JP6457785B2 - 生体質感モデル作製方法および生体質感モデル作製プログラム - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線ＣＴ(Computed Tomography)、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）、超音波診断装置（エコー）などの医用画像診断装置および光学系画像装置（光学顕微鏡、光学系軟質質感分析装置など）から得られた断面像を用いて、３次元の生体質感モデルを作製する技術に関する。

医療分野における患部や身体の特定部位の３次元視覚化は、インフォームドコンセント、 診療方針の決定、医療教育、医学研究の場などでのニーズが高まっている。特に、３次元造形モデルを利用した３次元視覚化の場合、視覚だけでなく、立体形状を実際に手に触れて見ることで、コンピュータ画像では伝えきれない多くの情報を伝えることができる。

従来から、Ｘ線ＣＴ、ＭＲＩなどの医用画像診断装置の標準規格であるＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communications in Medicine）を用い、３次元形状データを製作し、それをもとにして、粉末積層式造型機により石膏ベースの材料にて、高速、高精度の医療用の３次元造形モデルを作製することが知られている。
しかしながら、内部構造を有する肝臓などの複雑な臓器の柔らかさの模擬や、臓器等を扱う医師や看護師に対する臓器等の感触情報の提供が行えないといった問題があった。

また一方で、複数樹脂の同時噴射により、硬性樹脂と柔軟性樹脂を組み合わせ、機械的性質の異なる樹脂を用いた３次元造形モデルを作製できる３次元プリンタが知られている。かかる３次元プリンタを用いて、その形状構造に関して表面のみならずその内部構造まで再現できるようになっている。しかしながら、内部構造を有する肝臓などの複雑な臓器の柔軟性、若しくは骨などの硬さを再現できるものは少ない。

先行技術では、網構造の中に造形用のモデル材を保持できる保持シートに一層の複数種類のモデル材をそれぞれの造形位置に保持して固定し、固定された一層のモデル材の上に次層の保持シートを載置し、次層の保持シートに次層の複数種類のモデル材をそれぞれの造形位置に保持して固定し、モデル材の固定を順次に上の層について繰り返し行い、各層を積層した後に保持シートを溶解除去することにより、多色・多材料で、堅さが部分により異なる複雑な構造の立体物を造形することのできる３次元造形物の作製方法がある（特許文献１を参照。）。しかしながら、特許文献１の方法では、堅さが部分により異なるものは、その部分の堅さに応じた硬いあるいは柔らかいモデル材を準備する必要があった。

また、立体物の外部構造および外部色彩ならびに外部から観察不可能な内部構造および内部色彩を表した３次元立体模型であって、切り開くことにより内部構造および内部色彩を観察することができる軟質素材でできた３次元立体模型が知られている（特許文献２を参照。）。特許文献２に開示された技術は、外部から観察不可能な内部構造および内部色彩を表しているものの、力学特性を再現するものではない。

また、医用画像診断装置で撮影された断層画像データから目的の部位のデータを抽出する画像処理手段と、抽出された断層画像データから３次元画像データを生成する画像処理手段と、生成された３次元画像データを模型造形用断層画像データに変換する画像処理手段と、模型造成用断層データにより粉体を積層して精密粉体模型を作製する手段と、作製した精密粉体模型を鋳型として透明又は半透明のシリコンなど柔軟性を持つポリマーからなる血管及び臓器の個別対応型３次元模型の作製方法が知られている（特許文献３を参照。）。特許文献３に開示された技術は、医用画像診断装置で撮影された断層画像データを鋳型の作成に利用しているものであり、モデルの質感の再現を断層画像データに基づいて行うものではない。

