# Efficacité des moyens de protection thermique, utilisés en salle de naissance, pour le réchauffement du nouveau-né prématuré placé en peau à peau: approche par modélisation des flux de chaleur

Lisa Gossart

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Lisa Gossart. Efficacité des moyens de protection thermique, utilisés en salle de naissance, pour le réchauffement du nouveau-né prématuré placé en peau à peau: approche par modélisation des flux de chaleur. Gynécologie et obstétrique. 2023. dumas-04956416

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UNIVERSITE PICARDIE JULES VERNE
FACULTE DE MEDECINE D'AMIENS

ECOLE DE SAGES-FEMMES D'AMIENS

Année 2022-2023

Lisa Gossart

Efficacité des moyens de protection thermique, utilisés en salle de naissance,
pour le réchauffement du nouveau-né prématuré placé en peau à peau :
approche par modélisation des flux de chaleur.

MEMOIRE POUR LE DIPLÔME D'ETAT DE SAGE-FEMME
<figure><img src="image_2.png" /></figure>
REMERCIEMENTS

Je voudrais tout d'abord remercier Monsieur Libert Jean-Pierre pour avoir accepté de m'accompagner dans la réalisation de ce mémoire. Ainsi, que pour le partage de ses connaissances, sa grande disponibilité et sa bienveillance tout au long de ses 2 dernières années.

Je remercie Monsieur Delanaud Stéphane pour m'avoir initiée à l'expérimentation en laboratoire et pour ses nombreux conseils.

J'exprime toute ma reconnaissance à Madame Bach Véronique pour l'accueil au sein de son laboratoire PERITOX – UMR-I 01 et son soutien.

Je tiens à remercier l'ensemble de l'équipe de sages-femmes enseignantes pour leur aide pendant les étapes mémoires. Et particulièrement Madame Dauchet pour son accompagnement et la relecture de ce mémoire.

J'adresse mes remerciements à Alexis et à mes parents qui m'ont encouragée toutes ces années d'études. Pour leur amour et leur soutien quotidien.

Je souhaite remercier May Ihaddaden pour son amitié sincère et son soutien, qui aura été sans failles tout au long de ces années d'études.
# SOMMAIRE

<table><tr><td>GLOSSAIRE</td><td>2</td></tr><tr><td>PRÉAMBULE</td><td>4</td></tr><tr><td>INTRODUCTION</td><td>5</td></tr><tr><td>1. Justification scientifique</td><td>5</td></tr><tr><td>2. La méthode du peau à peau : Pratique auprès des prématurés</td><td>15</td></tr><tr><td>3. Objectifs et hypothèses</td><td>19</td></tr><tr><td>MATÉRIEL ET MÉTHODE</td><td>21</td></tr><tr><td>1. Conception du modèle mathématique</td><td>21</td></tr><tr><td>2. Mannequin calorimétrique</td><td>26</td></tr><tr><td>3. Protocole expérimental</td><td>28</td></tr><tr><td>4. Analyses statistiques</td><td>32</td></tr><tr><td>RESULTATS</td><td>33</td></tr><tr><td>1. Variables mesurées</td><td>33</td></tr><tr><td>2. Variables calculées</td><td>34</td></tr><tr><td>DISCUSSION</td><td>44</td></tr><tr><td>CONCLUSION</td><td>48</td></tr><tr><td>BIBLIOGRAPHIE</td><td>49</td></tr><tr><td>ANNEXE 1 : Publication parue dans la revue internationale Applied Sciences en 2023.</td><td>59</td></tr></table>
GLOSSAIRE

ω : mouillure de la peau

A<sub>c</sub>: surface cutanée qui échange par convection

A<sub>k</sub>: surface de contact du matelas en contact avec la surface cutanée

A<sub>r</sub>: surface cutanée qui échange par rayonnement

C : échange de chaleur convective

C<sub>p</sub>: chaleur spécifique de la peau humaine

CH : centre hospitalier

CHU : centre hospitalier universitaire

C<sub>resp</sub>: convection respiratoire

E : perte de chaleur par évaporation transcutanée

EPIPAGE : épidémiologie sur les petits âges gestationnels (étude menée par l'INSERM)

E<sub>resp</sub>: perte de chaleur par évaporation respiratoire

f<sub>cl</sub>: rapport entre la surface du sujet vêtu et celle du sujet nu

F<sub>cl</sub>: facteur de réduction des échanges de chaleur par rayonnement et convection

F<sub>pcl</sub>: facteur de réduction des échanges de chaleur par évaporation

h<sub>c</sub>: coefficient de convection

h<sub>e</sub>: coefficient d'évaporation

h<sub>r</sub>: coefficient de rayonnement

HR : humidité relative de l'air

I<sub>cl</sub>: Isolement thermique vestimentaire

K : perte de chaleur conductive

λ : conductibilité thermique du matelas

m<sub>b</sub>: masses corporelles

M : métabolisme énergétique

M<sub>H2O</sub>: masse d'eau dans l'air inspiré

OMS : Organisation Mondiale de la Santé

Pa<sub>H2O</sub>: pression partielle de vapeur d'eau dans l'air

P<sub>e</sub>: pression de vapeur d'eau dans l'air expiré

P<sub>i</sub>: pression de vapeur d'eau dans l'air inspiré

P<sub>SH2O</sub>: pression saturante de vapeur d'eau au niveau cutané

R : perte de chaleur radiative
S : stockage de chaleur

SA : semaines d'aménorrhées

Skin-to-skin : contact peau à peau entre la mère et l'enfant

Ta : température de l'air

Tb : température corporelle moyenne

Te : températures de l'air expiré

tg : température de globe noir

Ti : température de l'air inspiré

Tm : température de surface du matelas

TsK : température cutanée moyenne
# PRÉAMBULE

Lors de ma 2e année d'étude au sein de l'école de sage-femme Michel Vitse d'Amiens, un double cursus avec la possibilité d'effectuer un Master 1 de recherche en biologie-santé nous a été présenté. Cette intervention a éveillé ma curiosité et j'ai pu découvrir un trait pour le domaine de la recherche. J'ai décidé en 3e année d'effectuer ce double cursus. La poursuite d'autres enseignements et le partage avec les autres étudiantes de ma promotion m'ont beaucoup apporté dans mon parcours. Cela m'a également sensibilisée à la lecture d'articles scientifiques indispensable pour ma formation et ma future profession.

En 4e année, la possibilité de réaliser un stage au sein d'un laboratoire de recherche a été une véritable opportunité pour moi. J'ai eu la chance de pouvoir rencontrer Mme Bach, directrice du laboratoire PERITOX. Cette présentation du laboratoire et des différents domaines d'expertise m'ont permis de découvrir un intérêt pour les recherches concernant la gestion de l'environnement thermique du nourrisson. J'ai pu échanger avec M. Delanaud et M. Libert qui ont effectué de nombreuses recherches dans ce domaine. Suite à nos échanges, nous avons convenu d'un sujet de recherche de première année de Master alliant leur domaine d'expertise et ma future profession. Par la suite, j'ai souhaité continuer cette analyse par le mémoire de fin d'année permettant l'obtention du diplôme d'Etat de sage-femme. En effet, l'obstétrique est devenue pour moi au fil de mon apprentissage une véritable passion. Ça me tenait à cœur de pouvoir m'investir sur une thématique proche de ma pratique. Les pratiques en salles de naissances sont étroitement liées aux premiers instants de vie de l'enfant et conditionnent son devenir. C'est pourquoi je trouve une motivation infaillible à la réalisation de ce mémoire.

Dans ce mémoire consacré à la protection thermique des nouveau-nés prématurés placés en peau à peau, après avoir rappelé les principes fondamentaux et les spécificités de la régulation thermique de ces enfants, nous avons étudié les performances de cette pratique par une approche innovante utilisant la modélisation des échanges de chaleur entre l'enfant et son environnement.

Une partie des travaux de ce mémoire ont été publiés dans une revue internationale présentée en annexe 1 :

Delanaud S., Gossart L., Leclercq M. and Libert J.P. Use of a novel mathematical model to assess the effectiveness of skin to skin care for the prevention of hypothermia in low-birth-weight neonates. Applied Sciences, 2023, 13, 4412. https://doi.org/103390/app13074412.
# INTRODUCTION

## 1. Justification scientifique

### a. La prématurité

La prématurité désigne un enfant dont la naissance intervient avant 37 semaines d'aménorrhées (SA). Selon les résultats de l'enquête nationale périnatale de 2021 (Cinelli et al., 2021), le taux de prématurité représente 7% des naissances en France.

On distingue selon l'âge gestationnel à la naissance :

- La prématurité moyenne (ou tardive) entre 32 et 37 SA ;

- La grande prématurité entre 28 et 32 SA ;

- La très grande prématurité en-dessous de 28 SA.

Les naissances prématurées ont deux grandes origines. La prématurité spontanée lorsque le travail débute avant le terme de 37 SA. La prématurité induite lorsque la naissance est « provoquée » en raison d'un risque médical pour la mère et/ou le fœtus. Dans cette situation, la naissance intervient le plus souvent par césarienne.

Il existe de multiples facteurs de risques de prématurité, parmi lesquels on retrouve l'âge maternel à la naissance de l'enfant et les grossesses multiples. Par exemple, le taux de prématurité augmente significativement à 52,6% pour les naissances de jumeaux (Cinelli et al., 2021). L'âge moyen des mères à l'accouchement augmente constamment depuis les années 1980. Or le fait que la fertilité décroit avec l'âge (Khoshnood et al., 2008) implique un plus grand recours aux techniques d'assistance médicale à la procréation (AMP), elle-même à l'origine d'un plus grand nombre de grossesses multiples.

Pendant la grossesse, les principaux facteurs de risques de naissance prématurée sont : le tabagisme, les infections non traitées (urinaire, utérine, etc.), certaines pathologies obstétricales (prééclampsie, éclampsie, diabète gestationnel, etc.), le décollement placentaire ou la rupture prématurée de la poche des eaux. Mais, le plus souvent l'étiologie de l'accouchement prématuré n'est pas retrouvée.
Chez le nouveau-né, les risques de complications augmentent avec l'importance de la prématurité. A la naissance, son état clinique va dépendre du degré d'immaturité de ses organes et de l'étiologie de la prématurité.

Les principaux organes concernés par cette immaturité sont le cerveau, les poumons et le système digestif.

Sur le plan respiratoire, c'est la production du surfactant qui est déterminante dans l'adaptation de l'enfant à la vie extra-utérine. Le surfactant est une substance lipidique excrétée par les cellules alvéolaires (pneumocytes II) à environ 32 semaines de grossesse. Sa production devient suffisante à 34 – 36 semaines. Cette substance tapisse les alvéoles et permet de les garder ouvertes pendant le cycle respiratoire. Plus l'enfant va naître prématurément, plus le risque d'un manque de surfactant est grand, entraînant une détresse respiratoire (maladie des membranes hyalines).

La fréquence des apnées du prématuré augmente comparativement à celle d'un nouveau-né à terme. Ceci s'explique par une immaturité de la commande neuro-respiratoire (apnées centrales), par un blocage des voies aériennes supérieures au niveau pharyngé (apnées obstructives) ou par une combinaison de ces deux mécanismes (apnées mixtes).

L'immaturité de l'appareil digestif est associée à une augmentation du risque d'entérocolite ulcéro-nécrosante (complication infectieuse). La prématurité constitue également un facteur de risque d'ictère néonatal car les capacités de fonctionnement hépatique peuvent être dépassées. A ce risque vient s'ajouter des difficultés d'alimentation. En deçà de 34 SA, il est recommandé d'alimenter les enfants prématurés par une sonde gastrique, avec du lait de femme.

Le nouveau-né prématuré présente des risques plus importants d'hypoglycémie. En effet, la glycogenèse tardive qui débute à 27 SA environ, ne permet pas le stockage de glycogène nécessaire à la régulation de sa glycémie à la naissance.

Sur le plan du développement cérébral, la naissance prématurée vient interrompre les processus de développement et de maturation. Les risques vont dépendre principalement de l'âge gestationnel à la naissance. Dès 22 SA s'établit une riche arborisation axonale et dendritique avec à la naissance une hyper-innervation et un chevauchement des territoires innervés.
En période postnatale une régression des synapses est observée sous l'influence de facteurs environnementaux. Le prématuré nait avant l'achèvement de la période d'hyper-innervation, le développement cérébral est donc davantage soumis à l'influence de l'environnement.

Le développement neuromoteur est soumis à deux systèmes principaux. Les systèmes sous-corticospinal et corticospinal qui se mettent en place pendant le dernier trimestre de grossesse.

Ils permettent les compétences posturales (attitude en flexion, position antigravitaire) et les contrôles de la motricité qui sont des facteurs importants pour les acquisitions motrices durant la première année de vie.

Autres problèmes, en France, l'étude épidémiologique « EPIPAGE 1 » a permis de recueillir de nombreuses informations sur la prématurité et le devenir de ses enfants. A court terme, les enfants prématurés sont exposés à un risque supérieur de lésions hémorragiques (hémorragies intraventriculaires) et ischémiques. A long terme, les séquelles les plus décrites sont le handicap moteur et les difficultés intellectuelles (Marret et al., 2013).

## b. La régulation thermique de l'enfant prématuré et ses spécificités

### Principes généraux de la régulation thermique

La prématurité reste un enjeu de santé publique. L'évolution des moyens et des techniques permettent actuellement une prise en charge de plus en plus précoce mais elle nécessite de nombreuses ressources médicales, sociales et financières. Parmi cette prise en charge, le maintien de la stabilité thermique de l'enfant reste un enjeu particulièrement important.

Le nouveau-né est un être homéotherme capable de maintenir sa température interne constante entre 36,5 et 37,5°C grâce à des réponses physiologiques adaptées. La figure 1 schématise les éléments essentiels intervenant dans la régulation thermique de l'enfant.

L'hypothalamus est une structure centrale clé de la régulation des fonctions nerveuses et hormonales en particulier de la thermorégulation. Il existe d'autres structures situées dans la moelle épinière qui peuvent modifier ou faciliter le contrôle de la régulation thermique (Satinoff, 1978). Ces structures reçoivent des informations provenant de deux types de capteurs de températures appelés thermorécepteurs.
Les thermorécepteurs périphériques, dans le derme, qui renseignent sur les variations des températures périphériques (Bomann et al., 1960) et les thermorécepteurs profonds aux niveaux de certains viscères abdominaux (Rawson et al., 1971), de l'encéphale (Jacobson et al., 1970), des troncs veineux (Thompson et al., 1970), de la moelle épinière (Simon, 1967) et des voies respiratoires (Bligh, 1963). Ces détecteurs possèdent une fonction de capteur et de transmetteur de l'information sous forme d'influx nerveux.

Lors de contraintes thermiques (chaude ou froide), les thermorécepteurs informent les centres régulateurs centraux des variations de niveaux (décharge nerveuse statique) ou de vitesses (décharge dynamique) des températures de l'organisme (Hensel, 1974). Ces signaux nerveux afférents sont transmis par la voie de la sensibilité thermo-algésique (faisceau spino-thalamique, voie afférente de la thermorégulation).

En réponse, des informations sont transmises de ces centres par les voies nerveuses efférentes vers des effecteurs permettant une réponse adaptée au stimulus. Ces voies nerveuses efférentes quittent la corne latérale de la moelle épinière en traversant le bulbe rachidien jusqu'au ganglion sympathique avant d'innerver les effecteurs. C'est donc un système qui fonctionne en boucle fermée (par un rétrocontrôle).

Les effecteurs sont les vaisseaux sanguins qui régulent le flux sanguin de l'intérieur du corps vers les couches cutanées par vasoconstriction ou vasodilatation, les réserves énergétiques (glycogène et lipides) contenues dans le tissu adipeux brun et les contractions musculaires incontrôlées dont un des premiers signes est le frisson thermique. Enfin, les glandes sudoripares eccrines qui excrètent de la sueur sur la surface cutanée. L'organisme se refroidit alors par évaporation de l'eau excrétée sur la peau.

Les centres thermorégulateurs contrôlent donc la production et les échanges de chaleur entre l'enfant et son environnement. La commande centrale permet soit d'activer la thermogenèse (production de chaleur) ou la thermolyse (perte de chaleur par évaporation et vasodilatation). Il existe donc un contrôle de la balance énergétique, pour que le stockage de chaleur dans l'organisme soit nul afin que la température interne du corps se maintienne dans un intervalle de valeurs compris entre 36,5 et 37,5°C, spécifique de l'homéothermie.
Comme le montre la figure 1, le stockage (S) résulte d'un équilibre du bilan thermique entre la production de chaleur métabolique (M) et les pertes ou gains de chaleur sèches entre l'enfant et son environnement (rayonnement R, convection C au niveau cutané ou respiratoire $C_{resp}$, conduction K) et latents (évaporation au niveau cutané E et respiratoire $E_{resp}$). Ces différents flux de chaleur sont décrits en détails dans le chapitre matériel et méthode.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1 : Boucle simplifiée de rétrocontrôle de la thermorégulation.</figcaption></figure>

Les flèches rouges représentent les voies nerveuses efférentes informant les effecteurs dont les réponses conditionnent le stockage de chaleur. La température corporelle moyenne est fonction de ce stockage résultant des différents échanges entre le corps et l'environnement (métabolisme M, radiation R, conduction K, convections cutanée C et évaporatoire $C_{resp}$, évaporations cutanée E et évaporatoire $E_{resp}$). Les thermorécepteurs cutanés et profonds renseignent l'hypothalamus des variations de la température corporelle par la voie nerveuse afférente de la sensibilité thermo-algésique (flèche bleue).

