KR20190142784A - 신체 부분의 물리적 재구성 - Google Patents

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Abstract

다중-재료 적층 가공(multi-material Additive Manufacturing: AM)을 사용하여 신체 부분을 물리적으로 재구성하기 위한 방법은, 복셀의 어레이의 형태로 신체 부분의 이미지 데이터를 수신하는 단계로서, 복셀의 각각의 어레이는 신체 부분의 단면에 관계된 이미지 데이터를 나타내는, 이미지 데이터를 수신하는 단계, 신체 부분을 재구성하기 위해 모델링 재료의 조합을 나타내는 인쇄 가능한 비트맵 이미지로 복셀의 어레이의 이미지 데이터를 변환하는 단계, 및 층간 방식(layerwise manner)으로 비트맵 이미지에 응답하여 모델링 재료의 조합을 분배하는 단계를 포함한다.

Description

신체 부분의 물리적 재구성{A PHYSICAL RECONSTRUCTION OF A BODY PART}
본 출원은 35 USC 119 (e)에 따라 2011년 11월 17일자 미국 특허 가출원 번호 제 61/560,822 호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 참조로서 본 명세서에 포함되어 있다.
본 발명은, 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 다중-재료 적층 가공(multi-material Additive Manufacturing: AM)에 관한 것으로서, 특히, 배타적은 아니지만, 다중-재료 AM을 사용하여 신체 부분(body part)과 같은 객체의 단층 촬영 기반 물리적 재구성에 관한 것이다.
AM 방법은 생물학적 장기(biological organs)를 포함하는 3차원 객체의 모델을 제조하는데 사용되는 것으로 알려져 있다. AM 또는 임의 형상 제작(Solid Freeform Fabrication: SFF)은 적층 형성 단계를 통해 직접 컴퓨터 데이터로부터 임의 형상 구조의 제조를 가능하게 하는 기술이다. 어떤 SFF 시스템의 기본적인 동작은 3차원 컴퓨터 모델을 얇은 단면으로 슬라이싱 하고, 이 결과를 2차원 위치 데이터로 변환하고, 이 데이터를, 3차원 구조를 층간 방식으로 제조하는 제어 장비에 공급하는 것으로 구성된다.
단층 촬영 데이터, 예를 들어, AM에 의해 생물학적 장기를 물리적으로 재구성하는 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캐너 또는 자기 공명 이미지(MRI) 기계에 의해 제공되는 데이터를 사용하는 방법이 또한 공지되어 있다. 단층 촬영 데이터는 스캔된 생물학적 장기의 단면의 그레이 스케일 이미지 데이터를 전형적으로 포함한다. 전형적으로, 단층 촬영 데이터는 의료 분야 디지털 촬영 및 통신(DICOM) 파일 포맷으로 제공된다.
공지된 물리적 재구성 방법에 있어서, 컴퓨터 지원 설계(CAD) 시스템은 AM 장치에 의해 판독될 수 있는 스테레로리소그라피(STL) 파일의 형태로 DICOM 파일을 3차원 컴퓨터 모델로 전환 및/또는 변환하기 위해 사용된다. STL 파일은 3차원 객체의 볼륨 내에서 색상, 질감 및/또는 역학적 성질의 가능한 변화의 어떠한 표현 없이 3차원 객체의 표면 형상을 단지 설명한다. 볼륨 내의 변화가 STL 파일로 표현될 수 없기 때문에, DICOM 파일에 포함된 상당수의 정보는 변환 동안 손실된다.
발명의 명칭이 "신체 부분의 디지털 이미지 정보에 기초하여 완전한 의료 모델을 제조하기 위한 방법"이고, 본 명세서에 전체적으로 참조로서 포함된 미국 특허 제 5,768,134 호는, 예를 들어, 세그먼테이션 이전에 CT 이미지 내의 디지털 이미지 정보에 기초하여 인공 기능 요소를 신체 부분의 모델에 부가하기 위한 방법을 개시한다. 본 명세서에 설명된 것처럼, 부가되는 인공 기능 요소는, 신체 부분에 관계된 이미지 데이터를 이미지의 나머지로부터 분할하기 이전에, 모든 의료 데이터가 가시화되는 형태로 디지털 이미지 정보의 기능이다. 예로서, 보링을 위한 장소 및 방향을 나타내는 개구와 같은 기능 소자가 신체 부분을 둘러싸는 추가적인 요소를 나타내는 이미지 정보의 기능으로서 부가될 수 있음을 설명한다. 또한, 의료 사용자에서 생기는 외부 정보가 이미지 정보에 부가될 수 있고, 또한, 인공 기능 요소가 그 추가적인 외부 정보의 기능이 될 수 있음을 설명한다.
발명의 명칭이 "복수의 모델링 재료를 사용하여 임의 형상 제작"이며, 본 공동 양수인에 양도되고, 본 명세서에 전체적으로 참조로서 포함된 미국 특허 공보 제 20100191360 호는, 다른 미리 결정된 조합으로 두 개 이상의 모델링 재료를 사용하여 객체를 제조하기 위한 시스템 및 방법을 특히 설명하며, 여기서, 조합은 다른 분배 헤드로부터 다른 모델링 재료를 분배함으로써 생성된다. 다른 모델링 재료는 한 계층 내의 다른 위치에 분배될 수 있거나, 복합 재료의 형성을 허용하도록 동일한 위치 또는 인접한 위치에 분배될 수 있다.
또한, 완전한 3차원 구조를 설계하기 위해 표준 CAD 소프트웨어의 필요성 없이 복합 재료 구조를 정의하기 위한 방법이 설명되어 있다. 설명된 방법은, 원하는 복합 재료 구조를 나타내는 비트맵과 3차원 객체를 나타내는 STL 파일에 의해 생성된 비트맵 사이의 부울 비교(Boolean comparison)를 실행하는 단계를 포함한다. 이는, 원하는 복합 재료 구조의 비트맵 표현을 생성하기 위한 표준 CAD 소프트웨어의 필요성을 제거함으로써, 설계 공정에 필요한 시간이 절약되고, 또한, 3차원 구조의 설계와 빌딩 공정 동안 그와 같은 3차원 구조의 분석을 위해 통상적으로 필요한 컴퓨터 메모리 자원이 절약된다고 명시되어 있다.
또한, 두 개 이상의 빌딩 및/또는 모델링 재료는 액체, 젤, 페이스트 또는 다른 비-고체 또는 반-고체 형태로 유지되는 비-고화 재료(non-solidifiable material)를 포함할 수 있음을 설명한다. 선택적으로, 제 2 고화 재료가 제조 동안 비-고화 재료를 완전히 둘러싸거나 포함할 수 있기 때문에, 그 비-고화 재료는 객체 내에 남아 있을 수 있거나, 대안으로 고갈(drained), 소진(burnt-out) 또는 공정이 완료할 때 제거된다. 이러한 방법으로, 중공 또는 다공질 모델이 제공될 수 있음을 설명한다.
