Technologie des puissances pulsées subnanosecondes pour des applications biomédicales et militaires

Subnanosecond pulsed power technology for biomedical and military applications

• Auteur / Autrice : Njomza Ibrahimi
• Direction : Laurent Pécastaing
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 31/03/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : SCIENCES POUR L'INGENIEUR APPLIQUEES EN MECANIQUE ET GENIE ELECTRIQUE (SIAME EA 4581)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Rivaletto, Valérie Vigneras, Lluis Mir, Philippe Pouliguen, Bucur Novac
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Edson Martinod, Éric Robert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs électriques pulsés

Organes cibles

Électroporation

Mots clés libres

Cellules biologiques

Puissance pulsée

Impulsions subnanosecondes

Électropermeabilization

Champs électriques pulsés (CEP)

Engins explosifs improvisés (EEI)

Subnanosecond pulses

Pulsed electric fields (PEFs)

Pulsed power

Biological cells

Improvised explosive devices (IEDs)

Electropermeabilization

Résumé

Cette thèse porte sur le développement et l'utilisation de la technologie des puissances pulsées subnanosecondes pour des applications aux domaines biomédical et militaire. L'électroporation (formation électrique de pores) est un phénomène qui augmente la perméabilité de la membrane cellulaire lorsqu'elle est exposée à des champs électriques pulsés (CEP) de haute intensité et de courte durée. Les premiers résultats rapportés dans la littérature sur les effets des CEP sur les cellules biologiques ainsi que pour le traitement du cancer en médecine ont été suivis avec une attention significative de la part de la communauté scientifique, principalement au cours des dernières décennies. Il existe deux types de techniques CEP appliquées in vivo : invasives et non invasives. La première technique utilise des paires métalliques d'électrodes pénétrantes pour appliquer le champ électrique tandis que dans la seconde, le champ électrique est généré à travers des électrodes mises en contact avec la peau, sans pénétration dans le corps. Ici, le terme sans contact désignera l’approche traitant de la génération de champs électriques à distance de la structure métallique d'une source CEP (antenne). L'un des objectifs de cette thèse est de fournir une preuve de concept d'une technologie sans contact permettant la perméabilisation des cellules sans être en contact avec les électrodes du système. La première étape vers l'accomplissement de cet objectif était donc de comprendre le rôle des CEP subnanosecondes sur les cellules. Elle est dédiée à la détermination des paramètres CEP tels que l'amplitude, la durée, le temps de montée, le nombre d'impulsions et la fréquence de répétition des impulsions capables d'induire la perméabilisation des cellules biologiques suivant une approche ''avec contact''. Le résultat final obtenu par une analyse électromagnétique 3D détaillée montre que des champs électriques d’au moins 12 kV/cm pour 20 000 impulsions électriques appliquées à une fréquence de répétition de 50 Hz, induisent efficacement l'électroperméabilisation de bactéries E. Coli. Après avoir fourni les paramètres CEP requis pour induire l'électroperméabilisation cellulaire, une preuve de concept d'un système d'exposition CEP sans contact a été construite et validée par les résultats biologiques obtenus.Une ligne de formation d'impulsions monopolaires a été développée pour être utilisée avec un dispositif haute puissance sans contact pour une future application dans le domaine biomédical. En relation avec cela, une preuve de concept d'une technique CEP sans contact utilisant des champs électriques générés par des champs magnétiques variant rapidement dans le temps est proposée. Pour réaliser cette tâche, une technique nouvelle et innovante est présentée, et une estimation approximative des caractéristiques requises pour le développement de générateurs de puissances pulsées est fournie.Concernant la seconde application de cette thèse pour le domaine militaire, les détails de la conception et du développement d'un système de génération d'impulsions bipolaires subnanosecondes associé à une antenne ultra large bande développée à l’Institut de Recherche XLIM sont élaborés. Ce dernier sera utilisé pour détruire ou annihiler des engins explosifs improvisés, armes particulièrement utilisées lors des conflits et attentats terroristes en raison de leur simplicité de construction, de leur disponibilité et de leur capacité destructrice.Pour permettre une conception et une optimisation précises des systèmes de formation d'impulsions, une approche par co-simulation électromagnétique 3D est développée à l'aide des modules Microwave et Design Studio de CST.Cette thèse couvre également de nombreux aspects concernant la modélisation 3D des techniques de mesures utilisées dans le domaine des puissances pulsées qui peuvent servir de méthode d'étalonnage ou de technique de contrôle pour les futurs systèmes de puissances pulsées.

This thesis focuses on the development and use of subnanosecond pulsed power technology for application to biomedical and military domains. Electroporation (electric pore formation) is a phenomenon which increases the permeability of the cell membrane when exposed to pulsed electric fields (PEFs) of high intensity and short duration. The first findings reported in the literature about the effects of PEFs in biological cells as well as for cancer treatment in medicine were followed by a significant attention by the scientific community, mainly over the last few decades. There are two types of PEF techniques applied in vivo: invasive and noninvasive. The first technique uses metallic pairs of penetrating electrodes to apply the electric field and in the second technique, the electric field is generated through electrodes brought in contact with the skin, without penetration of the body. In addition, the contactless term refers here to the approach dealing with the generation of electric fields remotely from the metallic structure of a PEF source (antenna). One of the goals of this thesis is to provide a proof of concept of a ‘contactless' technology to allow the permeabilization of the cells without being in contact with the electrodes of the system. The first step towards the accomplishment of this goal was therefore to understand the role of subnanosecond PEFs on cells. The latter is dedicated to the determination of the PEFs parameters as amplitude, duration, rise time, number of pulses and pulse repetition frequency capable to induce permeabilization of biological cells following a ‘with contact' approach. The final result obtained by detailed 3D electromagnetic (EM) analysis shows that electric fields of up to 12 kV/cm with electric pulses applied up to 20000 at a PRF of 50 Hz, efficiently induce E. Coli electropermabilization. After providing the required PEFs parameters to induce cell electropermeabilization, a proof of concept in the working principle of a contactless PEF exposure system is build and validated by biological results obtained.A monopolar pulse forming line (M-PFL) was developed to be used together with a high-power contactless arrangement for future application to biomedical domain. Related to that, a proof of concept of a non-contact PEF technique using electric fields generated by fast time-varying magnetic fields is given. A novel and innovative technique to achieve this task is presented and a rough estimate of the characteristics required for the driving pulsed power generators is provided. Regarding the second application of this thesis which is the military domain, details from the design and development of a bipolar subnanosecond pulse generation system to be associated with an ultra-wideband antenna developed at Xlim Research Institute are elaborated. The latter will be used to destroy or interrupt the improvised explosive devices, weapons particularly used during conflicts and terrorist attacks because of the simple construction, availability and destructive capacity. To enable an accurate design and optimization of the pulse forming systems, a 3D electromagnetic co-simulation approach is developed using Microwave and Design Studio modules of CST. This thesis also covers a lot of aspects concerning themeasurements techniques based on 3D modelling used in pulsed power domain which can serve as a calibration method or monitoring technique for future pulsed power systems.