Development of a model of the human brain using hexahedral finite elements

Abstract

Traumatic brain injury is a significant problem worldwide, particularly in the United States of America, where 1.7 million TBIs are documented annually. The tests required for this assessment are very complex. Tests on cadavers may raise serious ethical questions, and in-vivo crash tests are not viable. In this context, there is a great need for developing finite element models of the human head, such as the YEAHM, developed by members of the University of Aveiro. For this reason, this dissertation aims to improve the YEAHM, especially its brain components, by studying how it behaves under different finite element types. The finite element formulation is of utmost importance for the general accuracy and efficiency of the models. Several validations were performed, comparing the simulation results against the experimental results. The simulations with hexahedral elements, under specific conditions, obtained better results with a lower computational cost.

As lesões cerebrais são um problema significativo em todo o mundo, em particular nos Estados Unidos da América, onde foram documentadas anualmente 1,7 milhão de lesões. Os testes necessários para esta avaliação são muito complexos.Testes em cadáveres levantam sérias questões de ética, além de testes de colisão ’in vivo’ não são viavíes. Neste contexto, há uma grande necessidade de desenvolvimento de modelos de elementos finitos da cabeça humana como o YEAHM, desenvolvido por membros da Universidade de Aveiro. Por esta razão, o objetivo desta dissertação visa melhorar o YEAHM, especialmente os componentes do cérebro, estudando como este se comporta sob diferentes tipos de elementos. A formulação de elementos finitos é de extrema importância para a precisão e eficácia dos modelos. Várias validações foram realizadas, comparando os resultados das simulações com os resultados experimentais. As simulações com elementos hexaédricos, sob condições específicas, obtiveram melhores resultados com um custo computacional inferior.