專利名稱：立體模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及立體模型。具體涉及再現(xiàn)被檢體的血管等體腔的立體模型。
背景技術(shù)：
本發(fā)明人提出了再現(xiàn)被檢體的血管等體腔的塊狀的立體模型(非專利文獻(xiàn)1)。該立體模型這樣獲得基于被檢體的斷層像數(shù)據(jù)將血管等的體腔模型積層造形，用立體模型成形材料圍繞該體腔模型的周圍，并將該立體模型成形材料固化，然后除去體腔模型。
另外，提出了膜狀的立體模型(非專利文獻(xiàn)2)。
另外，作為與本發(fā)明關(guān)聯(lián)的文獻(xiàn)請參照專利文獻(xiàn)1～專利文獻(xiàn)5。
專利文獻(xiàn)1特開2003-11237號公報專利文獻(xiàn)2特開平11-73096號公報專利文獻(xiàn)3WO 03/096309A1專利文獻(xiàn)4特開平10-33253號公報專利文獻(xiàn)5特開平3-111726號公報非專利文獻(xiàn)1再現(xiàn)腦血管內(nèi)腔的手術(shù)試驗用醫(yī)療模型，第20屆機(jī)器人學(xué)會學(xué)術(shù)報告會論文集，2002非專利文獻(xiàn)2基于以腦血管內(nèi)手術(shù)為對象的活體信息的手術(shù)模擬器有關(guān)的研究，ROBOTICS-MECHATRONICS報告會論文集，2003發(fā)明的公開依據(jù)上述各立體模型可準(zhǔn)確再現(xiàn)腦血管等體腔的復(fù)雜且微妙的立體形狀，因此，適合用于患部的確認(rèn)或?qū)Ч懿迦肽M。但是，塊狀的立體模型中，因血管的膜狀結(jié)構(gòu)和血管周圍區(qū)域的結(jié)構(gòu)不能個別再現(xiàn)而模型內(nèi)部的血管形狀受拘束，在醫(yī)療設(shè)備或流體的插入模擬中，不能表現(xiàn)可像手術(shù)時看到的血管的動態(tài)變形。
另外，膜狀立體模型因保形性差而不易控制。
本發(fā)明第一方面為解決上述課題構(gòu)思而成，其結(jié)構(gòu)中包括將血管等的體腔在其內(nèi)部再現(xiàn)的膜狀模型；圍繞著該膜狀模型的透光性基體材料，該基體材料具有彈性且對所述膜狀模型具有密合性。
依據(jù)這樣構(gòu)成的立體模型，活體血管所具有的膜狀結(jié)構(gòu)和血管周圍的軟組織的結(jié)構(gòu)個別地再現(xiàn)，也包括其物理特性。從而，血管等具有柔軟性的膜狀結(jié)構(gòu)的模型，形成埋入血管周圍組織的具有彈性特性的基體材料的狀態(tài)。因此，在醫(yī)療器件或流體的插入模擬中，立體模型內(nèi)部的膜狀結(jié)構(gòu)的血管模型可在基體材料內(nèi)與活體內(nèi)的血管同樣柔軟地變形，適合再現(xiàn)活體血管的變形特性。
附圖的簡單說明

圖1是光彈性效應(yīng)的說明圖。
圖2是表示本發(fā)明的作用的示意圖。
圖3是表示內(nèi)部應(yīng)力與入射光的關(guān)系的模式圖。
圖4是表示實(shí)施例的中子11的透視圖。
圖5是表示導(dǎo)向部的透視圖。
圖6是圖2的A-A線剖視圖，表示中子的結(jié)構(gòu)。
圖7表示本發(fā)明實(shí)施例的立體模型。
圖8是圖7的B-B線剖視圖，表示基體材料中埋入膜狀模型的狀態(tài)。
圖9表示另一實(shí)施例的立體模型。
圖10表示另一實(shí)施例的立體模型。
圖11是圖10的C-C線剖視圖，表示基體材料中埋入膜狀模型的狀態(tài)。
圖12是表示本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置的結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖13是表示實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置的受光部的動作的流程圖。
圖14是表示本發(fā)明另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖15是表示本發(fā)明另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖16是表示本發(fā)明另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖17同樣是表示應(yīng)力觀察裝置的動作的流程圖。
圖18是表示適合觀察光彈性的膜狀模型的制造方法的流程圖。
圖19是表示本發(fā)明另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖20是表示本發(fā)明另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖21是表示本發(fā)明另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖22是表示本發(fā)明另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖23是表示本發(fā)明的作用的示意圖。
符號說明11中子，12體腔模型，15、55硅橡膠層(膜狀模型)，21、41、51立體模型，22、42、43、44、46、47、52基體材料。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式以下，就本發(fā)明的各構(gòu)成要素進(jìn)行詳細(xì)說明。
(膜狀模型)膜狀模型如下形成。
被檢體以人體的全部或者一部分為對象，但也可以將動物或植物作為斷層拍攝的對象。另外，死體也并不除外。
斷層像數(shù)據(jù)指的是成為實(shí)行積層造形用基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。一般，通過X線CT裝置、MRI裝置、超聲波裝置等得到的斷層拍攝數(shù)據(jù)建立三維形狀數(shù)據(jù)，將該三維形狀數(shù)據(jù)二維分解后作為斷層像數(shù)據(jù)。
以下，說明一例斷層像數(shù)據(jù)生成。
這里，就將體軸方向平行移動并等間隔拍攝而得到的多個二維圖像用作輸入數(shù)據(jù)(斷層拍攝數(shù)據(jù))的場合進(jìn)行說明，但將用其它拍攝方法得到的二維圖像或者三維圖像作為輸入圖像的場合也通過進(jìn)行同樣的處理，能夠得到腔體的三維形狀數(shù)據(jù)。輸入的各二維圖像，首先基于拍攝時的拍攝間隔準(zhǔn)確地積層。接著，通過在各二維圖像上指定與圖像濃度值相關(guān)的閾值，從各二維圖像中只抽出成為體腔模型的對象的腔體區(qū)域，另一方面，將其它區(qū)域從積層的二維圖像中刪除。從而腔體區(qū)域相當(dāng)?shù)牟糠值娜S形狀通過將二維圖像積層而獲得，將該各二維圖像的輪廓線以三維方式插補(bǔ)，作為三維曲面再構(gòu)成而生成作為對象的腔體的三維形狀數(shù)據(jù)。另外，這時通過指定與濃度值相關(guān)的閾值，首先從輸入圖像中抽出腔體區(qū)域，但不同于該方法，可通過指定給出腔體表面的特定濃度值，從輸入圖像中抽出腔體表面，并通過進(jìn)行三維插補(bǔ)來直接生成三維曲面。另外，也可進(jìn)行閾值指定的區(qū)域抽出(或者特定濃度值指定的表面抽出)后進(jìn)行輸入圖像的積層。另外，三維曲面的生成也可根據(jù)多邊形近似來進(jìn)行。
還有，對于所述三維形狀數(shù)據(jù)，可在該三維形狀數(shù)據(jù)的生成過程中或者生成后，進(jìn)行形狀的修改或變更。例如，可附加斷層拍攝數(shù)據(jù)中不存在的結(jié)構(gòu)，或者附加稱為支架的支持結(jié)構(gòu)，或者除去一部分?jǐn)鄬优臄z數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)，或者變更腔體形狀等，從而，能夠?qū)⒘Ⅲw模型內(nèi)部形成的腔體形狀自由修改或者變更。而且，也可在腔體內(nèi)部設(shè)置非積層造形區(qū)域，設(shè)內(nèi)部為中空的結(jié)構(gòu)(如下文所述)，在制作設(shè)置了非積層造形區(qū)域的體腔模型時，預(yù)先生成這種將非積層造形區(qū)域設(shè)置在腔體內(nèi)部的三維形狀數(shù)據(jù)。另外，這些處理可根據(jù)積層造形系統(tǒng)或者與積層造形系統(tǒng)對應(yīng)的軟件進(jìn)行。
