Articolo metodologico

Modellazione e stampa fotogrammetrica tridimensionale dello scheletro di cetaceo utilizzando come esempio una balena di Omura spiaggiata nelle acque di Hong Kong

DOI:

10.3791/61700

⸱

3 settembre 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Infectious Diseases and Public Health, Jockey Club College of Veterinary Medicine and Life Sciences, City University of Hong Kong, 2State Key Laboratory of Marine Pollution, City University of Hong Kong, 3Office of the Vice-President (Development & External Relations), City University of Hong Kong, 4National Museum of Nature and Science

* These authors contributed equally

In questo articolo

Sommario

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La morfologia ossea di una balena semi-sgrassata è stata documentata mediante fotogrammetria con una fotocamera DSLR per generare modelli tridimensionali (3D) al computer, che sono stati stampati in 3D come repliche a metà dell'originale per scopi espositivi ed educativi.

Abstract

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La preparazione degli scheletri dei cetacei, in particolare dei fanoni, rappresenta una grande sfida a causa del loro alto contenuto lipidico e delle dimensioni non comuni. La documentazione della morfologia scheletrica è importante per produrre modelli accurati e affidabili sia per scopi di ricerca che per scopi educativi. In questo articolo, abbiamo utilizzato una balena di Omura lunga 10,8 metri arenatasi nelle acque di Hong Kong nel 2014 come esempio per l'illustrazione. Questo raro ed enorme esemplare è stato scarnificato, macerato ed essiccato al sole per produrre lo scheletro per la ricerca e l'esposizione pubblica. La morfologia di ciascun osso è stata poi documentata mediante fotogrammetria. Il complesso contorno dello scheletro ha reso inadeguato il servizio fotografico automatizzato e sono stati utilizzati 3 metodi manuali su ossa di diverse dimensioni e forme. Le foto catturate sono state elaborate per generare modelli tridimensionali (3D) di 166 singole ossa. Lo scheletro è stato stampato a metà dimensione con acido polilattico per scopi di visualizzazione, che era più facile da mantenere rispetto alle ossa dei cetacei con un alto contenuto di grasso residuo. Le ossa stampate riflettevano la maggior parte delle caratteristiche anatomiche del campione, tra cui la regione rostrale incurvata e la faccetta condilare caudale che si articolava con Ce1, ma i forami sulla sutura parieto-squamosa, che sono il carattere diagnostico dei Balaenoptera omurai, e un solco dentellato sull'osso frontale all'estremità posteriore del bordo laterale non erano chiaramente presentati. È necessario eseguire servizi fotografici extra o scansioni 3D della superficie su aree con dettagli meticolosi per migliorare la precisione dei modelli. I file elettronici dello scheletro 3D sono stati pubblicati online per raggiungere un pubblico globale e facilitare la collaborazione scientifica tra i ricercatori di tutto il mondo.

Introduzione

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Gli spiaggiamenti di cetacei offrono preziose opportunità per conoscere la loro storia di vita, la salute biologica e il profilo, nonché l'effetto delle azioni antropiche sull'ecosistema. La rappresentazione e la modellazione tridimensionale (3D) consentono una rappresentazione accurata delle misurazioni morfometriche che possono essere utilizzate per calcoli biomeccanici e forniscono informazioni su vari comportamenti fisiologici1. Gli adattamenti morfologici hanno permesso a questi animali di sopravvivere nell'oceano, mentre alcune patologie osservate nei cetacei spiaggiati potrebbero rivelare la loro salute e profilo biologico, circostanze antropiche e non antropogeniche o causa di morte 2,3. La lesione ossea seguita da una collisione traumatica può rimanere non guarita poiché gli animali sono tenuti a nuotare continuamente sotto una tremenda pressione subacquea4. Nei mammiferi marini, la compressione e l'embolia gassosa non fatale possono ridurre l'afflusso di sangue alle ossa e causare barotraumi5. Il rimodellamento osseo avverso può provocare sia dolore che una diminuzione della mobilità spinale che compromette la loro sopravvivenza in caso di predazione o altre minacce. L'aumento delle segnalazioni di mortalità e morbilità nei cetacei in tutto il mondo ha anche indicato il possibile declino della salute degli oceani 6,7. Riconoscere l'importanza dell'oceano e i legami inestricabili tra la salute umana e la salute dei cetacei e dell'ecosistema ha portato al paradigma di ricerca "One Ocean-One Health"8.

