Development of a computational model of the human skull

Abstract

The leading cause of mortality for both children and adults, between the ages of 5 and 29 years old, is road traffic accidents. To better understand the mechanisms that cause them or to develop prevention and detection mechanisms, several finite element models of the human head have been developed, with the YEAHM developed by members of the university of Aveiro. For this reason, the purpose of this dissertation is to improve the YEAHM, in particular the skull, with differentiation between different types of bone tissues, based on the original external geometry, but segmenting it with sutures, diploë and cortical bone, and validating it as a tool to predict cranial fractures. Several validations are performed, comparing the results of the simulation with the experimental results available in the literature at three levels: i) local validation of the material; ii) Isolated skull blunt trauma; iii) Coupled cranio-intracranial structures subjected to three impacts at different speeds, simulating falls. Accelerations, impact forces and fracture patterns are used to validate the skull model.

A principal causa de mortalidade de crianças e adultos, entre 5 e 29 anos, são os acidentes de trânsito. Para melhor compreender os mecanismos que os causam ou desenvolver mecanismos de prevenção e deteção, foram desenvolvidos vários modelos de elementos finitos da cabeça humana, como o YEAHM desenvolvido por membros da Universidade de Aveiro. Por esse motivo, o objetivo desta dissertação é a melhoria do YEAHM, em particular o crânio, com diferenciação entre diferentes tipos de tecidos ósseos, com base na geometria externa original, mas segmentando-a com suturas, diploë e osso cortical, e validá-lo como ferramenta para prever fraturas cranianas. Diversas validações são realizadas, comparando os resultados da simulação com os resultados experimentais disponíveis na literatura em três níveis: i) validação local do material; ii) Lesão contusa isolada do crânio; iii) Estruturas crânio-intracranianas acopladas submetidas a três impactos em diferentes velocidades, simulando quedas. Acelerações, forças de impacto e padrões de fratura são usados para validar o modelo do crânio.