UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO DOMAINE SCIENCES ET TECHNOLOGIES MÉMOIRE DE FIN D’ETUDES pour l’obtention du diplôme MASTER EN PHYSIQUE ET APPLICATIONS du Parcours Ingénierie en Systèmes Electroniques et Informatiques sur : PROFIL ELECTROPHORETIQUE NORMAL DE REFERENCE. Présenté par RAKOTONJAKA HARIJAONA TSIVERY Devant la commission d’examen composée de Président : Mme RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur Titulaire Rapporteur : Mme RAZANAMANAMPISOA Harimalala Maître de Conférences Examinateurs : M. RANAIVO-NOMENJANAHARY Flavien M. RASAMIMANANA François de Salle Professeur Titulaire Maître de Conférences Le 30 Août 2016 SAÏNA scientifics & biomedicals UNIVERSITÉ D’ANTANANARIVO DOMAINE SCIENCES ET TECHNOLOGIES MÉMOIRE DE FIN D’ETUDES pour l’obtention du diplôme MASTER EN PHYSIQUE ET APPLICATIONS du Parcours Ingénierie en Systèmes Electroniques et Informatiques sur : PROFIL ELECTROPHORETIQUE NORMAL DE REFERENCE. Présenté par RAKOTONJAKA HARIJAONA TSIVERY Devant la commission d’examen composée de Président : Mme RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo Professeur Titulaire Rapporteur : Mme RAZANAMANAMPISOA Harimalala Maître de Conférences Examinateurs : M. RANAIVO-NOMENJANAHARY Flavien M. RASAMIMANANA François de Salle Le 30 Août 2016 SAÏNA Professeur Titulaire Maître de Conférences REMERCIEMENTS En premier lieu, je tiens à remercier Dieu Tout Puissant de m’avoir permis de mener à terme ce travail, sans sa grâce, je ne serai pas là. Du fond du cœur, merci mon Seigneur. A Monsieur RAHERIMANDIMBY Marson Professeur titulaire Responsable du Domaine Sciences et Technologies. A Monsieur RAKOTONDRAMIARANA Hery Tiana Professeur Responsable de la Mention Physique et Applications. A Madame RAZANAMANAMPISOA Harimalala, Maître de conférences Responsable du Master parcours d’Ingénierie en Systèmes Electroniques Informatiques, MISEI, mon encadreur d’avoir accepté la tenue de cette soutenance de mémoire. Veuillez trouver ici l’expression de ma grande admiration et ma vive reconnaissance. Je remercie très sincèrement, Monsieur ANDRIATSARAFARA Bruno de SAÏNA SARL, pour la patience, la disponibilité et les conseils pour avoir dirigé ce travail. Je tiens, par la suite, à remercier le Professeur titulaire, Madame RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo, pour le grand honneur qu’elle me fait en acceptant de présider le Jury de ce mémoire. Veuillez trouver ici notre profonde reconnaissance et nos sincères remerciements. Je suis très reconnaissant et exprime également ma gratitude à : • Monsieur RANAIVO-NOMENJANAHARY Flavien, Professeur titulaire en Mention Physique et Applications pour toutes les directives intarissables et tous les enseignements dont j’ai bénéficiés. Je vous remercie du grand honneur de faire partie de notre jury. • Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maître de conférences qui a bien voulu accepter avec bienveillance de juger mon travail malgré vos nombreuses occupations Veuillez agréer l’expression de ma profonde gratitude. • Madame RANDRIANALIMANGA née RAHARIVELO Nombana, Maître de conférences Anthropologue Biologiste pour son appuie à la rédaction scientifique. • Plus particulièrement à Madame ANDRIANALIHARIMINO Nambinina, Gérante de la société SAÏNA pour l’accueil chaleureux et qui a réservé une collaboration enrichissante lors de l’accomplissement de notre stage. • Enfin, merci à toute ma famille et tous ceux qui ont contribués à la réalisation de ce travail de près ou de loin. I TABLE DES MATIERES TABLE DES MATIERES…………………………………………………………...i LISTE DES ABREVIATIONS…………………………………………………….iii LISTE DES ACRONYMES………………………………………………………..iv LISTE DES FIGURES……………………………………………………………...vi LISTE DES TABLEAUX…………………………………………………………..vii INTRODUCTION ...................................................................................................... 1 CHPITRE 1 : GENERALITES ................................................................................ 3 1.1 HISTORIQUE DE LA DECOMPOSITION .................................................................... 3 1.2 GENIE BIOMEDICAL ............................................................................................. 3 1.2.1 Définition ..................................................................................................... 3 1.3 ELECTROPHORESE ............................................................................................... 4 1.3.1 Généralités ................................................................................................... 4 1.3.2 Réalisation pratique..................................................................................... 4 1.3.3 Electrophorèse des protéines ....................................................................... 5 1.3.4 Interprétation des résultats d’électrophorèse sérique par SEBIA ............... 6 1.4 LA LOI DE BEER LAMBERT................................................................................... 7 1.4.1 Définition ..................................................................................................... 7 1.4.2 Photométrie et photomètre.......................................................................... 7 CHAPITRE 2 : MATERIEL ET METHODE ........................................................ 9 2.1 L’INTEGRATEUR FLUR-VIS AUTO SCANNER DE HELENA..................................... 9 2.1.1 Description................................................................................................... 9 2.1.2 Structure..................................................................................................... 10 2.1.3 Le compartiment optique/mécanique ......................................................... 10 2.1.4 Le bac à cartes électroniques .................................................................... 12 2.2 METHODE NUMERIQUE ...................................................................................... 14 II 2.2.1 La fonction de Gauss ................................................................................. 14 2.2.2 La méthode des moindres carrées ............................................................. 15 2.2.3 Le gradient d’un scalaire........................................................................... 15 2.2.4 Système linéaire ......................................................................................... 16 2.3 APPROCHE ALGORITHMIQUE .............................................................................. 16 2.3.1 L’algorithme itératif .................................................................................. 16 2.3.2 Etape de l’algorithme ................................................................................ 16 2.4 TRAITEMENT DU SIGNAL .................................................................................... 19 2.4.1 Déroulement du Traitement ...................................................................... 19 2.4.2 Les étapes du traitement ............................................................................ 19 CHAPITRE 3 : RESULTATS ET INTERPRETATIONS................................... 21 3.1 LE PROCESSUS ................................................................................................... 21 3.1.1 La décomposition ....................................................................................... 21 3.1.2 Mise en valeur du choix du σ ..................................................................... 21 3.1.3 Interprétations des résultats ...................................................................... 23 3.1.4 La recomposition ....................................................................................... 24 3.2 DIAGNOSTIC DE L’APPAREIL .............................................................................. 