(57)【要約】  撮像検査のためのマルチモダリティ特性を有する解剖学的かつ機能的に正確な軟組織ファントムを製造するための方法、システム及び装置が開示される。臓器/組織ファントムは、その中に内部血管系を持つ臓器を含んだ容器を溶解エラストマー材料で満たし、バンプを備えた複数のロッドを容器及び臓器を通して挿入し、溶解エラストマー材料が固まって硬化することを可能にし、臓器を取り除き、複数のエラストマーセグメントによって臓器を置換し、エラストマーセグメントを取り出し、PVAセグメントを生成するために、そこに形成される空隙を溶解PVAによって置換して、溶解PVAセグメントが固まって硬化することを可能にし、ほぼ完成した臓器ファントムキャストを形成するために、各々の次に続く溶解PVAセグメントが前に固まったPVAセグメントに固着及び融着するように、全てのエラストマーセグメントが取り出されるまでPVAセグメントの生成を繰り返すことによって、構成される。
2010513977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
臓器又は組織のファントムを生成する方法であって、
(a) 溶解エラストマー材料を含む容器中に臓器又は組織を配置するステップ、
(b) 前記容器及び前記臓器又は組織を通して複数のロッドを挿入するステップ、
(c) 前記溶解エラストマー材料が固まって硬化することを可能にするステップ、
(d) 前記容器から前記臓器又は組織を取り出すステップ、
(e) 複数のエラストマーセグメントによって前記臓器又は組織を置換するステップ、
(f) 第１のエラストマーセグメントを取り出して、そこに生成された空隙を、PVAセグメントを生成するように溶解ポリビニルアルコール（PVA）によって置換するステップ、
(g) その溶解したPVAセグメントが固まって硬化することを可能にするステップ、
(h) 全てのエラストマーセグメントが取り出されるまで、ステップ(f)及び(g)を繰り返すステップ、
を有し、各々の次に続く溶解PVAセグメントは、臓器又は組織ファントムキャストを形成するように、前に固められたPVAセグメントに接着及び/又は融着する方法。
【請求項２】
前記臓器又は組織が内部血管系を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記臓器又は組織ファントムキャストを、溶解PVAを含む最下部の前記エラストマーセグメントから作成される治具に挿入するステップ、完成した臓器又は組織ファントムを形成するように、その溶解PVAが固まって硬化することを可能にするステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
(i) ステップ(d)の後に、内部血管系中に形成されるエラストマー鋳型を取り出すステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
(j) 前記エラストマー鋳型からネガの鋳型を形成するステップ、
(k) 前記ネガの鋳型からポジの固いプラスチック鋳型を形成するステップ、
をさらに有する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
(l) 前記固いプラスチック鋳型を前記容器中に再度挿入するステップ、
(m) ステップ(e)の前に、前記容器及び前記固いプラスチック鋳型を通して前記複数のロッドを再度挿入するステップ、
をさらに有する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ステップ(e)が、
(n) 少なくとも最下部のロッドをカバーするように、挿入された前記ロッドによって生成された空隙を溶解エラストマー材料で満たすステップ、
(o) 当該溶解エラストマー材料が固まって硬化することを可能にするステップ、
(p) 複数のエラストマーセグメントを形成するように、全ての挿入された前記ロッドがカバーされるまで、ステップ(n)-(o)を繰り返すステップ、
をさらに有し、
各々のエラストマーセグメントは、隣接するエラストマーセグメントと接着しない、
請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記臓器又は組織ファントムが心臓ファントムである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記エラストマー材料がシリコーンゴムである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数のロッドがバンプを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記バンプが実質的に球状である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記バンプが、前記容器の少なくとも２つの側の前記エラストマー材料及び介在するエラストマー鋳型を横切る、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記バンプが、前記容器の少なくとも２つの側の前記エラストマー材料及び介在する固いプラスチック鋳型を横切る、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記PVAがドープされている請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記PVAに、ヨウ素及びグラファイトのうちの一つがドープされている請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
PVAの一部又は全てが、生きた細胞で播種される組織工学細胞外基質又は化学活性分子マーカー/プローブによって置換される、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
その中に内部血管系を持つ臓器又は組織ファントムであって、ポリビニルアルコール（PVA）から作成され、
(a) 臓器又は組織を収容する容器を溶解エラストマー材料で満たし、
(b) 前記容器及び前記臓器又は組織を通して複数のロッドを挿入し、
(c) 前記溶解エラストマー材料が固まって硬化することを可能にし、
(d) 前記臓器又は組織を前記容器から取り出し、
(e) 前記臓器又は組織を複数のエラストマーセグメントによって置換し、
(f) エラストマーセグメントを取り出して、そこに生成された空隙を、PVAセグメントを生成するように溶解PVAによって置換し、
(g) その溶解したPVAセグメントが固まって硬化することを可能にし、
(h) 全てのエラストマーセグメントが取り出されるまで、ステップ(f)及び(g)を繰り返すこと、
によって作成され、
各々の次に続く溶解PVAセグメントは、臓器又は組織ファントムキャストを形成するように、前に固められたPVAセグメントに接着及び融着する、ファントム。
【請求項１８】
心臓ファントムである請求項１７に記載の臓器又は組織ファントム。
【請求項１９】
前記エラストマー材料がシリコーンゴムである請求項１７に記載の臓器又は組織ファントム。
【請求項２０】
前記PVAがドープされている、請求項１７に記載の臓器又は組織ファントム。
【請求項２１】
前記PVAに、ヨウ素又はグラファイトのうちの一つがドープされている、請求項１７に記載の臓器又は組織ファントム。
【請求項２２】
PVAの一部又は全てが、生きた細胞で播種される組織工学細胞外基質又は化学活性分子マーカー/プローブによって置換される、請求項１７に記載の臓器又は組織ファントム。
【請求項２３】
ファントムを製造する方法であって、
(i) 心臓の外面の鋳型を提供するステップ、
(ii) 前記鋳型を用いて前記心臓のシリコーンの複製を形成するステップ、
(iii) 心臓尖部の複製のシリコーンセグメントを、前記心臓のシリコーン鋳型の底に配置するステップ、
(iv) 剛体インプラント/固いプラスチック鋳型を、前記心臓尖部の複製中に挿入するステップ、
(v) 前記プラスチック鋳型のまわりにポリマー材料を導入し、当該ポリマー材料を固い状態へと処理又は硬化させるステップ、
(vi) 前記鋳型からアセンブリを取り出し、シリコーン尖部複製を分離するステップ、
(vii) 前記固いプラスチック鋳型とポリマー材料の組み合わせを前記鋳型に戻して、前記鋳型をひっくり返すステップ、
(viii) 鋳型の底の開口を通して、更なるポリマー材料を追加するステップを有し、
前記更なるポリマー材料は、適切な温度条件の下で前に固められたポリマー材料に固着又は融着し、それによって前に除去された尖部を複製する方法。
【請求項２４】
前記ポリマー材料がPVAである請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記鋳型から構造体を取り外し、固まった/硬化したポリマー材料のなかから前記固いプラスチック鋳型を取り外す、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
(i) 心臓の外面の第２の鋳型を利用して、限られた高さである当該第２の鋳型に対して一組の取り付け部品を下を向くように配置するステップ、
(ii) ダムのような構造内にポリマープールを形成するように第２の鋳型の上にポリマー材料を導入して、当該ポリマープールの上に前記取り付け部品が延在するようにするステップ、
(iii) 請求項２３において製造された心臓鋳型を逆さまの向きにして、そのような心臓鋳型を、前記鋳型に詳細に位置決めされるまで、前記ポリマープールに下向きに押し込み、前記ポリマー材料が、適切な温度条件の下で、前に固められたポリマー材料に固着又は融着して、それにより完成した心臓ファントムを定めるステップ、
