Fig 1 Fig 2 るので付着積層造形加工 (additive fabrication) と呼ばれたが 2009 年の国際標準化会議 (ASTM International) で Additive Manufacturing ( 付加製造 ) と称することになった付加製造技術の種類は光造形

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さいぞうちゅうか
6 years ago
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1 3D プリンタの DICOM データからの立体造形化の基礎低価格 3D プリンタの利用の実際加藤研吾藤森泰徳 ( 指導教員 : 成田誠 ) 要旨本稿では CT 装置など医用画像装置から得られる 3 次元画像から 3 次元形状へのデータ変換および 3D プリンタを用いた造形技術について概説するまた低価格 3D プリンタで造形した事例を紹介するキーワード可視化 3 次元画像処理ラピッドプロトタイピング I. はじめに CAD (computer-aided design, コンピュータ支援設計 ) や医療用断層検査など計算機関連でも 3 次元の広がりを持つ立体的な形について扱うことが多くなった 2 次元の形においてはモニターなどによりその形を直接人に認識させることができるしかし 3 次元については 3 次元的に出力させる方法が難しく種々の角度から多数枚の断層図を出図する方法が一般的にとられるこれらの方法は 2 次元図で 3 次元を表示しようとするものであるだけに複雑な形になればなるほど人間が認識するために高度な思考力が必要となるまた極めて複雑な物体の表示には限界もある複数の人の間でその形について意思疎通をする場合にも充分な表示とは言えない 3D モニターなどによる立体表示も研究されているが実用的に広く使用されていない 3 次元造形は 2 次元の形と同様に頭の中で思考する必要がなく一目で認識することができる 3D プリンタとは通常は紙に平面的に印刷するプリンタに対し 3DCAD 3DCG (Discounted Cumulative Gain) データを元に立体 (3 次元のオブジェクト ) を造形する機器である立体図形といえば CAD を使って 3 次元物体像を描画するか 3D スキャナを使って物体像の 3D データを加工するかして STL (Standard Triangulated Language) データを作成するこのデータは 3D プリンタの実体模型の造形 (rapid prototyping) には必要不可欠なデータ処理である II. 3D プリンタの歴史 3D プリンタは名古屋工業試験所の小玉秀男氏が新聞の版下を液体の光硬化性樹脂で作成されているのを見てマスクを変えながら紫外線を露光する工程を繰り返すことによって光造形立体模型を作ることができると考え 3D-CAD で設計したものをそのまま仕上げることができると確信し実験をせずに特許を 1980 年に基本アイデアを論文化 1) 4 月 12 日に出願した立体図形作成装置特許昭 ) 光造形のアイデアを温めていた Charles W. Hull はその事業化に取り組み試行錯誤で光造形実証機を作成し 1984 年 8 月 8 日に米国特許を出願し日本でも特許 3 次元の物体を作成する方法と装置で出願した 3) そして 1986 年に 3D Systems 社を設立し商業活動を開始したことにより本格的な 3D プリンタ時代が始まった 1987 年に 3D Systems 社は世界初の 3D プリンタ実用機 SLA-1 を製品化した価格は億単位のマシンから始まったが 1988 年にストラタシス社が熱溶解積層法 (FDM, fused deposition modeling) の特許を取得した後 2009 年にその方法の特許失効とともに格安 3Dプリンタ時代が到来した 3D プリンタの開発普及を目的とした RepRap (Replicating Rapid Prototypers) Community プロジェクトが特許失効間近の 2006 年に設立し廉価版 3D プリンタに関してオープンソースコミュニティで開発普及に貢献しているオープンソースなので 3D プリンタのノウハウを世界中どこからでも共有し開発利用でき RepRap 仕様 3D プリンタが市場に出回っている 10 万円台の 3D プリンタが市販されるようになり個人ベースでのものづくりが自作できるようになりパーソナル 3D プリンタの普及時代が来ているパーソナル 3D プリンタでは FDM 法が主流である現時点で 3D Systems 社は 3D プリンタの世界最大のメーカである光造形法は光硬化性樹脂を紫外線で硬化させて積層す 1

