(57)【要約】生きているような脳溝と解剖学的に正確な構造を含む脳ファントムは開示されている。 ファントムは、人間の脳の生体力学と撮像特性の一方または両方を模倣する材料で作られている。 ファントムは、単一のファントムであってもよいく、生体力学的ファントムと別々のイメージングファントムを含むキットであってもよい。 イメージングファントムは、DTIを使用して観察することができる脳の白トラクトまたはバンドルを模倣する構造を含み、そして医師の外科技術を実施することに加えて上のイメージング技術を練習することを可能にするポストプロダクションDTI画像を含みえる。【選択図】図５
2016525391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相補的な頭部ファントムキットであって、 
a）1種以上のイメージング技術により画像形成可能である材料から構成された哺乳動物の脳の解剖学的模倣物を含む第1の画像形成ヘッドファントムと、
b）1種以上のイメージング技術により画像形成可能である材料から構成された哺乳動物の脳の解剖学的模倣物を含む少なくとも第二の生体力学頭部ファントムと、
c）少なくとも前記に述べた第二の生体力学的ファントムと第1の撮像ヘッドファントムが一緒に登録され、そして前記第1撮像ヘッドファントムで少なくとも1つの撮像技術を用いて一つ以上の取得された画像は、第二の生体力学的頭部ファントムと登録され、イメージングファントムから一つ以上の取得された画像の特徴によって、外科手術トレーニング手順の間に前記の第二の生体力学的頭部ファントムのナビゲーションを提供するために、生体力学的頭部ファントムの機能を幾何学的に対応する相関しているシステムを備える。
【請求項２】
前記第1イメージングファントムおよび前記少なくとも1つの第2の生体力学的ヘッドファントムはトレイ部材、頭部ファントム部材と脳ファントム部材を含み、そして前記頭部ファントム部材がボウル部材に結合した顔ファントム部材を有し、前記のボウル部材が脳ファントム部材を受け入れやすいサイズと形状を持ち、そして前記頭部ファントム部材は脳ファントム部材を覆うために適切なサイズと形状を持つ頭蓋骨部材が含まれ、そしてトレイは頭部ファントムを放出できるように作られた、システムを備える、請求項1に記載の相補頭部ファントムキット。
【請求項３】
イメージングファントムと生体力学ファントムの外側に位置して識別な構造的な特徴のいずれか1つまたは組み合わせを含む、請求項1または2に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項４】
第1の撮像ファントムと前記少なくとも第2の生体力学的頭部ファントムは相互にサイズおよび形態が実質的に物理的に同一である、請求項1に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項５】
前記イメージングファントムと少なくとも第2の生体力学頭部ファントムは解剖学的模倣を含み（たとえば頭蓋骨模倣層、硬膜模倣層、脳脊髄液模倣層、血管模倣層、灰白質部模倣体と白質部模倣体を含んだ脳切片模倣体、拡散繊維模倣体など）、そしてすべての述べた模倣体は、一般に、人間の脳を形成するように互いに対してサイズ、形状及び位置を有している模倣を含む、請求項1に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項６】
前記哺乳動物の脳模倣体は複数の腫瘍模倣体を含み、そしてその腫瘍模倣体は必要に応じて脳腫瘍模倣体が一つしかない場合は１種の腫瘍を模倣し、脳腫瘍模倣体1つ以上の場合は１種またはそれ以上の腫瘍を模倣することを含む、請求項５に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項７】
頭蓋骨模倣層を覆う外皮模倣層が切断または切開によって貫通された時、哺乳類の皮膚の「感触」と抵抗を模倣する材料を含む少なくとも第2の生体力学的頭部ファントムを特徴とする、請求項５に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項８】
シリコーンゴムとフレキシブルシリコーンエラストマーのいずれかから構成された外皮模倣層を特徴とする、請求項7に記載の補足的な頭部ファントムキット。 
【請求項９】
肌色染料または顔料で着色された白金硬化シリコーンゴム、から構成された外皮模倣層を特徴とする、請求項7に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項１０】
それぞれ前記のイメージングファントムと生体力学的ファントムは画像登録および/または顔の登録をするために最適に配置された1つ以上の基準点を含む、請求項2に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項１１】
一つ以上の基準マークがA）前記トレイ上で1つ以上の位置又は、B)前記頭部ファントム上で1つ以上の位置あるいは、C)任意の組み合わせ、に取り付けられていることを特徴とする、請求項10に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項１２】
外皮模倣層を戦略的に画像レジストレーション及び/又は顔の登録を可能にするために配置された一つ以上の基準点が設けられている、請求項7に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項１３】
前記に述べた外皮模倣層が約2ミリメートルの厚さを有する、請求項7に記載の補足的な頭部ファントムキット。 
【請求項１４】
前記脳脊髄液模倣層は手術器具が通過しているときに「感触」と脳脊髄液の粘度を模倣する液体を含む、請求項5に記載の補足的な頭部ファントムキット。 
【請求項１５】
鉱油および生理食塩水のいずれか1つまたは組み合わせた前記液体を含む、請求項14に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項１６】
約100〜200ミリリットルの容積を有する脳脊髄液模倣層を含む、請求項5に記載の補足的な頭部ファントムキット。 
【請求項１７】
約0.5〜0.8ミリメートルの範囲の厚さを有する硬膜請模倣体層を含む、求項5に記載の補足的な頭部ファントムキット。 
【請求項１８】
硬膜模倣層の下にあるが、硬膜模倣層と脳部分模倣層の間に挟まっている血管模倣層を有する、請求項5に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項１９】
生体力学的に手術器具が接触した場合又は撮像された場合、
血管組織を模倣する前記血管模倣層を含む、請求項5に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項２０】
任意のシリコーン材料とポリビニル・アルコール・クライオゲル（PVA-C）の混合物から作製された前記血管模倣体層を含む、 請求項19に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項２１】
約0.2〜３ミリメートルの範囲の直径を有する前記血管状模倣体層を含む、請求項19に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項２２】
はポリウレタンMCG-1及びPVA-Cの材料のいずれか1つまたは組み合わせた混合物から構成されている脳切片模倣体を含む、請求項5に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項２３】
ポリウレタンMCG-1とPVA-Cの材料と添加剤を混合し、その添加剤はガラス泡と鉱油の組み合わせから構成され、そして前記添加剤の量は選択された一貫性を与えるように適切な量に加えた脳切片模倣体を含む、請求項22に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項２４】
脳切片模倣模倣体はポリウレタンとガラスバブルの混合物から構成され、そして脳組織の引裂強度及び引張特性を模倣するために前記ガラスバブルが全体積の5％を超えないようにことを含む、請求項2３に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項２５】
二つの凍結融解サイクルにかけ、水と約4％PVA-Cの材料の混合物から構成された脳切片模倣体を含む、請求項23に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項２６】
人間の脳組織に近似する厚さ、寸法、および解剖学的に正確な脳溝と脳室を有する前記脳切片模倣体を含む、請求項22に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項２７】
ウレタンとシリコーン起毛繊維から構成されている硬膜層模倣体を特徴とする、請求項に5記載の補足的な頭部ファントムキット。 
【請求項２８】
硬膜模倣層が密接に脳模倣層を覆い、そして硬膜模倣層と脳模倣層の間が脳回模倣と硬膜模倣に最も近い間に１ミリメートルを超えないように作られることを含む請求項に5記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項２９】
防水材料から作製された前記模倣硬膜層を含む、請求項２８に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項３０】
頭蓋骨模倣体層が骨組織を模倣する材料で作られていることを特徴とする、請求項５に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項３１】
アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）材料から作製された骨組織模倣物を含む、請求項３０に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項３２】
拡散繊維模倣体が脳模倣体に埋め込まれ、そしてその繊維束は白質路をエミュレートするために脳模倣体内に配置されていることを含む、請求項5に記載の補足的な頭部ファントムキット。 
【請求項３３】
人間の脳の白質線維トラクトの直径に近い、約4mm未満の直径を有するウィッキング材料で作られ、水和すると脳模倣部分の白質線維トラクトのパターンを複製するために繊維束が脳の模倣層を通しされる、請求項３２に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項３４】
繊維束をプラスチックチューブ内に充填されたポリエステル、ナイロン、ポリプロピレン、ダイニーマなど繊維のいずれかから構成され、前記繊維束が水チャネルを提供するように構成されている、請求項３２に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項３５】
