Finite element method for analysis of stresses arising in the skull after external loading in cranio-orbital fractures

Background and purposeThe craniofacial skeleton remains not fully recognised as far as its mechanical resistance properties are concerned. Heretofore, the only available information on the mechanism of cranial bone fractures came from clinical observations, since the clinical evaluation in a living individual is practically impossible. It seems crucial to implement computer methods of virtual research into clinical practice. Such methods, which have long been used in the technical sciences, may either confirm or disprove previous observations. The aim of the study was to identify the areas of stress concentrations caused by external loads, which can lead to cranio-orbital fractures (COF), by the finite element method (FEM).Material and methodsFor numerical analysis, a three-dimensional commercially available geometrical model of the skull was used which was imported into software of FEM. Computations were performed with ANSYS 12.1 Static Structural module. The loads were applied laterally to the frontal squama, the zygomatic process and partly to the upper orbital rim to locate dangerous concentration of stresses potentially resulting in COF.ResultsChanges in the area of force application revealed differences in values, quality and the extent of the stress distribution. Depending on the area of force application the following parameters would change: the value and area of stresses characteristic of COF.ConclusionThe distribution of stresses obtained in this study allowed definition of both the locations most vulnerable to fracture and sites from which fractures may originate or propagate.

StreszczenieWstęp i cel pracySzkielet czaszkowo-twarzowy nie jest obszarem rozpoznanym do końca pod względem jego mechanicznych właściwości wytrzymałościowych. Informacje dotyczące mechanizmu złamań kości czaszki uzyskiwano dotychczas na podstawie pourazowych obserwacji, ponieważ w warunkach klinicznych ocena odporności szkieletu czaszkowo–twarzowego żywego człowieka na zewnętrzne obciążenia nie jest praktycznie możliwa. Słuszne wydaje się zatem wdrożenie do praktyki klinicznej komputerowych metod badań wirtualnych, od dawna stosowanych w technice, które mogą potwierdzić lub zanegować dotychczasowe obserwacje kliniczne. Celem pracy była ocena za pomocą metody elementów skończonych (MES) miejsc koncentracji maksymalnych naprężeń sprowokowanych przez różnorodne zewnętrzno-boczne obciążenia szkieletu czaszkowo-twarzowego, które potencjalnie mogą prowadzić do złamania czaszkowo-oczodołowe-go (ZCO).Materiał i metodyDo numerycznych analiz użyto trójwymiarowego, dostępnego komercyjnie geometrycznego modelu czaszki zaimportowanego do oprogramowania metody elementów skończonych. Do obliczeń wykorzystano moduł Static Structural komercyjnego oprogramowania ANSYS wersja 12.1. Obciążeniom poddano boczną powierzchnię łuski czołowej obejmującą guz czołowy, wyrostek jarzmowy kości czołowej i częściowo górny brzeg oczodołu, aby zlokalizować niebezpieczne naprężenia mogące prowokować ZCO.WynikiZmiany powierzchni przyłożenia siły ujawniły różnice w wartości, jakości i obszarze rozkładu naprężeń. W zależności od powierzchni przyłożenia siły zmieniały się wartości oraz obszary charakterystycznych dla ZCO naprężeń.WnioskiUzyskane w badaniach rozkłady naprężeń pozwoliły określić najbardziej narażone na zniszczenie obszary oraz miejsca mogące być początkiem pęknięć lub ich propagacji. Wyniki analizy numerycznej potwierdziły wieloletnie obserwacje kliniczne dotyczące ZCO.