Zum Anzeigen dieser Inhalte ist ein JoVE-Abonnement erforderlich. Melden Sie sich an oder starten Sie Ihre kostenlose Testversion.
Method Article
* Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen
Die Knochenmorphologie eines halbentfetteten Bartenwals wurde durch Photogrammetrie mit einer DSLR-Kamera dokumentiert, um dreidimensionale (3D) Modelle per Computer zu erstellen, die als halbgroße Nachbildungen des Originals zu Ausstellungs- und Bildungszwecken in 3D gedruckt wurden.
Die Aufbereitung von Walskeletten, insbesondere von Bartenwalen, stellt aufgrund ihres hohen Lipidgehalts und ihrer ungewöhnlichen Größe eine große Herausforderung dar. Die Dokumentation der Skelettmorphologie ist wichtig, um genaue und zuverlässige Modelle sowohl für Forschungs- als auch für Bildungszwecke zu erstellen. In dieser Arbeit haben wir einen 10,8 Meter langen Omura-Wal als Beispiel für die Veranschaulichung verwendet, der 2014 in den Gewässern Hongkongs gestrandet ist. Dieses seltene und riesige Exemplar wurde entflesht, mazeriert und sonnengetrocknet, um das Skelett für die Forschung und öffentliche Ausstellung zu erhalten. Die Morphologie jedes Knochens wurde dann durch Photogrammetrie dokumentiert. Die komplexe Kontur des Skeletts machte ein automatisiertes Fotoshooting unzureichend und es wurden 3 manuelle Methoden bei Knochen unterschiedlicher Größe und Form angewendet. Die aufgenommenen Fotos wurden verarbeitet, um dreidimensionale (3D) Modelle von 166 einzelnen Knochen zu erstellen. Das Skelett wurde zu Ausstellungszwecken in halber Größe mit Polymilchsäure gedruckt, was einfacher zu pflegen war als die eigentlichen Walknochen mit hohem Restfettgehalt. Die gedruckten Knochen spiegelten die meisten anatomischen Merkmale des Exemplars wider, einschließlich der ausgebogenen rostralen Region und der kaudalen Kondylenfacette, die mit Ce1 artikulierte, aber die Foramina auf der parieto-squamosalen Naht, die ein diagnostisches Merkmal von Balaenoptera omurai ist, und eine eingedrückte Furche auf dem Stirnbein am hinteren Ende des lateralen Randes waren nicht eindeutig dargestellt. Zusätzliche Fotoshootings oder 3D-Oberflächenscans sollten an Bereichen mit akribischen Details durchgeführt werden, um die Präzision der Modelle zu verbessern. Die elektronischen Dateien des 3D-Skeletts wurden online veröffentlicht, um ein globales Publikum zu erreichen und die wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen Forschern weltweit zu erleichtern.
Walstrandungen bieten wertvolle Möglichkeiten, mehr über ihre Lebensgeschichte, ihre biologische Gesundheit und ihr Profil sowie über die Auswirkungen anthropogener Einwirkungen auf das Ökosystem zu erfahren. Dreidimensionale (3D) Darstellung und Modellierung ermöglichen eine genaue Darstellung morphometrischer Messungen, die für biomechanische Berechnungen verwendet werden können und Einblicke in verschiedene physiologische Verhaltensweisen geben1. Morphologische Anpassungen haben es diesen Tieren ermöglicht, im Ozean zu überleben, während einige Pathologien, die bei gestrandeten Walen beobachtet wurden, ihre biologische Gesundheit und ihr Profil, anthropogene und nicht-anthropogene Umstände oder Todesursachen offenbaren könnten 2,3. Knochenläsionen, gefolgt von einer traumatischen Kollision, können nicht verheilt bleiben, da die Tiere ständig unter enormem Unterwasserdruck schwimmen müssen4. Bei Meeressäugern können Kompression und nicht tödliche Gasembolien die Blutversorgung der Knochen verringern und Barotraumata verursachen5. Ein nachteiliger Knochenumbau kann sowohl zu Schmerzen als auch zu einer verminderten Beweglichkeit der Wirbelsäule führen, die ihr Überleben bei Raubtieren oder anderen Bedrohungen gefährdet. Die Zunahme der Meldungen über Mortalität und Morbidität bei Walen weltweit deutete ebenfalls auf eine mögliche Verschlechterung der Gesundheit der Ozeane hin 6,7. Die Anerkennung der Bedeutung des Ozeans und der untrennbaren Verbindungen zwischen der menschlichen Gesundheit und der Gesundheit von Walen und Ökosystemen hat zum Forschungsparadigma "One Ocean-One Health" geführt8.
