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チュートリアル

こちらではトヨタ自動車株式会社と豊田中央研究所が共同開発し、現在はトヨタ自動車株式会社が公開する web サイト（https://www.toyota.co.jp/thums/）で無償配布されている、人体傷害解析モデル THUMS ®（サムス：Total HUman Model for Safety）についてご紹介しております。
チュートリアル記事は1ページ目のみを本誌掲載し、続きは日本計算工学会 HP 上で公開していますので、そちらも併せてご参照ください。

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―健康・日常生活事故関連事例への適用編―
名田 彩希子1

はじめに

本稿は、人体の傷害予測のために開発された有限要素解析用バーチャル人体モデルである THUMS® について、その概要と活用例の紹介を行うチュートリアルのシリーズ第4弾となります。
過去3回の連載記事は、日本計算工学会 HP 上で全編
確 認 す る こ と が で き ま す。 特 に、 初 回 記 事（Vol.28,No.1）は THUMS® の基本情報を説明しているため、本稿の前にご一読頂くことをお勧めします。
前号（Vol.28, No.3）では、THUMS® の新しい適用領域のひとつとして考えられるスポーツ関連の事象から、自転車の転倒、サッカーボールのヘディングと胸トラップ、バレーボールのレシーブ、選手どうしの接触による靭帯断裂を例に取り挙げて解析を実施し、脳や心臓などの臓器や組織へのダメージ、筋活性をアクティブにした場合の挙動の違いなどを紹介しました。
最 終 回 と な る 今 回 は、THUMS® の 事 例 適 用 例 と して、転倒による障害物への衝突、就寝時におけるマットレスの体圧分布と身体の各部位への負荷、血圧計による締め付け負荷などの、より日常に則した健康や安全に関わる事象についてモデルを適用し、その結果を紹介します。

図1

また、これまでの紹介の中で THUMS の傷害評価のために利用していた傷害値評価ツール [1] について、利用にあたってよく頂くご質問をもとに補足解説も行います。
®

2

初回および第2回の記事にて詳しい概要説明を記載していますが、本ツールは非常に複雑な構造を持つ人体傷害モデル THUMS® の傷害評価を補助するためのツールとして開発されました。
これまでの紹介の中で、ツール自体の基本的なワークフローや、実装されている傷害指標の詳細、web アプリケーションの画面の説明は行ってきましたが、web アプリケーションへの読み込みまでの変換作業、下記の図2中の赤枠で示している箇所の手順において、ご質問を頂くことが多かったため、本稿にて補足解説します。

THUMS® の健康・日常生活事故関連の適用例

図2

筆者紹介

傷害値評価ツール利用の流れ

続きは Web で
日本計算工学会誌「計算工学（Vol.28, No.4）」HP:
https://www.jsces.org/activity/journal/

なだ さきこ2017年、 株 式 会 社 JSOL 入 社。 構 造 解 析 用 ソ フ ト
ウェア Ansys LS-DYNA のサポート業務に従事。その他、衝突用有限要素ダミーモデルおよびバリアモデル、人体傷害解析モデル THUMS® のサポート業務を担当。

Vol.28, No.4 2023

傷害値評価ツール（IRV: Injury Risk Visualization tool）（27）

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人体傷害解析モデル THUMS® の活用―健康・日常生活事故関連事例への適用編―

2.1 csv 変換に利用する基本コマンド例と用語
傷害評価を行うことができる web アプリケーション
へは、Ansys LS-DYNA による解析によって得られたアニメーションファイル（d3plot）とバイナリーファイル（binout）から、傷害値評価ツールに必要となるデータのみを抽出した csv 形式のファイルを読み込ませる必要があります。
変換のための CLI プログラム一式は、ツールのログイン後の画面下部にある「CLI 実行モジュール」に含まれています。実行モジュールは Windows 版と Linux 版
が 提 供 さ れ て い ま す。 今 回、 そ れ ぞ れ の OS へ の モ
ジュールのインストール手順についての説明はこちら
では割愛します。
CLI プログラムの基本の実行コマンド例と各コマンドの意味は以下のとおりです。

