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CN103153589B - 三维造型模具的制作方法以及医疗、医学培训、科研和教育用支持工具 - Google Patents

三维造型模具的制作方法以及医疗、医学培训、科研和教育用支持工具 Download PDF

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CN103153589B
CN103153589B CN201280003256.7A CN201280003256A CN103153589B CN 103153589 B CN103153589 B CN 103153589B CN 201280003256 A CN201280003256 A CN 201280003256A CN 103153589 B CN103153589 B CN 103153589B
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Kobe University NUC
FASOTEC CO Ltd
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Abstract

本发明提供一种可将医生等专家们对脏器等所掌握的触感进行再现的三维造型模具的制作方法。从医疗用诊断装置取得的二维数据中的亮度信息提取出造型对象物体的生物体部位的三维形状，生成生物体部位以及内部结构部位的三维形状数据。通过造型功能对三维形状数据进行编辑。分别创建生物体部位及其内部结构部位的触感等效参数表。对各个用在生物体部位及其内部结构部位的模具材料的材料类别及混合比例进行定义并追加在触感等效参数表里。将根据触感等效参数表的参数生成的原始形状数据、生物体部位及其内部结构部位数据与原始形状数据进行布尔运算。使用所定义的材料通过三维打印机进行造型。

Description

三维造型模具的制作方法以及医疗、医学培训、科研和教育用支持工具
技术领域
本发明是关于一种利用X射线CT或MRI等医疗用诊断装置取得的医学图像的三维数字化数据，使用复数种原材料进行造型制成三维造型模具的技术。
背景技术
在医疗领域中将患部或身体特定部位进行三维可视化，如在知情同意、决定治疗方案，医疗教育、医学研究等领域的需求在不断增长。特别是利用三维造型模具实现的三维可视化时，不仅是视觉，将立体形状用手进行实际接触观察，可以获得更多计算机图像无法传达的信息。
通常的X射线CT或MRI(磁共振成像)等医疗用诊断仪器的标准采用的是DICOM(数字影像和通信标准)、生成三维形状数据，在此基础上通过层叠式粉末成型机使用石膏基材料，实现高速、高精度的制作出医疗用三维造型模具是已公开的。
但是，还存在着类似有内部结构的肝脏等复杂器官的柔软度的模拟、或者无法向处理器官等医生或护士提供器官等的触感信息等问题。
近年来，随着医疗与工程学的融合·协作的飞速进步，已有提议有效利用先进的工程学计算方法的仿真程序。该仿真程序，将要进行手术对象的生物体部位用多边形构建在计算机屏幕上，模拟类似肝脏等器官的表面。
另一方面，通过同时喷射多种树脂，组合硬质树脂和软质树脂，采用机械性质不同的树脂制作出三维造型模具的三维打印机也已公开。使用该种三维打印机，不仅与该形状结构相关的表面、其内部结构也可以再现出来。但是，可以再现出有着内部结构的肝脏等复杂器官的柔软度、或骨头硬度等装置还很少。
在已公开技术中、在网状结构中支撑造型用模具材料的支撑材料上、将一层有着复数种的模具材料支撑固定在各自的造型位置上，在被固定的一层模具材料上放置下一层的支撑材料，然后在下一层的支撑材料上将下一层的有着复数种类的模具材料支撑固定在各自的造型位置上，依次重复进行模具材料的固定，各层进行叠加后将支撑材料溶解去除，制作出多色·多材料、不同部位其硬度也不同的结构复杂的立体物体的三维造型物体的制作方法已经存在。但是，在特许文献1的方法中， 要制作不同部位硬度不同的模具，需要准备符合该部位硬度或软度的模具材料。
【专利文献1】再表2005／037529号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
传统的三维造型模具的目的,重点一直放在确认形状上。产品设计师或产品设计人员所追求的是可以将流畅的线条或精致的部件进行再现的高精度造型模具。可是，仅靠外形对触感或使用感进行想象是很困难的。需要不仅是形状，该物体的触感、质感等能与现实的物体接近的造型模具。
鉴于上述问题，本发明的目的是在于提供一种使用复数种机械性质不同的材料，利用可以制造三维造型模具的三维打印机,通过对材料进行组合，可以将医生等专家所掌握的对器官等的触感进行再现的三维造型模具的制作方法。
解决问题的方法
为了解决上述课题，本发明的三维造型模具制作方法是通过利用至少使用2种类型的原材料作为模具材料的三维打印机、制作三维造型模具的制作方法，至少包括以下的1)～6)步骤。
1)诊断装置取得的二维数据的亮度信息中提取出造型对象物体的生物体部位的三维形状，生成生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据的形状数据生成步骤
2)功能对生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据进行编辑的形状数据编辑步骤
3)分别对生物体部位以及内部结构部位、创建指定原始形状的至少包括内部结构模式、模式尺寸和模式间隔作为参数的触感等效参数表的表创建步骤
4)分别对生物体部位以及内部结构部位的造型所使用的模具材料的材料类别以及混合比率进行定义、追加在触感等效参数表的材料类别定义步骤
5)根据触感等效参数表的参数生成原始形状数据，将从数据编辑步骤取得的生物体部位及内部结构部位的部位数据与原始形状数据进行并集、差集、交集中的任何一种布尔运算的布尔运算步骤
