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課題・解決手段

生体構造物および非生体構造物のコンピュータ補助設計、製作、および組み立てのためのロボットバイオアセンブリワークステーションコンポーネントと完全にそして継ぎ目なく統合された細胞組織オブジェクトモデリングソフトウェア・コンポーネントを有するバイオアセンブリ・システム。ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーションは、傾斜角度プリンティング、順次平面積層によらないプリンティング、および可変表面トポグラフィを有するプリント基板上のプリンティングを行うことができる6軸ロボットを含み、細胞組織、器官血管樹を含む一層複雑な生体構造物の製作を可能にする。

概要

背景

概要

生体構造物および非生体構造物のコンピュータ補助設計、製作、および組み立てのためのロボットバイオアセンブリワークステーションコンポーネントと完全にそして継ぎ目なく統合された細胞組織オブジェクトモデリングソフトウェア・コンポーネントを有するバイオアセンブリ・システム。ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーションは、傾斜角度プリンティング、順次平面積層によらないプリンティング、および可変表面トポグラフィを有するプリント基板上のプリンティングを行うことができる6軸ロボットを含み、細胞組織、器官血管樹を含む一層複雑な生体構造物の製作を可能にする。

目的

[006]技術的現状のバイオプリンタは、多種多様な機能を、特に、分与端(dispensing end)において提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

細胞組織モデリングコンポーネントロボットバイオアセンブリワークステーション・コンポーネントとを含むバイオアセンブリ・システムであって、前記細胞組織モデリング・コンポーネントが、ユーザ・インターフェースと、作成、編集、モデリング、変形、画像プロパティ変調スケッチプリント支援シミュレーション、材料検査、およびその組み合わせから選択されたオブジェクト動作を実行するための少なくとも1組のツールと、材料データベースと、前記ユーザ・インターフェースにおいて生体構造物立体モデル(volumetric model)を設計する方法を容易に実行するために機械によって実行可能なソフトウェアとを含み、前記細胞組織モデリング・コンポーネントが、前記ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーション・コンポーネントに動作可能に連結されており、前記方法が、前記ユーザ・インターフェースにおいて少なくとも1つのオブジェクトをオブジェクト・モデリング環境に追加するステップであって、追加が、選択、作成、インポート、またはその組み合わせを含み、更に追加される各オブジェクトが、材料パラメータを含むオブジェクト・リストに関連付けられる、ステップと、所望の立体モデルをレンダリングするために、前記モデリング環境において前記1つ以上のオブジェクトに対して1つ以上の動作を実行するステップと、プリントおよび/または組み立てコマンドによって、前記レンダリングされた立体モデルを前記ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーションに送信するステップと、前記レンダリングされた立体モデルにしたがって、生体構造物をプリントするおよび/または組み立てるステップと、を含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項2

請求項1記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、オブジェクトを前記オブジェクト・モデリング環境に追加するステップが、格納されたオブジェクトのパネルから少なくとも1つのオブジェクトを選択するステップを含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項3

請求項2記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記格納されたオブジェクトのパネルが、立方体円筒、球、および三角錐の内1つ以上を含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項4

請求項1記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、オブジェクトを前記オブジェクト・モデリング環境に追加するステップが、二次元有限構造物をスケッチし、モデル立体オブジェクトを形成するために境界押し出す、少なくとも2つの異なる平面上で二次元有限構造物をスケッチし、前記構造物の境界を直線的な輪郭または滑らかに繋がれた輪郭(lofted contour)で結んでモデル立体オブジェクトを形成する、無限曲線をスケッチし、モデル・チューブ・オブジェクトを形成するために直径を選択する、モデル血管樹を形成するために入力パラメータを選択する、の内少なくとも1つによって、オブジェクトを作成するステップを含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項5

請求項4記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、モデル血管樹を形成するための前記入力パラメータが、開始直径、命令長比率命令数、および終了直径を含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項6

請求項1記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、オブジェクトを前記オブジェクト・モデリング環境に追加するステップが、外部プログラムにおいて作成されたモデル・ファイルをインポートすることによって、オブジェクトをインポートするステップを含み、前記インポートされたモデル・ファイルが、医療用撮像技術によって生成された医療画像を定義する、バイオアセンブリ・システム。

請求項7

請求項6記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記医療用撮像技術が、磁気共鳴撮像コンピュータ化断層写真術、X線透視法医療用音波内視鏡検査エラストグラフィ触覚撮像(tactile imaging)、サーモグラフィ、医療用写真術、および陽電子放出断層撮影から選択される、バイオアセンブリ・システム。

請求項8

請求項6記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記医療画像が、患者に特定的であり、前記レンダリングされたオブジェクト・モデルが、前記患者の具体的な必要性に合わせて個人毎に作られる、バイオアセンブリ・システム。

請求項9

請求項1記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記レンダリングされたオブジェクト・モデルを送信した後でプリントする前に、前記レンダリングされたオブジェクト・モデルに対してシミュレーション動作を実行する、バイオアセンブリ・システム。

請求項10

請求項1記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記レンダリングされたオブジェクト・モデルを送信した後で、かつプリントする前に、少なくとも1回の材料検査プリントを実行し、前記検査プリントから得られた情報を、前記プリントを押し進めるために適用し、前記情報を今後のプリンティング用途のために格納することができる、バイオアセンブリ・システム。

請求項11

請求項1記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーション・コンポーネントが、ロボット・アームエフェクタ・コンポーネントを有するロボット・アームを含む多軸ロボットと、ロボット・コントローラと、材料貯蔵ユニットと、材料分与システムと、可調節プリント・ステージと、ユーザ・インターフェースとを含むフレーム型筐体を含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項12

請求項11記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記フレーム型筐体が、多数の角度から動作可能にユーザが接近可能(accessible)であり、少なくとも1つのリアルタイム観察のための接近を可能にする、バイオアセンブリ・システム。

請求項13

請求項11記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記多軸ロボットが6軸ロボットを含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項14

請求項11記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記材料分与システムが、生体材料基板上に直接書き込むように構成された押し出しシリンジディスペンサを含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項15

請求項14記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記材料分与システムからの分与が、プリント基板の表面の平面に対して傾斜した角度で実行することが可能である、バイオアセンブリ・システム。

請求項16

請求項11記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記ロボット・アーム・エフェクタ・コンポーネントが、プリンティング・ツール、ステージングおよび組み立てツール、およびセンサから選択された1つ以上のエフェクタを含み、前記システムが、更に、前記プリントおよび/または組み立てコマンドによって指令される通りに、前記エフェクタ・コンポーネントにおいてツールの自動交換を実行するための、自動ツール交換機能を含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項17

請求項16記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、プリンティング・ツールが、グリッパ、シリンジ・バレル万能ホルダ、およびディスペンサから選択され、前記ステージングおよび組み立てツールが、取り上げ、配置、および位置決めツールから選択され、前記センサが、レーザ変位センサおよび光電センサから選択される、バイオアセンブリ・システム。

請求項18

請求項17記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記ロボット・アーム・エフェクタが、レーザ変位センサを含み、前記可調節プリント・ステージが、前記レーザ変位センサからのフィードバックによって改良される手動コンポーネントを含む平準化メカニズムを含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項19

請求項18記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記ステージングが、プリント基板を取り上げ、前記プリント・ステージ上に位置付けることを含み、前記方法が、プリント基板を設定するステップおよびプリント基板上にプリントするステップの内少なくとも1つを含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項20

請求項18記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記プリント基板が可変表面トポグラフィを含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項21

請求項19記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、組み立てが、第1プリント構造物を取り上げ、第2構造物に対して位置付けることを含み、前記第2構造物が、第2プリント構造物および用意された構造物から選択される、バイオアセンブリ・システム。

請求項22

請求項11記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記材料分与システムがx多数のシリンジを含み、各シリンジが1つの材料または生体材料を収容し、シリンジから分与するステップが、一度に1つの材料または生体材料を分与するステップを含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項23

請求項11記載のバイオアセンブリ・システムにおいて、前記材料貯蔵ユニットが、少なくとも1つのシリンジ・バレル・ホルダであって、各々多数のシリンジ・バレルを含むシリンジ・バレル・ホルダと、前記ホルダにおけるシリンジ・バレルの正しい据え付けを確保するための少なくとも1つの変位センサと、ニードル・サイズおよび先端の反りを検出するための少なくとも1つのニードル検出センサとを含む、バイオアセンブリ・システム。

請求項24

ロボット・アームとロボット・アーム・エンド・エフェクタとを含むロボット生体材料分与装置であって、前記エンド・エフェクタが、シリンジ・バレルを掴み固定するように構成され、前記ロボット・アームが少なくとも6本の軸に沿ったシリンジの移動を可能にする、ロボット生体材料分与装置。

請求項25

請求項24記載のロボット生体材料分与装置を利用して、1つ以上の生体材料をプリント基板上に、順次平面積層によらずに直接書き込み分与するステップを含む、3−D生体構造物製作方法

請求項26

請求項24記載のロボット生体材料分与装置を利用して、1つ以上の生体材料を3−Dプリント基板上に直接書き込み分与するステップを含む、3−D生体構造物製作方法であって、前記ロボット・アーム・エンド・エフェクタが、前記3−Dプリント基板の全ての所望の表面位置に対して垂直な角度に、前記分与シリンジを位置付ける、方法。

技術分野

0001

優先権主張
[001] 本願は、2013年10月11日に出願された米国仮特許出願第61/889,856号、および2104年6月25日に出願された米国仮特許出願第62/016815号に対する優先権を主張するものである。これらの開示全体は、ここで引用したことにより本願にも含まれるものとする。
技術分野

0002

[002] 本開示は、細胞組織構造(tissue structure model)モデルコンピュータ補助設計、ロボットを使用する製作(fabrication)およびバイオアセンブリ(bioassembly)、ならびに複雑な生体構造物(biological construct)の設計、製作、および組み立て(assembly)のためのワークステーションに関する。バイオアセンブリ・システムは、新規な細胞組織構造情報モデリング(TSIMソフトウェアによって容易に作られる複合細胞組織構造を、ユーザが設計/モデリング、製作、および/または分析することを可能にする。

従来技術

0003

[003] 3−D生体材料ディスペンサ(dispenser)に基づく正確な分与による再生医学は、急速に発展しつつある技術であり、興味をそそる空想科学小説から、僅か10年程後における3−D「バイオプリント機能器小片(sliver)の実現に至っている。簡略化のために、本明細書において使用する場合、「バイオプリンティング」(bio-printing)とは、自動化、コンピュータ補助、三次元原型デバイス(バイオプリンタ)と相容れる方法論によって、生体材料の三次元精密堆積(deposition)を利用したあらゆる生体材料分与技術を広く指すこととする。コンピュータ補助設計(CAD)によって容易に作られるようになった3−Dバイオプリンタは、現在では小売り製品として入手可能であり、バイオプリンタおよびバイオプリント製品商品化することに従事する会社は、ニューヨーク証券取引所において公に取引されている。3−D再生医学業界における急速な成長は、移植可能器官および器官修復細胞組織に対する要求が供給よりも速い比率(rate)で増加しつつあることによるところが大きい。したがって、機能的細胞組織および器官を含む合成生体構造物の切迫した時間枠での(time-frame)大量製作に対する期待は、広範囲にわたって人心を掴み、重大な個人および政府資源確約を達成した。

0004

[004]バイオプリンティングおよびバイオプリンタは、近年になって著しく発展した。しかしながら、単独のバイオプリンタは有用な機能を殆ど有していないままである。エンドユーザは、彼ら自身のソフトウェアを開発し、適したワークステーションを設定しなければならないことが多く、コンピュータ補助設計、電子工学および関連する材料工学、更には該当する生体科学における専門知識を必要とする作業となる。したがって、専門家チームのための資力がなくこのチームとの交流(access)がないと、細胞組織および器官というような生体構造物の設計およびバイオプリンティングは、大規模資金豊富な研究組織およびエンティティの属領であり続けることになる。