발명의 명칭이 "컴퓨터 지원 조직 공학에서 조직 지지체, 구성체, 및 디바이스의 모델링, 설계 및 자유 제작을 위한 방법 및 장치"인 국제 공개 번호 WO 2005/057436은 제작될 부품 또는 디바이스를 설계하는 CAD를 사용하는 복잡한 부품 및 디바이스를 제조하기 위한 공정 및 장치를 설명한다. CAD 설계는 부린(Boolean), 스케일링, 스무싱, 미러링 또는 다른 동작에 의해 변경된다. 소프트웨어 인터페이스는 CAD 설계된 부분 또는 디바이스를 이종 재료로 변환한다. 다중-부분 어셈블리 모델은 다중-노즐 프린팅에 사용된다. 다중-노즐 시스템은 다른 특수 목적의 노즐을 사용하여 설계된 부분 또는 디바이스를 프린트한다.
http://utwired.engr.utexas.edu/lff/symposium/proceedingsArchive/pubs/ Manuscripts/2008/2008-04-Hiller.pdfon에서 2013년 03월 19일자 검색되었던, 미국, 오스틴, 텍사스 대학에 의해 2008년 SFF 심포지엄에 공개된 명칭이 "3D 복셀 프린터용 조정 가능한 디지털 재료 성질,"인 기사는 연속적(아날로그) 증착 기술과는 대조적으로 대규모 병렬 계층 증착 공정에 배치된 많은 이산 복셀로 이루어지는 디지털 자료를 설명한다. 복셀-기반 임의 형상 제작 공정을 이용하여 물리적 성질을 제어하기 위한 방법이 기재되어 있다. 그것은 개별 복셀의 정밀, 형상 및 재료가 재료의 밀도, 탄성율, CTE, 연성, 및 고장 모드를 제어하기 위하여 변화되는 것이 설명되어 있다.
발명의 명칭이 "쉘 객체의 임의 형상 제작" 인 국제 공개 WO 2011/135496은 층간 임의 형상 구조의 방법을 개시한다. 이 방법은, 계층의 적어도 몇몇의 계층의 각각에 있어서, 적어도 제 1 모델링 재료 및 제 2 모델링 재료를 분배 및 경화시켜 하나의 코어 영역과 이 코어 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 하나 이상의 엔벨로프 영역을 형성한다. 일부 실시예에 있어서, 경화시킬 때, 인접한 영역의 탄성 계수의 비율은 약 1 내지 약 20의 범위에 있다.
본 발명의 일부 실시예의 한 관점에 따라, 다중-재료 AM에 의해 신체 부분을 물리적으로 재구성하는데 이용될 수 있는 모델링 재료의 조합을 나타내는 인쇄 가능한 비트맵 이미지로 신체 부분의 단층 촬영 데이터를 변환하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일부 실시예에 따라, 단층 촬영 데이터와 신체 부분을 구성하는 조직의 역학적 성질 사이의 관계가 정의된다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 신체 부분을 재구성하기 위해 모델링 재료의 조합은 단층 촬영 데이터로 표시되는 다른 역학적 성질을 모방하도록 정의된다. 선택적으로, 모델링 재료의 조합은 신체 부분의 하나 이상의 물리적 및/또는 역학적 성질의 표현을 향상시키도록 설계된 하나 이상의 미리 정의된 구조를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예의 한 관점에 따라, 다중-재료 적층 가공을 사용하여 신체 부분을 물리적으로 재구성하기 위한 방법이 제공되며, 본 방법은, 신체 부분의 이미지 데이터를 복셀의 어레이의 형태로 수신하는 단계로서, 복셀의 각각의 어레이는 신체 부분의 단면에 관계된 이미지 데이터를 나타내는, 이미지 데이터를 수신하는 단계, 신체 부분을 재구성하기 위해 모델링 재료의 조합을 나타내는 인쇄 가능한 비트맵 이미지로 복셀의 어레이의 이미지 데이터를 변환하는 단계, 및 비트맵 이미지에 응답하여 모델링 재료의 조합을 층간 방식으로 분배하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 본 방법은, 신체 부분을 재구성하기 위해 복셀의 어레이의 복셀 값과 타겟 물리적 성질(target physical properties) 사이의 관계를 정의하는 단계, 모델링 재료의 조합과 이들 물리적 성질 사이의 관계를 정의하는 단계, 및 복셀 값과 타겟 물리적 성질 사이에 정의된 관계와 모델링 재료의 조합과 이들 물리적 성질 사이에 정의된 관계에 응답하여 복셀 값과 재료 조합 사이의 관계를 정의하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 상기 관계는 하나 이상의 룩업 테이블(lookup tables)에 의해 정의된다.
선택적으로, 상기 모델링 재료의 조합은 신체 부분의 역학적 성질을 복셀 단위로 모방하기 위해 선택된다.
선택적으로, 상기 복셀 어레이의 이미지 데이터는 디지털 재료의 어레이로 변환되고, 각각의 디지털 재료는 적어도 두 개의 모델링 재료의 조합으로 형성되고, 상기 조합은 적어도 두 개의 모델링 재료들 사이의 비율로 정의된다.
선택적으로, 상기 복셀 어레이의 이미지 데이터는 디지털 재료의 어레이로 변환되고, 각각의 디지털 재료는 모델링 재료 복셀의 패턴으로서 정의되고, 상기 패턴은 적어도 두 개의 다른 모델링 재료로 형성된다.
선택적으로, 상기 디지털 재료의 어레이의 각각의 디지털 재료는 모델링 재료 복셀의 미리 정의된 수로 정의된다.
선택적으로, 상기 미리 정의된 수는 10 내지 1000 모델링 재료 복셀의 범위로부터 선택된다.
선택적으로, 상기 디지털 재료의 어레이의 다른 디지털 재료가 다른 역학적 성질을 갖도록 정의된다.
선택적으로, 상기 다른 디지털 재료는 다른 탄성 성질을 갖도록 정의된다.
선택적으로, 상기 다른 디지털 재료는 O.Ol MPa 내지 3 GPa의 범위의 탄성 계수를 갖도록 정의된다.
선택적으로, 상기 디지털 재료는 보다 단단한 재료(stiffer material)에 의해 둘러싸인 액체 또는 겔 볼륨으로부터 선택된다.
선택적으로, 상기 이미지 데이터는 하나 이상의 CT 스캐너, MRI 및 초음파 장치로부터 수신된다.
선택적으로, 상기 이미지 데이터는 CT 스캐너로부터 수신되고, 모델링 재료의 조합은 CT 스캐너로부터 얻어진 CT 치(CT numbers)로 표시되는 밀도의 어레이를 시뮬레이션하도록 정의된다.
선택적으로, 본 방법은 어레이의 모델링 재료의 일부의 물리적 외관을 변경하는 하나 이상의 적층 재료(additive materials)를 사용한다.
선택적으로, 상기 적층 재료는 염료 금속, 이온, 세라믹 및 생체 분자를 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
선택적으로, 상기 적층 재료는 사용자 입력에 응답하여 적용된다.