Fig 1 Fig 2 るので付着積層造形加工 (additive fabrication) と呼ばれたが 2009 年の国際標準化会議 (ASTM International) で Additive

特許期限が切れたことで FDM 法の 3D プリンタの価格破壊がおこり現在低価格で購入できる 3D プリンタの主流である (Fig3) 構造によって立体造形物を支えるためのサポートが必要となる主な樹脂には ABS

光造形方式 (SLA:Stereo Lithography Apparatus) 3D プリンタの中でもっとも歴史の古い方式であり小玉が発明したもので 3D Systems 社が実用化した

層分ずつステージを下げて幾層も積み上げて立体物を造形する (Fig2) 紫外線の照射を受けなかった樹脂は液体のままなので液体内に硬化した立体造形物が出来上がる立体造形物を支えるサポートは必要なく

粉末焼結方式 (SLS:Selective Laser Sintering) 光造形方式と似たものでステージ上にある粉末状の材料にレーザーを照射し造形を焼結させて粉末が硬化したらステージを下げる

光は下から照射するので逆さまに立体造形物が作られるステージの下に造形されるので造形台を上に引き上げぶら下がりの造形物ができる造形ステージ全体にプロジェクタの光が照射されるので

2 Fig 1 Fig 2 るので付着積層造形加工 (additive fabrication) と呼ばれたが 2009 年の国際標準化会議 (ASTM International) で Additive Manufacturing ( 付加製造 ) と称することになった付加製造技術の種類は光造形方式プロジェクション方式熱溶解積層方式粉末焼結方式インクジェット方式粉末固着方式に分類される特許期限が切れたことで FDM 法の 3D プリンタの価格破壊がおこり現在低価格で購入できる 3D プリンタの主流である (Fig3) 構造によって立体造形物を支えるためのサポートが必要となる主な樹脂には ABS や PLA などが用いられる III. 造形方式 1. 光造形方式 (SLA:Stereo Lithography Apparatus) 3D プリンタの中でもっとも歴史の古い方式であり小玉が発明したもので 3D Systems 社が実用化した紫外線を照射すると硬化する液体樹脂を用いる (Fig1) 光硬化樹脂の液体を満たしたプール槽に紫外線レーザーを照射し樹脂を硬化造形し 1 層の造形ステージを作り 1 層分ずつステージを下げて幾層も積み上げて立体物を造形する (Fig2) 紫外線の照射を受けなかった樹脂は液体のままなので液体内に硬化した立体造形物が出来上がる立体造形物を支えるサポートは必要なく作成後はサポート材の除去作業は要らない日本のものづくり製造業で最も普及している主な樹脂はエポキシ系とアクリル系が用いられる Fig 3 4. 粉末焼結方式 (SLS:Selective Laser Sintering) 光造形方式と似たものでステージ上にある粉末状の材料にレーザーを照射し造形を焼結させて粉末が硬化したらステージを下げる高出力のレーザー光線を当てて焼結する (Fig4) 材料はナイロンなどの樹脂系や銅青銅チタンニッケルなどの金属系セラミック系のものが用いられるゆえに耐久性のある造形物を作ることができる硬化後に粉末を吹き飛ばすことができるのでサポートは必要がない 2. プロジェクション (projection) 方式プロジェクション (projection) 方式は光造形方式の一種でプロジェクタの光を照射し樹脂を硬化させて積層するもので光は下から照射するので逆さまに立体造形物が作られるステージの下に造形されるので造形台を上に引き上げぶら下がりの造形物ができる造形ステージ全体にプロジェクタの光が照射されるので樹脂との間に光を遮断するマスクがあり造形部分以外は光が当たらないようになっているきめの細かな造形物を作ることができる主な素材は先と同様光硬化樹脂が用いられる 3. FDM (Fused Deposition Modeling) 方式 ( 熱溶解積層法 ) FDM 方式は熱で溶ける樹脂 ( 熱可塑性樹脂 ) を 1 層ずつ幾層に積み上げていくもので 2009 年に FDM 法の Fig 4 5. インクジェット (ink-jet) 方式インクジェット (ink-jet) 方式は紫外線硬化樹脂の液体をノズルから噴射し紫外線を照らして硬化させ 1 層ごとに積層させるものである紙に印刷するインクジェットプリンタの原理と同じであるインクジェットプリンタのように液状の樹脂を噴き付け紫外線の照射で硬化してそれを幾層にも積層するものである滑らかな表面で仕上がるので高精度の造形物を作ることができサポート材も必 2

