Modelado e impresión fotogramétrica tridimensional del esqueleto de un cetáceo utilizando como ejemplo una ballena de Omura varada en aguas de Hong Kong

Resumen

La morfología ósea de una ballena barbada semidesengrasada se documentó mediante fotogrametría con una cámara DSLR para generar modelos tridimensionales (3D) por computadora, que se imprimieron en 3D como réplicas de tamaño medio del original para fines educativos y de exhibición.

Resumen

La preparación de los esqueletos de los cetáceos, en particular de las ballenas barbadas, presenta un gran desafío debido a su alto contenido de lípidos y su tamaño poco común. La documentación de la morfología esquelética es importante para producir modelos precisos y confiables tanto para fines de investigación como educativos. En este artículo, utilizamos una ballena de Omura de 10,8 metros de largo varada en aguas de Hong Kong en 2014 como ejemplo para la ilustración. Este raro y enorme espécimen fue descarnado, macerado y secado al sol para producir el esqueleto para la investigación y la exhibición pública. La morfología de cada hueso se documentó mediante fotogrametría. El complejo contorno del esqueleto hizo que la sesión fotográfica automatizada fuera inadecuada y se utilizaron 3 métodos manuales en huesos de diferentes tamaños y formas. Las fotos capturadas se procesaron para generar modelos tridimensionales (3D) de 166 huesos individuales. El esqueleto se imprimió a medio tamaño con ácido poliláctico para fines de exhibición, que era más fácil de mantener que los huesos de cetáceos reales con alto contenido de grasa residual. Los huesos impresos reflejaban la mayoría de las características anatómicas del espécimen, incluida la región rostral arqueada y la faceta condilar caudal que se articulaba con Ce1, sin embargo, los forámenes en la sutura parieto-escamosa, que son carácter diagnóstico de Balaenoptera omurai, y un surco dentado en el hueso frontal en el extremo posterior del borde lateral no se presentaron claramente. Las sesiones de fotos adicionales o el escaneo de superficies en 3D deben realizarse en áreas con detalles meticulosos para mejorar la precisión de los modelos. Los archivos electrónicos del esqueleto 3D se publicaron en línea para llegar a una audiencia global y facilitar la colaboración científica entre investigadores de todo el mundo.

Introducción

Los varamientos de cetáceos ofrecen valiosas oportunidades para conocer su historia de vida, su salud biológica y su perfil, así como el efecto de las acciones antropogénicas en el ecosistema. La representación y el modelado tridimensional (3D) permiten una representación precisa de las medidas morfométricas que se pueden utilizar para cálculos biomecánicos y brindan información sobre diversos comportamientos fisiológicos^. Las adaptaciones morfológicas han permitido a estos animales sobrevivir en el océano, mientras que algunas patologías observadas en cetáceos varados podrían revelar su salud y perfil biológico, circunstancias antropogénicas y no antropogénicas o causa de muerte ^2,3. La lesión ósea seguida de una colisión traumática puede permanecer sin cicatrizar, ya que se requiere que los animales naden continuamente bajo una tremenda presión subacuática⁴. En los mamíferos marinos, la compresión y la embolia gaseosa no mortal pueden disminuir el suministro de sangre a los huesos y causar barotraumas⁵. La remodelación ósea adversa puede provocar dolor y disminución de la movilidad de la columna vertebral que compromete su supervivencia ante la depredación u otras amenazas. Los aumentos en la notificación de mortalidad y morbilidad en cetáceos en todo el mundo también indicaron el posible deterioro de la salud de los océanos ^6,7. El reconocimiento de la importancia de los océanos y de los vínculos inextricables entre la salud humana y la salud de los cetáceos y los ecosistemas ha llevado al paradigma de investigación "Un océano, una salud"⁸.

