Wie die Universität von Dundee 3D-Scanner von Artec in ihrem Programm Medical Art und darüber hinaus verwendet

Herausforderung: Medizinstudenten sollen Knochen, Skelette und anatomische Modelle für den Unterricht digital erfassen und in naturgetreue 3D-Modelle umwandeln.

Lösung: Artec Eva, Space Spider, Artec Studio, ZBrush

Ergebnisse: Studierende des Fachs Medical Art an der Universität benötigen genaue 3D-Modelle als Grundlage für ihre Arbeit als medizinische Illustratoren. An der Universität Dundee lernen sie, wie sie mit Artec Eva und Space Spider, zwei hochmodernen 3D-Scannern, auf einfache Weise 3D-Modelle erstellen, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können.

Wann immer Sie eine Animation sehen, die zeigt, wie Viren übertragen werden und, noch besser, wie Sie verhindern können, dass diese Viren sich in Ihre Atemwege einschleichen, ist dies auf die Arbeit von medizinischen Illustratoren zurückzuführen. Der Bereich der modernen Medizin und des Gesundheitswesens ist im letzten Jahrhundert immer komplexer geworden.

Studenten der University of Dundee Medical Art scannen mit Artec Space Spider

Medizinische Illustratoren sind sozusagen die Dolmetscher hinter den Kulissen, die all diese Komplexität in visuell verständliche Diagramme, Bilder, Videos sowie andere physische oder virtuelle Medien umsetzen.

Illustration der University of Dundee Medical Art von verschiedenen Komponenten des Innenohrs

Das Medical Art-Programm der University of Dundee bereitet zukünftige medizinische Illustratoren auf ihre spannende Arbeit vor und bietet graduierten Studenten einen 12-monatigen Kurs an, der alle wesentlichen Aspekte dieses ständig wachsenden Bereichs abdeckt. Dank den neuesten Fortschritten in Technologie, Wissenschaft und visueller Kommunikation, die heute zur Verfügung stehen, gibt es keinen geeigneteren Zeitpunkt, um in diesen äußerst begehrten Beruf einzusteigen.

Modell der University of Dundee Medical Art zur Darstellung einer Nierenerkrankung

Medizinische Illustratoren sind in der Regel Grafiker mit einer anatomischen Ausbildung. Sie stehen dafür, dass ihre Arbeit nicht nur optisch ansprechend, sondern auch medizinisch korrekt ist – schließlich kann die Präzision ihrer Arbeiten, insbesondere wenn diese von Ärzten verwendet werden, einen Einfluss auf Fragen von Leben und Tod haben. Eine angemessene anatomische Ausbildung ist daher ein zentraler Bestandteil des Studiums in Medical Art.

3D-Scans des menschlichen Fußes wurden verwendet, um dieses Diagramm der Fußanatomie zu erstellen

Ein Beispiel für den Einsatz von medizinischen Illustrationen ist, wenn beispielsweise Eltern mit einem Kind einen Arzt aufsuchen und dieser eine Diagnose stellt und verschiedene Behandlungsmöglichkeiten aufzeigt. Ein solcher für die Eltern belastender Moment ist für ein Kind oft beängstigend und verwirrend. Doch medizinische Illustrationen helfen Ärzten die Situation abzumildern und zu veranschaulichen.

Stellen Sie sich vor, der Arzt steht von seinem Schreibtisch auf, geht hinüber und setzt sich auf Augenhöhe des Kindes. Er holt sein iPad hervor und alle zusammen sehen sich eine farbenfrohe Animation über die Diagnose des Kindes sowie die verschiedenen Behandlungsoptionen an. Dies hilft dem Kind zu verstehen, was passieren wird und wovon der Arzt spricht.

Ein weiteres Beispiel sind chirurgische Simulationen. Medizinische Universitäten beginnen heutzutage damit, hochrealistische AR- (Augmented Reality) und VR- (Virtual Reality) Simulationen verschiedener chirurgischer Eingriffe für ihre Medizinstudenten zu entwickeln. Solche Simulationen werden durch die Arbeit medizinischer Illustratoren – mit strengen Standards hinsichtlich anatomischer Genauigkeit und Präzision – unterstützt.

