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Équipe WAVES (Electromagnetics waves in complex media)

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Contacts
Responsable : Maxim Zhadobov (CR, CNRS)

Contacts : Philippe Besnier (compatibilité électromagnétique) Maxim Zhadobov (électromagnétisme pour le bio-médical)

Secrétariats : Martine Boublil (UR1) - Magali Boussard (UN) - Sandrine Charlier (UN) - Chantal Goron (UR1) - Katell Kervella (INSA) - Pascal Richard (INSA)

Équipe : Liste des membres


Présentation de l’équipe

Electromagnétisme pour le bio-médical : Exploration de nouvelles bandes fréquentielles en dosimétrie

Les travaux relatifs au bio-électromagnétisme à l’IETR se sont d’abord orientés vers le domaine des ondes millimétriques anticipant la mise en œuvre de ces fréquences pour différents dispositifs (transmissions à courte portée et à haut débit, et plus récemment réseaux corporels sans fil). Ce positionnement a été et continue d’être très original sur plan international. Notre ambition pour la période 2017-2021 est d’explorer les bandes de fréquence pour lesquelles peu de données dosimétriques sont disponibles aujourd’hui (en termes de méthodologies, modèles, maîtrise et réduction d’exposition, etc.). La bande HF (communications civiles ou militaires et transmission d’énergie sans fil) est par exemple très peu examinée sur le plan des interactions avec le vivant malgré la spécificité des interactions ondes-matière vivante à ces fréquences. Dans ce contexte, la mise au point de nouvelles méthodes dosimétriques et de modèles représente un défi très important compte tenu de la difficulté de mise en œuvre expérimentale à ces fréquences (travaux en cours dans le cadre des projets ANSES Expo-WPT et SAD Région Bretagne WiBody ainsi que dans le cadre d’une thèse CIFRE avec Thales Communications & Security [doctorante : Jeanne FRERE]). Il s’agit de travaux innovants au niveau international. Atteindre de tels résultats permettrait d’une part d’évaluer l’exposition réelle au regard des seuils tolérés sur le plan normatif et d’autre part de proposer des méthodes permettant une meilleure maîtrise voire une réduction d’exposition.

Système de transfert d’énergie sans fil (WPT) mis en place à l’IETR pour les études dosimétriques en HF dans le cadre du projet ANSES Expo-WPT Distributions des champs électrique et magnétique générés par le système WPT
 

Electromagnétisme pour le bio-médical : Utilisation innovante des ondes électromagnétiques pour le bio-médical

L’étude des interactions entre champs électromagnétiques et vivant dépasse de très loin les études d’impacts biologiques et sanitaires. Les nombreux défis posés sur le plan médical, dans le contexte de la mise au point ou l’application de traitements, sont à l’origine d’innovations potentielles dans les domaines que nous comptons explorer. Les travaux sont orientés selon deux directions.

  1. Dans le contexte du développement des systèmes d’information propres à collecter de nombreuses données physiologiques, la question des réseaux de capteurs sur et dans le corps sera au cœur des préoccupations en termes de propagation EM, d’interactions corps / antenne et de biocompatibilité des éléments rayonnants. Notons que les évaluations EM et thermiques reposent également sur une grande incertitude des paramètres, ce qui constitue un champ d’application indéniable pour les approches statistiques présentées ci-dessous. L’objectif est de contribuer au développement de structures rayonnantes innovantes à proximité du corps (par ex. antennes miniatures pour des capteurs à l’intérieur du corps ou encore focalisation du champ EM en champ proche dans les tissus). Ces travaux ont un potentiel applicatif important et des études en étroite collaboration avec des PME sont en cours (par ex. avec BodyCap).
  2. Les thérapies thermiques (par ex. l’hyperthermie) sont des techniques utilisées dans le cadre du traitement de cancers, le plus souvent cantonnées à des expositions prolongées en régime sinusoïdal entretenu et en deçà de 10 GHz. L’exploration de la bande 10-100 GHz en vue de la focalisation de l’échauffement dans les tissus cutanés et sous-cutanés combiné au refroidissement contrôlé de la surface offre de nouvelles perspectives dans le traitement des cancers de la peau (mélanomes). Ces travaux sont menés en collaboration avec l’Institut de Recherche en Santé, Environnement et Travail (Rennes) et l’Institute of Cell Biophysics (Russie).
Représentation schématique d’un dispositif sans fil in-body pour monitoring des paramètres physiologiques Exemple d’antenne miniature conforme (application : capsules sans fil pour monitoring médical à l’intérieur du corps)
 

Compatibilité électromagnétique  : Réverbération très large bande et diversification des applications

Les activités de recherche sur les chambres réverbérantes ont connu un certain essor ces dernières années sur le plan international, et l’IETR compte aujourd’hui comme un acteur reconnu sur cette question, ayant contribué notamment à la production d’analyses statistiques poussées ainsi qu’aux méthodes d’ingénierie des chambres réverbérantes proposées pour des applications très diverses allant du façonnage de canaux de propagation à la mesure d’efficacité d’antennes, jusqu’à la mesure de diagramme de rayonnement pour ne parler que des applications hors CEM. 

