Finite element analysis to evaluate mandible stress levels considering different malocclusions and impact conditions

Caraccidents, accidentalfallsandbeatingsaresomeofthemostcommoncauses of severe damage to the facial area of the skull, particularly for the bone structures of the mandible and maxilla. Thehighnumberoftraumaticeventsofthistypeandthewidevariabilityofpossible cases makes the assessment of this problem complex. The work has therefore set itself the objective of evaluating from an engineering point of view the traumatic events of this type, to identify the main parameters that govern the outcomes and verify if there was a feedback to clinical evaluations based on medical experience. The idea of this work was born from a collaboration between the Last( Laboratorio di Sicurezza dei Trasporti) and the San Gerardo Hospital in Monza. The first part of this work concerned the identification of a methodology for the creationofafiniteelementmodelabletoaccuratelyreproducethebonestructureof the mandible and mandible and maxilla of real patients considered for development of the activity. The cases considered are 4, a normo-occlusion and 3 malocclusions. In the second part of the thesis, once the numerical models were available, two impacts were simulated through finite element software for the evaluation of the efforts on the different cases, assessing them on the different cases under study, assessing differences in stress on bone structures. In the first impact a fall to the ground was simulated, in the second impact instead a lateral punch was simulated in the chin area. The results obtained were finally compared with the clinical data to confirm the assessmentscarriedoutandtoverifypossiblecorrelationswithempiricaldeductions based on medical experience.

Incidenti automobilistici, cadute accidentali e percosse sono alcune fra le più comuni cause di gravi danni nella zona facciale del cranio, in particolare per le strutture ossee di mandibola e mascella. Il numero elevato di eventi traumatici di questo tipo e l’ampia variabilità delle possibili casistiche rende complessa la valutazione di questa problematica. Il lavoro si è quindi posto l’obiettivo di valutare da un punto di vista ingegneristico gli eventi traumatici di questo tipo, per identificare i parametri principali che ne governano gli esiti e verificare se ci fosse un riscontro a valutazioni cliniche basate sull’esperienza medica. L’idea di questo lavoro nasce da una collaborazione tra il LaST( Laboratorio di Sicurezza dei Trasporti) e l’Ospedale San Gerardo di Monza. La prima parte di questo lavoro ha riguardato l’identificaione di una metodologia per la creazione di un modello ad elementi finiti in grado di riprodurre con accuratezza la struttura ossea di mandibola e mascella di pazienti reali presi in considerazione per lo sviluppo dell’attività. I casi considerati sono 4, una normo-occlusione e 3 malocclusioni. Nella seconda parte della tesi, una volta disponibili i modelli numerici, sono stati sono stati simulati tramite software ad elementi finiti due impatti per la valutazione degli sforzi sui differenti casi, valutandone sui differenti casi oggetto di studio, valutandone le differenze in termini di sollecitazioni sulle strutture ossee. Nel primo impattoèstatasimulataunacadutaaterra,nelsecondoimpattoinvecesièsimulato un pugno laterale nella zona del mento. I risultati ottenuti sono stati infine confrontati con i dati clinici per avere conferma delle valutazioni compiute e per verificare possibili correlazioni con deduzioni empiriche basate sull’esperienza medica.