(57)【要約】【課題】専用の造形装置を必要とせず、実臨床で使用可能なほど安価で且つ簡便に製作された骨実体モデルおよびその製作方法を提供する。【解決手段】ＣＴスキャナまたはＭＲＩスキャナで撮影されたスライス画像を読み込み、読み込んだ各スライス画像毎に骨実体モデルに必要な画像を抽出し、抽出された２次元画像を積層して３次元画像に変換し、３次元画像を３次元ＣＡＤに適したデータに変換し、３次元ＣＡＤデータに基づいてＮＣ加工データを作成し、ＮＣ加工データにしたがってＮＣ加工機により発泡合成樹脂を切削加工することによって骨実体モデルを製作することを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＴスキャナまたはＭＲＩスキャナで撮影されたスライス画像を読み込み、
読み込んだ各スライス画像毎に骨実体モデルに必要な画像を抽出し、
抽出された２次元画像を積層して３次元画像に変換し、
３次元画像を３次元ＣＡＤに適したデータに変換し、
３次元ＣＡＤデータに基づいてＮＣ加工データを作成し、
上記ＮＣ加工データにしたがってＮＣ加工機により発泡合成樹脂を切削加工することによって骨実体モデルを製作することを特徴とする骨実体モデルの製作方法。
【請求項２】
切削加工された発泡合成樹脂の表面に表面処理を施す請求項１に記載の骨実体モデルの製作方法。
【請求項３】
上記発泡合成樹脂が発泡スチロールからなる請求項１または２に記載の骨実体モデルの製作方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の製作方法によって製造された骨実体モデル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＴスキャナやＭＲＩスキャナで撮影されたスライス画像データに基づいて製作された骨実体モデル及びその製作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
関節変形や外傷にともなう人工関節の手術数は、高齢化社会の到来に伴って年々増加しており、本邦における手術数は年間１４万件に達している。
【０００３】
人工関節の手術手技に熟達するには多くの手術を経験する以外にないが、手術経験が豊富に得られる医療施設は限られている。
【０００４】
また、手術手技を向上させるには、システム化された手術トレーニングが必要になるが、本邦では海外で行われているような屍体を使用した手術トレーニングは認められていないため、実際の手術に参加する以外に手立てがないのが実情である。
【０００５】
一方、医療における画像診断分野においては、３次元画像を用いた診断が次第に普及してきており、運動器の分野においてもその応用が進んでいる。
【０００６】
３次元シミュレーションソフトによって術前計画を立て、実物大立体モデルを製作することによりイメージをリアルにとらえて手術のシミュレーションを行うことは、術者の技量が大きく影響するような手術になるほど有効である。
【０００７】
ヘリカルＣＴスキャナやＭＲＩスキャナで得られた画像データ利用して実物大立体モデルを製作する方法として、最近、ラピッド・プロットタイピング（Rapid Prototyping）と呼ばれる造形方法が利用されている。
【０００８】
ラピッド・プロットタイピングは、本来、製品開発をする際に試作品の製作に要していた多大な時間とコストを削減することを目的として普及した試作品の造形方法であり、金型を必要とせずに、実物大立体モデルを直接、製作することができる。
【０００９】
上記ラピッド・プロットタイピングには、光造形法、粉末造形法、シート積層法、押し出し法があり、光造形法は、紫外線で硬化する液体樹脂を利用し断面形状を積み重ねることにより、粉末造形法は、赤外線でナイロン樹脂等を溶かして固め断面形状を積み重ねることにより、シート積層法は、インクジェットプリンタのように複数の溶液をノズルから射出し断面形状を積み重ねることにより、また、押し出し法は、溶かした樹脂をノズルから押し出して断面形状を積み重ねることにより、それぞれ目的とする形状を製作することができる。
【００１０】
