Development of a validated finite element model of a human head

The human head is a multi-layered system of soft and hard tissues, ruled by non-linear material laws and complex interactions. Over the years, numerical models of the human head have been developed, achieving high levels of detail and accuracy. Nonetheless, most of the effort has been dedicated to the brain and other intracranial structures, and their related injuries. The geometric and material modelling of the skull is often overlooked. Despite that, the skull has a relevant role regarding the head response. In this work, a new finite element head model is developed from Computer Tomography medical images to obtain an accurate anatomical representation. The head model, built in LS-Dyna, consists of scalp, skull, and intracranial contents. In turn, the skull is segmented into cortical bones, diploë, and sutures, whose thicknesses are based on medical craniometric data. Constitutive models are employed to consider the non-linear behavior of skull bones and also their fracture mechanisms. An innovative strain based failure criterion adopting the stress triaxiality is developed, improving the prediction of possible fracture pattern. High-quality 3D meshes for the skull are needed for accurate strain predictions. A four-step validation is performed, comparing the numerical results with experimental results available in literature: (i) brain pressure responses in frontal head impacts; (ii) blunt impacts against stationary skull at different sites; (iii) lateral free-fall impacts at different velocities; (iv) frontal impacts by flat surface at different input energy levels. Impact forces, accelerations, absorbed energy, brain pressures and visual fracture patterns are used as comparison methods throughout the validation process. No further experimental test campaigns are developed for this work. Lastly, a preliminary accident reconstruction is conducted for a real-world event using the validated FEHM.

La testa umana è un complesso sistema di tessuti molli e duri, governato da leggi costitutive non lineari e complicate interazioni tra i suoi componenti. Modelli numerici sono stati sviluppati negli anni, raggiungendo elevati livelli di dettaglio e accuratezza. Tuttavia, minore attenzione è stata dedicata alla modellazione del cranio, nonostante il suo ruolo rilevante nella risposta della testa durante gli urti. In questa tesi, un nuovo modello ad elementi finiti anatomicamente rappresentativo della testa umana è stato sviluppato a partire da immagini mediche. Il modello, realizzato in LS-Dyna, consiste di scalpo, cranio, cervello e fluido cerebrospinale. A sua volta, il cranio è stato ulteriormente suddiviso in osso compatto, osso spugnoso e suture craniche, con gli spessori delle parti ricavati da un’analisi craniometrica. I materiali utilizzati sono tali da rappresentare il tipico comportamento non lineare delle strutture biologiche e i meccanismi di frattura del cranio. Un nuovo modello di rottura basato sulle deformazioni locali che considera lo stato di triassialità è stato impiegato nello studio delle fratture del cranio. Tale modello ha richiesto lo sviluppo di una mesh tridimensionale fine e sottoposta ad un approfondito controllo di qualità. La validazione del modello è avvenuta in quattro fasi, comparando i risultati delle simulazioni con i valori sperimentali disponibili in letteratura: (i) pressione intracranica durante impatti frontali; (ii) impatti in differenti punti contro un cranio stazionario; (iii) impatto laterale della testa con caduta libera; (iv) impatti frontali contro una superficie piatta. La comparazione è avvenuta considerando forze di impatto, accelerazioni, energia assorbita, pressione intracranica e osservazione delle fratture. Non è stata effettuata nessuna ulteriore campagna di test sperimentali. Infine, la ricostruzione preliminare di un caso reale di incidente stradale è stata effettuata con il nuovo modello validato.