Modelagem tridimensional fotogramétrica e impressão de esqueleto de cetáceos usando uma baleia de Omura encalhada em águas de Hong Kong como exemplo

Resumo

A morfologia óssea de uma baleia de barbatanas semi-desengordurada foi documentada por fotogrametria com uma câmera DSLR para gerar modelos tridimensionais (3D) por computador, que foram impressos em 3D como réplicas de tamanho médio do original para exibição e fins educacionais.

Resumo

A preparação de esqueletos de cetáceos, em particular de baleias de barbatanas, apresenta um grande desafio devido ao seu alto teor de lipídios e tamanho incomum. A documentação da morfologia esquelética é importante para produzir modelos precisos e confiáveis para fins de pesquisa e educação. Neste artigo, usamos uma baleia de Omura de 10,8 metros de comprimento encalhada nas águas de Hong Kong em 2014 como exemplo para a ilustração. Este espécime raro e enorme foi descarnado, macerado e seco ao sol para produzir o esqueleto para pesquisa e exibição pública. A morfologia de cada osso foi então documentada por fotogrametria. O contorno complexo do esqueleto tornou a sessão de fotos automatizada inadequada e 3 métodos manuais foram usados em ossos de diferentes tamanhos e formas. As fotos capturadas foram processadas para gerar modelos tridimensionais (3D) de 166 ossos individuais. O esqueleto foi impresso com metade do tamanho com ácido polilático para fins de exibição, o que era mais fácil de manter do que os ossos reais de cetáceos com alto teor de gordura residual. Os ossos impressos refletiam a maioria das características anatômicas do espécime, incluindo a região rostral arqueada e a faceta condilar caudal que se articulava com Ce1, mas os forames na sutura parieto-escamosal, que são caráter diagnóstico de Balaenoptera omurai, e um sulco recuado no osso frontal na extremidade posterior da borda lateral não foram claramente apresentados. Sessões de fotos extras ou digitalização de superfície 3D devem ser realizadas em áreas com detalhes meticulosos para melhorar a precisão dos modelos. Os arquivos eletrônicos do esqueleto 3D foram publicados online para atingir um público global e facilitar a colaboração científica entre pesquisadores em todo o mundo.

Introdução

Os encalhes de cetáceos oferecem oportunidades valiosas para aprender sobre sua história de vida, saúde biológica e perfil, bem como o efeito das ações antrópicas no ecossistema. A representação e modelagem tridimensional (3D) permitem a representação precisa de medidas morfométricas que podem ser usadas para cálculos biomecânicos e fornecem informações sobre vários comportamentos fisiológicos¹. Adaptações morfológicas permitiram que esses animais sobrevivessem no oceano, enquanto algumas patologias observadas em cetáceos encalhados poderiam revelar sua saúde e perfil biológico, circunstâncias antropogênicas e não antropogênicas ou causa de morte ^2,3. A lesão óssea seguida de colisão traumática pode permanecer sem cicatrização, uma vez que os animais são obrigados a nadar continuamente sob tremenda pressão subaquática⁴. Em mamíferos marinhos, a compressão e a embolia gasosa não fatal podem diminuir o suprimento sanguíneo para os ossos e causar barotraumas⁵. A remodelação óssea adversa pode resultar em dor e diminuição da mobilidade da coluna vertebral que compromete sua sobrevivência após a predação ou outras ameaças. Aumentos nos relatórios de mortalidade e morbidade em cetáceos em todo o mundo também indicaram o possível declínio na saúde dos oceanos ^6,7. Reconhecer a importância do oceano e as ligações inextricáveis entre a saúde humana e a saúde dos cetáceos e do ecossistema levou ao paradigma de pesquisa 'One Ocean−One Health'⁸.

