Développement d’une application interactive en 3D pour l’apprentissage de l’ostéologie canine

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Scott, Pearce . Développement d’une application interactive en 3D pour l’apprentissage de l’ostéologie canine. Thèse d'exercice, Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse – ENVT, 2018, 50 p.

ANNEE 2018 THESE : 2018 – TOU 3 – 4110

DEVELOPPEMENT D’UNE APPLICATION

INTERACTIVE EN 3D POUR L’APPRENTISSAGE

DE L’OSTEOLOGIE CANINE

_________________

THESE

pour obtenir le grade de DOCTEUR VETERINAIRE

DIPLOME D’ETAT

présentée et soutenue publiquement devant l’Université Paul-Sabatier de Toulouse

par

PEARCE Scott

Né, le 30 décembre 1979 JEDDAH (ARABIE SAOUDITE)

___________

Directeur de thèse : M. Giovanni MOGICATO ___________

JURY

PRESIDENT :

Mme Isabelle BERRY

ASSESSEURS :

M. Giovanni MOGICATO Mme Alexandra DEVIERS

MEMBRE INVITE :

Mme Christel MOOG-LUTZ

Professeur à l’Université Paul-Sabatier de TOULOUSE

Professeur à l’Ecole Nationale Vétérinaire de TOULOUSE

Maître de Conférences à l’Ecole Nationale Vétérinaire de TOULOUSE

Ministère de l'Agriculture et de l’Alimentation ECOLE NATIONALE VETERINAIRE DE TOULOUSE

Directrice : Madame Isabelle CHMITELIN

PROFESSEURS CLASSE EXCEPTIONNELLE

Mme CHASTANT-MAILLARD Sylvie, Pathologie de la Reproduction

M. BOUSQUET-MELOU Alain, Physiologie et Thérapeutique

Mme CLAUW Martine, Pharmacie-Toxicologie

M. CONCORDET Didier, Mathématiques, Statistiques, Modélisation

M DELVERDIER Maxence, Anatomie Pathologique

M. ENJALBERT Francis, Alimentation

M. PETIT Claude, Pharmacie et Toxicologie

M. SCHELCHER François, Pathologie médicale du Bétail et des Animaux de Basse-cour

PROFESSEURS 1° CLASSE

M. BAILLY Jean-Denis, Hygiène et Industrie des aliments M. BERTAGNOLI Stéphane, Pathologie infectieuse M. BERTHELOT Xavier, Pathologie de la Reproduction

M. BRUGERE Hubert, Hygiène et Industrie des aliments d'Origine animale Mme CADIERGUES Marie-Christine, Dermatologie Vétérinaire

M. DUCOS Alain, Zootechnie

M. FOUCRAS Gilles, Pathologie des ruminants

Mme GAYRARD-TROY Véronique, Physiologie de la Reproduction, Endocrinologie M GUERIN Jean-Luc, Aviculture et pathologie aviaire

Mme HAGEN-PICARD, Nicole, Pathologie de la reproduction M. JACQUIET Philippe, Parasitologie et Maladies Parasitaires M. LEFEBVRE Hervé, Physiologie et Thérapeutique

M. MEYER Gilles, Pathologie des ruminants M. SANS Pierre, Productions animales

Mme TRUMEL Catherine, Biologie Médicale Animale et Comparée

PROFESSEURS 2° CLASSE

Mme BOULLIER Séverine, Immunologie générale et médicale

Mme BOURGES-ABELLA Nathalie, Histologie, Anatomie pathologique M. GUERRE Philippe, Pharmacie et Toxicologie

Mme LACROUX Caroline, Anatomie Pathologique, animaux d’élevage Mme LETRON-RAYMOND Isabelle, Anatomie pathologique

M. MAILLARD Renaud, Pathologie des Ruminants

M. MOGICATO Giovanni, Anatomie, Imagerie médicale

PROFESSEURS CERTIFIES DE L'ENSEIGNEMENT AGRICOLE

Mme MICHAUD Françoise, Professeur d'Anglais

M SEVERAC Benoît, Professeur d'Anglais

MAITRES DE CONFERENCES HORS CLASSE

M. BERGONIER Dominique, Pathologie de la Reproduction

Mme DIQUELOU Armelle, Pathologie médicale des Equidés et des Carnivores M. JAEG Jean-Philippe, Pharmacie et Toxicologie

M. JOUGLAR Jean-Yves, Pathologie médicale du Bétail et des Animaux de Basse-cour M. LYAZRHI Faouzi, Statistiques biologiques et Mathématiques

M. MATHON Didier, Pathologie chirurgicale Mme MEYNADIER Annabelle, Alimentation Mme PRIYMENKO Nathalie, Alimentation

M. RABOISSON Didier, Productions animales (ruminants)

M. VERWAERDE Patrick, Anesthésie, Réanimation

M. VOLMER Romain, Microbiologie et Infectiologie

MAITRES DE CONFERENCES (classe normale)

M. ASIMUS Erik, Pathologie chirurgicale

Mme BENNIS-BRET Lydie, Physique et Chimie biologiques et médicales

Mme BIBBAL Delphine, Hygiène et Industrie des Denrées alimentaires d'Origine animale Mme BOUCLAINVILLE-CAMUS Christelle, Biologie cellulaire et moléculaire

Mme BOUHSIRA Emilie, Parasitologie, maladies parasitaires

M. CONCHOU Fabrice, Imagerie médicale

M. CORBIERE Fabien, Pathologie des ruminants

M. CUEVAS RAMOS Gabriel, Chirurgie Equine

Mme DANIELS Hélène, Microbiologie-Pathologie infectieuse Mme DAVID Laure, Hygiène et Industrie des aliments Mme DEVIERS Alexandra, Anatomie-Imagerie

M. DOUET Jean-Yves, Ophtalmologie vétérinaire et comparée Mme FERRAN Aude, Physiologie

Mme LALLEMAND Elodie, Chirurgie des Equidés Mme LAVOUE Rachel, Médecine Interne

M. LE LOC’H Guillaume, Médecine zoologique et santé de la faune sauvage M. LIENARD Emmanuel, Parasitologie et maladies parasitaires

Mme MEYNAUD-COLLARD Patricia, Pathologie Chirurgicale Mme MILA Hanna, Elevage des carnivores domestiques

M. NOUVEL Laurent, Pathologie de la reproduction (en disponibilité) Mme PALIERNE Sophie, Chirurgie des animaux de compagnie