26 3.2.1 Les grandes lignes du projet ...................................................................... 26 3.2.2 La mécanique ............................................................................................. 27 3.2.3 L’optique .................................................................................................... 28 3.2.4 Le photomètre ............................................................................................ 30 3.2.5 Le montage électronique adopté ................................................................ 30 3.3 L’INTERFACE GRAPHIQUE .................................................................................. 33 CHAPITRE 4 : DISCUSSION ............................................................................... 34 4.1 : SUR LE PLAN MATERIEL ................................................................................... 34 4.2 : SUR LE PLAN LOGICIEL .................................................................................... 34 4.3 : COMPARAISONS A D’AUTRES RECHERCHES...................................................... 34 CONCLUSION ......................................................................................................... 36 REFERENCES ANNEXES III LISTE DES ABREVIATIONS ADN : Acide Désoxyribonucléique LIPSS: Licence d’Ingénierie en Physique des Signaux et Systèmes MISEI : Master d’Ingénierie en Système Electroniques et Informatiques PC : Personal Computer SOF : Système Optique de Focalisation USB : Universal Serial Bus IV LISTE DES ACRONYMES C : Concentration...................................................................................................mol/l Décomp-G: Décomposition en série gaussienne DO : Densité Optique..................................................................................................lx E : Erreur sur l’optimisation du profil G’: Profil estimé I : Intensité lumineuse.................................................................................................cd Io : Intensité lumineuse incident.................................................................................cd Liss: lissage Min-Max: Minima-Maxima PDDo : Profil Densitométrique de la Densité optique SL : Source Lumineuse................................................................................................lm Somm-G : somme des gaussiens α1 : alpha1-globuline.................................................................................................g/l α2 : alpha2-globuline.................................................................................................g/l β : beta-globuline........................................................................................................g/l γ : gamma-globuline...................................................................................................g/l ε: Coefficient d’absorption moléculaire...........................................................L/mol. m λ: Longueur d’onde......................................................................................................m μc: Microcontrôleur V VI LISTE DES FIGURES Figure 1: Interprétation qualitative pour les électrophorèses SEBIA ......................... 6 Figure 2: Schéma de principe d'un photomètre ........................................................... 8 Figure 3: L'intégrateur Auto Scanner FLUR-VIS ........................................................ 9 Figure 4: La partie mécanique/optique de l'intégrateur d’électrophorèse ............... 12 Figure 5: Logigramme pour l'estimation des paramètres a, b et c ............................ 18 Figure 6: Résultats d’une électrophorèse .................................................................. 19 Figure 7: Les modules intégrés dans le processus de décomposition ....................... 20 Figure 8: Estimation de ech1 et ech20 à 10% de sigma ............................................ 21 Figure 9: Estimation de ech1 et ech20 à 30% de sigma ............................................ 22 Figure 10: Estimation de ech1 et ech20 à 50% de sigma .......................................... 23 Figure 11: Estimation de ech1 et ech20 à 100% de sigma ........................................ 23 Figure 12: Profil électrophorétique normal .............................................................. 24 Figure 13: Hypogammaglobulinémie ........................................................................ 24 Figure 14: Hypergammaglobulinémie ....................................................................... 25 Figure 15: Bloc beta-gamma ..................................................................................... 25 Figure 16: Bande monoclonal ................................................................................... 26 Figure 17: Syndrome néphrotique ............................................................................. 26 Figure 18: Alimentation de la lampe ......................................................................... 29 Figure 19: Schéma de la carte J1(ANALOG) ............................................................ 30 Figure 20: Schéma de branchement sur la carte Arduino ......................................... 31 Figure 21: Logigramme du programme à implémenter dans la carte Arduino Uno. 32 Figure 22: Interface utilisateur.................................................................................. 33 Figure 23: Essai d’un profil électrophorétique normal (RAKOTONJAKA H. T.) .... 35 Figure 24: Profil normal dans la publication de William E.Neeley .......................... 35 VII LISTE DES TABLEAUX Tableau 1: Pourcentage relatifs et concentration des protéines normal dans le sang humain .......................................................................................................................... 5 1 INTRODUCTION La société SAÏNA est une société dont la principale activité est la maintenance biomédicale. Très brièvement, la maintenance biomédicale désigne la maintenance de tout appareil ou instrument en rapport avec la Médecine. Ces appareils concernent plusieurs domaines très variés comme les interventions chirurgicales, les soins intensifs, les examens fonctionnels ou le diagnostic in vitro de laboratoire. Actuellement, l’expansion de la société de consommation augmente les menaces dues à la concurrence. Les progrès générés par la technologie galopante font que la durée de vie des appareils produits par les pays développés devienne de plus en plus courte. Une fabrication s’arrête très tôt et les pièces détachées deviennent de plus en plus rares et chères. L’électronique est l’une des branches de la physique qui est la plus touchée par de fulgurants progrès. Ainsi, certains composants sont vraiment devenus périmés ou obsolètes, car soient ils sont concentrés en une seule carte très dense et à double face ou soient ils sont répartis sur plusieurs couches. L’ensemble des opérations destinées à assurer le bon fonctionnement d’un tel appareil, à empêcher sa dégradation s’avère impossible. L’impossibilité d’intervention ou le prix de la carte devenu trop cher font que l’appareil doive être décrété irréparable. La société SAÏNA a su entrevoir et saisir dans ce phénomène une opportunité à prendre : dépasser le stade de la maintenance et repenser l’électronique et l’informatique de ces appareils. En général, les parties mécaniques restent intactes ou peuvent se réparer facilement chez beaucoup d’ateliers mécaniques locaux. Par ailleurs, les capteurs se fabriquent pendant une durée plus longue ou peuvent être remplacés par des équivalents. Actuellement, concevoir un système électronique s’est relativement simplifié grâce aux microcontrôleurs, la complexité matérielle s’étant transférée sur le plan logiciel et dans ce domaine les malgaches n’ont rien à envier aux gens des pays développés. La société SAÏNA effectue, de ce fait, une intrusion dans le Génie Biomédical qui est le développement de l’instrumentation électronique dans les différents champs d’applications médicales. 