(57)【要約】【課題】教育訓練用や、術前治療計画の検討用などとして用いられる切削性を有する人工骨モデルを、自然骨と酷似させて製造する方法を提供する。【解決手段】自然骨の３次元ＣＡＤデータを所定の分割面によって２以上に分割して、各分割自然骨の３次元ＣＡＤデータを得て、該３次元ＣＡＤデータに基づいて得た各分割自然骨の断層撮影情報に基づき、各分割自然骨の人工骨モデルを、粉末焼結積層造形法により別々に製造したのち、各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から焼結していない粉末を除去してから、全ての各分割人工骨モデルを分割面で接着して一体的人工骨モデルを形成する、自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然骨の３次元ＣＡＤデータを所定の分割面によって２以上に分割して、各分割自然骨の３次元ＣＡＤデータを得て、該３次元ＣＡＤデータに基づいて得た各分割自然骨の断層撮影情報に基づき、各分割自然骨の人工骨モデルを別々に製造したのち、各分割自然骨の人工骨モデルを接着する自然骨の人工骨モデルの製造方法であって、
各分割自然骨の人工骨モデルを別々に製造するに当たり、合成樹脂粉末３０〜９０質量％と無機充填剤１０〜７０質量％からなる粉末焼結材料を薄層状に展開し、薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料に、各分割自然骨の断層撮影情報に基づく外観形状及び内部構造形状をレーザ光により照射して、薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料の該レーザ光の照射部分を焼結し、さらに、１層分の粉末焼結材料の薄層状の展開と、自然骨の断層撮影情報に基づく外観形状及び内部構造形状をレーザ光により照射して薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料の焼結とを反復して繰り返すことにより、各分割自然骨の外観形状と内部構造形状を三次元的に複製した各部分の人工骨モデルを別々に製造し、各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から焼結していない粉末を除去してから、全ての各分割人工骨モデルを分割面で接着して一体的人工骨モデルを形成することを特徴とする自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法。
【請求項２】
各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から焼結していない粉末を除去してから、除去された空孔の内面を着色する請求項１記載の自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法。
【請求項３】
合成樹脂粉末の微粒子が、球状である請求項１又は２記載の自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法。
【請求項４】
人工骨モデルが、教育訓練用である請求項１〜３の何れかに記載の自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法。
【請求項５】
人工骨モデルが、術前治療計画の検討用である請求項１〜３の何れかに記載の自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、教育訓練用や、術前治療計画の検討用などとして用いられる切削性を有する人工骨モデルを、粉末焼結積層造形法により、自然骨と酷似させて製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
欠損や変形を生じた頭蓋骨の治療、骨が複雑に組み合わされている聴覚器官の治療、大腿骨頭壊死の外科的治療、各種の複雑骨折の治療など、骨の切削を伴う治療が、整形外科、脳外科、胸部外科、口腔外科、耳鼻咽喉科、形成外科、獣医外科などの広い分野で行われている。しかし、骨の切削を伴う外科的治療に熟達した医師を養成するための教育訓練の機会は多くない。
【０００３】
従来、医療関係の教育、訓練、実験などに用いられる教材としては、人間などの、動物の遺体から採取した骨の外観を目視により模倣し、紙、合成樹脂、木材、石膏などの材料を用いて、彫刻、切削などの手法、いわゆる芸術的センスにより製作された模型が一般的に用いられている。稀に、一部の医療機関や教育機関では、採取した人体や動物の部位そのものが、故人あるいは遺族の好意により、死後献体として実体が用いられる場合がある。しかし、教育、訓練、実験用などとしての骨の入手は困難な状況にある。
【０００４】
さらに、整形外科、脳神経外科、胸部外科、口腔外科、耳鼻咽喉科、形成外科、獣医外科などの広い分野の外科領域において、特に若い医師にとって術者としての経験を重ねることが必要とされているにも関わらず、これらの教材の入手困難な状況は深刻である。