Il 31 marzo 2014, una balena di Omura (Balaenoptera omurai) si è arenata vicino a Hung Shek Mun, Plover Cove Country Park, Hong Kong. Era una femmina adulta di 10,8 metri e solo poche di queste specie sono state trovate nella regione indo-pacifica da quando è stata scoperta per la prima volta nel 20039. Lo spiaggiamento di una balena di queste dimensioni non è comune a Hong Kong, quindi questo evento ha rappresentato un'opportunità per preservare lo scheletro per scopi di ricerca e didattici. L'animale spiaggiato è stato sezionato e spolpato nel sito della scoperta, con la maggior parte dei muscoli esterni e degli organi interni rimossi. L'autopsia macroscopica ha rivelato che la carcassa era in uno stato avanzato di autolisi, ma presentava molteplici lacerazioni profonde che attraversavano il corpo, la più grave delle quali centrata sulla pinna pettorale destra con una profonda lacerazione trasversale che si estendeva in tutto l'osso, dimostrando un certo grado di collegamento sicuro dell'evidenza di impigliamento con una condizione osservata di mortalità. I resti scheletrici sono stati trasportati in un luogo nell'isola di Lantau dal Dipartimento per l'Agricoltura, la Pesca e la Conservazione del Governo della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong, dove i vermi sono stati utilizzati per consumare i tessuti molli. Le ossa sono state sgrassate mediante macerazione in acqua per 2 mesi con lavaggio manuale. Nonostante l'estrazione di una quantità significativa di grasso osseo, lo scheletro, in particolare il cranio e i bordi delle costole, rimaneva di colore marrone. Il grasso residuo era difficile da rimuovere e, se non trattato, attirava i roditori, si deteriorava e rendeva l'esemplare inadatto alla presentazione. Anche in condizioni di conservazione perfette, le ossa degli animali possono comunque essere decomposte da vari microrganismi che abitano la polvere10. Si è deciso di documentare digitalmente la morfologia dello scheletro semi-sgrassato e quindi di stamparla in 3D con materiali durevoli come replica sanitaria dell'originale.

I modelli 3D dei campioni biologici possono essere generati con diversi mezzi, tra cui l'imaging medico, la scansione delle superfici e la fotogrammetria. Le modalità di imaging medico come la tomografia computerizzata (TC) e la risonanza magnetica producono immagini multiplanari che includono caratteristiche sia esterne che interne, ma mancano di colore e consistenza. La TC è stata utilizzata per documentare l'anatomia o la patologia di pinne, fanoni e cranio di varie specie, rivelando il loro adattamento unico nella locomozione, nel foraggiamento e nello sviluppo neurologico 11,12,13,14,15,16. La scansione della superficie proietta il laser o la luce della struttura sull'oggetto, dove il modello di riflessione viene convertito in dati geometrici mediante triangolazione trigonometrica per generare un modello di superficie. La fotogrammetria registra una serie di foto leggermente sovrapposte del bersaglio. La fotocamera ruota attorno all'oggetto oppure l'oggetto viene ruotato su una piattaforma girevole durante la ripresa. Il processo viene ripetuto con diverse angolazioni e altezze della telecamera prima che l'oggetto venga girato per catturare anche la parte inferiore. Le foto vengono importate in un software di modellazione, che calcola la posizione e la distanza di ogni elemento nello spazio 3D per produrre nuvole di punti. Le informazioni geometriche vengono elaborate mediante triangolazione delle nuvole di punti per generare mesh poligonali, che possono essere modificate e fabbricate. La ricostruzione 3D può riflettere misurazioni accurate delle superfici e dei volumi scansionati17.