鈴鹿医療科学大学保健衛生学部理学療法学科平成 28 年度卒業論文 sums.hp-thesis.2016.xx Fig 5 要となる主な素材はアクリル系 ABS 系ラバー系ポリプロピレン系の樹脂が用いられる 6.

(Fig5) 造形物の強度は弱いがきめの細かなものができサポートは要らない主な素材は石膏ベースプラスチックベースデンプンベースセラミックベースの粉末が用いられる IV. 造形までの流れ STEP 1: 対象物のスキャン STEP 2: 画像処理 STEP 3: STL データ書き出し STEP 4: プリントデータ作成 STEP 5: 出力 ( プリント ) 1.

次元形状モデルを再構成する必要があるこの作業は, 3 次元形状再構成と呼ばれる 4) CT データをもとにした画像の再構成方法の代表的な手法には多断面再構成法 (multiplanar formation:mpr 法 ) 最大値投影法 (maximum intensity projection:mip 法 ), 3 次元 CT 再構成法があるサーフェスレンダリング法あ

3 鈴鹿医療科学大学保健衛生学部理学療法学科平成 28 年度卒業論文 sums.hp-thesis.2016.xx Fig 5 要となる主な素材はアクリル系 ABS 系ラバー系ポリプロピレン系の樹脂が用いられる 6. 粉末固着方式 (binder jetting) 粉末にインクジェットのノズルから樹脂 ( バインダ ) を噴射して接着し固化するもの粉末にはデンプンや石膏などを用いフルカラーで立体造形物を作ることができるまず 1 層分の粉末をローラーで敷き詰めてインクジェットのノズルより接着剤の樹脂を噴き付ける 1 層分が固化したらステージを下げて 3Dのスライスデータに従って造形しステージを下げていく (Fig5) 造形物の強度は弱いがきめの細かなものができサポートは要らない主な素材は石膏ベースプラスチックベースデンプンベースセラミックベースの粉末が用いられる IV. 造形までの流れ STEP 1: 対象物のスキャン STEP 2: 画像処理 STEP 3: STL データ書き出し STEP 4: プリントデータ作成 STEP 5: 出力 ( プリント ) 1. STEP 1: 対象物のスキャンコンピュータ断層撮影 (CT:Computed Tomography) や核磁気共鳴画像法 (MRI : magnetic resonance imaging) などの計測結果は断層単位の 2 次元スライス画像群の各画像間の幅を密にとることで, 精度の高い 3 次元画像として扱えるしかしながらデータ構造は直方格子分割であり各画素情報を用いて必要な 3 次元形状モデルを再構成する必要があるこの作業は, 3 次元形状再構成と呼ばれる 4) CT データをもとにした画像の再構成方法の代表的な手法には多断面再構成法 (multiplanar formation:mpr 法 ) 最大値投影法 (maximum intensity projection:mip 法 ), 3 次元 CT 再構成法があるサーフェスレンダリング法あるいはボリュームレンダリング法などもある数年前まではサーフェスレンダリング法が行われることが多かったが最近では CPU や GPU プロセッサのマルチコア化や高速化とともにスムーズなボリュームレンダリング描画が主流となりつつある DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) の略で医用デジタル画像と通信の標準規格である DICOM 規格を採用することで異なった装置間で医用画像の相互接続やデータベースの統一化が可能になる 2. STEP 2: 画像処理画像処理ソフトとして OsiriX を用いてサーフェスレンダリング法により輝度値や平滑化パラメータに配慮して行い 3 次元構築を行ったこの 3 次元構築を参照しながら元々の CT 画像の axial section 像の 1 枚 1 枚から目的とする骨などを ROI (Region of Interest) として囲み選択することによって DICOM データの抽出作業を行った DICOM データは画像修正ソフト Geomagic Sculpt の使用によりデータ処理の容量の確保およびプリントする位置角度サイズを調整が可能となりサポートなども追加することもできプリント時のパラメータの設定に充分配慮し作成することが可能となったこのソフトによるゴミの除去平滑処理画像編集などの後ポリゴンデータの生成によりサーフェスレンダリングを行ったポリゴンデータはユーザが任意に指定した輝度値に対して, その輝度値に等しい面を取り出して, その隣接する要素をつなぐ操作により作成され等値面生成と呼ばれているまたサーフェスレンダリング時に抽出したい領域が, 他の領域と比較して明確な輝度値の差がある場合 2 値化処理だけで分離が可能である抽出する領域の輝度値が他の領域の輝度地と類似している場合 ( 表面形状が明確でない場合 ) より高度な対象領域の抽出作業( セグメンテーションと呼ばれる ) が必要となるとくに 1) 対象とする領域の輝度値が他の領域の輝度値と類似している 2) 対象とする領域の輝度値が徐々に変化する 3) 使用する 3 次元画像にノイズや誤差が含まれている場合一般 3

