Assessment of head injury risk caused by impact using finite element models

Abstract

[ES] Las cargas de impacto son la fuente primaria de lesiones en la cabeza y pueden resultar en un rango de traumatismo desde leve hasta severo. Debido a la existencia de múltiples entornos en los que se pueden desencadenar lesiones por impacto (accidentes automovilísticos, deportes, caídas accidentales, violencia), éstas pueden afectar potencialmente a toda la población independientemente de su estado de salud. Pese al creciente esfuerzo en investigación para comprender la biomecánica de las lesiones por traumatismo en la cabeza, todavía no es del todo posible realizar predicciones precisas ni prevenir estos eventos.

En esta Tesis, se han estudiado algunos aspectos del comportamiento ante impacto de los diferentes tejidos biológicos involucrados mediante el desarrollo de un modelo numérico de cabeza humana a partir de imágenes de tomografía computerizada (TAC). Se han realizado simulaciones en elementos finitos (EF) de ensayos experimentales de la literatura con el fin de validar el modelo numérico desarrollado, estableciendo unas propiedades mecánicas adecuadas para cada uno de sus constituyentes. De esta manera se puede adquirir una predicción adecuada del riesgo de sufrir daños. Parte de esta Tesis se centra en el entorno balístico, específicamente en cascos de combate antibalas, los cuales son susceptibles de causar traumatismo craneoencefálico debido a la elevada deformación que sufren durante el impacto. Previamente al estudio de estos fenómenos de alta velocidad, se han realizado ensayos experimentales y numéricos para caracterizar la respuesta mecánica de algunos materiales compuestos ante impacto de baja velocidad. Al principio de esta Tesis se ha realizado una revisión del estado del arte acerca de los criterios existentes para cuantificar el trauma craneoencefálico.Este es un aspecto clave para las simulaciones numéricas, ya que la idoneidad de algunos de estos criterios para la predicción de lesiones cerebrales todavía es un debate abierto.

Mediante EF se han realizado simulaciones de impactos balísticos en una cabeza protegida con un casco de combate. Mediante la posterior aplicación de diferentes criterios de daño sobre los resultados obtenidos se ha evaluado el nivel de protección que aseguran los protocolos de aceptación de cascos de combate, así como las estrategias para determinar su tallaje. Se ha demostrado que las normativas existentes para cascos de combate son capaces de mitigar algunos mecanismos de trauma pero no logran prevenir otros como los gradientes de presión intracraneales. Además, se ha demostrado que algunas de las estrategias de tallaje más comúnmente adoptadas por los fabricantes, como producir un solo tamaño de calota, deberían ser reconsideradas ya que existe un mayor riesgo de traumatismo cuando la distancia entre la cabeza y la calota del casco no es suficiente.

Siguiendo la línea de protecciones personales, algunos de los materiales compuestos comúnmente empleados en la industria armamentística se han combinado para crear distintas configuraciones de calota para optimizar la relación entre peso del casco y protección para la cabeza. Materiales ligeros como el UHMWPE han resultado en un comportamiento menos eficiente que el de los apilados de tejido de aramida a la hora de limitar la BFD (deformación máxima en la calota del casco en la zona de impacto).

Hacia el final de la Tesis se presenta un modelo numérico de cabeza humana detallado, que incluye treinta y tres de las estructuras anatómicas principales. Dicho modelo se ha desarrollado para la simulación de un accidente ecuestre en el que aparecen múltiples lesiones craneoencefálicas. Principalmente, se pretende establecer un criterio mecánico para predecir el hematoma subdural (HS) basado en la ruptura de los vasos sanguíneos intracraneales. Se ha propuesto un valor umbral de ruptura en tensiones de 3.5 MPa, pero tanto este límite como la localización del vaso dañado son altamen

[CA] Les càrregues d'impacte son la font primària de lesions al cap i poden resultar en un rang de severitat des de lleu a greu. Degut als múltiples entorns en que poden desencadenar-se lesions per impacte (accidents automobilístics, esports, caigudes accidentals, violència), aquestes poden afectar potencialment a tota la població independentment del seu estat de salut. Malgrat el creixent esforç en investigació per comprendre la biomecànica de les lesions per traumatisme al cap, encara no és del tot possible realitzar prediccions precises ni prevenir aquestos esdeveniments.

En aquesta Tesi, s'han estudiat alguns aspectes del comportament a impacte dels diferents teixits biològics involucrats mitjançant el desenvolupament d'un model numèric de cap humà a partir d'imatges de tomografia computeritzada (TAC). S'han realitzat simulacions en elements finits (EF) d'assajos experimentals de la literatura amb la finalitat de validar el model numèric desenvolupat, establint unes propietats mecàniques adequades per a cadascun dels seus constituents. D'aquesta manera es pot aconseguir una predicció del risc de sofrir danys traumàtics. Part d'aquesta Tesi es centra en l'entorn balístic, específicament en cascs de combat antibales, els quals són susceptibles de causar traumatisme degut a l'elevada deformació que sofrixen durant l'impacte. Previament a l'estudi d'aquests fenòmens d'alta velocitat, s'han realitzat assajos experimentals i numèrics per a caracteritzar la resposta mecànica d'alguns materials compostos en condicions d'impacte a baixa velocitat. Al començament d'aquesta Tesi s'ha realitzat una revisió de l'estat de l'art sobre els criteris existents per quantificar el trauma cranioencefàlic. Aquest és un aspecte clau per a les simulacions numèriques, ja que l'utilitat d'alguns d'aquestos criteris per a la predicció de lesions cerebrals és encara un debat obert.