図3

ループファイル作成のための Javascript が同梱されていますので、こちらを利用して作成頂くことを推奨します。手順は以下のとおりです。
1. \conﬁg\script\group_list_json 内 か ら 使 っ て い る
THUMS® に対応する json ファイルをテキストエディ
タ 等 で 開 く。
（例：Ver.4.02か ら Ver.6.1の AF05モ デルを利用している場合、AF05-v402toV6-group_list.
json）
2. 図4の各評価対象グループについて、パート ID（ハイライト箇所）を現在の THUMS® の ID に変更する。
3. ARUP Software PRIMER で 解 析 に 利 用 し て い る
THUMS® を開き、Tool パネルの [script] からgenerate_elem_group.js を選択、手順2で作成した json ファイルを指定する。
以上の手順で、json ファイルの情報をもとに要素グ
ループファイルが新規に作成されます。csv 変換時にこのグループファイルを「-c」で指定してください。

CLI プログラム実行コマンド例

グループという語が頻出しますが、このツールでのグループとは頭蓋骨、顔面、肋骨、脳、右肺など、傷害評価を行う際の対象部位の区分を指します。例えば、腰椎（lumber_spine）のグループには、脊椎 L1〜L5のパートが含まれ、傷害評価をする際はそれらのパート内の要素の履歴を参照します。グループは全部で58個あります。
2.2 要素グループファイルの概要と新規作成方法
要 素 グ ル ー プ フ ァ イ ル と は、 傷 害 評 価 を 行 う
THUMS® から評価対象部位（グループ）の要素の結果情報を抽出するために、各グループに含まれるパートID、要素のタイプ（SHELL or SOLID）、要素 ID、要素の体積が記述されているファイルのことを指します。
CLI プ ロ グ ラ ム 一 式 が 含 ま れ る フ ァ イ ル の、\conﬁg\elem_group_txt 内に配置されている「elem_group.***.txt」がそれにあたります。
解析で使用している THUMS® のパート ID や要素 IDを変更していないのであれば、conﬁg フォルダにある要素 グ ル ー プ フ ァ イ ル か ら 体 格（AM50、AF05な ど）、
バ ー ジ ョ ン、 初 期 姿 勢（occ=occupant、ped=pedestrian）
が使っている THUMS® と一致するものを選択して「-c」の後ろで指定してください。
もし、解析で使用している THUMS® のパート ID と要素 ID を変更してしまっている場合は、要素グループファイルを新規に作成する必要があります。\conﬁg\script 内 に ARUP Software PRIMER で 動 作 す る 要 素 グ
計算工学

図4

要素グループファイル新規作成用 json ファイル

2.3 データ出力レベルとグループフラグファイル
あ る グ ル ー プ の 傷 害 評 価 指 標 と し て CSDM
（Cumulative Strain Damage Measure）[2] を用いる場合、グループ内の全要素の最大主ひずみデータが必要となります。「-t」と「-g」はこの最大主ひずみの全データの出力オンオフと、出力するグループを制御するオプションです。
「-t」で1を指定すると、全ての評価対象グループについて最大主ひずみの全データが csv に書き出されてしまいます。全てのグループで CSDM 評価が可能になりますが、csv ファイル自体が重くなり、web アプリケーションのインポートに時間がかかるようになります。
そのため、基本的には「-g」で指定するグループフラグ
ファイル内にて、図5のように必要なグループだけフラ（27-2）

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グを1にして最大主ひずみの全データを出力するグループを絞ることを推奨します。
なお、「-t」のフラグは「-g」のグループフラグファイ
ルの指定によって上書きされます。
IRV に関する補足説明は、以上となります。

図5

場合の2ケースの脳（灰白質）の最大主ひずみ分布を図8に示しています。
いずれのケースも衝突時に頭頂付近にひずみが発生し、衝突現象が進むと脳幹後方付近にもひずみが高くなる領域が発生しました。コーナーガードを設置していない場合は、ひずみ発生個所がより広域になり、値も高くなる傾向があることが今回の検証から確認することができました。