Le fonctionnement du système thermorégulateur est comparable à un modèle physique utilisé en ingénierie et impliquant l'existence d'une référence (température de consigne ou set-point) à laquelle sont comparées les déviations de la température interne de l'organisme qui doit être contrôlée. Cette température centrale de consigne est définie par Hammel et al., (1963) à partir de l'existence dans l'hypothalamus antérieur de deux populations de neurones dont les fréquences de décharge nerveuse diffèrent en fonction de la température de stimulation. La température de consigne serait celle pour laquelle la fréquence de décharge de ces deux populations de neurones serait identique. Cette hypothèse reste à démontrer.
Les influx nerveux issus des thermorécepteurs cutanés ne feraient que modifier la valeur de la température de consigne (Hammel et al., 1963) ou la vitesse de réponse du contrôleur central (Hardy et al., 1966). Ces influx pourraient également agir par une action combinée associant la vitesse de réponse pour les petites variations de température cutanée (les réponses des effecteurs sont alors peu précises) et un changement de la valeur de consigne permettant des réponses plus précises lorsque cette température cutanée devient plus élevée (Libert et al., 1983).

Un signal d'erreur serait généré et, selon qu'il est positif ou négatif, les réponses des effecteurs permettant les pertes ou les gains de chaleur seraient activées. Ce mode de fonctionnement basé sur les théories de l'ingénierie est actuellement encore discuté et non résolu (Libert et al., 2010).

Cette représentation classique de la thermorégulation pose cependant la question concernant la définition de la température interne du corps qui est régulée et représentative du stress thermique. En effet, le stockage de chaleur se répercute sur l'ensemble des organes de l'organisme dont la température varie d'un site à l'autre. En clinique, la prise d'une température sur un site précis (rectal, tympanique, axillaire, etc.) ne représente que la température de ce dernier et n'est pas représentative de la température interne du corps. La température corporelle moyenne calculée à partir du stockage de chaleur dans le corps parait alors être une mesure plus fiable du stress thermique (Lenzi et al., 1986 ; Libert et al., 2010). Cette conclusion est également étayée par les travaux anciens de Crosbie et al. (1963) et ceux de Houdas et al. (1973) qui proposent des modèles de thermorégulation basés sur une régulation des flux de chaleur entre la surface cutanée et l'environnement.

Chez l'adulte, ce type de régulation thermique sous contrôle du système nerveux végétatif est complété par une réponse comportementale. L'adulte nu peut en effet modifier sa posture ce qui lui permet d'augmenter ou de réduire sa surface d'échange de chaleur avec l'environnement.

Enfin, il peut également augmenter ou réduire sa vêture.

## Les spécificités dues à la prématurité

Contrairement à l'adulte, la régulation thermique du nouveau-né prématuré présente de nombreuses spécificités. Chez le prématuré, la régulation thermique est moins efficace que chez l'adulte du fait de l'immaturité de ses organes et de ses dimensions anthropomorphiques.
Le rapport entre la surface cutanée et le volume corporel est plus important que chez l'adulte. Plus ce rapport est grand, plus les pertes de chaleur sont importantes (en moyenne 0,8/cm et 0,6 respectivement chez l'enfant prématuré et à terme contre 0,2/cm pour un enfant pesant 20kg). Les segments corporels de petits diamètres augmentent les pertes caloriques car les coefficients d'échanges de chaleur par convection et évaporation sont inversement proportionnels aux diamètres des segments du corps. La faible épaisseur de la couche de graisse sous-cutanée ne permet pas une isolation thermique suffisante vis-à-vis du froid extérieur et celle du derme favorise les pertes par évaporation transcutanée vers l'environnement en raison de l'immaturité des couches épithéliales cutanées et de l'absence de kératine dans la couche cornée de la peau. Selon le degré de maturation des structures centrales impliquées dans le contrôle de la thermorégulation, les réponses au stress thermique seront plus ou moins adaptées (Satinoff, 1978 ; Hackman, 2001). Par exemple, si les structures hypothalamiques ne sont pas totalement opérationnelles, les réponses thermiques n'apparaissent que pour des stress thermiques chauds ou froids très intenses.

Dès la naissance, le nouveau-né se retrouve dans un environnement thermique froid. Pour équilibrer son bilan thermique et maintenir son homéothermie, il ne dispose que de la production de chaleur métabolique et de la vasoconstriction périphérique pour réduire les pertes de chaleur vers l'environnement. Ces mécanismes sont cependant très limités. La production d'énergie a pour origine l'oxydation des triglycérides du tissu adipeux brun contrôlée par le système nerveux sympathique. Dans les premiers jours de vie, le niveau de production de chaleur métabolique reste faible (Adamson et al., 1965) car la masse de tissu adipeux brun n'est pas conséquente. Des recherches sur l'animal (Asakura et al., 2002) ont montré que chez les rats présentant un retard de croissance intra utérin, les taux d'adénosine étaient particulièrement importants agissant comme un inhibiteur de la lipolyse pendant la croissance fœtale (Yoneyama et al., 1994). Ce contrôle qui permet la croissance du tissu adipeux brun chez le fœtus explique que la masse de ce tissu serait réduite chez les enfants nés prématurés. Ce tissu se situe principalement dans la zone interscapulaire, entre les côtes, près des reins et autour de la moëlle épinière. Il ne représente que 1,4% de la masse corporelle d'un enfant de 2000g (Merklin, 1974). Il est très vascularisé et possède de nombreuses mitochondries et des vacuoles lipidiques. Aherne et al. (1966) ont montré que le tissu adipeux brun était peu important chez les enfants en hypothermie. Hey (1969) a confirmé que l'absence de réponse métabolique était due à un déficit de tissu brun adipeux.
L'étude de Gandy et al. (1964) a également montré que la production de chaleur métabolique du nouveau-né diminuait lorsque sa température interne chutait, ce qui traduisait son inefficacité. En réalisant des enregistrements par thermographie infra rouge, Oya et al. (1977) ont montré à partir de la température mesurée au-dessus du tissu adipeux brun dans la région interscapulaire que l'activité de ce tissu était nulle voir diminuait. Ces auteurs ont affirmé que chez les nouveaux nés exposés au froid dont l'âge gestationnel était inférieur à 30 semaines, le tissu adipeux brun ne pouvait pas produire suffisamment de chaleur pour lutter contre le refroidissement avant le troisième trimestre de vie. Il existe en outre de grandes différences interindividuelles dans la résistance au froid des nouveau-nés prématurés. Dans une étude réalisée sur 33 enfants (âge gestationnel compris entre 25 et 38 semaines, avec un poids de naissance inférieur à 1500g), Gandy et al. (1964) ont montré que tous les enfants n'étaient pas capables d'augmenter la production de chaleur métabolique lorsqu'ils étaient exposés à un froid modéré. Chez certains d'entre eux, la production de chaleur restait inchangée ou diminuée lors de l'exposition. Ce résultat a également été confirmé par les travaux de Adamson et al. (1965) dans lesquels la consommation d'oxygène était corrélée de façon négative avec la température abdominale des enfants. Pribylova et al. (1966) a obtenu des résultats similaires en prenant en compte la température rectale.

En ce qui concerne la vasomotricité, les enfants prématurés présentent une vasoconstriction sur certaines régions du corps telles que les mains, les pieds et les mollets (Hey et al., 1970 ; Berg et al., 1971). Cette réponse d'origine orthosympathique est initiée par les thermorécepteurs périphériques et semble effective dès la naissance (Berg et al., 1971 ; Ryser et al., 1972). Karlsson et al. (1966) ont toutefois indiqué que la vasoconstriction périphérique qui permettait de réduire les pertes de chaleur de la peau vers l'environnement était relativement inefficace. La vasoconstriction était effective sur le pied mais était accompagnée d'une vasodilatation sur le tronc ce qui augmentait les pertes totales de chaleur de l'enfant.

A cette relative inefficacité de ces mécanismes, s'ajoute l'absence de frisson thermique qui est un des premiers mécanismes de lutte contre le froid chez l'adulte. Ce mécanisme n'apparaît qu'avec l'avancée en âge de l'enfant et uniquement pour des contraintes thermiques froides importantes et de longues durées. Enfin, l'impact de la thermorégulation comportementale reste faible voire nulle tant que l'enfant ne dispose pas d'un tonus musculaire lui permettant de changer sa position. Le nouveau-né prématuré est donc particulièrement vulnérable au stress thermique et à l'hypothermie.
Dès la naissance, le risque de refroidissement excessif est particulièrement important alors que le maintien de l'homéothermie est une des conditions essentielles à sa survie. Ainsi, le stress thermique d'un nouveau-né placé à 23°C est équivalent à celui d'un adulte nu exposé à 0°C (WHO., 1997). Dans les 10 à 20 premières minutes de vie, par rapport à un adulte, la température interne d'un nouveau-né peut chuter de 2 à 4°C si des protections thermiques adaptées ne sont pas mises en place (Adamson et al., 1965; Dahm et al., 1972).

L'hypothermie peut entraîner une hypoglycémie, une détresse respiratoire, une hypoxie et une acidose métabolique pouvant entraîner le décès de l'enfant. Selon Baumgart (2008), exposé au froid, la température interne de l'enfant peut chuter de 0,2 à 1,0°C par minute entraînant la mort par arrêt des activités métaboliques.

L'hypothermie va se traduire par une diminution (voir une absence) de croissance pondérale. En effet, l'énergie métabolique sert par ordre de priorité à assurer le fonctionnement optimal des fonctions vitales puis le maintien de l'homéothermie et en dernier lieu la croissance pondérale de l'enfant. Réduire le coût énergétique dû à la thermorégulation optimise la croissance de l'enfant. La lutte contre l'hypothermie est donc un enjeu majeur pour la prise en charge du nouveau-né et son pronostic car elle est corrélée à une augmentation de la morbidité et de la mortalité. Il est donc nécessaire de lui apporter une aide afin de lui permettre d'atteindre l'homéothermie. Cette aide doit être d'autant plus importante que la prématurité est grande et que le poids de naissance est faible.

L'organisation mondiale de la santé (OMS) met en avant la protection thermique comme faisant partie des soins essentiels pour le nouveau-né.

### c. La prise en charge thermique du nouveau-né à la naissance

Selon l'OMS, l'hypothermie se définit selon plusieurs niveaux de température interne (en général la température rectale) : le stress thermique froid pour des niveaux compris entre 36,5 et 35°C, l'hypothermie modérée entre 35 et 32°C et l'hypothermie sévère pour des températures inférieures à 32°C. L'hypothermie est une préoccupation qui concerne tous les pays du monde.
En Angleterre et en Irlande, la fréquence des admissions avec des niveaux de températures inférieures à 35°C est de 40% (Costeloe et al., 2000). Une étude nationale menée en Malaisie (1997) a montré que 32% des enfants étaient en état d'hypothermie augmentant la mortalité (odds ratio = 1,2). Miller et al. (2011) ont également montré que deux tiers des enfants nés dans des unités néonatales de soins intensifs étaient en état d'hypothermie modérée. L'étude de Laptook et al. (2007) réalisée aux Etats-Unis sur 5277 enfants a montré que 14,3% des enfants admis dans les unités néonatales après la naissance avaient une température interne inférieure à 35°C et 32,6% une température comprise entre 35 et 35,9°C. Selon ces auteurs, la mortalité et le risque d'infection augmentaient respectivement de 28 et 11% pour chaque degré de chute de température interne.

En 1997, pour prévenir le risque d'hypothermie, l'OMS a recommandé d'augmenter la température de l'air dans la salle d'accouchement à 30-33°C pour les enfants dont le poids de naissance était compris entre 1000 et 1500g ; 28 à 30°C pour ceux pesant entre 1500 et 2000g et 26-28°C pour ceux pesant entre 2000 et 2500g. Cette recommandation est difficilement applicable car elle nécessite des moyens de chauffage importants qui ne sont pas toujours mis en place et qui vont générer un inconfort thermique important pour la parturiente et le personnel soignant. D'une manière plus générale, on recommande une température de l'air supérieure à 25°C et le recours à d'autres moyens de protection en particulier la vêture.

Dans la littérature, pour lutter contre le développement de l'hypothermie, le nouveau-né est protégé par différents moyens tels que des couvertures, des bonnets, des sacs en polyéthylène qui peuvent parfois se révéler inefficaces voir dangereux car ils peuvent entraîner une hyperthermie en cas d'isolation excessive (Belghazi et al., 2006; Museux et al., 2008). Lors du peau à peau, les enfants placés sur le ventre ou le thorax de la mère sont couverts d'un drap et/ou d'une couverture (Lau et al., 2018) mais parfois, ils sont nus (Haiek, 2012 ; Saxton et al., 2015 ; Kim, 2016). Travers et al. (2021) ont montré qu'envelopper l'enfant dans un sac en polyéthylène améliorait la prise en charge d'une hypothermie modérée, à la différence de la pratique seule du peau à peau.
## 2. La méthode du peau à peau : Pratique auprès des prématurés

En 2017, l'OMS a édité un guide des soins essentiels au nouveau-né. Elle recommande, si son état médical le permet, de sécher l'enfant dans les 5 secondes suivant la naissance puis de le placer en contact peau à peau sur sa mère et de le couvrir avec un linge propre et chaud, ainsi qu'avec un bonnet ou, sous incubateur radiant si nécessaire (Kattwinkel et al., 1999). Aucune précision n'est donnée par cette organisation sur le niveau d'isolement thermique requis par ces méthodes pour maintenir l'homéothermie. Contrairement à l'adulte, il n'existe pas de normes d'isolation thermique précisant ces niveaux. En conséquence, le risque de stress thermique ne peut pas être écarté.

La pratique du peau à peau est dérivée de la méthode « kangourou » qui a été décrite pour la première fois en Colombie chez des enfants prématurés dont le poids de naissance était de 700g (Whitelaw et al., 1985). Selon les dernières recommandations de l'OMS (2022) concernant les enfants prématurés ou de faible de poids de naissance, l'utilisation de la « méthode kangourou », sans passage en incubateur, dès la naissance permettrait une baisse de la mortalité, des infections et de l'hypothermie. La « méthode kangourou » a pour premier objectif de favoriser le contact en peau à peau continu entre l'enfant et la personne qui s'en occupe.

La pratique du peau à peau se développe de plus en plus depuis ces dernières années, notamment dans le cadre des soins chez le prématuré (Conde-Agudelo et al., 2016). Elle s'intègre alors à un ensemble plus large de soins apportés au prématuré, appelé soins de développement. L'enfant est placé, nu ou avec une couche, sur le ventre contre le torse de l'adulte, les bras sont placés vers le haut de chaque côté de son visage pour lui permettre de les bouger et la tête est tournée sur le côté pour dégager les voies aériennes supérieures.

Sur le terrain, la gestion de l'environnement du nouveau-né à la naissance est entièrement dépendante des structures de soins. Les modalités de prise en charge de l'enfant sont entièrement fonction de l'interprétation des recommandations faites par les professionnels des établissements (Gossart, 2022). Les observations précédentes réalisées dans le cadre du Master de biologie et santé m'ont permis d'observer qu'il n'existait pas de protocole défini de la mesure de l'état thermique de l'enfant dans certaines unités de soins des Hauts-de-France. La fréquence et le mode de mesure de la température interne de l'enfant étaient laissés à l'initiative de chacun des professionnels. Malgré tout il apparaissait que de manière générale, les pratiques étaient plutôt uniformes au sein d'une même structure. Cela peut s'expliquer par le compagnonnage des nouveaux professionnels par les plus anciens, instauré au sein des structures.
La pratique du peau à peau précoce, notamment dès la naissance, nécessite une surveillance
adaptée. En 2004, Bohnhorst et al. ont montré une augmentation de la température rectale, du
nombre de bradycardie ainsi qu'une désaturation. Cependant, ces effets ne semblent pas être
dus à une hyperthermie causée par un réchauffement excessif. Il parait également indispensable
de réaliser une surveillance rapprochée afin d'éviter un risque d'étouffement par une mauvaise
position de l'enfant.

Indépendamment de l'aspect thermique, le peau à peau présente un intérêt dans la relation mère-enfant. L'accueil de l'enfant par le couple est un moment important sur le plan émotionnel. De plus, un contact précoce va favoriser la réalisation de la séquence comportementale de l'enfant permettant la reconnaissance du sein de la mère et donc une mise en place optimale de l'allaitement (Widström et al., 2011). On sait également que l'accouchement représente un stress important pour l'enfant et le contact peau à peau permettrait une meilleure adaptation à la vie extra-utérine (Christensson et al., 1992).

a. <u>Intérêts pour la mère</u>

Favoriser le bien-être maternel

Le peau à peau stimule la sécrétion d'ocytocine. Cette hormone diminue le stress, le nombre de dépression dans le post-partum et favorise l'initiation du comportement maternel (Browne, 2004). La femme va donc répondre à ses fonctions de mère, dans les soins et le développement de l'enfant, de manière plus confiante et sereine.