선택적으로, 본 방법은, 사용자로부터 입력을 수신하는 단계; 및 사용자의 입력에 기초하여 신체 부분을 재구성하기 위한 모델링 재료의 조합을 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예의 한 관점에 따라, 다중-재료 적층 가공을 사용하여 신체 부분을 물리적으로 재구성하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 신체 부분의 이미지 데이터를 복셀의 어레이의 형태로 수신하도록 동작하는 제어기로서, 복셀의 각각의 어레이는 신체 부분의 단면에 관계된 이미지 데이터를 나타내는, 제어기; 신체 부분을 재구성하기 위해 모델링 재료의 조합을 나타내는 인쇄 가능한 비트맵 이미지로 복셀의 어레이의 이미지 데이터를 변환하도록 동작하는 처리 유닛; 및 비트맵 이미지에 응답하여 모델링 재료의 조합을 층간 방식으로 분배하기 위한 다중-재료 적층 재료 장치를 포함한다.
선택적으로, 상기 처리 유닛은, 신체 부분을 재구성하기 위해 복셀의 어레이의 복셀 값과 타겟 물리적 성질 사이의 관계를 정의하고, 모델링 재료의 조합과 이들 물리적 성질 사이의 관계를 정의하며, 복셀 값과 타겟 물리적 성질 사이에 정의된 관계와 모델링 재료의 조합과 이들 물리적 성질 사이에 정의된 관계에 응답하여 복셀 값과 재료 조합 사이의 관계를 정의하도록 동작한다.
선택적으로, 본 시스템은 상기 복셀의 어레이의 복셀 값과 신체 부분의 역학적 성질 사이의 관계를 정의하도록 동작하는 적어도 하나의 룩업 테이블, 데이터베이스 또는 방정식을 저장하기 위한 메모리 유닛을 포함한다.
선택적으로, 본 시스템은 복셀의 어레이의 복셀 값과 신체 부분의 역학적 성질을 모방하는 모델링 재료의 조합 사이의 관계를 정의하도록 동작하는 적어도 하나의 룩업 테이블, 데이터베이스 또는 방정식을 저장하기 위한 메모리 유닛을 포함한다.
선택적으로, 상기 처리 유닛은 신체 부분의 역학적 성질을 모방하는 모델링 재료의 조합을 복셀 단위로 선택하도록 동작한다.
선택적으로, 상기 처리 유닛은 복셀의 어레이의 이미지 데이터를 디지털 재료의 어레이로 변환하도록 동작하고, 각각의 디지털 재료는 적어도 두 개의 모델링 재료의 조합으로 형성되고, 상기 조합은 적어도 두 개의 모델링 재료들 사이의 비율로 정의된다.
선택적으로, 상기 어레이의 각각의 디지털 재료는 모델링 재료 복셀의 미리 정의된 수(pre-defined number)로 정의된다.
선택적으로, 상기 미리 정의된 수는 10 내지 1000 모델링 재료 복셀의 범위로부터 선택된다.
선택적으로, 상기 어레이의 다른 디지털 재료는 다른 역학적 성질을 갖도록 정의된다.
선택적으로, 상기 디지털 재료는 보다 단단한 재료에 의해 둘러싸인 액체 또는 겔 볼륨으로부터 형성된다.
선택적으로, 상기 디지털 재료는 서브-밀리미터 매크로 복셀의 단위 크기를 갖도록 정의된다.
선택적으로, 상기 이미지 데이터는 CT 스캐너, MRI 및 초음파 장치를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 촬상 장치로부터 수신된다.
선택적으로, 상기 인쇄 가능한 비트맵 이미지는 하나 이상의 추가적인 재료를 모델링 재료의 조합에 부가하기 위한 데이터를 포함한다.
선택적으로, 상기 추가적인 재료는 염료 금속, 이온, 세라믹 및 생체 분자를 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
본 발명에 따라, 다중-재료 AM을 사용하여 신체 부분과 같은 객체의 단층 촬영에 기초한 물리적 재구성을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따라 다중-재료 AM을 사용하여 신체 부분을 제조하기 위한 예시적인 시스템의 간략화된 블록도.
도 2는 본 발명의 일부 실시예에 따라 다중-재료 AM을 사용하여 신체 부분을 제조하기 위한 예시적인 방법의 간략화된 흐름도.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따라 다중-재료 AM을 사용하여 척추의 신체 부분 모델을 제조하는 데 사용될 수 있는 CT 스캐너에 의해 얻어진 이미지 데이터의 예시적인 슬라이스를 도시한 도면.
도 4A 내지 도 4E는 본 발명의 일부 실시예에 따라 다른 디지털 재료 패턴의 예시적인 실시 표현을 도시한 도면.
도 5A 내지 도 5C는 액체 재료가 고무와 같은 재료에 의해 둘러싸인 예시적인 구분된 디지털 재료 구조를 도시한 도면.
도 6A 및 도 6B는 본 발명의 일부 실시예에 따라 하나의 연성 재료와 하나의 강성 재료에 의해 디지털 재료를 생성하기 위한 보정 곡선의 예시적인 그래프.
도 7A 및 도 7B는 공지된 AM 방법(도 7A)을 사용하고, 본 발명의 일부 실시예에 따른 방법(도 7B)을 사용하여 손의 예시적인 재구성을 도시한 도면.
본 명세서에 사용된 모든 기술 및/또는 과학 용어는, 다르게 정의하지 않는 한, 일반적으로 본 발명이 속하는 본 기술 분야에 통상적인 기술을 갖는 사람에 의해 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 비록, 본 명세서에 설명된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 실제로 또는 본 발명의 실시예의 시험에 사용될 수 있지만, 예시적인 방법 및/또는 재료들이 아래에 설명된다. 상충하는 경우에, 본 특허 명세서는 정의를 포함하여 조정될 것이다. 또한, 재료, 방법 및 예는 단지 예시할 뿐이고 반드시 한정하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 일부 실시예는, 첨부된 도면을 참조하여, 단지 예를 통해 본 명세서에 설명된다. 지금 도면들에 관련하여, 본 명세는 예를 통해 기재된 것이며, 본 발명의 실시예의 예시적인 토론의 목적을 위한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면들과 함께 기재된 설명은 본 발명의 실시예가 어떻게 실시될 수 있는지에 대해서 본 기술에 숙련된 사람들에게 명백하게 될 수 있다.
본 발명은, 일부 실시예는 다중-재료 AM에 관한 것이며, 특히, 배타적은 아니지만, 다중-재료 AM을 사용하여 신체 부분과 같은 객체의 단층 촬영에 기초한 물리적 재구성에 관한 것이다.
단층 촬영 및/또는 이미지 데이터에 기초한 신체의 장기의 물리적인 모델을 만들기 위한 공지된 방법에 있어서, 임계 접근법(threshold approach)이 이미지 데이터에 전형적으로 사용되어, 예를 들어, 이미지화된 근육 조직 및 뼈 조직과 같은 다른 조직들을 식별 및/또는 구별한다. 일단 식별되면, 식별된 조직들의 각각의 윤곽은 정의되고, 다각형 기반의 파일 및/또는 STL 파일을 사용하여 모델링될 조작들의 각각의 3차원 컴퓨터 모델을 구성하기 위해 사용된다. 이러한 공정 동안, 조직들 내의 변화 및/또는 조직들 사이의 계면에서 점진적인 변화를 보여주는 이미지 데이터는 손실 및/또는 폐기된다. STL 파일은 식별된 조직의 어셈블리로서 모델을 제조하기 위해 전형적으로 사용된다. 비록, 상기 접근법에 기초하여, 다른 조직들의 각각이 다른 재료 조성물로 구성될 수 있지만, 예를 들어, 단일 조직 내에서 및/또는 조직들 사이의 계면에서 성질의 변화를 모방하기 위해 사용 가능한 정보가 없다.
