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
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
Systèmes d exposition pour les études en laboratoire 3
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
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
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
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
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 700 600 500 400 300 200 100 0 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.17-28 8
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.17-28 9
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.17-28 10
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
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 + 1 + 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. 539-541. Melon C., et al «Frequency dependent finite-difference-time-domain [(FD)2TD] formulation applied to ferrite material» (1994) Microwave & Optical Techn. Letters., 7, pp. 577-579 12
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
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
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
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 2500 2000 1500 1000 500 0-500 -1000-1500 0 Allure temporelle des impulsions monopolaire 2.4 ns monopolaire 1.5 ns bipolaire 3.3 ns 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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. 3132-2134 16
Champs électriques / membranes Dosimétrie à l échelle de la cellule 17
Champs électriques / membranes Dosimétrie à l échelle de la cellule 18
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
Conclusion V 2500 2000 1500 1000 500 0-500 -1000 2.4 ns 1.5 ns 3.3 ns -1500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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
Merci de votre attention questions? Philippe LEVEQUE leveque@unilim.fr 9-10 novembre 2009