Dosimétrie et interactions des ondes. électromagnétiques tiques avec le vivant. Modélisation multi physique. Dosimétrie Numérique Principe, méthodes
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1 Dosimétrie et interactions des ondes électromagnétiques tiques avec le vivant Dosimétrie Numérique Principe, méthodes m et contraintes Modélisation multi physique Philippe LEVEQUE leveque@unilim.fr 9-10 novembre 2009
2 Sommaire Introduction sur les problèmes de dosimétrie Dosimétrie numérique DAS et température Exposition et dosimétrie à l échelle macroscopique Dispersion Dosimétrie à l échelle microscopique Modèle cellulaire Conclusion 2
3 Systèmes d exposition pour les études en laboratoire 3
4 Dosimétrie : du macroscopique au microscopique dispersion, dispersion, hétérogénéité hétérogénéité => => ε(ω,x,y,z), ε(ω,x,y,z), eau eau température température + hydrodynamique hydrodynamique => => ε(τ,x,y,z), ε(τ,x,y,z), athermique athermique charge charge d espace d espace => => ions, ions, accumulation accumulation éléments éléments localisés, localisés, multi-échelle multi-échelle => => cible, cible, membrane membrane modélisation modélisation multiphysique multiphysiqueappliquée à la la biologie biologie entre entre Maxwell Maxwell macroscopique macroscopique et et Dynamique Dynamique Moléculaire Moléculaire microdosimétrie microdosimétrie 4
5 Sommaire Introduction sur les problèmes de dosimétrie Dosimétrie numérique DAS et température Exposition et dosimétrie à l échelle macroscopique Dispersion Dosimétrie à l échelle microscopique Modèle cellulaire Conclusion 5
6 Dosimétrie : simulation multiphysique Tube à essai dans une cavité cylindrique Solution biologique (2.45 GHz, 37 C) ε r = 75 ; σ = 2.85 S/m ; ρ = 1000 kg/m 3 volume = 5 ml => 5 g Estimation du DAS, système adapté DAS => 1 W for 5 g => 200 W/kg σ E² ρ ( DAS= W/kg) Distribution du champ E et DAS dans le tube à essai?? Simulation : FDTD (1 x 1 x1 mm) Excitation : guide d onde rectangulaire 6
7 Dosimétrie : simulation multiphysique Distribution champ E Distribution DAS sans tube à essai avec tube à essai Champ E, [ normalisé] DAS, [ W/kg / W ] O max 7
8 Dosimétrie : simulation multiphysique Domaine temporel, méthode FDTD Multiphysique T t ε ( ω, T, x, y, z) Thermique (Fourier) r r + ( v. grad ) T = D T Hydrodynamique (Navier Stokes) r v r r r 1 r r r + (v.grad).v = grad(p) + ν v + g t ρ 2.45 GHz t Pd + ρ. C m m Distribution de SAR W/kg Mesures de T Publication : Cueille M., et al «Development of a Numerical Model connecting Electromagnetism, Thermal and Hydrodynamics in order to analyse in vitro Exposure System», (2008) Annals of Telecoms, 63, pp
9 Dosimétrie : simulation multiphysique Domaine temporel, méthode FDTD Multiphysique T t ε Thermique (Fourier) r r + ( v. grad ) T = ( ω, T, x, y, z) D T t Pd + ρ. C m m Hydrodynamique (Navier Stokes) r v r r r 1 r r r + (v.grad).v = grad(p) + ν v + g t ρ Publication : Cueille M., et al «Development of a Numerical Model connecting Electromagnetism, Thermal and Hydrodynamics in order to analyse in vitro Exposure System», (2008) Annals of Telecoms, 63, pp
10 Dosimétrie : simulation multiphysique Domaine temporel, méthode FDTD Multiphysique T t ε ( ω, T, x, y, z) Thermique (Fourier) r r + ( v. grad ) T = D T Hydrodynamique (Navier Stokes) r v r r r 1 r r r + (v.grad).v = grad(p) + ν v + g t ρ t Pd + ρ. C m m conduction convection T Mesures de T Publication : Cueille M., et al «Development of a Numerical Model connecting Electromagnetism, Thermal and Hydrodynamics in order to analyse in vitro Exposure System», (2008) Annals of Telecoms, 63, pp