をさらに有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
第２の鋳型の高さがおよそ１インチである請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ポリマー材料がPVAである請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療臓器ファントムに関し、より詳しくは、撮像検査のためのモダリティ特性を有する解剖学的及び機能的に正確な軟組織ファントムを作成及び/又は生成するための方法、装置及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
CT、X線、MRI、PET/SPECT、超音波、光学撮像、電磁撮像（例えば、RF、マイクロ波、THz）及び他の撮像技術によって仕事をする研究者は、撮像ターゲットを必要とする。これらのターゲットは、とりわけ、撮像ハードウェア及びソフトウェア性能をテストして検証するために必要である。撮像検査は一般に解剖学的に正確で、かつ機能的に正確な臓器ファントムの使用を必要とする。これらの「ファントム」は、人間の患者又は他の生命のあるモデルを必要とすることなく、撮像設備の実証及び検査のための長い調査を可能にし、それによって、X線に対する不必要な暴露及び他のリスクを回避する。ファントムは、さまざまなパラメータ（例えば、撮像要求）に依存して複雑度が変化する。いくつかの状況では単純なシリンダ又は他の基本の構造で十分である場合があるが、他の状況においては、解剖学的に正確な、機能的に正確な、動的な、多様な撮像特性が必要とされる。高度な機能性を有するファントムは、MRI、X線、CT、PET/SPECT、超音波撮像及び他の撮像の品質を維持しつつ、組織の機械的及び/又は化学的特性に密接に近い物質を使用することができる。
【０００３】
撮像ターゲットのための解剖学的精度は、臓器の形状の莫大な複雑度に起因して実際に達成するのが難しかった。市販の入手可能なファントムは一般に、マルチモダリティ検査（例えば、MR、CT、X線、US、 PET/SPECT）を可能にする動的な組織に擬態した生体力学的な変形/機能性又は撮像特性を持たない、関心臓器の剛体の解剖学的表現を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
必要だがこれまで達成されていないのは、画像外観、機構及び/又は化学的特性に関して厳密に生物学的組織の挙動を模倣するさまざまな特性を示すファントムである。本発明は、高機能性撮像ターゲットの作成/生成を可能にしつつ、従来の撮像ターゲットの欠点に対処する新規なファントム技術を説明する。本発明によって作成/生成される撮像ターゲット/ファントムは、特に検査環境（例えば、再構成、区分化、記録、定量化及び/又は視覚化のためのマルチモダリティハードウェア並びにソフトウェアの検査に関わる環境）において、有意な利点のホストを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、解剖学的に正しい組織又は臓器のファントムを作成/生成するための有利な方法、システム及び装置を提供する。本発明によって生成される例示的なファントムは、元の構造（例えば人間の臓器）から直接再現される、組織を模倣する機械的特性を提供する。例示的な実施の形態によれば、ファントムは、内部血管系を持つ関係する臓器又は他の組織構造を収容する容器を溶解エラストマー材料によって満たし、容器及び臓器/組織を通して複数のロッドを挿入し、溶解エラストマー材料が固まって硬化することを可能にし、臓器/組織を除去し、複数のエラストマーセグメントによって臓器/組織を置換し、エラストマーセグメントを除去し、PVAセグメントを作成するために、溶解材料（例えばポリビニルアルコール（PVA））によってそこで生じた空隙を置換することによって構成される。溶解PVAは一般的に固まって硬化することが可能であり、上述のステップは、全てのエラストマーセグメントが除去されるまで、更なるPVAセグメントを作成するように繰り返される。
【０００６】
各々の次に続く溶解PVAセグメントは一般に、実質的に完全な臓器/組織ファントムキャストを形成するように、前に硬化したPVAセグメントに接着して融着する。例示的な実施の形態において、臓器/組織ファントムは、例えばさかさまに、固定具又は他の安定化構造中に臓器/組織ファントムキャストを配置することによって形成されることができる。さまざまなエラストマー材料が本開示によって用いられることができる。例示的な実施の形態において、エラストマー材料は、シリコーンゴムである。
【０００７】
本願明細書において開示される技術を通して、高度に正確かつ有用な臓器/組織ファントムが、効率的かつ信頼性が高い方法で作成されることができる。大部分の臓器及び解剖学的/組織的構造は、ファントム用途のために有効に複製されることができ、そのような臓器/組織ファントムは基礎をなす臓器/組織の解剖学的特性を厳密に模倣する特性によって特徴づけられる。本開示の特に好ましい実施の形態において、ファントムの人間の心臓が、撮像検査等のために作成されることができる。
