脑外伤是道路交通事故中人员伤害的主要形式之一,研究表明因严重脑外伤导致的人员死亡占道路交通事故中人员死亡总数的40%左右。同时,因脑外伤所产生的医疗费用和人员劳动力的丧失也造成了巨大的社会经济损失。为了能够有效地减轻或者避免人员在道路交通事故中遭受严重的脑外伤,需要清楚的了解在碰撞载荷下脑外伤的损伤机理和耐受限度,为脑损伤防护设备或措施的开发和应用提供理论基础和依据。弥散性脑损伤是道路交通事故中常见的脑外伤形式,严重的弥散性脑损伤则会导致人员长时间的昏迷甚至死亡。在过去的几十年,研究人员开展了大量弥散性脑损伤的生物力学研究,包括基于生物材料和机械模型实验以及数学模型仿真分析研究。由于无法利用人体开展脑外伤的活体冲击实验,也根据哺乳动物与人在脑组织损伤病理学上的相似性,动物活体头部冲击实验已被大量的用于弥散性脑损伤的生物力学特性研究。本文的主要研究目的是利用利用大鼠活体头部冲击实验数据和颅脑有限元模型深入的研究碰撞载荷下弥散性脑损伤的生物力学特性以及耐受限度。建立并验证了大鼠颅脑有限元模型;分析了大鼠在遭受弥散性脑损伤时的颅内动力学响应;仿真分析确定了弥散性脑损伤中的大脑细胞损伤和神经轴索损伤的耐受限度;分别构建了弥散性脑损伤中的大脑细胞和神经轴索损伤风险的Logistic回归模型,通过回归分析确定了具有统计学意义的损伤耐受限度;对脑损伤评价准则在动物与人之间的转化进行了探讨。首先基于大鼠脑的解剖学结构和脑组织的非均匀力学特性建立了新的大鼠颅脑有限元模型。该模型由胼胝体、海马体、丘脑、下丘脑、大脑皮层的扣带回、顶区、颞区、枕区、以及小脑、脑干、嗅球、颅骨、脑膜-脑脊液等25个解剖学区域组成。应用脑组织生物力学实验数据定义了颅脑有限元模型的材料特性。参照大鼠大脑皮层变形实验对大鼠颅脑有限元模型的有效性进行了验证。随后开展了大鼠活体头部旋转加速度冲击实验的有限元仿真重建,分析了在遭受弥散性脑损伤时大鼠的颅内动力学响应。基于仿真预测的大鼠颅-脑相对位移分析了旋转加速度冲击下脑组织的变形以及载荷传递过程。通过对比仿真预测和实验测量的颅-脑相对位移数据进一步验证了大鼠颅脑有限元模型的有效性。通过研究脑组织的非均匀力学特性对旋转加速度冲击下颅内动力学响应的影响,确定了以脑组织应变为主要动力学参数来研究弥散性脑损伤的生物力学特性。深入的研究了弥散性脑损伤中大脑细胞损伤的生物力学特性和耐受限度。对24例大鼠活体头部旋转加速度冲击实验进行了有限元仿真重建;对比分析了颅脑有限元模型预测的脑组织应变响应和实验测量的大脑细胞损伤;确定了大脑皮层和海马体区域脑细胞损伤的最大主应变耐受限度;构建了区域化的大脑细胞损伤风险的Logistic回归模型,确定了中等或严重脑细胞损伤风险具有统计学意义的耐受限度:即当大脑皮层和海马体的最大主应变响应分别超过0.19和0.15时,相应区域出现中等或严重脑细胞损伤的可能性将高于50%.此外,对26例大鼠活体头部旋转加速度冲击实验进行有限元仿真重建,分析了弥散性轴索损伤的生物力学特性和耐受限度。通过对比实验观测的轴索损伤分布和仿真预测的脑组织应变响应分布,确立了以胼胝体为主要研究对象进而开展区域化的神经轴索损伤耐受限度研究。对比仿真预测的应变以及应变相关动力学参数(最大主应变、应变与应变乘积、Cumulative Strain Damage Measure-CSDM)与实验观测的神经轴索损伤,确定了胼胝体不同区域的神经轴索损伤耐受限度。对易受伤害的胼胝体前部区域,分别构建了仿真预测的各脑组织动力学参数与神经轴索损伤风险的Logistic回归模型,确定了神经轴索损伤具有统计学意义的耐受限度:即当胼胝体前部区域的最大主应变响应、应变与应变率乘积或CSDM分别超过0.12、110 s-1或17%时,该区域出现神经轴索损伤的可能性将高于50%.最后对大鼠与人之间脑损伤准则的转化进行了探讨。利用大鼠和人体的颅脑有限元模型,评估了基于脑质量的头部旋转加速度缩放准则(Holbourn准则)的有效性。对比大鼠和人体脑组织的应变响应显示头部加速度进行整体缩放可能会带来脑组织损伤模式的变化;同时仿真结果指出了Holbourn准则中对旋转加速度持续时间的缩放也存在一定的不足。对大鼠和人之间脑损伤准则的转化探讨,揭示了开展区域化脑损伤准则以及损伤准则在动物与人之间转化的研究的必要性和可行性。综上所述,本文建立的大鼠颅脑有限元模型以及采取的颅脑有限元仿真和动物活体实验相结合的策略是开展脑外伤生物力学特性研究的有效工具;脑组织的应变以及应变相关指标能够有效的预测和评价弥散性脑损伤风险;构建了弥散性脑损伤风险的Logistic回归模型,通过定量分析确定了大脑细胞和神经轴索损伤区域化的损伤耐受限度。