香港海域に座礁した大村クジラを例にした鯨類骨格の写真測量3次元モデリングとプリント

要約

半脱脂されたヒゲクジラの骨の形態は、デジタル一眼レフカメラを使用した写真測量によって記録され、コンピューターで3次元(3D)モデルが生成され、展示および教育目的でオリジナルの半分のサイズのレプリカとして3D印刷されました。

要約

鯨類、特にヒゲクジラの骨格の調製は、その高い脂質含有量と珍しいサイズのために大きな課題を提示します。骨格形態の文書化は、研究目的と教育目的の両方で正確で信頼性の高いモデルを作成するために重要です。本稿では、2014年に香港海域で座礁した全長10.8mの大村クジラを例に挙げて説明します。この希少で巨大な標本は、肉を剥がし、浸軟し、天日干しして、研究と一般公開のための骨格を生み出しました。その後、各骨の形態を写真測量法で記録しました。骨格の複雑な輪郭は、自動写真撮影を不適切にし、異なるサイズと形状の骨に3つの手動の方法が使用されました。撮影した写真を加工して、166個の骨の3次元(3D)モデルを作成しました。骨格はディスプレイ用にポリ乳酸でハーフサイズにプリントされており、残留脂肪分の多い実際の鯨類の骨よりもメンテナンスが容易でした。印刷された骨は、吻側領域が曲がっていることや、Ce1と連結する尾側顆面など、標本のほとんどの解剖学的特徴を反映していたが、 Balaenoptera omuraiの診断的特徴である頭頂扁平上皮縫合糸の孔や、側縁の後端の前頭骨のへこんだ溝は明確には示されていなかった。モデルの精度を向上させるために、細部までこだわった領域で追加の写真撮影または3D表面スキャンを実行する必要があります。3Dスケルトンの電子ファイルは、世界中の人々に届き、世界中の研究者間の科学的な協力を促進するためにオンラインで公開されました。

概要

鯨類の座礁は、その生活史、生物学的な健康状態とプロファイル、および人為的行動が生態系に及ぼす影響について学ぶ貴重な機会を提供します。3次元(3D)表現とモデリングにより、生体力学的計算に使用できる形態測定を正確に表現でき、さまざまな生理学的行動に関する洞察を得ることができます¹。形態学的適応により、これらの動物は海で生き残ることができましたが、座礁したクジラ類で観察されたいくつかの病状は、彼らの生物学的健康とプロファイル、人為的および非人為的な状況または死因を明らかにする可能性があります^2,3。骨の損傷とそれに続く外傷性衝突は、動物が途方もない水中圧力の下で絶えず泳ぐ必要があるため、治癒しないままになる可能性があります⁴。海洋哺乳類では、圧迫および非致死的なガス塞栓症により、骨への血液供給が減少し、圧外傷を引き起こす可能性があります⁵。骨のリモデリングに悪影響を及ぼすと、痛みや脊椎の可動性の低下が生じ、捕食やその他の脅威による生存が損なわれる可能性があります。世界中の鯨類の死亡率と罹患率の報告の増加は、海洋の健康が減少する可能性も示しています^6,7。海洋の重要性と、人間の健康と鯨類および生態系の健康との間の切っても切れない関係を認識することは、「One Ocean-One Health」研究パラダイム⁸につながりました。

2014年3月31日、オオムラクジラ(Balaenoptera omurai)が香港の千鳥入りカントリーパークの紅石門付近で座礁しました。それは10.8メートルの成体雌であり、2003年に最初に発見されて以来、これらの種のうちインド太平洋地域で発見されたのはごくわずか^です9。このサイズのクジラの浜辺は香港では一般的ではないため、このイベントは研究と教育の目的で骨格を保存する機会を提供しました。浜に打ち上げられた動物は、発見現場で解剖され、肉体を剥がされ、外部の筋肉と内臓の大部分が取り除かれました。肉眼的剖検により、死骸は自己消化の進行状態にあったが、体を横切る複数の深い裂傷があり、その中で最も重篤なのは右胸鰭に集中し、骨全体に深い横裂傷が広がっていることが明らかになり、もつれの証拠と観察された死亡率との関連性がある程度確信できることが示されました。骨格の遺体は、香港特別行政区政府の農業・漁業・保存局によってランタオ島の場所に運ばれ、そこでウジ虫が軟組織を消費するために利用されました。骨は、手作業によるスクラブで2ヶ月間水浸軟によって脱脂されました。かなりの量の骨脂肪が抽出されたにもかかわらず、骨格、特に頭蓋骨と肋骨の縁は茶色のままでした。残留脂肪は除去が難しく、治療せずに放置するとげっ歯類を引き寄せて劣化し、標本を展示に適さなくします。完全な保存条件があっても、動物の骨は、さまざまな塵に生息する微生物によって分解される可能性があります¹⁰。半脱脂されたスケルトンの形態をデジタルで文書化し、オリジナルの衛生的なレプリカとして耐久性のある素材で3Dプリントすることが決定されました。

