L’objectif de cette thèse concerne l’optimisation d’un banc de mesure destiné à la caractérisation in vitro de l’immunité des stimulateurs cardiaques aux perturbations électromagnétiques de basse fréquence ainsi que l’aspect modélisation numérique. Dans une première partie, après avoir présenté les bases théoriques du bioélectromagnétisme, nous abordons le fonctionnement électrique du cœur et une description fonctionnelle des stimulateurs cardiaques.. L’optimisation du banc de mesure concerne la source de champ magnétique et le modèle équivalent tissu qui permet les essais in vitro. La source de champ magnétique réalisée est une structure originale constituée de quatre bobines contenues dans une enveloppe sphérique qui permet de produire un champ magnétique homogène à l’ordre 4. Le modèle équivalent tissu est réalisé sur la base d’une solution saline. Dans le quatrième chapitre, après une revue des différentes méthodes de simulation numérique utilisées en dosimétrie électromagnétique, nous présentons une méthode numérique originale basée sur la méthode des impédances qui permet de déterminer les potentiels induits dans un milieu soumis à un couplage galvanique. Le dernier chapitre concerne la mesure et la simulation de tension induite, in vitro, aux bornes d’un stimulateur soumis à des perturbations conduites et rayonnées. La démarche proposée permet ensuite de déterminer, par simulation numérique, le niveau d’immunité d’un stimulateur cardiaque soumis à des perturbations électromagnétiques en fonction de ses caractéristiques électriques, des caractéristiques géométriques d’implantation ainsi que du milieu de couplage. / The purpose of this thesis relates to the optimization of a test bed which allows the in vitro characterization of cardiac pacemaker immunity to low frequency disturbances as well as the computational modeling. In a first part, after having presented the theoretical bases of the bioelectromagnetism, we present the electrical system of the heart, and a functional description of pacemakers. The optimization of the test bed relates to the source of magnetic field and tissue-equivalent phantom which permit the in vitro experiments. The source of magnetic field realized consists of four coils contained in a spherical envelope which makes it possible to produce a homogeneous magnetic field with order 4. The tissue-equivalent phantom is carried out on the basis of saline solution. In the fourth chapter, after a review of the various methods of numerical simulation used in electromagnetic dosimetry, we present an original numerical method based on the impedance method which makes it possible to determine the potentials induced in a medium subjected to a galvanic coupling. The final chapter is devoted to measurements and the simulation of induced tension, in vitro, to the terminals of the cardiac pacemaker subjected to conducted and radiated disturbances. The method suggested makes it possible to determine the level of immunity of pacemaker subjected to electromagnetic disturbances according to the geometrical configuration, electric characteristics of cardiac pacemakers as well as coupling medium.

Depuis les années 1960, les scientifiques se sont intéressés à l’étude d’effets biologiques provoqués par des champs électromagnétiques impulsionnels. Les premiers effets ont été observés avec des impulsions dont la durée va de quelques microsecondes à quelques millisecondes. Ce phénomène, appelé électroporation, est de nos jours utilisé dans des thérapies anticancéreuses appelées électrochimiothérapies. Les études en laboratoires avec des impulsions ont continuées, mais avec des impulsions de plus en plus courtes, notamment des impulsions pouvant atteindre une durée de quelques centaines de picosecondes avec des amplitudes de forts niveaux (100MV/m). Ces études sont encore émergentes et nécessitent d’être poursuivies, mais pour cela, il est nécessaire de concevoir des moyens d’expérimentations électromagnétiques fiables. Ce travail de thèse consistait à concevoir deux applicateurs de champ électrique : un applicateur