JPH0511689A - 内臓または器官類の立体モデル製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生体の器官や内蔵の内部構造まで実物と実質
的に同じ構造の三次元立体モデルの製造方法を提供する
こと。 【構成】 内蔵または器官類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立体モデルを造形す
ることを特徴とする内臓または器官類の立体モデル製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人体等の生体内部の臓
器や器官類の立体モデル製造方法に関し、さらに詳しく
は、内部構造を含めて内臓や器官類の実物と実質的に同
じ構造の立体モデルを光学的造形法により製造する方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、医療機器の分野において、ＣＴ
（ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔｏｍｏｇｒｐｈｙ）や超音波診
断装置等が人体内蔵や器官類の疾病、あるいは妊娠等の
検査・診断の分野で一般的に用いられるようになってい
る。

【０００３】これらの診断装置によれば、人体に対する
侵襲が少ないか、あるいは無侵襲で診断ができる。しか
も、従来の単純なＸ線撮影では、撮影部位のＸ線方向の
すべての組織や器官が重なった状態で１枚のフィルムに
示されるが、Ｘ線ＣＴ装置や超音波診断装置等では、二
次元の断層像を得ることができるため、より有益な検査
情報が得られるようになった。

【０００４】ところで、例えば、手術をする場合には、
病巣や器官の位置関係を知ることが重要である。また、
放射線治療では、立体の病巣全体に照射する必要があ
る。しかしながら、これらの装置を用いた従来のスキャ
ン方式等では、断層構造の情報は二次元的にしか得られ
ず、測定目標である患部等が他の内臓や器官とどのよう
な位置関係にあるのかを医師が認識するのは困難であっ
た。そこで、複数枚のＣＴ像を撮影して三次元としてと
らえたり、あるいは三次元画像表示により手術箇所と他
の部位との位置関係を把握する方式が試みられている
が、いまだ不充分である。

【０００５】最近、この問題を解決するために、上記断
層撮影方法で得られた断層面の二次元情報を立体情報に
再解析して、その再解析した情報を基に直線移動式立体
ディスプレーを用いて立体画像を映し出すという画期的
方法が提案されている（特開昭６１−２１２８８５号、
特開平１−１９０１９３号）この方法によれば、二次元
の画像情報を基にして、実物と相似な三次元立体モデル
を視覚的に認識することができる。

【０００６】しかしながら、例えば、肝臓癌等の患部摘
出手術においては、患部が血管と近接しているため、そ
れらの位置関係を正確に把握しなければ、致命的となる
場合がある。また、病巣の転移を引き起こさないよう
に、患部の切除手術を行なうことが手術成功の大きな要
因となる。そこで、三次元画像で認識される情報に加え
て、その患部（内蔵組織、器官などを含む）と等しい構
造の実物モデルが造形できるならば、患部位置の認識を
より正確に行なうことができるのみならず、手術のシミ
ュレーションができるため、手術成功の確率を高めるこ
とができる。

【０００７】このように、内蔵や器官類の正確な三次元
モデルの形成システムが確立できるならば、病巣などの
体内各部の障害除去のための施術を問題なく迅速に行な
うことが可能となる。このような三次元モデル形成シス
テムは、肝臓癌等の摘出手術だけではなく、例えば、虫
歯や口腔障害部位の切除等の手術手順が複雑な分野でも
利用されるならば、手術成功の確率を高めるために大い
に有効である。しかしながら、従来、正確かつ迅速に人
体等の生体内部組織の三次元モデルを製造する方法につ
いては提案されていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、生体
の器官や内蔵の内部構造まで実物と実質的に同じ構造の
三次元立体モデルの製造方法を提供することにある。ま
た、本発明の目的は、痛みや人体への影響を与えること
なく、無侵襲で、内臓または器官類の立体モデルを製造
する方法を提供することにある。