接著，將生成的腔體的三維形狀數(shù)據(jù)，根據(jù)需要變換成與體腔模型的積層造形上使用的積層造形系統(tǒng)對應(yīng)的形式，傳送到所使用的積層造形系統(tǒng)或者與所使用的積層造形系統(tǒng)對應(yīng)的軟件。
積層造形系統(tǒng)(或者與積層造形系統(tǒng)對應(yīng)的軟件)中，進(jìn)行積層造形時的體腔模型的配置或積層方向等的各種設(shè)定項目的設(shè)定，同時為了積層造形中形狀保持等的目的而使支架(支持結(jié)構(gòu))附加到需要支架的部位(若不需要就不必附加)。最后，基于積層造形時的造形厚度切割這樣得到的造形用數(shù)據(jù)，從而生成直接用于積層造形的切割數(shù)據(jù)(斷層像數(shù)據(jù))。另外，可與上述工序相反，在進(jìn)行切割數(shù)據(jù)的生成后進(jìn)行附加支架。另外，在切割數(shù)據(jù)由所使用的積層造形系統(tǒng)(或者與積層造形系統(tǒng)對應(yīng)的軟件)自動生成時，可省略該工序。但是，這時也可進(jìn)行積層造形厚度的設(shè)定。支架的附加也同樣，由積層造形系統(tǒng)(或者與積層造形系統(tǒng)對應(yīng)的軟件)自動生成支架時，將不需要手動生成(可不用手動生成)。
上述的例子中，用斷層拍攝數(shù)據(jù)建立三維形狀數(shù)據(jù)，但是作為數(shù)據(jù)最初就提供了三維形狀數(shù)據(jù)時，也可將該數(shù)據(jù)二維分解而得到用于下個積層造形工藝的斷層像數(shù)據(jù)。
本發(fā)明以血管等的體腔為對象，這里體腔指存在于各器官(骨骼、筋、循環(huán)器、呼吸器、消化器、泌尿生殖器、內(nèi)分泌器、神經(jīng)、感覺器等)的腔體，以及由這些器官或體壁等的幾何學(xué)配置而構(gòu)成的腔體。因而，心臟的內(nèi)腔、胃的內(nèi)腔、腸的內(nèi)腔、子宮的內(nèi)腔、血管的內(nèi)腔、尿管的內(nèi)腔等各種器官的內(nèi)腔，或者口腔、鼻腔、咽喉、中耳腔、體腔、關(guān)節(jié)腔、心包等均屬“體腔”。
用上述斷層像數(shù)據(jù)形成上述體腔。
形成方法并沒有特別的限定，但最好為積層造形。這里積層造形指基于斷層像數(shù)據(jù)形成薄層，依次重復(fù)這種工序得到所期望的造形。即，基于被檢體的斷層像數(shù)據(jù)，抽出被檢體的腔體區(qū)域，然后將與該腔體區(qū)域相當(dāng)?shù)捏w腔模型積層造形。
積層造形后的體腔模型必須在之后的工序中分解除去。為了容易進(jìn)行除去，用于積層造形的材料最好為低熔點(diǎn)材料，或者在溶劑中容易溶解的材料。作為相關(guān)材料能夠采用低熔點(diǎn)的熱固化樹脂或者蠟等。所謂光造形法(含于積層造形中)中通用的光固化樹脂，如果其分解容易就可以利用。
所述體腔模型只要在以下的工序中用膜狀模型成形材料圍繞時具有能夠抵抗從外部附加的壓力等的外力的強(qiáng)度的范圍，就能使其內(nèi)部成為中空結(jié)構(gòu)且薄化。從而，不僅能減少積層造形所需要的時間或伴隨造形的成本，而且能夠使后面的溶出工藝中體腔模型的溶出簡化。
作為具體的積層造形方式，例如有粉末燒結(jié)方式、熔融樹脂噴注方式、熔融樹脂抽出方式等。
另外，通過積層造形制作的體腔模型，可在積層造形之后，增加表面研磨、表面涂敷等各種加工(除去加工及附加加工)，從而能夠修改或者變更體腔模型的形狀。作為這些加工之一環(huán)，在體腔模型的制作中，附加了在積層造形后必須除去的支架時，預(yù)先進(jìn)行支架的除去。
通過用其它材料涂敷體腔模型的表面，能夠防止體腔模型材料的一部分成分或者全部成分?jǐn)U散到膜狀模型成形材料中的情況。另外，通過對體腔模型的表面進(jìn)行物理處理(熱處理、高頻處理等)或者化學(xué)處理，也能防止該擴(kuò)散。
最好通過表面處理來使體腔模型表面的高低差平滑。從而，膜狀模型的內(nèi)腔表面成為平滑，能夠再現(xiàn)更加符合實(shí)際的血管等體腔內(nèi)表面。作為表面處理方法，有使體腔模型表面與溶劑接觸的方法、加熱而熔化表面的方法、涂敷的方法以及將這些方法并用的方法等。
將體腔模型的一部分或者全部用膜狀模型成形材料薄薄地圍繞，然后將它聚合或者加硫等來固化。通過除去體腔模型來形成膜狀模型。
膜狀模型成形材料根據(jù)該模型的用途適當(dāng)選擇。例如，能夠采用硅橡膠(硅彈性體)、熱固化的聚氨基甲酸乙酯彈性體等的彈性體外，還可將硅樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨基甲酸乙酯、不飽和聚酯、苯醛樹脂、尿素樹脂等的熱固化樹脂或聚甲基丙烯酸甲酯等的熱塑性樹脂單獨(dú)或者多個組合使用。將這些材料涂鍍、噴鍍或者浸鍍等方法薄薄積層到體腔模型的表面，然后用公知的方法加硫或者固化。
設(shè)膜狀模型的對象為腦血管模型時，最好采用透明且具有近似活體組織的彈性及柔軟性的材料。作為相關(guān)材料可列舉硅橡膠。另外，硅橡膠具有與活體組織相同的接觸特性，因此適合插入導(dǎo)管等醫(yī)療器件進(jìn)行手術(shù)試驗的情況。也可以適當(dāng)使用氨基甲酸乙酯樹脂或氨基甲酸乙酯彈性體。
可用多個層形成膜狀模型形成材料。其厚度也可任意設(shè)定。
(基體材料)基體材料作為透光性材質(zhì)，可觀察膜狀模型的變形。
基體材料選擇具有彈性的材料。最好其縱彈性系數(shù)為2.0kPa～100kPa的低彈性。而且，基體材料最好具有充分的延伸率。從而，即使膜狀模型變形較大，基體材料也不會從膜狀模型剝落。例如，設(shè)無負(fù)載時為1，并確保相對膜狀模型的粘接性的狀態(tài)下拉伸時基體材料最好具有無附加時的2～15倍的延伸率。這里延伸率指的是基體材料可恢復(fù)原狀的最大變形量。另外，最好從加重而變形的基體材料除去重荷時基體材料恢復(fù)原狀的速度比較緩慢。例如，粘彈性參數(shù)即損耗系數(shù)tanδ(1Hz時)可為0.2～2.0。
從而，基體材料具有與血管等的周圍存在的組織相同或者近似的特性，膜狀模型的變形在更加接近實(shí)際的環(huán)境中進(jìn)行。即，可真實(shí)再現(xiàn)插入導(dǎo)管等的感覺。
基體材料選擇對膜狀模型具有密合性的材料。從而，對膜狀模型插入導(dǎo)管等，使膜狀模型變形也不會在基體材料與膜狀模型之間產(chǎn)生偏移。當(dāng)兩者間產(chǎn)生偏移時，就會在施加到膜狀模型的應(yīng)力上產(chǎn)生變化，因此在進(jìn)行例如導(dǎo)管的插入模擬時會帶來障礙，在插入時可能產(chǎn)生不諧調(diào)感。
作為膜狀模型以腦血管模型為對象時，基體材料與膜狀模型的密合性(粘接強(qiáng)度)最好為1kPa～20kPa。
作為相關(guān)的基體材料，實(shí)施例中采用硅凝膠和甘油凝膠，但其材質(zhì)并沒有特別地限定。還有，若外殼上能確保密封性就能使用高粘度的液體作為基體材料。尤其適合作為再現(xiàn)被不具有彈性的活體組織包圍的血管的膜狀模型的基體材料。通過混合這些多種流體并且還混合對流體有粘接性的藥劑，也能調(diào)制出合適的基體材料。
作為基體材料的材料采用凝膠時，采用物理特性不同的多個材料，能夠使基體材料更加接近活體組織。
為了觀察膜狀模型的動態(tài)舉動，基體材料最好具有透光性。為了明確膜狀模型與基體材料的邊界，可使膜狀模型或者基體材料的至少一方帶色。另外，最好將膜狀模型的材料折射率與基體材料的材料折射率基本相等，以能更加準(zhǔn)確觀察膜狀模型的動態(tài)舉動。
膜狀模型沒必要全部埋入該基體材料內(nèi)。即，膜狀模型的一部分可位于空隙部內(nèi)(參照圖8)。另外，膜狀模型的一部分也可以處于固體基體材料(具有與活體組織不相似的物理特性)內(nèi)或者流體內(nèi)。
(外殼)外殼用以容納基體材料，可作成任意形狀。為了能夠觀察膜狀模型的動態(tài)舉動而全部或者其一部分用透光性材料形成。該外殼可用透光性的合成樹脂(丙烯酸板等)或玻璃板形成。
外殼中開通了與膜狀模型的腔體連通的孔穴。從該孔穴能夠插入導(dǎo)管。
立體模型最好全部具有透光性。從觀察導(dǎo)管的插入狀態(tài)的方面來說，至少可以辨認(rèn)其膜狀模型的內(nèi)部。
外殼與膜狀模型之間設(shè)有足夠的距離。從而，對具有彈性的基體材料確保足夠的容限(厚度)，且因?qū)Ч懿迦氲榷饬拥侥钅Ｐ蜁r根據(jù)該外力，膜狀模型可自由變形。另外，該容限可根據(jù)立體模型的對象、用途等任意選擇，但最好為例如膜狀模型的膜厚的10倍～100倍以上。