본 발명자들은, 신체 부분 모델의 역학적인 느낌 및 외관은 신체에서 자연적으로 발생하는 점진적인 전환 및 변화를 추가적인 재구성 및/또는 복제하기 위해 더 많은 단층 촬영 데이터를 적용함으로써 보다 나은 복제 또는 재구성될 수 있다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은, 단층 촬영 데이터 예를 들어, CT 치를 신체 부분의 공지된 역학적 성질과 연관시키고, 지정된 역학적 성질을 복제할 수 있는 복셀 레벨에서 다른 재료의 조합을 정의함으로써, 신체 부분의 역학적 성질이 하나의 모델에 복제될 수 있다는 것을 발견하였다.
본 발명의 일부 실시예의 한 관점에 따라, 신체 부분 모델의 재료 조성물 및/또는 물리적 외관이 결정되고 복셀 단위로 변경될 수 있는 다중-재료 AM을 사용하여 신체 부분을 물리적으로 재구성하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 전형적으로, 에를 들어, CT 스캐너, 자기 공명 이미저(Magnetic Resonance Imager:MRI), 초음파 및 광학 스캐닝과 같은 의료 촬상 장치로부터 얻어진 예를 들어, 단층 촬영 데이터의 3차원 이미지 데이터는 복셀의 매트릭스 또는 복수의 슬라이스로 구성되며, 각각의 슬라이스는 복셀의 2차원 어레이를 포함한다. 복셀 데이터에 의해 제공되는 정보의 형태는 촬상 장치에 의존하여 이로부터 얻어지는데, 예를 들어, CT 스캐너는 고밀도 정보를 제공하고, MRI는 H 원자 농도에 대한 정보를 제공한다. 본 발명의 일부 실시예에 따라, 하나 이상의 촬상 장치로부터 얻어진 복셀 정보는 조직들의 역학적 성질에 관련 및/또는 연관된다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 복셀 정보는 조직의 강성 및/또는 순응성에 관련이 있다. 전형적으로, 단층 촬영 복셀 데이터와 역학적 성질 사이의 관계는 예를 들어, 뼈 및 인대의 공지된 역학적 성질인 조직들의 공지된 역학적 성질 및/또는 실험 데이터에 기초하여 결정된다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 단층 촬영 복셀 데이터는 예를 들어, STL 파일의 신체 부분의 컴퓨터화된 모델을 처음에 구성하기 위해 CAD 시스템을 필요로 하지 않고 다중-재료 AM 장치에 의해 사용된다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 이미지 데이터의 각각의 슬라이스에 대해 래스터 파일이 생성되어, STL 파일(들) 대신에 다중-재료 AM 장치로의 입력으로서 사용된다. 본 발명의 일부 실시예에 따라, 단층 촬영 데이터의 슬라이스 내의 다른 복셀 값은 AM 공정 동안 다른 재료 조성물로 변환된다. 전형적으로, 이미지 데이터의 각각의 복셀은 복수의 프린팅 복셀, 예를 들어, 빌딩 재료의 10 내지 1000 복셀 또는 300 복셀로 구성된 마이크로복셀로 변환된다. 본 발명자들은 단층 촬영 복셀 값의 변화에 기초하여 재료 조성물을 변화시킴으로써, 다른 조직들의 형태들 사이의 부드러운 변환을 포함하여, 다른 조직들의 더 많은 자연스러운 물리적 표현이 복제될 수 있다는 것을 발견했다.
또한, 본 발명자들은, STL 방식으로 실행될 때, 래스터에서 매시로 진행하여 래스터로 다시 진행할 필요가 없기 때문에, 래스터-래스터 변환이 빠르고, 계산이 보다 효율적이며, 소프트웨어 도구가 보다 적게 필요하다는 것을 발견하였다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 예를 들어, 의사 및/또는 다른 사용자에 의해 제공되는 컬러 정보, 장기 형태 및/또는 다른 수동으로 삽입된 정보를 포함하기 위해 래스터 파일 형태로 AM 파일을 생성하도록, 추가적인 정보가 부가될 수 있다. 선택적으로, 다른 신체 부분 영역의 컬러 및 투명 레벨은 살아 있는 장기의 외관의 정확한 광학적 시뮬레이션을 제공하기 위해 독립적으로 제어될 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 촬상 장치로부터의 이미지 데이터는 다중-재료 AM 장치로의 입력으로서 사용되는 래스터 파일을 작성하기 위해 결합될 수 있다.
선택적으로, 예를 들어, 스캔의 불충분한 해상도로 인하여, 단층 촬영 데이터에 누락될 수 있는 하나 이상의 기능(feature)을 재구성하기 위한 데이터를 부가하기 위해 자동 또는 사람-보조 알고리즘(human-aided algorithm)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 외피(epithelium) 및 내피(endothelium)는 이들 작은 치수로 인하여 CT 스캔에 통상적으로 존재한다. 그러나, 그들 위치는 장기의 외부 및/또는 내부 경계로서 정의될 수 있고, 외피 및 내피를 재구성하기 위한 데이터가 부가될 수 있다. 선택적으로 자동 또는 사람-보조 알고리즘은 모델의 외관 및/또는 역학적 느낌 및/또는 안정성을 개선할 수 있는 추가적인 데이터를 부가하기 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 추가적인 데이터는 특정 조직, 장기 또는 영역에 대한 컬러를 정의할 수 있다. 다른 예에 있어서, 결합 조직들은 다른 조직들이 연결되는 영역에서 특별히 자동으로 식별될 수 있다(예를 들어, 뼈 및 연성 조직). 선택적으로, 그와 같은 영역은 겔 또는 겔과 같은 재료, 예를 들어, 수술 훈련 또는 다른 교육 목적을 위한 장치로서 역할을 할 때, 조직들 사이의 보다 양호한 분리를 허용하기 위한 지원 재료를 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 다중-재료 AM 장치는 적어도 두 개의 재료, 예를 들어 순응 재료 및 강성 재료로 동작한다. 선택적으로, 하나 이상의 룩업 테이블은 이미지 데이터에 기초한 재료 구성을 정의하는 래스터 파일의 데이터에 이미지 데이터를 관련시키는데 사용된다. 선택적으로, 이미지 데이터와 재료 조성물 사이의 관계는 예를 들어, 실험 데이터에 기초하거나 문헌에 기초하여, 하나 이상의 룩업 테이블 및/또는 하나 이상의 정의된 기능으로 정의된다. 선택적으로, 이미지 데이터와 재료 조성물 사이의 관계는, 예를 들어 CT 치의 하나 이상의 이미지 데이터 값을 재료 성질에 실험적으로 관련시킨 이후에 수동으로 정의된다.
