Exploration de la dynamique de l’agrégation des globules rouges dans la microcirculation : une approche fondée sur la physique et l’Intelligence Artificielle : une Approche Fondée sur la Physique et l’Intelligence Artificielle

Exploring the Dynamics of Red Blood Cell Aggregation in Microcirculation : A Physics and Artificial Intelligence Approach

• Auteur / Autrice : Julie Martin-Wortham
• Direction : Thomas Podgorski, Christian Wagner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Universität des Saarlandes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble, Isère, France ; 1992-....) - Universität des Saarlandes
• Jury : Président / Présidente : Sabine Rolland du Roscoat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lars Kaestner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Minne Paul Lettinga, Badr Kaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Érythrocytes

Rhéologie

Agrégation érythrocytaire

Mots clés libres

Agrégation

Microfluidique

Rhéologie

Globules rouges

Reconnaissance de forme

Aggregation

Microfluidics

Rheology

Red blood cells

Shape recognition

Résumé

L'étude des caractéristiques et du comportement des globules rouges (GR) permet de comprendre des aspects fondamentaux de la circulation sanguine ainsi que des troubles spécifiques tels que la drépanocytose, observée par l'examen de la forme des cellules, ou l'identification de l'inflammation ou de la septicémie par le biais de la vitesse de sédimentation des érythrocytes, une mesure étroitement associée au taux d'agrégation. S'appuyant sur cette importance fondamentale et clinique, ce travail de doctorat adopte une approche multi-physique impliquant la biologie, la mécanique des fluides et des solides et l'informatique, pour étudier l'écoulement des GR dans les capillaires à l'échelle microscopique.Une première partie se concentre sur la distribution des GR à une micro-bifurcation in vitro en tenant compte de l'influence des taux d'agrégation réglés par le Dextran. Les études expérimentales démontrent que la présence d'agrégats amplifie la distribution non homogène des GR, soulignant l'impact significatif des forces d'agrégation sur l'effet Zweifach-Fung observé. Ces résultats améliorent notre compréhension de l'interaction complexe entre l'agrégation et la dynamique du flux microvasculaire.La deuxième partie de cette recherche doctorale porte sur le développement d'un système de reconnaissance automatique de la forme des GR à haut débit. Une nouvelle approche de génération et de traitement de signaux numériques combinant la modulation d'amplitude spatiale optique et l'intelligence artificielle est proposée, présentant un concept pour un outil d'imagerie capable d'imager des GR en mouvement sans avoir recours à des caméras complexes ou à des configurations optiques sophistiquées. En utilisant des empreintes cellulaires simples dérivées de signaux modulés en intensité générés par un masque 2D binaire à fentes, la reconstruction d'images de GR dans un flux microfluidique est réalisée.Dans l'ensemble, la combinaison, dans cette thèse, d'études expérimentales et de techniques d'imagerie innovantes permet de mieux comprendre le comportement des GR à l'échelle microscopique. Ces résultats contribuent aux domaines de la rhéologie sanguine, de la microfluidique et de la recherche biomédicale, avec des implications pour le développement d'outils de diagnostic et d'interventions thérapeutiques améliorés.

Examining the characteristics and behavior of red blood cells (RBCs) enables insights into fundamental aspects of blood circulation as well as specific disorders such as sickle cell disease, as observed through the examination of cell shape, or the identification of inflammation or sepsis via the erythrocyte sedimentation rate, a measure closely associated with aggregation rate. Building upon this fundamental and clinical significance, this doctoral work takes a multi-physics approach involving biology, fluid and solid mechanics and computer science, to study the RBCs in flow in capillaries at a microscopic scale.A first part focuses on the distribution of RBCs at an in vitro micro-bifurcation considering the influence of aggregation rates tuned by Dextran. Experimental investigations demonstrate that the presence of aggregation amplifies the non-homogeneous distribution of RBCs, highlighting the significant impact of aggregation forces on the observed Zweifach-Fung effect. These findings enhance our understanding of the complex interplay between aggregation and microvascular flow dynamics.The second part of this doctoral research addresses the development of a high-throughput automatic shape recognition system for RBCs. A novel digital signal generation and processing approach combining optical spatial amplitude modulation and artificial intelligence is proposed, presenting a concept for an imaging tool capable of capturing RBCs in flow without the need for complex cameras or sophisticated optical setups. By utilizing simple cell fingerprints derived from intensity-modulated signals generated through a 2D binary slit mask, image reconstruction of RBCs in microfluidic flow is achieved.Overall, the combination, in this PhD, of experimental investigations and innovative imaging techniques provides insights into the behavior of RBCs at a microscopic scale. These findings contribute to the fields of blood rheology, microfluidics, and biomedical research, with implications for the development of improved diagnostic tools and therapeutic interventions.