This thesis focuses on the characterization of the mechanical behavior of facial soft tissues and presents the development of a detailed three-dimensional finite element (FE) model of the face.

Different anatomical structures were reconstructed from magnetic resonance images (MRI) and modeled according to anatomical, plastic, and reconstructive surgery literature. The finite element mesh, composed of hexahedron elements, was generated through a semi-automatic procedure with an effective compromise between the detailed representation of anatomical parts and the limitation of the computational time. Soft biological tissues are assumed to be homogenous, isotropic materials with a nonlinear elastic mechanical response. Nonlinear constitutive equations are implemented in the finite element model. The corresponding model parameters were selected according to previous work with mechanical measurements on soft facial tissue, or based on reasonable assumptions. A first validation of the model is provided through the comparison with experiments. The calculated response of facial tissues to gravity loads, to the application of a pressure inside the oral cavity and to the application of an imposed displacement was shown to be in good agreement with the data from corresponding magnetic resonance images and holographic measurements.

Gravimetric soft tissue descent was calculated from the long time action of gravity on the face in the erect position, with tissue aging leading to a loss of stiffness. Aging predictions are found in good agreement with the observations from an “aging database” with frontal photos of volunteers at different age ranges (i.e., 20–40 years and 50–70 years).

An instrument for measuring the relaxation behavior of the face tissue in vivo was developed. The experimental set-up is described and results are presented for tests performed on different locations of the face (jaw, mid-face, parotid regions) and neck. The measured "long term" reaction force of the facial soft tissue is compared to numerical results showing that the response predicted by the model is in the right order of magnitude.

The face model was then used to evaluate the effectiveness of a novel facial rejuvenation system in mechanical and aesthetical aspects such as the estimation of lifting forces, deformations in the face during the application of these devices, the short and the long term aesthetic results and the volumetric tissue redistribution due to facial movements. The predictive capabilities of the model concerning volumetric redistribution of facial soft tissue have been verified through the comparison with measurements performed with a 3D imaging system. The applications of this minimally invasive cosmetic surgery procedure in the jowl, mid-face and neck were simulated and the model calculations showed immediate reversal of tissue descent and subsequent reduction of the rate of gravimetric aging. The immediate aesthetic effect after the implant application is attributed to the reversal of the sagging tissue and “fuller appearance” of mid-face tissue due to tissue/volume repositioning. The long-term effect is attributed to reduced rate of tissue descent through tissue reinforcement.

The quasi-static mechanical response of the most superficial soft tissue layers of the face was further investigated using two instruments based on the suction method:​ the Cutometer® (2mm probe aperture diameter) and the Aspiration device (8mm). Tests were performed in 5 different regions of the face (jaw, nasolabial, parotideomasseteric, zygomatic and forehead) on the same subject whose MRI scans were used to generate the face model. Results of Cutometer® measurements showed a relatively homogeneous mechanical response in different face regions, while results of aspiration device measurements showed a larger variability. Mechanical parameters of the tissue layers considered were determined through an inverse finite element analysis. Anatomical data (tissue layers thickness) were determined through the analysis of a set of high resolution MRI scans and Ultrasound measurements performed in the regions tested.

Based on all available numerical and experimental results, the challenges and the different uncertainties involved in the development of such a detailed finite elements face model are discussed.

Questa tesi si concentra sulla caratterizzazione del comportamento meccanico dei tessuti molli del viso e presenta lo sviluppo di un dettagliato modello a elementi finiti (FE) della faccia.