Favoriser le sentiment de compétences parentales

Dans le cadre de la prise en charge du prématuré, les parents se sentent souvent exclus dans les soins à apporter à l'enfant. Les moyens techniques prenant souvent le pas sur l'autonomie des parents. Pour cela, favoriser le contact peau à peau va permettre aux parents de retrouver une place dans la prise en charge de leur enfant.
## b. <u>Intérêts pour l'enfant</u>

### Favoriser la relation d'attachement et les interactions précoces

L'accouchement peut, en cas de circonstances particulières, complexifier la prise en charge du nouveau-né particulièrement pour l'enfant prématuré pour qui différents systèmes de protections peuvent être nécessaires (incubateur, table chauffante, ventilation, etc.). Cette prise en charge davantage médicalisée peut être envisagée comme une agression, qui vient s'ajouter au stress de la naissance de l'enfant pour qui le contact rassurant du corps des parents est retardé, voir interrompu. La large diffusion de la pratique du peau à peau apparaît alors comme un moyen privilégié de rétablir le contact entre les parents et leur enfant et ainsi favoriser les interactions précoces et les liens d'attachement (Browne, 2004).

### Favorise l'allaitement maternel exclusif

Le contact rapproché va développer les sens de l'odorat, du gout et auditif qui vont orienter l'enfant vers le sein de la mère (Christennson et al., 1992). Lau et al. (2018) ont montré que le contact peau à peau immédiat était associé à une initiation précoce de l'allaitement. On observe également un taux d'allaitement supérieur après 4 mois chez les enfants ayant bénéficié de cette pratique de façon précoce (Moore et al., 2012). En effet, l'orientation instinctive de l'enfant vers le sein de sa mère, favorisé par la proximité, constitue une base solide de la mise en place de l'allaitement. Le réflexe de succion était également amélioré. Le peau à peau tel qu'il est recommandé en salle de naissance, va favoriser une première mise au sein rapide. Une alimentation anticipée et efficace qui va optimiser la prise pondérale de l'enfant.

### L'imprégnation bactérienne

Pendant la grossesse, le fœtus se trouve dans un milieu normalement stérile ; l'utérus. Lors de l'accouchement (par voie basse), l'enfant va être colonisé par les flores bactériennes maternelles (vaginale et fécale). Dans les suites immédiates de la naissance, l'enfant va être colonisé par les bactéries de son environnement. Un contact peau à peau précoce va permettre une colonisation par la flore cutanée maternelle (Palmer et al., 2007 ; Mueller et al., 2015). La création de la flore bactérienne du nouveau-né est indispensable à son immunité et lui permet de lutter contre les infections.
# Stabilité thermique et suivi de l'état thermique de l'enfant

Selon l'OMS (1997), « il s'agit d'une méthode efficace pour empêcher les pertes thermiques du nouveau-né, qu'il soit né à terme ou prématuré ». Le contact en peau à peau va favoriser le réchauffement de l'enfant par diminution des pertes et conservation de la chaleur (Bystrova et al., 2003; Browne, 2004; Marin et al., 2010).

Färdig (1980) a montré que le peau à peau précoce sous une couverture chaude, précédé d'un séchage de la peau, permettait aux nouveau-nés de maintenir leur température interne.

Christensson et al. (1992) ont également montré que les températures axillaire et cutanée étaient supérieures chez les enfants placés en peau à peau dès la naissance et pendant 90 minutes.

Christidis et al. (2003) ont avancé la même conclusion grâce à une étude par thermographie infra-rouge qui a montré que, lors du peau à peau, les surfaces corporelles en contact présentaient des températures cutanées supérieures par rapport à celles qui ne l'étaient pas. Le gain de chaleur observé lors de la mise en place de cette pratique va permettre à l'enfant de ne pas puiser dans ses réserves énergétiques pour le maintien de son homéothermie et de réduire les pertes de poids importantes. Christensson et al. (1998) ont affirmé que cette pratique était équivalente au placement de l'enfant en incubateur fermé. En Inde, Srivastava et al. (2014) ont montré que le peau à peau stabilisait l'état thermique de l'enfant et améliorait le taux d'allaitement, et le réflexe de succion. Selon ces auteurs, cette pratique était efficace pour maintenir une température correcte chez le nouveau-né, lorsque la température ambiante de la salle d'accouchement était de 21,7°C. Une température qui était inférieure à la valeur recommandée par l'OMS.

Selon Kardum et al. (2022), le peau à peau permettrait le maintien de l'homéothermie pour les enfants nés après 38 SA ce qui ne serait pas le cas de ceux nés avant. Cette étude démontre l'importance non seulement de la température de la salle de naissance mais également la nécessité de prendre en compte le niveau de maturité de l'enfant dans la gestion de l'environnement thermique en salle de naissance.

Lors du peau à peau, l'évolution de l'état thermique de l'enfant est évaluée par une mesure de température interne. Comme cela a été discuté dans le paragraphe concernant les principes généraux de la régulation thermique, la représentativité d'un site de mesure permettant d'évaluer le stress thermique reste discuté.
La température rectale est généralement considérée comme la référence mais ce site de mesure présente un risque de perforation au niveau du rectum, en particulier chez les enfants prématurés (Frank et al., 1978). La température tympanique est parfois utilisée en raison de la proximité de ce site avec les structures centrales contrôlant la régulation thermique, mais la mesure par thermométrie infra-rouge reste incertaine. En effet, le canal auditif externe est de petite taille et la mesure reflète plus souvent celle du conduit auditif que celle du tympan. La température axillaire est très souvent utilisée car la mesure est simple et hygiénique mais sa précision est discutée dans la littérature.

Haddock et al. (1996) ont en effet montré que la sensibilité de cette mesure pour détecter une variation de température interne n’était que de 28,8 à 33,0%. Selon les sites de mesure, les valeurs mesurées des température internes étaient très différentes (El-Radhi et al., 2006). Ainsi pour une température rectale moyenne de 37,0°C, selon ces auteurs, la température axillaire était de 36,4°C, celle mesurée dans l’oreille de 36,6°C et sous la langue de 36,6°C. Une différence de 0,67°C entre la température mesurée au niveau du rectum et celle mesurée en axillaire a été notée par Hissink-Muller et al. (2008).

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2 : Principaux bénéfices de la pratique du peau à peau pour l'enfant et la mère.</figcaption></figure>

### 3. Objectifs et hypothèses

A la naissance, la pratique du peau à peau semble appropriée mais nécessite la mise en place d'un isolement thermique suffisant, avec des tissus recouvrant l'enfant et la parturiente adaptés, afin d'éviter tout risque d'hypothermie.
Pour cela, nous utilisons un modèle physique de type mannequin thermique qui, selon les recommandations ISO 9920 (annexe C, International Standard Organisation) de 1995, est l'outil le plus performant permettant d'évaluer l'impact de cet isolement sur l'état thermique de l'organisme. L'analyse de la littérature montre que ce type d'approche permettant de quantifier l'isolement thermique des tissus mis en place n'a jamais été fait chez l'enfant prématuré.

Le passage d'un stress thermique à une hypothermie modérée puis sévère est actuellement évalué à partir de mesures de la température interne de l'enfant plus ou moins invasives. Compte tenu de la représentativité discutable de ces sites, l'étude décrite dans ce mémoire est basée sur les variations du stockage de chaleur dans le corps de l'enfant, variations qui se traduisent par la température corporelle moyenne.

Le but est donc de quantifier l'efficacité thermique de moyens de protection mis en place lors du peau à peau. Pour atteindre cet objectif, nous avons conçu un modèle mathématique permettant d'évaluer l'évolution de la température corporelle moyenne du corps sans recourir à une mesure invasive. Il s'agit donc d'apporter une aide aux soins lorsque l'on utilise cette pratique en permettant de prendre des mesures appropriées en particulier sur les niveaux de la température de l'air de la salle d'accouchement, d'isolation thermique requis des tissus utilisés et du temps d'utilisation de cette pratique.
# MATÉRIEL ET MÉTHODE

## 1. Conception du modèle mathématique

Le modèle mathématique est basé sur la calorimétrie analytique. Le maintien de l'homéothermie répond à un équilibre entre la thermogenèse et la thermolyse. Lorsque l'équilibre n'est pas maintenu et que les pertes de chaleur du corps augmentent, devenant supérieures aux gains et à la production de chaleur métabolique, la température corporelle moyenne chute entrainant un risque d'hypothermie.

La production et les échanges de chaleur entre le nouveau-né et son environnement peuvent être décrites de la manière suivante :

$$S = M \pm R \pm C \pm K - E_{\text{resp}} - C_{\text{resp}} - E \quad (1)$$

S est le stockage de chaleur dans l'organisme, M est la production de chaleur métabolique due à l'activité du tissu brun adipeux, R la perte de chaleur radiative, C la perte de chaleur convective, K la perte de chaleur conductive, Eresp la perte de chaleur due à l'évaporation de l'eau par voie respiratoire, Cresp la perte de chaleur par convection respiratoire et E la perte de chaleur par évaporation de l'eau au niveau cutané.

Ces échanges sont représentés sur la figure 3. Les pertes de chaleur (R + C + K + Cresp) sont définies comme des pertes sèches (ou sensibles) et les pertes (Eresp + E) comme les pertes latentes (ou insensibles).

A l'équilibre thermique, l'homéothermie est atteinte, le stockage de chaleur dans l'organisme est nul, la température interne de l'organisme se stabilise alors entre 36,5 et 37,5°C.
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3 : Echanges thermiques du nouveau-né avec son environnement. R : Rayonnement thermique avec les différentes surfaces de l'environnement. C : Convection avec l'air ambiant. E : Evaporation de l'eau au niveau cutané. K : Conduction avec la surface du matelas. Les échanges par voie respiratoire ne sont pas représentés sur cette figure.</figcaption></figure>

La production de chaleur métabolique (M) et les différents échanges de chaleur entre l'enfant et son environnement peuvent être exprimés en W, en W/kg de masse corporelle, en W/m² de surface corporelle ou en kJ/h (1W = 3,607 kJ/h).

**Le métabolisme énergétique** (M) est extrait des travaux de Bauer et al. (2009). Ces auteurs ont mesuré chez 75 enfants prématurés (âge gestationnel compris entre 26 et 28 semaines) la consommation d'oxygène pendant leur première semaine de vie. En moyenne, M = 33 kcal/jour/kg soit 1,59 W/kg. Les valeurs limites inférieures et supérieures de ce métabolisme mesuré sont de 1,11 et 2,71W/kg. Ceci permet d'estimer la variabilité interindividuelle.

A noter que l'estimation faite par la formule de Chessex et al. (1981) au premier jour de vie est de 1,69W/kg c'est-à-dire comprise dans cette variabilité. Il en est de même si l'on considère les travaux de Hey et al. (1971) qui considèrent que la variabilité du métabolisme énergétique varie de ± 25% selon les enfants.

**Les pertes convectives** représentent les échanges de chaleur entre le nouveau-né et l'air circulant dans les voies respiratoires ($C_{resp}, W/m^2$) ou sur la surface cutanée (C) :

$$C_{resp} = 0,0014 M (T_e - T_i) \qquad (2)$$

$(T_e - T_i)$ est la différence entre les températures d'air expiré ($T_e$) et inspiré ($T_i$), exprimé en °C, et M est le métabolisme énergétique (W/m²). Les valeurs de $T_e$ et $T_i$ sont respectivement la température interne de l'organisme et la température de l'air.
$T_i$ peut être calculé selon l'équation décrite par Hanson (1974) :

$$T_i = 32,6 + 0,066T_a + 32 M_{H2O} \quad (3)$$

$T_a$ est la température de l'air (°C) et $M_{H2O}$ la masse de vapeur d'eau dans l'air inspiré (g/l).

$$C = h_c A_c (T_a - \bar{T}_{sk}) F_{cl} \quad (4)$$

$h_c$ est le coefficient de transfert de chaleur par convection (W/m²·°C), $A_c$ est la surface cutanée qui échange par convection et $T_a$ la température de l'air (°C). Le coefficient de convection varie en fonction de la vitesse de l'air. En salle de naissance, celle-ci est inférieure à 0,2m/s représentant une situation de convection naturelle qui ne dépend donc que de la différence de température peau-air ($T_{sk} - T_a$). Le calcul de $h_c$ a été fait selon l'équation définie par Hannouch et al. (2021) : $hc = 1,87 (T_{sk} - T_a)^{0,37}$

**Les pertes radiatives** (R) correspondent à l'énergie émise par rayonnement infra-rouge non visible. Le rayonnement thermique s'effectue entre la surface cutanée et les différentes surfaces de l'environnement. Il est fonction de la différence entre la température cutanée moyenne et la température moyenne de rayonnement. Le rayonnement est indépendant de la vitesse d'écoulement de l'air :

$$R = h_r (T_r - T_{sk}) F_{cl} \quad (5)$$

Le coefficient de rayonnement $h_r$ (W/h/m²) s'exprime de la manière suivante :

$$h_r = \sigma \varepsilon_{sk} A_r [(\bar{T}_{sk} + 273)^4 - (\bar{T}_r + 273)^4] (\bar{T}_{sk} - \bar{T}_r)^{-1} \quad (6)$$

$\sigma$ est la constante de Stephan-Boltzmann (= 5,67·10⁻⁸ W/m²·°C), $\varepsilon_{sk}$ est l'émissivité de la peau (= 0,97 ; sans dimension), $A_r$ est la surface de la peau participant aux échanges de chaleur par rayonnement (%), $\bar{T}_r$ est la température moyenne de rayonnement (°C), $\bar{T}_{sk}$ est la température cutanée moyenne (°C) et $F_{cl}$ le coefficient de réduction des échanges de chaleur due aux vêtements (sans dimension) qui est évalué selon la formule établie par Nishi et al. (1970) et transcrite dans la norme ISO 7933 (1989 modifiée) chez l'adulte portant des vêtements légers et poreux :

$$F_{cl} = [(h_r + h_c) I_{cl} + 1/f_{cl}]^{-1} \quad (7)$$

$h_r$ et $h_c$ sont, respectivement, les coefficients de transfert de chaleur par rayonnement et par convection (W/m²·°C), $I_{cl}$ est l'isolement thermique du vêtement (m²·°C·W⁻¹) et $f_{cl}$ le rapport entre la surface du sujet vêtu et celle du sujet nu :

$$f_{cl} = 1 + 1,97 I_{cl} \quad (8)$$
Le coefficient de réduction des échanges secs par le vêtement (F<sub>cl</sub>) peut être mesuré par le rapport des puissances injectées dans le mannequin (R+C) lorsque ce dernier est isolé de ses surfaces de contact (R+C)v et nu (R+C)n. Pour cela, les pertes conductives sont éliminées en isolant le mannequin de ses surfaces de contact avec le matelas ou les tissus le couvrant en utilisant un isolant (fiberglass needle mat; thickness: 13 mm; conductivité thermique: 0,04 W/mK; Glass fiber MG Model Needled Mat, Horst® Lorsch, Allemagne). Par calcul itératif, il est possible de déterminer la valeur de I<sub>cl</sub>.

La surface cutanée participant aux échanges de chaleur par rayonnement (A<sub>r</sub>) est égale à 0,575. En effet de la surface totale du corps, il est nécessaire de soustraire les échanges entre les différents segments qui rayonnent de la chaleur entre eux (0,77) et la surface de contact avec le matelas pour un enfant placé en position ventrale (0,195). Ces valeurs ont été définies par Adams et al. (2000) ainsi que par Museux et al. (2008) dans notre laboratoire.

Dans les conditions expérimentales de laboratoire reproduisant celles observées en salle d'accouchement, la température de rayonnement (T<sub>r</sub>) est égale à :

$$T_r = [(t_g = 273)^4 + 0,4 \cdot 10^8 |t_g - T_a|^{0.25} (t_g - T_a)]^{0.25} - 273 \quad (9)$$

t<sub>g</sub> est la température de globe noir (°C) qui est un appareil de mesure recommandé par la norme ISO7726 (2002). L'appareil est une sphère peinte en noir de 15cm de diamètre dans laquelle est placée une sonde de mesure de température. La surface du globe intègre le rayonnement thermique provenant de toutes les surfaces de la pièce où il se trouve. L'équation 9 permet d'éliminer l'échange convectif entre l'appareil et l'environnement.

### Les pertes évaporatoires transcutanée (E) et respiratoire (E<sub>resp</sub>)

Les pertes évaporatoires par les voies respiratoires sont décrites à partir de l'expression mathématique suivante :

$$E_{\text{resp}} = 0,017 \, \text{M} (P_e - P_i) \quad (10)$$

(P<sub>e</sub> - P<sub>i</sub>) est la différence des pressions de vapeur d'eau dans l'air expiré et inspiré (kPa).

