Modélisation et impression photogrammétriques tridimensionnelles du squelette d’un cétacé à l’aide d’une baleine d’Omura échouée dans les eaux de Hong Kong à titre d’exemple

Résumé

La morphologie osseuse d’une baleine à fanons semi-dégraissée a été documentée par photogrammétrie avec un appareil photo reflex numérique pour générer des modèles tridimensionnels (3D) par ordinateur, qui ont été imprimés en 3D sous forme de répliques d’une demi-taille de l’original à des fins d’exposition et d’éducation.

Résumé

La préparation des squelettes de cétacés, en particulier de baleines à fanons, présente un grand défi en raison de leur teneur élevée en lipides et de leur taille peu commune. La documentation de la morphologie squelettique est importante pour produire des modèles précis et fiables à des fins de recherche et d’éducation. Dans cet article, nous avons utilisé une baleine d’Omura de 10,8 mètres de long échouée dans les eaux de Hong Kong en 2014 comme exemple pour l’illustration. Ce spécimen rare et énorme a été décharné, macéré et séché au soleil pour produire le squelette à des fins de recherche et d’exposition publique. La morphologie de chaque os a ensuite été documentée par photogrammétrie. Le contour complexe du squelette rendait la séance photo automatisée inadéquate et 3 méthodes manuelles ont été utilisées sur des os de tailles et de formes différentes. Les photos capturées ont été traitées pour générer des modèles tridimensionnels (3D) de 166 os individuels. Le squelette a été imprimé en demi-taille avec de l’acide polylactique à des fins d’exposition, ce qui était plus facile à entretenir que les os de cétacés réels à forte teneur en graisse résiduelle. Les os imprimés reflétaient la plupart des caractéristiques anatomiques du spécimen, y compris la région rostrale incurvée et la facette condylienne caudale qui s’articulait avec Ce1, mais les foramens sur la suture pariéto-squamosale, qui sont des caractères diagnostiques de Balaenoptera omurai, et un sillon échancré sur l’os frontal à l’extrémité postérieure du bord latéral n’étaient pas clairement présentés. Des séances photo supplémentaires ou un scan de surface 3D doivent être effectués sur des zones avec des détails méticuleux pour améliorer la précision des modèles. Les fichiers électroniques du squelette 3D ont été publiés en ligne pour atteindre un public mondial et faciliter la collaboration scientifique entre les chercheurs du monde entier.

Introduction

Les échouages de cétacés offrent de précieuses occasions d’en apprendre davantage sur leur cycle biologique, leur santé biologique et leur profil, ainsi que sur l’effet des actions anthropiques sur l’écosystème. La représentation et la modélisation tridimensionnelles (3D) permettent une représentation précise des mesures morphométriques qui peuvent être utilisées pour les calculs biomécaniques et donner des informations sur divers comportements physiologiques¹. Des adaptations morphologiques ont permis à ces animaux de survivre dans l’océan, tandis que certaines pathologies observées chez les cétacés échoués pourraient révéler leur santé et leur profil biologiques, des circonstances anthropiques et non anthropiques ou encore la cause de leur^mort2,3. Une lésion osseuse suivie d’une collision traumatique peut ne pas être guérie car les animaux doivent nager continuellement sous une pression sous-marine énorme⁴. Chez les mammifères marins, la compression et l’embolie gazeuse non mortelle peuvent diminuer l’apport sanguin aux os et provoquer des barotraumatismes⁵. Un remodelage osseux défavorable peut entraîner à la fois des douleurs et une diminution de la mobilité de la colonne vertébrale qui compromet leur survie en cas de prédation ou d’autres menaces. L’augmentation des rapports de mortalité et de morbidité chez les cétacés dans le monde entier a également indiqué le déclin possible de la santé des océans ^6,7. La reconnaissance de l’importance de l’océan et des liens inextricables entre la santé humaine et la santé des cétacés et des écosystèmes a conduit au paradigme de recherche « Un océan, une santé »⁸.

