Farklı darbe yükleri etkisindeki üç boyutlu insan kafasının sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi
The investigation of a three dimensional human head under the effect of different impact loading by finite element method
Yazar: HİLMİ ÜNAL
Danışman: PROF. DR. HASAN SOFUOĞLU
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Katı modelleme = Solid modelling

Özet:
Yapılan bu tez çalışmasında, değişik darbe koşulları altındaki insan kafası sonlu elemanlar yöntemiyle modellenip, kafatasında ve beyinde oluşan basınç ve gerilme dağılımları incelenmiştir.İlk olarak kafatası modeli anatomik koşullara uygun olarak optik tarama cihazı ile taranıp 2?B modeli oluşturulmuştur. Sonra, CATIA katı model programı kullanılarak kafatası ve beynin 3?B hali oluşturulmuştur. Oluşturulan bu 3?B modelde LS-DYNA 3D programı ile sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak önden (frontal), arkadan (oksipital) ve yandan (side) darbeler etkisiyle hem kafatası hem de beyindeki basınç ve gerilme değerleri incelenmiştir. Yapılan sonlu elemanlar analizinde kafatası elemanı elastik malzeme gibi modellenirken beyin hem elastik hem de viskoelastik malzeme özellikleri kullanılarak modellenmiştir.İlk olarak oluşturulan kafa modeline frontal bölgeden yapılan darbe sonucunda kafatası ve beyindeki farklı bölgelerden elde edilen basınç değerleri literatür verileriyle kıyaslanarak verilmiştir. Daha sonra oksipital darbe etkisiyle kafatası ve beynin tepkileri incelenmiştir. Ayrıca bu darbede kafanın pozisyonu, yani düz ya da açılı olması durumları karşılaştırılmalı olarak analiz edilmiştir. Son olarak ise yanal darbe etkisiyle kafatası ve beyindeki basınç ve gerilme dağılımları elde edilmiştir.Yapılan bu çalışmalar neticesinde, kafatasına beyin ve beyin sıvısının eklenmesiyle kafatasından elde edilen basınç değerlerinde pek belirgin bir fark oluşmaması dikkat çekmiştir. Ancak, kafatasından elde edilen basınç değerlerinde kafa açısı ve darbe yerinin etkili olduğu tespit edilmiştir. Beyin için kullanılan farklı malzeme değerlerinin elde edilen basınç ve gerilme değerlerini etkilediği fakat kafa açısının beyin üzerinde elde edilen basınç değerlerini sayısal olarak pek etkilemediği görülmüştür. Üç farklı darbe sonucunda kafatası için en tehlikeli darbe frontal olurken, beyin için yanal darbenin daha tehlikeli olduğu tespit edilmiştir.Anahtar Kelimeler: Biyomekanik, Sonlu Elemanlar Yöntemi, Dinamik yükleme, İnsan Kafatası, Yumuşak Doku, 3?B Optik Tarama.

Abstract:
In this thesis, a three-dimensional human head under the different impact loadings was modeled by using finite element method and the distributions of pressure and stress occurred in the skull and the brain were investigated.A model suitable to anatomical conditions was scanned by Optical Scanner in order to constitute the surface (2 ?D) model. The 3?D head model including the skull, brain and the Cerebro Spinal Fluid (CSF) was then modeled by using a commercial solid modeling (3?D), program, CATIA. This 3?D human head model was then imported to the LS?DYNA 3D, finite element analysis program, in order to investigate the pressure and the stress distributions in the skull and the brain for frontal, occipital and side impacts. While the material properties for the skull was taken as elastic both elastic and viscoelastic properties were used for the brain in the finite element analysis.From the frontal impact the obtained values of pressure and stress distributions for the skull and brain were given in the graphics with the some literature data for comparison purpose. Then the distributions of pressure and stress distributions obtained from occipital impact were analyzed. Finally the side impact of the human head was investigated.The results obtained from this thesis show that including the brain and CSF to the human head model did not largely affect the pressure values of the skull. However, the position of the head, being straight forward or inclined, affected the pressures occurred on the skull. The investigated material properties of the brain, elastic and viscoelastic, affected the pressure and the stress values obtained from the brain whereas the pressure values were not affected by the position of the head. Finally this investigation resulted that the frontal impact was the most dangerous impact for the skull while those of for brain was found to be side impact.Key Words : Biomechanics, Finite Element Method, Impact Loading, Human Skull, Soft Tissue, 3?D Optical Scanning