Artec Micro и Space Spider помогают создать первый в мире курс по остеологии в формате виртуальной реальности

10/02/2021

Автор: Мэттью МакМиллион

Через несколько часов после того, как на берегу реки на севере Калифорнии была обнаружена полуразложившаяся конечность, помощники шерифа быстро передали останки трём специалистам: патологоанатому, археологу и ветеринару. Два первых специалиста считали, что нога принадлежала человеку, в то время как ветеринар был уверен, что это — конечность животного.

Аспирантка Кайтлин Шуновер сканирует бедренную кость чёрного медведя (Ursus americanus) с помощью Artec Space Spider

Следы на кости давали чётко понять, что ногу отпилили. Именно учитывая такой характер повреждений, было решено, что это останки человека. Быстро была развёрнута поисково-спасательная кампания, к которой присоединились следователи и помощники шерифа. Три дня тщательных поисков по берегам рек и в близлежащих местностях не принесли никаких результатов. На этом этапе к работе подключили криминалиста-антрополога, чтобы получить четвёртое мнение. Этот специалист, ни минуты не сомневаясь, определил конечность как принадлежащую чёрному медведю, которую, вероятнее всего, выбросил кто-то из охотников выше по течению реки.

Этот инцидент показывает, какое важное значение имеют практические знания о строении скелета человека для правоохранителей и всех, кто работает в смежных отраслях. Если бы в первые часы после находки шериф обратился напрямую к криминалисту-антропологу, удалось бы свести к минимуму трудозатраты и сэкономить тысячи долларов. Проблема неверного опознания останков стоит крайне остро: подобных случаев огромное множество не только в США, но и во всём мире.

Сравнение 3D-сканов бедренной кости чёрного медведя (сверху) и человека, полученных с помощью Artec Space Spider

Так исторически сложилось, что самым эффективным способом получить глубокие знания о строении скелета человека можно только на курсе остеологии в крупном университете. Курс представляет собой целый семестр очных занятий и работы в лабораториях с коллекциями костей человека. Это не всегда легко реализовать на практике. Сегодня не так много университетов располагает адекватными коллекциями человеческих костей, подходящих для изучения. Вместо этого там часто представлены пластиковые муляжи.

Осознавая столь огромный спрос, один из ведущих мировых криминалистов-антропологов использует передовую технологию 3D-сканирования и новейшую среду виртуальной реальности, чтобы кардинально изменить существующую парадигму преподавания. Доктор Деннис С. Диркмаат, сертифицированный министерством здравоохранения США криминалист-антрополог, с 1991 года руководит передовой программой криминалистической антропологии в колледже Мёрсихёрст в городе Эри, Пенсильвания.

Он лично разобрал около 1000 случаев, в которых требовалась помощь криминалиста-антрополога, для почти 100 следователей, патологоанатомов и сотрудников правоохранительных структур по всей стране. Недавно он удостоился двух главных наград в своей дисциплине, включая первое в истории звание Выдающегося куратора, а также премию имени Т. Дейл Стюарт за прижизненные достижения в криминалистической антропологии.

Доктор Деннис Диркмаат сканирует слепок зубов с помощью Artec Micro

Случаи криминалистической антропологии, в расследовании которых принимал участие доктор Диркмаат, включают в себя восстановление человеческих останков из разрозненных элементов, идентификацию захороненных и сгоревших тел, а также восстановление тел после больших катастроф (например, после теракта на рейсе 93 United Airlines в Сомерсете, Пенсильвания, в сентябре 2001 года и после крупной авиакатастрофы DHC-8 под Буффало в 2009 году).

Еще он проводит крупномасштабные изучения мест преступления, а также идентификацию жертв и анализ костных повреждений. Диркмаат 28 раз давал в суде свидетельские показания в качестве эксперта. Многие из его бывших студентов стали судебно-медицинскими экспертами и профессиональными криминалистами-антропологами, которые ведут свои программы в США и других странах.

Страница выбора урока на курсе криминалистической остеологии в приложении виртуальной реальности

Благодаря курсу остеологии в приложении виртуальной реальности студент из любой точки мира может получить исчерпывающие знания о скелете человека, изучая все материалы в своём темпе и спокойной обстановке.

