Durch fossile Zahnfunde in der Entwicklung der Menschheit lesen

3D Scanning in der Paläontologie

Im Frankfurter Forschungsinstitut und Naturmuseum Senckenberg werden in der Abteilung Paläoanthropologie und Messelforschung mit Hilfe von hochauflösenden virtuellen Zahnmodellen die feinen Strukturen von Zahnoberflächen wissenschaftlich untersucht, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den Backenzähnen von Menschen und anderen Primaten liegt. 

Zum Thema Okklusion (Kontakt zwischen Zähnen des Ober- und Unterkiefers) sowie Funktion von Säugetierzähnen hat sich eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe bestehend aus Paläontologen, Paläoanthropologen, Zahnärzten und Zahntechnikern gebildet, die mit dem AICON SmartScan digitalisierte Fundstücke untersucht und interpretiert. Das Zusammenführen der unterschiedlichen Forschungsansätze wie auch der Austausch von fachspezifischem Wissen fördert das allgemeine Verständnis über die natürliche Form und die funktionsbedingten Veränderungen von Zahnkronen.

Zielsetzung und Messobjekt

Zähne als Lektüre vergangener Zeiten: Archäologische Zahnfunde sind nicht nur für die Zahnmedizin, sondern auch für die Paläontologie (Wissenschaft der Lebewesen früherer Erdzeitalter) von besonderem Forschungsinteresse: Viele ausgestorbene Tierarten lassen sich nur durch Überreste ihrer Bezahnung überhaupt bestimmen. Die Wissenschaftler nutzen die Zahnreste zur Rekonstruktion von früheren Umweltbedingungen, der geografischen Verbreitung und der Stammesgeschichte von Tierarten sowie ihrer zeitlichen Einordnung. 

Bereits in frühen paläontologischen Untersuchungen der Fossilien zeichnete sich ab, dass mit dem gesamten Organismus auch die Zähne einer ständigen evolutionären Veränderung in Größe, Form und Anzahl unterliegen. Die Zahnoberflächen werden u. a. von den physikalischen Eigenschaften der aufgenommenen Nahrungspartikel beeinflusst, die wesentliche Auswirkungen auf das individuelle Zahnrelief haben. 
Durch die Analyse der Kauoberflächen erfassen und interpretieren die Paläontologen die funktionalen Veränderungen. So lassen sich Anpassungen an das unterschiedliche Nahrungsangebot erklären und indirekt Hinweise auf das Klima vergangener Zeiten gewinnen.
Dank der Kenntnisse über den Abnutzungsverlauf der Zähne können durch einen funktionalen Zahnreliefvergleich Rückschlüsse auf die Lebensweise unserer Vorfahren gezogen werden. Die gewonnenen Informationen geben Auskunft über den Anteil von z. B. Früchten, Gräsern, Blättern und Fleisch in der Ernährung der verschiedenen Lebewesen und helfen so bei der Rekonstruktion der Lebens- und Umweltbedingungen unserer Vorfahren. 

Durch fossile Überreste aus fast 200 Millionen Jahren Entwicklungsgeschichte der Säugetiere lässt sich der ständige Wandel der Zähne der unterschiedlichen Lebewesen dokumentieren. Der Kauvorgang und die spezifischen Eigenschaften der Nahrung sowie charakteristische Verhaltensweisen hinterlassen deutliche Spuren auf den Zahnoberflächen. So wurde jüngst durch die Abnutzungsflächen anhand der so genannten Kontaktfacetten der Zahnkronen nachgewiesen, dass die Neandertaler sich wesentlich vielseitiger ernährten als bislang angenommen, wobei das Nahrungsangebot stark von ihrem Lebensraum abhing. 

Im 3D Labor des Senckenberg Instituts werden die Kauflächen, also die Kontaktflächen von Ober- und Unterkiefer, genau untersucht. Mit einer dank Fördermitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG-FOR771) neu entwickelten Software (Occlusal Fingerprint Analyser) kann der Ablauf der Kaubewegungen mit triangulierten Oberflächenmodellen simuliert und quantitativ ausgewertet werden.