2 Pendant notre mission nous proposons deux solutions : • En premier lieu, une solution matérielle avec l’utilisation de la carte Arduino, pour la conception de l’électronique digitale s’occupant des commandes de l’intégrateur d’électrophorèse, la numérisation du signal analogique et de la transmission des données à un ordinateur. • En second lieu, un traitement numérique du résultat va être effectué. Le signal obtenu est une courbe qui par hypothèse est une somme de plusieurs gaussiennes. Par conséquent, le travail consiste à : • Un essai en une décomposition de cette courbe en plusieurs cloches de Gauss afin d’identifier la concentration de chaque fraction en pourcentage de molécule présent dans le plasma par utilisation de la méthode itérative. • Une estimation de trois paramètres qui seront respectivement notées : (a) pour l’amplitude, (b) l’écart, (c) pour la moyenne de chaque gaussienne va être faite. • Les résultats de cette décomposition seront suivis d’une analyse statistique de chaque fraction intéressant l’Albumine, α1, α2, β et γ pour construire un profil de référence normale. La lecture de ce manuscrit se déroulera en quatre étapes. Le premier chapitre traite les généralités sur l’historique des travaux concernant la décomposition gaussienne, l’électrophorèse et la Loi de Beer Lambert. Le second chapitre développe le matériel et la méthode qui présente l’intégrateur d’électrophorèse avec les éléments le constituant et se termine sur la méthode numérique et l’algorithme itératif pour le traitement du signal. Le troisième chapitre affiche les résultats et les interprétations à travers lesquels le processus d’estimation de chaque fraction de protéine sanguine, le diagnostic de matériel et le résultat de l’interface graphique sont présentés. Enfin, le quatrième chapitre soulève la discussion concernant autant le plan matériel que logiciel et une comparaison a d’autres recherches. 3 CHPITRE 1 : GENERALITES Cette partie consiste en un survol historique sur les recherches antérieures qui se sont penchées sur la décomposition gaussienne et de même sur le projet de rénovation. De plus, elle offre une brève introduction concernant le génie biomédical, en passant sur l’électrophorèse et finalement la loi de Beer Lambert. 1.1 Historique de la décomposition En 1962, LABOUCHE CL., spécialiste en médecine vétérinaire introduit une méthode mathématique de calcul de cloche de Gauss, basée sur la mesure des coordonnées de deux points autres que le sommet et qui ont été appliquées à l’interprétation quantitative des séparations électrophorétiques incomplètes. Il a conclu que les méthodes habituelles d’exploitation, ainsi que la mathématique sont donc impuissantes pour déchiffrer les fractions insuffisantes [2]. En 1969, LAURENTDUHAMEL M-J., REISS R. et JACQUIER R., ont procédé à la décomposition d’une courbe d’absorption optique en ses composantes d’allure gaussienne sur un cristal de quartz améthyste provenant du lac Alaotra (Madagascar) [6]. En 1998, AFDEL K., BANOUNI M., JOVER E. et PALMARI J., à la fois motivés par la performance de l’ordinateur et convaincus par la technique de traitement d’image ont fait l’application de la méthode d’approche d’électrophorégramme par une somme de gaussiennes sur des fragments d’acide désoxyribonucléique (ADN) [1]. Concernant la partie matérielle, en 1984 dans la revue CLINICAL CHEMISTRIE, WILLIAM E. NEELEY a publié une rénovation similaire au projet. Il a assemblé un micro-ordinateur d’Apple (apple II) et un intégrateur Flur-Vis auto scanner HELENA. Le matériel final comprend l’intégrateur, une interface numérique analogique, un micro-ordinateur et une imprimante pour la lecture du résultat d’analyse [4]. 1.2 Génie Biomédical 1.2.1 Définition 4 Le génie biomédical est une nouvelle discipline, qui vient de la coopération entre ingénierie et sciences médicales-biologiques. Elle utilise les méthodologies et les technologies qui sont typiques de l’ingénierie pour comprendre, déterminer et chercher à résoudre des problèmes biomédicaux. Le principal objectif de l’ingénierie biomédicale est le développement de l’instrumentation électronique en général nécessaire dans les différents champs d’applications médicales [3]. 1.3 Electrophorèse 1.3.1 Généralités L’électrophorèse est la principale technique utilisée en biologie pour la séparation et la caractérisation des molécules. Dans un milieu donné, la séparation des particules se fait en fonction de leur charge électrique et pour des charges identiques, en fonction de leur taille. La technique de l'électrophorèse est fondée sur le déplacement d'ions sous l'effet d'un champ électrique. Du fait de leurs charges électriques et de leurs tailles propres, ces ions auront des vitesses de migration différentes, en conséquence, ils vont donc se séparer les uns des autres. 1.3.2 Réalisation pratique Les principales applications utilisent un support poreux qui est dénommé alors électrophorèse sur support ou électrophorèse de zones. Le mélange complexe à séparer est déposé sur un support convenable, poreux et imprégné de tampon conducteur. Quand une tension continue qui est fournie par un appareil appelé générateur d'électrophorèse est appliquée entre les extrémités du support tamponné, les molécules migrent au travers des mailles constituant le support. Les mailles retiendront moins les petites molécules qui auront alors la migration la plus grande. Les molécules les plus grandes seront d'autant plus retenues entre les mailles du support et auront une migration relative plus faible. Une fois la migration arrêtée, le support est enlevé et imprégné dans un colorant spécifique aux molécules étudiées puis dans un réactif transparisant qui rend et transforme le gel en un film transparent mais mettant en évidence la migration comme des bandes colorées correspondant aux proportions des différents composants moléculaires. 5 1.3.3 Electrophorèse des protéines En laboratoire d'analyses médicales, l'électrophorèse des protéines sert à déterminer les différentes proportions des protéines du sérum sanguin par une électrophorèse sur gel. D'autres substances servant à conditionner convenablement les protéines sont ajoutées au tampon conducteur du gel. Les cinq principaux composants des protéines du sang sont les albumines, les α1-globulines, les α2-globulines, les β-globulines et les γ-globulines. Suivant les proportions (ou pourcentage relatifs) de ces composants par rapport aux protéines totales, plusieurs maladies ou pathologies peuvent être diagnostiquées. Ces proportions sont fournies par un appareil appelé intégrateur d'électrophorèse qui calcule les aires en dessous de chaque courbe de bande. Les différents pourcentages relatifs des concentrations pour la détermination de la concentration des protéines totales et les valeurs normales de ces concentrations dans le sang humain sont détaillés en tableau 1. Tableau 1: Pourcentage relatifs et concentration des protéines normal dans le sang humain Fraction % relatif Concentration normales (g/l) Albumine 55.7 36.3 – 49.1 α1 3.1 1.1 – 3.5 α2 11.3 6.5 – 1.17 β 11.6 7.4 – 1.26 γ 18.1 5.8 – 1.74 Source : Helena Biosciences Europe, TITAN III Serum Protein Electrophoresis 6 1.3.4 Interprétation des résultats d’électrophorèse sérique par SEBIA Un fabricant de matériel d'électrophorèse de la marque SEBIA possède un document sur l'interprétation en termes de pathologies de divers profils obtenus par l'électrophorèse des protéines. Les propositions d’interprétation à titre indicatif sont en figure 1. Figure 1: Interprétation qualitative pour les électrophorèses SEBIA 7 1.4 La loi de Beer Lambert 1.4.1 Définition La loi de Beer-Lambert décrit la décroissance, suivant une fonction exponentielle, de la lumière à la traversée d'une matière. Soit un rayon lumineux monochromatique c'est-à-dire réduit à une seule longueur d'onde λo d'intensité Io incidente sur la matière étudiée. L'intensité lumineuse I transmise ou émergente est donnée par l'expression: (1) DO est appelée la densité optique de la matière, son absorbance est donc : (2) Parler d'une densité optique n'a de sens que si une longueur d'onde lui est associée. La densité optique est proportionnelle au trajet optique l suivi par le rayon dans la matière: (3) Si la matière en question est un liquide contenant une substance donnée, il a été démontré que la densité optique est proportionnelle à la concentration C de la substance dans la solution et donne à celle-ci une certaine couleur: (4) ε est un coefficient spécifique à la substance pour la longueur d'onde o choisie : il porte le nom de coefficient d'absorption moléculaire. 