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3D-Scanner in Medizin und Paläontologie

08.02.2017 | 11:30 Uhr |

3D-Scanner sind vielfältig, sie kommen in immer mehr Bereichen zum Einsatz – vor allem in der Industrie, aber auch in der Medizin und in der Paläontologie. Was machbar ist, zeigen ein paar Beispiele.

Ein verletztes Bein bekommt wieder Form

Extremsportler leben gefährlich. Das musste die Russin Olga am eigenen Leib erfahren: Bei ihrem letzten Skydiving-Sprung ging etwas schief – sie verletzte sich bei der Landung so stark am Wadenmuskel, dass sie am rechten Bein den Großteil des Muskelgewebes verlor und nun einen deformierten Unterschenkel hat. Die Verletzung soll durch eine Prothese ausgeglichen werden. Alexander Gorodetsky, ein mechanischer Designer, läuft mit dem handgeführten 3D-Scanner um Olgas Unterschenkel herum.

Mit einem handgeführten 3D-Scanner wird das verletzte Bein eingescannt
Vergrößern Mit einem handgeführten 3D-Scanner wird das verletzte Bein eingescannt
© Artec 3D

Er scannt beide Beine der Sportlerin, denn die Prothese am verletzten Bein soll am Ende des Prozesses genauso realistisch aussehen wie das gesunde. Mehr noch: Sie soll einen hohen Tragekomfort bieten und das Leben der Frau damit wieder lebenswerter machen. Der Scanner errechnet in Echtzeit ein hoch aufgelöstes 3D-Modell des Objektes mit bis zu 16 Bildern pro Sekunde. Später modelliert 3D-Modellbauer Valery Karaoglanyan die Prothese auf Basis zweier Punktwolken (dem Scan des gesunden und dem Scan des verletzten Beins). Wenn das 3D-Modell des Wadenmuskels fertig ist, entsteht anschließend die kosmetische Prothese mithilfe eines 3D-Druckers.

Das 3D-Modell (links) und die Anprobe der fertigen Prothese (rechts)
Vergrößern Das 3D-Modell (links) und die Anprobe der fertigen Prothese (rechts)
© Artec 3D

Neues Gesicht für Mensch und Tier

Was wie Zukunftsmusik klingt, ist bereits Wirklichkeit – zumindest bei Dr. Avşar, der die Avsar-Klinik für plastische Chirurgie in Istanbul gegründet hat. Bei ihm erhalten Patienten vor kosmetischen Operationen ein naturgetreues 3D-Modell ihres „neuen“ Gesichts. Damit gilt er als der erste plastische Chirurg überhaupt, der mithilfe eines 3D-Handscanners individuelle Gesichtsmasken anfertigt, die das Ergebnis des Eingriffs vorwegnehmen. Das hilft den Betroffenen dabei, die Möglichkeiten und Grenzen des geplanten Eingriffs realistisch einzuschätzen und ihre Angst vor dem Eingriff und vor möglicher Verunstaltung besser in den Griff zu bekommen.

Vor einem kosmetischen Eingriff erklärt der Arzt anhand eines 3D-Modells, wie das Gesicht der Patientin danach aussehen wird
Vergrößern Vor einem kosmetischen Eingriff erklärt der Arzt anhand eines 3D-Modells, wie das Gesicht der Patientin danach aussehen wird
© Artec 3D

Auch die Ärzte profitieren von der Maske, die als dreidimensionales Referenzmittel dient. Bevor er den 3D-Handscanner besaß, gestaltete beispielsweise Dr. Avşar die Masken mühevoll per Hand, was viel Zeit kostete. Außerdem mangelte es seinen handgefertigten Modellen oft an wichtigen Details wie Farbe und Textur, die das 3D-Modell bieten kann.

Auch im Gesicht von Tieren können 3D-Scanner etwas Positives bewirken: Grecia, ein Tukan aus Costa Rica, wurde von Jugendlichen misshandelt und verlor dabei Teile seines oberen Schnabels.

Mit dem abgebrochenen Schnabel wäre der Tukan verhungert
Vergrößern Mit dem abgebrochenen Schnabel wäre der Tukan verhungert
© Artec 3D

Der Einsatz eines 3D-Scanners und -Druckers ermöglichte es, den fehlenden Teil des Schnabels herzustellen. Die Wissenschaftler entschieden sich für eine Prothese aus Nylon, die alle acht bis zwölf Wochen neu fixiert werden muss, damit sie nicht abfällt.

Mit Hilfe von 3D-Scanner und 3D-Drucker fertigte man für ihn eine Prothese an
Vergrößern Mit Hilfe von 3D-Scanner und 3D-Drucker fertigte man für ihn eine Prothese an
© Artec 3D

In diesem Fall hatte die Hilfe nicht nur kosmetische Gründe (die Weibchen sahen Grecia nicht mehr an), sondern sie rettete das Leben des Vogels, der ohne Prothese früher oder später verhungert wäre.