0005

[005] また、バイオプリンティング技術に基づく従来の再生医学システムは、通例、広大な作業空間も必要とする。これは、設計、プリンティング、および組み立てが異なるプラットフォーム上で実行されるのが通例であるからである。

発明が解決しようとする課題

0006

[006]技術的現状のバイオプリンタは、多種多様な機能を、特に、分与端(dispensing end)において提供する。分与端において、消費者は1つから多数のノズル・プリント・ヘッド、および広範囲の生体材料分与メカニズムから選択することができる。ソフト・リソグラフィのような接触系堆積技法(Contact-based deposition techniques)、ならびに圧力作動型インク噴射およびレーザ誘導直接書き込みのような非接触系堆積分与技法は全てバイオプリンタ設計において利用されている。しかしながら、殆どのバイオプリンタは、3本の軸に沿ったプリント・ヘッドの移動を基本としており、二次元平面座標においては正確な堆積を達成するが、複雑な細胞組織および器官構造を1層ずつ形成する(build)ことには限界があり、多重細胞組織構造物において形成支持の複雑化およびその他の形成の課題が生ずる。

0007

[007]CAD補助再生医学のためにユーザが使いやすい機能を提供するために、細胞組織モデリングおよび動作ソフトウェアと完全に統合された、技術的に広い細胞組織設計および製作ワークステーションや、作業スペース縮小してモデリング、製作、および組み立てが行えるワークステーションの設計が、引き続き求められている。更に、形成手順の柔軟性を高めるバイオプリンタ設計も、引き続き求められている。

課題を解決するための手段

0008

[008] したがって、本発明の実施形態は、直観的で、ユーザが使いやすい細胞組織構造設計および製作システムを提供する。このシステムは、設計および製作様式を継ぎ目なく統合するソフトウェアによって補助される(facilitate)。本明細書では、これをバイオアセンブリ・システムと呼ぶ。バイオアセンブリ・システムは、2つの主要コンポーネント、(i)「細胞組織構造情報モデリング」(TSIM)用のソフトウェア、および(ii)生体構造物を設定し(staging)、プリントし、組み立てるハードウェアを含む。このハードウェアを「ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーション」(RBW)と呼ぶ。RBWは、小型で、そしてある実施形態では、可動式の作業空間を提供し、この中でプリント/製作および組み立てを同じプラットフォーム上で行うことができる。ロボットの態様は、ステージング(staging)、プリンティング、および組み立てを含む異なる様式間における切り替えが可能である。少なくとも6本の異なる軸に沿って移動することができるロボット・アームの利用によって、構造(build)多様性の向上が達成され、このため、順次平面積層によらずに、そして可変表面トポグラフィの3−D表面上における分与を可能にすることによって、生体材料を分与することを可能にする。

0009

[009] 本発明の一実施形態は、細胞組織モデリング・コンポーネントと、ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーション・コンポーネントとを含むバイオアセンブリ・システムを提供する。細胞組織モデリング・コンポーネントは、ユーザ・インターフェースと、作成、編集、モデリング、変形、画像プロパティ変調スケッチ、プリント支援シミュレーション、材料検査、およびその組み合わせの動作カテゴリから選択されたオブジェクト動作を実行するための少なくとも1組のツールと、材料データベースと、ユーザ・インターフェースにおいて生体構造物の立体モデル(volumetric model)を設計する方法を容易に実行するために機械によって実行可能なソフトウェアとを含む。

0010

[010]細胞組織モデリング・コンポーネントは、ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーション・コンポーネントと動作可能に連結され、前述の方法は、TSIM−ユーザ・インターフェースにおいて少なくとも1つのオブジェクトをオブジェクト・モデリング環境に追加するステップであって、追加が、選択、作成、インポート、またはその組み合わせを含み、更に追加される各オブジェクトが、材料および/または環境構築パラメータ(environmental build parameters)を含むオブジェクト・リストに関連付けられる、ステップと、所望の立体モデルをレンダリングするために、モデリング環境において1つ以上のオブジェクトに対して1つ以上の動作を実行するステップと、プリントおよび/または組み立てコマンドによって、レンダリングされた立体モデルをロボット・バイオアセンブリ・ワークステーションに送信するステップと、モデリングされたオブジェクトを生体構造物としてプリントするおよび/または組み立てるステップとを含む。

0011

[011] ある実施形態によれば、プリンティング/製作コマンドを実行する前に、シミュレーションまたは材料検査を実行してもよい。

0012

[012] 他の実施形態は、ロボット・アームとロボット・アーム・エンドエフェクタとを含むロボット生体材料分与装置を対象とする。エンド・エフェクタは、分与シリンジを掴んで固定するように構成され、ロボット・アームは少なくとも6本の軸に沿ったシリンジの移動を可能にする。

0013

[013] 他の実施形態は、前述のバイオアセンブリ・システムを利用し本発明の方法にしたがって設計され、製作され、組み立てられた生体構造物を対象とする。

0014

[014] これらおよびその他の実施形態は、以下で説明する図および詳細な開示を参照することにより、一層明確に理解され認められよう。

図面の簡単な説明

0015

図1は、実証的なロボット・バイオアセンブリ・ワークステーション(RBW)を示す。
図2は、生体材料が装填されたシリンジ・バレルを掴み、重ねプリント(printing over printing)段階のためにシリンジを位置付ける、実証的なRBWロボット・アームを示す。
図3は、生体材料装填シリンジからの直接書き込み分与による生体材料のプリンティング例を示す。
図4Aは、TSIMユーザ・インターフェースにおけるオブジェクト・モデリング環境例を示し、図4Bは、このオブジェクト・モデリング環境におけるTSIM動作ツールパネル例を示す。
図5Aは、一旦オブジェクトが選択されたならオブジェクト・リストの表示を示す立体オブジェクトメニュー例を示し、図5Bは、オブジェクト・リスト材料の選択を表示するモデリング環境例を示す。
図6は、変換動作パネル例を例示する具体的なモデリング環境画面を示す。
図7は、箱の作成を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図7Aは箱の底辺の設定を示し、図7Bは箱の高さの設定を示し、図7Cは最終的な立体的な箱を示す。
図8は、球の作成を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図8Aは球の直径の設定を示し、図8Bは最終的な立体球を示す。
図9は、円筒の作成を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図9Aは円筒の底面の設定を示し、図9Bは円筒の高さの設定を示し、図9Cは最終的な立体円筒を示す。
図10は、三角錐の作成を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図10Aは三角錐の底辺の設定を示し、図10Bは三角錐の高さの設定を示し、図10Cは最終的な立体三角錐を示す。
図11は、単純な加算動作を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図11Aでは第1オブジェクトを選択し、図11Bでは第2オブジェクトを選択し、図11Cでは、統一オブジェクトを形成するために追加動作アイコンクリックする。
図12は、単純な差分動作(difference operation)を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図12Aではアクティブなオブジェクトを最初に選択し、図12Bでは次にインアクティブなオブジェクトを選択し、図12Cでは、インアクティブなオブジェクトと交差しないアクティブなオブジェクトの部分を残すために差分動作アイコンをクリックする。
図13は、交差動作を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図13Aではアクティブなオブジェクトを第1オブジェクトとして選択し、図13Bでは第2オブジェクトを選択し、図13Cでは、第1および第2オブジェクトと交差するアクティブなオブジェクトの部分を残すために、交差動作アイコンをクリックする。
図14は、整列動作を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図14Aでは第1オブジェクトの所望の面上においてある点を選択し、図14Bでは、第2オブジェクトの所望の面上において点を選択し、図14Cでは、整列動作アイコンをクリックし、選択された面上の点が整列するように第1オブジェクトが移動する。
図15は、2つの更に他のTSEVI動作を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図15Aではドラッグし、図15Bでは測定する。
図16は、オブジェクト・モデリング環境にインポートされたDICOM画像の立体調節を例示する具体的なモデリング環境画面を示す。
図17は、スケッチを立体モデルに変換するための押し出し動作(extrusion operation)を例示する具体的なモデリング環境画面を示す。
図18は、輪郭を滑らかに繋ぐ(lofting)ことによって新たな立体オブジェクトの作成を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図18Aでは、立体的なT字形状の輪郭を滑らかに繋ぎ図18Bは、立体オブジェクトを作成するための底面および上面の設定を示し、図18Cでは、新たなオブジェクトを作成するために立体オブジェクトの輪郭を滑らかに繋ぐ。
図19は、「管作成」動作を例示する具体的なモデリング環境画面を示し、図19Aは、モデリング環境における制限がないスケッチ(unbounded sketch)に対する半径の選択を示し、図19Bでは立体的な管を形成するために「管作成」動作アイコンをクリックする。
図20は、血管樹作成のための具体的なモデリング環境画面、および血管樹例を示す。
図21は、TSIM−UIにおける非常に具体的なプリント画面例を示す。

実施例

0016

[037] 本明細書において使用される全ての技術的および科学的用語は、別段定義されない場合、本発明が属する技術の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有することとする。本明細書において述べられる全ての刊行物、特許出願、特許、およびその他の引例は、引用することによりその内容全体が本願にも含まれるものとする。

0017

[038] 本明細書および添付する請求項において使用される場合、単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈上他の意味に解すべきでない限り複数の引用を含むこととする。本明細書において「または」(or)に言及するときはいつでも、別段述べられない限り、「および/または」を含むことを意図する。

0018

[039] 本明細書において使用する場合、「生体材料」は、液体半固体、または固体組成物を意味し、複数の細胞細胞溶液(cell solution)、細胞集合体(cell aggregate)、多細胞形態または細胞組織を含み、全ての場合において、ゲルハイドロゲルアルギン酸塩、または生体材料のプリンティングを可能にする特定の生体材料プロパティを備える(provide)非細胞材料というような支持材(support material)を含むことができる。

0019

[040] 本明細書において使用する場合、「カートリッジ」は、生体材料を受容する(そして保持する)ことができる任意の物体、および/または支持材を意味し、「シリンジ・バレル」と相互交換可能に使用されることとする。

0020

[041] 本明細書では、細胞組織モデリング・コンポーネント、およびロボット・バイオアセンブリ・ワークステーション・コンポーネントを含むバイオアセンブリ・システムについて開示し、詳しく説明する。バイオアセンブリ・システムは、細胞組織構造モデリング、制作、および組み立てのための統合型ソリューションであり、本明細書では組織構造情報モデリングまたはTSIMと呼ぶソフトウェア・コンポーネントと、本明細書ではロボット・バイオアセンブリ・ワークステーションまたはRBWと呼ぶハードウェア・コンポーネントとを含む。TSIMは、臨床医および科学者医療用撮像技術の従前からのソースから作成される細胞組織構造を含む複雑な生体構造物の三次元(3−D)コンピュータ・モデルを設計し、可視化し、シミュレートし、そして分析することを可能にする。TSIMは、従来のCADソフトウェアにおいて特定の専門性がないエンドユーザに特に適したコンピュータ補助設計(CAD)プラットフォームを提供する。

0021

[042] 概略的に、TSIMは、ソフトウェアと、オブジェクト・モデリング環境を含むユーザ・インターフェースとを含む。TSIMは、1つ以上のオブジェクト動作を実行するために数組のツールを含む。オブジェクト・モデリング・ツールは、作成、編集、モデリング、変形(transforming)、画像プロパティ変調、スケッチ、プリント支援、シミュレーション、材料検査、およびこれらの組み合わせのためのツール集合体(tool suite)を含むが、これらに限定されるのではない。ある実施形態では、材料データベースが設けられ、具体的な実施形態では、オブジェクト・リストに格納されたオブジェクトが、具体的な材料および材料使用パラメータに関連付けられる。図4Bは、選択されたオブジェクトと関連付けて表示されたオブジェクト・リスト例を示す。TSIMソフトウェアは、本明細書ではオブジェクト・モデリング環境と呼ぶものにおけるTSIM−ユーザ・インターフェースにおいて生体構造物の立体モデルを設計するための方法を容易に実行するために機械によって実行可能である。