La fotogrammetria è stata considerata un approccio adatto per la documentazione 3D dello scheletro di balena di Omura, in considerazione del basso costo dell'attrezzatura, dell'adeguata qualità di output e della flessibilità nel trattare ossa di dimensioni e forme ampiamente variabili. Ad esempio, il cranio della balena misurava 2,6 metri, il che rendeva impraticabili metodi in miniatura come la scansione laser 3D della superficie. L'attrezzatura necessaria per la fotogrammetria è facilmente accessibile: solo una fotocamera digitale con un'alta risoluzione di acquisizione (>5 megapixel) e un software di modellazione, che è molto più economico degli scanner ottici o laser per la scansione 3D delle superfici. Inoltre, la scansione 3D delle superfici richiede che lo scanner sia collegato a un computer ad alte prestazioni durante la raccolta dei dati, entrambi i quali richiedono un'alimentazione indipendente. La scansione 3D della superficie non è applicabile in assenza di una fonte di alimentazione, ad esempio nel caso di esemplari molto grandi con trasportabilità limitata, o quando la carcassa originale della balena deve essere scansionata in loco. Per la fotogrammetria sono necessari solo una fotocamera digitale, un treppiede e un apparato di supporto come un giradischi. La fotogrammetria è quindi un'opzione più economica con un'elevata portabilità per piccoli gruppi di ricerca.

I modelli digitali vengono trasformati in prodotti fisici dalla stampa 3D. Strati di acido polilattico (PLA) fuso vengono impilati e solidificati per riprodurre lo scheletro della balena. La replica realistica, stampata a metà dimensione, può essere utilizzata per l'esposizione pubblica e per scopi educativi. Per gli studenti e i profani in generale, toccare i modelli anatomici può aiutarli ad apprezzare l'animale non solo visivamente ma anche attraverso le sensazioni. Per professionisti come giovani medici e scienziati, può essere difficile comprendere strutture complicate da immagini2D 18. Tradizionalmente, i campioni biologici vengono sottoposti a plastinazione per diventare coadiuvanti educativi, ma il processo è piuttosto complicato, richiede risorse e tempo. Le carcasse possono presentare rischi biologici e da ogni esemplare viene generato un solo modello. La documentazione e la stampa 3D offrono esperienze interattive più piacevoli rispetto ai libri di testo o alle animazioni virtuali. Anche la dissezione virtuale non può offrire i benefici di una manipolazione tangibile ed è quindi impopolare tra gli studenti19. Con la tecnologia di stampa 3D, più copie di un esemplare raro possono essere replicate, tenute in mano e studiate da vicino da diverse angolazioni, senza odori indesiderati o la paura di romperle20. Il prodotto può essere personalizzato, ad esempio ridimensionato per una facile manipolazione o stampato in diversi colori per un'illustrazione estetica. I modelli 3D possono anche essere modificati digitalmente per ripristinare le parti rotte o mancanti, il che consente una maggiore versatilità. La documentazione 3D e la stampa facilitano anche la condivisione delle conoscenze tra i ricercatori. Un residuo scheletrico può essere registrato digitalmente, condiviso online e stampato su richiesta. I campioni possono essere "prototipati" e distribuiti all'estero come pacco standard invece che come campione biologico, il che richiede una quarantena speciale o una documentazione legale. I modelli elettronici 3D che comprendono le metriche chiave delle ossa di balena sono condivisi online con altri istituti per facilitare le collaborazioni scientifiche tra i ricercatori di tutto il mondo.

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Protocollo

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1. Preparazione

  1. Assemblare lo scheletro di balena semi-sgrassato.
  2. Designa un codice per ogni pezzo di osso. Il codice verrà utilizzato nel servizio fotografico, nella generazione del modello 3D e nella stampa 3D.