Les pertes évaporatoires par voie transcutanée sont liées à la vitesse de l'air circulant autour de l'enfant, à l'humidité de l'air dans la salle d'accouchement et à la surface de peau qui est mouillée, en particulier par le liquide amniotique qui la recouvre ce qui explique une des recommandations de l'OMS qui conseille de le sécher rapidement dès la naissance.
Chaque gramme d'eau qui s'évapore refroidit en effet le corps de 0,6 kcal (chaleur latente de vaporisation de l'eau) montrant l'importance de sécher l'enfant dès la naissance ou après le bain. Cette valeur n'est pas connue pour le liquide amniotique. De plus, la faible épaisseur des couches cutanées favorise également ces pertes d'eau. L'évaporation par voie cutanée est exprimée de la manière suivante :

$$E = h_e \omega A_e (P_{sH2O} - P_{aH2O}) F_{pcl} \quad (11)$$

$h_e$ est le coefficient de transfert de chaleur par évaporation (W/mb.m²) calculée selon la relation de Lewis ($h_e$ = 1,67 $h_c$), $\omega$ est la mouillure de la peau (sans dimension), $\omega$= 0,06 lorsque la peau est sèche (Gagge et al., 1937) et 1 si la peau est totalement mouillée (enfant non séché).

Chez le nouveau-né, l'activité sudorale n'apparaît qu'après 32 semaines de grossesse (Foster et al., 1969). $P_{sH2O}$ - $P_{aH2O}$ est la différence de pression partielle de vapeur d'eau entre la peau (pression saturante pour la température cutanée moyenne) et l'air de l'incubateur (mb), $A_e$ est la surface cutanée qui échange par évaporation (%) et $F_{pcl}$ est le coefficient de réduction des échanges de chaleur latente due à la vêture (sans dimension) déduit à partir de l'isolement vestimentaire ($I_{cl}$) et des coefficients d'échange de chaleur par rayonnement ($h_r$) et convection ($h_c$).

$$F_{pcl} = \left[ \left[ 1 + 2,22 h_c \left[ I_{cl} - \left(1 - 1/f_{cl}\right) \left(h_r + h_c\right)^{-1} \right] \right] \right]^{-1} \quad (12)$$

Les pressions saturantes en vapeur d'eau, exprimées en mb, sont calculées selon les expressions mathématiques :

$$\frac{P_{sH2O} = 6,11 \times \exp(17,2694 \times \frac{Tsk}{Tsk + 238,1})}{P_{aH2O} = 6,11 \times \frac{HR}{100} \times \exp(17,2694 \times \frac{Ta}{Ta + 238,1})}$$

**Les pertes conductives** (K) correspondent au transfert thermique lorsque l'on observe une différence de température entre deux surfaces solides. Pour le nouveau-né, la perte de chaleur dépend de la différence de température entre la température cutanée moyenne et celle de la surface avec laquelle sa peau est en contact. Dans notre cas, il s'agit de la peau de la mère.
L'échange par conduction est généralement considéré comme de faible importance par rapport aux autres transferts de chaleur :

$$K = \lambda A_k (T_m - T_{sk}) \qquad (13)$$

$\lambda$ est la conductibilité thermique qui est fonction du type de matériel en contact avec la peau de l'enfant, en W/m²/°C ; $A_k$ la surface de contact du matériel en contact avec la peau, en m² ; ($T_m$ - $T_{sk}$) la différence entre la température du matériel et cutanée moyenne, en °C.

## 2. Mannequin calorimétrique

La technique permettant de tester les différents moyens de réchauffement de l'enfant en salle de naissance utilise le mannequin calorimétrique conçu dans le laboratoire Peritox (figure 4). Le modèle présente les formes anatomiques d'un nouveau-né de faible poids de naissance (1500 g surface corporelle = 0,150 m²) et d'environ 30 semaines d'âge gestationnel selon les courbes de Hadlock et al. (1985), et Fenton et al. (2013).

Les segments corporels sont articulés permettant de modifier la posture. Ce modèle peint en noir mat (coefficient d'émissivité= 0,97, proche de celui de la peau humaine dans le domaine de l'infra-rouge) a été développé et validé au laboratoire depuis 2004 (Elabbassi et al., 2004; Belghazi et al., 2006; Museux et al., 2008). Les proportions surfaciques des différents segments par rapport à la surface totale sont de 28% pour la tête, 23% pour le tronc, 19% pour les membres supérieurs et 30% pour les membres inférieurs.

En condition d'équilibre thermique, la puissance électrique injectée dans chacun des 6 segments corporels permet de contrôler la température de surface de chaque membre et de la maintenir à des niveaux identiques à ceux mesurés sur des enfants dans les services de soins.

La puissance nécessaire pour maintenir cet équilibre correspond aux pertes de chaleur ($R + C + K$). La mise en place d'un isolant thermique entre les surfaces de contact du mannequin avec le matelas chauffant à la température maternelle et les moyens de protection mis en place permet d'éliminer la conduction (K) et de calculer le facteur de réduction thermique par les moyens de protection ($F_{cl}$). Ce dernier est en effet calculé à partir du rapport entre les pertes R+C du mannequin lorsque la protection thermique est en place et ces pertes lorsqu'il est non couvert.
Dans nos essais expérimentaux, la simulation d'un enfant dès la naissance s'est faite en considérant les températures cutanées locales mesurées par thermographie infra-rouge par Christidis et al. (2003) : Tête : 36,4°C ; tronc : 36,8°C ; membres supérieurs et inférieurs 35,7°C soit une température cutanée moyenne ($T_{sk}$) de 34,3°C. Ces températures relativement uniformes sur l'ensemble du corps correspondent à des valeurs représentatives d'un nouveau-né stabilisé d'un point de vue thermique et en homéothermie.

Ce niveau de température cutanée est également très proche de celui mesuré par Jonas et al. (2007) chez des nouveau-nés à terme (34,2°C) placés en peau à peau dès la naissance et par Karlsson (1966) à partir de 10 capteurs placés sur la surface cutanée (34,1 ± 0,4°C) de nouveau-nés après 10 minutes de vie. La puissance totale injectée dans le mannequin correspond à la somme des puissances injectées dans chacun de ses segments corporels.

Le mannequin est placé sur le ventre avec les membres supérieurs à proximité de la tête afin d'imiter la position la plus probable de l'enfant auprès de sa mère suite à l'accouchement, pendant le post-partum immédiat.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 4 : Mannequin anthropomorphique de 1500g portant un bonnet sur la tête et une couche. Ce modèle reproduit fidèlement toutes les formes d'un nouveau-né. Ces formes sont importantes car elles conditionnent les échanges de chaleur avec l'environnement en modifiant les coefficients d'échange de chaleur.</figcaption></figure>
## 3. Protocole expérimental

### a. Observation sur le terrain

Lors de mes stages, j'ai pu observer les pratiques de terrain de plusieurs centres hospitaliers (CH) : le CH de Beauvais (Oise), le CH de Senlis (Oise), le CH de Compiègne-Noyon (Oise) et du centre hospitalier universitaire (CHU) d'Amiens (Somme). Ces observations résultent d'une part de mon expérience personnelle d'étudiante sage-femme et d'autre part d'entretiens avec les professionnels prenant en charge le nouveau-né à la naissance ce qui m'a permis de compléter cette approche de terrain (Gossart, 2022). Selon les établissements j'ai pu m'entretenir avec l'auxiliaire de puériculture ou l'aide-soignante.

En accord avec les dernières recommandations, j'ai pu observer que les professionnels favorisaient la mise en place d'une procédure peau à peau dès la naissance.

Celle-ci permet de répondre à plusieurs objectifs dans la prise en charge du nouveau-né et de la parturiente. Notamment protéger l'enfant du risque de perte de chaleur importante à la naissance. Dans cette démarche, les professionnels vont tout mettre en œuvre, si les parents le souhaitent, pour maintenir cette pratique durant les 2 heures de surveillance du post-partum immédiat, en salle de naissance.

### b. Essais expérimentaux en laboratoire

Nous avons choisi deux conditions de températures d'air. L'une de 25°C, représentant la limite basse recommandé par l'OMS concernant la température en salle de naissance et 21°C correspondant aux valeurs mesurées en pratiques au sein de deux établissements des Hauts-de-France, permettant de mettre en lien nos résultats à la réalité de terrain ayant été observée lors du Master 1 (Gossart, 2022). Dans la littérature cette dernière valeur est également souvent notée pour assurer le confort du personnel soignant et de la parturiente.

Pour simuler le contact peau à peau entre l'enfant et la mère, le modèle est placé sur un matelas chauffant (référence : CR1, Electro Concept, Saint Léonard de Noblat, France ; Needled glass fiber mat thickness 13mm) dont la surface épouse la forme du ventre de la mère (figure 4).
Le matelas présente une température de surface moyenne d'environ 35,5°C qui correspond à une température cutanée normale de 32°C chez un adulte exposé à 24°C de température d'air et 45% d'humidité relative de l'air (Bazett, 1949) augmentée de 3,5°C afin de prendre en considération le travail lors de l'accouchement. En l'absence de donnée de la littérature, nous avons fait l'hypothèse que ce travail était équivalent à un métabolisme élevé (voir très élevé) qui augmentait la température interne rectale de la mère de 1°C (seuil d'alerte pour l'hyperthermie) ce qui correspond à une augmentation de la température cutanée de 3,5°C (ISO 7933:1989, modifiée). Le mannequin est placé en position ventrale et, dans toutes les situations expérimentales, il est vêtu d'un bonnet et d'une couche.

Chaque série de mesures est réalisée de manière aléatoire afin d'éviter l'influence d'une situation sur une autre lors de l'interprétation des résultats. Les mesures sont faites après une heure permettant la stabilisation de chaque condition expérimentale.

Les données sont recueillies au cours de l'expérimentation par des sondes de températures (thermistance 10 Kohms à 25°C) réparties de la manière suivante (figure 5) : 18 sur le mannequin et 12 dans son environnement, comprenant le matelas chauffant. Une sonde de température est placée sous les moyens de protections (drap et couverture) dans un tube où l'air peut circuler de manière à mesurer la température de l'air du « microclimat » entre la surface du mannequin et la vêture.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 5 : Placements des sondes sur le mannequin et son environnement.</figcaption></figure>
Les sondes « T°27 », « T°31 » et « T°32 » permettent la mesure des caractéristiques de l'environnement du mannequin au laboratoire. Plus précisément les sondes « T°27 » et « T°32 » mesurent les températures de l'air et la sonde « T°31 » (globe noir standard) va permettre d'évaluer le rayonnement thermique venant des surfaces environnantes (les murs, le plafond, le sol et les équipements de surveillance). La puissance électrique injectée dans le mannequin est mesurée par un logiciel de commande et de contrôle appelé labtech ControlPro.

A l'issu des observations de terrain réalisés en salle de naissance (Gossart, 2022), sur différents lieux, deux conditions expérimentales ont été retenues. Ces dernières sont réalisées avec un bonnet sur la tête du mannequin vêtu d'une couche. La mise en place du bonnet dès la naissance apparaît comme un invariant quel que soit l'établissement ou les professionnels réalisant la prise en charge de l'enfant.

Les deux situations expérimentales (figure 6) simulent un enfant né prématuré et couvert d'un drap en coton (182g/m²) plié en 2 couches superposées ou couvert du drap avec une couverture (polyester ; 189g/m²) pliée en 4 couches.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 6 : La photographie de gauche représente le mannequin dans la situation « couvert par un drap ». La photographie de droite le représente « couvert par un drap et une couverture ».</figcaption></figure>

Il faut noter que le drap recouvrant la mère, pour son propre confort et son intimité, est également pris en compte dans l'ensemble de ces deux situations ayant un impact de fait sur l'isolation thermique de l'enfant. Le drap de la mère venant recouvrir le nouveau-né et ses propres moyens de protection mis en place. Par exemple, dans la situation peau à peau couvert d'un drap on retrouve de manière pratique l'enfant et la mère ventre contre ventre et tous deux recouverts d'un lange (linge de puériculture) et du drap de la mère.
### c. Traitement initial des données

Les mesures recueillies sont moyennées sur les 30 dernières minutes de chaque situation expérimentale. La répétabilité des mesures est faite à partir de cinq essais simulant la même condition expérimentale.

Les valeurs moyennes de températures de surface du mannequin ($T_{sk}$) et celle du matelas simulant le contact peau à peau entre la mère et l'enfant sont calculées. Ces données permettent notamment un contrôle du bon déroulement de l'expérimentation. C'est-à-dire ayant respecté les consignes de températures imposées.

### d. Calculs : du modèle physique à l'enfant

Le mannequin ne permet de mesurer que les pertes de chaleur par rayonnement (R), convection (C) et conduction (K). Ces différents échanges dits « secs » car ils ne font pas intervenir la perspiration insensible (échange latent) refroidissant l'enfant par évaporation de l'eau sur la peau (E). Pour cela, E est calculée à partir de l'équation mathématique présentée dans la première partie de ce mémoire (équation 11).

Les variations de température corporelle moyenne ($dT_b/dt$) exprimées en °C/h sont calculées à partir des pertes et gains de chaleur de l'enfant et de son métabolisme énergétique, en d'autres termes du stockage de chaleur dans le corps (S). Ce calcul tient compte de la chaleur spécifique des tissus humains ($C_p$) et de la masse de l'enfant ($m_b$) :

$$dT_b/dt = S/m_b \cdot C_p \qquad (14)$$

Avec $m_b = 1,5$ kg (le mannequin représente la surface d'un enfant de 1,5 kg) et $C_p$ la chaleur spécifique de la peau humaine (3,49 kJ/kg/°C).

Afin de tenir compte des variations inter individuelles de la production de chaleur, les calculs seront effectués en considérant que le métabolisme peut varier de 1,11 à 2,71W/kg (métabolisme moyen = 1,59W/kg) selon l'étude de Bauer et al. (2009).
4. Analyses statistiques

Les effets de la température de l'air (21 vs 25°C) et de l'isolation thermique des revêtements (drap seul vs drap + couverture) ont été analysés en appliquant un test de Mann-Whitney non paramétrique. Le seuil de signification statistique a été fixé à p < 0,05. Les variables quantitatives ont été exprimées en moyenne ± écart type (SD).

L'analyse statistique a été effectuée à l'aide du logiciel Statview (version 5.0, Abacus Concepts Inc, Berkeley, CA, USA).
# RESULTATS

## 1. Variables mesurées

La température moyenne de l'air de la chambre ($T_a$) était de 20,9 ± 0,04°C et celle du rayonnement ($T_r$) de 21,2 ± 0,03°C). Dans l'autre condition expérimentale $T_a$ = 25,9 ± 0,09°C et $T_r$ = 26,2 ± 0,05°C. Selon la condition expérimentale, la température moyenne de la surface du matelas variait de 35,35 ± 0,61°C à 35,92 ± 0,57°C. La température de surface du mannequin a été maintenue constante (entre 34,34°C et 34,39°C) avec un écart-type inférieur à 0,05°C (inférieur à la précision de l'appareil de mesure). La température de l'air ne dépendait pas significativement de l'état de recouvrement (drap vs drap + couverture) à 20,9°C (p = 0,698 ; z = 0,387) ou 25,9°C (p = 0,462 ; z = 0,735). Il en était de même pour $T_r$ lorsque $T_a$ était de 20,9°C (p = 0,439 ; z = 0,775) ou 25,9°C (p = 0,462 ; z = 0,735).

Le revêtement en tissu a permis d'établir un microclimat entre la couche intérieure de tissu et la surface du matelas (c'est-à-dire la peau simulée de la parturiente). Lorsque $T_a$ = 20,9°C, la température sous le revêtement était de 22,75 ± 0,24°C avec le drap et de 23,72 ± 0,54°C avec le drap + couverture. A 25,9°C, la température de l'air du microclimat était de 27,25 ± 0,31°C avec le drap et de 28,09 ± 0,11°C avec le drap + couverture.
## 2. Variables calculées

### a. Paramètres caractérisant l'isolation thermique des tissus

Le tableau 1 présente les paramètres caractérisant l'isolation thermique en fonction des moyens de protection mis en place sur le mannequin.