Diverse strutture anatomiche sono state ricostruite da immagini di risonanza magnetica (MRI) e modellate secondo la letteratura anatomica, chirurgico plastica e ricostruttiva. La griglia di elementi finiti, composta da elementi solidi esaedro, è stata ricostruita attraverso una procedura semi-automatica con un efficace compromesso tra la rappresentazione dettagliata delle parti anatomiche e la limitazione del tempo di calcolo. I tessuti molli biologici sono considerati composti da materiale isotropo e omogeneo, con una risposta meccanica elastica non lineare. Equazioni costitutive non lineari sono implementate nel modello ad elementi finiti. I parametri corrispondenti del modello sono stati selezionati sulla base di lavori precedenti con misure meccaniche su tessuti molli del viso, o basati su ipotesi ragionevoli. Una prima validazione del modello viene eseguita attraverso il confronto con risultati sperimentali. La risposta dei tessuti della faccia a carico gravimetrico, all'applicazione di una pressione all'interno della cavità orale e all'applicazione di uno spostamento imposto ha dimostrato di essere in buona corrispondenza con dati ottenuti con misure eseguite tramite risonanza magnetica e olografia.

La discesa gravimetrica dei tessuti molli è stata calcolata tramite l’azione nel lungo tempo della forza di gravità sulla faccia con la testa in posizione eretta, basandosi sul principio che all'invecchiamento dei tessuti consegue una perdita di elasticità. Simulazioni di invecchiamento sono in buon accordo con le osservazioni di un "aging database" della faccia, ottenuto tramite la sovrapposizione di foto frontali di volontari in diverse fasce d'età (20-40 anni e 50-70 anni).

Uno strumento per misurare in vivo il rilassamento del tessuto facciale è stato sviluppato. Il set-up sperimentale viene descritto ed i risultati sono presentati per gli esperimenti su diverse aree del viso (mascella, guance, regione parotidea) e del collo. La forza di reazione di lungo termine dei tessuti molli del viso viene confrontata con i risultati numerici, mostrando che la risposta prevista dal modello è nel corretto ordine di grandezza.

Il modello della faccia è stato poi utilizzato per valutare l'efficacia di un nuovo sistema di ringiovanimento del viso in termini meccanici ed estetici, come la stima delle forze di sollevamento, le deformazioni del volto durante l'applicazione di questi dispositivi, i risultati estetici nel breve e nel lungo termine e la ridistribuzione volumetrica dei tessuti conseguente a movimenti del viso. Le capacità predittive del modello relative alla ridistribuzione volumetrica dei tessuti molli del viso sono state verificate tramite il confronto con misure effettuate con un sistema di acquisizione di immagini tridimensionale. Le applicazioni di questa procedura mini-invasiva di chirurgia estetica nelle guance e nel collo sono state simulate e i calcoli effettuati con il modello mostrano un’immediata inversione dell’abbassamento dei tessuti e una conseguente riduzione del tasso di invecchiamento gravimetrico. L'effetto estetico immediato dopo l'applicazione dell’impianto è attribuito alla riduzione dell’abbassamento del tessuto e all'aspetto “più pieno" delle guance conseguente al riposizionamento del tessuto stesso. L'effetto a lungo termine è attribuito al tasso ridotto di abbassamento dei tessuti attraverso il rafforzamento del tessuto stesso.

La risposta meccanica quasi-statica degli strati più superficiali dei tessuti molli del viso è stata ulteriormente studiata utilizzando due strumenti basati sul metodo di aspirazione:​ il Cutometer® (2 mm diametro di apertura della sonda) e il “Aspiration device” (8 mm). Misure sono state eseguite in 5 diverse regioni della faccia (mascella, zigomi, fronte, regione naso-labiale e parotideomasseterica) sullo stesso volontario su cui sono state eseguite le risonanze magnetiche usate per generare il modello. Risultati delle misurazioni effettuate con il Cutometer® mostrano una risposta meccanica relativamente omogenea nelle diverse regioni del viso, mentre i risultati delle misurazioni effettuate con il “Aspiration device” mostrano una maggiore variabilità. I parametri meccanici degli strati di tessuto considerati sono stati determinati attraverso un’analisi inversa ad elementi finiti. I dati anatomici (spessore degli strati di tessuto) sono stati determinati attraverso l'analisi di una serie di scansioni ad alta risoluzione con MRI ed ecografia eseguite nelle regioni misurate.

Sulla base di tutti i risultati numerici e sperimentali disponibili, vengono discusse le sfide e le incertezze emerse nello sviluppo di un cosi dettagliato modello a elementi finiti della faccia.