Numerical modelling of a human brain to evaluate injuries

Abstract

Brain damage resulting from accidents can lead to a serious alteration of the patient's life. Injuries to this organ, have been studied for a long period in order to understand the damages that a specific load can induce, and help in the development of protection systems to prevent them. In the beginning, impact tests were made in cadavers and even living humans, however it had some limitations, such as the fact that it was not possible to measure the various necessary variables during a serious test. Finite element simulations were the solution, that evolved from geometrically simple models, to more complex ones due to the advances in the computer processing power. The recent models produce results with a high degree of biofidelity, but they lack in some geometric precision, mainly regarding the gyri and the sulci of the brain. Due to this, this thesis aimed to create a model with these exact structures so it can be used in further simulations and aid in the creation of better injury prevention systems. Based on the results achieved in this thesis, it may be possible that the variances registered between the reference data and the simulation, could be due to the inclusion of the gyri and the sulci in the brain model, however further testing should be carried out so the model can be validated.

Danos ao nível do cérebro devido a acidentes, podem levar a serias alterações do estilo de vida de um paciente. Lesões neste orgão têm vindo a ser estudadas, de modo a perceber os danos que uma determinada força pode causar, bem como para ajudar no desenvolvimento de sistemas de protecção. Numa fase inicial, os testes de impacto eram realizados em cadáveres ou ate mesmo em voluntários, contudo existiam algumas limitações, nomeadamente no facto de ser impossível medir as variáveis necessárias durante um impacto causador de sérios danos. Simulações com base em elementos finitos foram a solução, que evoluiram de modelos geometricamente simples, para outros mais complexos, devido aos avanços no desempenho computacional. Modelos recentes produzem resultados com uma elevada biofidelidade, no entanto ainda lhes falta a precisão geométrica no que toca aos giros e aos sulcos presentes no cérebro. O objetivo desta dissertação foi o desenvolvimento de um modelo de cérebro humano mais complexo com a inclusão dessas estruturas, de modo a que este seja utilizado em simulações futuras e deste modo auxilie, a criação de sistemas de prevenção de lesões mais adequados. Tendo em conta os resultados obtidos nesta dissertação, é possível supor que as variações observadas entre os dados de referência e os registados nas simulações, sejam devido à inclusão de giros e sulcos no modelo do cérebro, no entanto testes adicionais deverão ser realizados para validar esse modelo.