De la Préhistoire à l’Actuel :
Culture, Environnement et Anthropologie.

PACEA UMR 5199

Cellule microtomographie

La cellule microtomographie de PACEA réalise des caractérisations volumétriques non destructives de pièces archéologiques, paléontologiques, géologiques et biologiques à des fins de recherche, de conservation et de valorisation. Les prestations sont proposées à la communauté de recherche de PACEA et de la Fédération des Sciences Archéologiques de Bordeaux (FSAB), ainsi qu’aux laboratoires extérieurs et clients industriels.N’hésitez pas à nous contacter pour toute demande de prestation.

La cellule microtomographie de PACEA est membre du réseau thématique CNRS (INEE) RTP Tomo 3D.

Que voit-on ?

Le principe de l’acquisition microtomographique consiste à reconstituer la structure interne d’un objet à partir d’une série de projections radiographiques acquises sous différents angles. Un programme convertit ensuite les projections en une image tridimensionnelle décrivant point par point l’absorption locale du matériau aux rayons X. On obtient ainsi une représentation quantitative des variations de densité et, dans une moindre mesure, de composition chimique, au sein de la pièce étudiée. Les images 3D obtenues peuvent ensuite être visualisées et traitées avec des logiciels spécialisés.

 

Principe de la microtomographie par rayons X. Rattus rattus, Guadeloupe, projet ECSITE (A. Souron, PACEA).

 

Quelles possibilités ?

Le scanner de PACEA est un modèle General Electric V|Tome|x s (anciennement Phoenix), acquis en juillet 2014 sur un financement à parts égales du laboratoire d’excellence LaScArBx et de la Région Aquitaine. Il est hébergé au sein de l’UAR 3626 PLACAMAT (Plateforme Aquitaine de CAractérisation des MATériaux), sur le campus de l’Université de Bordeaux.

Il comporte 2 sources de rayons X interchangeables dont le choix est dicté par la résolution désirée et l’absorption de la pièce analysée :

  • en réflexion (tension, puissance max : 240 kV, 320 W) : pièces épaisses et/ou matériaux absorbants, résolution moyenne.
  • en transmission (tension, puissance max : 180 kV, 15 W) : pièces peu absorbantes, résolution fine.

La pièce analysée est tenue en place sur une platine qui effectue une rotation de 360° au cours de l’acquisition.

 

 

La résolution numérique (taille de voxel) est comprise entre 1 et 120 µm, en fonction de la distance entre l’objet et la source de rayons X. Le détecteur est constitué de 2024×2024 pixels.

La cabine peut accueillir des échantillons ayant des dimensions maximales de 250 mm en diamètre et 400 mm en longueur, et un poids maximal de 10 kg. Une acquisition typique prend environ 1 h à 1 h 30. Le nombre de projections est de l’ordre de 1000 à 2500, en fonction des dimensions de la pièce étudiée.

Et après l’acquisition ?

La série de projections radiographiques est traitée par un logiciel de reconstruction produisant un fichier 3D qui peut ensuite être visualisé et analysé. L’unité de base est le voxel, équivalent 3D du pixel, que l’on peut comparer à un cube élémentaire occupant une portion de l’espace et portant une valeur correspondant à l’absorption locale du matériau.

Les projections radiographiques et le fichier 3D occupent un volume de 5 à 30 Go. Les dimensions maximales du fichier 3D sont de 2024×2024×2024 voxels, au format 8, 16 ou 32 bits. Il peut être ensuite analysé avec des logiciels open source, gratuits ou commerciaux tels que Fiji, 3D Slicer, Dragonfly, Tivmi, VGStudio Max ou Avizo, parmi les plus courants.

Pour quelles applications ?

La plupart des illustrations ci-dessous ont été réalisées par nos soins avec le logiciel Dragonfly.

La microtomographie permet de révéler l’intérieur de contenants scellés.

Vase cinéraire protohistorique découvert de manière fortuite à Saint-Médard-en-Jalles (33) ; mise en évidence de fragments osseux (A. Alcantara, Centre Archéologie Préventive, Bordeaux Métropole).

La structure interne de pièces complexes peut être également mise en évidence et analysée géométriquement.

Echantillon microarchitecturé en alliage de titane TA6V produit par fabrication additive (electron beam melting) ; mesure de l’épaisseur locale du réseau (N. Vanderesse, PACEA ; A. Yánez, ULPGC, Espagne).
Corail branchu (Acropora Striata, Polynésie Française, île de Moorea), prélevé dans le cadre d’une opération de nurserie de corail (Coral Gardeners) avec un suivi scientifique du laboratoire EPOC (E. Dasquié, B. Malaizé).

Des spécimens de forme complexe peuvent être visualisés avec précision.

Oreina sp. (Coleoptera : Chrysomelidae). Identification : J.-B. Huchet, PACEA. Le spécimen, représenté ici en fausses couleurs, a été retrouvé mort. La fracturation des élytres est bien visible (N. Vanderesse, PACEA).

La grande majorité des logiciels de post-traitement permettent de dénombrer et mesurer une grande quantité d’objets individuels, ici des foraminifères de taille millimétrique originaires de la plage d’Ao-shima au Japon.

“Sable” de la plage d’Ao-shima ; segmentation et identification des foraminifères individuels (N. Vanderesse, PACEA).

L’analyse des niveaux de gris, et donc indirectement de la densité du matériau, peut aider à isoler certaines zones d’une pièce et fournir de nouvelles données.