6)根据布尔运算步骤取得的生物体部位以及内部结构部位的三维形状数据，采用由材料类别定义步骤所定义的材料，使用三维打印机进行造型的造型步骤
在此，医疗用诊断装置指的是CT，MRI，PET（正电子发射计算机断层扫描）等，采用医疗用数字化图像格式和通讯协议标准的DICOM（数字影像和通信标准）、从二维数据的亮度信息中提取造型对象物体的生物体部位的三维形状。
在此，由于MRI图像中软组织的分辨率比CT图像高，可以获取更多组织的物理属性。此外，PET主要是用于癌症诊断等，在制作癌变器官的三维造型模具时，CT／MRI图像一起使用。可以使用CT图像或MRI图像、PET图像中的任意一种，或者是进行组合使用。可以将其中一种用与生物体部位的轮廓，另外一种作为内部结构部位的组织图像使用。
关于上述1)所述的形状数据生成步骤指的是、根据从医疗用诊断装置取得二维数据中的亮度信息提取出造型对象物体的生物体部位的三维形状，生成生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据的形状数据生成步骤。可以通过医疗用诊断装置取得包括DICOM格式的亮度信息的断层图像的点云数据，将这些断层图像进行层叠提取出造型对象物体的生物体部位的三维形状。然后，利用市场上销售的三维图像CAD软件，分别生成生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据。在使用三维图像CAD软件分别生成生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据时，进行调整曲面方向、或删除多余的外壳、或增补缝隙、或细化补丁、平滑轮廓形状等处理，例如用STL(Standard Triangulated Language)数据形式进行数据保存。
接下来，关于上述2)所述的数据编辑步骤指的是、通过造型功能对上述1)步骤中取得的三维形状数据进行编辑。在此，造型功能指的是市场上销售的三维图像CAD软件所具备的功能，包括创建截面形状(包括一部分截面)、或创建平面、曲面、原始形状、或形状切割、添加文字·符号、或添加标记符号等功能。
在所述形状数据编辑步骤中，作为优先，至少具备标准文字·符号的添加处理、标记符号的添加处理、尺寸符合的添加处理、条形码的追加处理等功能。本发明的三维造型模具，目的是在医疗领域中将患部或身体的特定部位进行三维可视化，设想使用在知情同意、决定治疗方案、医疗教育、医学研究等场合。将文字·符号添加在三维形状数据上，比如将患者等的个人信息或拍摄日期等可以作为文字信息附加在三维造型模具上。此外，可将标记符号添加在三维形状数据上，比如在知情同意、决定治疗方案时可以将有用的信息附加在三维造型模具上。此外，可将条形码添加在三维形状数据上，比如可将患者的信息附加在三维造型模具上。
接下来，关于上述3)所述的表创建步骤指的是、对各个生物体部位及内部结构 部位分别创建触感等效参数表的步骤。在此，触感等效参数表指的是对生物体部位及其内部结构部位的触感进行再现时所需的信息数据。具体讲是，在触感等效参数表中，指定原始形状的包括内部结构模式定义和、该模式的尺寸定义和、该模式的间隔定义。
在此，生物体部位指的是包括人类或动物、植物等生物体组织。例如，以人类为例，肝脏或心脏等器官可列入生物体部位。其他，狗或猫的宠物等的器官或植物的果实也可列入。此外，内部结构部位指的是生物体组织的内部的结构部位，例如骨头或脂肪或血管等。
此外，指定原始形状的内部结构模式定义是将圆柱体或长方体等原始形状的识别号作为内部结构进行定义。在此，原始形状包括圆柱体、椭圆形、矩形、长方体、棱柱、球体、楔形体、棱锥、圆锥等与几何学相关的基本形状和、将基本形状进行组合的组合形状或独特形状等应用形状。
此外，模式尺寸定义指的是原始形状物体的大小，例如，如果是球体的话就以半径来定义，长方体的话就用高、宽、厚度来定义。此外，模式间隔定义指的是各个原始形状物体的配置间隔，例如相邻原始形状物体就以重心间的距离或侧面间的距离来定义。
接下来，关于上述4)所述的材料类别定义步骤指的是、分别对用于生物体部位及内部结构部位造型用的模具材料的材料类型和混合比例进行定义并追加在触感等效参数的步骤。
在此，所谓原材料，例如树脂是最适用的。树脂可以选择硬质或软质树脂等。但是，并不限定于树脂，石膏粉末、塑料粉末、金属粉末、蜡也是可以的。例如，假设以树脂作为原材料使用时，会受到三维造型所使用的三维打印机的限制，有可能无法自由选用所需树脂。因此，对材料的混合比例进行定义、实现树脂的混合。
此外，模具材料指的是形成三维造型模具形状的造型用材料。此外，支撑材料指的是模具材料在造型时需要的支撑材料。模具材料有半透明、着色、柔韧性、刚度等多种材料。另一方面，所使用的支撑材料在材料硬化后可以简单去除。要从造型物体上去除支撑材料时可使用超声波清洗机或裂解液等。模具材料或支撑材料，比如丙烯酸树脂是比较适用。要对周围被其他结构包围住的内部结构进行造型时，使用支撑材料作为上述原材料进行造型也是可行的。
此外，对混合比率进行定义指的是，例如使用可以同时喷射2种树脂的模具材 料的三维打印机时，对树脂的混合比例进行控制，可获得理想的硬度或柔软度。
此外，关于模具材料，作为优选，至少有1种是由透光性材料构成。通过透光性材料可观察到透明的内部结构、实现提高空间意识。作为比较容易把握内部结构的材料，对知情同意、决定治疗方案、医疗教育，医学研究等场合时提供帮助，本发明的模具材料至少有1种是由透光性材料构成。
接下来，关于上述5)所述的布尔运算步骤指的是、通过触感等效参数表的参数生成的原始形状数据，将数据编辑步骤中取得的生物体部位及其内部结构部位的部位数据、与原始形状数据中进行并集，差集，交集中任意一种的布尔运算步骤。
在此，布尔运算指的是在三维计算机图形或CAD中，对具有相同体积的物体执行并集、差集、交集运算进行造型的运算方法。此外，并集是和其他形状成为一体的运算方法，差集是削减其他形状的运算方法，交集是留下与其他形状的重叠部分的运算方法。
本发明的特征是，为了让造型模具使用的材料的硬度接近实物触感，对感触等效参数表进行定义、通过执行相应的布尔运算，对接近实物触感的材料进行定义。