(立體模型的制造方法)
將體腔模型被膜狀模型覆蓋的狀態(tài)的中子置于外殼中，對該外殼注入基體材料，并凝膠化。然后，除去體腔模型時成為膜狀模型殘留在基體材料中的狀態(tài)。
或者，在基體材料注入前除去體腔模型，在得到膜狀模型后，將該膜狀模型置于外殼內(nèi)，然后向該外殼內(nèi)注入基體材料，通過將它凝膠化也能實(shí)現(xiàn)膜狀模型埋入基體材料中的狀態(tài)。
體腔模型的除去方法可根據(jù)體腔模型的造形材料適當(dāng)選擇，只要不影響立體模型的其它材料就無特別限定。作為除去體腔模型的方法，可采用(a)通過加熱熔融的加熱熔融法；(b)用溶劑溶解的溶劑溶解法；(c)將加熱熔融和溶劑的溶解并用的混合法等。通過這些方法，使體腔模型有選擇地流動，并向立體模型外部溶出而除去體腔模型。
(擴(kuò)散除去工藝)有可能體腔模型材料成分的一部分?jǐn)U散到膜狀模型內(nèi)部，在膜狀模型產(chǎn)生陰影，降低其辨認(rèn)性。為了除去該陰影，最好在除去體腔模型后再次加熱試樣。該加熱可在體腔模型除去的中途執(zhí)行。
本發(fā)明的立體模型還可以如下形成。
作為中子，將體腔模型埋入凝膠狀基體材料，并除去該體腔模型。從而，在基體材料中形成再現(xiàn)體腔的腔體。然后在腔體的外壁附著膜狀模型的形成材料后經(jīng)聚合或者加硫等來固化。通過使膜狀模型形成材料流入基體材料的腔體，或者將基體材料浸漬到膜狀模型形成材料，能夠使膜狀模型形成材料附著到基體材料的體腔外壁。
另外，取代對該腔體外壁附著膜狀模型形成材料，可對該腔體外壁進(jìn)行親水化處理。從而，對立體模型的腔體內(nèi)填充水或者水溶液時在外壁形成水膜，緩和導(dǎo)管插入阻力。即，該水膜相當(dāng)于膜狀模型。
對該腔體外壁進(jìn)行疏水化處理(親油化處理)時也同樣，對腔體內(nèi)填充油時在外壁形成油膜，緩和導(dǎo)管的插入阻力。即，該油膜相當(dāng)于膜狀模型。
腔體外壁用公知的方法被親水化或者疏水化。例如作為基體材料采用硅凝膠時，通過將具有界面活性劑等極性基的膜形成在該外壁，能夠?qū)⒃撉惑w外壁親水化。同樣地，能夠通過將油或蠟等的油性膜形成在腔體外壁，使該腔體外壁疏水化。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)可通過光彈性效應(yīng)觀察到膜狀模型的內(nèi)部應(yīng)力。即，依據(jù)本發(fā)明的其它方面，已述的第一方面的立體模型中，所述膜狀模型由透光性材料形成，對它施加了外力時其厚度方向上基本上不發(fā)生內(nèi)部應(yīng)力，而沿其表面的方向上發(fā)生第一內(nèi)部應(yīng)力，所述基體材料基本上由不產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的材料構(gòu)成，且用于觀察光彈性效應(yīng)。
依據(jù)這樣構(gòu)成的立體模型，即使膜狀模型為三維形狀，其中產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)也主要由第一內(nèi)部應(yīng)力(沿膜狀模型外壁表面的方向的應(yīng)力)而產(chǎn)生，能夠由觀察的光彈性效應(yīng)(光的波長)確定該外壁上的應(yīng)力。
該應(yīng)力觀察裝置在設(shè)觀察對象為膜狀模型(具有再現(xiàn)體腔的腔體的透光性的模型)時，有利于觀察該腔體周圍區(qū)域的物理特性。即，在導(dǎo)管或液體的插入模擬中應(yīng)力施加到膜狀模型外壁時，產(chǎn)生光彈性效應(yīng)而能夠觀察其應(yīng)力狀態(tài)。從而，能夠模擬出將導(dǎo)管或液體插入到血管等的體腔時對活體組織的影響。
以上描述中，設(shè)外壁為由彈性材料構(gòu)成的薄膜，對它施加了外力時，其厚度方向不受拘束，只有沿其表面的方向上產(chǎn)生強(qiáng)制變位。從而，外壁上產(chǎn)生的應(yīng)力只有第一內(nèi)部應(yīng)力，用光彈性效應(yīng)可確定膜狀外壁的應(yīng)力。顯然，為了獲得光彈性效應(yīng)，外壁具有透光性。
外壁的厚度只要能維持上述特性，就無特別限定，但根據(jù)本發(fā)明人的研究，最好設(shè)在0.1～5.0mm。若為0.1～1.0mm則更好。
另外，為了不使外壁上產(chǎn)生厚度方向的應(yīng)力，該外壁在其厚度方向上成為無物理限制的狀態(tài)。具體地說，外壁的外側(cè)直接或者隔著空間與凝膠、流體(水等)等可容易變形的基體材料相接，在外壁向其厚度方向變形時基本上不受基體材料的阻力。為了不對外壁產(chǎn)生物理上的阻力，基體材料需要預(yù)定的容限(厚度)。由于該基體材料容易變形，為了確保該預(yù)定的容限，其周圍用外殼圍繞。另外，外壁的成形材料與基體材料的成形材料之間最好具有高的密合性。這是因為在兩者間產(chǎn)生滑動時產(chǎn)生摩擦阻力而可能產(chǎn)生不規(guī)則的內(nèi)部阻力。作為該外壁的形成材料，例如可采用氨基甲酸乙酯樹脂或氨基甲酸乙酯彈性體，而作為基體材料的形成材料，例如可采用硅凝膠。
另外，若由基體材料產(chǎn)生光彈性效應(yīng)，就會成為外壁的光彈性效應(yīng)的噪聲而不理想。因而，基體材料最好采用如凝膠或流體(水等)那樣的基本上不產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的材料。
還有，在觀察光彈性效應(yīng)時可對外壁的內(nèi)側(cè)即中空部插入任意物體。例如，在膜狀模型的場合，可插入導(dǎo)管或液體。
中空部的外壁最好形成為基本上同一厚度的圓環(huán)狀截面。從而，從任意方向觀察外壁時均能得到相同光彈性效應(yīng)(光的波長)。另外，外壁中與第一內(nèi)部應(yīng)力有關(guān)系的材料寬度固定，可容易確定應(yīng)力。
用光彈性觀察膜狀模型的應(yīng)力狀態(tài)時，膜狀模型中至少需要觀察應(yīng)力狀態(tài)的部位由各向同性材料形成。膜狀模型要具有透光性。
作為該具有光彈性的材料，可使用例如硅橡膠(硅彈性體)或熱固化性的聚氨基甲酸乙酯彈性體等的彈性體外，還可將硅樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨基甲酸乙酯、不飽和聚酯、苯醛樹脂、尿素樹脂等熱固化樹脂或聚甲基丙烯酸甲酯等的熱塑性樹脂單獨(dú)或多個組合使用。
為了在對膜狀模型的腔體插入導(dǎo)管或液體時，能夠以光彈性效應(yīng)方式觀察該外壁上的應(yīng)力狀態(tài)，至少該外壁需要用可彈性變形的材料形成。當(dāng)然，整個膜狀模型能夠用可彈性變形的材料形成。
作為該膜狀模型的形成材料，最好采用伴隨導(dǎo)管等的插入容易變形(即，縱彈性系數(shù)小)，且即便極小的變形也能觀察到大的光彈性效應(yīng)的變化的(即，光彈性系數(shù)大)材料。該材料例如可采用聚氨基甲酸乙酯彈性體。另外，也可采用明膠(植物性瓊脂)、植物性瓊脂、角叉菜膠、槐樹豆膠那樣的多糖類凝膠化劑。
基體材料由不產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的材料形成。為了再現(xiàn)活體組織，要求適當(dāng)?shù)膹椥院蛯δ钅Ｐ偷拿芎闲浴?br> 膜狀模型與基體材料的最佳組合是用聚氨基甲酸乙酯彈性體形成膜狀模型，且基體材料采用硅凝膠。
(光彈性效應(yīng))光彈性效應(yīng)指的是在透光性材料中產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力時，帶有短暫的雙折射性，由于在最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向上折射率不同，入射光分為兩個平面偏振光行走的情況。根據(jù)該兩個波的相位差產(chǎn)生干涉條紋，通過觀察該干涉條紋能夠知道透光性材料的內(nèi)部應(yīng)力的狀態(tài)。
要產(chǎn)生該光彈性效應(yīng)，如圖1所示，使來自光源的光通過第一偏振片(偏振光濾波片)而成為偏振光，并使該線偏振光通過立體模型。若在立體模型中產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，則根據(jù)內(nèi)部應(yīng)力的強(qiáng)度產(chǎn)生雙折射，生成最大主應(yīng)力(acosφsinωt)和最小主應(yīng)力(acosφsin(ωt-A))。這些光因速度不同而產(chǎn)生相位差，使之通過第二偏振片(偏振光濾波片)而進(jìn)行觀察，則出現(xiàn)干涉條紋。還有，該第二偏振片的偏振方向與第一偏振片的變更方向基本上正交。
