Assistance à l'interaction Homme-Molécule in virtuo: application au chromosome

Informations générales
Nom
Essabbah
Prénom
Mouna
Diplôme
Thèse
Année
2010
Détails de la thèse/HDR
Jury
Jacques Tisseau
Catherine Etchebest
Christine Froidevaux
Directeur (pour les thèses)
Joan Hérisson
Samir Otmane
Malik Mallem
Résumé en français
L'une des finalités de la Biologie Moléculaire (BM) est l'étude de l'architecture spatiale (ie. structure 3D) des molécules. Les expérimentations in silico (ie. simulations numériques) permettant la modélisation 3D utilisent le plus souvent des approches automatiques. Or, ces approches présentent certains inconvénients: temps de traitement important, modélisation souvent partielle, modèle 3D généralement figé, etc. L'apport des connaissances des experts, de manière interactive, pendant le processus de modélisation automatique peut pallier certains défauts des méthodes calculatoires usuelles. Il s'agit de placer le biologiste au centre des essais virtuels plutôt qu'en observateur de résultats de simulations. C'est ce que nous appelons l'approche hybride, qui associe les avantages des expérimentations in silico (capacité de calcul) à ceux des Interactions Homme-Machine (IHM) et de la Réalité Virtuelle (RV) : commande naturelle, immersion dans l'environnement virtuel (EV), multimodalité, etc. Le résultat de cette approche est la création d'analyses in virtuo, qui comportent trois phases fondamentales: la modélisation 3D, la visualisation et l'interaction 3D (I3D). Cependant, des domaines complexes tels que la BM sont régis par un ensemble de contraintes qui peuvent être locales (liées aux objets 3D ou aux tâches d'I3D) et globales (liées à l'espace des objets 3D ou au système d'I3D). Par conséquent, l'intervention des experts ne peut pas être réalisée efficacement par des techniques d'I3D classiques, indépendantes de la complexité et des contraintes du domaine. Plus généralement, nous sommes confrontés au problème innovant de l’I3D sous contraintes qui intègre les règles de comportement imposées par l'EV. Pour y répondre, nous formalisons un modèle d'assistance qui associe les contraintes, les tâches d'interaction et des outils d'assistance que sont les guides virtuels. Nous avons appliqué ces deux concepts, d'approche hybride et d'assistance à l'I3D sous contraintes, au problème de la modélisation 3D du chromosome. Les contraintes identifiées sont ici architecturales (ie. données physico-chimiques) et fonctionnelles (ie. modèles biologiques). Ces contraintes issues des lois de la Biologie imposent l'ordonnancement spatial du chromosome. Le système d'interaction Hommme-Molécule in virtuo proposé peut être considéré plus crédible puisqu'il respecte les contraintes environnementales, tant au niveau de la structure 3D qu'au niveau de l'I3D.
 
One of the aims of Molecular Biology (MB) is the study of the molecules' 3D structure. In silico experiments (ie. computing simulations) for 3D modeling usually use automatic approaches. However, these approaches have limits: important computing time, local modeling, 3D model generally fixed, etc. The contribution of expert knowledge, interactively during the automatic modeling process, can overcome some limits of the usual computational methods. It involves placing the biologist in the center of virtual experiments, rather than an observer of automatic simulation results. This is what we call hybrid approach, that combines the advantages of in silico experiments and those of Human-Computer Interaction (HCI) and Virtual Reality (VR): natural interaction, immersion in the virtual environment (VE), multimodality, etc. The result of this approach is the creation of in virtuo experiments which has three components: the 3D modeling, the visualization and the 3D interaction (3DI). However, complex domains such as MB are governed by several constraints that may be local (linked to 3D objects or 3DI techniques) or global (linked to virtual environment or to the 3DI system). Therefore, experts intervention can not be efficiently realized by conventional 3DI techniques, without taking into account the domain complexity (ie. constraints). More generally, we are confronted to the problem of constrained 3DI which includes behavior rules imposed by the VE. The solution we propose is an assistance model that associates constraints, interaction task and assistance tools. The assistance tools are Virtual Fixtures. We applied these two concepts, hybrid approach and assistance model, to the chromosome 3D modeling. The identified constraints are architectural (ie. physico-chemical data) and functional (ie. biological models). These biological constraints dictate the chromosome spatial organization. The in virtuo Human-Molecule interaction system can be considered more credible because it respects the environment constraints, both in the 3D structure and at the level of 3DI.