にセグメンテーションは困難で時間を要する作業となるセグメンテーション手法には, 対話形式画像処理フィルタ変形モデル統計的手法など多くのアプローチがあるまた, 今回はこれらの手法を組み合わせた方式などを用いてポリゴンデータの作成しレンダリングを行うことで 3D プリンターで使用する STL (stereo lithography, 日本では standard triangulated

4 にセグメンテーションは困難で時間を要する作業となるセグメンテーション手法には, 対話形式画像処理フィルタ変形モデル統計的手法など多くのアプローチがあるまた, 今回はこれらの手法を組み合わせた方式などを用いてポリゴンデータの作成しレンダリングを行うことで 3D プリンターで使用する STL (stereo lithography, 日本では standard triangulated language) データへ書き出された 3. STEP 3: STL データ書き出し 3D プリンタ用の立体図形加工には STL 形式のデータを準備する必要がある 3D プリンタ用データで STL フォーマットが標準となったのはプリンタの先駆企業 3D Systems 社が開発し普及させたことにある 1 層分の平面図形を xy 平面上に 2 次元に加工し z 軸方向に順々に積み重ねていき 3D 造形物を作成する立体図形といえば CAD (computer-aided design, コンピュータ支援設計 ) を使って 3 次元物体像を描画するか 3D スキャナを使って物体像の 3D データを加工するかして STL データを作成するこのデータは 3D プリンタの実体模型の造形 (RP : rapid prototyping) には必要不可欠なデータ処理である STL 形式は三角形の面 (facet) から構成される多面体 ( ポリゴン, polygon) で近似した 3D 物体像の形状を表現できるように設計されている 3 つの頂点の座標 (x, y, z) と法線ベクトル ( 垂直方向の成分値 ) により定義される三角形ポリゴンからなるファセットの集合体で立体物を表現したファイル形式である STL データ形式には ASCII 形式とバイナリ形式の 2 通りがある CAD で取扱われるデータ形式は CAD ソフトウェアによっていろいろで固有な標準化形式が用意されているが 3D プリンタには STL 形式データに変換する必要がある 3D 物体像のモデリングには CAD が用いられるが性能によって高価なものから安価で無償のフリーウェアまで提供されている無償といえどもかなりの精度で 3D モデリングができ有用である 3D-CAD の主なファイルフォーマットは DXF(.dxf), DWG(.dwg), IGES(.iges), VRML(.wrl), STL(.stl) などがある DXF (drawing exchange format) は CAD で作成した図面の情報交換できる標準フォーマットと位置づけられておりポリゴン形状データの汎用フォーマットである DWG (drawing) は Autodesk 社の AutoCAD の標準フォーマットである IGES (initial graphics exchange specification) は ANSI が策定した自動車産業における標準フォーマットである VRML (virtual reality modeling language) は Web 上での使用を前提とした ASCII フォーマットであり分子モデリングに良く用いられている STL (standard triangulated language) (Fig6) は 3 次元形状の三角形ポリゴン (facet: 面 ) の集合を現す 3D-CAD 用フォーマットである 4. STEP 4: プリントデータ作成 3D プリンタは付着積層造形加工するための工作機械であり G-code で駆動がコントロールされている工作機械を作動させる動作指示が書かれたものが G-code である CAD データの 3D 形状 STL ファイルを 3D プリンタ用に G-code に変換する必要がある STL 形式から G-code に変換する過程ではまず 3D 形状データを水平にスライスするソフトで 3D-CAD モデルを薄切りにして積層形式に変換するポリゴンの STL データをスライスデータ (G-code) に変換するのにスライサソフトが必要であり主なスライサソフトに Slic3r, KISSlicer, Skeinforge, 3D Slicer などがあるしかし今回用いた 3D プリンタアプリは 3Dsystem 社 CubeX Due 附属のアプリが DICOM データの容量などの問題により作動しないためにフリーソフトの KISSlicer でプリントデータを作成した薄切りした 1 枚ごとの層を 3D プリンタのノズルから樹脂を熱溶解し吐き出して積層するように G-code 変換する立体モデルを積層する段階でサポート材や土台が必要であればそれを自動的に付加する G-code を作成するプリンタのノズルを xyz 軸で動かすモータと熱溶解するヒータ温度の設定管理のための G-code を作成する 3D 物体を積層するために G-code のスクリプトを 1 行ずつコンピュータから USB バスを介してプリンタに送り込み 3D 物体を付加製造する STL:(Standard Triangulated Language) 立体形状を 3 角形の面で表したデータのファイル形式 STL は三次元形状を表現するデータを保存するファイルフォーマットのひとつであるただしこの名称はほぼ日本国内でしか通用せず一般的に用いられる STL 形式の正式名称は Stereolithography ( 光造形法を意味する ) である Fig 6 4

鈴鹿医療科学大学保健衛生学部理学療法学科平成 28 年度卒業論文 sums.hp-thesis.2016.xx 5.

途中で失敗することも多々ある今回用いた 3D Systems CubeX Due は以下のような工夫が必要となったプリンタ造形台に造形物を安定させるために用いる接着剤の工夫

度であるその後造形物は 40 度近い温度がある (Fig7a,b) プリンタ囲い内の庫温は 34 度であった 3 次元画像にノイズや誤差が残り造形中にフィラメントが彷徨うなど