生体試料の3Dモデルは、医用画像、表面スキャン、写真測量など、いくつかの手段で生成できます。コンピューター断層撮影(CT)や磁気共鳴画像法などの医用画像モダリティは、外部と内部の両方の特徴を含む多平面画像を生成しますが、色とテクスチャはありません。CTは、さまざまな種の吸虫、ヒゲ、および頭蓋骨の解剖学または病理を文書化するために利用されており、移動、採餌、および神経発達におけるそれらのユニークな適応を明らかにしています11,12,13,14,15,16。表面スキャンは、レーザー光または構造光をオブジェクトに投影し、反射パターンが三角測量によって幾何学的データに変換され、表面モデルが生成されます。フォトグラメトリは、ターゲットのわずかに重なり合った一連の写真を記録します。カメラがオブジェクトの周りを回転するか、撮影時にターンテーブル上でオブジェクトが回転します。このプロセスは、オブジェクトを裏返して下側を同様にキャプチャする前に、さまざまなカメラアングルと高さで繰り返されます。写真はモデリングソフトウェアにインポートされ、3D空間内の各フィーチャの位置と距離を計算して点群が生成されます。幾何学的情報は、点群の三角測量によって処理され、編集および製造可能なポリゴンメッシュが生成されます。3D再構成は、スキャンされた表面とボリュームの正確な測定値を反映することができます¹⁷。

フォトグラメトリは、その低い設備コスト、適切な出力品質、および大きく異なるサイズと形状の骨を処理する柔軟性の観点から、大村のクジラの骨格の3D文書化に適したアプローチと考えられていました。例えば、クジラの頭蓋骨は2.6メートルの大きさで、レーザー3D表面スキャンのようなミニチュアの方法は不可能でした。フォトグラメトリに必要な機器は、高いキャプチャ解像度(>5メガピクセル)のデジタルカメラと、3D表面スキャン用の光学スキャナーやレーザースキャナーよりもはるかに安価なモデリングソフトウェアのみで、簡単に入手できます。さらに、3Dサーフェススキャンでは、データ収集中にスキャナーを適度に高性能なコンピューターに接続する必要があり、どちらも独立した電源が必要です。3D表面スキャンは、電源がない場合、たとえば、輸送性が制限された非常に大きな標本の場合や、元のクジラの死骸を現場でスキャンする場合には適用されません。フォトグラメトリに必要なのは、デジタルカメラ、三脚、ターンテーブルなどの支持装置だけです。したがって、フォトグラメトリは、小規模な研究グループにとって、より手頃な価格で、携帯性に優れています。

デジタルモデルは、3Dプリントによって物理的な製品に変換されます。溶けたポリ乳酸(PLA)の層を積み重ねて固め、クジラの骨格を再現します。ハーフサイズで印刷されたリアルなレプリカは、一般公開や教育目的で使用できます。学生や一般の素人にとって、解剖模型に触れることは、視覚的だけでなく感覚によっても動物を理解するのに役立ちます。若い臨床医や科学者のような専門家にとって、2D画像から複雑な構造を理解するのは難しいかもしれません¹⁸。従来、生物学的標本はプラスティネーションを受けて教育用補助剤となりますが、そのプロセスは非常に複雑で、リソースを要求し、時間がかかります。死骸には生物学的な危険性がある可能性があり、各標本から1つのモデルのみが生成されます。3Dドキュメンテーションとプリンティングは、教科書やバーチャルアニメーションよりも楽しいインタラクティブな体験を提供します。仮想解剖でさえ、具体的な操作の利点を提供できないため、学生の間では不評です¹⁹。3Dプリンティング技術により、希少な標本の複数のコピーを複製し、手に持ち、さまざまな角度から綿密に研究することができ、望ましくない臭いやそれらを壊す恐れはありません²⁰。この製品は、操作を容易にするために縮小したり、美的イラストレーションのためにさまざまな色で印刷したりするなど、カスタマイズできます。3Dモデルは、壊れた部品や欠落している部品を復元するためにデジタル編集することもできるため、汎用性が向上します。また、3Dドキュメンテーションとプリンティングは、研究者間の知識共有を促進します。骨格の残骸は、デジタルで記録し、オンラインで共有し、オンデマンドで印刷することができます。検体は「プロトタイプ化」し、生物学的サンプルの代わりに標準小包として海外に配布することができますが、これには特別な検疫や法的文書が必要です。クジラの骨の主要な指標を含む電子3Dモデルは、世界中の研究者間の科学的な協力を促進するために、他の研究所ともオンラインで共有されています。