接下来，关于上述6)所述的造型步骤指的是、根据布尔运算步骤取得的生物体部位以及内部结构部位的三维形状数据、采用材料类别定义步骤所定义的材料通过三维打印机进行造型的步骤。
三维打印机是对三维物体进行造型的打印机，有使用光固化的丙烯酸类树脂的紫外线固化型喷墨方式、还有使用ABS树脂的热熔化层压方式、还有使用粉末的固定方式，并不限定上述方式的打印机，只要是可以使用复数种材料进行三维造型的打印机都是可以的。
此外，模具材料所使用的原材料，作为优选，最好是选择可以控制颜色、透明度、高软质、X线透视透明度、超声波的灵敏度、闪光的灵敏度、热丝的灵明度、导电性能等参数的材料。
此外，在所述三维造型模具的制作方法中所涉及的形状数据生成步骤中，将内部结构部位的三维形状尺寸缩小至小于生物体部位的内部结构部位的体积，这样能从生物体部位中只抽取出内部结构。将内部结构部位的三维形状尺寸缩小后所产生的缝隙部分在进行造型时填充支撑材料，等固化后去除。
例如，将生物体部位分割成2部分、可以从2部分的断面部分只抽取出内部结构。这样可以只对内部结构进行更详细的确认。
在所述本发明的三维造型模具的制作方法中，若要对生物体部位以及内部结构部位中的任意一个部位赋予软质感触时，在布尔运算步骤中，将所定义的第1软质材料的部位数据与所定义的第2软质材料的原始形状数据进行并集运算。
将所定义的第1软质材料的部位数据与所定义的第2软质材料的原始形状数据进行并集运算指的是、比如在像支撑材料的柔软材料里添加类似橡胶的柔软材料。所需的柔软度或切割·切开感使用混合了橡胶的模具材料制成的原始形状、再现接近实际柔软度的触感。
如上所述，原始形状的种类包括圆柱体、椭圆形、矩形、长方体、棱柱、球体、楔形体、棱锥、圆锥等与几何学相关的基本形状和、将基本形状进行组合的组合形状或独特形状等应用形状，有多种多样。通过调整所述原始形状的种类或大小、混合个数·量、混合方法、获得所需柔软度的触感。
这些主要用于再现脂肪、肌肉、血管等柔软组织的感觉。
在所述本发明的三维造型模具的制作方法中，若要对生物体部位及其内部结构部位中的任意一个部位赋予软质感触时，在布尔运算步骤中，将所定义的第1软质材料的部位数据与、材料未定义的原始形状数据进行差集运算。在与材料未定义的原始形状数据进行差集运算时，原始形状数据会自动定义支撑材料。如果原始形状的部位是密封的内部结构，就无需清洗去除支撑材料。因此，将支撑材料的柔软特性附加在整体形状内部的特性。另一方面，如果原始形状的部位不是密封的内部结构，例如，如果是格子状部位里面有缝隙的结构时，需要进行洗净去除支撑材料，原始形状的部位为空。例如，在类似橡胶的柔软的模具材料所形成的部位中去除原始形状。从所需的柔软度或切割·切开感使用混合了橡胶的模具材料制成的部位去除原始形状，实现再现接近实际柔软度的触感。通过调整所述原始形状的种类或大小、混合个数·量、混合方法、获得所需柔软度的触感。
这些主要用于再现脂肪、肌肉、血管等柔软组织的感觉。
在所述本发明的三维造型模具的制作方法中，若要对生物体部位以及内部结构部位中的任意一个部位赋予软质感触时，在布尔运算步骤中，将所定义的第1硬质材料的部位数据与所定义的第2硬质材料的原始形状部位数据进行并集运算。
将所定义的第1硬质材料的部位数据与所定义的第2硬质材料的原始形状部位数据进行并集运算指的是往硬的造型材料中加入更硬的造型材料。将实际所需硬度通过混合硬质造型材料制成的原始形状、可再现与实际硬度等效的触感。通过调整 原始形状的种类或大小、混合个数·量、混合方法，达到所需的软硬感觉。
这些主要用于再现骨头等硬组织的感觉，或是对再现切割·切开感时有用。
在所述本发明的三维造型模具的制作方法中，若要在对生物体部位以及内部结构部位中的任意一个部位赋予软质感触时，在布尔运算步骤中，将所定义的第1硬质材料的部位数据与材料未定义的原始形状部位数据进行差集运算。
将所定义的第1硬质材料的部位数据与材料未定义的原始形状部位数据进行差集运算指的是将硬质材料制成的形状部位里面的内存物以精致的原始形状拉出。可再现接近实际切割·切开感的等效的触感。通过调整原始形状的种类或大小、拉出个数·量、拉出方法，达到所需的软硬感觉。
这些主要用于再现骨头等硬组织的感觉，或是对再现切割·切开感时有用。
接下来，就对制作三维造型模具时特别有用的生物体部位、内部结构的定义进行说明。
在所述本发明的三维造型模具制作方法中涉及的表创建步骤中，当生物体部位是肝脏时，从肝实质、肝静脉、门脉、胆管、病变部位中选择1个以上的部位作为所述内部结构部位，并对所选部位进行内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
当生物体部位是肝脏时，作为优选，至少对肝动脉、肝静脉、门静脉、还有病变部位进行定义。如果对肝实质、胆管也进行定义的话会更理想。
此外，在上述本发明的3维造型模具制作方法中涉及的表创建步骤中，当生物体部位是孕妇腹部时，从子宫、胎儿、挤带、胎盘、羊水、血管、皮下脂肪中选择1个以上的部位作为内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
通过再现怀孕期间的胎儿的触感的造型，可作为出生前诊断或剖腹产时的安全确认或、在出生时脐带是否缠住胎儿的脖子时进行判断、出生过程的确认等。此外，所制做的三维造型模具可作为分娩后的纪念制成造型纪念册。
此外，在所述本发明的三维造型模具制作方法中涉及的表创建步骤中，当生物体部位是乳房部位时，从皮下脂肪、乳腺、乳管、淋巴管、淋巴结、乳房肿瘤中选择1个以上的部位作为内部结构，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。作为优选，除了对皮下脂肪、乳腺、乳房肿瘤进行定义，也对淋巴管进行定义会更理想。
通过再现乳房肿瘤部位的硬度，可作为医学教育的一个环节，对乳房肿瘤的检查的培训或实际对患者进行病情说明时使用。