Fragment de fémur adulte (ancien cimetière de Koekelberg, Belgique, XIXe siècle) ; segmentation de la partie de l’os ayant subi une altération d’origine microbienne, ici artificiellement colorée en bleu (E. Schotsmans, L. Trenchat, University of Wollongong, Australie ; N. Vanderesse, S. Kacki, PACEA ; K. Van de Vijver, Institut royal des Sciences naturelles de Belgique).

L’analyse de la même pièce avant et après modification de conditions environnementales, ici une pomme de pin (cône femelle de pin sylvestre) trempée quelques heures dans l’eau, permet de mettre en évidence des modifications morphologiques et de relier celles-ci à la structure interne.

Pomme de pin ouverte, puis fermée après immersion dans l’eau. L’absorption préférentielle de l’eau au niveau des charnières, responsable du repliement des écailles, se traduit par des couleurs plus claires (N. Vanderesse, PACEA).

La microtomographie X endommage-t-elle les pièces analysées ?

Plutôt non. Il s’agit d’une technique de caractérisation essentiellement non destructive, au sens où elle n’entraîne pas de modification mécanique ou physico-chimique irréversible des échantillons. En effet, l’interaction des rayons X avec le matériau analysé est relativement limitée dans les gammes d’énergie exploitées.

Cependant, des précautions doivent être prises pour les échantillons susceptibles de comporter de l’ADN ancien. L’utilisation de filtres en cuivre ou aluminium intercalés entre la source et la pièce, telle que conseillée dans Immel, A., Le Cabec, A., Bonazzi, M. et al. , permet de réduire le risque d’endommagement.

A noter que l’interaction des rayons X avec les cristaux ioniques peut entraîner une coloration de ceux-ci (phénomène de création de centres colorés), heureusement réversible en quelques semaines ou après chauffage.

Combien ça coûte ?

Le tarif typique pour une acquisition varie entre 50 et 150 euros HT. Le montant exact dépend de l’affiliation du demandeur (FSAB, académique extérieur ou industriel), ainsi que du temps d’utilisation du faisceau X, qui lui-même dépend des dimensions de la pièce et de son absorption.

Comment ça se passe en pratique ?

Contactez-nous pour une demande de devis ou tout renseignement. N’hésitez pas à mentionner tout détail utile, en particulier la nature et le nombre de pièces à analyser, leurs dimensions, la résolution souhaitée, d’éventuelles précautions de manipulation… Des photos sont les bienvenues ! Utile à savoir, plusieurs pièces de dimensions réduites peuvent être analysées simultanément.

Nous vous envoyons ensuite un devis, puis procédons à l’acquisition après réception du bon de commande de votre part. Les délais d’attente varient entre une et plusieurs semaines.

Si leur nature s’y prête et si les acquisitions ne présentent pas de difficultés particulières, les pièces peuvent être expédiées par voie postale à l’adresse suivante :

Placamat – ICMCB

Pôle microtomographie

87 avenue Docteur Albert Schweitzer

33608 PESSAC cedex

Après acquisition, nous vous faisons parvenir le fichier 3D et les projections radiographiques (données brutes).

A noter que nous n’assurons pas l’archivage des données pour les personnes extérieures à la FSAB.

En fonction des demandes, nous pouvons aussi fournir des vues 3D, des coupes virtuelles et projections, des analyses quantitatives, ou des formations aux logiciels d’analyse.

Dents scannées par lots. Tholos de Paimogo I, fin du néolithique/chalcolithique (J. C. Willman, Université de Coimbra, Portugal – Virtual Anthropology of Prehistoric Portugal project).

Pour aller plus loin

Les références suivantes sont utiles pour vous faire une idée plus précise des possibilités de la microtomographie appliquée aux sciences archéologiques.

  • Abel, R., Laurini, C., & Richter, M. (2012). A palaeobiologist’s guide to “virtual” micro-CT preparation. Palaeontologia Electronica. doi.org/10.26879/284
  • Immel, A., Le Cabec, A., Bonazzi, M., Herbig, A., Temming, H., Schuenemann, V. J., … Krause, J. (2016). Effect of X-ray irradiation on ancient DNA in sub-fossil bones – Guidelines for safe X-ray imaging. Scientific Reports, 6, 32969. doi.org/10.1038/srep32969
  • Keklikoglou, K., Faulwetter, S., Chatzinikolaou, E., Wils, P., Brecko, J., Kvaček, J., Metscher, B., Arvanitidis, C. (2019). Micro-computed tomography for natural history specimens: A handbook of best practice protocols. European Journal of Taxonomy, (522), 1–55. doi.org/10.5852/ejt.2019.522
  • Nagarajappa, A., Dwivedi, N., & Tiwari, R. (2015). Artifacts: The downturn of CBCT image. Journal of International Society of Preventive and Community Dentistry, 5(6), 440. doi.org/10.4103/2231-0762.170523
  • Orhan, K. (Ed.). (2020). Micro-computed Tomography (micro-CT) in Medicine and Engineering. Cham: Springer International Publishing. doi.org/10.1007/978-3-030-16641-0
  • Scherf, H. (2013). Computed tomography in paleoanthropology—An overview. Archaeological and Anthropological Sciences, 5(3), 205–214. doi.org/10.1007/s12520-013-0128-5
  • Wu, X., Schepartz, L. A. (2009). Application of computed tomography in paleoanthropological research. Progress in Natural Science, 19(8), 913–921. doi.org/10.1016/j.pnsc.2008.10.009

Ce lien mène vers un reportage de Canal-U sur la cellule microtomographie de PACEA.

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