1.4.2 Photométrie et photomètre La photométrie a pour but de se procurer une mesure de l'intensité lumineuse I émergeant d'une matière, analysée avec une intensité lumineuse incidente Io connue. A partir de cette information, il est tout à fait possible de remonter à la valeur de la densité optique DO à une longueur d'onde donnée λo et à la concentration C de la substance. L'objet de l'analyse pouvant être sous forme des trois états physiques de la matière. Un photomètre adopte le schéma de principe développé dans la figure 2 suivante: 8 Figure 2: Schéma de principe d'un photomètre S.L : source lumineuse - SOF : Système Optique de Focalisation La source lumineuse (SL) fournit un spectre large de radiations lumineuses incluant la longueur d'onde λo. Le système optique de focalisation (SOF) rend les radiations parallèles. Le filtre appelé encore monochromateur sélectionne la seule longueur d'onde λo caractéristique de l'analyse. Comme exemple de filtre, il y a les verres colorés et les filtres interférentiels. La cuve optique contient la substance à analyser. L'appareil de mesure est composé de : • Un capteur transformant l'énergie lumineuse I en une grandeur électrique ; • Un système électrique ou électronique visualisant ou traitant la valeur I. Avant la mesure de I, celle de Io est nécessaire, par exemple en enlevant la substance à analyser. Cette étape préalable s'appelle la mesure du zéro. 9 CHAPITRE 2 : MATERIEL ET METHODE 2.1 L’intégrateur Flur-Vis Auto Scanner de Helena 2.1.1 Description Le Flur-Vis Auto Scanner est un intégrateur d’électrophorèse fabriqué par la société américaine Helena au milieu des années quatre-vingt. Vu de l’extérieur, il se compose de trois parties distinctes : • Un capot qui, levé, laisse paraître un plateau peint en noir à plusieurs fentes rectangulaires en parallèle. Ces dernières servent à accueillir les films à profils d’électrophorèse. Le plateau bénéficie d’une première mobilité, avant/arrière par des glissières latérales et d’une seconde mobilité gauche/droite en étant sur un chariot, entre un faisceau lumineux vert et un réceptacle du capteur photoélectrique. • Une face avant présente les différentes commandes permettant d’activer les réglages et de vérifier les témoins de l’appareil. • Un traceur de courbes sur papier thermique spécialement gradué. Le papier comporte deux zones séparées et superposées sur lesquelles deux stylets tracent respectivement sur la première zone supérieure le profil électrophorétique et sur la seconde la courbe représentant l’intégrale de ce profil. Figure 3: L'intégrateur Auto Scanner FLUR-VIS 10 L’utilisation de l’appareil est relativement simple surtout en mode automatique : 1. ouvrir le capot, mettre le film sur le plateau, insérer ou déposer le profil le long d’une fente et fixer avec les barreaux magnétiques ; 2. déplacer le plateau de telle façon que le faisceau soit au centre du film ; 3. ajuster les vis moletées de fins de course de telle sorte que toute la bande +5 mm soit scannée ; 4. mouvoir le chariot complètement vers la gauche et fermer le capot ; 5. appuyer sur le bouton « scan » ; 6. le scan terminé, enlever le film et le papier des courbes ; 7. les valeurs des aires au-dessous de chaque sommet est donnée par la hauteur de sa courbe intégrée, sinon pour avoir plus de précisions, il est aisé, quoique assez long, de compter les cm² et mm² sur le diagramme. 2.1.2 Structure Au vu de la description ci-dessus, il apparaît que le Flur-Vis Auto Scanner de Helena ne rend pas directement des résultats numériques mais trace deux courbes sur lesquelles le technicien de laboratoire déduit lesdits résultats. L’appareil n’a pas encore été équipé de composants électroniques programmables, il est composé d’une partie importante d’électronique analogique et d’une partie digitale en logique câblée. Tout en étudiant et en décrivant les constituants internes de l’appareil, nous allons mettre en exergue les parties encore susceptibles de nous intéresser concernant la rénovation et nous allons noter les points éventuellement à utiliser et brancher à notre nouveau système électronique numérique. 2.1.3 Le compartiment optique/mécanique Les éléments suivants y sont trouvés et incorporés : • Le moteur de scan : Le système mécanique ne comporte qu’un seul moteur qui sert à déplacer un chariot de gauche vers la droite ou vice versa. La transmission de mouvement se fait par une courroie crantée assujettie au chariot qui glisse donc sur une tige cylindrique. • Une carte à relais : Elle se trouve longitudinalement en haut du compartiment. En étudiant le système, nous avons compris que les trois relais de type 24V continu servent à mettre le moteur en marche, choisir le sens des aiguilles d’une montre 11 correspondant au mouvement du chariot vers la gauche et choisir le sens inverse correspondant au mouvement du chariot vers la droite. • Le chariot : Il comporte sur ses deux côtés latéraux deux glissières dans lesquelles est encastré le plateau support de film ; ce plateau peut donc être déplacé de l’avant vers l’arrière et vice versa manuellement pour ajuster le film au-dessus du faisceau en début du scan. • Le système début/fin de scan : Le chariot comporte deux petites pièces métalliques en L de positions longitudinales variables et fixables par deux vis moletées. Les deux pièces viennent actionner des interrupteurs de fin de course aux positions réglées de début de scan et de fin de scan. • La lampe source lumineuse : Elle se trouve à gauche. Elle est du type tungstène à filament droit vertical. • Le système optique de focalisation SOF : Il se trouve se trouve dans une boîte noire parallélépipède ; il transforme les rayons provenant de toutes directions de la lampe en un faisceau rectangulaire vertical arrivant par-dessous la fente du plateau. Au milieu de la boîte du système une feuille métallique avec une fente très fine peut être mise en place au moyen d’un électro-aimant commandé lui-même via un petit interrupteur marqué « slit ». A la sortie du SOF se trouve le filtre ou monochromateur de longueur d’onde 525 nm conférant au faisceau sa couleur verte. • Un composant servait dans l’option de fluorescence de l’intégrateur d’électrophorèse. Cette option de fluorescence est utilisée surtout en recherche mais pas en analyses de routine et ne sera pas mise en œuvre dans ce projet. La figure 4 présente la partie mécanique – optique de l’intégrateur d’électrophorèse. 