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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―スポーツ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三弾となります。
前号（Vol.28, No.2）では、THUMS® を用いた自動車衝
突解析を例に、解析のセットアップ手順の解説と、その手順を行う上で便利なソフトウェア（ARUP Software
PRIMER）やツール（傷害値評価ツール）の紹介を行いました。
初回記事および前号記事は、日本計算工学会 HP 上で全編確認することができます。本稿の内容の理解がしやすくなりますので、ぜひご一読ください。
こ れ ま で の2回 の 内 容 を 踏 ま え て、 本 稿 で は ま ず
ARUP Software PRIMER において前号掲載後に更新された THUMS® に関連する機能について、特に重要なものをお知らせします。そして THUMS® の新しい適用領域として考えられるスポーツ関連の問題について、実際に解析適用を行った例を紹介します。

図1

2

THUMS 関 連 の ARUP Software PRIMER の更新®

前 号 記 事 掲 載 後 の2023年6月 に ARUP Software
PRIMER v20が日本国内リリースされ、このバージョン
にて THUMS® のポジショニングに関連する機能がいくつか強化されました。その中から、特に重要なものを取り挙げて紹介していきます。

2.1

ポジショニング機能の新バージョン対応

THUMS® の Version7が新たに配布開始されたことは前号でお知らせしたとおりですが、前号時点ではポジショニング解析セットアップに必要なツリーファイルが Version7は提供されておらず、PRIMER によるポジショニング解析セットアップを行うことができません
で し た。 本 稿 掲 載 時 点 で は、Version7の 全 て の 体 格（AM50、AF05、AM95）のツリーファイルが提供され、ポジショニングが可能となっています。

THUMS® のスポーツ関連解析例

筆者紹介
図2

なだ さきこポジショニングツリーファイル配布中 THUMS® 一覧

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、自動車衝突安全用有限要素ダミーモデル、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。

（28）

続きは Web で
日本計算工学会誌「計算工学（Vol.28, No.3）」HP:
https://www.jsces.org/activity/journal/
計算工学

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人体傷害解析モデル THUMS® の活用―スポーツ関連事例への適用編―

2.2 THUMS® ポジショニング関連機能の更新
ARUP Software v20での PRIMER のポジショニング関連機能の重要な更新2点について概要を紹介します。
① ポジショニング解析後の姿勢インポート時にTHUMS® のシートベルト & スリップリング要素を自動補正する機能追加② THUMS® の筋活性関連パラメータの自動アップデート機能追加①②いずれも、筋肉を含む THUMS® をポジショニン
グ解析にて初期姿勢から変更した後、必ず必要となる修正を、PRIMER が自動的に行うものとなります。
①は、ポジショニングによる部位の移動に伴って、筋肉や腱として用いられているスリップリング要素やシートベルト要素を構成する節点（ノード）がずれて、次工程の解析実行時に図3のようなエラーを出してしまうことがあるため、その対策として実装されました。

*** Error 30229 (INI+229)
belt node 7158005 not coincident withslipring node 7158055*** Error 30235 (INI+235)
in seat belt initialization
initial length less than 1.6 * minimum
length and element is connected to aslipring
Belt element 7158129 initial length2.4091E+00
minimum length 2.0000E+00
図3

勢を初期姿勢として別の解析を行う場合、これまでは48個の関節角度の情報が登録されている *PARAMETER定義を手動で書き換える必要がありました。
その他、人体モデルのポジショニング機能パネルの利便性向上など、多数の更新がされています。それぞれの更新についての詳細はソフトウェアに同梱されている新機能紹介資料をご参照ください。

3

自転車の転倒解析

ここからは、スポーツ競技中のアクシデント、練習中や試合中に行われる動作による身体への負荷などをTHUMS® を利用して解析した例を紹介します。
図5に自転車の転倒を想定した解析モデルの概要を示しています。ある程度傾いた状態の自転車に、姿勢変更済の THUMS®（Ver.4.1 AM50 Occupant）を乗せ、平均的な自転車の速度で走行させながら重力によって倒れていく様子を再現します。
なお、計算時間短縮のために通常は転倒直前の位置に THUMS® を配置して、そのときに想定される初速度を与えることで、解析開始すぐに衝突が起きるようにし、トータルの解析時間を短縮するのが有効です。今
回はこのような解析条件下において THUMS® がどのような挙動で倒れこんでいくかを確認するために自転車が少し傾き始めた状態を起点としています。