再表２００５／０３７５２９号公報 特開２００５−１４８５７８号公報 特開２００３−２４１６４７号公報

従来の３次元造形モデルの目的は、形状確認に重点が置かれていた。滑らかな形状や細かいパーツまで再現できる高精度の造形モデルが、製品デザイナーや製品設計者が求めるものであったが、形状だけからは触感や使用感を想像するのは困難である。形状だけでなく、そのものの触感、使用感、質感など実際のものに近似した造形モデルが要求されている。
また、モデルの質感は医師の感覚よるものであり定性的データに基づくのではなく、生体に近い力学特性を有し、生体に埋入するインプラントの力学試験に使用できるモデルが要望されている。

上記状況に鑑みて、本発明は、ＣＴ、ＭＲＩ、エコーなどの医用画像診断装置および光学系画像装置（光学顕微鏡、光学系軟質質感分析装置など）などの断面画像のＣＴ値又は輝度値の２次元分布データから、医師などの専門家が有している生体臓器の感触のみならず、生体に近い力学特性を再現できる生体質感モデル作製方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の生体質感モデル作製方法は、下記１）〜５）のステップを少なくとも備え、生体に近い力学特性を再現する。
１）医用画像診断装置により得られた断面像からＣＴ値の２次元分布データを取得する。
本発明では、ＣＴ、ＭＲＩ、エコーなどの医用画像診断装置および光学系画像装置（光学顕微鏡、光学系軟質質感分析装置など）の医用画像診断装置の断面像から、ＣＴ値又は輝度値の２次元分布データを得る。なお、ＭＲＩ画像は、ＣＴ画像よりも軟部組織の分解能が高いので、多くの組織の物性値が取得可能である。
２）段階的に硬度の異なる最小基本単位を予め作製し、各々の最小基本単位の少なくとも硬度、ヤング率および破断係数の力学特性データを取得する。
ここで、最小基本単位は、四面体、六面体、円柱、楕円柱、多角柱、球体、くさび形状体、角錐、円錐など幾何学的な基本形状のものと、基本形状の組み合わせた形状や独自形状など応用形状のプリミティブな形状を有する。プリミティブな形状の種類や大きさ、混ぜ合わせる個数・量、混ぜ合わせ方、用いる樹脂材を調整して柔らかさを加減して求める生体質感を作り出す。そして、段階的に硬度の異なる最小基本単位について、各々の力学特性データを測定し、データベース化する。力学特性データは、少なくとも硬度、ヤング率および破断係数を用いるのが良い。なお、ＭＲＩエラストグラフィーやエコーを用いて弾性率を推定できることから、力学特性データに弾性率を加えても良い。

３）ＣＴ値の２次元分布データから骨組織を推定して骨組織領域を判別する。
ＣＴ値から骨組織を推定する骨組織領域を判別する。骨組織以外の軟組織領域と脂肪組織領域についても必要に応じて判別する。
４）骨組織領域の各画素のＣＴ値から骨密度を求め、骨密度から各画素における少なくとも硬度、ヤング率および破断係数の力学特性データの推定し、同じ或は最も近似する力学特性データを有する最小基本単位を各画素に割り当てる。
ＣＴ値から骨密度を算出できることから、骨組織領域の各画素のＣＴ値から骨密度を求める。そして、骨密度から各画素における少なくとも硬度、ヤング率および破断係数の力学特性データを推定する。上記２）でデータベース化された段階的に硬度の異なる最小基本単位の力学特性データと比較して、同じ或は最も近似する力学特性データを有する最小基本単位を各画素に割り当てる。
５）断面像を積層して３次元データとし、各画素に割り当てられた最小基本単位を用いて３次元プリンタにより造形する。

また、本発明の生体質感モデル作製方法は、上記の作製方法によって作製された造形モデルと、目的とする組織の力学特性と同じ或は最も近似する力学特性データを有する素材を用いて成形された成形モデルとを組合せて３次元モデルを組み立てることにより行う。

