Application de la simulation numérique pour une meilleure caractérisation des globules rouges par mesure d'impédance

Application of numerical simulation for a better characterization of red blood cells by impedance measurement

• Auteur / Autrice : Pierre Taraconat
• Direction : Franck Nicoud, Simon Mendez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Modélisation
• Date : Soutenance le 17/01/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck (Montpellier ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Annie Viallat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Nicoud, Simon Mendez, Annie Viallat, Thomas Podgorski, Julien Favier, Magalie Faivre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Podgorski, Julien Favier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Érythrocytes

Interaction fluide-structure

Modélisation CFD

Mots clés libres

Mécanique des fluides numérique

Interaction Fluide-Structure

Globules Rouges

Compteur Coulter

Mesures d'impédance

Réseaux de neurones

Computational fluid dynamics

Fluid-Structure Interaction

Red Blood Cells

Coulter counter

Impedance measurements

Neural networks

Résumé

Le comptage et la volumétrie des cellules sanguines est réalisé par l'analyse des signatures électriques provenant de leur passage dans un micro-orifice polarisé.Cependant, les mesures peuvent être altérées par des dynamiques et déformations complexes de la cellule lorsque la trajectoire empruntée est proche des parois de l'orifice.Dans cette thèse, des dynamiques de Globules Rouges (GRs) dans un compteur Coulter et les signatures électriques correspondantes sont simulées.La prise en compte de la déformabilité des GRs implique de se confronter au caractère multi-échelle de ce type de configuration.Une méthode est proposée pour contourner cette difficulté de modélisation.En particulier, le calcul de la dynamique et de la perturbation électrique est fractionné en une séquence de simulations spécifiques, et le coût de calcul est réduit d'un ordre de grandeur.La méthode proposée est utilisée pour simuler des signaux de sphères rigides et de GRs, et les résultats sont validés par comparaisons avec des données expérimentales.L'association des signaux expérimentaux à des dynamiques de GRs dans l'orifice fournit une compréhension inédite des mécanismes en jeu dans les signatures complexes observées lorsque la cellule emprunte une trajectoire proche-paroi.Cette connaissance nouvelle des signatures a permis l'élaboration d'une nouvelle approche de tri permettant d'isoler les pulses associées aux passages en bord, non adaptés pour la volumétrie des cellules.La méthode introduite retrouve la distribution symétrique attendue pour le volume des GRs et donne des résultats comparables à la focalisation hydrodynamique, une implémentation plus complexe du principe Coulter.Les résultats ainsi obtenus ouvrent la voie à une mesure des paramètres hématologiques plus précise tout en conservant la simplicité et le coût modéré d'un système classique.L'impact des paramètres morphologiques et rhéologiques des cellules sur les signatures correspondants à des passages proche paroi est illustré.En modifiant la déformabilité et la sphéricité des GRs dans une approche expérimentale, les mesures diffèrent d'une normalité préétablie.De plus, des modélisations par réseaux de neurones sont réalisées dans le but d'accéder aux propriétés du GR à partir du pulse électrique.Parmi les traitements proposés, une classification des GRs normaux, rigides et sphériques est réalisée.Enfin, la modélisation du problème inverse des simulations numériques est effectuée afin d'évaluer de manière quantitative les paramètres mécaniques des GRs.

In Coulter counters, cells counting and volumetry is achieved by monitoring their electrical print when they flow through a polarized micro-orifice.However, the volume measurement may be impaired when the trajectory of the cell is in the vicinity of the aperture edges due to complex dynamics and deformations of the cell.In this thesis, numerical simulations of the dynamics and electrical signature of red blood cells (RBCs) in a Coulter counter are presented, accounting for the deformability of the cells.In particular, a specific numerical pipeline is developed to overcome the challenge of the multi-scale nature of the problem.It consists in segmenting the whole computation of the cell dynamics and electrical response in a series of dedicated computations, with a saving of one order of magnitude in computational time.This numerical pipeline is used with rigid spheres and deformable red blood cells in an industrial Coulter counter geometry and compared with experimental measurements.The simulations not only reproduce electrical signatures typical of those measured experimentally, but also provide an understanding of the key mechanisms at play in the complex signatures induced by RBCs following a near-wall trajectory.Based on this new understanding provided by numerical simulations, a filtering strategy is introduced, which allows the filtering of pulses induced by near-wall paths which are irrelevant for the cells sizing.The method is shown to retrieve the expected symmetrical distribution of RBCs and provides results comparable to hydrodynamical focusing, a more intricate implementation of the Coulter principle.Such a result paves the way for a robust assessment of haematological parameters with a cheaper and simpler implementation, compared to hydrofocused devices.The impact of the cell morphology and rheology on the electrical print is evidenced for near-wall trajectories.Indeed, by altering the cell deformability and sphericity, the electrical pulses are proven to differ from predefined normality of measurements.Furthermore, neural network modellings are performed in the aims of assessing such RBC properties.Among the proposed processing, classification of normal, stiffened and spherical RBCs is provided.Finally, the inverse problem of numerical simulations is achieved, thus allowing the evaluation of the mechanical parameters of RBCs.