(57)【要約】エコー源性器官レプリカおよび付加的製造システムを使用した製造方法が、提供される。前記エコー源性器官レプリカは、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料および前記少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する高いほうの音響インピーダンス材料を含む。前記エコー源性器官レプリカの結果として生じるエコー源性は、１以上の場所のそれぞれにわたって三次元で変化してインビボ器官組織の対応する場所に関連するエコー源性を実質的に複製する。
2021525157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含む、エコー源性器官レプリカ：
低いほうの音響インピーダンス材料、および；
前記エコー源性器官レプリカの異なる場所で、前記低いほうの音響インピーダンス材料内にそのように分布する少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料であって、前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、前記器官レプリカを通して三次元で変化する材料分布を持つ低いほうの音響インピーダンス材料内に分布し、その結果エコー源性が三次元で変化する器官レプリカを生じて対応するインビボ器官組織に関連するエコー源性三次元変化を複製する、上記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料。
【請求項２】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、第１の高いほうの音響インピーダンス材料および第２の高いほうの音響インピーダンス材料を含み、前記第２の高いほうの音響インピーダンス材料が、前記第１の高いほうの音響インピーダンス材料とは異なる弾性を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の高いほうの音響インピーダンス材料および第２の高いほうの音響インピーダンス材料の配置が、エコー源性器官レプリカが、その表面全体にわたって、前記インビボ器官組織を取り囲む１以上の器官に照らして、前記エコー源性器官レプリカによって複製されたインビボ器官組織の対応する場所の実質的に同様の弾性を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布された複数のマイクロビーズとして、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布されている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記マイクロビーズの最小寸法が、０．０１ｍｍと１．０ｍｍの間である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
第１の場所で前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される高いほうの音響インピーダンス材料の量が、第２の場所で前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される高いほうの音響インピーダンス材料の量とは異なる、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記高いほうの音響インピーダンス材料が、該高いほうの音響インピーダンス材料が前記エコー源性器官レプリカの１以上の場所で格子構造を形成するように、前記少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に分布している、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の場所の格子構造は、第１のエコー源性の結果を生じる第１のピッチを有し、前記第２の場所の格子構造は、第２のエコー源性の結果を生じる第２のピッチを有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記低いほうの音響インピーダンス材料が、水、ゲル、イオン、または生体分子のうちの少なくとも１つを含む非重合化材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、前記低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料の結果として生じる空間密度が、前記エコー源性器官レプリカの１以上の場所での前記低いほうの音響インピーダンス材料の体積の約０．１％から１０．０％までの範囲である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、第１の場所での前記低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度が、約１．０％から３．０％の範囲であり、第２の場所での前記低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度が、３．０％より大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記低いほうの音響インピーダンス材料および前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、３Ｄ印刷された材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記インビボ器官組織が、心臓、肺、胃、膀胱、骨、リンパ節、喉頭、咽頭、筋肉血管系、脊柱、腸、結腸、直腸、または眼を含む１以上のヒトまたは動物の器官の器官組織を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
以下を含む、エコー源性器官レプリカを製造する方法：
特定の患者内の器官の医用画像データを取得すること；
付加的製造システムによって、１以上の材料の構成を特定する１以上のデータファイルを受信して、前記付加的製造システムによって預託させること；
前記付加的製造システムによって、受信した１以上のデータファイルに基づいて、前記エコー源性器官レプリカの異なる場所で、低いほうの音響インピーダンス材料内にそのように分布する少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料を分配することによって、前記エコー源性器官レプリカを形成することであって、前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、前記器官レプリカを通して三次元で変化する材料分布を持つ低いほうの音響インピーダンス材料内に分布し、その結果エコー源性が三次元で変化する器官レプリカを生じて対応するインビボ器官組織に関連するエコー源性三次元変化を複製する、上記形成すること。
【請求項１６】
少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の１つの材料が、第１の弾性を有し、前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の別の材料が、前記第１の弾性とは異なる第２の弾性を有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布された複数のマイクロビーズとして、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布されている、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記マイクロビーズの最小寸法が、０．０１ｍｍと１．０ｍｍの間である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
第１の場所で前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の量が、第２の場所で前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される高いほうの音響インピーダンス材料の量から変化する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記エコー源性器官レプリカの前記１以上の場所で格子構造を形成する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
第１の場所の格子構造が、前記第１の場所で第１のエコー源性の結果を生じる第１のピッチを有し、第２の場所の格子構造が、第２の場所で第２のエコー源性の結果を生じる第２のピッチを有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記低いほうの音響インピーダンス材料が、水、ゲル、イオン、または生体分子のうちの少なくとも１つを含む非重合化材料を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、前記低いほうの音響インピーダンス材料内の少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の結果として生じる空間密度が、前記エコー源性器官レプリカの１以上の場所での前記低いほうの音響インピーダンス材料の体積の約０．１％から１０．０％までの範囲である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、第１の場所での前記低いほうの音響インピーダンス材料内の前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度が、約１．０％から３．０％の範囲であり、第２の場所での前記低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度が、３．０％より大きい、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの高いほうのインピーダンス材料および前記低いほうの音響インピーダンス材料の局所的機械的特性が変化して、インビボ器官組織を取り囲む１以上の器官組織によって複製される器官に及ぼされる機械的フィードバックを複製する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
前記機械的フィードバックが前記器官に及ぼされる、複製されている前記器官を取り巻く前記１以上の器官組織が、少なくとも１つの骨または関節を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記器官が、より大きな器官の一部を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２９】
前記器官が、動脈を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項３０】
前記器官が、心臓、肺、胃、膀胱、骨、リンパ節、喉頭、咽頭、筋肉血管系、脊柱、腸、結腸、直腸、または眼を含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０１８年５月２１日に出願された米国特許出願第６２／６７４，５８５号の利益および優先権を主張し、その内容全体、またはすべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
器官レプリカは、人間または動物のインビボ器官に関連する解剖学的特徴および／または機械的機能をシミュレートするために使用される。付加的製造システムを使用して製造された器官レプリカは、特定の患者に対してシミュレートまたは複製される器官に対応する様々なインビボ条件をシミュレートすることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
（要旨）
一態様によれば、本開示は、エコー源性器官レプリカに関する。エコー源性器官レプリカは、低いほうの（ｌｏｗｅｒ）音響インピーダンス材料および当該低いほうの音響インピーダンス材料内に分布された少なくとも１つの高いほうの（ｈｉｇｈｅｒ）音響インピーダンス材料を含む。エコー源性器官レプリカの異なる場所で、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、当該器官レプリカを通して三次元で変化する材料分布を持つ低いほうの音響インピーダンス材料内に分布し、その結果エコー源性が三次元で変化する器官レプリカを生じて対応するインビボ器官組織に関連するエコー源性三次元変化を複製する。