Studentin der University of Dundee interagiert mit einer VR-Umgebung

Während der Simulationen verfeinern angehende Ärzte ihre Feinmotorik und ihr Muskelgedächtnis mit virtuellen Skalpellen, Bohrern und anderen Werkzeugen. Wenn aber das 3D-Modell des virtuellen Patienten, an dem sie arbeiten, anatomisch nicht genau ist, kann es sein, dass der Arzt eines Tages nicht in der Lage sein wird, den tatsächlichen Eingriff an einem realen Patienten erfolgreich durchzuführen.

Um den Realismus zu erhöhen, werden bei Simulationen neben VR-Headsets oft auch haptische Vorrichtungen verwendet, die erfordern, dass der Benutzer die gleichen physischen Bewegungen ausführt und genau den Druck ausübt, der für die Durchführung der Verfahren erforderlich ist. Die Ergebnisse sind sehr ermutigend.

Eine Studie, die im Jahr 2019 an der David Geffen School of Medicine der UCLA durchgeführt wurde, zeigte, dass Medizinstudenten, die an VR-Chirurgie-Simulationen teilgenommen hatten, nach ihrer Ausbildung in einer Reihe von Kategorien signifikant bessere Ergebnisse erzielten: Ihre Punktzahlen waren um 130 Prozent höher als bei Studenten, die mit traditionellen chirurgischen Methoden ausgebildet wurden.

Um 3D-Modelle für ihre Arbeit zu erhalten, haben medizinische Illustratoren mehrere Möglichkeiten. Der traditionelle Weg war bisher die 3D-Modellierung. Das medizinische Kunstprogramm der University of Dundee umfasst Kurse, die den Studenten diese Kunst vermitteln und ihnen beibringen, wie sie ein solides Grundniveau erreichen können.

Dennoch erfordert die 3D-Modellierung normalerweise einen sehr langen, mehrstufigen Prozess zur Erstellung von 3D-Inhalten. Und wenn es um organische Formen wie das menschliche Skelett- und Muskelsystem geht, suchen selbst erfahrene 3D-Modellierungsexperten oft nach effizienteren Wegen, die Objekte digital zu erfassen.

Eine solche Methode ist das 3D-Scannen. Die University of Dundee entschied sich für handgeführte 3D-Scanner, nachdem deutlich wurde, wie schnell und einfach es auch für unerfahrene Studenten war, solche Geräte zu nutzen und innerhalb von Sekunden mit der Erfassung von Objekten zu beginnen. Ganz zu schweigen von den Ergebnissen, die wissenschaftlich genaue 3D-Modelle darstellen. Diese sind für anatomische Illustrationen, VR/AR-Anwendungen in der Medizin sowie für den 3D-Druck geeignet.

Nach einer Vorführung der 3D-Scanner Artec Eva und Space Spider durch den 3D-Scanning-Spezialisten und Artec 3D Gold-Partner Patrick Thorn traf die Koordinatorin des Fachbereichs Medical Art der Universität von Dundee, Dr. Caroline Erolin, schnell eine Entscheidung: „Wir müssen eine ganze Reihe organischer Strukturen, einschließlich menschlicher Knochen sowie zoologischer Präparate, digital erfassen. Und zwar schnell und einfach, mit Ergebnissen, die es uns einfach machen, diese Scans in detaillierte 3D-Modelle zu verwandeln, die für VR und 3D-Druck geeignet sind. Deswegen waren unsere Anforderungen ziemlich hoch.“

Studentin der University of Dundee Medical Art scannt mit Artec Space Spider einen menschlichen Schädel

Dr. Erolin fährt fort: „Schon bei der ersten Vorführung der Artec-Scanner von Patrick Thorn wussten wir, dass wir die richtigen Scanner für uns gefunden hatten. Unsere Studentinnen und Studenten, die noch keine Erfahrung mit Scannen oder 3D-Modellierung haben, können innerhalb von Minuten mit diesen scannen. Es ist ein echtes Vergnügen, die Scanner zu benutzen, vor allem, wenn man sieht, wie das aufgenommene Objekt in Echtzeit auf dem Bildschirm erscheint – und das in lebendigem Farb-3D.“

Die Universität erwarb daraufhin für den Fachbereich einen 3D-Scanner Artec Eva und drei Space Spider sowie Dutzende Lizenzen für Artec Studio, der zugehörigen 3D-Scan-Verarbeitungssoftware.

