Artec Micro e Space Spider aiutano a creare il primo Corso di Osteologia Umana in Realtà Virtuale al mondo

La sfida: un rinomato antropologo forense si è rivolto alla scansione 3D quando ha avuto bisogno di catturare centinaia di ossa e trasformarle in modelli 3D anatomicamente precisi per un corso VR rivoluzionario.

La soluzione: Artec Eva, Artec Space Spider, Artec Studio

I risultati: nel corso di diverse settimane, lo scanner desktop Artec Micro e quello portatile Artec Space Spider sono stati utilizzati per scansionare tutte le superfici di ogni osso in pochi minuti. Le scansioni sono state quindi elaborate in Artec Studio ed esportate come modelli 3D ad alta risoluzione pronti per l'uso nella VR.

La studentessa universitaria Kaitlyn Schoonover usa Artec Space Spider per scansionare il femore di un orso nero (Ursus americanus)

Alcune ore dopo il ritrovamento di una gamba semi-decomposta in un fiume nel nord della California, gli agenti di polizia dovettero agire rapidamente. Affidarono i resti a tre specialisti, un patologo medico, un archeologo e un veterinario. I primi due credevano che la gamba fosse umana, mentre il veterinario non era d'accordo, ritenendola non umana.

I segni di tagli sulle ossa indicavano che la gamba era stata segata con la forza. Quindi, in luce di questo fatto, si decise che i resti dovevano essere umani. Una squadra di ricerca e soccorso venne rapidamente formata, con gli investigatori e gli agenti pronti a collaborare. I tre giorni di perlustrazione metodica sulle rive e sui luoghi circostanti al ritrovamento si rivelarono infruttuosi. Fu allora che venne chiamato un antropologo forense, per avere una quarta opinione. Senza esitazione, la gamba venne identificata come quella di un orso nero, molto probabilmente scartata da un cacciatore da qualche parte lungo il corso del fiume.

Questo incidente evidenzia la necessità cruciale per le forze dell'ordine e coloro che lavorano al loro fianco di avere una conoscenza realistica dello scheletro umano. Se fin dall'inizio fosse stato consultato un antropologo forense o qualcuno con competenze simili, si sarebbero risparmiate centinaia di ore di lavoro e migliaia di dollari di spese. Questi tipi di errori di identificazione si verificano innumerevoli volte all'anno negli Stati Uniti e nel mondo.

Scansioni 3D comparative di un femore di orso nero (in alto) e di un femore umano, realizzate utilizzando Artec Space Spider

Storicamente, il modo più pratico per acquisire una comprensione così approfondita dello scheletro umano era frequentare un corso di osteologia umana presso un'università più grande, il che comportava un semestre completo di lezioni dal vivo e laboratori con raccolte di vere ossa umane. Questo è spesso non molto pratico, se non addirittura impossibile per molti. E anche se lo fosse, poche università oggi hanno una raccolta adeguata di ossa umane adatte allo studio e si affidano invece a modelli in plastica sostitutivi.

Riconoscendo questa diffusa esigenza, uno dei principali antropologi forensi al mondo sta utilizzando una tecnologia di scansione 3D all'avanguardia e le ultime novità in fatto di realtà virtuale (VR) per capovolgere questo paradigma. Dennis C. Dirkmaat, Ph.D., è un antropologo forense certificato che gestisce un programma di antropologia forense di livello mondiale presso la Mercyhurst University di Erie, in Pennsylvania, dal 1991.

Ha condotto personalmente quasi 1000 casi di antropologia forense per quasi 100 coroner, medici legali e forze dell'ordine in tutto il paese. Recentemente è stato insignito di due importanti riconoscimenti nella sua disciplina, tra cui il premio Outstanding Mentor, mai assegnato prima, così come il T. Dale Stewart Award alla carriera in antropologia forense.

Il dr. Dennis Dirkmaat che scansiona un modello dentale con Artec Micro

I casi di antropologia forense in cui è stato coinvolto il dottor Dirkmaat includono recuperi di resti umani sparpagliati su una superficie, corpi sepolti, scene di incendi mortali e persino recuperi sulla scena di disastri di massa, tra cui l'United Flight 93 a Somerset, nel settembre 2001, e l'incidente aereo di Colgan a Buffalo nel 2009.

Conduce anche ricerche su larga scala per scene del crimine, così come identificazione di vittime e analisi di traumi scheletrici. Dirkmaat ha testimoniato in tribunale 28 volte in qualità di esperto. Molti dei suoi ex studenti sono diventati investigatori medico-legali e antropologi forensi professionisti che gestiscono i propri programmi in tutti gli Stati Uniti e all'estero.

La pagina di selezione delle lezioni dal corso di osteologia umana HD Forensics VR

Con il corso di osteologia umana VR di Dirkmaat, chiunque nel mondo può acquisire una conoscenza completa dello scheletro umano studiando con i propri tempi, in un ambiente privo di distrazioni al 100%.

