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特集 表現の幅を広げる立体視

日本バーチャルリアリティ学会誌第 16 巻 3 号 2011 年 9 月

特集 ■ 表現の幅を広げる立体視「花粉」の 3D データ化及び 3D 造形への試み

佐藤昌平

エヌ・ティー・エス

高澤和仁

エヌ・ティー・エス

TAKAZAWA KAZUHITOSATO SHOHEI

1．はじめにを垣間見ている様な感覚になる．特に最近の SEM（走理工系専門出版社である株式会社エヌ・ティー・エス
（以下当社）
では 2007 年に Z Corporation の 3D プリンター

査型電子顕微鏡）での観察技術の発達によって，まるで（Z510）を導入した．その後，3D プリンターの活用につなり，今日では映像や書籍等でも頻繁に見られるようにいて試行錯誤を重ねた結果，医学模型と可視化事業に事なった．

すぐそこに存在するかの様な立体像を見ることが可能に業化の可能性を絞り込んだ．特に可視化事業は，動植物

それでは，微細物である花粉はどうだろう．花粉症の内部構造や微生物他のミクロ世界等，肉眼では見ることのできない世界を現前化する事業であり，当社にとっの方には病原菌同然の厄介者でしかないこの花粉は，TVCM や広告等に，突起だらけの球体のとしてしばして表現と活動の幅を広げる挑戦でもある．

ば登場しているが，実際は花粉症の代表であるスギやヒ

同年には独立行政法人九州大学総合研究博物館と共同

ノキはあのような姿ではない．本来はトゲのない球体で研究で哺乳類の 3D 撮影と造形の実験を試みた．また，
国立遺伝学研究所の協力を得てマイクロ CT による「アあったり，栗の実の様な姿をしているのである．そもそリ」の撮影を試みた（図 1）．更に同年，独立行政法人
産業技術総合研究所に「花粉」の 3D 造形を相談する等，は意外に知られていない．

様々な研究機関の協力の下に事業化の可能性を探ってきた．本稿では主に「花粉」のスキャニングによる 3D デーり，この花粉を題材にしたのは偶然に TV 番組で観た事による．番組では多数の花粉の SEM 画像が流れる美麗タ化と 3D 造形の試みについて述べる．

な動画が流れており，その形状たるや極めて幾何学的かも花粉は種や科によってそれぞれ異なった姿を持つこと
この度，3D プリンター活用による可視化事業にあた

つ美的であり，尚かつあまりの見事さ故に若干の気色悪さを覚えるほどの衝撃を受けたのである．そして，その形状は驚く程多様な振り幅を持っており，同時にどのような理由で進化させてきたのか等，「自然が作り出した知られざる美の世界」に関心を持ったのである．
3．3D プリンターを利用しての RP（ラピッドプロトタイピング）
先に述べたが，2007 年夏，国立遺伝学研究所の協力を得て，マイクロ CT によるアリ（キバハリアリ）の 3D

図 1 アリの撮影

2．
「不可視世界」を現前化する撮影を試みた．その後，データを元に立体画像化し，3D「不可視」という人間が肉眼で見る事のできない世界プリンターで立体造形までの作業を実践した．造形したは，想像を超えた不思議な姿を見せてくれる．とりわ

ものはパッと見る限りアリの外観を観察できるものでし

けミクロの世界については，ハエやアリの恐ろしい表情

かないが，参考画像で確認できる様に，このアリの頭部は脳までスキャンされているのである（図 2）．要するに，やグロテスクであるが緻密に創られた臓器の表層，機械的かつ有機的な質感を持った細菌類等，まるで SF 世界

この 3D アリの縦断面画像では脳から内臓まで詰まった14

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状態を確認できるのである．ご協力頂いた 40 年来

エンス社の営業の方にアポイントメントを取り，「花粉の外形を測定対象とし，SEM で観察できる様な像を 3Dのアリの研究者今井弘民データとして取り込むことはできないだろうか．
」といっ氏でさえ，アリのこうした相談をしたところ，当社にてデモを実施して頂く事とたあからさまな内部構造なった．急だったために，測定する花粉は当社の空き地を観るのは初めての体験にぽつぽつと生える雑草（おそらくオニタビラコ）の花だと感動される姿に，理を摘み，顕微鏡の試料台にそのままむしった雄しべをの工系専門出版社にとって3 Ｄの可能性を感じた．

せて測定を開始した．すると，ものの数分もしないうちに，何の変哲も無い小さな花から，図 3 のようなトゲとマイクロ CT は，対象物の内部を測定し，画像化でき格子状の不思議な形状を持った花粉が群生する姿が映し出された．花粉の SEM 画像自体は資料等で何度も見て図 2 アリの頭部のスキャン像る技術であるが，そのデータを元に 3D データを再構築し，更にデータを 3D プリンターに読み込ませ，忠実にきたが，特に有益でないからと雑草と言われてしまうよ