人間の脳切片内の白質路を近似直径の管状の形状を有する繊維束を特徴とする、請求項３４に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項３６】
繊維束が脳模倣部分に通されて、選択された場所から脳脊髄液模倣層に突出し、それらが周囲に露出させて水和されている請求項３４に記載の補足的な頭部ファントムキット。 
【請求項３７】
親水コロイド材料、ゴムとガラス混合物、およびPVA-Cの混合物のいずれかから構成された1つ以上の腫瘍模倣を有する、請求項６に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項３８】
腫瘍組織の結像特性をシミュレートするように造影剤がドープされている腫瘍模倣物を含む、請求項３７に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項３９】
リアルな腫瘍発色を表現するために印加される色素沈着を含む前記腫瘍模倣物を特徴とする、請求項３７に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項４０】
40. T1および/またはT2の特性を調整するように、適切な造影剤の量を有する、請求項１〜３９のいずれか一項に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項４１】
41。造影剤がいずれかのフッ化物、塩化物、硫酸塩及びアガロースである請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記撮像脳ファントム又は生体力学的脳ファントムの1つまたは複数のMRIによる取得したイメージと撮像パラメータと共に手順中に開業医によりアクセス可能な記憶装置に保存された機能を含む請求項１〜４１のいずれか一項に記載の補足的な頭部ファントムキット。
【請求項４３】
深い脳溝などの脳ファントムの製造方法： 
人間の脳の画像を取得し、前記取得したイメージを用いて、人間の脳をエミュレートする深い脳溝と脳の解剖学的に正確なモデルによって3Dプリントし、脳のモデルの外表面に柔軟型材を塗布し、脳型を形成した後脳のモデルから脳鋳型を放出し、脳の鋳型を硬質外殻に配置し、鋳型を脳模倣体の液体前駆体と提出し、必要に応じて脳の構造的特徴のために液体前駆体を埋め込み、深い脳溝付き解剖学的に正確脳ファントムを形成し、そして 脳型から脳ファントムを解放しする方法。
【請求項４４】
人間の脳がMRI、CT、PETとのいずれかの画像を用いて得られる、請求項43に記載の方法。 
【請求項４５】
脳模倣材料が寒天、ゼラチン、ポリウレタン、PVA-C、および大豆ゲルのいずれかである、請求項43に記載の方法。
【請求項４６】
脳模倣物は、最適な一貫性を与える量でポリウレタンと添加を含む複合材料である、請求項43に記載の方法。 
【請求項４７】
添加剤がガラスバブル、鉱油のいずれか1つまたは組み合わせを含むことを特徴とする請求項46に記載の方法。 
【請求項４８】
脳模倣物質が約1と約15％の間のポリビニルアルコール（PVA）製剤である、請求項４３に記載の方法。
【請求項４９】
ポリビニルアルコール（PVA）調合物を約１〜8回の凍結/融解サイクルにさらし、脳模倣物を固めるステップを含む、請求項48に記載の方法。
【請求項５０】
脳模倣物は4〜8％の間のポリビニルアルコール（PVA）調合物であり、脳模倣物を誘導するステップはポリビニルアルコール（PVA）を約１〜8回の凍結/融解サイクルを露出することを含む、請求項48に記載の方法。
【請求項５１】
脳模倣体で鋳型を満たすステップは、触覚特性を与えるように選択された量でガラスバブルおよび鉱油のいずれか1つまたは組合せを添加すること含む、請求項４８〜５０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５２】
脳模倣物で鋳型を満たすステップはT1および/またはT2のプロパティを脳模倣物に有するために造影剤の適切な量に混合することを含む、請求項４３〜５１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５３】
造影剤は、フッ化物、塩化物、硫酸塩又はアガロースのいずれかである、請求項52に記載の方法。 
【請求項５４】
脳模倣体で鋳型を満たすステップは、造影剤と殺生物剤を混合する交錯を含む、請求項４３〜５３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５５】
一つ以上の構造的な脳機のために液体前駆体中に1つまたは複数の模倣体を埋め込むステップは、いずれかまたは拡散繊維模倣体と前記拡散繊維の束を埋め込み、そして人間の脳組織内の白質トラックトをエミュレートするために前記繊維と拡散繊維束のいずれか一方または両方が脳内部に配置されている、請求項４３〜５３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５６】
拡散繊維模倣体がウィッキング材料から構成されている、請求項55に記載の方法。
【請求項５７】
前記ウィッキング材料が糸、ひも、布、ロープのいずれかである、請求項5６に記載の方法。 
【請求項５８】
前記拡散繊維模倣体が、絹、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、ポリプロピレン、ダイニーマ繊維の木質繊維いずれかから作製される、請求項5６に記載の方法。
【請求項５９】
拡散繊維模倣体と束が水分子を拡散するためにチャネルを構成されている請求項5５に記載の方法。 
【請求項６０】
拡散繊維模倣体と束（一つ又は両方）がプラスチックチューブ内にパックされている、請求項５５〜５９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６１】
脳型から特定の脳ファントムを放出した後1つまたは複数の基準磁気共鳴画像（MRI）によるイメージを取得し、1つまたは複数の基準磁気共鳴画像と撮像パラメータは、トレーニング中に、施術者によってアクセス可能であるように、特定の脳ファントムと関連しているラベル付きの記憶媒体に保存することを含む、請求項４３〜６０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６２】
脳型から特定の脳ファントムを放出した後1つまたは複数の基準磁気共鳴画像（MRI）によるイメージを取得し、1つまたは複数の基準拡散テンソル画像（DTI）と撮像パラメータを作成し、トレーニング中に、施術者によってアクセス可能であるように、特定の脳ファントムと関連しているラベル付きの記憶媒体に保存することを含む請求項５５〜６０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６３】
最適な拡散テンソル画像を生成するためにMRIのパラメータを組み込んだメトリックを計算することによって、イメージングファントムを用いて1つまたは複数の参照拡散テンソル画像に一致するように一つ以上の取得された拡散テンソル画像を反復して改善し、そしてメトリックに基づく1つまたは複数のパラメータを調整するステップを含む請求項62に記載の方法に従って、開業医が研修により拡散テンソル画像を生成するのに適したMR画像を取得するための方法。
【請求項６４】
MRIのパラメータは、解像度、スキャン時間、コントラスト、信号対雑音比、拡散テンソル画像を介して繊維束の方向の正確な表現、取得したイメージからの寸法のいずれか1つまたは組み合わせである、請求項63に記載の方法。 
【請求項６５】
哺乳動物の脳ファントムであって、
外面に脳溝トポグラフィカル構造を含むシミュレートされた哺乳類の脳を含み、前記シミュレートされた哺乳類の脳は、撮像される時にシミュレートされた哺乳類の脳の一つ以上の構造的特徴がイメージング技術により撮影された画像に識別可能であり、脳回および脳溝を含む1つ以上の構造的な特徴として組成を有し、そして 全体哺乳類の脳ファントムは、実際の哺乳類の脳の一つ以上の関連する生体力学的特性に匹敵する一つ以上の特性を備える。
【請求項６６】
脳溝が哺乳類脳溝に匹敵する弾性率、剪断弾性率、引張強度又は非線形弾性特性の一つまたは組み合わせを有する、請求項65に記載のファントム。 
【請求項６７】
土台、前記土台の上にある下頭部、顔部、を含み、そして前記シミュレートされた哺乳動物の脳が顔部の後ろに土台の上に載せられ、そして戦略的に画像登録および/または顔の登録を可能にする識別子を位置することを含み、請求項６５〜６６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６８】
シミュレートされた哺乳動物の脳が頭蓋骨模倣層、硬膜模倣層、脳脊髄液模倣層、血管模倣層、灰白質部模倣体と白質部模倣体を含む脳模倣体、拡散繊維模倣体などを含み、そしてすべての前記模倣体が一般に、前記人間の脳をシミュレートするために、互いに対してサイズ、形状及び位置を有することを含む、請求項６５〜６7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６９】
シミュレートされた哺乳動物の脳はその中に位置する標的模倣を含むことを特徴とする、請求項68に記載のファントム。
【請求項７０】
医療処置が方向付けされる医療処置の焦点である脳層材料内に埋め込まれた特定の構造を模倣するように選択される、請求項69に記載のファントム。 
【請求項７１】
対象模倣体は、正常又は異常な解剖学的構造のいずれかまたは組み合わせで、例えば血餅、病変、医療によって作用される腫瘍又は異常で病的な構造であることを含む、請求項70に記載のファントム。 
【請求項７２】
ターゲット模倣体は、標的腫瘍模倣体であることを含む、請求項７０に記載のファントム。
【請求項７３】
前記標的腫瘍模倣体の組成は、画像化されると、標的腫瘍模倣体の一つ以上の構造的な特徴は、認識可能であり、実際の腫瘍の一つ以上の生体力学的特性に匹敵することを含む、請求項2に記載のファントム。
【請求項７４】
組成物は親水コロイド材料、ゴムとガラス混合物及びPVA-Cのいずれかがドープされた混合物を含む、請求項73に記載のファントム。 
【請求項７５】
組成物は腫瘍組織の結像特性をシミュレートするために、1つ以上の造影剤がドープされている請求項74に記載のファントム。 
【請求項７６】
プログラムされたコンピュータ可読媒体を備えるシステムで会って、医師によって切除トレーニング手順の精度を定量化するためであり、前記プログラムされた命令は脳ファントム元々に位置する標的模倣体の原位置のイメージと切除プロセス後の脳の同じ体積を撮影したイメージと匹敵し、それから標的模倣体がどのぐらい残っているかを推定する方法を含む、、請求項６５〜６7のいずれか一項に記載のファントム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１３年７月１１日に出願された「SURGICAL TRAINING AND IMAGING BRAIN PHANTOM」、と題する米国仮特許出願第61/845,256号に対する優先権を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願はまた、２０１３年１１月５日に出願された「SURGICAL TRAINING AND IMAGING BRAIN PHANTOM」、と題する米国仮特許出願第61/900,122号に対する優先権を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、哺乳動物の頭と脳のモデルに関する。より詳細には、本開示は、侵襲性の外科的処置や画像モダリティや医療処置のシミュレーションなどの研修するために、哺乳動物の頭と脳のモデルやファントムに関する。