Am 31. März 2014 strandete ein Omura-Wal (Balaenoptera omurai) in der Nähe von Hung Shek Mun im Plover Cove Country Park, Hongkong. Es war ein 10,8 Meter langes erwachsenes Weibchen, und seit seiner ersten Entdeckung im Jahr 2003 wurden nur wenige dieser Arten im indopazifischen Raum gefunden9. Die Strandung eines Wals dieser Größe ist in Hongkong nicht üblich, daher bot dieses Ereignis die Gelegenheit, das Skelett für Forschungs- und Bildungszwecke zu erhalten. Das gestrandete Tier wurde am Fundort seziert und entfleischt, wobei der Großteil der äußeren Muskeln und inneren Organe entfernt wurde. Die grobe Autopsie ergab, dass sich der Kadaver in einem fortgeschrittenen Zustand der Autolyse befand, aber mehrere tiefe Schnittwunden aufwies, die den Körper durchzogen, von denen die schwerste auf der rechten Brustflosse zentriert war, mit einer tiefen Querverletzung, die sich über den gesamten Knochen erstreckte, was ein gewisses Maß an sicherer Verknüpfung von Verschränkungsbeweisen mit einem beobachteten Zustand der Mortalität zeigt. Die Skelettüberreste wurden von der Abteilung für Landwirtschaft, Fischerei und Naturschutz der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong an einen Ort auf der Insel Lantau transportiert, wo Maden zum Verzehr der Weichteile verwendet wurden. Die Knochen wurden 2 Monate lang durch Wassermazeration mit manueller Wäsche entfettet. Obwohl eine beträchtliche Menge Knochenfett entnommen wurde, blieb das Skelett, insbesondere die Schädel- und Rippenränder, braun gefärbt. Das Restfett war schwer zu entfernen und würde unbehandelt Nagetiere anziehen, sich verschlechtern und die Probe für die Präsentation ungeeignet machen. Selbst unter perfekten Konservierungsbedingungen können Tierknochen immer noch von verschiedenen staubbewohnenden Mikroorganismen zersetzt werden10. Es wurde beschlossen, die Morphologie des halbentfetteten Skeletts digital dokumentieren zu lassen und anschließend mit langlebigen Materialien als hygienische Nachbildung des Originals in 3D zu drucken.
3D-Modelle biologischer Proben können auf verschiedene Weise erstellt werden, darunter medizinische Bildgebung, Oberflächenscannen und Photogrammetrie. Medizinische Bildgebungsmodalitäten wie Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie erzeugen multiplanare Bilder, die sowohl äußere als auch innere Merkmale enthalten, aber keine Farbe und Textur aufweisen. Die CT wurde verwendet, um die Anatomie oder Pathologie von Egeln, Barten und Schädeln verschiedener Arten zu dokumentieren und ihre einzigartige Anpassung an die Fortbewegung, Nahrungssuche und neurologische Entwicklung zu zeigen 11,12,13,14,15,16. Beim Oberflächenscannen wird entweder Laser- oder Strukturlicht auf das Objekt projiziert, wobei das Reflexionsmuster durch trigonometrische Triangulation in geometrische Daten umgewandelt wird, um ein Oberflächenmodell zu erzeugen. Die Photogrammetrie zeichnet eine Reihe von leicht überlappenden Fotos des Ziels auf. Entweder dreht sich die Kamera um das Objekt oder das Objekt wird während der Aufnahme auf einem Drehteller gedreht. Der Vorgang wird mit unterschiedlichen Kamerawinkeln und -höhen wiederholt, bevor das Objekt umgedreht wird, um die Unterseite ebenfalls zu erfassen. Die Fotos werden in eine Modellierungssoftware importiert, die die Position und Entfernung jedes Merkmals im 3D-Raum berechnet, um Punktwolken zu erstellen. Die geometrischen Informationen werden durch Triangulation der Punktwolken verarbeitet, um polygonale Netze zu erzeugen, die bearbeitet und hergestellt werden können. Die 3D-Rekonstruktion kann genaue Messungen von gescannten Oberflächen und Volumina widerspiegeln17.