【０００５】
また、これら若手医師たちにとっては、昨今著しい進歩を遂げている医用画像機器特にＣＴ（Computer Tomography）の画像所見と実際の解剖所見を結びつけ、さらに解剖学的名称を正確に把握しておくことが非常に重要である。さらには、やはり近年目覚しい進歩を遂げている各種手術器具・装置・用具に関しても習熟のための充分な機会が求められている。
【０００６】
この改善策として、近年医学系学術集会においては、各科ともそれぞれ若手医師を対象としたハンズオンセミナーとしてトレーニングを実施しているが、学術集会の会場では献体を使用することができず、また従来のトレーニング用モデルでは、実際の手術の際に経験する事柄、すなわち、目視上の解剖学的近似性、手術器具・装置を用いた使用感（自然骨に酷似した切削性）を得ることができないのが現状である。したがって、外科系各科の若手医師に容易に画像所見と解剖所見を一致させ、最新の手術器具・装置を自然骨に酷似した状況で削開する使用感を提供することが急務となっている。
人工骨モデルの製造方法については、特許文献１に粉末焼結積層造形法による、切削性を有する人工骨モデルの製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１８４６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記特許文献１に記載の人工骨モデルの製造方法では、人体などの自然骨の立体的形状を、精密かつ正確に３次元的に複製することができるが、その特殊な製造方法により、骨に該当する部位以外の空洞部分に粉末材料が未硬化のまま残留してしまい、骨に該当する部分を削開した際に、自然骨を削開した際に目視できる解剖学的所見とは異なっており、水若しくは空気にて一旦空洞箇所に残留した粉末を除去しなければならないという問題があった。
本発明は、このような状況下になされたものであり、教育訓練用や、術前治療計画の検討用などとして用いられる切削性を有する人工骨モデルを、自然骨と酷似させて製造する方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
自然骨の３次元ＣＡＤデータを所定の分割面によって２以上に分割して、各分割自然骨の３次元ＣＡＤデータを得て、該３次元ＣＡＤデータに基づいて得た各分割自然骨の断層撮影情報に基づき、各分割自然骨の人工骨モデルを、粉末焼結積層造形法により別々に製造したのち、各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から焼結していない粉末を除去してから、全ての各分割人工骨モデルを分割面で接着して一体的人工骨モデルを形成することにより、その目的を達成し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
【００１０】
すなわち、本発明は、
（１）自然骨の３次元ＣＡＤデータを所定の分割面によって２以上に分割して、各分割自然骨の３次元ＣＡＤデータを得て、該３次元ＣＡＤデータに基づいて得た各分割自然骨の断層撮影情報に基づき、各分割自然骨の人工骨モデルを別々に製造したのち、各分割自然骨の人工骨モデルを接着する自然骨の人工骨モデルの製造方法であって、
各分割自然骨の人工骨モデルを別々に製造するに当たり、合成樹脂粉末３０〜９０質量％と無機充填剤１０〜７０質量％からなる粉末焼結材料を薄層状に展開し、薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料に、各分割自然骨の断層撮影情報に基づく外観形状及び内部構造形状をレーザ光により照射して、薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料の該レーザ光の照射部分を焼結し、さらに、１層分の粉末焼結材料の薄層状の展開と、自然骨の断層撮影情報に基づく外観形状及び内部構造形状をレーザ光により照射して薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料の焼結とを反復して繰り返すことにより、各分割自然骨の外観形状と内部構造形状を三次元的に複製した各部分の人工骨モデルを別々に製造し、各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から焼結していない粉末を除去してから、全ての各分割人工骨モデルを分割面で接着して一体的人工骨モデルを形成することを特徴とする自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法、
（２）各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から焼結していない粉末を除去してから、除去された空孔の内面を着色する上記(１)項記載の自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法、