此外，在上述本发明的3维造型模具制作方法中涉及的表创建步骤中，当所述生物体部位是四肢部位时，从构成四肢关节的皮肤、皮下脂肪、动脉、静脉、肌肉、骨、腱中选择1个以上的部位作为所述内部结构，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
通过再现皮肤、内部的皮下脂肪或血管的柔软度的触感，可作为医生或护士等在注射、抽血的培训时使用。
此外，所制做的三维造型模具可作为义肢或义足使用。
此外，在所述本发明的三维造型模具制作方法中涉及的表创建步骤中，当生物体部位是喉咙部位时，从食道、气管、软骨中选择1个以上的部位作为内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
通过再现食道、气管的形状和触感，可作为医生或护士等对肺炎患者进行插入吸气管的培训时使用。
此外，在上述本发明的三维造型模具制作方法中涉及的表创建步骤中，当生物体部位是脸部时，从皮肤、皮下脂肪、肌肉、软骨、骨、血管中选择1个以上的部位作为内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
可作为对脸部的美容整形外科手术前的确认。
此外，在所述本发明的三维造型模具制作方法中涉及的表创建步骤中，当生物体部位是牙齿和牙龈部位时，从牙齿、齿肉、齿槽骨、血管、神经、颧骨肌肉、舌中选择1个以上的部位作为内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
在所述本发明的三维造型模具制作方法中涉及的表创建步骤中，当生物体部位是消化管部位时，从消化管内壁或消化管外壁中选择1个以上的部位作为内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
此外，在上述本发明的3维造型模具制作方法中涉及的表创建步骤中，当生物体部位是头部时，从毛发、眼球、脑、脑血管、皮肤、皮下脂肪、肌肉、耳软骨、鼻软骨、头盖骨中选择1个以上的部位作为内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
可作为对脸部的美容整形外科手术前的确认。
此外，从本发明的其他观点来看，也提供一种将根据所述三维造型模具的制作方法制成的三维造型模具按照所定厚度进行切片后的切片模具、或是将切片后的切片模具进行层叠还原到原来的形状、并通过轴自由的来回绕轴转动的医疗、医学培训、科研和教育用支持工具。
将制成的三维造型模具切片后的各个部位进行层叠，可以同时掌握整体形状和断面结构，作为诊断或医疗培训支持工具是有用的。
此外，从本发明的其他观点来看，提供一种从医疗诊断装置取得的二维数据的亮度信息中抽取出造型对象物体的生物体部位的三维形状、生成生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据的形状数据生成步骤和、对通过造型功能取得的三维形状数据进行编辑的形状数据编辑步骤和、对各个生物体部位及其内部结构部位造型使用的模型材料的材料类别和混合比例进行定义并追加在触感等效参数表的材料类别定义步骤和、使用材料类别定义步骤所定义的材料通过三维打印机进行造型的造型步骤，利用一种至少使用2种类型的原材料作为模具材料的三维打印机的三维造型模具的制作方法，将根据该方法制得的三维造型模具按照一定厚度切片后的切片模具层叠成原来的三维形状、并通过轴自由的来回绕轴转动的医疗、医学培训、科研和教育用支持工具。
将制成的三维造型模具切片后的各个部位进行层叠、可以同时掌握整体形状和断面结构，作为诊断或医疗培训支持工具是有用的。
接下来，就本发明的三维造型模具的制作程序进行说明。
本发明的三维造型模具制作程序是通过一种至少使用2种类型的原材料作为模具材料的三维打印机制作三维造型模具的制作程序、通过计算机运行以下a)～e)的程序。
a)根据从医疗用诊断装置取得二维数据中的亮度信息提取出造型对象物体的生物体部位的三维形状，生成生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据的形状数据生成程序
b)对通过造型功能对生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据进行编辑的形状数据编辑程序
c)分别对生物体部位及其内部结构部位创建指定原始形状的至少包括内部结构模式、模式尺寸和模式间隔作为参数的触感等效参数表的表创建程序
d)提示输入各个生物体部位以及内部结构部位造型所使用的模具材料的材料类别及混合比例进行定义，追加定义在触感等效参数表的材料类别定义程序
e)根据触感等效参数表的参数生成原始形状数据，将数据编辑步骤取得的生物体部位以及内部结构部位的部位数据与原始形状数据进行并集、差集、交集中的任意一种布尔运算的布尔运算程序
通过计算机运行上述的a)～e)程序，可以有效利用从医疗诊断装置取得的图像数据生成触感接近的造型模具的造型数据。通过上述的e)的布尔运算程序取得的生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据和、将上述d)的材料类别定义程序所定义的材料数据发送到三维打印机，通过三维打印机制成接近触感的三维造型模具。
发明效果
发明通过至少使用2种类型的原材料作为模具材料的三维打印机、可制作出与医生等专家所掌握的对器官等的触感等效的造型模具。
由此，比如在诊断时，肝脏器官的三维造型模具对病理进行三维的评价，可有效的用于诊断·决定治疗方案以及治疗效果的判定。特别是对手术前决定切除部位或决定手术方案都是有帮助的。此外，可以有效用在以手术为主的诊断治疗技术的实践。还有在器官移植手术中，作为替代器官应用在有容量依赖型的技术中。也可用于对患者或患者家属进行说明。
此外，在实际的外科手术现场，要进行手术的部位因为血液或其他器官的影响造成视野受阻，在很多情况下需要依靠触感和经验。在这种情况下，事先准备好再现了患者的部位及其形状和触感的三维造型模具，医生通过目视确认造型模具，在确认完治疗部位的形状及其触感后，实际可放心的对患者实施治疗手术。
