Ausbildung von Studenten mit verblüffend realistischen 3D-Anatomiemodellen, die von Artec Leo erstellt wurden

Artec Leo mit dem anatomischen 3D-Modell eines Gehirns in Artec Studio. Bild mit freundlicher Genehmigung der NUS.

3D-Technologien werden im medizinischen Bereich immer wichtiger. Ob zur Aufklärung von Patienten vor Operationen oder zur Ausbildung von Studierenden in deren Durchführung, bieten anatomische Modelle (sowohl 3D-gedruckt als auch digital) eine ideale Lösung für Visualisierungen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Digitalisierung der menschlichen Anatomie ist das Erreichen der nötigen Genauigkeit – denn unser Körperinneres ist voller komplexer Systeme und mikroskopischer Details, die sich nur sehr schwer erfassen lassen. Blutgefäße beispielsweise bilden enge, verzweigte Netzwerke, die bei der Digitalisierung anfällig für Bewegungsartefakte sind.

Und dann stellt sich noch die Frage der Technologieintegration. Anatomische Modellierung klingt theoretisch nach einer hervorragenden interaktiven Methode, um Patienten und Studierende zu schulen. Doch die Umwandlung eines erfassten Modells in nutzbare 3D-Druck-, VR- oder AR-Daten kann sich als schwierig erweisen. Auch die Dateigröße ist ein Problem: 3D-Scanning eignet sich zwar hervorragend zur Erfassung komplexer Objekte, jedoch können detaillierte Modelle für VR zu ressourcenintensiv sein.

Um diese Probleme zu umgehen, hat die Nationale Universität Singapur (NUS) nun begonnen, mit Hilfe des 3D-Scanners Artec Leo 3D-Lehrmaterialien zu erstellen. Der kabellose, und Zielmarken funktionierende Scanner erfasst menschliche Körper vollständig, in hoher Auflösung, berührungslos und dazu in Sekundenschnelle. Dadurch eignet sich Leo ideal, um plastinierte (konservierte) und empfindliche „nasse“ Präparate in realistische 3D-Modelle zu verwandeln.

Ultraschnelle, flexible Anatomieerfassung

Schon kurz nachdem Artec Botschafter Shonan 3D Leo erstmals vorgestellt hatte, erkannten die NUS-Mitarbeiter Dr. Chandrika Muthukrishnan und Dr. Arthur Lau Chin Haeng, dass sie eine kluge Entscheidung getroffen hatten: Denn schon die ersten Scans des Schädelmodells zeigen alles von der Nackenmuskulatur bis zum Hirngewebe.

Akademische Mitarbeiter der NUS erfassen mit Artec Leo eine Knochenprobe. Bild mit freundlicher Genehmigung der NUS.

Im Vergleich zu Artec Space Spider, den das Team zuvor im Rahmen einer universitätsübergreifenden Kooperation eingesetzt hatte, erwies sich Leo als deutlich flexibler: Das kabellose Gerät verfügt über ein integriertes Display, einen Akku und einen Prozessor, sodass für den Betrieb kein Laptop benötigt wird. Leo liefert zudem Echtzeit-Feedback und gewährleistet so eine einfache Bedienung und die Erfassung jedes nötigen Details.

Spider erzielt zwar eine noch höhere Auflösung und wäre damit ebenfalls bestens geeignet gewesen, jedoch war in diesem Fall Leos Vielseitigkeit entscheidend. Um Präparate aus allen Winkeln zu erfassen, hängen die Dozenten der NUS sie üblicherweise an Haken auf – ein Vorgang, der mit störenden Kabeln schwierig wäre. Leo kann sich hier besonders auszeichnen, und entsprechend wurden bereits hervorragende Ergebnisse erzielt.

„Wir haben ein 3D-Beckenmodell erstellt, und unsere klinischen Berater waren sehr beeindruckt, wie realistisch und hilfreich es für die Erläuterung von Einzelheiten gegenüber Studierenden ist“, sagt Dr. Muthukrishnan. „Die Beckenregion, der vordere Teil des Oberschenkels und die äußeren Geschlechtsorgane sind allesamt sichtbar – und Beckenbereich, Blase und Rektum sind jeweils sehr wichtig für die Geburtshilfe und Gynäkologie.“

Sich mit Artec Studio vertraut machen

Am Anfang benötigte das NUS-Team etwas länger, um Artec Studio zu beherrschen. Dank der Unterstützung von Shonan 3D konnten sie jedoch die Werkzeuge des Programms nutzen, um professionelle Ergebnisse zu erzielen. Die grundlegenden Funktionen zur Polygonnetz-Bearbeitung ermöglichen es, Rauschen zu reduzieren, Ausreißer zu entfernen und Lücken zu schließen – und so abgeschlossene und detailreich texturierte Modelle zu erhalten. Und mit den integrierten Messwerkzeugen lassen sich sogar Vergleiche und Analysen durchführen.