Dopo due anni di preparazione, il corso è tanto approfondito quanto il corso in laboratorio di Dirkmaat di 15 settimane, a livello universitario, per futuri antropologi biologi. Test attentamente sequenziati durante e dopo ogni lezione assicurano che il materiale rimanga saldamente cementato nella memoria a lungo termine.

Uno studente che frequenta il corso di osteologia umana VR all'aperto

Utilizzando un Oculus Go o un visore VR Oculus Quest II, puoi interagire in modo coinvolgente con ognuna delle 206 ossa del corpo, in 3D a colori ad alta risoluzione. Lezione dopo lezione, la tua comprensione osteologica si espanderà in modo incrementale seguendo la sequenza più appropriata: prima imparerai i nomi delle ossa, come scriverli e pronunciarli, comprenderai le loro posizioni nel corpo e poi imparerai i termini anatomici direzionali.

Durante il resto del corso, potrai virtualmente raccogliere ogni osso, ingrandirlo e rimpicciolirlo, esaminarlo da ogni angolazione possibile e, con i tuoi tempi, apprendere le caratteristiche uniche e identificative di ogni osso.

La lezione sui nomi delle ossa del corso di osteologia umana VR

Secondo Dirkmaat, "Questo corso non solo sarà un immenso vantaggio per le persone che lavorano nel campo medico-legale, ma anche per chiunque stia considerando una carriera nella medicina, nelle scienze legate alla salute, nella medicina dello sport, nell'anatomia e nelle scienze biologiche. Una solida competenza nell'osteologia umana è fondamentale per tutte queste discipline e molte altre."

Tutti i modelli 3D realistici presenti nel corso di Osteologia umana VR sono stati creati da scansioni di precisione submillimetrica di ossa umane reali. I due scanner 3D professionali di livello metrologico utilizzati per catturare queste ossa sono il portatile Artec Space Spider e il desktop Artec Micro.

Scansione Artec Micro di un primo molare adulto

Space Spider impiega solo pochi minuti per catturare ogni osso, ed è stato utilizzato per creare modelli 3D delle ossa più grandi del corpo, come il cranio e le ossa di braccia e gambe, mentre Micro, che scansiona piccoli oggetti fino a 10 micron di accuratezza, ha catturato le ossa più piccole, comprese quelle delle mani e dei piedi, nonché le vertebre, i denti e molti altri.

Il dottorando Anthony Lanfranchi scansiona uno sterno umano con Artec Space Spider

Uno dei progettisti del corso, Anthony Lanfranchi, studente del master in antropologia forense della Mercyhurst University, ha dichiarato: "Alcuni anni fa, quando ho preso in mano per la prima volta il nostro Space Spider, non avevo mai usato uno scanner 3D. Ma è stato molto facile imparare a usarlo. In passato, abbiamo documentato le ossa attraverso la fotografia, scattando foto delle ossa e dei loro dettagli da varie angolazioni e persino creando calchi in gesso dei dettagli più rilevanti. E per la misurazione effettiva delle ossa si usavano calibri e metro."

Lanfranchi ha continuato: "Ma le foto non sempre rappresentano bene l'osso e nel processo si possono perdere facilmente certi segni, colorazioni o dettagli importanti. Quando si misurano manualmente le ossa è necessario effettuare diverse misurazioni, che richiedono tempo se si desiderano risultati accettabili. Ma se vogliamo risultati ottimali? Se si considerano le strutture curve e organiche e le superfici delle ossa, è quasi impossibile misurarle con precisione con queste vecchie tecnologie."

Una studentessa che frequenta il corso di osteologia VR alla sua scrivania

"Ma gli scanner Artec 3D le catturano perfettamente, che si tratti delle lunghe, ampie superfici del femore, delle numerose suture filiformi e dei recessi profondi del cranio, o delle minuscole ossa delle mani e dei piedi. In pochi minuti posso insegnare a uno studente, nuovo a questa tecnologia, come scansionare qualsiasi osso o struttura anatomica e prendere misurazioni precise con un'accuratezza inferiore a un millimetro. Questo anche se si stanno misurando diverse superfici curve. Le misurazioni manuali non si avvicinano nemmeno alla qualità delle scansioni Artec 3D", ha sottolineato Lanfranchi.

La lezione sull'identificazione delle caratteristiche, nel corso di osteologia umana VR; in evidenza la cresta interossea del raggio sinistro

Dopo aver scansionato una serie di ossa alla massima risoluzione possibile, Lanfranchi le elabora nel software Artec Studio. Il suo flusso di lavoro è semplice: prima si fa clic sullo strumento Lazo per rimuovere eventuali piccoli frammenti di rumore presenti, quindi si passa a Sharp Fusion per aggiungere le texture. Quindi le scansioni sono pronte per l'esportazione in una vasta varietà di formati. In passato, questo processo richiedeva molto più tempo rispetto a oggi.

