3D解剖可视化:扫描骨骼复原人类与动物原貌

邓迪大学刑事复原工具箱新增工具,Artec Eva 3D扫描仪助科学家推进研究。

我们的人类祖先和古代人类与我们有多相像?这是艺术家和科学家一直以来探寻的一大问题,其中就包括来自苏格兰邓迪大学的Caroline Erolin和Christopher Rynn博士。Caroline和Christopher擅长3D解剖可视化技术,可根据人骨复原已故人类的样貌。

考古颅面复原一直是博物馆和纪录片制作人的极大需求之一。最近,苏格兰Biggar & Upper Clydesdale博物馆获得了“Thankerton人类”的颅面复原头像。这一放射性碳头骨在1970年苏格兰村庄Thankerton中的石柜中被发现,可追溯至公元前2460至2140年,且被认为是18-25岁的男性头骨。

邓迪大学复原的“Thankerton人类”。图片来自BBC。

Caroline和Christopher的工作不仅仅局限于考古颅面复原。他们还在大学解剖和人脸识别中心(CAHID)开设《医学艺术》和《法医艺术和人脸识别》的理科硕士课程。他们还与政策制定者密切合作,积极参与医学和法医案件及人脸识别技术事宜,为英国刑事司法体系提供不少证据。

中心近日找到Artec的英国黄金合作伙伴Patrick Thorn & Co.同时添置了Artec Eva 3D扫描仪和教育套餐,升级中心现有的成像技术。

Patrick已安装了Artec系统,并针对这一系统和Artec Studio 3D扫描和后期处理软件的功能进行了为期一天的综合培训。Patrick拜访CAHID时,恰好遇到了BBC纪录片团队中的一员,正和Christopher一起为《Inside Out》节目录制一集有关颅面复原的节目,其中涉及了一些当地报道和全英范围内的调查。

Christopher Rynn博士剧照,正在BBC《Inside Out》节目中为观众讲解颅面复原过程。图片来自BBC

“目前,扫描仪深受学生喜爱,他们正在学习法医颅面复原技术来帮助识别身份不明的人类遗骸,”Caroline Erolin说道。“学生在头骨模具上练习,这些模型取自生命个体的CT(计算机断层扫描)数据,而非真正的头骨。但是现在,我们可以直接扫描这些头骨了。”

复原过程包括在头骨上重构面部解剖。既可通过在模具外添加泥土,也可使用电脑为扫描文件进行数字建模的方式来完成。Caroline表示数码方式有诸多好处:这种方法不会破坏真正的头骨,并且一旦完成数字化过程,复原的各层都可以独立查看和建模。完成以后,最终的颅面复原成品还可以和活生生的个体面部进行对比。

其中一项课程作业要求学生复原蜡质面部肌肉,完成一个细节丰富、生动形象的解剖模型。这一作业可帮助学生在完成上述复原过程前,先学会面部解剖和雕刻技术。几位学生都使用了Artec Eva扫描自己的模型,并创建了数字文件,可在Artec的Viewshape网站和其他3D模型展馆与他人分享互动。

Artec Studio中理科硕士法医艺术课程学生作业(描绘打哈欠状态)扫描文件。

CAHID人员参与的另一个项目需要为达西·汤普森动物学藏品进行数字化操作。大学的动物学博物馆收藏了众多来自世界各地的奇妙标本。这些藏品都可在线浏览。大多数标本由知名的达西·温特沃斯·汤普森爵士收集,他是邓迪大学的首位生物学教授,也是具有广泛影响力的1917年首版《生长和形态》一书的作者。

项目希望可以让更多人接触到这些藏品,包括普通大众、当地居民和教师学生。扫描完成后,即可建立一座在线博物馆,在这里,您可查看标本3D模型并与其互动。还有部分可进行3D打印,因此可在公开日供人们触摸或送往学校。

Caroline在达西·汤普森动物学博物馆扫描大猩猩骨架。

“许多标本都非常复杂,并且需要从不同角度进行多次扫描,”Caroline说道。例如,一个头骨至少需要扫描两次,一次从‘顶部’扫描,另一次从‘底部’扫描。如果下颌骨需单独扫描,那么次数就会更多。”

达西·汤普森动物学博物馆中的海象头骨扫描,使用Artec Eva完成。

“头骨扫描非常麻烦,因为它们包含许多精密的细节和凹面,”Caroline补充道。“但是Eva几乎可以完美捕捉到大部分的细节。扫描仪的便携性也帮了大忙,我们可以把它带去博物馆,配套Artec电池组和笔记本电脑,进行现场扫描。Eva的纹理捕获效果也非常棒,还可以导出至其他3D软件,比如ZBrush。”

向学生们展示Artec解决方案的简易操作。

Artec Eva带来的成功体验以及与Patrick Thorn的合作,促使CAHID购置了一台Artec Space Spider来扫描细节更丰富的小型标本。Eva的大型物体扫描加上Space Spider的细节处理能力,给中心的专家带来了完美解决方案。

“添置以后我们可以教授学生更多的3D扫描技术,从大型大象头骨到动物幼体小型骨骼样本,”Caroline说道。“之前我们使用的是更为基础激光扫描仪,无法捕获到相同水平的细节内容或色彩纹理,这一直以来都是限制我们的一大因素。而现在,3D扫描技术变得不再价格高昂、操作繁琐。”

Artec Eva完成的扫描,CAHID骨骼藏品中完成头颅粘合的成人头骨。

CAHID计划还包括系列骨骼藏品数字化,其中包含青年骨骼朔伊尔藏品(Scheuer Collection)。朔伊尔藏品被认为是世界唯一的青年骨骼遗骸活跃收藏地。这套藏品中有100多位未成年个体的骨骼遗骸,收集自许多不同的考古和历史解剖来源。许多标本由于脆弱,因此禁止触摸。但通过标本数字化,我们就可以向学生提供网络视觉接触渠道,并在课堂提供3D打印的标本。

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