Mit den Worten von Patrick Thorn: „Von dem Moment an, als ich die Zusammenarbeit mit Caroline und der Universität begann, war klar, dass die 3D-Scanner von Artec optimal passen würden. Es dauerte nicht lange, bis die benachbarten Fachbereiche an der Universität aufhorchten. Bald entschieden auch sie sich für 3D-Scanner von Artec. Es ist eine bereichernde Zusammenarbeit, und ich bin stolz, ein Teil davon zu sein.“

Studentin in Medical Art an der Universität von Dundee benutzt Artec Eva zum Scannen einer Kommilitonin

Für folgende Anwendungen werden Artec Eva und Space Spider im Rahmen des Medical Art-Programms der Universität Dundee eingesetzt:

  • Scannen menschlicher Schädel, zur Unterstützung von Gesichtsrekonstruktionen – sowohl forensisch als auch archäologisch
  • Scannen von Exponaten der Zoologie und vergleichenden Anatomie für die Öffentlichkeitsarbeit, Lehre und Forschung
  • Scannen von Knochenproben, um die berührungsempfindliche Sammlung zu schonen und ihre zerstörungsfreie Verwendung im Unterricht zu ermöglichen
  • Scannen von Knochenproben von Erwachsenen, für Lehre und Forschung
  • Einige 3D-Modelle werden (mit in ZBrush/Maya modellierten Muskeln) von den MSc-Studenten in Medical Art angepasst, um Lehrmittel für die Anatomie zu erstellen.
  • Vermittlung eines vollständigen Spektrums an 3D-Scan- und Verarbeitungsfähigkeiten an Studenten der Medizin und Forensik
  • Scannen von Modellen aus traditionellen Materialien wie Wachs, typischerweise für studentische Kursarbeiten

Dr. Erolin erklärt, wie vorteilhaft die Scanner für ihre Studenten waren: „Bis unsere Studenten unser Programm abgeschlossen haben, werden sie Dutzende von Stunden mit den 3D-Scannern Artec Eva und Space Spider verbracht haben. Sie werden aus erster Hand wissen, wie man diese Geräte verwendet und in nur wenigen Minuten alles, vom Kugelfisch bis zum menschlichen Schädel, digital erfassen kann. Und dann können sie diese Scans Schritt für Schritt in 3D-Modelle, die für weitere medizinische Anwendungen geeignet sind, verwandeln. Zu möglichen Anwendungen gehören Lehrbuchillustrationen, Online-Animationen oder VR-Umgebungen, wie etwa virtuelle Museumsexponate. Und das ganz zu schweigen vom eigentlichen 3D-Druck dieser Exemplare zur praktischen Verwendung durch Forscher und Museumsbesucher. Unsere Studenten lernen all dies und mehr.“

3D-Modell eines Kugelfischs, gescannt mit Artec Space Spider (Sketchfab)

Hier finden Sie ein Online-Portfolio, das die medizinischen Arbeiten mehrerer Studenten der University of Dundee zeigt.

In Bezug auf die Sicherheit des 3D-Scannens für Museumssammlungen sagt Dr. Erolin: „Viele der Objekte, die wir erfassen müssen, sind physisch ziemlich zerbrechlich und anfällig für Beschädigungen, und das bedeutet, dass wir die Kontaktmenge, der sie ausgesetzt sind, extrem begrenzen müssen. Artec Eva und Space Spider passen perfekt in dieses Paradigma. Ihr Strukturlicht ist absolut sicher und zerstörungsfrei, unabhängig davon, ob Sie empfindliche zoologische Präparate oder spröde, Jahrtausende alte Fossilien scannen.“

Illustration der University of Dundee Medical Art, die mit Hilfe von Scans aus Artec Space Spider erstellt wurde

Dr. Erolin weiter: „Wenn man bedenkt, wie schnell die Scanner Objekte erfassen, kann selbst ein unerfahrener Student an einem einzigen Nachmittag ein Dutzend Proben oder mehr scannen. Für ein Museum bedeutet das minimale Zeitersparnis und maximalen Nutzen. Zumal heutzutage alles auf Online-Zugriff umgestellt wird, insbesondere angesichts der Herausforderungen, die wir in den letzten Monaten weltweit gesehen haben. Artec war der goldene Schlüssel, um unsere Sammlungen in das digitale Universum zu überführen.“