【０００８】
開示されたシステム、方法及び装置の更なる特徴、機能及び利益は、特に添付された図に関連して読まれる場合、以下の詳細な説明から明らかである。本発明のより完全な理解のために、添付の図面と関連して考慮される例示的な実施の形態の以下の詳細な記述が参照される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来技術の"失蝋"法を用いて生成される心臓ファントムの概略図。
【図２】本発明の方法に従って構成される「ドーピングされた」PVAファントムのFD10 X線画像。
【図３】本発明の方法に従って構成される「ドーピングされた」PVAファントムの３次元超音波画像。
【図４】本発明の方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、人間の心臓が容器中に配置され、そして容器はシリコーンゴムで満たされる。
【図５】開示された方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、複数のロッドが鋳型容器の一方の側を通して押し込まれる。
【図６】開示された方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、心臓は除去されて、血液ボリューム鋳型は外側の鋳型から外されている。
【図７】開示された方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、複数のロッドは、位置決めを復元するために鋳型容器を通してそれらの以前の場所に元通りに差し込まれている。
【図８Ａ】開示された方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、鋳型容器は、シリコーンゴムの一つのセグメントで満たされている。
【図８Ｂ】開示された方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、鋳型容器は、シリコーンゴムの第２のセグメントで満たされている。
【図８Ｃ】開示された方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、鋳型容器は、シリコーンゴムの第３のセグメントで満たされている。
【図８Ｄ】開示された方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、鋳型容器は、シリコーンゴムの第４のセグメントで満たされている。
【図９】開示された方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、シリコーンゴムのセグメントは除去されて、溶解PVAによって置換される。
【図１０】開示された方法に従って構成されている例示的な心臓ファントムの概略図であり、全てのシリコーンゴムセグメントが除去されて、溶解した及び固化したPVAによって置換される（新たに追加された溶解PVAは、以前に追加されて固化したPVAと融合する）。
【図１１】位置決めされた固いプラスチック鋳型と共に位置決めされた鋳型から取り外された例示的なPVA心臓キャストの平面図の写真。
【図１２Ａ】固いプラスチック鋳型が取り外された、図11の例示的なPVA心臓キャストの正面側面図の写真。
【図１２Ｂ】固いプラスチック鋳型が取り外された、図11の例示的なPVA心臓キャストの平面図の写真。
【図１３】取り付け固定具に維持されるPVA心臓キャストの完成を示す概略図。
【図１４】例示的な取り付け固定具の斜視図の写真。
【図１５Ａ】図14の取り付け固定具における完成したPVA心臓キャストの斜視図の写真。
【図１５Ｂ】図14の取り付け固定具における完成したPVA心臓キャストの側面図の写真。
【図１６】外部コントローラの制御下でのサーボモーターによる激しい機械的操作を可能にする固定装置に取付けられた完成したファントム心臓の模式図。
【図１７】図16に概略的に示される例示的なテスト構成の写真であり、心臓ファントムの機械的操作は、ラップトップコンピュータのディスプレイのECG波形に同期する。
【図１８】超音波、X線及びAurora撮像装置が追加された図17に示されるテスト構成の写真。
【図１９】図16-18の機械的操作試験装置に使用する心臓ファントムを囲む３次元空間の較正のために用いられる例示的なテスト構成の写真。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の方法、システム及び装置は、組織を模倣した機械的特性を有する解剖学的に正しい臓器/組織ファントムを提供する。開示されたファントムは、有利には、元の臓器/組織（例えば人間の心臓）から直接再現される。本発明が解剖学的に正確な心臓ファントムの生成に関して説明されるが、本発明は、動物及び人間の両方の他の内臓、組織及び解剖学的構造のファントムを生成するために用いられることができる。
