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チュートリアル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―モデル概要編―
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名田 彩希子

はじめにあらゆる製品開発に数値解析シミュレーションが活用されるようになって久しく、構造、熱、流体、電磁界、音響など、数値解析によって求解できる問題領域はその需要とともに広がり続けています。
製品そのものの高耐久化、軽量化、あるいは製造工程における効率化への解析技術の貢献例は枚挙に暇がないほどですが、その結果もあり世に流通する製品の頑丈さ、軽さ、作りやすさ、の前提レベルは高いものになってしまっています。そのため、他社製品との差別化できる項目として、実際に人間が利用する場面における価値、つまり安全性、快適性、というものを検討する需要が高まっています。
医療という分野においては、症例の分析、治療の経過観察、治療方法や装具の検討など、人間の身体への影響にフォーカスした分析 / 評価を行えることの価値が高いのは言うまでもないことかと思います。
しかしながら、様々な製品、あるいは事故現象などについて、それらが人間の身体にどう影響するかを実際に検証する実験は、場合により安全上、倫理上のハードルが高く、容易に行えるものではありません。
また、ボランティアによる実験を行ったとしても、あくまで人体外部からの間接的な計測や、被検者へのヒアリングという一定の個人差や主観が介在する評価方法となります。計測機器に関しては、近年ではカメラ、モーションキャプチャ装置、バイオロギングデバ
イスの発達も目覚ましく、それらから得られる情報量は増えてきてはいますが、内部でどの部位に、そしてどのようなメカニズムで、どのくらいの負荷がかかっているかを詳細に分析するには、推測に頼らざるを得ない現状があります。
これらの需要、そして課題への一つのソリューションとして、実際の人体を忠実に再現した解析用シミュレーションモデルの活用が、広がりを見せています。
ただし、最初にも述べたように、昨今はあらゆる問題領域が数値解析シミュレーションによって分析可能になっていますが、それでもなお人間の身体という非常に複雑なものを解析対象として取り組んでいくことは、けして容易ではありません。
そこで、本チュートリアルでは全4回に亘って、数値解析用バーチャル人体モデルとして公開されているモデルのひとつである THUMS® について、その概要と活用事例を紹介していきます。初回である本稿は、モデルの開発過程や機能などの基礎的な情報にフォーカスして解説します。次回以降は、THUMS® というモデルの主開発目的領域である衝突問題への適用例や、新規適用領域としてスポーツや医療分野への適用例を紹介予定です。一連の内容が、数値解析を用いた人体への影響分析、傷害評価にご興味がある方にとって、一助となれば幸いです。

筆者紹介
図1

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。

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THUMS® の様々な解析例

続きは Web で
日本計算工学会誌「計算工学（Vol.28, No.1）」HP:
https://www.jsces.org/activity/journal/

計算工学

チュートリアル2

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―モデル概要編―

THUMS® モデルの出自と現在までの歩み

THUMS®（サ ム ス：Total Human Model for Safety）は、自動車の衝突事故における人体への傷害を解析するために、トヨタ自動車株式会社と豊田中央研究所により共同開発された有限要素解析用バーチャル人体モデルです。
最初のバージョンが公開された2000年当時、THUMS® は世界初となる全身を模擬した人体モデルでした [1]。
前節で、人間の身体への影響度を検証する実験の実施のハードルが高いことには触れましたが、自動車開発ではその製品の性質上、とりわけ傷害度の高いケースを考慮しなければならないことから、古くからこの問題に直面し、PMHS（Post Mortem Human Surrogate, 人の供試体）に頼らない試験のために人体傷害計測器としてのダミー人形の開発が進められました。現在の実車試験では、ほとんどの場合ダミー人形により人体への傷害度が測定されています。もちろん長年にわたる開発の結果ダミー人形の人体忠実性は飛躍的に向上していますが、現実的なコスト面の都合上、試験用デバイスとして複数回の衝突試験に耐えうる堅牢性を持ち合わせなければならないため、人体に含まれる軟組織の傷害評価を正確に行うことはできません。このような背景で、脆弱な人体のケースをシミュレーションにより正確に予測するため、THUMS® の開発が進められ、今日に至るまで数々の改良が重ねられていきました。
有償モデルとして販売され、世界中で主に自動車衝突領域において多く活用されてきた THUMS® でしたが、現在はより多くの企業、研究機関への利用拡大を目的として、トヨタ自動車株式会社の専用配布サイト（https://www.toyota.co.jp/thums/）にて、無償で配布されています。なお、配布されているモデルは構造解析ソル
バーAnsys LS-DYNA 専用に開発されているものです。