また、上記粉末造形法を利用して医療用立体モデルを製作する方法も知られている。
【００１１】
具体的には、ヘリカルＣＴスキャナやＭＲＩスキャナで撮影されたスライス画像に基づいて、これを医療用立体モデル画像に加工し、この医療用立体モデル画像に基づいて、これを単位厚さ毎のスライス画として、単位厚さ毎に敷設された粉末材料上にレーザ描画し固形化することで医療用立体モデルを直接製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−４０９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記した従来の医療用立体モデルの製造方法では、医療用立体モデルの製作にあたり、専用の造形装置を導入しなければならず、さらに、製作過程において積層工程に５〜９時間、固化工程に２４時間費やす必要がある。
【００１４】
そのため、製作された医療用立体モデルは自ずと高価になり、広く普及していないのが実情である。
【００１５】
本発明は以上のような従来の医療用立体モデルの製造方法における課題を考慮してなされたものであり、専用の造形装置を必要とせず、実臨床で使用可能なほど安価で且つ簡便に製作することができる骨実体モデルおよびその製作方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、ＣＴスキャナまたはＭＲＩスキャナで撮影されたスライス画像を読み込み、
読み込んだ各スライス画像毎に骨実体モデルに必要な画像を抽出し、
抽出された２次元画像を積層して３次元画像に変換し、
３次元画像を３次元ＣＡＤに適したデータに変換し、
３次元ＣＡＤデータに基づいてＮＣ加工データを作成し、
上記ＮＣ加工データにしたがってＮＣ加工機により発泡合成樹脂を切削加工することによって骨実体モデルを製作する骨実体モデルの製作方法である。
【００１７】
本発明において、切削加工された発泡合成樹脂の表面に表面処理を施せば、骨実体モデル表面を疵つきから保護することができる。
【００１８】
本発明において、上記発泡合成樹脂は、安価で汎用性のある発泡スチロールを使用することが好ましい。
【００１９】
本発明の骨実体モデルは、上記した製作方法によって製造されたものであることを要旨とする。
【００２０】
本発明における骨実体モデルとは、人体の骨格を形成している任意の骨の実物大モデルを意味しており、例えば下肢骨の骨実体モデルでは、下肢骨を構成している、大腿骨、脛骨、足の骨等の各部品が示される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、専用の造形装置を必要とせず、実臨床で使用可能なほど安価で且つ簡便に骨実体モデルを製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る骨実体モデルの製作過程で使用するスライス画像の説明図である。
【図２】骨実体モデルの骨部抽出処理を示す説明図である。
【図３】骨部抽出処理された２次元画像から変換された３次元画像を示す説明図である。
【図４】３次元画像データの欠損部を示す説明図である。
【図５】欠損部の孔埋め処理を示す説明図である。
【図６】画面上に表示された骨実体モデルを示す説明図である。
【図７】製作された骨実体モデルを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２４】
本発明の骨実体モデル製作方法は、ＣＴスキャナまたはＭＲＩスキャナで撮影された、医用デジタル画像と通信の標準規格、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communications in Medicine）形式のスライス画像をコンピュータに読み込むステップと、読み込んだ各スライス画像毎に骨実体モデルに必要な画像を抽出するステップと、抽出された２次元画像を積層して３次元画像に変換するステップと、３次元画像を３次元ＣＡＤに適したデータに変換するステップと、３次元ＣＡＤデータに基づいてＮＣ加工データを作成するステップと、ＮＣ加工データにしたがってＮＣ加工機により発泡合成樹脂を切削加工するステップとから構成されている。
