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CN106626423A - 使用复合材料积层制造身体部位模型的系统及制造方法 - Google Patents

使用复合材料积层制造身体部位模型的系统及制造方法 Download PDF

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CN106626423A
CN106626423A CN201610982025.5A CN201610982025A CN106626423A CN 106626423 A CN106626423 A CN 106626423A CN 201610982025 A CN201610982025 A CN 201610982025A CN 106626423 A CN106626423 A CN 106626423A
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voxel
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CN201610982025.5A
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丹尼尔·季科夫斯基
斯坦尼斯拉夫·薛提尔曼
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Stratasys Inc
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Publication date
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Abstract

本发明涉及一种方法，用于使用复合材料积层制造以物理重建一身体部位，其特征在于，包括：接收所述身体部位立体像素阵列形式的影像数据，各立体像素阵列呈现关于所述身体部位截面的影像数据；定义立体像素阵列中的立体像素值与用以重建所述身体部位的目标物理性质间的关联性；定义成型材料组合与其物理性质间的关联性；对应所述立体像素值与目标物理性质间的所述关联性及所述成型材料组合与其物理性质间的关联性，定义所述立体像素值与材料组合间的关联性；转换所述立体像素阵列形式的影像数据为可打印的位图影像，所述位图影像呈现用以重建所述身体部位的所述成型材料组合；以及对应所述位图影像以逐层方式配施所述成型材料组合。

Description

使用复合材料积层制造身体部位模型的系统及制造方法
本申请为申请号201280065938.0、申请日2012年11月15日、发明名称“使用复合材料积层制造身体部位模型的系统及制造方法”的分案申请。
相关申请的参考文献
本案依据35 USC 119(e)，参照美国临时申请案申请号:61/560822，申请日:2011年11月7日，其公开内容引入本文作为参考并主张所述临时申请案的优先权。
技术领域
本发明在一些实施例中涉及一种复合材料积层制造(Additive Manufacturing,AM)，尤其但不限于一种基于断层摄影以物理重建一物体，如一人体部位的复合材料积层制造。
背景技术
积层制造方法是目前习知用以制造三维物体模型的方法，包括生物器官。积层制造方法或固体自由成型(Solid Freeform Fabrication)为通过添加剂形成步骤，使任意形状的结构可以直接从计算机数据直接制作的一种技术。任何固体自由成型系统的基本操作包括对三维物体计算机模型进行切片转换成薄的截面，转译所述切片结果为二维位置数据，并传送所述数据至以逐层方式制造三维物体结构的控制设备。
利用断层扫描数据的方法，例如由断层扫描仪或核磁共振影像设备提供的数据以积层制造方法物理性的重建一生物器官为习知的技术。断层数据通常包括扫描生物器官的灰阶截面图像数据，一般情况下，断层扫描数据以医疗数字影像传输协议(DigitalImaging and Communications in Medicine,DICOM)的文件格式提供。