Em 31 de março de 2014, uma baleia de Omura (Balaenoptera omurai) encalhou perto de Hung Shek Mun, Plover Cove Country Park, Hong Kong. Era uma fêmea adulta de 10,8 metros, e apenas algumas dessas espécies foram encontradas na região do Indo-Pacífico desde que foi descoberta pela primeira vez em 2003⁹. O encalhe de uma baleia desse tamanho não é comum em Hong Kong, portanto, este evento apresentou uma oportunidade de preservar o esqueleto para fins de pesquisa e educação. O animal encalhado foi dissecado e descarnado no local da descoberta, com a maioria dos músculos externos e órgãos internos removidos. A necropsia macroscópica revelou que a carcaça estava em um estado avançado de autólise, mas tinha várias lacerações profundas cruzando o corpo, a mais grave delas centrada na nadadeira peitoral direita com uma laceração transversal profunda que se estende por todo o osso, demonstrando um certo grau de ligação confiante de evidência de emaranhamento com uma condição observada da mortalidade. Os restos mortais foram transportados para um local na ilha de Lantau pelo Departamento de Agricultura, Pesca e Conservação do Governo da Região Administrativa Especial de Hong Kong, onde larvas foram utilizadas para consumir os tecidos moles. Os ossos foram desengordurados por maceração em água por 2 meses com esfrega manual. Apesar de uma quantidade significativa de gordura óssea ser extraída, o esqueleto, em particular as bordas do crânio e das costelas, permaneceu de cor marrom. A gordura residual era difícil de remover e, se não tratada, atrairia roedores, deterioraria e tornaria a amostra imprópria para apresentação. Mesmo com condições de conservação perfeitas, os ossos dos animais ainda podem ser decompostos por vários microrganismos que habitam a poeira¹⁰. Decidiu-se ter a morfologia do esqueleto semi-desengordurado documentada digitalmente e depois impressa em 3D com materiais duráveis como uma réplica sanitária do original.

Os modelos 3D de espécimes biológicos podem ser gerados por vários meios, incluindo imagens médicas, varredura de superfície e fotogrametria. Modalidades de imagens médicas, como tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética, produzem imagens multiplanares que incluem características externas e internas, mas carecem de cor e textura. A TC tem sido utilizada para documentar a anatomia ou patologia de vermes, barbatanas e crânio de várias espécies, revelando sua adaptação única na locomoção, forrageamento e neurodesenvolvimento 11,12,13,14,15,16. A varredura de superfície projeta laser ou luz de estrutura no objeto, onde o padrão de reflexão é convertido em dados geométricos por triangulação trigonométrica para gerar um modelo de superfície. A fotogrametria registra uma série de fotos ligeiramente sobrepostas do alvo. A câmera gira em torno do objeto ou o objeto é girado em uma plataforma giratória ao fotografar. O processo é repetido com diferentes ângulos e alturas de câmera antes que o objeto seja virado para capturar a parte inferior da mesma forma. As fotos são importadas para um software de modelagem, que calcula a localização e a distância de cada recurso no espaço 3D para produzir nuvens de pontos. As informações geométricas são processadas pela triangulação das nuvens de pontos para gerar malhas poligonais, que podem ser editadas e fabricadas. A reconstrução 3D pode refletir medições precisas de superfícies e volumes digitalizados¹⁷.

A fotogrametria foi considerada uma abordagem adequada para a documentação 3D do esqueleto da baleia de Omura, tendo em vista seu baixo custo de equipamento, qualidade de saída adequada e flexibilidade para lidar com ossos de tamanhos e formas amplamente variáveis. Por exemplo, o crânio da baleia media 2,6 metros, o que tornava inviáveis métodos em miniatura, como a varredura de superfície 3D a laser. O equipamento necessário para a fotogrametria é facilmente acessível – apenas uma câmera digital com alta resolução de captura (>5 megapixels) e um software de modelagem, que é muito mais barato do que os scanners ópticos ou a laser para digitalização de superfícies 3D. Além disso, a digitalização de superfície 3D requer que o scanner seja conectado a um computador de desempenho razoavelmente alto durante a coleta de dados, ambos os quais requerem uma fonte de alimentação independente. A varredura de superfície 3D é inaplicável quando uma fonte de energia está ausente, por exemplo, no caso de espécimes muito grandes com transportabilidade limitada, ou quando a carcaça original da baleia deve ser escaneada no local. Para fotogrametria, apenas uma câmera digital, um tripé e um aparelho de suporte, como uma plataforma giratória, são necessários. A fotogrametria é, portanto, uma opção mais acessível e com alta portabilidade para pequenos grupos de pesquisa para começar.