12 Figure 4: La partie mécanique/optique de l'intégrateur d’électrophorèse 2.1.4 Le bac à cartes électroniques Le bac à cartes contient 05 cartes électroniques : • J1 : la carte ANALOG. Cette carte sur laquelle se branchent entre autres les 03 fils venant du capteur photoélectrique, dont le courant I image de l’intensité lumineuse, devrait comporter une sortie véhiculant à un gain G convenable près la valeur de la densité optique (DO) à un instant donné du scan. La carte, en principe donc, devrait incorporer tous les circuits traduisant l’expression : DO= G log (Io/I) Autrement dit, un convertisseur logarithmique courant-tension suivi d’un amplificateur. Les potentiomètres de la face avant « GAIN » et « ZERO » bien visibles sont reliés à cette carte donc le circuit devrait comporter un réglage du gain et une annulation de décalage. • J2 : la carte INTEGRATOR. Cette carte fabrique en temps réel l’intégrale de la tension représentative du DO. Elle devrait donc comporter une entrée venant de la carte « Analog » et une sortie vers les circuits de traçage des courbes. La carte est composée uniquement de circuits intégrés analogiques. • J3 : la carte PEN DRIVER/POWER SUPPLY. D’une part, cette carte est composée des amplificateurs de puissance recevant en entrées les DO et intégrale et attaquant les galvanomètres des stylets correspondant. D’autre part, elle fabrique les tensions d’alimentation stabilisée nécessaires à l’appareil. • J4 : la carte LAMP POWER SUPPLY. Cette carte concerne l’alimentation stabilisée de la lampe. Notons que cette tension doit absolument demeurer stable 13 et qu’elle devrait pouvoir générer un fort ampérage vu la luminosité requise par les sources lumineuses en photométrie. • J5 : la carte SCAN LOGIC. Cette carte formée de circuits intégrés logiques devraient s’occuper de tout ce qui concerne la prise en charge des commandes de l’utilisateur, la détection de positions dans la mécanique, le pilotage des moteurs de scan ou du traceur de courbes, etc… Faisons la remarque que les circuits logiques utilisés sont du type CMOS. Le schéma synoptique de l’intégrateur Flur-Vis est présenté comme suit. Figure 5: Synoptique de l'intégrateur Flur-Vis Autoscaner Au vu de toutes les descriptions et considérations précédentes, l’établissement d’un schéma synoptique de l’intégrateur d’électrophorèse Flur-Vis AutoScanner de Helena, est possible peut-être pas entier ou complet en détails mais suffisant pour continuer le projet. 14 2.2 Méthode numérique L’ordinateur est utilisé comme outil pour produire un tracé graphique. Le début commence par un procédé de calcul et suivi de conception d’interface graphique. Les méthodes mises en œuvre sont des objets mathématiques élémentaires pris comme des modules unitaires à intégrer dans la résolution du problème. Pour un intégrateur d’électrophorèse, l’objectif est de calculer la surface de chaque bande sous la courbe pour une fraction. Dans un travail antérieur, la résolution est la méthode du trapèze, la somme de l’aire d’un rectangle et d’un triangle [7]. Par hypothèses, un profil densitométrique est un spectre qui est la somme de plusieurs cloches de Gauss. est le profil estimé à chaque sommet x et de nombre est N=5. (5) Le calcul de l’aire sous la cloche exploite la formule suivante : (6) a: amplitude du gaussien σ : écart sous le sommet Pour résoudre le problème, l’estimation de ces deux paramètres est nécessaire. 2.2.1 La fonction de Gauss = (7) Cette fonction est caractérisée par deux paramètres σ l’écart-type et µ la moyenne. Dans notre cas cette fonction servira de modèle pour l’estimation de la densité de chaque fraction. En supposant que notre gaussienne a une amplitude (a ), (b= ) un variant de l’écart et (c) la moyenne sous le sommet. Le modèle s’écrit comme suit : 15 (8) 2.2.2 La méthode des moindres carrées Elle est utilisée pour minimiser l’erreur de l’optimisation. On appelle résidu noté E de l’estimation, le résultat du carrée de la différence à la valeur théorique G’(x) et la valeur observée y. Soit i = (1,2,…, n) et n le nombre de point de y. L’équation des moindre carrée s’écrit comme suit. (9) 2.2.3 Le gradient d’un scalaire C’est une généralisation de la notion de dérivée pour une fonction à plusieurs variables. Cette notion est utilisée dans ce cas, le modèle G’ est une scalaire fonction des paramètres (a), (b) et (c). Le dérivée partielle de G’ par rapport à son paramètre s’écrit : (10) Notons un vecteur déplacement élémentaire. Soit le gradient de G’ (11) D’où la dérivée partielle totale suivante : (12) Alors, pour trouver le maximum local le terme doit être nul. La minimisation de l’erreur est de faire (13) avec E préalablement choisi. 16 2.2.4 Système linéaire Maintenant un système de matrice linéaire de noyau A matrice des paramètres qui est carrée, x vecteur colonne matrice des inconnues et B vecteur colonne matrice des données. Le système est formulé comme suit Ax = B. Résoudre ce système c’est isoler x. (14) démontrons que Posons, et d’où Voici maintenant le système décrivant le problème à résoudre. (15) 2.3 Approche algorithmique 2.3.1 L’algorithme itératif L’idée principale de la méthode consiste à raisonner en termes de situation. L’itération est caractérisée par son invariant. La méthode est de construire cet invariant parallèlement à l’élaboration de l’algorithme. Etant donné un problème dont on suppose qu’il a une solution itérative, le but est de s’efforcer de mettre en évidence les étapes suivantes [5]. 2.3.2 Etape de l’algorithme 1) Hypothèse de récurrence, proposer une situation générale décrivant le problème. L’étape essaie alors de décrire, de manière très précise, une situation dans laquelle les données qu’elle manipule puissent se trouver. 2) Chercher la condition d’arrêt. A partir de la situation imaginée en étape 1), formuler la condition qui permet d’affirmer que l’algorithme a terminé son travail. C’est la situation finale. 3) Se rapprocher de la situation finale. Tout en faisant le nécessaire pour conserver une situation générale analogue à celle choisie en étape 1). 17 4) Initialiser les variables introduites dans la description de la situation générale pour que celles-ci soient vraies au départ. L’algorithme aura la structure suivante : Faire l’étape 4) tant que l’étape 2) n’est pas encore réalisée faire étape 3). En effet la situation générale choisie en étape 1) est en fait l’invariant qui caractérise la boucle. Cette situation est satisfaite au départ à cause de l’étape 4), elle reste vraie à chaque itération à l’étape 3). Etape 4) c’est-à dire « Initialiser les variables introduites dans la description de la situation générale pour que celles-ci soient vraies au départ» tant que l’étape 2) n’est pas atteinte (non réalisation de l’étape 2)), faire étape 3) c’est-à dire « Se rapprocher de la situation finale. Tout en faisant le nécessaire pour conserver une situation générale analogue à celle choisie en étape 1) ». En effet la situation générale choisie en étape 1) est en fait l’invariant qui caractérise la boucle. Cette situation est satisfaite au départ à cause de l’étape 4), elle reste vraie à chaque itération à l’étape 3). Lorsque la condition d’arrêt est ainsi atteinte, cette situation nous permet d’affirmer que le problème est résolu. Voici le logigramme illustrant l’application de cette méthode, pour estimer les paramètres a, b et c. 18 Début ε, a, b, c A c = c+dc B b = b+db a = a+da dx = A\B |B| |B| ≤ E a, b, c Fin Figure 6: Logigramme pour l'estimation des paramètres a, b et c 19 2.4 Traitement du signal Une approche de décomposition du profil en cloches de Gauss va être traitée. Une estimation pour chaque pic contribuera une aire densitométrique. 2.4.1 Déroulement du Traitement Trente échantillons résultats d’électrophorèse plasmique sanguine humaine ont été à notre disposition. L’indisponibilité du matériel c'est-à-dire celle de HELENA Auto Scanner Flur-Vis a motivée l’utilisation d’un scanner de bureau. Les données à traiter sont des images présentées en figure 6. Figure 7: Résultats d’une électrophorèse 2.4.2 Les étapes du traitement Dans un premier temps, des découpes ont été faites pour avoir des échantillons, chacun en forme de bandelette. Les données en forme de bandelettes ont été nommées et placées dans un répertoire de travail. Pour le traitement de chaque donnée, des modules de fonction sont implémentés avec le logiciel MATLAB. La logique de déroulement commence par le chargement du fichier (data_I) en format echN.bmp, N étant le numéro de l’échantillon. Un lissage (liss) de chaque donnée est suivi du calcul des minima et des maxima (min_Max) de chaque fraction. Ensuite, l’application de la décomposition en plusieurs gaussiennes (décomp_G) est effectuée et enfin la recomposition est opérée en faisant la somme des gaussiens (somm_G) issue de la décomposition. La synoptique de ce déroulement est illustrée comme suit en figure 7. 