3D-Modell eines Schädels eines afrikanischen Waldelefanten, gescannt mit Artec Eva (Sketchfab)

„Um Ihnen einmal zu verdeutlichen, wie groß das Interesse an zoologischen Online-Sammlungen ist: Obwohl unser D'Arcy Thompson Museum nur einen Bruchteil seiner Sammlungen digitalisiert hat, haben sich bereits mehr als 20.000 virtuelle Besucher aus Dutzenden von Ländern auf der ganzen Welt unsere 3D-Modelle angeschaut. Und diese Zahl steigt weiter an.“

„Diese Art des Zugangs eröffnet unsere Sammlungen nicht nur vielen Tausenden von Menschen, die sonst nicht die Möglichkeit hätten nach Schottland zu kommen und die Exponate persönlich zu besichtigen, sondern sie hat auch dazu geführt, dass das Museum selbst mehr öffentliche Aufmerksamkeit im In- und Ausland erhält. Für moderne Museen in unserer geschäftigen, schnelllebigen Welt ist eine gesteigerte Aufmerksamkeit wirklich Gold wert.“

Einer der für die Universität attraktivsten Aspekte der Scanner war die kurze Einarbeitungszeit sowie die Leichtigkeit, mit der sich die Studenten mit der Scanverarbeitungs-Software Artec Studio vertraut machen können. Denn auch die Umwandlung der Scans in 3D-Modelle ist ein wichtiger Arbeitsschritt.

Studentinnen des Fachs Medical Art der University of Dundee scannen einen menschlichen Unterkiefer mit Artec Space Spider

Dr. Erolin erläutert den typischen Ablauf: „Unser Scan-Workflow sieht im Allgemeinen wie folgt aus: Wir scannen das Objekt entweder mit Artec Eva oder Space Spider und erfassen das Objekt je nach Größe in Abschnitten. Meistens verwenden wir die Standardeinstellungen in Artec Studio, aber gelegentlich passen wir die Empfindlichkeit für heiklere Objekte, etwa solche mit dunklen und glänzenden Oberflächen, an. Dann führen wir die Grob- und Feinerfassung durch, gefolgt von der Ausrichtung der Scans. Anschließend machen wir die Gesamterfassung und verwenden schließlich die Werkzeuge Radierer und Ausreißer-Entfernung, um eventuelle Anpassungen zu machen."

„Normalerweise wenden wir eine Sharp Fusion an, wenn wir mit Schädeln und anderen Objekten mit sehr detailreicher Anatomie arbeiten. Wenn wir hingegen Gesichter und glattere Objekte scannen, finden wir, dass es besser funktioniert, wenn wir Smooth Fusion verwenden. Nach der Anwendung des Filters für kleine Objekte und der schnellen Masschenvereinfachung erstellen wir aus den für die Fusion verwendeten Scans eine Textur und exportieren diese dann als OBJ mit einer Texturkarte entweder als JPG oder PNG. Anschließend nehmen wir in ZBrush den letzten Schliff vor.“

„Solange Sie das Polygonnetz nicht retopologisieren oder schneiden, können Sie das Modell in ZBrush glätten, ohne die UV-Karte zu verlieren. Sie können die Texturkarte auch in Polypaint projizieren (sorgen Sie vorher dafür, dass Sie die Geometrie des Modells mindestens einmal teilen, um eine große Poly-Anzahl zu erhalten), sie bereinigen und dann eine neue Texturkarte aus Polypaint erstellen.

Studentin in Medical Art an der Universität von Dundee benutzt Artec Eva zum Scannen eines Klassenkameraden

Dr. Erolin beschreibt ihre Gedanken über den Beruf und das 3D-Scannen: „Die Zukunft für Medical Art und die Spezialistinnen und Spezialisten ist sehr rosig. Es ist eine aufregende Zeit, ein Teil dieses wachsenden Bereichs zu sein, insbesondere mit der Verfügbarkeit von Technologie wie unseren Artec-Scannern. Sie ermöglichen es uns, komplexe, reale Objekte mit organischen Formen schneller und einfacher in 3D-Modelle zu verwandeln, als viele es für möglich halten würden.“

„Für mich persönlich ist es atemberaubend zu sehen, wie verschiedene Exponate in 3D abgebildet werden können. Für Medical Artists auf der ganzen Welt sowie für unsere aktuellen und zukünftigen Studenten sind 3D-Modelle eine entscheidende Komponente bei der Erstellung medizinisch und forensisch präziser Abbildungen, die sowohl detailliert als auch verständlich sind.“