3D-Scanner in der Paläontologie: Geschichte bewahren

In der Paläontologie gibt es viele gute Gründe, 3D-Scanner einzusetzen: Wissenschaftler können mithilfe von 3D-Scannern unbezahlbare Funde bewahren, andere Forscherkreise einfacher einbeziehen und junge Menschen besser motivieren, sich auf die Suche nach den Ursprüngen der Menschheit zu begeben. Zudem ermöglicht es die 3D-Scanning-Technologie den Forschern, die präzisen Abmessungen einer paläontologischen Probe zu ermitteln. Lineal und Metermaß bleiben also im Schrank, auch Fotos und Zeichnungen gehören hiermit der Vergangenheit an, die ohnehin unter der Schwäche litten, die Form eines Objekts nicht exakt wiedergeben zu können. Mit dem 3D-Scanner lässt sich alles millimetergenau erfassen und dokumentieren.

Viel Platz für technisches Gerät ist in engen Höhlen nicht
Vergrößern Viel Platz für technisches Gerät ist in engen Höhlen nicht
© Artec 3D

So wurde beispielsweise der bisher größte Fossilienfund des Homo naledi, ein der Wissenschaft vormals unbekannter Vorfahre des Menschen, dreidimensional gescannt. Die Rising-Star-Höhle in Südafrika, der Fundort dieser wertvollen Überreste, erwies sich als zu eng für die klassische Ausrüstung zur Aufzeichnung der Ausgrabungen. Deshalb kam dort ein handgeführter 3D-Scanner  zum Einsatz, der nur so groß wie ein Bügeleisen ist und präzise Geodaten lieferte. An paläontologischen Fundorten muss die exakte Lage der einzelnen Teile erfasst werden, um später den Fundort und die Ausrichtung jedes einzelnen Knochens besser rekonstruieren zu können. Dank der 3D-Scanner verkürzt sich der gesamte Bergungsprozess erheblich.

Mit einem 3D-Scanner, nicht größer als ein Bügeleisen, können Funde trotzdem präzise dokumentiert werden
Vergrößern Mit einem 3D-Scanner, nicht größer als ein Bügeleisen, können Funde trotzdem präzise dokumentiert werden
© Artec 3D

Wissenschaftlicher Austausch ohne Zeitverzögerung

Der reduzierte Zeitaufwand bringt uns zum nächsten Vorteil von 3D-Scannern in der Paläontologie: Reisen zu archäologischen Fundstellen oder Museen können mit großen Kosten verbunden sein. Jetzt gehört die hochpreisige Reiserei der Vergangenheit an. Labore können durch das Erstellen von 3D-Modellen den Austausch von Informationen zwischen Wissenschaftlern erleichtern und noch enger zusammenarbeiten. Dies erhöht nicht nur die Effizienz solcher Kooperationen, sondern auch ihre Qualität.

Wenn sich archäologische Funde nicht oder nur schwer transportieren lassen, kann man mit Hilfe von 3D-Scannern Modelle herstellen und an diesen weiterarbeiten
Vergrößern Wenn sich archäologische Funde nicht oder nur schwer transportieren lassen, kann man mit Hilfe von 3D-Scannern Modelle herstellen und an diesen weiterarbeiten
© Artec 3D

Ein Beispiel aus der Praxis: ein gigantisch großer, versteinerter Elefantenschädel, der nur sehr schwer bewegt oder umgedreht werden konnte. Mit einem 3D-Scanner und der zugehörigen 3D-Software gelang es, ihn zu scannen, um später mit dem detaillierten Modell arbeiten zu können.

Nachbildungen schützen das Original

Auch wenn Fossilien auf den ersten Blick stabil wirken mögen, können sie zerfallen, wenn sie beispielsweise unter freiem Himmel mit Sonnenlicht, Wind, Regen und Temperaturschwankungen in Berührung kommen. Nicht einmal im Museum sind solche Fundstücke hundertprozentig sicher, denn auch hier können sie durch negative Auswirkungen beeinträchtigt werden. 3D-Scans können zwar nicht den Zerfall von Fundstücken verhindern, bieten aber die Möglichkeit, eine digitale und eine reale Kopie per 3D-Drucker zu erstellen – 1:1-Nachbildungen mit natürlichen Farben, präzisen Maßen und weiteren essenziellen Informationen. Dies hat noch einen weiteren Vorteil: Forscher können mit dem Objekt arbeiten, ohne das wertvolle Original in die Hand nehmen zu müssen.

Arbeiten an 3D-Nachbildungen von Reliefs und Fossilien schützt die Originale vor Beschädigung
Vergrößern Arbeiten an 3D-Nachbildungen von Reliefs und Fossilien schützt die Originale vor Beschädigung
© Artec 3D

Das British Museum in London ließ zum Beispiel einzigartige assyrische Reliefs in 3D einscannen, um Kulturschätze für künftige Generationen zu bewahren. Die daraus gewonnenen Daten werden gesammelt, archiviert und allgemein zugänglich gemacht. Nach Ansicht des British Museum könnten sich 3D-Technologien als primäre Methode zur Aufzeichnung von Museumssammlungen etablieren - Zukunft und Vergangenheit vereint.

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