Contribution au développement et à la caractérisation d’applicateurs pour les études bioélectromagnétiques portant sur les ondes radiofréquences et les impulsions électriques nanosecondes de haute intensité

Contribution to the development and characterization of delivery device s for bioelectromagnetic studies on radiofrequency waves and intense nanosecond pulsed electric fields

• Auteur / Autrice : Malak Soueid
• Direction : Philippe Lévêque, Liliana-Délia Arnaud-Cormos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 09/11/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lévêque, Liliana-Délia Arnaud-Cormos, Benoît Derat, Catherine Yardin, Rodney O'Connor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Hugues Paillol, Noëlle Lewis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes électromagnétiques

Ondes électromagnétiques

Électromagnétisme -- Effets physiologiques

Ondes électromagnétiques

Ondes électromagnétiques

Mots clés libres

Bioélectromagnétisme

Hyperthermie

Champs électriques pulsés nanosecondes (nsPEFs)

Système d’exposition

Électroporation

Bioelectromagnetism

Hyperthermia

Nanosecond pulsed electric fields (nsPEFs)

Exposure system

Electroporation

Résumé

Dans cette thèse, nous proposons et étudions des systèmes d’exposition en vue d’explorer les effets biologiques sanitaire et thérapeutique des ondes électromagnétiques sur le vivant. Nous proposons une antenne micro-onde pour l’ablation thermique des tumeurs cancéreuses du foie à 2.45 GHz. Son originalité réside en ses dimensions miniatures et la possibilité de l’insérer dans le foie par voie endoscopique. Pour cette antenne, un débit d’absorption spécifique (DAS) supérieur à 50 W/kg/W inc a montré une zone exposée de 1-cm de diamètre. Nous proposons ensuite une cellule transverse électromagnétique (TEM) avec une ouverture fermée par un matériau transparent conducteur l’Indium tin oxyde (ITO). Cette cellule TEM peut être utilisée pour évaluer les effets sanitaires potentiels des signaux de télécommunications sans fils. Ce système permet l’observation microscopique en temps réel du milieu biologique exposé, à travers son ouverture fermée par l’ITO. L’influence de la présence de l’ouverture et de la couche d’ITO sur le DAS dans le milieu exposé a été évaluée. Les valeurs du DAS obtenues à 1.8 GHz dans le milieu exposé dans la cellule TEM avec l'ouverture fermée ou non par l’ITO étaient de 1.1 W/kg/W inc et 23.6 W/kg/W inc, respectivement. Une excellence homogénéité du DAS a été obtenue dans le milieu en présence de l’ITO. Enfin, nous proposons plusieurs dispositifs spécifiques pour l’exposition des cellules biologiques aux champs électriques pulsés nanosecondes de haute intensité (nsPEFs). Les effets biologiques des nsPEFs sont utilisés pour des applications dans le domaine médical et en biotechnologie. Nous proposons deux dispositifs à électrodes en contact direct avec le milieu biologique et trois dispositifs à électrodes isolées. Nous démontrons l’adaptation de ces dispositifs aux impulsions courtes de durée 3-ns et la capacité de ceux à électrodes en contact à fournir des champs intenses de l’ordre de quelques MV/m. Nous illustrons aussi l’importance des dispositifs isolés pour délivrer des impulsions ultracourtes.

In this thesis, we propose and study exposure systems to explore healthy and therapeutic biological effects of EM signals. We propose a microwave antenna for thermal ablation of liver tumors at 2.45 GHz. Its original feature consists in its reduced dimensions that permits the endoscopic insertion in the zone to be treated. For this antenna, a specific absorption rate (SAR) greater than 50 W/kg/W inc showed an exposed zone of 1-cm diameter. We propose a transverse electromagnetic cell (TEM) with an aperture sealed with a transparent conducting material Indium tin oxide (ITO).This TEM cell can be used to study the potential effects of wireless communication systems on biological cells. This delivery device allows real-time observation of biological cells during exposure across the aperture sealed with ITO. The effect of the aperture and the ITO layer presence on the SAR in the exposed sample was evaluated. The SAR values obtained at 1.8 GHz in the sample exposed in the TEM cell with the sealed or non-sealed aperture of 20-mm diameter were 1.1 W/kg/W inc and 23.6 W/kg/W inc, respectively. An excellent homogeneity of SAR was achieved in the medium in the presenceof ITO. Finally, we propose several devices for the exposure of biological medium to nanosecond pulsed electric field with high intensity (nsPEFs). The biological effect of nsPEFs are used in biotechnology and medicine. We propose two devices with electrodes in direct contact with the biological medium and three devices with isolated electrodes. We demonstrate their adaptation for 3-ns duration pulses and the suitability of those with electrodes in contactwith the biological medium to provide high intensities fields in the order of several MV/m. We demonstrate the importance of the isolated devices for delivering ultrashort pulses.