Ein weiterer Vorteil der Verfügbarkeit von 3D-Modellen kam erst kürzlich ans Licht: Die diesjährige plötzliche Absage von Kursen aufgrund von Covid-19 erforderte den Übergang von Präsenzunterricht zur Fernlehre. Laut Dr. Erolin entschied sich das Centre for Anatomy and Human Identification der Universität Dundee nach der Überprüfung webbasierter Plattformen für den Austausch von 3D-Modellen mit ihren Studenten in Medical Art letztendlich für Sketchfab, um ihre anatomischen 3D-Modelle online zu teilen. Ausschlaggebend für die Entscheidung war die Benutzerfreundlichkeit der Plattform und der spezielle Support für Bildungseinrichtungen.

Hergestellt mit Space Spider: ein von Sketchfab gehostetes 3D-Modell eines anatomischen Kopfmodells aus Wachs

Modelle können direkt aus 3D-Modellierungs-Software wie ZBrush über den eingebauten Uploader oder über die Upload-Schaltfläche auf der Homepage von Sketchfab hochgeladen werden. Nach dem Hochladen können mehrere Parameter über die Registerkarte „3D-Einstellungen“ geändert werden. Zu möglichen Änderungen gehören: Positionierung des Modells und Einstellung des Sichtfelds; Hinzufügen eines benutzerdefinierten Hintergrunds mit dem Universitätslogo; Anpassung der Beleuchtung; Einstellung der Materialeigenschaften, wie Glanz und Transparenz; Hinzufügen von Anmerkungen; und es gibt sogar Einstellungen für die Anzeige von Modellen in VR.

Sketchfab-gehostetes 3D-Modell eines menschlichen Beckens (Muskelansätze in ZBrush hervorgehoben), erstellt mit Space Spider

3D-Modelle können zusammen mit den zugehörigen Texturkarten hochgeladen werden, jedoch liest Sketchfab auch die Vertex-Farbe ein, was sehr nützlich sein kann, wenn keine Texturkarten verfügbar sind. Mit einem Pro-Konto ist es möglich, Modelle nutzerdefiniert zu hosten, was für Scans, die Sie auf ein bestimmtes Publikum beschränken möchten, sehr nützlich sein kann. Darüber hinaus ermöglicht Sketchfab die einfache Freigabe von Arbeiten unter einer Creative-Commons-Lizenz. Sobald sie auf Sketchfab gehostet sind, können 3D-Modelle leicht in Websites und soziale Medien eingebettet und sogar für den 3D-Druck heruntergeladen werden.

Der Einsatz von 3D-Scanning an der Universität von Dundee war so erfolgreich, dass sie die 3D-Scanner von Artec diversen anderen Universitäten und Bildungseinrichtungen in Großbritannien und im Ausland empfahlen. In diesem zusammenhang hat Dr. Erolin als organisierendes Mitglied des Institute of Medical Illustrators (IMI) Patrick Thorn & Co. zur Teilnahme an einer ihren regelmäßigen Veranstaltungen eingeladen. Die letzte Veranstaltung dieser Art war eine zweitägige Konferenz in Belfast, Irland, im Oktober 2019.

An beiden Veranstaltungstagen herrschte großes Interesse an den Workshops von Patrick Thorn, in denen die Teilnehmer auch die Möglichkeit hatten, drei professionelle 3D-Handscanner von Artec auszuprobieren: Artec Leo, Space Spider und Artec Eva. Die Workshops trugen die Titel „3D-Erfassung als Ergänzung zur Gesichtsrekonstruktion“ und „3D-Scannen für eine verbesserte medizinische Fotografie“.

„Caroline und die Universität waren eine großartige Referenz für Artec 3D und für uns“, so Patrick Thorn. „Das hat uns für die Arbeit mit Universitäten und Unternehmen in ganz Schottland sehr geholfen.“

Weitere Informationen darüber, wie Artec 3D-Scanner in anderen Abteilungen der Universität von Dundee eingesetzt werden, finden Sie hier:

https://www.artec3d.com/de/cases/artec-goes-arctic

https://www.artec3d.com/de/cases/anatomical-3d-visualization-at-university-of-dundee