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Chapitre 2
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Méthodes
Pour l’acquisition des données, j’ai fait appel à deux techniques très différentes. La première, détaillée ci-dessous, est la technique traditionnelle de moulage interne grâce à un polymère. La deuxième technique fait appel aux rayons X des CT-scans.
Moulage endocrânien en silicone
Le moulage endocrânien peut être réalisé avec deux types de matériaux différents : le latex (Radinsky, 1968) ou le silicone. J’ai exclusivement utilisé ce dernier matériau car il est plus approprié pour la réalisation de moulages internes et possède une longue durée de vie. Les avantages du silicone sont sa stabilité, sa résistance, sa souplesse, une longue durée de vie et sa couleur mate.
Le silicone est formé d’une chaîne d’atomes d’oxygène et de silicium ([R2SiO]n) (fig. 2.1) sur
lequel sont fixés deux groupements organiques. C’est la variété de ces groupements et la longueur de la chaîne silicium-oxygène qui confèrent au matériau ses propriétés et sa fluidité, allant du liquide au plastique dur (Greenwood & Earnshaw, 1997).
Figure 2.1. Structure chimique du silicone polydimethysiloxane.
64 inerte, stable à température ambiante, possédant une longue durée de vie, sa conductivité thermique et électrique est faible, il est peu toxique, repousse l’eau, résiste bien aux acides, aux bases et aux solvants polaires. Il connaît de nombreuses applications dans l’industrie et le domaine médical, étant utilisé en fonction de ses propriétés comme adhésif, lubrifiant, isolant, moule, joint, matériau de type caoutchouteux, absorbeur de chocs, ...
Pour réaliser un moule, le type de silicone le plus approprié est l’élastomère. Les élastomères sont caractérisés par une élasticité caoutchoutique, les molécules se déformant facilement grâce à la rotation des liaisons Si-O. Pour rendre le silicone résistant aux déformations intempestives, il faut réticuler les chaînes par des liaisons covalentes (vulcanisation). Cette opération se déroule grâce à un catalyseur ajouté au moment de l’utilisation.
Méthode
La procédure à suivre pour réaliser un moulage endocrânien est la suivante :
- boucher les foramens et les fissures du crâne avec de la pâte à modeler (fig. 2.2); - vaporiser de la vaseline en spray dans la boîte crânienne et sur les bords du foramen magnum (elle limite l’adhérence du silicone et facilitera l’extraction du moulage lors de la dernière étape);
- préparer le mélange silicone et catalyseur (catalyseur = 5% du silicone). Veiller à ce que le mélange soit bien homogène;
- verser une première couche de silicone à l’intérieur du crâne, via le foramen magnum, et lui faire recouvrir l’entièreté des parois internes en tournant le crâne en tout sens;
- quand la première couche de silicone est bien étalée, placer le crâne en oblique sur un support, afin de permettre au trop-plein de silicone de s’écouler par le foramen magnum dans un récipient prévu à cet effet;
65 - réaliser ainsi 3 à 4 couches, en fonction de la taille du spécimen et du foramen magnum. Il faut éviter que ce dernier soit obstrué ou que le moulage soit trop épais, rendant difficile son extraction;
- lorsque le moulage est terminé et bien sec, retirer la pâte à modeler du crâne, décoller prudemment le silicone de la surface de l’os, en utilisant éventuellement un instrument, et extraire doucement le moulage par le foramen magnum.
Une fois terminé, le moulage endocrânien peut être par la suite renforcé et rigidifié en le remplissant avec une résine.
Figure 2.2. A gauche : Boîte crânienne d’Amurosaurus riabinini (AEHM 1/232) en vue latérale gauche, prête pour le moulage endocrânien, les foramina sont recouverts de pâte à modeler. A droite : moulage en silicone en vue latérale droite.
Tomographie assistée par ordinateur
La tomographie assistée par ordinateur (souvent appelée CT-scan dans notre travail) est une technique de visualisation largement utilisée dans le milieu médical. Elle consiste en la reconstruction en volume d'un objet grâce à des mesures effectuées par tranche depuis l'extérieur. Elle permet un examen interne du patient (ou de l’objet), rapide et indolore.