<table><thead><tr><th>T<sub>a</sub></th><th colspan="2">20,9°C</th><th colspan="2">25,9°C</th></tr><tr><th>Vêture</th><th>Drap</th><th>Drap+couverture</th><th>Drap</th><th>Drap+couverture</th></tr></thead><tbody><tr><td>(R+C)v</td><td>-4,31 ± 0,14</td><td>-3,76 ± 0,17</td><td>-2,76 ± 0,11</td><td>-2,30 ± 0,18</td></tr><tr><td>(R+C)n</td><td colspan="2">8,92 ± 0,10</td><td colspan="2">5,34 ± 0,10</td></tr><tr><td>F<sub>cl</sub></td><td>0,49</td><td>0,42</td><td>0,52</td><td>0,43</td></tr><tr><td>F<sub>pcl</sub></td><td>0,42</td><td>0,36</td><td>0,48</td><td>0,39</td></tr><tr><td>f<sub>cl</sub></td><td>1,31</td><td>1,39</td><td>1,30</td><td>1,41</td></tr><tr><td>I<sub>cl</sub></td><td>0,15</td><td>0,20</td><td>0,15</td><td>0,21</td></tr></tbody></table>

Tableau 1 : Caractéristiques de l'isolation thermique des tissus de protection mis en place en fonction de la température de la pièce (20,9°C ou 25,9°C). F<sub>cl</sub> et F<sub>pcl</sub> sont les coefficients de réductions des échanges de chaleur (sans dimension) ; f<sub>cl</sub> rapport entre la surface du mannequin couverte et non couverte ; I<sub>cl</sub> l'isolation thermique du tissu (m²°C/W). F<sub>cl</sub> est calculé à partir du rapport entre les puissances injectées dans le mannequin lorsqu'il est vêtu (R+C)v et nu (R=C)n. La modalité « nu » correspond à un résultat obtenu lorsque le mannequin est sans couche et bonnet.
b. Pertes de chaleur mannequin lorsque la mouillure de surface (ω) est de 0,06 (simulation d'un enfant séché à la naissance)

<table><thead><tr><th>T<sub>a</sub></th><th colspan="2">20,9°C</th><th colspan="2">25,9°C</th></tr><tr><th>Vêture</th><th>Drap</th><th>Drap<br>+couverture</th><th>Drap</th><th>Drap<br>+couverture</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="5" style="text-align: center; font-weight: bold;">Métabolisme minimum (1,11 W/Kg)</td></tr><tr><td>R+C+K</td><td>-4,48 ± 0,24</td><td>-3,73 ± 0,16</td><td>-2,52 ± 0,11</td><td>-2,07 ± 0,10</td></tr><tr><td>E</td><td>-0,69 ± 0,0009</td><td>-0,54 ± 0,0004</td><td>-0,59 ± 0,002</td><td>-0,48 ± 0,002</td></tr><tr><td>E<sub>res</sub></td><td>-0,0158 ± 0,0006</td><td>-0,0182 ± 0,0010</td><td>0,0196 ± 0,0009</td><td>-0,0222 ± 0,0003</td></tr><tr><td>C<sub>res</sub></td><td>-0,003 ± 0,000</td><td>-0,003 ± 0,000</td><td>-0,0029 ± 0,000</td><td>-0,0029 ± 0,000</td></tr><tr><td>S</td><td>-4,08 ± 0,23</td><td>-3,23 ± 0,16</td><td>-2,03 ± 0,11</td><td>-1,47 ± 0,10</td></tr><tr><td>dT<sub>b</sub>/dt</td><td>-4,21 ± 0,24</td><td>-3,33 ± 0,16</td><td>-2,09 ± 0,11</td><td>-1,51 ± 0,11</td></tr><tr><td>T<sub>b</sub></td><td>32,79 ± 0,24</td><td>33,67 ± 0,16</td><td>34,91 ± 0,11</td><td>35,49 ± 0,11</td></tr><tr><td colspan="5" style="text-align: center; font-weight: bold;">Métabolisme moyen (1,59 W/Kg)</td></tr><tr><td>E<sub>res</sub></td><td>-0,0226 ± 0,0008</td><td>-0,026 ± 0,002</td><td>-0,028 ± 0,001</td><td>-0,0318 ± 0,000</td></tr><tr><td>C<sub>res</sub></td><td>-0,0045 ± 0,000</td><td>-0,0044 ± 0,000</td><td>-0,0042 ± 0,000</td><td>-0,0042 ± 0,000</td></tr><tr><td>S</td><td>-3,61 ± 0,23</td><td>-2,76 ± 0,16</td><td>-1,56 ± 0,11</td><td>-1,00 ± 0,11</td></tr><tr><td>dT<sub>b</sub>/dt</td><td>-3,72 ± 0,24</td><td>-2,84 ± 0,16</td><td>-1,60 ± 0,11</td><td>-1,03 ± 0,11</td></tr><tr><td>T<sub>b</sub></td><td>33,28 ± 0,24</td><td>34,16 ± 0,16</td><td>35,40 ± 0,11</td><td>35,97 ± 0,11</td></tr><tr><td colspan="5" style="text-align: center; font-weight: bold;">Métabolisme maximal (2,71 W/Kg)</td></tr><tr><td>E<sub>res</sub></td><td>-0,0384 ± 0,001</td><td>0,0442 ± 0,0030</td><td>-0,0476 ± 0,0021</td><td>-0,0539 ± 0,0008</td></tr><tr><td>C<sub>res</sub></td><td>-0,0076 ± 0,000</td><td>-0,0076 ± 0,000</td><td>-0,0071 ± 0,000</td><td>-0,0071 ± 0,000</td></tr><tr><td>S</td><td>-2,52 ± 0,23</td><td>-1,67 ± 0,16</td><td>-0,47 ± 0,11</td><td>+ 0,09 ± 0,10</td></tr><tr><td>dT<sub>b</sub>/dt</td><td>-2,60 ± 0,24</td><td>-1,72 ± 0,16</td><td>-0,48 ± 0,11</td><td>+ 0,09 ± 0,11</td></tr><tr><td>T<sub>b</sub></td><td>34,40 ± 0,24</td><td>35,28 ± 0,16</td><td>36,52 ± 0,11</td><td>37,09 ± 0,11</td></tr></tbody></table>

Tableau 2 : Pertes de chaleur sèche du mannequin (R+C+K) et perte latente cutanée E. Les pertes de chaleur par voie respiratoire (Eres) et par convection (C<sub>res</sub>) sont également représentées à trois valeurs différentes de métabolisme. S est le stockage de chaleur dans le corps. Les transferts thermiques sont exprimés en W/kg. dT<sub>b</sub>/dt est la variation de la température corporelle moyenne (°C/h).
$T_b$ est le changement de température corporelle moyenne calculé après une heure de peau à peau (°C) et une température corporelle interne de 37°C à la naissance. Seules les valeurs de $C_{res}$ et $E_{res}$ (qui dépendent du métabolisme énergétique ; voir les équations 2 et 3) diffèrent selon les trois niveaux de $M$. Les autres flux de chaleur ($R$, $C$, $K$ et $E$) impliqués dans le calcul du stockage de chaleur sont indépendantes de $M$.

Lorsque la température de l'air est de 20,9 °C, l'augmentation de l'isolation thermique a réduit la perte de chaleur sèche de 16,7 % (p = 0,0019, z = 0,775). À 25,9 °C, cette réduction était de 17,8 % (p = 0,0143, z = 2,449). L'OMS recommande de maintenir le peau à peau pendant au moins une heure après l'accouchement. Nos simulations montrent que pour une température interne du corps de 37°C à la naissance, l'homéothermie est observée à 25,9°C avec un drap seul (36,52 ± 0,11°C) et le drap + couverture (37,09 ± 0,11°C) mais uniquement lorsque le métabolisme énergétique du nouveau-né est le plus élevé (2,71 W/kg). Une hypothermie modérée n'a jamais été observée pour les autres conditions. Lorsque la température de l'air est de 20,9°C, sauf pour la condition pour laquelle $M=2,71\text{W/kg}$ et $I_{cl}=0,21 \text{ m}^2 \cdot \text{°C/°W}$, une hypothermie modérée peut être observée (températures corporelles allant de 32,79 à 34,40°C) après une heure d'exposition. Cette hypothermie se développe après 28 à 48 minutes d'exposition selon les conditions expérimentales. Après une heure d'exposition, le seuil caractérisant une hypothermie sévère (température corporelle de 32°C) n'est jamais atteint.

### c. Pertes de chaleur mannequin lorsque la mouillure de surface est totale ($\omega = 1$) (simulation d'un enfant non séché à la naissance)

La mouillure va intervenir sur les pertes évaporatives (équation 11). Elle va donc influencer les valeurs du stockage (S) et ainsi la chute de la température en fonction du temps ($T_b$). Une mouillure totale ($\omega=1$) signifie que l'enfant n'est pas séché (ou de manière inadaptée) à la naissance avant d'être placé en peau à peau. Dans cette situation, seule l'évaporation de l'eau excrétée au niveau de la surface cutanée va refroidir l'enfant. La mouillure n'intervient pas dans les autres échanges de chaleur. Les pertes évaporatoires sont multipliées par un facteur 16 (tableau 3).
<table><thead><tr><th>T<sub>a</sub></th><th colspan="2">20,9°C</th><th colspan="2">25,9°C</th></tr><tr><th>Vêture</th><th>Drap</th><th>Drap+couverture</th><th>Drap</th><th>Drap+couverture</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="5">Métabolisme minimum (1,11W/kg)</td></tr><tr><td>E</td><td>11,5 ± 0,01</td><td>9,77 ± 0,01</td><td>9,86 ± 0,03</td><td>8,07 ± 0,03</td></tr><tr><td>S</td><td>-14,89 ± 0,23</td><td>-12,41 ± 0,15</td><td>-11,3 ± 0,09</td><td>-9,06 ± 0,09</td></tr><tr><td colspan="5">Métabolisme moyen (1,59W/kg)</td></tr><tr><td>E</td><td>11,5 ± 0,01</td><td>9,77 ± 0,01</td><td>9,86 ± 0,03</td><td>8,07 ± 0,03</td></tr><tr><td>S</td><td>-14,42 ± 0,23</td><td>-11,94 ± 0,15</td><td>-10,83 ± 0,09</td><td>-8,59 ± 0,09</td></tr><tr><td colspan="5">Métabolisme maximal (2,71W/kg)</td></tr><tr><td>E</td><td>11,5 ± 0,01</td><td>9,77 ± 0,01</td><td>9,86 ± 0,03</td><td>8,07 ± 0,03</td></tr><tr><td>S</td><td>-13,33 ± 0,23</td><td>-10,85 ± 0,15</td><td>-9,74 ± 0,09</td><td>-7,5 ± 0,09</td></tr></tbody></table>

Tableau 3 : Pertes évaporatoires cutanées (E), en W/kg et stockage de chaleur corporelle (S), en W/kg. E et S sont présentés pour les trois niveaux de métabolisme en fonction du niveau de vêture (drap ou drap et couverture) et aux températures d'air de 20,9°C et 25,9°C.

Le refroidissement de l'organisme est accéléré comme le montrent les variations de températures corporelles moyennes représentées dans le tableau 4.

<table><thead><tr><th>T<sub>a</sub></th><th colspan="2">20,9°C</th><th colspan="2">25,9°C</th></tr><tr><th>Mouillure</th><th>ω=0,06</th><th>ω=1</th><th>ω=0,06</th><th>ω=1</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="5">Métabolisme minimum (1,11W/kg)</td></tr><tr><td>Draps</td><td>-4,21 ± 0,24</td><td>-15,34 ± 0,24</td><td>-2,09 ± 0,11</td><td>-11,64 ± 0,09</td></tr><tr><td>Draps et couverture</td><td>-3,33 ± 0,16</td><td>-12,79 ± 0,16</td><td>-1,51 ± 0,11</td><td>-9,33 ± 0,09</td></tr><tr><td colspan="5">Métabolisme moyen (1,59W/kg)</td></tr><tr><td>Draps</td><td>-3,72 ± 0,24</td><td>-14,85 ± 0,24</td><td>-1,60 ± 0,11</td><td>-11,15 ± 0,10</td></tr><tr><td>Draps et couverture</td><td>-2,84 ± 0,16</td><td>-12,30 ± 0,16</td><td>-1,03 ± 0,11</td><td>-8,85 ± 0,09</td></tr><tr><td colspan="5">Métabolisme maximal (2,71W/kg)</td></tr><tr><td>Draps</td><td>-2,60 ± 0,24</td><td>-13,73 ± 0,24</td><td>-0,48 ± 0,11</td><td>-10,03 ± 0,10</td></tr><tr><td>Draps et couverture</td><td>-1,72 ± 0,16</td><td>-11,18 ± 0,16</td><td>0,09 ± 0,11</td><td>-7,73 ± 0,09</td></tr></tbody></table>

Tableau 4 : Variation de température corporelle moyenne, (dT<sub>b</sub>/dt en °C/h) selon les moyens de protections thermiques mis en place (et les températures de l'air de la chambre). Les résultats sont présentés pour les trois niveaux de métabolismes (M).
d. Evolution de la température corporelle moyenne en fonction du temps (dT<sub>b</sub>)

Les figures 7-10 représentent l'évolution de la température corporelle en fonction du temps lorsque l'enfant est en peau à peau, avec un bonnet et une couche, couvert d'un drap ou d'un drap et d'une couverture, dans un environnement à 20,9 et 25,9°C. L'évolution débute en considérant la température initiale (à la naissance) de 37°C (c'est-à-dire un enfant dans une situation d'homéothermie). Les évolutions temporelles des températures sont représentatives d'un nouveau-né qui est séché dès la naissance comme cela est recommandé par l'OMS. Ces graphiques permettent d'évaluer le temps au bout duquel l'enfant atteint un stade d'hypothermie modérée (température corporelle de 35°C) ou sévère (32°C). Elles peuvent donc constituer une aide aux soins.

Lorsque la température de l'air est de 20,9°C et l'enfant couvert avec un drap, le seuil caractérisant la survenue d'une hypothermie légère est atteint respectivement à 29, 32 et 47 minutes selon le niveau de métabolisme. Dans les mêmes conditions, le seuil de l'hypothermie sévère est observé entre 71 et 115 minutes d'exposition (figure 7).

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

Figure 7 : Température corporelle moyenne en fonction du temps d'un enfant séché à la naissance, couvert d'un drap et exposé à 20,9°C de température d'air. Les différentes couleurs représentent les trois niveaux de métabolisme de l'enfant. L'hypothermie modérée est fixée pour un seuil de 35°C (ligne jaune) et l'hypothermie sévère pour un seuil de 32°C (ligne rouge), afin de visualiser les seuils de danger.
L'ajout d'une couverture comme moyen de protection (figure 8) permet d'augmenter les seuils d'hypothermie modérée entre 36 et 70 minutes. Le seuil d'hypothermie sévère n'est atteint que pour les niveaux de métabolisme de 1,11W/kg (à 90 minutes) et 1,59W/kg (à 105 minutes).

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

Figure 8 : Température corporelle moyenne en fonction du temps d'un enfant séché à la naissance, couvert d'un drap et d'une couverture et exposé à 21°C de température d'air. Les différentes couleurs représentent les trois niveaux de métabolisme de l'enfant. L'hypothermie modérée est fixée pour un seuil de 35°C et l'hypothermie sévère pour un seuil de 32°C afin de visualiser les seuils de danger.

A 25,9°C de température d'air, pour un enfant couvert d'un drap, l'hypothermie modérée est uniquement atteinte à 58 minutes lorsque la production de chaleur métabolique est minimale. Lorsque le métabolisme est de 1,59W/kg, le seuil de développement d'une hypothermie modérée est de 74 minutes. Ce seuil n'est jamais atteint si le métabolisme est égal à 2,71W/kg (figure 9).
<figure><img src="image_11.png" /></figure>

Figure 9 : Température corporelle moyenne en fonction du temps d'un enfant séché à la naissance, couvert d'un drap et exposé à 25°C de température d'air. Les différentes couleurs représentent les trois niveaux du métabolisme de l'enfant. L'hypothermie modérée est fixée pour un seuil de 35°C (ligne jaune) et l'hypothermie sévère pour un seuil de 32°C (ligne rouge), afin de visualiser les seuils de danger.

Dans le cas d'une protection maximale, drap et couverture, les seuils d'hypothermie modérée sont toujours atteints après 80 minutes d'exposition quel que soit la production de chaleur métabolique (figure 10).

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

Figure 10 : Température corporelle moyenne en fonction du temps d'un enfant de séché à la naissance, couvert d'un drap et d'une couverture et exposé à 25°C de température d'air. Les différentes couleurs représentent les trois niveaux du métabolisme de l'enfant. L'hypothermie modérée est fixée pour un seuil de 35°C (ligne jaune) et l'hypothermie sévère pour un seuil de 32°C (ligne rouge), afin de visualiser les seuils de danger.
Lorsque le nouveau-né n'est pas séché à la naissance, les seuils d'hypothermies modérés sont atteints après 8 à 15 minutes d'exposition quel que soit le métabolisme et le niveau d'isolement thermique des vêtements. Et les seuils d'hypothermies sévères sont atteints après 20 à 39 minutes (figures 11-14).

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

Figure 11 : Température corporelle moyenne en fonction du temps d'un enfant non séché à la naissance, couvert d'un drap et exposé à 20,9°C de température d'air. Les différentes couleurs représentent les trois niveaux du métabolisme de l'enfant. L'hypothermie modérée est fixée pour un seuil de 35°C (ligne jaune) et l'hypothermie sévère pour un seuil de 32°C (ligne rouge), afin de visualiser les seuils de danger.
<figure><img src="image_14.png" /></figure>

Figure 12 : Température corporelle moyenne en fonction du temps d'un enfant non séché à la naissance, couvert d'un drap et d'une couverture et exposé à 20,9°C de température d'air. Les différentes couleurs représentent les trois niveaux du métabolisme de l'enfant. L'hypothermie modérée est fixée pour un seuil de 35°C (ligne jaune) et l'hypothermie sévère pour un seuil de 32°C (ligne rouge), afin de visualiser les seuils de danger.

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

Figure 13 : Température corporelle moyenne en fonction du temps d'un enfant non séché à la naissance, couvert d'un drap et exposé à 25,9°C de température d'air. Les différentes couleurs représentent les trois niveaux du métabolisme de l'enfant. L'hypothermie modérée est fixée pour un seuil de 35°C (ligne jaune) et l'hypothermie sévère pour un seuil de 32°C (ligne rouge), afin de visualiser les seuils de danger.
<figure><img src="image_16.png" /></figure>

Figure 14 : Température corporelle moyenne en fonction du temps d'un enfant non séché à la naissance, couvert d'un drap et d'une couverture et exposé à 25,9°C de température d'air. Les différentes couleurs représentent les différents niveaux du métabolisme de l'enfant. L'hypothermie modérée est fixée pour un seuil de 35°C (ligne jaune) et l'hypothermie sévère pour un seuil de 32°C (ligne rouge), afin de visualiser les seuils de danger.
DISCUSSION

L'utilisation d'un mannequin thermique et de la modélisation des échanges thermiques d'un
prématuré avec son environnement permettent des observations pratiques importantes et non
invasives quant aux modalités d'utilisation de la pratique du peau à peau mise en place dès la
naissance d'enfants prématurés stabilisés d'un point de vue thermique c'est-à-dire ayant une
température corporelle comprise entre 36,5 et 37,5°C.

