Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
* Эти авторы внесли равный вклад
Морфология костей полуобезжиренного усатого кита была задокументирована с помощью фотограмметрии с помощью цифровой зеркальной камеры для создания трехмерных (3D) моделей с помощью компьютера, которые были напечатаны на 3D-принтере в виде половинчатых копий оригинала для демонстрации и образовательных целей.
Приготовление скелетов китообразных, в частности усатых китов, представляет собой большую проблему из-за их высокого содержания липидов и необычных размеров. Документирование морфологии скелета важно для создания точных и надежных моделей как для исследовательских, так и для образовательных целей. В этой статье в качестве примера мы использовали кита Омуры длиной 10,8 метра, выброшенного на берег в водах Гонконга в 2014 году. Этот редкий и огромный экземпляр был очищен от плоти, мацерирован и высушен на солнце, чтобы получить скелет для исследования и публичного показа. Морфология каждой кости затем была задокументирована с помощью фотограмметрии. Сложный контур скелета сделал автоматизированную фотосессию недостаточной и на костях разного размера и формы было использовано 3 ручных метода. Полученные фотографии были обработаны для создания трехмерных (3D) моделей 166 отдельных костей. Скелет был напечатан в половинном размере с полимолочной кислотой для демонстрации, что было легче в уходе, чем настоящие кости китообразных с высоким содержанием остаточного жира. Напечатанные кости отражали большинство анатомических особенностей образца, в том числе выгибающуюся ростральную область и каудальную мыщелковую фасетку, которая сочленялась с Ce1, однако отверстия на теменно-чешуйчатом шве, которые являются диагностическим признаком Balaenoptera omurai, и углубленная борозда на лобной кости на заднем конце латерального края не были четко представлены. Дополнительные фотосессии или 3D-сканирование поверхности должны быть выполнены на участках с тщательной детализацией для повышения точности моделей. Электронные файлы 3D-скелета были опубликованы в Интернете, чтобы охватить глобальную аудиторию и облегчить научное сотрудничество между исследователями по всему миру.
Выброс китообразных на берег дает ценные возможности узнать об их жизненном цикле, биологическом здоровье и профиле, а также о влиянии антропогенного воздействия на экосистему. Трехмерное (3D) представление и моделирование позволяют точно представить морфометрические измерения, которые могут быть использованы для биомеханических расчетов и дают представление о различныхфизиологических формах поведения. Морфологические адаптации позволили этим животным выжить в океане, в то время как некоторые патологии, наблюдаемые у выброшенных на берег китообразных, могут выявить их биологическое здоровье и профиль, антропогенные и неантропогенные обстоятельства или причину смерти. Повреждение кости с последующим травматическим столкновением может остаться незаживающим, так как животные вынуждены непрерывно плавать под огромным подводным давлением. У морских млекопитающих компрессия и несмертельная газовая эмболия могут снижать кровоснабжение костей и вызывать баротравмы5. Неблагоприятное ремоделирование костей может привести как к боли, так и к снижению подвижности позвоночника, что ставит под угрозу их выживание при нападении хищников или других угрозах. Увеличение числа сообщений о смертности и заболеваемости китообразных во всем мире также указывает на возможноеухудшение здоровья океана6,7. Признание важности океана и неразрывной связи между здоровьем человека и здоровьем китообразных и экосистем привело к разработке исследовательской парадигмы «Один океан – одно здоровье»8.
31 марта 2014 года кит Омура (Balaenoptera omurai) выбросился на берег недалеко от Хунг Шек Мун, загородный парк Пловер-Коув, Гонконг. Это была взрослая самка длиной 10,8 метра, и лишь немногие из этих видов были обнаружены в Индо-Тихоокеанском регионе с тех пор, как она была впервые обнаружена в 2003году9. Высадка кита на берег такого размера не распространена в Гонконге, поэтому это событие предоставило возможность сохранить скелет для исследовательских и образовательных целей. Выброшенное на берег животное было вскрыто и очищено от плоти на месте обнаружения, при этом большая часть внешних мышц и внутренних органов была удалена. Грубое вскрытие показало, что туша находилась в запущенном состоянии аутолиза, но имела множественные глубокие рваные раны, пересекающие тело, самая тяжелая из них была сосредоточена на правом грудном плавнике с глубокой поперечной рваной раной, распространяющейся по всей кости, демонстрируя определенную степень уверенной связи доказательств запутывания с наблюдаемым состоянием смертности. Скелетные останки были перевезены на остров Лантау Департаментом сельского хозяйства, рыболовства и охраны природы правительства Специального административного района Гонконг, где личинки были использованы для поедания мягких тканей. Кости обезжиривали путем водной мацерации в течение 2 месяцев с ручной чисткой. Несмотря на значительное количество костного жира, скелет, в частности череп и края ребер, остался коричневого цвета. Остаточный жир было трудно удалить, и если его не лечить, он привлекал грызунов, портился и делал образец непригодным для презентации. Даже при идеальных условиях сохранности кости животных все равно могут разлагаться различными микроорганизмами, населяющими пыль10. Было решено задокументировать морфологию полуобезжиренного скелета в цифровом виде, а затем напечатать на 3D-принтере из прочных материалов в качестве санитарной копии оригинала.
