Comportamiento mecánico de la piel en función del espesor de las capas que la componen

Abstract

Identification of the mechanical behavior of the skin is important in the clinical, cosmetic, ergonomic, and others fields. The wide range of properties reported in the literature limits the identification of constitutive equations that should be applied in complex numerical models or for the identification of disease progress or treatment efficacy. Being a multilayer material, the behavior of the skin, depends on the thickness of its layers and the properties of each of them. Initially, the most appropriate technique for the measurement of the layers is identified, between biopsy, OCT, US, MRI and CLSM. The measurement of the main layers (cutis and hypodermis) is reliably measured by MRI for 32 patients between 18 and 54 years old. The percentage of the cutis corresponding to the epidermis (6%) is established by comparison with histological images. MRI images are taken under indentation conditions to measure the deformation of the layers. Additionally, an indentation system was developed to obtain the force vs. displacement curves for 24 patients. Finally, computational models (monolayer and multilayer) are developed with reconstructed MRI geometry, the properties of the skin are optimized by comparing experimental and computational curves. Neo Hookean and Ogden properties were found using iFEM, which define the multilayer tissue. In conclusion, a regression analysis allows to predict the mechanical behavior of the multilayer tissue (skin) from the thickness and mechanical properties of the layers. Additioonaly, the constitive equation coefficients for Ogden model can be predicted by some population and experimental parameters, which allow the equation to be used in subsequent numerical models.

La identificación del comportamiento mecánico de la piel es importante en el campo clínico, cosmético, ergonómico, entre otros. El amplio rango de propiedades reportadas en la literatura limita la identificación de ecuaciones constitutivas que deben aplicarse en modelos numéricos complejos o como base para la identificación de progreso de enfermedades o eficacia de tratamientos. Al tratarse de un material multicapa, el comportamiento del conjunto (piel), depende del espesor de sus capas y las propiedades de cada una de ellas., Inicialmente se identifica la técnica más adecuada para la medición de las capas, entre biopsia, OCT, US, MRI y CLSM. Se reliaza la medición de las capas principales (cutis e hipodermis) mediante MRI de 32 pacientes entre 18 y 54 años y se establece el porcentaje de la cutis que corresponde a la epidermis (6%), mediante comparación con imágenes histológicas. También se toman imágenes de MRI en condiciones de indentación para medir la deformación de las capas. Adicionalmente, se desarrolló un sistema de indentación que permite obtener las curvas de fuerza vs. desplazamiento para 24 de los pacientes. Finalmente, se desarrollan modelos computacionales (monocapa y multicapa) con las geometrías reconstruidas de MRI y se optimizan las propiedades del conjunto mediante comparación de curvas experimentales con las computacionales. Se encontraron mediante iFEM propiedades Neo Hookean y Ogden, que definen aproximadamente al conjunto multicapa., En conclusión, un análisis de regresión permite predecir el comportamiento mecánico del conjunto multicapa (piel) a partir del espesor de las capas que lo componen y las respectivas propiedades mecánicas de las mismas. A su vez, pueden predecirse los coeficientes de la ecuación constitutiva de Ogden mediante ciertos parámetros poblacionales y experimentales, que permiten usar la ecuación en posteriores modelos numéricos.