使用複合材料積層製造身體部位模型的系統及製造方法與流程

2023-11-09 07:40:01

相關申請的參考文獻

本案依據35 USC 119(e)，參照美國臨時申請案申請號:61/560822，申請日:2011年11月7日，其公開內容引入本文作為參考並主張所述臨時申請案的優先權。

技術領域

本發明在一些實施例中涉及一種複合材料積層製造(Additive Manufacturing,AM)，尤其但不限於一種基於斷層攝影以物理重建一物體，如一人體部位的複合材料積層製造。

背景技術：

積層製造方法是目前習知用以製造三維物體模型的方法，包括生物器官。積層製造方法或固體自由成型(Solid Freeform Fabrication)為通過添加劑形成步驟，使任意形狀的結構可以直接從計算機數據直接製作的一種技術。任何固體自由成型系統的基本操作包括對三維物體計算機模型進行切片轉換成薄的截面，轉譯所述切片結果為二維位置數據，並傳送所述數據至以逐層方式製造三維物體結構的控制設備。

利用斷層掃描數據的方法，例如由斷層掃描儀或核磁共振影像設備提供的數據以積層製造方法物理性的重建一生物器官為習知的技術。斷層數據通常包括掃描生物器官的灰階截面圖像數據，一般情況下，斷層掃描數據以醫療數字影像傳輸協議(Digital Imaging and Communications in Medicine,DICOM)的文件格式提供。

在習知的物理重建方法，計算機輔助設計(CAD)系統以光固化成形法(StereoLithography,STL)用來轉換及/或轉譯所述醫療數字影像傳輸協議檔案為三維計算機模型檔案，使其可被積層製造設備所讀取。光固化成型法的文件格式僅描述三維物體的表面幾何狀況而無法呈現三維物體內部任何可能的顏色變化、紋理及/或機械特性。由於物體內部的變化無法以光固化成型法的文件格式呈現，很多隱含在醫療數字影像傳輸協議檔案中的數據將會在轉譯過程中失去。

美國專利公告號US5,768,134，發明名稱:以人體部位數字影像數據為基礎製造完善醫學模型的方法，通過參考文獻將其整體引述於本案中，描述一方法為以數字影像數據為基礎，增加一人造功能組件於一人體部位模型，如於斷層掃描影像切片之前。如其中所述，在其餘人體部位影像進行影像數據切片前，所加入的人造功能組件使所有以數字影像數據形式呈現的醫學數據成為可見。其通過例示的方式描述了所述的功能組件，如一個開口用以指示鑽孔處及鑽孔方向，對於影像數據而言增加的功能為標示出圍繞所述人體部位的其他組件。其亦描述由醫學用戶得來的外部數據，增加的功能為使影像數據與人造功能組件可讓用戶得到額外的外部數據。

美國專利公開號US20100191360，發明名稱:使用多成型材料的固體自由成型方法，為多共同發明人發明，通過參考文獻將其整體引述於本案中。描述其中包括一系統與一方法用以使用兩種或以上不同預定組合的成型材料製造物體，其中所述組合為由不同的成型材料經由不同的噴頭配送。不同的成型材料可以被配送於同一層中不同位置或相同位置或鄰近位置進行分配，以便形成一種複合材料。

更有描述一方法用以不需設計完整立體結構使用的標準計算機輔助設計(CAD)軟體而定義複合材料結構，所述方法包括執行一布爾比較法(Boolean comparison)於呈現所需複合材料結構的位圖與呈現三維物體的光固化成型法格式位圖間，所述方法省略了計算機輔助設計(CAD)軟體將所需複合材料結構製成一位圖的需求，如此可節省設計過程的時間與為了設計三維物體結構而造成的計算機內存耗費，並且同時在建構過程中分析三維物體結構。

更進一步有描述兩種或以上建構及/或成型材料，可包括一非固態材料，其可為液體、凝膠、膏狀或其他非固態或半固態形式。優選地，一第二固化材料於製造過程中可以完全環繞或包覆所述非固態材料，當完成製程，使所述非固態材料可保存於三維物體內部，或可選擇的將其排出、使其燃燒殆盡或是以其他方式除去。以此方式將可產生一空心或多孔的模型。

