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Université de Limoges École Doctorale Sciences et Ingénierie pour l’Information

Université de Limoges École Doctorale Sciences et Ingénierie pour l’Information, Mathématiques (ED 521) Faculté des Sciences et Techniques - XLIM Equipe BioEM Thèse pour obtenir le grade de Docteur de l’Université de Limoges Discipline : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes Présentée et soutenue par Malak SOUEID Le 9 novembre 2016 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 Thèse dirigée par Philippe LEVEQUE et co-dirigée par Delia ARNAUD-CORMOS Thèse de doctorat JURY : Rapporteurs : Mme Noëlle Lewis M. Jean PAILLOL Examinateurs : M. Benoit Derat M. Rodney O’Connor Mme Catherine Yardin Encadrants : Mme Delia ARNAUD-CORMOS M. Philippe LEVEQUE Professeur des Universités Université de Bordeaux – IMS UMR 5218, groupe Bioélectronique, équipe Elibio Professeur des Universités UPPA - Université de Pau et des Pays de l’Adour – SIAME-IPRA, Pau Docteur – Ingénieur, Président de ART-FI Enseignant – Chercheur Ecoles des Mines de Saint-Etienne Professeur des Universités – Praticien Hospitalier Services d’Histologie, Cytologie et Cytogénétique – CHU Dupuytren, Limoges Maitre de conférences HDR XLIM CNRS – Université de Limoges, Limoges Directeur de recherche CNRS XLIM CNRS – Université de Limoges, Limoges Remerciements Dans le cadre de mes trois années de thèse, je souhaiterais tout d’abord remercier M. Philippe Lévêque et Mme Delia Arnaud-Cormos, respectivement directeur de recherche au CNRS et maître de conférence, pour m’avoir accueillie au sein leur équipe « Bioélectromagnétique » de l’institut de recherche XLIM. J’ai eu le grand plaisir de travailler avec vous tout au long de cette thèse et je vous remercie fortement pour votre encadrement plein d’humanité, votre patience et vos conseils précieux et avisés. Aussi je remercie Madame Nadine AYMARD la secrétaire de notre équipe. J’adresse également mes sincères remerciements à Mme. Catherine Yardin, Professeur à l’Université de Limoges, pour l’honneur qu’elle m’a fait en acceptant de présider le jury de cette thèse. Mes sincères remerciements à Mme. Noëlle Lewis Et M. Jean Paillol, respectivement professeur des universités à l’université de Bordeaux et professeur des universités à l’université de Pau et des Pays de l’Adour, pour avoir accepté d’être rapporteur de mes travaux. Pareillement, je remercie chaleureusement M. Benoit Derat, ingénieur et président de l’entreprise ART-FI et M. Rodney O’Connor, enseignant - chercheur aux Ecoles des Mines de Saint-Etienne, pour leur participation au jury en tant qu’examinateur. Un grand merci à mes collègues d’équipe : Martinus, Lynn, Sabrina, Ryan et Sylvia. Vous êtes géniaux ! ! Et bien sûr, j’adresse mes plus sincères remerciements à tous mes amis de Limoges Fattoum, Karkoura, Nathalie, Abed, Ahmad Haidar, Ali El Hajj, Karim, Oussama, Youssef et Houssam. Un merci qui tend vers l'infini et même plus pour Rim, Abir, Ghaydaa, Nourredine, Ahmad, Kassem, Hamed et Ali Sabra. Amis pour la vie ♫. Bonheur de ma vie ♥. Merci pour votre soutien quotidien indéfectible malgré les centaines++ de kilomètres qui nous séparent. Abir et Kassem vous m’avaient tout simplement faciliter la vie ! Et je ne t’oublierais pas mon bébé d’amour kok pour toute la joie que tu as toujours semée dans mon cœur. Pour finir, un GRAND GRAND merci à ma famille ! Merci maman et papa pour toutes les valeurs que vous m’avez transmises :). Mille Merci Khalil, Mohamed, Nour, Mayssa et ma khalto préférée Zeinab. Et je ne terminerais pas sans un clin d’oeil tout spécial à mon frère Hamoudi, ma sœurette Zaza, et à mon petit frère Yassinooo : je vous aime ! ♥ Malak SOUEID | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2016 5 Table des matières Introduction générale ................................................................................................................ 25 Chapitre I. Contexte de l’étude ................................................................................................ 31 I.1. Introduction .................................................................................................................... 31 I.3. La cellule biologique ...................................................................................................... 34 I.3.1. Description du point de vue biologique ................................................................... 34 I.3.2. Description du point de vue électrique .................................................................... 34 I.4. Interaction d’une onde électromagnétique avec le vivant .............................................. 36 I.4.1. Effet thermique ........................................................................................................ 36 I.4.1.1 Débit d’absorption spécifique ............................................................................ 37 I.4.2. Applications thérapeutiques de l’effet thermique : Ablation thermique ................. 38 I.4.2.1 Ablation radiofréquence ..................................................................................... 38 I.4.2.2 Ablation micro-onde .......................................................................................... 39 I.4.2.3 Avantages de l’ablation micro-onde .................................................................. 40 I.4.3. Effet athermique : effets potentiels sanitaires des signaux de télécommunications sans fils .............................................................................................................................. 42 I.4.4. Conclusion ............................................................................................................... 43 I.5. Interaction d’un champ électrique pulsé avec le vivant ................................................. 