Mme PAUL Mathilde, Epidémiologie, gestion de la santé des élevages avicoles et porcins M. VERGNE Timothée, Santé publique vétérinaire – Maladies animales règlementées Mme WARET-SZKUTA Agnès, Production et pathologie porcine

MAITRES DE CONFERENCES CONTRACTUELS

Mme BORDE DORE Laura, Médecine interne des équidés

M. LEYNAUD Vincent, Médecine interne

ASSISTANTS D'ENSEIGNEMENT ET DE RECHERCHE CONTRACTUELS

Mme BLONDEL Margaux, Chirurgie des animaux de compagnie

M. CARTIAUX Benjamin, Anatomie-Imagerie médicale

M. COMBARROS-GARCIA Daniel, Dermatologie vétérinaire

Mme COSTES Laura, Hygiène et industrie des aliments M. GAIDE Nicolas, Histologie, Anatomie Pathologique

REMERCIEMENTS

À Madame la Professeure Isabelle Berry

Professeure à l’Université Paul Sabatier de Toulouse

Qui me fait l’honneur d’accepter la présidence de cette thèse. Hommage respectueux.

À Monsieur le Professeur Giovanni Mogicato

Professeur à l’École Nationale Vétérinaire de Toulouse Anatomie et Imagerie Médicale

Qui nous fait l’honneur de diriger cette thèse et d’avoir proposé un sujet inspirant.

Mes sincères remerciements.

À Madame la Docteure Alexandra Deviers

Maître de Conférence à l’École Vétérinaire de Toulouse

Qui nous fait l’honneur d’accepter le rôle d’assesseur de cette thèse. Mes salutations.

À Madame la Professeure Christel Moog-Lutz

Professeure à l’Université Paul Sabatier de Toulouse Qui nous fait l’honneur d’être membre invité.

Pour son professionnalisme, son encadrement et ses conseils avisés.

Qu’elle trouve ici l’expression de ma sincère gratitude pour le soutien qu’elle m’a apporté.

Table des matières

Table des illustrations ... 9 Introduction ... 11 Première Partie : Contexte et Objectifs ... 13 I. Le système squelettique ... 13 1. Le squelette axial ... 13 2. Le squelette appendiculaire ... 16 3. Le squelette splanchnique (ou viscéral) ... 22 II. Les aides à l’apprentissage ... 22 1. Les monographies ... 23 2. Les applications multimédias ... 24 III. Objectif de la thèse ... 25 1. Conception ... 25 Deuxième Partie : Création d’une application interactive en 3D temps réel ... 27 I. Notions d’infographie 3D ... 27 II. L’imagerie numérique médicale ... 28 III. Production graphique ... 30 1. 3ds Max® _{: un outil de dessin 3D ... 30} 2. Photoshop® _{: un outil de dessin numérique ... 31}

IV. Unity® _{: développement informatique ... 32}

Troisième Partie : Utilisation de l’application ... 35

1. Démarrage sur macOS ... 35

2. Démarrage sur Windows ... 36

4. L’interface principale ... 37 5. L’interface « Isoler » ... 39 6. Arrêt du logiciel ... 40 Conclusion ... 41 Bibliographie ... 43 Annexes ... 45 Annexe 1 : Syllabus A1S5 du module d’anatomie ... 45 Annexe 2 : Exemples de planches concept ... 49

Table des illustrations

Figures

Figure 1 : Structure classique des vertèbres (vue crâniale) ... 14

Figure 2 : Vue caudale d'une côte canine ... 15

Figure 3 : La scapula du chien ... 16

Figure 4 : Humérus de chien (vue caudale) ... 17

Figure 5 : Radius et Ulna de chien ... 18

Figure 6 : Os de la main du chien (vue dorsale) ... 19

Figure 7 : Os coxal du chien (vue dorsale) ... 20

Figure 8 : Fémur de chien (vue crâniale) ... 20

Figure 9 : Tibia et Fibula de chien (vue crâniale) ... 21

Figure 10 : Os du pied du chien (vue dorsale) ... 22

Figure 11 : Crâne de chien en 3D ... 27

Figure 12 : Tête de chien dans 3DSlicer (données DICOM) ... 29

Figure 13 : Récupération des os de la tête (données DICOM) ... 29

Figure 14 : Création du tibia dans 3ds Max ... 31

Figure 15 : Principe de l'application d'une texture ... 31

Figure 16 : Texture de la peau du chien ... 32

Figure 17 : Icônes du logiciel ... 32

Figure 18 : Section de code C# utilisé pour les interactions de la caméra ... 33

Figure 19 : Fenêtre de lancement sur ordinateur macOS ... 35

Figure 20 : Étapes d'installation du logiciel d'anatomie sur ordinateur Windows ... 36

Figure 22 : Options d'opacité de la peau ... 39 Figure 23 : Interface "Isoler" ... 40

Tableaux

Introduction

L’anatomie est définie comme une science qui a pour objet l’étude de la forme et de la structure des êtres organisés, et celle des rapports des organes qui les constituent [10]. Il s’agit d’une discipline vaste et complexe de par les nombreuses branches qui la composent : l’ostéologie, la myologie ainsi que la neurologie ne sont que quelques exemples nécessitants de nombreuses années de pratiques avant d’en maîtriser les subtilités. En médecine vétérinaire, cette complexité est accentuée par l’éventail d’espèces animales qu’un praticien doit connaître.

En outre, l’anatomie est un pilier pour de nombreuses autres disciplines vétérinaires. En effet, il est indispensable pour le praticien de pouvoir situer le trajet des grands vaisseaux et des nerfs avant de procéder à une chirurgie. Aussi, de savoir situer les différents organes est indispensable lors de tout examen clinique.

L’ostéologie est la branche de l’anatomie qui se consacre à l’étude des os. Tout organisme vertébré possède un squelette lui permettant de se mouvoir par l’intermédiaire des muscles qui relient ses différents éléments. Sa maîtrise est essentielle à tout praticien. En effet, celui-ci devra faire appel à ses connaissances dans de nombreuses situations, par exemple lors de lectures radiographiques.

Actuellement, les quatre Écoles Nationales Vétérinaires (ENV) enseignent l’ostéologie au cours des premières années de la formation initiale. Son apprentissage prend tout son sens d’une part lors de séances pratiques de manipulation des os et, d’autre part, lors des séances de dissection. Cependant, si les cours théoriques permettent de poser les bases, les rares séances de dissection et de manipulation peuvent être insuffisantes pour fixer les connaissances à long terme.

