Biological and thermal investigations of materials submitted to intense infrared radiations : From parametric identification to burn evaluation
Expertise biothermique de matériaux soumis à des rayonnements infrarouges intenses : De l'identification paramétrique à l'évaluation des risques de brûlure
Résumé
Laser-based technologies are more and more common on battlefield and individual protection facing such thermal aggressions is a crucial requirement. Therefore, this study supported by the French Ministry of Defence is mainly focused on laser-skin interactions and potential lesions (burns). In order to investigate this aggression effect on biological material, an animal model (pig whose skin is quite similar to Human skin) has been exposed to three wavelengths. Then, considering experimental results (in-vivo tests) and previous studies (performed in our research institute) as well as bibliographic researches, a mathematical model dedicated to heat transfers in skin exposed to infrared laser radiations has been developed. Once validated (with the help of experimentations), this simulation tool is used as a predictive one in order to estimate the amount of injury induced by several types of laser aggressions on the arm, the face and on the palm of the hand. Moreover, identification of a key parameter for thermal behaviour (biological material thermal diffusivity), has been investigated. In the periodic method context, a sensitivity analysis is performed in order to develop an efficient experimental bench. Finally, comparisons between experimental results and simulation are discussed and outlooks are presented.
Face à l'émergence de la technologie laser sur les champs de bataille, la protection du combattant face à de potentielles agressions thermiques doit être assurée. Le contexte de cette étude, supportée par le ministère de la Défense, concerne principalement les interactions laser-peau (nue) et plus particulièrement la lésion qui peut en résulter : la brûlure. Afin d'observer les effets d'une telle agression sur ce matériau biologique, un modèle animal (le porc, dont la peau est très similaire à celle de l'Homme) est étudié selon trois longueurs d'onde. Se basant sur des études antérieures réalisées dans notre laboratoire ainsi que sur des recherches bibliographiques et considérant les résultats obtenus in-vivo, un modèle mathématique simulant les transferts de chaleur dans la peau soumise à des rayonnements lasers infrarouges est développé. Sa validation, à l'aide des expérimentations, permet de prédire les lésions que pourraient engendrer divers types d'agressions lasers sur le bras, le visage et sur la paume de la main. En complément, une étude est menée afin d'identifier un des paramètres clés de la modélisation : la diffusivité thermique d'un matériau biologique. Pour ce faire, considérant le cadre des méthodes périodiques, une analyse de sensibilité est effectuée pour désigner les paramètres dont les incertitudes influencent particulièrement les résultats et pour concevoir de manière optimale un banc expérimental dédié à l'identification. Enfin, les comparaisons, entre les résultats obtenus expérimentalement (avec les différents lasers) et ceux simulés, sont discutées et les perspectives de ces recherches sont présentées.
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