（３）合成樹脂粉末の微粒子が、球状である上記(１)又は(２)項記載の自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法、
（４）人工骨モデルが、教育訓練用である上記(１)〜(３)項の何れかに記載の自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法、及び
（５）人工骨モデルが、術前治療計画の検討用である上記(１)〜(３)項の何れかに記載の自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法、
を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば教育訓練用や、術前治療計画の検討用などとして用いられる切削性を有する人工骨モデルを、粉末焼結積層造形法により、自然骨と酷似させて製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１で得られた、接合前の２つの分割側頭骨の人工骨モデルの斜視図である。
【図２】実施例１で得られた、一体化されてなるヒト側頭骨の人工骨モデルの斜視図であり、（ａ）は上面から見た斜視図、（ｂ）は側面から見た斜視図、（ｃ）は下面から見た斜視図である。
【図３】実施例２で得られた、２つに分割され、重要部位が着色されてなる側頭骨の人工骨モデルの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの製造方法（以下、単に「人工骨モデルの製造方法」と称することがある。）は、自然骨の３次元ＣＡＤデータを所定の分割面によって２以上に分割して、各分割自然骨の３次元ＣＡＤデータを得て、該３次元ＣＡＤデータに基づいて得た各分割自然骨の断層撮影情報に基づき、各分割自然骨の人工骨モデルを別々に製造したのち、各分割自然骨の人工骨モデルを接着する自然骨の人工骨モデルの製造方法であって、
各分割自然骨の人工骨モデルを別々に製造するに当たり、合成樹脂粉末３０〜９０質量％と無機充填剤１０〜７０質量％からなる粉末焼結材料を薄層状に展開し、薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料に、各分割自然骨の断層撮影情報に基づく外観形状及び内部構造形状をレーザ光により照射して、薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料の該レーザ光の照射部分を焼結し、さらに、１層分の粉末焼結材料の薄層状の展開と、自然骨の断層撮影情報に基づく外観形状及び内部構造形状をレーザ光により照射して薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料の焼結とを反復して繰り返すことにより、各分割自然骨の外観形状と内部構造形状を三次元的に複製した各部分の人工骨モデルを別々に製造し、各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から焼結していない粉末を除去してから、全ての各分割人工骨モデルを分割面で接着して一体的人工骨モデルを形成することを特徴とする。
【００１４】
［各分割自然骨の人工骨モデルの作製］
本発明の人工骨モデルの製造方法においては、まず自然骨の３次元ＣＡＤデータを所定の分割面によって２以上に分割して、各分割自然骨の３次元ＣＡＤデータを得たのち、該３次元ＣＡＤデータに基づいて得られた各分割自然骨の断層撮影情報に基づき、各分割自然骨の人工骨モデルを、粉末焼結積層造形法により、別々に作製する。
【００１５】
（自然骨の３次元ＣＡＤデータ）
自然骨の３次元ＣＡＤデータは、人体の各部位の自然骨を、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、Ｘ線コンピュータ断層撮影（Ｘ線ＣＴ）、超音波コンピュータ断層撮影（超音波ＣＴ）などのいずれか１種又は２種以上の複合方法を用いて透視計測又は外形計測したものである。得られた人体から実測した各部位の自然骨の三次元的立体形状と寸法データは、例えば、医用デジタル画像と通信（ＤＩＣＯＭ、Digital Imaging and Communications in Medicine）データを、さらにソリッドタイプのＳＴＬ（Standard Trianglation language）フォーマットデータに変換することにより、粉末焼結積層造形法に適用することが可能となり、このデータに基づいて粉末焼結積層造形装置におけるレーザ光を稼動させることができる。
本発明においては、上記自然骨の３次元ＣＡＤデータを、所定の分割面によって２以上、通常２〜５に分割して、各分割自然骨の３次元ＣＡＤデータを得たのち、この３次元ＣＡＤデータに基づいて得られた各分割自然骨の断層撮影情報に基づき、粉末焼結積層造形法によって、各分割自然骨の人工骨モデルを別々に作製する。