Malgré la qualité des enseignements dispensés au sein des ENV, les étudiants doivent compléter leur enseignement avec des ressources alternatives, tel que l’enseignement assisté par ordinateur (EAO). S’il existe de nombreux logiciels de formation destinés à la médecine humaine [4], le choix est beaucoup plus restreint pour les étudiants vétérinaires : on note des applications disponibles sur Smartphones ainsi que sur Internet. Cependant, celles-ci nécessitent l’achat d’un téléphone, du logiciel, ainsi que d’une connexion internet. Bref, de nombreux frais supplémentaires sont impliqués.

Mais ne serait-ce pas aux ENV elles-mêmes de proposer un outil éducatif actuel permettant d’optimiser l’apprentissage ?

En tant qu’élève vétérinaire, mais aussi en tant que professionnel de l’imagerie de synthèse de par mon précédent métier, cette problématique m’a interpellée suite à la proposition de l’unité d’anatomie.

Cette thèse a donc pour objectif premier d’être un support complémentaire à l’apprentissage de l’ostéologie canine, par l’intermédiaire d’outils modernes permettant une grande interactivité avec le support pédagogique. Nous verrons ainsi, dans une première partie, les structures auxquelles ce projet s’intéresse et nous ferons un état des lieux des outils pédagogiques disponibles aux étudiants. La deuxième partie illustrera les étapes nécessaires au développement du logiciel. Enfin, la troisième partie détaillera son utilisation.

Première Partie : Contexte et Objectifs

I. Le système squelettique

Le squelette assure quatre grandes fonctions chez les vertébrés [7]. Il forme tout d’abord un soutien ainsi qu’une protection des organes internes du corps (poumons, cœur et système nerveux central). Aussi, de nombreux os agissent en tant que levier lors des contractions musculaires. Ils permettent en outre le stockage de calcium, de phosphore, de gras mais aussi de nombreux autres minéraux. Ils participent enfin au processus d’hématopoïèse. Le squelette peut être divisé en trois parties, détaillées ci-après.

1. Le squelette axial

Le squelette axial s’étend du crâne jusqu’à la pointe de la queue et inclus les os suivants : la tête, les vertèbres, la cage thoracique ainsi que le sternum.

a. La tête

La tête comprend trois parties. D’une part le crâne, qui entoure l’encéphale accompagné de ses méninges et de ses vaisseaux et, d’autre part, la face, qui entoure les yeux, les voies digestive et respiratoire. S’ajoute à cela les os de l’appareil hyoïdien, situés dans l’espace inter-mandibulaire, permettant de suspendre le larynx et la langue à la tête. Au total, 50 os composent la tête (Tableau 1).

Tableau 1 : Liste des os composant la tête. D’après [7]. Os du crâne

Os pairs _{1. Pariétal 2. Frontal}

3. Temporal Os impairs _{1. Pariétal} 2. Occipital 3. Sphénoïdale 4. Ethmoïde Os de la face Os pairs _{1. Incisif} 2. Nasal 3. Maxillaire 4. Cornet dorsal 5. Cornet ventral 6. Zygomatique 7. Palatin 8. Lacrymal 9. Ptérygoïdien 10. Mandibule Os impairs _{1. Vomer}

Os de l’appareil hyoïdien Os pairs _{1. Stylohyoïde} 2. Epiphyoïde 3. Cératohyoïde 4. Tympanohyoïde 5. Thyrohyoïde Os impairs _{1. Basihyoïde} b. Les vertèbres

La colonne vertébrale est composée de vertèbres se trouvant en série le long de la ligne médiane du corps et s’étendant de la base du crâne à la pointe de la queue. Toutes les vertèbres présentent une structure similaire (Figure 1) :

• Un corps avec un aspect crânial convexe et un aspect distal concave

• Un arc vertébral d’où se projette dorsalement un processus épineux et latéralement deux processus transverses. L’arc vertébral présente également quatre processus articulaires. Avec le corps, ils forment le foramen vertébral dans lequel passe la moelle spinale.

Figure 1 : Structure classique des vertèbres (vue crâniale). D’après [2].

Les vertèbres sont organisées en régions selon leur position :

• Cervicale : au nombre de 7 chez tous les mammifères. La première vertèbre cervicale, appelée Atlas, ne présente ni corps, ni processus épineux. Elle est uniquement composée de deux ailes latérales rattachées par un arc ventral et un arc dorsal. La deuxième vertèbre, appelé Axis, présente un processus épineux très

développé appelé « dent de l’Axis » sur laquelle s’insère des muscles de la nuque ainsi que le ligament nuchal. Le reste des vertèbres cervicales suivent le schéma classique.

• Thoracique : au nombre de 13 dans la race canine. Elles possèdent un processus épineux très développé et un corps court.

• Lombaire : au nombre de 7 chez le chien. Ces vertèbres présentent un corps large, des processus épineux plats et orientés cranio-ventralement, des processus transverses aplatis et longs, dits « costiformes ».

• Sacrale : au nombre de 3 chez les carnivores domestiques. Elles se soudent entre elles pour former un os unique, l’os sacrum.

• Caudale : en nombre variable. Les premières présentent un corps ainsi qu’un arc. Par la suite, elles se simplifient pour ne présenter plus que le corps.

c. La cage thoracique

Les 13 paires de côtes du chien forment une paroi protectrice pour les organes de la cage thoracique. Seules les neuf premières côtes s’articulent directement avec le sternum par l’intermédiaire d’un cartilage costal : il s’agit des côtes dites sternales

(Figure 2). Les côtes 10 à 12 sont dites asternales car ne sont pas directement

articulées au sternum. La dernière côte est dite flottante. En région dorsale, la tête s’articule entre les vertèbres de rang n et de rang n-1 alors que le tubercule dorsal s’articule avec le processus transverse de la vertèbre de même rang.

Le sternum forme le plancher de la cage thoracique et est composé de 8 sternèbres, la première étant le manubrium, la dernière le processus xyphoïde.