El 31 de marzo de 2014, una ballena de Omura (Balaenoptera omurai) varó cerca de Hung Shek Mun, Plover Cove Country Park, Hong Kong. Era una hembra adulta de 10,8 metros, y solo se han encontrado unas pocas de estas especies en la región del Indo-Pacífico desde que se descubrió por primera vez en 2003⁹. El varamiento de una ballena de este tamaño no es común en Hong Kong, por lo tanto, este evento presentó una oportunidad para preservar el esqueleto con fines educativos y de investigación. El animal varado fue diseccionado y descarnado en el sitio del descubrimiento, con la mayoría de los músculos externos y órganos internos extirpados. La necropsia macroscópica reveló que el cadáver se encontraba en un estado avanzado de autólisis, pero tenía múltiples laceraciones profundas que atravesaban el cuerpo, la más grave de ellas centrada en la aleta pectoral derecha con una laceración transversal profunda que se extendía por todo el hueso, lo que demuestra un cierto grado de vinculación segura de la evidencia de enredo con una condición observada de mortalidad. Los restos óseos fueron transportados a un lugar en la isla de Lantau por el Departamento de Agricultura, Pesca y Conservación del Gobierno de la Región Administrativa Especial de Hong Kong, donde se utilizaron gusanos para consumir los tejidos blandos. Los huesos se desengrasaron mediante maceración con agua durante 2 meses con lavado manual. A pesar de que se extrajo una cantidad significativa de grasa ósea, el esqueleto, en particular el cráneo y los bordes de las costillas, permaneció de color marrón. La grasa residual era difícil de eliminar y, si no se trataba, atraería a los roedores, se deterioraría y haría que el espécimen no fuera apto para la presentación. Incluso en condiciones perfectas de conservación, los huesos de animales pueden ser descompuestos por diversos microorganismos que habitan en el polvo¹⁰. Se decidió documentar digitalmente la morfología del esqueleto semidesengrasado y luego imprimirlo en 3D con materiales duraderos como réplica sanitaria del original.

Los modelos 3D de especímenes biológicos se pueden generar por varios medios, incluidas imágenes médicas, escaneo de superficies y fotogrametría. Las modalidades de imágenes médicas, como la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética, producen imágenes multiplanares que incluyen características externas e internas, pero carecen de color y textura. La TC se ha utilizado para documentar la anatomía o patología de trematodos, barbas y cráneos de varias especies, revelando su adaptación única en la locomoción, la búsqueda de alimento y el neurodesarrollo 11,12,13,14,15,16. El escaneo de superficie proyecta luz láser o de estructura en el objeto, donde el patrón de reflexión se convierte en datos geométricos mediante triangulación trigonométrica para generar un modelo de superficie. La fotogrametría registra una serie de fotos ligeramente superpuestas del objetivo. La cámara gira alrededor del objeto o el objeto gira sobre una plataforma giratoria al disparar. El proceso se repite con diferentes ángulos y alturas de la cámara antes de voltear el objeto para capturar la parte inferior de la misma manera. Las fotos se importan a un software de modelado, que calcula la ubicación y la distancia de cada entidad en el espacio 3D para producir nubes de puntos. La información geométrica se procesa mediante triangulación de las nubes de puntos para generar mallas poligonales, que pueden ser editadas y fabricadas. La reconstrucción 3D puede reflejar mediciones precisas de las superficies escaneadas y los volúmenes¹⁷.

La fotogrametría se consideró un enfoque adecuado para la documentación en 3D del esqueleto de ballena de Omura en vista de su bajo costo de equipo, la calidad de producción adecuada y la flexibilidad para tratar huesos de tamaños y formas muy variables. Por ejemplo, el cráneo de la ballena medía 2,6 metros, lo que hacía inviables los métodos en miniatura como el escaneo láser de superficies en 3D. El equipo necesario para la fotogrametría es fácilmente accesible: solo una cámara digital con alta resolución de captura (>5 megapíxeles) y un software de modelado, que es mucho más barato que los escáneres ópticos o láser para el escaneo de superficies en 3D. Además, el escaneo de superficies 3D requiere que el escáner esté conectado a una computadora de rendimiento razonablemente alto durante la recopilación de datos, los cuales requieren una fuente de alimentación independiente. El escaneo 3D de superficies no es aplicable cuando no hay una fuente de energía, por ejemplo, en el caso de especímenes muy grandes con transportabilidad limitada, o cuando el cadáver original de la ballena debe escanearse in situ. Para la fotogrametría, solo se necesita una cámara digital, un trípode y un aparato de soporte como una plataforma giratoria. Por lo tanto, la fotogrametría es una opción más asequible y con una gran portabilidad para pequeños grupos de investigación.