【００１１】
図1を参照して、従来技術の「失蝋」法を用いて生成される、概して10で示される心臓ファントムの概略図が示される。ポジの複製10は、心臓壁16、18及び中央心室中隔20を定める左側セグメント12及び右側セグメント14を含む。セグメント12、14及び心室中隔20は、ネガの外側鋳型22及び内部血液ボリュームキャスト24、26から形成される。内部キャスト24、26及び外側鋳型22は容易に製作されるが、内部キャスト24、26が外側鋳型22に対してもはや位置決めされないという点で、ポジの複製を直接鋳造するためにこれらを用いることには問題があることが分かる。この位置決めは、心臓壁16、18及び心室中隔20の厚さが大きく変動するために、三次元でmm未満のレベルで正確なことを必要とする。高い精度なしでは、心室中隔20の位置28又は外側の心臓壁30で穴が生ずる可能性がある。
【００１２】
克服すべき他の問題は、内部キャスト24、26の閉じ込めである。ポジの複製10が内部空隙及び外界（図示せず）に対する比較的小さな出口を有する形状であるので、内部血液ボリュームキャスト24、26（血液ボリューム）は、複製10の中に閉じ込められて、取り外されることを必要とする。旧式の技術（失蝋）は、この点で適切に用いられる。血液ボリュームキャスト24、26は、加熱されると、注ぎ出されることができる。残念なことに、血液ボリュームキャスト24、26のために用いられる材料は、心臓壁16、18に適切な材料に対する損傷を防止するために、+/-100°Fで溶けなければならない。本発明の方法、システム及び装置は、有利な区分化アプローチを通して溶融に基づく技術の重大な限界を克服する。
【００１３】
最終的なファントムキャストとして好ましいキャスティング材料は、ポリビニルアルコール（PVA）である。PVAは、優れた組織のような特性を持つクリオゲルであり、温度、時間及び組成の操作によって、臓器の物理的特性に近づけることができる。PVAは、正確な位置決めを達成して、閉じ込めをなくすことを可能にしつつ、高い解剖学的精度及びテクスチャのファントムを生成する。この材料は、以下の参照文献に説明される（これらの文献は、全体として本明細書に参照として組み込まれる）。
- Kenneth C. Chu and Brian K. Rutt, "Polyvinyl Alcohol Cryogel: an Ideal Phantom Material for MR Studies of Arterial Flow and Elasticity," Departments of Medical Biophysics and Diagnostic Radiology, University of Western Ontario, and Tom Lawson Family Imaging Research Laboratories, John P. Robarts Research Institute, London, Ontario, Canada; 
- R.C. Chan, M. Ferencik, T. Wu, U. Hoffmann, T.J. Brady, and S. Achenbach, "Evaluation of arterial wall imaging with 16-slice multi-detector computed tomography", Computers in Cardiology 2003, Thessaloniki, Greece, September , Vol. 30:661-4, 2003; 
- A. Chau, R. Chan, S. Nadkarni, N. Iftimia, G.J. Tearney, and B.E. Bouma, "Vascular optical coherence elastography: assessment of conventional velocimetry applied to OCT", in Biomedical Topical Meetings on CD-ROM (The Optical Society of America Biomedical , Washington, DC, 2004), FH47;
- M. Ferencik, R. C. Chan, S. Achenbach, J. B. Lisauskas, S. L. Houser, U. Hoffmann, S. Abbara, R. C. Cury, B. E. Bouma, G. J. Tearney, and T. J. Brady, "Evaluation of Arterial Wall Imaging with 16-slice Multi-detector Computed Tomography in Vessel Phantoms and Ex Vivo Coronary Arteries," Radiology 2006 (in press)