11 Sommaire Introduction sur les problèmes de dosimétrie Dosimétrie numérique DAS et température Exposition et dosimétrie à l échelle macroscopique Dispersion Dosimétrie à l échelle microscopique Modèle cellulaire Conclusion 11
12 Outils de simulation : dispersion Domaine temporel, méthode FDTD ANR : Multipass Pré et post processing, code vectoriel et OpenPM Électromagnétisme Milieu fortement inhomogène Milieu dispersif r r roth = r j + v D t r r rote r B = t (Debye, Lorentz, Cole-Cole, Ferrite, ) ε(ω) real part imaginary part ε r εs ε ( ω) = ε j ωτ r P t r r + P = ε ( ε ε )E τ 0 s Publications : P. Leveque, A. Reineix, and B. Jecko, "Modeling of dielectric losses in microstrip patch antennas - application of fdtd method," (1992) Electronics Letters, 28, pp Melon C., et al «Frequency dependent finite-difference-time-domain [(FD)2TD] formulation applied to ferrite material» (1994) Microwave & Optical Techn. Letters., 7, pp
13 Outils de simulation : dispersion Domaine temporel, méthode FDTD EM ur uuuruur ur D roth = σ E + t ur ur ur D = ε 0 E + P ur P ur τ P ε ( ) ur + = 0 ε s ε E t ur uuurur B rote = t ε ( ω, T ) 0 P diss (instantanée) Temperature T P = Dt. T t ρ C m m 13
14 Sommaire Introduction sur les problèmes de dosimétrie Dosimétrie numérique DAS et température Exposition et dosimétrie à l échelle macroscopique Dispersion Dosimétrie à l échelle microscopique Modèle cellulaire Conclusion 14
15 Champs électriques / membranes Electroperméabilisation :: impulsion impulsion qq qqkv/cm, µs µs àà ms ms cellules : charges + et - effet d un champ électrique F = q E charges se déplacent => force d électrocompression => membranes dépend amplitude/durée Objectifs : expérimenter, comprendre et modéliser les interactions des impulsions électromagnétiques avec des cellules biologiques. => quelles impulsions?? => pulses nanosecondes, mais aussi ondes mm, THz 15
16 Champs électriques / membranes Champs électromagnétiques impulsionnels : <10ns, ~10 kv/mm Passage d une phénomène de courant de conduction => membrane isole le cytoplasme à un courant de déplacement => le champ pénètre à l intérieur de la cellule => un effet d amplitude (non linéaire) Génération => Engendrer des impulsions EM nanosecondes et subnanosecondes sans gigue temporelle et à profil ajustable Collaborations : IGR (Villejuif), AMPERE (Lyon), IPBS (Toulouse) v(t), V Allure temporelle des impulsions monopolaire 2.4 ns monopolaire 1.5 ns bipolaire 3.3 ns temps, ns Applicateur : population (mm), quelques cellules (100µm) Mécanismes : thermique, charge d espace, ANR (x2) : CEMIRBIO(2006), NANOPULSEBIOCHIP(2008) DGA/MRIS/REI Nanopulse Publication : Vergne B., et al, «30 khz Monocycle Generator using Linear Photoconductive Switches and a Microchip Laser».(2008) IEEE Photonics Technology Letters, 20(21-24), pp
17 Champs électriques / membranes Dosimétrie à l échelle de la cellule 17
18 Champs électriques / membranes Dosimétrie à l échelle de la cellule 18
19 Sommaire Introduction sur les problèmes de dosimétrie Dosimétrie numérique DAS et température Exposition et dosimétrie à l échelle macroscopique Dispersion Dosimétrie à l échelle microscopique Modèle cellulaire Conclusion 19
20 Conclusion V ns 1.5 ns 3.3 ns ns Génération optoélectronique Système d exposition Dosimétrie Nanopulses Signaux télécomt sans fil Expérimentation BioEM in vivo et in vitro Nouveaux Matériaux SiC-Tellure Guide d onde non-linéaire Microlaser de puissance Interaction des ondes électromagnétiques tiques avec le le vivant Sources polychromes Conversion de fréquence XLIM - Babraham Institute XLIM Fac de Médecine Limoges Imagerie non-lin linéaire CARS XLIM - Univ. Tokyo 20
21 Merci de votre attention questions? Philippe LEVEQUE 9-10 novembre 2009
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