在习知的物理重建方法，计算机辅助设计(CAD)系统以光固化成形法(StereoLithography,STL)用来转换及/或转译所述医疗数字影像传输协议档案为三维计算机模型档案，使其可被积层制造设备所读取。光固化成型法的文件格式仅描述三维物体的表面几何状况而无法呈现三维物体内部任何可能的颜色变化、纹理及/或机械特性。由于物体内部的变化无法以光固化成型法的文件格式呈现，很多隐含在医疗数字影像传输协议档案中的数据将会在转译过程中失去。
美国专利公告号US5,768,134，发明名称:以人体部位数字影像数据为基础制造完善医学模型的方法，通过参考文献将其整体引述于本案中，描述一方法为以数字影像数据为基础，增加一人造功能组件于一人体部位模型，如于断层扫描影像切片之前。如其中所述，在其余人体部位影像进行影像数据切片前，所加入的人造功能组件使所有以数字影像数据形式呈现的医学数据成为可见。其通过例示的方式描述了所述的功能组件，如一个开口用以指示钻孔处及钻孔方向，对于影像数据而言增加的功能为标示出围绕所述人体部位的其他组件。其亦描述由医学用户得来的外部数据，增加的功能为使影像数据与人造功能组件可让用户得到额外的外部数据。
美国专利公开号US20100191360，发明名称:使用多成型材料的固体自由成型方法，为多共同发明人发明，通过参考文献将其整体引述于本案中。描述其中包括一系统与一方法用以使用两种或以上不同预定组合的成型材料制造物体，其中所述组合为由不同的成型材料经由不同的喷头配送。不同的成型材料可以被配送于同一层中不同位置或相同位置或邻近位置进行分配，以便形成一种复合材料。
更有描述一方法用以不需设计完整立体结构使用的标准计算机辅助设计(CAD)软件而定义复合材料结构，所述方法包括执行一布尔比较法(Boolean comparison)于呈现所需复合材料结构的位图与呈现三维物体的光固化成型法格式位图间，所述方法省略了计算机辅助设计(CAD)软件将所需复合材料结构制成一位图的需求，如此可节省设计过程的时间与为了设计三维物体结构而造成的计算机内存耗费，并且同时在建构过程中分析三维物体结构。
更进一步有描述两种或以上建构及/或成型材料，可包括一非固态材料，其可为液体、凝胶、膏状或其他非固态或半固态形式。优选地，一第二固化材料于制造过程中可以完全环绕或包覆所述非固态材料，当完成制程，使所述非固态材料可保存于三维物体内部，或可选择的将其排出、使其燃烧殆尽或是以其他方式除去。以此方式将可产生一空心或多孔的模型。
发明内容
一方面根据本发明某些实施例，提供了一种系统与方法，用于转换一身体部位的断层扫描数据为可打印的位图影像并呈现成型材料组合用以使用复合材料积层制造方式以物理性重建所述身体部位。根据本发明某些实施例，定义所述断层扫描数据与构成身体部位的组织其机械特性间的一关联性。在一些例示性的实施例中，用以重建所述身体部位的成型材料组合被定义为可仿真所述断层扫描数据呈现的不同机械特性。优选地，所述成型材料组合包括一或多预先设定的结构，设计为增加一种或多种所述身体部位的物理及/或机械特性。
一方面根据本发明某些实施例，提供了一种方法，用于使用复合材料积层制造以物理重建一身体部位，所述方法包括：接收所述身体部位立体像素阵列形式的影像数据，各立体像素阵列呈现关于所述身体部位截面的影像数据；转换所述立体像素阵列形式的影像数据为可打印的位图影像，所述位图影像呈现用以重建所述身体部位的所述成型材料组合；以及对应所述位图影像以逐层方式配施所述成型材料组合。
优选地，所述方法包括定义立体像素阵列中的立体像素值与用以重建所述身体部位的目标物理性质间的一关联性；定义成型材料组合与其物理性质间的一关联性；以及对应于所述立体像素值与目标物理性质间的所述关联性以及所述成型材料组合与其物理性质间的所述关联性，定义所述立体像素值与材料组合间的一关联性。
优选地，由一个或多个对照表定义所述关联性。
优选地，所述成型材料组合被选择为基于每一立体像素模拟所述身体部位的机械特性。
优选地，所述立体像素阵列形式的影像数据被转换为一数字材料的阵列，各数字材料由至少两种成型材料的一组合构成，所述组合由所述至少两种成型材料之间的比例定义。
优选地，所述立体像素阵列形式的影像数据被转换为一数字材料的阵列，各数字材料由一成型材料立体像素的图形定义，所述图形由至少两成型材料构成。
优选地，所述各数字材料阵列中的数字材料由一预定数量的成型材料立体像素定义。
优选地，所述预定数量的成型材料立体像素选自范围介于10-1000的成型材料立体像素。
优选地，不同数字材料阵列中的数字材料被定义为具有不同机械特性。
优选地，不同数字材料被定义为具有不同的弹性特性。
