Caractérisation des propriétés mécaniques de la peau humaine in vivo via l'IRM

H.V. Tran

Abstract : The human skin is a complex biological material. It consists of three layers of different thicknesses: epidermis, dermis and hypodermis. This structural complexity gives the skin of the mechanical properties of complex hyperelastic, nonlinear, viscoelastic and submitted to the pre-tension. An indentation composed of 6 loading levels and running in the MRI environment has been developed. Indentation tests were performed on the dorsal part of the left forearm of 9 subjects of ages ranging from 26 to 40 years. For each subject, 28 MRI images were built. Each image represents a slice of the forearm. The images were then processed through a medical images processing software in house in order to reconstruct skin layers, muscles and bones. Finally, a finite element model in 2D was built from MRI images at the initial configuration (without load) using a pre-processor MSC.Patran 2005. This model consists of 4 layers of different materials: three skin layers and a muscle layer. The bones were supposed rigid and fixed. The Neo-Hooke hyperelastic incompressible constitutive law with one parameter to identify C10 was used for all 4 layers of materials (C10,Epi., C10,Der., C10,Hyp., C10,Mus.) . Indentation tests were simulated using a solver MSC.Marc 2005. The error between the simulation results and those of the experiment was measured by an objective function. The identification of parameters of the constitutive law was conducted by the minimization of the objective function via Levenberg-Marquardt algorithm developed under MatLab environment. The numerical validation of the identification process has shown that the minimum is only provided when the first two layers (epidermis and dermis) behave as a single layer (C10,E+D). The identification results provide a range of values for a population of 9 subjects: C10,E+D = [60-370] kPa; C10,Hyp. = [0,04-4] kPa; C10,Mus. = [0,7-1,7] kPa. The results reflect the human variability of mechanical properties.

Résumé : La peau humaine est un matériau biologique complexe. Elle est constituée de trois couches d'épaisseurs très différentes : épiderme, derme et hypoderme. Cette complexité structurale donne à la peau des propriétés mécaniques complexes : hyperélastique, nonlinéaire, viscoélastique et soumises à la pré-tension. Un dispositif d'indentation composé de 6 niveaux de chargement et fonctionnant dans l'environnement de l'IRM a été développé. Des tests d'indentation ont été effectués sur la partie dorsale de l'avant-bras gauche de 9 sujets d'âges variant de 26 à 40 ans. Pour chaque sujet, 28 images issues de l'IRM ont été construites. Chaque image représente une coupe de l'avant-bras. Les images ont été ensuite traitées via un logiciel de traitement d'images médicales développé en interne afin de segmenter les couches cutanées, les muscles et les os. Enfin, un modèle des éléments finis en 2D a été construit à partir des images IRM à la configuration initiale (sans charge) grâce à un pré-post processeur MSC.Patran 2005. Ce modèle est constitué de 4 couches de matériaux différents : trois couches cutanées et une couche de muscles. Les os étaient supposés rigides et fixes. La loi de comportement hyperélastique incompressible de type de Néo-Hooke avec un seul paramètre à identifier C10 a été utilisée pour toutes les 4 couches de matériaux (C10,Epi., C10,Der., C10,Hyp., C10,Mus.). Les tests d'indentation ont été simulés en utilisant un solveur MSC.Marc 2005. L'erreur entre les résultats de la simulation et ceux de l'expérimentation a été mesurée par une fonction objective. L'identification des paramètres de la loi de comportement a été réalisée par la minimisation de la fonction objective via un algorithme de Levenberg-Marquardt développé sous l'environnement MatLab. La validation numérique du processus d'identification a montré que le minimum est unique dans le cas où les deux premières couches (épiderme et derme) se comportent comme une seule couche (C10,E+D). Les résultats d'identification donne une gamme des valeurs pour une population de 9 sujets : C10,E+D = [60-370] kPa; C10,Hyp. = [0,04-4] kPa; C10,Mus. = [0,7-1,7] kPa. Ces résultats montrent la variabilité humaine des propriétés mécaniques.

Characterization of mechanical properties of the human skin via MRI

Caractérisation des propriétés mécaniques de la peau humaine in vivo via l'IRM

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