香港海域に座礁した大村クジラを例にした鯨類骨格の写真測量3次元モデリングとプリント

サマリー

半脱脂されたヒゲクジラの骨の形態は、デジタル一眼レフカメラを使用した写真測量によって記録され、コンピューターで3次元(3D)モデルが生成され、展示および教育目的でオリジナルの半分のサイズのレプリカとして3D印刷されました。

要約

鯨類、特にヒゲクジラの骨格の調製は、その高い脂質含有量と珍しいサイズのために大きな課題を提示します。骨格形態の文書化は、研究目的と教育目的の両方で正確で信頼性の高いモデルを作成するために重要です。本稿では、2014年に香港海域で座礁した全長10.8mの大村クジラを例に挙げて説明します。この希少で巨大な標本は、肉を剥がし、浸軟し、天日干しして、研究と一般公開のための骨格を生み出しました。その後、各骨の形態を写真測量法で記録しました。骨格の複雑な輪郭は、自動写真撮影を不適切にし、異なるサイズと形状の骨に3つの手動の方法が使用されました。撮影した写真を加工して、166個の骨の3次元(3D)モデルを作成しました。骨格はディスプレイ用にポリ乳酸でハーフサイズにプリントされており、残留脂肪分の多い実際の鯨類の骨よりもメンテナンスが容易でした。印刷された骨は、吻側領域が曲がっていることや、Ce1と連結する尾側顆面など、標本のほとんどの解剖学的特徴を反映していたが、 Balaenoptera omuraiの診断的特徴である頭頂扁平上皮縫合糸の孔や、側縁の後端の前頭骨のへこんだ溝は明確には示されていなかった。モデルの精度を向上させるために、細部までこだわった領域で追加の写真撮影または3D表面スキャンを実行する必要があります。3Dスケルトンの電子ファイルは、世界中の人々に届き、世界中の研究者間の科学的な協力を促進するためにオンラインで公開されました。

概要

鯨類の座礁は、その生活史、生物学的な健康状態とプロファイル、および人為的行動が生態系に及ぼす影響について学ぶ貴重な機会を提供します。3次元(3D)表現とモデリングにより、生体力学的計算に使用できる形態測定を正確に表現でき、さまざまな生理学的行動に関する洞察を得ることができます¹。形態学的適応により、これらの動物は海で生き残ることができましたが、座礁したクジラ類で観察されたいくつかの病状は、彼らの生物学的健康とプロファイル、人為的および非人為的な状況または死因を明らかにする可能性があります^2,3。骨の損傷とそれに続く外傷性衝突は、動物が途方もない水中圧力の下で絶えず泳ぐ必要があるため、治癒しないままになる可能性があります⁴。海洋哺乳類では、圧迫および非致死的なガス塞栓症により、骨への血液供給が減少し、圧外傷を引き起こす可能性があります⁵。骨のリモデリングに悪影響を及ぼすと、痛みや脊椎の可動性の低下が生じ、捕食やその他の脅威による生存が損なわれる可能性があります。世界中の鯨類の死亡率と罹患率の報告の増加は、海洋の健康が減少する可能性も示しています^6,7<....

プロトコル

1. 事前準備

1. 半脱脂したクジラの骨格を組み立てます。
2. 骨の各部分にコードを指定します。コードは、写真撮影、3Dモデル生成、および3D印刷で使用されます。

2. フォトグラメトリ

1. カメラと三脚の設定
   1. 焦点距離24-70 mm、直径77-82 mm、f値2.8 Lの標準レンズを使用し、広角レンズは避けてください。高さが40〜150cmの互換性のある三脚を使用してください。
   2. シャッターは照明条件に応じて1/25〜1/30に設定します。
   3. 絞りをf11からf13に設定します。背景がはっきりとキャプチャされていることを確認します。
   4. ISOを自動に設定します。値が 1600 を超えないようにしてください。
   5. 三脚を標本から約20〜40cm離してセットします。
   6. 水平方向の仰角の場合は、カメラが試験片に対して水平になるように三脚の高さを調整します(図1)。
   7. 優れた仰角を得るには、カメラが試験片から45°下に傾くように三脚の高さを調整します。
   8. 下仰角の....

結果

この研究では、166個の骨を個別にスキャンし、1mm解像度の3Dモデルを.STL 形式。光造形は、3D印刷で一般的な色やテクスチャなしで3Dオブジェクトの表面形状を記録します。大村のクジラの骨格の完全な3Dモデルは、一般公開のためにオンラインでアップロードされました（https://www.cityu.edu.hk/cvmls/omura。頭蓋骨はサイズが大きいため、プロの3Dプリンターで印刷されました。スケルトンの残りの部分は、社内の3Dプリンターでプリントしました(図2、 材料表を参照)。下顎骨はセクションに分けて印刷されました。すべてのクジラの骨を照合し、3Dプリント製品と比較しました(図3)。最終製品は、クジラの標本とほぼ類似しており、一般的な研究、展示、教育目的に適していました(図4)。しかし、2つの診断的特徴(すなわち、頭頂扁平上皮縫合糸の孔と側縁の後端の前部のくぼんだ溝)は十分に再現されておらず、詳.......

ディスカッション

展示用のスケルトンは、オイルフリーで無臭である必要があります。クジラの骨は油っぽいことで有名で、その準備は非常に困難です。1998年に座礁したシロナガスクジラの幼体は、マサチューセッツ州のニューベッドフォード捕鯨博物館に骨格の遺体が展示されていました。専門家による多大な治療にもかかわらず、骨は黄色がかったままで不快な臭いがし、20年以上にわたって継続的に油がにじみ出ています²¹。香港でのクジラの取り扱い経験がほとんどなかったため、大村のクジラの標本の脱脂に多大な努力が払われましたが、満足のいく結果には至りませんでした。油をさらに取り除くために、馬や象の糞尿で長期間堆肥化することが提案されましたが、慎重な温度制御をしないと骨が簡単に台無しになる可能性があります。脱脂後でも、骨のミネラル組成は、さまざまな空気中の細菌や真菌¹⁰によって生物劣化しやすい。したがって、骨の形態を表面文書化方法によってデジタル文書化し、耐久性のある材料で骨格を再現することが決定されました。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
EF 24-70mm 1:2.8 L II USM	キヤノン	NA	カメラレンズ
EOS 5DSR	キヤノン	NA	カメラ
ideaMaker 3.6.1	Raise 3D	NA	3Dプリントソフト
MVKBFRL-LIVEUS	マンフロット	NA	カメラ三脚
N2 Plus	Raise 3D	NA	3Dプリンター
Agisoft Metashape 1.6.4 (Professional Edition)	Agisoft	NA	3Dモデリングソフトウェア
ポリ乳酸	レイズ 3D	NA	3Dプリント材料
Precision 9010 CPU:2 x Xeon E5-2620 v3	Dell	NA	コンピュータ