in vitro, dans le but d’illuminer des cellules contenues dans des éprouvettes et un applicateur in vivo dans le but de prévoir de futures thérapies non invasives pour le patient. Pour l’applicateur in vitro, les différents résultats obtenus en simulations et expérimentalement sont très encourageant et montrent qu’il est déjà possible d’effectuer des expérimentations biologiques avec. Pour l’applicateur in vivo, qui s’agit de l’antenne PSIRA initialement développée par C. E. Baum, plusieurs problématiques ont été soulevées. Tout d’abord, il a été montré que les tissus biologiques tels que la peau où les muscles ont des permittivités relatives élevées et de fortes pertes pour des fréquences de l’ordre de quelques GHz et au-delà. Afin de maximiser la pénétration de champ électrique à l’intérieur de ces tissus, il a été décidé d’immerger l’antenne dans un milieu de forte permittivité, tels que la glycérine et l’eau. Ces liquides possèdent également des pertes diélectriques non négligeables. Ces pertes ont un fort impact négatif sur les performances de l’antenne. Pour rendre ce système opérationnel plusieurs modifications doivent être opérées, notamment en changeant le milieu d’immersion par un milieu sans pertes. / Since the years 1960, scientists have been interested to the study of biologic effects caused by pulsed electrical fields. The first effects were obtained with microseconds pulses and milliseconds pulses. This phenomenon has been called electroporation and it’s used in anticancerous therapies called electrochimiotherapies. Laboratory studies are continuing, but with shorter pulses like high level subnanoseconds pulses (100MV/m). These studies are emerging and must be pursued, but it’s necessary to design reliable electromagnetic systems. The goal of this thesis was to design two electrical field applicators: an in vitro applicator, to illuminate biologic cells contained in test tube and an in vivo applicator to predict future non invasive therapies. For the in vitro applicator, simulations and experimental results are very encouraging and biological experimentations would be possible with this system. For the applicator in vivo, which is the PSIRA antenna designed par C. E. Baum, many problems are highlighted. First, biological tissues like skin and muscle have high permittivity and high dielectric losses with frequencies in the order of GHz and behind. To maximize electric field penetration in these backgrounds it was decided to submerge the antenna in high permittivity background too, like glycerin and water. These liquids have high dielectric losses which have a strong negative impact on the antenna performances. To make this system operational, some modifications must be done, like changing the actual background with a no losses background.

Les ondes millimétriques (OMM), et en particulier la bande autour de 60 GHz, sont de plus en plus utilisées pour les télécommunications sans fil. Une précédentes études in vitro menée au laboratoire avait montré, par analyse de micro-puces, une diminution d’expression de l'ARN TRPV2 dans des cultures primaires de cellules de peau humaines exposés pendant 1, 6 ou 24 heures à 60,4 GHz avec une densité de puissance incidente moyenne de 1,8 mW / cm². Afin de déterminer si l'exposition aux OMM peut aussi affecter l'expression de TRPV2 au niveau protéique, nous avons effectué des immunocytochimies sur une lignée cellulaire pseudo-neuronale en cours de différenciation (PC12), exposée à 60,4 GHz pendant 24h avec une densité de puissance incidente moyenne de 10 mW/cm². De plus, l’impact des OMM sur l’expression de plusieurs autres marqueurs impliqués dans la nociception, la différenciation neuronale et le stress protéotoxique a aussi été étudié. En utilisant un système d'imagerie semi-haut débit, permettant l'étude de multiples paramètres, nous n’avons pas trouvé de différence dans l'expression protéique des récepteurs membranaires impliqués dans la nociception TRPV1, TRPV2 et P2X3, la protéine de choc thermique Hsp70, et le marqueur neuronal β3-tubuline. Cependant, une augmentation