优选地，所述不同数字材料具有一弹性系数范围介于0.01兆帕(MPa)至3吉帕(GPa)。
优选地，所述数字材料由一较硬的材料被一液体或一凝胶体环绕构成。
优选地，所述影像数据是从断层扫描仪、核磁共振仪与超音波设备其中的一或多个接收。
优选地，当所述影像数据由一断层扫描仪发出，所述成型材料组合被定义为模拟由所述断层扫描仪呈现的断层扫描数据的一阵列密度。
优选地，所述方法使用一或多种附加材料用以改变重建的所述身体部位的一部分物理外观。
优选地，所述附加材料选自包括染料金属、离子、陶瓷分子与生物分子组成的一群组。
优选地，所述附加材料用以对应于使用者的输入。
优选地，所述方法包括接收一使用者的输入，以及调整所述成型材料组合用以以用户的输入为基础重建所述身体部位。
一方面根据本发明某些实施例，提供了一种系统，用于使用复合材料积层制造以物理重建一身体部位，所述系统包括：一控制器，操作用于接收所述身体部位其立体像素阵列形式的影像数据，所述各立体像素阵列呈现所述身体部位截面的影像数据；一处理单元，操作用以转换所述立体像素阵列形式的影像数据为可打印的位图影像，表现用以重建所述身体部位的所述成型材料组合；以及一复合材料积层制造装置，对应所述位图影像以逐层方式配施所述成型材料组合。
优选地，所述处理单元操作用以定义所述立体像素阵列中的一立体像素值与用以重建所述身体部位的目标物理性质间的一关联性；用以定义成型材料组合与其物理性质间的一关联性；对应于所述立体像素值与目标物理性质间的所述关联性以及所述成型材料组合与其物理性质间的所述关联性，定义所述立体像素值与材料组合间的一关联性。
优选地，所述系统包括一储存单元，储存至少一对照表、数据库或方程式用以定义所述立体像素阵列中的立体像素值与所述身体部位的机械特性间的一关联性。
优选地，所述系统包括一储存单元，储存至少一对照表、数据库或方程式用以定义所述立体像素阵列中的立体像素值与所述成型材料组合模拟一所述身体部位的机械特性间的一关联性。
优选地，操作所述处理单元基于每一立体像素模拟所述身体部位的机械特性用以选择成型材料组合。
优选地，操作所述处理单元用以转换所述立体像素阵列形式的影像数据为一数字材料阵列，各数字材料由至少两种成型材料的一组合构成，所述组合由所述至少两种成型材料之间的比例定义。
优选地，所述各数字材料阵列中的数字材料由一预定数量的成型材料立体像素定义。
优选地，所述预定数量的成型材料立体像素选自范围介于10-1000的成型材料立体像素。
优选地，不同数字材料阵列中的数字材料被定义为具有不同机械特性。
优选地，所述数字材料由一较硬的材料被一液体或一凝胶体环绕构成。
优选地，所述数字材料为具有一次毫米微距立体像素的单位尺寸。
优选地，所述影像数据是从至少一影像设备群组接收，所述影像设备群组选自一断层扫描仪、核磁共振仪与超音波设备其中的一或多个。
优选地，所述可打印的位图像包括增加一或多附加材料至所述成型材料组合的数据。
优选地，所述附加材料选自包括染料金属、离子、陶瓷分子与生物分子组成的一群组。
除非另有定义，本发明使用的所有技术和/或科学用语与任何熟习本发明所属之技艺者所理解的意义是相同的。虽然也可利用与本说明书所述相似或等效的任何方法及材料来实行或测试本发明，例示性的方法及材料如下所述，若遇用语不一致时，以本发明说明书(包括定义)为准。此外，该材料、方法及实施例仅举例而非用以限制。
附图说明
本发明某些实施例叙述如下，仅作为例示性使用，并配合附图，现在具体参考详细附图，需要强调的是文中细节为例示性，通过实施方式说明与讨论方式达到阐明本发明的目的，在这点上，结合附图将使的本发明的实施方式更可为本发明所属之技艺者所理解并可据以实施。
附图如下:
图1为本发明依照某些例示性实施例使用复合材料积层制造一身体部位的系统简易方块图；
图2为本发明依照某些例示性实施例使用复合材料积层制造一身体部位的方法简易流程图；
图3为本发明依照某些实施例由一断层扫描仪取得用以制造一身体部位的脊椎模型供使用复合材料积层制造的影像数据切片示意图；
图4A、4B、4C、4D与4E为本发明依照某些实施例的表示不同数字材料的图形示意图；
图5A、5B与5C为本发明依照某些实施例数字材料的间格结构中一液态材料被橡胶类材料所环绕示意图；
图6A与6B为本发明依照某些实施例以一软性材料与一刚性材料组成一数字材料的校准曲线示意图；以及
图7A与7B为使用习知积层制造方法重建一手部示意图(图7A)以及本发明依照某些实施例使用一方法示意图(图7B)。
