Parametrisierte Referenzmodelle für hominoide Schädel

Die Unterscheidung einzelner Taxa und die qualitative und quantitative Beschreibung von ontogenetischen oder phylogenetischen Veränderungen der Form und Gestalt stellen einen fundamentaler Forschungsbereich in der Anthropologie dar. Die konventionelle metrische Verfahrensweise ist mit zahlreichen Mängeln behaftet und ihre Ergebnisse sind oft zweideutig und umstritten. Die zunehmende Verfügbarkeit von modernen 3D- Digitalisierungstechnologien und die damit verbundene Flut von verfügbarer Information hat die Entwicklung von Methoden vorangetrieben, die auf 3D-Koordinaten von Landmarks oder Semi-Landmarks, auf Kurveninformationen oder auf Informationen der Flächentopologie basieren und so eine neue Art der quantitativen Morphologie ermöglichen. Mit Hilfe von CT-Daten moderner und fossiler Schädel können nun auch intracraniale und verborgene Strukturen mit der gleichen Genauigkeit studiert werden wie diejenigen, zugänglichen Strukturen an der sichtbaren Oberfläche. Diese neuen Informationen können dann bei der phylogenetischen Klassifizierung helfen. Der Weg eines Fossils von der Biosphäre zur Lithosphäre ist häufig begleitet von Ereignissen der Zerstörung und der Deformierung. Üblicherweise finden sich bei Ausgrabungen nur Bruchstücke, die dann einer Rekonstruktion bedürfen. In den meisten Fällen wird dieses Problem einem Spezialisten mit reicher Erfahrung und einem geschulten `morphologischen Blick` überlassen. Der Zusammenbau von Fragmenten innerhalb einer Computerumgebung, der auf quantitativen Daten der Morphologie und einer statistischen Kenntnis der Form und Gestalt der zu rekonstruierenden Spezies basiert, würde eine reproduzierbare Methode darstellen, die zudem auch die Möglichkeit für wiederholte, zerstörungsfreie Versuche bieten würde. Wir beabsichtigen in unserem Projekt parametrisierte Referenzmodelle für Schädel verschiedener Spezies zu entwickeln und verfolgen damit zwei Absichten: 1. Die Abweichungen eines bestimmten Schädels vom Referenzmodell kann als Veränderung der Parameter des Modells ausgedrückt werden (morphologischer Vergleich), und 2. Fragmente können elektronisch entsprechend eines best-fit-Kriteriums mit Hilfe des Referenzmodells des betreffenden Organismus zusammengefügt werden (Fragment-Assemblierung). Landmark Deskriptoren (traditionelle, Procrustes-, und Thin Plate Spline-Maße), differentialgeometrische Deskriptoren (extremal points, ridge curves, Semi-Landmarks) und Flächendeskriptoren (Koeffizienten der Flächenapproximation) werden benützt, um eine Klasse von Schädeln zu charakterisieren. Aus diesen Informationsstrukturen werden `Hyper-Parameter` berechnet, die Merkmale der lokalen und globalen Variation beinhalten.

Jahrmillionen alte Knochenfossilien unserer Vorfahren sind nur in den seltensten Fällen gut und vollständig erhalten, auch die Formveränderungen von Schädeln im Lauf der Evolution oder Individualentwicklung lässt sich mit traditionellen Standardverfahren nur sehr schwer mit Hilfe von Zahlenwerten vergleichen. Im Rahmen eines dreijährigen FWF-Projekts entwickelte ein Wissenschafterteam am Department für Anthropologie der Universität Wien neue Verfahren zur digitalen Präparation, Rekonstruktion und geometrischen Auswertung - mit Anwendungspotential auch für Medizin und Industrie. Schädelknochen, die im Laufe der Jahre wie Gummi unter dem Druck der Sedimente deformiert wurden, werden mit dem PC wieder in Form gebracht. Hohlräume werden virtuell von Gesteinsablagerungen befreit, und fehlende Teile mit Hilfe von Spiegelungen oder "Warping" komplettiert. Modernste 3DDigitalisierungstechniken, Computertomographie und die neuen Algorithmen und Softwaremodule der Wiener Anthropologen machen dies jetzt noch exakter als bisher möglich. "Biologische Formen sind sehr komplexe Objekte, die man nicht wie geometrische Formen (z.B. eine Autokarosserie) mit einfachen Funktionen beschreiben kann ", erläutert Univ.Prof.Dr. Gerhard W. Weber, Leiter der Arbeitsgruppe "Virtuelle Anthropologie" am Department. Um die Strukturen dennoch in Zahlen und Pixel zu fassen, entwickelten die Wissenschafter komplizierte mathematische Verfahren, aufbauend auf einer großen Zahl von homologen Referenzpunkten auf den Objektoberflächen. Mit Hilfe dieser Referenzpunkte (Landmarks und Semilandmarks) ist es unter anderem möglich, die Faktoren "Größe" und "Gestalt" separat zu vergleichen. Einer der wesentlichsten Vorteile besteht zweifellos in der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Bisher waren Vergleiche und Rekonstruktionen der Knochenfunde einzelnen Spezialisten und deren geschultem, jedoch auch subjektivem "morphologischen Blick" vorbehalten. Nun zählen quantitativ vergleichbare Daten und die statistische Kenntnis der Form und Gestalt. Die gesamte räumliche Information der Objekte wird dabei auf einmal verarbeitet, und das mit einer Dichte wie nie zuvor. Formunterschiede können zudem als verzerrtes Koordinatengitter anschaulich im Raum visualisiert werden. Weitere Anwendungen in der Medizin sind bereit mit Kollegen der Innsbrucker Universität in Arbeit: Sie legen 3D-Aufnahmen von Lungen im Rechner virtuell übereinander und untersuchen so deren Belüftungszustände bei unterschiedlichen Beatmungsverfahren.