20 Figure 8: Les modules intégrés dans le processus de décomposition 21 CHAPITRE 3 : RESULTATS ET INTERPRETATIONS 3.1 Le processus Le processus consiste en l’estimation de chaque sous cloche participative des cinq fractions de protéine sanguine qui intéresse les biologistes. 3.1.1 La décomposition Pour l’algorithme itératif, les valeurs initiales de départ des paramètres à estimer sont : - a la partie entière de l’amplitude de la bande observée; b= avec σ le pourcentage de la différence des deux minima sous le - sommet de la bande considérée ; c l’abscisse du sommet de la bande. 3.1.2 Mise en valeur du choix du σ Les résultats dépendent alors plus de σ que des deux autres paramètres. La nécessité de mettre en valeur et de décider quel pourcentage du σ estimer est primordiale. Se poser la question : la décomposition est-elle participative à la contribution de la bande ? La procédure est d’estimer deux échantillons à 10%, à 30%, à 50% et à 100% de σ estimé. Dans les figures suivantes la courbe en rouge est l’originale, et celle en bleu sa décomposition. Le résultat à 10% de σ estimé est en figure 9 Figure 9: Estimation de ech1 et ech20 à 10% de sigma 22 Le résultat à 30% de σ estimé est en figure 10 Figure 10: Estimation de ech1 et ech20 à 30% de sigma Le résultat à 50% de σ estimé est en figure 11 23 Figure 11: Estimation de ech1 et ech20 à 50% de sigma Le résultat à 100% de σ estimé est en figure 12 Figure 12: Estimation de ech1 et ech20 à 100% de sigma 3.1.3 Interprétations des résultats • à 10% de σ estimé, la contribution est à 44.44% car, pour estimer neuf pics au total cinq pics pour ech1 et quatre pics pour ech20. Le résultat est de quatre pics. • à 30% de σ estimé, la contribution est à 100% car, pour estimer neuf pics au total cinq pics pour ech1 et quatre pics pour ech20. Le résultat est de neuf pics. • à 50% de σ estimé, la contribution est à 122% car, pour estimer neuf pics au total cinq pics pour ech1 et quatre pics pour ech20. Le résultat est de dix pics. Il y a un léger décalage. • à 100% de σ estimé, la contribution est à 66% car, pour estimer neuf pics au total cinq pics pour ech1 et quatre pics pour ech20. Le résultat est de six pics. Il y a un grand décalage. Pour estimer les cinq fractions, il est judicieux d’appliquer l’estimation à 30% de σ car le nombre de pic initial est conservé et que les pics estimés sont centrés avec les pics originaux. 24 3.1.4 La recomposition La courbe en vert est le Profil Densitométrique de la Densité optique (PDDo) d’un échantillon, un diagnostic qualitatif peut-être conclu par le spécialiste. Une référence pour donner une interprétation se trouve sur la figure 1. La courbe rouge est le Profil Recomposé G’. La somme des cinq fractions de chaque bande en pourcentage d’Albumine, d’α1, d’α2, de β et de γ donne l‘interprétation quantitative du PDDo. La courbe en bleu trace le profil normal pour permettre de faire la référence de quantité d’un profil quelconque. Des figures montrent quelques résultats. La figure 13 trace un profil électrophorétique normal. Figure 13: Profil électrophorétique normal L’insuffisance de gammaglobuline est présentée par la figure 14. Figure 14: Hypogammaglobulinémie 25 L’excès de gammaglobuline est présenté par la figure 15. Figure 15: Hypergammaglobulinémie Les problèmes hépatiques ou concernant le foie peuvent être diagnostiqués en référence à la figure 16. Figure 16: Bloc beta-gamma L’insuffisance de globules blancs est représentée par la figure 17. 26 Figure 17: Bande monoclonal La détection de syndrome néphrotique ou de problème rénal est assimilée à la figure 18. Figure 18: Syndrome néphrotique 3.2 Diagnostic de l’appareil 3.2.1 Les grandes lignes du projet • Arrêt du traceur de courbe : Nous arrêtons l’utilisation du traceur de courbes : il est prévu de numériser le profil, de le traiter et de le stocker dans l’ordinateur ; la courbe du profil sera imprimable conjointement avec les résultats du patient. • Carte J3 : Nous devons garder la carte J3 (PEN DRIVER POWER SUPPLY) puisque cette carte, qui en outre du fait d’intégrer les amplificateurs de puissance des galvanomètres des stylets, fournit également les tensions d’alimentation nécessaire à l’électronique (12V des circuits logiques CMOS, +15V/-15V pour les amplificateurs opérationnels et 24V pour les relais). • Elimination de la carte J2 : Nous arrêtons aussi l’utilisation de la carte J2 (INTEGRATOR) qui est devenue également inutile avec l’utilisation de l’ordinateur. • Elimination de la carte J5 : Pour la même raison, la carte J5 (SCAN LOGIC) sera aussi éliminée, toutes les détections d’états et toutes les commandes concernant l’appareil seront faites par la carte Arduino. • Carte J4 : Nous gardons la carte J4 (LAMP POWER SUPPLY) pour allumer la lampe. 27 • Carte J1 : Nous gardons la carte J1 (ANALOG) qui, à partir du signal délivré par la cellule photoélectrique frappée par le faisceau lumineux, fournit la densité optique DO à tout moment du scan. • Partie mécanique : Toute la partie mécanique est conservée. L’état de marche de tous ces éléments est requis dont le moteur de scan et la partie optique dont la lampe. Tous ces éléments devraient être en état de marche ; si ce n’est pas le cas, l’utilisation des équivalents est incontournable. • Arduino : la place de la carte J5 (SCAN LOGIC) va être occupée par la carte Arduino qui servira à contrôler les différents états de l’appareil et commander son fonctionnement. En plus, elle va s’occuper de la conversion analogiquenumérique de la DO instantanée et de transmission des échantillons de valeur à l’ordinateur via la liaison USB. Mais avant de pouvoir dresser le schéma de montage adéquat, la connaissance des moidres détails concernant les moyens de procéder de l’appareil et les points cruciaux où brancher les entrées/sorties de la carte Arduino constitue une phase primordiale. 3.2.2 La mécanique Premier fait, il nous faut d’abord mentionner qu’aucun document écrit n’était disponible et cet état de fait nous a pris beaucoup de notre temps. Nous avons longuement cherché sur Internet le manuel technique de cet intégrateur Flur-Vis Auto Scanner mais sans succès. Il en était de même, pour le manuel d’utilisation. Il est vrai que l’appareil date de 1985 à peu près et en ce temps-là, les versions électroniques des documents n’existaient pas ; par ailleurs, cet appareil étant un don fait à la société SAÏNA, les documents ne l’ont pas accompagné. Nous n’avons pu trouver sur le Net que des travaux de recherches dans le domaine de l’électrophorèse dans lesquels les auteurs utilisaient ce modèle d’intégrateur. Aussi, nous avons extrait entre les lignes le mode d’emploi de l’appareil. Second fait à mentionner : lors des premiers essais d’utilisation de l’appareil, toute la mécanique restait immobile et ne donnait aucune réponse. Les actions suivantes ont été entreprises : • Dépose du moteur • Relevé de la tension nominale : 117V alternatif • Etude du schéma électrique du moteur apposé sur celui-ci. 28 En fait, le moteur est un bloc formé de deux enroulements et d’un condensateur de démarrage. Le premier enroulement sert à faire tourner le moteur dans un sens et le second dans le sens contraire. Par ailleurs, un réducteur de vitesse y est également incorporé. Des tests statiques à l’ohmmètre ont montré que les enroulements n’étaient ni coupés, ni en court-circuit. Mais en alimentant l’un ou l’autre par une tension 117V ~ séparée, le