【背景技術】
【０００３】
医療の分野において、イメージングおよび画像誘導は、臨床診療の重要な要素になって
いく傾向にある。疾患の診断およびモニタリングから、手術アプローチの計画、処置中の誘導および処置が完了した後の経過観察まで、イメージングおよび画像誘導は、手術および放射線治療を含め、様々な処置のための有効で多面的な治療アプローチを提供する。
標的幹細胞送達、適応的化学療法レジメン、および放射線治療は、医療分野におけるイメージング誘導を利用した処置のほんの数例である。
【０００４】
磁気共鳴イメージング（「ＭＲＩ」）のような高度なイメージングモダリティが、脳腫瘍、脳卒中、脳内出血（「ＩＣＨ」）のような疾患、ならびに、パーキンソン病およびアルツハイマー病のような神経変性障害のイメージングが実施される、神経学を含むいくつかの医療分野において検出、診断および病期診断の速度および精度の改善をもたらしている。画像診断法として、ＭＲＩは、電離放射線を使用することなく、軟組織において高いコントラストで、組織の三次元視覚化を可能にする傾向にある。このモダリティは、各モダリティによって利用可能な異なる物理原則を使用して同じ組織を検査することによって、超音波（「ＵＳ」）、陽電子放出型断層撮影法（「ＰＥＴ」）およびコンピュータＸ線断層撮影法（「ＣＴ」）のような他のモダリティとともに使用されることが多い。
【０００５】
ＣＴは、ヨード造影剤のような静脈注射剤とともに使用されて骨構造および血管を視覚化するのに使用されることが多い。ＭＲＩもまた、腫瘍、および血液脳関門の崩壊を視覚化することを可能にする薬物動態を有する静脈注射ガドリニウム造影剤のような同様の造影剤を使用して実施され得る。
【０００６】
これらのマルチモダリティソリューションは、異なる組織型、組織機能、および病状の間で様々な度合いのコントラストをもたらすことができる。イメージングモダリティは、別個に、または、疾患をより良好に区別および診断するため組み合わせて使用することができる。
【０００７】
たとえば、神経外科学において、脳腫瘍は一般的に、イメージングによって誘導される開頭術を通じて切除される。これらのソリューションにおいて収集されるデータは一般的に、ヨード造影剤のような関連する造影剤を用いたＣＴスキャン、および、ガドリニウム造影剤のような関連する造影剤を用いたＭＲＩスキャンから構成される。また、光学イメージングも、辺縁部として知られる、腫瘍の境界を健常組織から区別するための顕微鏡の形態で使用されることが多い。患者および関連するイメージングデータに対する器具の追跡も、メカニカルアームのような、外部ハードウェアシステム、または高周波もしくは光学追跡デバイスによって達成されることが多い。ひとまとまりで、これらのデバイスは一般的に手術誘導システムと称される。
【０００８】
画像誘導外科的手順は本質的に複雑であり、脳内のそのような手順の使用に関連する危険性が非常に高いため、外科手術スタッフが、多くの場合、手順全体のシミュレートされたリハーサルを行うに頼る必要があります。残念ながら、現在、シミュレートされたリハーサルや訓練演習のために利用可能なツールやモデルは、十分に正確なシミュレーションを提供することができない。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の一態様では、頭部ファントムキットが提供され、前記ファントムは
a）少なくとも1つの撮像技術により画像形成可能であることに基づいて選択された材料から構成されて、哺乳類の脳の解剖学的模倣物を含む第1撮像ヘッドファントムと、
ｂ）哺乳類の頭の生体力学的特性を模倣するような1つまたは複数の材料から構成された少なくとももう一つ(第二)生体力学頭部ファントムと、
c）外科手術トレーニング手順の間に前記の第二の生体力学的頭部ファントムのナビゲーションを提供するために、前記少なくとも第二の生体力学的ファントムと述べた第1撮像ヘッドファントムが一緒に登録され、撮像ヘッドファントムから一つ以上の取得された画像は第二生体力学的頭部ファントムに写し、画像の幾何学的や特徴が正しく相関するシステムを備える。
【００１０】
また、深い脳溝つき脳ファントムを製造する方法も提供され、方法は人間の脳の画像を取得することと、前記述べた人間の脳の撮像を用いて、脳の深い脳溝を模倣し、解剖学的に正確なモデルを3Dプリントによって作成ことと、柔軟な型枠材を脳のモデルの外表面に塗布し、型の資材が脳型になった後、脳のモデルから脳鋳型を放出することと、硬質のある外殻に脳の鋳型を配置し、脳の液体前駆体を模倣する材料を枠に注ぎ、必要に応じて脳の構造的特徴のための1つまたは複数の模倣に液体前駆体を埋め込み、解剖学的に正確な深い脳溝付き脳ファントムを形成するために液体前駆体を固め、脳型から脳ファントムを解放することを備える。
【００１１】
また、哺乳類の脳ファントムを提供され、それは脳溝のトポグラフィカル構造を含むシミュレートされた哺乳類の脳であって、シミュレートされた哺乳類の脳の組成は撮像技術によって一つ以上の構造的特徴が認識可能であって、そして実際の哺乳類の脳の一つ以上の関連する生体力学的特性に匹敵する一つ以上の生体力学的特性を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
実施形態はここで、図面を参照して単に例として説明される。
【図１】図１は一例のポートベースの外科的アプローチの説明図である。 ポートは、脳の奥深くに位置する腫瘍に接近する脳溝に沿って挿入される。
【図２】図２は土台構成要素と学習構成要素を表す分解図の一例の学習モデルの説明図である。
【図３】図3は、トレイ、頭部と頭蓋骨を示す学習用のモデルの一例の土台構成要素を示す図である。
【図４】図4は、異なるモダリティを用いて取得された画像を登録するための重要な基準点を示し、頭蓋骨部無し学習モデルの一例の土台構成要素を示す図である。
【図５】図5は、学習構成要素を備えた学習モデルの一例の土台構成要素を示す図である。
【図６】図6は、モデルでエミュレート可能様々な臨床的に関連する例の構成要素を示し、一例の例学習構成要素の詳細図を示す図である。
【図７】図7は、例学習構成要素内に含まれている哺乳動物の脳のモデル例を示す画像である。 このモデルは、脳溝と脳葉を示している。
【図８Ａ】図８Aは土台構成要素と脳の構成要素を説明する学習モデルの実施されている学習用のモデルの写真である。顔の特徴は、この土台構成要素例には示されていない。
【図８Ｂ】図８Bは土台構成要素と脳の構成要素を説明する学習モデルの実施されている学習用のモデルの写真である。この土台構成要素例には顔の特徴が示されていない。
【図９】図9は、表面構造（脳溝）、埋め込まれた標的な腫瘍と基準点の可視性を示し、脳ファントムのMR画像を提示するディスプレイを示す図である。
【図１０】図10は、前記の学習用のモデルを用いて脳領域および埋め込まれた腫瘍を示すCT画像である。
【図１１】図11は、CT画像の3D再構成であって、基準マーカと基準点と表面構造（脳溝）を示す図である。
【図１２】図12は、反復的に微調整データ収集プロトコルおよびパラメータに製造時（図の左側）で取得されたMR画像の使用を示す。改善が有効策またはメトリックを使用して達成される。
【図１３】図13は、本明細書に開示される方法に従って製造された脳ファントムの画像を示す写真である。
【図１４】図14は、グリッドが画像内の繊維管の再構築であるMRIで取得した拡散画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の多種多様な実施形態および態様について、以下に詳細に説明する。下記の説明
および図面は本開示内容の例示であり、本発明を限定すると解釈されるべきではない。数々の詳細な説明は、本発明の各実施形態への理解を助長するためのものである。一部の例示では、周知または従来の技術内容は省略し、本発明の実施形態を簡潔に論じている。
【００１４】
本明細書に記載する「備える」「含む」「有する」といった表現は、包括的であり、何
ら制限を加えるものではなく、また排他的な表現として用いていない。詳しくは、本明細書および請求項で用いられる「備える」「含む」「有する」およびこれらの変化形は、そこで特定した特徴、ステップ、または構成要素を包含することを意味する。これらの表現は、それ以外の特徴、ステップ、または構成要素を排除すると解釈されるべきではない。
【００１５】
本明細書に記載する「一例」「例示」「例えば」「等」といった表現は、本明細書に記
載した他の構成よりも好ましい、または、有用であると解釈されるべきではない。
【００１６】
本明細書に記載する「約」」「略」「ほぼ」といった表現は、例えば、特性、パラメー
タ、寸法等における当該数値範囲の上限および下限内の数値を含む。一例では、「約」「略」「ほぼ」といった表現は、１０％以下のプラス・マイナスを意味するが、これに限定されない。
【００１７】
脳外科および/または診断処置を行う際に、開頭術または鼻腔手術またはポートベースの外科的方法などの最小侵襲性手順と神経外科技術は、脳へのアクセスを提供するために実行されることもある。 そのような手術では、医療処置は、哺乳類の頭の侵襲しなくてはならない。 例えば、図1に示されているように、ポートベースの外科的方法でポート（100）は、腫瘍（130）にアクセスするために脳（120）の脳溝（110）に沿って脳の奥に挿入される。
【００１８】
本明細書で提供される実施形態によって、このような手順のシミュレーションは、ヘッドの一つ以上の層を通って外科手術をシミュレーションするのに適した脳のモデルを提供することによって達成することができる。このような手順は、鼻内内視鏡、ポートベース、または従来の開頭術のアプローチのために、ドリル、打ち抜き、穿孔、必要に応じて適切な方法をする。例えば、本開示のいくつかの実施形態では、哺乳類の頭蓋骨を貫通するプロセスをシミュレートするのに適した人工の頭蓋骨層を含む脳のモデルを提供する。以下にさらに詳細に記載されるように、頭蓋骨層が貫通されると、学習モデルを用いてシミュレートされる医療処置は、様々な病状の診断および/または治療におけるさらなるステップを含むこともある。このような条件は、通常発生する構造、異常な構造、および/または頭蓋骨の下に埋め込まれる解剖学的特徴に関することもある。
【００１９】
