Étude, modélisation et optimisation des courbures des fibres optiques d'un tricot lumineux dédié à la thérapie photodynamique

Study, modeling and optimization of bending of optical fibres in warp knitted light emitting fabric dedicated to photodynamic therapy

• Auteur / Autrice : Elise Thecua
• Direction : Nicolas Reyns, Serge Mordon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et science des matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Thérapies Assistées par Lasers et Immunothérapies pour l’Oncologie (Lille)
• Jury : Président / Présidente : Céline Frochot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mireille Blanchard-Desce, Cédric Cochrane, Anne-Sophie Vignion-Dewalle, Christophe Nocito
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Walter Blondel, Mireille Blanchard-Desce

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres optiques

Thérapie laser

Photothérapie dynamique

Cancer -- Thérapeutique

Fibres optiques

Chirurgie laser

Photochimiothérapie

Mots clés libres

Pdt

Thérapie photodynamique

Laser

Fibres optiques

Textiles lumineux

Diffuseur

Laser

Photodynamic therapy

Diffuser

Pdt

Light emitting fabrics

Optical fibers

Résumé

Ce projet de thèse s’inscrit dans le cadre du développement de nouvelles solutions thérapeutiques contre le cancer. En effet, l’optimisation du contrôle local de certains cancers demeure un enjeu de santé publique majeur. Dans ce contexte, la thérapie photodynamique (PDT) se présente comme une modalité thérapeutique pertinente. La PDT est une thérapie locale faisant appel à la lumière et à une substance chimique photosensibilisante (PS), utilisées conjointement avec de l'oxygène moléculaire pour provoquer la mort cellulaire. La lumière joue un rôle clé dans l'effet thérapeutique de la PDT et doit être administrée de façon homogène. Toutefois, l’illumination homogène des cavités opératoires demeure parfois complexe. De nouveaux applicateurs plans ont donc récemment émergé pour répondre à cette problématique. Parmi ces applicateurs, le tricot lumineux - dont le principe repose sur l’insertion de fibres optiques en plastique dans une structure textile selon un motif spécifique induisant des courbures qui favorisent la fuite de lumière - occupe une place de choix.A ce jour, l’utilisation peropératoire des tricots lumineux n’est pas encore possible, et le développement d’une technologie adaptée demeure un verrou scientifique complexe que cette thèse de doctorat a pour objectif de lever. En effet, la nécessité d’éclairer les deux extrémités des fibres optiques constitue un frein significatif à son utilisation dans le cas de cavités opératoires complexes où des organes doivent être mobilisés pendant l’illumination. En outre, la souplesse des technologies de textiles lumineux ne permet pas une conformation optimale et sans contrainte à des tissus biologiques fragiles, tels que les tissus cérébraux. Enfin, les tricots lumineux doivent être produits avec des dimensions variables afin de s’adapter à des cavités opératoires de différentes topologies.Dans un premier temps, les matières premières et la structure tricot ont dû être étudiées. La fibre optique a été sélectionnée expérimentalement sur la base de sa capacité à être maintenue courbée dans la structure tricot, sur sa tenue en puissance, et sur la fiabilité de son approvisionnement. Le tricot chaine et le fil textile retenus pour la réalisation de la structure textile ont été déterminés de façon à obtenir une balance optimale entre la souplesse de la structure et la capacité de maintien des fibres optiques.Ensuite, l’influence des paramètres de tricotage (motif d’insertion de la fibre optique, densité des mailles et tension) a dû être déterminée. Une méthodologie permettant de prédire l’émission d’un tricot lumineux sur la base de ses paramètres de tricotage a donc été développée. En raison de l’absence de transposition réaliste des modèles expérimentaux standard (définis par les normes IEC 60793-1-47 et NF NBN 3745-504) aux modèles de courbures réalisées en pratique dans le tricot lumineux, nous avons été amenés à concevoir et à mettre en œuvre nos propres modèles expérimentaux d’évaluation de la contribution des courbures.Enfin sur la base de nos modèles expérimentaux, un outil de prédiction des performances de tricots lumineux a été proposé. L’objectif de cet outil est d’optimiser le tricotage afin de réaliser un gradient de courbure optimal pour une longueur de tricot donnée. Les prototypes de tricots lumineux fabriqués à partir de cet outil ont été évalués par des études préliminaires qui se sont avérées concluantes. La validation de la pertinence de notre développement a été notamment effectuée par l’éclairement d’un modèle anthropomorphique de cavité péritonéale. La simplicité de la mise en œuvre de l’illumination et la qualité de la distribution de la lumière délivrée par les prototypes de tricot ont été démontrées. Ainsi, l’ensemble de nos travaux laissent présager de la future mise sur le marché d’un nouveau dispositif de tricot lumineux dédié à la PDT des cavités opératoires.

This thesis project is part of the development of new therapeutic solutions in the fight against cancer. Indeed, the optimization of local control of certain cancers remains a major public health issue. In this context, photodynamic therapy (PDT) is a relevant therapeutic modality. PDT is a local therapy using light and a photosensitizer (PS) in combination with oxygen to induce cell death. Light plays a key role in the therapeutic effect of PDT and must be delivered homogeneously to the target biological tissues. However, the delivery of a homogeneous illumination in surgical cavities is sometimes complex. New planar applicators have therefore recently emerged to address this issue. Among these applicators, light emitting fabrics - whose principle is based on the insertion of plastic optical fibers in a fabric structure according to a specific pattern inducing bendings that favor light leakage - occupies a prominent place.To date, the intraoperative use of warp knitted light emitting fabrics is not yet possible, and the development of such technology remains a complex scientific issue that this PhD thesis aims to resolve. Indeed, the need to illuminate both ends of the optical fibers constitutes a significant brake to its use in the case of complex cavities where organs must be mobilized during illumination. In addition, the flexibility of warp knitted light emitting fabrics does not allow for optimal or unconstrained conformation to fragile biological tissues, such as brain tissue. Finally, warp knitted light emitting fabrics must be produced with variable dimensions in order to fit cavities of different topologies.First, the raw materials and the warp knitting structure had to be studied. The optical fiber was experimentally selected on the basis of its ability to be held bent in the knitted structure, its power handling, and the reliability of its supply. The warp knitting and the textile yarn selected for the realization of the fabric structure were determined in order to obtain an optimal balance between the flexibility of the structure and the capacity to maintain the optical fibers.Then, the influence of the warp knitting parameters (optical fiber insertion pattern, stitch density and tension) had to be determined. A methodology to predict the emission of a warp knitted fabric based on its knitting parameters was therefore developed. Due to the lack of realistic transposition of standard experimental models (defined by IEC 60793-1-47 and NF NBN 3745-504 standards) to the bending models realized in practice in warp knitted fabrics, we had to design and implement our own experimental models to evaluate the contribution of bendings.Finally, on the basis of our experimental models, a tool for predicting the performance of warp knitted light emitting fabrics has been proposed. The objective of this tool is to optimize the warp knitting parameters and to achieve an optimal bending gradient for a given length of warp knitted fabric, allowing us to avoid the need to illuminate both ends of the optical fibers. The warp knitted prototypes manufactured with this tool have been evaluated by preliminary studies which proved to be conclusive. The validation of the relevance of our development was notably carried out by the illumination of an anthropomorphic model of peritoneal cavity. The simplicity of the illumination implementation and the quality of the light distribution delivered by the warp knitted prototypes have been demonstrated. Thus, all our work suggests the future marketing of a new light knitting device dedicated to the PDT of surgical cavities.