Développement d'un simulateur haptique pour la cacaractérisation et la microinjection cellulaires

Haptic simulator for cell characterization and microinjection

• Auteur / Autrice : Hamid Ladjal
• Direction : Antoine Ferreira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 26/05/2010
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Jaydev P. Desai
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Ferreira, Jaydev P. Desai, Stéphane Régnier, Yacine Amirat, Pierre Vieyres, Serge Richard, Catherine Poirot, Jean-Luc Hanus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Régnier, Yacine Amirat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Temps réel (informatique)

Simulateurs

Toucher

Microinjections en cytologie

Cytologie

Mots clés libres

Microscopie à force atomique

Eléments finis

Simulation et interaction haptique

Objets déformables

Atomic force microscopy

Finite element

Simulation and haptic interaction

Deformable objects

Résumé

L'objectif fondamental de cette thèse est de développer et de mettre en oeuvre un outil interactif desimulation des techniques de micromanipulation biologiques de cellules. Au moyen de cet outil, l'opérateurpourra se former, s'entraîner et améliorer sa maîtrise en développant une gestuelle proche de celle exécutéeen réalité. La conception d'un tel environnement de simulation en temps-réel nécessite de trouver uncompromis entre le réalisme des modèles de comportement biomécanique utilisés, la précision et la stabilitédes algorithmes des méthodes de résolution et de rendu haptique utilisées ainsi que la vitesse de calcul. Lamodélisation mécanique retenue repose sur l'utilisation du modèle hyperélastique de St Venant-Kirchhoff etune formulation dynamique explicite éléments-finis du type masses-tenseurs. Le bien-fondé de cettemodélisation est vérifié sur des essais de microindentation par Microscopie à Force Atomique (AFM) decellules souches embryonnaires de souris et de microinjection d'ovocytes. Nous avons développé etimplémenté des modèles d'interaction en temps-réel qui s'articulent autour de la détection et la gestionrapide des collisions entre outil/cellule.La synthèse du rendu haptique fourni à l'opérateur est également proposée par l'intermédiaire d'un couplagevirtuel. Pour chaque application, nous avons justifié nos choix méthodologiques et Algorithmiques qui sontguidés par les contraintes de "réalisme+précision" "temps-réel". Les différents modèles proposés ont étéintégrés dans le simulateur SIMIC que nous avons développé pendant cette thèse. Ce dernier est dédié à lasimulation interactive pour l'aide à l'apprentissage du geste de microinjection et de nanoindentationcellulaire.

The fundamental objective of this thesis is to develop and implementing an interactive simulation techniquesfor micromanipulation biological cells. Using this tool, the operator can form, train and improve its control bydeveloping a gesture similar to that performed in reality. The design of such a simulation environment in realtime requires a compromise between the realism of biomechanical models used the accuracy and stability ofalgorithms and solution methods used haptic rendering and computational speed. Modeling Mechanicalrestraint involves the use of hyperelastic model of St Venant-Kirchhoff formulation and explicit dynamic finiteelement-type mass tensors. The validity of this model is tested on microindentation tests by Atomic ForceMicroscopy (AFM) of mouse embryonic stem cells and microinjection of oocytes. We have developed andimplemented models of real-time interaction that revolve around the detection and management of rapidcollisions between tool / cell.The synthesis of the haptic feedback provided to the operator is also available through a virtual coupling. Foreach application, we have justified our methodological choices and Algorithms that are guided by theconstraints of realism + precision "" real time ". The various proposed models have been integrated into thesimulator SIMIC that we developed during this thesis. This is dedicated to interactive simulation to supportlearning of gesture microinjection and cell nanoindentation.