Abusive head trauma (AHT) is a controversial and scientifically disputed medical diagnosis, particularly in infants. Existing symptom-based diagnostic approaches lack rigorous scientific validation, and misdiagnosis can not only cause devastating harm to affected families but also undermine public trust in both medical and judicial systems.     Finite element (FE) method offers a promising approach to investigate the injury mechanisms of infants under various suspected abuse scenarios. By providing anatomically accurate geometries and realistic material properties, it enables simulations that replicate realistic infant responses and the associated injury mechanisms. 

The anatomical and biomechanical characteristics of infants differ substantially from those of adults, including a larger head-to-body mass ratio than adults, open sutures and fontanelles, less ossified cranial bones, and more vulnerable cervical spine. This thesis focuses on these distinct features, explores efficient methods for generating both subject-specific and statistically based infant FE models, and further applies biomechanical approaches to evaluate infant head and neck injuries under different scenarios. Specifically, the work comprises five studies. The first study develops a quantitative framework for measuring the morphological parameters of infant cranial sutures and fontanelles. The second study applies this framework to computed tomography (CT) images of infants in the first year of life to characterize growth charts and establish developmental trajectories for sutures and fontanelles.    The third study presents and validates a material model for the infant cranial vault and proposes a method to reconstruct vault fracture patterns for subject-specific infant  FE head models. The fourth study develops an automated algorithm to modify infant FE head models with varying suture morphologies and investigates the biomechanical influence of suture and fontanelle morphology on the infant head. The last study consists of two parts: (1) the development of a full-body FE model of a two-month-old infant with a validated cervical spine, and (2) transient dynamic analyses to investigate head and neck responses under multi-cycle vigorous shaking loads associated with AHT scenarios.

Collectively, the five studies establish an integrated biomechanical framework for assessing AHT in infants, progressing from quantitative anatomical data and medical imaging to subject-specific FE modeling and dynamic simulation applications. Studies I–III quantify skull, suture, and fontanelle morphology and growth, creating the anatomical and material foundations for subject-specific modeling.  Studies IV and V apply these material models and anatomical data to FE simulations that explore how morphological variability influence head biomechanics and how infant head and neck respond under inflicted shaking. Together, this thesis  demonstrates the potential of biomechanics, particularly the FE method,  and provides a comprehensive pipeline for  subject-specific assessment of infant head and neck injuries, supporting forensic analysis of AHT and advancing understanding of the underlying biomechanical mechanisms.

Abusivt huvudtrauma (AHT) är en kontroversiell och vetenskapligt omstridd medicinsk diagnos, särskilt hos spädbarn. Befintliga symtombaserade diagnostiska metoder saknar rigorös vetenskaplig validering, och feldiagnoser kan inte bara orsaka förödande skador för drabbade familjer utan också underminera allmänhetens förtroende för både det medicinska och rättsliga systemet. Den finita elementmetoden (Finite Element, FE) erbjuder en lovande möjlighet att undersöka skade­mekanismer hos spädbarn under olika misstänkta misshandelsscenarier. Genom att tillhandahålla anatomiskt korrekta geometriska modeller och realistiska materialegenskaper möjliggör metoden simuleringar som kan återskapa spädbarnets fysiologiska respons och tillhörande skadeprocesser på ett realistiskt sätt.

Spädbarns anatomiska och biomekaniska egenskaper skiljer sig avsevärt från vuxnas, bland annat genom ett större huvud–kroppsförhållande, öppna suturer och fontaneller, mindre förbenade skallben samt en mer sårbar halsryggrad. Denna avhandling fokuserar på dessa unika egenskaper, utforskar effektiva metoder för att generera både individanpassade och statistiskt baserade finita elementmodeller av spädbarn, samt tillämpar biomekaniska metoder för att utvärdera huvud- och halskador under olika scenarier. Avhandlingen består av fem delstudier: Den första studien utvecklar ett kvantitativt ramverk för att mäta morfologiska parametrar hos spädbarns kraniala suturer och fontaneller. Den andra studien tillämpar detta ramverk på datortomografibilder (CT) av spädbarn under det första levnadsåret för att karakterisera tillväxtkurvor och etablera utvecklingsbanor för suturer och fontaneller. Den tredje studien presenterar och validerar en materialmodell för spädbarnets kranievalv samt föreslår en metod för att rekonstruera frakturmönster i valvet i individanpassade FE-modeller av spädbarnshuvuden.Den tredje studien presenterar och validerar en materialmodell för spädbarnets kranievalv samt föreslår en metod för att rekonstruera frakturmönster i valvet i individanpassade FE-modeller av spädbarnshuvuden. Den fjärde studien utvecklar en automatiserad algoritm för att modifiera spädbarns FE-huvudmodeller med varierande suturmorfologi och undersöker den biomekaniska betydelsen av suture- och fontanellmorfologi för spädbarnets huvud. Den femte studien består av två delar: (1) utvecklingen av en helkroppsmodell av ett två månader gammalt spädbarn med en validerad halsryggrad, och (2) transienta dynamiska analyser för att undersöka huvudets och halsens respons vid fler-cykliga kraftiga skakbelastningar som är förknippade med AHT-scenarier.  

Tillsammans etablerar de fem studierna ett integrerat biomekaniskt ramverk för att bedöma AHT hos spädbarn, från kvantitativa anatomiska data och medicinsk bildbehandling till individanpassad FE-modellering och dynamiska simulerings­tillämpningar. Studierna I–III kvantifierar skallens, suturernas och fontanellernas morfologi och tillväxt, vilket skapar de anatomiska och materiella grunderna för individanpassad modellering. Studierna IV och V tillämpar dessa materialmodeller och anatomiska data i FE-simuleringar som undersöker hur morfologisk variation påverkar huvudets biomekanik och hur spädbarnets huvud och nacke reagerar vid åsamkad skakning. Sammanfattningsvis visar denna avhandling på den stora potentialen hos biomekaniken – särskilt den finita elementmetoden – och presenterar en heltäckande process för individanpassad bedömning av spädbarns huvud- och halskador. Arbetet bidrar därmed till den forensiska analysen av AHT och till en fördjupad förståelse av de underliggande biomekaniska mekanismerna.