44 I.5.1. L’impulsion électrique ............................................................................................. 44 I.5.2. Effets biologiques d’un champ électrique pulsé sur les cellules biologiques .......... 46 I.5.2.1 Effets biologiques des impulsions longues ........................................................ 46 I.5.2.1.1. Electroporation classique ........................................................................... 46 I.5.2.1.2. Applications de l’électroporation classique ............................................... 47 I.5.2.2 Effets biologiques des impulsions plus courtes ................................................. 48 Nanoporation ............................................................................................................. 48 I.5.3. Conclusion ............................................................................................................... 48 I.6. Les systèmes d’exposition .............................................................................................. 50 I.6.1. Système d’ablation micro-onde ............................................................................... 51 I.6.1.1 Antennes d’ablation micro-onde ........................................................................ 52 I.6.1.1.1. Antennes d’ablation par voie percutanée (non endoscopique) ................... 53 Antenne coaxiale à fentes ................................................................................... 53 Antenne coaxiale monopolaire ........................................................................... 55 Antenne coaxiale à bobine d’arrêt (Choked sleeve antenna) ............................. 56 I.6.1.1.2. Antenne d’ablation par voie endoscopique ................................................ 57 I.6.1.2 Conclusion ......................................................................................................... 59 I.6.2. Système d’exposition aux radiofréquences ............................................................. 60 I.6.2.1 Exigences fondamentales pour les systèmes d’exposition RF ........................... 61 Malak SOUEID | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2016 6 I.6.2.1.1. Exigences électromagnétiques ................................................................... 61 I.6.2.1.2. Exigences biologiques ................................................................................ 62 I.6.2.1.3. Autres exigences ........................................................................................ 63 I.6.3. Classification des systèmes d’exposition RF ........................................................... 63 I.6.3.1 Bilan des Systèmes d’exposition in vitro ........................................................... 64 I.6.3.1.1. Systèmes propagatifs .................................................................................. 64 I.6.3.1.2. Systèmes résonants ..................................................................................... 66 I.6.3.1.3. Systèmes radiatifs ....................................................................................... 66 I.6.3.1.4. Systèmes d’exposition in vitro « temps réel » ............................................ 67 Guide d’onde coplanaire .................................................................................... 68 Guide d’onde rectangulaire ................................................................................ 69 Cellule transverse électromagnétique ................................................................. 70 I.6.3.2 Conclusion ......................................................................................................... 72 I.6.4. Système d’exposition aux nsPEFs ........................................................................... 73 I.6.4.1 Applicateurs nsPEFs .......................................................................................... 74 I.6.4.1.1. Les applicateurs avec contact électrodes/milieu biologique ...................... 74 Applicateurs pour exposer un grand nombre de cellules ................................... 74 Cuvette biologique .......................................................................................... 74 Système à aiguilles pour l’exposition d’une suspension cellulaire ................ 75 Applicateurs pour exposer un petit nombre de cellules ..................................... 76 Microsystème à aguilles pour l’exposition d’une seule cellule ...................... 76 Microchambre à électrodes filaires ................................................................. 77 Système microfluidique .................................................................................. 77 I.6.4.1.2. Les applicateurs sans contact électrodes/milieu biologique ....................... 79 Antenne ultra-large bande .................................................................................. 79 Cellule TEM ouverte .......................................................................................... 80 I.6.4.2 Conclusion ......................................................................................................... 81 I.7. Conclusion du chapitre ................................................................................................... 82 Chapitre II. Systèmes d’exposition : applications RF temps réel et AMW ............................. 87 II.1. Introduction ................................................................................................................... 87 II.2. Caractérisation expérimentale et numérique d’un dispositif spécifique pour l’ablation micro-onde à 2.45 GHz ........................................................................................................ 88 II.2.1. Caractéristiques d’une antenne micro-onde ........................................................... 