技術實現要素：

一方面根據本發明某些實施例，提供了一種系統與方法，用於轉換一身體部位的斷層掃描數據為可列印的位圖影像並呈現成型材料組合用以使用複合材料積層製造方式以物理性重建所述身體部位。根據本發明某些實施例，定義所述斷層掃描數據與構成身體部位的組織其機械特性間的一關聯性。在一些例示性的實施例中，用以重建所述身體部位的成型材料組合被定義為可仿真所述斷層掃描數據呈現的不同機械特性。優選地，所述成型材料組合包括一或多預先設定的結構，設計為增加一種或多種所述身體部位的物理及/或機械特性。

一方面根據本發明某些實施例，提供了一種方法，用於使用複合材料積層製造以物理重建一身體部位，所述方法包括：接收所述身體部位立體像素陣列形式的影像數據，各立體像素陣列呈現關於所述身體部位截面的影像數據；轉換所述立體像素陣列形式的影像數據為可列印的位圖影像，所述位圖影像呈現用以重建所述身體部位的所述成型材料組合；以及對應所述位圖影像以逐層方式配施所述成型材料組合。

優選地，所述方法包括定義立體像素陣列中的立體像素值與用以重建所述身體部位的目標物理性質間的一關聯性；定義成型材料組合與其物理性質間的一關聯性；以及對應於所述立體像素值與目標物理性質間的所述關聯性以及所述成型材料組合與其物理性質間的所述關聯性，定義所述立體像素值與材料組合間的一關聯性。

優選地，由一個或多個對照表定義所述關聯性。

優選地，所述成型材料組合被選擇為基於每一立體像素模擬所述身體部位的機械特性。

優選地，所述立體像素陣列形式的影像數據被轉換為一數字材料的陣列，各數字材料由至少兩種成型材料的一組合構成，所述組合由所述至少兩種成型材料之間的比例定義。

優選地，所述立體像素陣列形式的影像數據被轉換為一數字材料的陣列，各數字材料由一成型材料立體像素的圖形定義，所述圖形由至少兩成型材料構成。

優選地，所述各數字材料陣列中的數字材料由一預定數量的成型材料立體像素定義。

優選地，所述預定數量的成型材料立體像素選自範圍介於10-1000的成型材料立體像素。

優選地，不同數字材料陣列中的數字材料被定義為具有不同機械特性。

優選地，不同數字材料被定義為具有不同的彈性特性。

優選地，所述不同數字材料具有一彈性係數範圍介於0.01兆帕(MPa)至3吉帕(GPa)。

優選地，所述數字材料由一較硬的材料被一液體或一凝膠體環繞構成。

優選地，所述影像數據是從斷層掃描儀、核磁共振儀與超音波設備其中的一或多個接收。

優選地，當所述影像數據由一斷層掃描儀發出，所述成型材料組合被定義為模擬由所述斷層掃描儀呈現的斷層掃描數據的一陣列密度。

優選地，所述方法使用一或多種附加材料用以改變重建的所述身體部位的一部分物理外觀。

優選地，所述附加材料選自包括染料金屬、離子、陶瓷分子與生物分子組成的一群組。

優選地，所述附加材料用以對應於使用者的輸入。

優選地，所述方法包括接收一使用者的輸入，以及調整所述成型材料組合用以以用戶的輸入為基礎重建所述身體部位。

一方面根據本發明某些實施例，提供了一種系統，用於使用複合材料積層製造以物理重建一身體部位，所述系統包括：一控制器，操作用於接收所述身體部位其立體像素陣列形式的影像數據，所述各立體像素陣列呈現所述身體部位截面的影像數據；一處理單元，操作用以轉換所述立體像素陣列形式的影像數據為可列印的位圖影像，表現用以重建所述身體部位的所述成型材料組合；以及一複合材料積層製造裝置，對應所述位圖影像以逐層方式配施所述成型材料組合。

優選地，所述處理單元操作用以定義所述立體像素陣列中的一立體像素值與用以重建所述身體部位的目標物理性質間的一關聯性；用以定義成型材料組合與其物理性質間的一關聯性；對應於所述立體像素值與目標物理性質間的所述關聯性以及所述成型材料組合與其物理性質間的所述關聯性，定義所述立體像素值與材料組合間的一關聯性。