作為使立體模型介于一對偏振片之間觀察透過立體模型的光上產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)的方法，已知有正交尼科耳(Nicol)法、平行尼科耳法、靈敏色法等。另外，作為通過使1/4偏振片介于偏振片與立體模型之間來檢出光彈性效應(yīng)的方法，已知有圓偏振光法、塞拿蒙(Senarmont)法等。
本發(fā)明中，如圖2B所示，觀察對象100具有中空部101，該中空部101的周圍區(qū)域103用具有光彈性效應(yīng)的彈性材料以薄膜狀(膜厚0.1～5.0mm)形成。周圍區(qū)域103被凝膠等的透光性基體材料105所圍繞?；w材料105容易變形，且基本上不會引起光彈性效應(yīng)。另外，通過確保基體材料105具有足夠的厚度(容限)，對于周圍區(qū)域103的變形成為無阻力。該基體材料105的厚度根據(jù)其材質(zhì)任意選擇，但最好為周圍區(qū)域103厚度的10倍以上，若為100倍以上則更好。該厚度厚的基體材料105容易發(fā)生砂型倒塌，因此最好用透光性的殼體107覆蓋。殼體107的形狀為任意形狀。
在圖2B的觀察對象100中，如圖中箭頭所示施加外力(與導(dǎo)管對應(yīng))時周圍區(qū)域103變形。這時，變形部上幾乎不發(fā)生沿周圍區(qū)域103厚度方向的內(nèi)部應(yīng)力σ3。這是由于基本上不存在對于外力的來自基體材料105的回彈力。因而，變形部中基本上只發(fā)生沿著周圍區(qū)域103表面方向的內(nèi)部應(yīng)力σp(第一內(nèi)部應(yīng)力)。
若使偏振光透過該觀察對象100，則響應(yīng)第一內(nèi)部應(yīng)力σp而產(chǎn)生光彈性效應(yīng)，可觀察到與該第一內(nèi)部應(yīng)力σp的大小對應(yīng)的波長光。
本發(fā)明人專心致力于研究利用根據(jù)光彈性效應(yīng)在入射光上產(chǎn)生的波長，換言之，利用所觀察到的光的色變化，確定上述第一內(nèi)部應(yīng)力σp的方法的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)分成觀察時存在于中空部101的輪廓區(qū)域的部分(輪廓區(qū)域)和觀察時存在于靠近中空部101的部分(前面區(qū)域)的兩種情況，能夠用分別不同的方法確定周圍區(qū)域103上的內(nèi)部應(yīng)力σp。
(所述輪廓區(qū)域的應(yīng)力觀察方法)在周圍區(qū)域103內(nèi)觀察所述輪廓區(qū)域時，第一內(nèi)部應(yīng)力σp的方向與觀察方向即入射光的方向平行，因此周圍區(qū)域103的材料在內(nèi)部應(yīng)力σp的方向上會寬幅存在。這時，在所述輪廓區(qū)域觀察到的因第一內(nèi)部應(yīng)力σp而產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)成為該寬度W上存在的材料上的波長變化之總和。因而，如圖2B所示，具有單位寬度w的特定區(qū)域1031(單位區(qū)域)的波長變化可通過由觀察后的光彈性效應(yīng)得到的波長變化除以寬度W而獲得。
這里，如果周圍區(qū)域103以基本相同的厚度且圓環(huán)狀形成，則因該寬度W固定而能夠從觀察到的光彈性效應(yīng)求出單位區(qū)域的波長變化，從而能夠容易求出所述輪廓區(qū)域的內(nèi)部應(yīng)力。具體地說，只要準(zhǔn)備與周圍區(qū)域的內(nèi)徑或者外徑對應(yīng)的換算表(表示觀察光的波長(色)與單位區(qū)域的內(nèi)部應(yīng)力的關(guān)系)，就能從觀察到的光彈性效應(yīng)的光波長(色)掌握單位區(qū)域上產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。
如果有表示周圍區(qū)域103的三維數(shù)據(jù)，也能用該數(shù)據(jù)確定周圍區(qū)域的寬度W。
接著就膜狀模型的所述輪廓區(qū)域中內(nèi)部應(yīng)力的三維分析方法進(jìn)行說明。
圖3是說明該分析方法的模式圖。上述內(nèi)部應(yīng)力σp(矢量或者張量)在本發(fā)明的對象即平面應(yīng)力問題中，描述為其構(gòu)成要素即內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2。然后，根據(jù)各觀察方向得到的膜狀模型的所述輪廓區(qū)域107上的各點(diǎn)108(即，形成膜狀模型的輪廓的外壁上的各點(diǎn))，若假定有與觀察方向即偏振光的入射方向平行的切平面，則用該方法求得的內(nèi)部應(yīng)力即內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2定義為該切平面上的應(yīng)力，且在該切平面上直走。因而，這些內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2沿著各膜狀模型表面的方向，相當(dāng)于本說明書中規(guī)定的第一內(nèi)部應(yīng)力。另外，膜狀模型的厚度方向的內(nèi)部應(yīng)力，在本發(fā)明的特性上可以忽略。
產(chǎn)生光彈性效應(yīng)的相位差R由下式表示。
R＝α(σ1cos2θ+σ2sin2θ)D(其中D為偏振光的通過長度)因而，觀察到的光彈性效應(yīng)將包含上述的內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2的影響。
于是，本發(fā)明人為了獨(dú)立求出上述內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2而專心致力于研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過解下述方程式就能得到內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2的值。
θ=-12tan-1R1/D1-R3/D3R1/D1-2R2/D2+R3/D3,(0<θ<π/4)]]>
σ1=12α{R1D1(1+cosec2θ)+R3D3(1-cosec2θ)}]]>σ2=12α{R1D1(1-cosec2θ)+R3D3(1+cosec2θ)}---(1)]]>在解上述式時，設(shè)偏振光以三個不同的入射角度入射，并設(shè)此時的偏振光的通過長度為D1、D2、D3。從觀察到的光彈性效應(yīng)求出相位差R1、R2和R3。另外，R2是θ＝90度時的相位差。
通過解上述式，能夠容易獨(dú)立求出內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2。
(所述前面區(qū)域的應(yīng)力觀察方法)從觀察對象100的背后投射偏振光，并進(jìn)行靠近觀察對象100時光彈性效應(yīng)的觀測時，在所述前面區(qū)域觀測的波長(色)變化成為存在于圖2A所示的空洞部101背面的膜(空洞背膜)上的光彈性效應(yīng)與存在于該空洞部101前面的膜(空洞前膜)上的光彈性效應(yīng)之總和，不能獨(dú)立求出所述前面區(qū)域(即，空洞前膜)上的波長變化。
于是，本發(fā)明人為了獨(dú)立求出所述前面區(qū)域上的波長變化而專心致力于研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過以下方法得到所述前面區(qū)域上的波長變化。
即，這種情況下，從觀測對象100跟前投射偏振光，使透過所述空洞前膜的光在空洞部101前面反射，再將透過該空洞前膜后返回跟前的光，在觀察對象100前面觀測，從而可獨(dú)立求得所述前面區(qū)域上的波長變化，在這樣的空洞部101前面的反射，能夠通過使空洞部101內(nèi)部灌滿反射率高的液體或者混入反射率高的材料的液體，或者在空洞部101表面(至少前面)形成由反射率高的材料構(gòu)成的層來實(shí)現(xiàn)。