【００２５】
以下、骨実体モデルを製作する各ステップについて詳しく説明する。
【００２６】
１．読込みステップ
図１において、ＣＴスキャナまたはＭＲＩスキャナで撮影したスライス画像データＤ１〜Ｄｎを、通信回線を通じてまたは記録媒体を受け取ることによって医療機関から入手し、パーソナルコンピュータの記憶装置またはパーソナルコンピュータに接続された外部記憶装置に取り込む。
【００２７】
スライス画像データＤ１〜Ｄｎの取り込みには、例えばＬＥＸＩ社製のソフト、ＺｅｄＶｉｅｗを使用することができる。
【００２８】
上記ＺｅｄＶｉｅｗは、ＣＴ、ＭＲＩスキャナで撮影した２次元スライス画像から３次元可視化が可能なソフトであり、３次元形状データを汎用データフォーマットＳＴＬ（またはＤＸＦ）データとして出力することができるものである。
【００２９】
なお、図中、Ｄ１はひざ部分の断層写真を示しており、Ａは脛骨の周辺部、Ｂは脛骨断面を示している。
【００３０】
２．画像抽出ステップ
各スライス画像を記憶装置から読み出してモニタ画面上に表示させ、骨実体モデルに必要な画像を抽出するためにコントラストを調整し、次いで、マスキング機能を用いて骨部分を抽出し、骨以外の画像を削除する。
【００３１】
次に、輝度の認識範囲を設定し、骨以外の部分に現れるノイズを削除する。
【００３２】
その結果、図２に示すように、画像着色部分の境界に面Ｃが形成される。
【００３３】
上記した抽出作業を、スライス間隔０．８ｍｍピッチでは、例えばひざ部分については約２２０枚について、また、ひざ部分から踵部分までについては６４０枚についてそれぞれ実施する。
【００３４】
３．３次元画像変換ステップ
骨部分が抽出された２次元画像をＺ軸方向に積層することにより、３次元画像に変換する。
【００３５】
図３は３次元画像変換処理によって得られた大腿骨、脛骨、腓骨の３次元画像を示している。
【００３６】
４．ＣＡＤデータ変換工程
３次元画像データ（ＳＴＬ形式）のポリゴン量を調整し、３次元ＣＡＤ作業に適した容量に最適化する。
【００３７】
３次元画像処理ソフトウエアでは、物体の面を三角形（ポリゴン）の集合として表現するため、そのままでは多大な処理時間が必要となる。そこで、ポリゴン量を減らして最適化を図る。
【００３８】
具体的には、３次元画像データを、データ量の少ないＩＧＳ形式に変換する。それにより、３次元画像データは曲面を含んだ面によって表現される。
【００３９】
また、この段階で３次元画像データに欠損部がある場合、後述するＮＣ加工において加工工具がその欠損部に突っ込むといったトラブルが生じるためデータの修正を行う。
【００４０】
具体的には、欠損部周縁の線分には方向性が存在せず、線のつながりが不明なため、欠損部の空間に架空の線を挿入する。
【００４１】
その架空線の矛盾を調べ、平均値にて架空線を修正する。
【００４２】
修正された架空線と既存の欠損部周縁との接続部分に三角形（ポリゴン）の図形を挿入する。
【００４３】
図４は、欠損部Ｅに三角形Ｆが挿入された状態を示している。Ｅ′は欠損部周縁を示している。
【００４４】
次に、作成された三角形の辺に沿って順次面を作成していく。
【００４５】
図５は、面を作成し欠損部を埋めていく過程を示している。
【００４６】
欠損部が面で埋められると、骨実体モデルを作成する必要部位を画面上で選定する。本実施形態では必要部位として脛骨を選定する。
【００４７】
次いで、選定された脛骨について加工の向き、加工基準の設定、加工範囲（脛骨の上部とする）、加工順序を設定する。
【００４８】
図６は、画面上に表示された脛骨の上部を示している。
【００４９】
次いで、ワークサイズを決定し、加工工具を選定する。
【００５０】
本発明ではワークの材料として発泡スチロールを使用するため、加工工具にほとんど負荷が加わらないという利点がある。
【００５１】
また、発泡倍率１５〜６０倍（密度：６０〜１６ｋｇ／ｍ３）の発泡スチロールをワークとして使用すれば、加工時に割れを起こすことなく骨実体モデルを製作することができる。特に、発泡倍率１５倍で成形された発泡スチロールは、複雑な形状を有する骨実体モデルを正確に加工するのに適している。