【０００９】本発明者らは、鋭意研究した結果、各種Ｃ
Ｔ装置や超音波診断装置などの無侵襲で内蔵や器官類の
断層形状を測定できる装置を用いて得られた二次元断層
画像をデータとして、光学的造形法により正確な立体モ
デルを製造できることを見出し、その知見に基づいて本
発明を完成するに至った。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かくして、本発明によれ
ば、内蔵または器官類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立体モデルを造形すること
を特徴とする内臓または器官類の立体モデル製造方法が
提供される。

【００１１】以下、本発明について詳述する。本発明の
内臓または器官類の立体モデル製造方法は、具体的に
は、以下のような工程を含むものである。先ず、ＣＴ装
置や超音波診断装置などを用いて、患者もしくは対象と
なる人体の断層面での形状情報を得る。

【００１２】ＣＴ装置としては、Ｘ線ＣＴ装置や核磁気
共鳴ＣＴ装置などが挙げられる。ＣＴにおいては、人体
などの断層像を、Ｘ線などの検出手段を用いて、被検体
のまわりの各回転位置での投影情報をディジタル化して
コンピュータにより処理し、人体の輪切りの断層像を得
ている。

【００１３】超音波診断装置としては、パルス超音波を
利用した装置や高速走査超音波診断装置などがある。例
えば、超音波ビームを走査させながら、超音波パルスを
振動子から発射すると、音響インピーダンスの異なる組
織間の境界からの微弱な反射信号（エコー）が振動子に
戻ってくるが、このエコーを増幅して、波形で表示した
り、輝度変調して画像として表示する方式などがある。
本発明で用いる超音波診断装置は、その解像度が優れた
ものが好ましい。周波数の高いものは、得られる画像は
鮮明となるが、その透過長さが短くなる。したがって、
対象とする部分が皮膚から近い位置にあるような場合は
高周波数のものを用い、体全体を映さなくてはならない
ような場合には低周波数のものを用いることが好まし
い。

【００１４】Ｘ線ＣＴや超音波診断などの画像診断装置
では、各種センサによって得られた画像情報がディジタ
ル信号として記録され、画像処理を経てビデオ信号化さ
れて表示されている。例えば、超音波センサにより入力
された断層データは、通常、テレビジョンでモニターし
ながらビデオテープに録画される。この画像データはビ
デオ信号の形でコンピュータ内のビデオメモリーに蓄積
される。

【００１５】ビデオメモリーに蓄積された画像は、コン
ピュータのディスプレーに表示されると共に、専門家に
より内臓壁、血管、癌等の患部細胞に帰属される。この
帰属は、表示された画像を切断・補修する際に行われ
る。コンピュータ上ではこの帰属にしたがってビデオデ
ータを修正する。具体的には、同じ帰属であると分類さ
れたものは、ビデオメモリー上に同じ数値データが入力
されると同時にディスプレー上ではこれらが同じ色調に
表現され、他の部位との識別が可能になる。

【００１６】また、コンピュータ上では、自動的に表面
部分の認識処理を実施し、これも表面外の部位と識別で
きるように、そのビデオメモリー上のデータが書き換え
られる。この際、後工程で作成したい構造物がもとの構
造物の一部であったり、不用な構造物がある場合は、取
捨選択してこれら不用なデータを消去することができ
る。さらに、ノイズ消去、モデル構造形状保持のための
ブリッジ追加等をオペレータが行なうか、あるいはコン
ピュータが自動的に行なう。

【００１７】二次元断層形状の修正オペレータ処理のう
ち、ノイズ消去は、ノイズが原因で立体モデル造形の際
のブツの付着や形状のいびつさが生じるのを修正するた
めに行なわれる。三次元モデル構造形状を保持するため
のブリッジ追加は、例えば、空間的に浮いた構造部分を
有する三次元モデルを造形する際に、あるべき位置に保
持するために行なわれる。その方法としては、空間的に
浮遊する位置にある構造部分について、それを他の部分
と相対的位置が変わらぬように最終的に紐状のものにな
るブリッジを平面断層画像データに追加することにより
行なう。他の方法としては、その患部を最終的にはその
エッジが棒状物で形成された箱の中に入っている構造の
ものに造形するために、このエッジに相当する平面部分
のデータを追加し、浮いた状態の部分はこのエッジに連
結された部分から外れないようにすることもできる。こ
のようにして得られた二次元の平面断層画像データは、
光造形法により三次元の立体モデルに造形される。