這時，在所述輪廓區(qū)域上觀察到的因第一內(nèi)部應(yīng)力σp而產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)成為所述空洞前膜的膜厚上的波長變化之總和的2倍。因而，對于該膜厚內(nèi)單位寬度w’的波長變化，通過由觀察到的光彈性效應(yīng)獲得的波長變化除以膜厚的2倍寬度W’來獲得。
更嚴(yán)格地說，由于所述前面區(qū)域形成曲面，在觀察方向的膜厚在曲面上的各點(diǎn)處不同，但這里如果周圍區(qū)域103基本上以同一厚度且圓環(huán)狀形成，由于該寬度W’的分布固定，就能從觀察到的光彈性效應(yīng)立即求出單位寬度w’的波長變化，從而能夠容易求出所述前面區(qū)域的內(nèi)部應(yīng)力。具體地說，如果準(zhǔn)備與所述前面區(qū)域內(nèi)的位置對應(yīng)的換算表(表示觀察光的波長(色)與單位區(qū)域的內(nèi)部應(yīng)力之間的關(guān)系)，就能從觀察到的光彈性效應(yīng)的光波長(色)掌握在單位區(qū)域上產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。
若有表示周圍區(qū)域103的三維數(shù)據(jù)，就能從該數(shù)據(jù)確定所述前面區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)上的寬度W’。
接著，就膜狀模型的所述前面區(qū)域上的內(nèi)部應(yīng)力的三維分析方法進(jìn)行說明。
圖23是說明該分析方法的模式圖。對按照各觀察方向所得到的膜狀模型的所述前面區(qū)域109上的各點(diǎn)110(即，成為膜狀模型前面的外壁上的各點(diǎn))假定切平面時，用該方法求得的內(nèi)部主應(yīng)力(內(nèi)部應(yīng)力σp(矢量或者張量)的構(gòu)成要素)σ1和σ2定義為該切平面上的應(yīng)力，且在該切平面上直走。因而，這些內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2在于沿著各膜狀模型表面的方向，相當(dāng)于本說明書中規(guī)定的第一內(nèi)部應(yīng)力。還有，膜狀模型厚度方向的內(nèi)部應(yīng)力在本發(fā)明的特性上可忽略。
由于所述前面區(qū)域109存在于空洞部101表面，因而成為曲面，在該曲面上觀察到光彈性效應(yīng)。將同曲面上的光彈性分布投射到平面上時，該平面狀的各點(diǎn)上的相位差R，如下式表示。
R＝α(σ1-σ2)D(其中D是在各點(diǎn)上的偏振光的通過長度)因而，觀察到的光彈性效應(yīng)含有上述內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2的影響，這時，內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2存在于與觀測方向垂直的平面內(nèi)，因此通過調(diào)整用以檢出光彈性效應(yīng)的偏振片的方向，能夠光學(xué)地除去一方，能夠得到內(nèi)部主應(yīng)力σ1和σ2的值。
即，本發(fā)明另一方面表示為如下。
一種被檢體的應(yīng)力觀察裝置，其特征在于包括具有中空部的觀察對象，該中空部的周圍區(qū)域是由透光性的彈性材料構(gòu)成的薄膜狀，在所述周圍區(qū)域施加了外力時，其厚度方向上基本上不發(fā)生內(nèi)部應(yīng)力，沿著其表面的方向上發(fā)生第一內(nèi)部應(yīng)力；將所述周圍區(qū)域的內(nèi)表面作為反射面的手段；以及檢出通過所述內(nèi)表面后在所述反射面反射的光中產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)的部件，所述光彈性效應(yīng)只因所述第一內(nèi)部應(yīng)力而產(chǎn)生。
就本發(fā)明另一方面進(jìn)行說明。
一種被檢體的應(yīng)力觀察裝置，其特征在于包括具有中空部的觀察對象，該中空部的周圍區(qū)域是由透光性彈性材料構(gòu)成的薄膜狀，在所述周圍區(qū)域施加了外力時，其厚度方向上基本上不發(fā)生內(nèi)部應(yīng)力，沿著其表面的方向上發(fā)生第一內(nèi)部應(yīng)力；以及檢出通過該觀察對象的周圍區(qū)域的光中產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)的部件，所述光彈性效應(yīng)只因所述第一內(nèi)部應(yīng)力而產(chǎn)生。
依據(jù)由這樣構(gòu)成的應(yīng)力觀察裝置，即便中空部的周圍區(qū)域為三維形狀，在該處產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)也只因為第一內(nèi)部應(yīng)力(沿著周圍區(qū)域表面的方向的應(yīng)力)而產(chǎn)生，可由觀察到的光彈性效應(yīng)(光的波長)確定該周圍區(qū)域上的應(yīng)力。
該應(yīng)力觀察裝置在該觀察對象為立體模型(具有再現(xiàn)體腔的腔體的透光性的模型)時，有利于觀察該腔體周圍區(qū)域的物理特性。即，在導(dǎo)管或液體的插入模擬中對立體模型的腔體的周圍區(qū)域施加了應(yīng)力時，產(chǎn)生光彈性效應(yīng)而能觀察其應(yīng)力狀態(tài)。從而，能夠模擬出將導(dǎo)管或液體插入血管等的體腔時對活體組織的影響。
以上，周圍區(qū)域作為由彈性材料構(gòu)成的薄膜，在被施加了外力時其厚度方向不受拘束，僅沿其表面的方向產(chǎn)生強(qiáng)制變位。從而，在周圍區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力只有第一內(nèi)部應(yīng)力，可由光彈性效應(yīng)確定膜狀周圍區(qū)域的應(yīng)力。當(dāng)然，為了獲得光彈性效應(yīng)，周圍區(qū)域具有透光性。
周圍區(qū)域的厚度只要能夠維持上述特性就無特別地限定，但根據(jù)本發(fā)明人的研究，最好為0.1～5.0mm。若為0.1～1.0mm則更好。
另外，為了在周圍區(qū)域不產(chǎn)生厚度方向的應(yīng)力，該周圍區(qū)域在該厚度方向上處于沒有物理限制的狀態(tài)。具體地說，周圍區(qū)域的外側(cè)直接或者隔著空間與凝膠、流體(水等)的可容易變形的基體材料相接，設(shè)成在周圍區(qū)域向其厚度方向變形時基本上不受來自基體材料的阻力。為了對周圍區(qū)域不產(chǎn)生物理阻力，基體材料需要預(yù)定的容限(厚度)。由于該基體材料容易變形，要確保該預(yù)定的容限，其周圍會被外殼圍繞。另外，周圍區(qū)域的成形材料和基體材料的成形材料之間最好具有高的密合性。這是因為在兩者間產(chǎn)生滑動時會產(chǎn)生摩擦阻力，有可能產(chǎn)生不規(guī)則的內(nèi)部阻力。該周圍區(qū)域的形成材料例如可采用氨基甲酸乙酯樹脂或氨基甲酸乙酯彈性體，作為基體材料的形成材料例如可采用硅凝膠。
另外，在基體材料上產(chǎn)生光彈性效應(yīng)時，會成為周圍區(qū)域的光彈性效應(yīng)的噪聲，因此并不理想。因而，基體材料最好采用凝膠或流體(水等)等基本上不產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的材料。
還有，對于周圍區(qū)域的內(nèi)側(cè)即中空部，在觀察光彈性效應(yīng)時可插入任意物體。例如，立體模型的場合，可插入導(dǎo)管或液體。
中空部的周圍區(qū)域最好基本上以同一厚度的圓環(huán)狀截面形成。從而，從任何方向觀察周圍區(qū)域均能得到相同的光彈性效應(yīng)(光的波長)。另外，在周圍區(qū)域與第一內(nèi)部應(yīng)力有關(guān)系的材料的寬度固定(可從周圍區(qū)域的直徑確定該寬度)，因此能夠容易確定周圍區(qū)域的單位區(qū)域(具有單位寬度)的應(yīng)力。
本發(fā)明另一方面被如下規(guī)定。即，通過檢出部件取得因第一內(nèi)部應(yīng)力而產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)，且還包括求出所述周圍區(qū)域上的第一內(nèi)部應(yīng)力的發(fā)生方向的寬度的部件和從取得的光彈性效應(yīng)與所述周圍區(qū)域的寬度運(yùn)算所述周圍區(qū)域的單位區(qū)域上的應(yīng)力的部件。