具体实施方式
于本发明的一些实施例中，涉及复合材料积层制造，尤其但不限于一种基于断层摄影以物理重建一物体，如一人体部位的复合材料积层制造。
在习知方法中，以断层扫描及/或影像数据制造躯体部位的实体模型，一阀值方法典型的被用在辨识及/或区分不同组织的影像数据，如肌肉组织和骨骼组织的成像。一旦确认，各被确认组织的轮廓被定义并使用多边形化档案及/或光固化成形档案为基础用以建构欲模型化组织的三维计算机模型。于所述过程中，影像数据会呈现所述组织内部各种变化及/或组织接口之间逐渐逸失及/或被抛弃的变化。所述光固化成形档案典型的被用来产生被确认组织的组合模型，即使以前述方法为基础，各不同的组织可以由不同的复合材料重建，惟缺乏模拟各项特性变化的信息，如在单一组织及/或在组织接口间的特性。
本案发明人提出透过应用更多的断层扫描去额外重建及/或复制躯体部位上自然发生的渐层及变化可以更好的复制或重建躯体部位模型的外观及机械感知。本案发明人更提出一躯体部位的多机械特性可以由相关联的断层扫描数据复制到一模型，如断层扫描数据与躯体部位已知的机械特性，而后在立体像素阶段定义不同材料的组合以复制指定的机械特性。
一方面根据本发明某些实施例，提供了一种系统与方法，用以使用复合材料积层制造方式以物理性重建一身体部位，而一材料复合物及/或一躯体部位模型的外表由每个立体像素决定或更改。一般情况下，三维影像数据如断层扫描数据，由一医学显影设备如断层扫描仪、核磁共振显影仪(MRI)、超音波设备与光学扫描仪所产生的三维影像数据为来自立体像素矩阵或多层切片，各层切片包括一二维立体像素阵列，立体像素数据呈现数据的形式由其所来自的影像设备而定，如断层扫描仪提供密度数据，核磁共振显影仪提供氢原子浓度信息。根据本发明某些实施例，所述由一或更多影像设备取得的立体像素信息是与组织的机械特性具有关联的。在某些例示性的实施例中，立体像素信息是有关于组织的硬度及/或柔软度的。一般而言，于所述断层扫描立体像素数据与组织的机械特性间具有一关联性是确定基于实验数据及/或已知的组织机械特性，如已知骨骼和韧带的机械特性。
根据本发明某些实施例，断层扫描立体像素数据可被复合材料积层制造设备所使用且不需一计算机辅助设计(CAD)系统重建第一道躯体部位的计算机模型，举例来说，一光固化成形(STL)档案。在某些例示性的实施例中，一点阵图档案的产生是用于各影像数据的切片，并用以输入至复合材料积层制造设备以取代光固化成形档案。根据本发明某些实施例，于积层制造过程中，一断层数据切片中不同的立体像素值被转换为不同的材料组合。一般而言，各影像数据的立体像素被转换成巨立体像素，其由多打印立体像素构成，如10-1000立体像素或300立体像素的建构材料。本案发明人提出通过改变断层扫描立体像素值的材料组成，不同组织中更自然的物理表现是可以被重制的，包括不同类型组织间平滑的切换。
本案发明人亦提出点阵图与点阵图间的转换更快、运算效率更高且所需求的软件更少，因没有必要在点阵图的光栅中来回，与光固化成形方式共同进行。
根据本发明某些实施例，附加的信息可以点阵图格式被加入并产生一积层制造档案，如由医生或使用者提供包括色彩信息、器官种类及/或其他可手动输入的信息。可选择地，不同区域躯体部位的色彩及透明度都可以被独立控制以提供活体器官的外表精准的光学仿真。可选择地，来自一或多影像设备的影像数据可以被结合并产生所述点阵图档案作为输入复合材料积层制造设备中使用。
可选择地，一自动或人工辅助算法可以被用来增加一或多个可能于断层扫描数据中失去的重建特征的数据，例如由于扫描造成的分辨率不足。举例来说，上皮细胞和内皮细胞由于尺寸过小的关系，通常于断层扫描中无法被看见。然而，他们的位置可以被定义为器官外边界及/或内边界而上皮细胞和内皮细胞可被加入于重建器官的数据中。可选择地，一自动或人工辅助算法可以被用来增加附加数据以改善外观及/或机械感知及/或模型的稳定性。可选择地，附加数据定义一特定组织、器官或区域的颜色，在其他实施例中，结缔组织可以被自动辨识，特别在其与不同组织连接的时候(如骨骼与软组织)。可选择地，所述区域可以使用凝胶或类似凝胶的材料构成，例如使介于组织间的支撑材料具有更好的延展性，可做为外科手术时的训练或其他教育用途。
根据本发明某些实施例，所述复合材料积层制造操作时须至少两种材料，如一软性材料与一刚性材料。可选择地，一或多个对照表用于将所述影像数据与点阵图档案数据建立关联，并以影像数据为基础定义材料的构成。可选择地，建立影像数据与手动定义实验过后相关的一或多影像数据值的材料组合间的一关联性。
