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La simulation multiphysique pour innover en diagnostic in vitro

Publié le 06 octobre 2020 par Patrick RENARD
Source : Comsol
Exemple de simulation d’écoulement dans des tuyaux/bifurcations.

Fabricant d’automates d’analyses hématologiques, Horiba Medical est dans une dynamique d'innovation qui s'appuie, côté recherche et développement, sur l'utilisation des outils de simulation multiphysique de Comsol à des fins d'optimisation.

Basé à Montpellier depuis plus de 30 ans, Horiba Medical conçoit, fabrique et commercialise des automates d’analyses de sang pour les laboratoires et hôpitaux. Une expertise qui a fait de cette filiale du groupe japonais Horiba l’un des acteurs majeurs du diagnostic in vitro.

L'édition 2020 de la Conférence Comsol Europe se tiendra en ligne, les 14 et 15 octobre prochains. Cet événement annuel dédié à la simulation multiphysique sera composé de sessions de "Keynotes" (dont l'une avec Horiba Medical), de conférences techniques, de présentations utilisateurs et de "Panel discussions" (dont un sur les biotechnologies avec la participation de CorWave).

Les évolutions du marché, l’apparition de nouveaux concurrents ou encore l’entrée dans le domaine public de technologies historiques brevetées ont amené l'entreprise à développer des solutions innovantes pour se différencier et rester compétitive. 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 sont quelques-uns des axes qu'Horiba Medical a privilégiés.

Il faut savoir qu'aujourd’hui, pour réaliser un bilan sanguin complet (hémogramme), l'analyseur effectue de manière totalement automatisée, en moins d’une minute, de nombreuses opérations : prélèvement de l'échantillon, préparation chimique, caractérisation et comptage de cellules, analyse et transmission du résultat. Cela génère des conditions multiphysiques très compliquées, avec des phénomènes biomécaniques et physico-chimiques complexes.

Une multitude de phénomènes physiques en jeu

Développer des dispositifs hématologiques implique en effet de prendre en compte des phénomènes 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 outre, 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.

Concernant la chimie, des réactifs spécifiques sont conçus en fonction des populations à évaluer. La thermique ayant un impact majeur, il est primordial de 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. Cela nécessite d'étudier les écoulements à l'échelle micrométrique.

Exemple de simulation en mécanique des structures avec prédiction des contraintes sur un système de pousse-seringues (source Comsol).

Pour développer des produits plus performants, mais aussi élargir son offre, Horiba Medical a décidé de développer depuis plusieurs années l’activité de simulation numérique au sein de sa R&D. L'entreprise a choisi d’utiliser le logiciel 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.

« 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.

Des applications métiers pour des intégrateurs plus autonomes

Horiba Medical utilise également Comsol Compiler afin de déployer des applications métiers au sein de son 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 ingénieurs et scientifiques impliqués dans le développement de nouveaux produits, sans être des experts en simulation numérique.

L’objectif est de 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.


www.comsol.fr

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