Modélisation 3D des nerfs du membre supérieur gauche - Introduction

1    Introduction et objectifs

1.1    Objectifs

1.2    Etat des lieux

1.3    Histoire de la modélisation informatisée

2    Matériels et Méthodes

2.1    Matériels et méthodes du Korean Visible Human (KVH)

2.1.1    Sélection du corps

2.2    IRM et scanner

2.2.1    Préparation du cadavre

2.2.2    Photographies des coupes anatomiques

2.2.3    Segmentation des coupes

2.3    Logiciel Winsurf

2.3.1    Présentation du logiciel Winsurf

2.3.2    Fonctions du logiciel

2.3.3    L’interface 2D

2.3.4    L’interface 3D

2.3.5    Utilisation pratique de Winsurf

2.4    Caractéristiques et données utilisées pour la modélisation

3    Résultats

3.1    Modélisation du nerf médian

3.2    Modélisation du nerf radial

3.3    Modélisation du nerf ulnaire

3.4    Modélisation du nerf musculo-cutané

3.5    Modélisation du nerf cutané médial du bras

3.6    Modélisation du nerf cutané médial de l’avant bras

4    Discussion

4.1    Première étape : connaissances théoriques

4.2    Deuxième étape : l’identification des nerfs du membre supérieur gauche

4.3    Troisième étape : le contourage

5    Conclusion

6    Références bibliographiques

Depuis les années 90, de nombreuses nationalités se sont lancées dans des projets de reconstructions tridimensionnelles du corps humain à partir de coupes anatomiques avec pour but de créer un atlas d’anatomie humaine en trois dimensions. Dans le prolongement des précurseurs chinois, américains et coréens, un grand nombre d’étudiants de l’Université René Descartes ont participé au grand projet de modélisation et de reconstruction vectorielle et en trois dimensions du corps humain en se basant sur des coupes anatomiques du Korean Visible Human (KVH). Chaque étudiant choisit une région anatomique et doit la modéliser le plus précisément possible.

Les nerfs du membre supérieur gauche n’ayant pas été réalisé, j’ai pris l’initiative de ce projet pour apporter un complément au modèle anatomique entrepris pas les étudiants du DUACN.

Ce mémoire a donc pour vocation de présenter une reconstitution 3D des nerfs du membre supérieur gauche chez l’homme. Il a été réalisé sur la période d’octobre 2017 à mai 2018.

Les différents objectifs de ce mémoire sont de :

• Réaliser une modélisation 3D des nerfs du membre supérieur gauche et des racines du plexus brachial à partir des coupes anatomiques du KVH ;
• Créer un atlas 3D du corps humain à visée pédagogique en apportant une méthode d’apprentissage supplémentaire, virtuelle et dynamique de l’anatomie réelle [1] ;
• Partager cet atlas 3D avec un public plus large. 


Les illustrations sont la base de l’apprentissage de la médecine et notamment de l’anatomie.

Le but de cette étude est donc de reconstruire vectoriellement et en trois dimensions les nerfs du membre supérieur gauche du Korean Visible Human (KVH) dans le cadre d’une application et d’une utilisation secondaire dans le domaine universitaire et médico-chirurgical.

Le Visible Human Project (VHP) américain a été le premier grand projet à présenter une base de données contenant une série de coupes issues d'un corps humain entier. Il a été réalisé à partir de cadavres masculins (1994) et féminins (1995) [2]. La base de donnée du VHP est constituée d'images de coupes anatomiques, scanner et IRM. Après reconstitution 3D, cette base de données a permis diverses applications cliniques telles que des dissections, endoscopies et chirurgies virtuelles. En revanche, le projet VHP était incomplet et présentait certaines limites [3] [4].  Premièrement, les deux cadavres utilisés étaient ceux de personnes âgées, obèses et présentant de nombreuses comorbidités. Deuxièmement, les images IRM et scanner ne couvraient pas l'ensemble du corps. Troisièmement, les images anatomiques issues du VHP n'incluaient pas les structures anatomiques de moins de 0.2 mm d'épaisseur puisque les sections avaient été réalisées avec un intervalle minimum de 0.33 millimètres. Quatrièmement, les couleurs anatomiques issues du VHP ne correspondaient pas à celle d'un corps humain vivant, cela étant dû à l'usage du formaldéhyde comme fixateur avant la réalisation des coupes. Enfin, les auteurs du VHP n'ont pas publié de base de données contenant des coupes segmentées.

La base de données du Chinese Visible Human (CVH) a été réalisée en 2002 à partir d'un corps masculin et en 2003 à partir d'un corps féminin. Le CVH est un projet qui présente aussi certaines limites. Tout comme son prédécesseur, les couleurs sont peu transposables à la réalité anatomique à cause de l'utilisation d'une solution de gélatine rouge. Les coupes sont espacées de 1,0 mm ou de 1,5mm, sauf au niveau de la tête et du cou. Enfin, le CVH n'a publié aucune coupe segmentée.