66 autre matériau similaire (Witmer et al., 2008). Soit le spécimen était coupé et poli petit à petit, et chaque étape dessinée au fur et à mesure. Cette méthode, nécessitant la destruction totale du spécimen, est en outre longue, demandant jusqu’à 2 ans de travail (Fourie, 1974).
La tomographie assistée par ordinateur fut inventée en 1976 et ses premières applications dans le domaine de la paléontologie remontent aux années 1980 (Conroy and Vannier, 1984; Haubitz et al., 1988). Les scanners hélicoïdaux (permettant une acquisition rapide) sont disponibles depuis les années 1990. Le principe de la tomographie consiste en la reconstruction de la géométrie bidimensionnelle d’un objet à partir d’une série de projections. Cependant, cette technique nécessitait l’avènement des ordinateurs capables de réaliser ces calculs avant de prendre son envol.
Nous exposerons ici les principes et les avantages du CT-scan, ainsi que la méthode à suivre.
Principes
L'acquisition commence par l’envoi d’un faisceau de rayons X sur un objet. L’émetteur et le récepteur tournent autour de l’objet à examiner dans un mouvement circulaire pendant que la table supportant l’objet avance (acquisition hélicoïdale). Une partie des rayons seront stoppés, les autres seront détectés par les instruments situés en face de l’émetteur. Le récepteur mesure l’intensité des rayons après qu’ils aient été absorbés ou dispersés par l’objet. La perte des électrons est fonction des caractéristiques du spécimen (densité, matériaux présents) et de l’énergie des rayons X. Les données sont ensuite transmises à un ordinateur à qui sera confié le traitement des données. Il attribue à chaque pixel de l’image une valeur d’échelle de gris proportionnelle à l’absorption des rayons X par le volume de l’objet correspondant. Une série de coupes virtuelles à travers l’objet étudié sont ainsi générées. Le traitement informatique permet la visualisation à travers l’objet en tout point de l’espace, et selon l’axe désiré. L’ordinateur et le programme adapté permettent de recomposer des coupes en vue bidimensionnelle, y compris dans d’autres plans que celui dans lequel le scan a été effectué, et de faire des reconstructions tridimensionnelles des éléments de cet objet (exemples : organes, tumeur, oreille interne, etc.).
67 de la perméabilité de roches et de sols (Ketcham and Carlson, 2001). En paléontologie, des tranches bidimensionnelles à travers les données selon 3 axes de plans orthogonaux (coronal, sagittal et horizontal) sont la meilleure manière d’étudier les structures squelettiques.
Le résultat ne consiste pas en des mesures de densité des matières mais bien de leurs capacités à atténuer les rayons X; ces transitions correspondent généralement à des frontières entre les matériaux et les phases (Ketcham and Carlson, 2001). De manière générale, les rayons X de basse énergie donnent la meilleure discrimination. Les hautes énergies réduisent le bruit, le temps et le coût du scan, et certains artéfacts.
Il convient, pour obtenir des données optimales, de choisir lors du scan la configuration appropriée, la source de rayons X, les détecteurs et une calibration soignée.
Choix du spécimen
Le spécimen à scanner ne doit pas être trop grand. Les rayons doivent pouvoir traverser l’entièreté du spécimen et une petite taille minimise la perte des photons à travers l’objet. Dans le cadre d’un scan réalisé dans un hôpital (fig. 2.3), les dimensions sont en général de maximum 70 cm de diamètre, pour des coupes variant entre 0,4 et 10 mm d’épaisseur. Plus le spécimen est grand, plus la résolution du scan diminuera. Celle-ci est en effet la résultante du rapport champ de reconstruction/nombre de canaux de détecteurs.
La zone de prise d’images étant cylindrique, la forme optimale pour l’échantillon à scanner est de forme cylindrique elle aussi. Le diamètre du spécimen, mais également sa densité, vont conditionner la résolution du scan.
68 Figure 2.3. Spécimen d'Ampelosaurus atacis, lors du scan à l'hôpital Gasthuisberg, UZ Leuven.
Le mode de préservation du fossile va aussi avoir un rôle important dans la qualité du scan. De l’os solide dans une matrice sédimentaire donnera des résultats plus facilement lisibles. La présence d’oxydes et de sulfides (pyritisation par exemple), les fossiles d’invertébrés, une diagenèse et des processus taphonomiques trop prononcés, compliqueront la lecture, voire rendront le scan du spécimen inutilisable.
69 Artéfacts
Qu’est-ce qu’un artéfact ? Il s’agit d’une caractéristique d’une image qui reflète des imperfections dans le processus de scan, absente dans l’objet physique. Elle peut mener à des interprétations erronées ou masquer des détails du CT-scan.
70 Figure 2.4. Exemples d'artefacts rencontrés. 1) Scan d’Allosaurus fragilis sur lequel apparaissent le ‘beam-hardening’ et l’artéfact des ‘lignes de long axe’ (photo issue de Franzosa, 2004); 2) scan à travers un cylindre de saprolite placé dans un tuyau de PVC et montrant divers artéfacts, dans l’ordre : A) artéfacts en anneaux et beam-hardening; B) correction apportée qui diminue les artéfacts précédents mais obscurcit également les fractures; C) correction grâce à un filtre, réduit les artéfacts mais augmente le bruit; D) correction apportée par une calibration (d’après Ketcham and Carlson, 2001).
Les matériaux métalliques doivent aussi être minimisés, car leur densité importante réfracte les rayons X et crée de nombreux artéfacts de type ‘starburst’, c'est-à-dire des points très brillants qui apparaissent sur les images et obscurcissent les détails autour d'eux. Ces inclusions métalliques peuvent être d’origine naturelle (oxydes, sulfides) ou artificielle (barres incluses dans le spécimen lors d'une restauration).
71 cette dernière méthode comporte le risque d’effacer des informations utiles des images, prises à tort pour des artéfacts.
Le dernier type d’artéfacts est nommé 'les lignes de long axe’, et est causé par un rapport signal/bruit très faible.
La quantité et le type d'artéfacts qui seront rencontrés dépendent donc à la fois du spécimen et de la manière dont il sera scanné. Les énergies faibles ont un bon pouvoir discriminant, tandis que les hautes énergies atténuent le bruit mais créent certains artéfacts. Il faut s'efforcer d'appliquer le meilleur compromis possible pour réduire les artéfacts lors du scan de l'objet, diminuant ainsi les risques que certains artéfacts gênent ultérieurement la lisibilité du spécimen.
Avantages
Le CT-scan est une méthode d’acquisition de données rapide et non-destructive qui fournit des images correspondant à des sections en série à travers un objet (Sutton, 2008). En fournissant la possibilité d’observer l’intérieur d’un spécimen sans l’abîmer, il augmente la quantité d’informations morphologiques disponibles pour le chercheur. Il permet de disséminer de manière plus large les données concernant un spécimen; une fois digitalisé, le spécimen peut être étudié sans que la personne doive effectuer de déplacements pour visiter la collection.
Le CT-scan requiert un nombre minimal de manipulations et les risques d’endommager un spécimen fragile et/ou rare sont minimes. Certains fossiles sont impossibles à mouler à cause de leur complexité et de leur fragilité. Cependant grâce aux données CT-scan, le spécimen peut faire l’objet d’une reconstitution grâce à une imprimante tridimensionnelle. Cette dernière application est surtout réservée à la création de prototype et de copies des pièces extrêmement fragiles qui ne pourraient pas faire l'objet d'un moulage sans être endommagées.
Méthode
72 Finite Element Analysis, qui reconstruit les déformations et contraintes de stress d’un objet, biologique ou non), de mesurer des distances, des angles et les volumes de tout ou partie du spécimen. Je décrirai ici la méthode que j'ai utilisée pour la majorité des moulages digitaux créés.