優選地，所述系統包括一儲存單元，儲存至少一對照表、資料庫或方程式用以定義所述立體像素陣列中的立體像素值與所述身體部位的機械特性間的一關聯性。

優選地，所述系統包括一儲存單元，儲存至少一對照表、資料庫或方程式用以定義所述立體像素陣列中的立體像素值與所述成型材料組合模擬一所述身體部位的機械特性間的一關聯性。

優選地，操作所述處理單元基於每一立體像素模擬所述身體部位的機械特性用以選擇成型材料組合。

優選地，操作所述處理單元用以轉換所述立體像素陣列形式的影像數據為一數字材料陣列，各數字材料由至少兩種成型材料的一組合構成，所述組合由所述至少兩種成型材料之間的比例定義。

優選地，所述各數字材料陣列中的數字材料由一預定數量的成型材料立體像素定義。

優選地，所述預定數量的成型材料立體像素選自範圍介於10-1000的成型材料立體像素。

優選地，不同數字材料陣列中的數字材料被定義為具有不同機械特性。

優選地，所述數字材料由一較硬的材料被一液體或一凝膠體環繞構成。

優選地，所述數字材料為具有一次毫米微距立體像素的單位尺寸。

優選地，所述影像數據是從至少一影像設備群組接收，所述影像設備群組選自一斷層掃描儀、核磁共振儀與超音波設備其中的一或多個。

優選地，所述可列印的位圖像包括增加一或多附加材料至所述成型材料組合的數據。

優選地，所述附加材料選自包括染料金屬、離子、陶瓷分子與生物分子組成的一群組。

除非另有定義，本發明使用的所有技術和/或科學用語與任何熟習本發明所屬之技藝者所理解的意義是相同的。雖然也可利用與本說明書所述相似或等效的任何方法及材料來實行或測試本發明，例示性的方法及材料如下所述，若遇用語不一致時，以本發明說明書(包括定義)為準。此外，該材料、方法及實施例僅舉例而非用以限制。

附圖說明

本發明某些實施例敘述如下，僅作為例示性使用，並配合附圖，現在具體參考詳細附圖，需要強調的是文中細節為例示性，通過實施方式說明與討論方式達到闡明本發明的目的，在這點上，結合附圖將使的本發明的實施方式更可為本發明所屬之技藝者所理解並可據以實施。

附圖如下:

圖1為本發明依照某些例示性實施例使用複合材料積層製造一身體部位的系統簡易方塊圖；

圖2為本發明依照某些例示性實施例使用複合材料積層製造一身體部位的方法簡易流程圖；

圖3為本發明依照某些實施例由一斷層掃描儀取得用以製造一身體部位的脊椎模型供使用複合材料積層製造的影像數據切片示意圖；

圖4A、4B、4C、4D與4E為本發明依照某些實施例的表示不同數字材料的圖形示意圖；

圖5A、5B與5C為本發明依照某些實施例數字材料的間格結構中一液態材料被橡膠類材料所環繞示意圖；

圖6A與6B為本發明依照某些實施例以一軟性材料與一剛性材料組成一數字材料的校準曲線示意圖；以及

圖7A與7B為使用習知積層製造方法重建一手部示意圖(圖7A)以及本發明依照某些實施例使用一方法示意圖(圖7B)。

具體實施方式

於本發明的一些實施例中，涉及複合材料積層製造，尤其但不限於一種基於斷層攝影以物理重建一物體，如一人體部位的複合材料積層製造。

在習知方法中，以斷層掃描及/或影像數據製造軀體部位的實體模型，一閥值方法典型的被用在辨識及/或區分不同組織的影像數據，如肌肉組織和骨骼組織的成像。一旦確認，各被確認組織的輪廓被定義並使用多邊形化檔案及/或光固化成形檔案為基礎用以建構欲模型化組織的三維計算機模型。於所述過程中，影像數據會呈現所述組織內部各種變化及/或組織接口之間逐漸逸失及/或被拋棄的變化。所述光固化成形檔案典型的被用來產生被確認組織的組合模型，即使以前述方法為基礎，各不同的組織可以由不同的複合材料重建，惟缺乏模擬各項特性變化的信息，如在單一組織及/或在組織接口間的特性。