3D-модели биологических образцов могут быть созданы несколькими способами, включая медицинскую визуализацию, сканирование поверхности и фотограмметрию. Методы медицинской визуализации, такие как компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография, позволяют получать многопланарные изображения, которые включают как внешние, так и внутренние особенности, но не имеют цвета и текстуры. Компьютерная томография была использована для документирования анатомии или патологии сосальщиков, китового уса и черепа различных видов, выявив их уникальную адаптацию в передвижении, добывании пищи и развитии нервной системы 11,12,13,14,15,16. Сканирование поверхности проецирует лазерный или структурный свет на объект, где характер отражения преобразуется в геометрические данные с помощью тригонометрической триангуляции для создания модели поверхности. Фотограмметрия записывает серию слегка перекрывающихся фотографий цели. Либо камера вращается вокруг объекта, либо объект вращается на поворотном столе при съемке. Процесс повторяется с разными углами обзора камеры и высотой, прежде чем объект переворачивается, чтобы захватить нижнюю сторону. Фотографии импортируются в программное обеспечение для моделирования, которое вычисляет местоположение и расстояние до каждого объекта в 3D-пространстве для создания облаков точек. Геометрическая информация обрабатывается путем триангуляции облаков точек для создания полигональных сеток, которые могут быть отредактированы и изготовлены. 3D-реконструкция может отражать точные измерения отсканированных поверхностей и объемов17.
Фотограмметрия была признана подходящим подходом для 3D-документирования скелета кита Омура ввиду его низкой стоимости оборудования, адекватного качества продукции и гибкости при работе с костями в значительной степени различных размеров и форм. Например, череп кита имел длину 2,6 метра, что делало невозможными миниатюрные методы, такие как лазерное 3D-сканирование поверхности. Оборудование, необходимое для фотограмметрии, легкодоступно – только цифровая камера с высоким разрешением захвата (>5 мегапикселей) и программное обеспечение для моделирования, которое значительно дешевле оптических или лазерных сканеров для 3D-сканирования поверхности. Кроме того, для 3D-сканирования поверхности сканер должен быть подключен к достаточно высокопроизводительному компьютеру во время сбора данных, что требует независимого источника питания. 3D-сканирование поверхности неприменимо при отсутствии источника питания, например, в случае очень крупных образцов с ограниченной транспортабельностью, или когда оригинальная туша кита должна быть отсканирована на месте. Для фотограмметрии нужны только цифровая камера, штатив и вспомогательное устройство, такое как проигрыватель. Таким образом, фотограмметрия является более доступным вариантом с высокой портативностью для небольших исследовательских групп.
Цифровые модели преобразуются в физические изделия с помощью 3D-печати. Слои расплавленной полимолочной кислоты (PLA) укладываются и затвердевают для воспроизведения скелета кита. Реалистичная реплика, напечатанная в половинном размере, может быть использована для публичного показа и в образовательных целях. Студентам и обывателям в целом прикосновение к анатомическим моделям может помочь оценить животное не только визуально, но и по ощущениям. Для таких специалистов, как молодые клиницисты и ученые, может быть трудно понять сложные структуры по 2D-изображениям. Традиционно биологические образцы подвергаются пластинации, чтобы стать образовательными адъюнктами, однако этот процесс довольно сложный, требующий ресурсов и времени. Туши могут обладать биологической опасностью, и из каждого экземпляра создается только одна модель. 3D-документация и печать предлагают интерактивные возможности, которые более приятны, чем учебники или виртуальная анимация. Даже виртуальное вскрытие не может предложить преимущества осязаемой манипуляции и поэтому непопулярно среди студентов19. С помощью технологии 3D-печати можно воспроизвести несколько копий редкого экземпляра, держать его в руках и внимательно изучать под разными углами, без неприятного запаха или боязни сломатьих. Продукт может быть настроен по индивидуальному заказу, например, уменьшен для удобства манипуляций или напечатан в разных цветах для эстетической иллюстрации. 3D-модели также могут быть отредактированы в цифровом виде для восстановления сломанных или отсутствующих деталей, что обеспечивает большую универсальность. 3D-документация и печать также способствуют обмену знаниями между исследователями. Скелетные останки могут быть записаны в цифровом виде, опубликованы в Интернете и распечатаны по требованию. Образцы могут быть «прототипированы» и распространены за рубежом в виде стандартной посылки вместо биологического образца, для которого требуется специальная карантинная или юридическая документация. Электронные 3D-модели, содержащие ключевые показатели китовых костей, также распространяются в Интернете с другими институтами, чтобы облегчить научное сотрудничество между исследователями по всему миру.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Подготовка
2. Фотограмметрия
3. Обработка данных программным обеспечением для моделирования (см. Таблицу материалов)
4. 3D печать скелета
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
В этом исследовании 166 фрагментов кости были отсканированы по отдельности, а 3D-модели с разрешением 1 мм были сохранены в . Формат STL. Формат стереолитографии записывает геометрию поверхности 3D-объектов без цвета и текстуры, что характерно для 3D-печати. Полная 3D-модель с...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Скелеты для выставки должны быть без масла и запаха. Китовые кости, как известно, маслянистые, что делает их приготовление исключительно сложным. Останки молодого синего кита, выброшенного на берег в 1998 году, были выставлены в Музее китобойного промысла в Нью-Бедфорде,...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Авторам нечего раскрывать.
Авторы хотели бы поблагодарить Департамент сельского хозяйства, рыболовства и охраны природы и Морской регион Полиции Гонконга правительства Специального административного района Гонконг за их поддержку в этом проекте. Мы также выражаем искреннюю признательность сотрудникам и студентам Городского университета Гонконга за огромные усилия, приложенные для удаления плоти и лечения скелета кита Омура. Авторы выражают благодарность Департаменту инфекционных болезней и общественного здравоохранения Городского университета Гонконга за финансовую поддержку по стоимости данной публикации. Особая благодарность д-ру Марии Хосе Роблес Малагамба за английское редактирование этой рукописи.
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.
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены