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

Généralités sur les ondes électromagnétiques et leurs applications

   Avant toute chose, il est primordial de définir ce qu’est une onde électromagnétique. De manière générale, une onde correspond à la propagation d’une perturbation, modifiant ainsi de manière réversible les propriétés physiques locales d’un milieu quelconque. Elle se propage à une vitesse déterminée qui dépend des caractéristiques du milieu de propagation. Sa particularité est de pouvoir transporter de l’énergie sans transport de matière.  L’exemple le plus commun et le plus visuel, est la perturbation que provoque un objet lorsqu’il est plongé dans l’eau. Dans cette situation, l’onde se matérialise par la formation de plusieurs vaguelettes circulaires autour de la zone d’immersion. Ces vaguelettes se propagent dans l’eau à une certaine vitesse et s’agrandissent. Le déplacement de ces vaguelettes transporte de l’énergie mécanique. Les ondes sont de différentes natures : elles peuvent être acoustiques, mécaniques ou électromagnétiques. Une onde électromagnétique est constituée d’un champ électrique et d’un champ magnétique. Un champ électrique caractérise l’influence à distance d’une charge électrique statique sur une autre. Le champ magnétique, traduit quant à lui, l’influence d’une charge électrique en mouvement sur une autre. Une onde électromagnétique traduit donc la variation dans l’espace et dans le temps d’un champ électrique et d’un champ magnétique provenant d’une source et elle est généralement présentée comme étant un phénomène oscillatoire. Comme tout phénomène oscillatoire, une onde électromagnétique est caractérisée par sa fréquence, qui est le nombre d’oscillations par seconde (mesurée en Hertz). L’onde électromagnétique est caractérisée aussi par sa longueur d’onde λ qui dépend de son milieu de propagation. Il s’agit de la distance, exprimée en mètres, entre deux maxima consécutif du champ électromagnétique.

Les rayonnements ionisants

   Les rayonnements ionisants correspondent à la catégorie des rayonnements électromagnétiques les plus énergétiques. Ils concernent les ultra-violets, les rayons X et les rayons gamma. Ces rayonnements sont très nocifs pour l’homme, mais ils sont tout de même utilisés dans différents domaines. Les ultra-violets, ou encore UV sont générés naturellement par le soleil et sont nécessaires à notre développement à faibles doses. À fortes doses, ils sont nocifs. Les UV peuvent être créés artificiellement et sont utilisés dans différents domaines. L’application des UV la plus connue est la cabine de bronzage. Les rayons X sont aussi nocifs à fortes doses, mais ils ont aussi plusieurs applications. Par exemple, les rayons X sont utilisés en médecine, à faibles doses, afin de radiographier le squelette d’humains ou d’animaux. Ils sont aussi utilisés par les douanes, afin de détecter l’importation d’objets suspects, tels que des armes ou encore de la drogue. Les rayons gammas ont les mêmes effets que les rayons X. Ils sont surtouts utilisés dans la stérilisation d’objets.

Une cellule biologique, qu’est ce que c’est ?

   En biologie, la cellule est définie comme étant l’unité fondamentale du vivant. Cette entité est capable de remplir toute les fonctions de tous les organismes vivants, comme le métabolisme, le mouvement, la croissance, la reproduction, etc. Une cellule est donc une entité vivante dont le fonctionnement est autonome mais coordonné avec les autres cellules d’un même organisme. Il existe deux types de cellules biologiques : les cellules eucaryotes et les cellules procaryotes. Les cellules eucaryotes possèdent un noyau et l’emplacement du matériel génétique (le noyau de la cellules) est délimité par une structure membranaire. Les cellules procaryotes ont leur propre matériel génétique libre et ne possèdent pas de noyau.Les cellules eucaryotes sont constituées de plusieurs éléments. Tout d’abord, la membrane plasmique qui délimite la cellule et sépare le milieu extracellulaire du cytoplasme. Le cytoplasme correspond au milieu intracellulaire dans lequel les organelles, qui correspondent aux différentes composantes du milieu intracellulaire, sont en suspension.

L’électroperméabilisation (ou électroporation) de la membrane plasmique

  Vers la fin des années 70, plusieurs équipes de chercheurs ont mis en évidence une propriété très intéressante des cellules biologiques lorsqu’un champ électrique est appliqué à leur environnement. En effet, les travaux de Crowley[4], ainsi que ceux de Neumann[5][6] et de Zimmerman [7][8], ont montré que des impulsions électriques d’une durée de quelques millisecondes ou quelques microsecondes, ayant des amplitudes crêtes de l’ordre de quelques kV/m, modifiaient la structure de la membrane plasmique, augmentant ainsi sa perméabilité. Ce phénomène a été appelé par la suite électroporation, ou électroperméabilisation, de la membrane. Cet effet sur la membrane est très intéressant pour des applications industrielles, notamment la  pasteurisation des aliments [9][10]. Ce phénomène a trouvé aussi un fort intérêt médical, notamment en Europe où des études ont été menées afin de mieux comprendre le phénomène d’électroporation. Il est possible de citer les études menées par J. Teissié et M. P. Rolls de l’Institut de Pharmacologie et de Biologie Structurale (IPBS, Toulouse)[11][12], Lluis Mir [13] du CNRS à l’Institut Gustave Roussy (IGR, Villejuif) et D. Miklavci[14][15]. Suite à cela, différentes études ont été menées dans le but de concevoir des thérapies cancéreuses. Ces nouvelles thérapies, appelées électrochimiothérapie, ont été surtout développé par L. M. Mir[13][14][15][16], G. Sersa[14] à l’institut d’Oncologie de Ljubljana et J. Gehl du département d’Oncologie de l’hôpital Herlev à Copenhague [16]. Il existe d’autres applications utilisant cette propriété, comme celles visant à effectuer le transfert de gènes, ou plus généralement d’acides nucléiques, dans les cellules procaryotes ou eucaryotes[6].