【００１４】
その自然の状態におけるPVAは、X線及び超音波に対して実質的に透明である（用いられる周波数によって決まる）。PVAはドーピングされることができ、すなわち、ヨウ素、グラファイトのような材料、MRコントラスト（例えば、gadolium、硫酸銅など）、MR鉄酸化物ナノ粒子、及び/又は、光学コントラスト作用剤（例えば、微小球、光学ナノシェル、脂質内、脂質/油剤、光学色素、超音波マイクロバブル）が、必要とされる撮像密度を達成するために追加されることができる。ドーピングされたPVAファントムの代表的な画像は、FD10 X線を用いて図2に示され、３次元超音波を用いて図3に示される。
【００１５】
PVAは、以前にキャストされて硬化されたPVAセグメント上に注がれることができて、セグメント間の境界の痕跡が無い結合された単一の部品複合体キャストを作成するために加熱されることができるという更なる有利な特性を持つ。結果として、臓器/組織ファントム（例えば、心臓ファントム）は、位置決めされて閉じ込められない内部の詳細を得るように、一体に融着される複数のスライス又はセグメントから構築されることができる。本発明の例示的な方法、システム及び装置において、位置決めは、ほぼ完全な心臓形のキャストが作成されるまで、複数のシリコーンゴムセグメントを、一つを他の上に垂直に連続してキャストすることによって達成される。これらのセグメントは、一体に結合せず、血液ボリュームの表面及び心臓外面の表面キャストの内側の両方の上に確実に位置決めされるようにキャストされる。本発明のそのような方法、システム及び装置は、ネガの心臓（又は他の臓器/組織/解剖学的構造）の鋳型の外側表面の内側にしっかりと位置決めされる血液ボリュームのポジのキャストを生成する。
【００１６】
図4-10及び13は、PVA心臓ファントムを作成/製造するために本開示によって使用されることができるステップを図示する。図4において、人間の心臓32が、部分的にシリコーンゴム36で満たされる容器34中に配置される。その時、心室38, 40は、血管開口42, 44を通してシリコーンゴムで満たされる。図5において、複数の（球状）"バンプ"48を有する複数のロッド46が、鋳型容器34の片側33を通して押し込まれ、心臓壁50、内部血液ボリューム52、心室中隔54、第２の血液ボリューム56、残りの心臓壁58及び残りの容器壁60を相次いで突き通す。続いてシリコーンゴムは硬化することが可能であり、血液ボリューム鋳型62, 64及び外側の鋳型66（図6を参照）を作成する。それから心臓32は、鋳型容器34から取り出されて、内部血液ボリューム（鋳型）62, 64を解放するために切開される。図6に示されるように、血液ボリューム鋳型62, 64は、外側の鋳型66に対する位置決めを失っている。次に図7を参照して、示されるように、複数の"バンプ"48を有する複数のロッド46を、鋳型容器34及び血液ボリューム鋳型62, 64を通してそれらの以前の場所に元通りに差し込むことによって、位置決めは復元されることができる。
【００１７】
図8A-8Dを次に参照して、複数の挿入されたロッド46を含む鋳型容器34は、それから、溶解シリコーンゴムの連続したセグメント68A-68Dで満たされる。セグメント68A-68Dの各々は、凝固して硬化することが可能にされる。結果として、セグメント68Bは、セグメント68A又は68Cに固着しない。同様に、セグメント68Cは、セグメント68B又は68Dなどに固着しない。セグメント68A-68Dのいずれも、外側の鋳型66に固着しない。血液ボリューム鋳型62、64は取り外されて、ネガの鋳型がそれらから製作される。このネガの鋳型から、ポジの固いプラスチックの血液ボリューム鋳型78, 80が製作される。
【００１８】
図8Dをここで参照して、固いプラスチックの鋳型78, 80は、以前にキャストされたセグメント68A-68Dの中に配置される。セグメント68A-68Dは、位置決めの厳格さ及び質を決定する。図9及び10を参照して、PVA材料72が、位置決めされた鋳型中にキャストされる。複数のロッド46は、すべて取り外される。それから、シリコーンセグメント68A-68Dは一つずつ取り外され、そして空隙はPVAセグメント74A-74Dを生成するためにPVAで満たされる。新たに追加されたPVAセグメント74A-74Dは、例えば適切な温度条件の下で、以前に追加されて硬化したPVAセグメントに融着する。一般的に、融着プロセスは順次行われ、すなわち隣り合うPVAセグメントが一つずつ融着される。全てのPVAセグメント74A-74Dが固まって硬化すると、ほぼ完全なPVA心臓キャスト76ができる。
【００１９】