本案發明人提出透過應用更多的斷層掃描去額外重建及/或複製軀體部位上自然發生的漸層及變化可以更好的複製或重建軀體部位模型的外觀及機械感知。本案發明人更提出一軀體部位的多機械特性可以由相關聯的斷層掃描數據複製到一模型，如斷層掃描數據與軀體部位已知的機械特性，而後在立體像素階段定義不同材料的組合以複製指定的機械特性。

一方面根據本發明某些實施例，提供了一種系統與方法，用以使用複合材料積層製造方式以物理性重建一身體部位，而一材料複合物及/或一軀體部位模型的外表由每個立體像素決定或更改。一般情況下，三維影像數據如斷層掃描數據，由一醫學顯影設備如斷層掃描儀、核磁共振顯影儀(MRI)、超音波設備與光學掃描儀所產生的三維影像數據為來自立體像素矩陣或多層切片，各層切片包括一二維立體像素陣列，立體像素數據呈現數據的形式由其所來自的影像設備而定，如斷層掃描儀提供密度數據，核磁共振顯影儀提供氫原子濃度信息。根據本發明某些實施例，所述由一或更多影像設備取得的立體像素信息是與組織的機械特性具有關聯的。在某些例示性的實施例中，立體像素信息是有關於組織的硬度及/或柔軟度的。一般而言，於所述斷層掃描立體像素數據與組織的機械特性間具有一關聯性是確定基於實驗數據及/或已知的組織機械特性，如已知骨骼和韌帶的機械特性。

根據本發明某些實施例，斷層掃描立體像素數據可被複合材料積層製造設備所使用且不需一計算機輔助設計(CAD)系統重建第一道軀體部位的計算機模型，舉例來說，一光固化成形(STL)檔案。在某些例示性的實施例中，一點陣圖檔案的產生是用於各影像數據的切片，並用以輸入至複合材料積層製造設備以取代光固化成形檔案。根據本發明某些實施例，於積層製造過程中，一斷層數據切片中不同的立體像素值被轉換為不同的材料組合。一般而言，各影像數據的立體像素被轉換成巨立體像素，其由多列印立體像素構成，如10-1000立體像素或300立體像素的建構材料。本案發明人提出通過改變斷層掃描立體像素值的材料組成，不同組織中更自然的物理表現是可以被重製的，包括不同類型組織間平滑的切換。

本案發明人亦提出點陣圖與點陣圖間的轉換更快、運算效率更高且所需求的軟體更少，因沒有必要在點陣圖的光柵中來回，與光固化成形方式共同進行。

根據本發明某些實施例，附加的信息可以點陣圖格式被加入並產生一積層製造檔案，如由醫生或使用者提供包括色彩信息、器官種類及/或其他可手動輸入的信息。可選擇地，不同區域軀體部位的色彩及透明度都可以被獨立控制以提供活體器官的外表精準的光學仿真。可選擇地，來自一或多影像設備的影像數據可以被結合併產生所述點陣圖檔案作為輸入複合材料積層製造設備中使用。

可選擇地，一自動或人工輔助算法可以被用來增加一或多個可能於斷層掃描數據中失去的重建特徵的數據，例如由於掃描造成的解析度不足。舉例來說，上皮細胞和內皮細胞由於尺寸過小的關係，通常於斷層掃描中無法被看見。然而，他們的位置可以被定義為器官外邊界及/或內邊界而上皮細胞和內皮細胞可被加入於重建器官的數據中。可選擇地，一自動或人工輔助算法可以被用來增加附加數據以改善外觀及/或機械感知及/或模型的穩定性。可選擇地，附加數據定義一特定組織、器官或區域的顏色，在其他實施例中，結締組織可以被自動辨識，特別在其與不同組織連接的時候(如骨骼與軟組織)。可選擇地，所述區域可以使用凝膠或類似凝膠的材料構成，例如使介於組織間的支撐材料具有更好的延展性，可做為外科手術時的訓練或其他教育用途。