Nelle parole di Lanfranchi, "L'aggiunta di texture a una delle nostre scansioni di grandi dimensioni di solito era il punto in cui andavo via, facevo altro per circa un'ora, e poi tornavo per esportare la scansione. Ora, con Artec Studio 15, ci vogliono solo 30 minuti per completare il processo, l'intera scansione e la sua elaborazione completa. È davvero fenomenale."

Lanfranchi ha iniziato a utilizzare Artec Micro all'inizio del 2020. Ha trovato lo scanner desktop automatizzato sia intuitivo che facile da usare. "Dopo solo poche ore, ho scoperto le migliori impostazioni per catturare le piccole ossa e i denti che abbiamo nella nostra collezione. Nelle settimane a venire, abbiamo scansionato facilmente oltre 400 elementi tra cui ossa umane più piccole, ossa di animali e un assemblaggio di denti umani."

La lezione sull'identificazione delle ossa del corso di osteologia umana VR; raffigurazione dell'osso iliaco sinistro

Oltre al loro utilizzo nel corso di osteologia umana VR, queste micro scansioni, insieme alle scansioni Space Spider, vengono utilizzate per creare corsi virtuali per la formazione di studenti di medicina e odontoiatria, nonché antropologi forensi e biologici, tra gli altri.

Il tempismo non poteva essere migliore. Nelle parole di Lanfranchi, "Si tratta di un grande vantaggio per quest'anno, a causa del Covid-19 e delle restrizioni all'accesso alle raccolte di ossa umane. Se non fosse per le capacità di scansione rapida di Artec Micro e Space Spider e per la rapida elaborazione in Artec Studio 15, quando si creano collezioni di scheletri umani virtuali, non c'è modo di trasformare con sicurezza le nostre vaste collezioni di ossa in modelli 3D pronti per la realtà virtuale così rapidamente."

Screenshot di Artec Studio 15 di un femore di procione (Procyonlotor) scansionato con Artec Micro

Dirkmaat e il suo team stanno lavorando a una serie di app che utilizzeranno i modelli 3D ottenuti con Space Spider e Micro. Ciò include un'app pensata per gli agenti delle forze dell'ordine che aiuterà a prevenire l'identificazione errata di resti umani e non umani da parte degli agenti sul campo. L'app presenterà modelli 3D realistici di ossa umane, per confronti fianco a fianco con modelli 3D in scala di resti non umani, inclusi cervi, orsi, procioni, mucche, maiali, ecc.

Screenshot di Artec Studio 15 di un astragalo di un giovane orso nero (osso della caviglia) scansionato con Artec Micro

Secondo Lanfranchi, "Ogni giorno in tutti gli Stati Uniti la polizia contatta gli antropologi forensi per chiedere loro se le ossa che hanno trovato sono umane o meno. Di solito la risposta è "no" ed è spesso accompagnata da un’ipotesi su quale sia l'animale dal quale più probabilmente proviene l'osso. Ma una volta che gli agenti avranno questa app, saranno rapidamente in grado di vedere da soli se l'osso è umano o meno."

A causa della transizione dell'università alle lezioni da remoto all'inizio dell'anno, Lanfranchi e i suoi compagni di corso hanno dovuto seguire virtualmente il loro corso di osteologia umana. Ciò significa che per la parte di laboratorio prevista dalle lezioni gli studenti non avevano altro che foto di ossa su cui fare riferimento. Lanfranchi ha riflettuto su questa tediosa esperienza: "è stato estremamente difficile per tutti noi, e per alcuni studenti non è stato possibile applicare alle ossa vere quello che avevamo appreso dalle foto, quando siamo finalmente tornati in laboratorio."

Un cranio umano, scansionato con Artec Space Spider, elaborato in Artec Studio

Lanfranchi ha sottolineato l'importanza della scansione 3D nell'educazione forense, affermando: "In diversi corsi di medicina legale in tutti gli Stati Uniti, anche in periodi senza pandemie, invece di lavorare direttamente sulle ossa agli studenti vengono semplicemente dati libri di testo con foto di ossa. Non ho dubbi sul fatto che le scansioni 3D come quelle di Space Spider e Micro siano uno strumento di apprendimento molto migliore delle fotografie a due dimensioni. Direi anche che tali scansioni, come abbiamo sperimentato nel nostro corso a realtà virtuale, funzioneranno altrettanto bene, se non meglio, dello studio delle ossa reali. Non si viene ostacolati dal tempo limitato che si può passare in laboratorio. Puoi lavorare con i tuoi tempi, per tutto il tempo che vuoi o di cui hai bisogno."

Lanfranchi ha proseguito: "Con il corso VR hai a tua disposizione il tuo set di ossa 24 ore su 24, 7 giorni su 7, e puoi esaminarle quanto vuoi. Non c'è rischio di danneggiarle. E tutto ti viene presentato da un maestro che sa bene come studiare lo scheletro umano. Il dottor Dirkmaat ha organizzato il corso utilizzando le sequenze di lezioni più efficaci. È un prodotto dal valore inestimabile."