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プロトコル

1. 事前準備

1. 半脱脂したクジラの骨格を組み立てます。
2. 骨の各部分にコードを指定します。コードは、写真撮影、3Dモデル生成、および3D印刷で使用されます。

2. フォトグラメトリ

1. カメラと三脚の設定
   1. 焦点距離24-70 mm、直径77-82 mm、f値2.8 Lの標準レンズを使用し、広角レンズは避けてください。高さが40〜150cmの互換性のある三脚を使用してください。
   2. シャッターは照明条件に応じて1/25〜1/30に設定します。
   3. 絞りをf11からf13に設定します。背景がはっきりとキャプチャされていることを確認します。
   4. ISOを自動に設定します。値が 1600 を超えないようにしてください。
   5. 三脚を標本から約20〜40cm離してセットします。
   6. 水平方向の仰角の場合は、カメラが試験片に対して水平になるように三脚の高さを調整します(図1)。
   7. 優れた仰角を得るには、カメラが試験片から45°下に傾くように三脚の高さを調整します。
   8. 下仰角の場合は、カメラが試験片から45°下に傾くように三脚の高さを調整します。
2. 椎骨を撃つ
   1. 部屋Aに透明な卓上を準備します。骨 の背側 部分がここでスキャンされます。
   2. ボーンをテーブルトップに置きます。リングライトは、油分が残っている骨や暗く見える骨に使用します。オプション:光の反射を良くするために、下にアルミホイルを置きます。
   3. 縮尺基準として、既知の距離に2〜3枚のマーカーカードを配置します。
   4. 三脚を水平の高さに設定します(手順2.1.6)。
   5. 写真を撮り、カメラを標本の周りを15〜20°円状に動かします。360°の回転が完了するまで繰り返します。
   6. 三脚を上位の高さに設定します(手順2.1.7)。写真撮影を繰り返します(手順2.2.5)。
   7. 部屋Bに透明な卓上を準備します。骨の 腹側 部分がここでスキャンされます。
   8. ボーンを逆さまにしてテーブルトップに置きます。撮影を繰り返します(手順2.2.4〜2.2.6)。
      注:部屋AとBには、標本以外の共通のオブジェクトを配置しないでください。後処理中の混乱を防ぐために、背景は変更しないでください。写真撮影全体を通して、焦点距離と被写体からの距離は固定する必要があります。縮尺を計算するには、1 枚の写真に少なくとも 2 枚のマーカー カードをキャプチャする必要があります。標本ごとにマーカーカード付きの写真を少なくとも5枚撮影する必要があります。ユニークな特徴を持つ標本(有孔虫など)の場合は、2〜3枚の追加のクローズアップ写真を撮影する必要があります。これらはすべて、ステップ 2.3 と 2.4 にも適用されます。
3. 大きな骨(頭蓋骨、下顎骨、肋骨、肩甲骨など)を撃つ
   1. 透明なサポーター(棚や箱)を用意し、サポーターに骨を乗せます。
   2. 三脚を水平の高さに設定します(手順2.1.6)。
   3. 写真を撮り、カメラを標本の周りを15〜20°円状に動かします。360°の回転が完了するまで繰り返します。
   4. 三脚を上位の高さに設定します(手順2.1.7)。写真撮影を繰り返します(手順2.3.3)。
   5. 三脚を劣った高さに設定します(手順2.1.8)。写真撮影を繰り返します(手順2.3.3)。
4. 小骨(指骨、シェブロンなど)を撃つ
   1. アルミホイルで覆われたターンテーブルを準備し、その上に、標本のサポートとして上向きのつまようじがいくつかあるフォームキューブを置きます。
   2. 骨をつまようじの上に置き、腹側部分が下から見えるようにします。
   3. 三脚を水平の高さに設定します(手順2.1.6)。
   4. 写真を撮ってから、ターンテーブルを15〜20°回転させます。360°の回転が完了するまで繰り返します。
   5. 三脚を上位の高さに設定します(手順2.1.7)。写真撮影を繰り返します(手順2.4.4)。
   6. 三脚を劣った高さに設定します(手順2.1.8)。写真撮影を繰り返します(手順2.4.4)。

3. モデリングソフトによるデータ処理(資料表参照)