Le 31 mars 2014, une baleine d’Omura (Balaenoptera omurai) s’est échouée près de Hung Shek Mun, Plover Cove Country Park, Hong Kong. Il s’agissait d’une femelle adulte de 10,8 mètres, et seules quelques-unes de ces espèces ont été trouvées dans la région indo-pacifique depuis sa découverte en 2003⁹. L’échouage d’une baleine de cette taille n’est pas courant à Hong Kong, par conséquent, cet événement a présenté une occasion de préserver le squelette à des fins de recherche et d’éducation. L’animal échoué a été disséqué et décharné sur le site de la découverte, avec la majorité des muscles externes et des organes internes retirés. La nécropsie macroscopique a révélé que la carcasse était dans un état avancé d’autolyse, mais qu’elle présentait de multiples lacérations profondes qui sillonnaient le corps, la plus grave d’entre elles étant centrée sur la nageoire pectorale droite avec une profonde lacération transversale s’étendant à travers l’os, démontrant un certain degré de lien confiant entre les preuves d’intrication et une condition de mortalité observée. Les restes squelettiques ont été transportés vers un endroit de l’île de Lantau par le Département de l’agriculture, de la pêche et de la conservation du gouvernement de la Région administrative spéciale de Hong Kong, où des asticots ont été utilisés pour consommer les tissus mous. Les os ont été dégraissés par macération à l’eau pendant 2 mois avec un gommage manuel. Malgré l’extraction d’une quantité importante de graisse osseuse, le squelette, en particulier le crâne et les bords des côtes, est resté de couleur brune. La graisse résiduelle était difficile à enlever et, si elle n’était pas traitée, elle attirerait les rongeurs, se détériorerait et rendrait l’échantillon impropre à la présentation. Même dans des conditions de conservation parfaites, les os d’animaux peuvent encore être décomposés par divers micro-organismes vivant dans la poussière¹⁰. Il a été décidé de faire documenter numériquement la morphologie du squelette semi-dégraissé, puis de l’imprimer en 3D avec des matériaux durables comme une réplique sanitaire de l’original.

Les modèles 3D d’échantillons biologiques peuvent être générés de plusieurs manières, notamment l’imagerie médicale, le balayage de surface et la photogrammétrie. Les modalités d’imagerie médicale telles que la tomodensitométrie (TDM) et l’imagerie par résonance magnétique produisent des images multiplanaires qui incluent à la fois des caractéristiques externes et internes, mais manquent de couleur et de texture. La tomodensitométrie a été utilisée pour documenter l’anatomie ou la pathologie des douves, des fanons et du crâne de diverses espèces, révélant leur adaptation unique à la locomotion, à la recherche de nourriture et au neurodéveloppement 11,12,13,14,15,16. Le balayage de surface projette une lumière laser ou de structure sur l’objet, où le motif de réflexion est converti en données géométriques par triangulation trigonométrique pour générer un modèle de surface. La photogrammétrie enregistre une série de photos de la cible qui se chevauchent légèrement. Soit l’appareil photo tourne autour de l’objet, soit l’objet est tourné sur une plaque tournante lors de la prise de vue. Le processus est répété avec différents angles et hauteurs de caméra avant que l’objet ne soit retourné pour capturer le dessous de la même manière. Les photos sont importées dans un logiciel de modélisation, qui calcule l’emplacement et la distance de chaque élément dans l’espace 3D pour produire des nuages de points. Les informations géométriques sont traitées par triangulation des nuages de points pour générer des maillages polygonaux, qui peuvent être édités et fabriqués. La reconstruction 3D peut refléter des mesures précises des surfaces et des volumes numérisés¹⁷.

La photogrammétrie a été considérée comme une approche appropriée pour la documentation 3D du squelette de baleine d’Omura compte tenu de son faible coût d’équipement, de la qualité de sortie adéquate et de la flexibilité dans le traitement d’os de tailles et de formes largement variables. Par exemple, le crâne de baleine mesurait 2,6 mètres, ce qui rendait irréalisables les méthodes miniatures comme le balayage de surface laser 3D. L’équipement nécessaire à la photogrammétrie est facilement accessible – seulement un appareil photo numérique à haute résolution de capture (>5 mégapixels) et un logiciel de modélisation, qui est beaucoup moins cher que les scanners optiques ou laser pour le balayage de surface 3D. De plus, le balayage 3D de surface nécessite que le scanner soit connecté à un ordinateur raisonnablement performant lors de la collecte de données, qui nécessitent tous deux une alimentation électrique indépendante. Le balayage 3D de surface est inapplicable en l’absence de source d’alimentation, par exemple dans le cas de très grands spécimens dont la transportabilité est limitée ou lorsque la carcasse originale de la baleine doit être scannée sur place. Pour la photogrammétrie, seuls un appareil photo numérique, un trépied et un appareil de support tel qu’une plaque tournante sont nécessaires. La photogrammétrie est donc une option plus abordable avec une grande portabilité pour les petits groupes de recherche au départ.