Le premier objectif visé pour la période 2017-2021 est celui de l’élargissement du fonctionnement en fréquence. L’enjeu pourrait être considérable dans la perspective de réalisation d’essais à plus basse fréquence à volume de chambre raisonnable pour répondre aux besoins de mesures d’immunités de systèmes à partir de 80 MHz, et aux besoins de caractérisation de structures rayonnantes VHF. Le recours aux propriétés des cavités chaotiques est ici envisagé notamment dans le cadre de collaborations avec les laboratoires ESYCOM et LPMC. Dans le cadre CEM, il n’existe que très peu de moyens « accrédités » au-delà de la dizaine de GHz. De ce fait la connaissance en termes de sensibilité des électroniques aux fréquences millimétriques est très faible, et il semble opportun d’anticiper les évolutions dans le cadre du défi portant sur les dispositifs communicants du futur et surtout dans le cadre des applications militaires (contraintes en champ fort jusqu’à 40 GHz et probablement au-delà dans le futur).

Chambre réverbérante millimétrique pour exposition anaimale Chambre réverbérante métrique / centimétrique en configuration de mesure de diagramme de rayonnement d’antenne
 
Le second objectif est celui de la diversification des applications. Nous poursuivons tout d’abord à court-terme l’objectif de production d’un moyen d’essai millimétrique, associé à un calibrage électro-thermique, totalement compatible à l’exposition animale dans la poursuite des travaux entrepris depuis 2012. A l’issue du projet CREOM en cours (ANSES, 2015-2017) ce moyen devenu totalement compatible avec l’expérimentation animale sera rendu disponible pour l’IRSET. La caractérisation passive d’antennes est également visée afin de répondre à la difficulté de caractérisation intrinsèque des performances d’antennes indépendamment de leur liaison d’alimentation, notamment aux fréquences millimétriques. En collaboration avec l’équipe SHINE de l’IETR, ESYCOM et LPMC, nous explorons les propriétés fondamentales de la technique dite de corrélation de bruits en électromagnétisme, en vue de l’élaboration de nouvelles méthodes de caractérisation.
Prototype de la chambre réverbérante en ondes millimétriques compatible avec l’exposition animale et les moyens dosimétriques associés Vue de l’intérieur de la chambre
 

Compatibilité électromagnétique : Approches statistiques de la modélisation CEM

L’essentiel de la valeur ajoutée de la simulation CEM se situe en amont de l’existence de l’équipement ou du système qui intègre nombre d’équipements. Un outil de simulation idéal permettrait ainsi de virtualiser les essais d’homologation / certification. Il y a deux obstacles à la production de telles simulations : l’éventail des choix possibles de paramètres et la variabilité de ces paramètres d’un système à l’autre (ex : paramètres de câblages). Cette limite des approches purement déterministes de la CEM conduit naturellement au virage statistique déjà emprunté par différentes disciplines des sciences de l’ingénieur (mécanique des structures…). Un mouvement s’est amorcé dans ce sens, principalement en Europe, à travers les travaux de l’université de Notthingam, du Politecnico di Torino, di Milano, et en France à l’institut Pascal ainsi qu’au sein d’Orange-labs (modélisation dosimétrique). L’IETR s’est résolument engagé dans cette voie en 2012 avec comme objectif, la démonstration à moyen terme des apports de la mathématique statistique pour l’analyse a priori des niveaux d’interférence. L’objectif visé est d’offrir une vision probabiliste de la notion de défaillance d’un système sur le plan CEM. Nous nous appuyons pour cela sur différentes familles de méthodes, qui ont pour objectif non pas nécessairement de cerner la distribution probabiliste d’une grandeur mais de rechercher les quantiles extrêmes d’une distribution. Sans aujourd’hui présager des méthodes que nous emploierons à l’horizon 2017-2021, l’application des méthodes d’analyse de risque basée sur l’approximation du domaine de défaillance est une voie possible qui demande à être évaluée dans différents scénarios de CEM. Les approches également basées sur l’édification de modèles simples de substitution pourraient parfaitement s’adapter aux techniques actuelles de modélisation CEM. Bien au-delà des applications CEM, ces techniques seront également mises à l’étude dans le cadre d’applications « antennes » en collaboration avec les équipes CUTE et BEAMS.

 
illumination d’une ligne de transmission aux paramètres aléatoires par une onde plane impulsionnelle d’incidence et de polarisation aléatoires Histogramme d’événements extrêmes
(au delà du quantile à 99%) obtenus par la méthode dite de stratification contrôlée


Relations internationales

- Politecnico di Torino, "Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni", Italie
- University of Cambridge, "Department of Engineering", Royaume-Uni
- University of Ghent, Wireless & Cable Research Group, Belgium
- Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences, Russia


Équipe WAVES (Electromagnetics waves in complex media)

Production scientifique Thèses en cours
 
Plateaux Techniques






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