根據本發明某些實施例，所述複合材料積層製造操作時須至少兩種材料，如一軟性材料與一剛性材料。可選擇地，一或多個對照表用於將所述影像數據與點陣圖檔案數據建立關聯，並以影像數據為基礎定義材料的構成。可選擇地，建立影像數據與手動定義實驗過後相關的一或多影像數據值的材料組合間的一關聯性。

可選擇地，所述複合材料積層製造設備可使用附加材料，所述附加材料在整個積層製造過程中保持液態，所述液態材料可正確的重製及軟組織及/或體液，如血液或淋巴液。所述材料可以是不透明或透明的及/或視應用所需特定顏色。此外，所述積層製造設備可利用附加染色及/或透明的材料調整合成器官不同區域的外觀。

根據本發明某些實施例，一複合材料積層製造印表機，如以色列Objet公司的ConnexTM系統，用以運用兩種不同不同機械特性與不同外觀的材料來製造一身體部位的模型，如一不透明剛性材料與一透明軟性材料。在某些例示性實施例中，一身體部位的模型是由不透明剛性材料作為呈現密度大的材料如骨骼，而以透明軟性材料呈現軟及/或流體組織。一般而言，兩種或以上的成型材料可被用來設計成多種不同光譜特性的數字材料，如範圍介於硬質骨骼與軟流體組織間。

請參閱圖1，為為例示性實施例的系統簡易方塊圖，而圖2為例示性實施例的方法簡易流程圖，皆對應呈現本發明使用複合材料積層製造設備產生一身體部位的某些實施例。根據本發明某些實施例，一系統100接收來自影像設備110的所述身體部位的三維影像數據，如斷層掃描儀、核磁共振儀、超音波設備或光學掃描儀(圖2方塊210)。一般而言，所述影像數據由多二維影像構成，各二維影像分別呈現所述身體部位的斷層切片。一般而言，各二維影像的切片為一具有結構相關及/或身體組織材料特性的二維立體像素數組數值，如組織密度。一般而言，不同的立體像素值提供不同身體組織間的影像對比，且所述立體像素亦可用以判斷材料及/或在各三維立體像素位置判斷所述身體部位的物理特性。

可選擇的是，系統100的處理單元125分類有關欲製造模型的身體部位所擷取的影像數據(圖2方塊215)。一般而言，處理單元125與系統100的一控制器1250連接。可替換的是，所述分類可以由影像設備110執行。一般而言，處理單元125執行影像後制處理，更進一步增強影像的一或多特徵，如三維影像及/或單獨影像切片。可選擇的是，影像數據可由多不同影像設備110所取得，處理單元125結合由不同影像設備110所取得的影像數據。可選擇的是，多影像設備110的輸入更進一步增加不同身體軟組織間的對比性。可選擇的是，後制處理用以於不同影戲切片中平滑的輸出不同影像數據間的差異。

可選擇的是，處理單元125除了接受影像數據，一用戶可藉由用戶輸入設備115提供額外數據，可選擇的是，一使用者針對一身體部位確定的組織及/或器官選擇一色彩及/或透明程度。可選擇的是，用戶可增加一區別特徵以區別相似的立體像素影像數值。可選擇的是，使用者可選擇性的採用具三維功能的軟體以查看及/或提供輸入。可選擇的是，用戶藉由標記所述處理單元125顯示的影像及所述處理單元125接收的影像數據來整合用戶的輸入。

根據本發明某些實施例，處理單元120使用一或多個對照表及/或方程式或函數120以轉換原始立體像素值，如影像數據的灰階值轉換為材料數據以列印所述身體部位的模型(圖2方塊225)。於本發明某些例示性實施例中，所述身體部位模型的各影像數據其立體像素由多建構材料/秒的立體像素製造，如10-1000立體像素或300立體像素的建構材料。如本發明所用，數字材料為一由不同種類建構材料組成一預定數量的立體像素材料，並被以連續方式沉積且可選擇性的積層製造建構過程中於固化以形成一第三材料(如一數字材料)。提供各材料間不同的特性以取得具有一特性範圍介於各原始材料間並依照空間組合與不同比例組合的複合材料組合。可選擇的是，所述數字材料形成於多印刷層上。可選擇的是，所述數字材料組合為預定數量的而非虛擬隨機的組合。本實施例中各區域具有一相同的影像立體像素值，其並由對應一對照表中立體像素值的一預定組成物組成的點陣圖取代。可選擇的是，當立體像素影像數據高於建構材料立體像素，可採用一種不同的方法，如誤差傳遞遞色法可被使用。