선택적으로, 다중-재료 AM 장치는 전체 AM 공정 동안 액체 상태를 유지하는 재료를 포함하여 추가적인 재료를 사용할 수 있으며, 상기 액체 재료는 혈액 또는 림프와 같은 극도의 연성 조직 및/또는 체액의 올바른 재생을 허용한다. 사용되는 재료는 불투명하거나 투명할 수 있고/있거나 원하는 응용에 따라 특정 컬러를 갖는다. 또한, AM 장치는 합성 장기의 다른 영역의 외관을 조정하기 위해 추가적인 채색 및/또는 투명한 재료를 사용할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 예를 들어, 이스라엘, 오브젯(주)(Objet Ltd)의 코넥스 시스템(ConnexTM system)의 다중-재료 AM 프린터는, 예를 들어, 불투명한 강성 재료와 투명한 순응 재료(compliant material)인 다른 역학적 성질 및 다른 외관을 갖는 두 개의 재료를 사용하여 신체 부분의 모델을 제조하기 위해 사용된다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 신체 부분 모델은 뼈에서 발견되는 것과 같은 고밀도 재료를 나타내기 위해 사용되는 강성 불투명 재료와 연성 및/또는 유체 조직들을 나타내기 위한 순응 투명 재료로 제조된다. 전형적으로, 두 개 이상의 모델링 재료는 예를 들어, 강한 뼈와 연한 유체 조직들 사이의 범위에 있는 성질의 스펙트럼으로 다양한 디지털 재료를 설계하는데 사용될 수 있다.
지금, 예시적인 시스템의 간략화된 블록 다이어그램을 도시한 도 1과, 예시적인 방법의 간략화된 흐름도를 도시한 도 2를 참조하며, 이들 모두는 본 발명의 일부 실시예에 따라 다중-재료 AM 장치를 사용하여 신체 부분을 제조하기 위한 것이다. 본 발명의 일부 실시예에 따라, 시스템(100)은 촬상 장치(110), 예를 들어, CT 스캐너, MRI, 초음파, 또는 광학 스캐너로부터 신체 부분의 3차원 이미지 데이터를 수신한다[블록(210), 도 2]. 전형적으로, 이미지 데이터는 복수의 2차원 이미지로부터 형성되고, 각각의 이미지는 신체 부분의 슬라이스를 나타낸다. 전형적으로, 이미지 데이터의 각각의 슬라이스는 신체 조직의 구조 및/또는 재료 특성, 예를 들어, 조직의 밀도에 관련된 값들을 갖는 복셀의 2차원 어레이이다. 전형적으로, 다른 복셀 값은 신체의 다른 조직들을 이미지하기 위한 콘트라스트를 제공하지만, 복셀은 각각의 3차원 복셀 위치에서 신체 부분의 재료 및/또는 물리적 성질을 결정하기 위해 사용될 수도 있다.
선택적으로, 시스템(100)의 처리 유닛(125)은 캡처된 이미지로부터 모델링되는 신체 부분에 관계된 이미지 데이터를 분할한다[블록(215), 도 2]. 전형적으로, 처리 유닛(125)은 시스템(100)의 제어기(1250) 및/또는 제어기의 일부와 연결된다. 대안으로, 세그먼테이션(분할)은 촬상 장치(110)에 의해 실행될 수 있다. 선택적으로, 처리 유닛(125)은 이미지, 예를 들어 3차원 이미지 및/또는 개별 이미지 슬라이스의 하나 이상의 기능을 더 향상시키기 위해 이미지 후처리를 실행한다. 선택적으로, 이미지 데이터는 복수의 다른 촬상 장치(110)로부터 얻어지고, 처리 유닛(125)은 다른 촬상 장치로부터의 이미지 데이터를 결합한다. 선택적으로, 복수의 다른 촬상 장치로부터의 입력은 신체의 다른 연성 조직들 사이의 콘트라스트를 더 향상시키기 위해 사용된다. 선택적으로, 후처리는 다른 이미지 슬라이스들 사이의 솔기(seam)를 따라 이미지 데이터의 차이를 부드럽게 하기 위해 실행된다.
선택적으로, 처리 유닛에 의해 수신된 이미지 데이터와 함께, 사용자는 사용자 입력 장치(115)로 추가적인 정보를 제공할 수 있다. 선택적으로, 사용자는 신체 부분의 식별된 조직 및/또는 장기에 대한 컬러 및/또는 투명성 레벨을 선택한다. 선택적으로, 사용자는 유사한 이미지 복셀 값을 갖는 조직들 사이를 구분하기 위해 구별하는 기능을 부가할 수 있다. 선택적으로, 사용자는 입력을 시청 및/또는 제공하기 위한 3D 가능한 소프트웨어를 선택적으로 사용한다. 선택적으로, 사용자는 처리 유닛에 의해 디스플레이되는 이미지와 사용자 입력을 통합하는 처리 유닛에 의해 수신된 이미지 데이터를 마킹함으로써 입력을 제공한다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 하나 이상의 룩업 테이블 및/또는 방정식(120)이나 기능은 원래의 복셀 값, 예를 들어, 이미지 데이터의 그레이 스케일 값을 신체 부분의 모델을 프린트하기 위한 재료 데이터로 변환하는 처리 유닛(125)에 의해 사용된다[블록(225), 도 2]. 본 발명의 일부 예시적인 실시예에 있어서, 이미지 데이터의 각각의 복셀은 빌딩 재료(들)의 복수의 복셀, 예를 들어, 빌딩 재료의 10 내지 1000 복셀, 및/또는 빌딩 재료의 300 복셀로 신체 부분의 모델에 제작된다. 본 명세서에 사용된 것처럼, 디지털 재료는 제 3 재료(예를 들어, 디지털 재료)를 형성하는 AM 빌딩 공정 동안 연속 방식으로 증착되고, 선택적으로 고형화되는 다른 빌딩 재료의 미리 정의된 개수의 복셀로 형성된 재료이다. 각각의 재료의 다른 성질은 그들의 공간 조합 및 그들 조합의 비율의 결과로서 모 재료의 각각의 성질들 사이의 성질 범위를 갖는 다중-재료 조합을 얻기 위해 제공한다. 선택적으로, 디지털 재료는 복수의 프린팅 계층을 통해 형성된다. 선택적으로, 의사-랜덤 혼합보다는 미리 정의된 디지털 재료 조합이 사용된다. 이러한 경우에 있어서, 동일한 복셀 값을 갖는 각각의 영역은 룩업 테이블에서 해당 복셀 값에 링크된 미리 정의된 조성물로부터 비트맵에 의해 대체된다. 선택적으로, 이미지 복셀 데이터의 해상도가 빌딩 재료 복셀보다 높을 때, 다른 접근 방법이 사용될 수 있는데, 예를 들어 에러 전파 디더링 방법(error propagation dithering method)이 사용될 수 있다.