88 II.2.2. Géométrie de l’antenne triaxiale ............................................................................ 89 II.2.3. Caractérisation électromagnétique de l’antenne triaxiale ...................................... 90 II.2.3.1 Logiciel de simulation numérique .................................................................... 91 Malak SOUEID | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2016 7 II.2.3.2 Modélisation numérique de l’antenne triaxiale ................................................ 91 II.2.3.3 Caractérisation fréquentielle ............................................................................. 92 II.2.3.3.1. Coefficient de réflexion S11 ...................................................................... 92 II.2.3.3.2. Débit d’absorption spécifique DAS .......................................................... 93 Evaluation numérique du DAS : distribution spatiale ........................................ 94 Evaluation expérimentale du DAS ..................................................................... 95 II.2.4. Conclusion .............................................................................................................. 97 II.3. Caractérisation expérimentale et numérique d’un système pour l’exposition en temps réel ........................................................................................................................................ 99 II.3.1. Problématique d’exposition en temps réel ............................................................. 99 II.3.2. Présentation de la cellule TEM .............................................................................. 99 II.3.3. Caractéristiques de l’ITO ..................................................................................... 101 II.3.4. Modification de la cellule TEM ........................................................................... 101 II.3.5. Caractérisation électromagnétique de la cellule TEM modifiée .......................... 102 II.3.5.1 Adaptation de la cellule TEM ......................................................................... 102 II.3.5.1.1. Mesures des paramètres Sij ..................................................................... 102 II.3.5.1.2. Impédance d’entrée ................................................................................. 106 II.3.6. Débit d’absorption spécifique (DAS) ................................................................... 107 II.3.6.1 Evaluation numérique du DAS ....................................................................... 107 II.3.6.1.1. Modélisation de la cellule TEM .............................................................. 107 II.3.6.1.2. Influence de l’ouverture et de l’ITO sur le DAS .................................... 109 Distribution spatiale du DAS ........................................................................... 110 DAS local ......................................................................................................... 111 Etude paramétrique du DAS ............................................................................ 112 II.3.6.2 Evaluation expérimental du DAS ................................................................... 116 II.3.6.2.1. Montage expérimental de mesure du DAS ............................................. 117 II.3.6.2.2. Préparation de la cellule TEM avec la couche d'ITO ............................. 117 Mesure de la résistance carrée de la couche d'ITO .......................................... 120 Recuisson de la cellule TEM avec la couche d'ITO ......................................... 121 II.3.6.3 Dosimétrie expérimentale ............................................................................... 123 II.3.6.3.1. DAS Local .............................................................................................. 123 II.3.6.3.2. Evaluation de l’homogénéité du DAS .................................................... 125 II.3.7. Transparence optique de l’ITO ............................................................................ 126 II.3.7.1 Préparation de l'échantillon biologique et microscopie à fluorescence .......... 126 II.3.7.2 Imagerie cellulaire par microscopie à fluorescence en temps réel ................. 127 II.3.8. Conclusion ............................................................................................................ 128 Malak SOUEID | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2016 8 II.4. Conclusion du chapitre ............................................................................................... 130 Chapitre III. Les applicateurs d’impulsions avec contact ...................................................... 133 III.1. Introduction ............................................................................................................... 133 III.2. Caractéristiques d’un applicateur biologique nsPEFs ............................................... 133 III.3. Les applicateurs d’impulsions avec contact électrodes/milieu biologique ................ 137 III.3.1. La cuvette biologique standard ........................................................................... 137 III.3.1.1 Géométrie de la cuvette biologique modifiée ............................................... 139 III.3.1.2 Caractérisation fréquentielle expérimentale .................................................. 141 III.3.1.2.1. Impédance théorique de la cuvette biologique ...................................... 141 III.3.1.2.2. Préparation des cuvettes biologiques modifiées .................................... 142 III.3.1.2.3. Coefficient de réflexion mesuré ............................................................ 143 III.3.1.2.4. Impédance d’entrée mesurée ................................................................. 145 III.3.1.2.5. Cuvette modifiée de distance inter-électrodes de 4 mm avec une uploads/Litterature/ these-doctorat.pdf