并且，在医学教育方面，实际接触根据本发明制作的三维造型模具，可以理解器官的立体结构或其触感，特别是可以模拟体验触感。
附图说明
【图1】本发明所述的三维造型模具的制作方法的流程图。
【图2】实施例1所述的三维造型模具的制作装置的结构图。
【图3】实施例1所述的三维造型模具的制作方法的流程图。
【图4】实施例1所述的三维造型模具制作装置中所搭载的程序的说明图。
【图5】一个三维造型模具的例子。
【图6】肝脏的三维造型模具的触感等效参数表的说明图。
【图7】骨头的三维造型模具的触感等效参数表的说明图。
【图8】一个骨头的三维造型模具的例子。
【图9】一个肌肉的三维造型模具的例子。
【图10】医疗、医学培训、科研和教育用支持工具的外观图。
【图11】肝脏模型的外观图。
【图12】孕妇腹部模具的外观图。
【图13】脸部模具以及上半身的外观图(1)。
【图14】脸部模具以及上半身的外观图(2)。
【图15】骨头模具的说明图。
具体实施方式
以下，就本发明的实施形态一边参照图面进行详细说明。此外，本发明的范围，不限定于以下的实施例或图示例，可以有其他的变更。
图1示意的是本发明所述的三维造型模具的制作方法的流程图。如图1所示的，本发明所述的三维造型模具的制作方法实施以下的步骤1～步骤6中的S1～S8。在此，S2～S3是为了实现三维形状可视化所进行的设定，S4～S7是为了达到触感等效而进行的设定。
＜步骤1:形状数据生成步骤11＞
（S1）从医疗用诊断装置取得的二维数据的亮度信息中提取出造型对象物体的三维形状。
从CT或MRI装置中提取出包括DICOM格式的亮度信息的断层图像的点云数据(像素点云数据),将这些断层图像进行层积提取造型对象物体的生物体部位的三维形状。
（S2）生成生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据。
利用市场上销售的三维图像CAD软件，对生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据进行调整曲面方向、删除多余外壳、增补缝隙、细化补丁、平滑轮廓形状等处理、生成STL数据形式的数据。
＜步骤2:形状数据进行编辑步骤12＞
（S3）通过造型功能对三维形状数据进行编辑。
利用市场上销售的三维图像CAD软件，通过添加文字·符号，可将患者等的个人信息或拍摄日期等以文字信息添加在三维形状数据里。通过添加标记符号，可将决定的治疗方案等有用的信息添加在三维形状数据里。通过添加定标尺，实际进行手术时将有用的信息添加在三维形状数据里。通过添加条形码，可将患者信息添加在三维形状数据里。
＜步骤3：表创建步骤13＞
（S4）对各个生物体部位及内部结构创建触觉等效参数表。
利用市场上销售的三维图像CAD软件，生成触感等效参数表。触感等效参数表对指定原始形状进行内部结构模式定义和、模式尺寸定义和、模式间隔定义。事先准备一定的模式，用户可根据模式号码等进行选择。
＜步骤4:材料类别定义步骤14＞
（S5）对各个生物体部位及其内部结构部位造型使用的模具材料进行材料类别及混合比例的定义。
此外，原材料采用树脂作为模具材料使用时，可以在能控制颜色、透明度、高软质、X线透视透明度、超声波的灵敏度、闪光的灵敏度、热丝的灵明度、导电性能等参数的各种树脂中进行选择。此外，支撑材料也可作为造型用的模具材料使用。
可同时喷射2种类型树脂的模具材料时，在选择2种模具材料使用的树脂的同时，也对混合比例（例如，树脂Ａ:树脂Ｂ＝1:3）进行定义。
＜步骤5:布尔运算步骤15＞
(S6)根据触感等效参数表中的参数生成原始形状数据。
根据触感等效参数表的数据决定原始形状。原始形状有使用模具材料制成的和、不用模具材料制成而是用支撑材料制成的、也有将支撑材料去除后从模具形状中取出原始形状。
(S7)将生物体部位·内部结构部位的部位数据与原始形状数据进行布尔运算。
对使用模具材料或支撑材料制成的部位数据，增加或去除原始形状。
＜步骤6:造型步骤16＞
（S8）使用所定义的材料通过三维打印机进行造型。
有效利用市场上销售的三维打印机制作三维造型模具。例如，所使用的三维打印机，可使用OBJET社制造的三维打印机。通过所需三维造型模具的内部结构的各个三维形状数据和所定义的材料使用三维打印机进行造型。
【实施例1】
图2示意的是关于实施例1所涉及的三维造型模具的制作装置的结构图。如图2所示的，三维造型模具的制作装置指的是具备中央处理器1、存储部3、显示部6、输入部5、硬盘驱动器7的一般的计算机。更具体说就是，输入部5是键盘和鼠标、显示部6是液晶显示屏。存储部3是记忆存储数据、具备三维形状数据等CAD数据存储部31和、布尔运算所需的原始形状数据存储部32和、触感等效参数存储部333。三维形状模具设计部2指的是程序，从硬盘驱动器7读取到存储部3由计算机运行。
在三维形状模具设计部2中，通过显示部6提示用户输入树脂类别的树脂种类输入部21和、提示输入作为触感等效参数的主要构成要素的内部结构参数输入部22和、进行布尔运算的布尔运算部23。
图3示意的是实施例1所涉及的关于三维造型模具的制作方法的流程图。
如图3所示的，三维造型模具的制作方法的流程由可视部分的设定（S12～S14）和触感类似部分的设定（S21～S23）的2部分构成，这2个部分同时进行设定。
首先，从CT／MRI装置的输出数据（DICOM数据）的亮度信息中提取出造型对象物体的生物体部位的三维形状进行数据化（S11）。接着，关于可视化部分的设定，对各个人体部位及其内部器官生成STL数据（S12）。修改STL数据（S13）。通过造型功能对STL数据进行编辑（S14）。在图3所示的流程中，S13和S14都有实施。另外，省略S13只实施S14也是可以的。
此外，关于触感类似部分的设定，将各个生物体部位及内部结构部位的内部构造，包括内部结构模式、模式尺寸、模式间隔定义在触感等效参数表（S21）。将各个生物体部位及其内部结构部位造型使用的树脂类别和混合比例定义在触觉等效参数表（S22）。
完成可视化部分的设定和感触类似部分的设定后，进行布尔运算（S23）。将布尔运算后的三维形状数据发送到三维打印机开始进行三维造型模具的造型（S15）。
此外，图4示意的是实施例1所涉及的三维造型模具制作装置所搭载的程序的说明图。
从CT或MRI装置(CT／MRI装置41)导入DICOM数据42。根据形状数据生成程序(S41)以STL数据文件格式保存在计算机内部的硬盘驱动器。使用市场上销售的三维形状软件读入STL数据，通过造型功能对形状数据进行编辑(形状数据编辑步 骤:S42)。
此外，在完成上述操作后，或者是同时进行上述操作，在计算机终端使用市场上销售的制表软件45，创建触感等效表(表创建程序:S43)。此外，输入树脂类别或混合比例表。
树脂类别定义程序:S44）。根据S43和S44，创建触感等价参数的数据库（D／B）。然后，根据布尔运算步骤制得所需的三维造型模具。
图5示意的是一个三维造型模具的例子。图5(1)是将肝脏的三维造型模具的一部分进行扩大后的图像。上面标有关于患者信息的标准文字·符号51。此外，图5(2)中，在三维造型模具内部中嵌入定标尺5的样子。除了类似定标尺等的寸法标记以外，也可嵌入条形码。
图6示意的是关于肝脏的三维造型模具的触感等效参数表的说明图。
图6(1)将1个正常肝脏三维造型模具时所需的内部结构参数的例子通过表进行说明的。此外图6(2)将1个肝脏的截面图的三维造型模具所需的内部结构参数的例子通过表进行说明。图6(3)将1个肝癌的三维造型模具所需的内部结构参数的例子通过表进行说明。
根据图6(1)的表中数据所示，由肝实质、肝静脉和门静脉作为肝脏内部结构，使用树脂A和树脂B的2种材料制造三维造型模具。肝实质、肝静脉和门静脉使用树脂A或树脂B中的任意一种，或者是树脂A和树脂B混合的树脂进行造型。具体是，肝实质用树脂A(树脂A和树脂B以1对0混合)进行造型，肝静脉用树脂B（树脂A和树脂B以0对1混合）进行造型，门静脉使用树脂A和树脂B以3对1的比例混合成的混合树脂进行造型。肝实质、肝静脉和门静脉的三维形状的进行并集的布尔运算，制成肝脏模具。
此外，关于各个内部结构，如图6(1)所示的以内部结构模式、模式尺寸、模式间隔作为参数。例如，肝实质一边1.5mm的立方体有0.5mm的间隔的内部结构模式。将该内部结构模式与肝实质的三维形状进行并集或差集的布尔运算，可制得与实物的触感接近的模具。如果是并集的布尔运算时，以模具材料作为内部结构模式的树脂作使用。如果是差集的布尔运算时，以支撑材料作为内部结构的树脂使用。
图6(2)的表中数据与图6(1)的表中数据相同。图6(2)是肝脏的截面图的三维造型模具、从截面部分可以对内部结构进行详细观察。内部结构的各个造型模具的截面部分都露在外部，全部使用模具材料进行造型。例如支撑材料无法作为原材料 进行造型。
根据图6(3)的表中数据所示，包括图6(1)的表中数据在内，还追加了癌症的病变部位数据。根据图6(3)的表中数据所示，癌症部位的材料采用支撑材料。由于癌症周围整体被肝实质包围着，使用支撑材料对癌症部位进行造型。
图7示意的是骨头的三维造型模具的触感等效参数表的说明图。此外，图8和图9，分别示意的是一个骨头和肌肉的三维造型模具的例子。
图7(1)(a)示意的是正常骨头的造型模具图像。此外，图7(1)(b)的表示意的是一个正常骨头的造型模具的触感等价参数表的例子。根据图7(1)(b)，将为原始形状的内部结构模式定义为立方体。模式尺寸为1.5mm、模式间隔为1mm。使用的树脂是，将树脂A和树脂B经过1对1比例混合的树脂。
这种情况，生物体部位的骨头本身形状是采用树脂A和树脂B经过1对1比例混合的树脂建成，如果是与原始形状的立方体的差集，去除立方体骨头，制成与骨头硬度等效的造型模具。在此，模式尺寸为立方体的一边的长度。此外模式间隔为立方体的侧面与侧面的间隔。
图7(2)(c)示意的是患有骨质疏松的骨头的造型模具图像。此外，图7(2)(d)示意的是一个患有骨质疏松的骨的造型模具的触感等价参数表的例子。根据图7(2)(d)，将为原始形状的内部结构模式定义为立方体。模式尺寸为4mm、模式间隔为0.5mm。使用的树脂是将树脂A和树脂B经过1对1比例混合的树脂。
这种情况，生物体部位的骨头本身形状是采用树脂A和树脂B经过1对1比例混合的树脂建成，提取与原始形状的立方体的差集，去除立方体，制成与骨头硬度等效的造型模具。
在此，模式尺寸为立方体的一边的长度。此外模式间隔为立方体的侧面和侧面的间隔。
患有骨质疏松的骨头的造型模具与正常骨头的造型模具比起，所去除的原始形状的体积大，并且间隙变大以调节硬度。
图8示意的是骨头模具61的垂直于长度方向的截面(图8(2))和内部结构的概念图(图8(3))。骨模具61的截面图是只用树脂C形成的截面模样（图8(2)(a))和、通过变换原始形状尺寸提取差集的截面模样（图8(2)(b)～(d))。这种情况，如果没有定义原始形状的材料，会自动定义支撑材料进行造型，等模具材料硬化后支撑材料会被去除，结果是只去除原始形状的尺寸大小部分。因此，随着图图8(2)(a) 至图8(2)(d)的变化，骨模具的硬度会逐渐变脆弱。
图9示意的是肌肉模具62垂直于长度方向的截面（图9（2））与内部结构的概念图（图8（3））。肌肉模具62的截面图，只用支撑材料形成的截面模样（图9（2）（a））和、通过变化比支撑材料硬的树脂C构成的原始形状的模式间隔提取并集后的截面模样（图9（2）（b）～（d））。图9（2）（a）柔软度最高，随着图9（2）（b）至图9（2）（d）的变化，原始形状的结构模式增多，肌肉模具也会逐渐变硬。
图10示意的是医疗、医学培训、科研和教育用支持工具的外观图。将根据本发明的三维造型模具制作方法制得的关于人体的躯体周围至胸部周围的三维造型模具按照一定厚度进行切片后的模具73。脊椎和肺部的截面可以得到确认。将这些切片后的模具还原到原来的三维形状视为层叠物70，通过相当于脊椎的轴71自由回转在轴71。由此，可同时掌握整体形状和截面结构，可有效应用在诊疗支持或作为医学培训的支持工具。