1. スパース点群の作成
   1. [ワークフロー]メニューに移動し、[チャンクの追加]と[写真の追加]を選択します。1 つの標本の写真をすべて選択し、[開く] をクリックします。
   2. [ワークフロー]メニューに移動し、[写真を整列]を選択して[OK]をクリックします。この手順には時間がかかります。
   3. [モデル]メニューに移動し、[段階的な選択]を選択します。
   4. [Reconstruction Uncertainty] を選択し、値を 10 に設定して [OK] をクリックします。[DEL]を押して、選択したポイントを削除します。
   5. [ツール]メニューに移動し、[カメラの最適化]を選択します。アダプティブカメラモデルのフィッティングにチェックを入れ、OKをクリックします。
   6. 手順3.1.3を繰り返し、[ Reprojection Error]を選択し、値を 0.5未満 に設定して [OK]をクリックします。 [DEL] を押して、選択したポイントを削除します。
   7. 手順3.1.3を繰り返し、[ 投影精度]を選択し、値を 10未満 に設定して[ OK]をクリックします。 [DEL] を押して、選択したポイントを削除します。
   8. 点群を回転させ、不要な点を削除するには、自由形式選択ツールと[DEL]を使用します。
2. まばらなクラウドのクリーニング
   1. [ワークフロー] メニューに移動し、[メッシュの構築] を選択します。
   2. ソースとして [スパース クラウド ] を選択し、[ 頂点の色を計算 ] のチェックを外して [OK] をクリックします。
   3. [ファイル]メニューに移動し、[インポート]-[マスクのインポート]を選択します。
   4. 「モデル から 」を方法として、「 置換 」を「操作」として選択し、「すべてのカメラ に適用」を選択して 、「OK」をクリックします。
3. 密集した点群の構築
   1. [ワークフロー] メニューに移動し、[高密度クラウドの構築] を選択します。
   2. [品質] ([中] または [高]) を選択し、[ポイントの色を計算] のチェックを外して [OK] をクリックします。この手順には時間がかかります。
   3. 点群を回転させ、必要に応じて フリーフォーム選択ツールを使用して 不要な点を削除します。
4. 密集した雲の掃除
   1. [ワークフロー] メニューに移動し、[メッシュの構築] を選択します。
   2. ソースとして [Dense cloud ] を選択し、[ OK] をクリックします。プロジェクトが読み込まれて保存されるのを待ちます。
5. モデルのスケーリング
   1. 写真パネルで、マーカーカード付きの写真をダブルクリックします。拡大してマーカーの中央で右クリックし、[マーカーの追加] を選択します。写真上の他のマーカーについても繰り返します。
   2. マーカーカードのあるすべての写真に対して繰り返します。以前に追加したマーカーの場合は、 右クリックして [ マーカーの配置] を選択し、リストから選択します
   3. マーカーの位置を調整するには、 左クリックを押したままにします。
   4. ワークスペースパネルの「チャンク – マーカー」で、既知の距離を持つマーカーのペアを[CTRL]を押しながら選択します。右クリックして[スケールバーを作成]を選択します。すべてのペアに対して繰り返します。
   5. ワークスペースパネルの「チャンク - スケールバー」で、マーカーのペアを選択します。
   6. [参照]パネルで、[距離]をメートル単位で入力します。すべてのペアに対して繰り返します。
   7. プロジェクトを保存します。

スケルトンの4. 3Dプリント

1. モデルの印刷
   1. 輸出。STLファイルを3Dプリントソフトウェアに読み込みます( 材料の表を参照)。
   2. 必要に応じて、プラットフォーム上のオブジェクトを移動および回転させます。オブジェクトがベースに接触する大きな平らな面に配置されていることを確認してください。必要に応じてスケールアップまたはスケールダウンします。
      注:3Dプリントは非常に時間のかかる手順であり、骨の不規則な形状はプロセスを複雑にする可能性があります。最も平らな面をモデルの底部として指定して、印刷中に印刷物が安定するようにする必要があります。
   3. プリントするには大きすぎるパーツ(下顎骨など)の場合は、 フリーカット 機能を使用してオブジェクトをパーツに分割し、プリントアウトを接着します。
   4. PLAフィラメントでモデルを印刷します。0.03 mmのパス距離を使用します。
      注意: より短いパス距離での印刷は、より長い印刷時間を必要とする細かいスケール機能を持つモデルに推奨されます。
2. スケルトンの表示
   1. 3Dプリントされた製品を指定されたコードでオリジナルと一致させます。誤植がないか確認してください。必要に応じて再印刷してください。スケルトンを組み立てて表示します。

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結果

この研究では、166個の骨を個別にスキャンし、1mm解像度の3Dモデルを.STL 形式。光造形は、3D印刷で一般的な色やテクスチャなしで3Dオブジェクトの表面形状を記録します。大村のクジラの骨格の完全な3Dモデルは、一般公開のためにオンラインでアップロードされました（https://www.cityu.edu.hk/cvmls/omura。頭蓋骨はサイズが大きいため、プロの3Dプリンターで印刷さ?...

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ディスカッション

展示用のスケルトンは、オイルフリーで無臭である必要があります。クジラの骨は油っぽいことで有名で、その準備は非常に困難です。1998年に座礁したシロナガスクジラの幼体は、マサチューセッツ州のニューベッドフォード捕鯨博物館に骨格の遺体が展示されていました。専門家による多大な治療にもかかわらず、骨は黄色がかったままで不快な臭いがし、20年以...

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資料

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