Finite element analysis of the cranium: validity, sensitivity and future directions

Abstract

Finite element analysis (FEA) is increasingly applied in skeletal biomechanical research ingeneral, and in fossil studies in particular. Underlying such studies is the principle that FEA provides results that approximate reality. This paper provides further understanding of the reliability of FEA by presenting a validation study in which the deformations experienced by a real cadaveric human cranium are compared to those of an FE model of that cranium unde requivalent simulated loading. Furthermore, model sensitivity to simplifications in segmentation and material properties is also assessed. Our results show that absolute deformations are not accurately predicted, but the distribution of the regions of relatively high and low strains, and so the modes of global deformation, are reasonably approximated.

La méthode des éléments finis (FEA) est de plus en plus appliquée dans la recherche biomécanique du squelette en général, et dans les études de fossiles en particulier. Ces études sont fondées sur le principe selon lequel les FEA fournissent des résultats qui se rapprochent de la réalité. Ce article fournit une meilleure compréhension de la fiabilité de la méthode des FEA en présentant une étude de validité dans laquelle les déformations subies par un vrai crâne de cadavre humain sont comparées à celles d’un modèle par éléments finis de ce crâne sous un chargement simulé équivalent. En outre, la sensibilité du modèle vis-à-vis de simplifications dans la segmentation et des propriétés des matériaux est également évaluée. Nos résultats montrent que les déformations absolues ne sont pas prédites avec précision, mais la répartition des régions de relativement hautes et basses contraintes, et par conséquent les modes de déformation globale, sont raisonnablement estimés.