Курс, на создание которого ушло два года, стал таким же подробным, как и очные 15-недельные занятия в лабораториях университета, где преподаёт Диркмаат. Тщательно продуманные и последовательные тесты во время и после каждого урока гарантируют, что слушатели надолго запомнят материал.

Студенты могут проходить VR-курс остеологии там, где им удобно

Надев очки виртуальной реальности Oculus Go или Oculus Quest II, вы можете моментально приступить к работе с любой из 206 костей человека, представленных в виде цветных 3D-моделей высокого разрешения. Уроки расположены в оптимальной последовательности: сначала вы изучаете названия костей, их написание и произношение, понимаете, где они находятся, а затем узнаёте анатомические термины, указывающие на расположение и направление.

В остальной части курса вы можете виртуально выбрать любую кость, увеличить или уменьшить ее, изучить её со всех ракурсов, а также в собственном комфортном темпе запомнить уникальные идентифицирующие характеристики каждой из них.

Урок с названиями костей на VR-курсе остеологии

Как утверждает сам Диркмаат, «Этот курс будет невероятно полезен не только тем, кто работает в судебно-медицинской сфере, но также всем, кто рассматривает карьеру в медицине, в том числе, например, спортивной, в анатомии и других отраслях биологии. Знания остеологии являются крайне важными для всех этих и многих других направлений».

Все 3D-модели субмиллиметровой точности, представленные на VR-курсе остеологии, созданы из сканов настоящих костей человека. Для оцифровки применялись два профессиональных 3D-сканера метрологического уровня: портативный Artec Space Spider и настольный Artec Micro.

Скан первого моляра взрослого человека, полученный на Artec Micro

Space Spider использовался для создания 3D-моделей крупных костей: черепа и конечностей, а Micro, который оцифровывает мелкие объекты с точностью до 10 микрон, сканировал более мелкие кости рук и ног, позвонки, зубы и пр. Каждому сканеру на съёмку одной кости требовалось всего несколько минут.

Студент магистратуры Энтони Ланфранчи сканирует грудную кость человека с помощью Artec Space Spider

Один из создателей курса, студент магистратуры по направлению криминалистической антропологии в колледже Мёрсихёрст Энтони Ланфранчи, рассказывает о своём опыте использования 3D-решений Artec: «Несколько лет назад, когда я впервые взял в руки Space Spider, у меня не было совершенно никакого опыта работы с 3D-сканерами. На деле всё оказалось очень легко. Раньше мы фотографировали кости с разных ракурсов и даже создавали гипсовые слепки, чтобы было видно их особенности. А чтобы замерить образцы, использовали штангенциркуль и рулетку».

Ланфранчи продолжает: «Однако фотографии не всегда хорошо передают важные особенности, и определенные следы, оттенки или важные характеристики могут быть потеряны в процессе съёмки. При измерении костей вручную приходится долго и многократно сверять данные, чтобы получить приемлемые результаты. Если говорить об изогнутых, органических структурах и поверхностях, то измерить их точно традиционными способами практически невозможно».

Студентка проходит VR-курс остеологии за письменным столом

«А вот 3D-сканеры Artec оцифровывают их идеально: как длинные обширные поверхности бедренной кости, так и тончайшие линии и большие углубления черепа, не говоря уже о действительно тонких костях рук и ног. За считанные минуты я могу обучить студента, никогда не державшего в руках сканера, технологии 3D-съёмки любой кости или анатомической структуры, а также их точному измерению вплоть до миллиметра. Причем все эти показатели справедливы даже для различных изогнутых поверхностей. Измерение вручную не идет ни в какое сравнение с тем, какие возможности перед нами открывают сканы Artec 3D», — подчёркивает он.

Занятие по определению особенностей костей на VR-курсе остеологии. Выделен межкостный край левой лучевой кости

После оцифровки костей в максимально высоком разрешении Ланфранчи обрабатывает их в программе Artec Studio. Весь процесс очень прост: сначала он выбирает инструмент Лассо, чтобы удалить мельчайший полигональный шум, затем запускает Чёткую склейку и наконец накладывает текстуру. После этого сканы готовы к экспорту в различных форматах. Раньше на это уходило значительно больше времени, чем сейчас.

По словам Ланфранчи, «Обычно процесс текстурирования большого скана мог быть довольно долгим, и я примерно час занимался другими делами, после чего возвращался к компьютеру и экспортировал скан. Теперь же в программе Artec Studio 15 я успеваю сделать всё, включая полную обработку скана, за 30 минут. Это просто феноменально».

