Soutenance de thèse de GIRAUD Dorian
Titre de thèse
Apport physiologique et thermique à la modélisation des sources
énergétiques musculaires de la cuisse
Physiological and thermal considerations in modelling the
muscle energy sources of the thigh
Résumé de la thèse
Ce travail vise à prédire le terme source volumique lors d'une exposition au froid et de la phase subséquente en faisant le pont entre la physiologie et les transferts thermiques. Pour ce faire, les températures musculaires pré- et post-immersion, des quadriceps et des ischiojambiers, ont été mesurées par thermométrie par résonance magnétique nucléaire. Une immersion de 15 min dans de l'eau à 10°C jusqu'à la crête iliaque a été réalisée par 9 hommes et 10 femmes, suivie d'une heure de récupération à température ambiante. Un refroidissement différent entre les sexes a été montré, engendré par la profondeur de mesure différente dans le quadriceps entre les deux sexes. Seuls les hommes se sont réchauffés post-immersion, avec une augmentation d'environ 0.5°C, 1h post-immersion, à 2 cm dans le quadriceps.
Ensuite, les phases physiologiques liées à l'immersion en eau froide et à la phase subséquente ont été déterminées. Le protocole d'immersion était similaire au protocole précédent, et la récupération post-immersion était de 40 min. 21 hommes ont pris part à cette étude. Trois différentes phases ont pu être mises en évidence pour déterminer les sources musculaires per- et post-immersion. Durant les trois premières minutes d'immersion, la ventilation s'emballe tandis que le débit sanguin artériel chute. C'est le cold shock response. Puis, durant toute la durée de l'immersion, le débit sanguin artériel reste bas, et la consommation d'oxygène élevée. À partir d'une dizaine de minutes post-immersion, une troisième phase démarre avec un débit sanguin artériel qui tend à remonter, et la consommation en oxygène musculaire du vaste latéral qui augmente.
La détermination des sources pré-immersion a été réalisée grâce à un modèle éléments finis de la cuisse de chaque participant construit à partir d'images obtenues par résonance magnétique nucléaire. Après avoir attribué les valeurs de masse volumique, de capacité thermique massique et de conductivité thermique au gras, au muscle et à l'os, le modèle a été réalisé. Lors de la phase pré-immersion, le solveur était stationnaire. Les sources optimales ont été déterminées par régression linéaire. Les sources pré-immersion estimées sur les femmes étaient plus élevées que celles estimées sur les hommes. Cette différence peut s'expliquer par la thermogenèse non frissonnante musculaire, mais cela reste à prouver.
La distribution des températures obtenue avec le modèle stationnaire a ensuite été utilisée comme condition initiale lors de la simulation avec un solveur instationnaire, représentant l'immersion dans l'eau froide et la phase post-immersion. La minimisation a été réalisée sur les températures post-immersion. Trois sources par groupe musculaire ont été déterminées : durant les trois premières minutes d'immersion (phase 0), durant le reste de l'immersion jusqu'à 10 minutes post-immersion (phase 1), puis jusqu'à 1 h post-immersion (phase 2). La phase 0 a été déterminée à partir des sources musculaires pré-immersion.
Une forte variabilité des sources a été observée durant la phase 1, et dans une moindre mesure durant la phase 2. Néanmoins, les sources, indépendamment du groupe musculaire, étaient plus hautes durant la phase 1 que durant les phases 0 et 2, montrant une augmentation des mécanismes thermogéniques durant l'immersion en eau froide. Durant la phase 1, le quadriceps avait une production de chaleur supérieure à celle des ischiojambiers, probablement en raison des paramètres morphologiques.
Ces résultats ouvrent la voie vers une nouvelle méthode de détermination des sources musculaires dans diverses conditions physiologiques, permettant une probable amélioration des modélisations thermiques actuelles.
Thesis resume
The aim of this study is to predict the volumetric heat source during cold exposure and the subsequent recovery phase, thereby bridging the gap between physiology and heat transfer. To this end, muscle temperatures in the quadriceps and hamstrings were measured using nuclear magnetic resonance thermometry before and after immersion. A total of nine men and ten women underwent a 15-minute immersion in water at 10 °C up to their iliac crests, followed by one hour of recovery at room temperature. Differences in cooling between the sexes were observed, resulting from the different measurement depths in the quadriceps of the two groups. Only the men warmed up after immersion, with an increase of approximately 0.5°C at a depth of 2 cm in the quadriceps one hour after immersion.
Next, the physiological phases associated with cold-water immersion and the subsequent recovery period were identified. The immersion protocol was similar to the previous one, but the post-immersion recovery period was 40 minutes. Twenty-one men participated in this study. Three distinct phases were identified to determine muscular activity during and after immersion. During the first three minutes of immersion, ventilation increased rapidly while arterial blood flow decreased. This is the cold shock response. Throughout the remainder of the immersion period, arterial blood flow remained low and oxygen consumption remained high. Approximately ten minutes after immersion, a third phase begins, during which time arterial blood flow tends to rise and muscle oxygen consumption in the vastus lateralis increases.
The pre-immersion heat sources were determined using a finite-element model of each participant's thigh, which was constructed from nuclear magnetic resonance images. After assigning density, specific heat capacity and thermal conductivity values to fat, muscle and bone, the model was created. During the pre-immersion phase, the solver was set to steady state. The optimal heat sources were determined by linear regression. The estimated pre-immersion heat sources for women were higher than those for men. This difference may be explained by non-shivering muscle thermogenesis, but this remains to be proven.
The temperature distribution obtained from the steady-state model was then used as the initial condition for simulating immersion in cold water and the post-immersion phase using a transient solver. Minimisation was performed on the post-immersion temperatures. Three heat sources per muscle group were identified: during the first three minutes of immersion (phase 0); during the remainder of the immersion and up to 10 minutes post-immersion (phase 1); and up to 1 hour post-immersion (phase 2). Phase 0 was determined based on pre-immersion muscle heat sources.
High variability in heat production sources was observed during phase 1 and, to a lesser extent, during phase 2. Nevertheless, regardless of muscle group, heat production was higher during phase 1 than during phases 0 and 2, indicating an increase in thermogenic mechanisms during cold-water immersion. During phase 1, the quadriceps produced more heat than the hamstrings, likely due to morphological factors.
These results pave the way for a new method of determining muscle heat production under various physiological conditions, which could improve current thermal modelling.