Los modelos digitales se transforman en productos físicos mediante la impresión 3D. Capas de ácido poliláctico (PLA) derretido se apilan y solidifican para reproducir el esqueleto de la ballena. La réplica realista, impresa a medio tamaño, se puede utilizar para exhibición pública y con fines educativos. Para los estudiantes y el profano en general, tocar modelos anatómicos puede ayudarles a apreciar al animal no solo visualmente sino también por sensación. Para profesionales como los jóvenes clínicos y científicos, puede ser difícil entender estructuras complicadas a partir de imágenes 2D¹⁸. Tradicionalmente, los especímenes biológicos se someten a la plastinación para convertirse en adjuntos educativos, sin embargo, el proceso es bastante complicado, requiere muchos recursos y requiere mucho tiempo. Los cadáveres pueden poseer peligros biológicos, y solo se genera un modelo a partir de cada espécimen. La documentación y la impresión 3D ofrecen experiencias interactivas que son más agradables que los libros de texto o las animaciones virtuales. Incluso la disección virtual no puede ofrecer los beneficios de la manipulación tangible y, por lo tanto, es impopular entre los estudiantes¹⁹. Con la tecnología de impresión 3D, se pueden replicar múltiples copias de un espécimen raro, sostenerlas en la mano y estudiarlas de cerca desde diferentes ángulos, sin olores indeseables ni temor a^romperlas. El producto se puede personalizar, por ejemplo, a escala reducida para facilitar la manipulación o impreso en diferentes colores para una ilustración estética. Los modelos 3D también se pueden editar digitalmente para restaurar piezas rotas o faltantes, lo que permite una mayor versatilidad. La documentación y la impresión 3D también facilitan el intercambio de conocimientos entre los investigadores. Un yacimiento óseo puede grabarse digitalmente, compartirse en línea e imprimirse bajo demanda. Los especímenes pueden ser "prototipados" y distribuidos en el extranjero como un paquete estándar en lugar de una muestra biológica, lo que requiere una cuarentena especial o documentación legal. Los modelos electrónicos 3D que comprenden métricas clave de los huesos de ballena también se comparten en línea con otros institutos para facilitar las colaboraciones científicas entre investigadores de todo el mundo.

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Protocolo

1. Preparación

1. Monta el esqueleto de ballena semidesengrasado.
2. Designe un código para cada pedazo de hueso. El código se utilizará en la sesión de fotos, la generación de modelos 3D y la impresión 3D.

