Échauffement des implants médicaux passifs soumis à un champ magnétique basses fréquences

Description

scientifique et technique :

L’objectif de la thèse proposée est double. Il s’agit dans un premier temps d’approfondir les connaissances sur l’échauffement d’implants médicaux métalliques soumis à des inductions magnétiques basses fréquences dans la bande 1 Hz et kHz. Il s’agit typiquement de signaux créés par les machines émissives les plus répandues dans le parc industriel français. Cela permettra dans un second temps de produire les résultats nécessaires à la création d’outils d’évaluation du risque utiles aux préventeurs, notamment aux médecins du travail. Ces deux objectifs seront atteints au moyen de deux étapes de travail successives.

1. Caractérisation de l’échauffement des implants isolés

Cette première étape consiste à caractériser la puissance thermique dissipée au sein de différents types d’implants soumis à des champs magnétiques basses fréquences. Il s’agit de quantifier l’élévation de température en régime de conduction thermique pure, c’est-à-dire sans échange thermique significatif avec le milieu environnant. Deux axes complémentaires seront développés en parallèle :

1. Approche expérimentale : Un banc d’essai sera développé pour soumettre plusieurs implants à une induction magnétique uniforme sinusoïdale de fréquence f et d’amplitude B0. Ils seront étudiés en conditions isolées, sans convection ou en régime de vide thermique. L’élévation de température sera mesurée à l’aide de sondes à fibre optique et par caméra thermique.
2. Approche numérique : Les implants sélectionnés seront numérisés à l’aide d’un scanner 3D afin d’obtenir des modèles géométriques fidèles et compatibles avec la méthode des éléments finis. Le modèle, fondé sur la loi de Faraday et l’équation de la chaleur, mettra en œuvre un couplage faible électromagnétique–thermique pour relier les paramètres du champ et des matériaux à la puissance thermique induite et à l’élévation de température. Ce modèle sera ajusté à partir de mesures de température effectuées sur le banc d’essai.

2. Prise en compte du milieu biologique

Cette seconde étape vise à prendre en compte le couplage thermique entre un implant et son environnement biologique pour obtenir une estimation plus réaliste de l’échauffement susceptible d’être observé. La conduction, la convection sanguine et la perfusion des tissus seront intégrées à la modélisation et, dans une moindre mesure, aux expérimentations afin de représenter les mécanismes réels de transfert et d’évacuation de la chaleur au sein des tissus. A nouveau, cette étape sera traitée via deux axes complémentaires :

3. Approche expérimentale : Différents matériaux, notamment des tissus synthétiques, seront utilisés pour prendre en compte les échanges thermiques entre l’implant et son milieu. Les propriétés thermiques (λ, ρ, et cp) et électromagnétiques (μ et σ) de ces matériaux seront déterminées ou extraites de la littérature. La mise au point des protocoles expérimentaux suivra une logique de complexité croissante, cherchant un compromis entre la représentativité thermique des conditions expérimentales et la faisabilité technique.
4. Approche numérique : L’équation de Pennes sera utilisée pour relier la puissance thermique induite à la distribution de température dans les tissus environnants, en considérant des régimes de couplage faible ou fort selon l’ampleur de l’échauffement. Cette approche permettra de décrire la diffusion et la dissipation thermique entre l’implant et les tissus et de générer des cartographies de température plus réalistes.

Dans le cadre d’activités d’information et de prévention sur les risques dus à l’exposition à des champs basses fréquences, cette étude permettrait de mieux évaluer les risques pour les travailleurs à risques particuliers.

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Partial or full private funding (CIFRE agreement, foundation, association)

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