依據(jù)這樣構(gòu)成的應(yīng)力觀察裝置，求出周圍區(qū)域上的第一內(nèi)部應(yīng)力的發(fā)生方向的寬度，因此通過由檢出部件取得的光彈性效應(yīng)(光的波長變化)除以該寬度，能夠確定周圍區(qū)域上的單位區(qū)域(具有單位寬度)的波長變化。從而，能夠更加準(zhǔn)確地確定在周圍區(qū)域上產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)。
本發(fā)明另一方面被如下規(guī)定。即，一種立體模型的應(yīng)力觀察裝置，其中包括透光性的立體模型，其至少再現(xiàn)體腔的腔體周圍區(qū)域的至少一部分由具有光彈性效應(yīng)的膜狀的彈性材料形成，該膜狀的彈性材料的周圍圍繞著由基本上不產(chǎn)生光彈性效應(yīng)的凝膠構(gòu)成并對所述周圍區(qū)域的厚度方向基本上無阻力的基體材料；以及檢出通過該立體模型的光中產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)的部件。
依據(jù)這樣構(gòu)成的應(yīng)力觀察裝置，膜狀的彈性材料的周圍被凝膠狀基體材料圍繞。因而，該立體模型中光彈性效應(yīng)只從彈性材料部分產(chǎn)生而不會從凝膠狀基體部分產(chǎn)生光彈性效應(yīng)。因而，能夠準(zhǔn)確地觀察到膜狀彈性材料的應(yīng)力狀態(tài)。
還有，依據(jù)另一方面，用積層造形作成體腔的周圍區(qū)域的第一次模型，用模具材料圍繞該第一次模型而形成陰模，將所述第一次模型從所述陰模除去，對所述陰模的內(nèi)腔注入聚氨基甲酸乙酯彈性體進(jìn)行固化，除去所述陰模后得到由聚氨基甲酸乙酯彈性體構(gòu)成的膜狀模型，用硅凝膠構(gòu)成且對所述膜狀模型的厚度方向基本上無阻力的基體材料圍繞該膜狀模型的周圍，從而制造適合觀察光彈性效應(yīng)的的立體模型。
實(shí)施例(實(shí)施例1)由于得到與作為立體模型化的對象的腦血管及患部即腦動脈形狀有關(guān)的三維數(shù)據(jù)，對拍攝區(qū)域的血管內(nèi)部投入造影劑，同時采用具有0.35×0.35×0.5mm的空間分解能力的螺旋掃描方式的X線CT裝置對患者的頭部進(jìn)行拍攝。通過拍攝而得到的三維數(shù)據(jù)，為了交接到三維CAD軟件，再構(gòu)成為在體軸方向等間隔排列的500幅具有512×512的分辨率、256灰度的二維圖像(斷層拍攝數(shù)據(jù))后，用內(nèi)置于所述X線CT裝置的驅(qū)動器，將與各二維圖像對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)按與拍攝方向一致的順序保存在5.25英尺光磁盤中。
接著，通過在個人計算機(jī)外部連接的5.25英尺光磁驅(qū)動器，使計算機(jī)內(nèi)部的存儲裝置讀取所述圖像數(shù)據(jù)，利用市售的三維CAD軟件，由該圖像數(shù)據(jù)生成積層造形所必要的STL形式(將三維曲面表現(xiàn)為三角形補(bǔ)片集合體的形式)的三維形狀數(shù)據(jù)。該變換中，通過基于拍攝間隔將輸入的二維圖像積層，建立將濃度值作為標(biāo)量的三維的標(biāo)量場，通過指定該標(biāo)量場上給予血管內(nèi)表面的特定濃度值，作為等值面(特定標(biāo)量值的邊界面)建立血管內(nèi)腔的三維形狀數(shù)據(jù)后，對建立的等值面進(jìn)行三角形多邊形近似的再現(xiàn)。
還有，在該階段，將三維形狀數(shù)據(jù)與附加數(shù)據(jù)相加，使導(dǎo)向部13從體腔模型的端部外突。該導(dǎo)向部13如圖4所示為中空柱狀的部件。通過設(shè)置中空部31，實(shí)現(xiàn)縮短積層造形時間。該導(dǎo)向部13的前端直徑被擴(kuò)大，該部分在立體模型表面表達(dá)出，形成大直徑的開口部25(參照圖7)。
接著將生成的STL形式的三維形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到熔融樹脂噴注方式的積層造形系統(tǒng)，在確定造形系統(tǒng)內(nèi)的模型的配置或積層方向、積層厚度的同時對模型附加支架。
將在這樣生成的積層造形用的數(shù)據(jù)，在計算機(jī)上按預(yù)定的積層造形厚度(13μm)切割后生成許多切割數(shù)據(jù)。然后，基于這樣得到的各切割數(shù)據(jù)，通過加熱以對甲苯磺酰胺和對乙基苯磺酰胺為主成分的造形材料(熔點(diǎn)約100度，容易被丙酮溶解)熔融后噴注，從而將具有與各切割數(shù)據(jù)一致的形狀的指定厚度的樹脂固化層逐面積層形成來進(jìn)行積層造形。在形成最終層后除去支架來作成腦血管內(nèi)腔區(qū)域的積層造形模型(體腔模型12)。
還有，處理該體腔模型12的表面而作成平滑。
對該體腔模型12的整個表面形成約1mm厚度的硅橡膠層15(參照圖6)。該硅橡膠層15通過將體腔模型12浸漬到硅橡膠槽并將取出的體腔模型旋轉(zhuǎn)并干燥來獲得。該硅橡膠層成為膜狀模型。
本實(shí)施例中，將體腔模型12的整個表面，用硅橡膠層15覆蓋，但可將體腔模型12的所期望的部分局部地用硅橡膠層15覆蓋。
將體腔模型12用由硅橡膠層15構(gòu)成的膜狀模型覆蓋而形成的中子11設(shè)置在直方體的外殼24中。該外殼24由透明的丙烯酸板構(gòu)成。在外殼內(nèi)注入基體材料22的材料，然后進(jìn)行凝膠化。
作為基體材料22的材料采用2液混合型的硅凝膠。該硅凝膠透明，且具有很接近血管周圍的軟組織的物理特性。也可采用縮聚型的硅凝膠。
基體材料22的材料的物理特性調(diào)整到適合膜狀模型的對象即血管等周圍組織的物理特性。
還有，本實(shí)施例中設(shè)針入度、流動性、粘接性、應(yīng)力緩和性等指標(biāo)，最終通過操作員的觸摸(插入導(dǎo)管的感覺)，使其物理特性接近活體組織。
硅凝膠的場合，調(diào)制該聚合物的骨骼，起初可通過配合硅油來調(diào)整該物理特性。
本實(shí)施例中膜狀模型的成形材料選擇硅彈性體(WackerAsahikasei Silicone Co.，LTD制，商品名RT601)，基體材料選擇硅凝膠(Wacker Asahikasei Silicone Co.，LTD制，商品名SilGel612)。該硅凝膠的縱彈性系數(shù)約為5.0kPa，損耗系數(shù)tanσ(粘彈性參數(shù))約為1.0，具有大概1000％的延伸率。另外對硅彈性體的密合力(粘接強(qiáng)度)約為8kPa。
硅凝膠之外，還可采用甘油凝膠。該甘油凝膠如下獲得。即，將明膠浸入水中，其中再加入甘油和石炭酸，然后加熱溶解。在溫度高的期間過濾，如果成為不影響中子的溫度就注入到外殼內(nèi)，并冷卻。
然后，除去中子11內(nèi)的體腔模型12。除去的方法采用混合法。即，加熱試樣，使體腔模型的材料從開口部25向外部流出，還有，向空洞部注入丙酮，將體腔模型的材料溶解除去。
然后，將試樣在設(shè)定為120℃的恒溫層內(nèi)加熱約1小時，除去膜狀模型(硅橡膠層15)的陰影。
這樣得到的立體模型21如圖7和圖8所示，成為在由硅凝膠構(gòu)成的基體材料22中埋入膜狀模型15的結(jié)構(gòu)。由于硅凝膠具有接近活體組織的物理特性，膜狀模型15表現(xiàn)與血管同等的動態(tài)舉動。
(實(shí)施例2)圖9表示另一實(shí)施例的立體模型41。另外，與圖7相同的要素上采用同一符號，省略其說明。
本例中，與實(shí)際的腦組織對應(yīng)地，將基體材料設(shè)成多層結(jié)構(gòu)，按照腦的各部位積層不同物理特性的基體材料42、43、44。基體材料42對應(yīng)于大腦動脈部周圍的蛛網(wǎng)膜下腔的物理特性，基體材料43對應(yīng)于交通動脈部周圍的軟組織的物理特性，基體材料44對應(yīng)于頸動脈部周圍的海綿靜脈筒的物理特性。其它部分的基體材料46、47設(shè)為與圖7相同的基體材料。另外，該其它部分46、47的基體材料可為凝膠以外的(固體等)基體材料。
(實(shí)施例3)圖8中示出另一實(shí)施例的立體模型51。
該立體模型51中，在基體材料52中設(shè)有空隙部53，膜狀模型55的一部分存在于該空隙部53內(nèi)。該空隙部53對應(yīng)于蛛網(wǎng)膜下腔。