moteur restait immobile. Nous avons donc conclu que c’était le condensateur de démarrage incorporé qui était défectueux, probablement devenu sec avec le temps. Nous avons donc déposé le bloc moteur et changé ce condensateur. Résultat : le moteur a marché. Les 117V~ nécessaires aux 02 enroulements sont appliqués via 02 contacts de 02 relais de 24V continu et que les bobines de ces 02 relais arrivent de la carte J5 (SCAN LOGIC). En relevant le schéma électronique de cette carte juste aux broches concernant les bobines des relais, nous avons vu des transistors UZT 30 jouant le rôle de drivers. Notons que le relevé de schéma de la carte entière n’était pas possible vu le nombre de circuits intégrés dessus et la complexité des dessins de pistes ; par ailleurs, ceci était parfaitement inutile. En conclusion, concernant le moteur de scan, il nous faut donc insérer des transistors en tant que driver des bobines de relais entre la carte Arduino et les 02 relais. • Concernant l’option « slit » qui met en place sur le chemin optique une fente fine, les fils du commutateur « slit » vont aussi vers la carte J5 (SCAN LOGIC) et celle-ci via un autre driver UZT30 alimente l’électroaimant (de 24V) de mise en place de la fente fine. • Enfin, notons que les fils interrupteurs de fin de course, délimitant la zone à scanner vont aussi vers la carte J5 (SCAN LOGIC). 3.2.3 L’optique La pièce maîtresse de l’optique est une lampe à bulbe cylindrique et à filament tungstène vertical. Malheureusement, concernant les caractéristiques, les inscriptions dessus se sont effacées. Au moins pour cette raison majeure, et pour d’autres telles que repérage des connexions, il nous fallait relever le schéma de la carte J4 (LAMP POWER SUPPLY). Notre tâche a été simplifiée après que nous avions remarqué que l’alimentation est basée sur le circuit intégré MC 1469G qui est un circuit intégré 29 régulateur de tension avec tension de sortie ajustable extérieurement et possibilité d’accéder à un courant de sortie très élevée par apposition d’un transistor ballast. Le schéma de l’alimentation de la lampe est tracé en figure 19. Figure 19: Alimentation de la lampe Concernant l’ajustement de la tension de sortie Vo : Pour une valeur souhaitée Vo ≥ 3,5V, il faut prendre (le constructeur) R2 = 6,8 kῼ et calculer R1 = (2Vo – 7) kῼ La vérification donne bien R2 = 6,8 kῼ et R1 est une résistance ajustable 10 tours d’une valeur de R1 = 10 kῼ La mesure de R1 (qui était encore scellée au vernis) à l’ohmmètre donne : R1 = 6,22 kῼ Tout ceci donne : 2Vo – 7 = 6,22 => Vo = 6,61 Volt Par ailleurs, il est à noter : - Le transistor ballast de puissance 2N3055 est en dehors de carte sur un radiateur. Celui-ci permet un courant de sortie jusqu’à 3 ampères. - La résistance de 680 ῼ sert de charge à la sortie pour conférer au moins un courant de sortie faisant conduire le transistor ballast. - L’alimentation peut être éteinte électroniquement par une commande sur sa broche2 (ShutDown) et cette ligne sort de la carte et va vers la carte J5 (SCAN LOGIC). Elle sera également connectée à la future carte Arduino. 30 3.2.4 Le photomètre Pour détecter la sortie du photomètre véhiculant le signal DO, il a fallu relever le schéma de la carte J1 (ANALOG) ; tout renseignement issu de cette carte est aussi important pour le branchement à la carte Arduino. Le schéma de la carte J1 (ANALOG) est en figure 20. Figure 20: Schéma de la carte J1(ANALOG) Elle est basée sur un amplificateur opérationnel hautes performances tant du point de vue faiblesse de bruit que de stabilité en température, le 235J de Analog Devices. Cet amplificateur opérationnel est monté en amplificateur logarithmique, remarquable avec l’espace collecteur-émetteur d’un transistor sur la boucle de contre-réaction. 3.2.5 Le montage électronique adopté - Les butées gauche et droite entrent dans 02 entrées numériques D4 et D5 : normalement au niveau haut, quand les béliers métalliques touchent les interrupteurs fins de course, elles passent à la masse. - Deux sorties numériques D2 et D3 commandent le moteur respectivement dans le sens gauche et dans le sens droit : un niveau bas sur la sortie sature le transistor PNP ce qui alimente le relais qui met à son tour les 117V sur la bobine concernée du moteur. - Un troisième interface de ce type commande un électro-aimant mettant en place la fente fine. - Une autre sortie digitale commande ou non l’allumage de la lampe. 31 - La sortie véhiculant la tension image du profil est connectée sur l’entrée analogique PA0 pour être convertie numériquement. Une diode zener est mise en parallèle sur cette entrée pour protéger l’entrée de l’Arduino contre une surtension éventuelle de cette tension. Le schéma de branchement est représenté sur la figure 21. Figure 21: Schéma de branchement sur la carte Arduino Le logigramme du programme à implémenter dans la carte Arduino Uno est détaillé en figure 22. 32 Début A0,D0=1, D1=1, D2=1, D3=1, D4=1, D5=1 Port_serie_entrée D0 = 0 C_lamp C_slit D1=1|0 D0 = 0&C_scn Port_serie_sortie D4 = 0 Pause Lecture A0 Transmission D5 = 0 M_gauche_D3=0 D0 = 1 Fin M_droite_D2=0 Figure 22: Logigramme du programme à implémenter dans la carte Arduino Uno 33 3.3 L’interface graphique D’après le logigramme ci-dessus, le scanner attend trois caractères de commande au début de la manipulation. Le principe d’utilisation est énuméré cidessous. Le manipulateur effectue les opérations suivantes : 1. Il clique sur le bouton « nouvel analyse ». Ceci implique l’envoi de C_lamp. Le scanner allume la lampe sinon il attend C_lamp. 2. Il choisit la largeur de la fente entre deux boutons radio. Envoi de C_slit. A chaque échange de clic sur les boutons radio, l’état de D1 change. 3. Il clique sur le bouton « scan », ce qui lance le scanne et envoie C_scn, si C_lamp n’est pas encore reçue, le scan n’aura pas lieu. Il y a alors enregistrement des données et traitement des celles-ci. La représentation de l’interface utilisateur est visualisée en figure 22. Figure 23: Interface utilisateur 34 CHAPITRE 4 : DISCUSSION 4.1 : Sur le plan matériel Dans un précédent travail qui a fait l’objet d’un mémoire de Licence d’Ingénierie en Physique des Signaux et Système (LIPSS), la rénovation d’un intégrateur a été faite en 2012. Depuis, une amélioration a été faite sur ce même intégrateur portant sur la mise en œuvre de la carte Arduino, une seule carte intégrant le convertisseur analogique numérique, la transmission des données et le programme gérant le tout, alors que pour le précédent, deux modules ont été intégrés, le module convertisseur analogique-numérique et la carte microcontrôleur MCS51. Grace à cette amélioration, il est plus avantageux d’adopter l’utilisation de la carte Arduino qui offre : - un coût très faible - un temps de développement très court - une indépendance vis-à-vis du système d’exploitation (multi-plates-formes) - une liberté de circulation de codes et de plans L’acquisition exprimée, dans la partie déroulement du traitement, était l’utilisation d’un scanner de bureau. Effectivement Helena a déjà élaboré un scanner couplé avec un ordinateur ce qui implique une évolution performante en termes matérielle et logicielle. 4.2 : Sur le plan logiciel Sur les plans du logiciel, il nous faut encore demander le vrai besoin des manipulateurs et de savoir leur vraie attente. Il nous faut encore développer notre recherche sur l’utilisation ou la création de logiciel sur d’autres plateformes de développement en tant que promoteur dans le domaine du biomédical suivant de technologies existantes comme la création de l’application sur les smart phones. 4.3 : Comparaisons à d’autres recherches La comparaison possible que nous allons faire est sur les résultats. 35 Figure 24: Essai d’un profil électrophorétique normal (RAKOTONJAKA H. T.) Figure 25: Profil normal dans la publication de William E.Neeley La similarité des deux profils nous permet d’estimer la validité de notre travail et la possibilité de mise en concurrence sur le marché. 