ポジショニング姿勢インポート後によく起きるエラー

図5②は、各筋肉の能動化レベル（ALM：Activation Levelof Muscle）算出の際に参照される初期姿勢の関節情報を、図4のようにポジショニング後の姿勢の情報に自動で置き換えるものです。

自転車転倒解析モデル概要

結果の挙動は図6に示す通りです。なお、筋活性設定や、ハンドルの把持を再現する設定は含まれません。
この解析結果について、前回紹介した傷害値評価
ツール（IRV：Injury Risk Visualization tool）を利用して強打している頭部傷害を見ていきます。

図6

図4

筋活性関連パラメータの自動アップデート

THUMS® の筋活性は、初期状態から外力によって身体の部位が動いた際に、登録されている初期姿勢（Ver5〜7においては Occupant の姿勢）に戻るように働きます。そのため、ポジショニング解析を行ったあとの姿
計算工学

自転車転倒解析の結果

図7に脳の傷害について、対象部位において閾値以上（デフォルト25%）のひずみが生じた要素の体積割合で評 価 す る CSDM（Cumulative Strain Damage Measure）[1]と、対象部位の要素において最大主ひずみの最大値をもとに評価する MPS（Maximum Principal Strain）[1] の指標を用いて、前回説明した重症度を分類するためのAIS（Abbreviated Injury Scale）コードの AIS3相当（重症）リスクを算出した結果を示しています。

（28-2）

Vol.28, No.3 2023

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リスク % は MPS の指標の方が少し高くなっていますが、比較的 CSDM と近しい結果となっていることから、MPS による結果を極度に高くするような局所的に大きなひずみが観測されている箇所はないと考えられます。
今回は転倒1ケースのみの紹介となりますが、保護具を付けたケース、転倒先の地面に障害物があるケースなどを実施し、今回のケースと比較することで保護具の性能検討などに活用することができます。

図8

図7

ヘディング解析のボール衝突角度と速度

IRV による AIS3相当の脳傷害リスク評価結果（自転車の転倒解析）

4

小児のヘディング・胸トラップ解析

図9

特に身体が未成熟の小児において、サッカーボールなどの競技中にヘディングや胸トラップを行うことで傷害や最悪死亡事故に繋がるケースがあるとのことから、これらのケースを解析で再現します。なお、今回は表1のモデルに設定したボール側の寸法、内圧、質量については4号球に合わせていますが、材質等は簡易的に設定しています。
表1

サッカーボールモデルの設定値

項目
内圧
直径
質量

設定値
約1気圧206mm430g

図10

ボールの衝突角度や速度は図8に示す通りです。速度に関しては一般的な小学生の平均のキック速度 [2] を採用しています。THUMS® は10歳児相当のモデル（Ver.4.010YO Pedestrian）を使用しました。このモデルに筋活性は含まれません。
ボール衝突時から解析終了時刻（0.5s）までの各時点での脳の最大主ひずみ分布を図9に、IRV にて出力した
MPS の履歴を図10に示しています。いずれも衝突後、少し時間をおいてから、特に脳の中心部付近で最大主ひずみが再度高くなることがわかります。
びまん性軸索損傷（DAI：diﬀuse axonal injury）は、頭部に強制的な回転加速度加わることにより発生するひずみおよびひずみ速度が原因とされており、その発生と力学的パラメータとの関係は多数報告されていま
計算工学