【０００４】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、第１の高いほうの音響インピーダンス材料および第２の高いほうの音響インピーダンス材料を含み、第２の高いほうの音響インピーダンス材料は、第１の高いほうの音響インピーダンス材料とは異なる弾性を有する。いくつかの実施形態では、第１の高いほうの音響インピーダンス材料および第２の高いほうの音響インピーダンス材料の配置は、エコー源性器官レプリカが、その表面全体にわたって、インビボ器官組織を取り囲む１以上の器官に照らして、当該エコー源性器官レプリカによって複製されたインビボ器官組織の対応する場所の実質的に同様の弾性を有する。
【０００５】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する複数のマイクロビーズとして、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する。いくつかの実装形態では、マイクロビーズの直径（または球形でない場合は最小寸法）は、０．０１ｍｍと１．０ｍｍの間である。いくつかの実装形態では、第１の場所で低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される高いほうの音響インピーダンス材料の量は、第２の場所で低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される高いほうの音響インピーダンス材料の量とは異なる。
【０００６】
いくつかの実装形態では、高いほうの音響インピーダンス材料は、当該高いほうの音響インピーダンス材料がエコー源性器官レプリカの１以上の場所で格子構造を形成するように、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に分散される。いくつかの実装形態では、第１の場所の格子構造は、第１のエコー源性の結果を生じる第１のピッチを有し、第２の場所の格子構造は、第２のエコー源性の結果を生じる第２のピッチを有する。いくつかの実装形態では、低いほうの音響インピーダンス材料は、水、ゲル、イオン、または生体分子のうちの少なくとも１つを含む非重合化材料を含む。
【０００７】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料の結果として生じる空間密度は、エコー源性器官レプリカの１以上の場所での低いほうの音響インピーダンス材料の体積の約０．１％から１０．０％の範囲である。いくつかの実装形態では、高いほうの音響インピーダンス材料は、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、第１の場所での低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度は、約１．０％から３．０％の範囲であり、第２の場所での低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料は、３．０％より大きい。
【０００８】
いくつかの実装形態では、低いほうの音響インピーダンス材料および少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、３Ｄ印刷された材料を含む。いくつかの実施形態において、インビボ器官組織は、心臓、肺、胃、膀胱、骨、リンパ節、喉頭、咽頭、血管系、脊柱、腸、結腸、直腸、または眼を含む１以上のヒトまたは動物の器官の器官組織を含む。
【０００９】
別の態様によれば、本開示は、エコー源性器官レプリカを製造する方法に関する。この方法は、特定の患者内の器官の医用画像データを取得することを含む。この方法は、付加的製造システムによって、１以上の材料の構成を特定する１以上のデータファイルを受信して、当該付加的製造システムによって預託させることをさらに含む。この方法はさらに、付加的製造システムによって、受信した１以上のデータファイルに基づいて、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布された少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料を分配することによってエコー源性器官レプリカを形成することを含む。エコー源性器官レプリカの異なる場所で、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布し、その材料分布は、器官レプリカを通して三次元で変化し、その結果、そのエコー源性が三次元で変化する器官レプリカの結果を生じて対応するインビボ器官組織に関連するエコー源性三次元変化を複製する。
【００１０】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の１つの材料は、第１の弾性を有し、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の別の材料は、第１の弾性とは異なる第２の弾性を有する。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布されている。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する複数のマイクロビーズとして、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する。いくつかの実装形態では、マイクロビーズの直径（または球形でない場合は最小寸法）は、０．０１ｍｍと１．０ｍｍの間である。いくつかの実装形態では、第１の場所で低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の量は、第２の場所で低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する高いほうの音響インピーダンス材料の量とは異なる。
【００１１】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料がエコー源性器官レプリカの１以上の場所で格子構造を形成するように、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布している。いくつかの実装形態では、第１の場所の格子構造は、第１の場所で第１のエコー源性の結果を生じる第１のピッチを有し、第２の場所の格子構造は、第２の場所で第２のエコー源性の結果を生じる第２のピッチを有する。いくつかの実装形態では、低いほうの音響インピーダンス材料は、水、ゲル、イオン、または生体分子のうちの少なくとも１つを含む非重合化材料を含む。
【００１２】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、低いほうの音響インピーダンス材料内に分散され、その結果、低いほうの音響インピーダンス材料内の少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度は、エコー源性器官レプリカの１以上の場所での低いほうの音響インピーダンス材料の体積の約０．１％から１０．０％の範囲である。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、第１の場所での低いほうの音響インピーダンス材料内の少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度が約１．０％から３．０％の範囲であり、第２の場所での低いほうの音響インピーダンス材料内の少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度は、３．０％より大きい。
【００１３】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの高インピーダンス材料および低いほうの音響インピーダンス材料の局所的機械的特性は、インビボ器官組織を取り囲む１以上の器官組織によって複製される器官に及ぼされる機械的フィードバックを複製するように変化する。いくつかの実装形態では、機械的フィードバックが器官に及ぼされる、複製される器官を取り巻く１以上の器官組織は、少なくとも１つの骨または関節を含む。
【００１４】
いくつかの実装形態では、器官は、より大きな器官の一部を含む。いくつかの実装形態では、器官は、動脈を含む。いくつかの実施形態では、器官は、心臓、肺、胃、膀胱、骨、リンパ節、喉頭、咽頭、筋肉血管系、脊柱、腸、結腸、直腸、または眼を含む。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本開示の上記および関連する目的、特徴、および利点は、以下の図と併せて解釈される場合、以下の詳細な説明を参照することによってより完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、付加的製造システムを使用してエコー源性器官レプリカを製造するための例示システムの概略図である。
【図２】図２は、複数の材料層として配置された複数の器官組織材料を含むエコー源性器官レプリカの部分の概略図である。
【図３】図３Ａ〜３Ｄは、いくつかの実装による複数のエコー源性器官レプリカ材料配置を示す概略図である。
【図４Ａ】図４Ａは、いくつかの実装による複数のエコー源性器官レプリカ材料分布を示す概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、いくつかの実装による複数のエコー源性器官レプリカ材料分布に関連する複数のエコー源性結果を示す一連の超音波画像である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、低いほうの音響インピーダンス材料のボリューム内の高いほうの音響材料インピーダンス材料の特定の配置を変更することによって、エコー源性器官レプリカの超音波の側面をどのように変調することができるかを示す。
【図４Ｄ】図４Ｄは、高いほうの音響インピーダンス材料のより明確な局所的変化がどのように定義された超音波イメージング結果を達成することができるかを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、組織のテンティングに応じた、患者のエコー源性器官レプリカのエコー源性と患者のインビボ器官のエコー源性を比較する一連の超音波画像である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、付属肢の検出に応じて、患者のエコー源性器官レプリカのエコー源性と患者のインビボ器官のエコー源性を比較する一連の超音波画像である。
【図６】図６は、いくつかの実装に従ってエコー源性器官レプリカを製造する例示方法を表すフローチャートである。
【図７】図７は、例示コンピューティングシステムのブロック概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（詳細な説明）
三次元（３Ｄ）印刷は、コンピュータ支援制御下で材料を預託、接合、または固化することにより、様々な三次元オブジェクトを構築するラピッドプロトタイピングプロセスとして最近進化してきた。付加的製造は、時計、医療機器、タービンエンジン部品、自動車部品などの複雑なマルチコンポーネントオブジェクトの工業規模の生産に典型的に関連する、３Ｄ印刷へのより広範なアプローチを記載する。付加的製造システムは、生成されるオブジェクトを表すデジタルモデルデータに基づいて、１以上の材料を複数のレイヤーに連続して追加または預託することにより、三次元オブジェクトを生成する。付加的製造テクノロジーと付加的製造システム内で使用される材料の進歩により、組織および器官の製造、補聴器の製造、補綴物およびインプラントのカスタマイズ、解剖学的器官モデリング、薬物送達メカニズムの研究、組織生成など、医療分野でのさらなるアプリケーションを可能にしてきた。
【００１８】
器官モデルまたは器官シミュレーションデバイスとしても知られる器官レプリカは、医療従事者がシミュレートされた実験、診断、または臨床タスクを実行することができる物理オブジェクトを作成するために、様々な材料および方法を備えた付加製造システムを使用して製造し得る。例えば、器官レプリカは、医療従事者が、生きている人間または動物の患者に手順を実行する前に、カテーテル血管造影、経食道心エコー図、または器官および関節の移植手順などの特定の手順または治療的治療を実践することを可能にすることができる。一般的な解剖学的特徴を含む器官モデルまたは死体器官でこれらの種類の手順を実践することは、特定の患者に存在し得る固有の解剖学的差異または異常についての限られた理解を医療従事者に提供し、したがって、特定の患者に対する手順を実行するリスクおよび複雑さを増大させる。
【００１９】
