La simulation multiphysique, une aide pour la recherche et le développement de nouveaux dispositifs hématologiques chez HORIBA Medical

Depuis plus de 30 ans, HORIBA Medical conçoit, fabrique et commercialise des automates performants d’analyses hématologiques pour les laboratoires et hôpitaux. Une expertise qui a fait de cette société l’un des acteurs majeurs du diagnostic in vitro. Cependant, les évolutions du marché, l’apparition de nouveaux concurrents ou encore l’entrée dans le domaine public de technologies historiques brevetées ont amené HORIBA Medical à développer de nouvelles solutions innovantes pour se différencier et rester compétitif.

Exemple de simulation d'écoulement dans des tuyaux/bifurcations.

Aujourd’hui, pour réaliser un bilan sanguin complet (hémogramme), l'analyseur effectue de manière totalement automatisée, en moins d’une minute, le prélèvement de l’échantillon dans le tube de sang, la préparation chimique et, avec différents types de capteurs, la caractérisation et le comptage des différentes cellules sanguines, la recherche d’éventuelles cellules immatures ou pathologiques, et enfin l’analyse et la transmission du résultat. De tels automates, déployés notamment dans les hôpitaux ou les grands plateaux techniques, sont également soumis à des contraintes d’usage telles que, la haute cadence ou l’automatisation complète du diagnostic. Ceci impose donc de compter un nombre important de cellules en un temps très court, ce qui génère des conditions multiphysiques très complexes.



Exemple de simulation d'écoulement à travers une électrovanne.

Chez HORIBA Medical, le choix a été fait de développer de nouveaux produits plus performants, mais aussi d’élargir l'offre. Améliorer les cadences et l'utilisation des instruments, détecter des pathologies particulières, aider à une meilleure compréhension des mesures à l'échelle cellulaire ou encore déployer les diagnostics médicaux au plus près du patient (POCT : Point Of Care Testing) sont quelques-uns des axes choisis. Ceux-ci imposent de devoir appréhender de nouvelles problématiques que sont la compacité des systèmes et la robustesse.

Classiquement, dans le secteur industriel biomédical, les approches expérimentales sont privilégiées. Cependant ces méthodes restent limitées, notamment au regard de la complexité des phénomènes biomécaniques et physico-chimiques qui entrent en jeu dans les analyseurs sanguins. C’est là que la simulation numérique intervient.



Exemple de simulation de transfert thermique fluide/solide dans un bac de mélange.

Pour élargir son expertise et relever ces nouveaux challenges, HORIBA Medical a donc décidé de développer depuis plusieurs années l’activité de simulation numérique au sein de sa R&D.

HORIBA Medical a choisi d’utiliser COMSOL Multiphysics^® et ses modules CFD, Heat Transfer, AC/DC et Microfluidics pour mieux comprendre les phénomènes physiques qui dépendent de l'architecture et des géométries des systèmes, dans le but d’obtenir in fine un design et des performances optimaux.

Plus précisément, développer des dispositifs hématologiques implique de prendre en compte des phénomènes physiques électriques, optiques, hydrauliques, chimiques, thermiques et microfluidiques, ainsi que les couplages associés.

Par exemple, au niveau électrique, les cellules passent dans un micro-orifice entre des électrodes (Principe Coulter), afin de mesurer la variation d’impédance qui en résulte et compter les cellules. La tâche est délicate au vu des 5 millions de globules rouges présents dans un microlitre de sang. En sus, des bancs optiques sont utilisés pour différencier les cellules d’après leur contenu intracellulaire. Le transfert des échantillons dans les canaux s'effectue par écoulement de fluide, dont les propriétés sont parfois complexes.



Exemple de simulation en mécanique des structures : prédiction des contraintes sur un système de pousse-seringues.

Concernant la chimie, des réactifs spécifiques sont conçus en fonction des populations à mesurer. La thermique ayant un impact majeur, il est donc primordial d’en contrôler et réguler la température. Enfin, la microfluidique s'impose pour le développement des nouveaux dispositifs hématologiques miniaturisés, beaucoup plus compacts que les produits existants, et qui nécessitent d'étudier les écoulements à l'échelle micrométrique.

HORIBA Medical utilise également COMSOL Compiler afin de déployer des applications métiers au sein de leur organisation. Ces applications sont développées à l'aide de l'Application Builder de COMSOL Multiphysics^®, qui permet de créer des interfaces dédiées facilement utilisables par des non experts (ingénieurs et scientifiques) impliqués dans le développement de nouveaux produits.

L’objectif consiste à rendre les ingénieurs et les intégrateurs plus autonomes dans l'utilisation de la simulation pour développer les nouveaux prototypes. Ces applications dédiées sont directement accessibles sur leurs postes et il leur est ainsi possible de modifier les paramètres des modèles jusqu'à obtenir les résultats visés. Ceci n'élimine pas la mise au point de prototypes et les tests associés, mais réduit le nombre d'essais et permet d'optimiser les designs.



Exemple de simulation des impacts de défauts mécaniques dans un système mécanique.

« Aujourd’hui, la simulation est utilisée chez HORIBA Medical, en R&D en complément de l’expérimentation pour plus d’efficacité dans la conception des systèmes complexes. C’est un outil important d’aide à la décision », explique Damien Isebe - Responsable de projet chez HORIBA Medical.

www.comsol.com

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