Table des matières

Introduction
Chapitre I. Contexte et état des connaissances sur les effets des ondes électromagnétiques sur le vivant
I.1. Introduction
I.2. Généralités sur les ondes électromagnétiques et leurs applications
I.2.1. Les rayonnements non ionisant
I.2.1.1 Les très basses fréquences
I.2.1.2 Les ondes radio et les micro-ondes
I.2.1.3 Le rayonnement infrarouge
I.2.1.4 Le rayonnement lumineux
I.2.2. Les rayonnements ionisants
I.2.3. Utilisation des ondes électromagnétiques dans le domaine médical
I.2.4. Conclusion
I.3. Quelques notions sur la cellule biologique
I.3.1. Une cellule biologique, qu’est ce que c’est ?
I.3.2. La membrane plasmique
I.3.3. Les organelles
I.3.4. Conclusions
I.4. Interactions des impulsions électriques sur le vivant
I.4.1. L’électroperméabilisation (ou électroporation) de la membrane plasmique
I.4.1.1 Mécanismes de base de l’électroperméabilisation
I.4.1.2 Caractéristiques électriques de l’électroperméabilisation
I.4.1.2.1. Les différents potentiels électriques d’une membrane cytoplasmique
I.4.1.2.2. Le potentiel transmembranaire induit
I.4.1.3 Applications utilisant le phénomène d’électroperméabilisation
I.4.1.3.1. Traitements anticancéreux
I.4.1.3.2. Transfection génique
I.4.1.3.3. Applications industrielles
I.4.2. Utilisation des impulsions nanosecondes
I.4.2.1 Les effets provoqués par des impulsions nanosecondes
I.4.2.1.1. Perméabilisation de la membrane plasmique
I.4.2.1.2. Perméabilisation des membranes sous cellulaires
I.4.2.1.3. Externalisation de la phosphatidylserine
I.4.2.1.4. Augmentation du calcium intracellulaire
I.4.2.1.5. L’apoptose
I.4.2.2 Applications envisagées pour les impulsions nanosecondes dans un cadre biologique
I.4.3. Utilisation des impulsions subnanosecondes
I.4.3.1 Les effets provoqués par des impulsions subnanosecondes
I.4.3.1.1. Perméabilisation de la membrane plasmique
I.4.3.1.2. Perméabilisation des membranes sous cellulaires
I.4.3.1.3. La mort cellulaire
I.4.4. Problématique des moyens expérimentaux dédiés à l’étude des impulsions subnanosecondes
I.4.4.1 Cahier des charges pour un applicateur in vitro
I.4.4.2 Cahier des charges pour un applicateur antennaire
I.4.5. Conclusions
I.5. Conclusions
Chapitre II. Applicateur dédié aux expérimentations In Vitro
II.1. Etat de l’art des différents applicateurs utilisés pour l’étude des effets des impulsions électromagnétiques sur le vivant
II.1.1. Présentation des différents applicateurs existant dans la littérature
II.1.1.1 Applicateurs à électrodes
II.1.1.2 Applicateurs à électrodes planes
II.1.1.3 Applicateurs à électrodes filaires ou à aiguilles
II.1.1.4 Performances des applicateurs à électrodes
II.1.1.4.1. Circuit électrique équivalent des applicateurs à électrodes
II.1.1.4.2. Performances des applicateurs à électrodes
II.1.1.5 Les cellules TEM
II.1.1.6 Les applicateurs coaxiaux
II.1.2. Choix du type d’applicateur
II.2. Conception d’un nouveau concept d’applicateur coaxial
II.2.1. Problématique de l’homogénéité à l’intérieur de la chambre d’exposition
II.2.2. Nouveau concept d’applicateur coaxial
II.2.3. Définition de la géométrie générale
II.2.4. Simulations numériques de l’architecture générale de l’applicateur coaxial
II.2.4.1 Caractérisation fréquentielle
II.2.4.2 Caractérisation temporelle avec un signal rectangulaire
II.2.4.3 Etude des oscillations lorsque l’éprouvette est remplie par un diélectrique
II.2.4.4 Simulations avec un signal représentatif d’un générateur Kentech PBG5
II.2.4.5 Conclusions de l’étude en simulation de la géométrie simplifiée de l’applicateur coaxial
II.2.5. Conception du prototype
II.2.5.1 Conception du 1er étage
II.2.5.2 Conception du 2ème étage
II.2.5.3 Conception du 3ème étage
II.2.5.4 Simulations numériques de l’ensemble du prototype
II.2.5.4.1. Simulations à vide
II.2.5.4.2. Simulations avec l’éprouvette remplie de diélectrique sans pertes de permittivité relative égale à 81
II.2.5.5 Fabrication du prototype
II.2.6. Conclusions sur la conception du nouveau concept d’applicateur coaxial
II.3. Mesures des performances de l’applicateur coaxial
II.3.1. Conception d’une sonde haute tension
II.3.2. Présentation des bancs de mesures
II.3.2.1 Banc de mesure pour la caractérisation fréquentielle de l’applicateur coaxial
II.3.2.2 Banc de mesures pour les expérimentations en régime transitoire