医用画像および材料技術の進歩により、付加的製造システムを利用して、特定の患者の器官に固有の解剖学的および構造的特徴を備えた器官レプリカを生成することを可能にしてきた。しかしながら、器官レプリカの材料が複製される器官組織のインビボ特性を正確にシミュレートまたは対応するように器官レプリカを作成することは困難である。たとえば、弾性、透過性、エコー源性、密度などのインビボ器官組織の特性は、付加的製造システムを使用して作成された器官レプリカで複製することは困難である。
【００２０】
さらに、多くの低侵襲医療手順は、多くの場合、超音波画像を使用して実行されるため、医療従事者は、超音波画像を閲覧しおよび超音波画像によってガイドされ得て、特定の治療または手順を安全に実行する。エコー源性器官レプリカにより、医療従事者は、患者の実際の手順で使用されるのと同じ超音波イメージング方法および機器を使用して、患者の器官または器官組織のエコー源的および解剖学的に正確なモデルで特定の手順を実践することを可能にし、それにより患者の特定の器官だけでなく、特定の手順で使用される臨床治療環境および方法を複製する。様々な画像診断法から得られた医用画像データに基づいて、付加的製造システムと材料を使用してエコー源性器官レプリカを生成するには、新規な解決が必要である。
【００２１】
本明細書に提示されるこの問題の解決は、エコー源性器官レプリカ、および付加的製造システムおよび複数の材料を使用してエコー源性器官レプリカを製造する方法を含む。付加的製造システムにより、エコー源性器官レプリカを様々な材料を使用して生成することを可能にするため、結果として生じるエコー源性器官レプリカは、、特定の患者についてシミュレートまたは複製されるインビボ器官または器官組織に関連する解剖学的特性、エコー源性および／または機械的特性を有する。エコー源性器官レプリカは、複数の材料が１以上の材料層に預託されるように形成され得る。各材料層は、異なる音響インピーダンスの１以上の材料を含み得る。音響インピーダンスの異なる材料を互いに隣接して配置すると、音響の不連続性が生じ、エコー源性が変化する。エコー源性器官レプリカの１以上の場所において、複数の材料は、三次元で複製されている対応する器官組織のエコー源性をシミュレートするような方法で預託され得る。
【００２２】
エコー源性とは、超音波エネルギーを反射する材料または器官または器官組織の能力を指す。高いほうのエコー源性は、材料、器官、または器官組織による超音波エネルギーの反射の増加の結果である。材料、器官、または器官組織は、超音波エネルギーの反射の増加を示す場合、超エコー源性（ｈｙｐｅｒ−ｅｃｈｏｇｅｎｉｃ）として記載され得る。エコー源性低下は、材料、器官、または器官組織による超音波エネルギーの反射の減少（および透過の増加）に起因する。材料、器官、または器官組織は、超音波エネルギーの反射の減少（または透過の増加）を示す場合、低エコー源性（ｈｙｐｏ−ｅｃｈｏｇｅｎｉｃ）として記載され得る。
【００２３】
エコー源性は相対的な強度特性であり、厳密な基準では定義されないが、以下の定義は、医用画像の分野で概して受け入れられる。低エコー源性材料は、超音波エネルギーが材料に適用されたときに減少した応答（または減少したサウンドエコー）を産生する材料であると概して考えられる。超音波画像を使用して表示すると、低エコー源性材料は暗い色で表される。低エコー源性材料は、適用された超音波エネルギーを送信および／または拡散し、適用された超音波エネルギーを反射または戻さない。対照的に、超エコー源性材料は、一般に、超音波エネルギーが材料に適用されたときに、応答の増加または音のエコーの増加の結果を生じる材料であると考えられる。超音波画像を使用して表示すると、超エコー源性材料は明るい色で表される。超エコー源性材料は、適用された超音波エネルギーを反射し、適用された超音波エネルギーを拡散しない（またはより少ない程度で拡散する）。鎮痛剤は、加えられた超音波エネルギーに反応しない材料である。超音波エネルギーを使用して表示すると、適用されたすべての超音波エネルギーが無エコー材料を完全に透過するため、無エコー材料は完全に黒く表示される。本明細書中で提供されるエコー源性説明は材料を参照して行われるが、エコー源性同じ説明は、器官、器官組織、またはヒトまたは動物の体内の器官組織の一部に適用することができる。
【００２４】
複数の材料は、高いほうの音響インピーダンス材料および低いほうの音響インピーダンス材料を含み得る。
【００２５】
複数の材料はまた、特定の量の高いほうの音響インピーダンス材料が、ある量の低いほうの音響インピーダンス材料内に分布、懸濁、またはカプセル化される様々な材料混合物を含み得る（またはその逆）。いくつかの実装形態では、材料混合物は、低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料の所定の空間密度を達成するために、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する高いほうの音響インピーダンス材料の様々な比率を含み得る。いくつかの実装形態では、材料混合物は、エコー源性器官レプリカの１以上の場所で所定のエコー源性を達成するために、低いほうの音響インピーダンス材料内に分散された様々な比率の高いほうの音響インピーダンス材料を含み得る。高いほうの音響インピーダンス材料は、サスペンションとして低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され得る。例えば、高いほうの音響インピーダンス材料は、低いほうの音響インピーダンス材料内に吊るされた複数のマイクロビーズまたはマイクロファイバーとして分布され得る。マイクロビーズは、球形、卵形、または長方形であるか、または他の規則的または不規則な形状を有し得る。低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料の密度は、複製された器官または器官組織の高度に低エコー源性領域の０％から、複製された器官のより高エコー源性領域の１０％以上までの範囲であり得る。空間エコー源性勾配は、複製された組織または器官の領域全体に、高いほうの音響インピーダンス材料の密度を増加または減少させる材料を預託させることによって、三次元で達成することができる。
【００２６】
いくつかの実装形態では、複製された器官組織のエコー源性は、懸濁液中の高いほうの音響インピーダンス材料の密度を変えることに加えて、またはその代わりに、材料の異なる組み合わせを使用することによって変えることができる。例えば、低エコー源性領域の場合、低いほうの音響インピーダンス材料と低いほうの音響材料に懸濁または分布された高いほうの音響インピーダンス材料との間の音響インピーダンスの差は、より大きなエコー源性の領域で使用される材料の音響インピーダンスの差よりも小さくなり得る。よって、種々の実施において、低いほうの音響インピーダンス材料と高いほうの音響インピーダンス材料との間の音響インピーダンスの差は、約１０％から最大２５倍の範囲であり得る。例えば、高いほうの音響インピーダンス材料は、低いほうの音響インピーダンス材料の音響インピーダンスよりも１０％高い、１００％高い、５００％高い、１０００％高い、またはさらに２５００％高い音響インピーダンスを有し得る。音響インピーダンスの差が大きいと、増加したエコー源性の結果を生じる。
【００２７】
いくつかの実装形態では、エコー源性器官レプリカは、低いほうの音響インピーダンス材料に埋め込まれ、完全に囲まれた高いほうの音響インピーダンス材料のより大きな構造を含む。いくつかの実装形態では、高いほうの音響インピーダンス材料が低いほうの音響インピーダンス材料内に埋め込まれて、格子またはマトリックス構造を形成する。格子構造は、複製される器官の器官組織の領域の変化するエコー源性を複製するために、１以上の場所のエコー源性が変化するように、異なる音響インピーダンス材料の様々な材料配置として形成され得る。この変動は、特定の器官組織の表面全体だけでなく、器官組織の厚さ全体にわたって、三次元で発生することができる。いくつかの実装形態では、この変動は、格子構造のピッチの変動を含む。いくつかの実装形態では、格子構造は、エコー源性器官レプリカの１以上の場所で構造的支持を提供し得る。
【００２８】
いくつかの実装形態では、高いほうの音響インピーダンス材料が低いほうの音響インピーダンス材料内に分布されて、複製されるインビボ器官または器官組織の音響特性に基づいて１以上の離散的な音響不連続性を作り出す。このようにして、広範囲のエコー源性特徴が、エコー源性器官レプリカの１以上の場所で再現され得る。例えば、心臓は、よりエコー源性が高く、それによってより多くの超音波エネルギーを反射する組織部分を有し得る。心臓組織の他の部分は、エコー源性が低く、超音波エネルギーの反射が不十分であり得、それにより、より多くの超音波エネルギーが心臓のそれらの部分を透過することを可能にする。心臓のさらに他の部分は、ほぼ完全に低エコー性である血液で満たされる。離散的な音響不連続性は、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する高いほうの音響インピーダンス材料の界面で発生し、超音波で心臓を検査するときに明らかな３つ以上の異なるレベルのエコー源性を複製する。心臓の例は上で説明されているが、エコー源性器官レプリカはまた、肺、胃、膀胱、骨、リンパ節、喉頭、咽頭、血管系、脊柱、腸、結腸、直腸、耳道または眼のレプリカであり得る。
【００２９】
いくつかの実施形態では、エコー源性器官レプリカは、エコー源性器官レプリカ表面の結果として生じる弾性が、複製されるインビボ器官または器官組織の対応する場所に実質的に類似するように、エコー源性器官レプリカ内に配置された複数の材料を含み得る。いくつかの実装形態では、結果として生じる弾性は、複製されるインビボ器官または器官組織を取り囲む１以上の器官に基づく。周囲の器官は、インビボ器官の弾力性に影響を与え得る。例えば、骨の長さに沿って長手方向に配向されている動脈の部分は、動脈が硬い骨構造の存在によって閉じ込められているため、骨に近接する１以上の場所で弾性が低くなり得る。動脈が膜、筋肉、脂肪組織、または体腔などの剛性の低い構造の近位に向けられている他の場所では、動脈はより多くの弾力性を有し得る。
【００３０】
図１は、付加的製造システム１２５を使用してエコー源性器官レプリカ１３０を製造するための例示システム１００の概略図である。大まかに言えば、システム１００は、ＣＴスキャナなどの医用画像システム１０５を含み、また、任意選択で（破線で示されるように）超音波画像化システム１１０を含み得る。いくつかの実装形態では、システムは、Ｘ線ラジオグラフィー、磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）などの他の医療画像化システム、またはポジトロン放出断層撮影法および単光子放出計算システムといった核医学機能画像化システムを含み得る。システム１００は、医療画像データ１１５および１以上のデータファイル１２０を含む。システム１００はまた、エコー源性器官レプリカ１３０を製造するために使用される付加的製造システム１２５も含む。
【００３１】
図１に示されるように、患者は、ＣＴスキャナ１０５を利用する医療画像化手順に参加する。さらに、または代わりに、患者は、超音波画像化デバイス１１０を利用する医療画像化手順に参加する。いずれかの医用画像手順の結果として、医療画像データ１１５が生成される。患者の医用画像データ１１５は、ＣＴスキャナ１０５または超音波画像化装置１１０のいずれかを使用して画像化される医療従事者によって識別された特定の器官または器官組織に基づいて生成される。医用画像データ１１５は、１以上のデータファイル１２０を生成するために加工される。
【００３２】
１以上のデータファイル１２０は、ＣＴスキャナ１０５および／または超音波画像化デバイス１１０のいずれかを使用して画像化された器官または器官組織に対応する患者固有のデータを含む。１以上のデータファイル１２０は、医用画像データを加工することによって医療画像データ１１５から生成され得る。例えば、加工は、医療画像データ１１５を、デジタル画像化および医学における通信（ＤＩＣＯＭ）ファイル形式などの医療画像化手順で使用される一般的なファイル形式から、付加的製造システムでの使用に適した、ステレオリソグラフィー（ＳＴＬ）またはその他のファイル形式（例、ＯＢＪ、ＰＬＹ、Ｘ３Ｇ、またはＦＢＸ）でフォーマットされた１以上のデータファイルに変換することを含み得る。一部の実装では、画像データをビットマップやＲＡＷなどのバイナリ画像形式のスタックに変換して、他の付加的製造システムで使用することができる。
【００３３】