2. Fotogrametría

1. Ajustes de la cámara y el trípode
   1. Utilice un objetivo estándar con una distancia focal de 24-70 mm, un diámetro de 77-82 mm y un número f de 2,8 L. Evite los objetivos gran angular. Utilice un trípode compatible con altura ajustable de 40-150 cm.
   2. Ajuste el obturador entre 1/25 y 1/30, dependiendo de las condiciones de iluminación.
   3. Ajuste la apertura en f11 a f13. Asegúrese de que el fondo se capture claramente.
   4. Establezca ISO en automático. Asegúrese de que el valor no supere 1600.
   5. Coloque el trípode a una distancia aproximada de 20-40 cm de la muestra.
   6. Para la elevación horizontal, ajuste la altura del trípode de modo que la cámara esté horizontal al espécimen (Figura 1).
   7. Para una elevación superior, ajuste la altura del trípode de modo que la cámara se incline hacia abajo 45° por encima de la muestra.
   8. Para una elevación inferior, ajuste la altura del trípode de modo que la cámara se incline 45° por debajo de la muestra.
2. Disparo a las vértebras
   1. Prepare una mesa transparente en la habitación A. Aquí se escaneará la parte dorsal del hueso.
   2. Coloca el hueso sobre la mesa. Use un anillo de luz para los huesos con aceite residual y que parecen más oscuros. Opcional: coloque papel de aluminio debajo para una mejor reflexión de la luz.
   3. Coloque 2-3 tarjetas de marcador a distancias conocidas como referencia de escala.
   4. Coloque el trípode en la elevación horizontal (paso 2.1.6).
   5. Tome una foto, luego mueva la cámara de 15 a 20 ° circularmente alrededor del espécimen. Repita hasta completar un giro de 360°.
   6. Ajuste el trípode a una elevación superior (paso 2.1.7). Repite la sesión de fotos (paso 2.2.5).
   7. Prepara una mesa transparente en la habitación B. Aquí se explorará la parte ventral del hueso.
   8. Coloca el hueso boca abajo sobre la mesa. Repita la sesión de fotos (pasos 2.2.4 a 2.2.6).
      NOTA: Las habitaciones A y B no deben tener ningún objeto común, excepto el espécimen. El fondo debe permanecer sin cambios para evitar confusiones durante el posprocesamiento. Se debe mantener una distancia focal y una distancia fijas del objeto durante toda la sesión de fotos. Para el cálculo de la escala, se deben capturar al menos 2 tarjetas de marcador en una sola foto. Se deben capturar al menos 5 fotos con tarjetas de marcador para cada espécimen. Para especímenes con características únicas (por ejemplo, forámenes), se deben capturar 2-3 fotos de primer plano adicionales. Todo esto también se aplica a los pasos 2.3 y 2.4.
3. Fotografiar los huesos grandes (cráneo, mandíbulas, costillas, escápulas, etc.)
   1. Prepare soportes transparentes (estantes o cajas) y coloque el hueso en los soportes.
   2. Coloque el trípode en la elevación horizontal (paso 2.1.6).
   3. Tome una foto, luego mueva la cámara de 15 a 20 ° circularmente alrededor del espécimen. Repita hasta completar un giro de 360°.
   4. Ajuste el trípode a una elevación superior (paso 2.1.7). Repite la sesión de fotos (paso 2.3.3).
   5. Ajuste el trípode a una elevación inferior (paso 2.1.8). Repite la sesión de fotos (paso 2.3.3).
4. Disparo a los huesos pequeños (falanges, galones, etc.)
   1. Prepare un plato giratorio cubierto por papel de aluminio, encima de él coloque un cubo de espuma con algunos palillos apuntando hacia arriba como soporte para el espécimen.
   2. Coloca el hueso encima de los palillos de dientes para que su parte ventral sea visible desde abajo.
   3. Coloque el trípode en la elevación horizontal (paso 2.1.6).
   4. Tome una foto, luego gire la plataforma giratoria entre 15 y 20 °. Repita hasta completar un giro de 360°.
   5. Ajuste el trípode a una elevación superior (paso 2.1.7). Repite la sesión de fotos (paso 2.4.4).
   6. Ajuste el trípode a una elevación inferior (paso 2.1.8). Repite la sesión de fotos (paso 2.4.4).