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モデルの種類2022年11月 現 在、 専 用 サ イ ト か ら 取 得 で き る
THUMS® は28種類に上ります。ここでは、解析目的に適したモデルを探しやすくするために、サイズ、バージョンという分類について解説します。また、最近公開されたその他の特殊な用途向けのモデルについてもその概要を紹介します。
3.1 サイズ（体格 / 性別 / 年齢）のバリエーション
モデル開発当初より、多様な人間の体格 / 性別 / 年齢を考慮した検討ができるように、モデルの機能向上とともに複数のサイズのバリエーション開発が進められてきました。図2に示す通り、「標準体形の米国成人男性」50％モデル（AM50）、「小柄な米国成人女性」5％モデ ル（AF05）、「大 柄 な 米 国 成 人 男 性」95％ モ デ ル（AM95）、10歳、6歳、3歳 の「子 ど も」モ デ ル（10YO、6YO、3YO）が提供されています。
また、モデルは初期の状態では、「乗員」（Occupant）と「歩行者」（Pedestrian）の2つのいずれかの基本姿勢をとっています。姿勢については、ケーブルなどで四肢を目的の位置に引っ張るポジショニング解析や、モー計算工学

図2

サイズ一覧

図3 「乗員」と「歩行者」を模擬した初期姿勢（左半身の肉部は非表示）

フィングによって任意の姿勢に変更することも可能ですが、姿勢を変更するにあたっても、できるだけ移動する部位や移動量が少ない方が手間や不具合を削減できるので、より必要な姿勢に近いものを選択しておくことが望ましいです。姿勢変更については、次回の活用編にて詳しく紹介します。
3.2 バージョン
一般的にソフトウェアの場合は、一番バージョンが新しいものをインストールしておけば問題ない場合が多いかと思いますが、THUMS® においてはバージョンごとにモデルの詳細度（元の組織形状の再現度、形状を再現する要素サイズの粗密）や、考慮できる解析上の条件、提供されているサイズや初期姿勢のラインナップが異なります。そのため、モデルを利用して評価したい身体の部位はどこか、どのサイズを利用したいか、どの程度の計算コストであれば許容できるかなどを総合的に検討してバージョンを選定する必要があります。各バージョンの特徴は、以下の通りです。
● Version4シリーズ：
非常に詳細なモデル化がされており、頭部傷害や骨折だけでなく、各内臓の傷害を評価できます。全てのサイズが提供され、初期姿勢も「乗員」「歩行者」が選択できます。
また、Technical Bulletin 024[2] というヨーロッパ新車
ア セ ス メ ン ト プ ロ グ ラ ム（EuroNCAP：European NewCar Assessment Programme）が定めている歩行者保護検証専用のバリエーションが用意されているのもこのバージョンです。TB024用モデルは、身体のいくつか（26-2）

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人体傷害解析モデル THUMS® の活用―モデル概要編―の点の軌道を計測するために出力用定義が追加されている他、靴を履いており、直立ではなく歩行中のように手足が配置されています。
● Version5シリーズ：
Version4よりも脳や内臓を中心に簡易なモデル化がされ、筋活動を考慮できます。サイズは成人相当の3種（AM50、AF05、AM95）、初期姿勢は「乗員」のみ提供されています。
● Version6シリーズ：
Version4の詳細なモデルに Version5の筋活性に関する機能を追加したモデルで、筋活動を考慮できるだけなく脳と内臓の傷害も詳細に評価できます。サイズは成人 相 当 の3種（AM50、AF05、AM95）、 初 期 姿 勢 は「乗員」のみ提供されています。

図4

骨折・腱の断裂
脳傷害評価
内臓傷害評価筋活動考慮
表2

各 Version でできること

Version4●●●‐

Version5●▲‐●

Version6●●●●

4Version5Version6●

●

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3.3 高齢者 / 肥満 / 妊婦 / 後突用モデル
ここまで紹介してきたモデルをもとに作成された派
生モデル6種が、2022年6月に公開されました。モデルの一覧を図5に示します。なお、いずれも姿勢は「乗員」のみで、筋活性が考慮できるモデルはありません。
肥満、妊婦、高齢者モデルについては、自動車衝突における乗員の多様性を考慮した検討のために開発され、主に体型に合わせたモデル形状の変更や、自動車衝突の際に重要となる箇所（例えば男性高齢者モデルであれば胸郭）を中心に加齢による剛性変化を考慮するための材料剛性やモデル化の変更が行われています。また、 高 齢 者 の 女 性 に つ い て は ベ ー ス モ デ ル の AF05
計算工学