【００１６】
（粉末焼結材料）
本発明の人工骨モデルの製造方法において用いる粉末焼結材料は、レーザ光の照射により焼結する材料であって、合成樹脂粉末３０〜９０質量％と無機充填剤１０〜７０質量％からなり、好ましくは合成樹脂粉末５０〜８０質量％と無機充填剤２０〜５０質量％からなる。合成樹脂粉末が３０質量％未満で無機充填剤が７０質量％を超えると、得られる人工骨モデルが硬く、脆くなるとともに、自然骨の切削性から外れるおそれがある。合成樹脂粉末が９０質量％を超え無機充填剤が１０質量％未満であると、得られる各分割人工骨モデルの切削性が不良となるおそれがある。合成樹脂粉末と無機充填剤の配合比を調整することにより、得られる人工骨モデルの硬軟や柔脆の程度を調節することができるので、硬い老人の骨から、軟らかい子供の骨まで、目的に応じた人工骨モデルを作製することができる。
【００１７】
＜合成樹脂粉末＞
本発明方法に用いる合成樹脂粉末に特に制限はなく、例えば、ナイロン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリブチレン、ＡＢＳ樹脂、セルロース系樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂などを挙げることができる。これらは１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよいが、これらの中で、ナイロンを好適に用いることができ、ナイロン１１を特に好適に用いることができる。
本発明方法においては、合成樹脂粉末の微粒子が球状であることが好ましい。合成樹脂粉末の微粒子を球状とすることにより、均一な厚みで空隙率の小さい粉末焼結材料の薄層を、再現性よく形成することができる。
また、本発明においては、得られた各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から、焼結していない粉末を除去する必要があるが、該合成樹脂粉末の微粒子が球状であれば、焼結していない粉末の除去が容易となる。
【００１８】
合成樹脂粉末の微粒子の大きさに特に制限はないが、平均粒径５〜２００μｍであることが好ましく、平均粒径２０〜１２０μｍであることがより好ましく、平均粒径４０〜９０μｍであることがさらに好ましい。平均粒径が５μｍ未満の合成樹脂粉末は、製造が容易でなく、コスト高になるおそれがある。合成樹脂粉末の平均粒径が２００μｍを超えると、得られる人工骨モデルの均一性が低下し、切削性が不良となるおそれがあり、また開口からの除去性が低下するおそれがある。
【００１９】
＜無機充填剤＞
本発明方法に用いる無機充填剤に特に制限はなく、例えば、タルク、炭酸カルシウム、ガラスビーズ、シリカ、クレー、カオリン、硫酸バリウム、ウォラストナイト、雲母、酸化チタン、ケイソウ土、ヒドロキシアパタイト、金属粉末などを挙げることができる。これらは１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよいが、これらの中で、ガラスビーズは、切削性の良好な人工骨モデルを得ることができるので、特に好適に用いることができる。
【００２０】
＜レーザ光＞
本発明方法に用いるレーザ光に特に制限はなく、例えば、ＣＯ2レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、半導体励起固体レーザなどを挙げることができる。これらの中で、ＣＯ2レーザは、操作が簡単で、制御が容易なので、特に好適に用いることができる。これらのレーザは、１種を単独で用いることができ、あるいは、２種以上を組み合わせて用いることもできる。使用するレーザの種類によって、製造時間、粉末焼結材料の結合の程度、得られる人工骨モデルの気孔率などを調節することができる。
本発明方法において、粉末焼結材料にレーザ光を照射するときの雰囲気に特に制限はなく、例えば、水素、ヘリウム、アルゴン、窒素などのガス中とすることができ、あるいは、大気中とすることもできる。雰囲気を不活性ガスとすることにより、粉末焼結材料の酸化や腐食を防止するとともに、レーザ光照射による成形体の過熱による変形を防止することができる。
【００２１】
（各分割人工骨モデルの作製方法）
本発明の人工骨モデルの作製方法においては、各分割自然骨の人工骨モデルを、別々に下記のようにして作製する。
前述した粉末焼結材料を薄層状に展開し、薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料に、各分割自然骨の断層撮影情報に基づく外観形状及び内部構造形状をレーザ光により照射して、薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料の該レーザ光の照射部分を焼結し、さらに、１層分の粉末焼結材料の薄層状の展開と、自然骨の断層撮影情報に基づく外観形状及び内部構造形状をレーザ光により照射して薄層状に展開した１層分の粉末焼結材料の焼結とを反復して繰り返すことにより、各分割自然骨の外観形状と内部構造形状を三次元的に複製した各部分の人工骨モデルを別々に製造する。この際、積層ピッチは、通常０.０３〜０.２ｍｍ程度である。