可選擇的是，一支撐材料可部分使用於數字材料組合中。數字材料將於文後有更詳細敘述，如參照圖4A到4E。可選擇的是，數字材料的特性被定義為接近於所述組織影像的材料及/或物理特性。一般而言，模型材料特性的變化可以藉由改變各立體像素構成所述數字材料的組成及/或比例為基礎改變。一般而言，一或多對照表及/或方程式120儲存於系統100的一儲存單元1200中。可選擇的是，所述對照表為一資料庫，如建構材料資料庫。可選擇的是，當所述影像數據以灰階形式呈現，所述對照表提供介於灰階值與材料組成間的一關聯性。舉例來說，一128的灰階可選擇性的對應30％的標準材料與70％的剛性材料。

根據本發明某些實施例，一光譜檔案(130)包括以同一時間同層列印的模型為基礎(圖2方塊240)，一由各影像數據切片並傳送至複合材料積層製造設備140(圖2方塊230)的數字材料點陣圖。一般而言，一影像數據的切片由多印刷層重製，如5-20層印刷層。一般而言，多的光譜檔案，如一個用於影像數據切片的光譜檔案被傳送至複合材料積層製造設備用以列印所述身體部位150的完整模型。

根據本發明某些實施例，複合材料積層製造設備140配備至少兩種建構材料，各具有不同機械特性，如建構材料142及建構材料144可以以不同的比例及/或圖形噴印以仿真光譜的機械性能用以重製身體部位的各種特性。可選擇的是，複合材料積層製造設備140配備有附加材料，如材料146可單獨使用於建構材料142及建構材料144之外以模擬色彩，如一染劑及/或身體部位不同區域的透明程度，或增加其他身體部位物理特性。可選擇的是，附加的材料於醫學顯影中用以仿真對比對象的空間分布。附加材料可包括如金屬、離子、陶瓷分子、生物分子與其他活性物質。

請參閱圖3，為本發明依照某些實施例由一斷層掃描儀取得用以製造一身體部位的脊椎模型供使用複合材料積層製造的影像數據切片示意圖。根據本發明某些實施例，一脊椎模型(或部分脊椎)由多影像構成並取自於人體的一或多斷層掃描影像切片320。一般而言，斷層掃描影像包括由高密度材料反射的亮區321及由低密度結構反的暗區323，如由二維斷層掃描數據數組定義的軟組織或液態材料。

可選擇的是，所述斷層掃描數據可能與被掃描組織的對應區域其楊氏係數以及由一剛性及/或一硬性建構材料與一軟性材料建構而成的脊椎模型其影像相關，如不同比例的彈性及/或塑料建構材料。可選擇的是，亮區321由高比例的剛性及/或硬性建構材料成型，而暗區323則由高比例的軟性及/或塑料建構材料成型。一般而言，一介於兩或以上建構材料間用以將各立體像素成型的比例被由一立體像素的斷層掃描數據以及已知最堅硬材料與最柔軟材料成像的機械特性所定義。可選擇的是，剛性材料的硬度被選擇為相近或大於所要仿真最硬組織的硬度，而軟性建構材料的硬度被選擇為接近或小於最柔軟材料的硬度。通過改變所述介於兩或以上建構材料間的比例，可以模擬較廣的光譜的機械特性。

可選擇的是，在整個積層製造過程中保持液態的附加材料可被用來仿真最暗的區域。可選擇的是，液體材料用以仿真極軟組織及/或體液，如血液或淋巴液。使用的建構材料可為不透明或透明及/或配合應用需求具特定色彩。此外，所述積層製造系統可利用附加有色及/或透明材料調整所述模型不同區域的外觀。