2. Le squelette appendiculaire

Le squelette appendiculaire est constitué des membres thoraciques et des membres pelviens. Il comprend également les ceintures scapulaire et pelvienne.

a. Les membres thoraciques

Le membre thoracique ne présente aucune attache osseuse au tronc. La scapula, qui forme la ceinture, est rattachée au tronc par l’intermédiaire de muscles permettant d’absorber les chocs lors du déplacement des animaux quadrupèdes. La scapula est un os plat et large situé à la jonction du cou et des côtes, qui présente une épine sur sa face latérale (Figure 3). Cette dernière sépare la face latérale en deux régions : la fosse supra-épineuse et la fosse infra-épineuse. L’extrémité distale de l’épine présente une projection osseuse appelée l’acromion. En outre, on trouve la cavité glénoïdale qui forme l’articulation de l’épaule avec la tête de l’humérus.

Figure 3 : La scapula du chien (A) Vue latérale. (B) Vue ventrale. D’après [2]

L’humérus est un os long qui forme le bras (Figure 4), qui s’articule de manière proximale avec la scapula et distalement avec le radius et l’ulna. L’extrémité proximale

et petits tubercules, sites d’attaches musculaires de l’épaule. L’extrémité distale est formé par le condyle, celui-ci étant situé entre les épicondyles latéral et médial. Proximalement au condyle se trouve la fosse olécrânienne, qui reçoit le processus anconé de l’ulna. Enfin, le condyle présente une ouverture appelée trou supratrochléaire, présent uniquement chez les chiens.

Figure 4 : Humérus de chien (vue caudale). D’après [2]

Le radius et l’ulna sont deux os longs situés côte à côte, formant l’avant-bras de l’animal (Figure 5). L’ulna constitue la face palmaire de l’avant-bras. On y trouve l’olécrâne, situé à la pointe du coude, qui porte le processus anconé ainsi que l’incisure trochléaire sur son bord crânial. L’extrémité distale de l’ulna porte le processus styloïde latéral. Le radius porte le processus styloïde médial.

Figure 5 : Radius et Ulna de chien (A) Radius (vue crâniale). (B) Ulna (vue crâniale). D’après [2]

Le carpe est composé de 7 os courts agencés sur 2 rangées (Figure 6). La première rangée s’articule avec l’avant-bras alors que la deuxième rangée s’articule avec les os métacarpiens.

Les métacarpes sont 5 petits os longs et fins (Figure 6). Le métacarpe I, situé médialement, est le plus petit et ne soutient pas le poids de l’animal. Il s’agit de l’ergot du chien. Les métacarpes II – V présentent 2 petits os sésamoïdes en face palmaire de l’articulation métacarpo-phalangienne. Chaque doigt est terminé par 3 phalanges, à l’exception du doigt I qui ne possède qu’une phalange distale.

Les chiens possèdent également une clavicule. Cependant, elle est absente de manière fréquente.

Figure 6 : Os de la main du chien (vue dorsale). D’après [2]

b. Les membres pelviens

Contrairement au membre thoracique, la ceinture du membre pelvien, appelée os coxal, présente une articulation osseuse permettant une propulsion adaptée de l’animal. L’os coxal est composé de 3 os (Figure 7) – l’ilium, l’ischium et le pubis – qui s’unissent sur l’acétabulum pour donner appui au fémur. Avec le sacrum, l’os coxal constitue le bassin.

Le fémur est un os long qui forme la cuisse du chien (Figure 8). La tête du fémur, située sur l’extrémité proximale, s’articule avec la ceinture au niveau de l’acétabulum. De part et d’autre de la tête se trouve les grands et petits trochanters, sites d’insertions musculaires. L’extrémité distale du fémur présente un condyle médial ainsi qu’un condyle latéral qui s’articulent avec l’articulation du grasset.

La patelle, os sésamoïde, est située entre les deux condyles, dans le tendon d’insertion du muscle quadriceps.

Figure 7 : Os coxal du chien (vue dorsale). D’après [2]

Le tibia et la fibula sont 2 os longs qui constituent la jambe de l’animal (Figure

9). Le tibia, situé médialement, est le plus grand des deux. Son extrémité proximale

présente une articulation planiforme appelée plateau tibial. En outre, on y trouve un condyle latéral et un médial, séparés par l’éminence condylaire. Le corps du tibia présente une tubérosité, appelée tubérosité du tibia, qui est un lieu d’insertion pour le ligament patellaire. La cochlée constitue la surface articulaire de l’extrémité distale du tibia. Elle porte également la malléole latérale. La fibula, os latéral et accessoire de la jambe, porte la malléole médiale.

Figure 9 : Tibia et Fibula de chien (vue crâniale). D’après [2]

Tout comme le carpe, le tarse est composé de 7 os courts (Figure 10). Cependant, ces derniers sont arrangés en 3 rangées avec le talus et le calcanéus qui forment la première rangée.

Les métatarses ainsi que les phalanges suivent la même structure que les métacarpes et phalanges du membre thoracique (Figure 10). A noter que le métatarse

ne possède que 4 os (contrairement à 5 pour le métacarpe), à l’exception de certaines races qui présentent un petit métatarse I.

Figure 10 : Os du pied du chien (vue dorsale). D’après [2]

3. Le squelette splanchnique (ou viscéral)

Le squelette splanchnique est composé d’os splanchniques. Ces derniers se développent au sein de tissus mous et sont détachés du reste du squelette. Le chien ne possède qu’un seul os splanchnique, appelé os penis, situé dans le pénis.

II. Les aides à l’apprentissage

Les fondations de l’anatomie et de l’ostéologie canine sont acquises lors des enseignements théoriques dispensés dans les ENV. L’Ecole Vétérinaire Nationale de Toulouse (ENVT) propose également à ses étudiants des séances de travaux dirigés complémentaires aux cours théoriques. Une première séance d’une semaine avec des squelettes reconstitués permet aux étudiants de se consacrer à l’ostéologie

grâce à la possibilité de manipuler chaque os individuellement. Aussi, une séance de dissection de deux semaines apporte une vision plus globale de la discipline.

Si l’ensemble de ces enseignements permet d’acquérir les compétences nécessaires tels que décrit dans le syllabus de l’ENVT (Annexe 1), une formation complémentaire est toutefois nécessaire afin de faciliter et d’optimiser l’apprentissage. En effet, la charge de travail importante d’un étudiant vétérinaire complique parfois son apprentissage. Certaines études montrent que cette charge peut être un facteur de stress important, entrainant des répercussions négatives sur les études [14, 21].

