Artec Micro und Space Spider helfen bei der Entwicklung des weltweit ersten Virtual-Reality-Kurses über menschliche Osteologie

Herausforderung: Ein renommierter forensischer Anthropologe nutzte 3D-Scanner, um Hunderte von Knochen zu erfassen und in anatomisch präzise 3D-Modelle für einen bahnbrechenden VR-Kurs umzuwandeln.

Lösung: Artec Micro, Artec Space Spider, Artec Studio

Ergebnisse: Im Laufe mehrerer Wochen wurden mit dem stationären Artec Micro und dem tragbaren Artec Space Spider alle Oberflächen jedes Knochens in wenigen Minuten gescannt. Die Scans wurden dann in Artec Studio verarbeitet und als hochauflösende 3D-Modelle, die für den VR-Einsatz geeignet waren, exportiert.

Die Studentin Kaitlyn Schoonover scannt mit Artec Space Spider den Oberschenkelknochen eines Schwarzbären (Ursus americanus)

Als ein halb verwestes Bein aus einem Fluss in Nordkalifornien aufgetaucht war, handelte die Polizei schnell: Sie brachten die Überreste umgehend zu drei Spezialisten – einem medizinischen Pathologen, einem Archäologen und einem Tierarzt. Die ersten beiden hielten das Bein für menschlich, während der Tierarzt anderer Meinung war.

Schnittspuren an den Knochen deuteten darauf hin, dass das Bein gewaltsam abgesägt worden war. Daher wurde entschieden, dass es sich um menschliche Überreste handeln musste. Schnell wurde ein umfangreiches Such- und Rettungsteam zusammengestellt, das drei Tage lang methodisch die umliegenden Flussufer und Landschaften durchkämmte, allerdings ohne Erfolg. Daraufhin wurde ein forensischer Anthropologe hinzugezogen, um eine vierte Meinung einzuholen. Schnell wurde das Bein dann identifiziert als das eines Schwarzbären, das höchstwahrscheinlich von einem Jäger flussaufwärts abgelegt worden war.

Dieser Fall unterstreicht die entscheidende Bedeutung realen Wissens über das menschliche Skelett für juristische Gerechtigkeit. Wäre ein forensischer Anthropologe oder jemand mit ähnlichem Fachwissen von Anfang an hinzugezogen worden, hätten unzählige Arbeitsstunden sowie Geld eingespart werden können. Diese Art von Fehlidentifikationen kommen jedes Jahr sowohl national als auch weltweit unzählige Male vor.

Vergleichende 3D-Scans eines Schwarzbären-Oberschenkelknochens (oben) und eines menschlichen Oberschenkelknochens, erstellt mit Artec Space Spider

Für ein derartig tiefgehendes Verständnis des menschlichen Skeletts musste man früher einen Osteologiekurs an einer Universität belegen und im Zuge dessen ein ganzes Semester die Vorlesungen besuchen. Dies ist allerdings nicht immer praktikabel. Und selbst heute verfügen nur noch wenige Universitäten über eine, für Ausbildungszwecke genutzte, Sammlung menschlicher Knochen. Stattdessen verlässt man sich eher auf Kunststoffmodelle.

Einer der weltweit führenden forensischen Anthropologen hat diesen weit verbreiteten Bedarf früh erkannt und nutzt modernste 3D-Scantechnologie sowie Virtual Reality (VR), um althergebrachte Praktiken zu revolutionieren. Dennis C. Dirkmaat, Ph.D. ist ein zertifizierter forensischer Anthropologe, der seit 1991 ein international renommiertes Programm für forensische Anthropologie an der Mercyhurst University in Pennsylvania, USA leitet.

Dirkmaat hat selbst fast 1.000 forensische anthropologische Studien für hunderte Gerichtsmediziner, medizinische Prüfer und Strafverfolgungsbehörden im ganzen Land durchgeführt. Kürzlich wurde er mit zwei wichtigen Auszeichnungen in seiner Disziplin geehrt, darunter der erstmals vergebene Outstanding Mentor sowie der T. Dale Stewart Award für das Lebenswerk in der forensischen Anthropologie.

Dr. Dennis Dirkmaat beim Scannen eines Zahnmodells mit Artec Micro

Die forensischen anthropologischen Fälle, an denen Dr. Dirkmaat beteiligt war, umfassen mitunter die Bergung von verstreuten, menschlichen Überresten, vergrabenen Körpermerkmalen und sogar Bergungsarbeiten nach Katastrophen wie dem Absturz des United-Fluges 93 in Somerset, PA im September 2001, und des Colgan-Air-Absturzes in Buffalo 2009.

Außerdem führt Dirkmaat groß angelegte forensische Tatortuntersuchungen und Skelett-Trauma-Analysen durch, identifiziert Opfer und ist unter anderem als Sachverständiger vor Gericht tätig. Viele seiner ehemaligen Studenten sind inzwischen als Gerichtsmediziner und professionelle forensische Anthropologen tätig und betreiben ihre eigenen Programme im In-und Ausland.

Bestandteile des Kurses HD Forensics VR Human Osteology

In Dirkmaats VR-Kurs für menschliche Osteologie kann sich jeder Mensch weltweit umfassendes Wissen über das menschliche Skelett aneignen, und das in individuellem Tempo und in seiner individuellen Umgebung.

Nach zwei Jahren Entwicklungszeit ist der Kurs äquivalent zu Dirkmaats 15-wöchiger persönlicher Präsenzausbildung für zukünftige Anthropologen. Sorgfältig aufeinander aufbauende Tests während und nach jeder Lektion stellen sicher, dass der Stoff fest im Langzeitgedächtnis verankert ist.

Ein Student besucht den Kurs „VR Human Osteology“ im Freien

Mit einem VR-Headset Oculus Go oder einem Oculus Quest II können Sie mit jedem einzelnen der 206 Knochen des Körpers in hochauflösendem Farb-3D interagieren. Lektion für Lektion erweitert sich Ihr osteologisches Verständnis in einer optimalen Reihenfolge: Zuerst lernen Sie die Namen der Knochen, wie man sie buchstabiert und ausspricht, verstehen ihre Lage im Körper und lernen dann die anatomischen Richtungsbegriffe.

Im weiteren Verlauf des Kurses können Sie jeden Knochen virtuell in die Hand nehmen, hinein- und herauszoomen, ihn aus jedem möglichen Winkel untersuchen und in Ihrem eigenen Tempo die einzigartigen Merkmale jedes einzelnen Knochens kennenlernen.

Die Lektion „Bone Names“ aus dem Kurs „VR Human Osteology“

Dirkmaat: „Dieser Kurs ist nicht nur für Personen, die in der Rechtsmedizin arbeiten, von großem Nutzen, sondern auch für alle, die eine Karriere in der Medizin oder dem Gesundheitswesen anstreben. Ein solides Fachwissen über die menschliche Osteologie ist auch für viele andere Disziplinen von entscheidender Bedeutung.“

Alle lebensechten 3D-Modelle, die im VR-Kurs "Menschliche Osteologie" gezeigt werden, wurden aus submillimetergenauen Scans echter menschlicher Knochen erstellt. Die beiden metrologischen professionellen 3D-Scanner, die für die Erfassung der Knochen verwendet wurden, sind der handgeführte Artec Space Spider und der Desktop-gestützte Artec Micro.

Artec Micro-Scan eines erwachsenen Mahlzahns

Artec Space Spider benötigt nur wenige Minuten für die Erfassung jedes einzelnen Knochens. Dieser Scanner wurde für die Erstellung von 3D-Modellen der größeren Knochen des Körpers verwendet, wie etwa des Schädels und der Arm- und Beinknochen. Artec Micro wiederum, der kleine Objekte mit einer Genauigkeit von bis zu 10 Mikrometern scannt, erfasste die kleineren Knochen, einschließlich jener an Händen und Füßen sowie die Wirbel, Zähne und viele andere.