可选择地，所述复合材料积层制造设备可使用附加材料，所述附加材料在整个积层制造过程中保持液态，所述液态材料可正确的重制及软组织及/或体液，如血液或淋巴液。所述材料可以是不透明或透明的及/或视应用所需特定颜色。此外，所述积层制造设备可利用附加染色及/或透明的材料调整合成器官不同区域的外观。
根据本发明某些实施例，一复合材料积层制造打印机，如以色列Objet公司的ConnexTM系统，用以运用两种不同不同机械特性与不同外观的材料来制造一身体部位的模型，如一不透明刚性材料与一透明软性材料。在某些例示性实施例中，一身体部位的模型是由不透明刚性材料作为呈现密度大的材料如骨骼，而以透明软性材料呈现软及/或流体组织。一般而言，两种或以上的成型材料可被用来设计成多种不同光谱特性的数字材料，如范围介于硬质骨骼与软流体组织间。
请参阅图1，为为例示性实施例的系统简易方块图，而图2为例示性实施例的方法简易流程图，皆对应呈现本发明使用复合材料积层制造设备产生一身体部位的某些实施例。根据本发明某些实施例，一系统100接收来自影像设备110的所述身体部位的三维影像数据，如断层扫描仪、核磁共振仪、超音波设备或光学扫描仪(图2方块210)。一般而言，所述影像数据由多二维影像构成，各二维影像分别呈现所述身体部位的断层切片。一般而言，各二维影像的切片为一具有结构相关及/或身体组织材料特性的二维立体像素数组数值，如组织密度。一般而言，不同的立体像素值提供不同身体组织间的影像对比，且所述立体像素亦可用以判断材料及/或在各三维立体像素位置判断所述身体部位的物理特性。
可选择的是，系统100的处理单元125分类有关欲制造模型的身体部位所撷取的影像数据(图2方块215)。一般而言，处理单元125与系统100的一控制器1250连接。可替换的是，所述分类可以由影像设备110执行。一般而言，处理单元125执行影像后制处理，更进一步增强影像的一或多特征，如三维影像及/或单独影像切片。可选择的是，影像数据可由多不同影像设备110所取得，处理单元125结合由不同影像设备110所取得的影像数据。可选择的是，多影像设备110的输入更进一步增加不同身体软组织间的对比性。可选择的是，后制处理用以于不同影戏切片中平滑的输出不同影像数据间的差异。
可选择的是，处理单元125除了接受影像数据，一用户可藉由用户输入设备115提供额外数据，可选择的是，一使用者针对一身体部位确定的组织及/或器官选择一色彩及/或透明程度。可选择的是，用户可增加一区别特征以区别相似的立体像素影像数值。可选择的是，使用者可选择性的采用具三维功能的软件以查看及/或提供输入。可选择的是，用户藉由标记所述处理单元125显示的影像及所述处理单元125接收的影像数据来整合用户的输入。
根据本发明某些实施例，处理单元120使用一或多个对照表及/或方程式或函数120以转换原始立体像素值，如影像数据的灰阶值转换为材料数据以打印所述身体部位的模型(图2方块225)。于本发明某些例示性实施例中，所述身体部位模型的各影像数据其立体像素由多建构材料/秒的立体像素制造，如10-1000立体像素或300立体像素的建构材料。如本发明所用，数字材料为一由不同种类建构材料组成一预定数量的立体像素材料，并被以连续方式沉积且可选择性的积层制造建构过程中于固化以形成一第三材料(如一数字材料)。提供各材料间不同的特性以取得具有一特性范围介于各原始材料间并依照空间组合与不同比例组合的复合材料组合。可选择的是，所述数字材料形成于多印刷层上。可选择的是，所述数字材料组合为预定数量的而非虚拟随机的组合。本实施例中各区域具有一相同的影像立体像素值，其并由对应一对照表中立体像素值的一预定组成物组成的点阵图取代。可选择的是，当立体像素影像数据高于建构材料立体像素，可采用一种不同的方法，如误差传递递色法可被使用。
可选择的是，一支撑材料可部分使用于数字材料组合中。数字材料将于文后有更详细叙述，如参照图4A到4E。可选择的是，数字材料的特性被定义为接近于所述组织影像的材料及/或物理特性。一般而言，模型材料特性的变化可以藉由改变各立体像素构成所述数字材料的组成及/或比例为基础改变。一般而言，一或多对照表及/或方程式120储存于系统100的一储存单元1200中。可选择的是，所述对照表为一数据库，如建构材料数据库。可选择的是，当所述影像数据以灰阶形式呈现，所述对照表提供介于灰阶值与材料组成间的一关联性。举例来说，一128的灰阶可选择性的对应30％的标准材料与70％的刚性材料。