該空隙部53中，對中子(體腔模型+膜狀模型)覆蓋對應(yīng)于空隙部53的罩，其周圍被由硅凝膠構(gòu)成的基體材料52填充。然后，除去體腔模型與該罩，從而能夠得到圖9所示的結(jié)構(gòu)。
圖11是圖10的C-C線剖視圖，表示膜狀模型55埋入由硅凝膠構(gòu)成的基體材料51。
還有，空隙部53中可填充與基體材料52不同的物性(最好具有與構(gòu)成蛛網(wǎng)膜下腔的活體組織相等的物性(凝膠等))的材料。該填充物最好具有基本上與基體材料52相等的折射率。
空隙部的形狀可任意形成。
圖12表示本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置60的結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置60大致由光源61、一對偏振片62和63、圖7所示的立體模型21、受光部70構(gòu)成。
光源61最好采用白色光源。也可利用太陽光作為光源。另外，還可以采用單色光源。第一偏振片62和63具有相互正交的偏振方向。從而，如圖1所說明的那樣，在第二偏振片63側(cè)能夠觀察到因所述輪廓區(qū)域上的立體模型21的內(nèi)部應(yīng)力而產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)。
例如對立體模型21的腔體插入導(dǎo)管時，若導(dǎo)管與腔體的外壁相互干涉，則在該腔體外壁上產(chǎn)生應(yīng)力并在此處出現(xiàn)光彈性效應(yīng)(干涉條紋)。另外，也可從光彈性效應(yīng)模擬出伴隨線圈栓塞時的動脈瘤的變形的該動脈瘤周圍區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。
還有，該立體模型中膜狀模型由聚氨基甲酸乙酯彈性體形成，基體材料采用硅凝膠。從而可以光彈性效應(yīng)的方式觀察到膜狀模型的內(nèi)部應(yīng)力變化。
本實(shí)施例中光源61、第一偏振片62、立體模型21和第二偏振片63直線配置，但可將第二偏振片63偏移(即從直線錯開)配置。在立體模型21的腔體中光漫射，因此在腔體的形狀上將第二偏振片63偏移配置時，能夠更加清楚地觀察到光彈性效應(yīng)。
圖19中示出圖12所示的應(yīng)力觀察裝置60關(guān)聯(lián)的另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置360(與圖12所示的要素相同的要素上采用同一符號，省略其說明)。本實(shí)施例中，將光源61和第一偏振片62與第二偏振片63和受光部70分別作為一組，向立體模型21的一側(cè)移動，并列地配置。從而，能夠在第二偏振片63側(cè)觀察到因立體模型21的所述前面區(qū)域上的內(nèi)部應(yīng)力而產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)。
從光源61發(fā)射的光通過第一偏振片62后入射到立體模型21，再通過立體模型21(膜狀模型)的膜部分后，在膜狀模型內(nèi)的空隙部表面反射，再次通過立體模型21(膜狀模型)的膜部分，經(jīng)由偏振片63和第二1/4偏振片83由受光部70觀測。依據(jù)該方法，能夠觀察到所述空隙部表面上的光源61的投影面上的光彈性效應(yīng)。另外在本實(shí)施例中，通過對空隙部內(nèi)部裝滿反射率高的液體或者混入反射率高的材料的液體，或者在空隙部表面形成由反射率高的材料構(gòu)成的層，在空隙部表面上使來自光源61的入射光反射。
在這兩個實(shí)施例(圖12所示的應(yīng)力觀察裝置60和圖19所示的應(yīng)力觀察裝置360)中，受光部70設(shè)有由CCD等構(gòu)成的拍攝裝置71和處理用該拍攝裝置71拍攝的光彈性效應(yīng)的圖像的圖像處理裝置70以及輸出圖像處理部70的處理結(jié)果的顯示器75和打印機(jī)77。
在圖像處理裝置73中進(jìn)行如下的處理(參照圖13)。
首先，獲取對立體模型21未加任何外力的初始狀態(tài)的圖像作為背景圖像(步驟1)。當(dāng)立體模型21由高光彈性系數(shù)的材料形成時，有時因自重而產(chǎn)生光彈性效應(yīng)。因而，從光源61照射光，并再取得外力時(例如插入導(dǎo)管時)的光彈性效應(yīng)的干涉條紋圖像后(步驟3)，將這些背景圖像差分處理(步驟5)。
當(dāng)立體模型21由高光彈性系數(shù)的材料形成時，根據(jù)內(nèi)部應(yīng)力的情況出現(xiàn)細(xì)的干涉條紋重復(fù)的圖案。圖像處理裝置73通過計數(shù)單位面積上的該圖案的數(shù)，將該內(nèi)部應(yīng)力數(shù)值化(步驟7)。然后，在經(jīng)由第二偏振片63得到的立體模型21的形狀相關(guān)的圖像中，對產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的部分提供與該數(shù)值對應(yīng)的色后向外部表示(步驟9)。
本實(shí)施例中用受光部70圖像處理光彈性效應(yīng)的干涉條紋，觀察者可直接或者經(jīng)由拍攝裝置71觀察該干涉條紋。
圖14表示另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置80。在與圖12所示的要素相同的要素上采用同一符號，省略其說明。
本實(shí)施例中第一偏振片62和立體模型21之間隔著第一1/4偏振片82，在立體模型21和第二偏振片63之間隔著第二1/4偏振片83。從而，能夠用圓偏振光法觀察到所述輪廓區(qū)域上的光彈性效應(yīng)。依據(jù)基于圓偏振光法的光彈性效應(yīng)的觀察，由于干涉條紋上不會出現(xiàn)偏振片與內(nèi)部主應(yīng)力間的相對方向的影響，立體模型的姿勢控制變得容易。
圖20所示的另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置380(與圖12所示的要素相同的要素上采用同一符號，省略其說明)中，將光源61和第一偏振片62與第二偏振片63和受光部70分別作為一組，在立體模型21的一側(cè)并列配置，而且將第一1/4偏振片82隔在第一偏振片62和立體模型21之間，將第二1/4偏振片83隔在立體模型21和第二偏振片63之間。從而，能夠用圓偏振光法，在第二偏振片63側(cè)觀察因立體模型21的所述前面區(qū)域上的內(nèi)部應(yīng)力而產(chǎn)生的光彈性效應(yīng)。
本實(shí)施例中，從光源61發(fā)射的光通過第一偏振片62和第一1/4偏振片82后入射到立體模型21，再通過立體模型21(膜狀模型)的膜部分后，在膜狀模型內(nèi)的空隙部表面反射，再通過立體模型21(膜狀模型)的膜部分，經(jīng)由偏振片63和第二1/4偏振片83用受光部70觀測。依據(jù)該方法，能夠不受應(yīng)力方向的影響而觀察所述空隙部表面上的光源61的投影面上的光彈性效應(yīng)。還有本實(shí)施例中，通過對空隙部內(nèi)部裝滿反射率高的液體或者混入反射率高的材料的液體，或者在空隙部表面形成由反射率高的材料構(gòu)成的層，在空隙部表面使來自光源61的入射光反射。
圖15表示另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置90。在與圖12所示的要素相同的要素上采用同一符號，省略其說明。
本實(shí)施例中，將立體模型21保持在旋轉(zhuǎn)/傾斜載物臺91上，使立體模型21可旋轉(zhuǎn)和/或傾斜。從而，變更對立體模型21的光的入射方向，并可三維地觀察立體模型21的所述輪廓區(qū)域上的應(yīng)力分布。因而，可更加詳細(xì)地進(jìn)行立體模型的模擬。
還有，圖15的例的立體模型21上也可適用該旋轉(zhuǎn)/傾斜載物臺91。
本實(shí)施例中將立體模型21旋轉(zhuǎn)和/或傾斜，但預(yù)先固定立體模型21的姿勢，然后旋轉(zhuǎn)和/或傾斜周圍的要素也能得到同樣的作用/效果。
另外，圖21所示的另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置390(與圖12所示的要素相同的要素上采用同一符號，省略其說明)，與圖15所示的應(yīng)力觀察裝置90同樣，將立體模型21保持在旋轉(zhuǎn)/傾斜載物臺91，使立體模型21可旋轉(zhuǎn)和/或傾斜。依據(jù)該裝置，通過變更對立體模型21的光的入射方向，可三維地觀察立體模型21的所述前面區(qū)域的應(yīng)力分布。本實(shí)施例中使立體模型21旋轉(zhuǎn)和/或傾斜，但預(yù)先固定立體模型21的姿勢，使周圍的要素旋轉(zhuǎn)和/或傾斜也能得到同樣的作用/效果。