本発明によれば、生体に近い力学特性を持つモデル（骨、臓器など）を作製することができる。また、生体で使用するインプラントでは、所定の認可を受ける必要があるが、本発明を用いてモデルを作製し、実験を行えば、認可取得のためのデータを揃えることが容易となる。さらに、本発明を用いてモデルを作製し、リアルな術前トレーニング、医学教育に活用することができる。すなわち、術前トレーニングや教育の現場で、実際にモデルを手にとって生体臓器の立体構造や感触を理解し、感触を疑似体験し、手技の修練に有効利用できる。

実施例１の生体質感モデル作製方法のフロー図（１） ＣＴ画像から特定部位の力学特性値を算出する説明図 実施例１の生体質感モデル作製方法のフロー図（２） 生体質感モデルを作製方法の説明図 生体質感モデル作製用コンピュータのブロック図 実施例２の生体質感モデル作製方法のフロー図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、実施例１の生体質感モデル作製方法のフローを示している。以下、ステップ毎に順を追って説明する。
＜ステップ１（Ｓ０１）＞
医用画像診断装置により得られた断面画像からＣＴ値の２次元分布データを取得する。取得した２次元分布データはコンピュータのメモリに記憶される。
＜ステップ２（Ｓ０２）＞
段階的に硬度の異なる最小基本単位を予め作製し、各々の最小基本単位の力学特性データを取得する。各々の最小基本単位の力学特性データはコンピュータのメモリに記憶される。最小基本単位（Minimally Essential Unit：ＭＥＵ、或は、セルと呼ぶ）は、円柱、円錐、球などのプリミティブ形状を有しており、多種多様の樹脂から１種あるいは２種以上が混合されたもので予め作製され、実測により力学特性データ値が既知である。

＜ステップ３（Ｓ０３）＞
ＣＴ値の２次元分布データから骨組織を推定して骨組織領域を判別する。人体内組織のＣＴ値を表１に示す。ＣＴ値に基づいて骨組織領域を判別することは可能である。

＜ステップ４（Ｓ０４）＞
骨組織領域の各画素のＣＴ値から骨密度を算出する。ＣＴ画像から骨のＣＴ値を算出し、骨密度の評価を行うことは既に様々検討されている。また、Ｘ線ＣＴ装置内に被験物をセットして、高感度放射線エネルギーセンサーであるイメージングプレート上に撮影し、コンピュータを用いて画像解析を行い、骨密度を算出できることも知られている。
＜ステップ５（Ｓ０５）＞
算出した骨密度から各画素における力学特性データを推定する。
＜ステップ６（Ｓ０６）＞
同じ或は最も近似する力学特性データを有する最小基本単位を各画素に割り当てる。力学特性データが近似するとは、硬度や弾性率が所定の差異内にあることを意味する。

＜ステップ７（Ｓ０７）＞
断面画像を積層して３次元データとし、各画素に割り当てられた最小基本単位を用いて３次元プリンタにより生体質感モデルを造形する。なお、医用画像診断装置の２次元データの輝度情報から造形対の３次元形状を抽出している。すなわち、医用画像診断装置であるＣＴやＭＲＩ装置からＤＩＣＯＭフォーマットの輝度情報を含む断層画像のドット情報を取得し、それらの断層画像を積層して造形対象の生体部位の３次元形状を抽出する。そして、市販されている３次元プリンタを活用して３次元造形モデルを作製する。

次に、図２を参照して、ＣＴ画像から特定部位の力学特性値を算出するやり方を説明する。ＣＴやＭＲＩ装置で取得した断面画像において、画素毎にＣＴ値を求める。マトリックスの各画素にＣＴ値が割り当てられることになる。組織が骨領域であれば骨密度を算出し、骨密度から当該組織の力学特性を推定できる。
組織が骨領域以外の組織、例えば、脂肪、皮膚、臓器などであっても、ＣＴ値から組織が推定できる。事前に、新鮮検体から、脂肪、皮膚、臓器などの組織のＣＴ値と力学特性データを実測し、当該組織のＣＴ値と力学特性をデータベース化しておく。
また一方で、事前に、段階的に硬度の異なる最小基本単位（セル）を予め作製して、各セルの力学特性データを実測しておく。
これにより、断面画像のＣＴ値から組織を判別し、判別した組織の力学特性と同じか類似している力学特性を有するセルを決定し、セルＮｏ．のマトリックスを準備することが可能になる。