可選擇的是，可以在一模式中形成膠體區域以仿真軟組織或內皮細胞表面的特性，如覆蓋器官表面的上皮組織。可選擇的是，一親水性紫外線硬化樹脂可用以形成親水性材料。可選擇的是，當浸入水溶液中時，所述材料會吸收水分與膨脹形成光滑柔軟的凝膠用以仿真身體的自然軟組織，如上皮組織。

請參考圖4A、4B、4C、4D及4E，為本發明依照某些實施例的表示不同數字材料的圖形示意圖。根據本發明某些實施例，一數字材料為小體積構成的材料，如不同建構材料410與420的液滴在積層製造建構過程中同時噴印並可選擇性的固化。所述數字材料可以以單位晶格或巨立體像素的尺寸形成。所述單位晶格及/或巨立體像素此處定義為最小體積的數字材料，並具有數字材料定義的材料特性。可選擇的是，所述巨立體像素的單位尺寸對應所述影像數據中一立體像素的單位尺寸。

一般而言，不同的建構材料具有不同的機械特性，如硬度、彈性、密度、色彩、透明度、吸水率(％)、溶液吸收率(％)、非聚合液體組成及奈米顆粒組成。可選擇的及/或額外的，一數字材料由不同建構材料被噴印於多不同層所形成。在某些例示性實施例中，一數字材料的機械特性由一不同建構材料間組成數字材料的比例而定。在某些例示性實施例中，一數字材料定義為具有一單位尺寸為一毫米或一次毫米巨立體像素，且各巨立體像素包括數十或數百個所述建構材料噴印的液滴，如10-1000個巨立體像素。

在某些例示性實施例中，構成模型的所述幾何及/或空間圖形可以根據所需求的機械及/或物理特性進行變化噴印。一般而言，所述沉積方式的空間圖形可以是隨機或虛擬隨機數的(圖4D)，也可為某些結構化需求圖形。可選擇的是，一單一建構材料，如單一建構材料410(圖4A)或單一建構材料420(圖4B)可被單獨使用於重製達成高階或最高階指定需求。

在某些例示性實施例中，一身體部位模型可由一硬性及/或剛性材料RGD535TM,RGD525TM,720構成，其皆由Objet公司生產，Israel and/or軟性材料Objet TangoPlusTM,TangoBlackPlusTM,TangoBlackTM,TangoGreyTM,其皆由以色列Objet公司生產。可選擇的是，剛性材料的硬度的選擇使用一材料其硬度相近或大於所要仿真最硬組織的硬度，而軟性或彈性建構材料的硬度的選擇為使用一材料接近或小於最柔軟材料的硬度。一般而言，身體組織彈性係數範圍變化介於0.01兆帕(MPa)至3吉帕(GPa)，本發明人提出當以具有身體組織一彈性係數約為0.01兆帕的一材料及具有身體組織一彈性係數變化約為3吉帕的另一材料製作模型的過程中，多數器官及/或身體部位的機械行為或特徵是可被仿真的。

可選擇的是，所述數字材料不需要使用一預先定義圖形的成形材料構成，相反的，所述數字材料可由一介於兩種或以上成型材料間的比例所定義，如原始材料可被隨機數隨機的混和在立體像素列印層。這種情況下因為噴印的立體像素可以根據混和比例的需求藉由隨機分派所述立體像素而被實時分配，通常對於計算機資源的需求會顯著降低。另一隨機數隨機混和的優點在於噴印可以各切片為基礎而不需Z緩衝去參考替換切片的圖形。

請參閱圖5A、5B與5C，例示性表示數字材料的間格結構中一液態材料被橡膠類材料所環繞。在某些實施例中，一數字材料單元晶格被定義為一間格，一液體或膠體被一較硬的材料圍繞。不同間格的單元晶格被定義為產生不同的機械模式。在某些例示性實施例中，一極軟膠體，如具有壓縮係數低於0.1兆帕、液體及/或非固化性材料510用以仿真軟組織、結締組織、血管及其他包含高比例液體的身體器官。本發明人認為在三維對象製程中或完成後可能會發生液態材料滲漏的情形。在某些例示性實施例中，藉由形成毫米或次毫米的間格結構使滲漏的情形是可以被避免的，各部分的液體或軟膠材料由其他固態材料、橡膠類建構材料或數字材料所圍繞或包覆，如聚乙二醇400(PEG400)被TangoPlus橡膠類材料所包覆。