したがって、本開示によってファントム（例えば心臓ファントム）を製造するための例示的な技術において、以下のステップが使用される。
− 上述のように、心臓の外面の鋳型が形成される。
− 心臓のシリコーン複製が上述の鋳型を用いて形成される。
− 心臓尖部の複製のシリコーンセグメントが、心臓の上述のネガの外側シリコーン鋳型の底に配置される。
− 剛体のインプラント/かたいプラスチック鋳型（例えば、要素78、80）が、心臓鋳型の底に配置される心臓尖部の複製に挿入される。
− PVA（又は他の適切なポリマー材料）が、プラスチック鋳型のまわりに注がれて、処理されて/固い状態に硬化する。
− 鋳型から除去して、シリコーン製の尖部の複製を、固いプラスチック鋳型/PVAの組み合わせから分離する。固いプラスチック鋳型/PVAの組み合わせを鋳型に戻して、「さかさまに」ひっくり返す。
− 鋳型の下部の開口部を通してPVAを追加する。新たに追加されたPVAは、（適切な温度条件の下で）以前に硬化したPVAに固着して融着し、それによって、以前に取り外された尖部を複製する。
− 構造体は鋳型から取り外されて、固いプラスチック鋳型がPVA内から取り外される。
【００２０】
図11は、外側の鋳型70から取り外されたが、位置決めされた固いプラスチック鋳型78, 80を有するPVA心臓キャスト76の写真を示し、一方図12A-12Bは、固いプラスチック鋳型78, 80が取り外されたPVA心臓キャスト76を示す写真である。固いプラスチック鋳型78, 80の取出しは、水による潤滑によって、補助されて容易にされることができる。
【００２１】
次に図13及び14を参照すると、PVA心臓キャスト76は、固定装置84を使用することによって一般的に完成し、固定装置84は、シリコーン鋳型セグメント68A、硬化したPVAフランジ86、複数の逆目チューブ取付け部品88及び複数のチューブ90を含む。シリコーン鋳型セグメント68Aは、さかさまにひっくり返されて、その間の複数の逆目チューブ取付け部品88を介して、硬化したPVAフランジ86に取り付けられる。そして複数のチューブ90は、逆目チューブ取付け部品88の一端92において、当該複数のチューブ90が逆目チューブ取付け部品88の他端94から予め定められた距離突き出すまで挿入される。適切な深さの熱いPVA 96のプールが、シリコーン鋳型セグメント68Aの上面98と同一水準になるまで注がれる。この熱いPVA96は、下にある硬化したPVAフランジ86と直ちに融合する。そしてPVA心臓キャスト76は、熱いPVA 96を含んでいる固定装置84のシリコーン鋳型セグメント68Aの中に元通りに差し込まれる。熱いPVA96は、PVA心臓キャスト76へと移動し、重なり合う融着結合を形成する。この複合体が冷却されてPVAを硬化させるために加熱されると、完成したファントム心臓100が形成される（図15A及び15Bを参照）。
【００２２】
このように、ステップ的な観点から、この第２の製造段階は、一般に以下ステップを含む。
− 心臓の外面の第２の鋳型を利用して、一セットの取付け部品は、そのような第２の鋳型に対して配置され、下方へ向く。この鋳型は、限られた高さ（例えば約１インチ）である。
− PVAは、ダムのような構造の中にPVAプールを形成するために、第２の鋳型の上に注がれる。取付け部品は、PVAプールより上に延在する。
− 第１のシリーズのステップにおいて製造された心臓鋳型は、逆さにされて、鋳型に対して詳細に位置が合うまでPVAプールへと下向きに押し込まれ、それによって完全な心臓ファントムを定める。以前のように、新たに追加されたPVAは、（適切な温度条件の下で）以前に硬化したPVAに固着又は融着する。
【００２３】
次に図16を参照すると、完成したファントム心臓100は、激しい機械的操作を可能にするための固定装置84に取り付けられて示される。ファントム心臓100の尖部102は、外部コントローラ108（例えばパーソナルコンピュータ）の制御の下で、サーボモーター106又は他の作動ユニットによって動かされるカップリング104にはめ込まれることができる。カップリング104は、サーボモーター106を用いて、完成したファントム心臓100の圧迫及び回転を可能にする。血液代用物（図示せず）は、外部手段によってポンピングされることができ、又は、適切な弁の追加によって、完成したファントム心臓100によってポンピングされることができる。コントローラ108にロードされたソフトウェアは、一般に、サーボモーター106を介して必要とされる心臓動作を制御するために使用される。このソフトウェアは、例えば、サーボモーター106と同期したECG信号を供給する機能を持つ。図17は、固定装置84における完成したファントム心臓100の写真を示し、ソフトウェア制御の下で２軸サーボモーター110によって駆動され、ラップトップコンピュータ114のディスプレイ112に同期ECG波形を出力する。図18は、超音波、X線及びAurora撮像設備を完備した同じ装置の写真である。