La mise en place de moyens de protection thermique permet d'établir un microclimat de l'air compris entre la surface du matelas, représentant la surface cutanée de la mère, et celle des couches internes des tissus utilisés. Par rapport à la température de l'air de la salle de naissance de 20,9°C, celle du microclimat est supérieure de 1,9°C lorsque le drap est utilisé et 2,8°C dans le cas du drap et de la couverture. Pour une température d'air de 25,9°C, ces différences sont respectivement de 1,4 et 2,2°C. L'établissement d'un microclimat représente des conditions thermiques plus favorables pour l'enfant. La température de ce milieu clos comprise entre 22,7 et 28,1°C quelle que soit la condition expérimentale reste cependant inférieure à celle à laquelle un enfant prématuré de faible poids de naissance serait exposé en incubateur fermé.

Les résultats présentés dans notre étude peuvent constituer une aide aux soins et à la prise de décision en salle de naissance. Il apparaît ainsi que sécher l'enfant dès la naissance est un acte essentiel permettant de limiter les pertes évaporatoires ce qui réduit considérablement le risque de survenue d'une hypothermie sévère. Cette pratique doit donc être fortement recommandée. Par ailleurs, imposer une température d'air de 20,9°C, souvent mesurée dans les salles de naissances n'est pas suffisante pour protéger l'enfant contre le risque d'hypothermie modérée. Conformément aux recommandations de l'OMS, nos résultats montrent qu'une température de 25,9°C peut réchauffer ou limiter les pertes de chaleur de l'enfant. Cependant cette recommandation ne s'applique que si l'isolation thermique apportée par les moyens de protection couvrant le nouveau-né est suffisante (drap seul ; $I_{cl} = 0,15 \text{ m}^2 \cdot {}^\circ\text{C/W}$ ; $T_b = 37,09^\circ\text{C}$ ou drap + couverture ; $I_{cl} = 0,21 \text{ m}^2 \cdot {}^\circ\text{C/W}$ ; $T_b = 36,52^\circ\text{C}$) et uniquement lorsque le niveau de production de chaleur métabolique du nouveau-né est élevé.

A titre d'exemple, selon la norme ISO 9920 : 1995, un isolement vestimentaire de 0,15 m²·°C/W correspond à une couverture de type tricot jersey-laine composée de 50% polyester, 50% acrylique et 100% polyester sur la face inférieure, avec une épaisseur de 5,9mm et une masse de 467g/m² ou à un tissu polyester-polyamide de 7,8mm avec une masse de 172g/m².
Il faut noter que ces deux exemples de vêtures ne tiennent pas compte de l'isolement apporté
par la couche et le bonnet, qui renforcent la protection thermique du nouveau-né couvert.

Les résultats permettent également à l'aide d'expressions mathématiques de définir des durées
limites d'exposition en peau à peau en fonction du niveau d'isolation thermique. Ainsi si le
maintien du peau à peau est limité à 60 minutes, qui est la durée minimale recommandée par
l'OMS avant la réalisation du premier examen de l'enfant (OMS, 2017), lorsque la température
de l'air est de 25,9°C, les seuils de température corporelle définissant une hypothermie modérée
ne sont jamais atteints quel que soit le niveau de protection vestimentaire utilisé dans notre
étude et quelle que soit la production de chaleur métabolique (figures 9 et 10), excepté pour la
protection apportée par le drap lorsque la production de chaleur métabolique est minimale (58
minutes). Les durées limites du maintien du peau à peau sont calculées pour un enfant prématuré
dont les mécanismes de défense contre le froid (production de chaleur métabolique et
vasoconstriction cutanée) ne sont pas encore efficaces. Comme cela a été décrit précédemment,
la production de chaleur métabolique dépend du degré de maturation du système nerveux et de
la masse de tissu adipeux brun, expliquant que lors d'une exposition au froid de nombreux
auteurs rapportent que le métabolisme reste constant ou diminue (Gandy et al., 1964 ;
Adamsons et al., 1965 ; Pribylova et al., 1966 ; Oya et al., 1977). Cette réponse n'augmente
progressivement que durant les premières 24 heures après la naissance (Brück, 1961 ; Hey et
al., 1969). L'efficacité des mécanismes vasomoteurs est également discutée. La
vasoconstriction reste limitée à certains territoires cutanés, ce qui ne permet pas de modifier de
manière significative le bilan thermique global de l'enfant (Karlsson et al., 1996).

L'utilisation de la modélisation pour les échanges thermiques présente de nombreux avantages.
Ce qui explique que dans la littérature, on observe un intérêt grandissant pour le développement
des modèles mathématiques basés sur la calorimétrie analytique, que ce soit pour évaluer les
conditions thermiques optimales dans les incubateurs (Kalev et al., 2004 ; Windström et al.,
2011 ; Moore et al., 2012 ; Delanaud et al., 2019) ou pour mesurer le métabolisme énergétique
(Adams et al., 2001). Les modèles mathématiques répondent aux contraintes des études
nécessitant des situations expérimentales extrêmes, qui ne peuvent pas être analysées pour des
raisons évidentes d'éthique car certains environnements thermiques, proches des limites de
l'hypothermie modérée et sévère peuvent présenter un risque pour l'enfant.
L'utilisation d'un mannequin calorimétrique permet également de lever de nombreuses incertitudes concernant les échanges de chaleur qui sont fonction de différents coefficients d'échanges de chaleur par conduction, convection, évaporation et rayonnement qui résultent de calculs mathématiques effectués pour l'adulte ou à partir de modèles géométriques simples (sphères, cylindres). L'extrapolation de ces calculs au nouveau-né nécessitent de nombreuses approximations dues à la morphologie et aux segments corporels de petites tailles de l'enfant. Certains paramètres incluent dans les expressions mathématiques du modèle peuvent conduire à des erreurs, en particulier dans l'environnement thermique complexe et hétérogène où se trouve l'enfant en salle de naissance. L'utilisation d'un mannequin thermique permet de réduire ces incertitudes et de s'affranchir des problèmes liés à l'effectif restreint des études sur le nouveau-né. Cet outil est particulièrement recommandé par les normes internationales pour mesurer de manière précise l'efficacité de l'isolement thermique

L'utilisation de la modélisation évite également la prise régulière d'une température rectale qui est particulièrement invasive chez le nouveau-né prématuré pouvant provoquer des perforations anales, une stimulation vagale à l'origine d'une arythmie, une bradycardie et des apnées (Ellis, 2005). Les prises de mesures de températures classiques (rectale, axillaire, tympanique) ne sont représentatives que de la température d'un site particulier et elles ne tiennent pas compte de l'hétérogénéité des différentes températures des organes internes du corps. En outre, ces différentes mesures sont difficilement comparables et nécessitent des corrections qui doivent encore être validées. L'utilisation d'un modèle mathématique permettant le calcul d'une température corporelle moyenne pour connaître l'évolution de l'état thermique de l'enfant écarte ces problèmes.

La modélisation présente cependant certaines limites. La température cutanée maternelle a été simulée à partir de données de la littérature (en moyenne de 35,47°C dans l'ensemble des conditions expérimentales). Cette température est contrôlée en chauffant un matelas qui reste un matériau inerte minimisant les phénomènes de conduction pouvant entrer en jeu lors du peau à peau. En effet, il existe des phénomènes de vasoconstriction et vasodilatation influençant la température maternelle (et par conséquent de l'enfant). On ne peut écarter l'hypothèse que la température cutanée maternelle va varier pendant la durée du post-partum immédiat. En salle de naissance, il serait donc intéressant de mesurer et de suivre l'évolution temporelle de la température cutanée du tronc de la mère par technique infra-rouge non invasive.
La température cutanée de la parturiente est influencée par l'effort physique intense que représente le travail et l'accouchement. De plus, de multiples autres facteurs vont influencer cette température au cours du travail, comme l'analgésie péridurale (Mercier et al., 1994 ; Ploeckinger et al., 1995), la nulliparité et la durée du travail (Herbst et al., 1995). Selon Vinson et al. (1993), cette température augmente de 0,07°C par heure d'exposition à l'analgésie péridurale. Tous ces éléments nous amènent à penser que le modèle devrait donc considérer la nature dynamique de l'état thermique de l'enfant et de la mère lors du peau à peau.

Le modèle du mannequin ne permet pas de mesurer les pertes par évaporation, qui ne peuvent être estimées que par des équations mathématiques. L'un des déterminant de l'évaporation est la mouillure de peau qui est basée sur une valeur très ancienne estimée chez l'adulte (Gagge, 1937). Il est probable que cette valeur est sous-estimée chez l'enfant dont la peau est très perméable à la vapeur d'eau compte tenu de son épaisseur et de l'absence de kératine (Hammarlund et al., 1983). Les pertes évaporatoires par voie cutanée sont particulièrement importantes à la naissance, dû au liquide amniotique qui recouvre l'enfant, elles sont peut-être sous estimées dans cette étude. Actuellement, il n'existe pas dans la littérature de travaux permettant de mesurer avec précision ce facteur à la naissance de l'enfant.

Toutefois, compte tenu de l'influence du métabolisme dans les mécanismes de thermorégulation il pourrait être intéressant d'identifier les nouveau-nés à risque de pathologies en relation avec le métabolisme et de privilégier une prise en charge adaptée limitant le risque d'hypothermie. La prématurité est un facteur de risque d'hypoglycémie, causé par un déficit des réserves de glycogène. Un trouble métabolique, tel que l'hypoglycémie, pourrait être à l'origine d'une diminution du métabolisme (Hawdon et al., 1993 ; De Rooy et al., 2002), et donc influencer négativement le maintien de l'homéothermie chez le nouveau-né. De la même manière, lors d'une détresse respiratoire à la naissance l'enfant va consommer ses réserves de glycogène et par conséquent augmenter le risque d'hypoglycémie. Le prématuré est particulièrement concerné par ces risques en raison de ses capacités limitées à mobiliser d'autres substrats énergétiques pour son métabolisme (Hawdon et al., 1992). Le suivi temporel de la saturation en oxygène, en salle de naissance, pourrait être intéressant au vu du lien existant entre le métabolisme et la détresse respiratoire.
## CONCLUSION

En conclusion, lors de la mise en place de la méthode peau à peau précoce en salle de naissance, la modélisation basée sur le calcul des flux de chaleur entre l'enfant et son environnement peut constituer une aide aux soins de l'enfant. Nos résultats montrent que l'enfant doit être séché dès la naissance et qu'une température de l'air de la salle de naissance doit être maintenue au moins à 25,9°C, conformément aux recommandations de l'OMS. Ce niveau de température permet de limiter le risque d'hypothermie modérée pour des expositions d'une durée d'une heure. Le réchauffement de l'enfant ne peut se faire que si l'isolation thermique est conséquente (Icl = 0,21 m²·°C/W) et uniquement lorsque le niveau de production de chaleur métabolique du nouveau-né est suffisant.
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ANNEXE 1 : Publication parue dans la revue internationale Applied Sciences en 2023.

Cette publication ne concerne qu'une partie de ce mémoire et ne traite que de la simulation d'un nouveau-né prématuré séché dès la naissance comme cela est recommandé par l'OMS.
Article

# Use of a Novel Mathematical Model to Assess the Effectiveness of Skin-to-Skin Care for the Prevention of Hypothermia in Low-Birth-Weight Neonates

Stéphane Delanaud ¹*, Lisa Gossart ¹,², Maximilien Leclercq ¹,³ and Jean-Pierre Libert ¹

¹ Peritox (UMR 101, Unité Mixte UPJV/INERIS) CURS, Présidence, Chemin du Thil, Université de Picardie Jules Verne, F-80000 Amiens, France

² Ecole de Sages Femmes Michel Vitse, Pôle Santé, 3 Rue des Louvels, F-80000 Amiens, France

³ Unilasalle-Amiens, 14 quai de la Somme, F-80000 Amiens, France

* Correspondence: stephane.delanaud@u-picardie.fr

**Featured Application:** diagnosis of hypothermia, assistance with care for low-birth-weight neonates.

**Abstract:** The effectiveness of skin-to-skin care (SSC) notably depends on the delivery room air temperature ($T_a$), the thermal insulation provided by the fabrics or clothes covering the mother and the neonate ($I_{cl}$), and the neonate's metabolism (M). The objective of the present study was to model the influence of these variables on the effectiveness of SSC for premature newborns. To this end, we used an appropriate thermal mannequin and applied a mathematical model of body heat exchanges. We performed experiments at $T_a$ values (20.9 °C and 25.9 °C) and two $I_{cl}$ values (sheet only and sheet + blanket). At a $T_a$ of 25.9 °C, normothermia was estimated after one hour of SSC with the sheet ($I_{cl}$ = 0.15 m² °C/W; 36.52 °C) and the sheet + blanket ($I_{cl}$ = 0.21 m² °C/W; 37.09 °C) but only with the highest value of M (2.70 W/kg). With a $T_a$ of 20.9 °C, moderate hypothermia (requiring monitoring of the neonate's thermal status) was estimated—except for M = 2.70 W/kg and $I_{cl}$ = 0.21 m² °C/W. During early SSC, homeothermy can be maintained when $T_a$ is 25 °C (the temperature recommended by the World Health Organization) but only when the neonate's tissue insulation is high ($I_{cl} \ge 0.15 m^2 °C/W$) and when the level of metabolic heat production is high.

**Keywords:** neonate; mannequin; mathematical model; skin-to-skin; hypothermia

## 1. Introduction

Low-birth-weight and preterm neonates are particularly at risk of body cooling. Hypothermia can lead to hypoglycemia, respiratory distress, hypoxia, and metabolic acidosis and is associated with greater morbidity and mortality rates [1,2]. Thermal regulation is less effective than in adults due to the immaturity of the neonate's organs and greater body heat losses to the environment [3]. During cold exposure, the energy used to maintain homeothermy depletes that available for vital functions. These factors are especially important for premature and low-birth-weight neonates. To prevent neonatal hypothermia immediately after delivery, skin-to-skin care (SSC) is recommended by the World Health Organization (WHO) [4].

In 2017, the WHO recommended that in the absence of medical contraindications, a newborn should be dried, placed naked in the prone position on the mother's chest, covered with a clean, warm cloth and a cap, and left in contact for an hour [5]. The WHO has further stated that SSC is an effective method for preventing body heat losses in term or premature neonates [6]. Several studies of term neonates have shown that SSC is enough to warm the neonate after delivery and avoids the need for other warming methods (e.g., radiant warmers and incubators). Färdig [7] showed that early skin-to-skin contact under a warm blanket (preceded by drying of the skin) enabled neonates to

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**Citation:** Delanaud, S., Gossart, L., Leclercq, M., Libert, J.-P. Use of a Novel Mathematical Model to Assess the Effectiveness of Skin-to-Skin Care for the Prevention of Hypothermia in Low-Birth-Weight Neonates. *Appl. Sci.* **2023**, *13*, 4412. https://doi.org/10.3390/app13074412

Academic Editor: Jongsung Lee

Received: 1 March 2023

Revised: 28 March 2023

Accepted: 29 March 2023

Published: 30 March 2023

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

Copyright: © 2023 by the authors.
Licensee MDPI, Basel, Switzerland.
This article is an open access article
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creativecommons.org/licenses/by/
4.0/).
maintain their internal body temperature. Christensson et al. [8] showed that axillary and skin temperatures were higher in infants placed in contact with their mothers for 90 min immediately after birth. In Christidis et al.’s infrared thermography study [9], skin surfaces in contact with the mother were warmer than those not in contact. Christensson et al. [10] claimed that SSC was equivalent to placing the neonate in a closed incubator. In a study in India, Srivastava et al. [11] showed that SSC stabilized the neonate’s thermal status and increased the breastfeeding rate and the sucking reflex. Jia et al. [12] showed that in premature neonates, cold stress decreased when the delivery room air temperature (Tₐ) was maintained at 25 °C (i.e., the value recommended by the WHO). In a study in Croatia, Kardum et al. [13] demonstrated that when Tₐ was 21.7 °C, SSC was effective for maintaining homeothermy in neonates born after 38 weeks of amenorrhea but not in those born more prematurely. These research findings demonstrated the importance of the Tₐ and the neonate’s maturity in the management of the thermal environment at birth. The effectiveness of SSC also depends on (i) the thermal insulation provided by the cloth, sheet, or clothing covering the mother and the neonate and (ii) the neonate’s metabolism—the main source of heat production in response to cold stress.

The degree of thermal insulation that must be provided by the cloth placed on the neonate during SSC has not been defined, even though this is a particularly important factor in reducing body heat losses. With the exception of Karlsson [14], researchers in this field have not reported the degree of thermal insulation provided by the cloth or sheet used in SSC; they simply recommend adapting this variable to the ambient temperature. There are no guidelines on the optimal thermal properties of coverings or clothing for premature newborns during SSC. To address this problem, we used a physical model (a thermal mannequin, as recommended in the ISO 9920 standard for assessing the impact of the thermal isolation of a set of clothes on body heat exchanges) [15].

