、前記内部構造部位として、皮膚、皮下脂肪、筋肉、軟骨、骨、血管から選択された１以上の部位に、前記内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  14. 　前記テーブル作成ステップにおいて、前記生体部位が歯と歯茎の場合、前記内部構造部位として、歯、歯肉、歯槽骨、血管、神経、顎の骨、顎の筋肉、舌から選択された１以上の部位に、前記内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  15. 　前記テーブル作成ステップにおいて、前記生体部位が消化管の場合、前記内部構造部位として、消化管の内壁あるいは外壁に、前記内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  16. 　前記テーブル作成ステップにおいて、前記生体部位が頭部の場合、前記内部構造部位として、毛髪、眼球、脳、脳の血管、皮膚、皮下脂肪、筋肉、耳の軟骨、鼻の軟骨、頭蓋骨から選択された１以上の部位に、前記内部構造パターン定義とパターンサイズ定義とパターン間隔定義が行われることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の３次元造形モデル作製方法。
  17. 　請求項１～３のいずれかの３次元造形モデル作製方法によって得られた３次元造形モデルを所定の厚さでスライスしたことを特徴とする医療・医学・研究・教育用支援ツール。
  18. 　請求項１～３のいずれかの３次元造形モデル作製方法によって得られた３次元造形モデルを所定の厚さでスライスしたものを元の３次元形状となるように積層し、軸を通して軸周りに回動自在としたことを特徴とする医療・医学・研究・教育用支援ツール。
  19. 　医用診断装置により得られた２次元データの輝度情報から造形対象の生体部位の３次元形状を抽出し、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップと、
    　モデリング機能により前記３次元形状データを編集する形状データ編集ステップと、
    　前記生体部位と前記内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材種別及び配合比率を定義し前記感触等価パラメータテーブルに追加する素材種別定義ステップと、
    　前記素材種別定義ステップにより定義された素材を用いて前記３次元プリンタにより造形する造形ステップと、
    　を備え、モデル材として少なくとも２種類の素材を用いる３次元プリンタを用いた３次元造形モデルの作製方法によって得られた３次元造形モデルを、所定の厚さでスライスしたものを元の３次元形状となるように積層し、軸を通して軸周りに回動自在としたことを特徴とする医療・医学・研究・教育用支援ツール。
  20. 　モデル材として少なくとも２種類の素材を用いる３次元プリンタを用いて、３次元造形モデルを作製するプログラムであって、
    　コンピュータに、
    　医用診断装置により得られた２次元データの輝度情報から造形対象の生体部位の３次元形状を抽出し、生体部位とその内部構造部位の３次元形状データを生成する形状データ作成手順と、
    　モデリング機能により前記３次元形状データを編集する形状データ編集手順と、
    　前記生体部位および前記内部構造部位に対して、それぞれプリミティブ形状を指定する内部構造パターンとパターンサイズとパターン間隔を少なくともパラメータとして含む感触等価パラメータの入力を促し感触等価パラメータテーブルを生成するテーブル作成手順と、
    　前記生体部位と前記内部構造部位毎に造形に用いるモデル材の素材種別及び配合比率の入力を促し前記感触等価パラメータテーブルに追加定義する素材種別定義手順と、
    　前記感触等価パラメータテーブルのパラメータからプリミティブ形状データを生成し、前記データ編集手順により得られた生体部位および内部構造部位の部位データと、前記プリミティブ形状データとの論理和，論理差，論理積のいずれかのブーリアン演算を行うブーリアン演算手順と、
    　を実行させるための３次元造形モデル作製プログラム。
     
     
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