図１に示すように、１以上のデータファイル１２０は、付加的製造システム１２５によって受信される。１以上のデータファイル１２０は、付加的製造システム１２５によって加工されて、エコー源性器官レプリカ１３０を製造する。ステレオリソグラフィー、融合預託モデリング、Ｐｏｌｙｊｅｔ（商標）（Ｓｔｒａｔａｓｙｓ  Ｌｔｄ．、北米）としても知られる３Ｄインクジェット印刷、連続液体インターフェース製造（ＣＬＩＰ）などのさまざまな付加的製造技術を、利用し得る。付加的製造システム１２５は、１以上のデータファイル１２０に含まれる３Ｄオルガンモデルに関連する複数の材料を順次階層化および／または結合することによってエコー源性オルガンレプリカ１３０を生成する。付加的製造システム１２５は、１以上のデータファイル１２０に基づいて、色、密度、弾性、および音響インピーダンスなどの異なる物理的特性を有する複数の材料を含む３Ｄオブジェクトを産生するように構成され得る。たとえば、図１に示すように、付加的製造システム１２５は、エコー源性器官レプリカ１３０を産生する。
【００３４】
エコー源性器官レプリカ１３０は、図１に示すように、特定の患者の器官、心臓の３Ｄモデルである。複製に適した他の器官には、肺、胃、膀胱、骨、リンパ節、喉頭、咽頭、血管系、脊柱、腸、結腸、直腸、耳道または眼が含まれるが、これらに限定されない。エコー源性器官レプリカ１３０は、付加的製造システム１２５によって受信された１以上のデータファイル１２０に含まれる体積モデルまたは３Ｄモデルの仕様に従って、付加的製造システム１２５によって預託された複数のエコー源性材料を含む。エコー源性器官レプリカ１３０は、高いほうの音響インピーダンス材料および少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料を含む、複数の３Ｄ印刷材料を含む。付加的な高いほうのまたは低いほうの音響インピーダンス材料をエコー源性器官レプリカ１３０に含まれ得て、器官レプリカ１３０全体およびそれを通して様々なレベルのエコー源性を提供する。追加の材料は、弾性または密度などの異なる材料特性を有する材料を含み得る。いくつかの実装形態では、エコー源性器官レプリカ１３０は、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に高いほうの音響インピーダンス材料を封入することによって作成された格子構造または他の材料の配置を含み得る。さらに、または代わりに、いくつかの実装形態では、格子構造は、器官レプリカ内の複数の高いほうの音響インピーダンスおよび低いほうの音響インピーダンス材料の空間密度を変化させる目的で、例示的な材料配置として１つ以上の場所で器官レプリカ１３０内に形成され得る。エコー源性器官レプリカ１３０の１以上の場所での材料の空間密度を変化させて、複製されるインビボ器官の対応する場所で変化するエコー源性および機械的特性をマッピング、モデル化、シミュレート、またはさもなければ複製し得る。いくつかの実装形態では、エコー源性器官レプリカ１３０は、水、ゲル、または生体分子などの低いほうの音響インピーダンス材料を使用して形成される犠牲材料を含み得る。これらの実施において、犠牲材料は、熱によって、または非重合化材料を溶解するための薬剤の適用によって製造された後、エコー源性器官レプリカ１３０から除去され得る。このような除去は、複製された器官または組織内に複製された血管系および空洞（心腔など）を備えた管腔を形成するために使用される。いくつかの実装形態では、高いほうの音響インピーダンス材料を取り囲んだり吊るしたりするためにそのような材料が使用される低いほうの音響インピーダンス材料の除去を回避し、器官レプリカ１３０の構造的完全性を高めるために、より大きな部分、場合によっては、器官レプリカの全体は、製造後の洗浄プロセス中に除去されにくい、高いほうの音響インピーダンス材料の薄い層（例、わずか数百ミクロンの厚さのオーダー）によって包まれるかまたは囲まれ得る。
【００３５】
図２は、図１に示されるエコー源性器官レプリカ１３０などのエコー源性器官レプリカの概略図２００である。図２に示されるエコー源性器官レプリカ１３０は、複数レプリカ組織層２０５ａ〜２０５ｃを含み、これらのそれぞれは、一般に参照され得る。図２の概略図２００に示されるように、エコー源性器官レプリカ１３０は、レプリカ組織層、外側レプリカ組織層２０５ａ、中間レプリカ組織層２０５ｂ、および内側レプリカ組織層２０５ｃ（一般にレプリカ組織層２０５）を含むエコー源性器官レプリカ１３０の一部を例示するために、断面図２００Ａで示されている。
【００３６】
図２に示されるように、レプリカ組織層２０５はそれぞれ（各層に含まれる種々の材料の相対的分布に基づいて）、集合的にインビボ組織層のエコー源性を複製するエコー源性を形成する預託された材料の複数の層を表す。各レプリカ組織層２０５は、エコー源性器官レプリカ１３０によって複製されている器官の解剖学的層に対応し得る。例えば、心臓の壁は、３つの解剖学的層を有する。心外膜（外層）、心筋（中間層）、および心内膜（内層）。図２に示されるように、エコー源性器官レプリカ１３０の断面図は、インビボ心臓の３つの解剖学的層の対応する解剖学的形状およびエコー源性特性をモデル化する３つのレプリカ組織層２０５を含む。他のいくつかの実装形態では、複製組織層２０５はまた、複製されているインビボ器官構造の機械的特徴を模倣する機械的特徴を示し得る。
【００３７】
各レプリカ組織層２０５は、複数の沈着層の部分から構成され得ることに留意されたい。本明細書中で使用される場合、預託層は、印刷された物体のベースからの共通の高さにわたって付加的製造装置によって預託された材料の単一の層を指す。そのような預託層は、単一の構造材料層に対応し得ない。例えば、器官レプリカ２００が図２に示される方向で図の下から上に製造された場合、預託層は、外側の材料層２０５ａ、中間層２０５ｂ、および内層２０５ｃからの材料を含む、器官レプリカ２００の水平断面を形成したであろう。
【００３８】
各レプリカ組織層２０５は、図１に示される１以上の受信データファイル１２０を加工し、それぞれが同じまたは変化するインピーダンスを有する１以上の材料を含む一連の預託層を預託することに基づいて、付加的製造システム１２５によって形成され得る。いくつかの実装形態では、例えば、レプリカ組織層が低エコー源性である組織を複製する場合、レプリカ組織層２０５は、同じ音響インピーダンスを有する１以上の材料を含み得る。別のレプリカ組織層２０５は、音響インピーダンスが変化する材料を含み得、音響の不連続性および超音波反射をもたらし、超エコー源性組織を模倣する。
【００３９】
例えば、図２に示されるように、外側レプリカ組織層２０５ａは、患者の心臓の壁の最外層を複製するように形成され得る。外側レプリカ組織層２０５ａは、単一の材料分布から形成され得、その結果、低いほうの音響インピーダンス材料の体積内の高いほうの音響インピーダンス材料の空間分布は、レプリカ組織層を通して実質的に一定である。以下でさらに説明するように、材料分布は、所与の体積の低いほうの音響インピーダンス材料内に実質的に均一に懸濁または分布される、高いほうの音響インピーダンス材料のマイクロビーズまたはマイクロファイバーの懸濁または分布によって形成することができる。あるいは、分布は、格子の形態で高いほうの音響材料を分配することによって形成され得、ここで、低いほうの音響インピーダンス材料が、格子内の空隙を埋めるために分配される。より緊密な「織り」を有する格子は、高いほうの音響インピーダンス材料のより大きな空間密度をもたらし、したがって、より超エコー源性レプリカ組織層の結果を生じる。より緩い「織り」を有する格子は、低いほうの音響インピーダンス材料の量と比較して、高いほうの音響インピーダンス材料のより少ない空間密度をもたらし、より低エコー源性レプリカ層の結果を生じる。格子のこのピッチは、レプリカ組織層２０５の体積全体および全体にわたって変化するエコー源性を達成するために、レプリカ層２０５全体で三次元で変化させることができる。そのような格子構造は、図３Ｅに関連してさらに記載される。エコー源性を調節するための手段を提供することに加えて、格子構造の追加は、操作および取り扱い中にエコー源性器官レプリカ１３０を引き裂くか、さもなければ損傷するリスクを低減するのを助けることができる。さらに他の実装形態では、高いほうの音響材料の預託は、実質的に均一な分布ではなく、マイクロビーズのクラスターで行うことができる。
【００４０】
図２にさらに示されるように、断面図２００Ａに示されるエコー源性器官レプリカ１３０の部分は、中央レプリカ組織層２０５ｂを含む。中央レプリカ組織層２０５ｂは、低いほうの音響インピーダンス材料中の高いほうの音響インピーダンス材料の懸濁液を使用して、または低いほうのインピーダンス材料に囲まれた高いほうの音響インピーダンス材料の格子を使用して形成することができる。中央レプリカ組織２０５ｂの組織構造が外側レプリカ組織層２０５ａの組織構造と異なるとすると、低いほうの音響材料に懸濁または分布された高いほうの音響材料の密度、または中間層を形成する際に使用される格子のピッチは、２つの組織レプリカ層２０５ａおよび２０５ｂに対して異なるエコー源性を達成するために、外側レプリカ組織モデル２０５ａを形成する際に使用されるものとは異なり得る。また、それぞれの層ごとに異なる機械的特性を提供するために、異なる材料を選択し得る。
【００４１】
図２に示されるように、断面図２００Ａに示されるエコー源性器官レプリカ１３０の部分はまた、内部組織レプリカ層２０５ｃを含み得る。外側および中間の組織レプリカ層２０５ａおよび２０５ｂに関連して上記したように、内側材料層２０５ｃは、組織レプリカ層２０５ｃのインビボエコー源性を模倣するエコー源性を作り出すために、音響インピーダンスが変化する材料の懸濁液または格子から形成され得る。
【００４２】
いくつかの実装形態、特に低いほうの音響インピーダンス材料中の高いほうの音響インピーダンス材料の懸濁液から組織レプリカ層が形成される実装形態では、隣接する組織レプリカ層は、高いほうの音響インピーダンス材料の薄い（約１００から３００ミクロンの厚さのオーダー）層によって分離され得る。このような材料は、より強く、より機械的に安定し、洗浄手順中に除去されにくい傾向がある。結果として、そのような層は、そのような器官レプリカの構造的完全性を維持するのに役立つ。
【００４３】
図３Ａ〜３Ｄは、エコー源性器官レプリカ１２０またはその一部を形成し得るいくつかの実施形態による複数のエコー源性器官レプリカ材料配置を示す概略図である。
【００４４】
図３Ａは、複数の領域、例えば、領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥを例示する。図３Ａに示される複数の領域のそれぞれは、器官レプリカ１３０またはその部分のレプリカ組織層の厚さにわたる例示的な材料分布を表す。付加的製造システム１２５によって、レプリカ組織層の厚さ全体に多種多様な材料分布を預託させ得ることが理解されよう。いくつかの実装形態では、追加または代替の材料分布を有する複数の層を配置して、エコー源性器官レプリカ１３０またはその部分を形成し得る。図３Ａに示される複数の領域は、複製された組織の壁を通る断面図で示される。材料の説明文は、図３Ａの下部に示される。図３Ａの右側には、エコー源性尺度が示され、各領域に含まれる高いほうの音響インピーダンス材料の量と空間分布から生じる各領域に関連する音響反射率の程度が示される。
【００４５】
図３Ａに示されるように、概略図３００Ａに示される材料配置は、複数の材料、例えば、低いほうの音響インピーダンス材料および高いほうの音響インピーダンス材料などの１以上の材料を含む。概略図３００Ａの複数の材料は、図１に示されるような１以上の受信データファイル１２０に基づいて、付加的製造システム１２５などの付加的製造システムによって形成される材料の複数の例示的な構成または材料配置を例示する。図３Ａに示されるように、低いほうの音響インピーダンス材料および高いほうの音響インピーダンス材料などの個々の材料の離散量を預託することによって、付加的製造システム１２５によって形成され得る。
【００４６】
図３Ａに示されるように、１つおよび／または２つの材料の５つの配置が例示される。領域Ａでは、低いほうの音響インピーダンス材料のみが領域に含まれる。図３Ａの右側のエコー源性スケールで記載されるように、低いほうの音響インピーダンス材料のみを配置すると、最大の透過音響特性を持つ領域が得られる。領域Ｂでは、材料配置は、低いほうの音響インピーダンス材料の４つのブロックの連続預託物のいずれかの側に、高いほうの音響インピーダンス材料のブロックを含む。結果として生じる領域Ｂのエコー源性は、高いほうの音響インピーダンス材料を領域Ｂに導入した結果、領域Ａよりも高くなり、高いほうの音響インピーダンス材料と低いほうの音響インピーダンス材料の間に界面が作成され、音響エネルギーが散乱または反射して、当該領域のエコー源性が増加する。領域Ｃでは、材料配置は、低いほうの音響インピーダンス材料の３つの繰り返しボリュームの間に預託された高いほうの音響インピーダンス材料のボリュームを含む。結果として生じる領域Ｃのエコー源性は、音響インピーダンスが異なる材料間の界面がより頻繁に（間隔が狭く）なるため、領域ＡおよびＢよりも大きくなる。層Ｅでは、材料配置は、単一体積の低いほうの音響インピーダンス材料の間に繰り返し預託された単一体積の高いほうの音響インピーダンス材料を含む。結果として生じる領域Ｅのエコー源性は、異なる音響インピーダンス材料の界面間の最高周波数／最小間隔のために、層Ｄ、Ｃ、Ｂ、およびＡのいずれのエコー源性よりも大きくなる。