As reported by many researchers, metabolic heat production varies greatly from one individual to another. Bauer et al. [16] measured oxygen consumption in 75 premature infants (gestational age: between 26 and 28 weeks) during the first week of life: the individual values ranged from 1.11 W/kg to 2.70 W/kg (mean: 1.59 W/kg). In a now rather dated study of 33 newborns (gestational age: 25 to 38 weeks; birth weight: below 1500 g), Silverman et al. [17] showed that not all the infants were able to increase their metabolic heat production when exposed to moderate cold: indeed, heat production remained unchanged or even decreased in some cases. This finding was confirmed by Adamson et al. [18] and Pribylova et al. [19], who reported that oxygen consumption was negatively correlated with the neonate’s abdominal skin temperature and rectal temperature, respectively. The results of Gandy et al.’s study [20] also showed that the neonate’s metabolic heat production decreased when the internal body temperature fell, reflecting the inability to effectively counter body heat loss.

The WHO classifies the level of body cooling as cool stress for an internal body temperature below 36.5 °C, mild hypothermia for values between 36.5 and 35 °C, moderate hypothermia for values between 35 and 32 °C, and severe hypothermia for values below 32 °C. The internal body temperature is measured invasively at various sites (mainly the rectum, tympanic area, and axillary area). However, these sites are not representative of heat storage in the neonate’s body and, therefore, of the neonate’s overall thermal state [21–24]. In the present study, a mathematical model based on the body’s heat balance was used to describe the changes over time in the mean body temperature and in body heat storage.

The objective of the present study was to determine how the effectiveness of SSC immediately after delivery was affected by Tₐ, the degree of thermal insulation provided by the coverings and/or clothing placed on the neonate and mother, and interindividual differences in metabolic heat production.
## 2. Method

### 2.1. The Thermal Mannequin

The anthropomorphic, multisegment thermal mannequin was designed in our laboratory (Figure 1). It corresponds to a low-birth-weight neonate (simulated weight: 1500 g; body surface area: 0.150 m²) with a gestational age of approximately 30 weeks (according to Fenton et al.’s curves) [25]

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>**Figure 1.** The 1500 g anthropomorphic mannequin wearing a head cap and a diaper. The mannequin is an anatomically faithful model of a small-for-gestational-age neonate. The anatomic shapes are important because they modify the heat exchange coefficients and, thus, condition heat exchanges with the environment.</figcaption></figure>

The body segments are articulated so that the posture to be modified. The mannequin is painted matte black, and its emissivity coefficient in the infrared (0.97) is close to that of human skin. During the experiments, local temperature data were recorded with 18 thermistor probes (10 kOhms at 25 °C): 5 on the trunk, 2 on each of the limbs, and 5 on the head. The mean surface temperature was calculated by weighting the local surface temperatures according to the corresponding segment’s relative surface area (trunk: 28%; head: 23%; lower limbs: 30%; upper limbs: 19%).

Under thermal equilibrium conditions (reached within 45 min), the electrical power supplied separately to the mannequin’s six body segments makes it possible to control the corresponding surface temperatures and to take account of the body’s thermal heterogeneity. The electrical power was measured using command-and-control software (Control Pro, Labtech, Wilmington, MA, USA) and corresponds to the heat transferred to the environment. When thermal equilibrium was reached, the electrical power was recorded and averaged over 30 min.

### 2.2. Design of the Mathematical Model

The mathematical model was based on analytical calorimetry. The heat transfer equation can be written as a sum of heat flows (expressed in W per kg body mass):

$$S = M \pm R \pm C \pm K - E_{\text{resp}} - C_{\text{resp}} - E \quad (1)$$

where S is the body’s heat storage (at equilibrium, heat gain is balanced by heat loss and so S = 0; for a neonate in this condition, homeothermy is reached, and the body’s internal temperature stabilizes at between 36.5 and 37.5 °C), M is the metabolic heat produced by non-shivering thermogenesis in brown adipose tissue, R is radiative heat loss/gain (corresponding to the infrared radiation transferred between the skin surface and the various surfaces in the environment), C is convective heat exchanged by air moving over the skin surface and the upper airways (C<sub>resp</sub>), K is the transfer of thermal energy from
the mother’s body to the neonate via skin-skin contact, and E is the evaporative heat loss through the skin and the upper airways (E<sub>resp</sub>).

The electric heat power supplied to the mannequin balances the dry heat losses (R + C + K). In a clothed mannequin, R + C are reduced by a coefficient of heat exchange due to clothing (F<sub>cl</sub>).

The degree of inter-infant variability in energy metabolism (M) was based on Bauer et al.’s measured range [15] from 1.11 to 2.70 W/kg. It should be noted that the mean value measured by these investigators (1.59 W/kg) was similar to that calculated by Chessex et al. on the first day of life for a neonate weighing 1500 g [26].

Evaporative losses through the respiratory tract (E<sub>resp</sub> W/kg) [27] were modeled as:

$$E_{\text{resp}} = 0.0173 \, \text{M} (P_e - P_i) \frac{A_D}{W_t} \quad (2)$$

where A<sub>D</sub> is the total body surface area (m<sup>2</sup>), W<sub>t</sub> is the body mass (kg), and (P<sub>e</sub> - P<sub>i</sub>) is the difference in water vapor pressure between exhaled and inspired air (kPa).

The respiratory convective heat loss (C<sub>resp</sub>, W/kg) was modeled as the heat exchanged by air moving out of the respiratory tract [27]:

$$C_{\text{resp}} = 0.0014 \, \text{M} (T_e - T_i) \frac{A_D}{W_t} \quad (3)$$

where (T<sub>e</sub> - T<sub>i</sub>) is the difference between the expired air temperature (T<sub>e</sub>) and the inspired air temperature (T<sub>i</sub> = T<sub>a</sub>) (°C) and M is the energy metabolism (W/m<sup>2</sup>).

T<sub>e</sub> was calculated according to Hanson’s equation [28]:

$$T_e = 32.6 + 0.066 T_a + 32 M_{H_2O} \quad (4)$$

where T<sub>a</sub> is the air temperature and M<sub>H<sub>2</sub>O</sub> is the mass of air vapor in the inspired air (g/L).

The water evaporation through the skin (E, W/kg) was modeled as:

$$E = h e \omega A e (P_{SH_2O} - P_{aH_2O}) F_{pcl} \frac{A_D}{W_t} \quad (5)$$

where h is the heat transfer coefficient by evaporation (W/mb/m<sup>2</sup>) calculated from the Lewis relation (h<sub>e</sub> = 1.67 h<sub>c</sub>), ω is the fraction of body area that is wet (dimensionless; 0.06 when the skin is dry [29] and 1 when the skin is completely wet, as in an undried neonate), Ps<sub>H<sub>2</sub>O</sub> - Pa<sub>H<sub>2</sub>O</sub> is the water vapor partial pressure difference between the skin (the saturation pressure for mean skin temperature) and air (mb), Ae is the skin surface area that exchanges by evaporation (0.805, calculated by subtracting the manikin-mattress contact area (0.195) from the total body surface area, and F<sub>pcl</sub> is the reduction in the coefficient of latent heat exchange due to clothing (dimensionless).

## 2.3. Assessment of the Clothing-Associated Reduction in Thermal Insulation (F<sub>cl</sub>, F<sub>pcl</sub>)

The reduction factor for dry heat exchange through the mannequin’s covering (F<sub>cl</sub>) was the ratio between the electrical power supplied to the covered mannequin ((R + C)<sub>clo</sub>) and that supplied to the naked mannequin ((R + C)<sub>n</sub>). To eliminate conductive heat loss (K), the mannequin was thermally insulated from the mattress (a fiberglass needle mat; thickness: 13 mm; thermal conductivity: 0.04 W/mK; Glass Fiber MG Model Needled Mat, Horst GmbH, Lorsch, Germany).

$$F_{\text{cl}} = \frac{(R + C)_{\text{clo}}}{(R + C)_{\text{n}}} \quad (6)$$
The covering's thermal insulation ($I_{cl}$, m² °C/W) can be determined by iterative calculation of the following equation [27]:

$$F_{cl} = [(h_r + h_c) I_{cl} + 1/f_{cl}]^{-1} \quad (7)$$

where $h_r$ and $h_c$ are, respectively, the coefficients of heat transfer by radiation and by convection (W/m²/°C), and $f_{cl}$ is the ratio between the surface areas of the clothed mannequin and the naked mannequin:

$$f_{cl} = 1 + 1.97 I_{cl} \quad (8)$$

Given that the air velocity in the delivery room is assumed to be below 0.2 m/s, the convective heat transfer coefficient depends solely on the difference between the skin and air temperatures ($T_{sk} - T_a$). The value of $h_c$ was calculated from the following equation [30]: $h_c = 1.87 (T_{sk} - T_a)^{0.37}$

The radiation coefficient $h_r$ (W/m²/°C) can be computed as:

$$h_r = \sigma \varepsilon_{sk} A_r [(T_{sk} + 273)^4 - (T_r + 273)^4] (T_{sk} - T_r)^{-1} \quad (9)$$

where $\sigma$ is the Stephan-Boltzmann constant ($5.67 \times 10^{-8}$ W/m²/°C), $\varepsilon_{sk}$ is the emissivity of the skin 0.97; dimensionless), $A_r$ is the body's effective radiating area (%), $T_r$ is the mean radiation temperature (°C), and $T_{sk}$ is the mean skin temperature (°C). The skin surface taking part in radiative heat exchanges ($A_r$) is equal to 0.575; this is the total body surface area less the surface area of the segments that radiate heat between them (0.77) and mattress-mannequin contact area when the mannequin is placed in the prone position (0.195). These values have been defined previously for a neonate [31] and for the mannequin used in the present study [32].

Again, given that the air velocity in the delivery room is assumed to be below 0.2 m/s, $T_r$ was measured with a conventional black-globe thermometer (diameter: 15 cm; wall thickness: 0.6 mm) and calculated from the natural convection equation:

$$T_r = [(t_g + 273)^4 + 0.4 \times 10^8 |t_g - T_a|^{0.25} (t_g - T_a)]^{0.25} - 273 \quad (10)$$

where $t_g$ is the black-globe temperature (°C).

In the case of porous, light fabrics, the latent heat loss reduction coefficient ($F_{pcl}$) was calculated from the thermal insulation ($I_{cl}$) and the coefficients for heat exchange by radiation ($h_r$) and convection ($h_c$) [27]:

$$F_{pcl} = [[1 + 2.22 h_c [I_{cl} - (1 - 1/f_{cl}) (h_r + h_c) - 1]]^{-1} \quad (11)$$

The variations in mean body temperature $\Delta T_b$ (expressed in °C/h) were calculated from the body heat storage (S, in KJ/h), the body mass (kg), and the specific heat capacity of human tissues ($C_p = 3.494$ KJ/kg·°C):

$$\Delta T_b = \frac{S}{m_b C_p} \quad (12)$$

## 2.4. The Experiments

A neonate at birth was simulated by considering the local skin temperatures, as measured using infrared thermography [9] (head: 34.4 °C; trunk: 34.6 °C; upper limbs: 34.4 °C; lower limbs: 34.1 °C), giving a weighted skin temperature ($T_{sk}$) of 34.36 °C. This is very close to the value measured by Karlsson with 10 skin thermistors (34.1 ± 0.4 °C) in newborns 10 min after delivery [14].

The mannequin was placed in an air-conditioned room with a $T_a$ of 25.9 °C, i.e., close to the value of 25 °C recommended by the WHO. A second series of experiments was carried out at 20.9 °C, which corresponds to a comfortable $T_a$ most often chosen by the mother in labor and the nursing staff. The relative air humidity was 45-50%. To simulate
SSC during the immediate postpartum period, the model was placed prone in direct contact with a heating mattress (CR1, Electro Concept, Saint Léonard de Noblat, France), the shape of which matched that of a mother’s belly (Figure 2). We chose to set the mattress’s surface temperature to 35.5 °C; we considered that the skin temperature of the trunk of a nude adult exposed for one hour to a temperature of 24 °C and a relative humidity of 45% in still air would be 32 °C [33] and that 3.5 °C should then be added to simulate the effects of labor (a thermal load raising the mother’s internal body temperature by 1°C and the skin temperature by 3.5 °C). These conditions are defined as the alert threshold for hyperthermia in the ISO 7933 standard [27].

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>**Figure 2.** Photographs of the mannequin covered with a sheet (**left panel**) or a sheet + blanket set (**right panel**).</figcaption></figure>

The mannequin was dressed in a cotton cap and a diaper and was covered with a cotton sheet (182 g/m²) folded in half (i.e., a total of two fabric layers) or the same double sheet plus a polyester blanket (189 g/m²) folded in half (i.e., a total of four fabric layers). The two clothing set conditions were tested in random order.

The ambient temperature and the mattress surface temperature were recorded using 12 thermistor probes (10 kOhms at 25 °C). One of the sensors was located in an open tube between the mannequin and the covering in order to measure the temperature of the air trapped there.

## 2.5. Statistical Analysis

The experimental conditions were studied in random order. Five measurements were made for each condition in order to assess the variability in the heat power supplied to the mannequin. In view of our comparisons of small samples, the effects of the thermal insulation of the coverings (a sheet alone vs. sheet + blanket at 20.9 °C and at 25.9 °C) were probed by applying nonparametric Mann-Whitney tests. The threshold for statistical significance was set to *p* < 0.05. Quantitative variables were expressed as the mean ± standard deviation (SD). Statistical analysis was performed using Statview software (version 5.0, Abacus Concepts Inc., Berkeley, CA, USA).

## 3. Results

The mean $T_a$ was 20.9 ± 0.04 °C (mean ± SD radiant temperature ($T_r$): 21.2 ± 0.03 °C) or 25.9 ± 0.09 °C ($T_r$ = 26.2° ± 0.05 °C). Depending on the experiment, the mean temperature of the mattress surface ranged from 35.35 ± 0.61 °C to 35.92 ± 0.57 °C. The mannequin's surface temperature was kept constant (between 34.34 °C and 34.39 °C) with an SD below 0.05 °C (i.e., lower than the measuring device's precision). $T_a$ did not depend significantly on the covering condition (sheet vs. sheet + blanket) at 20.9 °C (*p* = 0.698;
$z = 0.387$ or $25 \,^\circ C$ ($p = 0.462$; $z = 0.735$). The same was true for $T_r$ when $T_a$ was $20.9 \,^\circ C$ ($p = 0.439$; $z = 0.775$) or $25.9 \,^\circ C$ ($p = 0.462$, $z = 0.735$).

The fabric covering made it possible to establish a microclimate between the inner layer of fabric and the mattress surface (i.e., the simulated skin of the mother). With a $T_a$ of $20.9 \,^\circ C$, the temperature under the covering was $22.75 \pm 0.24 \,^\circ C$ with the sheet and $23.72 \pm 0.54 \,^\circ C$ with the sheet + blanket. At $25.9 \,^\circ C$, the temperature was $27.25 \pm 0.31 \,^\circ C$ with the sheet and $28.09 \pm 0.11 \,^\circ C$ with the sheet + blanket.

The variables characterizing the total thermal insulation provided by the covering (sheet or sheet + blanket) and clothing (cap and diaper) are listed in Table 1.

<table><caption>**Table 1.** Variables characterizing the total thermal insulation provided by the covering (sheet or sheet + blanket) and clothing (cap and diaper) during simulated SSC. R and C are, respectively, the radiative and convective heat losses (in W/kg) for the clothed (clo) or nude (n) mannequin. $F_{cl}$, $I_{cl}$, and $F_{pcl}$ are, respectively, the reduction coefficients of dry and the insulation provided by the covering and clothing ($m^2 \,^\circ C/W$). $F_{pcl}$ is the reduction in latent heat exchange.</caption><thead><tr><th rowspan="2">T<sub>a</sub><br>Condition</th><th colspan="2">20.9 °C</th><th colspan="2">25.9 °C</th></tr><tr><th>Sheet</th><th>Sheet + Blanket</th><th>Sheet</th><th>Sheet + Blanket</th></tr></thead><tbody><tr><td>(R + C)<sub>clo</sub></td><td>-4.31 ± 0.14</td><td>-3.76 ± 0.17</td><td>-2.76 ± 0.11</td><td>-2.30 ± 0.18</td></tr><tr><td>(R + C)<sub>n</sub></td><td colspan="2">8.92 ± 0.10</td><td colspan="2">5.34 ± 0.10</td></tr><tr><td>F<sub>cl</sub></td><td>0.49</td><td>0.42</td><td>0.52</td><td>0.43</td></tr><tr><td>I<sub>cl</sub></td><td>0.15</td><td>0.2</td><td>0.15</td><td>0.21</td></tr><tr><td>F<sub>pcl</sub></td><td>0.42</td><td>0.36</td><td>0.48</td><td>0.39</td></tr></tbody></table>

The mannequin's measured dry heat losses (R + C + K) and the calculated respiratory and skin heat losses under the various experimental conditions and energy metabolism (M) values are summarized in Table 2.