Mitjançant EF s'han realitzat simulacions numèriques d'impactes balístics en un cap protegit amb un casc de combat. Gràcies a la posterior aplicació de diferents criteris de dany sobre els resultats obtinguts s'ha evaluat el nivell de protecció que asseguren els protocols d'acceptació de cascs de combat, així com les estratègies per a determinar les seues talles. S'ha demostrat que les normatives existents són capaces de mitigar alguns mecanismes de trauma però no aconseguixen prevenir altres com els gradients de pressions intracranials. A més, s'ha demostrat que algunes estratègies per determinar les talles més comunament adoptades pels fabricants (com produir només un tamany de calota i adaptar el gruix de les escumes interiors a les diferents dimensions dels subjectes) haurien de ser reconsiderades ja que existeix un major risc de traumatisme quan la distància entre el cap i la calota del casc no és suficient. Seguint la línia de proteccions personals, alguns dels materials compostos comunament utilitzats en la indústria de l'armament s'han combinat per a crear distintes possibles configuracions de calota amb la finalitat d'optimitzar la relació entre pes i protecció. Materials lleugers com l'UHMWPE han resultat en un comportament menys eficient que el d'apilats de teixit d'aramida a l'hora de limitar la BFD (deformació màxima a la calota del casc a la zona d'impacte).

Cap al final de la Tesi es presenta un model numèric detallat de cap humà, que inclou trenta-tres de les estructures anatòmiques principals. Aquest model s'ha desenvolupat per a la simulació d'un accident eqüestre en el qual apareixen múltiples lesions cranioencefàliques. Principalment, es pretén establir un criteri mecànic per a la predicció de l'hematoma subdural (HS) basat en la ruptura dels vasos sanguinis intracranials. S'ha proposat un valor umbral de ruptura en tensions de 3.5 MPa, pero tant aquest límit com la ubicació del vas danyat són altament dependents de l'anatomia específica de cada subjecte.

[EN] Impact loading is the primary source of head injuries and can result in a range of trauma from mild to severe. Because of the multiple environments in which impact-related injuries can take place (automotive accidents, sports, accidental falls, violence), they can potentially affect the entire population regardless of their health conditions. Despite the increasing research effort on the understanding of head impact biomechanics, accurate prediction and prevention of traumatic injuries has not been completely achieved.

In this Thesis, some aspects of the impact behaviour of the different biological tissues involved have been analysed through the development of a numerical human head model from Computed Tomography (CT) images. FE simulations of experimental tests from the literature have been performed and enhanced the validation of the head model through the establishment of proper material laws for its constituents, which enable adequate prediction of injury risks. Part of this Thesis focuses on the ballistic environment, especifically in bulletproof composite helmets, which are susceptible to cause blunt injuries to the head because of their large deformation during impact. Prior to the study of these high-speed impacts, experimental tests and finite element (FE) models have been performed to characterise the mechanical response of composite materials subjected to low velocity impact. The implementation of a continuum damage mechanics approach coupled to a Hashin failure criterion and surface-to-surface cohesive relations to the numerical model provided a good matching with the impact behaviour obtained experimentally, capturing the principal damage mechanisms. A review of the head injury criteria currently available in the literature has been performed at the beginning of this Thesis. This is a key issue for the numerical simulations, as the suitability of some criteria to predict head injuries is still an open question.

Numerical simulation of ballistic impacts on a human head protected with a combat helmet has been conducted employing explicit FE analysis. The level of protection ensured by helmet acceptance protocols as well as their sizing strategies have been studied and discussed by means of the application of different mechanical-based head injury criteria. It has been demonstrated that current helmet testing standards do mitigate some specific forms of head trauma but fail to prevent other injury mechanisms such as the intracranial pressure gradients within the skull. Furthermore, it has been demonstrated that some well-established helmet sizing policies like manufacturing one single composite shell and adapting the thickness of the interior pads to the different head dimensions should be reconsidered, as there is a great risk of head injury when the distance between the head and the helmet shell (stand-off distance) is not sufficient.

Following the line of personal protections, some composite materials commonly employed in the soft body armour industry have been combined into different helmet shells configurations to optimise the ratio of weight-to-head protection. Light materials like UHMWPE appear to be less efficient than integral woven-aramid lay-ups in the limitation of the backface deformation (BFD), the maximum deformation sustained by the helmet at the impact site.

A detailed head numerical model including thirty-three of its main anatomical structures has been developed for the simulation of an equestrian accident that resulted in many head injuries. Above all, the establishment of a mechanical criterion for the prediction of subdural hematona (SDH) based on the rupture of the head blood vessels is intended. A stress threshold for vein rupture has been set on 3.5 MPa, but both this limit and the location of vessel failure are highly dependent on the specific anatomy of the subject's vascularity.