３
D プリンタの DICOM データからの立体造形化の基礎
―低価格３
D 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. 3 D 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55-48210」2)。 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
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。 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。 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 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。
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。 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 Fig 1 Fig 2 Fig 4 Fig 3
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 Fig 5
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。 Fig 6
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。
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 8c Fig 8d Fig 7a Fig 7b
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). 237-241. 1981.
2) 小玉秀男:「立体図形作成装置」: 特許出願 (昭 55-48210). 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 55-48210).
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.34. 73-77 AIT 2008− 88. (jul．2008).