幾つかの実施例では、脳モデルが切除のために選択された脳腫瘍に関する医療処置をシミュレーションするのに適している。 そのような例示的な実施形態では、脳モデルが内部にシミュレートされた脳腫瘍を有する材料から構成されている。 この脳の材料は、医療処置が向けまたは集束された脳の少なくとも一部をシミュレートまたは模倣する。
【００２０】
上記の医療処置のシミュレーションは、手術前（手術前の画像）と外科手術中（術中の画像）とその間に実行されている関連画像化ステップによって達成される。手術前の結像シミュレーションは、例えば、MR、CT及びPETのような複数の画像形成方法により同時登録に外科手術チームをトレーニングするために使用される。適切な共同登録は幾何学的に手術計画の段階で有用である。異なるモダリティからの画像を整列し、人間の体内で影響を受ける領域が識別され、影響を受けた領域にアクセスするための適切な経路が選択される場合には、有利である。術前の画像を別の用途は、臨床的に関連する画像が外科処置の前に取得されるように、撮像パラメータの最適化に外科チームと放射線科医を訓練することである。例えば、術前のMR画像は、目で見えない脳のトラックの位置と方向を示している拡散テンソルイメージング（DTI）などのトラクトグラフィ情報を生成するために、取得されたデータは特定の方法で取得する必要がある。 術中イメージングが可能な場合、脳のトラックを損傷回避しながら、正確な外科的介入を介して外科医を案内するのに使用される。外科的介入は、人体の中で以前に同定された患部にアクセスし、患部組織を切除することを含む。
【００２１】
図2-6は、（100）で一般の例としてモデルまたはファントムの分解図であり、哺乳類の頭の浸潤的医療処置の訓練やシミュレーションに使用するのに適しているを示す図である。学習モデル（100）は、適合または任意の哺乳動物の頭またはその一部をシミュレートするように設計され得る。これは、訓練を受けた対象者は、医師、居住者、学生、研究者、機器の技術者、専門家、人員などである。 他の実施形態では、本明細書で提供されたモデルは、ロボット手術および/または診断システムとして、自動化された装置の使用を伴うシミュレーションで使用され得る。
【００２２】
図2の実施例の分解図に示すように、学習モデル（100）は土台構成要素と学習構成要素を含んでいる。 土台構成要素は、トレイ構成要素（200）とヘッド部材から構成されている。ヘッド部材は、ボウル部材（210）と頭蓋骨部材（220）から構成されている。 学習構成要素は  硬膜、CSF（脳脊髄液）、血管、白質、灰白質、繊維束またはトラック、標的腫瘍、または他の異常構造などで脳（230）の層から構成され得る。頭蓋骨模倣物質で細工されたときに学習構成要素は、前記の頭蓋骨部材（220）を含みえる。必要に応じて、学習モデル（100）はスキン層（図示せず）に覆われ得る。さらに、土台構成要素は、ナビゲーションの基準点または基準点の容易な取り付けを容易にするために、トレイ（200）に設けられたホルダー（240）を含み得る。
図3-5では、土台構成要素の一部を形成するトレイ部材（200）はトレーニングレセプタクルであり、その中にボウル部材（210）を受信するように構成されている台座部（242）を含む。したがって学習構成要素（100）は、特にトレーニングレセプタクルが土台構成要素と相補的で簡単に組み立てるように土台構成要素のサイズに合わせるように作られている。
【００２３】
土台構成要素は、医療処置を行う適切な設定に、学習構成要素を支持するのに適切なサイズまたは形状または構成を有する。この土台構成要素は、3D表面スキャン、MR、CT、OCT、US、PET、光学登録や顔の登録のための基準点、タッチポイントの位置、および顔の輪郭として登録できる機能を備えている。 また、土台構成要素は、訓練手順中をシミュレートしながら、医療処置の実行を通じて比較的安定または固定位置に学習構成要素を設定するように構成されている。 土台構成要素は、外科手術中に患者の頭部の実際の位置を模倣するために、学習構成要素を適切な向きに支持し、機械的な支持を提供する。
【００２４】
上述した図2および図3では、土台構成要素は、ヘッド構成要素（210）とトレイ構成要素（200）から構成される。トレイ構成要素（200）は、ヘッド構成要素（210）と大きさ、互換性、または相補的であるように適合に構成される。 トレイ構成要素（200）は、医療処置または撮像処置を行っている間に、安定したまたは固定した位置にヘッド構成要素（210）を維持するように構成されている。 これは、トレイ構成要素（200）とヘッド部材（210）を固定するためにスナップ機構などの機械的な特徴を採用し得る。トレイ構成要素（200）は、液体を捕捉する溝（244）と、画像の登録および/または訓練医療処置に使われている道具を固定するための挿入ポイントを含み得る。
【００２５】
ヘッド構成要素（210）は、トレイ部品（200）と大きさ、互換性、または相補的であるように適合に構成される。ヘッド構成要素（210）は、医療処置をシミュレートする時、安定したまたは固定した位置に学習構成要素（230）（頭蓋部材300の下に位置する）を維持するように構成されている。このヘッド部材（210）は、解剖学的に正確な外科的配置を可能にするように構成されている。これは、ヘッド部品（210）と外科手術頭蓋骨クランプやヘッドレストをつけ、例えばメイフィールドの頭蓋骨クランプで固定する。このヘッド部材（210）は、解剖学的に正確な撮像位置を可能にし、例えばMR、CT、OCT、US、PET、光学登録、顔の登録などである。例えば、ヘッド構成要素（210）は、解剖学的に正確なコロナル画像の取得を可能にするためにMRI装置内に仰臥位に配置する。
【００２６】
いくつかの実施形態では、ヘッド構成要素（210）は、完全な頭蓋骨をシミュレートするような形状または構成されている。言い換えれば、学習構成要素はボウル部（210）と頭蓋骨部（220）を含み、そしてボウル部（210）がさらに完全な頭蓋骨とヘッド部分を含む。２図に示すように、いくつかの実施形態では、ヘッド部材、すなわち、ボウル部材（210）と頭蓋骨部材（220）とトレーニング部材（230）を一緒に、完全なシミュレートされた頭蓋骨を提供し、一緒に頭蓋骨（220）と脳（230）を含む。学習モデル（100）により提供されるシミュレートされたヘッドは、全体のシミュレーション訓練の経験の現実を強化する。
【００２７】
また、４図に示すように、学習モデル（100）の土台と学習構成要素（特にヘッド部品）は1つまたは複数の外部の解剖学的ランドマーク又は基準場所（400）を含む。例えば、タッチポイント、軌道面、鼻骨、中央鼻甲介、下方鼻甲介、後頭骨、うなじ、および鼻腔用画像を登録するための位置である。これらの機能は、手術器具を適切にナビゲートすることができるように、学習構成要素とMR、CT、OCT、US、PETなどの術前画像をくみあわせるのに役に立てる。
【００２８】
この点で、開頭術中に患者の頭蓋骨に穴または通路の位置を確認するためのナビゲーションは、多くの場合、医療処置の成功のために重要である。したがって、外部の解剖学的ランドマークおよび/またはタッチポイントは学習モデルの正しい登録の訓練を提供するために、シミュレートされたヘッドによって提供されている。これらの解剖学的ランドマークとタッチポイントは、例えば、顔登録マスク又は基準ランドマークを登録道具を取り付けるために利用される。このように、学習モデル、特に、シミュレートされたヘッドは、近似と密接に医療処置が実行される患者の頭の大きさ、構成および形状に類似するようにサイズ設定される。 換言すれば、ヘッド部品は、「生きているような」および「等身大」の両方であり得る。
【００２９】
土台構成要素は、学習構成要素のレセプタクルを支持するのに適した任意の組成物または材料から構成され得て、鋳造、成形、または他の方法で構成され得る。例えば、土台構成要素は、組成物または石膏で任意の好適なキャスティング化合物から構成されてもよい。土台構成要素は、非鉄、非反射性、剛性、非多孔性、洗浄可能、軽量である材料から構成されてもよい。 例えば、ウレタン又はABS樹脂から構成される。また、土台構成要素のボウル（210）と頭蓋骨（220）は、登録を可能にするために、画像化手順によって表示されている材料から構成されてもよい。したがって、土台構成要素のボウル（210）と頭蓋骨（220）の材料は、MR、CT、および/またはPETによって見えるように選択され得る。イメージングモダリティに合わせた頭蓋骨部材（220）を模倣するのに適した様々な特性を表1、図2及び図3に示されている。
【００３０】
別の実施形態では、土台構成要素はMR、CT及びPETに表示されない材料から製造され得る。トレーニングの範囲が顔の登録と開頭術が含まれていない場合は特に価値がある。例えば、土台構成要素は、MRIで透明である必要がある場合にテフロン（登録商標）を選択することができることは広く知られている。これにより、脳を画像中に頭蓋骨構造を除去する必要のある後続のソフトウェア処理ステップを排除する。 このステップは、一般的に頭蓋骨ストリッピングとして知られており、それは、計算コストがかなりかかる。
【００３１】
前記に説明した3つのシミュレーションの手順（すなわち、手術前撮像シミュレーション、手術シミュレーションおよび術中イメージングシミュレーション）は、いくつかの共通の特性を共有するモデルまたはファントムを使用して実現することができる。画像化するのに適している組織を模倣する材料の特性は、次の提示されている。
【００３２】
PET画像は画像形成する前に放射性造影剤の注入を必要とする。造影剤の半減期は、トレーニングファントムの有効期間を制限する。これを防ぐには、造影剤は、PETイメージングの直前にキャピラリを介して導入することができるように、マイクロキャピラリーを有するファントムを製造することによってできる。代わりに、造影剤は脳のコンポーネントの選択された領域に注入することもできる。
【００３３】
CTおよびUS画像によって脳を模倣するための密度
CTおよびUSイメージングに好ましい脳の物理的な特性は表1に示されている（Barber, Ted W., Judith A. Brockway, and Lawrence S. Higgins. "The Density Of Tissues In And  About The Head. " Acta Neurologies Scandinavica 46.1 (1 970): 85-92. Web.).
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表1：CTおよびUSイメージングに適したプロパティ
【００３４】
OCT画像化で模倣脳のための光学特性は、表2に示されている(Cheong,
W.f., S.a. Prahl, and A.j. Welch. "A Review of the Optical Properties of Biological Tissues. " IEEE Journal of Quantum Electronics 26.12 (1990): 2166-185. Web.).