圖16表示另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置200的結(jié)構(gòu)。與圖12相同的要素上采用同一符號，省略其說明。
使所述輪廓區(qū)域的應(yīng)力分布可能的該應(yīng)力觀察裝置200的圖像處理裝置273，包括圖2所示的表現(xiàn)周圍區(qū)域103的數(shù)據(jù)(周圍區(qū)域數(shù)據(jù))205。
另外，圖22所示的另一實(shí)施例的應(yīng)力觀察裝置400(與圖12所示的要素相同的要素上采用同一符號，省略其說明)，與圖16所示的應(yīng)力觀察裝置200相同，包括圖2所示的表現(xiàn)周圍區(qū)域103的數(shù)據(jù)(周圍區(qū)域數(shù)據(jù))205，使所述前面區(qū)域的應(yīng)力分布可能。
在這兩個實(shí)施例(即，圖16所示的應(yīng)力觀察裝置200和圖22所示的應(yīng)力觀察裝置400)中，取得用拍攝裝置71拍攝的包含光彈性效應(yīng)的圖像，并保存到圖像存儲器201。在位置確定裝置203中，分析取得的圖像后使之與周圍區(qū)域數(shù)據(jù)205相關(guān)聯(lián)。從而，確定所得到的光彈性效應(yīng)的位置以及觀察方向。例如，預(yù)先在立體模型中設(shè)置標(biāo)識器，以該標(biāo)識器的位置為基準(zhǔn)能夠使拍攝圖像與周圍區(qū)域數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。內(nèi)部應(yīng)力運(yùn)算裝置207中，從周圍區(qū)域數(shù)據(jù)205求出產(chǎn)生該光彈性效應(yīng)的第一內(nèi)部應(yīng)力方向的周圍區(qū)域材料寬度W(參照圖2)。然后，通過用拍攝裝置獲得的光彈性效應(yīng)的值(表觀上的內(nèi)部應(yīng)力)除以該材料寬度W，運(yùn)算周圍區(qū)域的單位區(qū)域上的內(nèi)部應(yīng)力。
從而，圖17所示的步驟200的處理完成。即，基于周圍區(qū)域的寬度W，對步驟7中數(shù)值化的內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)正，能夠按每個周圍區(qū)域的單位區(qū)域確定內(nèi)部應(yīng)力。圖17中，與圖13相同的步驟上采用同一的要素，省略其說明。
圖18中示出適合觀察光彈性效應(yīng)的膜狀模型的制造方法。
步驟I中準(zhǔn)備體腔模型，用浸漬法使PVA被覆到體腔模型的整個表面(步驟II)。在步驟III中用浸漬法對步驟II中獲得的試樣上被覆聚氨基甲酸乙酯彈性體。然后，考慮與聚氨基甲酸乙酯彈性體被覆膜的親合性，分二次用浸漬法被覆PVA(步驟V、VI)。從而，用PVA被覆膜上下完全被覆聚氨基甲酸乙酯彈性體被覆膜。
然后，浸漬到有機(jī)溶劑，有選擇地溶解體腔模型，溶出后(步驟VII)，最后在水中溶解PVA(步驟VIII)，得到由聚氨基甲酸乙酯彈性體構(gòu)成的膜狀模型。
如此，用水溶性材料膜被覆體腔模型的表面，并在該膜的表面形成聚氨基甲酸乙酯彈性體層，且用水溶性材料層被覆該聚氨基甲酸乙酯彈性體層的表面，用有機(jī)溶劑溶解體腔模型，然后用水溶解水溶性材料膜，因而得到由聚氨基甲酸乙酯彈性體構(gòu)成的膜狀模型，從而能夠?qū)⑷康墓に囉媒n法進(jìn)行。因而，制造方法變得簡單，進(jìn)而可降低制造成本。
本發(fā)明并不受限于上述發(fā)明的實(shí)施方式及實(shí)施例的說明。在不超出權(quán)利要求所記載的情況下，本發(fā)明包含本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易想到的范圍內(nèi)各種變形。
以下，公開如下事項。
(1)一種立體模型，其特征在于包括由透光性材料構(gòu)成，其內(nèi)部設(shè)有再現(xiàn)基于被檢體的斷層像數(shù)據(jù)形成的血管等的體腔的腔體的膜狀模型；圍繞該膜狀模型的基體材料；以及容納該基體材料的透光性的外殼。
(2)如(1)所述的立體模型，其特征在于所述膜狀模型與所述基體材料的折射率基本上相等。
(3)如(1)或(2)所述的立體模型，其特征在于所述基體材料由硅凝膠或者甘油凝膠構(gòu)成。
(4)一種立體模型，其特征在于其內(nèi)部設(shè)有用以再現(xiàn)基本被檢體的斷層像數(shù)據(jù)形成的血管等的體腔的腔體的膜狀模型，埋入凝膠狀的基體材料，能夠識別所述膜狀模型的腔體。
(5)如(4)所述的立體模型，其特征在于所述基體材料由硅凝膠或者甘油凝膠構(gòu)成。
(6)一種立體模型，其特征在于在由透光性凝膠狀的第一材料構(gòu)成的基體材料設(shè)置再現(xiàn)體腔的腔體，在腔體的外壁以膜狀形成透光性的第二材料。
(7)如(6)所述的立體模型，其特征在于所述第一材料為硅凝膠或者甘油凝膠。
(8)一種立體模型，其特征在于在由透光性凝膠狀的第一材料構(gòu)成的基體材料設(shè)置再現(xiàn)體腔的腔體，腔體的外壁經(jīng)過親水性處理或者疏水性處理。
(9)一種立體模型的制造方法，其特征在于包括基于被檢體的斷層像數(shù)據(jù)將血管等的體腔模型積層造形的工序；用模型成形材料膜狀圍繞該體腔模型的周圍而形成中子的工序；將該中子設(shè)于外殼內(nèi)，向該外殼注入基體材料并凝膠化的工序；以及在該基體材料凝膠化后除去所述體腔模型的工序。
(10)一種立體模型的制造方法，其特征在于形成其內(nèi)部設(shè)有由透光性凝膠狀的第一材料構(gòu)成，并再現(xiàn)基于被檢體的斷層像數(shù)據(jù)形成的血管等的體腔的腔體的基體材料，在所述腔體的內(nèi)表面以膜狀形成透光性的第二材料。
(11)一種立體模型的制造方法，其特征在于形成其內(nèi)部設(shè)有由透光性凝膠狀的第一材料構(gòu)成，并再現(xiàn)基于被檢體的斷層像數(shù)據(jù)形成的血管等的體腔的腔體的基體材料，所述腔體的內(nèi)表面經(jīng)過親水性處理或者疏水性處理。
權(quán)利要求
1.一種立體模型，其中包括將血管等的體腔在其內(nèi)部再現(xiàn)的膜狀模型；圍繞著該膜狀模型的透光性基體材料，該基體材料具有彈性且對所述膜狀模型具有密合性。
2.如權(quán)利要求1所述的立體模型，其特征在于還設(shè)有容納所述基體材料的透光性的外殼，在該外殼與所述膜狀模型之間，所述基體材料具有容許所述膜狀模型的自由變形的容限。
3.如權(quán)利要求1所述的立體模型，其特征在于所述膜狀模型由硅彈性體或者氨基甲酸乙酯彈性體構(gòu)成，所述基體材料由硅凝膠或者氨基甲酸乙酯凝膠構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的立體模型，其特征在于所述膜狀模型和所述基體材料的折射率基本上相等。
5.如權(quán)利要求1所述的立體模型，其特征在于所述膜狀模型由透光性材料構(gòu)成，其上施加外力時，其厚度方向基本上不發(fā)生內(nèi)部應(yīng)力，沿其表面的方向發(fā)生第一內(nèi)部應(yīng)力，所述基體材料由基本上不產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的材料構(gòu)成，用以觀察光彈性效應(yīng)。
6.如權(quán)利要求5所述的立體模型，其特征在于所述膜狀模型基本上以相同厚度的圓環(huán)狀截面形成。
全文摘要
本發(fā)明提供可再現(xiàn)血管等的體腔部分的動態(tài)特性的立體模型。其內(nèi)部設(shè)有再現(xiàn)基于被檢體的斷層像數(shù)據(jù)形成的血管等的體腔的腔體的膜狀模型，埋入具有類似于活體組織的物理特性的基體材料內(nèi)?；w材料采用硅凝膠等柔軟且具有彈性的材料。
文檔編號G09B23/30GK1867955SQ200480029798
公開日2006年11月22日 申請日期2004年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者池田誠一 申請人:財團(tuán)法人名古屋產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所