根据本发明某些实施例，一光谱档案(130)包括以同一时间同层打印的模型为基础(图2方块240)，一由各影像数据切片并传送至复合材料积层制造设备140(图2方块230)的数字材料点阵图。一般而言，一影像数据的切片由多印刷层重制，如5-20层印刷层。一般而言，多的光谱档案，如一个用于影像数据切片的光谱档案被传送至复合材料积层制造设备用以打印所述身体部位150的完整模型。
根据本发明某些实施例，复合材料积层制造设备140配备至少两种建构材料，各具有不同机械特性，如建构材料142及建构材料144可以以不同的比例及/或图形喷印以仿真光谱的机械性能用以重制身体部位的各种特性。可选择的是，复合材料积层制造设备140配备有附加材料，如材料146可单独使用于建构材料142及建构材料144之外以模拟色彩，如一染剂及/或身体部位不同区域的透明程度，或增加其他身体部位物理特性。可选择的是，附加的材料于医学显影中用以仿真对比对象的空间分布。附加材料可包括如金属、离子、陶瓷分子、生物分子与其他活性物质。
请参阅图3，为本发明依照某些实施例由一断层扫描仪取得用以制造一身体部位的脊椎模型供使用复合材料积层制造的影像数据切片示意图。根据本发明某些实施例，一脊椎模型(或部分脊椎)由多影像构成并取自于人体的一或多断层扫描影像切片320。一般而言，断层扫描影像包括由高密度材料反射的亮区321及由低密度结构反的暗区323，如由二维断层扫描数据数组定义的软组织或液态材料。
可选择的是，所述断层扫描数据可能与被扫描组织的对应区域其杨氏系数以及由一刚性及/或一硬性建构材料与一软性材料建构而成的脊椎模型其影像相关，如不同比例的弹性及/或塑料建构材料。可选择的是，亮区321由高比例的刚性及/或硬性建构材料成型，而暗区323则由高比例的软性及/或塑料建构材料成型。一般而言，一介于两或以上建构材料间用以将各立体像素成型的比例被由一立体像素的断层扫描数据以及已知最坚硬材料与最柔软材料成像的机械特性所定义。可选择的是，刚性材料的硬度被选择为相近或大于所要仿真最硬组织的硬度，而软性建构材料的硬度被选择为接近或小于最柔软材料的硬度。通过改变所述介于两或以上建构材料间的比例，可以模拟较广的光谱的机械特性。
可选择的是，在整个积层制造过程中保持液态的附加材料可被用来仿真最暗的区域。可选择的是，液体材料用以仿真极软组织及/或体液，如血液或淋巴液。使用的建构材料可为不透明或透明及/或配合应用需求具特定色彩。此外，所述积层制造系统可利用附加有色及/或透明材料调整所述模型不同区域的外观。
可选择的是，可以在一模式中形成胶体区域以仿真软组织或内皮细胞表面的特性，如覆盖器官表面的上皮组织。可选择的是，一亲水性紫外线硬化树脂可用以形成亲水性材料。可选择的是，当浸入水溶液中时，所述材料会吸收水分与膨胀形成光滑柔软的凝胶用以仿真身体的自然软组织，如上皮组织。
请参考图4A、4B、4C、4D及4E，为本发明依照某些实施例的表示不同数字材料的图形示意图。根据本发明某些实施例，一数字材料为小体积构成的材料，如不同建构材料410与420的液滴在积层制造建构过程中同时喷印并可选择性的固化。所述数字材料可以以单位晶格或巨立体像素的尺寸形成。所述单位晶格及/或巨立体像素此处定义为最小体积的数字材料，并具有数字材料定义的材料特性。可选择的是，所述巨立体像素的单位尺寸对应所述影像数据中一立体像素的单位尺寸。
一般而言，不同的建构材料具有不同的机械特性，如硬度、弹性、密度、色彩、透明度、吸水率(％)、溶液吸收率(％)、非聚合液体组成及奈米颗粒组成。可选择的及/或额外的，一数字材料由不同建构材料被喷印于多不同层所形成。在某些例示性实施例中，一数字材料的机械特性由一不同建构材料间组成数字材料的比例而定。在某些例示性实施例中，一数字材料定义为具有一单位尺寸为一毫米或一次毫米巨立体像素，且各巨立体像素包括数十或数百个所述建构材料喷印的液滴，如10-1000个巨立体像素。
在某些例示性实施例中，构成模型的所述几何及/或空间图形可以根据所需求的机械及/或物理特性进行变化喷印。一般而言，所述沉积方式的空间图形可以是随机或虚拟随机数的(图4D)，也可为某些结构化需求图形。可选择的是，一单一建构材料，如单一建构材料410(图4A)或单一建构材料420(图4B)可被单独使用于重制达成高阶或最高阶指定需求。