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表2：OCT画像化する好ましい脳のプロパティ
あるいは、術中超音波（I-US）を模倣するのに適した材料の特性は、典型的な超音波トランスデューサの動作周波数を使用して確立する。（参照：http://www.bkmed.com/lntraoperative_US_en.htm）
【００３５】
術中USの場合は、周波数範囲は4から10 MHzである。これは、BK医療トランスデューサ、術中8815、T-形状の術中8816、術中の複葉機8814、8809ホッケースティック、および、術中の複葉機8824などの機器に基づいている。5 MHzで混合組織を通る平均伝播速度は、1565m/sである。超音波画像診断のために好ましい組織の他の特性には、減弱係数である。これは、表3に示されている。(Kremkau, Frederick W. "Ultrasonic Attenuation and Propagation Speed in Normal Human Brain." The Journal of the Acoustical Society of AmericalO .1 (1 981 ): 29. Web. )
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表3：脳を通す5MHzの周波数の超音波のための減弱係数
【００３６】
MR画像を模倣するために不可欠な脳組織のパラメータは、T1、T2、およびスピン密度である。これは、脳の様々な構成要素については、表4に示されている。
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表4：脳のさまざまな部分のT1、T2、およびスピン密度
【００３７】
最後に、PS-OCTは生体組織の複屈折特性を視覚化するのに使用される。複屈折は、方向性に依存するため、撮像されている脳に応じて定量的に変化するであろう。しかし、特定の材料を使用によって、視覚的に目に見えない脳トラクトは、最適に編成することができる。
【００３８】
図5では、学習構成要素（230）と土台構成要素（210）は、相補的または互換であり、そしたら学習構成要素（230）が台座（242）のトレイ（200）に装着されたら、一緒にそれらが学習モデルとなる。 また、学習構成要素（230）と土台構成要素（210）の構成および寸法はお互い合わせている。そしたら、土台構成要素（２１０）は学習構成要素（230）を固定または解放に装着することができるように受信する。
【００３９】
いくつかの実施形態では、学習構成要素（230）の交換または置換を可能にするために、学習構成要素は、着脱または解放可能であり、土台構成要素（210）に装着されている。学習構成要素（230）を取り付けるために、任意の取り外し可能または解放可能な締結具または締結機構は用いてもよい。必要に応じて、容易に取り外さまたは解放または削除することができる。一実施形態では、学習構成要素（230）は、頭蓋骨内の脳の機械的な固定をエミュレートするために、解放可能または着脱可能で土台構成要素（210）内に保持されたに取り付けられる。
【００４０】
このように、本実施形態例では、学習構成要素（230）は、土台構成要素（210）から外してもよく、必要に応じて代替または交換の学習構成要素に置き換えられる。例えば、学習構成要素（230）が訓練中に破損した場合は、交換用の学習構成要素（230）が必要になることもあり得る。代替の学習構成要素（230）は、特定の医学的手順あるいは患者の状態に合う訓練のために適応されてもよく、そしたら土台構成要素（210）との再利用を可能にされ得る。
【００４１】
また、示されているように、学習モデル（100）は、土台構成要素（210）が含
まれない場合もある。 この例では、学習構成要素（230）を含む他の部材(例えば学習モデル（100）)は独立型で提供されてもよく、哺乳類の頭のように見えない支持構造（図示せず）の支持機構によって直接支持されてもよい。具体的には、支持構造は、しっかりと所望の向きに、学習モデルの他の構成要素なしに、学習構成要素（230）を維持することができる。このような実施形態では、学習モデルのユーザが所望または必要に応じて、学習構成要素（230）の支持構造から除去されたら、代替の代替学習構成要素（230）に置き換えることができる。
【００４２】
図6では、学習構成要素（230）は、シミュレートされた哺乳類の頭部から構成され得る。 シミュレートされたヘッドは、頭蓋骨（220）、硬膜層（610）（または硬膜）、CSF層（620）、血管（630）、灰白質（640）、白質（650）、拡散または脳の繊維（660）、および腫瘍標的（670）を含む脳の部分から構成され得る。学習構成要素（230）は、必要に応じて、関心の医療処置に訓練によってカスタマイズされ得る。例えば、学習構成要素（230）は、硬膜（610）、白質（650）腫瘍標的（670）など、これらの層の全部または一部を含んでもよい。
【００４３】
一実施形態では、頭蓋骨層（220）は、学習構成要素（230）の部材として含まれる。 本明細書に記載される頭蓋骨層（220）は、骨型材料から形成される。 頭蓋骨層（220）の骨型材料を貫通した場合は、骨組織をシミュレートするようにできている。 したがって、この層（220）は、外科的切除をシミュレートすることを意図している。このように、頭蓋骨の部分の頭蓋骨の材料（220）は浸透または通過した骨組織を模倣する。本明細書に記載の実施形態において、医療処置は、頭蓋部（600）によってシミュレートされた頭蓋骨の一部を通ってドリルで実施する。本ファントムの頭蓋骨の部分（220）が骨組織を模倣するためには、頭蓋骨の部分（220）の材料は表5に示した特性によって満たされる必要がある。
【００４４】
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表5：頭蓋骨を模倣する特性
【００４５】
このような実施形態では、頭蓋骨の材料は、特に、ドリルにより貫通されているときに「感触」と骨組織の抵抗を模倣する。例えば、骨組織模倣体は、頭蓋組織に類似するように組織化し、パターニングされたABS樹脂から形成され得る。ABSはアクリロニトリル、ブタジエンとスチレンとのターポリマーであって、典型的な組成物は、ブタジエンとアクリロニトリルとの間で分割バランスの半分としている。ABS材料を使用することの利点は、かなりの組成の変化のオプションがある。ABS樹脂の分割を調整するによって、表5で述べた特性は達成できる。また、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネートやポリスルホンのような他の材料との多数のブレンドを使用し得る。アクリロニトリルブタジエンスチレン材料は、標準的な熱可塑性処理の方法のいずれかによって処理することが可能である。
【００４６】
加えて、頭蓋骨（220）をもっと正確に模倣するためには、頭蓋骨層（220）は哺乳類の頭蓋骨と似ている厚さを有し得る。一実施形態では、頭蓋骨層（220）は、特に、医療処置の実施に貫通脳頭蓋の領域に近い厚さを有する。このように、学習モデルの頭蓋骨部が、約5 〜1０ミリメートルの範囲の全厚さを有する可能である。
【００４７】
しかし、訓練される医療処置に応じて、学習モデルは、頭蓋骨層（220）を含む必
要はない。具体的には、いくつかの医療処置では、医療処置が硬膜層（610）の下にある構造に向けられている。この場合では、頭蓋骨層（220）のエミュレーションは重要ではない。したがって、頭蓋骨の部分（600）は、学習モデルで必要とされることはない。さらに、図6に示すように、いくつかの実施形態では、硬膜層（610）は、頭蓋骨の部分（220）の下に設けてもよい。硬膜層（610）は頭蓋骨の部分（220）の最も内側の表面に隣接して位置され得る。換言すれば、硬膜層（610）は、頭蓋骨（600）の下にある。硬膜層（610）材料は、外科用器具を適用する場合や、撮像されたときに硬膜組織をシミュレートすることができる物質から構成されてもよい。
【００４８】
このように、硬膜層（610）の材料は、浸透、ステッチ、または通過したとき、視覚的に硬膜組織を模倣し、またはMR、CT、OCT、US、および/またはPETで画像化する場合は、硬膜組織を模倣する。したがって、実施形態では、上述したように、硬膜材料は、メスまたは外科ハサミで切断されているときに「感触」と硬膜組織の抵抗を模倣する。いくつかの実施形態では、硬膜層（610）は、硬膜組織によって非吸収性と液密性をシミュレートする。このように、脳の周囲の液体のための水密の筐体を作成し、学習モデル（230）に使用されるCSF型液体の吸収を防止することができる。
【００４９】
例えば、いくつかの実施形態では、硬膜層（610）の材料は、ウレタンまたはシリコーン起毛繊維から構成されてもよい。硬膜層（610）の生体力学的特性を模倣する目的でシリコーンまたはウレタンを使用してもよいが、脳と以下にその脳溝を不明瞭にするために、不透明であるシリコーンまたはウレタンを使用することが有益であろう。また、脳溝の形状を包むシリコンまたはウレタンを選択することが有益であろう。
【００５０】
また、硬膜層（610）の生体力学的特性は、頭蓋骨の下にある硬膜に近い厚さを有する層を用いて模倣し得る。いくつかの実施形態では、硬膜層（610）は、訓練される医療処置の実施に貫通脳頭蓋の内側領域の下にある硬膜に近似する厚さを有する。 例えば一実施形態では、硬膜層（610）は、約1ミリメートル以下の厚さを有する。典型的には人間の硬膜層は約0.5〜約0.8ミリメートルの間での厚さを有する。
【００５１】
また、図6に示すように、いくつかの実施形態では、硬膜部（610）の下に血管層（630）が含まれてもよい。血管層（630）は脳の最も外側の表面に隣接してもよい。血管の生体力学的特性は、外科用器具を使用する場合や撮像されたときに、血管組織をシミュレートする任意の材料であってもよい。また、血管の（630）の材料がステッチされたり侵入されたりときは、視覚的に血管組織を模倣し、MR、CT、OCT、US、および/またはPETで画像化された時も血管組織を模倣する。したがって、上述した実施形態では、血管の材料は特に、外科用メスまたは外科ハサミで切断されているときに「感触」と硬膜組織の抵抗を模倣する。例えば、いくつかの実施形態において、血管層（630）の材料は、シリコーン材料またはポリビニルアルコールクライオゲル（PVA-C）の混合物から構成されてもよい。この材料は、生体力学的な特性を模倣するために、適切なMR及びCT画像を生成するのに適している。生体力学的特性は、制御された冷却と加熱サイクルを使用し、材料の剛性を適切に制御することによって模倣されている。血管層（630）にリアル着色を塗るために、色素沈着を使ってもよい。