【００２２】
［自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルの作製］
前述のようにして得られた、各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から、焼結していない粉末を、該人工骨モデルを振るなどして除去してから、全ての各分割人工骨モデルを、分割面で接着剤により接着して一体化することにより、自然骨と酷似した切削性を有する人工骨モデルが得られる。
前記接着剤については、各分割人工骨モデルを密着性よく接合し得る材料であれば、無機系接着剤及び有機系接着剤のいずれも用いることができる。
また、各分割人工骨モデルの分割面に露出している開口から焼結していない粉末を除去してから、除去された空孔の内面を、解剖学的重要部位を示すなどの目的で着色することができる。
【００２３】
本発明の方法で製造された人工骨モデルは、自然骨と酷似した切削性を有するのみならず、内部空間構造を空間として再現し、かつ解剖学的重要部位が着色してあり、しかも手術手技の教育訓練や、術前治療計画の検討などで削開を行う場合、各分割人工骨モデルの接合面で削開を行うことで、未焼結の粉末が出ることがなく、かつ着色された重要部位も確認できることから、手術・手技の教育訓練用として、あるいは術前治療計画の検討用などとして有用である。
【実施例】
【００２４】
次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、この例によってなんら限定されるものではない。
実施例１
成人男子の側頭骨を、Ｘ線コンピュータ断層撮影して得られた３次元ＣＡＤデータを、所定の分割面によって２つに分割して、各分割側頭骨の３次元ＣＡＤデータを得たのち、該３次元ＣＡＤデータに基づいて得られた各分割側頭骨の断層撮影情報を、ソフトウェア［Materialise社、Mimics］を用いて造形用データに変換した。このデータを造形装置に入力し、積層ピッチ０.１０ｍｍで粉末焼結材料を逐次積層焼結し、各分割側頭骨の人工骨モデルを別々に作製した。
なお、粉末焼結材料として、平均粒径５８μｍの球状のナイロン１１の粉末７０質量％と、平均粒径６０μｍのガラスビーズ３０質量％の混合物を用い、造形装置として、１００Ｗ炭酸ガスレーザを備えた粉末焼結積層造形装置［3D Systems社、Vanguard HS］を用いた。
次に、上記のようにして得られた２つの分割側頭骨の人工骨モデルを振って、分割面に露出している開口から、焼結していない粉末を除去した。
図１は、接合前の２つの分割側頭骨の人工骨モデルの斜視図である。
次に、上記２つの分割側頭骨の人工骨モデルを、分割面でシアノアクリレート系接着剤で接着して、一体化し、ヒト側頭骨の人工骨モデルを得た。
図２に、一体化されたヒト側頭骨の人工骨モデルの斜視図を示す。図２（ａ）は上面から見た斜視図、図２（ｂ）は側面から見た斜視図、図２（ｃ）は下面から見た斜視図である。なお、符号Ａは重要部位を示す黄色着色部である。
【００２５】
実施例２
実施例１と同様にして、２つに分割された、ヒトの側頭骨の人工骨モデルを作製したのち、それぞれ該人工骨モデルを振って、分割面に露出している開口から、焼結していない粉末を除去した。
次いで、出来上がった側頭骨の人工骨モデルの２つの部位の内部構造をそれぞれ、顔面神経管については黄色の合成着色料で、そして内耳（蝸牛、前庭、半規管）については、赤色の合成着色料にて着色した。
図３は、２つに分割され、重要部位が着色された側頭骨の人工骨モデルの斜視図である（図３（ａ）及び図３（ｂ））。
次に、上記の分割された側頭骨の人工骨モデル図３（ｂ）を反転させて、その分割面と、上記の分割された側頭骨の人工骨モデル図３（ａ）図の分割面とを、シアノアクリレート系接着剤により接着して一体化し、ヒト側頭骨の人工骨モデルを得た。
なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）において、符号Ａ及びＢは、それぞれ黄色着色部及び赤色着色部である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の方法で製造された人工骨モデルは、自然骨に酷似した切削性を有する人工骨モデルであって、手術・手技の教育訓練用として、あるいは術前治療計画の検討用などとして用いられる。
【符号の説明】
【００２７】
Ａ  黄色着色部
Ｂ  赤色着色部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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