Os modelos digitais são transformados em produtos físicos pela impressão 3D. Camadas de ácido polilático (PLA) derretido são empilhadas e solidificadas para reproduzir o esqueleto da baleia. A réplica realista, impressa com metade do tamanho, pode ser usada para exibição pública e fins educacionais. Para estudantes e leigos em geral, tocar em modelos anatômicos pode ajudá-los a apreciar o animal não apenas visualmente, mas também pela sensação. Para profissionais como jovens clínicos e cientistas, pode ser difícil entender estruturas complicadas a partir de imagens 2D¹⁸. Tradicionalmente, os espécimes biológicos passam por plastinação para se tornarem adjuntos educacionais, mas o processo é bastante complicado, exigente em recursos e demorado. As carcaças podem apresentar riscos biológicos e apenas um modelo é gerado a partir de cada espécime. A documentação e a impressão 3D oferecem experiências interativas que são mais agradáveis do que livros didáticos ou animações virtuais. Mesmo a dissecção virtual não pode oferecer os benefícios da manipulação tangível e, portanto, é impopular entre os estudantes¹⁹. Com a tecnologia de impressão 3D, várias cópias de um espécime raro podem ser replicadas, seguradas na mão e estudadas de perto de diferentes ângulos, sem odor indesejável ou medo de quebrá-las²⁰. O produto pode ser personalizado, por exemplo, reduzido para facilitar a manipulação ou impresso em cores diferentes para ilustração estética. Os modelos 3D também podem ser editados digitalmente para restaurar peças quebradas ou ausentes, o que permite maior versatilidade. A documentação e a impressão 3D também facilitam o compartilhamento de conhecimento entre os pesquisadores. Um esqueleto pode ser registrado digitalmente, compartilhado online e impresso sob demanda. Os espécimes podem ser "prototipados" e distribuídos no exterior como uma parcela padrão em vez de uma amostra biológica, o que requer quarentena especial ou documentação legal. Modelos 3D eletrônicos que compreendem as principais métricas dos ossos de baleia também são compartilhados online com outros institutos para facilitar colaborações científicas entre pesquisadores em todo o mundo.

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Protocolo

1. Preparação

1. Monte o esqueleto de baleia semi-desengordurado.
2. Designe um código para cada pedaço de osso. O código será usado na sessão de fotos, geração de modelos 3D e impressão 3D.

