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Ecole Centrale de Lyon (29/11/2007), Alain Nicolas (Dir.)
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Contribution à la modélisation tridimensionnelle des interactions champ électromagnétique – corps humain en basses fréquences
Le Ha Hoang1

Le corps humain est de plus en plus exposé à une pollution électromagnétique résultant de l'utilisation croissante de l'électricité. Bien que les conséquences sur la santé ne soient pas clairement établies, des réglementations européennes précisent notamment des valeurs de champ magnétique H, de champ électrique E, et de densité J de courants induits dans le corps à ne pas dépasser. Par ailleurs, le transport de l'énergie électrique attire l'attention depuis longtemps en raison des valeurs très importantes des grandeurs électriques. Compte tenu des difficultés liées à la mesure invasive de champs et de courant dans le corps, ce travail de thèse est consacré à la modélisation numérique 3D par Eléments Finis de ces phénomènes induits à la fréquence industrielle (50 ou 60 Hz). L'étude bibliographique fait le point sur les effets des champs sur la santé à court et long terme, les méthodes numériques et expérimentales utilisées pour la dosimétrie, et les caractéristiques électriques macroscopiques des organes. Partant des Equations de Maxwell, les deux formulations « classiques » (électro-quasi-statique, et ф – A ) sont mis en œuvre pour simuler séparément les effets des champs E et H sur des géométries simples. Les résultats mettent en évidence certaines contraintes liées aux conditions d'exposition, à la présence du sol et aux caractéristiques du corps humain. Puis une formulation unifiée est développée à partir des travaux d'A. Bossavit, et permet de prendre en compte l'exposition simultanée aux champs électrique et magnétique. Cette formulation est associée à une démarche en plusieurs étapes avec différents domaines d'étude (extérieur du corps, corps seul), des conditions d'interface, et des conditions aux limites spécifiques. Diverses simulations réalisées sur un modèle anatomique de corps humain illustrent les effets séparés et combinés des deux champs sur la répartition des courants induits. Des comparaisons avec les résultats obtenus par d'autres équipes de recherche avec d'autres méthodes numériques et modèles du corps humain, apportent une certaine validation en l'absence de résultats expérimentaux. Finalement, l'utilisation du modèle est illustrée pour les travailleurs sous tension sur les lignes.
1:  Ampère
champ électromagnétique B.F. – exposition humaine – dosimétrie numérique – éléments finis

Contribution to modelization of 3D low frequencies interaction between EM fields and human body
The human body is more and more exposed to the “electrosmog”, due to increasing usage of electricity. Although the consequence of such a pollution on the human health have not been clearly established, European standards define some maximum values for the magnetic field H, the electrical field E, and the resulting induced current density J, which have not to be exceeded in the human body. Besides, the transport of electrical energy is focusing the concerns since a long time, due to the very high levels of all the electrical quantities. As invasive measurements of electromagnetic fields and current density in the body are vary difficult, this PhD thesis is devoted to 3D Finite Element modelling of induced phenomena in the human body at power frequencies (50 or 60 Hz).
The bibliography presents the state of the art on short-time and long time effects of electromagnetic fields on the human health, experimental and numerical methods used in dosimetry of electromagnetic phenomena, and on the macroscopic electrical quantities (conductivity and permittivity) of the organs.
Starting from Maxwell equations, the two “classical” formulation (dielectric, and ф-A) are implemented, so as to simulate separately the effects of E and H fields on simple geometries. The results put in evidence some constraints, concerning the exposure conditions, the presence of the soil and electrical properties of the human body.
Then, a unified formulation has been developed from the work of A. Bossavit, and allows taking into account the simultaneous exposure to the E and H fields. The modelling associated with this formulation requires three steps, each of one having its own domain of resolution (the space out of the body, the only body), interface conditions and boundary conditions. Several simulations with an anatomical model of the body illustrate the independent and simultaneous effects of the two fields E and H on the distribution of induced currents.
Comparisons with results obtained by researchers of other groups by using other numerical methods and models of the human body, take to this work a kind of validation (at present time no experimental validation is available). Finally, this modelling has been used to illustrate the case of workers operating with electrical power lines.
Low frequency electromagnetic field – human exposition – numerical dosimetry – finite element