Fiche individuelle

This paper describes an electromechanical handheld probe dedicated to skin biomechanics characterization. This probe is composed of two piezoelectric bending actuators that control tip displacement. Simultaneous force and displacement sensing is achieved by integrating two pairs of resistive strain gauge sensors. Piezoelectric hysteresis, however, compromises the accuracy of force sensing. To improve force sensing, a hysteresis model is introduced. The hysteresis behavior of piezoelectric actuators is usually described between the input voltage and output displacement. The influence of external force is rarely discussed. Considering the combined effects of the electric field and the external stress, we model hysteresis with the instantaneous displacement relying on the Bouc–Wen model. Experimental and simulation results show that the hysteresis model can predict bender behavior even driven by multi-harmonic voltages. Based on this hysteresis model, the hysteresis compensation strategy is validated at no load and loaded conditions (a spring load). However, to simplify the compensation process, another original strategy is proposed, relying on a closed-loop displacement control. Results demonstrate that the second approach also improves the accuracy of force sensing. Finally, preliminary measurements performed on the real skin show promising results.

This paper presents an integrated probe, designed to measure the rheological properties of the skin in situ. It includes two piezoelectric bender actuators and strain gauges as sensors. The advantage of the proposed probe is that the measurements of tip force and displacement are accomplished without external devices. A feedback voltage control is applied to control the vibration amplitude of the piezoelectric benders. Through feedback from integrated strain gauges, the displacement control is achieved. As shown in the simulation, the closed-loop system is robust to disturbance and uncertainty. The proposed probe may be used to measure skin mechanical impedance.

Pressure ulcers are localized damage to the skin and/or underlying tissue. It’s expensive to treat pressure ulcers at advanced stages. Moreover, they lower the patient's quality of life, being painful and life-threatening. Early detection is one of the solutions to prevent pressure ulcers. The objective of this thesis is to develop a handheld probe to measure skin biomechanics in vivo and to aid in the early diagnosis of skin at risk. This probe is composed of two piezoelectric bending actuators that stretch the skin surface and control the tip displacement. Simultaneous force and displacement sensing is achieved by integrating two pairs of resistive strain gauge sensors. The basic functions of the probe, simultaneous sensing and displacement control, are experimentally validated. Hysteresis compensation strategies are presented to improve force sensing. The discrimination capability of the probe is first justified with tests on phantom skins. Then, we apply this probe to measure skin properties in vivo. The anatomical-site-related differences are characterized by the probe. The reliability and sensitivity of the parameters derived from the probe are studied in collaboration with the University of Southampton. Preliminary results show that the probe can detect skin damage caused by mechanical insult (tape strapping) with a reduced dynamic modulus. This research can contribute to not only the early detection of skin issues but also provide valuable experimental data that can be used, for example, in the development of computational models. Les escarres sont des maladies de la peau ou des tissus internes. Il est très couteux de traiter des escarres à des stades avancés. De plus, ce sont des pathologies très douloureuses, qui altèrent fortement la qualité de vie des patients atteints et peuvent même être fatals à un stade étendu. La détection précoce de ces escarres est donc primordiale pour pallier leurs effets. L’objectif de cette thèse est de développer une sonde portable pour mesurer les caractéristiques biomécaniques de la peau à risque « in vivo » et ainsi aider à prévoir l’apparition d’escarres. Cette sonde est composée de deux benders piézo-électriques qui vont étendre la surface de la peau de manière contrôlée. La mesure simultanée de la force de réaction de la peau et de son déplacement est réalisée grâce à l’intégration de deux jauges de contrainte résistives. Les fonctions essentielles de la sonde, à savoir le contrôle du déplacement et l’acquisition des mesures mécaniques sont validées expérimentalement. Pour améliorer la mesure de la force, des stratégies de compensation de l’effet d’hystérésis sont présentées. Les capacités de distinction de la sonde entre différentes surfaces sont tout d’abord testées sur des peaux artificielles dites « fantômes ». Ensuite, la sonde est appliquée pour mesurer les caractéristiques de peaux saines « in vivo », ceci sur différentes localisations. Il est montré que la sonde est capable de différencier ces localisations. La sensibilité et la fiabilité des paramètres mesurés par la sonde sont analysées en collaboration avec l’Université de Southampton. Des premiers résultats montrent que la sonde est capable de détecter des dommages de la peau dues à des dégradations mécaniques (arrachage d’un ruban adhésif par exemple). Cette recherche peut donc contribuer à la détection précoce d’escarres mais également fournir des données sur la mécanique de la peau pour renseigner le développement de modèles.