Suite au VHP et au CVH, les coréens ont décidé de créer leur propre base anatomique en 2002 : le Korean Visible Human (KVH). Leur but était d'améliorer et de compléter la base de données déjà existante.

Un cadavre masculin a été sélectionné, et les scientifiques n'ont usé d'aucune solution fixatrice, afin de préserver les couleurs naturelles du corps. Il s'agissait d'un homme de 33 ans, mesurant 1m64 et pesant 55kg, décédé d'une pneumonie, atteint d'un lymphome et d'une splénomégalie.

Le cadavre entier a été numérisé par IRM et scanné tous les 1,0 mm puis intégralement sectionné en coupes de 0,2 millimètres. Les images étaient complètes, et la base de données sans aucune coupe manquante. Des segmentations des organes ont été effectuées et partagées par l'équipe coréenne.

Plusieurs travaux ont déjà été réalisés à partir des coupes anatomiques issues du KVH :

• Une explication des techniques utilisées et des diverses applications [5] ;
• Des modélisations 3D du tractus uro-génital masculin (dont une réalisée par le Professeur Uhl et le Pr Delmas, responsables de l’unité d’anatomie virtuelle à Paris Descartes, en association avec JS Park et MS Chung, responsable du département d’anatomie à l’université de médecine en Corée) [6][7] ;
• Une modélisation 3D du tractus gastro-intestinal [8] ;
• Une modélisation 3D du foie et de ses structures voisines [9] ;
• Une modélisation 3D des structures lombo-sacrées [10] ;
• Une modélisation 3D des structures de l’oreille [11] ;
• Des modélisations 3D du cerveau, la boîte crânienne et de la face [12][13] ;
• Un cinquième atlas avec les différents plans anatomiques de la tête [4][14] ;

Ainsi qu’un logiciel de navigation des données du KVH permettant un accès 
libre des modélisations 3D du corps entier [15] ainsi qu’en fichier PDF utilisant Adobe Reader (permettant la vue en 3D) téléchargeable gratuitement depuis leur site [16]. Ceci a été mis en place dans le but d’être utilisé comme un outil d’auto-apprentissage de l’anatomie (pour adulte et même enfant) et être une source robuste pour des simulations virtuelles pour les étudiants et cliniciens.

La modélisation informatisée de structures anatomiques et histologiques s’est vite montrée très utile pour visualiser la forme de ceux-ci en trois dimensions. Les modèles informatisés permettent de visualiser des formes complexes dérivées de tracés en 2 dimensions. La simulation numérique et la prédiction permettent de tester des hypothèses fonctionnelles ou morphogénétiques.

Dans les années 1970, la génération de modèles 3D consistait à tracer les contours de structures histologiques sur du papier opaque. Ces contours étaient alors superposés afin de générer une structure en 3D. De la même manière des modèles en cire et en plâtre ont été réalisés, notamment par Gaunt en 1978.

Les applications informatiques de modélisation 3D sont apparues dans les années 1970. Les bords des structures étaient numérisés et les structures numériques étaient exprimées comme une superposition de lignes. Même si ce fut un bon premier pas, les structures manquaient d’informations sur les surfaces. Dans les années 1980, un considérable effort a été fourni afin de développer des algorithmes capables de modéliser ces surfaces. Deux approches ont été retenues le « surface modeling » et le « solid modeling ».

Le « surface modeling » reconstruit l’objet comme une coquille. Les structures sont numérisées manuellement ou automatiquement et les bords sont représentés comme des contours. L’espace est défini en configurant une fenêtre et son environnement fonctionne avec une échelle. L’échelle consiste en un facteur de grossissement des tissus et de l’épaisseur. Les algorithmes de configuration géométrique sont utilisés pour placer chaque contour en superposition avec le contour suivant et ceci sur chaque coupe, afin de créer une sorte de grillage numérique.

Le logiciel « surfdriver » fut conçu en utilisant cette méthode (Lozanoff, et al., 1988).

Le « solid modeling » représente l’objet comme un volume discret. Un espace est créé de la même manière que dans le « surface modeling » mais l’ajout de données consiste en un ajout de voxels (unité d’un modèle volumique). Les voxels sont empilés les uns sur les autres et l’ensemble est géré informatiquement.

Une approche alternative qui a permis de fusionner ces deux concepts fut décrite par J.D Boissonant (1988). Elle a été nettement améliorée depuis (Lozanoff et Deptuch, 1991). En utilisant cette approche les volumes sont construits autour des contours en utilisant le diagramme de Delunay et Voronoi. Les plans d’intersections entre les contours et les volumes sont identifiés et les surfaces sont taillées depuis ces intersections.

Une bureautique simple à utiliser a été conçue (Surfdriver) pour permettre de modéliser de manière rapide et fiable des coupes sectionnées de matériel biologique. Un ancêtre de Surfdriver basé sur ces méthodes fut utilisé pour l’analyse morphologique de la croissance cranio-faciale (Lozanoff and Diewert, 1989; Lozanoff et al., 1993).

Marie Messager
Ostéopathe à Versailles
78 - Yvelines