【００４７】
図３Ｂは、２つの例示的な概略図、３００Ｂ−１および３００Ｂ−２を含み、低いほうの音響インピーダンス材料内に高いほうの音響インピーダンス材料を分布またはカプセル化する効果、ならびに層内に分布した複数の材料に関連する結果として生じる音響反射率および透過率を例示する。いくつかの実装形態では、追加のまたは代替の材料分布を有する複数の層を配置して、エコー源性器官レプリカ１３０またはその一部を形成し得る。図３Ｂの概略図３００Ｂ−１および３００Ｂ−２に示される複数の層は、水平断面図で示される。概略図のそれぞれで、超音波トランスデューサは、超音波トランスデューサから発する下向きの矢印で示されているように、音響エネルギーを下向きに伝達する。超音波トランスデューサから送信された音響エネルギーは、最初に層Ａを透過し、次に層Ｂを透過し、最後に層Ｃを透過する。材料の説明文は、各概略図３００Ｂ−１および３００Ｂ−２の下に示される。各図の右側には、音響反射率と音響透過率のスケールが示される。矢印のサイズは、材料層の組み合わせでプロパティが存在する大きさまたは程度に対応する。たとえば、音響反射を表す大きな矢印は、材料層の組み合わせがより多くまたは大きな程度の音響反射を生成することを示し、小さな矢印は、材料層の組み合わせがより少ない量またはより少ない程度の音響反射を生成することを示す。音響反射率に関連して説明された矢印サイズの同じ解釈は、音響透過率に関して同様に適用され得る。矢印の方向（たとえば、上向きの矢印または下向きの矢印）は、音響エネルギーが放射される方向を例示する。音響エネルギーは、材料の組み合わせから超音波トランスデューサに向かって反射され（例えば、上向き矢印を使用して示される）、または音響エネルギーは、材料の組み合わせを介して超音波トランスデューサから離れて伝達され得る（例えば、下向き矢印を使用して示される）。または、場合によっては、レイリー散乱により、周囲の材料の超音波波長よりもはるかに小さい寸法の高いほうの音響インピーダンス材料が存在するために、音響エネルギーが散乱し得る。
【００４８】
図３の概略図３００Ｂ−１に示すように、３層に配置された複数の材料を含む材料配置が示されている。層ＡおよびＣには、低いほうの音響インピーダンス材料のみが含まれ、層Ｂには、２つのボリュームの高いほうの音響インピーダンス材料が含まれる。２つのボリュームは、高いほうの音響インピーダンス材料であり、低いほうの音響インピーダンス材料のボリューム内で直方体のマイクロビーズを形成する。結果として得られる音響反射率スケールに見られるように、超音波トランスデューサから発せられる比較的少量の音響エネルギーが反射され、超音波トランスデューサからの大部分の音響エネルギーは、概略図３００Ｂ−１の３つの層によって形成される材料の組み合わせを介して伝達される。結果は、低いほうの音響インピーダンス材料のより大きな本体内の比較的少量の高いほうの音響インピーダンス材料によるものであり、より少ない程度の音響反射を生成する（例えば、低いほうのエコー源性）。材料の組み合わせは、より小さなサイズおよび低いほうの音響インピーダンス材料と高いほうの音響界面材料との間の界面の連続性の欠如のために、材料層の組み合わせを通してかなり高い音響エネルギーの伝達の結果を生じる。
【００４９】
概略図３００Ｂ−２に示されるように、３層に配置された複数の材料を含む材料配置が示される。概略図３００Ｂ−１と同様に、概略図３００Ｂ−２、層ＡおよびＣに示される材料配置は、低いほうの音響インピーダンス材料のみを含む。しかしながら、概略図３００Ｂ−２には、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布された、または低いほうの音響インピーダンス材料によってカプセル化された５つのボリュームの高いほうの音響インピーダンス材料が含まれる。５つの連続したボリュームは、低いほうの音響インピーダンス材料のボリューム内に卵形のマイクロビーズを形成する。低いほうの音響インピーダンス材料内に分布する高いほうの音響インピーダンスの量または濃度を増加させると、音響インピーダンス不連続性の面積が増加するため、３つの層によって形成される材料の組み合わせを通じて、適用される音響または超音波エネルギーの音響反射の程度が大きくなる（即ち、異なる音響インピーダンス材料間のインターフェースを構成するより大量の領域）。
【００５０】
図３Ｂに示される材料配置３００Ｂ−２はまた、超音波に対するインビボ組織応答を複製するために価値があることができるエコー源性異方性を示す。たとえば、腱、胎児の脳組織、腎臓組織などの特定の人間の組織はすべて、異方性の超音波の側面を示す。そのような異方性は、例えば、特定の病状、例えば、胎児の脳組織における脳室周囲白質軟化症の診断に使用することができる。このような異方性を再現する機能は、臨床医や医学生がこのような状態を診断する方法を学ぶためのトレーニングに使用することができる組織モデルを作成するのに役立つ。
【００５１】
配置３００Ｂ−２によって示される異方性は、高いほうの音響インピーダンス材料の体積が、ページ上で垂直方向にわずか１単位の厚さであり、ページ上で水平方向に５単位の厚さであることに起因する。したがって、示されるように、超音波トランスデューサが材料配置３００Ｂ−２の上に配置されると、超音波波面は、全体が５体積である高いほうの音響インピーダンス材料の構造に遭遇する。超音波トランスデューサの配置を配置３００Ｂ−２を中心に９０°回転させて、超音波エネルギーが上部からではなく側面から配置３００Ｂ−２に伝達された場合、超音波応答は著しく目立たなくなる。波面は、１ユニットだけの高いほうの音響インピーダンス構造に遭遇する。即ち、より多くの音響エネルギーが、上部または下部からではなく、側面から材料配置を通過すること可能になったであろう。
【００５２】
図３Ｃは、５つの領域に配置された複数の材料の配置を示す。図３Ｃに示される５つの領域は、異なる音響インピーダンス特性、ならびに異なる機械的特性を有する複数の材料を含む。例えば、複数の材料は、２つの高いほうの音響インピーダンス材料を含み、それぞれが異なる機械的特性を有し、例えば、弾性の高いほうの音響インピーダンス材料と、剛性の高いほうの音響インピーダンス材料および低いほうの音響インピーダンス材料である。２つの高いほうの音響インピーダンス材料は、例えば、異なる弾性を有する２つのＰｏｌｙＪｅｔ（商標）材料であり得る。他の実施形態では、他の高いほうの音響インピーダンス材料を、本開示の範囲から逸脱することなく、剛性の高い音響インピーダンス材料または弾性の高い音響インピーダンス材料のいずれかに使用することができる。
【００５３】
図３Ｄは、いくつかの実装によるエコー源性器官レプリカ材料配置を示す概略図である。図３Ｄの概略図３００Ｅに示されるように、複数の材料が、トップダウンの視点から見た単一の層に配置されるとして例示される。概略図３００Ｅに示される材料配置は、エコー源性器官レプリカ１３０の１以上の層内に格子構造を形成するために預託される材料の配置である。複数の材料は、低いほうの音響インピーダンス材料および高いほうの音響インピーダンス材料を含む。いくつかの実装形態では、明示的に示されていないが、複数の材料はまた、上記のような１以上の材料混合物を含み得、高いほうの音響インピーダンス材料は、堅い機械的特性または弾性機械的特性を有し得または有し得ない低いほうの音響インピーダンス材料内に懸濁される。
【００５４】
図３Ｄに示されるように、高いほうの音響インピーダンス材料の格子は、高いほうの音響インピーダンスの高いほうの音響インピーダンス材料が低いほうの音響インピーダンス材料によってカプセル化されるように、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される。格子構造は、ピッチが材料配置の１以上の場所で変化し、それによって材料配置の局所的エコー源性が変化するように構成され得る。たとえば、図３Ｄは、２つの異なるピッチ、たとえば、概略図３００Ｅの左上に示されている小さい水平方向のピッチであるピッチＡ、および概略図３００Ｄの右上に示されている大きい水平方向のピッチであるピッチＢを例示する。ピッチは、エコー源性器官レプリカの一部を形成するために図３００Ｅに示されるような格子構成または配置で預託される高いほうの音響インピーダンス材料の繰り返し体積など、繰り返し要素間の距離または空間の中心間測定である。材料配置は、エコー源性器官レプリカの一部全体にわたって一貫したピッチを含み得るか、または材料配置は、材料配置の１以上の場所で異なるピッチを含み得る。ピッチは、２次元で、例えば、組織表面全体で、または三次元で、すなわち、表面全体で、および組織または器官レプリカの厚さ全体で変化し得る。したがって、結果として生じるエコー源性器官レプリカ１３０は、一貫したピッチ（および対応するエコー源性）を有する１以上の領域および変化するピッチ（および変化するエコー源性）を有する１以上の領域を含み得る。
【００５５】
例えば、図３Ｄに示されるように、より小さな水平ピッチＡは、単一の体積の低いほうの音響インピーダンス材料が、２つの隣接する体積の高いほうの音響インピーダンス材料の間に預託されるように構成される。図３Ｄにさらに示されるように、より大きな水平ピッチＢは、３つのボリュームの低いほうの音響インピーダンス材料が、２つの隣接するボリュームの高いほうの音響インピーダンス材料の間に預託されるように構成される。このようにして、格子構造は、エコー源性器官レプリカ１３０内で構成され得、その結果、第１の場所において、エコー源性器官レプリカ１３０は、第１のエコー源性の結果を生じる第１のピッチを有し得、一方で、第２の場所は、第２のまたは異なるピッチを有し得る。ピッチは、複製されるインビボ器官の１以上の対応する場所のエコー源性をシミュレートする材料の配置を達成するために、エコー源性器官レプリカ１３０の１以上の場所で変化し得る。いくつかの実装形態では、水平ピッチの変化に加えて、器官レプリカ１３０の１以上の場所での垂直ピッチ寸法もまた、複製されるインビボ器官の１以上の場所でエコー源性特性を複製するように変化または調整することができる。また、上に示したように、格子が三次元格子である場合、ピッチは三次元で（すなわち、図の平面の内外で）変化し得る。
【００５６】
図３Ｄの格子構造は、いかにして高いほうの音響材料をマイクロファイバーとして預託させることができるかを示す。各マイクロファイバーは、高いほうの音響インピーダンス材料の連続したボリュームである。
【００５７】
図４Ａは、いくつかの実装による一組の器官レプリカ材料分布４１０を示す概略図である。図４Ａでは、４つの異なる材料分布サンプルがセット４１０に示される。セット４１０に示されている４つの異なる材料分布サンプルは、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に高いほうの音響インピーダンス材料を分布させた結果の空間密度を例示する。セット４１０に示されるように、４つの材料分布サンプルのそれぞれは、１以上のボクセルを表し得る。ボクセルは、器官または複製される器官の部分の体積モデルにおいて空間領域の領域（例えば、器官または複製される器官の部分によって囲まれる空間）を分割するノードの三次元セットに関連する基本的な体積要素である。各ボクセルは、高いほうの音響インピーダンス材料の結果として生じる空間密度が異なるボクセル間で変化するように、低いほうの音響インピーダンス材料のボリューム内に分布またはカプセル化された、所与の濃度の高いほうの音響インピーダンス材料を有する材料混合物を含み得る。ボクセルの材料混合物は、低いほうのインピーダンス材料預託物のより大きな本体内の高いほうの音響インピーダンス材料堆積物の所定の空間分布を伴って、材料の単一の預託物（例えば、３Ｄプリンタープリントヘッドからの主に低いほうの音響インピーダンス材料の単一の液滴に懸濁された高いほうの音響インピーダンス材料のナノ粒子の混合物）内にあり得るか、または複数の独立した材料堆積物にまたがってあり得る。
【００５８】
