Applicateurs destinés aux études d’effets biologiques des ondes électromagnétiques sub-nanosecondes

par Mathieu Croizer

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Joël Andrieu, Philippe Lévêque et de Lluis Maria Mir.

Soutenue le 14-12-2015

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Christophe Nallatamby.

Le jury était composé de Joël Andrieu, Lluis Maria Mir, Marc Jouvet, Laurent Pécastaing, René Vezinet.

Les rapporteurs étaient Marc Hélier, Françoise Paladian.


  • Résumé

    Depuis les années 1960, les scientifiques se sont intéressés à l’étude d’effets biologiques provoqués par des champs électromagnétiques impulsionnels. Les premiers effets ont été observés avec des impulsions dont la durée va de quelques microsecondes à quelques millisecondes. Ce phénomène, appelé électroporation, est de nos jours utilisé dans des thérapies anticancéreuses appelées électrochimiothérapies. Les études en laboratoires avec des impulsions ont continuées, mais avec des impulsions de plus en plus courtes, notamment des impulsions pouvant atteindre une durée de quelques centaines de picosecondes avec des amplitudes de forts niveaux (100MV/m). Ces études sont encore émergentes et nécessitent d’être poursuivies, mais pour cela, il est nécessaire de concevoir des moyens d’expérimentations électromagnétiques fiables. Ce travail de thèse consistait à concevoir deux applicateurs de champ électrique : un applicateur in vitro, dans le but d’illuminer des cellules contenues dans des éprouvettes et un applicateur in vivo dans le but de prévoir de futures thérapies non invasives pour le patient. Pour l’applicateur in vitro, les différents résultats obtenus en simulations et expérimentalement sont très encourageant et montrent qu’il est déjà possible d’effectuer des expérimentations biologiques avec. Pour l’applicateur in vivo, qui s’agit de l’antenne PSIRA initialement développée par C. E. Baum, plusieurs problématiques ont été soulevées. Tout d’abord, il a été montré que les tissus biologiques tels que la peau où les muscles ont des permittivités relatives élevées et de fortes pertes pour des fréquences de l’ordre de quelques GHz et au-delà. Afin de maximiser la pénétration de champ électrique à l’intérieur de ces tissus, il a été décidé d’immerger l’antenne dans un milieu de forte permittivité, tels que la glycérine et l’eau. Ces liquides possèdent également des pertes diélectriques non négligeables. Ces pertes ont un fort impact négatif sur les performances de l’antenne. Pour rendre ce système opérationnel plusieurs modifications doivent être opérées, notamment en changeant le milieu d’immersion par un milieu sans pertes.

  • Titre traduit

    Applicators destined for the studies biological effects of electrical waves subnanoseconds


  • Résumé

    Since the years 1960, scientists have been interested to the study of biologic effects caused by pulsed electrical fields. The first effects were obtained with microseconds pulses and milliseconds pulses. This phenomenon has been called electroporation and it’s used in anticancerous therapies called electrochimiotherapies. Laboratory studies are continuing, but with shorter pulses like high level subnanoseconds pulses (100MV/m). These studies are emerging and must be pursued, but it’s necessary to design reliable electromagnetic systems. The goal of this thesis was to design two electrical field applicators: an in vitro applicator, to illuminate biologic cells contained in test tube and an in vivo applicator to predict future non invasive therapies. For the in vitro applicator, simulations and experimental results are very encouraging and biological experimentations would be possible with this system. For the applicator in vivo, which is the PSIRA antenna designed par C. E. Baum, many problems are highlighted. First, biological tissues like skin and muscle have high permittivity and high dielectric losses with frequencies in the order of GHz and behind. To maximize electric field penetration in these backgrounds it was decided to submerge the antenna in high permittivity background too, like glycerin and water. These liquids have high dielectric losses which have a strong negative impact on the antenna performances. To make this system operational, some modifications must be done, like changing the actual background with a no losses background.


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