図３に示されるように、ＣＴやＭＲＩ装置から、断面画像を取得し（Ｓ２１）、取得画像の画素毎のＣＴ値を取得し（Ｓ２２）、ＣＴ値から骨密度を算出、力学特性を推定する（Ｓ２３）。そして、データベース化されたセルＮｏ．テーブルを参照し、推定した力学特性と同一又は類似の特性を有するセルＮｏ．を選択する（Ｓ２４）。断面画像の各画素にセルＮｏ．を対応付ける（Ｓ２５）。取得した全ての断面画像に対して繰り返し（Ｓ２６）、断面画像を積層して３次元形状化して、３Ｄプリンタで造形する（Ｓ２７）。

図４に示されるように、最小基本単位を規定（Minimally Essential Unit: MEU or セル）して、段階的に硬さの異なるセルを作製して力学特性を取得する。一方で、新鮮献体を用いた測定、例えば、ＣＴ値（Hounsfield値）や、ＭＲＩエラストグラフィーや超音波診断装置（エコー）を用いて弾性率を測定し、対応する組織の力学特性を取得する。力学特性データに基づいて、画像データにセルを対応させることで、生体の力学特性を有する生体質感モデルを作製することができることになる。

図５は、生体質感モデル作製用コンピュータのブロック図を示している。図４に示されるように、生体質感モデル作製用コンピュータは、ＣＰＵ，メモリ，画面表示部、操作入力部、ＨＤＤ、通信Ｉ／Ｆを備える一般的なコンピュータである。具体的には、操作入力部はタッチパネルであり、画面表示部は液晶ディスプレイである。メモリはデータを記憶するものであり、ＣＴ値の２次元分布データと、ＣＴ値の力学特性データと、セルの力学特性データを備える。
生体質感モデル作製プログラムは、ＨＤＤからメモリ上に読みだしてコンピュータが実行するものである。

図６は、実施例２の生体質感モデル作製方法のフローを示している。
実施例２の生体質感モデル作製方法では、目的とする組織の力学特性と同じ或は最も近似する力学特性データを有する素材を用いて成形された成形モデルと、実施例１の生体質感モデル作製方法を用いて作製された造形モデルを組合せて３次元モデルを組み立てる。
図６に示されるように、目的とする組織の断面画像を取得し（Ｓ３１）、断面画像のＣＴ値の２次元分布データから、骨組織、軟組織、脂肪組織など各組織領域を判別する（Ｓ３２）。実施例１の生体質感モデル作製方法のように、セルテーブルを参照し、ＣＴ値から推定される力学特性と同一・類似のセルを選択して（Ｓ３３）、３Ｄ造形でモデル作製する（Ｓ３４）ことにより、リアリティーのある感触が再現できる場合もあるが、組織によっては、３Ｄ造形が困難なものや、既知の素材でリアリティーのある感触が再現できることが知られている組織も存在する。そこで、そのような組織の場合、素材テーブルを参照し、ＣＴ値から推定される力学特性と同一・類似の素材を選択して（Ｓ３５）、成形でモデル作製する（Ｓ３６）ことにし、３Ｄ造形で作製したモデルと、成形で作製したモデルを組合せて生体疑似組織を組立てる（Ｓ３７）ことにする。
これにより、３Ｄ造形でリアリティーのある感触を再現する組織を全て作製することが困難であっても、従来の成形で作製したモデルを補完させることにより、リアリティーのある感触を再現する生体疑似組織を作製できる。

本発明により作製される生体質感モデルは、リアリティーのある術前トレーニング、解剖学や外科学の教材として有用である。

Claims (8)