モデルの特徴・機能

詳細な傷害解析を行うことができる人体モデルとして THUMS® が備えている特徴と機能について、解説します。

各 Version で提供しているサイズと初期姿勢サイズ（初期姿勢） Version4
AM50/AF05/AM95（乗員）●AM50/AF05/AM95（歩行者）●
10YO/6YO/3YO（乗員 / 歩行者）●

特殊な用途向けモデル一覧（152cm、54kg）よりも少し大きなサイズのモデルに変更されています。
後突用モデルについても、後方からの自動車衝突による頸部むち打ち傷害を評価するために作成され、出力定義の追加や着座姿勢の変更等が行われています。
こちらも女性はベースモデル AF05サイズよりも大きめのサイズに変更されています。
それぞれのモデルについて、ベースとなったモデルからの詳細な変更点や実験との比較は、付属のドキュメントに記載されている参考文献から確認することができます。

Version5と4のモデル詳細度比較
表1

図5

4.1 ジオメトリと機械的特性の再現
モデル外形、内部の臓器や骨、各組織の形状は、医療用の CT スキャンデータや MRI 画像をもとにして作成
さ れ て い ま す。 簡 易 形 状 モ デ ル で あ る Version5は、Viewpoint Data Lab（USA）や米国国立衛生研究所のデータなどをもとに作成されました。[3] 詳細の形状を持つ
Version4と6は多数の高解像度 CT スキャンデータを保有するミシガン大学との協力により作成されています。[4]
各部位の機械的特性は、多数の文献データから検討されています。解析用の材料選択としては、肺などの管腔臓器は圧縮性の機械的性質を持つことを考慮して低密度のフォーム材料、骨格については弾塑性材料、その他の表皮、肉部そして実質臓器は超弾性材料として仮定されています。
最終的に約40ケースもの検証解析が行われ、衝撃に対するコンポーネント単位、全身単位での挙動と機械的応答についてその妥当性が確認されています。参考
イメージとして図6に一部ケースを示しますが、各検証解析ケースの元となる文献情報、コリレーション結果などの詳細情報は THUMS® のモデルに同梱されているマニュアルを参照してください。

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人体傷害解析モデル THUMS® の活用―モデル概要編―

筋活性を与える姿勢制御（Posture Control）と、手足に作用した反力を参照してある力になるように筋活性を与える荷重制御（Contact force Control）の2種類の筋力コントローラーが実装されています。ユーザーが筋活性機能を持つ THUMS® を利用する際には、以下の3つのいずれか選択して解析することができます。
①筋力を考慮しない非活性（no activation）②姿勢制御（Relaxed）③姿勢制御 + 荷重制御（Braced）②と③については、解析中の各時間ステップで得られた 変 位 や 荷 重 に 基 づ い て、 各 筋 肉 の 能 動 化 レ ベ ル（ALM：Activation Level of Muscle）が 算 出 さ れ、ALMに応じた収縮力が各筋肉に発生します。ここで、ALMの導出の大まかな流れについて、以下に示します。

(a) コンポーネントでの単位検証解析（下腿部三点曲げ）関節の各時間ステップで角度θ j（rad）の算出(b) 全身単位でのスレッド検証解析
図6

検証解析例

全ての検証解析の入力ファイルは THUMS® 本体と共に配布されています。解析上の設定など、モデルを活用 す る に あ た っ て 参 考 に な る 部 分 も あ る た め、
THUMS® をダウンロードする際に併せて入手しておくことを推奨します。
4.2 筋活性シミュレーション
Version5と6のシリーズでは、筋肉の緊張状態を表現するための設定がされています。筋肉の受動的、能動的な特性を表現するために、筋肉要素には Hill 型筋肉モデルが表現できる材料定義（*MAT_MUSCLE）が適用されています [5-6]。

θ j と初期姿勢時の各接触力 f c(N)と関節角度φ j(rad)の差で各目標力 φ c(N)の差であある誤差 e j に基づいたる誤差 e c(N)に基づいた制御信号 u j を算出

制御信号 u c を算出

制御信号 u j から

制御信号 u c から

筋活性度 a i pst

筋活性度 a i frc

ALM(a i out)算出
Relaxed：a i out=a i pst
Braced：a i out=a i pst＋a i frc

制 御 信 号 uj と uc は PID（Proportional- IntegralDerivative）制御によって以下のようにそれぞれ算出されます。なお、ここで添え字 （j =1…36）は制御に含まれる16個の関節それぞれの3自由度のうち解剖学的に各関節が回転しうる方向のみに絞った36の回転自由度を指し、添え字 c（=1…4）は両手両足の各接触力を表します。
uj (tn ) = k p j e j (tn ) + kl j

 tn0e j (τ) dτ + kD j d e j (tn )dtej (tn ) = ϕ j (tn ) − θ j (tn )PID ゲイン： kpj rad−1 , kl j rad−1 s−1 , KD j (s/rad)