Die Photogrammetrie wurde aufgrund ihrer geringen Ausrüstungskosten, der angemessenen Ausgabequalität und der Flexibilität im Umgang mit Knochen weitgehend variabler Größe und Form als geeigneter Ansatz für die 3D-Dokumentation des Walskeletts von Omura angesehen. So maß der Walschädel 2,6 Meter, was Miniaturmethoden wie das Laser-3D-Oberflächenscanning undurchführbar machte. Die für die Photogrammetrie erforderliche Ausrüstung ist leicht zugänglich – nur eine Digitalkamera mit hoher Erfassungsauflösung (>5 Megapixel) und eine Modellierungssoftware, die viel günstiger ist als die Optik- oder Laserscanner für das 3D-Oberflächenscanning. Darüber hinaus erfordert das 3D-Oberflächenscannen, dass der Scanner während der Datenerfassung an einen einigermaßen leistungsfähigen Computer angeschlossen wird, was beide eine unabhängige Stromversorgung erfordert. Das 3D-Oberflächenscannen ist nicht anwendbar, wenn keine Stromquelle vorhanden ist, z. B. bei sehr großen Exemplaren mit eingeschränkter Transportfähigkeit oder wenn der ursprüngliche Walkadaver vor Ort gescannt werden soll. Für die Photogrammetrie werden lediglich eine Digitalkamera, ein Stativ und eine unterstützende Vorrichtung wie ein Plattenspieler benötigt. Die Photogrammetrie ist daher zunächst für kleine Forschungsgruppen eine kostengünstigere Option mit hoher Portabilität.
Digitale Modelle werden durch 3D-Druck in physische Produkte umgewandelt. Schichten aus geschmolzener Polymilchsäure (PLA) werden gestapelt und verfestigt, um das Walskelett zu reproduzieren. Die realistische Replik, gedruckt in halber Größe, kann für öffentliche Ausstellungen und Bildungszwecke verwendet werden. Für Studenten und Laien im Allgemeinen kann das Berühren anatomischer Modelle helfen, das Tier nicht nur visuell, sondern auch durch Empfindung zu schätzen. Für Fachleute wie junge Kliniker und Wissenschaftler kann es schwierig sein, komplizierte Strukturen anhand von 2D-Bildern zu verstehen18. Traditionell werden biologische Proben einer Plastination unterzogen, um zu pädagogischen Ergänzungsmitteln zu werden, doch der Prozess ist ziemlich kompliziert, ressourcenintensiv und zeitaufwändig. Schlachtkörper können biologische Gefahren aufweisen, und von jeder Probe wird nur ein Modell erstellt. 3D-Dokumentation und -Druck bieten interaktive Erlebnisse, die mehr Spaß machen als Lehrbücher oder virtuelle Animationen. Selbst das virtuelle Sezieren kann nicht die Vorteile einer greifbaren Manipulation bieten und ist daher bei Studenten19 unbeliebt. Mit der 3D-Drucktechnologie können mehrere Kopien eines seltenen Exemplars repliziert, in der Hand gehalten und aus verschiedenen Blickwinkeln genau untersucht werden, ohne unerwünschten Geruch oder die Angst, sie zu zerbrechen20. Das Produkt kann individuell angepasst werden, z. B. verkleinert für eine einfache Manipulation oder in verschiedenen Farben gedruckt werden, um die Ästhetik zu veranschaulichen. Die 3D-Modelle können auch digital bearbeitet werden, um defekte oder fehlende Teile wiederherzustellen, was eine größere Vielseitigkeit ermöglicht. Auch die 3D-Dokumentation und der 3D-Druck erleichtern den Wissensaustausch zwischen