Anatomische 3D-Visualisierung: Knochen scannen, um die Erscheinung von Menschen und Tieren zu rekonstruieren

Als jüngste Neuerung im Werkzeugkasten für forensische Rekonstruktion bei der Universität Dundee unterstützt Artecs 3D-Scanner Eva Wissenschaftler beim Vorantreiben ihrer Forschung.

Wie ähnlich sahen uns unsere menschlichen Vorfahren und andere Urmenschen? Auf diese Frage versuchen Künstler und Wissenschaftler, wie Caroline Erolin und Dr. Christopher Rynn von der Universität Dundee in Schottland, eine Antwort zu finden. Caroline und Christopher sind spezialisiert auf anatomische 3D-Visualisierung und können die Erscheinung eines verstorbenen Menschen anhand der Schädelknochen rekonstruieren.

Archäologische Gesichtsrekonstruktion ist derzeit sehr gefragt in Museen und bei Dokumentarfilmemachern. Erst kürzlich wurde das Gesicht des “Thankerton Man” für das Museum von Biggar und Upper Clydesdale in Schottland nachgebildet. Der 1970 im schottischen Dorf Thankerton in einer Steinkiste gefundene Schädel wurde mit Radiokarbonmethode auf die Zeit zwischen den Jahren 2460 und 2140 v.Chr. datiert und einem Mann im Alter von 18 bis 25 Jahren zugeordnet.

“Tankerton man,” rekonstruiert an der Universität Dundee. Bild: BBC

Die Arbeit von Caroline und Christopher beschränkt sich nicht allein auf archäologische Gesichtsrekonstruktion. Darüber hinaus leiten sie die Master-Studiengänge Medical Art und Forensic Art and Facial Identification am Centre for Anatomy and Human Identification (CAHID) der Universität Dundee. Sie arbeiten mit politischen Entscheidungsträgern, sind aktiv in der Arbeit an medizinischen und Kriminalfällen involviert und unterstützen damit die Strafgerichtsbarkeit Großbritanniens bei der Beweisaufnahme.

Kürzlich wandte sich das Zentrum an Patrick Thorn & Co., Artecs britischem Gold-Partner, um einen Artec Eva 3D-Scanner im Verbund mit einem Ausbildungspaket zu kaufen. Damit will das Zentrum seine Methoden für Visualisierungen verbessen.

Patrick höchstpersönlich installierte das Artec-System und führte eine eintägige Schulung, u.a. auch zu den Möglichkeiten der 3D-Scanning- und Nachbearbeitungs-Software Artec Studio durch. Sein Besuch bei CAHID fiel zusammen mit dem eines Dokumentarfilm-Teams von BBC. Dieses drehte mit Christopher einen Bericht über Gesichtsrekonstruktion für die Sendung „Inside Out“, in der regionale Geschichten und Ermittlung in ganz Grobritannien gezeigt werden.

Dr. Christopher Rynn führt die Zuschauer in der BBC-Sendung „Inside Out“ durch den Ablauf einer Gesichtsrekonstruktion. Bild: BBC

„Bisher ist der Scanner ein großer Hit unter unseren Studenten, die u.a. Techniken zur forensischen Gesichtsrekonstruktion zur Erkennung nicht identifizierter sterblicher Überreste lernen.“, sagt Caroline Erolin. „Die Studenten üben Ihre Fähigkeiten an Abdrücken aus Computertomographie-Daten, die von lebenden Individuen stammen. Nun aber können wir auch Schädelknochen scannen.“

Der Rekonstruktionsprozess umfasst das Nachbauen der Gesichtsanatomie auf dem Schädel. Dies kann mit Ton auf dem Abdruck gearbeitet oder digital auf einen Scan auf dem Computer modelliert werden. Caroline sagt, dass Arbeiten mit Scans habe einige Vorteile: es beschädigt nicht den eigentlichen Schädel, und nach der Digitalisierung können die Schichten der Rekonstruktion getrennt voneinander betrachtet und modelliert werden. Nach der Fertigstellung kann die endgültige Gesichtsrekonstruktion mit dem Gesicht des lebenden Individuums verglichen werden.

Ein Arbeitsschritt umfasst die Rekonstruktion der Gesichtsmuskeln mit Wachs, um ein detailliertes und lebensechtes anatomisches Modell machen zu können. Die Studenten lernen hier sowohl Gesichtsanatomie als auch bildhauerisches Können, bevor Sie an den oben beschriebenen Rekonstruktionen arbeiten. Einige Studenten nutzten bereits Artec Eva zum Scannen ihrer Modelle und zur Erstellung digitaler Versionen, die mit Artecs Viewshape online geteilt und kommentiert werden können.