在某些例示性實施例中，數字材料的間格結構由控制整體的橡膠/液體比例、間格的尺寸、間格壁厚度、橡膠類材料硬度、導入額外橡膠狀細絲或分區所控制以」鞏固」所述液體區域。可選擇的是，增加的硬度可藉由增加橡膠類建構材料520的厚度(圖5B和圖5A比較)達成。可選擇的是，增加的硬度可藉由減小所述間格的預定尺寸及/或改變多間格的形狀(圖5C)達成。可選擇的是，如圖5C中三角形的間格較圖5A與圖5B中方型間格更為耐用。可選擇的是，所述間格結構可仿真所述活體細胞的結構。

請參閱圖6A與6B，例示性表示一數字材料由一軟性材料(TangoBlackPlusTM)與一剛性材料(RGD525TM)組成的校準曲線圖，可用以印證本發明某些實施例。圖6A為一例示性曲線圖，呈現數字材料的硬度-A值，提供數字材料中軟性材料所佔體積比例的功能。圖6B為呈現數字材料的楊氏係數曲線圖，提供數字材料中硬性材料所佔體積比例的功能。圖上的三角形點表示實驗數據及楊氏係數曲線呈現典型分析配合。可選擇的是，一分析配合可用來定義一身體部位中一確定位置的一數字材料仿真物理特性其成像與組成用以決定一或多物理特性相關方程式。可選擇的是，使用者輸入以附加地定義一身體部位識別部分的一物理特性。

請參閱圖7A與7B，例示性表示一手部重建。圖7A表示使用兩種成型材料，黑色材料與透明材料重建一手部，使用光固化成形檔案於習知積層製造技術，其黑色材料表示骨骼而透明材料表示非骨骼組織。相較之下，圖7B表示依照本發明某些實施例使用一方法與一系統例示性物理重建一手部。如圖7B所示，一重建的手部使用了兩種不同成型材料的組合，包括黑色材料與透明材料。黑色材料使用在最堅硬的區域，而透明材料使用在最柔軟的區域，兩種材料不同比例組合與空間變化用以重製不同區域中特性的變化。因此，藉由使用依據本發明某些實施例的系統與方法，骨骼中特性的變化，如關節區域的重製與關節區域的差異性。

值得注意的是，雖然大多數實施例已根據使用一剛性與一軟性材料製造身體部位的一模型進行描述，本發明的實施例並不限於此方面且相同系統及方法可以使用不同材料用來製造其他物體的模型。

更應注意的是，雖然大多數實施例已根據使用一剛性與一軟性材料製造身體部位的一模型進行描述，本發明的實施例並不以此為限。本發明其他實施例中，一身體部位的模型可以使用一巨多種不同機械及/或物理特性以模擬身體部位性的建構材料組合構成。

用語「包括」、「包含」、「具有」及其連接詞係指「包括但不限於」。

用語「由…構成」係指「包括但不限於」。

用語「基本上由…構成」係指所述組成物、方法或結構可能包括額外的成分、步驟或組件，但只有當額外的成分、步驟或組件不實質上改變所請求保護的組成物、方法或結構的基本或新穎性特徵。

如本文所用的術語「方法」指的是方式、手段、技術和程序用以完成指定目標，包括但不限於所述方式、手段、技術和程序或為已知的、或從化學領域、藥學領域、生物領域、生化領域及醫學技術領域中從業者已知的方法可輕易得知的方式、手段、技術和程序。

可以理解的是，為清楚起見，本發明的某些特徵於不同實施例描述，亦可結合於同一實施例。相反的，為清楚起見，本發明於同一實施例中描述的各種特徵，亦可單獨地或於任何適合的子組合中或於任何本發明實施例中描述。在各實施例中描述的某些特徵不被認為是那些實施例中的必要特徵，除非所述實施例中是缺少所述組件而無法運作的。