在某些例示性实施例中，一身体部位模型可由一硬性及/或刚性材料RGD535TM,RGD525TM,720构成，其皆由Objet公司生产，Israel and/or软性材料ObjetTangoPlusTM,TangoBlackPlusTM,TangoBlackTM,TangoGreyTM,其皆由以色列Objet公司生产。可选择的是，刚性材料的硬度的选择使用一材料其硬度相近或大于所要仿真最硬组织的硬度，而软性或弹性建构材料的硬度的选择为使用一材料接近或小于最柔软材料的硬度。一般而言，身体组织弹性系数范围变化介于0.01兆帕(MPa)至3吉帕(GPa)，本发明人提出当以具有身体组织一弹性系数约为0.01兆帕的一材料及具有身体组织一弹性系数变化约为3吉帕的另一材料制作模型的过程中，多数器官及/或身体部位的机械行为或特征是可被仿真的。
可选择的是，所述数字材料不需要使用一预先定义图形的成形材料构成，相反的，所述数字材料可由一介于两种或以上成型材料间的比例所定义，如原始材料可被随机数随机的混和在立体像素打印层。这种情况下因为喷印的立体像素可以根据混和比例的需求藉由随机分派所述立体像素而被实时分配，通常对于计算机资源的需求会显着降低。另一随机数随机混和的优点在于喷印可以各切片为基础而不需Z缓冲去参考替换切片的图形。
请参阅图5A、5B与5C，例示性表示数字材料的间格结构中一液态材料被橡胶类材料所环绕。在某些实施例中，一数字材料单元晶格被定义为一间格，一液体或胶体被一较硬的材料围绕。不同间格的单元晶格被定义为产生不同的机械模式。在某些例示性实施例中，一极软胶体，如具有压缩系数低于0.1兆帕、液体及/或非固化性材料510用以仿真软组织、结缔组织、血管及其他包含高比例液体的身体器官。本发明人认为在三维对象制程中或完成后可能会发生液态材料渗漏的情形。在某些例示性实施例中，藉由形成毫米或次毫米的间格结构使渗漏的情形是可以被避免的，各部分的液体或软胶材料由其他固态材料、橡胶类建构材料或数字材料所围绕或包覆，如聚乙二醇400(PEG400)被TangoPlus橡胶类材料所包覆。
在某些例示性实施例中，数字材料的间格结构由控制整体的橡胶/液体比例、间格的尺寸、间格壁厚度、橡胶类材料硬度、导入额外橡胶状细丝或分区所控制以”巩固”所述液体区域。可选择的是，增加的硬度可藉由增加橡胶类建构材料520的厚度(图5B和图5A比较)达成。可选择的是，增加的硬度可藉由减小所述间格的预定尺寸及/或改变多间格的形状(图5C)达成。可选择的是，如图5C中三角形的间格较图5A与图5B中方型间格更为耐用。可选择的是，所述间格结构可仿真所述活体细胞的结构。
请参阅图6A与6B，例示性表示一数字材料由一软性材料(TangoBlackPlusTM)与一刚性材料(RGD525TM)组成的校准曲线图，可用以印证本发明某些实施例。图6A为一例示性曲线图，呈现数字材料的硬度-A值，提供数字材料中软性材料所占体积比例的功能。图6B为呈现数字材料的杨氏系数曲线图，提供数字材料中硬性材料所占体积比例的功能。图上的三角形点表示实验数据及杨氏系数曲线呈现典型分析配合。可选择的是，一分析配合可用来定义一身体部位中一确定位置的一数字材料仿真物理特性其成像与组成用以决定一或多物理特性相关方程式。可选择的是，使用者输入以附加地定义一身体部位识别部分的一物理特性。
请参阅图7A与7B，例示性表示一手部重建。图7A表示使用两种成型材料，黑色材料与透明材料重建一手部，使用光固化成形档案于习知积层制造技术，其黑色材料表示骨骼而透明材料表示非骨骼组织。相较之下，图7B表示依照本发明某些实施例使用一方法与一系统例示性物理重建一手部。如图7B所示，一重建的手部使用了两种不同成型材料的组合，包括黑色材料与透明材料。黑色材料使用在最坚硬的区域，而透明材料使用在最柔软的区域，两种材料不同比例组合与空间变化用以重制不同区域中特性的变化。因此，藉由使用依据本发明某些实施例的系统与方法，骨骼中特性的变化，如关节区域的重制与关节区域的差异性。
值得注意的是，虽然大多数实施例已根据使用一刚性与一软性材料制造身体部位的一模型进行描述，本发明的实施例并不限于此方面且相同系统及方法可以使用不同材料用来制造其他物体的模型。
更应注意的是，虽然大多数实施例已根据使用一刚性与一软性材料制造身体部位的一模型进行描述，本发明的实施例并不以此为限。本发明其他实施例中，一身体部位的模型可以使用一巨多种不同机械及/或物理特性以模拟身体部位性的建构材料组合构成。