【００１８】光硬化性樹脂（未硬化の光重合性の反応性
組成物）に光を照射すれば、光エネルギーを与えられた
部分は縮重合反応を起こして硬化する。硬化する範囲
は、光軸方向に対しては照射総量と樹脂の光感度とで定
まる深さとなり、進行方向と直角方向は照射光の断面形
状とほぼ一致する。そこで、例えば、細く絞った光ビー
ムを樹脂表面で走査しつつ照射すれば、薄板状の硬化層
が得られる。この硬化層を積層すれば所望形状の立体物
を作成することができる。

【００１９】したがって、前記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、これらを順次積層す
ることによって、立体モデルを造形することができる。

【００２０】積層方法としては、（１）１層分の硬化が
終ると、未硬化の光硬化性樹脂を追加供給する方法、
（２）ベースプレートを樹脂中に沈めることによって１
層分の未硬化樹脂を硬化物の上に追加する方法（造形物
沈降法）、（３）透明板を介して光を照射し、１層分の
硬化が終ると、透明板を上げて行く方法、（４）光硬化
性樹脂を入れたバスの透明な下部から光を照射し、ベー
スプレートを樹脂中に上げて行く方法など各種の方法が
採用できる。

【００２１】造形物沈降法を例にとって説明すると、未
硬化の光硬化樹脂を入れたバス（容器）の液面の直下に
ベースプレートを設定し、紫外線レーザー光を照射して
最下層の硬化を行ない、次いでベースプレートを１層分
下げて次層の硬化を行なう。この操作を繰り返して造形
を行なう。

【００２２】レーザー光は、二次元断層画像データに基
づいて、照射位置および照射のオンオフ制御を行なう。
レーザー光の走査方法は、特に限定されない。なお、レ
ーザー光を固定し、バスを載置したテーブル（三次元Ｎ
Ｃテーブル）を移動させてもよい。

【００２３】光成形終了後、立体モデルをバスから取り
出し、残存する反応性組成物（未硬化の光硬化性樹脂）
は溶剤等で洗浄除去するか、もしくは紫外線照射して硬
化させハンドリング可能なものにする。

【００２４】本発明で用いられる光ラジカル反応を利用
した光硬化性樹脂（反応性組成物）の具体例としては、
エポキシ、ウレタンおよびポリエーテルを骨格とする単
官能または多官能アクリレート化合物およびメタクリレ
ート化合物；アルキル基やアリール基を有する各種のア
クリレート化合物やメタクリレート化合物；これらと反
応性の高い各種の不飽和基を有するビニル化合物を添加
した混合物等が挙げられる。

【００２５】光カチオン反応を利用した光硬化性樹脂の
具体例としては、エポキシ基を有する単官能、多官能化
合物が挙げられる。

【００２６】光ラジカル重合触媒として用いられる光重
合開始剤としては、例えば、４−（２−ヒドロキシエト
キシ）フェニル（２−ヒドロキシ−２−プロピル）ケト
ン（メルク社製、商品名ダロキュア−２９５９）；α−
ヒドロキシ−α，α′−ジメチル−アセトフェノン（メ
ルク社製、商品名ダロキュア−１１７３）；メトキシア
セトフェノン、２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセ
トフェノン等のアセトフェノン系；ベンゾインエチルエ
ーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル等のベンゾイ
ンエーテル系；ベンジルジメチルケタール等のケタール
系；その他、ハロゲン化ケトン、アシルホスフィノキシ
ド、アシルホスフォナート等が挙げられる。また、ミヒ
ラーケトン系、ベンゾフェノン系、チオキサントン系の
光増感剤もアミン等との併用によって使用できる。