現在時刻： tn (s)uc (tn ) = k pc ec (tn ) + klc

 tn
0ec (τ) dτ + kDc d ec (tn )dtec (tn ) = ∅c (tn ) − fc (tn )PID ゲイン： kpc N −1 , klc N −1 s−1 , KDc (s/N)

そ し て、Sigmoid 関 数 に よ り、PID 制 御 の フ ィ ー ド
図7Hill 型筋肉モデル（*MAT_MUSCLE）

また、THUMS® には初期の姿勢を保持しようとする
計算工学

バ ッ ク vi (tn ) か ら 筋 活 性 度 ALM に 返 す 値 を 算 出 し まi =1…218）は手足の筋肉を除くす。ここでの添え字 （218個の筋肉を表しています。

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pstai

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―モデル概要編―(tn ) = Ai + Ci si (tn ) , si (tn ) =vi (tn ) =j

5.1 骨の傷害に関連する設定
特殊な用途向けモデル以外は全て、骨の材料定義に要素削除の閾値が設定されているものと、されていないものの2種が用意されており、ユーザーがどのように傷害を評価したいかによっていずれかを選択することができます。ただし、閾値が設定されているのは図8の赤色に示している部位のみです。基本的に、自動車衝突において重要とされる部位にのみ要素削除が発生するようになっています。要素削除は相当塑性ひずみの値を基準に行われます。

1
1 + exp(−S vi (tn ) + B)

Ri j u j (tn )基本活性化レベル： Ai

筋肉活性化係数： Ci

シグモイド関数の定数：S,B

aif rc (tn ) =Pic uc (tn )各筋肉の寄与率：Rijc

各接触力に対する各筋肉の寄与率： Pic
より詳細な導出プロセスについては Version6もしくは5のモデル同梱マニュアル2~3章が該当箇所となります。[3, 5]

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傷害評価

現実世界において人体に起きる骨折、脳や内臓、靭帯などの組織へのダメージを、シミュレーションで評価する方法は2通りあります。
ひとつ目の方法は、要素削除等の破壊 / ダメージを再現するためのモデル化機能を用いて、目に見える形で損傷を再現する方法です。この方法の場合、結果アニメーションで損傷個所、損傷の程度を確認することができます。ただし、抑えておかなければならないのが、実際の破壊のメカニズムはマイクロクラックの発生と伝播によるものですが、有限要素法での破壊のモデル化機能はそれをマクロな視点で見た近似的な手法であるということです。そのため、この方法の場合は破壊基準の値（要素削除の閾値）を適切に定めなければ過剰な要素の削除を引き起こし、現実世界での傷害との乖離や計算不安定の原因となります。
ふたつ目の方法は、明示的な破壊を表現する機能は利用せずに、解析結果における評価対象部位のひずみや変位、応力状態等から傷害を推定する方法です。こちらは、破壊基準の値の検討が不要なことや、破壊のモデル化により発生する計算不安定性が回避できることがメリットになります。しかし、実際では組織が損傷してしまうほどの負荷がかかっていてもモデル上でそれを表現しないということは、損傷に関連して起きる挙動、部位単位の剛性低下を再現せず、現実の身体の挙動、機械的応答とは異なる結果を示してしまう可能性があるということに注意しておく必要があります。
なお、いずれの方法をとるにしても、THUMS® は自動車衝突シミュレーションに合わせた調整が行われた上でその妥当性が認められているモデルとなるため、全く異なる種類の現象に THUMS® を用いる場合は、追加の検証によりモデルの材料物性等の再検討が必要になる場合があります。
以下に、THUMS® において標準で設定されている傷害に関連する設定についての紹介と、骨、軟組織（脳、臓器、靭帯など）の傷害評価を行うにあたっての留意事項を述べます。

計算工学(a)Version4/6
図8(b)Version5

破断閾値が設定されている部位

骨の機械的特性については多数の文献データが参照されており、例えば大腿骨と脛骨の特性は実際の21〜86歳までの幅広い年齢の PMHS から取り出した部位への調査 [7]、肋骨についてはこちらも18〜67歳の6体のPMHS を利用した引張試験結果 [8]、頭蓋骨も25〜95歳の3体の PMHS による調査 [9] 等が参照されています。
5.2 脳 / 内臓 / 組織の傷害に関連する設定
膝側副靭帯には破断が設定されていますが、脳や内臓、その他の組織には破断の設定はされていません。
必要に応じてユーザーが追加、あるいは前述の通り破断の設定は付与せずに各部位の応力、ひずみ、変形状態から総合的に傷害を推定する必要があります。