用语“包括”、“包含”、“具有”及其连接词系指“包括但不限于”。
用语“由…构成”系指“包括但不限于”。
用语“基本上由…构成”系指所述组成物、方法或结构可能包括额外的成分、步骤或组件，但只有当额外的成分、步骤或组件不实质上改变所请求保护的组成物、方法或结构的基本或新颖性特征。
如本文所用的术语“方法”指的是方式、手段、技术和程序用以完成指定目标，包括但不限于所述方式、手段、技术和程序或为已知的、或从化学领域、药学领域、生物领域、生化领域及医学技术领域中从业者已知的方法可轻易得知的方式、手段、技术和程序。
可以理解的是，为清楚起见，本发明的某些特征于不同实施例描述，亦可结合于同一实施例。相反的，为清楚起见，本发明于同一实施例中描述的各种特征，亦可单独地或于任何适合的子组合中或于任何本发明实施例中描述。在各实施例中描述的某些特征不被认为是那些实施例中的必要特征，除非所述实施例中是缺少所述组件而无法运作的。

Claims (20)

1.一种身体部位的物理重建系统，其特征在于，所述物理重建系统包括：
一数字材料，由至少两种具有不同机械特性的成型材料的一组合通过复合材料积层制造法沉积构成，且所述成型材料的组合被配置用以基于每一立体像素模拟身体部位的一机械特性。
2.根据权利要求1所述的物理重建系统，其特征在于，所述至少两种成型材料是基于定义所述身体部位的多个位图影像被沉积而成，且所述位图影像中的各像素是由通过复合材料积层制造法沉积的多个液滴代表，所述多个液滴定义所述数字材料。
3.根据权利要求1所述的物理重建系统，其特征在于，所述数字材料由所述至少两种成型材料之间的一比例定义。
4.根据权利要求1所述的物理重建系统，其特征在于，定义一数字材料的所述至少两种成型材料的一沉积图案为随机或虚拟随机。
5.根据权利要求1所述的物理重建系统，其特征在于，定义一数字材料的所述至少两种成型材料的一沉积图案为一结构化图案。
6.根据权利要求1所述的物理重建系统，其特征在于，所述数字材料由所述至少两种成型材料构成的一定义图案定义。
7.根据权利要求5所述的物理重建系统，其特征在于，所述图案被配置用于提供一所需的机械及/或物理特性。
8.根据权利要求1所述的物理重建系统，其特征在于，所述数字材料被定义在多个层上。
9.根据权利要求1至8任一项所述的物理重建系统，其特征在于，所述成型材料的不同机械特性选自于硬度、弹性、密度、色彩、透明度、吸水率(％)、溶液吸收率(％)、非聚合液体组成及奈米颗粒组成所组成的群组中。
10.根据权利要求1至8任一项所述的物理重建系统，其特征在于，所述至少两种成型材料的其中一种配置成具有一弹性系数为0.01兆帕。
11.根据权利要求1至8任一项所述的物理重建系统，其特征在于，所述至少两种成型材料的其中一种配置成具有一弹性系数为3吉帕。
12.根据权利要求1至8任一项所述的物理重建系统，其特征在于，所述至少两种成型材料包括一硬性或刚性材料和一软性材料，并具有一弹性系数在范围介于0.01兆帕至3吉帕之间变动。
13.根据权利要求12所述的物理重建系统，其特征在于，所述硬性或刚性材料为RGD535TM、RGD525TM或
14.根据权利要求12所述的物理重建系统，其特征在于，所述软性材料为TangoPlusTM、TangoBlackPlusTM、TangoBlackTM或TangoGreyTM。
15.根据权利要求1至8任一项所述的物理重建系统，其特征在于，所述至少两种成型材料的其中一种为液体、凝胶或类似凝胶的材料。
16.根据权利要求1至8任一项所述的物理重建系统，其特征在于，所述至少两种成型材料的其中一种为一液体材料，所述液体材料被配置用于在整个所述复合材料积层制造法的过程中维持一液态。
17.根据权利要求16所述的物理重建系统，其特征在于，所述液体材料为聚乙二醇400(PEG400)。
18.根据权利要求1至8任一项所述的物理重建系统，其特征在于，至少一数字材料由一液体、凝胶或一类似凝胶的材料构成，并且被一较硬的材料围绕。
19.根据权利要求18所述的物理重建系统，其特征在于，所述较硬的材料被配置用于封装所述液体。
20.根据权利要求15所述的物理重建系统，其特征在于，所述液体、凝胶或类似凝胶的材料被配置用于模拟一极软组织及/或多种体液。
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