de la poussée neuritique, bien que non significative, a été observée dans les cellules exposées. Les contrôles ont montré que cette augmentation était liée à un effet thermique des OMM. En outre, l'analyse cellule par cellule a montré qu'il n'y avait aucune sous-population distincte de cellules présentant une sensibilité particulière. Enfin, des expositions à 5 mW / cm², suivies par une analyse par HPLC, ont également été effectuées afin d’étudier l'impact des OMM sur le métabolisme dopaminergique. Aucun effet de l'exposition n’a été observé sur la recapture de la dopamine. Seul un effet thermique non significatif a été trouvé sur l'accumulation du DOPAC extracellulaire. Globalement, ces résultats négatifs sont en accord avec les précédentes études in vitro qui ont évalué l'impact des ondes millimétriques sur l'expression génétique, et sont rassurantes sur le fait que l'exposition aiguë aux OMM ne peut pas perturber significativement la physiologie cellulaire. / Millimeter waves (MWW), in particular the 60-GHz band, are increasingly used for wireless communications. A previous in vitro study conducted by our group showed, using microarray analysis, a decrease in TRPV2 RNA expression in primary human skin cells exposed for 1, 6, or 24 h at 60.4 GHz with an average incident power density of 1.8 mW/cm². To investigate if MMW exposure can also affect TRPV2 expression at the protein level, we performed immunocytochemistry on a neuron-like differentiating cell line (PC12), exposed at 60.4 GHz during 24h with an average incident power density of 10 mW/cm². Moreover, the impact of MMW on several markers involved in nociception, neuronal differentiation and proteotoxic stress was also investigated. Using a semi-high throughput imaging system, allowing the study of multiple parameters, we did not find any difference in the protein expression of pain-related membrane receptors TRPV1, TRPV2, and P2X3, heat shock protein Hsp70, and neuronal marker β3-tubulin. However, an upward trend in neurite outgrowth, although not significant, was found in exposed cells. Controls showed that this increase was related to a thermal effect of MMW. Besides, cell-by-cell analysis showed that there is no distinct subpopulation of cells with particular sensitivity. Moreover, exposures at 5 mW/cm², followed by HPLC analysis, were also done to investigate the impact of MMW on dopaminergic metabolism. No impact of exposure on dopaminergic turnover was observed. Only an insignificant thermal effect was found on extracellular DOPAC accumulation. Altogether, those negative results are in line with previous in vitro studies which assessed the impact of MMW on genetic expression, and are reassuring in the fact that acute MMW exposure cannot dramatically disrupt cell physiology.

Depuis plusieurs années, le développement des technologies sans fil utilisant les ondes électromagnétiques dans différents milieux d’applications (télécommunications, médicales, militaires) ne cesse d’augmenter. Il devient donc nécessaire d’évaluer les effets de l’environnement sur les antennes en amont de leur conception afin d’optimiser la transmission entre les divers objets connectés. De plus, les études sur les systèmes utilisant les ondes électromagnétiques amènent à se poser un certain nombre de questions autour de l’interaction ondes/vivant, nous obligeant à considérer des modèles fortement hétérogènes tel que le corps humain.Face aux difficultés de mesures, la simulation permet de quantifier numériquement la puissance absorbée par les tissus au travers du DAS et l’élévation de la température correspondante. Dans ce domaine, la méthode TLM (Transmission Line Matrix) s’est révélée être particulièrement adaptée au calcul du DAS dans des structures fortement hétérogènes grâce à la colocalisation des champs au centre de la maille.Au cours de cette thèse, un outil basé sur la méthode TLM permettant d’effectuer des études dosimétriques en calculant le DAS et la température dans des milieux fortement hétérogènes a été développé. La première étape a été consacrée au développement d’un « module »pour calculer la DAS et la mise en place d’une interface pour lire les modèles voxélisés. Ensuite, un solveur thermique basé sur la TLM a été développé afin de simuler la température dans des milieux biologiques exposés aux ondes EM. Enfin, la comparaison avec le logiciel commercial CST a permis de valider notre outil et de l’appliquer par la suite pour étudier l’exposition d’une tête humaine au rayonnement d’un Smartphone modélisé par une PIFA fonctionnant à 900MHz / For several years, the development of the wireless technologies using the electromagnetic waves in various applications (telecommunications, medical, military …) does not stop increasing. Thus, it becomes necessary to evaluate the effects of the environment on antennas upstream to their conception to optimize the transmission between diverse connected objects. Furthermore, studies on the systems using the electromagnetic waves lead to ask a number of questions about waves/living interaction, obliging us to consider highly heterogeneous models such as human body.In front of difficulties of measures, the simulation allows to quantify numerically the power absorbed by tissues and the corresponding temperature rise. In this domain, the TLM method (Transmission Line Matrix) has proved to be particularly adapted to the simulation of the SAR in highly heterogeneous structures thanks to the co-localisation of the fields at the centre of mesh.In this thesis, a tool based on the TLM method to make dosimetrics studies by calculating the SAR and the temperature in highly heterogeneous media has been developed. The first step was dedicated to the development of a “module” to calculate the SAR and the implementation of an interface to read the voxelized models. Then, a thermal solver based on the TLM was developed in order to simulate the temperature in biological media exposed to the EM waves. Finally, the comparison with the commercial software CST allowed to validate our tool and to apply it afterward to study the exposure of a human head to the radiation of a Smartphone modelled by a PIFA antenna operating at 900MHz

La neuromodulation offre une possibilité de traitement pour des pathologies pharmoco-resistantes. Dans ce domaine, l'émergence de matrices d'électrodes à l'échelle microscopique ouvre la voie à des interfaces neurales sélectives. Cependant, leur fonctionnalité est réduite par le manque d'information sur l'anatomie fonctionnelle du nerf ciblé. L'objectif global de ce projet de thèse est d'explorer les possibilités d'imager un nerf de manière non-invasive par tomographie d'impédance électrique (EIT). Modalité d'imagerie des tissus mous, l'EIT déduit des cartes de conductivité à partir de mesures sur la frontière du domaine étudié. Une plateforme expérimentale a été mise en place et a permis de valider les développements des méthodes numériques effectués pour la prédiction des données et l'estimation des paramètres. Des tests in vivo ont été réalisés dans le contexte de la stimulation du nerf vague et du nerf sciatique. Des spécifications pour de futures expériences ont été déduites, avec l'utilisation d'électrodes plus robustes comprenant un plus grand nombre de contacts par section. / Neuromodulation offers treatments for drug resistant pathologies. In this field, the emergence of micro-scale multi-electrode arrays paves the way for selective neural interfaces. But they suffer from the lack of information on the nerve functional anatomy. The global aim of this PhD project is to explore the possibilities of imaging the inside of a nerve in a non-invasive way through electrical impedance tomography (EIT). As a soft-field imaging modality, EIT infers conductivity maps from boundary measurements. An experimental platform was built and allowed the validation of numerical methods developed for data prediction and parameter estimation. In vivo tests were performed in the context of vagus and sciatic nerve stimulation. Specifications were deduced for future experiments, with more reliable electrodes, embedding a higher number of contacts per cross-section.

