Biomedical Engineering Fundamentals

52.1.2.4 Compression–Extension Injuries
Frontal impacts to the head with the neck in extension will cause compression–extension injuries. These
involve the fracture of one or more spinous processes and, possibly, symmetrical lesions of the pedicles,
facets, and laminae. If there is a fracture-dislocation, the inferior facet of the upper vertebra is displaced
posteriorly and upward and appears to be more horizontal than normal on x-ray.
52.1.2.5 Injuries Involving Lateral Bending
If the applied force or inertial load on the head has a significant component out of the midsagittal plane, the
neck will be subjected to lateral or oblique along with axial and shear loading. The injuries characteristic
of lateral bending are lateral wedge fractures of the vertebral body and fractures to the posterior elements
on one side of the vertebral column.
Whenever there is lateral or oblique bending, there is the possibility of twisting the neck. The associated
torsional loads may be responsible for unilateral facet dislocations or unilateral locked facets [Moffat et al.,
1978]. However, the authors postulated that pure torsional loads on the neck are rarely encountered in
automotive accidents.
52.2 Mechanical Response
52.2.1 Mechanical Response of the Brain
Skull impact response was presented in the previous edition in which remarks were made regarding the
unavailability of data on the response of the brain during an injury-producing impact. Such data are

---

JOBR: “2121_c052” — 2006/2/6 — 19:55 — page 4 — #4
52-4
Biomedical Engineering Fundamentals
FIGURE 52.1
Brain response to blunt impact.
now available. For intact heads, the motion of the brain inside the skull has been recently studied by
Hardy et al. [2001]. Isolated cadaveric heads were subjected to a combined linear and angular acceleration
and exposed to a biplanar high-speed x-ray system. Neutral density targets made of tin or tungsten were
preinserted into the brain. Video data collected from such impacts showed that most of the motion was
in the center of the brain and that target motion was in the form of a figure 8, as shown in Figure 52.1.
This motion was limited to
±
5 mm regardless of the severity of the impact. Angular acceleration levels in
excess of 10,000 rad/sec
2
were reached.
In another experiment, a Hybrid III dummy head and neck system was accelerated into a variety of
plastic foams to assess head response with and without the use of a helmet used in American football. It
was found that the helmet reduced the linear acceleration of the head substantially but did not change its
angular acceleration significantly. However, it is believed by many that angular acceleration is the cause
of brain injury. So if angular acceleration is the culprit, then how does the helmet protect the brain?
In an attempt to answer this question, video data from NFL helmet impacts were analyzed and the helmet
velocities were computed using stereophotogrammetric methods. The helmet impacts were reproduced
in the laboratory by Newman et al. [1999] to yield head angular and linear accelerations, using helmeted
Hybrid III dummies. These head accelerations were fed into a brain injury computer model developed by
Zhang et al. [2001] to compute brain responses, such as strain (
ε
), strain rate (d
ε/
dt ), and pressure. A
total of 58 cases were studied, involving 25 cases of concussion or mild traumatic brain injury (MTBI),
as reported by Pellman et al. [2003]. The results of the model were analyzed statistically to determine
the best predictors of MTBI, using the logist analysis. It was found brain response parameters such as
the product of strain and strain rate, were good predictors whereas angular acceleration was a poor
predictor, as shown in Table 52.1. The chi square value is a measure of the ability of the parameter to
predict injury and in this analysis, its ability to predict injury is high if the chi square value is high.
These results are consistent with the findings of Viano and Lövsund [1999] who used animal data to
determine the parameter most likely to cause DAI in a living brain. It was the product of the velocity
(V ) of the impactor and depth of penetration of the impactor as percentage of the brain depth (C).
For the brain, the product, V
·
C, is analogous to
ε
·
d
ε/
dt . Note that HIC is the current Head Injury
Criterion used in Federal Motor Vehicle Safety Standard (FMVSS) 208 to assess head injury and GSI is
the previous head injury criterion, now referred to as the Gadd Severity Index. The Cumulative Strain
at 15% is measure of the volume of brain that experienced a strain of 15% or higher throughout the

---

JOBR: “2121_c052” — 2006/2/6 — 19:55 — page 5 — #5
Mechanics of Head/Neck