図４Ａにさらに示されているように、シリーズ４１０の４つの異なる材料分布サンプルのそれぞれに示されている明るい点は、高いほうの音響インピーダンス材料の量を表す。暗い背景は、高いほうの音響インピーダンス材料の量が分布している少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料の量を表す。いくつかの実装形態では、高いほうの音響インピーダンス材料は、複数のマイクロビーズまたはマイクロファイバーとして、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に懸濁または分布され得る。いくつかの実装形態では、マイクロビーズまたはマイクロファイバーは、０．０１ｍｍと１．０ｍｍの間の直径（または球形でない場合は最小寸法）を有し得る。図４Ａのセット４１０に左から右に見た場合に示すように、４つの材料分布サンプルの範囲は、異なる濃度で少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に高いほうの音響インピーダンス材料を分布またはカプセル化したときに達成される空間密度を例示する。図４Ａに示されるように、セット４１０の材料分布サンプルの結果として生じる空間密度は、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に分布またはカプセル化された高いほうの音響インピーダンス材料の濃度が増加するにつれて（左から右に）増加する。たとえば、左端の画像には、高いほうの音響インピーダンス材料が含まれておらず（または０％）、低いほうの音響インピーダンス材料のみで形成される。左から２番目の画像では、材料分布の１．０％が高いほうの音響インピーダンスで構成されており、残りは低いほうの音響インピーダンス材料である。左から３番目の画像では、材料分布の４．０％が高いほうの音響インピーダンスで構成されており、残りは低いほうの音響インピーダンス材料である。右端の画像では、材料分布の６．０％が高いほうの音響インピーダンスで構成されており、残りは低いほうの音響インピーダンス材料である。種々の実装において、高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度は、構造の体積の１０％〜２０％またはそれ以上に高くなり得る。いくつかの実装形態では、高いほうの音響材料の空間密度は、材料の所与のサンプルの体積の０％〜１０％の範囲である。
【００５９】
図４Ｂは、図４Ａに関連して示され、説明された一組の器官レプリカ材料分布４１０の調査に対応するエコー源性結果を例示する一連の超音波画像４２０である。
【００６０】
図４Ｂに示されるように、シリーズ４２０は、左から右に見た場合、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に増加する量の高いほうの音響インピーダンス材料を分配またはカプセル化することに関連する増加するエコー源性を例示する。たとえば、「最小エコー源性」とラベル付けされたシリーズ４２０の左端に見られるように、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内にカプセル化または分布された最小量の高いほうの音響インピーダンス材料を含む材料分布は、あまり目立たない（そして最も分散した）超音波エコーは、右端に示され、「最大エコー源性」とラベル付けされているように、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に浮遊または分布する高いほうの音響インピーダンス材料を大量に含む材料分布よりも少ない超音波エネルギーを反映する。シリーズ４２０の右端に見られるように、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内にカプセル化または分布された大量の高いほうの音響インピーダンス材料を含む材料分布は、超音波エネルギーの反射の増加によって示されるように、より顕著な（集中した）超音波エコーを生成する。
【００６１】
図４Ｂにさらに示されるように、図４Ａに示される材料分布セット４１０に対応するシリーズ４２０は、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内にカプセル化または分布された高いほうの音響インピーダンス材料の濃度が増加するにつれて、同様に、増加するエコー源性を示す（左から右に見た場合）。少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料内に分布またはカプセル化された高いほうの音響インピーダンス材料の濃度または結果として生じる空間密度を調整することにより、エコー源性器官レプリカ１３０の１以上の場所で所望のエコー源性を達成することが可能である。インビボ器官組織のエコー源性は、エコー源性器官レプリカの１以上の場所で効果的に複製することができる。
【００６２】
図４Ｃは、低いほうの音響インピーダンス材料のボリューム内の高いほうの音響材料インピーダンス材料の特定の配置を変更することによって、エコー源性器官レプリカの超音波の側面をいかにして変調することができるかを示す。図４Ｃの上の行の画像は、さまざまな高いほうの音響インピーダンスの預託パターンの預託のＣＡＤモデルを示し、一方、下の行の画像は、そのような預託パターンを使用して作成された材料のイメージングから得られた実際の超音波応答を示す。画像の左端のペアに見ることができるように、比較的一貫性があるが、高いほうの音響インピーダンス材料預託のランダムな分布は、比較的一貫して曇った超音波画像をもたらす。高いほうの音響インピーダンス材料が列に預託された、高いほうの音響インピーダンス材料の構造化された預託は、画像の中央のペアに見ることができるように、そのような列が識別可能な超音波画像の結果を生じる。右端の画像のペアは、高いほうの音響インピーダンス材料のクラスター預託が、より一貫性のある分布パターンとは異なる超音波の側面にどのようにつながることができるかを示す。これらおよび他のパターンを使用して、実際のインビボ組織を画像化するときに予想される種々の超音波の側面を再現することができる。
【００６３】
図４Ｄは、高いほうの音響インピーダンス材料のより明確な局所的変化がどのように定義された超音波イメージング結果を達成することができるかを示す。左側の画像は、低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料預託のＣＡＤモデルを示す。ＣＡＤモデルには、高いほうの音響インピーダンス材料の空間密度が異なる交互の同心リングが含まれる。対応する明るいリングは、暗いリングよりも高い音響インピーダンス材料預託の高い空間密度を有する。いくつかの実装では、ＣＡＤモデルの各明るいドットは、高いほうの音響インピーダンス材料の預託されたマイクロビーズに対応する。右の画像は、ＣＡＤモデルに従って製造された構造に対する超音波応答を示す。図４Ｄに見ることができるように、リングは超音波画像で明確に区別可能である。
【００６４】
図５Ａは、システムを使用して、本明細書に開示される方法に従って作製された患者の器官レプリカ１３０のエコー源性を、組織テンティングに応答した患者のインビボ器官のエコー源性と比較する一連の超音波画像５１０である。組織テンティングは、物体がカテーテルで組織に力を加え、加えられた力に応じて組織を伸ばすか、または「テントを張る」ときに発生する。例えば、経中隔経カテーテル心臓内介入手順の１つ中に経中隔穿刺を実行する場合、医療機器オブジェクトは、穿刺部位の心臓組織に圧力を適用し得る。超音波画像を使用して見ると、心臓組織は、圧力が医療機器オブジェクトによって組織に加えられるときに、穿刺部位で伸ばすまたは「テンティング」することによって、加えられた圧力に応答するのを見ることができる。シリーズ５１０に示されるように、患者の心臓のエコー源性器官レプリカ１３０の超音波画像と、インビボ条件における患者の心臓の超音波画像との間の比較が提供される。器官レプリカ１３０のエコー源性は、インビボ条件下での患者の心臓のエコー源性を複製することが見ることができる。矢印は、エコー源性器官レプリカ１３０の超音波、およびインビボ条件下での患者の心臓の超音波画像で見ることができるテントを張った組織の部位を例示するために使用される。特定の患者の心臓に対して経中隔穿刺を実施することを望む医療従事者は、インビボ条件下で患者の心臓のエコー源性を複製するエコー源性器官レプリカ１３０を用いて経中隔経カテーテル心臓内介入手順を実行し得る。
【００６５】
図５Ｂは、システムを使用して、本明細書に開示される方法に従って作製された患者のエコー源性器官レプリカ１３０のエコー源性を、付属肢検出に応答した患者のインビボ器官のエコー源性と比較する一連の超音波画像５２０である。付属肢の検出は、超音波画像を使用して１以上の解剖学的付属肢、たとえば特定の患者の心臓内に存在し得る心耳を検出する医療従事者によって実行され得る。シリーズ５２０に示されるように、患者の心臓のエコー源性器官レプリカ１３０の超音波画像と患者のインビボ心臓の超音波画像との間の比較が提示される。一連の画像５２０は、インビボ条件下で患者の器官で検出された心耳がエコー源性器官レプリカ１３０で複製されたことを示す。矢印は、エコー源性器官レプリカ１３０の超音波での付属器ならびにインビボ条件下での患者の器官の超音波画像を例示するために使用される。患者の器官について得られた医用画像データ１１５に基づいて、エコー源性器官レプリカ１３０は、図６に関連して説明された方法６００に従って形成された。シリーズ５３０に示されるエコー源性器官レプリカ１３０超音波画像は、エコー源性器官レプリカ１３０がインビボ条件下で患者の器官のエコー源性を再現するエコー源性を有することを例示する。エコー源性器官レプリカ１３０は、超音波イメージングを使用して心耳介入手順を実践する医療従事者に、そうでなければ非エコー源性器官レプリカでは見えないかもしれない心臓内の種々の解剖学的構造のより深い理解を提供し得る。例えば、エコー源性器官レプリカ１３０は、特定の医療処置を実施するために超音波画像を使用するときに、医療従事者が他の器官、器官組織、脂肪組織、または膜の後ろに場所し得る付属器などの解剖学的構造を見ることを可能にし得る。エコー源性器官レプリカ１３０は、医療従事者が実際の特定の医療処置で使用されるのと同じ超音波画像化方法を使用して特定の処置をシミュレートすることを可能にし、それによって医療従事者の信頼を改善し、患者へのリスクを低減する。
【００６６】
図６は、いくつかの実装形態によるエコー源性器官レプリカ１３０を製造する例示的な方法６００を表すフローチャートである。この方法は、特定の患者内の器官の医用画像データを取得することを含む（ステージ６１０）。この方法はまた、医用画像データを加工して、器官の体積モデルを含む１以上のデータファイルを生成することを含む（ステージ６１５）。この方法は、付加的製造システムによって預託される１以上の材料の構成を特定する１以上のデータファイルを受信することを含む（ステージ６３０）。この方法はまた、低いほうの音響インピーダンス特性を有する少なくとも１つの第１の材料および高いほうの音響インピーダンス特性を有する第２の材料を分配することによってエコー源性器官レプリカを形成することを含む（ステージ６４０）。
【００６７】
ステージ６１０で、特定の患者内の器官の医用画像データが、取得される。器官の医用画像データは、Ｘ線ラジオグラフィー、Ｘ線回転血管造影、ＭＲＩ、ＣＴスキャン、超音波画像（２Ｄまたは３Ｄ）などの一般的な医用画像モダリティ、またはポジトロン放出断層撮影および単一光子放出コンピュータ断層撮影などの核医学機能画像技術を使用して取得され得る。例えば、図１に示されるように、医療画像データ１１５は、ＣＴスキャナなどの医療画像システム１０５、または超音波画像システム１１０を使用して取得される。医療画像データ１１５は、特定の患者内の器官についてまたはより大きな器官の一部について取得され得る。例えば、器官は心臓または動脈であり得る。医用画像データ１１５はまた、複製される器官に機械的フィードバックを及ぼす可能性のある骨、関節、脂肪組織、腺、または膜など、画像化される器官を取り囲むまたは近接して場所する器官に関連するデータを含み得る。
【００６８】
ステージ６２０で、医用画像データ１１５が加工されて、器官の体積モデルを含む１以上のデータファイル１２０が生成される。医用画像データ１１５は、エコー源性器官レプリカ１３０として複製される特定の器官の体積モデルを生成するために加工される。体積モデルは、医用画像データ１１５を、複製される器官の解剖学的特徴を記載する三次元データモデルに変換することによって生成される。解剖学的特徴には、種々の直線寸法、体積寸法、厚さ、および組織のエコー源性など、複製される器官の他の特徴を含み得る。そのような特徴は、収集された医用画像データ１１５から直接（例えば、超音波画像から）、または体の中の種々の組織の代表的な組織特徴に関する参照情報を格納する解剖学的知識の１以上のデータベースまたは他の電子データソースを参照することによって間接的に導出することができる。体積モデルは、体積モデルによってモデル化された空間領域（例えば、器官または器官の部分によって囲まれる空間）を分割する複数の基本体積要素またはボクセルを定義するノードの三次元セットを含む。基本体積要素は、四面体、ピラミッド、三角柱、六面体、球、または卵形の形状として定義され得る。体積モデルは、医用画像データ１１５にキャプチャされた複製される器官の三次元表面メッシュから生成され得る。いくつかの実装形態では、体積モデルは、表面メッシュ上で体積モデル生成を実行することによって生成され得る。いくつかの実装形態では、体積モデルは、医用画像データ１１５に対して有限要素体積モデル生成を実行することによって生成される。いくつかの実装形態では、体積モデルは、複製される器官の変形体積モデルを生成するためにさらに加工される。これらの実装では、変形された体積モデルは、特定の患者のインビボ器官組織を取り巻く１以上の器官組織によって特定の患者のインビボ器官組織に課せられる負荷および制約を複製する。
