Acquisition, extraction et formatage des surfaces

2.2.1. Acquisition

Historiquement, la topographie dentaire s'est développée avec l'émergence des techniques de numérisation des surfaces (Reflex microscope : Reed, 1997 ; Scanner électromagnétique 3D : Zuccotti et al., 1998 ; Microscopie confocale laser : Jernvall et Selanne 1999 ; Scanner surfacique laser : Ungar et Williamson, 2000 ; Ungar, 2004 ; Scanner piézo-électrique : Winchester et al., 2014). Dans ce mémoire, la méthode d'acquisition choisie est la microtomographie à rayons X. Cette méthode a déjà été utilisée pour étudier la topographie dentaire d'espèces actuelles et fossiles (Olejniczak et Grine, 2006 ; Tafforeau et al., 2006 ; Boyer, 2008 ; Lazzari et al., 2008 ; Guy et al., 2013).

Plusieurs raisons justifient ce choix :

1. Acquisition 3D. En premier lieu, cette méthode permet d'acquérir des surfaces en 3D (par opposition aux surfaces 2.5D qui ajoutent une unique information d'élévation à un fichier raster ; cf. Chapitre 1). Cela permet de tenir compte des surfaces cachées par les replis de la dent, en particulier au niveau de la dentine, mais aussi de calculer des paramètres en 3D comme la courbure moyenne ou l'inclinaison (Guy et al., 2013 ; 2015). D'autre part, la topographie dentaire en 3D présente de meilleurs résultats que la 2.5D, notamment lorsqu'il s'agit de distinguer des espèces à partir de la morphologie dentaire (Winchester, 2016).

2. Résolution. La microtomographie RX permet également d'obtenir des surfaces avec un niveau de résolution adapté au calcul de variables topographiques i.e., micrométrique. D'autre part, certaines structures dentaires, comme les crénulations de l'émail, peuvent disparaître ou être lissées si la résolution n'est pas suffisante (Lazzari et Guy, 2014).

3. Accès aux structures internes. Plusieurs paramètres mesurés figurant dans ce mémoire (épaisseur de l'émail, paramètres de surface de la dentine) et dans des travaux publiés en parallèle sur le même échantillon (Guy et al., 2013 ; Lazzari et Guy, 2014 ; Guy et al., 2015) portent sur des structures internes, en particulier à la jonction émail-dentine. La microtomographie RX permet d'accéder à ces structures de manière non invasive.

Les dents ont été scannées au Centre de Microtomographie de l'Université de Poitiers à l'aide d'un microtomographe HR EasyTom. Les scans ont été réalisés avec une résolution comprise entre 10 et 30 µm avec un voltage de 70-100 kV et une intensité comprise entre 100 et 280 mA, en fonction de la taille des dents.

2.3.2. Extraction des surfaces

Le protocole d'extraction et de formatage des surfaces est identique à celui développé par Guy et al. (2013 ; 2015). Ce protocole est brièvement rappelé ici. A partir du volume 3D des surfaces scannées, la capsule d'émail a été segmentée semi-automatiquement à l'aide du logiciel Avizo, puis exportée sous forme d'une surface polygonale. Elle constitue alors un réseau dense de plusieurs millions de triangles dont le maillage est irrégulier. La surface externe de l'émail (SEE) et la jonction émail-dentine (JED) ont été extraites à l'aide du logiciel Geomagic Studio. Ces deux surfaces peuvent porter des artefacts, par exemple une texture en « marches d'escalier » ou hérissée de pics. Toujours avec Geomagic Studio, les surfaces ont donc été corrigées par suppression des arêtes non cohérentes, des autointersections et des arêtes fortement plissées. Elles ont également été légèrement lissées et les fractures ainsi que les trous ont été corrigés.

2.3.3. Décimation des surfaces

A ce stade, les surfaces polygonales obtenues sont encore composées d'un grand nombre de triangles (généralement plus de 500 000). La manipulation de surfaces aussi complexes s'avère peu confortable et peut ralentir le fonctionnement des logiciels d'imagerie. Le nombre et la taille des triangles doit également être homogénéisé, en particulier pour pouvoir calculer les variables qui dépendent de la taille des triangles comme la courbure ou le comptage des patchs d'orientation (Chapitre 1). Il est donc nécessaire de décimer les surfaces i.e., de diminuer le nombre de triangles qui les composent. Cependant, la décimation d'une surface entraîne une perte d'information visible (Fig. 2.2). Il s'agit de trouver un équilibre entre la conservation du signal morphologique étudié, le confort de manipulation et le rendement temporel des analyses.

Par convention, plusieurs auteurs (Bunn et al. 2012, Ledogar et al. 2013, Winchester et al. 2014 ; Boyer et al., 2015 ; Winchester, 2016) manipulent des surfaces de 10 000 triangles. Cependant, les surfaces en 10 000 triangles occasionnent une perte visible d'information, notamment au niveau des crénulations (Fig. 2.2B). Les travaux de Guy et al. (2013 ; 2015) sont basés sur des surfaces d'environ 50 000 triangles. Ce seuil permet de conserver une résolution satisfaisante, puisque les structures comme les crénulations ne sont pas lissées (Fig. 2.2C) (Lazzari et Guy, 2014).

D'autre part, il est important d'homogénéiser le maillage des surfaces, toujours pour ne pas influencer les analyses qui dépendent de la taille des triangles. Pour cela, les surfaces ont été remaillées, c'est à dire que le maillage de la surface a été recalculé à l'aide d'un algorithme afin de conserver le nombre de triangles et la morphologie des structures dentaires tout en obtenant des triangles de dimensions presque identiques.

Les surfaces ont également été orientées dans un espace orthonormé défini par trois axes X, Y et Z (Fig. 2.3B). L'axe X est défini par un axe partant du sommet du paracone et rejoignant le sommet du protocone. Il est sélectionné à partir de la dentine, car même si les dents de l'échantillon sont peu usées, le sommet de l'EES est plus difficile à localiser que celui de l'EDJ à cause de la courbure des cuspides, d'une éventuelle légère usure apicale, etc. L'axe Y est orienté disto-mésialement. Pour terminer, le point le plus bas d'une boîte englobant la dent est positionné à une altitude de 0, ce qui permet de normaliser le calcul de l'élévation.

D'autre part, toutes les dents ont été réorientées comme des molaires supérieures droites, par symétrie par rapport au plan (XY). En effet, plusieurs variables utilisées dans ce

mémoire (e.g., variables par incrément d'orientation, cf. Chapitre 5) nécessitent de travailler sur des dents de même chiralité pour pouvoir comparer les résultats du côté lingual, buccal, etc.

2.3.5. Sous-échantillonnage du bassin occlusal

La topographie dentaire se calcule généralement sur toute la surface de la dent. Toutefois, plusieurs auteurs ont proposé de sous-échantillonner la dent afin de n'étudier que le bassin occlusal. Cela permet de s'affranchir du signal morphologique imputable à la hauteur de la couronne, en particulier pour le calcul du relief (Ulhaas et al., 2004 ; Bunn et Ungar, 2009 ; Guy et al., 2015). Dans ce mémoire, toutes les variables ont été calculées sur des surfaces sous-échantillonnées de cette manière. Plus précisément, les analyses ne concernent que les triangles dont le centroïde est situé au dessus du point le plus bas du bassin occlusal.