II.3.3. Evaluation des pertes diélectriques de l’eau distillée utilisée en mesures
II.3.4. Caractérisation fréquentielle
II.3.4.1 Caractérisation fréquentielle à vide de l’applicateur coaxial
II.3.4.2 Caractérisation fréquentielle avec l’éprouvette remplie d’eau distillée
II.3.4.3 Caractérisation fréquentielle de la sonde haute tension
II.3.4.4 Conclusions sur la caractérisation fréquentielle des différents éléments de l’expérimentation
II.3.5. Mesures en régime transitoires de l’applicateur
II.3.5.1 Traitements appliqués
II.3.5.2 Mesures à vide
II.3.5.3 Mesures avec l’éprouvette remplie d’eau distillée
II.3.5.4 Conclusions sur les mesures en régime impulsionnel de l’applicateur coaxial
II.3.6. Conclusions générales sur les mesures de l’applicateur
II.4. Conclusions générales sur la conception et l’étude des performances de l’applicateur coaxial
Chapitre III. Applicateur antennaire dédié aux expérimentations In Vivo 
III.1. Introduction
III.2. Etat de l’art de systèmes antennaires pour des impulsions électromagnétiques subnanosecondes
III.2.1.1 Caractéristiques des antennes Ultra Large Bande (ULB)
III.2.1.2 Le gain
III.2.1.3 La directivité
III.2.1.4 Le facteur de mérite
III.2.1.5 Le diagramme de rayonnement
III.2.2. Différents systèmes antennaires ULB
III.2.2.1 Architecture en réseau
III.2.2.2 Architecture une seule antenne alimentée par une seule source
III.2.2.3 Système antennaire dédié aux applications biologiques pour des impulsions subnanosecondes
III.3. Etude de l’antenne PSIRA initiale
III.3.1. Simulation de l’antenne PSIRA initiale
III.3.1.1 Géométrie des brins de l’antenne PSIRA initiale
III.3.1.2 Adaptation de l’antenne : Paramètre S11 de l’antenne PSIRA initiale
III.3.1.3 Simulation de l’antenne PSIRA dans le domaine temporel
III.3.1.4 Détermination des dimensions de la tache
III.3.2. Conclusions
III.4. Problématiques de la pénétration d’une onde électromagnétique dans un tissus biologique
III.4.1. Caractéristiques diélectriques des tissus biologiques
III.4.2. Etude de la propagation d’une onde électromagnétique plane à l’intérieur de tissus biologiques
III.4.2.1 Configuration de l’analyse analytique
III.4.2.1.1. Propagation d’une onde électromagnétique dans un milieu réel
III.4.2.1.2. Interaction d’une onde électromagnétique au niveau de l’interface entre un milieu diélectrique sans pertes et un milieu diélectrique réel
III.4.2.2 Etude analytique de la pénétration d’une onde électromagnétique dans un muscle
III.4.2.3 Conclusions
III.5. Conception du prototype
III.5.1. Solutions pour assurer la continuité entre les différents milieux et modifications de l’antenne en conséquence
III.5.1.1 Solution innovante pour optimiser la pénétration du champ électrique dans les tissus biologiques
III.5.1.2 Optimisation des dimensions du réflecteur à partir des formules analytiques
III.5.1.3 Paramètre S11 de l’antenne pour chaque milieu d’immersion
III.5.1.4 Etude dans le domaine temporel pour chaque milieu d’immersion
III.5.1.5 Dimensions et forme de la tache pour les deux milieux d’immersion
III.5.1.6 Conclusions
III.5.2. Architecture du prototype
III.5.2.1 Prototype avec des brins triangulaires et une alimentation par câble coaxial
III.5.2.2 Simulations de l’antenne PSIRA avec un dipôle filaire
III.5.2.3 Prise en compte de milieux diélectriques réels
III.5.2.3.1. Impacts sur les performances de l’antenne
III.6. Etude de propagation du champ électrique généré par l’antenne PSIRA dans un modèle numérique de corps humain
III.7. Etude d’une utilisation possible de l’antenne PSIRA avec des signaux CW
III.7.1. Conclusions
III.8. Résultats expérimentaux
III.8.1. Mesures des performances de l’antenne immergée dans la glycérine
III.8.1.2 Mesures avec le capteur dipolaire
III.8.2. Evaluation des performances de l’antenne immergée dans l’eau distillée
III.8.2.1 Caractérisation fréquentielle
III.8.2.2 Mesures avec le capteur dipolaire
III.8.2.3 Mesures avec le capteur électro optique
III.8.2.3.1. Etalonnage du capteur électro optique
III.8.2.3.2. Performances obtenues avec le capteur électro optique
III.8.3. Conclusions
III.9. Conclusions et perspectives sur la conception de l’applicateur antennaire
Conclusion
Références bibliographiques
Annexes

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