Conception et réalisation d’un biocapteur microondes miniaturisé pour une exploration fonctionnelle des tissus biologiques athéromateux

Miniaturised Microwave Biosensor Conception and Implementation for Carotid Atherosclerosis Diagnosis

• Auteur / Autrice : Rania Shahbaz
• Direction : Hamid Kokabi, Fabien Koskas, Frédérique Deshours
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 29/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Vigneras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Katia Grenier, Alexandre Escargueil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Élodie Richalot, Raphaël Coscas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Emploi en thérapeutique

Micro-ondes

Biocapteurs

Athérosclérose

Artères carotides

Mots clés libres

Capteur

Microonde

Carotide

CSRR

Résonateur

Microwave

Carotid artery

Atheromatous plaque

Resonator

RF

Résumé

Les indications chirurgicales de l'endartériectomie carotidienne sont devenues ambiguës ces dernières années en raison des progrès de la thérapie médicale optimale des maladies vasculaires athérosclérotiques. Il est donc crucial de développer de nouvelles méthodes non invasives pour évaluer la vulnérabilité des plaques carotidiennes et déterminer les indications de l'endartériectomie carotidienne. L'analyse histopathologique post-opératoire de la plaque extraite est actuellement la seule méthode permettant de décrire avec précision sa composition. Ce manque et ce besoin ont été présentés par le Pr Koskas et le Dr Davaine, chirurgiens vasculaires des Hôpitaux Universitaires Pitié Salpêtrière - Charles Foix, au Pr Kokabi, à Mme Deshours et au Pr Alquie du laboratoire GeePs. Cette dernière équipe a proposé son idée d'un capteur à micro-ondes, initialement conçu pour détecter le taux de glucose dans le doigt, afin qu'il soit développé et exploité pour distinguer les plaques d'athérome dans l'artère carotide via la fenêtre du cou. Le fruit de cette collaboration a été cette thèse. Le concept du capteur est qu'il peut distinguer les tissus biologiques, comme les plaques fragiles, des plaques stables calcifiées en mesurant la différence de leur constant diélectrique. Ainsi, une plaque fragile aurait une permittivité similaire à celle du sang, tandis qu'une plaque stable calcifiée aurait une lecture aussi basse que celle de l'os. Le principal objectif du doctorat était d'évaluer le modèle de capteur primaire existant sur des plaques carotidiennes ex-vivo et de comparer ses résultats avec l'histologie et les modalités radiologiques actuelles telles que l'échographie Doppler et la tomographie. L'objectif est d'établir un lien entre eux et l'histologie qui est l'étalon-or actuel pour caractériser la composition des plaques d'athérome. L'unité Hounsfield (HU) et l'échelle de Grey-Weale ont été utilisées comme marqueurs pour les résultats de la tomographie et de l'échographie respectivement. Pour les résultats histopathologiques, les niveaux de calcification, de noyau nécrotique fibreux et riche en lipides ont été déterminés par une analyse semi-quantitative. Selon les résultats préliminaires, le constant diélectrique des plaques carotides symptomatiques diffère de celle des plaques asymptomatiques. Le travail s'est concentré au début sur la caractérisation des plaques carotides (ex-vivo) via les calculs de décalage de fréquence pour extraire la permittivité via le logiciel HFSS. La deuxième partie du programme de doctorat a vu le développement de mesures plus concentrées visant à réguler tous les paramètres pouvant influencer les observations de la constante diélectrique. Il a été décidé que l'objectif initial du travail était quelque peu limité. Par conséquent, le nouvel objectif comprenait la gestion et la modification de facteurs tels que la température et l'humidité, afin de présenter des résultats de mesures ex-vivo aussi proches que possible des valeurs in-vivo. Il était également essentiel d'estimer correctement la profondeur de pénétration du champ électrique du capteur et d'étudier expérimentalement l'effet de différentes pressions et leur impact sur l'épaisseur de l'échantillon. Ces variables ont été surveillées pendant les mesures de la plaque carotidienne et pour les tests supplémentaires qui ont suivi sur des multicouches de tissus animaux simulant le cou, qui ont été analysés à plusieurs reprises. Les examens finaux ont été effectués sur des fantômes de couches de cou humain.

The surgical indications for Carotid endarterectomy (CEA) have become ambiguous in recent years due to the progress in the Optimal Medical Therapy (OMT) of atherosclerotic vascular diseases. Therefore, developing new, non-invasive methods to gauge the vulnerability of carotid plaques and determine CEA indications is crucial. Histopathological analysis post-operation of the extracted plaque is currently the only method to accurately describe its composition. This shortage and need were presented by Prof. Koskas & Dr Davaine, vascular surgeons at Hôpitaux Universitaires Pitié Salpêtrière - Charles Foix, to Prof. Kokabi, Mrs Deshours, and Prof. Alquie in GeePs laboratory. The latter team proposed their idea of a microwave sensor, initially designed to detect glucose levels in the finger, for it to be developed and operated to distinguish atherosclerotic plaques in the carotid artery via the neck window. The fruit of this collaboration was this PhD. The sensor's concept is that it can distinguish biological tissues, such as fragile plaques, from calcified stable ones by measuring the difference in their constant dielectric. Thus a vulnerable plaque would have a permittivity rating similar to blood, whereas a stable calcified plaque would have a reading as low as bone. The major goal of the PhD was to evaluate the existing primary sensor model on ex-vivo carotid plaques and compare its results with histology and current radiological modalities such as Doppler Ultrasonography (DUS) and Computed Tomography (CT). The objective is to establish a link between them and histology which is the current gold standard for characterising atherosclerotic plaque composition. Hounsfield Unit (HU) and Grey-Weale scale were used as markers in CT and US results respectively. For the histopathological findings, the calcification, fibrous and lipid-rich necrotic core levels were determined by semi-quantitative analysis. According to preliminary findings, the dielectric constant of symptomatic carotid plaques differs from that of asymptomatic plaques. The work has focussed at the start on the characterisation of carotid plaques (ex-vivo) via the frequency shift calculations to extract the permittivity via HFSS software. The second part of the PhD programme saw the development of more concentrated measurements geared to regulating all parameters that can influence constant dielectric observations. The original focus of the work was decided to be somewhat limited. As a result, the new focus included managing and modifying factors, such as temperature and humidity, to present results of ex-vivo measures as close as possible to in-vivo values. It was similarly critical to correctly estimate the penetration depth of the sensor's electrical field and to experimentally investigate the effect of different pressures and their impact on sample thickness. These variables were monitored during the carotid plaque measurements and for the additional testing that followed of multilayers of animal tissues simulating the neck, which were analysed on various occasions. The final examinations were performed on human neck layers' phantoms.