【００２４】
次に図19を参照して、心臓ファントムを囲む３次元空間の例示的な較正は、「U字」形の治具114を、固定装置84の定着溝116に挿入することによって提供される。治具114は、治具114のまわりのランダムな場所に固定される複数のステンレス鋼球118を含む。球118の位置は、治具114の３つの面の参照マーク120に対して正確に決定される。図18及び19を再度参照して、完成したファントム心臓100を取り囲む３次元空間は、X線、超音波及びAurora磁気プローブ（図示せず）によって「見られる」。X線撮像及び超音波プローブは、ボリュームを定めるために鋼球を十分に解像することができるが、Aurora磁気プローブによって「見られる」画像は、プローブが較正の間に鋼球の上に配置される場合、鋼球の存在によって歪められる。この欠陥を防止するために、更なる浅い穴が、正確に知られるオフセットで鋼球に隣接してあけられることができる。磁気プローブはこれらの代わりの位置に配置され、オフセットはソフトウェアで注意されて、３次元ボリュームが取得される。
【００２５】
本発明は、数多くのアプリケーションに従属する。完成した心臓ファントム100を構成するために用いられる組織を模倣するポリビニルアルコール材料は、生きた細胞で播種される組織工学細胞外基質又は化学活性分子マーカー/プローブによってPVAの一部又は全部を置換することによって「生物学的に官能基化される」ことができる。このアプローチは、特にPET又はSPECTのような機能性撮像技術に対して重要である代謝プロセスに関して、生きた組織の生化学的特性のより近い近似を可能にする。更に、基準のターゲット（例えばビーズ、ルビー、コントラスト含有PVA微小球、カプセル、マイクロバブルなど）が、実証実験のために用いられる更なるマーカーを提供するために、ファントム組織の中にターゲットとされ又はランダム化された様式で埋め込まれることができる。他の例示的な実施の形態において、分割された臓器表面がそこから抽出されることができる患者特異な撮像ボリュームの使用を可能にするように、３次元印刷技術がファントム生成と組み合わせられることができる。これらの表面は、PVA「組織」マトリクスが注がれて形成されることができるネガの鋳型を構成するための３次元プリンタに直接供給されることができる。あるいは、３次元での直接的なPVA印刷を可能にする新規な３次元印刷技術が開発されることができる。このアプローチにおいて、PVA液滴は、低コストの消費者向けプリンタにおける現在のインクジェット技術に類似した方法で積み重ねられる。
【００２６】
本発明は、従来技術のファントム及びファントム生成技術に勝るいくつかの利点を持つ。例えば、本発明の方法、システム及び装置は、マルチモダリティ撮像ハードウェア及びソフトウェアプラットフォームの検査及び実証を意図する任意の実験に用いられることができる、解剖学的に正確かつ機能的に正確な臓器/組織ファントムを提供する。臨床的アプリケーションは、介入性処置ガイダンス（例えば、甲状腺の生体組織検査、肝生検切除、前立腺生体組織検査/切除など）、心臓カテーテル法、電気生理処置及び最小侵襲手術のための方式の検査を含むが、これに限定されるものではない。開示された方法、システム及び装置は、X線、超音波、MRI（これは「組織」マトリクスへの放射性トレーサの導入を伴うPET/SPECTのような核医療撮像技術に拡張可能である）、並びに他の光学的及び/又は電磁撮像モダリティ（例えば、RF、マイクロ波及びTHz）による自然の又は改良された撮像のための調整可能なマルチモダリティ組織模倣コントラストの注入を可能にする。さらに本発明は、心臓組織の物理化学的特性の調整可能な近似を提供する。更に、本発明は、
− 捻り/回転及び圧迫を含む（但しこれらに限られない）動的かつプログラム可能な心臓挙動、
− 付着した又は埋め込まれた血管、
− 壁厚さを含めた正確な内部及び外部の解剖学的詳細、
− CT、心臓X線及び他の医療装置に対する同期のためのECG（又は任意の波形）出力、
− 心臓構造体に組み込まれる配管取付け部品、
− 機械的動作のために適切な機械的取り付け物、
− 心臓の３次元ボリュームを定める一体型の較正機能、
を提供する。本発明は、電気生理学又は心臓カテーテル処置で典型的な介入の検査のための大きな超音波アクセスポート及び動的機械的アクセスポートを有する設定可能な水で満たされたタンクに収容されることができる。
【００２７】
本明細書に記載された実施の形態は単なる例であって、当業者は本発明の精神及び範囲を逸脱することなく多くの変更や修正を行うことができることが理解されるべきである。全てのそのような変更及び修正は、本発明の範囲内に含まれることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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