etat de l’art en matière de dosimétrie expérimentale (rf

Philippe LEVEQUE, Delia ARNAUDPhilippe LEVEQUE, Delia ARNAUD --CORMOSCORMOS

XLIM, XLIM, UniversitUniversit éé of Limoges of Limoges -- CNRS, Limoges, FranceCNRS, Limoges, France

Research conducted in the scope of the EBAM European Associated Laboratory (LEA)

philippe.leveque@unilim.frphilippe.leveque@unilim.fr

3 avril 2012

i n s t i t u t d e r e c h e r c h e

Etat de lEtat de l’’art en matiart en matièère de re de dosimdosiméétrie exptrie expéérimentale rimentale

(RF et pulses)(RF et pulses)

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i n s t i t u t d e r e c h e r c h e

SommaireSommaire

Introduction

Dosimétrie

– Quelques exemples

– Les exigences d’une bonne dosimétrie

Signaux RF

Signaux pulsés

– sonde Electro-optique

Conclusion

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i n s t i t u t d e r e c h e r c h e

BioBioéélectromagnlectromagnéétismetisme -- ContexteContexte

Du générateur à l’analyse biologique, biophysique, biochimique

Imaging tools

M-CARS

Générateur

nsPEF

Caractérisation Electromag./ Dosimétrie

Distribution champ E, DAS, de température

Système d’expo

Exposition demilieu biologique

Analyse

Observe, analyse, diagnostic

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DosimDosiméétrie des systtrie des systèèmes dmes d’’expositionexposition

les systèmes d’exposition in vivo et in vitro doivent être bien controlés.=> => SIMULATION NUMÉRIQUE et MESURE

Dosimétrie est basée sur les déterminations de grandeurs électromagnétique et thermique.

Détermination •••• distribution de champ électromagnétique E, H, P•••• distribution de DAS S.A.R.•••• distribution de température T°

L’absorption spécifique de l’énergie (AS) est définie comme l’énergie absorbée par unité de masse de tissus biologiques (J/kg).

Le débit d’absorption spécifique (DAS) de l'énergie moyennée sur l’ensemble du corps ou sur une partie quelconque du corps, est définie comme étant le débit avec lequel l’énergie est absorbée par unité de masse de tissu biologique et elle est exprimée en watts par kilogramme (W/kg). Le DAS peut être calculé en utilisant l'une des trois relations suivantes:

DAS = DAS = DAS = ρρρρσσσσ ²E

dtcdT

ρσρσρσρσ²J

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SommaireSommaire

Introduction

Dosimétrie

– Quelques exemples

– Les exigences d’une bonne dosimétrie

Signaux RF

Signaux pulsés

– sonde Electro-optique

Conclusion

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SystSystèèmes dmes d’’exposition in vitroexposition in vitro

Tube à essai dans une cavité cylindrique Solution biologique (2.45 GHz, 37°C)

er = 75 ;s = 2.85 S/m ; r = 1000 kg/m3

volume = 5 mL => 5 g

estimation du DAS, cavité parfaitement adaptéeDAS => 1 W for 5 g => 200 W/kgDAS => 1 W for 5 g => 200 W/kg

Distribution du champ E et DAS dans le tube à essai ??

Simulation : Méthode FDTD (1 x 1 x 1 mm)Excitation : guide d’onde rectangulaire

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SystSystèèmes dmes d’’exposition in vitro : dosimexposition in vitro : dosiméétrietrie

maxmaxOO

Distribution de champ EDistribution de champ E

Sans tube Sans tube àà essaiessai Avec tube Avec tube àà essaiessai

Distribution de DASDistribution de DAS

SAR, [ W/kg / W ]E field, [ normalised]

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SystSystèèmes dmes d’’exposition in vitro : dosimexposition in vitro : dosiméétrietrie

Mesure de température– Point à point; Sonde Luxtron

RF pulsé : 200 W, 2.3 s, 20°C to 37° C

top

bottom

0 50 100 150 200 250 3002022242628303234363840

time, s

Tem

pera

ture

, °C

Microwave

Temperature

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SystSystèèmes dmes d’’exposition in vivo : dosimexposition in vivo : dosiméétrietrie