ヘディング解析の頭部最大主ひずみコンター

ヘディング解析の脳パート MPS 履歴

す。軽度 DAI は最大主ひずみ33% 程度で発生するとされており [3]、図10の履歴の通り、今回は DAI に至る値とはなっていないことがわかります。
図11は IRV にて AIS2相当（中等度）の脳傷害リスクを算出したものです。ここでは MPS と、頭部重心の三軸合成加速度から求められる BrIC（Brain Injury Criterion）の指標を用いています。いずれも AIS1（軽症）の評価を行うと100% のリスクとなっていましたが、AIS2のリス
ク % は高くないことから、傷害の程度としては軽症が見込まれるということになります。
続いて、胸トラップの解析を図12の通り設定しました。衝突速度はヘディングと同様に、小学生の平均的なキック速度を参照しています。

（28-3）

Vol.28, No.3 2023

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人体傷害解析モデル THUMS® の活用―スポーツ関連事例への適用編―

護具装着の重要性の提言や、保護具の性能検討に役立てるものと考えます。

図13
図11

胸トラップ解析の心臓パート MPS 履歴

IRV による AIS2相当の脳傷害リスク評価結果（ヘディング解析）

図14

胸トラップ解析における最大主ひずみコンター（reference value:30%）

5

図12

胸トラップ解析のボール衝突角度と速度

このように胸にボールが衝突する状況で起きる傷害としては心臓震盪があり、これは胸部に比較的弱い衝撃が加わることで不整脈となり、心肺停止を起こしてしまう病態です [4]。野球ボールなどの小さいボールの衝突によって発生しやすいことがわかっていますが、日本国内ではサッカーボールでの発生例もいくつか報告されています。
ここでは、心臓を構成するソリッドパートの最大主ひずみの値とその分布を確認します。図13に IRV で表示した心臓のパートの MPS 履歴を表示していますが、一番高いところで54%（0.00875s 付近）となっていました。心臓の組織損傷が始まるひずみは30% と言われているため [5]、何らか心臓に傷害が発生してもおかしくない結果となっていることがわかりました。
図14は3つの時点における心臓の最大主ひずみ分布を表示しています。損傷が始まるとされる30% 以上のひずみが、左心室付近を中心に発生しています。心臓震盪は、左心室への衝撃により起こりやすいことがわかっており [4]、今回の解析のような一般的な状況でも心臓震盪が発生しうる条件は揃うことがわかりました。
本ケースをもとに、胸部に心臓震盪対策として保護具を装着したケースの結果との比較を行うことで、保計算工学

バレーボールのレシーブ解析

次に、バレーボールのレシーブを再現した解析結果
を 紹 介 し ま す。 こ こ で は、 傷 害 評 価 は 行 わ ず に、THUMS® のデフォルトの筋活性設定がこのようなケースでどの程度作用するかを見ていきます。
モデルの概要は図15に示す通りです。ここでの球速は、一般的なバレーボール選手のアタック速度を参考に設定しています。THUMS® は標準体型成人男性モデル（Ver.6.1 AM50 Occupant）を姿勢変更して利用しており、 姿 勢 制 御（Relaxed）の 筋 活 性 と 非 活 性（Noactivation）の2種類を適用しました。また、計算コスト削減のために下肢については剛体化しています。
解析におけるボールの設定値は表2の通りで、これは国際バレーボール連盟のインドア用バレーボールの規定値（検定球5号）に基づいています。なお、ボールの材質に関しては簡易的に設定しています。

（28-4）

図15

レシーブ解析条件（青：変形体、赤：剛体）
Vol.28, No.3 2023

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人体傷害解析モデル THUMS® の活用―スポーツ関連事例への適用編―

表2

6

バレーボールモデルの設定値

項目
内圧
周囲長
質量

設定値
0.32kgf/cm2650mm
270g

図16にて、まずは Relaxed の筋活性設定が適用されている場合と、非活性状態を指す No Activation が適用されている場合で、どのように挙動が変わってくるかを示しています。
THUMS® の筋活性の概要については本チュートリア
ルシリーズの初回（Vol.28, No.1）で詳しく紹介していますが、初期の姿勢に戻すように能動化レベルが算出され、筋力が発生する仕組みとなっています。よって、部位の移動が小さい初期の状態では大きな筋力が発生しないため、ほぼ No Activation と同じ挙動となり、部位の移動が進んでいくと筋力により部位が元の位置に戻り始める（0.04s 付近）挙動となります。
デフォルトの筋活性設定はあくまで受動的な機能であるため、初期からボールを押し返す方向に筋力を発生させるなど、あるタイミングで能動的に筋力を発生させたい場合は、試験で得られた筋電図を入力するなどのカスタマイズの必要があります。