1. Les monographies

Il existe de nombreux ouvrages spécialisés traitant de l’anatomie animale. « Miller’s Anatomy of the Dog » [7] est un ouvrage référence de l’anatomie canine, qui détaille séparément chaque système du corps (squelettique, musculaire, nerveux, uro-génital…). Le chapitre portant sur l’ostéologie détaille de manière précise l’ensemble du système squelettique au travers de nombreuses illustrations et photos. En outre, des images radiographiques complètent le chapitre et permettent ainsi une approche pratique de l’ostéologie.

« Anatomy of the Dog » [13] est un ouvrage qui se présente comme un guide de dissection. Contrairement à l’ouvrage précédent qui développe les différents systèmes du corps, celui-ci étudie les différentes régions (membre thoracique, membre pelvien, cavité abdominale…). Chaque chapitre, riche en illustrations détaillées, intègre l’ensemble des systèmes concernés, offrant ainsi une approche globale de l’anatomie canine.

« Guide to the Dissection of the Dog »[8] est similaire à l‘ouvrage « Anatomy

of the Dog » car propose une étude par région grâce à la l’utilisation d’illustrations détaillées. Cependant, celui-ci étudie successivement les systèmes au sein de chaque région anatomique. Tout d’abord les systèmes musculo-squelettique sont présentés permettant d’apprendre les lieux d’insertions musculaires ainsi que les articulations. Les vaisseaux, nerfs et organes sont ensuite présentés in situ dans les chapitres suivants.

« Color atlas of veterinary anatomy (Volume 3). The Dog and Cat » [5] présente de nombreuses photos de dissections. Ces dernières sont systématiquement accompagnées d’une retranscription schématisée de la photo ainsi que d’une légende.

Malgré le fait que la dissection ne soit pas effectuée sur un animal frais, cette approche permet tout de même d’acquérir une vision réelle de l’anatomie.

Si les ouvrages publiés sont une source intéressante pour l’apprentissage de l’ostéologie canine, ils possèdent tous deux inconvénients : tout d’abord le prix moyen pour une monographie spécialisée est très élevé (environ 100€). La location au sein des bibliothèques universitaires vétérinaires permet d’éviter ces frais. Toutefois, les périodes de prêt sont limitées dans le temps. Ensuite, il n’est pas toujours évident pour l’élève de se repérer dans l’espace lorsque le travail est effectué à partir de photographiques et illustrations ; la vision en deux dimensions peut compliquer l’apprentissage.

2. Les applications multimédias

Outre les ouvrages publiés, les étudiants vétérinaires peuvent faire appel à des outils informatiques pour les aider dans leur formation. Avec les technologies actuelles, de plus en plus de sociétés ont recours à la formation assistée par ordinateur, souvent nommée « e-learning », à tort. En effet, ce terme est défini comme tel : « Mode d’apprentissage requérant l’usage du multimédia et donnant accès à des formations interactives sur internet » [11]. Le terme doit donc être employé lors d’une formation nécessitant internet.

Actuellement, il n’existe pas de formation vétérinaire à distance portant spécifiquement sur l’ostéologie. Cependant, certains sites sont spécialisés dans la formation vétérinaire globale, tout particulièrement dans le cadre de la préparation aux examens du continent Nord-Américain [20].

Toutefois, il existe quelques outils d’ostéologie à la disposition des vétérinaires. Entre 2002 et 2006, des étudiants de l’ENVT ont contribué, dans le cadre de leur thèse d’exercice, à l’élaboration d’un cd-rom d’ostéologie comparée des animaux domestiques [6, 9, 12, 16]. Le logiciel permet d’une part de se former et, d’autre part, d’évaluer ses connaissances. En outre, le contenu a été traduit en 4 langues : Français, Anglais, Espagnol et Latin.

En 2011, une étudiante de l’Ecole Nationale Vétérinaire d’Alfort (ENVA) a créé dans le cadre de sa thèse d’exercice, un site internet consacré à l’ostéologie comparée des carnivores domestiques, des équidés et des bovins [15]. Ses travaux proposent

un choix exhaustif de photos de 4 espèces différentes afin de couvrir l’intégralité du squelette, selon chaque axe d’orientation.

Aussi, il existe des ressources gratuites disponibles sur internet permettant une interaction en 3 dimensions. L’université de Bristol au Royaume-Uni a recréée le squelette canin grâce à la technologie 3DSOM [18]. Cette dernière permet de créer un objet 3D à partir de photos. Ainsi, le squelette revêt un aspect réaliste grâce à ces prises photographiques. Tout comme la thèse de l’ENVA, l’utilisateur à la possibilité de visualiser dans le détail l’intégralité du squelette. Cependant, seul le squelette canin est représenté ici. L’université de Sheridan au Canda a également mis en place une application similaire [19].

Malgré les intérêts de ces outils pédagogiques complémentaires, ils présentent un défaut : tous nécessitent un accès à internet lors de chaque utilisation.

Depuis peu, il est possible d’acquérir des applications smartphones d’anatomie canine. Elles ont l’intérêt de présenter une anatomie plus complète par la présence de tous les systèmes. Cependant, ces logiciels sont payants et nécessitent également l’achat d’un smartphone assez récent.

III. Objectif de la thèse

Avec une moyenne de 312 os [7], l’ostéologie est une discipline complexe qui nécessite du temps afin d’en maîtriser tous ses aspects. L’étudiant a besoin tout d’abord d’apprendre les os qui composent le squelette, mais il est également important de pouvoir les orienter correctement dans l’espace et reconnaître les différents reliefs osseux, tels que les lieux d’insertions musculaires.

Si les cours et les ouvrages publiés permettent d’acquérir des notions importantes, ils ne proposent cependant pas une pédagogie optimale. Les avancées technologiques permettent aujourd’hui de proposer un choix moderne de logiciels afin de complémenter les bases théoriques. Toutefois, les conditions d’accès à ces programmes peuvent être restrictives suite aux frais encourues.

1. Conception

Il existe de nombreux outils informatiques permettant la création de contenu hautement interactif. En s’appuyant sur des logiciels couramment employés dans l’industrie du jeux vidéo, il est aujourd’hui possible de proposer des logiciels d’une

interactivité incomparable. Ainsi, il a été décidé de créer un programme en trois dimensions (3D) temps réel afin de complémenter l’apprentissage de l’ostéologie canine. L’intérêt de ces applications est la possibilité d’interagir avec le squelette dans les trois dimensions. Autrement dit, l’utilisateur a la possibilité de visualiser chaque os sous n’importe quel angle (contrairement aux photographies où l’image reste figée), de près comme de loin. Cette approche novatrice permet à quiconque le souhaite d’apprendre l’ostéologie canine à partir de son ordinateur de bureau, sans accès nécessaire à internet, et ce de façon gratuite. Toutefois, un tel logiciel nécessite un ordinateur assez puissant afin de pouvoir fonctionner correctement. Il est impératif de prendre ce point en compte lors de la phase de création.