图11意的是肝脏模具的外观图。形状整体为肝实质80，肝实质80使用透光性树脂制成。在肝实质80内部可以确认有肝静脉等的内部结构形状。肝实质80的模具材料采用软质的透光性树脂，为了使肝实质80可以与实物触感更加接近，根据触感等价参数对肝实质80的内部设定内部结构模式。
此外，图12示意的是孕妇腹部模具的外观图。形状整体呈现的是孕妇的腹部切出形状。孕妇的腹部91采用透光性树脂制成。从该模具可以确认孕妇的腹部91及其内部存在胎儿91的样子。关于胎儿的模样，其形状、大小、所处方向、手脚的样子、腹部的形状中的位置关系是一目了然。
孕妇的腹部91的模具材料采用软质的透光性树脂，为了使孕妇的腹部91更加接近实物触感，根据触感等价参数对胎儿92的内部设定内部结构模式。
图13和图14示意的是脸部模型以及上半身的外观图。101是头盖骨、102是耳软骨、103是鼻软骨、104是肱、105是心脏。此外，还可确认到肋骨、胸骨、其他骨、牙齿、肺等部位。从头部至上半身、臂膀部位，整体的皮肤以及耳朵，鼻子的软骨部分采用透明树脂进行造型的。此外，内部结构的头盖骨或肋骨，胸骨等骨头部采用硬质树脂造型的。此外，心脏使用软质树脂造型。各个造型模具，为了更加接近实物触感，根据触感等价参数对其内部设定内部结构模式。
图15示意的是骨头模具的说明图。如图15所示的骨头模具，骨头表面分有成皮质骨部分110及其内部的松质骨部分（112，114）构成。松质骨部分分成松质骨 表面部分112（与皮质骨相邻的一定厚度部分）和松质骨内部部分114。皮质骨部分110是用硬质树脂造型。为了使皮质骨部分110的硬度与实物触感更加接近，根据触感等效参数，在其内部设定内部结构模式。
此外，松质骨表面部分112设有与皮质骨部分110不同的内部结构模式。此外，松质骨内部114最为脆弱，为了使该触感与实物触感更加接近，根据触感等效参数，设有内部结构参数。如图15（b）所示，松质骨内部114，内部结构模式的原始形状被去除呈格子状。
目前，使用根据本发明制作的三维造型模具，在与大学附属医院合作中已经证实在医疗领域中可以缩短治疗时间等。当骨盆骨折时实施植入结合手术，对已实施5例进行评级，通常需要6～7小时的手术，可缩短至5～6小时（也就是说缩短1个小时）。缩短手术时间，可减轻患者负担，另外也手术后的恢复也很乐观的。今后，在各种医疗现场，根据本发明制造的三维造型模具应该是可以得到很好的应用。
工业应用性
根据本发明制作的三维造型模具，对知情同意、决定治疗方案、诊疗支援、医学教育或医学研究或一般的教育支持工作都是有帮助的。通过体验模拟触感，作为解剖学或外科学的教材也是很有用的。例如，用类似橡胶的软质树脂制成的血管和实际器官，不仅可以对立体解剖实际用手接触掌握提供支持，设置在拉帕洛手术用训练模拟器内，作为显微镜下的非常好的模拟训练。
图中符号说明
11      形状数据生成步骤
12      形状数据编辑步骤
13      表创建步骤
14      材料类别定义步骤
15      布尔运算步骤
16      造型步骤
51      标准文字·记号
52      定标器
61      骨头模型
62      肌肉模型
70      层积物
71      轴
73      按照一定厚度进行切片后的模具
80      肝实质
91      孕妇的腹部
92      胎儿
101     头盖骨
102     耳软骨
103     鼻软骨
104     肱
105     心脏
110     骨皮质部分
112     松质骨的表面部分
114     松质骨内部

Claims (19)

1.一种三维造型模具的制作方法，其特征在于，
是利用一种至少使用2种类型的原材料作为模具材料的三维打印机、制作三维造型模具的制作方法、至少包括：
1)从医疗用诊断装置取得的二维数据中的亮度信息提取出造型对象物体的生物体部位的三维形状，生成生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据的形状数据生成步骤和、
2)通过造型功能对生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据进行编辑的形状数据编辑步骤和、
3)分别对所述生物体部位以及所述内部结构部位、
创建指定原始形状的至少包括内部结构模式、模式尺寸和模式间隔作为参数的触感等效参数表的表创建步骤和、
4)分别对所述生物体部位以及所述内部结构部位的造型所使用的模具材料的材料类别以及混合比率进行定义、追加在所述触感等效参数表的材料类别定义步骤和、
5)根据所述触感等效参数表的参数生成原始形状数据，将所述数据编辑步骤取得的生物体部位及内部结构部位的部位数据与所述原始形状数据进行并集、差集、交集中任意一种布尔运算的布尔运算步骤和、
6)根据所述布尔运算步骤取得的生物体部位以及内部结构部位的三维形状数据，采用由所述材料类别定义步骤所定义的材料、使用所述三维打印机进行造型的造型步骤构成的三维造型模具的制作方法。
2.根据权利要求1所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
所述模具材料，至少是由1种的透光性材料形成的。
3.根据权利要求1所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
所述形状数据编辑步骤至少包括文字·记号的追加处理、标记符号的追加处理、定标器的追加处理、条形码的追加处理。
4.根据权利要求1所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述形状数据生成步骤中，将所述内部结构部位的三维形状尺寸缩小至小于所述生物体部位的内部结构部位的体积。
5.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
如果要对生物体部位以及内部结构部位中的至少1个部位赋予软质触感时，在所述布尔运算步骤中，将所定义的第1软质材料的部位数据与未定义材料的原始形状数据进行并集运算，或是将所定义的第1软质材料的部位数据与未定义材料的原始形状数据进行差集运算。