선택적으로, 지원 재료는 디지털 재료 조성물에 포함될 수 있다. 디지털 재료는 본 명세서의 아래에 예를 들어, 도 4A 및 도 4E를 참조하여 더 상세히 설명한다. 선택적으로, 디지털 재료의 성질은 이미지화된 조작의 재료 및/또는 물리적인 특성을 아주 비슷하게 되도록 정의된다. 전형적으로, 모델의 재료 특성의 변화는 디지털 재료의 구성 성분 및/또는 구성 성분의 비율을 변경시킴으로써 복셀 단위로 변경될 수 있다. 전형적으로, 하나 이상의 룩업 테이블 및/또는 방정식(120)은 시스템(100)의 메모리 유닛(1200)에 저장된다. 선택적으로, 룩업 테이블은 데이터베이스, 예를 들어 빌딩 재료 데이터베이스이다. 선택적으로, 이미지 데이터가 그레이 스케일의 형태로 되어 있을 때, 룩업 테이블은 그레이 스케일 값과 재료 조성물 사이의 관계를 제공한다. 예를 들어, 128의 그레이 레벨은 30% 순응 재료와 70% 단단한 재료에 선택적으로 대응할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 디지털 재료 데이터의 비트맵을 포함하는 래스터 파일(130)은 이미지 데이터의 각각의 슬라이스에 대해 작성되어 다중-재료 AM 장치(140)에 전송되며(블록 230, 도 2), 이에 기초하여 모델이 하나의 계층에 한번 프린트된다(블록 240, 도 2). 전형적으로, 이미지 데이터의 하나의 슬라이스는 복수의 프린트된 계층, 예를 들어, 5-20 프린팅 계층으로 복제된다. 전형적으로, 복수의 래스터 파일, 예를 들어, 각각의 이미지 데이터에 대한 하나는 신체 부분의 전체 모델(150)을 프린트하기 위해 다중-재료 AM 장치에 전송된다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 다중-재료 AM 장치(140)에는 각각 다른 역학적 성질을 갖는 적어도 두 개의 빌딩 재료가 장착되는데, 예를 들어, 역학적 성질의 스펙트럼을 시뮬레이션하는 다른 비율 및/또는 패턴들로 분배될 수 있는 빌딩 재료(142) 및 빌딩 재료(144)가 장착되며, 역학적 성질은 신체 부분의 성질의 변화를 복제하는데 사용될 수 있다. 선택적으로, 다중-재료 AM 장치(140)에는 추가적인 재료, 예를 들어, 재료(146)가 장착되며, 이 재료는 컬러, 예를 들어 신체 부분에서 다른 영역의 염료 및/또는 투명성 레벨을 시뮬레이션 하거나, 신체 부분의 다른 물리적 기능을 향상시키는 빌딩 재료(142 및 144)로부터 독립적으로 사용될 수 있다. 선택적으로, 의료 촬상용 조영제(contrast agents)의 공간 분배를 시뮬레이션 하기 위해 적층 재료가 사용된다. 추가적인 재료는, 예를 들어 금속, 이온, 세라믹, 생체 분자 및 다른 활성 물질을 포함할 수 있다.
지금, 본 발명의 일부 실시예에 따라 다중-재료 AM을 사용하여 척추의 신체 부분 모델을 제조하는데 사용될 수 있는 CT 스캐너로 얻어진 이미지 데이터의 예시적인 슬라이스를 도시하는 도 3을 참조한다. 본 발명의 일부 실시예에 따라, 척추 (척추의 일부)의 모델은 개인으로부터 캡쳐된 하나 이상의 CT 이미지 슬라이스(320)로부터 얻어진 이미지로부터 형성된다. 전형적으로, CT 이미지는 하이퍼-고밀도 재료로부터 반사된 밝은 영역(321)과 하이포-고밀도 구조로부터 반사된 어두운 영역(323)을 포함하는데, 예를 들어, CT 치의 2차원 어레이에 의해 정의된 연성 조직들 또는 액체 재료가 있다.
선택적으로, CT 치는 스캔된 조직의 해당하는 영역의 영율(Young's modulus)과 상관될 수 있고, 촬영될 때 척추의 모델은 강성 및/또는 단단한 빌딩 재료 및 순응, 예를 들어, 다른 비율의 연성 및/또는 탄성 빌딩 재료를 조합함으로서 제조될 수 있다. 선택적으로, 밝은 영역(321)은 강성 및/또는 단단한 빌딩 재료의 높은 비율로 모델링 되고, 어두운 영역(323)은 순응 및/또는 탄성 빌딩 재료의 높은 비율로 모델링된다. 전형적으로, 각각의 복셀을 모델링하기 위해 사용되는 두 개 이상의 빌딩 재료 사이의 비율은 복셀의 CT 치에 의해 정의되고, 그리고, 촬영되는 가장 단단하면서 가장 순응한 재료의 공지된 역학적 성질에 의해 정의된다. 선택적으로, 단단한 재료의 강성은 시뮬레이션되는 가장 강한 조직의 강성과 유사하거나 보다 크게 되도록 선택되고, 순응 빌딩 재료의 강성은 가장 순응한 재료의 강성과 가깝거나 보다 작게 선택된다. 두 개 이상의 빌딩 재료 사이의 비율을 변경함으로서, 역학적 성질의 광범위 스펙트럼은 시뮬레이션 될 수 있다.
선택적으로, 전체 AM 공정 동안 액체 상태로 유지되는 추가적인 재료는 가장 어두운 영역을 시뮬레이션하는데 사용될 수 있다. 선택적으로, 액체 재료는 매우 연한 조직 및/또는 혈액 또는 림프와 같은 체액을 시뮬레이션 하는데 사용된다. 사용되는 빌딩 재료는 불투명하거나 투명할 수 있고/있거나 원하는 응용에 따라 특정 컬러를 가질 수 있다. 또한, AM 시스템은 모델의 다른 영역의 외관을 조정하기 위해 추가적인 채색 및/또는 투명한 재료를 사용할 수 있다.
선택적으로, 겔 영역은 연성 조직들의 성질 또는 내피 표면의 성질, 예를 들어 장기 표면을 커버하는 상피 조직의 성질을 시뮬레이션 하는 모드에서 형성될 수 있다. 선택적으로, 친수성 UV 경화성 수지는 친수성 재료를 형성하는데 사용될 수 있다. 선택적으로, 수용액에 침지시에, 재료는 신체의 자연 연부 조직들의 일부, 예를 들어, 외피 조직을 모방할 수 있는 부드럽고 연한 겔을 형성하도록 물을 흡수하여 팽창한다.
지금, 본 발명의 일부 실시예에 따라 다른 재료 패턴의 예시적인 표현을 나타내는 도 4A 내지 도 4D를 참조한다. 본 발명의 일부 실시예에 따라, 디지털 재료는 작은 볼륨, 예를 들어, AM 빌딩 공정 동안 동시에 증착되고 선택적으로 고형화되는 다른 빌딩 재료(410 및 420)의 드롭스(drops)로 형성되는 재료이다. 디지털 재료는 단위 셀 또는 마이크로 복셀의 치수로 형성될 수 있다. 단위 셀 및/또는 마이크로 복셀은 디지털 재료의 정의된 재료 성질을 갖는 디지털 재료의 최소 볼륨으로서 본 명세서에 정의되어 있다. 선택적으로, 마이크로 복셀의 단위 크기는 이미지 데이터의 하나의 복셀로 표시되는 단위 크기에 대응한다.
전형적으로, 다른 빌딩 재료는 다른 역학적 성질, 예를 들어, 강성, 유연성, 밀도, 컬러, 투명도, 흡수율(%), 용매 흡수(%), 비-중합된 액체 분율(fraction), 나노-입자 분율을 갖는다. 선택적으로 및/또는 추가적으로, 디지털 재료는 복수의 다른 계층들을 통해 다른 빌딩 재료를 분배함으로써 형성된다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 디지털 재료의 역학적 성질은 디지털 재료를 형성하는데 이용되는 다른 빌딩 재료들 사이의 비율을 정의함으로써 설정된다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 디지털 재료는 밀리미터 또는 서브-밀리미터 매크로 복셀의 단위 크기를 갖도록 정의되고, 각각의 마이크로 복셀은 빌딩 재료의 수십 또는 수백의 분배된 드롭스, 예를 들어, 10 내지 1000 마이크로 복셀을 포함한다.