36 CONCLUSION L'électrophorèse est une technique utilisée en biologie pour séparer, caractériser et déterminer les concentrations des cinq principaux composants des protéines du sérum sanguin. Les spectres obtenus à partir des intensités lumineuses transmises ou émergentes des solutions sanguines analysées constituent les profils électrophorétiques. Ces profils ont servi d'éléments de base pour élaborer un modèle de spectre à l'aide d'une série de courbe de GAUSS. Les données des profils sont acquises à travers un intégrateur Flur-Vis Auto Scanner de Helena et acheminées vers un ordinateur pour produire les tracés graphiques. Un système à base d'Arduino a été conçu pour servir d'interface entre l'intégrateur et le PC. Ce système joue également le rôle de commandes mécaniques de l'Intégrateur et facilite le transfert des informations au PC. Les profils observés permettent de déterminer les paramètres fondamentaux des fonctions élémentaires de GAUSS: moyennes, variances. Nous avons mis à profit la méthode des moindres carrés pour linéariser la fonction de GAUSS et la descente du gradient pour l'optimisation des paramètres du modèle. Pour résoudre les difficultés de la traduction des méthodes analytiques en outils numériques, les méthodes algorithmiques itératives sont utilisées. Le modèle résolu à partir de ces techniques constitue notre profil d'électrophorèse normal, caractérisé par cinq couples définissant les composants protéiniques. Les rapports d'intensités fourniront les différentes concentrations. Après étalonnage, des coefficients de variation de ces paramètres, les résultats du modèle retenu constituent le profil de référence. Des essais en laboratoire ont permis par la suite d'ajuster ce profil et d'apporter quelques précisions. L’objectif de notre stage était de remettre en service l’intégrateur d’électrophorèse, les pièces de rechange n’étant plus disponibles sur le marché. En conclusion, le domaine électronique informatique d’aujourd’hui forme un concept indissociable, en étant chercheur adepte et pratiquant dans le domaine, une solution a été apportée au problème de maintenance biomédicale. Ensuite, l’offre ici produite pour SAÏNA SARL est la mise à disposition des théories applicables dans la résolution d’une panne d’intégrateur d’électrophorèse. Les résultats de l’expérimentation expliquent la performance. Ici, la décomposition en 37 plusieurs gaussiennes d’un profil électrophorétique par la méthode itérative fait partie de l’objet du génie biomédical. Aussi, l’absence de documents concernant le scanner intégrateur de Helena a été d’ultime intérêt, obligeant la compréhension du fonctionnement de l’appareillage pour une durée de temps relativement long pour l’ensemble du travail. Ceci explique le besoin d’une exécution de travail en parallèle. Toutefois, sans la formation acquise dans le Parcours MISEI au sein de la Mention Physique et Applications du Domaine Sciences et Technologie de la Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo, mes connaissances théoriques et pratiques ne m’auraient pas permis d’achever cette étude. Enfin, dans une perspective d’avenir, des recherches sur des résultats d’électrophorèse d’ADN, pour caractériser un individu ou un groupe d’individus. Et, la numérisation serra un codage spécifique pour alimenter une base de données biométriques. Un sujet concernant la « Bioinformatique » est donc envisagées. REFERENCES [1] AFDEL K, BANOUNI M, JOVER E et PALMARI J. (1998). Publication parue dans Traitement du Signal 1999 - Volume 16 - n°2 intitulé VALIDATION DE LA METHODE D'APROCHE D'ELECTROPHOREGRAMME PAR UNE SOMME DE GAUSSIENNE. Consulté le 05 04, 16:27, 2016, sur irevues: http://documents.irevues.inist.fr/ [2] CI, LABOUCHE. (1962). Publication parue dans Annales de biologie animale, biochimie, biophysique - hal 0089618 intitulé ESSAI D'UTILISATION D'UNE METHODE MATHEMATIQUE D'INTERPRETATION QUANTITATIVE DES SEPARATIONS ELECTROPHORETIQUES INCOMPLETES. Consulté le 05 04 - 16:15, 2016, sur Hal: https://hal.archives-ouvertes.fr/ [3] DE LORENZO, fabricant italien de matériel éducatif. (1951-2016). Article de presentation intitulé GENIE BIOMEDICAL. Consulté le 06 24, 14:50, 2016, sur delorenzo: www.delorenzo.it/ [4] E.NEELEY, WILLIAM. (1984). Publication parue dans Clinical Chemistry volume30 - n°5 intitulé DESING OF MICROCOMPUTER-BASED DENSITOMETER SYSTEM: APPLICATION TO SERUM PROTEIN ELECTROPHORESIS. Consulté le 03 17 - 11:35, 2016, sur pubs: http://pubs.acs.org/ [5] F, DIDIER. (15 au 19 mars 2010). Article du Séminaire des IREM et de la revue "Repère IREM" intitulé UNE METHODE POUR ELABORER DES ALGORITHMES ITERATIFS. Consulté le 06 24 - 16:08, 2016, sur irem: www.irem.univ-mrs.fr/ [6] LAURENT-DUHAMEL M-J, REISS R et JACQUIER R. (1969). Publication intitulé DECOMPOSITION D'UNE COURBE D'ABSORBTION OPTIQUE EN SES COMPOSANTE D'ALLURE GAUSSIENNE. Consulté le 05 04, 16:24, 2016, sur madarevues: https://madarevues.recherches.gov.mg/ [7] TSIVERY, RAKOTONJAKA HARIJAONA. (2012). Mémoire de fin d'etude intitulé RENOVATION D'UN INTEGRATEUR D'ELECTROPHORESE AUTOSCANNER DE HELENA LOGICIEL D'AQISITION, DE VISUALISATION ET DE TRAITEMENT DE DONNEES VIA MATLAB. 40 pages. ANNEXES Cahier de charge : - Etudier le fonctionnement d’un intégrateur d’électrophorèse modèle Auto Scanner FLUR-VIS de la marque HELENA. - Remettre éventuellement en état de marche la structure et les organes mécaniques de l’appareil ainsi que les composants effectuant la capture et la mesure des paramètres physique entrant dans la détermination des profils électrophorétiques. - Elaborer, au moins en termes de schémas et calculs théoriques, une chaîne de mesure en remplacement de celle de l’appareil composée encore de circuit de logique câblée et en plus obsolète. Le nouveau matériel sera du type programmable à microcontrôleur (µc), simplifiant la réalisation et faisant bénéficier d’une liaison numérique avec un ordinateur. - Elaborer un logiciel traitant le signal représentant le profil électrophorétique, donnant les résultats du patient et toutes autres informations susceptibles d’intéresser le médecin traitant ainsi que d’éventuels chercheurs du domaine de la santé. TITRE : Profil électrophorétique normal de référence. RESUME : La nécessité des technologies électroniques-informatiques actuelles est d’intérêt pour la promotion de la santé et de la médecine. La numérisation d’un résultat d’électrophorèse à partir d’un intégrateur Flur-Vis Auto scanner de Helena surmontée d’un Arduino sert de solution au manque de fabrication d’instrument de mesure. Tel est l’objet du Génie biomédical. L’expérimentation sur le matériel nous a menés à l’élaboration d’un profil électrophorètique normal servant de référence pour l’analyse de protéines sanguines. Une ingénierie biomédicale est au service du développement humain, et celui de la Nation. Mots-clés : Algorithme, Gaussienne, Microcontrôleur, Optimisation, Numérique. ABSTRACT: The necessity of electro-computing technologies is very important for the health and medical promotion. Digitizations of an electrophoresis result from an Helena’s Flur-Vis Auto scanner integrator, which had one Arduino, help to solve the lack of manufacturing measuring tool. This is the purpose of Biomedical Engineering. The experimentation of this equipment led us to the conception of a normal electrophoretic profile which a reference for the analysis of blood proteins. A biomedical engineering which serves human development and the nation. Keywords: Algorithm, Gaussian, Microcontroller, Optimization, Digital. Encadreur Pédagogique Impétrant : RAKOTONJAKA Harijaona Tsivery RAZANAMANAMPISOA Tel : +26133 19 511 44 Harimalala E-mail : [email protected] Maître de Conférences Adresse : IIV 138 bis Ampandrana Besarety