図16

レシーブ挙動比較（赤：Relaxed、青：No Activation）

デフォルトの Relaxed の筋活性設定の結果から、追加でボール打撃箇所のミーゼス応力分布を示したのが図17になります。傷害予測はあまり考えられないケース
ではありますが、このように感応に関わる結果を数値データとして取得できることが、THUMS® を適用する利点であると考えます。

選手同士の接触による靭帯断裂解析

サッカーやラグビーなどでよく脚部に起きる傷害として、靭帯断裂があります。THUMS® においてこの傷害がどの程度再現できるのかをここでは確認していきます。解析条件は図18に示す通りです。THUMS® はいず れ も 標 準 体 型 成 人 男 性 モ デ ル（Ver.6.1 AM50
Occupant）を使用していますが、筋活性は No Activationとしています。

図18

靭帯断裂解析の条件

衝突時の膝周り靭帯の挙動と最大主ひずみ分布を図19に示しています。
衝突方向と反対側の内側側副靭帯から断裂し、前十字靭帯、外側側副靭帯と断裂していきます。現象の後半では下腿部の離脱が過大に見える箇所があり、この点に関しては膝周りが実際よりも単純化されていることが原因と考えられます。
THUMS® を利用した他の解析報告でも、靭帯の損傷が 通 常 は 骨 と 靭 帯 の 境 界 で 発 生 す る と こ ろ を、
THUMS® の場合は靭帯の中間で起きることを指摘されており [6]、膝周りに関してより詳細に評価するのであれば、靭帯等の形状、材料特性、破断設定の改善などの余地があるとされています。

図19

膝周り靭帯の挙動と最大主ひずみ分布（reference value:20%）

図17

計算工学

レシーブ時の腕のミーゼス応力分布（28-5）

Vol.28, No.3 2023

チュートリアル

7

人体傷害解析モデル THUMS® の活用―スポーツ関連事例への適用編―

おわりに

今回はスポーツに関連する事例に対して THUMS® を適用した例をご紹介しました。このチュートリアルでは条件を簡易的に再現した際に、THUMS® でどのような結果が見られるか、どのような点が課題と考えられるか、といった言及のみに留まってしまいましたが、本稿で示した事例が皆様の THUMS® の解析利用のための一助となれば幸いです。
■参考文献
[1]

[2]

[3]

[4]
[5]

[6]

Takhounts,E.G., Craig,M.J., Moorhouse,K., McFadden,J.,"Development of Brain Injury Criteria (BrIC)", Stapp Car
Crash Journal Vol57 (2013)
谷口太一、肥合康弘、大石康晴、 青少年期のサッカー選手におけるキック脚速度とボールの飛距離の関連 、(2008)
Deck, C. and Willinger, R.: Improved head injury criteria
based on head FE model, Int. J. of Crashworthiness, 13(6),667-678, (2008).
牧野伸司、和井内由充子、 心臓震盪（しんぞうしんとう）とは 、慶應保健研究、35(1), 007-011, (2017)
Shigeta, K., Kitagawa, Y., Yasuki, T., Development of Next
Generation Human FE Model Capable of Organ Injury
Prediction , Proc. 21st ESV Conference, 09-0111, (2009)
Thomas Cloake, Christophe Bastien, Joseph Hardwickez,
Demetrios Venetsanos, Clive Neal Sturgess, A critique of theTHUMS lower limb model for pedestrian impact
applications , 13t'h European LS-DYNA Conference 2021.

計算工学（28-6）

Vol.28, No.3 2023