図7

小児転倒解析結果（全身挙動）

図8

脳の最大主ひずみ分布比較

グループフラグファイルの例

3 小児の転倒とコーナーガードの有効性評価解析

ここからは、健康や日常生活事故に関連する事象に対して THUMS® を利用した解析例を紹介していきます。
日常生活において、重心が高くて身体全体に対して頭部の割合が大きい小児が室内で転倒してしまう事故が多いことから、本ケースを再現する解析を実施しました。モデルの概要は図6に示しています。
今回は3歳児相当の THUMS®（Ver.4.0 3YO Pedestrian）
モデルを使用し、テーブルの角に頭部前方を衝突させています。衝突するテーブルの角にゴム材料のコーナーガードを設置したケースと設置しないケースを実施し、頭部へのダメージの違いを確認していきます。
なお、小児にはつま先を起点としてつまずいてからある角度まで倒れてしまった状態の初期角速度と、重力が付加されています。

図6

自転車転倒解析モデル概要

テーブルの角への衝突時から解析終了時までの小児の全身挙動を図7に、コーナーガードがある場合と無い
計算工学

図9は脳の評価対象要素の最大主ひずみの最大値をも と に 傷 害 を 評 価 す る 指 標 MPS（Maximum Princialstrain）[2] を用いて AIS2（中等度傷害）相当のリスクを算出した結果を示しています。図8の分布図で確認した結果と同じく、こちらもコーナーガード有りの方がリスク％が抑えられていることがわかります。

（27-3）

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加えて、頭部重心位置に設置した加速度計の三軸合成加速度から HIC（Head Injury Criterion）を算出した結果を図10に示します。こちらもコーナーガードによって加速度が抑えられていることが確認できました。
今回は単純にコーナーガードという緩衝材があることによる傷害低減の効果を確認したのみでしたが、緩衝材自体の材質違い、厚み違いなどのケースを追加することで、緩衝材の設計検討も可能であると考えられます。

図9

なお、マットレスの特性は一般的なウレタンフォーム想定のものを設定し、荷重条件としては重力のみを付加しています。
標準体形の米国成人男性サイズの AM50（173㎝、77.3㎏）と 小 柄 な 米 国 成 人 女 性 サ イ ズ の AF05（154㎝、52㎏）の体圧分布を比較した結果を図12に示します。
THUMS® のそれぞれのモデルの体型では、男性モデルが胴体から臀部、大腿部まで広く圧力が分布していますが、女性モデルでは胸部と臀部に圧力がかかる場所が限定されてしまっている結果となりました。このような結果を得ることで、寝心地の改善や、床ずれの起きやすい箇所の検討などにも適用できるものと考えます。

IRV による AIS2相当の脳傷害リスク評価結果（MPS）

図12
図10

頭部加速度指標 HIC 評価結果

4 マットレスの体圧分布と脊椎への負荷評価解析

マットレスなどへの横臥した際に、圧力の分布を解析により求めることでマットレスの特性、寸法の違いによる影響の検討を行うことができます。また、マットレス側の分布は実験でも求めることは可能ですが、解析では横臥している THUMS® の各部位への負荷も確認することができます。
今回は図11に示すとおり、シングルサイズのマットレスに対して THUMS® モデル2種（Ver.4.02 AM50 Pedestrian,Ver.4.02 AF05 Pedestrian）を横臥させ、体格の違いによる体圧分布の違いを見ていきます。

図11
計算工学

体圧分布結果（左：AM50、右：AF05）

また、AM50において椎間板への負荷状況を確認した最大主ひずみ分布を図13に示しています。T1〜T12の肋骨部分において、比較的高いひずみがみられ、今回のケースでは腰まわりよりも胴体上部に負荷がかかる状態となっていると予測されます。
今回は椎間板部分の負荷のみを確認しましたが、その他肉部の応力状態なども同じく確認することができ、実験では計測できない人体側の応答をみることができるのも、解析のひとつのメリットとなります。