Dans cette thèse, nous proposons et étudions des systèmes d’exposition en vue d’explorer les effets biologiques sanitaire et thérapeutique des ondes électromagnétiques sur le vivant. Nous proposons une antenne micro-onde pour l’ablation thermique des tumeurs cancéreuses du foie à 2.45 GHz. Son originalité réside en ses dimensions miniatures et la possibilité de l’insérer dans le foie par voie endoscopique. Pour cette antenne, un débit d’absorption spécifique (DAS) supérieur à 50 W/kg/W inc a montré une zone exposée de 1-cm de diamètre. Nous proposons ensuite une cellule transverse électromagnétique (TEM) avec une ouverture fermée par un matériau transparent conducteur l’Indium tin oxyde (ITO). Cette cellule TEM peut être utilisée pour évaluer les effets sanitaires potentiels des signaux de télécommunications sans fils. Ce système permet l’observation microscopique en temps réel du milieu biologique exposé, à travers son ouverture fermée par l’ITO. L’influence de la présence de l’ouverture et de la couche d’ITO sur le DAS dans le milieu exposé a été évaluée. Les valeurs du DAS obtenues à 1.8 GHz dans le milieu exposé dans la cellule TEM avec l'ouverture fermée ou non par l’ITO étaient de 1.1 W/kg/W inc et 23.6 W/kg/W inc, respectivement. Une excellence homogénéité du DAS a été obtenue dans le milieu en présence de l’ITO. Enfin, nous proposons plusieurs dispositifs spécifiques pour l’exposition des cellules biologiques aux champs électriques pulsés nanosecondes de haute intensité (nsPEFs). Les effets biologiques des nsPEFs sont utilisés pour des applications dans le domaine médical et en biotechnologie. Nous proposons deux dispositifs à électrodes en contact direct avec le milieu biologique et trois dispositifs à électrodes isolées. Nous démontrons l’adaptation de ces dispositifs aux impulsions courtes de durée 3-ns et la capacité de ceux à électrodes en contact à fournir des champs intenses de l’ordre de quelques MV/m. Nous illustrons aussi l’importance des dispositifs isolés pour délivrer des impulsions ultracourtes. / In this thesis, we propose and study exposure systems to explore healthy and therapeutic biological effects of EM signals. We propose a microwave antenna for thermal ablation of liver tumors at 2.45 GHz. Its original feature consists in its reduced dimensions that permits the endoscopic insertion in the zone to be treated. For this antenna, a specific absorption rate (SAR) greater than 50 W/kg/W inc showed an exposed zone of 1-cm diameter. We propose a transverse electromagnetic cell (TEM) with an aperture sealed with a transparent conducting material Indium tin oxide (ITO).This TEM cell can be used to study the potential effects of wireless communication systems on biological cells. This delivery device allows real-time observation of biological cells during exposure across the aperture sealed with ITO. The effect of the aperture and the ITO layer presence on the SAR in the exposed sample was evaluated. The SAR values obtained at 1.8 GHz in the sample exposed in the TEM cell with the sealed or non-sealed aperture of 20-mm diameter were 1.1 W/kg/W inc and 23.6 W/kg/W inc, respectively. An excellent homogeneity of SAR was achieved in the medium in the presenceof ITO. Finally, we propose several devices for the exposure of biological medium to nanosecond pulsed electric field with high intensity (nsPEFs). The biological effect of nsPEFs are used in biotechnology and medicine. We propose two devices with electrodes in direct contact with the biological medium and three devices with isolated electrodes. We demonstrate their adaptation for 3-ns duration pulses and the suitability of those with electrodes in contactwith the biological medium to provide high intensities fields in the order of several MV/m. We demonstrate the importance of the isolated devices for delivering ultrashort pulses.

Le bioélectromagnétisme, domaine de recherche se situant au carrefour de la biologie et de l'électromagnétisme, s'intéresse à l'étude des interactions entre les ondes électromagnétiques et le vivant. La finalité de ces travaux de thèse concerne le développement d'un capteur optique dédié à la mesure simultanée du champ électrique et de la température au sein de milieux biologiques exposés à un rayonnement radiofréquence. Il s'agit donc, plus spécifiquement, de réaliser une sonde électro-optique répondant aux différents besoins métrologiques des applications dosimétriques et qui soit, de plus, compatible avec les milieux d'étude. Une campagne de mesure préliminaire a été dédiée à la caractérisation les propriétés optiques, thermo-optiques et électro-optiques des cristaux d'intérêt (éléments de transduction de ces sondes). Un capteur fibré a ensuite été réalisé. Ce dernier a permis d'effectuer des mesures simultanées de champ électrique et de température dans le cadre d'expérimentations en dosimétrie radiofréquence, permettant ainsi une caractérisation duale inédite du Débit d'Absorption Spécifique (DAS). Cette sonde, entièrement diélectrique, a également rendu possible une première discrimination du profil temporel d'impulsions nanosecondes de fortes amplitudes au sein d'une solution biologique, dans le cadre d'expérimentations en électroporation cellulaire.