2. Fotogrametria

1. Configurações de câmera e tripé
   1. Use uma lente padrão com distância focal de 24-70 mm, diâmetro de 77-82 mm e número f de 2,8 L. Evite lentes grande angulares. Use um tripé compatível com altura ajustável de 40-150 cm.
   2. Defina o obturador em 1/25 a 1/30, dependendo das condições de iluminação.
   3. Defina a abertura em f11 a f13. Certifique-se de que o plano de fundo seja capturado claramente.
   4. Defina ISO como automático. Certifique-se de que o valor não exceda 1600.
   5. Coloque o tripé a aproximadamente 20-40 cm de distância da amostra.
   6. Para elevação horizontal, ajuste a altura do tripé para que a câmera fique na horizontal em relação à amostra (Figura 1).
   7. Para elevação superior, ajuste a altura do tripé para que a câmera se incline para baixo 45° acima da amostra.
   8. Para elevação inferior, ajuste a altura do tripé para que a câmera se incline 45° abaixo da amostra.
2. Atirando nas vértebras
   1. Prepare uma mesa transparente na sala A. A parte dorsal do osso será escaneada aqui.
   2. Posicione o osso no tampo da mesa. Use um anel de luz para ossos com óleo residual e que parecem mais escuros. Opcional: coloque papel alumínio por baixo para melhor reflexão da luz.
   3. Coloque 2-3 cartões marcadores em distâncias conhecidas como referência de escala.
   4. Ajuste o tripé para a elevação horizontal (passo 2.1.6).
   5. Tire uma foto e mova a câmera em 15-20° circularmente ao redor da amostra. Repita até que uma volta de 360° seja concluída.
   6. Coloque o tripé na elevação superior (etapa 2.1.7). Repita a sessão de fotos (etapa 2.2.5).
   7. Prepare uma mesa transparente na sala B. A parte ventral do osso será escaneada aqui.
   8. Posicione o osso de cabeça para baixo no tampo da mesa. Repita a sessão de fotos (etapas 2.2.4 a 2.2.6).
      NOTA: As salas A e B não devem ter objetos comuns, exceto o espécime. O plano de fundo deve permanecer inalterado para evitar confusão durante o pós-processamento. Uma distância focal fixa e distância do objeto durante a sessão de fotos devem ser mantidas. Para o cálculo da escala, pelo menos 2 cartões de marcação devem ser capturados em uma única foto. Pelo menos 5 fotos com cartões marcadores devem ser capturadas para cada espécime. Para espécimes com características únicas (por exemplo, forames), 2-3 fotos extras em close-up devem ser capturadas. Tudo isso também se aplica às etapas 2.3 e 2.4.
3. Atirar nos ossos grandes (crânio, mandíbulas, costelas, escápulas, etc.)
   1. Prepare suportes transparentes (prateleiras ou caixas) e coloque o osso nos suportes.
   2. Ajuste o tripé para a elevação horizontal (passo 2.1.6).
   3. Tire uma foto e mova a câmera em 15-20° circularmente ao redor da amostra. Repita até que uma volta de 360° seja concluída.
   4. Coloque o tripé na elevação superior (etapa 2.1.7). Repita a sessão de fotos (etapa 2.3.3).
   5. Coloque o tripé na elevação inferior (etapa 2.1.8). Repita a sessão de fotos (etapa 2.3.3).
4. Fotografar os ossos pequenos (falanges, divisas, etc.)
   1. Prepare uma plataforma giratória coberta com papel alumínio, em cima dela coloque um cubo de espuma com alguns palitos apontando para cima como suporte para a amostra.
   2. Coloque o osso em cima dos palitos de forma que sua parte ventral fique visível por baixo.
   3. Ajuste o tripé para a elevação horizontal (passo 2.1.6).
   4. Tire uma foto e gire o toca-discos em 15-20°. Repita até que uma volta de 360° seja concluída.
   5. Coloque o tripé na elevação superior (etapa 2.1.7). Repita a sessão de fotos (etapa 2.4.4).
   6. Coloque o tripé na elevação inferior (etapa 2.1.8). Repita a sessão de fotos (etapa 2.4.4).