立体造形ができるところまで技術の革新は進んでいた．

うな花が，マイクロレベルでこのような見事な美の世界これには驚きと感動を覚えた．3D プリンターとは物体のを持っていたこと，そして自ら採取した花からその存在輪郭を立体的な位置関係の中で記録したデータを読み込を確認できたということに，予想以上の感動を覚えた．

み，樹脂や石膏粉を素材として忠実に造形する機器である．複製目的としてプリンターと呼ばれるが，造られる物は立体物である．2D のインクジェットレーザーのプリンターは紙にインクでプリントするが，3D プリンターは紙の代わりに樹脂や石膏粉で，インクの代わりに色が混ざった接着剤でプリントする．元来，立体物を複製するには金型などを利用するが，3D プリンターの場合，金型の代わりに，デジタルデータを利用するため，当然だがPC 間で送信できるほど手軽である上，劣化もなければ，複製も可能である．高速で試作・複製ができる RP，また，

図 3 オニタビラコ花粉の画像 （協力 ： 株式会社キーエンス）

デジタル技術を通して忠実に実物を再現できる可能性を，アリの立体造形から感じる良い機会となった．
程なくして，不可視物である「花粉」の立体造形への計画が持ち上がった．当初は手作りの立体造形物を元にデータ化する計画も存在していたが，デジタル技術により，実物を忠実に再現できるという感動は，作る側も見る側も感じ得る説得力を持つものであると確信した．この確信を元に，「花粉の 3D データ化への試み」，そして「花粉の立体造形展示の計画」という目標を掲げた筆者らの挑戦が始まった．
図 4 （写真 3） の CAD データ （協力 ： 株式会社キーエンス）

4．反射型共焦点顕微鏡による試み
3D データ化と言っても，何から始めるべきかわから

ただし，問題もあった．この顕微鏡は上方から発しない状態からのスタートだったが，マイクロレベルの物体を 3D データ化できる機器の調査を開始した．花粉た光の反射により高さデータを測定する形式であったた
め，図 4 のように光が回りこめない影の部分は撮影できは約 30 〜 50μm ほどの大きさであるため，電子顕微鏡から 3D データを取得できないかと手始めにネット検索なかったのである．CAD データへの書き出しは可能でにかけた結果，最初に出会ったのが株式会社キーエンスの共焦点レーザマイクロスコープ VK-9700 Generation Ⅱ

結果となったが，この花粉画像を撮影したことが大きなきっかけとなり，「実物からの 3D データ化」「サイエンという機器であった．この顕微鏡はいわゆる共焦点方式

スとテクノロジーにより感動を与える」という方向性が，であるのだが，元は製造品や半導体の表面検査のためにより現実的な結果として見え始めた．
しかし，電子顕微鏡や 3D データ自体に全く見識がなあるが造形物としては半立体でしか成立しないという使用される試料反射型の機種である．筆者はまず，キー15

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特集

日本バーチャルリアリティ学会誌第 16 巻 3 号 2011 年 9 月

表現の幅を広げる立体視

かった筆者にとって，今回のデモ以降，しばらくは「共粉にもサイズの個体差があるため，自前の光学顕微鏡で焦点顕微鏡」＝「3D データ化」という図式から離れら観察して計測しようと試みたがうまくいかず，書籍やイれなくなった．少ないキーワードを便りにいくつかのンターネットの資料と照らし合わせ，大体のサイズを割産業技術センターや測定受託サービスの業者を当たったが，「直接的に CAD 化」や「レーザマイクロスコープ」り出した．さらに，最も大きな問題は，花粉は何も処理など，あまりにも結論を急ぎキーワードを狭めてしまったせいか，似た様な原因で 3D 化には至らなかった．

あった．そのため，光学顕微鏡で全体の形状をチェック

そんな折，当社が以前よりお付き合い頂いている国立遺伝学研究所が所有するカールツァイス株式会社の共焦リ袋にむしった雄しべを大量に詰め込み対策をとった．
当社が SEM を所有していれば鮮明な姿が確認できる上，点顕微鏡を使用させて頂き，いくつか用意した花粉を測採取したてのタイミングで測定ができれば労力は少ない定にかける機会があった．前回の反射型ではなく蛍光型のだが，確認も不鮮明であり外の環境に出すまでの間のの顕微鏡であったため，想像していた結果とは違った像変質を防ぐこと，機器や技術を提供して頂く先生方に花の検出法に戸惑い，その場では結局，いくつかの断層画粉の特徴を説明することを，専門家でない筆者が付け焼面を取得しただけに留まった．