At a $T_a$ of $20.9 \,^\circ C$, increasing the thermal insulation reduced dry heat loss by 16.7% ($p = 0.0019$, $z = 0.775$). At $25.9 \,^\circ C$, this reduction was 17.8% ($p = 0.0143$, $z = 2.449$) (Table 2). The World Health Organization recommends maintaining SSC for at least one hour after delivery. Our simulations indicated that with an internal body temperature of $37 \,^\circ C$ at birth, normothermia was estimated at a $T_a$ of $25.9 \,^\circ C$ with a sheet alone ($36.52 \pm 0.11 \,^\circ C$) and the sheet + blanket ($37.09 \pm 0.11 \,^\circ C$) but only when the neonate's energy metabolism was highly active ($2.70 W/kg$). Moderate hypothermia was never estimated for the other conditions. At a $T_a$ of $20.9 \,^\circ C$, moderate hypothermia was estimated (i.e., body temperatures ranging from $32.79$ to $34.40 \,^\circ C$), except for the condition with $M = 2.70 W/kg$ and $I_{cl} = 0.21 \,m^2 \,^\circ C/\,^\circ W$.

Comparisons of the heat power values given in Table 1 (R + C) and Table 2 (R + C + K) showed that under our experimental conditions, the conductive heat gain was negligible and was not significant at a $T_a$ of $20.9 \,^\circ C$ regardless of the thermal insulation of the mannequin's covering (sheet: $p = 0.1495$, $z = 1.441$ and sheet + blanket: $p = 0.6434$, $z = 0.463$). At a $T_a$ of $25.9 \,^\circ C$, the conductive heat gain was significant with the sheet (+0.24 W/kg; $p = 0.0074$, $z = 2.68$; 9.5% of the total dry heat exchange) but not with the sheet + blanket ($p = 0.0881$, $z = 1.706$).

The threshold for severe hypothermia ($32 \,^\circ C$) was never reached—even for the lowest $T_a$ and the lowest degree of thermal insulation (Figure 3).
<table><caption>**Table 2.** The mannequin's dry heat losses (R + C + K), evaporative heat losses from the respiratory tract (Eres) and the skin (E), and convective respiratory heat loss (Cres) at three different values of M. S is the body heat storage. Heat transfers and S are expressed in W/kg. $dT_b/dt$ is the change in the mean body temperature (°C/h). $T_b$ is the mean body temperature change calculated after an hour of SSC (°C) and an internal body temperature of 37 °C at birth. Only the values of $C_{res}$ and $E_{res}$ (which depend on energy metabolism; see Equations (2) and (3)) differed; the magnitudes of the other factors (R, C, K, and E) involved in the heat storage calculation remained the same.</caption><thead><tr><th rowspan="2">Conditions</th><th colspan="2">20.9 °C</th><th colspan="2">25.9 °C</th></tr><tr><th>Sheet</th><th>Sheet + Blanket</th><th>Sheet</th><th>Sheet + Blanket</th></tr></thead><tbody><tr><td colspan="5" style="text-align:center;">M = 1.11 W/Kg</td></tr><tr><td>R + C + K</td><td>-4.48 ± 0.24</td><td>-3.73 ± 0.16</td><td>-2.52 ± 0.11</td><td>-2.07 ± 0.10</td></tr><tr><td>E</td><td>-0.69 ± 0.0009</td><td>-0.54 ± 0.0004</td><td>-0.59 ± 0.002</td><td>-0.48 ± 0.002</td></tr><tr><td>Eres</td><td>-0.0158 ± 0.0006</td><td>-0.0182 ± 0.0010</td><td>0.0196 ± 0.0009</td><td>-0.0222 ± 0.0003</td></tr><tr><td>Cres</td><td>-0.003 ± 0.000</td><td>-0.003 ± 0.000</td><td>-0.0029 ± 0.000</td><td>-0.0029 ± 0.000</td></tr><tr><td>S</td><td>-4.08 ± 0.23</td><td>-3.23 ± 0.16</td><td>-2.03 ± 0.11</td><td>-1.47 ± 0.10</td></tr><tr><td>dT<sub>b</sub>/dt</td><td>-4.21 ± 0.24</td><td>-3.33 ± 0.16</td><td>-2.09 ± 0.11</td><td>-1.51 ± 0.11</td></tr><tr><td>Tb</td><td>32.79 ± 0.24</td><td>33.67 ± 0.16</td><td>34.91 ± 0.11</td><td>35.49 ± 0.11</td></tr><tr><td colspan="5" style="text-align:center;">M = 1.59 W/Kg</td></tr><tr><td>Eres</td><td>-0.0226 ± 0.0008</td><td>-0.026 ± 0.002</td><td>-0.028 ± 0.001</td><td>-0.0318 ± 0.000</td></tr><tr><td>Cres</td><td>-0.0045 ± 0.000</td><td>-0.0044 ± 0.000</td><td>-0.0042 ± 0.000</td><td>-0.0042 ± 0.000</td></tr><tr><td>S</td><td>-3.61 ± 0.23</td><td>-2.76 ± 0.16</td><td>-1.56 ± 0.11</td><td>-1.00 ± 0.11</td></tr><tr><td>dT<sub>b</sub>/dt</td><td>-3.72 ± 0.24</td><td>-2.84 ± 0.16</td><td>-1.60 ± 0.11</td><td>-1.03 ± 0.11</td></tr><tr><td>Tb</td><td>33.28 ± 0.24</td><td>34.16 ± 0.16</td><td>35.40 ± 0.11</td><td>35.97 ± 0.11</td></tr><tr><td colspan="5" style="text-align:center;">M = 2.70 W/Kg</td></tr><tr><td>Eres</td><td>-0.0384 ± 0.001</td><td>0.0442 ± 0.0030</td><td>-0.0476 ± 0.0021</td><td>-0.0539 ± 0.0008</td></tr><tr><td>Cres</td><td>-0.0076 ± 0.000</td><td>-0.0076 ± 0.000</td><td>-0.0071 ± 0.000</td><td>-0.0071 ± 0.000</td></tr><tr><td>S</td><td>-2.52 ± 0.23</td><td>-1.67 ± 0.16</td><td>-0.47 ± 0.11</td><td>+0.09 ± 0.10</td></tr><tr><td>dT<sub>b</sub>/dt</td><td>-2.60 ± 0.24</td><td>-1.72 ± 0.16</td><td>-0.48 ± 0.11</td><td>+0.09 ± 0.11</td></tr><tr><td>Tb</td><td>34.40 ± 0.24</td><td>35.28 ± 0.16</td><td>36.52 ± 0.11</td><td>37.09 ± 0.11</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>**Figure 3.** *Cont.*</figcaption></figure>
<figure><img src="image_21.png" /></figure>

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>**Figure 3.** The change over time in the mean body temperature (°C) for three levels of metabolic heat generation (colored lines) at a T~a~ of 20.9 or 25.9 °C and for the two thermal insulation conditions of (a sheet alone or sheet + blanket). The horizontal yellow and red lines indicate the thresholds for moderate hypothermia (35 °C), and severe hypothermia (32 °C), respectively.</figcaption></figure>

## 4. Discussion

The use of a thermal manikin and the calculation of a premature neonate's heat exchanges with the environment enables us to make several practical observations of value
with regard to the modalities of early SSC (i.e., an hour of SSC immediately after delivery). It should be borne in mind that the present study’s findings are limited to neonates dried at birth, wearing a cap and a diaper, and who are normothermic (i.e., a body temperature between 36.5 and 37.5 °C) at birth.

Our results suggest that with a T~a~ of 25.9 °C, SSC can warm up the neonate when the thermal insulation provided by the neonate's covering and clothing is moderate (a sheet alone; I~cl~ = 0.15 m² °C/W; T~b~: 37.09 °C) or substantial (i.e., a sheet + blanket; I~cl~ = 0.21 m² °C/W; T~b~: 36.52 °C) but only when the neonate's level of metabolic heat production is high. Maintaining the T~a~ recommended by the WHO would indeed reduce the incidence of neonatal hypothermia. Regardless of the level of metabolic heat production, a T~a~ of 20.9 °C cannot be recommended. However, this value is often selected by the nursing staff for their own thermal comfort. Our experiments showed that after one hour, a T~a~ of 20.9 °C induces a state of moderate hypothermia with T~b~ ranging from 32.79 °C to 34.40 °C. Under this condition, the threshold for moderate hypothermia (35 °C) is reached after 28 and 48 min of exposure, respectively.

However, a T~a~ of 25.9 °C alone is not sufficient. Our simulation showed that neonates whose metabolic heat generation cannot compensate for body heat losses (M < 2.7 W/kg) are likely to develop moderate hypothermia. Hence, SSC can only be recommended for thermally stable infants with a T~b~ of at least 37 °C at birth and a particularly active energy metabolism. This might explain the estimated inter-infant differences in the effectiveness of SSC and why some moderately hypothermic but well-covered premature infants require additional oxygen [13].

Many researchers have observed large interindividual differences in the cold resistance of preterm infants. Metabolic heat production depends on the nervous system's maturity and the mass of brown adipose tissue; hence, during cold exposure, metabolic activity sometimes fails to increase or can even decrease. Hey et al. [34], thus, reported that the absence of a metabolic response was due to a lack of brown adipose tissue. These considerations are especially relevant in premature neonates. A study in the rat [35] showed that in individuals with intrauterine growth retardation, high adenosine levels inhibited lipolysis during fetal growth [36]. This mechanism would explain the lack of brown adipose tissue in a premature neonate. In an infrared thermography study of cold exposure in newborns with a gestational age below 30 weeks, Oya et al. [37] claimed that brown adipose tissue could not produce enough heat to be effective against body cooling until the third trimester of pregnancy. Inter-infant differences in brown adipose tissue might, thus, be able to compensate (or not) for the infant's heat loss.

The effectiveness of vasomotor mechanisms should also be considered. In our present model, we considered that the neonate's vasomotor mechanisms were not efficient enough to influence the conservation of the heat produced by metabolic processes. Premature infants show vasoconstriction in certain regions of the body, such as the hands, feet, and calves [38,39]. Karlsson et al. [40] indicated that peripheral vasoconstriction (which normally reduces heat loss from the skin to the environment) was relatively ineffective. Vasoconstriction at the feet was effective but was accompanied by vasodilatation at the trunk (a large proportion of the body surface area), greater dry heat loss, and, thus, an increase in the risk of hypothermia.

Although our model does not take into account the physiological responses of a living organism, it has certain advantages. For example, one can accurately assess the impact of inter-infant variability in metabolic heat production and the thermal impact of the clothing used to protect the neonate in accordance with ISO standards [15,28]. To the best of our knowledge, this assessment has not previously been performed in premature neonates during SSC. Differences in body mass, gestational age, the thermal insulation of clothing, and care procedures can modify heat exchanges with the environment and, thus, mask small differences in body heat losses—especially in fairly small series with a greater probability of confounding factors.
In the present study, we chose to calculate the mean body temperature because it is reportedly a reliable index of body cool stress [23,24]. This choice was also based on older literature data [21,22], according to which body temperature stability depends on the regulation of heat flows between the skin surface and the environment (i.e., body heat storage) rather than the body's internal temperature alone. Using a model, thus, avoids the need to measure the infant's body temperature (e.g., rectal temperature) very frequently. Although the rectal temperature is still the gold standard body temperature, it is particularly invasive in premature newborns. There is a risk of anal perforation, and vagal stimulation can lead to arrhythmia, bradycardia, and apnea [41]. Tympanic and axillary measurements are less invasive but have to be corrected, and the magnitude of the correction is subject to debate in the literature.

Our study had a number of limitations. Firstly, the mannequin does not mimic convective and evaporative heat losses from the skin and the respiratory system, which have to be estimated mathematically (Equations (2), (3) and (5)). One of the determinants of skin evaporation is the fraction of body area that is wetted, which is based on a very old literature value from a study in adults [30]. This value is probably an underestimate in neonates, whose thin skin lacks keratin and is very permeable to water vapor [42]. Secondly, our model did not take into account changes over time in the thermal states of the mother and the neonate; we considered solely the variables known or assessed at birth. It would be interesting to measure changes over time in the skin temperature of the mother's trunk using infrared thermography. To the best of our knowledge, there are no literature data on these determinants of heat losses.

## 5. Conclusions

During early SSC with a T~a~ of 25.9 °C (as recommended by the WHO), homeothermy can be maintained but only when the premature neonate and the mother are well covered with porous fabrics ($I_{cl} \ge 0.15 \text{ m}^2 \text{ °C/W}$) and when the level of metabolic heat production is high (M: 2.70 W/kg). With a T~a~ of 20.9 °C, moderate hypothermia (requiring monitoring of the neonate's thermal status) was estimated—except for M = 2.70 W/kg and $I_{cl} = 0.21 \text{ m}^2 \text{ °C/W}$.

**Author Contributions:** All the authors actively contributed to the research described herein. S.D. designed the mannequin with the software and carried out the statistical analysis. L.G. analyzed clinical practices in the delivery room and carried out laboratory experiments. M.L. contributed his critical analysis to the treatment of the data and to the drafting of the article. J.-P.L. formulated the hypotheses related to the hospital care of premature newborns and participated in the writing of this paper. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

**Funding:** This research received no external funding.

**Institutional Review Board Statement:** Not applicable.

**Informed Consent Statement:** Not Applicable.

**Data Availability Statement:** Not Applicable.

**Conflicts of Interest:** The authors declare no conflict of interest.

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**Résumé** : **Contexte** : L'efficacité de la pratique précoce du peau à peau dépend de plusieurs facteurs, tels que la vêture, la température de l'air et le métabolisme (M) de l'enfant. **Objectifs** : Tester l'efficacité et les limites d'utilisation de cette pratique chez le prématuré en fonction de ces différents facteurs. **Méthode** : Les moyens de protections thermiques ont été testés sur un mannequin calorimétrique (simulant un enfant de 1500g couvert d'un bonnet et d'une couche) exposé dans une chambre climatisée. A l'état d'équilibre, la puissance totale injectée dans le mannequin permet de mesurer les pertes de chaleur dans l'environnement. Les tests ont été réalisés à 2 températures d'air (20,9 et 25,9°C) simulant un enfant placé en peau à peau, séché ou non à la naissance et couvert d'un drap ou d'un drap et d'une couverture. Les chutes de températures corporelles et les durées limites d'atteinte du seuil d'hypothermie modérée ou sévère ont été calculées à l'aide d'un modèle mathématique des flux de chaleur. **Résultats et discussion** : Le séchage de l'enfant est indispensable lors de cette pratique, pour écartier tout risque d'hypothermie. Lorsque l'enfant est séché, à 25,9°C, l'homéothermie est préservée après une heure de peau à peau lorsque l'on utilise un drap (Icl = 0,15 m²·°C/W ; 36,52°C) et le drap avec couverture (Icl=0,21 m²·°C/W ; 37,09° C) mais uniquement lorsque M =2,71 W/kg. A 20,9°C, une hypothermie modérée (nécessitant une surveillance de l'état thermique du nouveau-né) est observée, sauf pour M= 2,71 W/kg et Icl= 0,21 m²·°C/W. **Conclusion** : L'approche par modélisation des flux de chaleur entre le nouveau-né et son environnement peut constituer une aide à la prise de décision dans les soins de l'enfant placé en peau à peau. L'homéothermie peut donc être maintenue lorsque T_a est de 25°C (la température recommandée par l'OMS) mais uniquement pour un niveau d'isolation thermique de la vêture conséquent (Icl ≥ 0,15 m²·°C/W) et un niveau de production de chaleur métabolique suffisant. **Mots clés** : protection thermique ; prématuré ; salle de naissance ; peau à peau ; modèle mathématique.

**Abstract:** **Background:** The effectiveness of skin-to-skin contact (SSC) depends on the air temperature, the thermal insulation and the neonate's metabolism (M). **Objective:** The present study aims at testing the effectiveness of skin-to-skin contact in premature infants according to these various factors. The results should help to define the limits of use of SSC. **Method:** The various thermal protections were tested on a diapered thermal mannequin (simulating a body mass of 1500g covered with a bonnet) exposed at 20,9°C and 25,9°C in a climatic chamber. At thermal equilibrium, the electric heat power supplied to the mannequin to keep constant its surface temperature made it possible to assess the heat losses to the environment. The trials were made for a neonate dried with a towel or not at birth and covered by a sheet or a sheet with blanket. The drops in mean body temperature as well as the thresholds required to reach moderate or severe hypothermia have been assessed using a mathematical model of body heat exchanges. **Results and discussion:** Drying the neonate at birth is particularly relevant to rule out hypothermia. At a T_a of 25,9°C, normothermia was observed after one hour of SSC with the sheet (Icl= 0,15 m²·°C/W; 36,52°C) and the sheet with blanket (Icl=0,21 m²·°C/W; 37,09°C) but only with highest value of M (2,71 W/kg). With a T_a of 20,9°C, moderate hypothermia (requiring monitoring of the neonate's thermal status) was observed, except for M= 2,71 W/kg and Icl= 0,21 m²·°C/W. **Conclusion:** Modeling the heat flows between the neonate and its environment can be a help to decision-making in the care in the delivery room During early SSC, homeothermy can be maintained when T_a is 25°C (the temperature recommended by the WHO) but only when the neonate's fabric insulation is high (Icl ≥ 0,15 m²·°C/W) and when the level of metabolic heat production is sufficient.

**Key words** : thermal protection ; preterm ; delivery room ; skin to skin ; mathematical model.