Le Muséum national d'histoire naturelle étudie depuis plusieurs années des crânes d'hominidés fossiles découverts dans diverses régions du monde, dans le but de reconstituer l'arbre généalogique de l'évolution de l'Homme et de mieux expliquer la diversité des Homo erectus sur les différents continents. Les crânes sont généralement conservés dans les salles fortes des institutions des pays où ils ont été découverts et sont donc peu accessibles. Par ailleurs, lorsque certains sont disponibles, leur fragilité limite beaucoup les manipulations et ne permet pas d'effectuer les moulages nécessaires à des reconstitutions réalistes utiles aux scientifiques.

Figure 1 : crâne de Dmanissi N°D2282

L'étude a porté ici sur deux crânes découverts à Dmanissi (Géorgie) en 1999, numérotés D2280 et D2282. Ces crânes, datés de 1,7 millions d'années, sont très importants pour comprendre l'histoire de l'homme, car ce sont les plus vieux européens connus. Le but du travail a été de comparer l'ajustement virtuel de quatre faces d'hommes fossiles déjà découverts avec le crâne de Dmanissi N° D2280. L'étude n'a pas encore pu être réalisée sur le deuxième crâne (D2282), car il présente des déformations importantes qui nécessitent de le reconstruire totalement de manière virtuelle, ce qui prend beaucoup de temps.

Les résultats obtenus permettent à la fois de décrire plus précisément le crâne D2280 et de le replacer plus exactement dans son cadre taxinomique. Les différents jalons de l'étude devaient conduire à la duplication physique en résine du crâne original, mais aussi de crânes résultant de l'assemblage virtuel de plusieurs fragments de vrais crânes. La restitution de ces crânes fossiles par prototypage rapide permet de conserver, au sein du laboratoire, le moulage qui correspond le mieux aux théories actuelles et de pouvoir comparer ainsi cette reconstitution avec d'autres crânes fossiles.

Pour l'acquisition des données, le scanner médical (rayons X), a été préféré à la numérisation 3D surfacique, afin de limiter au maximum la manipulation des crânes et de pouvoir enregistrer des informations sur leur face interne. Cette méthode permet une reconstitution virtuelle en 3D. Les données de scanner sont enregistrées selon la Norme DICOM (standard de format de données et de mode de communication utilisé en imagerie médicale). La conversion des données et leur traitement sont presque entièrement automatisés. Seuls peuvent être ajustés les paramètres de segmentation des images (seuillage), en fonction des crânes et de leur profil densitométrique. Un exemple de résultat est proposé en figure 2.

L'idée initiale est de trouver une face pouvant s'adapter au crâne de Dmanissi D-2280 afin de le compléter, tout en respectant divers critères de rapprochement (sexe, âge, régions entre lesquelles des migrations sont plausibles, époques proches). Une présélection a été effectuée par l'équipe de l'Institut de paléontologie humaine du Muséum d'histoire naturelle (dirigé par le professeur Henry de Lumley) en fonction de ces critères. Pour tester l'adaptation des crânes, des modèles numériques ont été générés.

Figure 2 : coupe tomodensitométrique issue d'un scanner par rayons X et reconstruction 3D

Le protocole de l'étude est le suivant :

- choix d'un crâne complémentaire à celui de Dmanissi D-2280,
- acquisition des données sur les deux crânes par passage au scanner X,
- reconstruction 3D et contrôle des modèles (logiciels Mimics et Magics de Materialise),
- conversions numériques et ajustement visuel (modèles hyperréalistes texturés, logiciel Softimage|XSI d'Avid),
- recalage automatique pour reconstitution d'un crâne unique (logiciel Amira de TGS-Europe).

Les fichiers numériques générés sont ensuite exploités sur une machine de stéréolithographie. L'emploi du prototypage rapide apporte plusieurs avantages par rapport aux techniques classiques basées sur le moulage dont disposent les paléontologues : un lien direct entre la modélisation numérique et la réalisation physique, une grande précision et une grande rapidité d'exécution.

Lors d'études antérieures, certains crânes ont été réalisés selon des procédés de frittage de poudre, mais ceux-ci ne fournissaient pas un rendu satisfaisant pour les paléontologues (mauvais rendu de la texture de l'os et strates apparentes).

Le choix s'est porté ici sur la stéréolithographie, qui permet de mieux s'approcher de l'aspect de la boîte crânienne originale, notamment grâce aux possibilités de finition.

La réalisation du crâne en stéréolithographie a suivi un processus analogue à celui connu des milieux industriels : positionnement et calculs ; préparation de la machine ; fabrication du crâne ; post-traitements ; nettoyage des supports ; finition. La durée totale a été d'environ 48 heures en temps cumulé – dont un temps opérateur inférieur à 3 heures.

L'intérêt scientifique et l'originalité de l'étude résident en fait moins dans la technologie utilisée – en l'occurrence le numérique et la stéréolithographie – que dans le rapprochement d'une technologie de pointe, jusqu'alors essentiellement destinée à des industries manufacturières, et du milieu scientifique de la paléontologie, utilisateur de techniques éprouvées mais beaucoup plus rudimentaires basées sur le moulage. Ces techniques donnent de bons résultats, mais ne peuvent en aucun cas être utilisées sans manipulation physique de l'objet original qui sert de modèle. En outre, pratiquement aucune extrapolation par association de plusieurs crânes n'est envisageable car les fragments trouvés ne sont évidemment pas strictement complémentaires. Ceci restreint naturellement l'analyse par les scientifiques à l'étude individuelle des crânes. Seuls des recoupements immatériels à partir de caractéristiques observées séparément sur chaque crâne peuvent permettre d'appréhender les principes de l'évolution humaine. La technologie numérique permet de s'affranchir de cette contrainte. Tous les découpages et assemblages sont possibles. Sur la base d'hypothèses validées par l'observation de complémentarités flagrantes entre certaines zones numériquement rapprochées, il est possible de recréer un seul et même crâne. Ce crâne modélisé peut alors être fabriqué par prototypage rapide et observé réellement par les scientifiques, ce qui ouvre de vraies perspectives aux sciences de l'homme.