き刃の知識で調査と説明をすることで，何か大きな間違せずそのまま湿気にさらせば形状が変化してしまう点でし，更に輸送中に変化しないように乾燥剤を封入したポ

この時点では，蛍光型の顕微鏡の構造をよく理解しいをしていないかと不安になったりもした．しかし，無ておらず，尚かつ，単純に像を直接 CAD データ化する

事に先生の元へお届けするまで事なきを得て，先生のスといった発想しか持ち合わせていなかった．蛍光型はピケジュールの忙しい合間を縫って花粉の連続切片作成とントを少しずつずらし，下から断層画像を撮影するとい撮影を行って頂いた．

う方法であるので，影で隠れるといった問題は起こらな
いため，単に CAD 化が無理だからと言って以降の調査

完成後，頂いたプレパラートと画像を確認した際，数10μm の花粉にダイヤモンドカッターを使って切片作成を疎かにしてしまったことは，今思い返せば大きな失敗するという職人芸にも驚かされたが，紙よりも薄い切片だったと感じる．しかし，実はこの蛍光型こそが今回の3D データ化の大きな突破口となるものであったのだが，一枚一枚を覗くと，内部の核や組織の構造が生々しく存詳細は後に書く事とする．

を元に，DICOM データに変換し，専用ソフトでレンダリングして 3D データを作成するという流れであったの

5．TEM による連続切片作成法の試みだが，残念ながら事前の調査不足のため，保存画像の解在する様子に目を奪われた．このままこのスライス画像共焦点法がうまく行かず，SEM や他の電顕での解決像度が足りず，不可能である事が判明した．そして，再法を調査していたところ，大阪大学大学院工学研究科の度の撮影や画像の位置合わせがあまりにも困難であるため，結果としてはこの方法での 3D データ化は断念した

宮澤七郎先生との出会いがあった．宮澤先生は医学生物学電子顕微鏡技術学会の名誉理事長であり，我が国における TEM（透過型電子顕微鏡）による資料観察の大家のであった．筆者らは，「造形までの工程にどのようなである．TEM での観察は，主に試料の連続切片を作成画する必要性を感じた．

作業と技術を必要とするか」このことについて厳しく計
次の段階では，当初予定していた X 線 CT の技術をすることが前提だが，今回は花粉をマイクロスケールで数十枚スライスし，その撮影画像を元に 3D データを制さらにマイクロスケールで利用できるか調査し，最終的に CAD データまで持っていく事はできるかどうかを作できるとのご提案を頂き，実践して頂く運びとなった．
しかし，ここで一つ問題となったのが採取する花粉の種類，サイズ，状態を測定前にはっきりと同定しなけ実践する計画を立てた．そのためには花粉でなくても同じ様なサイズの微生物を CT にかけ，データ化した例ればならない点であった．今回は立体造形した後に展示を調査したり，花粉の外形をスキャンするにはどういっするという目的があり，実験といっても展示予定としている複数の花粉データのうち 1 つでも取得したいというた方法が最適かを，もう一度原点に立ち返り洗い直す事となった．

考えと，複雑な形状を持った花粉でも再現可能か試し

まず，前回の連続切片法において DICOM データかたいという考えがあった．そこでセイヨウタンポポとアカンサスを検討したが，季節は 2 月．二つとも手に入ららの 3D 構築を調査した際，専用のソフトウエアを扱う専門業者の方から 3D 画像処理における様々な知識やごないどころか，春夏に比べれば不毛な冬はこちらの仕事意見を頂いたため，ここでその一部を紹介する．第一に，の都合に合わせてはくれず，結局タンポポに近いトゲを持った黄菊と，ナデシコ科のカーネーションの花粉を選

