Robotic manipulation and characterization of biological micro-samples

Manipulation et caractérisation robotisées (assistées et automatisées) des micro-échantillons biologiques Les progrès récents dans l'automatisation de la manipulation et de la micro-injection des embryons de poisson-zèbre ont considérablement amélioré la recherche en génétique, en biologie du développement et en tests de médicaments. Le poisson-zèbre est très prisé dans les études scientifiques en raison de sa similarité génétique avec l'homme, de sa transparence et de sa croissance rapide. Cependant, les méthodes manuelles traditionnelles de manipulation, d'injection de substances dans les embryons et de suivi de leur développement nécessitent beaucoup de travail, sont sujettes à l'erreur humaine et peuvent entraîner des résultats incohérents. L'automatisation est donc essentielle pour améliorer la reproductibilité et l'efficacité de la recherche. Cette thèse identifie les défis de la manipulation manuelle des embryons, en soulignant des problèmes tels que l'erreur humaine, la variabilité et l'évolutivité limitée. Elle explore les technologies robotiques et microfluidiques actuelles et suggère des améliorations par l'intégration de la vision par ordinateur (imagerie numérique pour analyser l'état des embryons), de la détection de force (détection de la pression lors de l'injection) et de l'apprentissage automatique (algorithmes informatiques qui apprennent à partir des données pour améliorer les performances). Les processus actuels de préparation des embryons, tels que le tri et le positionnement, nécessitent généralement une intervention manuelle importante. La microinjection, qui consiste à injecter des substances dans les embryons, utilise désormais fréquemment des systèmes d'asservissement visuel, qui utilisent des caméras et le DL pour fournir un retour d'information en temps réel afin de positionner précisément l'aiguille. Ce système est optimisé par l'intégration de capteurs de force, garantissant que l'aiguille applique la pression adéquate sans endommager les embryons., maintenir une profondeur et un volume d'injection constants reste un défi. Cette thèse contribue au développement de systèmes automatisés utilisant des technologies récentes :- Un modèle YOLOv8 intégré à un système microfluidique, classant les embryons en trois catégories : Stade 1 (développement précoce), Avancé (développement avancé) et Mort. Ce système a atteint une précision de 97,6 % et une efficacité de tri comprise entre 88,13 % et 96,6 %, selon le type d'embryon. Il a trié les embryons avec douceur et rapidité, en seulement 2,92 secondes par embryon en moyenne, offrant une alternative pratique et abordable aux méthodes robotisées et de tri cellulaire plus coûteuses.- Un système de microinjection avancé a également été développé avec YOLOv8 pour aligner précisément l'aiguille sur l'embryon. Un algorithme de forêt aléatoire (technique d'apprentissage automatique) a analysé le retour de force en temps réel afin d'éviter une pression excessive. Un profil de vitesse d'injection spécifique (trajectoire polynomiale du troisième ordre) a significativement réduit les dommages embryonnaires par rapport aux injections traditionnelles à vitesse constante. De plus, la thèse a présenté un « rotiféromètre », un système automatisé conçu pour quantifier efficacement les rotifères (petits organismes aquatiques souvent utilisés en aquaculture et dans la nourriture des larves). Ce système, utilisant YOLOv8, a permis de classer précisément les rotifères en deux groupes : gravides (portant des œufs) et non gravides. Il a atteint un taux de précision élevé (94,7 %) et a considérablement réduit le temps de comptage par rapport aux méthodes manuelles. Des tests de validation ont confirmé la précision, la cohérence et la capacité du rotiféromètre à surveiller les populations de rotifères sur de longues périodes.