【００５２】
また、血管層（630）は、頭蓋内血管に似る直径を有する管状を有してもよい。いくつかの実施形態では、例えば血液を模倣する液体を通るために、血管層（630）内は、中空であってもよい。一実施形態では、血管層（630）は、約0.2〜3ミリメートルの間での厚さを有する。人間の脳の典型的な厚さは約1ミリメートルであって、これに近い暑さが理想である。さらに、図6に示すように、いくつかの実施形態では、CSF層（620）は、硬膜層（610）の下に備えてもよい。
【００５３】
CSF層（620）はおそらく、血管層（630）を囲み、水密硬膜層（610）と非液体吸収性の脳層（灰白質層（640）と白質層（650）を含む）との間に挟まってもよく、脳室が設けられている場合はその内部にあってもよい。CSF層（620）内のCSF液は、学習構成要素を撮像する際にCSFを模倣できる任意の液体から構成されてもよい。したがって、視覚的にCSF液体はCSFを模倣し、またはMR、CT、OCT、US、PETなどの画像化の方法でもCSFを模倣する。 上記の実施形態では、CSF層（620）内のCSF材料は特に、外科用メスまたは外科ハサミで切断されているときに「感触」と硬膜組織の抵抗を模倣する。例えば、いくつかの実施形態において、CSF液体模倣体は、鉱油または生理食塩水から構成されてもよい。上記のCSF液体模倣体は、主に脳の生体力学的特性をシミュレートする。一実施形態では、この液体は、灰白質の層（640）、白質層（650）を含む脳の層内の繊維構造体を水和することによって使われる。
【００５４】
また、硬膜層（610）は、哺乳類の脳における量のCSFを囲まってもよい。一実施形態では、CSF部（620）は、約100〜200ミリリットルの間で、平均約150ミリリットルの体積を有する。
【００５５】
さらに、図6及び図7に示すように、脳層は、硬膜層と頭蓋部の下に備えてもよい。硬膜層と脳層の両方が備えている場合は、脳層は硬膜層に隣接してもよい。換言すれば、硬膜層（610）が頭蓋骨の部分の下にあって、脳層が硬膜層（610）の下に備えている。したがって、硬膜層（610）は、頭蓋層と脳層との間に挟んでいる。
【００５６】
いくつかの実施形態では、脳層は、灰白質の層（640）と、白質層（650）など、脳組織を模倣する材料から構成されている。例えば貫通されたときやMR、CT、OCT、US、および/またはPETで撮像されたとき、材料は脳の特徴を模倣する。上述したように、この脳層は、灰白質（640）と白質（650）に分けていて、貫通されたときや、脳に穴をあけた時や、画像化されたときでも、脳の組織を模倣する。硬膜を切断した後、医療処置は、脳層の一部を通し、外科器具を挿入し、通過させることもあり得る。例えば、トロカール、カテーテル、ドレーンポート、栓子、Myriad（登録商標）を含んでいてもよい。このような場合には、脳層材料の模倣体は、機器に応答する組成を有する脳組織であってもよい。例えば、脳組織がMyriad（登録商標）を詰まらせないような材料である。
【００５７】
従って、脳層の材料は、貫通されているときに「感触」と骨組織の抵抗を模倣する。しかし、灰白質（640）と白質（650）の特定の性質は、患者の病気の状態あるいは訓練するための手順の特定によって異なる。従って、灰白質（640）と白質（650）模倣物質は、具体的に耐性を「感触」し、及び患者の医療の状況に対応するか、訓練された医療処置に応じて選択することができる。
【００５８】
従って、脳層模倣物質は、脳組織をシミュレートすることができる任意の物質から構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、脳層模倣物質は、ポリウレタンMCG-1またはPVA-C材料から構成され得る。一実施形態では、脳層模倣物質は、脳材料の所望のコンシステンシーを達成するために、ガラスバブル又は鉱油などを混合したポリウレタン材料から構成されている。
【００５９】
一実施形態では、脳層の材料は、ポリウレタンとガラスバブルの混合から構成されている。脳組織の引裂強度及び引張特性を模倣するために、ガラスバブルは総容積の5％を超えないように組み込まれ得る。他に実施形態では、脳層材料模倣体は、1回の凍結融解サイクルで水と6％PVA-Cの混合から構成されている。
【００６０】
いくつかの実施形態では、脳層模倣材料は、訓練される医療処置の実施で遭遇し得る脳組織に似る厚さ、寸法、および解剖学的に正確な脳溝と心室を有してもよい。示されたように、いくつかの医療処置では、医療処置は、脳または脳内に存在する構造体に向けられている。従って、脳層模倣体材料の厚さは、脳内の位置、または医療処置が向けられる構造の位置をシミュレートするために選択される。
【００６１】
また、図6に示すように、いくつかの実施形態では、繊維束または脳トラック（660）は、脳物質層模倣体材料内に埋め込むこともある。これらの線維トラクト（660）は、脳の中にある線維(例えば白質にある線維トラクト) を模倣するためにある。繊維束（660）は、脳組織内の白質トラクトをエミュレートするために脳ファントム内に配置される。 繊維束（660）は、MR、CT、OCT、US、PETなどで撮像されたときの白質線維の同じイメージング特性を持つ任意の物質から構成されてもよい。例えば、繊維束（660）は、DWIおよび/またはDTIで画像化されたとき、あるいは手術器具で切断するときに白質線維の拡散および機械的特性を模倣する。したがって、繊維束の白質線維（660）は、視覚的にも、画像化されたときも、浸透したときも、縫ったときも、または渡されたときにも本物の白質線維を模倣する。したがって、実施形態では、上述したように、拡散繊維（660）は、メスで切断されているときに「感触」と硬膜組織の抵抗を模倣する。水分子を介して拡散するため、さらに、拡散繊維（660）が構成されたチャネルになる。この構造化の拡散の結果は、拡散テンソル画像（DTI）を生成し、脳や心臓などの生体器官のDTIと似ている。いくつかの実施形態では、拡散繊維（660）は、シースまたは円筒に構成された繊維である。例えばプラスチックチューブや熱収縮内にパッキングされたポリエステル、ナイロン、シースポリプロピレンまたはダイニーマ繊維である。別の実施形態では、繊維（660）は、直接に白質模倣体材料（650）内に埋め込まれてもよい。 周囲の脳を模倣する材料は、繊維を水和物および拡散する液体を提供する。
【００６２】
また、拡散繊維（660）は、脳内の白質トラクトと近い直径を有する管状を有してもよい。いくつかの実施形態では、拡散繊維（660）は、模倣する脳に通されており、周囲のCSF流体模倣体層（620）を露出させ、水和された脳物質から突出する。このCSF流体層（620）は、チューブを通って拡散し、水和を与え、そしてその影響が取得された画像に見える。トレーニング中に外科医は拡散繊維を傷つけることを避けるように注意されるので、模倣する拡散繊維（660）は強化されたトレーニング体験を提供する。
【００６３】
また、図６に示すよう、医療処置に応じて、学習モデルのいくつかの実施形態では、対象は頭蓋骨層の下に、および脳層材料内に、硬膜層の下に備えてもよい。しかし、頭蓋部の下にあるターゲットの特定の位置は、ターゲットと、ターゲットに向けられている医療処置に依存して変化し得る。
【００６４】
一般的には、ターゲットは、医療処置の焦点である脳層材料内に埋め込まれた特定の構造をシミュレート又は模倣する。医療処置の特定の構造または焦点は異常な解剖学的構造、血餅、病変、構造であってもよく、医師が自由に決めた病理学的状態である。
【００６５】
一実施形態では、医療処置が向けられる特定な構造は、標的腫瘍（670）である。この標的腫瘍（670）は、撮像されたときや手術器具で切断する時に腫瘍組織をシミュレートすることができる任意の物質から構成されてもよい。
【００６６】
このように、標的腫瘍（670）材料は、視覚的に腫瘍組織を模倣し、またはMR、CT、OCT、US、PETなどの画像化の方法でも腫瘍組織を模倣する。したがって、上述した実施形態では、標的腫瘍（670）の材料は、メスまたはMyriad（登録商標）で切断されているときに「感触」と硬膜組織の抵抗を模倣する。例えば、いくつかの実施形態において、標的腫瘍（670）の材料は、親水コロイド材料、ゴムとガラス混合物、またはPVA-Cの混合物などから構成されてもよい。これらの材料は、腫瘍組織の結像特性をシミュレートするために、造影剤でドープされることもあり得る。造影剤の典型的な例としては、フッ化物、塩化物、または硫酸塩が含まれる。非限定的な例としては、クロムフッ化物、塩化ガドリニウム、硫酸銅、硫酸バリウム、塩化マンガンを含む。 加えて、アガロースを含んでもよい。
【００６７】
したがって、シミュレートされた腫瘍（670）は、生体力学的特性を模倣し、生体組織中の腫瘍領域に似た画像を生成するのに適している。実施形態において、生きているように見せるために、標的腫瘍（670）に腫瘍着色を付けることもあり得る。
【００６８】
図6に示すように、一実施形態では、標的（例えば、腫瘍（670）、しかしこれに限定されない）は脳層脳溝の最も内側の表面に配置してもよい（図７に明らかに示すように）。この例では、脳層は、硬膜層（610）の下に備え、そして異常な構造をシミュレートするために脳層は硬膜層（610）と腫瘍標的（670）との間に挟んでいる。従って、脳層またはその一部は、腫瘍標的（670）にアクセスするために貫通する必要がある。脳層内または脳下層の腫瘍標的（670）の特定の位置は、人間の脳内の腫瘍の位置を模倣するように選択される。
【００６９】
イメージングおよび生体力学的な脳ファントムは頭蓋骨層（220）の下で専用の部位を有するように構成する。その部位のサイズは腫瘍の既知のタイプと一致する。脳ファントムは、予め選択された頭蓋骨層（220）下の場所で標的腫瘍（670）を挿入するするために、取り外すことができるさまざまな部分を含む。例えば、頭蓋骨（220）、硬膜（610）、CSF（620）、血管（630）、灰白質（640）、白質（650）拡散繊維（660）などがレゴの様式で構成し得る。本明細書に開示された脳ファントムキットは、複数の腫瘍部位と複数の腫瘍タイプに訓練するために、異なるサイズおよび形状の腫瘍標的（670）を含み得る。これもまた異なるサイズの頭部ファントムあるいは異なる老弱の患者を模倣するファントムの為である。
【００７０】