Les modèles numériques sont transformés en produits physiques par impression 3D. Des couches d’acide polylactique fondu (PLA) sont empilées et solidifiées pour reproduire le squelette de la baleine. La réplique réaliste, imprimée en demi-taille, peut être utilisée à des fins d’exposition publique et d’éducation. Pour les étudiants et les profanes en général, toucher des modèles anatomiques peut les aider à apprécier l’animal non seulement visuellement mais aussi par sensation. Pour les professionnels comme les jeunes cliniciens et scientifiques, il peut être difficile de comprendre des structures complexes à partir d’images 2D¹⁸. Traditionnellement, les spécimens biologiques subissent une plastination pour devenir des compléments éducatifs, mais le processus est assez compliqué, exige des ressources et prend du temps. Les carcasses peuvent présenter des dangers biologiques, et un seul modèle est généré à partir de chaque spécimen. La documentation et l’impression 3D offrent des expériences interactives plus agréables que les manuels scolaires ou les animations virtuelles. Même la dissection virtuelle ne peut pas offrir les avantages d’une manipulation tangible et est donc impopulaire parmi les étudiants¹⁹. Grâce à la technologie d’impression 3D, plusieurs copies d’un spécimen rare peuvent être reproduites, tenues à la main et étudiées de près sous différents angles, sans odeur indésirable ni crainte^{de les} casser. Le produit peut être personnalisé, par exemple réduit pour une manipulation facile ou imprimé en différentes couleurs pour une illustration esthétique. Les modèles 3D peuvent également être modifiés numériquement pour restaurer les pièces cassées ou manquantes, ce qui permet une plus grande polyvalence. La documentation 3D et l’impression facilitent également le partage des connaissances entre les chercheurs. Un reste squelettique peut être enregistré numériquement, partagé en ligne et imprimé à la demande. Les échantillons peuvent être « prototypés » et distribués à l’étranger sous forme de colis standard au lieu d’un échantillon biologique, ce qui nécessite une quarantaine spéciale ou une documentation légale. Des modèles électroniques 3D comprenant des mesures clés des os de baleine sont également partagés en ligne avec d’autres instituts pour faciliter les collaborations scientifiques entre les chercheurs du monde entier.

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Protocole

1. Préparation

1. Assemblez le squelette de baleine semi-dégraissé.
2. Désignez un code pour chaque morceau d’os. Le code sera utilisé dans la séance photo, la génération de modèles 3D et l’impression 3D.

