人体头部遭受过量外部载荷而导致的脑组织损伤被称为创伤性脑损伤（Traumatic brain injury,TBI）。TBI是一种严重危害人类健康的疾病,由于TBI的发病率日益增加,针对TBI的相关研究越来越受到人们的重视。对于TBI的深入研究不但可以探究TBI的发病机理、损伤区域等病因,还可以为TBI高发人群提供防护装备设计灵感和依据。目前的TBI研究已成为医学与力学研究的交叉领域,研究方法可分为实验研究和数值模拟研究。数值模拟研究已逐渐成为TBI研究最为有效的手段,数值模拟研究无须受实验样品和实验设备的约束,可以较为全面地揭示TBI的力学机理。本文以TBI及其常见并发症视神经损伤为研究对象,基于实验与数值仿真技术,对外部载荷下的脑组织力学响应进行了研究。并在以下几方面展开的论述:第一章首先总结了国内外的TBI发病率,并阐述了 TBI研究的重要意义。随后,介绍了人体头部的解剖结构,并综述了目前的TBI流行病学研究。最后,结合目前TBI的实验和数值模拟研究现状,从生物力学角度论述了 TBI的主要研究方法和手段,并分析了目前的TBI数值模拟研究中尚未解决的科学技术问题。第二章进行了软脑膜力学性质实验研究。软脑膜是脑组织抵御外部冲击的最后一道保护膜,但由于整体软脑膜难以与脑组织分离,导致目前缺少全面的软脑膜力学性质测试,因而无法对头部模型中的软脑膜准确赋值。首先,通过特定的解剖操作程序,成功将软脑膜和脑组织分离,并制备了可供拉伸实验的软脑膜试件。随后,对软脑膜试件进行了八个不同应变率下的拉伸实验和应力松弛实验,并利用不同的超-粘弹性本构方程对实验数据进行了拟合。研究发现,软脑膜是一种典型的应变率相关粘弹性材料。Ogden超-粘弹性本构方程最能体现软脑膜的应变率相关特性,且通过引入应变率函数,全面表征了软脑膜的力学性质。第三章建立了具有详细解剖学结构的人体头部三维有限元模型,并利用核磁共振弹性成像（Magnetic Resonance Elastography,MRE）技术测试的活体脑组织整体变形数据,对头部有限元模型进行了评估。首先,利用计算机断层扫描技术（Computed Tomography,CT）和核磁共振影像技术（Magnetic Resonance Images,MRI）测得的人体头部扫描图像数据,建立了真实的三维人体头部几何模型,并对各个解剖组织进行了有限元网格划分,为后续的数值分析建立了头部有限元模型。最后,利用MRE实验测得的活体脑组织整体变形数据,对比分析了头部模型的数值模拟结果。通过对实验和仿真的图像数据统计分析,证明了该头部有限元模型能够较好地预测活体脑组织的变形情况。第四章对振动载荷下的脑组织力学响应进行了数值模拟分析。首先,对剪切波在脑组织传播规律进行了研究,并着重分析了大脑镰和小脑幕对剪切波传播的影响。随后,分析了在飞机乘员最大许可频率（50Hz）下,导致脑组织损伤的平移和旋转振幅阈值,并分别计算了平移振动和旋转振动时的脑组织力学响应,分析了脑组织损伤的力学机理和损伤区域。最后,进行了小振幅（约<1.1 mm）情况下,人体头部的频响分析,计算了脑组织出现损伤的频率范围和损伤区域。研究发现,由于脑组织为粘弹性材料,因此剪切波由外向内传播的过程中逐渐衰减。但大脑镰和小脑幕的存在使剪切波发生反射,导致脑组织内部应变增高,是振动载荷导致脑组织损伤的主要原因之一。而头部承受振动载荷时,颅骨与脑组织的相对运动导致的界面剪切效应是脑组织损伤的另一主要原因。此外,头部频响分析发现,高于10,000Hz的振动会导致脑组织与其他组织的交界处出现损伤。第五章,针对TBI的主要并发症之一—间接视神经损伤（indirect traumatic optic neuropathy,ITON）,进行了数值模拟分析。首先建立了以视神经为主的视觉系统,包括视神经、眼球、眼部肌肉、眼部脂肪等主要视觉组织结构。随后,该视觉系统模型被整合至第三章建立的头部有限元模型中,以进行间接视神经损伤分析。计算过程采用了代表两种不同冲击方式的冲击物,分别为钢柱和足球。利用这两种冲击物分别对头部模型进行5个方向的冲击,并随后观察视神经损伤情况及机理。研究发现,正面冲击对视神经损伤最大。钢柱冲击的损伤机理为冲击应力波沿眼眶上缘传播,致使视神经孔变形,对视神经造成拉伸与剪切损伤。而足球冲击中,视神经损伤主要出现于颅内,是由于视神经在脑组织与视神经孔之间反复拉伸而导致的损伤。