Mechanical strength study of cranial implants

Abstract

The human head is sometimes subjected to impact loads which lead to the skull fracture or other injuries that require the removal of part of the skull - craniectomy. Consequently, the removed portion is then replaced using autologous bone or alloplastic material. This work focuses on developing a cranial implant to fulfill the defect created on the skull and then study its mechanical performance, integrating it on the human head numerical model YEAHM. The material chosen for the implant was PEEK, a thermoplastic polymer that has been recently in use in cranioplasty. So, a numerical model head coupled with an implant was subjected to analysis to evaluate two parameters: the number of fixation screws that enhance the performance and ensure the structural integrity of the implant and the implant capacity to protect the brain compared to the integral skull. Finally, the results show that, among all tested configurations of screws, the model with eight screws presents a better performance when considering the von Mises stress field and the displacement field on the interface between the implant and the skull. Additionally, under the specific analyzed conditions, it is observable that the model with implant offers more efficient brain protection when compared with the model with the integral skull.

A cabeça humana está, por vezes, sujeita a impactos que provocam a fratura do crânio ou outro tipo de lesões que implicam a remoção de parte do crânio - craniectomia. Consequentemente, a parte removida ´e posteriormente substituída usando osso autólogo ou material aloplástico. Este trabalho tem como foco o desenvolvimento de um implante cranial para preencher um defeito criado no crânio e estudar a sua performance mecânica integrando-o no modelo numérico da cabeça humana YEAHM. O material escolhido para o implante foi o PEEK, um polímero termoplástico recentemente em uso na cranioplastia. Assim, um modelo numérico Cabeça + Implante foi submetido para análise de modo a avaliar dois critérios: o número de parafusos de fixação que melhora o desempenho e assegura integridade estrutural do implante e a capacidade do implante na proteção do cérebro quando comparado com o crânio na íntegra. Finalmente, os resultados mostram que o implante, de entre todas as configurações de parafusos testadas, apresenta um melhor desempenho com oito parafusos quando analisados o campo de tensões e de deslocamentos nas zonas da interface entre o impante e o crânio. Adicionalmente, é também observável nos resultados que o modelo com implante apresenta uma eficácia de proteção do cérebro superior ao modelo com o crânio na íntegra.