0022

[043] 一旦ユーザがモデリング・タスクを完了したなら、ユーザは、プリンティング/製作/組み立てを開始するために、プリント・コマンドをRBWに送ることができるように(TSIM−UIにおけるプリント・コマンド画面例については図21参照)、TSIMはロボット・バイオアセンブリ・ワークステーション・コンポーネントに動作可能にリンクされる。

0023

[044] 以下の開示に限って言うと、特定の例および/または図を引用するのは、機能/動作について追加の例示/詳細および説明を与えるためである。

0024

[045]ワークフローに統合されると、このバイオアセンブリ・システムは、細胞系統、細胞組織、器官、ならびに移植可能な医療用デバイスおよびジグを含むがこれらに限定されない複雑な三次元生体材料構造物を設計し、製作し、組み立てる。RBWの態様(aspect)は、シリンジ・ホルダと、各々1組のシリンジを有する多数のカートリッジ(シリンジ・バレル)とを含む材料貯蔵ユニット、および特殊シリンジを掴み、保持し、接続することができるエンド・エフェクタと、ディスペンサとを有するロボット・アーム・コンポーネントを含む。具体的な実施形態によれば、バイオアセンブリ・システムは、究極的には生体材料のCADに基づく押し出し分与を行う。適した材料には、細胞のような生体材料、ゲルのような生体支持材、および、例えば、移植可能なジグの設計および製作における非生体材料が含まれるが、これらに限定されるのではない。生体材料、生体支持材、および非生体材料の組み合わせも、同じ製作において利用することができる。

0025

[046] 本明細書において使用する場合、「生体材料の分与」は、インクジェット、押し出し/マイクロ押し出し、およびレーザ補助プリンティングを含むがこれらに限定されない任意のバイオプリンティング技法によって実行されればよい。熱式インクジェット・プリンタは、電気的にプリント・ヘッドを加熱して空気−圧力パルスを生成し、このパルスがノズルから液滴を押し出す。一方音響プリンタ(acoustic printer)は、圧電または超音波圧力によって形成されたパルスを使用する。押し出しプリンタは、通例、空気式または機械式ピストンまたはスクリュー)分与メカニズムを基本として生体材料(または非生体材料)の連続ビーズまたはフィラメントを押し出す。レーザ補助プリンタは、吸収基板上に合焦されたレーザを使用して、細胞含有材料を基板上に進ませる圧力を生成する。好ましい実施形態によれば、RBWのロボット制御バイオプリンティングは、基板上への押し出し分与を含む。

0026

[047] 特定の実施形態によれば、TSIM−UIにおけるユーザは、1つ以上のオブジェクトをオブジェクト・モデリング環境に「追加する」ことができる。オブジェクト・モデリング環境を動作ツール・パネルと共に示すTSIM−UI画面例について、図4Aおよび図4Bにおいてそれぞれ説明する。追加は、異なる機能的能力によって実行することができる。既存のオブジェクトが格納されたデータベース図5A)にリンクされたパネルから選択することによって、オブジェクトを追加することもできる。具体的な実施形態では、このパネルは、立方体、円筒、球、および三角錐の内1つ以上を基本的形状として含む。これらの形状は、編集および/または変形され、今後の適用のためにパネル上に新たなオブジェクトとして格納することができる。具体的な実施形態では、格納されたパネルに他のオブジェクトを追加することもでき、ユーザがオブジェクトを追加/作成およびインポートして、格納されたオブジェクトのカスタム化メニュー/パネルを作り、このパネルから、オブジェクト・モデリング環境への追加のために選択を行うことが考えられる。

0027

[048] 他の実施形態では、オブジェクト・モデリング環境においてオブジェクトを直接作成することもできる。例1において図示するように、基本的な立方体/箱(図7)、球(図8)、円筒(図9)、および/または三角錐(図10)動作を使用することによって、ユーザは、基本的な形状/オブジェクトを作成し、次いで、例えば、このオブジェクトを操作し、変更し、編集し、変形し、追加し、交差させて、多数の新たな立体オブジェクトを導き出すことができる。「立体的」(volumetric)という用語は、本明細書では立体(solid)三次元形状を意味するために使用される。

0028

[049] 具体的な実施形態では、モデリング環境においてスケッチし、スケッチ上において動作を実行することによって、オブジェクトを作成することができる。基本的なスケッチ機能を例5に示す。また、ユーザは二次元(2−D)有限構造物(bounded construct)をスケッチし、新たなモデル立体オブジェクトを形成するために、少なくとも1つの方向に押し出し動作(例6および図17)を実行することもできる。ユーザは、xyz空間において多数の平面上に有限構造物をスケッチし、特定の境界を繋いで新たなオブジェクトを形成することもでき、更にユーザは任意のオブジェクトまたはスケッチの輪郭の内1つ以上を様々な度合いで滑らかに繋いで(loft)、更に新たな立体オブジェクトを作成することもできる(例7および図18)。

0029

[050] 図19および例9において例として挙げた1つの具体的な実施形態は、管動作(tube operation)を示す。この動作によって、ユーザは、二次元または三次元空間において曲線を作成し、半径を選択し、管を作る管動作を実行する。管は、他の全てのオブジェクト・モデルと同様に、編集し、変形し、修正し、他のオブジェクトと組み合わせる等が可能である。他の具体的な実施形態によれば、ユーザは表2に例として挙げたようなパラメータ・プロファイルを設定して血管樹(vascular tree)動作を実行することにより(図20および例8)、血管樹・モデルを作成することができる。モデル血管樹の形成のための入力パラメータの非限定的な例には、開始直径、命令長(order length)、比率、命令数、および終了直径が含まれる。血管樹は、可変表面トポグラフィを有するプリント基板上に製作され、細胞組織や器官というような更に複雑な生体構造物内における製作のために、非常に込み入った埋め込み導管構造を得ることができる。

0030

[051] 他の実施形態によれば、外部ファイルからオブジェクトをインポートすることによって、モデリング環境にオブジェクトを追加することもできる。ユーザは、外部プログラムにおいて作成された既存のモデル・ファイルを開き、これらを直接TSIMによってインポートすることができる。インポート可能なファイル・フォーマットの例には、STL、NIfTI、およびDICOMが含まれる。これらのファイル・フォーマットの各々におけるインポートを例示する具体的な実施形態について、例3において説明する。任意の医療用撮像技術から得られた外部ファイルをインポートすることができるが、ある種の具体的な実施形態では、ファイルの適応化または変換が必要になる場合もある。インポート可能な画像を得ることができる医療用撮像技術の非限定的な例には、磁気共鳴撮像X線透視法医療用音波内視鏡検査エラストグラフィ触覚撮像(tactile imaging)、サーモグラフィ、医療用写真術、および陽電子放出断層撮影が含まれる。

0031

[052]医療用撮像技術から生成されたデータはTSIMにインポートされ、分析され、そして患者特定にカスタム化された3−Dモデルまたはモデル足場および/または細胞組織構造物を生成するために使用される。ある種の実施形態では、細胞組織、器官、医療用デバイス、および医療用ジグは、患者の具体的な要望に基づいて現場臨床的モデル化および製作されることも可能である。

0032

[053]バイオアセンブリ・システムは、ユーザ入力によってモデル生成プロセスを導くことを可能にするTSIMユーザ・インターフェースを含む。3−Dモデルは、予めロードされた「再生医学レシピ」と組み合わせることもできる。この再生医学レシピは、必要な材料および/または細胞型、アセンブリ・パラメータ、およびアセンブリ命令シーケンスを含む。また、TSIMはシミュレーション検査のための機能も含むことができる。更に、RBWは、環境検知システムも含むことができる。環境検知システムは、可視化能力を含み、ある実施形態では、アセンブリ・プロセスの間に検証フィードバックをユーザに提供することができる。場合によっては、アセンブリが生体構造物と非生体構造物との統合を含むこともある。

0033

[054] RBWは、ユーザが複雑な細胞組織構造を部分的に組み立てること(sub-assemble)そして組み立てることを可能にし、更に細胞組織構造物を、器官を含む、それよりも高次の生体構造物に組み立てることを可能にする。ある実施形態によれば、材料カートリッジ/バレルは手作業でユーザによってRBW内に装填され、シリンジ・バレル・ホルダ内に置かれる。RBWユーザ・インターフェースは、材料カートリッジを装填するプロセスの間常にユーザを補助することができる。具体的な実施形態では、RBWは、自動的にまたは手作業で交換することができる異なる材料を収容する複数のシリンジ・バレルを含む。空間の制約以外には、具体的な使用のためにRBWに装填することができるバレルの数には制限はない。非常に具体的な実施形態では、ロボット・ワークステーションは2つから12個の間のシリンジ・バレルを含む。更に一層具体的な実施形態では、ロボット・ワークステーションは12個のシリンジ・バレルを含む。

0034

[055] RBWは、バレル・アダプタおよび相互交換可能なコンポーネントの相互鎖錠メカニズム(interlocking mechanism)を使用して、工具類(tooling)の変更を行うことができる。材料貯蔵システムは、相互交換可能なコンポーネントを、使用しないときには、決められた向きで格納する。グリッパ(gripper)は、相互交換可能なコンポーネントをこのグリッパに対して一時的に不動にし、一方ロボット継ぎ手(J6)は、このメカニズムを固定(lock)および解除するために、バレル・アダプタの捻り運動(twisting motion)を行う。固定位置にあるとき、必要に応じてツールを使用することができる。

0035

[056]プリンティング用の材料カートリッジを装填するために、ロボットは、取り出し(pickup)のためにしかるべき貯蔵ラック位置に移動する。シリンジ位置と整列した後、ロボットはエンド・エフェクタのアダプタ・ヘッドを直接シリンジ・バレルの上面上に移動させる。ロボット・グリッパは、シリンジ・バレルと係合し(engage)、それをホルダから持ち上げる。次に、ロボットのJ6モータが、組み立ての準備をするために、シリンジ・バレルをアダプタ・ヘッド内に固定し、その後グリッパは解除しロボットは定位置に戻る。

0036

[057] 一旦しかるべき材料カートリッジが準備され、装填され、プリンティングのために位置付けられたなら、TSIMから指定されたプリント/組み立てパスに基づいて、RBWプリント・ステージ上に材料が分与される。

0037

[058] 複雑な細胞組織構造を生成するために必要とされる材料に応じて、ロボットは、要求される通りに、材料カートリッジを交換する。周期的にノズルを洗浄し、質の高いプリントを確保するために、ロボットはクリーニング表面上で動き回り、ニードルチップを洗浄することができる。分与シリンジには、可変サイズおよび長さのニードルを、個々のプロジェクトの要求にしたがって、はめ込むことができる。

0038

[059] RBWは、統合ワークステーションであり、多軸ロボットおよびコントローラ、統合細胞および材料カートリッジ収容および分与の態様(aspect)、環境制御の態様、ならびにインテリジェント視覚系の態様を含み、生体構造物アセンブリの必要性に合わせた小型で便利なテーブルトップ・ワークステーションを提供するように構成されている。

0039

[060] TSIMおよびRBWは、一緒に動作して、医療用撮像分析、生体構造モデリング、物理的シミュレーション、製作、および組み立てを含む、総合的な統合ソフトウェアおよびハードウェア技術プラットフォームを提供する。

