Enhancing low-frequency induction heating effect of ferromagnetic composites : Toward medical applications - Thèses de l'INSA Lyon Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Enhancing low-frequency induction heating effect of ferromagnetic composites : Toward medical applications

Amélioration de l'effet de chauffage par induction basse fréquence des composites ferromagnétiques : Vers les applications médicales

Résumé

Ferromagnetic composites, polymer matrix mixed with ferromagnetic particles show good potential in medical applications. In this thesis, we especially focus on the Low Frequency Induction Heating (LFIH) of ferromagnetic catheters as an alternative process for varicose veins ablation. The LFIH effect appears as soon as the composite is exposed to an alternating magnetic field. This phenomenon is mainly due to the so-called "microscopic" eddy currents generated by the magnetic domain wall motions. By inserting the catheter through a damaged varicose vein, and exciting it with a low frequency, high amplitude magnetic field, it is conceivable to reach a temperature high enough to properly heal the damaged area without injuring the surrounding healthy ones. Compared to the existing treatments, the LFIH method is accurate, cost competitive and simple. By transferring heat in a non-conductive way, the catheter bulkiness is reduced and the method is applicable even in tortuous veins. Ferromagnetic composites with different shapes and particle volume fractions were built and tested in a specific experimental bench. Different parameters (frequency, particle fraction …) were analyzed to reach the best thermal answer. The physical properties (permeability, electrical and thermal conductivities) were also characterized. A Comsol® model combining ferromagnetic behavior and thermal transfer properties was designed to improve the understanding of the phenomena. For a better efficiency, specimens with anisotropic magnetic behaviors were built by curing them under the influence of a static magnetic field. Finally, a commercial extrusion-type 3D printer was used to print samples with catheter shapes. Isotropic and anisotropic specimens were built. Interesting LFIH behavior were observed and for the later ones directional answers potentially interesting in alternative medical applications like the electromagnetic tracking (surgery navigation).
Les composites ferromagnétiques, matrices polymères renforcées de particules ferromagnétiques présentent un potentiel intéressant dans de nombreuses applications médicales. Dans cette thèse, nous nous concentrons particulièrement autour du Chauffage par Induction Basse Fréquence (CIBF) de cathéters ferromagnétiques, une méthode alternative pour l'ablation des varices. L'effet CIBF apparaît dès lors que le composite est exposé à un champ magnétique alternatif. Ce phénomène est principalement dû aux courants de Foucault dits "microscopiques" générés par les mouvements des parois des domaines magnétiques. En introduisant le cathéter à travers la varice endommagée et en l'excitant par un champ magnétique basse fréquence, haute amplitude, il est concevable d'atteindre une température suffisamment élevée pour guérir correctement la zone endommagée sans perturber les zones saines environnantes. Par comparaison aux traitements existants, la méthode CIBF est précise, économique et simple. En transférant la chaleur sans conduction, l'encombrement du cathéter est réduit et le procédé semble applicable même pour des veines très sinueuses. Des composites ferromagnétiques de différentes formes et fractions volumiques ont été fabriqués et testés grâce à un dispositif expérimental dédié. Différents paramètres (fréquence, pourcentage de particules…) ont été analysés afin d’établir la combinaison présentant la meilleure réponse thermique. Les propriétés physiques (perméabilité, conductivités électrique et thermique) ont également été caractérisées. Un modèle Comsol® combinant comportement ferromagnétique et thermique a été conçu afin d’améliorer la compréhension des phénomènes. Pour améliorer la conversion, des échantillons anisotropes ont été développés en imposant un champ magnétique statique dans la phase de solidification. Finalement, une imprimante 3D de type extrusion a été utilisée pour imprimer des échantillons de formes proches de celle d’un cathéter. Des spécimens isotropes et anisotropes ont été imprimés. Les réponses CIBF distinctes et marquées entre les différentes directions testées chez les échantillons anisotropes ouvrent la voie à d’autres applications médicales comme le suivi électromagnétique (navigation chirurgicale).
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03231248 , version 1 (20-05-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03231248 , version 1

Citer

Ziyin Xiang. Enhancing low-frequency induction heating effect of ferromagnetic composites : Toward medical applications. Materials. Université de Lyon, 2021. English. ⟨NNT : 2021LYSEI022⟩. ⟨tel-03231248⟩
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