6.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
如果要对生物物体部位以及内部结构部位中的至少1个部位赋予硬质触感时，在所述布尔运算步骤中，将所定义的第1硬质材料的部位数据与所定义的第2硬质材料的原始形状数据进行并集运算，或是将所定义的第1硬质材料的部位数据与未定义材料的原始形状数据进行差集运算。
7.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
如果要对生物体部位以及内部结构部位中的至少1个部位赋予硬质触感时，在所述布尔运算步骤中，将所定义的第1硬质材料的部位数据与所定义的第1软质材料的原始形状数据进行并集运算，或者是进行差集运算。
8.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述表创建步骤中，当所述生物体部位是肝脏时，从肝实质、肝静脉、门脉、胆管、病变部位中选择1个以上的部位作为所述内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
9.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的3维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述表创建步骤中，当所述生物体部位是孕妇腹部时，
从子宫、胎儿、脐带、胎盘、羊水、血管、皮下脂肪中选择1个以上的部位作为所 述内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
10.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述表创建步骤中，当所述生物体部位是乳房部位时，
从皮下脂肪、乳腺、乳管、淋巴管、淋巴结、乳房肿瘤中选择1个以上的部位作为所述内部结构，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
11.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述表创建步骤中，当所述生物体部位是四肢部位时，
从构成四肢关节的皮肤、皮下脂肪、动脉、静脉、肌肉、骨、腱中选择1个以上的部位作为所述内部结构，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
12.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述表创建步骤中，当所述生物体部位是喉咙部位时，
从食道、气管、软骨中选择1个以上的部位作为所述内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
13.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述表创建步骤中，当所述生物体部位是脸部时，
从皮肤、皮下脂肪、肌肉、软骨、骨、血管中选择1个以上的部位作为所述内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
14.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述表创建步骤中，当所述生物体部位是牙齿和牙龈部位时，
从牙齿、齿肉、齿槽骨、血管、神经、颧骨肌肉、舌头中选择1个以上的部位作为所述内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
15.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述表创建步骤中，当所述生物体部位是消化管部位时，
从消化管内壁或消化管外壁中选择1个以上的部位作为所述内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
16.根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法，其特征在于，
在所述表创建步骤中，当所述生物体部位是头部时，
从毛发、眼球、脑、脑血管、皮肤、皮下脂肪、肌肉、耳软骨、鼻软骨、头盖骨中选择1个以上的部位作为所述内部结构部位，并对所选部位进行所述内部结构模式定义、模式尺寸定义、模式间隔定义。
17.一种医疗、医学培训、科研和教育用支持工具，其特征在于，
将根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法所制得的三维造型模具型按照一定厚度进行切片。
18.一种医疗、医学培训、科研和教育用支持工具，其特征在于，
将根据权利要求1～3中任意一个权利要求项所记载的三维造型模具的制作方法所制得的三维造型模具按照一定厚度切片后的切片模具层叠成原来的三维形状、并通过轴自由的来回绕轴转动。
19.一种医疗、医学培训、科研和教育用支持工具，其特征在于，具备
通过医疗用诊断装置取得的二维数据中的亮度信息提取出造型对象物体的三维形状数据，生成生物体部位及其内部结构部位的三维形状数据的形状数据生成步骤和、对通过造型功能取得的所述三维形状数据进行编辑的形状数据编辑步骤和、 分别对所述生物体部位以及所述内部结构部位造型使用的模具材料的材料类别以及混合比例进行定义、并追加在触感等效参数表的材料类别定义步骤和、采用所述材料类别定义步骤所定义的材料利用三维打印机进行造型的造型步骤，利用一种至少使用2种类型的原材料作为模具材料的三维打印机的三维造型模具的制作方法，将根据该方法制得的三维造型模具按照一定厚度切片后的切片模具层叠成原来的三维形状、并通过轴自由的来回绕轴转动。
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