マットレスへの横臥解析モデル概要

図13（27-4）

AM50の脊椎最大主ひずみ分布Vol.28, No.4 2023

チュートリアル5

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―健康・日常生活事故関連事例への適用編―

血圧計による締め付け負荷評価解析

こちらは医療器具の設計検討、安全性検討事例として作成したもので、血圧計による手首への圧力負荷状況を解析で確認したものになります。モデルの概要は
図14に示すとおりです。膨らむ気嚢に対して与えている圧力履歴を図15に示しており、ここでは一般的な血圧計の履歴を参照し [3]、200mmHg（=0.0266645MPa）程度まで上げて、それから下げていく挙動を入力しています。
THUMS® は全身モデルを使用すると非常に解析コストが高いモデルですが、本事例では前腕部のみの切り出しモデルとすることで解析コストを大幅に提言しています。今回の例では現象時間0.03秒の解析に対して、解析時間は32コア使用で7分程度となりました。

図16

血圧計による締め付け負荷分布

とつの部位だけ切り出されている検証用データも存在するので、まずはその中に用途にちょうどいいモデルがないかを確認することを推奨します。

6

図14

血圧計圧力負荷モデルの概要

図15

血圧計の圧力履歴

血圧計による圧力負荷の結果分布図を図16に示しています。測定のために必要な箇所に力が加わっているか、またその力が大きすぎないかを確認することができます。今回は血圧計のケースとしていますが、似た形状の対象として止血バンドによる負荷検討、ギプス等固定具装着時の固定状況や圧力負荷状態などの検討にも利用可能ではないかと考えます。
補足として、この解析例において計算コスト削減のために行った部位切り出しですが、この処理に関しては元が複雑な設定で構成されている人体モデルであることから、正常に解析が実行できるモデルを切り出すこと自体が少し難易度の高い作業となります。また、解析の内容によっては切り出した後にモデルに追加で境界条件を付与しなければ実際にはありえない挙動となってしまう場合もあります。THUMS® 配布サイト（THUMS ｜ Toyota Motor Corporation）で公開されている
検証用データセット（Validation set）の中には、あるひ
計算工学

おわりに全4回にわたって人体傷害解析モデルのひとつであるTHUMS® について、モデルの基本情報や、適用例、関連するツールの紹介をしました。今回を持ちまして、本チュートリアルの連載が終了となります。
人体傷害解析モデルというものの利用自体、まだ広がりを見せ始めたばかりであるため、どの分野でどのような活用が有効であるかはまだ著者自身も、その行き先が見えておりません。そのため、特に事例については精査が不十分なものもあったかと思いますが、どのようなことに使えそうか、どこまでのことが可能なのかをなるべく本稿を目に入れて頂く皆様に幅広く紹介し、既存の適用範囲の枠にとらわれない自由なモデル活用の発想の一助となればという方針で、試行錯誤させて頂きました。
THUMS® は人体の形状および特性を反映している解析モデルではありますが、やはりその適用範囲を広げていくためには、まだまだ実験との比較、生体のデータ収集が必要であると考えています。引き続き、本デルの利用についてのサポート、適用範囲拡大のための活動を続けていきますが、本稿をお読みいただき、モデル自体、あるいはこの活動自体にご興味を持って頂けましたら、お気軽に著者までご連絡ください。
■参考文献
[1]
[2]

[3]

（27-5）

株式会社 JSOL、傷害値評価ツール（https://www.jsol-cae.
com/news/2021/release/0324a.html）
Takhounts, E.G., Craig, M.J., Moorhouse, K., McFadden, J.,"Development of Brain Injury Criteria (BrIC)", Stapp Car
Crash Journal Vol57 (2013)
日本計量機器工業連合会（【JMIF】日本計量機器工業連合会（keikoren.or.jp））

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