図9

自動車前突解析時の頭部ひずみ分布

軟組織についても機械的特性は多数の文献データと検証解析とのコリレーションにより設定されており、例えば死後48時間以内の人間の肝臓と脾臓の圧縮、引張特性の調査 [10]、PMHS を用いた前面衝突時の頭部から頸部の応答調査結果 [11] 等が利用されています。

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人体傷害解析モデル THUMS® の活用―モデル概要編―

5.3 評価指標と関連ツール
THUMS® の 傷 害 を 評 価 す る 上 で、 現 時 点 で はTHUMS 専用の確立した指標や傷害計測方法はありません。そのため、PMHS を利用した調査や、人体ダミー人形で利用されていた指標を利用し、それらとコリレーションを取りながら判断していく必要があります。
そういった解析結果の分析作業をより手軽に、そして一目で傷害の高い箇所を確認できるツールとして、
THUMS® 傷害値評価ツール [12] があります。
このツールでは、傷害リスク評価用のリスクカーブのパラメータプリセットが文献をもとに複数実装されており、Ansys LS-DYNA の解析結果を web ツールに読み込ませることで、比較的容易に傷害評価を行うことができます。対応している傷害指標は、人体ダミーでよ く 利 用 さ れ て い る 頭 部 加 速 度 傷 害 指 標 の HIC やBrIC、累積ひずみダメージ指標（CSDM）、最大主ひずみ指標（MPS）などです。本ツールの詳細、具体的な利用例は次回紹介します。

図 106おわりに傷害値評価ツール利用例

今回は THUMS® の種類や基本的な機能について解説しました。次回以降は、実際にこのモデルを利用した解析事例を紹介しながら、人体モデルを用いた解析を行うにあたって必要な手順、そして効率的に作業を進めるためのソフトウェアとその機能についても紹介していきます。

計算工学

■参考文献
ト ヨ タ 自 動 車 株 式 会 社、https://www.toyota.co.jp/thums/
contents/pdf/Toyota_THUMS_History_Japanese.pdf (Jan28,2021)[2] EuroNCAP, Technical Bulletin Pedestrian Human Model
Certiﬁcation Version 3.0.1,
https://cdn.euroncap.com/media/66108/tb-024-pedestrianhuman-model-certiﬁcation-v301.pdf (Nov, 2021)[3] TOYOTA MOTOR CORPORATION,TOYOTA CENTRAL
R&D LABS., INC., Total Human Model for Safety (THUMS)
AM50 Occupant Model Version5.03 (Jan, 2021)[4] TOYOTA MOTOR CORPORATION,TOYOTA CENTRAL
R&D LABS., INC., Total Human Model for Safety (THUMS)
AM50 Occupant Model Version4.1 (Jan, 2021)[5] TOYOTA MOTOR CORPORATION,TOYOTA CENTRAL
R&D LABS., INC., Total Human Model for Safety (THUMS)
AM50 Occupant Model Version6.1（Jan, 2021)[6] Ansys LS-DYNA User manual R11 Volume 2,P.1382-1385.
[7] Burstein, A.H., Reilly, D.T., Martens, M. (1976), Aging ofBone Tissue: Mechanical Properties, Journal of Bone and Joint
Surgery Vol. 58-A, No.1, pp. 82-86.
[8] Kemper, A., McNally, C., Kennedy, E., Rath, A., Manoogian,S., Stitzel, J., Duma, S. (2005), Material Properties of Human
Rib Cortical Bone from Dynamic Tension Coupon Testing,
Stapp Car Crash Journal, Vol.49, pp. 199-230.
[9] Wood, J.L. (1971), Dynamic response of human cranial bone. J.
Biomech., pp.1-12.
[10] Kemper A, Santago A, Sparks J, Thor C, Gabler HC, Stitzel J,Duma S.(2011), Multi-scale biomechanical characterization ofhuman liver and spleen. Paper presented at: 22nd ESVConference; June 13-16, Washington D.C., USA.
[11] Wismans, J., Philippens, M., Oorschot, Ev., Kallieris, D.,
Mattern, R. (1987), Comparison of human volunteer andcadaver head-neck responses in frontal flexion. Paper
presented at: 31st Stapp Car Crash Conference; November
9-11, New orleans, LA.
[12] 株式会社 JSOL、傷害値評価ツール（https://www.jsol-cae.
com/news/2021/release/0324a.html）[1]（26-6）

Vol.28, No.1 2023