加えて、一つまたは両方のイメージングと生体力学的ファントムはナビゲーションに支援するため（それだけには限らないが）解剖学的模倣物内にセンサーを置くこともあり得る。センサーは、脳ファントムにおける予め用意された場所のために符号化することがあり得る。
【００７１】
上記で述べたように、脳溝に介するポートベースの方法を使用し、様々な脳の侵襲性の外科的処置で訓練し、生体力学的特性を持つリアルな脳ファントムを生成するために、深い脳溝をもって等身大である必要がある。
【００７２】
深い脳溝を含む一台脳ファントムを製造する代表的な方法は、MRIによる人間の脳を画像化し、その取得されたイメージを3Dプリントによる解剖学的に正確な深い脳溝付きエミュレートした脳が含まれる。脳のモデルが生成されたと、モデルの外面に可撓性成形型の材料を塗布し、脳型を形成するように設定された後、モデルを脳型から取り出す。脳型は膨潤を防ぐために剛性があるシェル内に置かれる。鋳型は、脳材料模倣の液体前駆体に満たされる。製造される特定のファントムの最終的な目的に応じて、例えば、硬膜層、血管層、及び脳物質のトラックのような1つ以上の脳を模倣する材料が埋め込まれてもよい。液体前駆体はその後、一体の解剖学的に正確脳ファントムと深い脳溝を形成するように誘導され、液体前駆体がセットした後、脳の鋳型は脳型から解放される。
【００７３】
脳回および脳溝は、弾性率、剪断弾性率、引張強度、または非線形弾性が哺乳類脳溝に近い特性で製造し得る。
【００７４】
モデルを作るために使用されたMR画像は、操作されるべき患者からとったので、脳溝は密接に患者の形態と似ている。非患者固有の、または一般的な脳ファントムは、一般的なトレーニング手順のために製造されてもよいが、患者と一致する脳ファントムを使用することの利点は、実施者が密接に患者の独特の状態で練習することができる。
【００７５】
学習構成要素の脳部材の例示的な形状は、前述したように図７に示されていて、脳ファントムの外側の地形を示している。形状は、脳溝と2つのローブが正確に表現されるようなものである。学習モデルの製造例が図８Aと図８Bに示している。この図では、手術ナビゲーションと画像位置合わせの為に土台構成要素上に位置する（820）硬膜部材（810）に包まれた脳切片（800）（基準または参照マーカー（830）を有する）を示す。
【００７６】
図9は、図８Aと図８Bと同じくMR画像化によって学習モデルまたはファントムに示している。脳を模倣する物としてポリウレタン材料を用いて構築された。画像から明らかなように、表面プロファイル（920）、フィデューシャルまたは基準（910）と、埋め込まれた腫瘍（900）は、明らかに取得した画像に表示されている。
【００７７】
同じ訓練モデルのCT画像は、図１０に示されていて、再構成された三次元画像として図１１に示されている。これらの図は、図１０と図１１に見られる脳組織（1000）、内に腫瘍（1010）の位置、灰白質の表面（1110）、および基準又は基準マーカの位置を示しています。複数の画像診断法を用いて取得された画像内の基準点（1100）は、前述の外科処置中に異なる画像と画像誘導ナビゲーションで使用して、後続の登録を容易にする。
【００７８】
腫瘍標的は、シミュレート又は模倣する医療処置の訓練焦点である患者の頭蓋骨の下にある構造を模倣するのに適した任意の形状、構成及び寸法を有してもよい。サイズ範囲は例えば、1ミリメートルから3センチメートルまでであって、一貫性がゼラチン状から硬質の範囲であり得る。一実施形態において、腫瘍は、造影剤としての0.2％の硫酸銅の濃度の親水コロイド材料から1センチメートルまでの大きさに作られている。別の実施形態では、ゴム製のガラスは腫瘍標的として使用されてもよい。ゴムガラスとスラッカの比率は最大1：４で作られてはいけない。
参照：http://www.smooth-on.com/tb/files/Slacker_Tactile_Mutator.pdf
【００７９】
実施形態では、学習モデルまたはファントムは、シミュレートされた皮膚を備えてもよい。具体的には、スキン層は、頭蓋骨の部分の少なくとも外側の表面に備えてもよい。つまり、スキン層は、頭蓋骨の部分（230）を覆う。いくつかの実施形態では、学習構成要素の外側表面を含む頭蓋部（230）を覆うことに加えて、スキン層は、すべてまたはヘッド部品の外表面の一部を覆ってもよい。 したがって、ヘッド部材は、例えば、医療処置のより現実的なシミュレーションを提供するために、スキン層を含んでもよい。
【００８０】
スキン層は浸透された際、皮膚組織を模倣するスキン層材料で構成されている。従って、侵入又は貫通又は通過されたときにスキン層材料は実際の皮膚組織を模倣する。
【００８１】
本明細書に記載の実施形態において、頭蓋骨を貫通する前、医療処置はさらに、頭蓋骨へのアクセスを提供するために、皮膚の浸透を必要とするかもしれない。この際では、皮膚は、典型的に切断または切開される。 したがって、このような実施形態では、表皮層の材料は、切断または切開されているときに「感触」と皮膚組織の抵抗を模倣する。
【００８２】
スキン層模倣物質は、記載のように皮膚組織をシミュレートすることができる任意の物質から構成されてもよい。 例えば、いくつかの実施形態において、スキン層模倣物質は、シリコーンゴムまたは可撓性シリコーンエラストマーから構成されている。
この物質は、表皮層の生体力学と撮像特性をシミュレートすることを意図している。さらに、表皮層材料は、MR、CT、US、および/またはPETによる撮像すると、表面の登録および/または顔の登録を可能にしてもよい。一実施形態では、スキン層材料は、肌色の染料で着色することができるプラチナ硬化型シリコーンゴム（ドラゴンスキン）で構成される。ドラゴンスキンはスムース・オンInc.のトレードマークである。これは、皮膚の生体力学的および視覚的特性を模倣するのに適している。
【００８３】
また、スキン層は、人間の頭の皮膚に似る厚さを有してもよい。 いくつかの実施形態では、表皮層は、実施に訓練される医療処置の貫通脳頭蓋の領域を覆う皮膚に近い厚さを有する。実施形態では、表皮層は、約2ミリメートルの厚さを有する。
【００８４】
この学習モデルの一実施形態では、イメージングファントムと生体力学的ファントムは、独立に構成されて、しかし、お互い形式に相関している。
換言すればイメージングファントムと生体力学的ファントムは、解剖学的に似て、解剖学的に類似体である。したがって、イメージングファントムは、MR、CT、OCT、US、PETなどの画像化技術によって使用することができる。これらの画像は、生体力学的ファントムに登録され、外科処置の訓練をするナビゲーションのために使用することができる。換言すれば、イメージングファントムと生体力学的ファントムは、両方訓練モデルの特徴を具体化するが、イメージングファントムは、特別に結像特性を標的にし、直接に生体力学的ファントムと相関する。生体力学的ファントムはファントムの生体力学的および物理的特性を体現しながら、例えば学習構成要素内で様々な層に関連する触覚と引張特性を模倣する。
【００８５】
上記した二つの相関しているファントムは、３台以上に作られてもよい。3番目以降のファントムは、異なるイメージングモダリティのために構成され得る。そのような一実施形態では、図６に示されるよう、に品質保証/コントロール・ファントムは構成されている。これらは拡散バンドルを持つファントムから既知の一貫した拡散テンソル画像（DTI）を生成でき、変形可能または不可能なファントムである。これは、図１２に示されている。イメージングおよび手術開業医によって生成されたDTI出力（1220）がファントムを製造した時のDTIを密接に一致するまで練習為に、ファントムの構築時の取得したDTI参照画像（1210）に含まれていてもよい。言い換えれば、ファントムとその関連DTIは、CDまたは他の記憶装置に保存し、脳ファントムキットとしてエンドユーザーに一緒に出荷される。また、脳ファントムを生産する企業は、脳ファントムのユーザーがオンラインで利用可能にある限り、どこでもDTIを維持してもよい。
【００８６】
施術者がすべての撮像パラメータ再現できるようにするためにDTIと一緒に撮影パラメータも提供される。品質管理用ファントムは、テスト数を含み得て、たとえば録音して撮像された最適なパルスシーケンスを含む。 開業医のスキャナで、彼らは曲その拡散シーケンスが基準を知って、品質管理DTIシーケンスを再現するによって、施術者のスキャナ用のパルスシーケンスを最適化することができ、そこで、例えば、最適なDTIスキャン画像に拡散繊維模倣体を使用することができる。
【００８７】
適切なアルゴリズムを含むソフトウェア・パッケージは、分析を実行するために医師によって使用されてもよい。例えば、施術者は、ファントムをスキャンし、ソフトウェアで分析品質のために取得した画像を解析し、工場生成された基準画像との比較を実行する。 
【００８８】
ソフトウェアパッケージは、医師にフィードバックを提供し、例えば解像度に関してフィードバックは「解像度は低すぎるので、ノイズのためイメージがはっきり見えません。層厚さをX以上に設定ください」であってもよい。あるいは、研究サイトがある場合は品質管理ファントムによって品質管理DTI配列に基づいて新たなパルスシーケンスを開発するためにを使用することができる。ソフトウェアパッケージはまた、品質のために患者の画像を分析するようにプログラムされた適切なアルゴリズムを含んでもよい。例えば、オペレータまたは技術者がスキャンを実行した場合、ソフトウエアは、画像の品質を縮小させる動きを検出するアルゴリズムを含み、アーチファクトが生じた場合はスキャンを繰り返すべき注意を提供する。アーティファクトが消えない場合は、作業者/技術者が試してみて、問題を解決するために品質管理ファントムをスキャンする機会を持っている。
【００８９】
また、パルスシーケンスは進化しつつであるので、ソフトウェアはそれに反映するように更新したアップデートすることができる。たとえばMRIのハードウェアの継続的改善によって、今最適なDTIスキャンということは、来年で足りないということである。
【００９０】
開業医の学習ファントムによってそのような最適な撮像パラメータの発展(例えばMRパルスシーケンス)は、ソフトウェアまたは専用ハードウェアとして実現することができるスコアリングシステム（1230）の開発を通して案内される。スコアリングシステム（1230）は開業医の訓練によって生成されたMR画像（1220）と標準としてファントムを製造後時に習得した参照画像（1210）に比較する。スコアのパラメータは、最適なDTI出力の開発に関連する画像を含んでいてもよい。そのようなパラメータは、解像度、スキャン時間、コントラスト、信号対雑音比、DTIを介して繊維束の方向の正確な表現取得した画像の寸法などに限定されるものではない。したがって、イメージングファントムは、安全に生体力学的ファントムからの腫瘍標的を切除するために臨床的なDTI情報とMR画像の取材する方法を教える。