0040

[061] 一実施形態例によれば、TSIMは、患者特定の細胞組織構造をインポートし、これらを3−D生体コンピュータ・モデルに、対応する再生医学レシピ(例えば、心臓弁耳たぶ等)と共に組み込むことを実行するために使用される。再生医学レシピは、部品表および/または細胞型、組み立て仕様(例えば、環境制御)、および組み立てシーケンス(例えば、細胞型1を加え、次いで導管網を統合する)を収容する。このように、適正に設計された細胞組織構造を特定の患者の生体測定に適用して、医学的置換移植役務または、例えば、薬剤および医療用デバイスの研究室検査のための実行可能で実用的なソリューションを達成することができる。

0041

[062] TSIMは、広範囲の実世界変数をシミュレートして、結果的に得られる成果を分析する能力を含む。シミュレーション・モジュールは、材料粘度および組み立て形状変形、細胞組織構造分析、導管流体力学等を含むがこれらに限定されるのではない。

0042

[063] RBWは、TSIMと継ぎ目なく統合され、ユーザが、ソフトウェア・プログラム内において開発された3−Dモデルの完全に組み立てられた生体構造物または物理的細胞組織構造を得ることを可能にする。多軸ロボットは、TSIMソフトウェアから、材料の種類およびしかるべき環境条件(例えば、温度、UV光湿度等)を含む組み立て工程(steps)および情報を受ける。ロボット視覚システムは、組み立ての品質をインテリジェントに検出するため、そして設計仕様の検証のために、リアルタイム・フィードバックをユーザおよびTSIMに提供する。

0043

[064] ある実施形態では、自動材料/構成検査手順が、製作の前に供給される。ある種の実施形態では、オブジェクト毎にまたはプリントされるオブジェクト構造(object feature)毎に特異な分与特性を与えるために、ユーザが各シリンジ・バレルまたはカートリッジを構成する。実際の製作に先立って、検査アプリケーションを実行してもよく、これによってプリンティング品質のTSIMへのフィードバックによって、観察または自動的な指示を通じて、構成を適応させることができる。検査パターンは、例えば、開始/停止/遅延線幅、速度、圧力、および加速度というような、プリント品質を検査し調整するためのしかるべき二次元または三次元パターンを含むことができる。具体的な実施形態では、ユーザは、任意の時点で、例えば、リアル・タイムの観察またはエラーの指示のときに、検査プリントを停止することができる。一旦微調整されたなら、最終的な構成を保存し、今後の適用のためにTSIMに転送することができる。

0044

[065] RBWは、閉ループ・カートリッジ分与システムを含む。「カートリッジ」とは、任意の材料収容および分与品目であればよく、個別設計されたのでも購入されたのでもよく、具体的な細胞型、生体的または非生体的構造支持材、および個々の組み立て用途に適した/望まれる他の材料を含む、具体的な材料を収容することができる。また、カートリッジは、ここでは、シリンジ・バレルとも呼ぶことができる。RBWは、TSIMによって生成された3−Dモデリング手順において指定されたものに対応する特定の材料/細胞カートリッジの装填または取り出しを可能にする。TSIM 3−Dモデルを「プリント」する準備ができたとき、ユーザは、モデルにおいて指定された材料/細胞型を収容するカートリッジをロボット・ワークステーション内に装填する。

0045

[066] 具体的な実施形態によれば、ユーザの誤りは、ワークステーションの可視化および検知システムによって実質的に制御される。例えば、ワークステーション・ロボットは、カートリッジ上に添付されたバー・コードをスキャンして、材料の種類、ロット番号、日付、温度等のような生体情報を検証し有効性を判断することができる。レーザ変位センサを使用して、シリンジ・バレルが材料貯蔵ユニット内に適正に据え付けられ固着されたことを確認することができる。

0046

[067] 一旦検証が完了したなら、ロボットは、特別に設計されたエンド・エフェクタを使用して、カートリッジを掴んで固定し、ワークステーション内部のプリント/組み立てステージに移動させる。エンド・エフェクタは、組み立て時間を有効活用する(enhance)ために、一度に多数のカートリッジを装填する能力を含むことができる。次いで、ワークステーション・ロボットは、TSIMから受けた組み立て命令および工程を実行する。

0047

[068]生体モデルは、TSIMによって、異なるワークフローを使用して作成される。第1ワークフローにしたがって、ユーザは医療画像をインポートし、次いでこのモデルに対して、プリンティングに使用される最終的な3−Dモデルを形作り微調整する動作を実行することによって、モデルを構築することを選択することができる。モデルは、高度ユーザ2−D画像編集モジュールにおいて、取り込まれた2−D画像集合を使用してオブジェクトを定義することによって、更に微調整することもできる。

0048

[069] 第2ワークフローにしたがって、ユーザは基本形状を使用してモデルを作成する。第2ワークフローの一態様では、基本的な1組の幾何学的形状(例えば、立方体、円筒、球、三角錐)がユーザに利用可能であり、これらの全てを選択し、直接オブジェクト・モデリング環境に入れて、特定の用途の必要性を満たすために組み合わせ、引き延ばし、そして変形する。加えて、*差分、*交差、および*合体のような操作コマンドも、所望の形状を作成するために、ユーザに利用可能である。

0049

[070] 一旦作成したなら、ユーザはモデル上でシミュレーションを行い、組み立てられた出力が、プリンティング後に構造的健全であるか否か判定することができる。シミュレーションによってプリントされた構造の構造的完全性が確認された後、ユーザはプリント・コマンドを選択する。一旦有効化されたなら、プリント・コマンドは、オブジェクト製作および組み立てについての情報をRBWに送る。

0050

[071] 非常に具体的な実施形態では、TSIMは、データ登録およびセグメント化を実行するために、インサイトツールキット(ITK:Insight Toolkit)、C++ライブラリを利用する。ある種の実施形態では、TSIMによって使用されるデータは、細胞組織をディジタル的サンプリングした表現(即ち、CTおよびMRI装置のような医療用機材から取り込まれる画像)において発見されてもよい。セグメント化とは、ディジタル的にサンプリングした表現で、発見されたデータを識別分類するプロセスである。登録とは、データ集合間における対応を整合するまたは生み出すタスクである。例えば、CTスキャンをMRIスキャンと整合し、双方の表現に含まれる情報を組み合わせることができる。ITKは、TSIMが医療データ消費し、次いで異なるデータ集合を組み合わせて、細胞組織構造の最も完成された表現をユーザに提供することを可能にする。

0051

[072] (ITKは、本来米国国立医学図書館において開発された。プロジェクトを管理するために、Insight Software Consortiumと呼ばれる協会が併設された。ITKは、 Apache 2.0 licenseの下でライセンスされ、ITKプレスキットは、以下のリンク、 http://www.itk.org/ITK/project/press_kit.htmlにおいて調べることができる。)

0052

データ可視化およびモデリング
[073] 具体的な実施形態では、TSIMは画像処理、モデリング、および立体レンダリング(volume rendering)のために可視化ツールキット(VTK)を利用する。このツールキットは容易にITKとインターフェースし、ITKを使用して分析された画像を3−Dでモデリングすることを可能にする。VTKは、ITKと同様、C++ライブラリである。つまり、ユーザは画像をTSIM(ITKによって強化された)にインポートし、インポートした画像を編集し、細胞組織構造(1つまたは複数)の構築された3−Dモデルを可視化する(VTKによって強化された)ことができる。(VTKは、BSD (3-Clause) Licenseの下でライセンスされ、コードの商業的使用、変更、流通、および二次ライセンス付与許可し、VTKプレス・キットはhttp ://www.vtk.org/VTK/project/press_kit.htmlにある。)

0053

モデル画像ファイル・フォーマットの対応
[074] 非常に具体的な実施形態では、TSIMは、医療用撮像データおよび関連するメタデータをインポートするために、DICOM、NIfTI、およびFLUOVIEW FV1000バージョン2OIFファイル・フォーマットを含む種々の標準的な撮像フォーマットに対応する。DICOMファイル・フォーマットは、医療用撮像において情報を扱う、格納する、印刷する、および送信するための医学におけるディジタル撮像および通信規格である。これは、画素フォーマット、様式(modality)、および患者情報というような情報を収容する1組のタグによるファイル・フォーマット定義を含む。DICOMフォーマットで格納された画像は、各々1つの画像面を含む一連のDICOMファイルとして格納することができる。NIfTIファイル・フォーマットは、アメリカ国立衛生研究所によって資金援助された作業グループである、Neuroimaging Informatics Technology Initiative(ニューロイメージング情報技術イニシアティブ)に由来する。このファイルは、ヘッダおよびデータを含む。ヘッダは、画素フォーマットおよび深度画素間隔、およびX,Y,Z,T画像次元というような情報を含む。多数の画像面が保存される場合、NIfTIファイルはこのデータを1つの包括的なファイルとして格納する。FLUOVIEW FV1000バージョン2OIFファイル・フォーマットは、OIF(Original Imaging Format)ファイル内および個々のPTYファイル内にヘッダ情報を収容する、具体的な共焦点顕微鏡検査フォーマットである。また、このフォーマットは、タグ付き画像ファイル・フォーマット(TIFF)画像ファイルも保存し、PTYファイルはTIFF画像を参照し、画像スタック再現するときに使用される画素データおよび寸法(dimensioning)を収容する。このファイル・フォーマットは、多数のデータ・チャネルを格納することができる。ある種の実施形態では、TSIMは最初のチャネルを使用する。

0054

インポートされた画像の品質
[075] TSIMは、ユーザに、医療用撮像データを最大解像度またはそれよりも低い解像度でインポートする選択肢を提供する。ユーザには、品質スライド・バーが提示され、このバーが調節されると、プレビュー画像の解像度が高くまたは低くなる。比較のために、元の最大品質画像プレビューすることができる。プレビュー画像の下に、ユーザが画像集合の多数の部分における品質変化の効果を見ることができるように、サムネイルスライダが利用可能であるとよい。この機能の付加価値は、RAMを解放して追加の計算パワーを得て、これを他のTSIM動作のために使用できることにある。

0055

3−Dモデル・エディタによってロードした立体
[076]画像集合をインポートした後、1組のプレビュー画像がユーザに提示される。その各々には、異なるプリセットフィルタが適用されている。ユーザは、用途の必要性にしたがって、最も望ましい画像を選択する。次いで、ユーザには他の1組のプレビュー画像が提示される。これらの画像には、ユーザが選択した最初のフィルタが適用されているが、このときには追加のフィルタも適用されている。次いで、ユーザは最も望ましい画像を選出し、このプロセスは、多数回、例えば、合計3回繰り返すまで継続する。このプロセスが終了した後、間接的にユーザによって選択されたプリセット・フィルタを使用して、3−Dモデルが生成される。

0056

[077] 次に、ユーザが取り込むことに最も関心があるデータを示すために、この3−Dモデルを編集することができる。最初の3−Dモデル編集は、TSIMツールを使用して行うことができる。オブジェクト・モデリング環境においてオブジェクトを作成、編集、および変形するためにTSIMにおいてユーザに利用可能なツールについて、以下に説明する。

0057

[078]スプライン・ツール:このツールは、ユーザが3−Dモデル内においてスプラインを定義することを可能にする。これらのスプラインは基準線として使用することができる。ユーザは、3−Dモデル内にあるオブジェクトの境界を定義するためにスプラインを引き、最終的な立体3−Dモデルの生成において、これらが使用される。スプライン・ツールを利用しながら、撮像データを使用してモデルが構築された場合、ユーザはマウススクロールホイールを使用して、図xの心臓モデルにおいて見ることができるように、2−D画像スタック全域にわたってモデルを上下にスクロールすることができる。ユーザは、スタックにおける所望の画像までスクロールし、より良く細胞組織構造を定義するために、それらのスプラインをその画像面に当てはめる(snap)ことができる。