Forschern. Ein Skelettüberrest kann digital aufgezeichnet, online geteilt und bei Bedarf ausgedruckt werden. Die Proben können als Standardpaket anstelle einer biologischen Probe "prototypisiert" und nach Übersee verteilt werden, was eine spezielle Quarantäne oder rechtliche Dokumentation erfordert. Elektronische 3D-Modelle, die wichtige Metriken der Walknochen enthalten, werden auch online mit anderen Instituten geteilt, um die wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen Forschern weltweit zu erleichtern.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Vorbereitung
2. Photogrammetrie
3. Datenverarbeitung durch Modellierungssoftware (siehe Materialtabelle)
4. 3D Druck des Skeletts
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
In dieser Studie wurden 166 Knochenstücke einzeln gescannt und die 3D-Modelle mit einer Auflösung von 1 mm in gespeichert. STL-Format. Das Stereolithografie-Format zeichnet die Oberflächengeometrie von 3D-Objekten ohne Farbe oder Textur auf, was für den 3D-Druck üblich ist. Das vollständige 3D-Modell des Walskeletts der Omura wurde online hochgeladen und der Öffentlichkeit zugänglich gemacht (https://www.cityu.edu.hk/cvmls/omura). Der Schädel wurde aufgrund seiner Größe...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Skelette für die Ausstellung sollten ölfrei und geruchlos sein. Walknochen sind notorisch ölig, was ihre Zubereitung außergewöhnlich schwierig macht. Die Überreste eines jungen Blauwals, der 1998 gestrandet war, wurden im New Bedford Whaling Museum in Massachusetts ausgestellt. Trotz intensiver Behandlung durch Fachleute blieben die Knochen gelblich mit einem unangenehmen Geruch und sickern seit über 20 Jahren ununterbrochen Ölaus 21. Da es in Hongkong wen...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Die Autoren danken dem Ministerium für Landwirtschaft, Fischerei und Naturschutz und der Meeresregion der Polizei von Hongkong der Regierung der Sonderverwaltungsregion Hongkong für ihre Unterstützung bei diesem Projekt. Auch den Mitarbeitern und Studenten der City University of Hong Kong gilt unsere aufrichtige Anerkennung für die großen Anstrengungen, die sie bei der Entfleischung und Behandlung des Walskeletts der Omura unternommen haben. Die Autoren danken dem Department of Infectious Diseases and Public Health der City University of Hong Kong für die finanzielle Unterstützung bei den Kosten für diese Veröffentlichung. Besonderer Dank geht an Dr. Maria Jose Robles Malagamba für die englische Bearbeitung dieses Manuskripts.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
EF 24-70mm 1:2.8 L II USM | Canon | NA | Camera lens |
EOS 5DSR | Canon | NA | Camera |
ideaMaker 3.6.1 | Raise 3D | NA | 3D printing software |
MVKBFRL-LIVEUS | Manfrotto | NA | Camera tripod |
N2 Plus | Raise 3D | NA | 3D printer |
Agisoft Metashape 1.6.4 (Professional Edition) | Agisoft | NA | 3D modeling software |
Poly-lactic acid | Raise 3D | NA | 3D printing material |
Precision 9010 CPU: 2 x Xeon E5-2620 v3 | Dell | NA | Computer |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden
Genehmigung beantragenThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten