随着我国经济的迅猛增长、汽车工业的快速发展以及人民生活水平的普遍提高,国内民用汽车保有量也在不断攀升。汽车的普及在给我国人民生活带来便捷的同时也导致了道路交通事故数量的急剧上升,成为威胁我国公民生命安全的一个重大社会公共问题。在道路交通事故损伤中,创伤性颅脑损伤是事故人员伤害的主要类型,亦是导致事故人员死亡的最主要原因。因此,研究颅脑损伤生物力学,可以为道路交通事故中人员急救措施的改进、安全防护装置的开发和应用以及汽车安全性设计提供理论依据。在过去的几十年间,研究人员开展的大量针对颅脑损伤的碰撞生物力学实验研究都是基于猴、猩猩等的动物实验、人尸体实验以及机械假人实验。但是,动物在解剖学上与人体结构相差甚远,人尸体具有活人头部的有效解剖结构但不具有其生理学响应特点,机械假人又将人体进行了过多的简化,都会影响实验结果的准确性。随着计算机科技的迅猛发展以及交通事故数据采集技术的完善,国内外学者尝试将每一例真实交通事故看作一次碰撞试验,通过真实交通事故案例来进行碰撞生物力学的研究并取得了一定进展。事故数据采集技术的发展保证了对每一起事故信息获取的完备性,特别是在监控设备日益普及的今天可以通过图像学技术重现事故发生过程。基于上述思路,本研究主要完成的工作与结论如下:(1)重庆市2013-2018年道路交通事故的流行病学分析通过事故调查建立了包含最近6年重庆市部分道路交通的数据库并对其进行了流行病学研究,得到了交通事故各类损伤尤其是创伤性颅脑损伤的分布特征,讨论了其带来的一些公共卫生后果并提出相关交通事故预防措施。本研究共收集各类道路交通事故2131起,涉及2741人,其中驾驶员532人、乘员566人、摩托车驾乘人员606人以及行人1037人。道路交通事故导致死亡的人数为1598人,其中85%的死亡原因都是颅脑损伤,同时79%的人员死亡发生在碰撞后2小时内,表明加强对颅脑损伤的应急救援能力是降低交通死亡率的最有效途径。对行人脑损伤风险的研究发现,被70km/h以上速度车辆碰撞行人的严重颅脑损伤风险是与40km/h以下的速度车辆的100倍。因此,限制车辆速度是防止行人在事故中遭受严重TBI的最简单、最直接的方法。此外,研究发现在423名有详细颅脑损伤病情记载的受伤人员中,24.1%有颅内损伤但没有颅骨骨折,而没有发现有颅骨骨折但无颅内损伤的案例,这表明相对于颅骨骨折,颅内损伤可以更好地反映整体颅脑损伤。(2)人-车碰撞视频事故多刚体模型的建立与模型优化从建立的道路交通事故数据库中挑选了33例有清晰视频记录碰撞过程的、损伤资料完整的人-车碰撞事故作为后续仿真的研究对象。根据本研究要求,建立了一套使用多刚体模型进行人-车碰撞事故重建并优化模型初始参数的方法。首先,通过对人-车碰撞视频事故进行深入地调查和分析确定碰撞前的初始参数及范围,例如事故发生时人-车的相对位置、碰撞速度以及行人的姿势等,进而建立能够满足最终人-车距离、人-车角度等条件的多刚体基础碰撞模型。然后,通过选取不同初始参数进行组合作为输入,以仿真结果输出的颅脑旋转角度及人-车位置信息作为评判指标建立了基于熵权法的仿真优劣度评估模型实现对基础碰撞模型的优化。最终可以得到一个最优的参数组合作为多刚体模型初始条件,进而在多刚体软件XMADgic-7.5中提交计算并输出结果文件。以事故案例1为例详细演示了多刚体基础模型的建立和优化过程,结果显示行人速度为1.5m/s,小轿车车速为16m/s,行人旋转角度为10°时与真实碰撞过程具有最好的匹配性,其各项评价指标的平均误差为4.2%。(3)多刚体仿真模型的优化与结果提取的自动化实现多刚体仿真分析过程主要经过仿真建模、仿真计算和仿真结果评价三个步骤,需要不断修改大量的参数组合并提交至XMADgic-7.5计算,等待仿真计算完成后从结果文件中提取需要的数据进行分析和后处理。重复进行几十上百次上述耗时耗力的流程,不仅效率低,而且容易出错。针对上述仿真分析过程中的问题,一方面,本研究利用Python进行计算机编程实现了优化仿真参数的快速方法,该方法可以实现在仿真分析过程中多刚体模型输入文件的批量生成以及运算平台的自动提交计算。另一方面,通过研究了多刚体运算后输出文件中速度、角度和位置等数据的保存格式后,进一步完善和实现了对后处理文件中结果文件的批量提取与模型的快速评价。这一套程序主要包含了参数组合仿真文件的生成、自动循环提交至XMADgic-7.5运算、计算结果的提取和仿真效果的评估这4个主要功能。通过对事故案例1多刚体基础模型的优化展示了使用该程序进行自动优化的过程并计算了最优模型的运动学评价准则的数值,计算出事故中人体头部GAMBIT、HIP、BRIC2011、BRIC2013、HIC和RIC的值分别为1.54、35734.07、1.41、0.58、3352.83和31919272.6,与真实行人的颅脑损伤相符。重复以上流程,完成了所选出全部33例行人头部撞击车辆前部的案例的事故重建并计算出其运动学评价准则数值。(4)人-车碰撞视频事故有限元模型的建立有精细结构的头部有限元模型,可以用来进行组织结构层面的颅脑损伤生物力学研究。在多刚体建模完成事故重建的基础上,本文运用丰田公司开发的THUMS头部有限元模型和经过验证的车辆前挡风玻璃模型对挑选出的33例人-车碰撞事故进行了基于有限元分析的行人颅脑损伤重建。以事故案例1为例,详细描述了如何进行损伤重建的过程以及演示了人-车碰撞过程中典型的颅脑损伤生物力学响应过程,最后通过有限元后处理软件Hyper View计算了本事故中颅脑CSDM、MPS和DDM的值分别为17.88%、38.05%和12.49%。重复以上流程,完成了所选出全部33例行人头部撞击车辆前部的案例的颅脑损伤重建并计算出其组织学评价准则数值。(5)颅脑损伤评价准则预测能力研究基于前述事故过程再现和损伤再现的计算结果,本文研究了目前主要的运动学评价准则和组织学评价准则对颅脑损伤的预测能力。根据AIS标准对33例事故中行人的弥散性脑损伤和脑挫伤严重程度进行分级,使用Logistic单因素回归模型分析了各评价准则与AIS4+颅脑损伤风险的关系,还计算了各评价准则与颅脑损伤MAIS的相关系数。结果显示HIC的相关系数为0.69,它作为使用最广泛的颅脑损伤评价准则有最好的颅脑损伤预测能力。同时,作为同时考虑头部线性和旋转运动的评价准则HIP同样可以有效地评价颅脑损伤,它的相关系数为0.59。在基于脑组织的颅脑损伤评价准则中,相对于MPS和CSDM0.25,CSDM0.15和DDM与颅脑损伤MAIS有较大的相关系数,具有对弥散性脑损伤和脑挫伤较好的预测能力。最后,本文提出了综合时间作用的组织学评价准则HCSDM,并对其颅脑损伤预测能力进行了研究。结果显示相对于CSDM准则,HCSDM对本研究中的33例事故中的行人颅脑损伤有更好的预测效果,并且在积分时间为10ms时具有最高的相关系数0.62。本文首先通过对重庆市交通事故的调查,发现了加强对颅脑损伤的现场急救可能是降低交通死亡率的最有效途径。其次,明确了相对于颅骨骨折,颅内损伤可以更好地反映整体颅脑损伤,开发基于颅内损伤的评价准则具有进一步的研究价值。最后,分析了目前常用的颅脑损伤评价准则的损伤预测能力,在其基础上提出了新的考虑了作用时间的组织学颅脑损伤评价准则HCSDM并对其损伤预测效能进行了评估,结果显示HCSDM对颅脑损伤具有较好的预测能力。