海洋哺乳類の骨と軟組織を模したスケーラブルなDICOM由来3Dプリントファントム

なぜ偽物のアシカが重要なのか

水族館から救助センターまで、獣医は有害な藻類繁茂で中毒したり、傷ついたり病気にかかったカリフォルニアアシカの世話をします。これらの力強く繊細な動物から採血することは診断に不可欠ですが、生体で安全に学ぶのは困難です。本研究は、医用スキャンデータを用いてアシカの股関節周辺の実物に近い3Dプリントモデル、いわゆる「ファントム」を作成する方法を述べています。作成されたファントムは実際の組織と似た感触と挙動を示し、訓練者に現実的な練習手段を提供するとともに、動物や人のための新しい医療モデルへの道を示しています。

スキャンを立体形状に変換する

研究チームは、米海軍海生哺乳類プログラムが提供した実際のカリフォルニアアシカの詳細なCTおよびMRIスキャンから始めました。これらのスキャンは標準的な医用DICOM形式で保存され、軟らかい脂肪から硬い骨まで組織の密度を小さな体積単位ごとに示します。専門ソフトを用いて、研究者らは画像を「セグメンテーション」し、スキャンでの明るさに基づいて骨や軟組織を分離しました。次にデジタルモデルを整え平滑化し、検査台などの不要物を切り取り、脚、ひれ、骨盤と脊椎など実用的なセクションに骨格を分割しました。その結果、特に採血が行われることの多い腰の骨の後ろの領域に注意を払った、解剖学的に忠実な下半身のデジタルモデルが得られました。

内側から外側へ層状の体を作る

単一の塊を作る代わりに、研究者らは骨、筋肉、脂肪（ブロバー）、皮膚の4つの異なる層としてファントムを設計しました。骨の形状は直接3Dプリント可能なファイルとして書き出され、高解像度の光造形プリンタで縮尺を落として印刷されました。柔軟な外殻は本体に沿って設計され、中空にして内部を空洞化し、骨や軟組織を挿入できるよう上部が分割されました。この外殻は二重の役割を果たします：ファントムの目に見える「皮膚」として働くと同時に、内部ゲルを鋳造するための金型にもなります。尾椎やひれの窩穴のような骨の基準点は保存され、骨格を正確に外殻内に位置合わせできるようにして、臨床医が触覚で頼る実際の手がかりの感触を再現しています。

偽の組織を本物のように感じさせる

針や手で押したときに実際のアシカ組織がどのように変形するかを再現するため、チームは透明で再利用可能な医療用ゼラチン系ゲルの一群を用いました。これらのゲルは非常に硬いものから非常に柔らかいものまで複数の等級があります。動的機械解析装置を用いて小さなゲル試料を制御された方法で圧縮し、繰り返し荷重時の剛性とエネルギー損失を測定しました。これは生体組織を押して離す操作に近い評価です。これらの測定をアシカの脂肪、筋肉、骨の既知特性と比較することで、それぞれの層に適した特定のゲルを選択しました：骨近傍には丈夫な結合組織を模すやや硬めのゲル、筋肉にはより柔らかいゲル、厚いブロバー層には中間のゲルを使用しました。骨格には頑丈でやや柔軟なプラスチック樹脂を、外皮には透明で伸縮性のある樹脂を選び、練習中に内部の骨が視認できるようにしました。

デジタルモデルから実働ファントムへ

材料と形状が決まると、研究者らはファントムを段階的に組み立てました。まず骨を印刷し、関節付近の腱や緊密に結合した筋肉を表すために骨を堅いゲルに浸しました。透明な皮膚シェルは別に印刷されました。次に、異なる縮尺で皮膚シェル内部の脂肪と筋肉の容積を計算し、溶かして注ぐゲルの量を算出しました。気泡や冷却を制御するため真空オーブンや氷浴を用い、シェル壁に沿ってブロバー層を流し込み、骨格を正確な位置に配置し、最後に残りの空間を柔らかい筋肉ゲルで満たしました。一日硬化させた後、露出した表面を熱で優しく研磨して変形させずに滑らかにしました。完成したモデルは元の3Dレンダリングに近く、取り扱い中もしっかりと保持され、使用者は内部構造を触れたり見たりできました。

トレーニングとその先に意味すること

訓練者にとって、このアシカファントムは骨のランドマークを見つけ、適切な箇所に針を刺す練習を現実的に行える手段を提供し、生体の動物を危険にさらすことを避けられます。ワークフローが日常的な医用画像から始まるため、他の体領域や他種、さらには人間の患者にも適用可能です。本研究は、画像ベースの設計と入念に評価された軟質材料が、訓練に十分なまでに生体組織を再現できること、さらには軟体ロボティクス装置やカスタムインプラントへの応用可能性を示しています。要するに、研究者らはデジタル解剖を手に触れられるスケーラブルなモデルに変換し、診療所や海洋救助センターの感触を研究室や教室にもたらす実用的な手順を提示しました。

引用: Fisher, D., Minaian, N., McClain, A. et al. Scalable DICOM 3D-printed phantoms mimicking marine mammal bone and soft tissue. Sci Rep 16, 5929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36154-5

キーワード: 3Dプリントファントム, カリフォルニアアシカ, 獣医トレーニング, 医用画像, 組織模擬ゲル