【００６９】
ノードの三次元セットと、画像化された器官に関連する基本的な体積要素またはボクセルを定義することにより、複数の材料を各ボクセルに割り当てることを可能にし、その結果、添加剤製造システム１２５は、エコー源性器官レプリカ１３０を形成し得、その結果、１以上の場所のインビボ器官組織は、エコー源性器官レプリカ１３０の対応する場所に正確に複製される。割り当てられた材料は、高いほうの音響インピーダンス材料、低いほうの音響インピーダンス材料、または異なる音響インピーダンスを持つ材料の混合物もしくは懸濁物などの、異なる音響インピーダンス値の材料を含み得る。
【００７０】
材料の割り当ては、コスト関数を使用して実行され、目的のエコー源特性（医用画像データ１１５に基づいて、または代表的な組織特性データを格納する電子データベースまたはデータソースから決定される）と、体積モデルの特定のボクセルまたはボクセルのクラスターに対応する場所に預託するために選択された材料の１以上の組合せの結果として生じるエコー源特性との間の誤差を、最小化する。いくつかの実施形態では、コスト関数は、追加のコスト関数、例えば、複製される器官の弾性材料特性または他の機械的材料特性に関連する誤差を最小化するためのコスト関数を含み得る。これらの実施形態では、材料の割り当ては、機械的材料特性とエコー源性材料特性との間の誤差の合計を最小化するために共同検索を使用してコスト関数を解くことによって達成され得る。いくつかの実装形態では、重量は、所望のアプリケーションに基づいて、それぞれの構成コスト関数に適用され得る。例えば、器官レプリカ１３０のエコー源性を正確にシミュレートすることがそれほど重要でない場合、機械的材料特性に関連するコスト関数に高いほうの重みを適用することが望ましくなり得る。あるいは、器官レプリカ１３０のエコー源性を正確にシミュレートすることが重要である状況では、エコー源性材料特性に関連するコスト関数をより高く重み付けすることが重要であり得る。上記のように共同検索を実行した後、最終的な体積モデルを生成し得る。
【００７１】
いくつかの実装形態では、共同検索方法の代替として、所定の数の最適なエコー源性特性モデルを、機械的特性コスト関数を使用して評価して、全体的に最適なモデルを選択することができた。さらに、または代わりに、エコー源性コスト関数を使用して、事前に決定された数の最適な機械的特性モデルを評価して、全体的な最適なモデルを特定することがすることができた。一部の実装では、コスト関数は、体積モデルの側面に特定の材料が割り当てられないようにするための制約を含み得る。例えば、犠牲材料から形成された低いほうの音響インピーダンス材料が１以上の高いほうの音響インピーダンス材料内に完全にカプセル化されることを要求するように制約を実施することができた。
【００７２】
コスト関数を適用した結果として決定された各ボクセルに割り当てられる対象材料は、対象材料のデータベースから選択され得る。いくつかの実装形態では、特定の材料は、所与の領域（例えば、クラスター）または体積モデルの複数の基本体積要素のコスト関数を最小化した結果に基づいて選択され得る。
【００７３】
特定の患者の器官の医用画像データ１１５を加工した結果、図１に示すような１以上のデータファイル１２０が生成される。いくつかの実装形態では、１以上のデータファイル１２０は、医療画像システム１０５と同じ場所に配置されたコンピューティングデバイスによって生成され得る。いくつかの実装形態では、１以上のデータファイル１２０は、医療画像システム１０５から遠隔加工され得る。例えば、医用画像データ１１５は、データベースまたはクラウドコンピューティング環境に格納され、遠隔に配置されたコンピューティングデバイスに送信されて、医用画像データ１１５を加工して、１以上のデータファイル１２０を生成され得る。医用画像データ１１５の加工は、医用画像データ１１５を取得するために使用される特定の医用画像モダリティに固有のデータまたはファイル形式から、付加的製造システムと互換性のあるデータまたはファイル形式に医療画像データ１１５を変換することを含む。例えば、医用画像データ１１５は、加工され、図１または他の付加的製造システム互換ファイル形式に示される１以上のＳＴＬデータファイル１２０に変換され得る。ＳＴＬファイルフォーマットは、１以上のデータファイル１２０に含まれる体積モデルに基づいて３Ｄエコー源性器官レプリカ１３０を生成するために、付加的製造システム１２５によって利用され得る。
【００７４】
ステージ６３０において、この方法は、付加的製造システム１２５によって預託される１以上の材料の構成を特定する１以上のデータファイル１２０を受信することをさらに含む。１以上のデータファイル１２０は、ステージ６２０で実行された加工に基づいて付加的製造システム１２５によって預託される複数のエコー源性および非エコー源性材料（または高いほうの音響インピーダンスおよび低いほうの音響インピーダンス材料）の配置または構成を定義し得る。例えば、１以上のデータファイル１２０に含まれる体積モデルの各ボクセルに割り当てられた複数の材料に基づいて、付加的製造システム１２５は、器官レプリカ１３０を形成するために１以上の層に預託される１以上の材料の配置を決定し得る。
【００７５】
ステージ６４０において、付加的製造システム１２５は、低いほうの音響インピーダンス特性を有する少なくとも１つの材料および高いほうの音響インピーダンス特性を有する第２の材料を分配することによって、エコー源性器官レプリカ１３０を形成する。付加的製造システム１２５は、複数の材料を分配して、エコー源性器官レプリカ１３０を形成する。複数の材料は、少なくとも１つの低いほうの音響インピーダンス材料および高いほうの音響インピーダンス材料を含む。２つの材料は、低いほうの音響インピーダンス材料内の高いほうの音響インピーダンス材料の懸濁物として、または高いほうの音響インピーダンス材料と低いほうの音響インピーダンス材料の別々の預託物として同時に分配され得る。１以上のデータファイル１２０に含まれる体積モデルの各ボクセルに割り当てられた材料の構成に基づいて、付加的製造システム１２５は、複製される器官の体積モデルで定義された所与の基本体積要素に対して決定された適切な材料を分配する。例えば、付加的製造システム１２５は、エコー源性低い領域または領域に基づくと決定された体積モデル内の同じ場所にマッピングまたは対応する、エコー源性器官レプリカ１３０内の場所に少なくとも１つの低エコー源性材料の量を分配する。医用画像データ１１５または電子組織特性データソース。同様に、超エコー源性材料（例えば、より高密度の高いほうの音響インピーダンス材料を有する懸濁液）は、よりエコー源性であると判断されていた体積モデル内の同じ場所に対応するエコー源性器官レプリカ１３０内の場所で、付加的製造システム１２５によって分配され得る。
【００７６】
ボクセルと特定の材料預託との間に１対１の対応がある必要はない。ボクセルは、付加的製造デバイスで加工して、独立した材料預託の適切なセットを決定することができる論理構築体である。例えば、いくつかの体積モデルは、エコー源性器官レプリカ１３０を印刷するために使用される３Ｄプリンタの印刷解像度よりも低い解像度で生成され得る。そのような状況では、３Ｄプリンタは、単一のボクセルを生成するために材料の複数の預託を行い得る。例えば、いくつかの実装形態では、各ボクセルは、３×３×３、４×４×４、５×５×５、または他のサイズの材料預託物の直方体に対応し得る。他の実装では、ボクセルは、直方体の預託ではなく、卵形または他の形状の預託に変換され得る。エコー源性器官レプリカ１３０を製造するために使用される３Ｄプリンタは、各ボクセルに割り当てられたエコー源性値を、所与の対応する直方体または卵形沈着内の材料沈着の適切なパターンに変換し得る。他の実装では、各ボクセルは単一の材料の預託に対応し、預託を行うために使用される機器に応じて、球形、卵形、長方形、または他の規則的または不規則な形状を有し得る。１つ以上の材料の音響インピーダンス特性が低く、高いほうの音響インピーダンス特性を有する第２の材料は、鋳造、３Ｄ印刷、異種材料の機械的結合、および材料預託製造を使用する付加的製造システム１２５によって分配され得る。付加的製造システム１２５は、バインダージェッティング、指向性エネルギーデポジション、マテリアルジェッティング、パワーベッドフュージョン、熱溶解積層法、レーザー焼結、ステレオリソグラフィー、光重合、連続的液体界面製造など、エコー源性器官レプリカ１３０を形成するために様々な付加的製造プロセスを利用し得る。いくつかの実装形態では、ＰｏｌｙＪｅｔ  Ｍａｔｒｉｘ（商標）技術（Ｓｔｒａｔａｓｙｓ，  Ｌｔｄ．，  Ｅｄｅｎ  Ｐｒａｉｒｉｅ，  ＭＮ）を使用する３Ｄプリンタを使用して、異なる弾性および音響インピーダンス特性を有する複数の材料を同時に分配して、１つまたは複数の場所で様々な弾性およびエコー源性特性を有するエコー源性器官レプリカ１３０を形成し得る。いくつかの実装形態では、高いほうの音響インピーダンス特性を有する少なくとも１つの材料は、１．１８〜１．２１ｇ／ｃｍ３の重合密度を有するＰｏｌｙＪｅｔ材料などの重合材料を含む。いくつかの実装形態では、低いほうの音響インピーダンスは、水と同様の音響特性を有するヒドロゲルを含む。いくつかの実装形態では、低いほうの音響インピーダンス材料は、水、ゲル、イオン、または生体分子などの非重合化材料を含む。
【００７７】
図７は、図１に示されるＣＴスキャナ１０５、超音波イメージャ１１０、または添加剤製造システム１２５に関連する１以上のコンピュータシステムなどの例示的な実装に従って、本明細書中で記載および例示されたシステムおよび方法の要素を実装するために使用し得るコンピュータシステム７００の一般的なアーキテクチャを例示するブロック概略図である。
【００７８】
大まかに言えば、コンピューティングシステム７００は、少なくとも１つの入力デバイス７１６、および少なくとも１つの出力デバイス７１４を含む。コンピューティングシステム７００は、少なくとも１つのクライアントコンピューティングデバイス７１０をさらに含む。クライアントコンピューティングデバイス７１０は、命令およびデータを格納するための１以上のメモリデバイス７２０に従ってアクションを実行するためのプロセッサ７１２を含む。１以上のメモリデバイス７２０は、アプリケーション７２２を含むようにさらに構成される。１以上のプロセッサ７１２は、通信モジュール７１８を介して、少なくとも１つのネットワーク７５０と通信している。
【００７９】
より詳細には、プロセッサ７１２は、命令、例えば、メモリ７２０からフェッチされた命令を加工する任意の論理回路であり得る。多くの実施形態では、プロセッサ７１２は、マイクロプロセッサユニットまたは特別な目的のプロセッサである。クライアントコンピューティングデバイス７１０は、図６に関連して説明された方法を実行するために本明細書中で説明されるように動作することが可能な任意のプロセッサまたはプロセッサのセットに基づき得る。プロセッサ７１２は、シングルコアまたはマルチコアプロセッサであり得る。プロセッサ７１２は、複数のプロセッサであり得る。いくつかの実装形態では、プロセッサ７１２は、マルチスレッド操作を実行するように構成することができる。他の実装形態では、プロセッサ７１２は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）の環境でデータを動作および通信するように構成され得る。
【００８０】
メモリ７２０は、コンピュータ可読データを格納するのに適した任意のデバイスであり得る。メモリ７２０は、固定ストレージを備えたデバイス、またはリムーバブルストレージメディアを読み取るためのデバイスであり得る。例としては、すべての形式の不揮発性メモリ、メディアおよびメモリデバイス、半導体メモリデバイス（例、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＳＤＲＡＭ、フラッシュメモリデバイス）、磁気ディスク、磁気光ディスク、および光ディスク（例、ＣＤ  ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、およびＢｌｕ−ｒａｙ（登録商標）ディスク）が挙げられる。
【００８１】