【００５２】
なお、本実施形態では発泡スチロールを使用したが、これに限らず、ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂を原料とした発泡合成樹脂を使用することもできる。
【００５３】
また、フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル、ユリア樹脂、シリコーン、ポリイミド、メラミン樹脂等も発泡化して用いることができる。
【００５４】
５．ＮＣ加工データ作成工程
次いで、加工用パス（ＮＣ加工データ）を作成する。
【００５５】
加工用パスを作成すると、画面上で切削状態をシミュレーションし、骨実体モデルの加工が想定通りに行われるかを検証する。
【００５６】
シミュレーションによって検証が終わると、ＮＣデータをＮＣ加工機に転送し、加工指示書を作成する。
【００５７】
６．切削工程
本実施形態における切削加工条件は以下の通りである。
ａ．荒加工
ボールエンドミル径  φ１０〜３０
回転数              ４，０００〜６，０００ｒｐｍ
送り速度            ７，０００〜９，０００ｍｍ／分
ｂ．仕上げ加工
ボールエンドミル径  φ６〜２０
回転数              ７，０００〜９，０００ｒｐｍ
送り速度            ３，０００〜４，５００ｍｍ／分
【００５８】
従来の造形方法は、断面形状を一方向に積み重ねることによって目的とする形状を製作するため、平面的な造形には適しているものの、例えば脛骨のような縦長物体の造形には不向きである。また、オーバーハング部分があると造形することができないという欠点がある。
【００５９】
これに対し、本発明の骨実体モデルの製作方法は、ＮＣ加工機による３軸加工が可能なため、縦長物体であってもワーク（発泡スチロールのブロック）を水平方向に配置することによって加工することが可能であり、また、オーバーハング部分があっても骨実体モデルを精度良く製作することができる。
【００６０】
具体的には、脛骨画像を画面上で水平方向に配置し、脛骨の上部前半分については加工用パスをＸ軸方向（ワーク長手方向と直交する方向）およびＺ軸方向（ワーク高さ方向）にセットしてＮＣ加工機による切削を行う。
【００６１】
切削によってワークから脛骨の前側上部が現れると、次に、加工用パスをＹ軸方向（ワーク長手方向）およびＺ軸方向にセットして脛骨の前側を切削していく。上記加工は脛骨の前側半分を切削するために行われる。
【００６２】
次に、ワークを天地逆にセットし、脛骨の上部の背面側について、加工用パスをＸ軸方向およびＺ軸方向にセットして切削を行う。
【００６３】
切削によってワークから脛骨の上部背面側が現れると、次に、加工用パスをＹ軸方向およびＺ軸方向にセットして脛骨の背面側を切削していく。
【００６４】
上記加工を実施することにより、図７に示すように、脛骨の骨実体モデルを製作することができる。
【００６５】
上記骨実体モデルの切削に要した時間は約３時間であった。
【００６６】
７．表面処理工程
発泡スチロールを切削することにより得られた骨実体モデルの表面に表面処理剤を刷毛で塗布する。上記表面処理剤としては、ポリ酢酸ビニル樹脂やポリエステル樹脂を使用することができる。
【００６７】
表面処理剤を塗布した後、塗布面を乾燥させる。
【００６８】
切削された発泡スチロールの表面に表面処理剤を塗布すれば、骨実体モデル表面を疵付きから保護することができる。
【００６９】
また、表面処理剤に顔料を配合すれば、実物に近似した骨実体モデルを製作することもできる。
【符号の説明】
【００７０】
Ａ    脛骨の周辺部
Ｂ    脛骨断面
Ｄ１〜Ｄｎ    スライス画像データ
Ｅ    欠損部
Ｅ′  欠損部周縁
Ｆ    三角形
【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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