Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/39675
Title: Numerical modelling of traumatic brain injuries in the female brain
Other Titles: Modelação numérica de lesões traumáticas no cérebro feminino
Author: Gonçalves, Sofia Maio
Advisor: Sousa, Ricardo José Alves de
Fernandes, Fábio António Oliveira
Keywords: Numerical head model
Biomechanics
Finite element method
Human brain
Sex differences
Traumatic brain injury
Defense Date: 29-Sep-2023
Abstract: Traumatic Brain Injury (TBI) is one of the leading causes of disability and death from head trauma worldwide. These injuries are related to head impacts or rapid head accelerations. Nevertheless, the mechanism by which skull accelerations produce neurological impairment is not completely understood. Several Finite Element Head Model (FEHM) have been developed over the years to better understand the interactions and forces exerted in the various components of the human head. These models compared to experimental tests provide a good cost-effective and ethical approach. Nonetheless, these models tend to be representative of adult male subjects, which contributes to the existing gap in the biomechanics of the brain research. The anatomical and physiological differences in the brain of male and female subjects reinforce the necessity for a Female Finite Element Head Model (FeFEHM). Age also plays an important role, since the brain suffers alterations throughout the years. There is already an existing FeFEHM representative of an elderly female subject. This dissertation aims to develop a FeFEHM representative of a middle-aged female subject following the same techniques. This makes possible the comparison of the same scenario for subjects of different age and sex. The methodology of the development of this new FeFEHM starts by obtaining a geometry from medical images. Next, it goes through computer-aided design and finite element modelling. Thereafter, adequate mechanical material properties are attributed to the model and only then the model becomes ready to go through the validation process. In here, numerical results are compared with experimental data of brain displacements conducted on human cadavers. Furthermore, the validated model is used to replicate a real-life event and its results are compared with other numerical head models. The results from this case study and from validation indicate that the model is capable of replicating real-life scenarios and serve as a tool in the biomechanics research.
Lesões traumáticas no cérebro são uma das principais causas de invalidez e morte por traumatismo craniano em todo o mundo. Estas lesões são causadas por impactos ou acelerações rápidas da cabeça, contudo, o mecanismo através do qual as acelerações do crânio produzem perturbações neurológicas ainda não é completamente compreendido. Ao longo dos anos, têm-se desenvolvido vários modelos de elementos finitos da cabeça humana para comprender melhor as interações e as forças envolvidas nos diferentes componentes da cabeça. Estes modelos, quando comparados com os estudos experimentais, constituem uma boa alternativa ética e económica. Todavia, estes modelos tendem a ser representativos de indivíduos adultos do sexo masculino, o que contribui para a lacuna existente na investigação da biomecânica do cérebro. As diferenças anatómicas e fisiológicas no cérebro entre indivíduos do sexo masculino e feminino evidenciam a necessidade de um modelo de elementos finitos de uma cabeça do sexo feminino. Para além do sexo, a idade também desempenha uma papel importante uma vez que o cérebro sofre alterações ao longo dos anos. Já existe um modelo de elementos finitos de cabeça do sexo feminino representativo de uma idosa. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver um modelo de elementos finitos de uma cabeça do sexo feminino de meia-idade seguindo a mesma metodologia. Isto torna possível a comparação do mesmo cenário em modelos representativos de sujeitos diferentes idades e sexos. A metodologia para o desenvolvimento deste novo modelo começa por obter geometrias a partir de imagens médicas. De seguida, passa pela correção destas geometrias e atribuição de malhas de elementos finitos. Depois disso são atribuídas ao modelo, propriedades mecânicas adequadas ao material e só então o modelo fica pronto para o processo de validação. Neste processo, os resultados numéricos são com dados experimentais de deslocações cerebrais realizadas em cadáveres humanos. Além disso, o modelo validado é utilizado para reproduzir um caso de estudo da vida real e os seus resultados são comparados com outros modelos numéricos de cabeças. Os resultados deste caso de estudo e da validação indicam que o modelo é capaz de reproduzir cenários da vida real e servir de ferramenta na investigação da biomecânica.
URI: http://hdl.handle.net/10773/39675
Appears in Collections:UA - Dissertações de mestrado
DEM - Dissertações de mestrado

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