1. １）医用画像診断装置あるいは光学系画像装置により得られた断面像からＣＴ値又は輝度値の２次元分布データを取得するステップと、
   ２）段階的に硬度の異なる最小基本単位を予め作製し、各々の最小基本単位の少なくとも硬度、ヤング率および破断係数の力学特性データを取得するステップと、
   ３）前記ＣＴ値の２次元分布データから骨組織を推定して骨組織領域を判別するステップと、
   ４）骨組織領域の各画素のＣＴ値から骨密度を求め、骨密度から各画素における少なくとも硬度、ヤング率および破断係数の力学特性データの推定し、同じ或は最も近似する力学特性データを有する前記最小基本単位を各画素に割り当てるステップと、
   ５）前記断面像を積層して３次元データとし、各画素に割り当てられた前記最小基本単位を用いて３次元プリンタにより造形するステップと、
   を備えたことを特徴とする生体質感モデル作製方法。
2. 前記ＣＴ値又は輝度値の２次元分布データから、骨組織以外の軟組織領域と脂肪組織領域を判別するステップと、
   軟組織領域と脂肪組織領域の各画素における少なくとも硬度、ヤング率および破断係数の力学特性データの推定し、同じ或は最も近似する力学特性データを有する前記最小基本単位を各画素に割り当てるステップと、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１の生体質感モデル作製方法。
3. 前記最小基本単位は、四面体、六面体、円柱、球体から選択される１種以上のプリミティブな形状を有し、
   少なくとも１種類の樹脂材から成ることを特徴とする請求項１又は２の生体質感モデル作製方法。
4. 目的とする組織の力学特性と同じ或は最も近似する力学特性データを有する素材を用いて成形するステップと、
   前記成形ステップにより成形された成形モデルと、請求項１〜３の何れかの作製方法を用いて作製された造形モデルとを組合せて３次元モデルを組み立てるステップと、
   を備えたことを特徴とする生体質感モデル作製方法。
5. コンピュータに、
   １）医用画像診断装置あるいは光学系画像装置により得られた断面像からＣＴ値又は輝度値の２次元分布データを入力する手順と、
   ２）段階的に硬度の異なる最小基本単位の各々の少なくとも硬度、ヤング率および破断係数の力学特性データを入力する手順と、
   ３）前記ＣＴ値の２次元分布データから骨組織を推定して骨組織領域を判別する手順と、
   ４）骨組織領域の各画素のＣＴ値から骨密度を算出する手順と、
   ５）骨密度から各画素における少なくとも硬度、ヤング率および破断係数の力学特性データの推定する手順と、
   ６）同じ或は最も近似する力学特性データを有する前記最小基本単位を各画素に割り当てる手順と、
   ７）前記断面像を積層して３次元データとし、各画素に割り当てられた前記最小基本単位の情報を３次元プリンタに出力する手順と、
   を実行させるための生体質感モデル作製プログラム。
6. コンピュータに、上記７）の手順の前に、更に、
   前記ＣＴ値又は輝度値の２次元分布データから、骨組織以外の軟組織領域と脂肪組織領域を判別する手順と、
   軟組織領域と脂肪組織領域の各画素における少なくとも硬度、ヤング率および破断係数の力学特性データの推定し、同じ或は最も近似する力学特性データを有する前記最小基本単位を各画素に割り当てる手順と、
   を実行させるための請求項５の生体質感モデル作製プログラム。
7. 前記最小基本単位は、四面体、六面体、円柱、球体から選択される１種以上のプリミティブな形状を有し、
   少なくとも１種類の樹脂材から成ることを特徴とする請求項５又は６の生体質感モデル作製プログラム。
8. 目的とする組織の力学特性と同じ或は最も近似する力学特性データを有する素材を用いて成形した成形モデルと、請求項５〜７の何れかの作製プログラムを用いて作製された造形モデルを組合せて３次元モデルを組み立てることを特徴とする生体質感モデル作製方法。