Le set de données est composé d’images des coupes virtuelles, au format DICOM ou TIFF. La première étape consiste en un léger traitement par le programme DicomWorks. Celui-ci permet de visualiser, sélectionner et enregistrer le set de données jugé de meilleure facture dans le dossier choisi. Certains programmes utilisés pour les reconstitutions et mesures de ce type de données sont très sensibles à la manière dont le set de données est organisé. Utiliser DicomWorks permet d'assurer la compatibilité des données avec le programme de traitement, notamment en ordonnant les coupes et en leur assignant un nom adéquat.
Le set de données sera ensuite traité dans un programme spécialisé, tel Amira ou ArteCore (Semal et al., 2004, 2005). C'est ce dernier que j'ai principalement utilisé pour mon travail. Balzeau (2006) a écrit un manuel clair et concis pour comprendre et mettre en œuvre les différentes fonctionnalités de cet outil. Bien que moins puissant, ArteCore est un programme plus sensible mais dont l'utilisation est plus intuitive que celle d'Amira.
On règlera d’abord l’échelle de gris pour obtenir le meilleur contraste lors de notre travail. Il s'agit ensuite de sélectionner la zone d'intérêt, dans notre cas la cavité endocrânienne, sur chacune des coupes virtuelles, tranche par tranche, grâce à l'outil « add slice volume » (fig. 2.5). Les contours de la zone d’intérêt sont délimités et la partie intérieure est également remplie grâce à l’outil. Le processus est répété sur chaque tranche du set de données. Lorsque des artéfacts et/ou une matrice de sédiments sont présents, il est plus difficile de discriminer l'espace endocrânien et le travail en sera ralenti.
73 Figure 2.5. Exemple de coupe (ici Iguanodon bernissartensis IRSNB R51), la zone d'intérêt est colorée en bleu. Notez les taches blanches sur le scan, qui indiquent des zones composées de pyrite.
74 Figure 2.6. Exemple de reconstitution de crâne et d’endocrâne (en rouge), ici Mantellisaurus
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Matériel
Cette étude est notamment basée sur les collections paléontologiques de l’Institut Royal des Sciences Naturelles de Belgique (IRSNB). La restauration des squelettes d’Iguanodons de Bernissart à l’occasion du renouvellement de l’aile Janlet du musée représentait une occasion unique de réaliser les CT-scans des crânes. D’autre part, l’IRSNB a effectué, depuis 1995, des fouilles dans plusieurs gisements à dinosaures crétacés d’Asie. Des crânes très bien conservés de dinosaures ornithischiens, à différents stades évolutifs, étaient directement disponibles pour cette étude.
Nous exposons ici la liste des spécimens pour lesquels des moulages et des CT-scans ont été réalisés dans le cadre de la thèse. Certains spécimens que nous souhaitions étudier n’ont finalement pu l’être car ils se sont révélés incomplets ou trop déformés, ne permettant pas d’obtenir une reconstitution d’une qualité satisfaisante. Dès lors nous n’avons pu étudier : un moulage de Kerberosaurus manakini (collection AEHM), et les CT-scans des sauropodes Ampelosaurus atacis, Phuwiangosaurus sirindhornae, et un nouveau genre (prêt Espéraza, J. Le Loeuff), du Lesothosaurus diagnosticus (prêt MNHN, B. Battail), de deux Rhabdodons (prêt Cruzy, P. Chanthasit), d’Arenysaurus ardevoli (collection MPZ), d’Olorotitan arharensis (collection AEHM), et de Saurolophus angustirostris (prêt F. Escuillié).
Moulages endocrâniens en silicone
- 2 crocodiles (Crocodylus cataphractus et Crocodylus porosus) (prêt MRAC, E. Gilissen)
- 1 Lurdusaurus arenatus (collection MNHN) – Iguanodontia
- 1 Batyrosaurus rozhdestvenskyi (collection AEHM) – Hadrosauroidea
- 8 Amurosaurus riabinini (collection AEHM) – Hadrosauridae Lambeosaurinae
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CT-scans
- 5 crocodiles (collection IRSNB)
- 9 Iguanodon bernissartensis (collection IRSNB) - 1 Mantellisaurus atherfieldensis (collection IRSNB) - 1 Kundurosaurus nagornyi (collection AEHM)