3. Procesamiento de datos mediante software de modelado (ver Tabla de Materiales)

1. Creación de una nube de puntos dispersa
   1. Vaya al menú Flujo de trabajo , seleccione Agregar fragmento y Agregar fotos. Seleccione todas las fotos de un solo espécimen y haga clic en Abrir.
   2. Vaya al menú Flujo de trabajo , seleccione Alinear fotos y haga clic en Aceptar. Este paso llevará algún tiempo.
   3. Vaya al menú Modelo y seleccione Selección gradual.
   4. Seleccione Incertidumbre de reconstrucción, establezca el valor en 10 y haga clic en Aceptar. Pulse [DEL] para eliminar los puntos seleccionados.
   5. Vaya al menú Herramientas , seleccione Optimizar cámaras. Marque Adaptación del modelo de cámara y haga clic en Aceptar.
   6. Repita el paso 3.1.3, seleccione Error de reproyección, establezca el valor por debajo de 0,5 y haga clic en Aceptar. Pulse [DEL] para eliminar los puntos seleccionados.
   7. Repita el paso 3.1.3, seleccione Precisión de proyección, establezca el valor por debajo de 10 y haga clic en Aceptar. Pulse [DEL] para eliminar los puntos seleccionados.
   8. Gire la nube de puntos y elimine los puntos no deseados con la herramienta Selección de forma libre y [DEL].
2. Limpieza de la nube dispersa
   1. Vaya al menú Flujo de trabajo , seleccione Crear malla.
   2. Seleccione Nube dispersa como origen, desmarque Calcular colores de vértice y haga clic en Aceptar.
   3. Vaya al menú Archivo , seleccione Importar – Importar máscaras.
   4. Seleccione Del modelo como método, Reemplazo como operación, aplicar a Todas las cámaras y haga clic en Aceptar.
3. Construcción de una nube de puntos densa
   1. Vaya al menú Flujo de trabajo , seleccione Crear nube densa.
   2. Seleccione la Calidad (Media o Alta), desmarque Calcular colores de puntos y haga clic en Aceptar. Este paso llevará algún tiempo.
   3. Gire la nube de puntos y elimine los puntos no deseados con la herramienta de selección de forma libre si es necesario.
4. Limpiando la densa nube
   1. Vaya al menú Flujo de trabajo , seleccione Crear malla.
   2. Seleccione Nube densa como origen y haga clic en Aceptar. Espere a que se cargue y guarde el proyecto.
5. Escalado del modelo
   1. En el panel Fotos , haga doble clic en una fotografía con tarjetas de marcador. Acérquese y haga clic con el botón derecho en el centro de un marcador y seleccione Agregar marcador. Repita el procedimiento para otros marcadores de la foto.
   2. Repita el procedimiento para todas las fotos con tarjetas de marcador. Para los marcadores agregados anteriormente, haga clic con el botón derecho, seleccione Colocar marcador y elija de la lista
   3. Ajuste la posición de los marcadores manteniendo presionado el clic izquierdo.
   4. En el panel Espacio de trabajo , en Fragmento – Marcador, seleccione un par de marcadores con distancia conocida manteniendo pulsada la tecla [CTRL]. Haga clic con el botón derecho y seleccione Crear barra de escala. Repita para todos los pares.
   5. En el panel Espacio de trabajo , en Fragmento – Barras de escala, seleccione el par de marcadores.
   6. En el panel Referencia, introduzca la Distancia en metros. Repita para todos los pares.
   7. Guarde el proyecto.

4. 3D impresión del esqueleto

1. Impresión del modelo
   1. Exportar. STL a un software de impresión 3D (ver Tabla de Materiales).
   2. Mueva y gire el objeto en la plataforma si es necesario. Asegúrese de que el objeto esté colocado con una superficie plana grande que toque la base. Escale hacia arriba o hacia abajo si es necesario.
      NOTA: La impresión 3D es un procedimiento que requiere mucho tiempo y la forma irregular de los huesos puede complicar el proceso. La superficie más plana debe designarse como la parte inferior del modelo para que la impresión permanezca estable durante toda la impresión.
   3. En el caso de las piezas que son demasiado grandes para imprimirlas (por ejemplo, las mandíbulas), utilice la función de corte libre para dividir el objeto en partes y pegar las impresiones.
   4. Imprime el modelo con filamento PLA. Utilice una distancia de paso de 0,03 mm.
      NOTA: Se recomienda imprimir a una distancia de pasada más pequeña para modelos con características de escala fina, que requerirán un tiempo de impresión más largo.
2. Visualización del esqueleto
   1. Haga coincidir los productos impresos en 3D con los originales por el código designado. Compruebe si hay algún error tipográfico. Vuelva a imprimir si es necesario. Ensambla el esqueleto para exhibirlo.

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Resultados

En este estudio, se escanearon individualmente 166 piezas de hueso y los modelos 3D de resolución de 1 mm se guardaron en . Formato STL. El formato de estereolitografía registra la geometría de la superficie de los objetos 3D sin color ni textura, lo cual es común para la impresión 3D. El modelo 3D completo del esqueleto de la ballena de Omura se subió en línea para acceso público (https://www.cityu.edu.hk/cvmls/omura). La calavera fue impresa con una impresora 3D profesio...

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Discusión

Los esqueletos para exhibición deben estar libres de aceite e inodoros. Los huesos de ballena son notoriamente aceitosos, lo que hace que su preparación sea excepcionalmente desafiante. Los restos óseos de una ballena azul juvenil varada en 1998 se exhibieron en el Museo Ballenero de New Bedford, Massachusetts. A pesar del tremendo tratamiento por parte de los profesionales, los huesos permanecieron amarillentos con un olor desagradable, y han estado rezumando aceite continuamente dur...

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Materiales

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