2. Photogrammétrie

1. Paramètres de l’appareil photo et du trépied
   1. Utilisez un objectif standard avec une distance focale de 24 à 70 mm, un diamètre de 77 à 82 mm et un nombre f de 2,8 L. Évitez les objectifs grand angle. Utilisez un trépied compatible avec une hauteur réglable de 40 à 150 cm.
   2. Réglez l’obturateur sur 1/25 à 1/30, selon les conditions d’éclairage.
   3. Réglez l’ouverture sur f11 à f13. Assurez-vous que l’arrière-plan est clairement capturé.
   4. Réglez ISO sur auto. Assurez-vous que la valeur ne dépasse pas 1600.
   5. Placez le trépied à environ 20-40 cm de l’échantillon.
   6. Pour une élévation horizontale, ajustez la hauteur du trépied de sorte que la caméra soit horizontale par rapport à l’échantillon (Figure 1).
   7. Pour une élévation supérieure, ajustez la hauteur du trépied de sorte que l’appareil photo s’incline à 45° au-dessus de l’échantillon.
   8. Pour une élévation inférieure, ajustez la hauteur du trépied de sorte que l’appareil photo s’incline à 45° sous l’échantillon.
2. Tirer sur les vertèbres
   1. Préparez une table claire dans la salle A. La partie dorsale de l’os sera scannée ici.
   2. Placez l’os sur la table. Utilisez une lampe annulaire pour les os avec de l’huile résiduelle et qui semblent plus foncés. Facultatif : placez du papier d’aluminium en dessous pour une meilleure réflexion de la lumière.
   3. Placez 2-3 cartes marqueurs à des distances connues comme référence d’échelle.
   4. Réglez le trépied sur l’élévation horizontale (étape 2.1.6).
   5. Prenez une photo, puis déplacez l’appareil photo de 15 à 20° circulairement autour de l’échantillon. Répétez l’opération jusqu’à ce qu’un virage à 360° soit terminé.
   6. Réglez le trépied à une altitude supérieure (étape 2.1.7). Répétez la séance photo (étape 2.2.5).
   7. Préparez une table claire dans la salle B. La partie ventrale de l’os sera scannée ici.
   8. Placez l’os à l’envers sur la table. Répétez la séance photo (étapes 2.2.4 à 2.2.6).
      REMARQUE : Les salles A et B ne doivent pas contenir d’objets communs, à l’exception de l’échantillon. L’arrière-plan doit rester inchangé pour éviter toute confusion lors du post-traitement. Une distance focale et une distance fixes par rapport à l’objet tout au long de la séance photo doivent être maintenues. Pour le calcul de l’échelle, au moins 2 cartes marqueurs doivent être capturées dans une seule photo. Au moins 5 photos avec des cartes de marqueurs doivent être capturées pour chaque spécimen. Pour les spécimens présentant des caractéristiques uniques (par exemple, les foramens), 2 à 3 photos supplémentaires en gros plan doivent être capturées. Tous ces éléments s’appliquent également aux étapes 2.3 et 2.4.
3. Tir sur les gros os (crâne, mandibules, côtes, omoplates, etc.)
   1. Préparez des supports transparents (étagères ou boîtes) et mettez l’os sur les supports.
   2. Réglez le trépied sur l’élévation horizontale (étape 2.1.6).
   3. Prenez une photo, puis déplacez l’appareil photo de 15 à 20° circulairement autour de l’échantillon. Répétez l’opération jusqu’à ce qu’un virage à 360° soit terminé.
   4. Réglez le trépied à une altitude supérieure (étape 2.1.7). Répétez la séance photo (étape 2.3.3).
   5. Réglez le trépied à une altitude inférieure (étape 2.1.8). Répétez la séance photo (étape 2.3.3).
4. Tir sur les petits os (phalanges, chevrons, etc.)
   1. Préparez un plateau tournant recouvert d’une feuille d’aluminium, placez dessus un cube de mousse avec quelques cure-dents pointant vers le haut comme support pour l’échantillon.
   2. Placez l’os sur le dessus des cure-dents de manière à ce que sa partie ventrale soit visible du dessous.
   3. Réglez le trépied sur l’élévation horizontale (étape 2.1.6).
   4. Prenez une photo, puis tournez le plateau tournant de 15-20°. Répétez l’opération jusqu’à ce qu’un virage à 360° soit terminé.
   5. Réglez le trépied à une altitude supérieure (étape 2.1.7). Répétez la séance photo (étape 2.4.4).
   6. Réglez le trépied à une altitude inférieure (étape 2.1.8). Répétez la séance photo (étape 2.4.4).

3. Traitement des données par un logiciel de modélisation (voir Tableau des matériaux)

1. Création d’un nuage de points clairsemé
   1. Allez dans le menu Flux de travail , sélectionnez Ajouter un bloc et Ajouter des photos. Sélectionnez toutes les photos d’un seul spécimen et cliquez sur Ouvrir.
   2. Allez dans le menu Flux de travail , sélectionnez Aligner les photos et cliquez sur OK. Cette étape prendra un certain temps.
   3. Allez dans le menu Modèle et sélectionnez Sélection progressive.
   4. Sélectionnez Incertitude de reconstruction, définissez la valeur sur 10 et cliquez sur OK. Appuyez sur [DEL] pour supprimer les points sélectionnés.
   5. Allez dans le menu Outils, sélectionnez Optimiser les caméras. Cochez la case Ajustement du modèle de caméra adaptative et cliquez sur OK.
   6. Répétez l’étape 3.1.3, sélectionnez Erreur de reprojection, définissez la valeur en dessous de 0,5 et cliquez sur OK. Appuyez sur [DEL] pour supprimer les points sélectionnés.
   7. Répétez l’étape 3.1.3, sélectionnez Précision de projection, réglez la valeur en dessous de 10 et cliquez sur OK. Appuyez sur [DEL] pour supprimer les points sélectionnés.
   8. Faites pivoter le nuage de points et supprimez les points indésirables à l’aide de l’outil de sélection de forme libre et de [DEL].
2. Nettoyage du nuage clairsemé
   1. Allez dans le menu Flux de travail , sélectionnez Construire un maillage.
   2. Sélectionnez Nuage clairsemé comme source, décochez Calculer les couleurs de sommet et cliquez sur OK.
   3. Allez dans le menu Fichier , sélectionnez Importer – Importer des masques.
   4. Sélectionnez À partir du modèle comme méthode, Remplacement comme Opération, Appliquer à toutes les caméras et cliquez sur OK.
3. Création d’un nuage de points dense
   1. Allez dans le menu Flux de travail , sélectionnez Construire un nuage dense.
   2. Sélectionnez la qualité (moyenne ou élevée), décochez Calculer les couleurs des points, puis cliquez sur OK. Cette étape prendra un certain temps.
   3. Faites pivoter le nuage de points et supprimez les points indésirables à l’aide de l’outil de sélection de forme libre si nécessaire.
4. Nettoyage du nuage dense
   1. Allez dans le menu Flux de travail , sélectionnez Construire un maillage.
   2. Sélectionnez Nuage dense comme source et cliquez sur OK. Attendez qu’il se charge et enregistrez le projet.
5. Mise à l’échelle du modèle
   1. Dans le panneau Photos , double-cliquez sur une photo avec des cartes de marqueur. Effectuez un zoom avant et cliquez avec le bouton droit de la souris au centre d’un marqueur, puis sélectionnez Ajouter un marqueur. Répétez l’opération pour les autres marqueurs de la photo.
   2. Répétez l’opération pour toutes les photos avec des cartes de marqueur. Pour les marqueurs précédemment ajoutés, cliquez avec le bouton droit de la souris, sélectionnez Placer le marqueur et choisissez dans la liste
   3. Ajustez la position des marqueurs en maintenant le clic gauche enfoncé.
   4. Dans le panneau Espace de travail , sous Bloc – Marqueur, sélectionnez une paire de marqueurs avec une distance connue en maintenant la touche [CTRL] enfoncée. Cliquez avec le bouton droit de la souris et sélectionnez Créer une barre d’échelle. Répétez l’opération pour toutes les paires.
   5. Dans le panneau Espace de travail , sous Bloc – Barres d’échelle, sélectionnez la paire de marqueurs.
   6. Dans le panneau Référence, entrez la distance en mètre. Répétez l’opération pour toutes les paires.
   7. Enregistrez le projet.

