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Theses Year : 2011

Thermomechanical properties of the skin and its direct environment

Propriétés thermomécaniques de la peau et de son environnement direct

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Abstract

The aim of this study is to propose a combined model of heat transfer in the vein and tissue of human skin. It allows to better understand the thermomechanical behavior of the skin and its direct environment when exposed to strong thermal variations. The work is based on experimental and numerical investigations. The first experimental step consists in placing a cooled or a heated cylindrical steel bar on the skin of a human forearm and measuring the temperature change using an infrared camera. Blood circulation in the veins was seen to clearly influence heat diffusion. The second experimental step consists in measuring geometrical properties of the veins and blood velocity using an echo-Doppler probe. These experimental measurements provide a numerical model of the skin and its direct vicinity. The three-dimensional multilayer model uses Pennes equation to model biological tissue and the convective heat transport equation, to model blood. The properties of the biological materials obtained from the literature are validated by our experimentation. The numerical model is able to simulate the experimental observations, but also to estimate blood temperature and velocity in the veins. Finally, a numericalmodel of thermal damage, coupled with the multilayer model of skin, was developed in this study. It simulates the damage due to burning of the skin and to test the efficacy of different treatments to limit the damage.
Le but de cette étude est de proposer un modèle combiné au transfert de chaleur dans les veines et les tissus de la peau humaine. Ce modèle permet de mieux comprendre les comportements thermomécaniques de la peau et de son environnement direct lorsqu'ils sont exposés à de fortes variations thermiques. Le travail est basé sur des études expérimentales et numériques. La première étape expérimentale consiste à placer une barre d'acier cylindrique refroidie ou réchauffée sur la peau d'un avant-bras humain et de mesurer l'évolution de température en utilisant une caméra infrarouge. L'influence de la circulation sanguine dans les veines sur la diffusion de la chaleur est très nettementmise en évidence. La deuxième étape expérimentale consiste à mesurer les propriétés géométriques des veines et la vitesse du sang en utilisant une sonde d'écho-Doppler. Ces mesures expérimentales servent à l'élaboration et à la validation d'un modèle numérique de la peau et de son environnement direct. Ce modèle tridimensionnelmulticouche utilise l'équation de Pennes pour modéliser les tissus et celle de la chaleur dans un fluide pour modéliser le sang. Les propriétés des matériaux sont tirées de la littérature et validées par notre expérimentation. Le modèle numérique permet de retrouver lesmesures expérimentales, mais aussi d'accéder à la température et à la vitesse du sang dans les veines. Enfin, un modèle numérique d'endommagement thermique, couplé aumodèle multicouche de la peau, a été développé dans cette étude. Il permet de simuler l'endommagement suite à une brûlure de la peau et de tester l'efficacité de différents traitements visant à limiter les lésions.
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Dates and versions

tel-00716268 , version 1 (10-07-2012)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00716268 , version 1

Cite

Domoina Ratovoson. Propriétés thermomécaniques de la peau et de son environnement direct. Biomécanique [physics.med-ph]. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00716268⟩
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