Scan einer Studentenarbeit im Masterstudiengang Forensic Art (Abbildung eines Gähnens) in Artec Studio

Ein anderes Projekt, an dem das Personal bei CAHID arbeitet, ist die Digitalisierung der Sammlung D’Arcy Thompson Zoology. Das zoologische Museum der Universität verfügt über viele faszinierende Proben aus der ganzen Welt. Die Sammlung kann online durchsucht werden. Die meisten Proben wurden von dem gefeierten Sir D’Arcy Wentworth Thompson, dem ersten Professor für Biologie in Dundee und Autor des 1917 veröffentlichten bedeutenden Buchs „On Growth and Form“, gesammelt.

Die Hoffnung ist, die Sammlung für alle zugänglicher zu machen – eingeschlossen die normalen Besucher, die örtliche Bevölkerung sowie Mitarbeiter und Studenten. Nach dem Scannen soll ein virtuelles Online-Museum entstehen, wo 3D-Modelle von Proben betrachtet werden können. Einige werden auch 3D-gedruckt, sodass sie an Tagen der offenen Tür angefasst oder auch in Schulen mitgebracht werden können.

Caroline scannt ein Gorillaskelett im D’Arcy Thompson Zoology Museum.

„Viele der Proben sind sehr komplex und erfordern mehrfache Scans aus verschiedenen Winkeln.“, sagt Caroline. Ein Schädel zum Beispiel erfordert üblicherweise mindestens zwei Scans – einen von der ‚oberen‘ Oberfläche und einen von ‚unten‘. Oder mehr, wenn der Unterkiefer getrennt gescannt wird.”

Scan eines Walross-Schädels aus dem D’Arcy Thompson Zoology Museum – erstellt mit Artec Eva.

„Schädel können zum Scannen schwierige Objekte sein, da sie viele komplizierte Details und Rundungen haben.“, fügt Caroline hinzu. „Dennoch scheint Eva die meisten dieser Details gut erfassen zu können. Es hilft, dass der Scanner so handlich ist, da er so zusammen mit dem Artec-Akkusatz und unserem Laptop direkt in das Museum zum Scannen vor Ort mitgenommen werden kann. Die Texturerfassung von Eva ist hervorragend und lässt sich sehr gut in andere 3D-Software, wie ZBrush, exportieren.“

Einer Gruppe Studenten wird vorgeführt, wie bedienungsfreundlich die Artec-Technologie ist.

Nach ihrer positiven Erfahrung mit Artec Eva und der Zusammenarbeit mit Patrick Thorn haben CAHID einen Artec Space Spider erworben, um das Erfassen kleinerer und detaillierterer Proben zu ermöglichen. Zudem lassen sich die großen Scans von Eva mit Space Spiders höherer Detailgenauigkeit kombinieren, was für die Spezialisten am Zentrum eine perfekte Lösung ist.

„Es wird uns ermöglichen, unseren Studenten eine größere Bandbreite an 3D-Scanning-Techniken beizubringen – mit großen Exemplaren wie Elefantenschädeln bis hin zu winzigen Knochenproben.“, sagt Caroline. „Früher nutzten wir einfache Laserscanner, die weniger detailgenau waren und keinerlei Farben erfassten, was für uns eine Einschränkung war. 3D-Scanning war noch nie erschwinglicher und leicht durchzuführen wie jetzt.“

Mit Artec Eva erstellter Scans eines durch Abbinden künstlich verformten Erwachsenenschädels aus der Sammlung von CAHID.

Der Plan von CAHID umfasst die Digitalisierung seiner gigantischen Schädelsammlungen, darunter Scheuer Collection für jugendliche Knochenkunde. Die Scheuer Collection gilt ist als das einzige aktive Repositorium für Knochenüberreste von Minderjährigen überhaupt auf der Welt. Es umfasst Überreste von über 100 nicht volljährigen Individuen und ist aus archäologischen sowie historischen anatomischen Quellen gesammelt. Viele dieser Proben sind sehr empfindlich und Ihre Nutzung ist stark reglementiert. Durch die Digitalisierung der Sammlung werden sie für Studenten sowohl online in visueller Form als auch in Form von 3D-gedruckten Proben zugänglicher gemacht.