Der Student Anthony Lanfranchi beim Scannen eines menschlichen Brustbeins mit Artec Space Spider

Einer der Autoren des Kurses, der Masterstudent für forensische Anthropologie an der Mercyhurst University, Anthony Lanfranchi, sagt: „Als ich vor ein paar Jahren unseren Space Spider zum ersten Mal in die Hand nahm, hatte ich vorher noch nie zuvor einen 3D-Scanner benutzt. Aber das war sehr einfach zu lernen. Früher dokumentierten wir Knochen durch Fotografie, indem wir Fotos von den Knochen und Merkmalen aus verschiedenen Blickwinkeln machten und sogar Zahnsteinabdrücke von den wichtigsten Merkmalen anfertigten. Um die Knochen zu vermessen, wurden Messschieber und Maßband verwendet.“

„Aber Fotos geben den Knochen nicht immer gut wider, und bestimmte Eigenschaften, Verfärbungen oder wichtige Merkmale können dabei leicht verloren gehen. Bei der manuellen Vermessung von Knochen müssen Sie mehrere, zeitaufwändige Messungen durchführen, wenn Sie akzeptable Ergebnisse erzielen wollen. Aber optimale Ergebnisse? Wenn man die gekrümmten, organischen Strukturen und Oberflächen von Knochen betrachtet, ist es nahezu unmöglich, diese mit diesen alten Technologien präzise zu messen.“

Eine Studentin des VR-Kurses in Osteologie an ihrem Schreibtisch

Artec 3D-Scanner erfassen alles perfekt, egal ob es sich um die langen, geschwungenen Oberflächen des Oberschenkels, die vielen fadenförmigen Nahtstellen und Vertiefungen des Schädels oder die wirklich winzigen Knochen der Hände und Füße handelt. In wenigen Minuten kann ich einem Studenten, der noch nie zuvor mit dieser Technologie in Berührung gekommen war, beibringen, wie man jeden Knochen oder anatomische Struktur scannt und präzise Messungen mit einer Genauigkeit von unter einem Millimeter vornimmt. Das gilt selbst dann, wenn man über mehrere gekrümmte Flächen misst. Manuelle Messungen kommen nicht einmal annähernd an das heran, was Artec 3D-Scans liefern können”, betont Lanfranchi.

Die Lektion „Feature Identification“ des VR-Kurses „Human Osteology” mit Hervorhebung des interossären Kammes des linken Radius

Nachdem er eine Reihe von Knochen mit der höchstmöglichen Auflösung gescannt hat, bearbeitet Lanfranchi die Scans in der Software Artec Studio. Sein Arbeitsablauf ist einfach: Zuerst klickt er auf das Lasso-Werkzeug, um eventuell vorhandenes Rauschen zu entfernen, dann verwendet er das Programm Scharfe Fusionierung und fügt die Textur hinzu. Anschließend sind die Scans bereit für den Export in eine Vielzahl von Formaten. In der Vergangenheit hätte das alles viel länger gedauert.

In Lanfranchis Worten: „Das Hinzufügen von Texturen zu einem unserer großen Scans war normalerweise sehr aufwendig. Jetzt, mit Artec Studio 15, brauche ich nur noch etwa 30 Minuten, um alles zu erledigen – den gesamten Scan und die vollständige Bearbeitung dessen. Das ist wirklich phänomenal.“

Lanfranchi begann Anfang 2020 mit der Verwendung von Artec Micro. Den automatisierten Desktop-Scanner fand er sowohl intuitiv als auch einfach zu bedienen. „Nach nur wenigen Stunden hatte ich die besten Einstellungen für die Erfassung der kleinen Knochen und Zähne, die wir in unserer Sammlung haben. In den folgenden Wochen haben wir problemlos über 400 Elemente gescannt, darunter kleinere menschliche Knochen, Tierknochen und eine Sammlung menschlicher Zähne.“

Die Lektion „Bone Identification” des VR-Kurses „Human Osteology“; Darstellung des linken Os Coxa

Neben der Verwendung im VR-Kurs „Human Osteology“ werden die mit Artec Micro oder Space Spider erstellten Scans dazu verwendet, um virtuelle Kurse zur Ausbildung von Medizin- und Zahnmedizinstudenten oder von forensischen und biologischen Anthropologen zu erstellen.

Das Timing könnte dabei nicht besser sein. In Lanfranchis Worten: „Das ist in diesem Jahr extrem vorteilhaft, nicht zuletzt wegen Covid-19 und den Einschränkungen beim Zugriff auf menschliche Knochensammlungen. Ohne die Scan-Fähigkeiten von Artec Micro und Space Spider und die schnelle Verarbeitung in Artec Studio 15 könnten wir unsere umfangreichen Knochensammlungen nicht so schnell in VR-fähige 3D-Modelle verwandeln.“

Screenshot eines mit Artec Micro gescannten Oberschenkelknochens eines Waschbären (Procyon lotor)

Dirkmaat und sein Team arbeiten an einer Reihe von Apps, in denen mit Space Spider und Micro erstellte 3D-Modelle genutzt werden. Teil davon ist eine spezielle App für Strafverfolgungsbeamte, die ihnen dabei helfen soll, Verwechslungen zwischen menschlichen und nicht-menschlichen Überresten vorzubeugen. Die App wird lebensechte 3D-Modelle menschlicher Knochen enthalten, die mit maßstabsgetreuen 3D-Modellen nicht-menschlicher Überreste verglichen werden können, etwa von Rehen, Bären, Waschbären, Kühen oder Schweinen.

Screenshot aus Artec Studio 15 von einem Astragalus (Knöchelknochen) eines jungen Schwarzbären, gescannt mit Artec Micro

Lanfranchi: „Jeden Tag kontaktiert die Polizei im ganzen Land forensische Anthropologen und fragt sie, ob die gefundenen Knochen menschlicher Natur sind oder nicht. Normalerweise ist dies nicht der Fall und zeitgleich wird eine Einschätzung gegeben, von welchem Tier der Knochen am wahrscheinlichsten stammt. Sobald die Beamten im Besitz dieser App sind, können sie schnell selbst feststellen, ob der Knochen menschlich ist oder nicht.“

Da die Universität Anfang des Jahres auf Fernunterricht umstellte, mussten Lanfranchi und seine Kommilitonen ihren Kurs über menschliche Osteologie virtuell absolvieren. Das bedeutete, dass die Studenten für den Laborteil des Kurses lediglich Fotos von Knochen zur Verfügung hatten, die sie betrachten und studieren konnten. „Das war für uns alle extrem schwierig, und für einige war das, was sie gelernt hatten, praktisch nicht auf die echten Knochen übertragbar, als wir schließlich wieder mit den Sammlungen im Labor arbeiteten.“

Ein menschlicher Schädel, gescannt mit Artec Space Spider, bearbeitet in Artec Studio

Lanfranchi unterstreicht die Bedeutung des 3D-Scannens in der forensischen Ausbildung: "Selbst präpandemisch erhielten die Studenten in einigen landesweiten Forensik-Kursen schlicht Lehrbücher mit Fotos von Knochen anstatt direkt mit Knochen zu arbeiten. Ich habe keinen Zweifel daran, dass 3D-Scans wie die von Artec Space Spider und Micro ein viel besseres Lernmittel sind als zweidimensionale Fotos auf einer Internetseite. Ich würde sogar sagen, dass solche Scans, wie man sie in einem VR-Kurs wie dem unseren nutzen kann, genauso gut, wenn nicht sogar besser funktionieren als das Studium an echten Knochen. Sie sind zum Beispiel nicht durch die Arbeitszeiten der Labore eingeschränkt. Und man kann in seinem eigenen Tempo arbeiten, so lange wie es benötigt oder gewollt ist.“

Lanfranchi weiter: „Mit dem VR-Kurs haben Sie rund um die Uhr Ihren eigenen Knochensatz zur Verfügung und können ihn beliebig oft untersuchen. Es besteht kein Risiko, dass die Knochen beschädigt werden. Und Sie werden von einem Experten unterrichtet, der weiß, wie man das menschliche Skelett am besten erlernt. Dr. Dirkmaat hat den Kurs mit der effektivsten Abfolge von Lektionen zusammengestellt. Genau das ist unbezahlbar.“