現在の技術からすれば基本が球形で凹凸が激しいものがある花粉には X 線 CT での解析データを元に 3D デー

び出した．次に，花粉にも属や種間だけでなく，同じ花タ構築を実践することが望ましく，3D プリンターでの16

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出力が目的であれば，確実，安全にボクセルデータの作成まで可能である．そして，X 線 CT にも解析対象にい問題があった．この場合は花粉が小さすぎるといった点であるが，逆に予想である点は否めないが TEM トモより，様々なタイプがあり，まず生体用と産業用の二つに分かれる．大きな違いは X 線発生装置の起電圧のグラフィーほど極微の分解能であると，花粉が大きすぎるという問題がある．これは，X 線 CT の機器がそれぞ強さであるが，工学材料を透過するには高電圧によっれ対象としている試料仕様であるため，花粉の外形の脂質が良好な状態で可視化できる X 線加速電圧，すなわて高速で電子を透過させなければならないが，生体をち低電圧出力の X 線 CT 機器が必要である．従って「サイズの適合性」，「低電圧出力」の 2 点にまで絞り込み，対象とした場合は，X 線のエネルギーを小さくする必要があるため，電圧と加速度はより弱い物となる．また，対象のサイズによっても CT のタイプを選ぶ必要が調査を再開したが，なかなか条件に見合う物がなく，問あり，人体を検査する医療 CT からミクロ観察を目的とするまでの間に，m 〜 nm までの幅を持つため，花粉のい合わせても透過自体が不可能ではとの声ばかり聞こえ

解析はマイクロ X 線 CT（分解能 μm）や TEM トモグラフィー（分解能 nm）と総称される機器が望ましい．しその後，東京大学先端科学技術研究センターの三好元介先生のご尽力により，前述のヤマト科学社が NEDO（独かも，大きく立体出力することを考えれば，できるだ立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）の助成により開発した USXN-10，30 という機器の紹介を頂るのであった．

け高分解能で細かな形状を測定出来た方が良い．さらに，X 線 CT 自体は非破壊検査であるため，試料自体のいた（図 5）．

形状に触れずに測定ができるといった利点がある．また花粉自体は決して電子が透過しやすいものではないが，特に蒸着などの処理は必要ない．
このような情報を元に，3D データ取得の可能性に再び希望が見え始めたわけであるが，マイクロ X 線 CT やTEM トモグラフィーは一般的に受託サービスとして請負う企業は少なく，1 検体であってもはるかに高額である．
一つでも成果のある立体物ができれば充分であるが，

図 5 USXN-10 （左） と USXN-30 （右） （協力 ： ヤマト科学株式会社）

測定機器以外の原因で失敗する事は避けたい．何より最も大きな問題は，花粉を CT スキャンにかけて，ボリュームレンダリングした例がないという事で，花粉は反応で実は，当初からこの機器での測定を検討しており，「Xきるかどうか，解像度は充分か，といった部分である．

線が透過するかわからない」とのことで，やはりそう簡

しかし，それがうまくクリアできればあとはリバースエ
ンジニアリングソフトで完成させる事ができるとわかっ

単には条件は揃わなかったのだが，電圧の問題はクリアしており，特別に 10 と 30 の 2 機器を使用しての測定実たため，「花粉を測定するに充分であり，最も適した環施の運びとなった．残念ながら現時点で実施できていな境と機器を探し出す事だけ」を考え，ある程度の調査をいのであるが，良い結果が出る事を期待している．

絞り込むことができたのである．とはいえ，前段階での準備は細心の注意を払い，慎重に事を運んできた．USXN の機能だけでなく，X 線の仕6．X 線 CT 法による試み組み自体をもう一度調査し，前項でも書いたように花粉マイクロ X 線 CT，TEM トモグラフィーといったキーは温度によって大きく状態が変わる特性があるため，今ワードで調査を再開し，次にヤマト科学株式会社の協力回，測定を決めたセイヨウタンポポの花粉に付着したゴを得た．ヤマト科学社では分解能も高く，低出力の装置

ミや，油分を取り除き，形状を留めさせるための乾燥処での解析を行っており，マウスの体毛や樹脂中のカーボ理，また，輸送や保存期間中に劣化させないための薬剤処理を施すなど，一般的に SEM の観察で行うべき専用ンフィラーなど試料の大きさとしては近い事例があったため，当社側で解析依頼をする予定であったが，測定希望の花粉が手に入らないことなどの諸々の理由で，残念の前処理を株式会社パリノサーヴェイに依頼し，専門的な技術のもとに完了させた．次に，マイクロ X 線 CT でながら保留となった．
次に，有孔虫の 3D プリントと CT スキャンの閲覧ソ良好な条件でデータ収集を行うための花粉の保持方法を考案した．棒ガラスを加工して，約 100μm 径の試料保フトを制作しているＷ社に相談した結果，測定成功の可能性は充分にあるが，有孔虫と花粉の大きさには１桁の持ロッドを製作し，マイクロマニピュレータを用いてロッドの先端にわずか数十 μm の花粉を接着して保持す差があり，その差のために充分な解像度で測定ができなることに成功した．この後，実測を予定している．

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 16 巻 3 号 2011 年 9 月

7．蛍光型共焦点光学顕微鏡による試み

表現の幅を広げる立体視や，筆者らの目的を再確認する機会になり得たと考えて前項のヤマト科学社の試みと平行して，第 5 項の連続いる．その発見や気付きはこれまでの項で書いてきた内切片法の実践後，宮澤先生のご尽力により，先生直々に容に書かれているが，何よりも強く感じることは，大事