Ланфранчи пользуется сканером Artec Micro с начала 2020 года. Он считает автоматизированное настольное 3D-решение интуитивно понятным и простым в использовании. «Всего через несколько часов съёмки я подобрал идеальные настройки для оцифровки мелких костей и зубов, которые были в нашей коллекции. В следующие недели мы легко отсканировали более 400 экземпляров, включая небольшие кости человека, животных и огромное множество зубов».

Занятие по определению особенностей костей на VR-курсе остеологии. Изображена левая тазовая кость

Помимо использования в виртуальном курсе по остеологии сканы с Micro и Space Spider применяются ещё и для создания виртуальных курсов для обучения студентов медицинских и стоматологических факультетов, а также криминалистов- и биологов-антропологов.

Своевременность такого решения трудно переоценить. По словам Ланфранчи, «Такой подход как нельзя лучше подходит реалиям 2020 года, поскольку пандемия Covid-19 повлекла за собой ограничения на доступ к коллекциям костей. Если бы не высокая скорость 3D-съёмки сканеров Artec Micro и Space Spider, а также быстрая обработка данных в Artec Studio 15, то у нас не было бы возможности так быстро и точно оцифровать наши обширные коллекции костей и создать 3D-модели скелетов человека, готовые к использованию в виртуальной реальности».

Скриншот Artec Studio 15 со сканом бедренной кости енота (Procyon lotor); скан получен с помощью Artec Micro

Диркмаат со своей командой работает над целым рядом приложений, которые будут использовать 3D-модели, полученные с помощью Space Spider и Micro. К ним относится специальное приложение для сотрудников правоохранительных органов, которое поможет избежать ошибок в идентификации останков в полевых условиях (как минимум, позволит отличить останки человека от останков животного). В приложении будут использоваться реалистичные 3D-модели человеческих костей для сравнительного анализа с полномасштабными 3D-моделями останков, не принадлежащих человеку (например, костями оленя, медведя, енота, свиньи и т. д.).

Скриншот Artec Studio 15 со сканом надпяточной кости молодого чёрного медведя, полученным с помощью Artec Micro

Как утверждает Ланфранчи, «Каждый день по всей стране сотрудники полиции обращаются за помощью к криминалистам-антропологам, чтобы определить, принадлежат ли найденные ими кости человеку или нет. Обычно ответ бывает отрицательным, и он часто сопровождается дополнением о том, кому принадлежала найденная кость. Как только у правоохранителей появится это приложение, они смогут быстро и самостоятельно определять происхождение останков».

Из-за того, что в начале 2020 года колледж перевел студентов на дистанционное обучение, Ланфранчи и его одногруппникам пришлось проходить курс в виртуальном формате. Это означало, что в распоряжении студентов были только фотографии костей. Ланфранчи вспоминает тот досадный опыт: «Всем нам было крайне сложно изучать кости по фото, а некоторые так запутались, что не смогли правильно идентифицировать многие кости, когда мы наконец-то вернулись к работе с лабораторной коллекцией образцов».

Череп человека, отсканированный с помощью Artec Space Spider и обработанный в Artec Studio

Ланфранчи особо отмечает важность 3D-сканирования в обучении судебной экспертизе: «В изрядном количестве курсов для судебных медиков даже до пандемии студентам не удавалось работать непосредственно с костями. Вместо этого им просто давали учебники с фотографиями. Я совершенно уверен, что 3D-сканы, подобные тем, что мы получаем с помощью Space Spider и Micro, являются намного более эффективным обучающим инструментом, чем плоские фотографии на странице. Я бы даже сказал, что такие сканы, как в нашем VR-курсе, будут ничуть не менее (а, может быть, даже более) эффективными для изучения настоящих костей. Вы не ограничены временем, отведённым для работы в лаборатории. Можно изучать материалы в собственном темпе и столько, сколько нужно».

Ланфранчи продолжает: «В VR-курсе имеется массив костей, которые можно изучать в режиме 24/7 и столько, сколько хочется. Нет риска повреждения образцов. Кроме того, уроки ведёт опытный педагог, который точно знает, как лучше изучать скелет человека. Доктор Диркмаат разработал курс с максимально последовательным расположением уроков, и это просто бесценно».