Deuxième Partie : Création d’une

application interactive en 3D temps réel

I. Notions d’infographie 3D

L’infographie 3D est une discipline vaste qui englobe de nombreuses notions et, comme toute profession, emploi un jargon spécifique.

L’infographie 3D se compose principalement de deux domaines : la 3D pré-calculée et la 3D temps réel. Si le premier se consacre à la création de courts et longs métrages, le deuxième se spécialise plutôt dans la création de contenu interactif. L’un et l’autre se concentrent sur l’aspect visuel ou graphique.

Les objets 3D sont composés d’éléments appelés polygones. L’ensemble des polygones forme un maillage, aussi appelé mesh. Plus celui-ci est dense, plus l’objet est détaillé (Figure 11). Cependant, un maillage plus dense nécessite une puissance de calcul supérieure de la part de l’ordinateur. La 3D temps réel demande donc une approche minimaliste lors de la production graphique, c’est-à-dire que les objets présentent un mesh peu détaillé, afin d’être sûr que le logiciel puisse fonctionner correctement sur les machines cibles.

II. L’imagerie numérique médicale

La création d’un tel logiciel nécessite l’utilisation de plusieurs outils informatiques spécialisés, chacun employé à une étape bien précise.

Il existe de multiples façons de créer des objets en 3D. Une première approche consiste en l’utilisation d’images références qui servent de base de dessin de l’objet en 3D. Dans notre cas, la création d’un seul os nécessiterait entre 5 et 6 photos, chacune selon une orientation différente : une vue crâniale, une caudale, une ventrale, une dorsale, une médiale et une latérale. L’intérêt est d’avoir une vue globale, et donc la plus précise possible, de l’os à dessiner. Les photos sont ensuite placées dans le logiciel d’imagerie 3D pour servir de plan. Cependant, cette approche est peu précise dans le cas d’objets complexes comme les os.

Une deuxième approche fait appel à l’imagerie médicale. La norme standard pour la gestion informatique des données issues de l’imagerie médicale s’appelle le DICOM (Digital Imaging and COmmunications in Medicine). Il s’agit d’un format qui stock, entre autres, les données tomodensitométriques issues des multiples coupes fines acquises dans les 3 plans (sagittal, frontal et transverse). Ces données sont par la suite traitées au sein d’un logiciel gratuit de visualisation - 3DSlicer® [1] -permettant de créer une représentation 3D de n’importe quelle structure anatomique visible sur les clichés. Selon l’objectif fixée par la thèse (de pouvoir fonctionner quel que soit l’ordinateur), l’objet crée à cette étape n’est pas exploitable en l’état car présente un maillage extrêmement dense.

La première étape consiste à importer les fichiers DICOM afin d’avoir accès aux données tomodensitométriques. La section choisie peut ensuite être visualisée en 3D

(Figure 12). Cependant, les données ne sont pas encore exploitables. Il faut ensuite

extraire les données nécessaires à la création de l’objet 3D de la structure souhaitée : l’os (Figure 13).

Il est ensuite nécessaire d’exporter cet objet 3D dans un format numérique lisible par le logiciel de création graphique. Le format choisi est le .obj car un des plus répandu.

Figure 12 : Tête de chien dans 3DSlicer (données DICOM)

III. Production graphique

Plusieurs étapes sont nécessaires à la création de contenu 3D. Cependant, avant cette création, une première étape de concept sur papier a été réalisée (Annexe

2). Ensuite, l’objet est dessiné en 3D puis peint dans Photoshop.

1. 3ds Max

: un outil de dessin 3D

Développé par la société Américaine Autodesk, 3ds Max est l’un des logiciels de référence dans le domaine de l’infographie 3D et tout particulièrement dans la production de jeux vidéo [3]. La société propose une licence gratuite de 3 ans pour les étudiants.

Son utilisation est indispensable afin de modéliser1 les objets 3D récupérés à partir de 3DSlicer. En effet, ce dernier crée des objets avec un nombre de polygones beaucoup trop élevé pour être utilisés dans un contenu interactif tel que celui souhaité. A titre de comparaison, le crâne exporté de 3DSlicer contient environ 800 000 polygones alors que l’objet redessiné en contient 6200. La reprise permet donc de diminuer considérablement la résolution de l’objet, et donc de faciliter son affichage lors de l’utilisation de l’application finale.

Il existe plusieurs procédures dans 3ds Max permettant de modéliser des objets 3D : soit à partir de formes dites primitives (carré, cylindre, sphère…), soit à partir de courbes. Le choix s’est porté principalement sur le deuxième car plus adapté aux formes organiques du squelette (Figure 14).

Suite à l’achèvement de la modélisation, chaque objet doit être « habillé » d’une texture. Cela consiste à appliquer une image créée sur ordinateur afin d’ajouter un effet de matière à l’objet 3D brut. Cependant, ce processus requiert une étape supplémentaire dans 3ds Max qui consiste à mettre l’objet à plat. A l’instar d’un patron de couture, les coordonnées 3D de l’objet sont découpées puis étirées à plat. Ceci permet par la suite d’appliquer une image non déformée à l’objet 3D (Figure 15).

Figure 14 : Création du tibia dans 3ds Max. (A) Import 3DSlicer. (B) Etape intermédiaire. (C) Tibia finalisé. (D) Superposition de (A) et (C)

Figure 15 : Principe de l'application d'une texture. (A) Objet complet sans texture. (B) Objet sans coordonnées de texture. (C) Objet avec coordonnées de texture.

2. Photoshop

: un outil de dessin numérique

La création des textures est effectuée grâce à l’utilisation de Photoshop, logiciel de référence pour la retouche, le traitement et le dessin assisté par ordinateur. Il est possible d’exporter à partir de 3ds Max une image représentant les coordonnées 3D des objets, qui pourra par la suite servir de base de dessin. La texture peut être créée ex nihilo ou grâce à la prise de photo. Dans le cas du chien, des photos de berger malinois ont servi de support pour la création de la texture finale (Figure 16).