일부 예시적인 실시예에 있어서, 구성 성분들이 분배되는 기하학적 및/또는 공간적 패턴은 원하는 역학적 및/또는 원하는 물리적 성질에 따라 달라질 수 있다. 전형적으로, 이러한 증착의 공간 패턴은 랜덤 또는 의사 랜덤이 될 수 있지만(도 4D), 일부의 경우에, 구조화된 패턴이 바람직할 수 있다(도 4C 및 도 4E). 선택적으로, 단일 빌딩 재료, 예를 들어, 단일 빌딩 재료(410)(도 4A) 또는 단일 빌딩 재료(420)(도 4B)가 주어진 성질의 높은 또는 가장 높은 레벨을 복제하기 위해 단독으로 사용될 수 있다.
일부 예시적인 실시예에 있어서, 신체 부분 모델은, 이스라엘, 오브젯(주)에 의해 상용화되는 하나의 단단한 및/또는 강성 재료 RGD535TM, RGD525TM, FullCure®720으로 형성되거나, 이스라엘, 오브젯(주)에 의해 상용화되는 순응 재료 Objet TangoPlusTM, TangoBlackPlusTM, TangoBlackTM, TangoGreyTM으로 형성된다. 선택적으로, 단단한 재료의 강성은 시뮬레이션 되는 가장 강한 조직의 강성과 유사하거나 보다 큰 강성을 갖는 재료로서 선택되고, 순응 또는 탄성 재료의 강성은 시뮬레이션 되는 적어도 단단한 조직의 강성과 유사하거나 작은 강성을 갖는 재료로서 선택된다. 전형적으로, 신체 조직들의 탄성 계수는 약 O.Ol MPa 내지 약 3 GPa 사이에서 변화한다. 본 발명자들은,
약 O.OlMPa의 신체 조직들의 탄성 계수를 갖는 한 재료와 약 3 GPa 내에서 변화하는 신체 조직들의 탄성 계수를 갖는 다른 재료를 이용하여 모델을 제조할 때, 가장 최고의 장기 및/또는 신체 부분의 역학적 거동(mechanical behavior) 또는 특성이 시뮬레이션될 수 있다는 것을 발견하였다.
선택적으로, 디지털 재료는 모델링 재료의 미리-정의된 패턴을 사용하여 형성될 필요는 없다. 오히려, 디지털 재료는 둘 이상의 모델링 재료들, 예를 들어 프린트 복셀 레벨에 의사-랜덤하게 혼합되는 모 재료들 사이의 비율에 의해 정의될 수 있다. 이 경우에, 요구된 혼합 비율에 따라 복셀을 랜덤하게 분배함으로써 즉석에서 프린팅 복셀이 할당될 수 있기 때문에, 일반적으로, 상당히 작은 계산 자원을 필요로 한다. 의사-랜덤 혼합의 다른 장점은 대안 슬라이스 상에 기준 패턴에 대해 Z-버퍼를 필요치 않고 슬라이스 단위 당 분배가 발생할 수 있다는 것이다.
지금, 액체 재료가 고무와 같은 재료로 둘러싸인 예시적인 구분된 디지털 재료 구조를 도시하는 도 5A 내지 도 5C를 참조한다. 일부 실시예에 있어서, 디지털 재료 유닛 셀은 단단한 재료로 둘러싸인 액체 또는 겔 볼륨을 구분으로서 정의된다. 다른 구분된 단위 셀들은 서로 다른 거동들을 생성하도록 정의될 수 있다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 매우 연한 겔, 예를 들어, 0.1 MPa 이하의 압축 계수를 갖는 액체, 및/또는 비-고체화 재료(510)는 액체의 높은 분율을 포함하는 연한 조직들, 결합 조직들, 혈관 및 다른 신체의 장기를 시뮬레이션하는데 사용된다. 본 발명자들은 3D 객체 제조 동안 또는 이후에 액체 재료의 누설이 발생할 수 있다는 것을 발견하였다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 누설은 밀리미터 또는 서브-밀리미터로 구분된 구조들을 제조함으로써 방지되며, 여기서, 액체 또는 연한 겔 재료의 각각의 부분은 다른 고체 재료, 고무와 같은 빌딩 재료 또는 디지털 재료, 예를 들어 TangoPlus 고무와 같은 재료에 의해 둘러싸인 폴리에틸렌 글리콜 400(PEG400)에 의해 둘러싸이거나 캡슐 처리된다.
일부 예시적인 실시예에 있어서, 구분된 디지털 재료 구조의 강성은 전체 고무/액체 비율, 구획 사이즈, 벽 두께, 고무 같은 재료의 강성, "강화" 액체 영역에 대한 추가적인 고무 같은 필라멘트 또는 파티션의 도입을 제어함으로써 제어된다. 선택적으로, 증가된 강성은 고무 같은 빌딩 재료(520)의 두께를 증가시킴으로써 달성된다(도 5A와 비교된 도 5B). 선택적으로, 증가된 강성은 구획의 정의된 사이즈를 감소 및/또는 구획의 형상을 변경하여 성취된다(도 5C). 선택적으로, 도 5C에 도시된 것과 같은 삼각 형상의 구획은 도 5A 및 도 5B에 도시된 사각형 형상의 구획보다 더 내구성이 있다. 선택적으로, 구획 구조는 살아 있는 신체 셀들의 구조를 모방할 수 있다.
지금, 본 발명의 일부 실시예에 따라 사용될 수 있는 하나의 연성 재료(TangoBlackPlusTM) 및 하나의 강성 재료(RGD525TM)로 이루어진 디지털 재료에 대한 보정 곡선의 예시적인 그래프를 도시한 도 6A 및 도 6B를 참조한다. 도 6A는 디지털 재료 내의 연성 재료의 부피 분율의 함수로서 디지털 재료의 SHORE-A 값을 도시하는 예시적인 그래프이다. 도 6B는 디지털 재료 내의 강성 재료의 부피 분율의 함수로서 디지털 재료의 영률을 도시한 예시적인 그래프이다. 그래프 상의 삼각 지점은 실험 데이터를 나타내고, 곡선은 예시적인 분석적 적응(analytical fit)를 나타낸다. 선택적으로, 분석적 적응은 물리적 성질을 모방하기 위해 디지털 재료의 구성 성분 및 촬영으로부터 결정된 정의된 위치에 신체 부분의 물리적 성질에 관한 하나 이상의 방정식을 정의하는데 사용될 수 있다. 선택적으로, 사용자 입력은 신체 부분의 식별된 요소의 물리적 성질을 정의하는데 부가적으로 사용된다.