メモリ７２０はまた、図６に示される方法を制御するためのアプリケーション７２２を含む。アプリケーション７２２は、１以上のコンピュータプログラム製品、例えば、コンピュータ可読媒体上に符号化されたコンピュータプログラム命令の１以上のモジュールを含み得る。コンピュータシステム７００の動作を、当業者に周知の任意の方法に従って制御する。メモリ７２０はまた、プロセッサ７１２によって実行される命令の実行中に一時変数または他の中間情報を格納するために使用され得る。
【００８２】
本明細書中で論じられるアプリケーション７２２は、必ずしもファイルシステム内のファイルに対応するわけではない。
アプリケーション７２２は、他のプログラムまたはデータを保持するファイルの一部（例、マークアップ言語文書に格納された１以上のスクリプト）、問題のプログラム専用の単一のファイル、または複数の調整されたファイル（例えば、１以上のモジュール、サブプログラム、またはコードの一部を格納するファイル）に格納することができる。アプリケーション７２２は、１台のコンピュータ、または１つのサイトに配置されているか、複数のサイトに分布され、クラウドコンピューティング環境などの通信ネットワークによって相互接続されている複数のコンピュータで実行するように展開することができる。本明細書に記載されているプロセスおよび論理フローは、１以上のアプリケーション７２２を実行する１以上のプログラム可能なプロセッサによって実行され、入力データを操作して出力を生成することによって機能を実行することができる。
【００８３】
通信モジュール７１８は、ネットワークインターフェースカード（示さず−ネットワークインターフェースドライバとも呼ばれる）を介してデータ交換を管理する。通信モジュール７１８は、ネットワーク通信のためのＯＳＩモデルの物理層およびデータリンク層を加工する。いくつかの実装形態では、ネットワークインターフェースドライバコントローラのタスクのいくつかは、プロセッサ７１２によって加工される。いくつかの実装形態では、通信モジュール７１８は、プロセッサ７１２の一部である。いくつかの実装形態では、クライアントコンピューティングデバイス７１０は、複数の通信モジュール７１８を有する。ネットワークインターフェースカード（示さず）に構成されたネットワークインターフェースポートは、物理ネットワークリンクの接続ポイントである。いくつかの実装形態では、通信モジュール７１８は、ワイヤレスネットワーク接続をサポートし、ネットワークインターフェースカードに関連付けられたインターフェースポートは、ワイヤレス受信機／送信機である。一般に、クライアントコンピューティングデバイス７１０は、ネットワークインターフェースカードに構成されたネットワークインターフェースドライバポートとインターフェースする物理的または無線リンクを介して他のネットワークデバイス７５０とデータを交換する。いくつかの実装形態では、通信モジュール７１８は、イーサネット（登録商標）などのネットワークプロトコルを実装する。
【００８４】
コンピューティングシステム７００はまた、入力デバイス７１６および出力デバイス７１４を含む。例えば、クライアントコンピューティングデバイス７１０は、入力デバイス７１６（例、キーボード、マイクロホン、マウス、または他のポインティングデバイス）、出力デバイス７１４（例、ビデオディスプレイ、スピーカー、またはプリンタ）、または追加のメモリデバイス（例、ポータブルフラッシュドライブまたは外部メディアドライブ）を接続するためのインターフェース（例、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インターフェース）を含み得る。いくつかの実装形態では、入力デバイス７１６は、図１に示されるＣＴスキャナ１０５または超音波イメージングデバイス１１０などの医療画像化システムを含み得る。いくつかの実装形態では、入力デバイス７１６は、ＭＲＩシステムまたはデバイス、Ｘ線ラジオグラフィーデバイスまたはシステム、または核医学機能イメージングシステムまたはデバイスを含み得る。いくつかの実装形態では、出力デバイス７１４は、図１に示される付加的製造システム１２５などの付加的製造システムを含み得る。
【００８５】
本仕様に記載されている主題および操作の実装は、デジタル電子回路、または本仕様に開示されている構造およびそれらの構造的同等物を含む有形媒体、ファームウェア、またはハードウェア上に具体化されたコンピュータソフトウェア、またはそれらの１つ以上の組合せで実装することができる。本明細書に記載されている主題の実装は、有形媒体、すなわち、データ加工装置による実行のため、またはデータ加工装置の動作を制御するために１以上のコンピュータ記憶媒体に符号化された、コンピュータプログラム命令の１以上のモジュールで具体化される１以上のコンピュータプログラムとして実装することができる。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読記憶装置、コンピュータ可読記憶基板、ランダムまたはシリアルアクセスメモリアレイまたは装置、あるいはそれらの１以上の組み合わせであることができるか、またはそれらに含まれることができる。コンピュータ記憶媒体はまた、１以上の別個の構成要素または媒体（例えば、複数のＣＤ、ディスク、または他の記憶装置）であることができるか、またはそれらに含まれることができる。コンピュータの記憶媒体は、有形で非一時的であり得る。
【００８６】
本明細書に記載されている動作は、１以上のコンピュータ可読記憶装置に記憶されているか、または他のソースから受信されたデータに対してデータ加工装置によって実行される動作として実施することができる。操作は、データ加工装置のネイティブ環境内で、またはデータ加工装置によってホストされる１以上の仮想マシンまたはコンテナ内で実行し得る。
【００８７】
この明細書には多くの特定の実装の詳細が含まれるが、これらはいかなる発明の範囲またはクレームされる可能性のあるものの範囲に対する限定として解釈されるべきではなく、特定の発明の特定の実装に特有の特徴の説明として解釈されるべきである。この明細書中で個別の実装の文脈で説明されている特定の特徴は、単一の実装で組み合わせて実装することもできる。逆に、単一の実装のコンテキストで説明されている種々の機能は、複数の実装で個別に、または任意の適切なサブコンビネーションで実装することもできる。そして、特徴は、特定の組合せで作用するものとして上記に記載され、最初にそのように主張され得ても、主張された組合せからの１以上の特徴は、場合によっては組合せから切り出されることができ、主張された組合せは、サブコンビネーションまたはサブコンビネーションのバリエーションに向けられ得る。
【００８８】
同様に、操作は特定の順序で図面に描かれているが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような操作が示された特定の順序または順番に実行されること、または例示されたすべての操作が実行されることを要求することとして理解されるべきではない。特定の状況では、マルチタスクと並列加工が有利であり得る。そして、上記の実装における種々のシステムコンポーネントの分離は、すべての実装においてそのような分離を必要とするものとして理解されるべきではなく、説明されたプログラムコンポーネントおよびシステムは、概して、単一のソフトウェア製品に一緒に統合されるか、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化されることができることを理解されるべきである。
【００８９】
「または」への言及は、「または」を使用して説明される任意の用語が、説明される用語の単一、複数、およびすべてのいずれかを示し得るように、包括的であると解釈され得る。「第１」、「第２」、「第３」などのラベルは、必ずしも順序を示すことを意味するものではなく、一般に、類似または同様のアイテムまたは要素を区別するためにのみ使用される。
【００９０】
本開示に記載された実装に対する種々の改変は、当技術分野の当業者には容易に明らかであり得、本明細書中で定義された一般原理は、本開示の精神または範囲から逸脱することなく他の実装に適用され得る。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示される実施に限定されることを意図するものではなく、本開示、原理、および本明細書に開示される新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年1月22日(2021.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含む、エコー源性器官レプリカを製造する方法：
特定の患者内の器官の医用画像データを取得すること；
付加的製造システムによって、１以上の材料の構成を特定する１以上のデータファイルを受信して、前記付加的製造システムによって預託させること；
前記付加的製造システムによって、受信した１以上のデータファイルに基づいて、前記エコー源性器官レプリカの異なる場所で、低いほうの音響インピーダンス材料内にそのように分布する少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料を分配することによって、前記エコー源性器官レプリカを形成することであって、前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料は、前記器官レプリカを通して三次元で変化する材料分布を持つ低いほうの音響インピーダンス材料内に分布し、その結果エコー源性が三次元で変化する器官レプリカを生じて対応するインビボ器官組織に関連するエコー源性三次元変化を複製する、上記形成すること。
【請求項２】
少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の１つの材料が、第１の弾性を有し、前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の別の材料が、前記第１の弾性とは異なる第２の弾性を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布されている、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布された複数のマイクロビーズとして、低いほうの音響インピーダンス材料内に分布されている、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記マイクロビーズの最小寸法が、０．０１ｍｍと１．０ｍｍの間である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第１の場所で前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の量が、第２の場所で前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布される高いほうの音響インピーダンス材料の量から変化する、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記エコー源性器官レプリカの前記１以上の場所で格子構造を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１の場所の格子構造が、前記第１の場所で第１のエコー源性の結果を生じる第１のピッチを有し、第２の場所の格子構造が、第２の場所で第２のエコー源性の結果を生じる第２のピッチを有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記低いほうの音響インピーダンス材料が、水、ゲル、イオン、または生体分子のうちの少なくとも１つを含む非重合化材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料が、前記低いほうの音響インピーダンス材料内に分布され、その結果、前記低いほうの音響インピーダンス材料内の少なくとも１つの高いほうの音響インピーダンス材料の結果として生じる空間密度が、前記エコー源性器官レプリカの１以上の場所での前記低いほうの音響インピーダンス材料の体積の約０．１％から１０．０％までの範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記機械的フィードバックが前記器官に及ぼされる、複製されている前記器官を取り巻く前記１以上の器官組織が、少なくとも１つの骨または関節を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記器官が、動脈、心臓、肺、胃、膀胱、骨、リンパ節、喉頭、咽頭、筋肉血管系、脊柱、腸、結腸、直腸、または眼を含む、請求項１に記載の方法。
【国際調査報告】
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