Analyse et dosimétrie du couplage des ondes électromagnétiques avec les tissus biologiques : application à la conception d'applicateur pour le biomédical et l’étude des effets sanitaires

Analysis and dosimetry of the coupling of electromagnetic waves with biological tissues : application to applicator design for biomedical and study of health effects

• Auteur / Autrice : Amani Nefzi
• Direction : Liliana-Délia Arnaud-Cormos, Philippe Lévêque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 02/02/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Valérie Madrangeas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liliana-Délia Arnaud-Cormos, Philippe Lévêque, Noëlle Lewis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Élodie Richalot, Jean-Lou Dubard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matrices de microélectrodes

Tests

Cellules

Électromagnétisme -- Effets physiologiques

Simulation, Méthodes de

Dosimétrie

Risques pour la santé

Ondes électromagnétiques -- Propagation

Mots clés libres

Bioélectromagnétisme

Champ électromagnétique

Dosimétrie

Rhodamine B

Fluorescence

Débit d’absorption spécifique(DAS)

Multiélectrode array (MEA)

Bioelectromagnetism

Electromagnetic field

Dosimetry

Rhodamine B

Fluorescence

Specific absorption rate (SAR)

Multielectrode array (MEA)

Résumé

L’évolution et l’utilisation croissante des systèmes de communications mobiles sont associées à des études en laboratoire pour s’assurer de l’innocuité d’une exposition aux ondes électromagnétiques radiofréquences. Dans ce contexte, ce mémoire se concentre sur la caractérisation de systèmes d'exposition permettant des études en laboratoire sur des modèles cellulaires in vitro. Une double approche, numérique et expérimentale, est mise en œuvre pour réaliser la dosimétrie de ces dispositifs, afin de déterminer et maîtriser les niveaux d’exposition. Une des problématiques liées à cette dosimétrie est due aux dimensions micrométriques mises en jeu. Aussi, une technique de microscopie basée sur un marqueur fluorescent dépendant de la température, nommé Rhodamine B, a été mise en place et évaluée. Il ressort de cette évaluation une recommandation sur la concentration du marqueur de l’ordre de 50 μM. Après calibration, il est alors possible d’estimer le débit d’absorption spécifique (DAS) à partir de la variation de température, et ce même pour de faibles niveaux de DAS (< W/kg) avec une résolution spatiale inférieure à la dizaine de micron. On parle alors de microdosimétrie. Les deux principaux systèmes d’exposition étudiés, basés sur des réseaux de microélectrodes (MEA), permettent l’enregistrement d’une activité électrophysiologie de neurones. L’exposition aux ondes électromagnétiques est réalisée simultanément en insérant ces MEA dans des cellules TEM. De la dosimétrie effectuée à 1.8GHz, il ressort une plus forte sensibilité du premier MEA à son environnement. On a montré que les modifications apportées au second MEA, taille de l’ouverture et plan de masse, ont permis de limiter de façon significative l’influence de l’environnement. La microdosimétrie a mis en évidence une bonne homogénéité du DAS entre les électrodes avec une valeur estimée à 7±1W/kg pour1W incident. Enfin, un dispositif d'exposition microfluidique basé sur un guide d'ondes coplanaire a été caractérisé en conditions statiques.

The evolution and increasing use of mobile communications systems was associated with laboratory investigations to study radiofrequency electromagnetic waves exposure safety. In this context, this thesis focuses on the characterization of exposure systems allowinglaboratory in vitro studies on cell models. A dual numerical and experimental approach is implemented to perform the devices dosimetry allowing to determine and control the exposure levels. One of the limitations associated with this dosimetry is due to the micrometric dimensions involved. Therefore, a microscopy technique based on a temperature-dependent fluorescent dye named Rhodamine B was set up and evaluated. This assessment recommends an optimal concentration of the dye at around 50 μM. After calibration, it is possible to estimate the specific absorption rate (SAR) from the temperature variation, even for low levels of SAR (< W / kg) with a spatial resolution of less than ten micrometers i.e. microdosimetry. The two main exposure systems studied, based on microelectrode arrays (MEA), allow the recording of neurons electrophysiological activity. Exposure to electromagnetic waves is achieved simultaneously by inserting these MEAs into TEM cells exposure systems. Dosimetry carried out at 1.8 GHz shows a higher sensitivity of one MEA to its environment. It was shown that the modifications made to the second MEA such as its aperture size and ground planes, have reduced the proximity environment influence. The microdosimetry demonstrated good homogeneity of the SAR between the electrodes with an estimated value of 7 ± 1 W / kgfor 1 W incident power. Finally, a microfluidic exposure device based on a coplanar waveguide was characterized under static conditions.