지금, 손의 예시적인 재구성을 도시한 도 7A 및 도 7B를 참조한다. 도 7A는 STL 파일을 사용하여 공지된 AM 기술에 의해 흑색 재료 및 투명 재료인 두 개의 모델링 재료를 사용하여 손의 재구성을 도시하며, 여기서, 흑색 재료는 뼈를 나타내고, 투명 재료는 비-뼈 조직을 나타낸다. 비교에 있어서, 도 7B는 본 발명의 일부 실시예에 따른 시스템 및 방법을 사용하여 손의 예시적인 물리적 재구성을 도시한다. 도 7B에서 알 수 있는 것처럼, 손은 두 개의 모델링 재료, 즉 흑색 재료 및 투명 재료의 조합을 변경하여 재구성되었다. 흑색은 가장 강성인 영역을 위해 사용되고, 투명은 가장 순응 영역을 위해 사용되었으며, 두 재료의 서로 다른 비율의 공간 조합을 변경하는 것은 상이한 영역에 또는 내부의 성질을 복제하기 위해 사용된다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따른 시스템 및 방법을 사용함으로써, 예를 들어 공동 영역에서 뼈의 성질의 변화는 재구성되었고, 공동 영역은 차별화되었다.
비록, 대부분의 실시예가 신체 부분의 모델을 제조하는데 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 실시예는 이러한 관점에 제한하지 않으며, 동일한 시스템 및 방법이 복수의 상이한 재료들로부터 형성된 다른 객체의 모델을 제조하기 위해 사용될 수 있다는 것을 주목한다.
또한, 비록, 대부분의 실시예가 단단하면서 순응 재료의 조합을 사용하여 신체 부분의 모델을 제조하는 것을 참조하여 설명되어 있지만, 본 발명의 실시예는 이러한 관점에 제한하지 않는다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 신체 부분의 모델은 신체 부분의 성질을 모방하기 위하여 다양한 다른 역학적 및/또는 물리적 성질를 갖는 빌딩 재료의 조합을 사용하여 제조될 수 있다.
용어 "구비한다", "구비하는", "포함한다", "포함하는", "갖는" 및 이 동사의 활용은 “포함하지만 이에 제한하지 않음”을 의미한다.
용어 "~로 구성된다"는 “포함하지만 이에 한정되는 것”을 의미한다.
용어 "필수적으로 구성된다"는 조성물, 방법 또는 구조가 추가적인 여러 요소, 단계 및/또는 부품을 포함할 수 있는 것을 의미하지만, 추가적인 여러 요소, 단계 및/또는 부품이 청구된 조성물, 방법 또는 구조의 기본 및 새로운 특징을 크게 변경하지 않는 경우에 해당한다.
본 명세서에 사용된 용어 "방법"은, 제한을 두지 않지만, 화학, 약리학, 생물학, 생화학 및 의학 기술 분야의 변리사에 의해 알려진 방식, 수단, 기술 및 절차로부터 이미 공지되거나, 용이하게 개발되는 방식, 수단, 기술 및 절차를 포함하는 주어진 작업을 성취하기 위한 방식, 수단, 기술 및 절차를 지칭한다.
명확성을 위해 별개의 실시예의 문맥에 기재된 발명의 특정 기능은 단일 실시예에서 조합으로 제공될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 역으로, 간략화를 위해, 단일 실시예의 문맥에 기재된 본 발명의 다양한 기능은 또한 별도로 또는 임의의 적합한 서브-조합으로 제공될 수도 있거나, 본 발명의 어떤 다른 실시예에서 최적으로 제공될 수도 있다. 다양한 실시예의 문맥에 기재된 특정 기능은, 실시예가 구성 요소 없이 동작하지 않는 경우를 제외하고, 실시예들의 필수적인 기능으로 간주되지 않는다.
110: 촬상 장치
115: 사용자 입력 장치
120: 룩업 테이블/방정식(들)
125: 처리 유닛
130: 래스터 파일
140: 다중-재료 AM 장치
142: 빌딩 재료
144: 빌딩 재료
146: 추가적인 빌딩 재료
150: 신체 부분의 모델

Claims (18)

  1. 다른 역학적 성질을 갖는 적어도 두 개의 모델링 재료의 조합으로 형성된 디지털 재료를 포함하는 신체 부분의 물리적 재구성으로서,
    모델링 재료의 상기 조합은 신체 부분의 역학적 성질을 복셀 단위로 모방하도록 구성되고, 복셀은 신체 부분의 이미지 데이터에 기초하여 정의되며, 복셀 단위로 모방되는 역학적 성질은 탄성인, 물리적 재구성.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 두 개의 모델링 재료의 상기 조합은 신체 부분을 정의하는 비트맵 이미지에 기초하고, 비트맵 이미지 내의 각각의 픽셀은 복수의 드롭(drops)으로 나타내되며, 복수의 드롭은 디지털 재료를 정의하는, 물리적 재구성.
  3. 제 1 항에 있어서,
    디지털 재료는 적어도 두 개의 모델링 재료 사이의 비율로 정의되는, 물리적 재구성.
  4. 제 1 항에 있어서,
    디지털 재료를 정의하는 적어도 두 개의 모델링 재료의 증착 패턴은 랜덤 또는 의사 랜덤인, 물리적 재구성.
  5. 제 1 항에 있어서,
    디지털 재료를 정의하는 적어도 두 개의 모델링 재료의 증착 패턴은 구조화된 패턴인, 물리적 재구성.
  6. 제 1 항에 있어서,
    디지털 재료는 적어도 두 개의 모델링 재료로 형성된 정의된 패턴에 의해 정의되는, 물리적 재구성.
  7. 제 5 항에 있어서,
    패턴은 원하는 역학적 및/또는 물리적 성질을 제공하도록 구성되는, 물리적 재구성.
  8. 제 1 항에 있어서,
    디지털 재료는 복수의 계층을 통해 정의되는, 물리적 재구성.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 두 개의 모델링 재료 중 하나는 0.01 MPa의 탄성 계수를 갖도록 구성되는, 물리적 재구성.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 두 개의 모델링 재료 중 하나는 3 GPa의 탄성 계수를 갖도록 구성되는, 물리적 재구성.
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 두 개의 모델링 재료는 하나의 단단한 또는 강성 재료, 및 0.01 MPa 내지 3 GPa 범위의 탄성 계수 사이에서 변화하는 하나의 순응 재료를 포함하는, 물리적 재구성.
  12. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 두 개의 모델링 재료 중 하나는 액체, 겔 또는 겔과 같은 재료인, 물리적 재구성.
  13. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 두 개의 모델링 재료 중 하나는 액체 재료인, 물리적 재구성.
  14. 제 13 항에 있어서,
    액체 재료는 폴리에틸렌 글리콜 400 (PEG400)인, 물리적 재구성.
  15. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 디지털 재료는 단단한 재료로 둘러싸인 액체, 겔 또는 겔과 같은 재료로 형성되는, 물리적 재구성.
  16. 제 15 항에 있어서,
    단단한 재료는 액체를 캡슐 처리되도록 구성되는, 물리적 재구성.
  17. 제 12 항에 있어서,
    액체, 겔 또는 겔과 같은 재료는 매우 연한 조직 및/또는 체액을 모방하도록 구성되는, 물리적 재구성.
  18. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미지 데이터는 CT 스캐너, MRI 및 초음파 디바이스를 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 이미징 디바이스로부터 수신되는, 물리적 재구성.
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