0058

[079] 対象領域ツール:このツールは、3−Dモデルの所望部分周囲に閉ループ(端部が繋がれる)の自由形態スプラインを作成することによって、ユーザが3−Dモデル内部に対象領域を定義するために使用することができる。ユーザは、スプラインを作る前に、モデルを所望の視野(view)に向けなければならない。ユーザによって領域が定義された後、スプラインはz方向に無限に延びる。次いで、3−Dモデルは、この対象領域に含まれなかった全てのデータを更新し除外する(図x)。

0059

[080]消しゴムツール:このツールは、ユーザのマウス・カーソルを、3−Dレンダリング・ウィンドウ内では球形状の消しゴムに変える。このツールを選択した後、ユーザは、左マウス・ボタンをクリックしたままにすることによって、画像データを消去することができる。加えて、もっと小さなまたは大きな構造(feature)の消去を容易にするために、消しゴム・サイズを変更することができる。次いで、ユーザはこのツールをオフに切り替えることができ、3−Dモデルは自動的に更新する。

0060

[081]立方体ツール:このツールは、ユーザがモデル空間において立方体を作成することを可能にする。一旦選択されると、標準的な立方体をモデル空間内に生成することができ、この立方体上に位置するマニピュレータを使用して、サイズを変更し移動させることができる。加えて、座標位置決め、例えば、X,Y,およびZ位置決めのため、そしてオブジェクトの倍率変更のために入力が利用可能である。

0061

[082]円筒ツール:このツールは、ユーザがモデル空間において円筒を作成することを可能にする。一旦選択されると、モデル空間内に標準的な円筒が生成され、この円筒上に位置するマニピュレータを使用してサイズ変更し移動させることができる。加えて、座標位置決め、例えば、X,Y,およびZ位置決めのため、そしてオブジェクトの倍率変更のために入力が利用可能である。

0062

[083] 球ツール:このツールは、ユーザがモデル空間において球を作成することを可能にする。一旦選択されると、モデル空間に標準的な球が生成され、この球上に位置するマニピュレータを使用してサイズ変更し移動させることができる。加えて、座標位置決め、例えば、X,Y,およびZ位置決めのため、そしてオブジェクトの倍率変更のために入力が利用可能である。

0063

[084] 3−Dモデリング・ツールの例
[085]パンニング:このツールは、モデル空間の視野角を左、右、上、または下にずらすために使用される。

0064

[086] 回転−このツールは、例えば、三次元軸(X,Y,Z)を中心として3Dモデルを回転させるために使用される。

0065

[087]ズーム−このツールは、モデルがコンピュータ画面上に提示されるときに拡大または縮小するために使用される。

0066

[088] 交差−このツールは、2つのスプライン/オブジェクトの交差に基づいて領域の境界を定義するために使用される。

0067

[089] 差分−このツールは、選択されたアクティブなオブジェクトのインアクティブなオブジェクトからの減算に基づいて領域の境界を定義するために使用される。

0068

[090]合体−このツールは、2つのオブジェクト体積加算に基づいて領域の境界を定義するために使用される(図9)。

0069

[091]オブジェクト・マップ−定義された境界を追跡することができ、定義されたオブジェクトをユーザにカラー・コード・オブジェクト・マップにおいて提示することができる。これによって、ユーザは彼らの3−Dモデルの個々の成分を容易に可視化することができる。

0070

[092]注釈テキスト注釈ツールをアプリケーションに追加することもできる。このテキスト注釈ツールは、ユーザがテキストメモを、選択したエッジまたは充填領域(filled region)に追加することを可能にする。追加されたメモの対象エリアを指摘するために引き出し線を追加する選択肢が存在する。

0071

[093] 測定−このツールは、ユーザが2−D画像スライス上および3−Dモデル内部の双方において、2点間測定線を引くことを可能にする。これは、例えば、ユーザがプリンティングのために3−Dモデルの寸法を決めているときに有用であると考えられる。加えて、3−Dモデリング環境において、倍率変更バー(scale bar)および基準オブジェクトコーヒーカップのような)を供給することもできる。

0072

[094] 高度ユーザ2−D画像編集ユーザ・インターフェース−このインターフェースは、データを中間調二次元スライスのシーケンスとしてユーザに提示し、細胞組織の密度によって輝度(intensity)が決定される。変化する輝度を参照(guide)として使用して、構造が識別および分離される。構造の分離は、各スライス上で自由形態有限領域を作成することによって行われ、次いでスライス間でこれらの領域を繋ぎ合わせて、分離された立体を計算する。

0073

[095] また、TSIMは、明るさおよびコントラストのような画像プロパティを制御するため、および画像編集のため(例えば、注釈およびオブジェクト定義)に異なるツールも提供する。ロードされた画像集合は、画像作業空間の下に、スクロール可能な画像プレビューを使用して表示される。画像作業空間内において、画像集合の3−Dレンダリングが表示され、3つの画像ビューを押しつぶすことができる。ビューの例には、軸方向ビュー矢状面ビュー、および冠状面ビューが含まれ、これらは、復元されるとき、画面の左上角、左下角、および中央下に配置することができる。

0074

[096] 画像プロパティ制御ツールの例:
[097] 画像の色調値増減するための明るさ。

0075

[098] 画像における色調値の全体的な範囲を拡大または縮小するためのコントラスト。

0076

[099]ダイアルとして表すことができるウィンドウ中点。これは、着目画像の中間調に対する密度マッピングの中点を調節するために使用することができる。

0077

[0100]着目画像の可視密度範囲を拡大または縮小するためのウィンドウ範囲

0078

[0101]フィルタ。ユーザが画像集合に適用するために、多数のフィルタ・プリセットが利用可能であってもよい。

0079

[0102] 2D矩形内包ツール(2D Rectangle Inclusion Tool)は、ユーザが2D画像内部において対象の矩形領域を定義することを可能にする。ユーザによって領域が定義された後、次に、3Dモデルを更新し、この対象領域に含まれなかった全てのデータを除外する。

0080

[0103] 画像リセット・ツールは、画像処理を元の2D画像レベルに戻す。

0081

2D境界定義ツール
[0104]ポイント・スプライン−このツールは、一連の制御点から作成された閉鎖スプラインから領域境界を定義するために使用される。画像エリア内における各入力は、新たな制御点を追加する。必要に応じて、TSIMは、近隣で検出されたエッジに境界を正しく嵌め合わせる(better fit)ために、制御点を自動的に調節する。境界が完成した後、ユーザは直接任意の制御点の位置およびパラメータを調節し、更に制御点を追加または除去することができる。一旦ユーザが満足したなら、境界を確認することができ、領域オブジェクトが作成される。ポイント・スプライン・ツールは、ユーザがこれらの領域オブジェクトに対して今後変更を加えたい場合に、エディタとして機能する。

0082

[0105] 自由形態−このツールは、ユーザが自由形態のスケッチからスプラインを作成することを可能にする。スケッチを作成した後、このソフトウェアはスプラインをそのスケッチに嵌め合わせる。ユーザは、このスプライン上で描画して、形状を微調整することもできる。一旦ユーザが満足したなら、境界を確認することができ、領域オブジェクトが作成される。ポイント・スプライン・ツールは、ユーザがこれらの領域オブジェクトに対して今後変更を加えたい場合に、エディタとして機能する。

0083

[0106] 複製−このツールは、有限領域を1つの画像スライスから他の画像スライスにコピーする。このツールは、画像スライス間の相違が最小であるときに、領域を作成する手間を避けるために使用することができる。領域を複製した後、ユーザはポイント・スプライン・ツールを使用して任意の必要な補正を行うことができる。

0084

TSIMユーザ・インターフェース(UI)
[0107] TSIM UIは、3−Dモデルの計画されたプリント・パス、およびこのパスに沿った現在のプリント・ヘッド位置をリアル・タイムで表示する。加えて、アクティブなノズルのパラメータ、圧力、および速度に関するプリンタの現在の状態が、アクティブなプリント期間と共に表示される。プリンタによって使用される材料の分量を示すチャートも、UIの右側に表示することができる。プリント・パスの下に、スクロール可能なタイムラインを生成することができ、これによって、ユーザはプリント・サイクル全体にわたりプリントされる材料の推移を追跡することが可能になる。プリンティング・プロセスにおいて誤りが発見された場合、ダイアログボックスが現れることができる。例えば、プリンタのカートリッジに材料がなくなった場合、「リザーバ2にゲル2を充填して下さい」というダイアログ・ボックスが画面上に現れる。

0085

[0108] TSIMオブジェクト・モデリング画面は、モデルを設計/作成するため、またはロボット・ワークステーションによるプリンティング/製作の目的で既存のモデルをインポートするための3−D環境を提供する。複雑なモデルも、基本的な1組の幾何学的形状を使用して作成することができる。用意された実証的な1組の幾何学的オブジェクトには、箱、円筒、球、および三角錐形状が含まれる。操作ツールは、組み合わせ、整列、スケッチ、立体レンダリング(volume rendering)、表面レンダリング等の機能を提供することを含むが、これらに限定されるのではない。モデルは、例えば、STL、DICOM、およびNIfTIフォーマットを含む種々の標準的な撮像フォーマットにおける立体モデリングのために、公開されてもよい。TSIM動作パネルの例を図Xに示す。

0086

[0109]オブジェクト・モデリング環境に追加された各オブジェクトには、オブジェクト・プロパティ・リストが関連付けられ、選択されたオブジェクトをモデリング環境に追加したときに、オブジェクト・プロパティ・リストが表示され、更にモデリング環境に追加されたオブジェクト毎にオブジェクト・プロパティ・リストを含む複合オブジェクト・プロパティ・リストが表示されるようになっている。図Xは、4つの選択されたオブジェクトおよび対応する複合オブジェクト・プロパティ・リストを含むモデリング環境例を示す。オブジェクトは、立方体、円筒、球、および三角錐から選択される。選択されたオブジェクトまたは作成されたオブジェクトには、ユーザによって一意の識別子を与えることができる。

0087

[0110]キーフレーム自動境界支援(Bounding Support)
TSIMは、キー・フレーム自動境界手順を含み、中間領域境界が2つの隣接しない画像スライス間において外挿補間される。通例、これらの2つの画像は、ユーザが定義したい画像内にあるオブジェクトの最も明確なビューを与える。ユーザは、2つの隣接しない画像スライスをキー・フレームとして選択し、外挿補間コマンドを実行する。このコマンドは、エッジ検出アルゴリズムを使用して、これらの定義された形体(feature)を、定義されたキー・フレームの間にある画像を通過して外挿補間するように、プログラムに命令する。

0088

[0111]押し出し材料割り当てツール。このツールは、ユーザが、3−Dモデルにおいて定義されたオブジェクトに対して設定された押し出し材料を指定すること、または3−Dモデルの領域がある種の材料で構成されることを定義することを可能にする。最初の事例では、ユーザはツールを選択し、押し出し材料を選択し、次いで所望のオブジェクト(1つまたは複数)を選択する。2番目の事例では、ユーザは、既存のスプラインを使用して、またはスプラインを引き、次いでツールを選択することによって、エリアを定義することができる。次いで、ユーザは、指定された厚さを使用して、または領域を他のスプラインまで広げることによって、スプラインから材料領域を定義するためのプログラムを指定することができる。

0089

プリンティング支援
[0112] 組み立て監視−この機能は、ユーザが、プリンタ内に配置された内蔵カメラを使用して、細胞組織構造物の組み立てを監視することを可能にする。一旦この選択肢がイネーブルされると、ビデオフィードがTSIM内に現れ、プリンティング・プロセスが終了するまでストリーミングが行われる。

0090

[0113]ディジタル試作−シミュレーション・ツール−1組のシミュレーション・ツールが、TSIMのシミュレーション・モジュール内において利用可能である。推定プリント時間(プリント時間ツール)、押し出しに要求される量(ボリューム・ツール)、および3−Dモデルの構造的分析構造分析ツール)のためのツールがある。