Outre les textures des différents objets 3D, Photoshop a également été utilisé pour créer les icônes du logiciel ainsi que les graphismes de l’interface (Figure 17).

Figure 16 : Texture de la peau du chien. (A) Coordonnées 3D de l'objet après export de 3ds Max. (B) Création de la texture après achèvement dans Photoshop.

Figure 17 : Icônes du logiciel. (A) Banderole de lancement. (B) Icône de l'application.

IV. Unity

: développement informatique

Le développement informatique consiste en l’écriture de programmes informatiques. L’écriture se fait par le biais d’un logiciel adapté, en un langage informatique spécifique. Il existe de nombreux langages, chacun étant adapté à un objectif précis. Des exemples de langages sont le JavaScript, le PHP, le Python, le Java et le C# (prononcé C sharp).

Afin de répondre aux objectifs de la thèse, il a été décidé d’utiliser Unity comme outil de développement, et ce pour plusieurs raisons [17]. La première repose sur le fait qu’il s’agit d’un moteur de jeu multi-plateforme, c’est-à-dire qui fonctionne sur

plusieurs systèmes d’exploitation. Or, il est important de créer un logiciel pouvant fonctionner sur les systèmes d’exploitation Microsoft Windows® et Apple macOS®, car ce sont deux systèmes d’exploitation ubiquistes. Grâce à Unity, la phase de développement ne nécessite qu’une seule écriture. La deuxième raison expliquant ce choix se porte sur l’omniprésence de Unity. En effet, il s’agit d’un des moteurs les plus répandus de l’industrie du jeux vidéo. La conséquence est la présence d’une communauté importante, proposant une aide d’apprentissage. La dernière raison justifiant ce choix est la disponibilité d’une version gratuite, sans limite de temps. Le langage informatique utilisé par Unity est le C# (Figure 18), implémenté par Microsoft. Les particularités du langage ne seront pas présentées ici du fait de leur complexité. Il existe de nombreuses ressources en ligne si le lecteur souhaite compléter ses connaissances.

Troisième Partie : Utilisation de

l’application

L’application est utilisable sur n’importe quel ordinateur de bureau ou ordinateur portable fonctionnant avec macOS ou Windows.

1. Démarrage sur macOS

L’application peut être installé dans le dossier « Applications » si souhaité, mais ce n’est pas indispensable. Afin de démarrer l’application, il faut effectuer un double-clic sur l’icône, suite auquel une fenêtre de paramétrage s’ouvre (Figure 19).

Figure 19 : Fenêtre de lancement sur ordinateur macOS

L’onglet « Graphics » permet de paramétrer la qualité graphique de l’application grâce aux options suivantes :

• « Screen resolution » : cette option permet d’ajuster le nombre de pixels utilisés pour l’affichage. Une résolution plus élevée nécessitera un

ordinateur de puissance supérieure. Il est recommandé de choisir une résolution maximale équivalente à celle de l’affichage de l’ordinateur. • « Graphics quality » : modifie la qualité globale de l’affichage. Une option

supérieure nécessitera un ordinateur plus puissant.

En sus de ces paramètres, il est possible d’afficher le logiciel en mode fenêtré grâce à l’option « Windowed ». Enfin, le bouton « Play » permet de démarrer le logiciel.

L’onglet « Input » n’est pas utilisé car les commandes sont prédéterminées.

2. Démarrage sur Windows

L’utilisation de l’application sur un ordinateur Windows nécessite son installation. Deux versions sont disponibles en fonction du système opératoire : 32 bits et 64 bits. Une première fenêtre invite l’utilisateur à choisir la langue utilisée lors de l’installation (Figure 20 - A). S’ensuit la possibilité de créer un raccourci bureau puis l’installation (Figure 20 - B, C). Une fois celle-ci terminée, l’utilisateur à la possibilité de démarrer directement le logiciel d’anatomie (Figure 20 - D), la fenêtre de démarrage ressemblant à celle trouvée sur macOS (Figure 19).

3. Les commandes

La navigation au sein du logiciel est simple ; peu de boutons sont utilisés. L’ensemble des commandes se fait grâce à une souris ou grâce au pavé tactile de l’ordinateur portable.

Les commandes sont les suivantes :

• Clic de la souris gauche : permet de tourner le chien à 360° autour de chaque axe. Le clic gauche sert également à interagir avec les boutons présents à l’écran.

• Clic de la souris droite : permet d’effectuer un mouvement latéral sur les axes horizontal et vertical. A noter que sur un ordinateur portable Apple, le clic droit se fait en appuyant avec deux doigts sur le pavé tactile alors que sur un ordinateur Windows, il y a souvent un bouton physique. • Molette de la souris : permet de rapprocher ou éloigner le chien. A noter

que sur un pavé tactile cette action s’effectue généralement en glissant deux doigts vers le haut ou vers le bas.

• Double-clic de la souris gauche (uniquement sur les os) : permet de centrer la vue sur un os.

• Si l’os le permet, le double-clic fait apparaître en haut de l’écran, au centre, un bouton « Isoler », permettant d’isoler l’os en question pour en visualiser une version plus détaillée. L’os est accompagné d’icônes servant à mettre en évidence les reliefs osseux.

Si aucune action n’est effectuée pendant 8 secondes, le chien tourne lentement sur lui-même. Cette rotation automatique s’arrête suite à un clic de la souris.

4. L’interface principale

L’interface se compose de 3 éléments principaux, tels que notés sur la (Figure

21) :

• Boutons « Opacité de la peau » et « Quitter » (Figure 21 - A) : le bouton d’opacité permet de permuter entre un affichage opaque, transparent (intéressant pour visualiser in situ le positionnement et l’orientation des os) ou aucun affichage (intéressant pour éviter un encombrement visuel)

• Bouton d’isolement des os (Figure 21 - B) : permet d’isoler un os afin d’en visualiser une version de plus haute résolution ainsi que les reliefs osseux présentant un intérêt anatomique.

• Cube d’orientation (Figure 21 - C) : le cube tourne de manière synchrone avec le chien afin d’apporter une aide visuelle de repère dans l’espace. Les référentiels d’orientation (vue crâniale, caudale, latérale, médiale, dorsale et ventrale) et de coupes (transverse, frontale, médiane) sont présentes sur les différentes faces du cube.