【００２７】光カチオン重合触媒としては、ジアゾニウ
ム化合物、スルホニウム化合物、ヨードニウム化合物、
金属錯体化合物、アリールシラノール−アルミニウム錯
体等がある。

【００２８】これらの樹脂中に光感光性の化合物を加
え、レーザーによる照射度や付加的に他の波長光を発光
するレーザーを設置して、平面において多階調の色調面
を重合と同時に形成する事も可能で有る。

【００２９】医師らは、患部とその周辺の立体モデルを
作成することにより、患部の形状や他器官との位置関係
等を目視や触診により認識することができる。場合によ
っては手術の試行を行なうことができる。また、このよ
うな一連の手順は、手術の前段階もしくは手術作業と平
行して行なうことができる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明について、実施例を挙げて具体
的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定さ
れるものではない。

【００３１】［実施例１］肝臓門脈周辺の立体画像を作
成するために、まず３．５メガヘルツのセンサーを有す
る超音波内視鏡により、患者内部の目的部分周辺のモニ
タリングを行なって、この画像データをビデオ録画装置
に入力した。そのデータをＡ／Ｄ変換した後ビデオメモ
リーに転送した。このメモリー上のデータをコンピュー
タとの対話形式で入力された１面づつの二次元断層画像
データのうち、患部と門脈部位をコンピュータに認識さ
せた。これら以外の部分はカットした。さらに、構造部
分が造形の際に反応バスに落下するのを防ぐために、目
的とする患部の周辺に枠をつくり、この枠と患部とをブ
リッジでつなぐように構成した。

【００３２】このようにして得られた修正断層画像を１
面当り、２５５×２５５の画像を縦横に区切った升目を
１ドットとする画像に修正した。この画像の表面部分を
コンピュータ演算により同定して、その部位のメモリー
データを書き換えた。このようにして、１面当り２５５
×２５５の色調区別された平面画像データが２５５枚中
央処理装置（ＣＰＵ）のメモリー上に得られた。

【００３３】この修正二次元断層画像データを立体モデ
ル作成装置に転送し、光硬化性樹脂を一面（１硬化層）
の厚みが０．５ｍｍとなるように、一面づつレーザー光
線を照射してパターン形成し、パターン形成した硬化層
はバス中に浸漬して行くという工程を繰り返して目的と
する立体モデルを作成した。得られた立体モデルは、門
脈および患部の位置関係が触手により正確に認識される
ものであった。図１に、得られた肝臓門脈付近の立体モ
デルの外観略図を示す。

【００３４】

【発明の効果】本発明の製造方法により得られる立体モ
デルは、臓器や器官類の患部の手術を円滑に遂行するた
めの補助手段として、特に、非常に作業が困難でしかも
ちょっとした作業手順の狂いが命にかかわるような場合
に有用である。

【００３５】本発明による立体モデルの応用例として
は、例えば、歯の治療における下顎骨や上顎骨と患部と
の位置関係を知るような場合、内臓癌が傷つけられては
困る動脈等に近接していてその切除ルートが手術成功の
鍵となるような場合の切除ルートの確認手段が挙げら
れ、これらの手術の円滑な遂行が可能となる。

【００３６】また、従来、医師が癌の位置を手探りで探
していたが、その行為が癌の正常部位への転移を誘発す
る原因となり、患者の治療を困難にするというような問
題も解決できる。

【００３７】さらに、患部を摘出することなく患部と他
の器官との位置関係を正確に認識できるため、癌などの
発現機構解明などの臨床的研究に重要な知見を与え得
る。脊椎湾曲等のように理学療法的治療を必要とする病
気の治療方法の決定や治癒状態の変化等を認識するのに
有用である。

【００３８】複雑骨折等の様に骨折した部位が複雑に重
なり合い、その位置認識が手術の際に必要な場合に有用
で有る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例により得られた肝臓門脈付近の
立体モデルの外観略図である。

【符号の説明】

１ 造形方向 ２ 造形面端部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 内蔵または器官類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立体モデルを造
   形することを特徴とする内臓または器官類の立体モデル
   製造方法。