【００９１】
最適な取得したデータパラメータと資格的する上記のDTIファントムは解剖学的に統一である必要はない。その代わりに、球体または円柱などの固定の幾何学的形状であってもよい。 したがって、学習ファントムの全体集合又はキットは、脳のような生体力学的ファントム、脳のようなイメージングファントムとMRデータ収集パラメータを最適化する幾何学的形状の第三剛性ファントムを含み得る。MRI収集を最適化するファントムのハードウェア機能のいくつかは、表6に示されている。これらの機能は、事前に確立した最適値と比較し得る。したがって、後者のファントムは、取得プロトコルを修飾に使用され、MR装置の故障が疑われる場合、根本原因分析を実行するために使用することができる。
【００９２】
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表6：MRデータ収集を最適化するファントムの顕著な特徴
【００９３】
パラメータのいくつかは、後者のファントムを用いて分析し、それらの役割は、表7に示されている。 これらのパラメータは、不十分なデータ品質または手術前のスキャンで、診断スキャン、術後スキャンおよびMRIスキャンの反復スキャンの必要性を低減することを意図している。解析結果は、自動的に、データ取得処理の障害を推定し、スキャンを改善する方法を提案することができる。
【００９４】
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表7：MRファントムを用いたMRデータ収集パラメータを最適化するための分析
パラメータ
【００９５】
本明細書に開示された哺乳類（ヒト又は動物）の脳および頭部モデルは、例えば機器及びシステムのキャリブレーション、シミュレーション、訓練、デモンストレーション、教育、および/または研究、を含み、多種多様な用途に使用し得る。いくつかの例のアプリケーションでは、本明細書で提供される実施形態は、例えば脳の腫瘍切除、脳深部刺激装置の配備、血餅除去、開頭術およびシャントのインストールなどの医療処置のシミュレーションのために使用し得る。さらに、手順は、撮像モダリティによってMR、DWI、CT、OCT、PETおよび超音波で案内される。
【００９６】
上記で述べたように、ヘッドと脳ファントムのために使用し得る様々な材料を列挙している。以下は、イメージングと生体力学的ファントムの例を提供する。
【００９７】
例イメージングファントム及び製造方法
MRIにより得られた画像は、人間の脳をエミュレート深い脳溝と脳の解剖学的に正確な形状の3Dプリントに使用した。MRIがこの例で使用されたが、他のモダリティを使用して得られた画像も含んでもよく、例えばMRI、CT、PETなど、これらに限定されないことになる。この脳は、その後、シリコン、プラスチック、ゴム、またはラテックスのような可撓性材料とそれをペイントすることにより鋳型を形成た。この鋳型は、その後、金型の下面が内に印刷脳を解放するために折り返しできるようになり、脳の下側に大きなXを採点することによって印刷された脳から放出された。可撓性成形型は、次に下側に十字線を介して鋳型から開放することができる深い脳溝と一体に解剖学的に正しい脳を成形するために使用することができる。1〜8回の凍結/融解サイクルを用いて、寒天、ゼラチン、ポリウレタン、大豆ゲル、または1〜15％PVA製剤などで脳の材料が成形される。成形工程の間に、脳の鋳型は、プロセスの間に拡大からモールドを防止厳しい外殻内に配置されている。PVAヒドロゲルは、水中で4％のPVAと0.1％の殺生物剤を乳化することにより構築された。この混合物は、金型に注ぎ、脳の適切な生体力学的特性を達成するために、2回の凍結/融解サイクルを用いて作成された。13は、脳ファントムがこのように生産した写真を示している。
【００９８】
前述のように、この脳ファントムは、例えば、腫瘍標的、血栓、異常な解剖学的特徴などの切除のためのターゲットを含んでもよい。これらのターゲットは、特定の標的（単数または複数）の生体力学的およびイメージング（MRI、CT、US）の特性をエミュレートするように設計されている。例えば、脳腫瘍の場合は、ICH /膿瘍、転移性/キャヴェルノマ、ハイグレード神経膠腫、低悪性度の神経膠腫の模倣が提供される。これらのターゲットは0.1センチメートルから5センチメートルまでに、病変部に近いサイズの金型を形成することにより成形される。この鋳型は、球状または本物の脳病変に似る不規則に成形されてもよい。これらの鋳型は、脳内の腫瘍をつなぐのに役立つリードを含んでいてもよい。例えば、一つの標的は、脳の前頭左部分の脳溝の表面から2から4センチメートルまでで、大きさ3センチメートルの腫瘍をモデル化することができる。これらの腫瘍は、水に溶解したPVA（濃度1-15％）で作成され、生体力学的およびイメージング特性を達成するために、1〜8回の凍結/融解サイクルを介して形成されている。ターゲットは交差するワイヤによってサポートし、脳ファントム内に位置する。このワイヤは、再現できる場所にターゲットを配置する。腫瘍標的（単数または複数）は  脳製剤を注入する前にワイヤ上に配置されます。鋳型が設定された後、ワイヤは、鋳型から引き出され、ターゲットは内部に残っている。
【００９９】
イメージングファントムは、切除ファントムと同じPVA-C濃度で構成される。しかしイメージングファントムは非使い捨てであって、頭蓋骨で囲まれている。このイメージングファントムは、切除（生体力学）ファントム内に存在しなくて、2つのファントムとの関係を破壊しない他の機能が含まれていてもよい。例えば、イメージング脳ファントム内のターゲットは、切除または生体力学的ファントム内のターゲットに相関する。しかし、イメージングファントムは、灰白質の白質を区別するために製造され、小脳、脳室、CSF、及び拡散繊維を含む。灰白質層は白質層の上にオーバーモールドとの両方は、1つ以上の凍結/解凍サイクルと％2％〜8のPVA-Cヒドロゲル混合物から構成されてもよく、T1、T2及びT2（＊）人間の脳の特性を達成するように、コントラストの適切な濃度でドープする。これは、PVAの製剤に材料を適切な化学物質を混合することによって達成される。上述したように、これらの造影剤は、フッ化物、塩化物、硫酸塩などであってもよい。非限定的な例としては、クロム、フッ化物、塩化ガドリニウム、硫酸銅、硫酸バリウム、塩化マンガンを含む。加えて、アガロースを用いてもよい。
【０１００】
拡散繊維または繊維束を模倣する材料はヒドロゲル内に糸、より糸、布、またはロープのような材料のウィッキングストランドを浸漬することによって構築することができる。ファントムは、様々な異方性度（FA）と見かけ上拡散係数（ADC）の特性を複製して生産する。異方性度（FA）は、ゼロから1までの間の値を持つスカラー定数である。ゼロが等方性であり、１が一方向のみに強い拡散を意味する。見かけ上拡散係数（ADC）は、繊維がどのぐらい拡散であることを示し、大きな値が多い方を示し、低い値が非常に少ない方を示す。
【０１０１】
拡散ファントム内では、ADCおよびFA値は、繊維の量、繊維材料、繊維の直径（0.001ミリメートル〜5ミリメートル）などの繊維パラメータを調整させることによって達成される。繊維組織は、組み糸または束ねた構造体を含み得る。繊維材料は、例えば、ナイロン、綿、ポリエステル、ポリエチレン、動物の毛、羊毛、絹、テフロン（登録商標）、竹、レーヨン、ガラス繊維、シリカ、マイクロファイバー用のワイヤ、などの有機および/または合成繊維を含み得る。これらの繊維は、拡散のFAとADCの特性を決定するワックスのような材料で覆ってもよい。
【０１０２】
これらのストランドは、個別または束で一緒に形成し得る。個々の束は、直径5ミリメートル未満であるか、または脳内の線維トラクトの直径に近似するように薄くてもよい。これらの繊維は、木材、竹、絹、ポリプロピレン、又はナイロンのような材料から構成され得る。ヒドロゲルは水和し、ストランドはの吸い上げと繊維の方向性を提供する。これらの繊維は、脳内の拡散繊維またはトラックのパターンをエミュレートするように構成され得る。
【０１０３】
あるいは、これらの繊維は、拡散パルスシーケンスを開発するためあるいは画像化の品質を評価するために品質管理ファントム内に配置され得る。拡散テンソル画像ファントムは、プラスチック容器の中に格子状に懸濁された直径4ミリメートルのナイロンカーンマントルロープから構築された。この容器は、2つの凍結融解サイクルとで8％のPVAヒドロゲルから形成された。拡散強調画像（DWI）は、このファントムを用いて取得され、14図に示している。 そのグリッドは、ファントム内の拡散繊維を模倣することによって形成されたということである。あるいは、拡散繊維または繊維束を模倣する材料は、水で満たされて密封したチューブ内のウィッキング材料のストランドを浸漬することによって構築され得る。例えば、4ミリメートルの直径を有するナイロン・カーンマントル・ロープは、水で満たされてヒートシール樹脂で封止した直径6ミリメートルを有するテフロンチューブに通される。これらの繊維は、例えば、PVAヒドロゲルとして撮像液体内に浸漬した場合、MRIと拡散強調イメージングスキャンを較正または修飾するために、脳内にまたは代替的に拡散繊維または拡散トラックを複製することができる。
【０１０４】
前述の開示は、イメージングと生体力学的な特徴を持つファントム（単一のファントムあるいは二つのファントムであって1つはイメージングファントムとして使用するために最適化され、またもう一つは生体力学的として使用するために最適化されたファントム）を提供するが、同じ原理や方法は臓器、関節、脊椎などの解剖学的な部分を持つファントムを生成することもあり得る。脳ファントムまたは脳シミュレータと同じ原理に基づいて模倣物質は、結像特性と実際の解剖学的に生体力学的特性をを模倣する材料に選択される。
【０１０５】
上述した各具体的な実施形態は例示であって、様々に改変および別のものと代替可能で
あることは言うまでもない。さらに、請求項は本明細書に開示する特定の形態に限定されるものではなく、本発明の精神と範囲を逸脱しない、すべての改変、均等物、代替物を包含するものである。 
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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