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

Contexte :

Un nombre croissant de personnes est équipé d’implants médicaux métalliques tels que des stents, des prothèses ou encore des plaques. Lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique variable, ces implants peuvent s’échauffer par induction et provoquer des lésions des tissus environnants. Une personne est susceptible d’être davantage exposée sur son lieu de travail qu’en dehors, car les limites d’exposition concernant les travailleurs sont supérieures à celles définies pour le public. De plus, le respect des limites professionnelles protège les salariés considérés comme « sans risque particulier », mais pas nécessairement ceux porteurs d’implants médicaux. Conformément au Code du Travail, il est nécessaire de mener une évaluation des risques spécifique à cette catégorie de travailleurs. Toutefois, les données disponibles à ce sujet dans la littérature restent trop limitées pour protéger correctement les salariés. Il existe bien des études sur l’échauffement des implants soumis aux radiofréquences, mais les basses fréquences, représentatives de l’exposition professionnelle, restent peu étudiées. Quelques travaux portent néanmoins sur l’échauffement lié aux gradients de champ en IRM, dont les fréquences sont de l’ordre du kilohertz. Concernant le contexte professionnel, seul un rapport en allemand, rédigé par l’équivalent autrichien de l’INRS, est aujourd’hui disponible.

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 100 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 :

• 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.
• 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 in vivo. 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 :

• 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.
• 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.

Le laboratoire GeePS est une unité mixte CNRS, CentraleSupelec, Université Paris-Saclay et Sorbonne Université. Avec 250 collaborateurs, dont 130 permanents (chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs et techniciens) et environ 80 doctorants, il constitue l’un des laboratoires les plus importants en Ile de France dans le domaine de « l’Electrical Engineering ». Les travaux de recherche réalisés au sein de l’unité combinent une triple approche : théorie - modélisation numérique - caractérisation et validation expérimentale.

L’Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS) conduit des études et recherche à finalité applicative dans l’objectif d’acquérir des connaissances scientifiques et techniques validées et publiées pour faire progresser la prévention des risques professionnels. Au sein du département Ingénierie des Equipements de Travail (IET), le laboratoire Electromagnétisme, Vibration, Optique (EVO) s’intéresse à la prévention des risques associés à l’exposition professionnelle aux nuisances physiques. L’équipe en charge de l’étude des impacts des champs électromagnétiques améliore des techniques de mesures, développe des moyens de modélisation numérique (simulation) et met en œuvre des bancs d’essais permettant de confronter la théorie à l’expérimentation.

Les candidats peuvent être issus (liste non-exhaustive) :

• de Master 2 « Physique expérimentale » ou équivalent,
• ou de Master 2 « Génie Électrique / Thermique » ou équivalent,
• ou d’une École d’ingénieur avec une formation « Génie Électrique / Électrotechnique / Thermique ».

Les postulants devront montrer un goût prononcé pour les essais expérimentaux et une expérience préliminaire (stage, projet de fin d’étude,...) dans un laboratoire de recherche ne fera que renforcer le dossier de candidature. Une connaissance des méthodes numériques de résolution des équations aux dérivées partielles (type méthode des éléments finis) serait appréciée, mais n’est en rien obligatoire. Le doctorant sera appelé à participer à la vie du laboratoire.