失敗例の数々低価格の 3Dプリンタが普及しパーソナル機器として定着する兆しがある中で教育のツールとして位置づけられるように発展することが望まれる

依頼して作ってもらうのではなく自力で RP( ラピッドプロトタイピング ) を行うために 3D プリント作業における操作メンテナンスを身に付ける必要がある

同時に空間的な位置関係もわかりやすくなるそのため今後は診断支援術前計画支援手術シミュレーション医療教育患者へのインフォームドコンセントなどの医療分野に加えて

5 鈴鹿医療科学大学保健衛生学部理学療法学科平成 28 年度卒業論文 sums.hp-thesis.2016.xx 5. STEP 5: 出力 ( プリント ) 3D プリンタで作成データの出力をおこなうプリンタの機種ごとの特性に配慮が必要で完成まで監視が必要になる原因は様々であるが途中で失敗することも多々ある今回用いた 3D Systems CubeX Due は以下のような工夫が必要となったプリンタ造形台に造形物を安定させるために用いる接着剤の工夫 240 度余りで溶け出して造形する PLA および ABS などの急激な温度変化を軽減するためにプリンタ自体を囲い温度環境への配慮熱溶解ヒータの出力直後の造形時は 100 度であるその後造形物は 40 度近い温度がある (Fig7a,b) プリンタ囲い内の庫温は 34 度であった 3 次元画像にノイズや誤差が残り造形中にフィラメントが彷徨うなど様々な失敗が多々あり (Fig8a-d) これらへの対応を必要とした V. 失敗例の数々低価格の 3Dプリンタが普及しパーソナル機器として定着する兆しがある中で教育のツールとして位置づけられるように発展することが望まれるコンピュータの定着で文書作成をワープロ処理するのが当たり前になったようにパーソナルユースとなればユーザが操作上のトラブルは解消することができなければならず依頼して作ってもらうのではなく自力で RP( ラピッドプロトタイピング ) を行うために 3D プリント作業における操作メンテナンスを身に付ける必要があるあらゆる作業においてパソコンの利活用が定着した今新たな周辺機器として 3D プリンタが普及し実際に造形された実体モデルは, 視覚や触覚で確認でき, 同時に空間的な位置関係もわかりやすくなるそのため今後は診断支援術前計画支援手術シミュレーション医療教育患者へのインフォームドコンセントなどの医療分野に加えてより臨床に近い範囲でも活用されることが期待される VI. まとめ 3D プリンタが医療に与える影響は計り知れない 3D プリンタの医療利用に放射線技術は必要不可欠である 3D プリンタによる放射線技術を利用したものづくりへの貢献謝辞 : 本研究に使用した CT 画像データ取得には, 名古屋市総合リハビリテーションセンター放射線診断科の皆様企画研究室の皆様のご協力に深謝いたしますまた, ご指導いただきました成田誠先生に深謝いたします Fig 8a Fig 8b Fig 7a Fig 8c Fig 8d Fig 7b 5

6 VII. 参考文献 1) 小玉秀男 : 3 次元情報の表示法としての立体形状自動作成法 : 電子通信学会論文誌. vol.64-c. No.4 (Section J) ) 小玉秀男 : 立体図形作成装置 : 特許出願 ( 昭 ). 3) C.W. Hull: 三次元の物体を作成する方法と装置 : 特許出願 ( 昭 ). 4) 土井章男, 鈴木聡史, 山佐史人, 他 : Volume Extractor 三次元画像処理と形状再構成 ITE Technical Report. VoL.32. No AIT (jul.2008). 6

本論文では 3D プリンタの技術革新史を紐どくとともにそれを用いて何が作れるのか化学教育では 3D 分子モデルを作ることによって目に見えない分子を可視化し触って体感する教材作りを提案するさらにものづくり教育

本論文では 3D プリンタの技術革新史を紐どくとともにそれを用いて何が作れるのか化学教育では 3D 分子モデルを作ることによって目に見えない分子を可視化し触って体感する教材作りを提案するさらにものづくり教育 J. Technology and Education, Vol.21, No.2, 2014 J. Technology and Education, Vol.21, No.2, pp.53-62 (2014) 教育論文 3D プリンタの現状と今後の展望 - 体感できる分子モデルの教材作り - 吉村忠与志 * 福井工業高等専門学校名誉教授 ( 916-8507 鯖江市下司町 ) *tadayosi@fukui-nct.ac.jp

Fig 1 Fig 2 るので 付着積層造形加工 (additive fabrication) と呼ばれたが 2009 年の国際標準化会議 (ASTM International) で Additive Manufacturing ( 付加製造 ) と称することになった 付加製造技術の種類は 光造形

Fig 1 Fig 2 るので付着積層造形加工 (additive fabrication) と呼ばれたが 2009 年の国際標準化会議 (ASTM International) で Additive Manufacturing ( 付加製造 ) と称することになった付加製造技術の種類は光造形