3. Processamento de dados por software de modelagem (ver Tabela de Materiais)

1. Criando uma nuvem de pontos esparsa
   1. Vá para o menu Fluxo de trabalho , selecione Adicionar pedaço e Adicionar fotos. Selecione todas as fotos de uma única amostra e clique em Abrir.
   2. Vá para o menu Fluxo de trabalho , selecione Alinhar fotos e clique em OK. Esta etapa levará algum tempo.
   3. Vá para o menu Modelo e selecione Seleção gradual.
   4. Selecione Incerteza de reconstrução, defina o valor como 10 e clique em OK. Carregue em [DEL] para remover os pontos seleccionados.
   5. Vá para o menu Ferramentas, selecione Otimizar câmeras. Marque Ajuste do modelo de câmera adaptável e clique em OK.
   6. Repita a etapa 3.1.3, selecione Erro de reprojeção, defina o valor abaixo de 0,5 e clique em OK. Carregue em [DEL] para remover os pontos seleccionados.
   7. Repita a etapa 3.1.3, selecione Precisão de projeção, defina o valor abaixo de 10 e clique em OK. Carregue em [DEL] para remover os pontos seleccionados.
   8. Gire a nuvem de pontos e exclua pontos indesejados com a ferramenta de seleção de forma livre e [DEL].
2. Limpando a nuvem esparsa
   1. Vá para o menu Fluxo de trabalho , selecione Criar malha.
   2. Selecione Nuvem esparsa como Origem, desmarque Calcular cores de vértice e clique em OK.
   3. Vá para o menu Arquivo , selecione Importar – Importar máscaras.
   4. Selecione Do modelo como método, Substituição como operação, aplique a Todas as câmeras e clique em OK.
3. Construindo uma nuvem de pontos densa
   1. Vá para o menu Fluxo de trabalho , selecione Criar nuvem densa.
   2. Selecione a Qualidade (Média ou Alta), desmarque Calcular cores de ponto e clique em OK. Esta etapa levará algum tempo.
   3. Gire a nuvem de pontos e exclua pontos indesejados com a ferramenta de seleção de forma livre , se necessário.
4. Limpando a nuvem densa
   1. Vá para o menu Fluxo de trabalho , selecione Criar malha.
   2. Selecione Nuvem densa como origem e clique em OK. Aguarde o carregamento e salve o projeto.
5. Dimensionando o modelo
   1. No painel Fotos , clique duas vezes em uma foto com cartões de marcador. Aumente o zoom e clique com o botão direito do mouse no centro de um marcador e selecione Adicionar marcador. Repita para outros marcadores na foto.
   2. Repita para todas as fotos com cartões de marcador. Para marcadores adicionados anteriormente, clique com o botão direito do mouse, selecione Colocar marcador e escolha na lista
   3. Ajuste a posição dos marcadores segurando o botão esquerdo.
   4. No painel Área de trabalho , em Fragmento – Marcador, selecione um par de marcadores com distância conhecida mantendo pressionada a tecla [CTRL]. Clique com o botão direito do mouse e selecione Criar barra de escala. Repita para todos os pares.
   5. No painel Área de trabalho , em Fragmento – Barras de escala, selecione o par de marcadores.
   6. No painel Referência, insira a Distância em metros. Repita para todos os pares.
   7. Salve o projeto.

4. 3D impressão do esqueleto

1. Imprimindo o modelo
   1. Exportação. STL para um software de impressão 3D (consulte Tabela de Materiais).
   2. Mova e gire o objeto na plataforma, se necessário. Certifique-se de que o objeto esteja posicionado com uma grande superfície plana tocando a base. Aumente ou diminua verticalmente, se necessário.
      NOTA: A impressão 3D é um procedimento muito demorado e a forma irregular dos ossos pode complicar o processo. A superfície mais plana deve ser designada como a parte inferior do modelo para que a impressão permaneça estável durante a impressão.
   3. Para peças muito grandes para serem impressas (por exemplo, as mandíbulas), use a função Free Cut para dividir o objeto em partes e colar as impressões.
   4. Imprima o modelo com filamento PLA. Use distância de passagem de 0,03 mm.
      NOTA: A impressão em uma distância de passagem menor é recomendada para modelos com recursos de escala fina, o que exigirá um tempo de impressão mais longo.
2. Exibindo o esqueleto
   1. Combine os produtos impressos em 3D com os originais pelo código designado. Verifique se há erros de impressão. Reimprima se necessário. Monte o esqueleto para exibição.

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Resultados

Neste estudo, 166 pedaços de osso foram digitalizados individualmente e os modelos 3D com resolução de 1 mm foram salvos em . STL. O formato de estereolitografia registra a geometria da superfície de objetos 3D sem cor ou textura, o que é comum para impressão 3D. O modelo 3D completo do esqueleto da baleia de Omura foi carregado online para acesso público (https://www.cityu.edu.hk/cvmls/omura). O crânio foi impresso com uma impressora 3D profissional devido ao seu grande t...

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Discussão

Os esqueletos para exposição devem ser isentos de óleo e inodoros. Os ossos de baleia são notoriamente oleosos, o que torna sua preparação excepcionalmente desafiadora. Uma baleia azul juvenil encalhada em 1998 teve seus restos mortais exibidos no Museu da Baleia de New Bedford, Massachusetts. Apesar do tremendo tratamento por parte dos profissionais, os ossos permaneceram amarelados com odor desagradável, e exalam óleo continuamente há mais de 20 anos²¹....

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Materiais

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