お付き合いのある大なことはテクノロジーの発展に感心するのではなく，テ学や企業を当たって頂クノロジーによりどのような感動を与えられるかに着目

き，結果，株式会社ニすることである．そして，数々のテクノロジーとの出会コンインステックのごいは，様々な応用法を想起させ，最終的な目標のあるべ

協力で共焦点レーザ顕微鏡システム C2 の技

き姿に柔軟性を与えてくれた．つまり，筆者らは現在，3D プリンターでの造形化に限らず映像や写真等の多様術のご提供による，先な媒体を持ってして，不可視物の立体世界を伝えること

生のご依頼で花粉の 3D測定を試みた（図 6）．

は多いに可能であると考えている（＊口絵にカラー画像

図 6 マキの共焦点測定（協力 ： 株式会社ニコンインステック）掲載）．そして，そのような広い視野に切り替え，調査

この機種はいわゆる蛍光型共焦点光学顕微鏡であり，と実践の最中にある．

第 4 項のカールツァイス社製の顕微鏡と仕組みは同じで9．未来へ向けてあるのだが，試料から発せられる自発蛍光を，微弱なものまで観察できる PMT（光電子増倍管）により測定し，さて筆者らは今，理工系専門出版社として生物世界の3D 事業に取り組んでいる．出版業界の大きな潮流とな「コンフォーカル（共焦点）」と「微分干渉」の 2 パターンの空間測定を行い，画面上で立体表示（図 7）ができりつつある電子化の，理工系専門出版にとっての方向性るという顕微鏡である．問題点は，花粉は特に前処理はの一つが，そこに潜んでいると考える．「アリ」や「花粉」無しで測定可能であるが，プレパラートで押さえた分だで如実であるように紙媒体では出現不可能だった情報の 3 Ｄ電子化出版が可能になるだろう．だからこそ筆者

け花粉も押しつぶされてしまう点，プレパラート用の固定液を使用するため，乾燥状態でなく湿潤状態になる点，また，画面上での 3D 表示や，映像としての編集も可能

らのみならず専門家でさえ「3D アリ」や「3D 花粉」なであるのだが，CAD などの 3D データの取得については，のである．VR，AR と連携し微小世界のスペクタクルな現在も可能か否か調査中であることから，未だ最終目

立体映像が出現すれば，博物館的な新しいエンタテイメどの未知の世界を出現させることに感動し夢中になれる的を果たせないままでいる．ただし，画面上で見る限りントにもなれるのではないかと想像が膨らむのである．

は花粉の突起や形状の解像度はよく，外形だけでなく内「未来の 3D 社会」の姿を関係者が思い描く機会が増え，部構造までをスキャニングし，複雑になった点群データ

この構想が実現する日が来ることを願い本稿を終える．

を単純化した集合体にまとめることができた．このよう最後に，「アリ」や「花粉」というテーマを取り上げ，な状態にまでなれば，3D データの書き換えを大いに期高い理念と適切な指導で開発事業を導いていてくれた当待できるのだが，この社吉田隆社長及び伊勢直人部長に謝辞を述べる．

データ書き換えの間にどれほどの違いがある【略歴】のかは定かでないし，佐藤昌平（SATO Shohei）

想定外の問題があるか

株式会社エヌ・ティー・エス SC 事業部 開発グループ
2007 年 武蔵野美術大学 造形学部 基礎デザイン学科もしれないが，筆者らは X 線 CT 法と蛍光共図 7 （図 6） の 3D 構築画面
（協力 ： 株式会社ニコンインステック）

卒業，同年より現職．開発グループにて展示会ディレク

焦点法の結果を待つこター，その他新規事業立ち上げに従事する．ととなった．
高澤和仁（TAKAZAWA Kazuhito）
株式会社エヌ・ティー・エス SC 事業部

8．花粉を 3D データ化するということ

係長

今回，花粉の立体造形物の展示の目的で，「花粉の外形のみ CAD データ化」という目的で調査と実践を重ね2006 年てきたが，本論文の完結までに目的を果たせていない事

ラファーとして「おいしさの科学」，「ツボ単」，「鳥の骨が悔やまれる．
しかし，幾度となく多くの大学やメーカー探」等の撮影を担当．

東京写真学園プロカメラマンコース研修科

卒業．企画，編集，展示等に携わると同時に，フォトグとの繋がりで様々な機器を試した結果は必ずしも不成果だった訳ではなく，新しいアイデアが生まれるきっかけ

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