4. 3D’impression du squelette

1. Impression du modèle
   1. Exportation. STL vers un logiciel d’impression 3D (voir Tableau des matériaux).
   2. Déplacez et faites pivoter l’objet sur la plate-forme si nécessaire. Assurez-vous que l’objet est positionné avec une grande surface plane touchant la base. Augmentez ou diminuez si nécessaire.
      REMARQUE : L’impression 3D est une procédure qui prend beaucoup de temps, et la forme irrégulière des os peut compliquer le processus. La surface la plus plane doit être désignée comme la partie inférieure du modèle afin que l’impression reste stable tout au long de l’impression.
   3. Pour les pièces trop grandes pour être imprimées (par exemple, les mandibules), utilisez la fonction Free Cut pour diviser l’objet en parties et coller les impressions ensemble.
   4. Imprimez le modèle avec du filament PLA. Utilisez une distance de passage de 0,03 mm.
      REMARQUE : L’impression à une distance de passe plus petite est recommandée pour les modèles avec des fonctionnalités à échelle fine, qui nécessiteront un temps d’impression plus long.
2. Affichage du squelette
   1. Faites correspondre les produits imprimés en 3D avec les originaux selon le code désigné. Vérifiez qu’il n’y a pas de faute d’impression. Réimprimez si nécessaire. Assemblez le squelette pour l’exposer.

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Résultats

Dans cette étude, 166 morceaux d’os ont été numérisés individuellement et les modèles 3D d’une résolution de 1 mm ont été sauvegardés en . Format STL. Le format de stéréolithographie enregistre la géométrie de surface des objets 3D sans couleur ni texture, ce qui est courant pour l’impression 3D. Le modèle 3D complet du squelette de baleine d’Omura a été mis en ligne pour un accès public (https://www.cityu.edu.hk/cvmls/omura). Le crâne a été imprimé a...

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Discussion

Les squelettes pour l’exposition doivent être sans huile et inodores. Les os de baleine sont notoirement huileux, ce qui rend leur préparation exceptionnellement difficile. Les restes squelettiques d’un rorqual bleu juvénile échoué en 1998 ont été exposés au New Bedford Whaling Museum, dans le Massachusetts. Malgré un traitement intensif par des professionnels, les os sont restés jaunâtres avec une odeur désagréable et ont suinté de l’huile en continu pendant plus de ...

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matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
EF 24-70mm 1:2.8 L II USM	Canon	NA	Camera lens
EOS 5DSR	Canon	NA	Camera
ideaMaker 3.6.1	Raise 3D	NA	3D printing software
MVKBFRL-LIVEUS	Manfrotto	NA	Camera tripod
N2 Plus	Raise 3D	NA	3D printer
Agisoft Metashape 1.6.4 (Professional Edition)	Agisoft	NA	3D modeling software
Poly-lactic acid	Raise 3D	NA	3D printing material
Precision 9010 CPU: 2 x Xeon E5-2620 v3	Dell	NA	Computer