NUS-Studenten erforschen den menschlichen Körper anhand anatomischer Modelle. Bild mit freundlicher Genehmigung der NUS.

Besonders wichtig für VR-Anwendungen: Artec Studio ermöglicht auch eine Scan-Dezimierung. Dadurch lässt sich die Gesamtdateigröße der erfassten Modelle reduzieren, ohne dass wichtige Details verloren gehen. Die Software konvertiert die Daten zudem per Knopfdruck in OBJ- und STL-Dateien und vereinfacht so den Export für Visualisierung und 3D-Druck. Laut Patrick Sng, Geschäftsführer von Shonan 3D, ist das Anwendungspotenzial enorm.

„Wenn man ein 3D-Rendering erstellt, können die Studierenden es direkt auf ihren Laptops betrachten – diese Lehrmethode birgt unglaubliches Potenzial“, erklärt Patrick Sng, Geschäftsführer von Shonan 3D. „Dank der Darstellung von Grafik, Farbe und Textur ist alles sehr deutlich, und die Studierenden erhalten ein viel besseres Verständnis als mit einem physischen Anschauungsobjekt.“

Durch den Zugriff auf derartige Lernressourcen können Studierende reale anatomische Daten im dreidimensionalen Raum bearbeiten und für sie wichtige Bereiche vergrößern, entweder am PC oder in VR. An der NUS beschränkt sich dieser Ansatz nicht nur auf die Medizin, denn auch Pharmazie, Biowissenschaften und Zahnmedizin bieten vielfältige Möglichkeiten.

Möglichkeiten für die Feinabstimmung und den 3D-Druck

Die wissenschaftlichen Mitarbeiter der NUS arbeiten kontinuierlich an der Verbesserung ihrer Fähigkeiten beim 3D-Scannen. Noch kann es schwerfallen, in flüssigen Lösungen aufbewahrte „feuchte“ anatomische Teile aufzuhängen. Die leistungsstarken Ausrichtungswerkzeuge von Artec Studio können jedoch auch hier Abhilfe schaffen, sodass auch anspruchsvolle Proben erfolgreich für die Digitalisierung erfasst werden können.

Ein Beckenmodell, das mithilfe eines 3D-Scans von Artec Leo rekonstruiert wurde. Bild mit freundlicher Genehmigung der NUS.

Zukünftig plant Dr. Muthukrishnan, seine Initiative in Sachen 3D-Modellierung auszuweiten und die Anatomie von Kopf und Hals sowie weitere komplexe anatomische Strukturen einzubeziehen. Dies soll Medizinstudierenden ein besseres Verständnis komplexer Zusammenhänge und ihrer Bedeutung ermöglichen. Entsprechend werden nun vermehrt digitale Zwillinge für Beurteilung, Lehre und die physische Reproduktion erstellt. Dr. Lau Chin Haeng geht davon aus, dass VR künftig ein wichtiges Werkzeug für Lehrende sein wird.

„Wir haben eine ganze Reihe von VR-Headsets, ich selbst nutze ein Apple Vision Pro“, fügte Dr. Lau Chin Haeng hinzu. „Es gibt eine Software, die sich mit dem Smartphone verbinden lässt. Man kann damit 3D-gescannte Objekte einlesen. Diese Modelle eignen sich also nicht nur für den 3D-Druck, sondern auch für VR-Unterricht. Wir können den Bildschirm auch auf Laptops übertragen, was beispielsweise in einem Hörsaal sehr nützlich wäre.“

Die medizinische Ausbildung macht rasante Fortschritte und moderne Technologien werden fester Bestandteil des Lehralltags. Lernerfahrungen werden immer tiefgründiger und interaktiver, was das Verständnis und die Merkfähigkeit verbessert. Wie in vielen Bereichen ist die Zukunft digital – und an der National University of Singapore scheint diese Zukunft bereits begonnen zu haben.