0091

[0114]プリント時間ツール−このツールは、作成された3−Dモデルをプリントするのに要する時間(分単位)を推定し表示する。

0092

[0115]ボリューム・ツール−このツールは、ユーザの3Dモデルをプリントするために要求される押し出し材料の分量(volume)を推定し表示する。

0093

[0116]構造分析ツール−このツールは、ユーザが3−Dモデル上で構造分析評価を実行し、一旦プリントされたときのその安定性を推定することを可能にする。このツールは、円滑粒子流体力学の原理に基づく。

0094

材料データベース
[0117] 材料データベースが利用可能であり、細胞組織構造物をモデリングするときにユーザにどのような押し出し材料が入手可能であるか定義する。ユーザは、入手可能な全ての材料を検索し、入手可能な材料の全てをブラウズし、または用途毎に入手可能な材料を検索することによって、彼らの所望の材料を発見することができる。この材料データベースは、ユーザがエントリを追加または編集することを可能にし、ユーザのローカル・データベースに対して削除機能が確保されている。材料の写真に加えて、材料について格納されている情報は、材料の種類、粘度、重量百分率溶液)、ヤング率応力、および歪みというようなパラメータを含む。

0095

[0118]ローカル・データベース。ローカル・データベースは、予め設定されている材料を含む基本材料データベースを含む。次いで、ユーザはこのデータベースを拡大し、新たなエントリをローカル・マシン上に保存することができる。

0096

[0119] 具体的な製作材料を各オブジェクトに割り当てることができ、各材料には分与ニードル形式(長さ、直径)、ならびに圧力、速度、加速度、オンオフ遅延、および硬化方法を含む動作パラメータが関連付けられる。一旦割り当てられると、材料選択および材料の詳細を、検査プリントのフィードバックおよび/または具体的な用途の必要性にしたがって編集することができる。代わりに、ユーザが具体的な用途の必要性に適応させたカスタム材料メニューを作成することもできる。

0097

[0120] 一旦モデリング画面に追加されたなら、オブジェクトを変形することができる。具体的な実施形態では、変形機能選択パネルが設けられる。非常に具体的な実施形態では、オブジェクトを動かす、および/またはオブジェクトの中心座標を変更することによって、オブジェクトを変形することができる。変形機能の他の例には、例えば、個々のロールピッチ、またはヨー・スライダーをドラッグすることによって、または個々のブロックを所望の方向にドラッグすることによって オブジェクトをその中心座標を中心にして回転させる、オブジェクトを拡縮する、例えば、均一なxyz倍率によって拡縮する、または個々の軸に沿って拡縮することが含まれる。非常に具体的な実施形態では、変形機能は可逆的である。

0098

[0121] 一旦設計されたなら、プリント/製作されるモデルは、TSIMソフトウェアを使用してRBWに送られる。RBWは、多軸ロボットを含むテーブルトップ・ワークステーションを含む。多軸ロボットは、複合立体形状の3−D細胞組織プリンティング、および生体構造物の組み立てを容易に行う。このロボットは、少なくとも6本の製作方位軸を含み、機能的細胞組織構造を組み立てるときに要求される正確度に特に適している。一実施形態によれば、RBWは、多軸ロボット、ロボット・コントローラ(好ましい実施形態では、このコントローラはRBW筐体の外部に配置されるか、またはRBW筐体内に別個に内蔵される)、筐体を定めるフレーム、プリント・ステージ、少なくとも1つのロボット・エンド・エフェクタ、少なくとも1つの材料貯蔵ユニット、およびユニット・インターフェース(好ましい実施形態では、RBW−UIはRBW筐体の外側に配置される)を含む。具体的な実施形態では、ロボットは、少なくとも6軸可動域を有するアームを含む。非常に具体的な実施形態では、ロボットは、PCベース・コントローラ、および/またはEPSON RC180およびRC602+PCベース・コントローラと互換性のあるEPSON C3シリーズコンパクト軸ロボットから選択される。フレームは、以下の構造の内1つ以上を含めばよい。Bosch社のアルミニウムT−スロットドア、床、天井屋根羽目板、および照明具。プリント・ステージは、任意の適した材料で作られればよく、具体的な実施形態では、平準化メカニズムを含む。好ましい実施形態では、ロボットはプリント・ステージを覆ってその上方(over and above)に配置される。ロボット・エンド・エフェクタは、空気式グリッパ、シリンジ・バレル・ホルダ、カメラ、レーザ変位センサ、自動水チェック、およびケーブル管理の内1つ以上を含む。具体的な実施形態では、材料貯蔵ユニットは、シリンジ・ホルダ、変位センサ、およびステーションマウント(station mount)を含む。電気的設計は、空気供給管および電力ケーブルを含む。ワークステーションは、例えば、カート上に可動形体で設けられてもよい。

0099

[0122] RBWユーザ・インターフェース(UI)は、ワークステーションの現在の状態に関する情報をユーザに提供するステータス画面を含む。このステータス画面から、ユーザは、例えば、コントローラ、ディスペンサ、およびマイクロコントローラのようなRBWのコンポーネントが適正に機能していることを監視し、プリント・ジョブのストリーミング・ビデオ・フィードを視認し、処理を進める前に求められる注意を示すあらゆる警報に対処することができる。

0100

[0123] 更に、RBW−UIは、ユーザがオフセットを行うことも可能にする。オフセットとは、経験的な観察に基づいてリアル・タイムで行われる細かい変更のことである。オフセットは、例えば、圧力、真空、速度、ならびにZ−高さおよび加速度値について行うことができる。

0101

[0124]ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーションの特徴について、これより図1図2、および図3に示した具体的な実施形態を参照しながら説明する。尚、この論述は例示を目的とすることは注記してしかるべきであり、請求項に定められる発明の範囲から逸脱することなく、種々の構成が可能であることは当業者には認められよう。図1に示すように、RBWはフレーム型筐体1を含む。フレーム型筐体1は、ロボット・アーム・エフェクタ・コンポーネント4を有するロボット・アーム3を含む多軸ロボット2と、ロボット・コントローラ5と、材料貯蔵ユニット6と、材料分与システム7と、調節可能なプリント・ステージ8と、ユーザ・インターフェース9とを含む。好ましい実施形態では、フレーム型筐体は、多数の角度からユーザに動作可能に接近することができ、少なくとも1つのリアル・タイム観察手段(access)を提供する。また、RBWには、カメラ10がインテリジェント視覚フィードバック・システムの一部として嵌め込まれており、経験的観察補足することができ、および/または遠方監視(remote viewing)の選択肢ならびにプリント/組み立てプロセスを停止し調節を行う能力を設けることもできる。

0102

[0125]バイオアセンブリ・システムは、多軸ロボット2を含み、好ましい実施形態では6軸ロボットである。具体的な実施形態では、材料分与システム7は、生体材料12を直接基板上に書き込むように構成された(adapted)押し出しシリンジ・ディスペンサ11を含む。6軸システムでは自由度が増えることにより、生体材料の分与は、プリンティング基板の表面の平面に対して斜めの角度でも行うことができる。

0103

[0126] 具体的な実施形態では、ロボット・アーム・エフェクタ・コンポーネント4は、プリンティング・ツール、ステージングおよび組み立てツール、ならびにセンサから選択される1つ以上のエフェクタを含み、システムは、更に、プリントおよび/または組み立てコマンドによって指令される通りにエフェクタ・コンポーネントにおいてツールの自動交換を実行するために自動ツール交換機能も含む。具体的な実施形態によれば、プリンティング・ツールは、グリッパ、シリンジ・バレル13、万能ホルダ(adapting holder)14、およびディスペンサ11から選択される。ステージングおよび組み立てツールは、選別、配置、および位置決めツールから選択され、センサは、レーザ変位センサおよび光電センサから選択される。ある種の実施形態では、RBWは、プリント・ステージ8の平準化メカニズムを含む。具体的な実施形態では、レーザ変位センサはロボット・アーム・エフェクタ4上に配置される。レーザ変位センサは、手作業での平準化手順を補強する。

0104

[0127] ある種の実施形態によるステージングは、プリント基板を取り上げ、プリント・ステージ上に置くことを含めばよい。次いで、基板上においてプリンティングが実行され、非常に具体的な実施形態では、基板は、特殊構造の必要性にしたがって設計された、可変表面トポグラフィを含む場合もある。最終的な生体構造物を組み立てるには、例えば、第1プリント構造物(printed construct)を取り上げ、第2構造物に対して位置付けることによって実行することができ、第2構造物は、第2プリント構造物および提供された構造物から選択される。プリント・ステージ8は、複数のエリア、例えば、プリント・エリアおよび組み立てエリアに区分されてもよく、生体構造物との組み立てのために、非生体構造物が含まれてもよい。医療用デバイスおよびジグは、全体的に非生体材料で構成されてもよい。しかしながら、製作は同様に進めることができ、生体構造物の製作のためのバイオアセンブリ・システムによって得られる利点は、通常非生体構造物にも当てはまる

0105

[0128] 一般に、材料分与システム7は、多数のシリンジ11を含み、各シリンジは1つの材料または生体材料12を収容し、シリンジ11からの分与は、一度に1つの材料または生体材料12を分与することを含む。材料貯蔵ユニット6は、少なくとも1つのシリンジ・バレル・ホルダ14を含む。各シリンジ・バレル・ホルダ14は、多数のシリンジ・バレル13を含む。また、材料貯蔵ユニット6は、ホルダ14におけるシリンジ・バレル13の正しい据え付けを確保するための少なくとも1つの変位センサと、ニードル16のサイズおよび先端の反りを検出するための少なくとも1つのニードル検出センサとを含むこともできる。

0106

[0129] 一実施形態は、ロボット・アームとロボット・アーム・エンド・エフェクタとを含むロボット生体材料分与装置を対象とし、エンド・エフェクタは、分与シリンジを掴んで固定するように構成され、ロボット・アームは少なくとも6本の軸に沿ったシリンジの移動を可能にする。6本の軸に沿って移動できることによって、特に3−Dプリント基板上におけるプリンティングに関して新規な機能を得ることができる。例えば、細胞組織および器官のような複雑な構造物を1層ずつ製作することを基本とする従来のバイオプリンタの設計のように順次積層(sequential layering)に制限されることなく、生体材料をプリント基板上に分与することによって、生体構造物を製作することができる。6本の軸によって、順次平面積層によらずに生体材料を分与することができ、ロボット・エフェクタは、後続の層を分与した後、以前の層に戻って追加の(more)生体材料を追加することもできる。更に、ロボット・エフェクタは、ディスペンサ/シリンジ先端を、輪郭で囲まれた表面(contoured surface)上の任意の点に対して垂直な角度に整列することができる。これによって、3−Dプリンティングの多様性が高められ、完成した構造物に多種多様の表面輪郭を形成することができ、医療用撮像から得られるオブジェクトに関して、半径方向距離(radial geometry)からの組み立て、極座標系または混合極座標系の利用、したがって3−D精度向上の潜在的可能性が得られる。具体的な実施形態は、3−D生体構造物の製作方法を対象とし、請求項24によるロボット生体材料装置を利用して、1つ以上の生体材料を3−Dプリント基板上に直接書き込み分与(direct-write dispensing)するステップを含み、ロボット・アーム・エンド・エフェクタが、3−Dプリント基板の表面上における全ての位置に対して垂直な角度に分与シリンジを位置付ける。

0107


[0130] 本発明の実施形態のある種の態様、特徴、および利点を実証するために、以下の例について説明するが、添付した請求項によって定められる発明の範囲を限定するように解釈してはならない。