2. Fotogrammetria

  1. Impostazioni della fotocamera e del treppiede
    1. Utilizzare un obiettivo standard con lunghezza focale di 24-70 mm, diametro di 77-82 mm e numero f di 2,8 L. Evitare obiettivi grandangolari. Utilizzare un treppiede compatibile con altezza regolabile di 40-150 cm.
    2. Impostare l'otturatore da 1/25 a 1/30, a seconda delle condizioni di illuminazione.
    3. Impostare l'apertura da f11 a f13. Assicurati che lo sfondo sia catturato in modo chiaro.
    4. Imposta ISO su auto. Assicurarsi che il valore non superi 1600.
    5. Posizionare il treppiede a circa 20-40 cm di distanza dal campione.
    6. Per l'elevazione orizzontale, regolare l'altezza del treppiede in modo che la fotocamera sia orizzontale rispetto al campione (Figura 1).
    7. Per un'elevazione superiore, regolare l'altezza del treppiede in modo che la fotocamera si inclini di 45° sopra il campione.
    8. Per un'elevazione inferiore, regolare l'altezza del treppiede in modo che la fotocamera si inclini di 45° sotto il campione.
  2. Sparare alle vertebre
    1. Prepara un tavolo trasparente nella stanza A. La parte dorsale dell'osso verrà scansionata qui.
    2. Posiziona l'osso sul piano del tavolo. Utilizzare una luce anulare per le ossa con olio residuo e che appaiono più scure. Opzionale: posizionare un foglio di alluminio sotto per una migliore riflessione della luce.
    3. Posiziona 2-3 pennarelli a distanze note come riferimento in scala.
    4. Impostare il treppiede sull'elevazione orizzontale (passaggio 2.1.6).
    5. Scatta una foto, quindi sposta la fotocamera di 15-20° in modo circolare attorno al campione. Ripetere fino al completamento di una rotazione di 360°.
    6. Impostare il treppiede su un'altitudine superiore (passaggio 2.1.7). Ripeti il servizio fotografico (passaggio 2.2.5).
    7. Prepara un piano del tavolo trasparente nella stanza B. La parte ventrale dell'osso verrà scansionata qui.
    8. Posiziona l'osso a testa in giù sul piano del tavolo. Ripeti il servizio fotografico (passaggi da 2.2.4 a 2.2.6).
      NOTA: Le stanze A e B non dovrebbero avere oggetti comuni ad eccezione del campione. Lo sfondo deve rimanere invariato per evitare confusione durante la post-elaborazione. È necessario mantenere una lunghezza focale fissa e una distanza dall'oggetto durante il servizio fotografico. Per il calcolo della scala, è necessario catturare almeno 2 schede di marcatura in una singola foto. Devono essere scattate almeno 5 foto con pennarelli per ogni esemplare. Per gli esemplari con caratteristiche uniche (ad es. foramina) è necessario scattare 2-3 foto ravvicinate extra. Tutti questi si applicano anche ai passaggi 2.3 e 2.4.
  3. Sparare alle ossa di grandi dimensioni (cranio, mandibole, costole, scapole, ecc.)
    1. Prepara dei supporti trasparenti (mensole o scatole) e metti l'osso sui supporti.
    2. Impostare il treppiede sull'elevazione orizzontale (passaggio 2.1.6).
    3. Scatta una foto, quindi sposta la fotocamera di 15-20° in modo circolare attorno al campione. Ripetere fino al completamento di una rotazione di 360°.
    4. Impostare il treppiede su un'altitudine superiore (passaggio 2.1.7). Ripeti il servizio fotografico (passaggio 2.3.3).
    5. Impostare il treppiede su un'altitudine inferiore (passaggio 2.1.8). Ripeti il servizio fotografico (passaggio 2.3.3).
  4. Sparare alle piccole ossa (falangi, chevron, ecc.)
    1. Preparare un giradischi coperto da un foglio di alluminio, sopra di esso posizionare un cubo di schiuma con alcuni stuzzicadenti rivolti verso l'alto come supporto per il campione.
    2. Metti l'osso sopra gli stuzzicadenti in modo che la sua parte ventrale sia visibile da sotto.
    3. Impostare il treppiede sull'elevazione orizzontale (passaggio 2.1.6).
    4. Scatta una foto, quindi ruota il giradischi di 15-20°. Ripetere fino al completamento di una rotazione di 360°.
    5. Impostare il treppiede su un'altitudine superiore (passaggio 2.1.7). Ripeti il servizio fotografico (passaggio 2.4.4).
    6. Impostare il treppiede su un'altitudine inferiore (passaggio 2.1.8). Ripeti il servizio fotografico (passaggio 2.4.4).