Messsystem und Aufbau

Für das dreidimensionale Scannen der Zahnoberflächen können verschiedene Verfahren angewendet werden: Mechanische Messungen erfassen z. B. ein Objekt punktweise mit Tastern, was äußerst aufwändig ist, da die Objekte zuerst mit Messpunkten markiert werden müssen. Aufgrund der punktweisen Erfassung sind zum Teil Messzeiten von Stunden oder sogar Tagen erforderlich. Außerdem eignen sich die tastenden Messverfahren nur sehr bedingt für sensible fossile Objekte, die beim Abtasten beschädigt werden können. 

Für die Paläoanthropologie und Paläontologie ist deshalb das optische Messverfahren mit dem AICON SmartScan die beste Scanmethode. Es arbeitet berührungsfrei, digitalisiert die Objektoberfläche innerhalb weniger Sekunden, erfasst große Datenmengen präzise und ist flexibel an die Objektgröße anpassbar.

Die schnelle und präzise Digitalisierung der archäologischen Fundstücke mit dem AICON SmartScan erfolgt in wenigen Messungen. Die flexible Sensor-Konfiguration der SmartScan Baureihe erlaubt es, Scanprozesse mit Triangulationswinkeln von 30°, 20° und 10° zu realisieren, wodurch auch schwierig zu erfassende Objektbereiche detailgenau gemessen werden.

Arbeitsablauf

Um stark reflektierende Oberflächen, wie die aus transparentem Schmelz bestehende Zahnoberflächen detailliert zu erfassen, gibt es — abhängig vom Zustand der Originale — zwei Möglichkeiten zur Vorbereitung des Objekts: 

In den meisten Fällen genügt es, die zu messenden Oberflächen (oder das gesamte Objekt) vor der Digitalisierung mit einem Mattierungsspray einzusprühen. Das Mittel lässt sich mit Wasser rückstandsfrei entfernen. Bei sehr empfindlichen Objekten bedampft das Forschungsinstitut Senckenberg die Flächen mit Ammoniumchlorid, das als Pulver in einem Kolben erhitzt und anschließend mit einer kleinen Pumpe über eine Düse auf dem Objekt gleichmäßig verteilt wird. 

Alternativ werden bisweilen auch hochpräzise Abgüsse gescannt, die mit feinzeichnendem Zahnarztmaterial als Negativform abgebildet und dann z. B. in Dental Stone (Everest® Rock, KaVo) abgegossen wurden. Diese Abgüsse aus speziellem, nicht reflektierendem Gips sind perfekte Repliken, die für den Weißlichtscanner AICON SmartScan sehr gut geeignet sind. 

Auf die Systemkalibrierung erfolgt die 3D Vermessung der Zahnoberfläche mit einer einzelnen Messsequenz von etwa einer Sekunde. Nach der Berechnung der 3D Daten im Computer steht das exakte digitale Abbild der Zahnoberfläche zur Verfügung, das zur detaillierten Untersuchung wie auch zur Dokumentation und Archivierung genutzt wird.

Ergebnis

Dank des AICON SmartScans erfasst das Forschungsinstitut und Naturmuseum Senckenberg selbst seine hochempfindlichen paläontologischen Fundstücke berührungslos, schnell und hochpräzise. Durch Forschungsarbeiten am digitalen Abbild wird das originale Fundstück geschont, wobei die dreidimensionalen Scandaten sogar detailgenauere Untersuchungen der Zahnoberflächen erlauben als es am Original möglich ist. Zudem lässt sich ein entsprechendes digitales Datenarchiv weltweit für zeitgleiche Forschungen und Auswertungen am gleichen Fundstück nutzen — ein Klick ins World Wide Web genügt! 

 
Informationen und Bilder wurden freundlicherweise vom Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum zur Verfügung gestellt. Eine Literaturliste zu diesem Thema stellen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

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