0108

[0131] 例1.この例は、オブジェクト・モデリング環境における単純なオブジェクトの作成を例示する。

0109

[0132] A.箱を作成する(図7)。
1.箱作成アイコン上でクリックする。
2.箱の配置を始めるために、モデリング環境上の位置をクリックする。
3.マウスをしかるべく動かすことによって、箱の底面のサイズを調節することができる。受け入れるために、左マウス・ボタンをクリックして底面を設定する。
4.マウスを垂直方向に動かすことによって、箱の高さを設定する。受け入れるために、クリックして高さを設定する。箱の寸法に対する更なる微調整は、手作業で中心の座標を編集することにより、または箱の長さ/奥行き/高さを変更することによって行うことができる。

0110

[0133] B.モデリング環境における球の作成(図8)
1.球作成アイコン上でクリックする。
2.モデリング環境において球を配置する位置をクリックする。
3.マウスを動かすことによって球のサイズを調節することができる。サイズを設定するためには、もう1度クリックする。更に、中心の座標を手作業で入力することにより、または半径の値を変更することによって、球を微調整することができる。
4.最終的な形状を受け入れるために、球メニュー上の立体作成ボタンをクリックする。

0111

[0134] C.モデリング環境における円筒の作成(図9)
1.円筒作成アイコン上でクリックする。
2.モデリング環境においてシリンダを配置する位置をクリックする。
3.マウスを動かすことによって円筒の底面のサイズを調節することができる。受け入れるためには、クリックして底面を設定する。
4.次に、マウスを動かしもう1回クリックしてそれを設定することによって、円筒の高さを調節する。円筒の寸法は、更に、手作業で中心の座標あるいは半径または高さの値を入力することによって微調整することができる。
5.最終的な形状を受け入れるために、「立体作成」をクリックする。

0112

[0135] D.モデリング環境における三角錐の作成(図10)
1.三角錐ツール・アイコン上でクリックする。
2.モデリング環境において三角錐を配置する位置をクリックする。
3.マウスを動かすことによって、三角錐の底面のサイズを調節することができる。受け入れるためには、クリックして底面を設定する。
4.次に、マウスを動かすことによって、三角錐の高さを設定する。受け入れるためには、クリックしてモデルを設定する。
5.更に、中心座標あるいは半径または高さの値を手作業で入力することによって、三角錐の寸法を微調整することができる。
6.最終的な形状を受け入れるためには、立体作成をクリックする。

0113

[0136] 例2.この例は、オブジェクト・モデリング環境におけるオブジェクトの操作を例示する。オブジェクト・モデリング環境に追加されたオブジェクトは、例えば、オブジェクトを組み合わせる、動かす、または整列することによって、更に操作することができる。特定的な実施形態では、オブジェクトを組み合わせて唯一の/カスタム化された形状を形成することもできる。組み合わせるための動作は、モデリング環境においてオブジェクトを加算する(合体)(union)、減算する(差分)(difference)、および/または交差させることを含むとよい。

0114

[0137]合体/組み合わせ動作は、2つの別個のオブジェクト体積を一緒に併合して、これらの境界が1つの領域として定義されるようにすることを含む。合体動作を図11に例示する。

0115

[0138] 差分動作は、選択されたアクティブなオブジェクトをインアクティブなオブジェクトから減算することに基づいて、領域の境界を定めるために使用される。差分動作を図12に例示する。

0116

[0139]交差動作は、2つのオブジェクトの交差に基づいて領域の境界を定義するために使用される。交差動作を図13に例示する。

0117

[0140]モデリング環境においてオブジェクトを整列する機能も設けられる。具体的な実施形態では、図14に例示するように、異なるオブジェクト上の2つの面を、各形状上で選択された点に基づいて整列することができる。

0118

[0141] 他の具体的な実施形態では、選択された正面/側面の中心点に基づいて、y−軸、x−軸、またはz−軸に沿ってオブジェクトを整列することができる。移動動作は、必ずしも整列することなく、オブジェクト物体の異なる位置への移動を可能にする(図15A)。

0119

[0142]図15Bに例示するように、ドラッグ動作は、選択された形状を「地面」に対して異なる方向に移動させることを可能にする。「地面」は、カメラの角度に基づいて決定される。1つの具体的な例では、デフォルト・ビューにおいて、モデルをドラッグすると、形状がxy−平面において移動する。

0120

[0143] 両方の2−D画像スライス上、および3−Dモデル内における2点間測定線を可能にする測定動作も設けられており、図15Bに例示する。

0121

[0144] 例3.この例は、他のプログラムからオブジェクトを直接モデリング環境にインポートすることを例示する。ユーザは、外部プログラムにおいて作成された既存のモデル・ファイルを開くことができる。インポート可能なファイル・フォーマットの例には、STL、NIfTI、およびDICOMが含まれる。

0122

[0145] A.STLファイルのインポート
1.インポート・セクションにおいてSTLインポート・アイコン上でクリックする。
2.STLファイルを収容するフォルダに進む。
3.所望のファイルを強調し、「開く」ボタンをクリックしてモデルをインポートする。
4.オブジェクトはモデリング環境に現れる。TSIMにおいて作成された形状の場合と同様、インポートされたオブジェクトの修正は、右側にあるオブジェクト・メニューによって行われる。

0123

[0146] B.NIfTIファイルのインポート
1.インポート・セクションにおいてNIfTIインポート・アイコン上でクリックする。
2.NIfTIファイルを収容するフォルダに進む。
3.所望のファイルを強調し、「開く」ボタンをクリックしてモデルをインポートする。
4.オブジェクトはモデリング環境に現れる。TSIMにおいて作成された形状の場合と同様、インポートされたオブジェクトの修正は、右側にあるオブジェクト・メニューによって行われる。

0124

[0147] C.DICOMファイルのインポート
インポートされたDICOM画像の例を図16に示す。
1.インポート・セクションにおいてDICOMアイコン上でクリックする。
2.DICOMファイルを収容するフォルダに進む。
3.「フォルダ選択」をクリックしてモデルをインポートする。

0125

[0148] 例4.この例は、図16と共に説明するが、立体動作(volume operation)を例示する。これは、密度または不透明度の値を調節することによって、立体モデル(例えば、NIfTIまたはDICOM)の更なる分析を可能にする。軸毎間隔値も同様に変更することができる。
1.ボリューム・ファイル(volumetric file)をインポートする。
2.ボリューム・アイコン上でクリックする。
3.インポートされたモデル上でクリックして、これを強調する。すると、右側に立体調節メニューが表示される。個々のスライダを調節することによって、それぞれの値を変更することができ、こうしてモデルを更新する。立体に対して調節を行っている間、視野角を変化させることもできる。

0126

[0149] 例5.この例は、具体的な実施形態によるスケッチ動作を例示する。
1.スケッチ作成アイコン上でクリックする。
2.3つの別個の平面が黄色で現れる。スケッチを描こうとする平面を選択するために、所望の平面上でクリックする。
3.すると、選択された平面が、対話処理ウェッジと共に、青色で強調される。この平面は、移動させることまたは回転させることができる。
4.作成ボタン上でクリックして、スケッチ上での作業を開始する。
5.異なる平面の選択が望まれる場合、「新たな平面を選択する」ボタンを選択してステップ2に戻る。
6.すると、選択された平面が格子として表示され、スケッチ・メニューが現れる。曲線、円、点、矩形等を使用することによって、カスタム形状を描くことができる。
7.一旦形状の描画が完了したなら、右クリックして描画を止め、選択ツール上でクリックして立体モデリング画面に戻る。

0127

スケッチも修正および管理することができる。

0128

[0150] 更に複雑な形状は、異なる平面上で行われたスケッチの集合体を含む場合もある。管理動作は、ユーザが集合体における個々のスケッチを修正する、動かす、削除する、または隠すことを可能にする。スケッチ・メニューによってスケッチと個々に対話処理することができる。

0129

[0151] 例6.この例は、スケッチの3−Dモデルへの押し出しを例示する(図17)。
1.スケッチの俯瞰図から開始する。
2.次に、CTRLを押したまま、スケッチの個々の側面の各々上でクリックする。選択された側面が青色に強調される。
3.全ての側面が繋がれると、形状のワイヤ・フレームが表示される。ここで、右側の押し出しメニューがアクティブになり、押し出しの長さおよび解像度の双方の調節が可能になる。
4.押し出しボタン上でクリックして、最終的な形状を作成する。

0130

[0152] 例7.図18に示すように、異なる平面上にレンダリングされたスケッチの境界を繋ぐことによって、新たな形状を作成することができ、輪郭を滑らかに繋ぐことによって、更なる修正も可能である。

0131

[0153] 例8.この例は、血管樹(図20)をモデル化するTSIM機能の利用を例示する。次いで、RBWによって血管樹を製作することができる。

0132

[0154] 1つの具体的な実施形態によれば、本方法は、表1に明記するような、1組の入力パラメータを入力するステップを含む。

0133

0134

[0155] 一旦モデルが生成されると、血管樹の各指示(order)に具体的な材料を割り当てることができる。具体的な実施形態では、RBWは、血管樹をプリントする可変表面トポグラフィを有するモールドまたは他の基板をプリント・ステージに設定する(stage)。他の複雑な細胞組織構造物のプリンティングは、基板をプリンティング表面として取り込み、プリント・ステージ内に位置付けることによるステージング(staging)を必要とする場合もある。ある具体的な実施形態では、プリント・ステージをプリント・エリアおよび組み立てエリアに分割することもでき、生体構造物がコンポーネント毎にコンポーネント上にプリントされるにしたがって組み立てられるようにすることもできる。

0135

[0156] 例9.この例は、更に図19に示すように、スケッチされた曲線からの3−D管のモデリングを例示する。生成された管の半径および解像度は、命令し修正することができる。

0136

[0157] 例10.この例は、図21と共に説明するが、ロボット・バイオアセンブリ・ワークステーションによるプリンティングの開始を例示する。
1.リストからプリント・ジョブを選択する。プロジェクト・プレビューの下でプレビューが利用可能である。
2.開始を押す。
3.パスワードの催促成功した後、材料装填プロセスを開始することができる。

0137

[0158] 非常に具体的な実施形態では、一旦プリント・ジョブを選択し開始したなら、UIは、個々のバレルを実際に材料貯蔵ユニット上の具体的なスロットに物理的に装填するように、ユーザに催促する。一旦装填したなら、ユーザは次の材料に移る前に確認する。材料ホルダベイの各々のステータス更新を示すために、視覚インディケータを表示することができる。表2は、この概念を例示する。

0138

0139

[0159] 「移動」動作は、ロボットの位置決めの手動調節によって、RBW−UI画面を通じて所望の位置に置くことを可能にする。ロボットは任意の軸に沿って調節することができ、「定」位置にロボットを復元することもできる。他の制御動作には、コントローラへの電力をリセットする、圧力(psi)を調節して入れる、個々のジョイントブレーキ(joint brake)(J1からJ6まで、移動軸毎に1つのJ)を切ることが含まれるとよい。較正メニューは、いずれのプリントが行われるのにも先立って、ワークステーションがしかるべく設定されていることを確認する。

0140

[0160] 例11.この例は、プリンティング/製作の前における材料検査手順(protocol)の実施形態を例示する。最初に材料を利用するときまたは特異な条件パラメータの下で材料を利用するとき、種々のニードル直径、速度、圧力等でプリンティング品質を検査することが重要である。

0141

[0161] 材料検査を実施するステップ例は、以下を含む。
1)新たな材料を有するシリンジを手作業でロボットのエンド・エフェクタに取り付ける。
2) RBW−UI上において、較正の下にある材料検査選択肢を押す。
3)プリンティング・プラットフォームの格子が表示される。開始するために、格子におけるセルの1つを押して、それを選択する。
4)それぞれのプラスまたはマイナス符号を押すことによって、そのセルに対する所望のパラメータ値を増加または減少させる。あるいは、パラメータ用数値ボックスにおいてクリックし、画面上のキーボードを使用して所望の値を入力する。
5)保存を押して、選択されたセルに対する値を設定する。
6)必要に応じて、他のセルを選択し、ステップ4〜5を繰り返す。
7)プリントする準備ができたなら、開始を押す。尚、開始コマンドは、少なくとも1つのセルに対する値が保存されるまでは現れないことに注意すること。