• Zone centrale d’interaction (Figure 21 - D) : représente la zone principale où ont lieu toutes les interactions avec les objets 3D.

• Zone de nomenclature des os (Figure 21 - E) : affiche le nom de l’os survolé avec la souris ou lors d’un double-clic.

• Bouton « info » (Figure 21 - F) : permet d’afficher les commandes

Figure 21 : Interface principale. (A) Boutons « Opacité » et « Quitter ». (B) Bouton « Isoler ». (C) Cube d’orientation. (D) Zone d’interaction. (E) Zone de nomenclature des os. (F) Bouton « Information ».

Figure 22 : Options d'opacité de la peau. (A) Opaque. (B) Transparent. (C) Non affichée.

5. L’interface « Isoler »

Cette interface fait suite à un clic de la souris gauche sur le bouton « Isoler » se trouvant en haut, au centre de l’interface principale. Elle permet de visualiser des os de plus haute résolution, accompagnés d’icônes mettant en évidence des reliefs osseux d’intérêt anatomique. Cette nouvelle interface est sensiblement identique à la principale :

• Bouton « Retour au squelette complet » (Figure 23 - A) : permet de revenir à l’interface principale.

• Cube d’orientation (Figure 23 - B) : ce cube à la même fonction que dans l’écran principal. La différence se situe sur la nomenclature des vues qui change en fonction de l’os choisi (par exemple vue palmaire / plantaire pour le carpe / tarse).

• Zone centrale d’interaction (Figure 23 - C) : zone où ont lieu les interactions avec les objets 3D. Une différence notable est la présence de petites icônes à proximité de l’os (Figure 23 - D), servant à mettre en évidence les différents reliefs osseux.

Il est important de noter que dans le cas des vertèbres, seul un os de chaque région (cervicale, dorsale, lombaire, caudale) est accessible en haute résolution. Ceci est un choix volontaire afin de ne pas alourdir le poids du fichier numérique.

Figure 23 : Interface "Isoler". (A) Bouton de retour vers l’interface principale. (B) Cube d'orientation.

(C) Zone centrale d'interaction. (D) Icône d’intérêt.

6. Arrêt du logiciel

L’arrêt du logiciel s’effectue en cliquant sur le bouton rouge « Quitter » se trouvant en haut à gauche de l’écran principal.

Conclusion

Ce travail propose une approche novatrice pour l’apprentissage de l’ostéologie canine. En s’appuyant sur un moteur de jeu performant, reconnu et gratuit, il est aujourd’hui possible de proposer des compléments pédagogiques performants et efficaces. En outre, la modélisation du squelette à partir de fichiers médicaux DICOM garantit un support crédible. Ainsi, si ce logiciel est destiné principalement aux étudiants vétérinaires, il est aussi particulièrement adapté à de nombreuses autres situations : support visuel lors d’un enseignement théorique (quelle que soit la tranche d’âge), support pédagogique pour la patientèle des vétérinaires libéraux ou pour toute personne désireuse de s’informer sur l’ostéologie canine.

Cependant ce travail ne fait qu’effleurer les possibilités proposées par une telle technologie, et ce malgré un travail considérable. En effet, au-delà du système squelettique, il serait intéressant de pouvoir proposer l’ensemble des systèmes composant le corps. En sus, une anatomie comparée des différentes espèces animales serait particulièrement adaptée aux vétérinaires.

En outre, l’anatomie constitue une fondation pour de nombreuses autres disciplines médicales : entraînement d’actes chirurgicaux, lecture radiographique, cas cliniques, concepts de physiologie, lecture de coupes histologiques…autant de possibilités qu’il n’y a de disciplines. Ainsi, avec un travail complémentaire adapté, cet outil peut devenir un support pédagogique universel et exhaustif : ce travail solitaire n’est qu’une ébauche d’un travail pluridisciplinaire plus aboutit.

Le volant des possibilités qu’offre un tel outil paraît de plus en plus indispensable face aux besoins qu’à le professionnel vétérinaire pour suivre les innovations de son métier (nouvelles techniques de chirurgie, entraînement des gestes…), mais surtout l’obligation grandissante qu’il va avoir à muter face à une patientèle de plus en plus connectée, pour qu’il entre enfin dans l’air du 2.0.

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Murdoch University Veterinary Students . Journal of Veterinary Medical Education. 2005. Vol. 32, 201 – 212.

Annexes

NOM : PEARCE PRÉNOM : SCOTT TITRE : DÉVELOPPEMENT D’UNE APPLICATION INTERACTIVE EN TROIS

DIMENSIONS (3D) POUR L’APPRENTISSAGE DE L’OSTEOLOGIE CANINE

RÉSUMÉ : L’ostéologie canine est une discipline dont l’apprentissage est facilité par

un enseignement pratique. Les technologies actuelles offrent de nombreuses approches pédagogiques alternatives et complémentaires aux cours dispensés dans les quatre Écoles Nationales Vétérinaire françaises. Grâce aux logiciels de 3D temps réel, il est à présent possible de créer des expériences plus riches, interactives et immersives que jamais. Au travers des outils communément utilisés dans l’industrie du jeux vidéo, nous avons cherché à créer un programme aidant à l’apprentissage de l’ostéologie canine. Si ce logiciel trouve un intérêt tout particulier auprès des étudiants vétérinaires, il peut également présenter un intérêt auprès des enseignants pour sa valeur pédagogique, mais également auprès des praticiens vétérinaires dans le cadre d’une éducation de leur clientèle.

MOTS CLÉS : anatomie, ostéologie, chien, carnivore, logiciel, interactif, 3D temps réel,

outil pédagogique, ordinateur de bureau, ordinateur portable

TITLE : CREATION OF A THREE DIMENSIONAL (3D) INTERACTIVE TRAINING

SOFTWARE IN CANINE OSTEOLOGY

ABSTRACT : Canine osteology is a discipline in which learning is made easier through

practical teaching. Modern technologies offer many alternative and complementary teaching approaches to the courses taught in the four French National Veterinary schools. Thanks to real time 3D software, it is now easier than ever to create rich, interactive and immersive experiences. Through tools commonly used in the video games industry, we have tried to create a program to help in learning canine osteology. Even though this software is of particular interest to veterinary students, it can also be of interest to both teachers for its pedagogical value and to veterinary practitioners as part of their client’s education.

KEY WORDS : anatomy, osteology, dog, carnivore, software, interactive, real time 3D,