3. Elaborazione dei dati mediante software di modellazione (vedi Tabella dei Materiali)

  1. Creazione di una nuvola di punti sparsa
    1. Vai al menu Flusso di lavoro , seleziona Aggiungi blocco e Aggiungi foto. Seleziona tutte le foto di un singolo esemplare e fai clic su Apri.
    2. Vai al menu Flusso di lavoro , seleziona Allinea foto e fai clic su OK. Questo passaggio richiederà del tempo.
    3. Vai al menu Modello e seleziona Selezione graduale.
    4. Selezionare Incertezza di ricostruzione, impostare il valore su 10 e fare clic su OK. Premere [DEL] per rimuovere i punti selezionati.
    5. Vai al menu Strumenti, seleziona Ottimizza telecamere. Selezionate Adattamento modello telecamera adattiva (Adaptive camera model setting) e fate clic su OK.
    6. Ripetere il passaggio 3.1.3, selezionare Errore di riproiezione, impostare un valore inferiore a 0,5 e fare clic su OK. Premere [DEL] per rimuovere i punti selezionati.
    7. Ripetere il passaggio 3.1.3, selezionare Precisione proiezione, impostare un valore inferiore a 10 e fare clic su OK. Premere [DEL] per rimuovere i punti selezionati.
    8. Ruota la nuvola di punti ed elimina i punti indesiderati con lo strumento di selezione a forma libera e [CANC].
  2. Pulizia della nuvola sparsa
    1. Vai al menu Flusso di lavoro , seleziona Crea mesh.
    2. Seleziona Nuvola sparsa come origine, deseleziona Calcola colori vertice e fai clic su OK.
    3. Vai al menu File , seleziona Importa – Importa maschere.
    4. Selezionare Dal modello come metodo (From Model as Method), Sostituzione come operazione (Replacement as Operation), applica a Tutte le telecamere (Restrict to All Cameras) e fate clic su OK.
  3. Costruire una nuvola di punti densa
    1. Vai al menu Flusso di lavoro , seleziona Crea cloud denso.
    2. Selezionare la qualità (Media o Alta), deselezionare Calcola colori punti e fare clic su OK. Questo passaggio richiederà del tempo.
    3. Se necessario, ruotare la nuvola di punti ed eliminare i punti indesiderati con lo strumento di selezione a forma libera .
  4. Pulizia della nuvola densa
    1. Vai al menu Flusso di lavoro , seleziona Crea mesh.
    2. Selezionare Nuvola densa come origine e fare clic su OK. Attendi che venga caricato e salva il progetto.
  5. Ridimensionamento del modello
    1. Nel pannello Foto , fate doppio clic su una foto con schede marcatore. Ingrandisci e fai clic con il pulsante destro del mouse al centro di un marcatore e seleziona Aggiungi marcatore. Ripeti per altri marcatori sulla foto.
    2. Ripeti per tutte le foto con pennarelli. Per i marcatori aggiunti in precedenza, fare clic con il pulsante destro del mouse, selezionare Posiziona marcatore e scegliere dall'elenco
    3. Regola la posizione dei marcatori tenendo premuto il tasto sinistro del mouse.
    4. Nel pannello Area di lavoro , in Blocco - Indicatore, selezionare una coppia di indicatori con distanza nota tenendo premuto [CTRL]. Fare clic con il pulsante destro del mouse e selezionare Crea barra di scala. Ripetere per tutte le coppie.
    5. Nel pannello Area di lavoro , in Blocco - Barre di scala, selezionare la coppia di marcatori.
    6. Nel pannello Riferimento, inserisci la Distanza in metri. Ripetere per tutte le coppie.
    7. Salvare il progetto.