0142

[0162] 完成されたプリントは、材料がプリントされたラインとなり、どの設定値グループが、具体的な用途の必要性を最良に満たすか判定することができる。

0143

[0163] 例12.この例は、プリント・ステージ/プラットフォーム平準化機能を例示する。

0144

水平なプリント・ステージは、高品質のプリントを生成するには本質的なことである。具体的な実施形態では、RBW−UIは、ステージが水平である程度、および完璧に水平にするにはどのような修正をしなければならないかに関するフィードバックを与える。

0145

[0164]平準化を開始するために、
1)較正の下に位置する平準化選択肢を押す。
2)開始を押して、水平検査を開始する。
3)ロボットが各ステージ・ボルト付近の位置に移動する毎に、プリント・プラットフォームの高さを判定する。この検査の終了時に、個々の角を上げるまたは下げるための正確な調節をユーザに促す。

0146

[0165]ロボット・アームの上端からステージの中心までの距離も較正しなければならない。先端センサが検出され、位置が判定される。バレルのセンサに対するずれが判定され、圧力変位曲線が計算される。

0147

[0166] 例13.この例は、本開示によるRBWの非常に具体的な実施形態のコンポーネント例およびコンポーネント関連機能を例示する。図1図2、および図3において示されたエレメントを参照する。

0148

1.筐体
[0167]フレーム:非限定的な一実施形態例によれば、フレームはアルミニウム製のT−スロット・フレームである。例えば、RBWの物理フレームは、Bosch社のT-slot Profilesの組み合わせを使用して作ることができる。

0149

[0168] 扉:RBWの扉は、Bosch社のT-slot Profilesを、ひっかき傷に強い透明なポリカーボネート製のインサートと共に使用して、ステーション内部をユーザに見えるようにするために作られる。

0150

[0169] 床:RBWの床は、厚さ1/8”のアルミニウム製ソリッドシートで、プリント・ステージを装着し調節するために3つの孔があるとよい。

0151

[0170]天井:RBWの天井は、厚さ1/4”のアルミニウム製ソリッド・シートとすればよい。

0152

[0171]屋根:RBWの屋根は、厚さ1/4”のダブグレー色アクリル製ソリッド・シートとすればよい。

0153

[0172]仕切り板:RBWの仕切り板は、厚さ1/4”のダブグレー色のアクリル・シートを使用して作ることができる。好ましい実施形態では、パネルは、フレームに締結するために、M5黒刻み付きつまみねじを利用する。パネルは、ユーザがステーション制御パネルに届くことができるようにするために、着脱可能である。

0154

[0173]照明:RBWは、ロボット・エンド・エフェクタ上のカメラが所望の解像度を達成することを可能にするために、ステーションの4つの角に取り付けられた4つの白色LED光(IP68級)を有するとよい。

0155

2.プリント・ステージ
[0174]構造体の材料:RBWプリント・ステージは、アクリル製のソリッド・シートで構成することができる。これは、ステージ平準化ボルトのボルト・ヘッドを埋め込むために、3つの端ぐり穴を含むことができる。非常に具体的な実施形態では、ボルトの平準化は、ラチェットレンチを使用して手作業で行うことができる。

0156

[0175]平準化メカニズム:具体的な実施形態によれば、RBWプリント・ステージは、3つの平準化ボルトを含む。これらの平準化ボルトは、ステージの3つの端ぐり穴の貫通孔内に挿入し、下方に3つの貫通(tapped)装着孔内まで達する。3つの貫通装着孔は、ステーションの床の下にある支持断面(support profiles)のチャネル内に位置する。プリント・ステージとステーションの床との間において、各ボルトの周囲にはばねが巻かれている。端ぐり穴の直径は、ステージ・ボルトを締めるまたは緩めるためにツールを挿入できるようにしている。

0157

3.ロボット・エンド・エフェクタ:
[0176]アーム工具(arm tooling)のロボット端は、ここでは「エンド・エフェクタ」と呼ぶが、(6軸ロボットの)J5およびJ6に取り付けられるコンポーネントを含み、プリント・ツール、組み立てツール、およびセンサを含む。プリント・ツールは、例えば、シリンジ・バレル・アダプタ・ホルダおよびグリッパを含む。

0158

[0177] 空気式グリッパ:具体的な実施形態によれば、ロボット・エンド・エフェクタは、その端部に装着された空気式グリッパを含み、グリッピングフィンガ(grippingfinger)が、ロボットのJ6回転軸中心線に対して垂直に向けられている。グリッパへの空気供給は、ソレノイドバルブによって制御することができる。ソレノイド・バルブは、RBW制御ソフトウェアによって、オンおよびオフに切り替えられる。グリッパは、バレルを材料貯蔵ユニットに装填しそして取り出す目的で、1回に1つの材料シリンジ・バレルを掴むために使用される。

0159

[0178]シリンジ・バレル・ホルダ:非常に具体的な実施形態では、RBWエンド・エフェクタの第2部品(piece)がディスペンサをシリンジ・バレルに、例えば、Norson EFD社のUltimus VディスペンサをNordson EFD社の30シリンジ・バレルに、Nordson EFD社からのアダプタ・アセンブリを使用して接続する。この部品は、Nordson EFD社からのアダプタ・アセンブリを、ロボットの軸J6の端部上に収納し、シリンジ・バレルをアセンブリにねじ込むことを可能にし、更に Ultimus Vディスペンサを使用して押し出しを制御することを可能にする。

0160

[0179]自動ツール変更:特定的な実施形態によれば、RBWは、具体的なプリント用途を容易にするために、プリント/分与ツールから、金型またはコンテナのようなレセプタクルピックアンドプレイス(pick and place)のために特別に設計されたエンド・エフェクタ・ツールに自動変更することができる。また、自動ツール交換能力は、ツール・ホルダから工具類を選択し、個々のプリント構造を更に複雑な構造に組み立てるために使用することも可能にする。

0161

[0180]カメラ:このエレメントは、ユーザが、筐体内に配置された内蔵カメラを使用して、細胞組織構造物のプリンティングを監視することを可能にする。一旦この選択肢がイネーブルされると、ビデオ・フィードがTSIM内およびRBWユーザ・インターフェース(RBW−UI)に現れ、プリンティング・プロセスが終了するまでストリーミングする。

0162

[0181]レーザ変位センサ:ある実施形態では、レーザ変位センサが、エンド・エフェクタ上に、空気式グリッパおよびシリンジ・バレル・アダプタ・ホルダと並列に装着される。このレーザ・センサは、ステージ平準化プロセス中にプリント・ステージとエンド・エフェクタとの間の距離を測定するために使用される。

0163

[0182]光電センサ:光電センサは、エンド・エフェクタ上に装着することができ、ロボットがバレル・ホルダの近くにあるとき、その配置を検出することを可能にする。加えて、このセンサは、バレルがそれぞれのホルダから正しく取り出されることも検出する。

0164

4.材料貯蔵ユニット
[0183]シリンジ・ホルダ:具体的な実証的実施形態によれば、RBWは4つのシリンジ・ホルダを収納し、各ホルダは、合計12個のシリンジ用に3つの材料カートリッジを含む。

0165

[0184]変位センサ:スルービーム・センサ(through beam sensor)は、材料貯蔵ユニットの上面に沿って移動し、シリンジ・バレルの正しい据え付けを確保するためにチェックする。この実施形態例では、バレル・ホルダの各々の前側および後ろ側に配置された8つのスルー・ビーム・センサがある。材料貯蔵ユニットの底面に配置された単体センサ(ニードル検出センサ)が、シリンジ・バレルの各々について、ニードルのサイズおよびニードル先端の反りを検出するために使用される。

0166

5.コンピュータ/タッチスクリーン(RBW−UI)
[0185] 位置(Location):ある実施形態では、RBW−UIは、ワークステーションの物理フレームの外部パーツ上に配置されたスイベル・アーム上に装着されたタッチスクリーン・コンピュータで構成される。

0167

[0186]インターフェース:RBW−UIは、圧力および速度のパラメータに関してプリンタの現在の状態についての情報を提供する。プリンタによって使用された材料の分量を示すチャートが、UI上に表示される。プリント・ジョブの完了時に、ユーザに通知される。アセンブリ/バイオアセンブリ・プロセス中にエラーが発見された場合、ダイアログ・ボックスが現れる。例えば、RBWのカートリッジ内の材料がなくなった場合、「リザーバ2にゲル2を充填して下さい」というダイアログ・ボックスが画面上に現れる。

0168

[0187]インターフェースのステータス選択肢は、ユーザが、既存のプリント・ジョブ、履歴、およびアセンブリ/バイオアセンブリ・ステージのビデオ・フィードを見ることによって、RBWのステータスをチェックすることを可能にする。インターフェースの直接制御選択肢は、タッチスクリーンを通じてロボットを所望の位置に割り当てる(job)能力を提供する。

0169

[0188] 実施形態例では、平準化選択肢は、各ステージ平準化ボルト付近の1つの位置でロボットにチェックさせ、各位置においてレーザ変位センサから得られた値を使用して、プリント・ステージがどのくらい水平になっているか判定する。オフセット選択肢は、ユーザが手動でオフセットを設定することを可能にする。材料検査選択肢は、異なるパラメータを用いた材料の検査を可能にする。

0170

6.制御系(controls)の設計
[0189] 安全性:安全機構は、ロボットを完全に停止させる緊急停止を含む。加えて、ドア・ロックも追加安全メカニズムに含めることができる。ドア・ロックは、製作中に扉が開いた場合に、動作を中断する。EPSON C3ロボット・シリーズについての安全性情報は、http://robots.epson,com/product-detail/10において調べることができる。

0171

[0190] 制御コンテナ:制御コンテナは、RBW上のオーバーヘッド制御エリア内に安全に装着され、マイクロコントローラの筐体としての役割を果たす。

0172

[0191]オーバーヘッド制御エリアのレイアウト:オーバーヘッド制御エリアは、コントローラ、例えば、RC180コントローラと、制御コンテナと、Nordson EFT社のUltimus Vディスペンサと、220v逓昇変圧器と、関連するコンポーネントとを含む。

0173

[0192]マイクロコントローラ:印刷回路ボード(PCB)のドーター・ボードと共に、マイクロコントローラはHMIとIO監視との間でインターフェースする。

0174

[0193]印刷回路ボード(PCB)
7.電気系の設計
[0194]空気供給ライン:非常に具体的な実施形態によれば、RBWの右側に1つの空気式瞬間接続レセプタクルが配置されている。ユーザは、入力空気ラインをここに接続する。このラインは、RBWの内部を通ってレギュレータに至る。すると、レギュレータはこのラインをディスペンサおよびソレノイド・バルブに分割して供給する。

0175

[0195]実証的な実施形態では、次いで3本の空気供給ラインをロボットまで引くことができる。2本のラインは、グリッパによって使用される。残りのフィード・ラインは、分与のためにバレル・ピストンを押圧するために使用される。

0176

電力ケーブル
8.アクセサリ
[0196]可動式カート:ある実施形態では、RBWは可動式計器カート上に収納される。非常に具体的な実施形態例では、カートの寸法は、1−1/2”の落下防止縁がある30”×40”の2つの鉄製のを含み、カート全高は29”であり、最上位の棚の表面の高さは27−1/2インチであり、2つのスイベルおよび2つの剛性8”×2”フェノール製車輪があり、スイベル・キャスタ上には車輪固定ブレーキがある。

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