Animal dans une cellule TEM– Dispositif autour de 900 MHz

– Très forte variation du DAS => x10 suivant la position dans le cerveau

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SommaireSommaire

Introduction

Dosimétrie

– Quelques exemples

– Les exigences d’une bonne dosimétrie

Signaux RF

Signaux pulsés

– sonde Electro-optique

Conclusion

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i n s t i t u t d e r e c h e r c h e

DosimDosiméétrie RFtrie RF

Sondes– Exposition des personnes– Caractérisation des systèmes d’expositions

Sondes de champ électrique et DAS– Miniatures, transparentes aux ondes électromagnétiques– Généralement basé sur un système de redressement (diode)– Sensibilité,

• typiquement inférieur au mW/kg pour le DAS

Sondes de mesure de température– Miniatures, transparentes aux ondes électromagnétiques– Sonde Luxtron, Vitek– Sensibilité

• 1/10 au 1/100 de °K– Fréquence d’acquisition le plus élevé possible

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SommaireSommaire

Introduction

Dosimétrie

– Quelques exemples

– Les exigences d’une bonne dosimétrie

Signaux RF

Signaux pulsés

– sonde Electro-optique

Conclusion

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Champ Champ éélectriquelectrique pulspulséé

nsPEF – nanoseconde Pulsed Electric Field– Durée : nanosecondes– Amplitude : 10 kV / mm

Génération optoélectronique : – flexibilité, ajustable, compacte

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

time, ns

v(t),

Vmonopolar 2.4 ns

monopolar 1.5 nsbipolar 3.3 ns

microchip lasers

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Système d’exposition– Générateur (10 Ω, 50 Ω)– Tap off, 100:1 ratio– Sonde haute tension (6 GHz), 20:1 ratio– Oscilloscope monocoup (12 GHz)

Champ Champ éélectrique pulslectrique pulséé : dispositif: dispositif

M. Kenaan, et al., Biomedical Engineering, IEEE Trans. on, vol. 58, pp. 207-214, 2011.D. Arnaud-Cormos, Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, 58(6), pp. 1656-1662. June 2011

1/1001/100

USCUSC-- LALA

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Haute tension

FiDFiD Technologies Technologies –– 10 ns10 ns HorusHorus –– bipolar pulsebipolar pulse

Champ Champ éélectrique pulslectrique pulséé : mesure: mesure

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i n s t i t u t d e r e c h e r c h e

SondeSonde de champ de champ éélectriquelectrique

Mesures simultanées– Variation de température (max. sampling rate : 100 Hz) – Une composante de champ électrique (E > MV/m)

• moyenne le long du crystal

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i n s t i t u t d e r e c h e r c h e

SondeSonde de champ de champ éélectriquelectrique

______ sonde EO probe dans la cuvette

______ Champ E obtenu à partir dela measure de la tension

Sonde EO– nsPEF– temperature

nsPEF

T°

120 000 pulses

3 ns, 1.6 kV / 4 mm

E-field = 400 kV/m

1 kHz, 120 s

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i n s t i t u t d e r e c h e r c h e

Besoin d’une dosimétrie expérimentale – La plus précise possible

– Basée sur la mesure du champ électrique ou/et de la température

– Complétée par une dosimétrie numérique

Signaux RF– Systèmes commerciaux disponibles

Signaux pulsés– Nouveau type de sonde

ConclusionConclusion

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i n s t i t u t d e r e c h e r c h e

RemerciementsRemerciements

Contributions– Delia Arnaud-Cormos, Vincent Couderc, Philippe Leproux– PhD student: Mohamad Kenaan, Saad El Amari,

Nicolas Ticaud, Sophie Kohler– PostDoc: Caterina Merla

Collaborations

Compagnies Support– Horus Laser - Fondation Santé et Radiofréquence

– Kapteos -

Merci de votre attention