4. 3D stampa dello scheletro

  1. Stampa del modello
    1. Esportazione. STL su un software di stampa 3D (vedi Tabella dei materiali).
    2. Spostare e ruotare l'oggetto sulla piattaforma, se necessario. Assicurarsi che l'oggetto sia posizionato con un'ampia superficie piana che tocchi la base. Se necessario, aumentare o ridurre le prestazioni.
      NOTA: La stampa 3D è una procedura che richiede molto tempo e la forma irregolare delle ossa può complicare il processo. La superficie più piatta deve essere designata come parte inferiore del modello in modo che la stampa rimanga stabile per tutta la stampa.
    3. Per le parti troppo grandi per essere stampate (ad es. le mandibole), utilizzare la funzione Taglio libero per dividere l'oggetto in parti e incollare insieme le stampe.
    4. Stampa il modello con filamento PLA. Utilizzare una distanza di passata di 0,03 mm.
      NOTA: Si consiglia di stampare a una distanza di passaggio inferiore per i modelli con funzioni in scala fine, che richiedono un tempo di stampa più lungo.
  2. Visualizzazione dell'ossatura
    1. Abbina i prodotti stampati in 3D con gli originali tramite il codice designato. Verificare la presenza di eventuali errori di stampa. Ristampare se necessario. Assemblate lo scheletro per la visualizzazione.

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Risultati

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In questo studio, 166 pezzi di osso sono stati scansionati individualmente e i modelli 3D con risoluzione di 1 mm sono stati salvati in formato . Formato STL. Il formato stereolitografico registra la geometria della superficie degli oggetti 3D senza colore o texture, che è comune per la stampa 3D. Il modello 3D completo dello scheletro della balena di Omura è stato caricato online per l'accesso pubblico (https://www.cityu.edu.hk/cvmls/omura). Il teschio è stato stampato con una stampante 3D professionale a causa d...

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Discussione

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Gli scheletri per l'esposizione devono essere privi di olio e inodori. Le ossa di balena sono notoriamente oleose, il che rende la loro preparazione eccezionalmente impegnativa. Un giovane balenottera azzurra spiaggiato nel 1998 ha esposto i suoi resti scheletrici nel New Bedford Whaling Museum, nel Massachusetts. Nonostante l'enorme trattamento da parte di professionisti, le ossa sono rimaste giallastre con un odore sgradevole e trasudano olio continuamente da oltre 20 anni

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Gli autori desiderano ringraziare il Dipartimento per l'Agricoltura, la Pesca e la Conservazione e la Regione Marina delle Forze di Polizia di Hong Kong del Governo della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong per il loro sostegno in questo progetto. Un sincero apprezzamento è esteso anche al personale e agli studenti della City University di Hong Kong per il grande sforzo profuso nella scarnitura e nel trattamento dello scheletro di balena di Omura. Gli autori ringraziano il Dipartimento di Malattie Infettive e Salute Pubblica della City University di Hong Kong per il sostegno finanziario al costo di questa pubblicazione. Un ringraziamento speciale alla Dott.ssa Maria José Robles Malagamba per l'editing in inglese di questo manoscritto.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
EF 24-70mm 1:2.8 L II USMCanonNAObiettivo della fotocamera
EOS 5DSRCanonNAFotocamera
ideaMaker 3.6.1Raise3D NASoftware di stampa 3D
MMKBFRL-LIVEUSManfrottoNATreppiede per fotocamera
N2 PlusRaise 3DNAStampante 3D
Agisoft Metashape 1.6.4 (Professional Edition)AgisoftNASoftware di modellazione 3D
Acido polilatticoRaise 3DNAMateriale per la stampa 3D
Precision 9010 CPU: 2 x Xeon E5-2620 v3DellNAComputer

Riferimenti

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