Contribution to the experimental and numerical study of the hyperelastic and anisotropic behavior of human skin.
Contribution à l’étude expérimentale et numérique du comportement hyperélastique et anisotrope de la peau humaine.
Résumé
From a mechanical point of view, human skin is a complex multilayer structure with viscoelastic, non-linear and anisotropic properties. The work presented in this thesis combines experimentation, modeling and the identification by inverse method, and is characterized by using a new extensometer device suitable for non-invasive mechanical measurements of in vivo skin. Load-displacement responses for different angular configurations, intensities and body locations were obtained in in vivo tests. Ex vivo tests were, however performed for comparison and validation. Particular attention was paid to the initial skin tension. The different experimental tests were simulated using two materials' behavior laws: the first order Ogden’s law, describing the isotropic hyperelastic behavior of the skin and the Holzapfel-Gasser-Ogden’s law (HGO), describing the anisotropic hyperelastic behavior of the material. The latter was implemented in the Ansys® software usermat. The characteristic parameters of the tested skin areas were identified by the inverse method. The influence of the compressibility of the skin on its mechanical behavior was highlighted. Finally, a numerical analysis was performed on the V-Y advancement flap, which is a surgical technique of suture practiced for filling the losses of substance.
D’un point de vue mécanique, la peau est une structure multicouche complexe ayant des propriétés viscoélastique, non-linéaire, quasi-incompressible, anisotrope et en état de précontrainte. Le travail présenté dans cette thèse associe expérimentation, modélisation et identification numérique et se distingue en particulier par l’utilisation d’un dispositif d’extensométrie développé au laboratoire et adapté à des mesures in vivo non invasives. Des tests ex vivo ont cependant été réalisés également à titre de comparaison et de validation. Une attention particulière a été portée à la tension cutanée initiale (ou naturelle). Les essais in vivo ont permis d’obtenir des réponses force – déplacement sous différentes configurations angulaires, d’intensité et pour diverses localisations corporelles. Les essais ex vivo ont quant à eux permis d’estimer l’état de contrainte initiale par la mesure des forces nécessaires à la remise en tension d’explants. Ces différents essais expérimentaux ont été modélisés en utilisant deux lois de comportement : la loi d’Ogden du premier ordre permettant de décrire un comportement hyperélastique isotrope et la loi d’Holzapfel-Gasser-Ogden (HGO) décrivant un comportement hyperélastique anisotrope. Cette dernière a été implémentée sous l’interface utilisateur du logiciel Ansys®. Les paramètres caractéristiques des zones cutanées testées ont été identifiés par méthode inverse. L’influence de la compressibilité de la peau sur son comportement mécanique est mise en évidence. Au final, les travaux de cette thèse ont été appliqués au lambeau d’avancement de type V-Y qui est une technique de suture pratiquée pour combler les pertes de substance.
École doctorale : Sciences pour l'ingénieur et microtechniques Spécialité : Mécanique Contribution à l'étude expérimentale et numérique du comportement hyperélastique et anisotrope de la peau humaine par : Djamel REMACHE Thèse co-encadrée par
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